唐菊生
【摘 要】本文主要針对输电线路发生三相短路故障时，输电线路纵联保护进行研究。首先通过导引线介绍了输电线路纵联保护的概念和基本原理。然后介绍了纵联保护中差动继电器特性、纵联保护的一般构成方式。最后通过matlab中simulink构建仿真模块，提出一种电流纵联差动保护的建模及仿真方法。
【关键词】输电线路；电流纵联差动保护；Matlab/Simulink
中图分类号： TM773 文献标识码： A 文章编号： 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
电力系统中输电线路运行要求安全稳定，这就需要线路上装设具有无延时、有选择地切除线路上任意故障点的保护装置。输电线路的纵联保护就是基于这种要求下产生的。它能够很好地反应线路两侧的电气量，区分开本线路末端和相邻线路始端或对侧母线处的故障，从而达到有选择地快速地切除全线故障的目的。本文将在简要介绍纵联保护相关原理的基础上，提出一种输电线路纵联保护的建模和仿真方法，以达到防止内、外部短路故障对线路的影响。
1 输电线路纵联保护的概念与原理
输电线路的纵联保护，就是将输电线路两端或各端的保护装置通过某种通道方式纵向连接起来，各端的电气量通过通信通道传送到对端并进行比较，进而判断故障发生在保护区的范围内部还是外部从而决定是保护是否动作。简而言之，输电线路纵联保护就是一种装置，能够将线路一侧电气量的传输到另一侧去，使得线路两侧之间建立纵向的联系。
引导线纵联差动保护，又称纵联差动保护，它是利用辅助导线作为通信通道的纵联电流差动保护。下图1-a、1-b中线路MN两侧分别装设参数、特性完全相同的电流互感器，两侧靠近母线的一侧均为电流互感器的一次回路的正极性，二次回路的同极性端子连接，电流互感器的二次端子上并连差动继电器KD。
规定母线流向被保护的线路电流的方向为两端一次电流的正方向。图1-a中线路在正常运行时，设线路的电流L从M端流入，从N端流出，按照正方向标准，线路两侧电流M和N刚好反向，且M=-N。电流互感器二次电流可表示为式（1）、（2）。
'M=（1）
'N=（2）
式中'M、'N分别为两侧电流互感器的二次电流，、则为两侧电流互感器的励磁电流，两侧电流互感器的电流比为n。
流入差动继电器的电流为式（3）。
K=+（3）
将I=-I代入上式得
K==I（4）
式中，I为不平衡电流。
当线路外部K2处发生短路故障时，电流互感器的一次、二次电流方向和正常工作模式下一样，流入差动继电器的电流仍为不平衡电流，由于发生短路，短路后一次测的电流比正常运行的负荷电流大得多，故此时I大得多。当线路流过最大外部短路电流时，流入差动继电器的电流则为最大不平衡电流I，得
I=KerKstIk max/nTA（5）
式中Ker为电流互感器的最大相对误差；Kst为电流互感器的同型系数，两侧互感器型号相同取0.5，不同取1；Ik max为保护区外部最大短路电流。
图1-b中，当线路内部发生短路故障时，M、N两侧的电流均为正。这时流入差动继电器的电流为：
=+=-（6）
式中，故障点的总电流。由式（4）和（6）知，内部短路时流入差动继电器的电流远大于正常运行或外部短路时流入差动继电器的不平衡电流，因此可瞬间跳开线路两侧的断路器，实施保护动作。
3 带有制动线圈的差动继电器特性
带有制动特性差动保护中，差动继电器中有两组线圈，通过制动线圈流向两侧互感器的“循环电流”为|m-n|，制动功率在正常运行和外部短路增强，动作线圈中流过两侧互感器的“和电流”为|m-n|，制动功率在内部短路时减弱，相反，此时动作的功率增强。其电磁式继电器的结构原理和动作特性分别为如图2、3所示。
继电器的动作方程为
式中，K为制动系数，一般小于1。Iop0是克服继电器动作机械摩擦或保证电路状态发生翻转需要的值。endprint
动作电流|m+n|不是定值，是随制动电流|m-n|变化而变化，这种特性称为制动特性。制动特性在电流差动保护中得到广泛的应用，不仅提高了内部短路时的灵敏性而且提高了当外部短路时，保护不动作的可靠性。
4 纵联保护的建模与仿真
4.1 电力系统的仿真模型
双侧电源供电的电力系统如图4所示：两侧电源电势分别为=115∠10°kV，=105∠kV。频率均为50Hz，线路MN长度为50km，采用LGJ-240/40型架空线路，保护1和保护2处电流互感器的电流比为600/5，线路两端K1、K2为发生三相短路故障点，为了简化仿真，设置线路阻抗、阻抗角、两电源内阻相同为Zs.M=Zs.N=Zs=0.226∠73.13°Ω。
根据以上参数，构建Simulink仿真模型。M、N选用“Three-Phase Source”模块，电流互感器选用“Saturable Transformer”模块，线路MN选用“Three-Phase PI Section Line”模块。线路MN两侧都设置三相电压电流测量模块“Three-PhaseV-I Measurement”。故障模块选用“Three-Phase Fault”。为了简化仿真，线路两端只在A相设置了电流互感器，B相、C相类似单独设置。电流互感器模块两侧的电压比为1：120，即电流比为600/5，设置两个互感器模型“Saturation characteristic”的数值，使得两侧互感器特性不完全相同，以仿真不平衡电流的情况。线 路1、2、3的长度分别为30km、20km、0.01km。
（1）当M端K1点发生三相短路，将Fault1模块中Transition times为[0.3 0.5]，故障模块中过渡电阻为0时会出现错误，设置为0.01欧姆。Fault2模块Phase A、B、C Fault三个选项不选，即设置Fault2不动作。
（2）当N端K2点发生三相短路，将Fault2模块中Transition times为[0.3 0.5]，故障模块中过渡电阻为0时会出现错误，设置为0.01欧姆。Fault1模块Phase A、B、C Fault三个选项不选，即设置Fault1不动作。
4.2 電流差动元件仿真模型
电流差动元件动作特性如图3所示，差动电流为Iact=|m+n|，即两侧电流向量和的幅值。制动电流为Ires=Kres|m-n|，即两侧电流向量差的幅值乘以制动系数。对于图3线路MN的A相电流差动元件的仿真模型如图5所示，其中制动取0.5。
5 仿真结果与分析
（1）当K1点发生三相短路故障时，运行仿真，得到电流互感器二次电流Iam、Iam，差动电流Iact、Ires制动电流的波形如图7所示。此处为纵联差动保护区MN线路的内部故障，从图中可以看出差动电流远大于制动电流，也远大于图8外部故障时流入电流互感器的不平衡电流，保护能够可靠的动作。
（2）当K2点发生短路故障时，电流互感器二次电流Iam、Ian，制动电流Iact，差动电流Ires的仿真波形如图8所示。从图中可以看出差动电流小于制动电流，所以当故障发生在纵联保护的区的外部时，保护可靠不误动。
6 结论
本文主要研究输电线路纵联保护中的电流纵联差动保护。介绍了输电线路纵联保护的概念、原理，差动保护特性以及纵联保护的一般构成方式，提出了一种电流纵联差动保护的建模和仿真方法。
利用Matlab软件中Simulink构建仿真模块。通过仿真比较内部和外部发生三相短路故障时电流互感器的差动电流与制动电流大小的方法，使得该仿真模型可以有效的验证继电保护动作的速动性、选择性、灵敏性、可靠性。
【参考文献】
[1]郭征，贺家李.输电线路纵联差动保护的新原理.电力系统自动化.2005（5）.
[2]袁季修，等.保护用电流互感器应用指南.北京：中国电力出版社，2004.
[3]葛耀中.利用各种通道继电保护的一般原理.西安交通大学学报，1962（2）.
[4]范瑞卿.输电线路相位相关电流差动保护的研究，天津大学硕士论文.2010.
[5]李维波.MATLAB在电气工程中的应用.北京：中国电力出版社，2007.endprint
