【文章內容簡介】 (210) 經整理可得 (211) 與的關系可由電流互感器的伏安特性曲線代替，并且 (212) 寫出電流互感器的傳遞函數(shù)關系式如下： (213) 令，，則有： (214) 電流互感器角差計算式為： (215) (216)式216即為上面各式的綜合。由此，可以得到電磁式電流互感器模型如下圖所示。圖217 電流互感器模型圖 其中，1框是， 2框是。 電壓互感器模型電磁感應式電壓互感器(TV)也是電力系統(tǒng)中重要且常見的高壓設備之一，作用是把電力系統(tǒng)一次側高壓按照比例關系變換成二次側低壓，供計量、儀表裝置、繼電器使用，同時實現(xiàn)高電壓與二次設備和電氣工作人員的隔離。 電磁式電壓互感器的一、二次側繞組都有一定的阻抗，因此電流流過時會有電壓降和相位偏移，使電壓互感器測量電壓出現(xiàn)幅值誤差及相位誤差。電磁式電壓互感器[31]的結構與普通電力變壓器相同，其等效電路圖為：圖218 電磁式電壓互感器等效電路圖 電壓互感器二次側負載阻抗很大，二次側繞組漏阻抗相比負載阻抗很小，并且電壓互感器在正常運行及發(fā)生短路故障時，變壓器T始終工作在線性區(qū)域，其勵磁電流很小，因此、均可忽略不計，并且有，參數(shù)可以由其伏安特性曲線進行求解。基本方程式為： (217) 寫出電磁式電壓互感器的傳遞函數(shù)關系式如下： (218)令，，則有： (219) (220) 令，則有 (221)在忽略勵磁電流的情況下，電壓互感器的角差計算公式為： (222)寫在一起則有： (223)由此，可以得到電磁式電壓互感器模型如下圖所示。圖219 電磁式電壓互感器模型圖其中，1框定值是， 2框是G，3框， 5框是，6框是。 繼電保護模型仿真實現(xiàn)方法現(xiàn)有電力系統(tǒng)仿真程序中的繼電保護和安全自動裝置仿真一般分為兩種：邏輯判別法及定值判斷法。邏輯判別法沒有具體的保護模型，故障時通過預設故障發(fā)生處及相鄰區(qū)域保護和安自裝置的開關動作行為和動作時間來模擬保護的實際情況，此種方法優(yōu)點是時間短，易于實現(xiàn)保護的速動性要求。本文建立的模型在電力系統(tǒng)程序的仿真多采用定值判斷法，即根據(jù)系統(tǒng)故障狀態(tài)下發(fā)生變化的各電氣量是否達到保護和安自裝置的定值要求來決定保護動作與否，若達到要求則保護啟動并向系統(tǒng)發(fā)出動作信號驅動相關繼電器動作。該種方法能夠真實反映電力系統(tǒng)故障的全過程，仿真結果比邏輯判別法更準確。同時在已經知道保護動作行為時可以結合邏輯判斷法原理對模型進行適當?shù)暮喕蛑苯舆M行繼電器的預先設定。仿真計算時系統(tǒng)和保護模型是通過模型的輸入輸出端口進行聯(lián)系的。系統(tǒng)為模型提供充足的輸入信息，如潮流計算中的功率、電壓等已知量或者暫穩(wěn)計算中的母線、正序網絡等變量，模型將信息處理結果反饋回系統(tǒng)，反饋信息有潮流、暫穩(wěn)計算中的待求量或者是切機、重合閘等操作信號，這樣就構成了一個閉環(huán)、交互式的整體。模型與系統(tǒng)側的聯(lián)系如圖220所示，其中X為輸入信息，Y為輸出信息：圖220 模型與電力系統(tǒng)的聯(lián)系 本章小結本章介紹了繼電保護裝置的基本任務和動作原理，介紹了本文繼電保護和安全自動裝置的建模方法。根據(jù)繼電保護裝置結構的通用性，建立了基本元件模型，包括過量元件、欠量元件、延時元件等類型，將這些模型進行與或組合或者通過輸入輸出端口的連接進一步組成具體的保護模型，模型通過與仿真軟件的端口進行信息傳遞，仿真時多采用定值仿真法實現(xiàn)模型仿真計算。電磁式互感器在將一次側電氣量轉換到二次側時，由于存在磁飽和的問題，會出現(xiàn)二次側電氣量失真的現(xiàn)象，以至于影響到繼電保護裝置的動作準確性，所以搭建了電磁式電流互感器和電磁式電壓互感器的模型，從而能夠較真實的模擬電流互感器在電網發(fā)生故障時所表現(xiàn)出的暫態(tài)過程。第3章 繼電保護裝置的建模設計繼電保護的動作正確與否直接影響到電力系統(tǒng)的運行安全。在電力系統(tǒng)的仿真計算中其動作行為直接關系到故障的發(fā)展過程，因此對仿真結果有直接影響。本章在上文基本元件模型的基礎上，根據(jù)繼電保護的原理進行具體繼電保護裝置的建模。繼電保護裝置按照保護對象的不同可以分為線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護等，將每一類保護一起建模，使得建模過程中某些通用部分共享。繼電保護的參數(shù)通過用戶自定義模型的自帶參數(shù)進行設定，具體整定按照繼電保護和安全自動裝置整定計算原理等規(guī)定進行，文中不再詳細說明。 線路保護的建模 電流電壓保護根據(jù)相間短路基本特征如電流突增、電壓突降等可以構成電流電壓保護。每段保護的主保護元件為過電流元件或低電壓元件（多為過電流元件），閉鎖元件包括方向元件、低電壓元件、過電流元件以及負序電壓元件。圖31 電流電壓保護模型圖本保護為具有階梯特性的分段式電流電壓保護，分為三段，每段除延時時間不同外基本相同，包括過流元件、方向元件、低電壓元件、負序電壓元件，每段可單獨投切。 過流元件、低電壓元件是電流保護的主保護；方向元件當故障發(fā)生在保護區(qū)域內時啟動，故障發(fā)生在保護區(qū)域外時，發(fā)出閉鎖信號；延時元件用于電流電壓保護動作時限的設置。保護I段為瞬時速動保護，II段為延時速動保護，它們構成主保護，III段為定時限過電流保護，構成后備保護，動作時限除了保護繼電器固有反應時間還要加上一定的延時。 零序電流保護零序電流保護所依據(jù)的原理是中性點直接接地系統(tǒng)在接地短路時會出現(xiàn)較大的零序電流，其廣泛應用在110kV和更高電壓等級線路中。在本保護的基礎上添加方向元件即為方向性零序電流保護。圖32 零序電流保護模型圖本保護為三段式方向性零序電流保護，每段包括零序過流元件、零序方向元件和延時元件，每段可單獨投切。零序電流元件為該保護的動作元件。零序方向元件是根據(jù)零序阻抗角度進行方向判別，當故障發(fā)生在保護區(qū)域內時啟動。 相間距離保護阻抗元件通過測量故障位置到保護裝設地點之間阻抗值的大小來區(qū)分電網的故障和正常狀態(tài)。距離保護主要部分是阻抗元件，在此基礎上添加方向元件和時間元件即為階梯式的距離保護，一般裝設三到四段，I、II段是主保護，III、IV段為后備保護。距離保護優(yōu)點很多，它相比電流電壓保護更加適應于電網結構復雜或者運行方式多變的電網。圖33 相間距離保護模型圖本保護為分段式相間距離保護，分為三段。每段主保護為阻抗元件，每段都可單獨投切。模型中負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）過量元件為起動、振蕩閉鎖元件。過流元件為起動元件。負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）增量元件為振蕩閉鎖元件。在三段式距離保護中，由于存在著的關系，通過振蕩時保護各段啟動的順序可以實現(xiàn)振蕩閉鎖。圖34 相間距離保護阻抗元件模型圖在系統(tǒng)的振蕩中心進入保護區(qū)域時，測量阻抗在逐漸減小階段，保護各段的啟動順序依次是、。但在系統(tǒng)發(fā)生故障時，測量阻抗將突然降低，導致保護的~一起啟動。本文基于上述分析，實現(xiàn)振蕩閉鎖元件。即若~一起起動則允許、動作于跳閘，若、啟動在之后，則把和閉鎖，不允許它們動作于跳閘。 接地距離保護 零序電流保護在結構復雜、運行方式多變的電力系統(tǒng)靈敏度低而且保護范圍有時會出現(xiàn)不夠的情況，此時在中性點接地系統(tǒng)中應采用接地距離保護。接地距離保護多以測量正序阻抗為基本原理，一般設兩、三段，每段保護的主保護元件為低阻抗元件。接地距離保護接線簡單可靠，但受接地電阻影響較大，所以當線路裝設接地距離保護時，根據(jù)運行需要還應裝設階段式零序電流保護作為后備保護。圖35 接地距離保護模型圖接地距離保護的輸入阻抗為 (31)其中 (32)式中各參數(shù)：Z0——線路零序阻抗；ZJ——線路測量阻抗；K——零序電流補償系數(shù)（復數(shù)）；——保護安裝處母線電壓；——線路相電流（以A相為例）；——三倍線路零序電流。本保護為分段式接地距離保護，分為三段。保護包括低阻抗元件、測量阻抗計算部分和延時元件，其中低阻抗元件為接地距離保護的主保護。測量阻抗計算部分取線路電流、零序電流信號、線路零序阻抗計算線路的測量阻抗，并根據(jù)測量阻抗的變化區(qū)分系統(tǒng)正常與故障狀態(tài)。 高頻閉鎖方向保護高頻閉鎖方向保護是通過比較線路兩端的短路功率方向來確定故障發(fā)生區(qū)域。在保護線路內部故障時，兩側短路功率均為母線指向線路，保護動作，滿足線路全長任一點故障瞬時切除。在保護線路之外故障時，兩側短路功率反向，其中線路指向母線側保護發(fā)出閉鎖信號閉鎖線路兩側保護。高頻閉鎖方向保護通常由起動元件和方向元件構成，它們可接全電壓和全電流，此時要配置振蕩閉鎖裝置，或接相序電壓和相序電流，例如負序、零序此時不反應系統(tǒng)振蕩。還可將起動元件與方向元件兩功能綜合在一起，選用阻抗繼電器完成。圖36 高頻閉鎖方向保護模型圖本保護為高頻閉鎖方向保護，由起動元件、功率方向元件、閉鎖元件組成。負序電流過量元件、零序電流過量元件和負序電壓過量元件、過流元件、低壓元件為起動元件。零序電壓過量元件、負序電流（零序電流、負序電壓、零序電壓）增量元件為振蕩閉鎖元件。兩個方向元件分別為線路兩側的功率方向元件，檢測線路兩側功率方向確定故障點位置，作為高頻閉鎖方向保護的主保護元件。 其他保護其他保護有電壓相位比較式高頻閉鎖方向保護、高頻閉鎖距離/零序保護、相差動高頻保護，它們通過在高頻保護的基礎上添加上電壓相位比較元件、方向元件、差量元件構成，本文不再贅述。 發(fā)電機保護的建模 過負荷保護圖37 過負荷保護模型圖發(fā)電機過負荷保護有兩類，其中定子繞組過負荷保護又包括定時限過負荷保護和反時限過負荷保護。對于定時限保護發(fā)出報警信號或減載信號，對于反時限保護，則發(fā)出切機跳閘信號。另一類是轉子繞組過負荷保護，亦包括定時限和反時限兩種，保護的動作元件仍采用過電流元件，轉子繞組過負荷保護的定時限保護動作于發(fā)出減勵磁信號，其反時限保護動作于發(fā)出滅磁跳閘信號。根據(jù)發(fā)電機過負荷保護的原理和整定公式[32]，可得保護的模型圖如圖38。 異常運行保護 發(fā)電機異常運行保護主要包括定子鐵心過勵磁保護、頻率異常保護、逆功率保護以及定子過電壓保護。其主要反應發(fā)電機的內部及機端故障。 1. 定子鐵心過勵磁保護該保護通過采集發(fā)電機機端運行電壓及頻率，利用 (33)計算過勵磁倍數(shù)N，當N超過整定值時保護相應動作。式中：U、f——運行電壓及頻率有名值；Ugn——發(fā)電機額定電壓；B、Bn——磁通量及額定磁通量；fgn——發(fā)電機額定頻率。保護分為兩段式，低定值段帶時限動作于信號和減小發(fā)電機勵磁電流，高定值段動作于解列滅磁。2. 頻率異常保護保護采集發(fā)電機運行頻率f，當檢測到其異常時，計算頻率異常運行時間，當該時間超過定值時保護動作。該保護在與低頻減載裝置共同作用時要注意配合。例如在頻率異常保護動作于切機之前，應保證低頻減負荷裝置先減負荷，使系統(tǒng)頻率及時恢復，使事故影響盡量降低，僅在頻率仍未恢復，并可能危及機組安全的情況下才切機，防止出現(xiàn)頻率連鎖惡化的情況。3. 逆功率保護 本保護反應發(fā)電機逆功率故障，即發(fā)電機變?yōu)殡妱訖C運行，從系統(tǒng)中吸取有功功率。保護通過采集發(fā)電機運行功率，利用計算保護定值，保護帶時限動作于信號或發(fā)電機解列。 在過負荷、過勵磁、失磁等異常運行方式下，用于程序跳閘的逆功率保護作為閉鎖元件動作于信號。燃氣輪機、柴油發(fā)電機也有必要裝設逆功率保護，可以防止未燃盡物質出現(xiàn)爆炸或者著火的可能，動作于跳閘解列。4. 定子過電壓保護本保護反應發(fā)電機定子繞組過電壓故障。保護檢測發(fā)電機機端電壓，當其超過發(fā)電機額定電壓乘以可靠系數(shù)后的值時，保護帶時限動作于解列滅磁。本模型為發(fā)電機異常運行保護，包括定子鐵心過勵磁保護、頻率異常保護、逆功率保護、定子過電壓保護。每種保護可單獨投切。過流元件1（2）為定子鐵心過勵磁保護中的低定值（高定值）電流元件（模擬過勵磁元件）。過壓元件為定子過電壓保護中的低定值電壓元件。低壓元件1（2）為逆功率保護中低定值（高定值）低電壓元件（模擬逆功率元件），為動作元件。低頻元件為頻率異常保護的頻率元件。圖38 異常運行保護模型圖 低勵失磁保護該保護主要反應發(fā)電機的低勵失磁故障。其動作主判據(jù)有：1. 系統(tǒng)側主判據(jù)——高壓母線三相同時低電壓繼電器。在缺乏無功的電網中，本判據(jù)可以防止由發(fā)電機低勵失磁故障導致的電壓崩潰，避免出現(xiàn)嚴重的停電事故。主、輔判據(jù)相與，經延時動作于發(fā)電機解列。 2. 發(fā)電機側主判據(jù)：1) 異步邊界阻抗繼電器動作判據(jù)；2) 靜穩(wěn)極限阻抗繼電器動作判據(jù)；3) 變勵磁電壓判據(jù)。 3. 低勵失磁保護的輔助判據(jù)有： 1) 負序電壓元件；2) 勵磁低電壓元件；3) 延時元件。 由于現(xiàn)階段發(fā)電機機電暫態(tài)模型自身的特點，該保護的發(fā)電機側主判據(jù)還無法通過建模實現(xiàn)，因此，低勵失磁保護的模型將重點體現(xiàn)系統(tǒng)側判據(jù)，并加入必要的輔助判據(jù)。低勵失磁保護的基本結構如圖39所示。本保護為發(fā)電機低勵失磁保護，包括低電壓元件（三相同時）、負序電壓元件、負序電流元件、勵磁低電壓元件、延時元件。勵磁低電壓元件、負序電壓過量元件、負序電流過量元件為閉鎖元件。圖39 低勵失磁保護模型圖 變壓器保護的建模 相間后備保護變壓器的相間后備保護可以作為本級保護的近后備保護或者下級保護的遠后備保護，它分為過電流保護和低阻抗保護，主要作用是防御外部相間短路引起的變壓器過電流和變壓器內部相間短路。裝設在變壓器上的過電流保護可帶低電壓或不帶低電壓閉鎖，或者帶復合電壓閉鎖以提高其靈敏度。 所謂復合電壓