车壮

摘要：针对工厂供电课程教学缺少教学设备的情况，结合教材内容和变电所实际，设计制作供电系统继电保护实训装置。介绍继电保护实训装置功能、结构、工作原理，分析主要部分的设计及相关参数的确定，为继电保护实训装置的研制提供参考。

关键词：继电保护；实训装置；理实一体化

中图分类号：TM771 文献标识码：A 文章编号：1674-1161（2017）01-0046-03

继电保护装置是供电系统安全可靠运行的重要保障，电气专业的技术人员必须掌握相关知识和技能。为提高教学质量、培养适应企业需要的技术人员，营口市农业工程学校设计制作了继电保护实训装置。通过“理实一体化”教学，使学生更好地学习继电保护系统的基本知识，掌握元件安装、接线、参数设定、调整测试等专业技能。

1 继电保护装置的设计

1.1 结构组成

该实训装置由一次回路和二次回路两部分组成，包括立式网孔板、DW16C-630型低压断路器、电流互感器、过电流继电器、零序电流互感器、铝母板、交流接触器、时间继电器、按钮、指示灯、蜂鸣器、电压表、电流表、DZ47模数化低压断路器、端子排、插座等元件。为便于教学，所有元件垂直安装在立式网孔板上。其电气原理如图1所示。

1.2 主要功能和工作原理

实训装置可进行短路保护试验，电流速断保护試验，过负荷保护试验，单相接地保护试验，漏电保护试验，失压保护试验，缺相指示试验，电压、电流测量试验等。

工作原理：当一次电路发生短路、过负荷、单相接地等故障时，电流继电器KA1或KA2或KA3瞬时动作，闭合其触点，接通中间继电器KM2或KM3；KM2或KM3动作后，使时间继电器KT动作，同时接通信号回路，给出灯光信号和音响信号；KT经过整定时限后，其延时触点闭合，使串联的交流接触器KM1动作；KM1动作后断开失压脱扣器线圈回路（相当于接通跳闸线圈YR回路），使断路器QF跳闸，切除故障；QF跳闸后，其辅助触点QF7-8随之切断跳闸回路；在故障被切除后，所有继电器均自动返回起始状态。

1.3 主要元件技术参数

继电保护实训装置主要元件技术参数见表1。

2 继电保护装置主要部分的设计

根据教学内容、教学目标和工厂变电所实际情况，在参考工厂供电系统常用继电保护装置的基础上，设计继电保护装置。实训装置仅用于教学和实训，通过模拟试验来实现继电保护功能。电源电压以380 V和220 V低电压代替10 kV高电压，以低压元件代替相关高压元件。断路器采用DW16C-630型，可靠性高，操作便捷。继电保护装置的操作方式：动作于低压断路器的跳闸机构（失压脱扣器YR），使断路器跳闸。电流互感器的选取以负载功率为依据，具有一定的功率余量，仅需验证其二次电流是否大于过电流继电器动作电流即可。在实现继电保护功能的前提下，电气控制进行简化处理。

2.1 电流测量接线

由于电源属于中性点直接接地低压（大接地电流）系统、低压三相四线制电路，因此采用三相星形接线（见图2）来测量三相电流。在三相中各接入一只相同的电流互感器TA，电流互感器二次接入电流表PA，既可应用于负荷不平衡的三相四线制系统（TN系统），也可以用于负荷不平衡的三相三线制系统（IN系统）。电流表的表盘满量程是15 A，直接读数即可。

2.2 相间短路保护、过负荷保护接线设计

电流互感器的接线方式随测量仪表、继电保护的要求而定。电流互感器TA与启动继电器KA之间采用两相两继电器式连接方式（如图3所示）。如果一次电路发生三相短路或任意两相短路，至少有一个继电器动作，从而使断路器QF跳闸。但是，未接互感器的一相单相短路时，继电器不动作。如果一次电路发生A，C两相过负荷，则至少有一个继电器动作使断路器QF跳闸。

2.3 单相接地保护接线设计

单相接地保护又称零序电流保护，它通过检测线路中的零序电流（单相接地所产生的零序电流）使保护装置动作，实现有选择性的单相接地保护。在小接地电流系统中，若发生单相接地故障，则只有很小的接地电容电流，在相间电压不变的情况下，可暂时继续运行。必须通过无选择性的绝缘监视装置或有选择性的单相接地保护装置，发出报警信号。当单相接地危及人身和设备安全时，则动作于跳闸。

零序电流互感器TAN一次接入相线、中性线，二次接入过电流继电器KA3，流入继电器的电流等于三相电流和中性线电流之和，它反映的是零序电流，专用于零序电流保护，如图4所示。以3～10 A的负荷电流值来模拟单相接地电流值进行单相接地保护试验，设定相关参数。

3 继电保护装置相关参数整定

3.1 短路保护动作电流

短路保护采用定时限过电流保护和瞬时动作电流速断保护。定时限过电流保护的动作电流应能躲过线路的最大负荷电流，以免保护装置误动作，即Iop>IL.max；其返回电流也应躲过线路的最大负荷电流，即Ire>IL.max。正常运行时，保护装置不动作。

计算过电流保护动作电流整定值Iop的公式为：

Iop =（Krel×Kw/Kre×Ki）×IL.max （1）

式中：Krel为保护装置的可靠系数；Kw为保护装置的接线系数；Ki为电流互感器电流比；IL.max（线路最大负荷电流）；Kre为继电器返回系数，即继电器返回电流（Ire）与继电器启动电流（Iop）的比值。

DL-13型过电流继电器是瞬时动作继电器，动作电流值Iop的调节方法为平滑调节结合级进调节。

DL-13型过电流继电器的Krel=1.2，Kw=1，Kre一般为0.8。Ki=150/5=30，IL.max一般为1.5～3.0I30（I30为线路计算电流）。

当IL.max为3 A时，动作电流整定值为：Iop=（1.2×1/0.8×30）×3=0.15（A）。当IL.max为10 A时，动作电流整定值为：Iop=（1.2×1/0.8×30）×10=0.5（A）。

根據以上分析，确定DL-13型过电流继电器的电流整定范围为0.15～0.60 A。当电流继电器电流整定0.15 A、线路电流大于3.0 A时，过电流继电器动作。当电流继电器电流整定0.5 A、线路电流大于10.0 A时，过电流继电器动作。因此，以3～10 A的负荷电流值来模拟短路电流值，设置继电保护元件相关参数。

3.2 短路保护动作时间

定时限过电流保护的动作时限是按预先整定的动作时间固定不变的，与短路电流大小无关。过电流保护的动作时限应按“阶梯原则”整定，以保证前后两级保护装置动作的选择性。在后一级保护装置所保护的线路首端发生三相短路时，前一级保护的动作时间t1应比后一级保护中最长的动作时间t2大一个时间级差△t，即t1≥t2+△t。通常取△t=0.5 s。

定时限过电流保护的动作时间是利用时间继电器来整定的。当时间继电器动作时间整定为0.5 s、线路电流达到短路故障值时，过电流继电器动作，然后时间继电器动作，经过0.5 s延时，时间继电器延时触点闭合，接通信号回路和跳闸回路。以0～99 s时限进行短路保护的选择性动作试验，以及相关参数的设定和测试。

3.3 过负荷保护动作电流和时间

过负荷保护延时动作于信号，过负荷保护的动作电流，应通过线路的计算电流I30来整定：Iop（OL）=（1.2～1.3/Ki）×I30，动作时间一般取10～15 s。以3～10 A的负荷电流值来模拟过负荷电流值进行试验，设置继电保护元件相关参数。

4 继电保护装置教学应用效果

继电保护实训装置投入使用以来，教师和学生普遍反映良好。通过实物演示使抽象理论学习变得形象直观。通过相关试验，达到以下效果：一是学生观察到继电保护元件的控制过程，提高了感性认识，深入理解了继电保护控制的逻辑关系；二是了解继电保护装置的组成、结构、基本原理；三是学习继电保护元件的选择、电路分析、安装接线；四是熟悉继电保护相关计算、元件参数设定、调节测试；五是学生学习兴趣提高，相关知识和技能掌握较快，为将来适应工作岗位需要打下坚实基础。例如，电气专业毕业生就业实习时，岗位考核合格率高达100%，受到企业领导与专业人员的认可，达到为企业培养电气专业合格人才的目的。

5 结论

继电保护实训装置融合继电保护基本知识和基本技能，可靠性高，操作灵活方便，实用性强，在工厂供电课程“理实一体化”教学中，可以实现知识与技能的有机结合，使学生的知识水平和技能水平明显提高，有利于全面掌握理论知识及实践技能。

参考文献

[1] 刘学军.继电保护原理[M].北京：中国电力出版社， 2007.

[2] 刘介才.工厂供电[M].北京：机械工业出版社， 2003.

[3] 秦欢欢，张士超，李培培，等.变压器继电保护原理与应用[J].工业，2016，28（6）：00206.