基于MATLAB工頻故障分量距離保護的研究

姜曉東　劉銘　鄭艷彬

【摘要】電力系統(tǒng)的故障是通過故障信息來表征的。電力系統(tǒng)的故障狀態(tài)可視為故障前狀態(tài)與故障附加狀態(tài)的疊加，其中故障前狀態(tài)可以是各種非故障狀態(tài)，也可以是前一次故障狀態(tài)的繼續(xù)，而故障附加狀態(tài)則是由當前故障所激發(fā)的。故障分量是僅在系統(tǒng)發(fā)生故障時出現(xiàn)，而在系統(tǒng)正常運行及不正常運行時不存在的電氣分量，即它隨著故障的出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨著故障的消失而消失。所以，故障分量的存在，是電力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的表征。本文以工頻故障分量距離保護為例，使用MATLAB中的simulink功能建立仿真，驗證工頻故障分量距離保護的原理。

【關(guān)鍵詞】工頻故障分量；MATLAB；疊加原理

1.工頻故障分量的概念

故障分量是僅在系統(tǒng)發(fā)生故障時出現(xiàn)，而在系統(tǒng)正常運行及不正常運行時不存在的電氣分量，即它隨著故障的出現(xiàn)而出現(xiàn)，隨著故障的消失而消失。所以，故障分量的存在，是電力系統(tǒng)處于故障狀態(tài)的表征。故障信息實際上蘊涵于故障分量之中，因而對故障信息的提取和處理可以轉(zhuǎn)化為對故障分量的提取和處理，即通過故障分量來判別故障方向、故障類型及故障距離等。

（1）疊加原理

當電力系統(tǒng)在某種狀態(tài)（如正常運行，異常運行，兩相運行等）下運行時，在K點發(fā)生金屬性短路，故障點的電壓降為0，這時的電力系統(tǒng)狀態(tài)可用下面所示的等值網(wǎng)絡(luò)進行替代：

顯然，故障分量提取需從故障量中減去負荷分量才能得到，以m端為例有：

（2）工頻故障分量的特點

非故障狀態(tài)下不存在故障分量，故障分量僅在故障狀態(tài)下出現(xiàn)；故障分量獨立于非故障狀態(tài)，受電網(wǎng)運行方式的影響不大（有一定的影響，但比傳統(tǒng)保護小）；故障點的電壓故障分量最大，系統(tǒng)中性點處故障分量電壓為零；保護安裝處故障分量電壓電流之間的關(guān)系，取決于背后系統(tǒng)的阻抗，與故障點的遠近及過渡電阻的大小沒有關(guān)系（但故障分量值的大小受過渡電阻及故障點遠近的影響）。

2.工頻故障分量距離保護的工作原理

工頻故障分量距離保護，是一種通過反應工頻故障分量電壓，電流而工作的距離保護。如下圖：

保護安裝處的工頻故障分量電壓可以表示為：。

取工頻故障分量距離元件的工作電壓為：；（式中—為保護的整定阻抗，一般取為線路正序阻抗的80%-85%）。

下圖為在保護區(qū)內(nèi)，區(qū)外不同地點發(fā)生金屬性短路時電壓故障分量的分布，式中的對應圖中的Z點電壓。

在保護區(qū)k1點短路[如圖（b）所示]時，在0與連線的延長線上，這時有：。

在正向區(qū)外k2點短路[如圖（c）所示]時，在0與的連線上，

在反向區(qū)外k3點短路[如圖（d）所示]時，在0與的連線上，

由于工頻故障分量距離保護：?？梢?，比較工作電壓與電源電動勢幅值大小就可以區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外的故障，所以工頻故障分量距離保護元件的動作判據(jù)可以表示為：滿足該式判定為區(qū)內(nèi)故障，保護動作；不滿足該式，判定為區(qū)外故障，保護不動。

3.工頻故障分量距離保護的仿真

在matlab中使用simulink功能建立工頻故障分量距離保護的仿真模型，設(shè)置參數(shù)：三相電壓Ua=10.5kv；頻率為50hz；線路阻抗為0.01273-0.3864；線路長度為10km。故障發(fā)生時間是0.04秒開始到0.05秒結(jié)束。假設(shè)A相發(fā)生金屬接地性短路并且進行仿真，下圖3-1為仿真的模型：

當仿真開始后觀察scope1中的電壓波形為圖3-2所示：

將scope1顯示的波形用矩陣的樣式表示在workspace當中，然后用簡單的程序提取出電壓故障分量如圖3-3所示：

然后使用傅里葉變換提取工頻故障分量，得到電壓的工頻故障分量Ua為：4192.4kv。再用同樣的方法，只需改變測量位置，可以得到電流的波形圖，如圖3-4：

再次使用傅里葉變換提取工頻故障分量，得到電壓的工頻故障分量Ia為：43724A。由于Z=Ua/Ia=4192.4/43724=0.09588。然后使用Z的大小去除以線路的阻抗可以得到：L=0.09588/0.01273=7.53207km。因為7.53207<8.0（距離保護一般保護為整條線路的80%-85%）。所以表示這個故障為區(qū)內(nèi)故障。建立的模型也是區(qū)內(nèi)故障模型，所以可以得到驗證。

使用同樣仿真模型，將仿真中的故障改變到不同的位置，即可驗證區(qū)外故障，反向區(qū)內(nèi)故障，反向區(qū)外故障發(fā)生時的工頻故障分量距離保護。

4.結(jié)論

本文對利用疊加原理對工頻故障分量的概念進行了闡述，說明了工頻故障分量的特點，并且分析了工頻故障分量距離保護的工作原理。使用MATLAB中的SIMULINK功能建立了工頻故障分量距離保護的仿真模型，實施仿真，驗證了工頻故障分量距離元件的動作判據(jù)。根據(jù)距離保護的特點，工頻故障分量距離保護可以作為快速距離保護的1段，用來快速切除1段范圍內(nèi)的故障。

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