輸電線路縱聯(lián)保護(hù)的研究

唐菊生

【摘 要】本文主要針對輸電線路發(fā)生三相短路故障時，輸電線路縱聯(lián)保護(hù)進(jìn)行研究。首先通過導(dǎo)引線介紹了輸電線路縱聯(lián)保護(hù)的概念和基本原理。然后介紹了縱聯(lián)保護(hù)中差動繼電器特性、縱聯(lián)保護(hù)的一般構(gòu)成方式。最后通過matlab中simulink構(gòu)建仿真模塊，提出一種電流縱聯(lián)差動保護(hù)的建模及仿真方法。

【關(guān)鍵詞】輸電線路；電流縱聯(lián)差動保護(hù)；Matlab/Simulink

中圖分類號： TM773 文獻(xiàn)標(biāo)識碼： A 文章編號： 2095-2457（2017）20-0070-003

Research on Transmission Line Pilot Protection

TANG Ju-sheng

（Anhui Institute of Electrical and Information Engineering， Anhui Huainan 232001，China）

【Abstract】In this paper， the transmission line pilot protection is studied when the three-phase short-circuit fault occurs. Firstly， the concept and basic principle of transmission line pilot protection are introduced. Then， the characteristics of differential relay and the general form of longitudinal protection are introduced. Finally， a simulation model of current differential protection based on Simulink in MATLAB is proposed.

【Key words】Transmission；Current longitudinal differential protection；Matlab/Simulink

0 引言

電力系統(tǒng)中輸電線路運(yùn)行要求安全穩(wěn)定，這就需要線路上裝設(shè)具有無延時、有選擇地切除線路上任意故障點(diǎn)的保護(hù)裝置。輸電線路的縱聯(lián)保護(hù)就是基于這種要求下產(chǎn)生的。它能夠很好地反應(yīng)線路兩側(cè)的電氣量，區(qū)分開本線路末端和相鄰線路始端或?qū)?cè)母線處的故障，從而達(dá)到有選擇地快速地切除全線故障的目的。本文將在簡要介紹縱聯(lián)保護(hù)相關(guān)原理的基礎(chǔ)上，提出一種輸電線路縱聯(lián)保護(hù)的建模和仿真方法，以達(dá)到防止內(nèi)、外部短路故障對線路的影響。

1 輸電線路縱聯(lián)保護(hù)的概念與原理

輸電線路的縱聯(lián)保護(hù)，就是將輸電線路兩端或各端的保護(hù)裝置通過某種通道方式縱向連接起來，各端的電氣量通過通信通道傳送到對端并進(jìn)行比較，進(jìn)而判斷故障發(fā)生在保護(hù)區(qū)的范圍內(nèi)部還是外部從而決定是保護(hù)是否動作。簡而言之，輸電線路縱聯(lián)保護(hù)就是一種裝置，能夠?qū)⒕€路一側(cè)電氣量的傳輸?shù)搅硪粋?cè)去，使得線路兩側(cè)之間建立縱向的聯(lián)系。

引導(dǎo)線縱聯(lián)差動保護(hù)，又稱縱聯(lián)差動保護(hù)，它是利用輔助導(dǎo)線作為通信通道的縱聯(lián)電流差動保護(hù)。下圖1-a、1-b中線路MN兩側(cè)分別裝設(shè)參數(shù)、特性完全相同的電流互感器，兩側(cè)靠近母線的一側(cè)均為電流互感器的一次回路的正極性，二次回路的同極性端子連接，電流互感器的二次端子上并連差動繼電器KD。

規(guī)定母線流向被保護(hù)的線路電流的方向?yàn)閮啥艘淮坞娏鞯恼较?。圖1-a中線路在正常運(yùn)行時，設(shè)線路的電流L從M端流入，從N端流出，按照正方向標(biāo)準(zhǔn)，線路兩側(cè)電流M和N剛好反向，且M=-N。電流互感器二次電流可表示為式（1）、（2）。

'M=（1）

'N=（2）

式中'M、'N分別為兩側(cè)電流互感器的二次電流，、則為兩側(cè)電流互感器的勵磁電流，兩側(cè)電流互感器的電流比為n。

流入差動繼電器的電流為式（3）。

K=+（3）

將I=-I代入上式得

K==I（4）

式中，I為不平衡電流。

當(dāng)線路外部K2處發(fā)生短路故障時，電流互感器的一次、二次電流方向和正常工作模式下一樣，流入差動繼電器的電流仍為不平衡電流，由于發(fā)生短路，短路后一次測的電流比正常運(yùn)行的負(fù)荷電流大得多，故此時I大得多。當(dāng)線路流過最大外部短路電流時，流入差動繼電器的電流則為最大不平衡電流I，得

I=KerKstIk max/nTA（5）

式中Ker為電流互感器的最大相對誤差；Kst為電流互感器的同型系數(shù)，兩側(cè)互感器型號相同取0.5，不同取1；Ik max為保護(hù)區(qū)外部最大短路電流。

圖1-b中，當(dāng)線路內(nèi)部發(fā)生短路故障時，M、N兩側(cè)的電流均為正。這時流入差動繼電器的電流為：

=+=-（6）

式中，故障點(diǎn)的總電流。由式（4）和（6）知，內(nèi)部短路時流入差動繼電器的電流遠(yuǎn)大于正常運(yùn)行或外部短路時流入差動繼電器的不平衡電流，因此可瞬間跳開線路兩側(cè)的斷路器，實(shí)施保護(hù)動作。

3 帶有制動線圈的差動繼電器特性

帶有制動特性差動保護(hù)中，差動繼電器中有兩組線圈，通過制動線圈流向兩側(cè)互感器的“循環(huán)電流”為|m-n|，制動功率在正常運(yùn)行和外部短路增強(qiáng)，動作線圈中流過兩側(cè)互感器的“和電流”為|m-n|，制動功率在內(nèi)部短路時減弱，相反，此時動作的功率增強(qiáng)。其電磁式繼電器的結(jié)構(gòu)原理和動作特性分別為如圖2、3所示。

繼電器的動作方程為

式中，K為制動系數(shù)，一般小于1。Iop0是克服繼電器動作機(jī)械摩擦或保證電路狀態(tài)發(fā)生翻轉(zhuǎn)需要的值。endprint

動作電流|m+n|不是定值，是隨制動電流|m-n|變化而變化，這種特性稱為制動特性。制動特性在電流差動保護(hù)中得到廣泛的應(yīng)用，不僅提高了內(nèi)部短路時的靈敏性而且提高了當(dāng)外部短路時，保護(hù)不動作的可靠性。

4 縱聯(lián)保護(hù)的建模與仿真

4.1 電力系統(tǒng)的仿真模型

雙側(cè)電源供電的電力系統(tǒng)如圖4所示：兩側(cè)電源電勢分別為=115∠10°kV，=105∠kV。頻率均為50Hz，線路MN長度為50km，采用LGJ-240/40型架空線路，保護(hù)1和保護(hù)2處電流互感器的電流比為600/5，線路兩端K1、K2為發(fā)生三相短路故障點(diǎn)，為了簡化仿真，設(shè)置線路阻抗、阻抗角、兩電源內(nèi)阻相同為Zs.M=Zs.N=Zs=0.226∠73.13°Ω。

根據(jù)以上參數(shù)，構(gòu)建Simulink仿真模型。M、N選用“Three-Phase Source”模塊，電流互感器選用“Saturable Transformer”模塊，線路MN選用“Three-Phase PI Section Line”模塊。線路MN兩側(cè)都設(shè)置三相電壓電流測量模塊“Three-PhaseV-I Measurement”。故障模塊選用“Three-Phase Fault”。為了簡化仿真，線路兩端只在A相設(shè)置了電流互感器，B相、C相類似單獨(dú)設(shè)置。電流互感器模塊兩側(cè)的電壓比為1：120，即電流比為600/5，設(shè)置兩個互感器模型“Saturation characteristic”的數(shù)值，使得兩側(cè)互感器特性不完全相同，以仿真不平衡電流的情況。線 路1、2、3的長度分別為30km、20km、0.01km。

（1）當(dāng)M端K1點(diǎn)發(fā)生三相短路，將Fault1模塊中Transition times為[0.3 0.5]，故障模塊中過渡電阻為0時會出現(xiàn)錯誤，設(shè)置為0.01歐姆。Fault2模塊Phase A、B、C Fault三個選項不選，即設(shè)置Fault2不動作。

（2）當(dāng)N端K2點(diǎn)發(fā)生三相短路，將Fault2模塊中Transition times為[0.3 0.5]，故障模塊中過渡電阻為0時會出現(xiàn)錯誤，設(shè)置為0.01歐姆。Fault1模塊Phase A、B、C Fault三個選項不選，即設(shè)置Fault1不動作。

4.2 電流差動元件仿真模型

電流差動元件動作特性如圖3所示，差動電流為Iact=|m+n|，即兩側(cè)電流向量和的幅值。制動電流為Ires=Kres|m-n|，即兩側(cè)電流向量差的幅值乘以制動系數(shù)。對于圖3線路MN的A相電流差動元件的仿真模型如圖5所示，其中制動取0.5。

5 仿真結(jié)果與分析

（1）當(dāng)K1點(diǎn)發(fā)生三相短路故障時，運(yùn)行仿真，得到電流互感器二次電流Iam、Iam，差動電流Iact、Ires制動電流的波形如圖7所示。此處為縱聯(lián)差動保護(hù)區(qū)MN線路的內(nèi)部故障，從圖中可以看出差動電流遠(yuǎn)大于制動電流，也遠(yuǎn)大于圖8外部故障時流入電流互感器的不平衡電流，保護(hù)能夠可靠的動作。

（2）當(dāng)K2點(diǎn)發(fā)生短路故障時，電流互感器二次電流Iam、Ian，制動電流Iact，差動電流Ires的仿真波形如圖8所示。從圖中可以看出差動電流小于制動電流，所以當(dāng)故障發(fā)生在縱聯(lián)保護(hù)的區(qū)的外部時，保護(hù)可靠不誤動。

6 結(jié)論

本文主要研究輸電線路縱聯(lián)保護(hù)中的電流縱聯(lián)差動保護(hù)。介紹了輸電線路縱聯(lián)保護(hù)的概念、原理，差動保護(hù)特性以及縱聯(lián)保護(hù)的一般構(gòu)成方式，提出了一種電流縱聯(lián)差動保護(hù)的建模和仿真方法。

利用Matlab軟件中Simulink構(gòu)建仿真模塊。通過仿真比較內(nèi)部和外部發(fā)生三相短路故障時電流互感器的差動電流與制動電流大小的方法，使得該仿真模型可以有效的驗(yàn)證繼電保護(hù)動作的速動性、選擇性、靈敏性、可靠性。

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