应用MATLAB/Simulink分析支路对限时电流速断保护影响的教学探索

桂林电子科技大学 郭振威 黄结梅 诸葛致 吴军科

电力系统继电保护是一门综合性和实践性相结合的课程。线路保护主要是讨论高压输电线路发生故障的保护，由于其难以进行实地操作，并且通过现场演示故障过程中电流电压变化以及断路器动作来进行教学，而MATLAB/Simulink具有丰富的电力系统功能模块，可作为电力系统继电保护辅助教学工具。利用软件建立仿真模型，通过改变电路参数，分析在不同电路状态下的电力系统情况，既能丰富教师的教学手段，更有助于学生更深刻地理解课本知识。

本文通过MATLAB/Simulink辅助教学工具构建电力系统的仿真模型，分析分支电路对限时电流速断保护的影响。教学内容如下：（1）了解限时电流速断保护的原理与整定方法；（2）了解分支电路对限时电流速断保护的影响。

1 限时电流速断保护原理构成

三段式电流保护由电流速断保护（电流Ⅰ段）、限时电流速断保护（电流Ⅱ段）和定时限过电流保护（电流Ⅲ段）构成。

电流速断保护是当线路突然发生短路故障引起短路电流突增时瞬间动作的保护，具有速动性，但为了确保下一线路发生故障时其保护能正常动作，无法保护线路全长。而限时电流速断保护是对电流速断保护无法保护线路全长而进行的补充保护，因此对限时电流速断保护的要求是能保护线路全长，并具有一定的快速性，同时也要保证下一线路保护的优先可靠动作。限时电流速断保护的保护原理为：通过电流互感器测量线路的电流值，将测量值与预先设定的继电器上下阈值进行比较，若线路电流值在阈值范围内或高于阈值上限则继电器动作，断路器接收到继电器信号后立即切断线路，保护电力系统安全。不同点在于，为了保证下一条线路的电流速断保护能可靠动作，需带有一定时限。通常延时时间为0.5s。

2 分支电路对限时速断保护的影响

在实际电力系统中，限时电流速断保护的整定常常受电源和线路情况影响，主要分为以下三种情况：

（1）助增电流：分支电路中有电源，当线路发生故障时，故障线路电流将增大，分支电流中的电流称为助增电流。助增电流的存在会影响线路的保护。为了确保限时速断保护能可靠动作，引入了分支系数进行整定值的校正。分支系数Kb的计算公式如下：

由上式可知助增分支所在的电路的分支系数大于1。

（2）外汲电流：分支电路中有并联电路，当线路发生故障时，故障电流将减小，分支电路中的电流称为外汲电流。此时的分支系数小于1。

（3）助增电流与外汲电流同时存在：此时的分支系数应结合系统的运行方式分析，其数值可能大于1也有可能小于1。

3 电力系统的MATLAB/Simulink仿真模型

本文以110kV电力系统为例，探讨应用MATLAB/Simulink辅助分析不同分支线路对限时速断保护整定的影响。如图1所示，首先分析带有分支电源线路的情况， MATLAB/Simulink建模如图2所示。

图1 带分支电源的110kV统接线图

图2 带分支电源的110kV系统的Simulink仿真模型

在本系统中，线路AB配有三段式电流保护，分别是电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护，如图3所示。线路BC配有两段电流保护，分别是电流速断保护和定时限过电流保护。

图3 三段式电流保护的Simulink仿真模型

限时电流速断保护的仿真建模如图4所示。

图4 限时电流速断保护的Simulink仿真模型

4 限时电流速断保护电流保护仿真分析

在系统最大运行方式下，保护1保护范围末端M点（即与保护2限时电流保护配合点）发生三相短路，助增电源EB投入运行，此时流过线路AB保护和线路BC保护的短路电流如图5所示。

图5 流过线路AB保护和线路BC保护的短路电流

在系统最大运行方式下，保护1保护范围末端M点故障时，助增电源EB投入运行。由于助增电流使得此时的流过线路AB的短路电流低于保护1的电流速断保护整定值，此时需要引入分支系数进行限时电流整定值的校正。的计算可利用图4中的数据，经计算可知，分支系数大于1。

在进行校正后，线路AB的限时电流速断保护可靠动作，如图6所示。

图6 校正后的电流Ⅱ段保护（助增电流）

在图1基础上，BC线路为并联双回路时，分析分支外汲电流对保护2限时电流速断保护整定的影响，电力系统接线图如图7所示，Simulink仿真模型如图8所示。首先分析系统助增电源EB不投入运行的情况，保护1保护范围末端M点（即与保护2限时电流保护配合点）发生三相短路，由于保护3所在线路BC’分流的影响，使得此时的流过线路AB的短路电流高于保护1的电流速断保护整定值。通过计算分支系数，进行限时电流速断保护的电流整定，最终电流Ⅱ段实现可靠动作。线路AB引入分支系数后的电流Ⅱ段保护如图7所示。经计算可知，分支系数小于1。

图7 带复合支路的系统接线图

图8 带复合支路的系统接线仿真模型

考虑图7所示系统，助增电源EB和BC双回线路均投入运行的情况，这时情况复杂，分支系数大于1还是小于1将由实际电网情况决定。利用图8模型，先确定EB和BC双回线路运行时，保护1保护范围末端M点（即与保护2限时电流保护配合点）。再计算M点三相短路时，流过保护2短路电流值。通过计算分支系数重新进行限时电流速断保护的电流整定，最终电流Ⅱ段实现可靠动作。线路AB保护1引入分支系数后的电流Ⅱ段保护如图10所示。

图9 校正后的电流Ⅱ段保护（外汲电流）

图10 校正后的电流Ⅱ段保护（助增电流和外汲电流同时存在）

本文应用MATLAB/Simulink仿真分析带支路的线路限时电流速断保护，展示了其如何作为辅助教学工具，帮助学生加深理解分支电路对限时速断电流保护的影响，并通过引入分支系数将电流Ⅱ段实现可靠动作的原理，在一定程度上帮助学生解决了难以理解电力系统继电保护知识的难题，激发了学生对电力系统继电保护的学习兴趣。