應用MATLAB/Simulink分析支路對限時電流速斷保護影響的教學探索

桂林電子科技大學 郭振威 黃結梅 諸葛致 吳軍科

電力系統繼電保護是一門綜合性和實踐性相結合的課程。線路保護主要是討論高壓輸電線路發生故障的保護，由于其難以進行實地操作，并且通過現場演示故障過程中電流電壓變化以及斷路器動作來進行教學，而MATLAB/Simulink具有豐富的電力系統功能模塊，可作為電力系統繼電保護輔助教學工具。利用軟件建立仿真模型，通過改變電路參數，分析在不同電路狀態下的電力系統情況，既能豐富教師的教學手段，更有助于學生更深刻地理解課本知識。

本文通過MATLAB/Simulink輔助教學工具構建電力系統的仿真模型，分析分支電路對限時電流速斷保護的影響。教學內容如下：（1）了解限時電流速斷保護的原理與整定方法；（2）了解分支電路對限時電流速斷保護的影響。

1 限時電流速斷保護原理構成

三段式電流保護由電流速斷保護（電流Ⅰ段）、限時電流速斷保護（電流Ⅱ段）和定時限過電流保護（電流Ⅲ段）構成。

電流速斷保護是當線路突然發生短路故障引起短路電流突增時瞬間動作的保護，具有速動性，但為了確保下一線路發生故障時其保護能正常動作，無法保護線路全長。而限時電流速斷保護是對電流速斷保護無法保護線路全長而進行的補充保護，因此對限時電流速斷保護的要求是能保護線路全長，并具有一定的快速性，同時也要保證下一線路保護的優先可靠動作。限時電流速斷保護的保護原理為：通過電流互感器測量線路的電流值，將測量值與預先設定的繼電器上下閾值進行比較，若線路電流值在閾值范圍內或高于閾值上限則繼電器動作，斷路器接收到繼電器信號后立即切斷線路，保護電力系統安全。不同點在于，為了保證下一條線路的電流速斷保護能可靠動作，需帶有一定時限。通常延時時間為0.5s。

2 分支電路對限時速斷保護的影響

在實際電力系統中，限時電流速斷保護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，當線路發生故障時，故障線路電流將增大，分支電流中的電流稱為助增電流。助增電流的存在會影響線路的保護。為了確保限時速斷保護能可靠動作，引入了分支系數進行整定值的校正。分支系數Kb的計算公式如下：

由上式可知助增分支所在的電路的分支系數大于1。

（2）外汲電流：分支電路中有并聯電路，當線路發生故障時，故障電流將減小，分支電路中的電流稱為外汲電流。此時的分支系數小于1。

（3）助增電流與外汲電流同時存在：此時的分支系數應結合系統的運行方式分析，其數值可能大于1也有可能小于1。

3 電力系統的MATLAB/Simulink仿真模型

本文以110kV電力系統為例，探討應用MATLAB/Simulink輔助分析不同分支線路對限時速斷保護整定的影響。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統接線圖

圖2 帶分支電源的110kV系統的Simulink仿真模型

在本系統中，線路AB配有三段式電流保護，分別是電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護，如圖3所示。線路BC配有兩段電流保護，分別是電流速斷保護和定時限過電流保護。

圖3 三段式電流保護的Simulink仿真模型

限時電流速斷保護的仿真建模如圖4所示。

圖4 限時電流速斷保護的Simulink仿真模型

4 限時電流速斷保護電流保護仿真分析

在系統最大運行方式下，保護1保護范圍末端M點（即與保護2限時電流保護配合點）發生三相短路，助增電源EB投入運行，此時流過線路AB保護和線路BC保護的短路電流如圖5所示。

圖5 流過線路AB保護和線路BC保護的短路電流

在系統最大運行方式下，保護1保護范圍末端M點故障時，助增電源EB投入運行。由于助增電流使得此時的流過線路AB的短路電流低于保護1的電流速斷保護整定值，此時需要引入分支系數進行限時電流整定值的校正。的計算可利用圖4中的數據，經計算可知，分支系數大于1。

在進行校正后，線路AB的限時電流速斷保護可靠動作，如圖6所示。

圖6 校正后的電流Ⅱ段保護（助增電流）

在圖1基礎上，BC線路為并聯雙回路時，分析分支外汲電流對保護2限時電流速斷保護整定的影響，電力系統接線圖如圖7所示，Simulink仿真模型如圖8所示。首先分析系統助增電源EB不投入運行的情況，保護1保護范圍末端M點（即與保護2限時電流保護配合點）發生三相短路，由于保護3所在線路BC’分流的影響，使得此時的流過線路AB的短路電流高于保護1的電流速斷保護整定值。通過計算分支系數，進行限時電流速斷保護的電流整定，最終電流Ⅱ段實現可靠動作。線路AB引入分支系數后的電流Ⅱ段保護如圖7所示。經計算可知，分支系數小于1。

圖7 帶復合支路的系統接線圖

圖8 帶復合支路的系統接線仿真模型

考慮圖7所示系統，助增電源EB和BC雙回線路均投入運行的情況，這時情況復雜，分支系數大于1還是小于1將由實際電網情況決定。利用圖8模型，先確定EB和BC雙回線路運行時，保護1保護范圍末端M點（即與保護2限時電流保護配合點）。再計算M點三相短路時，流過保護2短路電流值。通過計算分支系數重新進行限時電流速斷保護的電流整定，最終電流Ⅱ段實現可靠動作。線路AB保護1引入分支系數后的電流Ⅱ段保護如圖10所示。

圖9 校正后的電流Ⅱ段保護（外汲電流）

圖10 校正后的電流Ⅱ段保護（助增電流和外汲電流同時存在）

本文應用MATLAB/Simulink仿真分析帶支路的線路限時電流速斷保護，展示了其如何作為輔助教學工具，幫助學生加深理解分支電路對限時速斷電流保護的影響，并通過引入分支系數將電流Ⅱ段實現可靠動作的原理，在一定程度上幫助學生解決了難以理解電力系統繼電保護知識的難題，激發了學生對電力系統繼電保護的學習興趣。