桂林電子科技大學(xué) 郭振威 黃結(jié)梅 諸葛致 吳軍科

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)是一門綜合性和實(shí)踐性相結(jié)合的課程。線路保護(hù)主要是討論高壓輸電線路發(fā)生故障的保護(hù)，由于其難以進(jìn)行實(shí)地操作，并且通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)演示故障過(guò)程中電流電壓變化以及斷路器動(dòng)作來(lái)進(jìn)行教學(xué)，而MATLAB/Simulink具有豐富的電力系統(tǒng)功能模塊，可作為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)輔助教學(xué)工具。利用軟件建立仿真模型，通過(guò)改變電路參數(shù)，分析在不同電路狀態(tài)下的電力系統(tǒng)情況，既能豐富教師的教學(xué)手段，更有助于學(xué)生更深刻地理解課本知識(shí)。

本文通過(guò)MATLAB/Simulink輔助教學(xué)工具構(gòu)建電力系統(tǒng)的仿真模型，分析分支電路對(duì)限時(shí)電流速斷保護(hù)的影響。教學(xué)內(nèi)容如下：（1）了解限時(shí)電流速斷保護(hù)的原理與整定方法；（2）了解分支電路對(duì)限時(shí)電流速斷保護(hù)的影響。

1 限時(shí)電流速斷保護(hù)原理構(gòu)成

三段式電流保護(hù)由電流速斷保護(hù)（電流Ⅰ段）、限時(shí)電流速斷保護(hù)（電流Ⅱ段）和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)（電流Ⅲ段）構(gòu)成。

電流速斷保護(hù)是當(dāng)線路突然發(fā)生短路故障引起短路電流突增時(shí)瞬間動(dòng)作的保護(hù)，具有速動(dòng)性，但為了確保下一線路發(fā)生故障時(shí)其保護(hù)能正常動(dòng)作，無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng)。而限時(shí)電流速斷保護(hù)是對(duì)電流速斷保護(hù)無(wú)法保護(hù)線路全長(zhǎng)而進(jìn)行的補(bǔ)充保護(hù)，因此對(duì)限時(shí)電流速斷保護(hù)的要求是能保護(hù)線路全長(zhǎng)，并具有一定的快速性，同時(shí)也要保證下一線路保護(hù)的優(yōu)先可靠動(dòng)作。限時(shí)電流速斷保護(hù)的保護(hù)原理為：通過(guò)電流互感器測(cè)量線路的電流值，將測(cè)量值與預(yù)先設(shè)定的繼電器上下閾值進(jìn)行比較，若線路電流值在閾值范圍內(nèi)或高于閾值上限則繼電器動(dòng)作，斷路器接收到繼電器信號(hào)后立即切斷線路，保護(hù)電力系統(tǒng)安全。不同點(diǎn)在于，為了保證下一條線路的電流速斷保護(hù)能可靠動(dòng)作，需帶有一定時(shí)限。通常延時(shí)時(shí)間為0.5s。

2 分支電路對(duì)限時(shí)速斷保護(hù)的影響

在實(shí)際電力系統(tǒng)中，限時(shí)電流速斷保護(hù)的整定常常受電源和線路情況影響，主要分為以下三種情況：

（1）助增電流：分支電路中有電源，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障線路電流將增大，分支電流中的電流稱為助增電流。助增電流的存在會(huì)影響線路的保護(hù)。為了確保限時(shí)速斷保護(hù)能可靠動(dòng)作，引入了分支系數(shù)進(jìn)行整定值的校正。分支系數(shù)Kb的計(jì)算公式如下：

由上式可知助增分支所在的電路的分支系數(shù)大于1。

（2）外汲電流：分支電路中有并聯(lián)電路，當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí)，故障電流將減小，分支電路中的電流稱為外汲電流。此時(shí)的分支系數(shù)小于1。

（3）助增電流與外汲電流同時(shí)存在：此時(shí)的分支系數(shù)應(yīng)結(jié)合系統(tǒng)的運(yùn)行方式分析，其數(shù)值可能大于1也有可能小于1。

3 電力系統(tǒng)的MATLAB/Simulink仿真模型

本文以110kV電力系統(tǒng)為例，探討應(yīng)用MATLAB/Simulink輔助分析不同分支線路對(duì)限時(shí)速斷保護(hù)整定的影響。如圖1所示，首先分析帶有分支電源線路的情況， MATLAB/Simulink建模如圖2所示。

圖1 帶分支電源的110kV統(tǒng)接線圖

圖2 帶分支電源的110kV系統(tǒng)的Simulink仿真模型

在本系統(tǒng)中，線路AB配有三段式電流保護(hù)，分別是電流速斷保護(hù)、限時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，如圖3所示。線路BC配有兩段電流保護(hù)，分別是電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。

圖3 三段式電流保護(hù)的Simulink仿真模型

限時(shí)電流速斷保護(hù)的仿真建模如圖4所示。

圖4 限時(shí)電流速斷保護(hù)的Simulink仿真模型

4 限時(shí)電流速斷保護(hù)電流保護(hù)仿真分析

在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，保護(hù)1保護(hù)范圍末端M點(diǎn)（即與保護(hù)2限時(shí)電流保護(hù)配合點(diǎn)）發(fā)生三相短路，助增電源EB投入運(yùn)行，此時(shí)流過(guò)線路AB保護(hù)和線路BC保護(hù)的短路電流如圖5所示。

圖5 流過(guò)線路AB保護(hù)和線路BC保護(hù)的短路電流

在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下，保護(hù)1保護(hù)范圍末端M點(diǎn)故障時(shí)，助增電源EB投入運(yùn)行。由于助增電流使得此時(shí)的流過(guò)線路AB的短路電流低于保護(hù)1的電流速斷保護(hù)整定值，此時(shí)需要引入分支系數(shù)進(jìn)行限時(shí)電流整定值的校正。的計(jì)算可利用圖4中的數(shù)據(jù)，經(jīng)計(jì)算可知，分支系數(shù)大于1。

在進(jìn)行校正后，線路AB的限時(shí)電流速斷保護(hù)可靠動(dòng)作，如圖6所示。

圖6 校正后的電流Ⅱ段保護(hù)（助增電流）

在圖1基礎(chǔ)上，BC線路為并聯(lián)雙回路時(shí)，分析分支外汲電流對(duì)保護(hù)2限時(shí)電流速斷保護(hù)整定的影響，電力系統(tǒng)接線圖如圖7所示，Simulink仿真模型如圖8所示。首先分析系統(tǒng)助增電源EB不投入運(yùn)行的情況，保護(hù)1保護(hù)范圍末端M點(diǎn)（即與保護(hù)2限時(shí)電流保護(hù)配合點(diǎn)）發(fā)生三相短路，由于保護(hù)3所在線路BC’分流的影響，使得此時(shí)的流過(guò)線路AB的短路電流高于保護(hù)1的電流速斷保護(hù)整定值。通過(guò)計(jì)算分支系數(shù)，進(jìn)行限時(shí)電流速斷保護(hù)的電流整定，最終電流Ⅱ段實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作。線路AB引入分支系數(shù)后的電流Ⅱ段保護(hù)如圖7所示。經(jīng)計(jì)算可知，分支系數(shù)小于1。

圖7 帶復(fù)合支路的系統(tǒng)接線圖

圖8 帶復(fù)合支路的系統(tǒng)接線仿真模型

考慮圖7所示系統(tǒng)，助增電源EB和BC雙回線路均投入運(yùn)行的情況，這時(shí)情況復(fù)雜，分支系數(shù)大于1還是小于1將由實(shí)際電網(wǎng)情況決定。利用圖8模型，先確定EB和BC雙回線路運(yùn)行時(shí)，保護(hù)1保護(hù)范圍末端M點(diǎn)（即與保護(hù)2限時(shí)電流保護(hù)配合點(diǎn)）。再計(jì)算M點(diǎn)三相短路時(shí)，流過(guò)保護(hù)2短路電流值。通過(guò)計(jì)算分支系數(shù)重新進(jìn)行限時(shí)電流速斷保護(hù)的電流整定，最終電流Ⅱ段實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作。線路AB保護(hù)1引入分支系數(shù)后的電流Ⅱ段保護(hù)如圖10所示。

圖9 校正后的電流Ⅱ段保護(hù)（外汲電流）

圖10 校正后的電流Ⅱ段保護(hù)（助增電流和外汲電流同時(shí)存在）

本文應(yīng)用MATLAB/Simulink仿真分析帶支路的線路限時(shí)電流速斷保護(hù)，展示了其如何作為輔助教學(xué)工具，幫助學(xué)生加深理解分支電路對(duì)限時(shí)速斷電流保護(hù)的影響，并通過(guò)引入分支系數(shù)將電流Ⅱ段實(shí)現(xiàn)可靠動(dòng)作的原理，在一定程度上幫助學(xué)生解決了難以理解電力系統(tǒng)繼電保護(hù)知識(shí)的難題，激發(fā)了學(xué)生對(duì)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的學(xué)習(xí)興趣。