《電力系統(tǒng)繼電保護原理》教材內容選擇與結構優(yōu)化

邵玉槐

(太原理工大學電氣與動力工程學院,山西太原 030024)

1 電力系統(tǒng)繼電保護課程面對的問題

電力系統(tǒng)繼電保護原理課程是電氣工程及其自動化專業(yè)中電力方向的專業(yè)必修課,對于將從事電力系統(tǒng)繼電保護工作的本科學生,必須通過這門課程的學習才能具備電力系統(tǒng)繼電保護的基本理論和應用基礎。

2000年之前依據當時電力專業(yè)教學大綱要求,我校電力專業(yè)繼電保護原理課程一直使用傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)繼電保護原理教材。當微型機繼電保護基礎一書出版后我們以此書為教材增開了選修課,以便學生能適應微型機繼電保護日益廣泛的應用和繼電保護技術不斷發(fā)展的工作需求。

隨著教學改革的深入,電力系統(tǒng)繼電保護原理課作為電氣專業(yè)電力方向的必修課,課時由70學時減為48學時,對原教材的內容,課時顯然不足。而我們是非電力院校的地方綜合性大學,不可能要求增加學時解決這個問題。另外電氣專業(yè)學生自選課程時還出現(xiàn)了不選繼電保護原理課只選微型機繼電保護基礎課的脫節(jié)狀況。教師很難做到在沒有學習繼電保護原理課程的條件下保證微型機繼電保護基礎課程的教學效果。選擇電力方向的學生也有只選繼電保護原理課作為必修課而不選微型機繼電保護基礎課程作為選修課,致使這部分學生在大學課程中只了解繼電保護作用原理而不了解微型機繼電保護新技術。

鑒于上述原因,由我主編的“電力系統(tǒng)繼電保護原理”教材在突破傳統(tǒng)教材框架方面進行了一些嘗試,將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)繼電保護原理和微型機繼電保護基礎教材中的基本理論和重要內容有機地融為一體,在內容編排上既注重課程體系的基礎性、系統(tǒng)性,同時也注入了繼電保護領域發(fā)展的新知識、新技術,在講授方法上也有不少創(chuàng)新之處。

2 教材結構的優(yōu)化

教材結構優(yōu)化的思路是將微型機繼電保護和電力系統(tǒng)繼電保護原理中的內容根據它們的內在聯(lián)系有機地融為一體,將其中最重要最基本的理論和技術如電網電流保護、微型機繼電保護基礎、電網的距離保護、輸電線路的縱聯(lián)保護、變電站綜合自動化放在教材的前幾章,作為必修課的內容。學生通過必修課的學習掌握繼電保護原理的基本理論和用微型機實現(xiàn)保護功能的基礎知識。對于在此基礎上能夠通過扼要講解或者自學可理解的內容,如發(fā)電機保護、變壓器保護、母線保護及自動重合閘放在教材的后幾章,作為選修課的內容。這樣既避免了學生選修課時出現(xiàn)脫節(jié)的問題,更有利于在有限的學時內教學安排的靈活性和有效性。

具體講就是在結構安排時,將微型機繼電保護的硬件構成原理、從電流、電壓的采樣值計算電流、電壓有效值的方法(簡稱算法)、數(shù)字濾波方法及電流保護程序流程編寫在電網電流保護內容之后,以期學生對微型機式電流保護的原理與裝置構成形成整體概念。為了給初學者一個清晰的概念和感性認識,電網電流保護用電磁型的繼電器結構和電流保護原理說明繼電保護原理。在介紹了微型機繼電保護的構成原理之后,逐步用微型機保護算法,如阻抗算法、序分量算法等和程序流程圖、邏輯框圖說明電網距離與線路差動繼電保護原理。鑒于計算機網絡在電力系統(tǒng)中的大量采用和電力系統(tǒng)光纖通信網絡的逐步形成,微機型繼電保護成為變電站綜合自動化和調度自動化中計算機自動控制系統(tǒng)的基本組成單元,還編寫了變電站綜合自動化的內容。

3 教材內容的選擇

專業(yè)課程教學的目的是讓學生了解本領域的最新技術及其原理。因此教材內容選擇的原則是突出電力系統(tǒng)繼電保護基本原理和新技術的應用,根據近年來繼電保護的原理發(fā)展和微型機繼電保護工業(yè)現(xiàn)場實際應用情況進行增刪。舉例說明如下:

例1.微型機距離保護不再是幾個阻抗繼電器并行工作,而是提取故障電壓、電流對進行阻抗計算。因此,在電網距離保護一章的阻抗繼電器接線一節(jié)中介紹過相間與接地距離保護的接線方法后,增加了故障選相與故障類型、故障相別的判別程序流程圖及其理論分析。

例2.在距離保護的振蕩閉鎖措施中介紹獲取負序分量的復相量濾序算法和正弦采樣序列的濾序算法,介紹反映振蕩期間電阻變化和反映振蕩中心電壓的對稱故障開放元件的原理,不再編入負序電流的電磁型獲取方法及其分析。

例3.由于采用光纖通道與允許式方向縱聯(lián)保護相結合的保護在超高壓和特高壓線路上獲得越來越多的應用。在輸電線路縱聯(lián)保護保護一章的通信通道一節(jié)中增加介紹了光纖通道,在方向縱聯(lián)與距離縱聯(lián)保護一節(jié)中增加介紹了工頻變化方向元件和允許式方向縱聯(lián)保護。

教材涉及這種問題的內容較多,茲不一一列舉。

4 講授方法的幾點創(chuàng)新

由于教材在結構編排上做了較大調整,同時增加了一些新的內容,為了便于學生理解,對繼電保護的一些基本原理的講授從本教材編寫的角度在方法上有創(chuàng)新之處。

4.1 阻抗繼電器動作方程的轉換

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)繼電保護原理教材中關于相位比較式阻抗繼電器在動作范圍為90°～270°時,繼電器動作條件的表達式為:

其中φC、φD分別為相量﹒C和﹒D的相位角

用微型機實現(xiàn)的同樣動作范圍的相位比較式阻抗繼電器的動作條件卻表達為:

其對應的余弦表達式為:

微型機繼電保護的算法中將式(4)左端展開,并在兩端同乘以|﹒UC||﹒UD|而得到比相動作條件的數(shù)學表達式:

UCI,UDI分別為電壓相量﹒UC、﹒UD的虛部

稱式(5)為余弦型相位比較判據

在教材中指出公式(2)不能被直接引用是因為式(2)對應的余弦表達式為

這是個不習慣的表達式。

因此在教材的118頁對相位比較阻抗繼電器動作條件的轉換以方向阻抗繼電器為例,增加了圖1,使之與公式(7)、(8)對應,并進行了說明。

當繼電器的動作條件為:

當繼電器的動作條件為:

式中﹒UK為加入保護裝置的二次測量電壓

4.2 正序電壓為極化電壓時圓特性方向阻抗繼電器動作特性分析

圖1 在方向阻抗圓特中表示的θ1與θ2的區(qū)別示意圖

在距離保護一章中,圓特性方向阻抗繼電器動作特性分析的目的是為了達到理解采用非故障相電壓或記憶電壓作為相位比較式方向阻抗繼電器的動作方程的極化電壓,可以消除方向阻抗繼電器的動作死區(qū)。這種應用使方向阻抗繼電器在被保護范圍正方向發(fā)生故障時動作特性由方向阻抗圓變?yōu)橐粋€包括坐標原點的偏移圓,測量阻抗在圓內,可靠動作。在被保護范圍反方向短路時,方向阻抗繼電器的動作特性是復平面上第一象限的一個上拋圓,測量阻抗在第三象限時,繼電器不會誤動作。這個特性對相間方向、接地方向阻抗繼電器及工頻變化量阻抗繼電器都是存在的,這個理論很重要。

由對稱分量法可知,正序電壓可由三相電壓組合而得。用正序電壓作為方向阻抗繼電器動作方程中的極化電壓,就相當于在極化電壓中引入了一個非故障相電壓。由于微型機保護很容易實現(xiàn)正序電壓的算法,因此在微型機距離保護中方向阻抗繼電器選用正序電壓作為極化電壓。

用基本原理說明這一新方法時必須使用正序極化電壓表示的動作方程與圖表示的阻抗繼電器動作特性一致。如對反方向故障分析。

以AB相間短路為例,如圖2所示,保護安裝處實際電流的方向與規(guī)定正方向相反,﹒IK=-﹒IABN,電壓是母線處電壓,從電壓互感器上獲得,其值總為正值。故障相的電壓和正序極化電壓可以表示為

圖2 反方向短路系統(tǒng)圖

式(11)中,

工作電壓:

極化電壓:

所以反方向故障情況下動作條件可以表示為:

在復平面上,該式表示反方向相間短路時,方向阻抗繼電器的動作范圍是一個以Z′S與Zset連線為直徑的上拋圓(一般情況下取Zset與Z′S同相位)如圖3所示。反方向出口短路時,測量阻抗在原點附近,遠離動作區(qū)域,可靠不動。反方向遠處短路時,-ZK位于第三象限,不可能落入圓內,阻抗繼電器也不會動作。這表明,以正序電壓為極化電壓(參考電壓)的方向阻抗元件具有明確的方向性。

圖3 反方向短路時以正序電壓為極化電壓的方向阻抗繼電器動作特性

5 結束語

綜上所述,為適應普通高校電力專業(yè)繼電保護原理課程教學需求編寫的這本“電力系統(tǒng)繼電保護原理”教材,在結構安排、內容選擇、講授方法上都有一些新的思路。該教材于2008年6月由中國電力出版社出版出版。在我校05級電氣專業(yè)學生約180人中講授時取得了良好的教學效果,學生掌握了電力系統(tǒng)繼電保護原理的基本理論,了解了微型機繼電保護的新技術,奠定了一定的應用基礎,增強了工作的信心。希望與各校同仁共同努力,探索電力系統(tǒng)繼電保護原理課程的教學改革。

[1] 邵玉槐,秦文萍.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].北京:中國電力出版社,2008

[2] 賀家里,宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護原理[M].增訂版.北京:中國電力出版社,2004

[3] 楊奇遜,黃少鋒.微型機繼電保護基礎[M].2版.北京:中國電力出版社,2005

[4] 張保會,尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京:中國電力出版社,2005