《电力系统继电保护原理》教材内容选择与结构优化

邵玉槐

(太原理工大学电气与动力工程学院,山西太原 030024)

1 电力系统继电保护课程面对的问题

电力系统继电保护原理课程是电气工程及其自动化专业中电力方向的专业必修课,对于将从事电力系统继电保护工作的本科学生,必须通过这门课程的学习才能具备电力系统继电保护的基本理论和应用基础。

2000年之前依据当时电力专业教学大纲要求,我校电力专业继电保护原理课程一直使用传统的电力系统继电保护原理教材。当微型机继电保护基础一书出版后我们以此书为教材增开了选修课,以便学生能适应微型机继电保护日益广泛的应用和继电保护技术不断发展的工作需求。

随着教学改革的深入,电力系统继电保护原理课作为电气专业电力方向的必修课,课时由70学时减为48学时,对原教材的内容,课时显然不足。而我们是非电力院校的地方综合性大学,不可能要求增加学时解决这个问题。另外电气专业学生自选课程时还出现了不选继电保护原理课只选微型机继电保护基础课的脱节状况。教师很难做到在没有学习继电保护原理课程的条件下保证微型机继电保护基础课程的教学效果。选择电力方向的学生也有只选继电保护原理课作为必修课而不选微型机继电保护基础课程作为选修课,致使这部分学生在大学课程中只了解继电保护作用原理而不了解微型机继电保护新技术。

鉴于上述原因,由我主编的“电力系统继电保护原理”教材在突破传统教材框架方面进行了一些尝试,将传统的电力系统继电保护原理和微型机继电保护基础教材中的基本理论和重要内容有机地融为一体,在内容编排上既注重课程体系的基础性、系统性,同时也注入了继电保护领域发展的新知识、新技术,在讲授方法上也有不少创新之处。

2 教材结构的优化

教材结构优化的思路是将微型机继电保护和电力系统继电保护原理中的内容根据它们的内在联系有机地融为一体,将其中最重要最基本的理论和技术如电网电流保护、微型机继电保护基础、电网的距离保护、输电线路的纵联保护、变电站综合自动化放在教材的前几章,作为必修课的内容。学生通过必修课的学习掌握继电保护原理的基本理论和用微型机实现保护功能的基础知识。对于在此基础上能够通过扼要讲解或者自学可理解的内容,如发电机保护、变压器保护、母线保护及自动重合闸放在教材的后几章,作为选修课的内容。这样既避免了学生选修课时出现脱节的问题,更有利于在有限的学时内教学安排的灵活性和有效性。

具体讲就是在结构安排时,将微型机继电保护的硬件构成原理、从电流、电压的采样值计算电流、电压有效值的方法(简称算法)、数字滤波方法及电流保护程序流程编写在电网电流保护内容之后,以期学生对微型机式电流保护的原理与装置构成形成整体概念。为了给初学者一个清晰的概念和感性认识,电网电流保护用电磁型的继电器结构和电流保护原理说明继电保护原理。在介绍了微型机继电保护的构成原理之后,逐步用微型机保护算法,如阻抗算法、序分量算法等和程序流程图、逻辑框图说明电网距离与线路差动继电保护原理。鉴于计算机网络在电力系统中的大量采用和电力系统光纤通信网络的逐步形成,微机型继电保护成为变电站综合自动化和调度自动化中计算机自动控制系统的基本组成单元,还编写了变电站综合自动化的内容。

3 教材内容的选择

专业课程教学的目的是让学生了解本领域的最新技术及其原理。因此教材内容选择的原则是突出电力系统继电保护基本原理和新技术的应用,根据近年来继电保护的原理发展和微型机继电保护工业现场实际应用情况进行增删。举例说明如下:

例1.微型机距离保护不再是几个阻抗继电器并行工作,而是提取故障电压、电流对进行阻抗计算。因此,在电网距离保护一章的阻抗继电器接线一节中介绍过相间与接地距离保护的接线方法后,增加了故障选相与故障类型、故障相别的判别程序流程图及其理论分析。

例2.在距离保护的振荡闭锁措施中介绍获取负序分量的复相量滤序算法和正弦采样序列的滤序算法,介绍反映振荡期间电阻变化和反映振荡中心电压的对称故障开放元件的原理,不再编入负序电流的电磁型获取方法及其分析。

例3.由于采用光纤通道与允许式方向纵联保护相结合的保护在超高压和特高压线路上获得越来越多的应用。在输电线路纵联保护保护一章的通信通道一节中增加介绍了光纤通道,在方向纵联与距离纵联保护一节中增加介绍了工频变化方向元件和允许式方向纵联保护。

教材涉及这种问题的内容较多,兹不一一列举。

4 讲授方法的几点创新

由于教材在结构编排上做了较大调整,同时增加了一些新的内容,为了便于学生理解,对继电保护的一些基本原理的讲授从本教材编写的角度在方法上有创新之处。

4.1 阻抗继电器动作方程的转换

在传统的电力系统继电保护原理教材中关于相位比较式阻抗继电器在动作范围为90°～270°时,继电器动作条件的表达式为:

其中φC、φD分别为相量﹒C和﹒D的相位角

用微型机实现的同样动作范围的相位比较式阻抗继电器的动作条件却表达为:

其对应的余弦表达式为:

微型机继电保护的算法中将式(4)左端展开,并在两端同乘以|﹒UC||﹒UD|而得到比相动作条件的数学表达式:

UCI,UDI分别为电压相量﹒UC、﹒UD的虚部

称式(5)为余弦型相位比较判据

在教材中指出公式(2)不能被直接引用是因为式(2)对应的余弦表达式为

这是个不习惯的表达式。

因此在教材的118页对相位比较阻抗继电器动作条件的转换以方向阻抗继电器为例,增加了图1,使之与公式(7)、(8)对应,并进行了说明。

当继电器的动作条件为:

当继电器的动作条件为:

式中﹒UK为加入保护装置的二次测量电压

4.2 正序电压为极化电压时圆特性方向阻抗继电器动作特性分析

图1 在方向阻抗圆特中表示的θ1与θ2的区别示意图

在距离保护一章中,圆特性方向阻抗继电器动作特性分析的目的是为了达到理解采用非故障相电压或记忆电压作为相位比较式方向阻抗继电器的动作方程的极化电压,可以消除方向阻抗继电器的动作死区。这种应用使方向阻抗继电器在被保护范围正方向发生故障时动作特性由方向阻抗圆变为一个包括坐标原点的偏移圆,测量阻抗在圆内,可靠动作。在被保护范围反方向短路时,方向阻抗继电器的动作特性是复平面上第一象限的一个上抛圆,测量阻抗在第三象限时,继电器不会误动作。这个特性对相间方向、接地方向阻抗继电器及工频变化量阻抗继电器都是存在的,这个理论很重要。

由对称分量法可知,正序电压可由三相电压组合而得。用正序电压作为方向阻抗继电器动作方程中的极化电压,就相当于在极化电压中引入了一个非故障相电压。由于微型机保护很容易实现正序电压的算法,因此在微型机距离保护中方向阻抗继电器选用正序电压作为极化电压。

用基本原理说明这一新方法时必须使用正序极化电压表示的动作方程与图表示的阻抗继电器动作特性一致。如对反方向故障分析。

以AB相间短路为例,如图2所示,保护安装处实际电流的方向与规定正方向相反,﹒IK=-﹒IABN,电压是母线处电压,从电压互感器上获得,其值总为正值。故障相的电压和正序极化电压可以表示为

图2 反方向短路系统图

式(11)中,

工作电压:

极化电压:

所以反方向故障情况下动作条件可以表示为:

在复平面上,该式表示反方向相间短路时,方向阻抗继电器的动作范围是一个以Z′S与Zset连线为直径的上抛圆(一般情况下取Zset与Z′S同相位)如图3所示。反方向出口短路时,测量阻抗在原点附近,远离动作区域,可靠不动。反方向远处短路时,-ZK位于第三象限,不可能落入圆内,阻抗继电器也不会动作。这表明,以正序电压为极化电压(参考电压)的方向阻抗元件具有明确的方向性。

图3 反方向短路时以正序电压为极化电压的方向阻抗继电器动作特性

5 结束语

综上所述,为适应普通高校电力专业继电保护原理课程教学需求编写的这本“电力系统继电保护原理”教材,在结构安排、内容选择、讲授方法上都有一些新的思路。该教材于2008年6月由中国电力出版社出版出版。在我校05级电气专业学生约180人中讲授时取得了良好的教学效果,学生掌握了电力系统继电保护原理的基本理论,了解了微型机继电保护的新技术,奠定了一定的应用基础,增强了工作的信心。希望与各校同仁共同努力,探索电力系统继电保护原理课程的教学改革。

[1] 邵玉槐,秦文萍.电力系统继电保护原理[M].北京:中国电力出版社,2008

[2] 贺家里,宋从矩.电力系统继电保护原理[M].增订版.北京:中国电力出版社,2004

[3] 杨奇逊,黄少锋.微型机继电保护基础[M].2版.北京:中国电力出版社,2005

[4] 张保会,尹项根.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005