第３５卷第４期 ２０ｌ８年８月 华东交通大学学报 Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅａｓｔ Ｃｈｉｎａ Ｊｉａｏｔｏｎｇ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ｖ０１．３５ Ｎｏ．４ Ａｕｇ．，２０１８ 文章编号：１００５－０５２３（２０１８）０４—０１０６－０６ 基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的低压交流断路器建模与仿真 傅军栋 ，丁雨彤 ，涂习武。 （１．华东交通大学电气与自动化工程学院，江西南昌３３００１３；２．湖北省建筑设计院，湖北武汉４３０２１２） 摘要：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台自带的断路器模块功能简单，不能满足建筑配电仿真需要。低压交流断路器实现线路保护的的主要功 能单元为短延时脱扣器和长延时脱扣器，通过分析２种脱扣器的功能，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中搭建两种脱扣器的仿真模型，并在交流配 电系统中验证．仿真结果表明新建的两种脱扣器满足保护功能要求，适用于建筑配电仿真。 关键词：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真；低压断路器；短延时脱扣器；长延时脱扣器；建筑配电 中图分类号：ＴＭ７２１ 文献标志码：Ａ 目前建筑供配电设计主要使用ＡｍｏＣＡＤ、天正电气、浩辰电气等设计软件，这些软件只提供简单的单个 设备负荷计算功能，无法对整个供配电系统进行仿真 １。ＳＩＭＡＲＩＳ Ｄｅｓｉｇｎｔ％￣较完善，可以对配电系统进行 仿真计算，但只有稳态计算的电压（Ｕ Ｖｏｌｔａｇｅ）、电流（Ｉ Ｃｕｒｒｅｎｔ）和功率（Ｐ Ｐｏｗｅｒ）因数数据，无法通过波形直 观分析系统运行状态，无法进行暂态分析。 因缺乏仿真设计，设计时为考虑实际使用的安全性，变压器、断路器、电缆等选用比实际需要偏大，既加 大了投资又造成浪费『５ ：对系统实际运行状态无法较全面的估计，器件参数选择不合理，造成配电系统在实 际使用时发生欠电压、三相电流不平衡等情况。同时建筑供配电课程教学中，实物实验较难进行，仿真实验 缺乏仿真系统，学生不能直观的了解和分析建筑供配电系统各组成部分和电气元件功能。 而电力网设计，已经发展到了仿真设计阶段，Ｍａｔｌａｂ、ＡＴＰ—ＥＭＴＰ、Ｐｏｗｅｒ Ｗｏｒｌｄ、ＰＳＡＳＰ等软件能对电力 系统进行仿真，使电网设计更接近实际，同时也能发现设计的不合理之处并帮助设计者进行优化设计 。 电力系统课程相关的学习也会应用Ｍａｔｌａｂ、ＥＭＴＰ、ＰＳＡＳＰ等软件，使学生较能直观的了解和分析电力系统 运行过程。 利用Ｍａｔｌａｂ／Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真软件参照电力系统建模和分析方法，对建筑供配电系统进行建模分析有利 于检验负荷、短路计算是否准确，有利于直观观测系统各部分运行状态，有利开展有关建筑供配电系统相 关的其它研究，有利于解决大部分供配电实验无法在实验室进行，学生不能直观的分析建筑供配系统的 常见问题。 １低压配电断路器模块 １．１ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ自带断路器模块 建筑供配电系统的主要器件包括变压器、线缆、断路器、隔离开关，以及各类用电设备和监测计量仪表。 在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真平台中，变压器、线缆以及各类用电设备能满足建筑供配电系统仿真要求，但供配电系 统中重要的保护器件低压断路器却十分简单。 收稿日期：２０１８－０３—１４ 作者简介：傅军栋（１９７２一），男，副教授，研究方向为电力系统、建筑电气及智能化 第４期 傅军栋，等：基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的低压交流断路器建模与仿真 系统自带的断路器模块相当于串联１个电阻的理想开关，只是简单的开断。而实际配电使用的断路器 是根据线路电流大小来延时选择开断；因此系统自带的断路器模块不能满足配电系统仿真需要。需按实际 断路器动作特性建立新的断路器仿真模块用于配电系统仿真。 １．２低压交流断路器工作原理 断路器的分断功能由过电流脱扣器完成，过电流脱扣器包括定时限过流脱扣器（又称短延时电流脱扣 器）和反时限过电流脱扣器（又称长延时过电流脱扣器）。短延时过流脱扣器实现断路器短路保护功能，长延 时脱扣器实现断路器过载保护功能。 低压交流断路器工作原理【ｌｌ ３１如图１所示。线路正常时，电磁铁Ｐ闭合，锁扣和卡ｔ：１锁住，主触头ａ接通 电路。当线路中发生短路时，瞬时脱扣器ｇ中的电磁铁产生的吸力大于反力弹簧ｋ的弹力，衔铁ｉ向下带动 杠杆ｅ向上运动，锁扣ｅ和卡扣ｂ脱扣，弹簧ｆ拉动锁扣ｂ向左运动，断路器动静触头断开，实现对电路的短 路保护［１４１ 图１ １氐压断路器原理图 Ｆｉｇ．１ Ｓｃｈｅｍａｔｉｃ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｌｏｗ－ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ 当线路过载时，热脱扣器电热丝ｍ发热使热双金属片ｌ向上弯曲变形，推动杠杆ｅ运动实现过载脱扣。 当线路低于正常电压一定值时，欠压脱扣器ｈ中的电磁铁所产生的电磁力不足以克服弹簧ｋ的拉力，衔铁ｊ 向上运动，同时推动杠杆ｅ向上运动，实现欠压脱扣＿ｌ５］。 ２新建断路器脱扣器模型 ２．１短延时过电流脱扣器建模 断路器的短路脱扣动作靠瞬时脱扣器完成，在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中，可将其简化为一个电流比较模型，当电流超 过设定值（断路器整定电流）时，开关断开，实现断路器的瞬时脱扣功能。 如图２所示，线路电流转换为有效后与断路器电流整定值比较，当线路电流超过整定值时，比较器输 出１，经延时器延时后控制理想开关断开。但是，由于系统为开环控制，当开关断开后，线路电流变为０，比电 流整定值小，比较器输出为０ 开关又会闭合，此后开关会不断的开闭，系统输出不稳定。增加反馈环节，将 模型改为闭环系统．以使系统输出稳定。 根据模型框图在Ｓｉｍｕｌｉｎｋ仿真环境下建立的瞬时、定时限过电流脱扣器模型如图３所示。“Ｄｉｓｃｒｅｔｅ ＲＭＳ ｖａｌｕｅ”为有效值转换模块：“Ｃｕｒｒｅｎｔ Ｓｅｔ”设置电流整定值；“ＣＭ”为电流测量模块，输出电流数值；“Ｔｉｍｅ Ｓｅｔ”设置延时时间，一般为Ｏ．０２ ｓ；“Ｖａｒｉａｂｌｅ ＴｒｉｍｅＤｅｌａｙ”为延时模块；“ｉｎ１”为输人端；“ｉｎ２”为输出端；“Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ”为理想开关；“ｇ”端信号控制开关开断。 １０８ 华东交通大学学报 ２０１８链 图２瞬时、定时限过电流脱扣器数学模型框图 Ｆｉｇ．２ Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｏｒ ｔｉｍｅ ｌｉｍｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｌｅａｓｅ ｍｏｄｅｌ Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ 图３瞬时、定时限过电流脱扣器Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型 Ｆｉｇ．３ Ｉｎｓｔａｎｔａｎｅｏｕｓ ｏｒ ｔｉｍｅ ｌｉｍｉｔ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｍｏｄｅｌ ２．２长延时过电流脱扣器建模 长延时过电流脱扣器主要用于线路过载保护，动作时间与线路电流有关，可由时间一电流特性曲线 确定。 在断路器的时间一电流特性曲线 上取若干点，通过ｐｏｌｙｆｉｔ函数拟合出曲线的数学表达式。将２条曲线 通过Ｍａｔｌａｂ进行曲线拟合，得时间一电流曲线数学表达式“ＴｉｍｅＡｎｄＣｕｒｒｅｎｔ１”函数。 在图２的模型基础上，将延迟时间改为线路电流与整定电流的比值经时间一电流函数所求后的值，此 延迟时间随线路电流大小而变化。改进后的模型框图如图４所示。 图４长延时过电流脱扣器模型框图 Ｆｉｇ．４ Ｌｏｎｇ－ｄｅｌａｙ ｍｏｄｅｌ ｄｉａｇｒａｍ ｏｆ ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｌｅａｓｅ 长延时过电流脱扣器Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型如图５所示，“ＣｕｒｒｅｎｔＳｅｔ”设置断路器额定电流，“ＭＡＴＬＡＢ Ｆｕｎｃ— ｔｉｏｎ”调用“ＴｉｍｅＡｎｄＣｕｒｒｅｎｔｌ”函数，依据电流大小得出延迟时间，经“ＶａｎａｂｌｅＴｒｉｍｅＤｅｌａｙ”延迟控制开关“Ｉｄｅａｌ Ｓｗｉｔｃｈ”断开。 第４期 傅军栋，等：基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的低压交流断路器建模与仿真 １０９ 图５长延时过电流脱扣器Ｓｉｍｕｌｉｎｋ模型 Ｆｉｇ．５ Ｌｏｎｇ－ｄｅｌａｙ ｏｖｅｒ－ｃｕｒｒｅｎｔ ｒｅｌｅａｓｅ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｍｏｄｅｌ ３新脱扣器模块功能校验 为校验新建脱扣器模块功能的正确性。将两种脱扣器模快放在实际配电三相电路中，设置线路短路故 障，通过观测线路电流来判断新建断路器模块功能是否正确。 如图６，Ａ相“Ｂｒｅａｋｅｒ”为ＳｉｍＰｏｗｅｒＳｖｓｔｅｍＳ自带断路器模型，Ｂ相“ＬＯＣＲ”为反时限过电流脱扣器模型 （由图３模型进行封装），Ｃ相“ＳＯＣＲ”为定时限过电流脱扣器模型（由图５模型进行封装），“Ｌｏａｄ１”为１０ ｋＷ 正常负荷，“Ｌｏａｄ２”为１００ ｋＷ正常负荷，通过“３－Ｂｒｅａｋ”开关在仿真开始后０．０４ ｓ时投载，通过“Ｓｃｏｐｅ”示波 器观察各相电流波形。 一 ］－ 一 Ｊ 一［ ］一［ ］ ［ ］一 ＿＿一 ｃ （． ） １－ — ● ＜ ： ＜： Ｌｏａｄ２ １００ ｋＷ ｊ ＝｝ Ｉ： ’ Ｓｃｏｐｅ 图６过负荷简易仿真模型图 Ｆｉｇ．６ Ｓｉｍｐｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｏｖｅｒｌｏａｄ 仿真开始时，负荷Ｐｌ＝１０ ｋＷ，各相电流为 ＝ ＝１５．１９ Ａ 断路器整定电流厶设为２０ Ａ，线路电流，ｌ＜，ｎ，断路器不动作。 ＝０．０４ Ｓ时，投入负荷Ｐ２＝ｌＯ ｋＷ，线路出 现过载。此时各相电流为 ｌｌＯ 华东交通大学学报 ２０１８正 婴３ Ｕ ： ３ ｘＯ．３８ ＝１６７．０９ Ａ 值为 （２） 线路电流Ｉ２＞ｌｎ。Ａ相为ＳＰＳ自带断路器，不动作。Ｂ相为反时限过电流脱扣器，线路电流与整定值的比 寺＝ ＿８．３５ 仿真后各相电流波形如图７所示。 （３） 将ｎ＝８，３５代入“ＴｉｍｅＡｎｄＣｕｒｒｅｎｔ１”函数，求得延迟时间 Ｏ．０６ Ｓ，即断路器在仿真时间０．１ Ｓ时断开。Ｃ相为 定时限过电流脱扣器，延迟时间设为Ｏ．０２ ｓ，即断路器在仿真时间Ｏ．０６ Ｓ时断开。整个仿真时间设为０．１２ Ｓ， 媛 脚 时Ｉ司／ｓ 图７过负荷简易仿真模型各相电流波形 Ｆｉｇ．７ Ｔｈｅ ｓｉｍｐｌｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｌｏａｄ ｐｈａｓｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｗａｖｅｆｏｒｍ 图７从上至下分别为Ａ、Ｂ、Ｃ三相的相电流波形，在０．０４ Ｓ时负荷投入，三相电流急剧增大，Ａ相不动 作，Ｂ相在０．１ Ｓ时断开，Ｃ相在０．０６ Ｓ时断开，因Ｓｉｍｕｌｉｎｋ内器件非理想器件，Ｂ、Ｃ相的断开有稍许延迟，但 不影响对结果判定。 通过比较分析计算结果和仿真结果可知：短延时脱扣器在故障出现后延时０．１ Ｓ时动作，与设定时间一 致，满足设计要求，功能正确；长延时脱扣器在故障出现后延时０．０６ Ｓ动作，与理论计算延时示意一致，功能 正确。 ４ 结论 本文分析了Ｓｉｍｕｌｉｎｋ中自带断路器模块的不足，无法仿真实际中的断路器功能。根据低压交流断路器 工作原理，利用断路器时间～电流特性曲线设计新的断路器脱扣器模型。新设计的短延时脱扣器和长延时脱 扣器仿真模块的动作特性与实际的断路器几乎相同，可用于后续的供配电系统保护仿真。 验证了新建断路器模块在含电机类设备配电系统中的短路保护和过载保护作用。电机起动过程中的较 大起动电流不会引起长延时脱扣器的过载保护功能动作。 第４期 傅军栋，等：基于Ｓｉｍｕｌｉｎｋ的低压交流断路器建模与仿真 参考文献： 【１］崔振勇，高雪强，印建乎．ＣＡＤ主流软件与现代ＣＡＤ技术发展趋势【Ｊ］．现代制造工程，２００１（７）：７４—８Ｏ． ［２］北京天正软件股份有限公司．Ｔ２０天正电气软件Ｔ２０－ＥｌｅｅＶ１．０使用手册【Ｍ】．北京：中国建筑工业出版社，２０１５． ［３】苏卅Ｉ浩辰软件股份有限公司，北京鲁班建筑工作室．浩辰ＩＤ￣００５ｉ电气设计软件使用手册［Ｍ］．北京：中国水利水电出版社． ２００６． ［４】何友林．ＳＩＭＡＲＩＳ ｄｅｓｉｇｎ优化工业和民用配电设计［Ｊ］．电气技术，２０１４（Ｓ１）：４ｌ一４４． ［５】范青枫，邹万流．对建筑电气工程设计中一些问题的思考ｆＪ］．建筑电气，２０１６，３５（１）：３３—３７． ［６］傅军栋，喻勇，刘晶．低压配电网三相不平衡节能算法研究［Ｊ１．华东交通大学学报，２０１４，３ｌ（３）：１１０—１１４＋１３６． 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ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｕｎｉｔｓ ｏｆ ｌｏｗ—ｖｏｌｔａｇｅ ＡＣ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒｓ ｆｏｒ ｌｉｎｅ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ａｒｅ ｓｈｏｒｔ——ｄｅｌａｙ ｒｅｌｅａｓｅ ａｎｄ ｌｏｎｇ－ｄｅｌａｙ ｒｅｌｅａｓｅ．Ｂｙ ａｎａｌｙｚｉｎｇ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｏｆ ｔｈｅ ｔｗｏ ｔｉｐ ｕｎｉｒｔｓ，ｔｗｏ ｔｙｐｅｓ ｏｆ ｒｅｌｅａｓｅ ｍｏｄｅｌｓ ｗｅｒｅ ｂｕｉｌｔ ｉｎ Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ａｎｄ ｗｅｒｅ ｖｅｒｉｉｆｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ＡＣ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ， Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｔｗｏ ｎｅｗ ｒｅｌｅａｓｅｓ ｍｅｅｔ ｔｈｅ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ，ａｎｄ ａｌ＇ｅ ｓｕｉｔａｂｌｅ ｆｏｒ ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｓｉｍｕｌｉｎｋ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ，ｌｏｗ ｖｏｌｔａｇｅ ｃｉｒｃｕｉｔ ｂｒｅａｋｅｒ；ｓｈｏｒｔ—ｄｅｌａｙ ｒｅｌｅａｓｅ；ｌｏｎｇ－ｄｅｌａｙ ｒｅｌｅａｓｅ；ｂｕｉｌｄｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ
