继电器特性（精选7篇）
继电器特性 篇1
0 引 言
固态继电器(Solid State Relay,SSR)是一种具有隔离功能的无触点电子开关,在开关过程中无机械接触部件,输入控制电路和输出回路间具有电的隔离,并且输出回路的通断受输入信号的控制。与传统的电磁继电器(EMR)相比,固态继电器不但具有和电磁继电器相当的转换功能,还具有驱动功率小、噪声低、可靠性高、抗干扰能力强、开关速度快、体积小、寿命长、使用方便、与TTL、HTL、CMOS 电路兼容等优点。固态继电器分为交流固态继电器和直流固态继电器2种[1]。直流固态继电器主要由输入回路、光电耦合器和输出回路组成,其中光电耦合器起到光电隔离的作用,输出部分相当于一个常开开关。随着现代电子技术的发展,对于隔离驱动、隔离切换电路的场合,已经形成了光电隔离固态继电器广泛应用的局面。
文献[2]利用大功率场效应管构成互补型MOS管对,从而形成具有3个输出端的电子开关电路,模拟单刀双掷功能,构成大功率单刀双掷固态继电器。文献[3]公开了一种多功能限流保护式固态继电器,包括低压控制部分和高压开关部分,设置了高低压组合指示和限流带复位保护部分。文献[4]设计了一种20 A的1 500 V的大功率高速直流固态继电器,具有良好的开关特性。目前广泛应用的直流固态继电器的导通电压与截止电压近似相等,当输入在临界值附近时,继电器会出现抖动,无法正常动作。本文提出一种新的设计方法,将继电器导通电压与截止电压分离。为了验证所设计电路的有效性与正确性,对其进行了数值仿真,并对实际电路运行参数进行测试。
1 硬件电路设计
本文直流固态继电器采用四端设计方式,电路原理如图1所示。
1.1 输入电路
输入回路主要由电阻R1,R2、R3,稳压管D1,D2,开关管T1,T2组成。其中NPN型开关管T1和PNP型开关管T2构成正反馈回路,使光电耦合器导通电压和截止电压分离。
1.1.1 导通与截止过程
如图1所示,输入电压范围为0～24 V,初始值为0 V。此时光耦合器处于关断状态,电路不导通。电阻R2与电阻R1构成开关管输入分压回路,③点电压为稳压管D2上电压,基本恒定不变。逐渐增大输入电压,当②点电压超过③点电压时(忽略开关管压降),三极管T1导通,继而三极管T2导通。接着光耦中的发光二极管被触发导通,光耦合器将发光二极管发出的光由光敏三极管转换成光电流,光耦导通,从而将电路导通。继电器返回时,逐渐降低输入电压,此时D2两端电压等于T2、D1以及光耦中二极管三个元件的电压的总和。随着电压的降低,③点电压比②点电压略高0.7 V时,此时电压为临界电压。当电压降到临界值以下时,三极管T1就会截止,三极管T1截止后,光耦合器中发光二极管也随之截止,从而使整个电路处于截止状态。
1.1.2 动作值、返回值和返回系数的计算
由图1列出电路导通和关断时的数学表达式:
导通时:
关断时:
式中:Uin为导通(关断)时电路输入电压(动作电压与返回电压); U1为二极管D2 两端电压; U3为二极管D1和三极管T2 两端电压;假定设计电路的相对动作值达到75%,相对返回值达到40%,因而R1和R2的阻值分别选取为1 kΩ和1.5 kΩ。经计算如下:
动作电压:Uin=17.7 V动作值:
返回电压:Uin=10.2 V返回值:
返回系数:
从以上计算可见,继电器导通时输入电压为17.7 V,动作值为73.8%,继电器截止时输入电压为10.2 V,动作值为42.5%,继电器导通电压和截止电压之间留有充分的裕度,保证了继电器在临界值能够准确动作。
1.2 隔离电路
本文采用光电耦合器(Optical Coupler,OC)作为继电器的隔离电路,光电耦合器是一种半导体光电器件,它具有体积小、寿命长、抗干扰能力强、工作温度宽及无触点输入与输出、在电气上完全隔离等特点。本设计选用型号为TLP127的光耦合器,该芯片适用于表面贴装。TLP127由砷化镓红外发光二极管,光耦合到达林顿光敏三极管与一个不可分割的基地发射电阻器组成,广泛应用于可编程控制器、直流输出模块、电信等方面。
1.3 输出电路
输出电路由开关管T3,T4组成的两级放大电路和续流二极管D3组成,输出电路的通断完全由输入电路控制,输入电压使光电耦合器导通则输出回路导通,即继电器导通,反之则截止。可见,该继电器的输出稳定在一定值,不受负载的影响,端口相对独立。
从以上的各部分电路原理分析可以看出,上述设计方案从理论上讲,可以以小电流控制大电流,同时能够分离继电器的导通电压和截止电压,具备固态继电器的开关功能。
2 电路仿真与参数测试
考虑到系统的可实现性,本文利用Multisim进行仿真。Multisim是加拿大Interactive Image Technologies公司推出的Windows环境下的电路仿真软件,不仅具有电路瞬态分析和稳态分析、时域和频域分析、噪声分析和直流分析等基本功能,而且还提供了离散傅里叶分析、电路零极点分析、交直流灵敏度分析和电路容差分析等电路分析方法。由于仿真软件与现实元器件之间的差别,仿真实验只对电路设计做定性分析,具体参数在实物电路板上进行测试。
2.1 电路仿真
按照设计方案在Multisim中搭建电路原理图,输入为线性电压源,电压范围是0～24 V。仿真电路中用24 V直流电源与电阻R模拟受控回路连接在继电器输出端。输入电压上升过程中,当电路导通时,输出端电压会迅速下降;在输入电压下降过程中,当电路截止时,输出端电压会迅速上升。输入电压上升过程和下降过程波形分别如图2、图3所示。
分析图2、图3可以得出当输入电压从0 V逐渐增加到24 V时,电路动作电压值约为17.887 V,而当电压从24 V逐渐减小到0 V时,电路电压返回值约为10.212 V。仿真动作值与上述计算动作值相近,考虑到仿真误差,二者的结果吻合。
2.2 电路参数测量
在实物电路板上进行参数测量,主要进行通断电压测量和导通时间测量。实物电路板如图4所示。
2.2.1 输入/输出电压特性
根据测量继电器输入电压与输出电压参数的结果,绘制出其输入/输出电压特性如图5所示,从图5中可以看出动作结果与计算值一致,继电器的导通电压与截止电压分离,且留有足够的动作裕度,实现了继电器的滞回功能。
2.2.2 导通时间测量
导通时间是指,从施加于常开型固体继电器输入端电压,达到保证接通电压开始,到输出端电压达到其电压最终值90%为止的时间间隔。导通时间是衡量继电器动作的准确性和可靠性的重要指标,所以试验中通过测量继电器的导通时间来检验继电器动作是否准确。实验中分别对输入电压18 V、20 V和24 V三个电压的导通时间进行测量,测量数据如表1所示,示波器波形图分别如图6～图8所示。
从表1和以上波形图可以看出,随着输入电压的降低,导通时间随之升高。总体上输入电压超过动作电压后,继电器能够在极短的时间内导通,动作准确,实现了理想的开关功能。
电路的仿真分析与参数测量结果表明,本文提出的新型直流固态继电器的设计方案能够实现继电器的基本功能,同时滞回特性设计使继电器在临界电压可以准确动作,是一种比较理想的方案。
3 结 语
本文提出的直流固态继电器设计方案较为新颖,通过在控制电路设置正反馈回路来实现继电器导通电压和截止电压的分离。仿真结果和参数测量结果表明该方案完全可行,继电器具有良好、可调的滞回特性,能够防止临界抖动,准确动作,同时继电器输出不受负载的影响,输入、输出端口相对独立,这是本文所述设计方案的最大优点。总体上,该电路结构简单,功能完备,在实际工程中运行良好,市场前景比较广阔。
摘要：提出一种新型的直流固态继电器设计方案。为了使继电器具有滞回特性,采用在控制电路中引入正反馈回路的方法来实现继电器的导通电压和截止电压分离,防止临界抖动的现象发生。同时继电器输出不受负载的影响,输入、输出端口相对独立,提高了继电器的工作稳定性。以电路仿真软件Multisim为平台对所设计电路进行了原理仿真,并测试了实际继电器的运行参数。结果表明,该设计方案的继电器能够准确动作,具有良好、可调的滞回特性。
关键词：直流固态继电器,滞回特性,正反馈,Multisim
参考文献
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继电保护的柔性动作特性 篇2
传统的模拟式继电保护利用继电器识别和清除电力系统故障[1]。继电器的动作特性为继电特性,它具有独特的优势:开关性能好,闭合时阻抗小、断开时阻抗大;抗雷击性能强;无噪声;受周围环境温度影响小等[2]。
数字技术的进步,颠覆了许多传统观念和做法,出现了许多模拟时代想得出而做不到的新技术。继电保护逐渐演化,历经多代,发生了巨大的变化,但时至今日,仍遗留有模拟时代的“基因”,其动作特性仍然具有过量欠量特性,即简单的“是”“非”划分。对于一些简单的问题,继电保护的处理原则一直是坚持反对复杂化,因而仍沿用过量欠量特性。例如:对于过电流保护,电流大于定值就动作,电流小于定值乘返回系数就返回;圆特性、四边形特性的距离保护,在动作区内就动作,在动作区外就不动作等等。相对复杂的是具有反时限特性的电流保护,它是反映热稳定电流的保护,是时间的函数,相对于定时限电流保护复杂得多,而且反时限特性有多种。
继电保护面临的许多问题,比起电流反时限要复杂得多,存在着可靠性与灵敏性、快速性与选择性的矛盾。利用简单的过量欠量特性和反时限特性仍不能很好地解决这类问题和矛盾。近些年,数字式/微机型继电保护的应用,为更好地解决此类问题提供了技术条件和物质基础。因此,本文跳出传统继电器“过量欠量特性”的束缚,充分利用数字式保护灵活、智能的优势[3],提出柔性继电保护的概念,希望能借此更好地解决现有保护的问题,促进保护的原理、动作特性、动作行为更科学、更合理。
1 传统继电保护的刚性
传统继电保护的刚性体现在其继电动作特性上,下面予以简单介绍。
1.1 过量欠量特性
继电器的过量欠量特性就是其输出只处于开或关两个状态中的一个,当输入量达到一定值时,输出量发生突变,从一个状态变为另一个状态。以常开触点为例,如图1所示,设继电器接点S的开、关的状态分别为0和1,初始状态为0。在继电器线圈L回路输入电流I,当I从零增加到某一定值I2时,继电器接点闭合,状态改变并保持为1;直到线圈L中电流减小到I1时,继电器接点打开,状态由1变为0,并保持。
继继电电器器这这种种根根据据输输入入量量值值不不同同,,输输出出在在““00””和和““11””两两个个状状态态之之间间转转换换的的特特性性就就是是过过量量欠欠量量特特性性,,也也是传统继电保护的动作特性。它非常干脆———不是“是”就是“非”,是刚性的,适用于解决过流这种简单、明确的问题。但是电力系统的故障特征一般不是非常明确的,经常会受不平衡电流、负荷等各种因素的影响,导致刚性的过量欠量特性不能准确识别故障。为此,继电保护的学者和专家们进行了各种探索性研究,提出了继电保护的自适应特性。
1.2 继电保护的自适应特性
继电保护自适应特性的内涵是:根据预定的动作方程,其动作行为随某些因素变化而变化。以变压器差动保护为例,比率制动的差动保护就具有自适应的继电特性[3],其比率制动部分的动作量与制动量关系如式(1)所示。
式中:Id为动作量;Ir为制动量;K为制动系数。
Id按照K随Ir的变化而变化,制动量增大、动作量也随之增大,动作特性如图2所示。图中,Iset为动作量整定值。自适应特性的另一个典型例子是浮动门槛值整定,即输入的不平衡增大,动作定值也随之增大,如图3所示。
另一个自适应特性的经典例子是阻抗保护的零序电抗[4],如图4所示。图中,ZF和Zm分别为不考虑和考虑过渡性电阻情况下保护安装处到故障点的测量阻抗,ΔZ为过渡电阻造成的附加阻抗,Zset为零序电抗线的阻抗整定值。零序电抗线与水平线的夹角β是变数,会随着过渡电阻产生的附加阻抗的角度变化,也就是零序电抗线有了一定的自适应能力。
由上述例子可见,具有自适应特性的继电器仍是过量欠量特性,只不过动作的定值———划分“是”与“非”的界线随条件变化。这一界线一旦定下来,它的动作特性仍然是刚性的。这样,对于某些更复杂的如变压器励磁涌流、系统振荡、电流互感器饱和等情况下的故障,由于它们的故障特征趋于模糊,很难找到一条明确区分故障与非故障的界线,也就无法利用自适应特性处理。对于这种情况,就需对保护特性进行“柔性化”处理,以更准确地判别故障。
2 柔性动作特性的概念
继电保护的柔性动作特性完全不同于过量欠量特性和自适应特性,其动作特性根据保护对象的故障特征确定,而不是由简单的“是”与“非”来划分。
继电保护的判据就是寻找故障与非故障、区内故障与区外故障的差异。若差异鲜明则采用“刚”性动作特性;若差异不明确,存在一个混沌区则采用“柔”性动作特性。具体来说,对于过流等简单故障,其特征很明确,因而适用于刚性的继电特性;对于存在不平衡电流等复杂情况,可以通过自适应特性调节门槛值来躲过不平衡电流;而对于更复杂的难以识别的故障特征情况,无法找到明确的故障与非故障的界线,继电特性不能保证准确识别故障,则需要采用柔性的动作特性。相对于传统继电保护采用单一判据的刚性特性或自适应特性,本文将继电保护多种判据的复杂组合视为其柔性特性。
3 动作特性的柔性化方法
如果故障特征与非故障特征不存在交集,理论上就能明确区分故障特征和非故障特征,这是刚性的继电特性。然而,当两个特征越来越接近,越来越分不清楚时,就不能简单处理了。本文将特征不明确的区域单独划分出来,称为混沌区。这样由原来界线明确的故障和非故障两个区变成三个区:故障区、非故障区和混沌区,如图5所示。故障区和非故障区就是明确处于故障特征或非故障特征的区域,而在故障特征不明确的混沌区,需要进行柔性化处理,根据具体的故障特征决定其动作特性。
处理混沌区之前,在寻找、研究主判据时,就尽可能地缩小混沌区,让它鲜明起来,对确实难以区分的混沌区才进行柔性化处理。
处理混沌区时,首先权衡利弊,针对混沌区制定原则性的指导建议———倾向故障或倾向非故障,或者说,倾向可靠或倾向灵敏,倾向开放或倾向闭锁,倾向误动或倾向拒动。其次,应考虑付出的代价,包括资源代价、时间代价、程序复杂程度代价及补救措施。最后,根据技术水平,从根本上、原理上制定技术路线和解决问题的方法。
4 动作特性的柔性化案例分析
系统中存在很多混沌的、不明确的故障特征,譬如变压器空载充电时的励磁涌流与变压器匝间短路[5,6,7,8]、外部短路的电流互感器饱和与内部短路、系统振荡与短路故障[9]、外部短路初始阶段的暂态超越与内部短路等等。如何处理这些混沌区域,将继电特性柔性化,这在模拟保护时代非常困难,但对数字式保护就相对容易得多。事实上,数字式保护经过多年的进化,采用的许多技术正在逐步对刚性的动作特性柔性化。只是还没有提出这样一个概念,并系统地论述。
案例一:以变压器励磁涌流为例。变压器空载充电时,变压器差动保护要区分是变压器励磁涌流,还是变压器内部故障。整定导则[10]给出了15%~20%二次谐波闭锁的指导建议。事实上,这个建议没有起到指导性作用,相反地约束了合理的定值。因为几乎所有的整定都按照15%进行,说明指导性定值定得太高。运行和实验中都出现了不少二次谐波低于15%的涌流。更麻烦的是,系统中不但有二次谐波较小的涌流,还出现了二次谐波较大的故障,这是典型的混沌事件,单靠二次谐波条件判别涌流并不充分。
针对这个混沌事件,可以做这样的柔性化处理:二次谐波低于5%直接判定故障,高于20%直接判定为涌流,如图6所示,图中,Idφ2为二次谐波电流,Idφ为基波励磁电流。在5%~20%的混沌区,引入其他量(如直流量)参与判断,增加很多相关性的运算,二次谐波越大越倾向涌流,反之倾向故障,等等。因此,可把这样的处理称之为柔性化处理。
案例二:另一个更典型的例子是振荡闭锁逻辑中的静态稳定电流。启动前的负荷电流的大小直接影响振荡闭锁逻辑。当负荷电流大于静态稳定电流定值直接进入振荡闭锁,小于静态稳定电流定值经短时开放后进入振荡闭锁[9]。如此重要、复杂的问题简单化、刚性化的处理很不恰当,用户反映这个定值很难确定,因此,存在很多不恰当、不合理的整定。
下面来柔性化处理这个特性。如图7(a)所示,将原来大于或小于定值这两个区变为三个区:大于定值的150%进入振荡闭锁,小于定值的50%短时开放后进入振荡闭锁,在定值的50%~150%之间为混沌区。在混沌区引入电压计算Ucosφ,如图7(b)所示[6],图中,tKF为开放时间,根据Ucosφ的大小改变短时开放时间,在功角φ接近0时,Ucosφ接近1,系统不容易失稳,开放时间延长至160ms;在功角φ接近90°时,Ucosφ接近0.7左右,系统容易失稳,开放时间缩短至30 ms,这一改进极大地简化了用户的整定。
案例三:解决继电保护“快”与“准”之间的矛盾。
先说快,导致正序电压迅速降低的故障必须快速切除。最需要快速切除的是出口三相短路,其次是两相短路接地,而单相接地故障快的要求有所降低[11,12,13,14,15]。所幸的是,需要快速切除的故障,其故障特征十分明显,非常容易快速地检测到故障,如通过突变量距离保护切除。
再说准,经高阻的单相接地故障与正常的负荷难以区分,就属于混沌区。这样的故障其特征近似于负荷,切除时间稍长并不会造成稳定问题,不必过于强调快速动作。如果一定要强调这时快的好处,可勉强提出两条:一是为上一级后备保护提供配合的基础,二是提供重合闸的机会。但这样做的好处似乎微不足道,不如求准,将“准”上升为首位,“快”退居到次位。
另外,对于处于动作定值附近的故障,进入严重的混沌区,这时是不能轻易动作出口的,更为合理的做法是以时间换准确性,使用复杂算法,反复算,力求准确;而对于远离动作定值的故障,故障特征十分鲜明,这时应果断地快速动作出口。可见,时间是重要的资源,在遇到“快”与“准”的矛盾时,进入混沌区,柔性化处理动作时间和处理方式可化解很多矛盾。反时限特性的保护便是一个很好的例子。
5 结语
本文阐述了传统继电保护的继电特性和自适应特性,它们是刚性的,适用于故障特征比较明确的情况。但对于某些难以判断的故障,存在安全与灵敏、快与准的矛盾,为解决此类问题,充分利用数字式保护灵活、智能的优势,提出继电保护柔性动作特性的概念。其应用前景体现在如下方面。
1)改进现有保护。利用柔性动作特性,对如励磁涌流、振荡、电流互感器饱和等条件下故障特征不明确的情况,进行专门的柔性化处理,可以更准确地识别故障,减少误动。
2)定值自动整定。根据继电保护柔性动作特性理论,对于难以确定准确动作定值的情况,由保护程序根据既定策略和被保护对象的原始参数、运行参数和故障特征自动设定定值。
继电器特性 篇3
超特高压线路中为了吸收电网中的过量无功功率, 防止过电压的产生, 同时为了对线路参数进行补偿, 通常会在线路一侧或者两侧安装同一电压等级的高压并联电抗器, 并在中性点经小电抗接地[1]。并联电抗器能有效减小输电线路故障后的潜供电流, 加速故障点电弧熄灭, 有效提高单相重合闸的成功率。同时能改善线路电压分布, 增强系统的稳定性和输电能力, 改善轻载线路的无功潮流, 降低有功损耗[2]。因此, 目前超特高压线路中普遍采用并联电抗器技术。
输电线路行波保护具有动作快, 不受长输电线路分布电容电流、系统振荡、互感器饱和等因素影响的特点, 是未来超特高压线路继电保护发展的优先选择之一[3]。文献[4]针对传统电容式电压互感器 (CVT) 不能有效传变故障后电压行波的问题, 对故障后电压行波特性进行深入研究, 发现电压故障初始行波的波头极性与电压故障行波中工频分量的初始极性具有一致性, 且CVT可以有效传变电压故障行波中的工频分量。在此研究基础之上, 文献[5]构建了基于极化电流的行波方向继电器, 并针对不同故障类型、故障距离、过渡电阻因素进行了仿真实验, 仿真结果良好。目前, 基于该原理的保护已经成功试运行于西北750kV电网乾信Ⅰ线8个多月, 运行效果良好。这使得行波方向保护向实用化方向迈进了坚实的一步。
本文在该原理基础上, 探讨极化电流方向继电器在带有并联电抗器的特高压输电线上的适用性。
1 问题的提出
1.1 传统差动保护原理在带并联电抗器的输电线路中存在的问题
为了说明该问题, 以750kV输电线路为例, 如图1所示。线路全长400km, 在线路一侧 (m侧) 安装了并联电抗器。
m和n端保护测量电流大小为im (t) , in (t) 。并联电抗器上电压为u (t) , 电流为iL。
对于传统的电流差动保护而言, 当正常运行或者发生区外故障时, 差动电流id应满足以下关系:
式中:iC为长线分布电容电流。
同时, 带并联电抗器输电线上的电流应满足:
若假设已经对长线分布电容电流iC带来的影响进行了相应的补偿, 则差动保护的灵敏性就与并联电抗器的电流iL有很大关系。极端情况下, 有可能造成保护的拒动[6]。
同样, 目前针对无论是分布电容的补偿方法, 还是并联电抗器的补偿方法均是稳态补偿法, 暂态补偿精度均不高, 并不能完全消除外界因素对差动电流的影响[7]。
1.2 传统行波保护原理在带并联电抗器的输电线路中存在的问题
对于传统的行波电流差动保护而言, 应用于带并联电抗器的输电线路时, 同样存在类似问题。
定义m, n端的正向电流行波为:
式中:imf为m端正向电流行波;inf为n端正向电流行波;i1f, i2f分别为并联电抗器两端的正向电流行波;um (t) 和un (t) 分别为m和n端保护测量电压大小;Zc为线路波阻抗;T为行波从m端传输至n端所需时间。
由式 (3) 和式 (4) 可得, 对于行波电流差动原理而言, 正向动作电流id为:
由式 (4) 和式 (5) 易得出该动作电流为并联电抗器电流iL的函数, 如式 (6) 所示。这使得动作电流大小与并联电抗器电流大小有关。在某些情况下很难区分区外故障和区内故障, 造成保护误动作[6]。
从上述分析可见, 对于传统的纵联电流差动保护、传统的行波差动保护而言, 均不能直接应用于带有并联电抗器的输电线路。
针对该问题, 文献[6]提出了基于小波变换的行波初始波头的电流差动保护原理。行波初始波头的暂态高频信号基本不受并联电抗器影响, 可以很好地构成保护原理。但是由于输电线路CVT并不能有效传变故障电压行波波头, 使得该方法并不能在实际应用中取得较好的效果。
2 基于极化电流行波的方向继电器
文献[4]指出了电压故障行波各频带信号的初始极性具有一致性。尤其是电压故障行波中的工频分量的初始极性与初始行波波头极性一致。
文献[5]在上述研究基础上, 提出了极化电流行波方向继电器原理。即当故障发生在正方向时, 电压故障初始行波和电流故障初始行波极性相反;而反向故障时, 电压、电流故障初始行波极性相同。以此构成方向保护原理判据。由于传统CVT无法有效传变宽频带电压故障行波, 该原理采用了电压故障行波中的工频分量的初始波头极性代替电压故障初始行波波头极性, 以此构成极化电流行波方向继电器原理。
如图2所示, 当F1点发生区外故障时, m点的初始电压行波波头和电流行波波头的突变方向相同, m点判断为反向区外故障;对于n点而言, 初始电压行波波头和电流行波波头的突变方向相反, 从而n点判断为正向故障。双端交互允许信息, 从而保证保护可靠不动作。同理, F2点发生区内故障时, m点判断为正向故障。双端保护允许动作, 从而可靠跳开故障线路。
该原理采用了小波变换的模极大值进行多分辨率分析以及初始波头的提取。对于电流行波提取200kHz暂态故障信号, 而对于电压行波提取暂态工频故障信号。
3 并联电抗器对极化电流行波方向继电器的影响分析
3.1 并联电抗器的输电线路行波过程分析
对于传统保护而言, 并联电抗器会造成线路两端电流大小的不平衡。而对于极化电流行波方向继电器而言, 该方法使用的是初始行波的极性。这个极性包括暂态电压、电流行波初始波头的极性以及暂态工频电压行波极性。
要论证该继电器在并联电抗器线路上的特性, 首先需要分析并联电抗器对于初始行波暂态高频信号的影响。并联电抗器属于集中参数器件, 其对于行波传播的影响与线路对行波传播的影响无关。为了说明并联电抗器对行波传播过程的影响, 本文采用简化线路模型, 设并联电抗器两端波阻抗分别为Z1, Z2, 并联电抗器电感大小为L。同时采用无限长的直角波代替暂态行波初始波头, 以重点分析电压、电流波头极性经过并联电抗器后的变化。入射直角波幅值大小为Uf=E, 在A点发生折反射, 反射行波为Ub, 折射行波为Ur。简化模型如图3所示。根据彼得逊法则, 图3可以等效为集中参数电路, 如图4所示。图中:p为拉普拉斯算子。
由图4可以列出频域的解为:
式中:TL=LZ1Z2/ (Z1+Z2) 为时间常数;α=2Z2/ (Z1+Z2) 为Z1, Z2处的折射系数。
求式 (7) 在时域的解为 (τ=1/TL) :
t是指从行波到达并联电抗器时开始计时的时间。由式 (8) 、式 (9) 可以看出, 电流行波和电压行波初始波头经过并联电抗器后, 均会出现指数性的衰减, 图5为750kV线路并联电抗器对直角波的衰减效果。图中:UZ1和UZ2分别为Z1, Z2处的电压幅值。
这种衰减效果有可能会对后续波头的分辨造成一定影响, 但却完全不会对初始波头的识别造成影响, 尤其是初始波头的极性不会因为并联电抗器的存在而发生改变。
同时, 对于极化电流行波方向继电器采用小波变换模极大值的方式分析初始行波的方法而言, 提取的模极大值幅值也不会有所改变[5]。
3.2 并联电抗器的行波传输特性频域分析
对于极化电流行波方向继电器而言, 故障电压行波高频分量的初始波头极性由暂态工频量的波头极性代替。因此, 对于该继电器特性而言, 需要考虑并联电抗器对于故障行波的频域传输情况。
采用图1线路作为仿真对象, 并考虑母线杂散电容的影响。设母线杂散电容大小为C, 线路波阻抗均为Z。由于只考虑并联电抗器对行波的影响, 对于不同的变电站母线结构类型, 根据彼得逊法则可以等效为如下两类, 如图6所示。
在第Ⅰ类母线结构下, 母线上只有被保护线路, 频域特性分析模型如图6 (a) 所示, 经过并联电抗器后的电流和电压的频域表达式为:
第Ⅱ类和第Ⅲ类母线结构类型下, 母线上除了被保护线路外还有其他线路。母线上线路数量为N。其频域特性分析模型如图6 (b) 所示, 经过并联电抗器后的电流和电压的频域表达式如下:
对比式 (10) —式 (13) 可以看出, 第Ⅰ类母线是第Ⅱ类和第Ⅲ类母线的特例, 即式 (12) 和式 (13) 中N=1的情况。因此, 对于电压和电流的频率特性分析可以统一采用式 (12) 和式 (13) 。
对于含并联电抗器的线路进行频域分析, 分别对不同补偿度进行计算。仿真线路长度为400km, 补偿度分别为60%, 70%, 90%时, 对应的并联电抗器每相的补偿电抗值如表1所示 (LP为每相补偿电抗值, LN为共中性点小电抗值) 。
取线路波阻抗为230Ω, 母线杂散电容C=10nF, N=3。根据式 (12) , 含并联电抗器一侧的电压依频特性如图7所示。选取无补偿度下幅值大小为1。
由图7可以看出:并联电抗器的加入会使得电压信号出现幅值衰减和相角偏移, 而且补偿度越大, 衰减和偏移的幅度越大;并联电抗器主要在低频段 (10Hz以下) 和高频段 (200kHz以上) 时, 对电压信号产生严重的幅值衰减和相位偏移。
但对于0.05~200kHz之间的信号而言, 电压信号的幅值衰减和相角偏移极小, 基本可以忽略。这也进一步说明并联电抗器不会对故障暂态工频电压信号产生影响, 极化电流行波方向继电器选用故障暂态电压工频分量的极性是可信的。
同时, 根据式 (13) 对含并联电抗器一侧的电流依频特性进行分析, 结果如图8所示。选取无补偿度下幅值大小为1。
由图8可以看出:带并联电抗器线路侧对于电流信号低频段 (10Hz以下) 具有较大的衰减和相角偏移;对于高频段 (200kHz以上) 信号具有一定的幅值增益和角度偏移, 这是由于母线杂散电容的存在而产生的谐振效应。
由于极化电流行波方向继电器选取的电流信号频率为200kHz, 同时检测的是故障电流行波的初始波头, 一定的谐振效应反而会使波头更容易检测。因此, 极化电流行波方向继电器对于电流行波选取的200kHz采样率完全适用于含并联电抗器的线路。
而当母线结构类型改变时, 选取N=1, 2, 5, 在不同情况下含并联电抗器一侧的电压依频特性如图9所示。并联电抗器补偿度均为90%, 其中选取N=1时的幅频特性中最大幅值为1。
由图9可以看出, 在不同母线结构下, 电压幅频特性曲线在高低频段特性相似, 只是随着N的增大, 幅频特性曲线中能达到的最大幅值减小。这符合不同母线结构下的折反射系数特性。同时, 电压相频特性曲线对于0.05~200kHz之间的信号, 相角变化不大, 基本可以忽略。同理, 根据式 (13) 可以得到电流依频特性与母线结构的关系曲线图, 结论相同, 本文不再累述。
综上分析可以看出, 带并联电抗器的线路不会对极化电流行波方向继电器产生任何影响。该继电器构成的保护方案可以完全应用于带并联电抗器的线路上, 对母线类型不敏感。
4 仿真计算结果
为了验证极化电流行波方向继电器在带并联电抗器的超特高压线路上性能, 本文针对图1所示的750kV线路进行了相应的电磁暂态程序 (EMTP) 仿真计算。仿真线路长度为400km, 补偿度选取为90%。发生区内故障, 故障距离为100km (距M端) , A相单相接地, 过渡电阻为5Ω。
对故障后相电流进行相模变换, m端和n端电流α模量和电压α模量信息如图10、图11所示。
根据极化电流行波方向继电器原理, m侧电压行波突变方向为负, 电流行波突变方向为正, 突变方向相反, 判断为发生正向故障。同时, n侧也进行相应判断, 电压行波突变方向为负, 电流行波突变方向为正, 判断发生了正向故障。双端保护通过光纤通道传输判定结果, 从而判定系统发生了区内故障。
该仿真数据采用750kV实际参数, 如表2所示。从仿真结果可以看出, 极化电流行波方向继电器完全适用于带并联电抗器的超特高压线路。
5 实验测试结果
采用专用的行波测试系统对上述仿真结果进行了相应的动模测试。测试系统示意图如图12所示。
2台基于极化电流方向继电器的行波保护构成双端纵联保护。将图1的EMTP仿真建模数据, 转换为特定格式, 输入行波测试仪中。该测试仪通过行波电压和电流功率放大器模拟出线路二次侧CVT和电流互感器的输出信号, 并将此信号传递至行波保护中。通过该测试系统, 模拟出一次系统的真实故障状态, 以及现场二次数据采集和分析计算状态。
m端的电压、电流采样数据和继电器动作信号实测结果如图13所示。m端正确动作, 选相为A相单相接地, 发出A相跳闸信号, 保护判据动作时间约为7.5ms。
实际装置的动模试验结果表明, 极化电流行波方向继电器能有效适用于带并联电抗器的输电线, 动作可靠稳定。
6 结论
本文分析了传统纵联差动保护和传统行波保护应用于带并联电抗器线路时存在的问题, 研究了极化电流行波方向继电器应用于带并联电抗器线路时的特性, 指出了并联电抗器的存在不会对暂态高频行波信号的极性提取造成影响, 也不会对暂态工频信号的极性提取造成影响, 从而证明了极化电流行波方向继电器能够应用于带有并联电抗器的线路。
本文通过EMTP仿真和实际装置试验进行了相关验证, 保证了结论的实用性和可信性。
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继电器特性 篇4
GIS应用广泛,但由于制造工艺、运输、安装等原因,GIS内常存在一些缺陷,影响着GIS工作的稳定运行。通过对GIS中局部放电产生的超高频电磁波信号进行检测,可实现对放电源的诊断[1,2,3]。
GIS在变电站中应用较多,有共轴式和三相共筒式,国内外对于共轴式GIS研究较充分。三相共筒式GIS内部的导体、绝缘子的尺寸等其特殊形式,三相导体的排列使得其内部放电形式更加难以辨认,电磁场极其复杂,国内外对三相共筒式GIS局部放电的研究报道并不多[4,5,6,7]。基于此,对110 k V三相共筒式GIS进行了缺陷模型的设计和仿真计算,分析了高压导体上存在毛刺缺陷时所产生电磁波的传播特性,在实验室对三相共筒式GIS的放电做了测量,对仿真计算结果进行验证。
2 仿真模型设计和结果分析
2.1 仿真模型的建立
为研究电磁波的传播特性,根据三相共筒式GIS的结构参数设计的模型如图1所示。表1为GIS结构参数。
2.2 缺陷和激励源的设置
以高压电极上的金属突出物缺陷为例,为了使仿真结果较为理想,将金属突出物设计为材料为铝的圆锥,其面半径为5 mm,高度为20 mm,比实际中的金属突出物缺陷大,将金属突出物放置在其中一相高压导体上。采用脉宽为1 ns,幅值为10 V的波端口脉冲电流激励作为三相共筒式GIS模型内局部放电的激励源。
2.3 TEM波的传播特性
TEM波在同轴传输系统中,电位函数Ψ(r,Φ)满足拉普拉斯方程:
因为圆柱的对称性,Ψ为电位函数;r为圆柱半径(单位为m);Φ为角度(单位为π),所以有:
其中,A,B为积分常数,r为圆柱半径(单位为m);电场Er分量(单位为V/m)和磁场分量(单位为T)分别为电场和磁场分量分别为:
式中,a、b为常数;η为系数;V为导体内外电压(单位是V),由式(3)可以看出,在同轴波导系统中电场只有r分量,磁场是绕着同轴波导的同心圆,且越靠近内导体则附近电磁场越强。
2.4 超高频电磁波的传播
对于110 k V三相共筒式GIS模型,设置针尖缺陷,其电场和磁场仿真结果如图2所示。观察图2可发现,在三相高压导体间电场矢量和磁场矢量分布最大,从高压导体至外壳场域矢量呈现减少趋势。这与同轴波导中TEM波分析计算的理论一致。
超高频仿真过程中,通过改变缺陷位置和盆式绝缘子的距离可以得到盆式绝缘子两面的场域分布,让放电源距离绝缘子越来越近,仿真结果如图3所示。观察图3可发现,三相共筒式GIS中,三相高压导体外电场强度逐渐减小,接近于三相高压导体中心处,场强逐渐增大。说明超高频电磁波主要是沿着三相高压导体间向前传播的。
3 超高频电磁波的实测研究
3.1 超高频测量系统
在试验时所用的局部放电信号检测传感器放在GIS内的绝缘子中,为了更好地进行对比,在GIS腔体内壁安装天线传感器。试验在导体上设置毛刺故障,检测放电的信号。实物图如图4所示。
3.2 局放信号测量
将绝缘子内置天线传感器连接到局放仪的1通道,局放仪的2号通道与内壁上的传感器连接,检测结果如图5所示。
试验中当电压加到99 k V时,在绝缘子上的传感器接收到的信号较多也较为集中,超高频局部放电检测仪在单位时间内接收到的超高频信号数量更多。三相共筒式GIS内局部放电产生的超高频电磁波,由于三相高压导体间的相互屏蔽作用,电磁波主要沿着三相高压导体之间向前传播,试验结果与仿真计算比较一致。
4 结论
(1)三相共筒式GIS局部放电产生的超高频电磁波,主要沿着三相高压导体之间向前传播。
(2)超高频电磁波在三相高压导体间传播的特点为研究共轴式GIS和三相共筒式GIS提供了借鉴,同时可以作为更精确的局放信号检测的参考依据。
摘要：研究气体绝缘组合电器(GIS)中的电磁波传播特性对于其内部的故障检测至关重要。为了提高局部放电检测水平,采用三维电磁仿真软件HFSS对三相共筒式GIS内存在的毛刺缺陷进行了建模和仿真计算。结果表明:当采用脉宽为1 ns、幅值为10 V的波端口脉冲电流作为局部放电的激励源时,与共轴式GIS中电磁波传播不同,局部放电产生的超高频电磁波在三相共筒式GIS内主要沿着三相高压导体间传播。在实验室三相共筒式GIS模拟缺陷装置上,对安装在绝缘子上的天线传感器和腔体内表面传感器进行了局放测量的对比,测验结果与仿真计算结果一致。
关键词：气体绝缘组合电器,仿真计算,电磁波,超高频,局放测量
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继电器特性 篇5
关键词：控制与保护开关电器,反时限特性,电流校准,三相电流,漏电,检测
0 引言
控制与保护开关电器是低压电器中的一种新型产品, 其英文缩写为CPS。控制与保护开关电器集成了传统的断路器、接触器、过载保护继电器、变压器、启动器、隔离器等的主要功能, 具有远程自动控制和就地直接人工控制功能、面板信号指示及声光信号报警功能、过压欠压保护功能、断相及缺相保护功能、过载反时限保护功能, 能够接通、承载并分断规定的非正常条件 (如短路) 下的电流[1,2,3]。目前, 市场上的控制与保护开关, 存在延时特性非线性、采样精度不高、校准方式单一、脱扣机制不完善、辅助功能不丰富等问题。
本研究提出一种新型控制与保护开关电器, 具备精确线性反时限特性、较高的采样精度, 提供多种电流电压校准方式且具备安全迅捷的脱扣方式以及用户可定制的辅助功能, 同时以其成本优势迅速打开市场。
1 系统设计图
系统设计图如图1所示。控制保护开关通用变压器输出电压大约为18 VAC, 经过整流滤波电路、得到22 V直流电压以驱动分励脱扣器以及继电器, 再经过DC-DC电路得到5 V电压给单片机等芯片供电。电压检测采用18 VAC电阻分压得到交流小信号直接采样, 电流检测采用3个电流互感器独立采样, 电压电流采样信号经过运算放大电路输入至单片机, 直接用单片机自带10位精度A/D进行采样, 同时将电流、电压值显示于数码管;数码管采用并-串转换芯片实现静态驱动, 获得稳定及高亮显示;脱扣电路分为继电器脱扣和分励脱扣, 采用继电器节能驱动电路实现继电器低功耗无源输出;采用大功率三极管驱动分励脱扣器切断控制与保护开关主电源, 实现瞬时分闸的目的。
2 电路原理
硬件原理图由采样电路 (电流和电压采样) 、电源电路、显示电路以及继电器输出和脱扣电路四部分构成, MCU采用ATMEL公司的ATMEGA32A型单片机, 自带8路10位A/D, 是目前该项目最具性价比的单片机之一。本研究将着重介绍电流电压采样电路、继电器输出电路。
2.1 采样电路
该放大电路通过滑动变阻器与电阻的串并联实现电流参数的微调, 电路图如图2所示, 用来修正由于互感器一致性产生的误差以及运放的误差。本研究采用“Microchip Technology Inc”的MCP6004通用运算放大器进行电流、电压信号的放大。该运放支持轨对轨输入和输出, 单电源供电情况下可以满幅输出, 工业级的芯片供电电压为1.8 V~5.5 V。在该放大电路中, 本研究通过一级放大以及二极管滤除负半周期波形, 再进行电压跟随, 最后利用单片机按周期采样 (采样频率与市电频率一致) 得到实时电流电压值。这种采样方式相比峰值检波采样, 具有更快的反应时间 (T=20 ms) , 而峰值检波电路需要较长的时间进行电容充电, 不适合该项目, 两种测量方法的比较情况如表1所示。
2.2 继电器输出电路
继电器驱动电路如图3所示, 当继电器吸合时, 其动作电压 (加载继电器驱动线圈两端的电压) 一般要在其工作电压的75%以上, 才能保证可靠动作。可靠吸合后, 其线圈两端的维持吸合电压一般只要达到其工作电压的30%~40%即可, 低功耗驱动就是根据继电器的这一特点实现的。当单片机控制信号TUOK为低时, 三极管Q2截止, 继电器不工作;当TUOK为高时, 对电容充电, 电阻R2相当于暂态短路, Q2工作在饱和导通状态, 继电器线圈两端电压约为VCC, 而当C1充电完成后, 由于R2的作用Q2基极电流减小, Q2工作于放大区, 调整R2的阻值可控制Q2集电极发射极电流的大小, 从而控制落在继电器线圈两端的电压, 达到降低继电器闭合时功耗的目的。其中, Q2:可选择通用NPN管, IC>继电器核定电流, VCEO>VCC;VI:控制端电压 (单片机输出) ;R3:Q2饱和导通时的限流电阻, 可按照如下公式取值:
式中:hFE (min) —继电器hFE最低值, Ik—继电器额定工作电流。
R2:电路在工作稳定后, 由于R2和R3的共同作用, Q2工作在放大区, 达到继电器闭合后低功耗保持的目的。
式中:Vk—继电器吸合维持电压, Rk—继电器直流电阻。
3 反时限算法分析
目前, 反时限[4,5,6,7,8,9]过流保护已广泛应用于发电机、变压器、电动机和配电网的保护之中。根据国家电力行业标准, 微机反时限过流保护曲线数学表达式为:
式中:C—反时限特性常数, 该项目中C=2;IB—基准电流;I—实际工作的等效电流;t—反时限过流保护动作时间;k—反时限常数。
在电力系统中, 故障电流的大小并不是恒定不变的。考虑到不同时刻实际电流的大小不同, 故控制与保护开关电器采用式 (3) 的积分形式进行反时限过流保护的判断。本研究将式 (3) 改写为:
其中, 等式右端的积分体现了过电流的热效应随时间的累积, 当该积分大于k时, 反时限过流保护动作。本研究取反时限特性常数C=2, 得到的反时限特性曲线如图4所示, x轴表示实际电流Ir1对额定电流In的倍数, y轴表示C=2时的反时限动作时间。
由于MCU只能处理离散数据, 只有将式 (4) 离散化后才能应用到控制与保护开关电器中。本研究将式 (4) 离散化后整理得:
式中:ΔT—两次反时限求和时间间隔, 一般取计算的间隔时间, 由于ΔT很小, 在这段时间内假设故障电流基本不发生变化。M—保护动作时的求和次数。
在反时限过流保护中, 在选定某一条反时限曲线后, k, C和ΔT均为常数。当I>IB时, 本研究启动反时限过流保护, 并对式 (5) 左端逐次累加求和。当求和达到临界值G (G=k/ΔT) 时, 反时限过电流保护动作, 动作时间为t=MΔT。
由于MCU进行A/D采样是离散的, 式 (5) 是符合该项目的反时限特性拟合公式, 本研究采用拟合曲线法进行计算, MCU在求和时间间隔内只需进行一次浮点运算, 对于该项目选用的ATMEGA32A单片机, 是完全可行的, 相比直接数据储存查表法更为精确。
4 测量结果分析
该项目过载反时限特性实际测量结果如表2所示, 其中取反时限特性常数C=2, 为极限反时限特性。
表2的数据客观体现了过载反时限特性, 反时限动作理论值通过公式 (3) 计算得到, 反时限动作实际值通过电动机保护器性能校验台测量得到, 其实际结果基本符合反时限理论曲线, 但是仍存在一定的误差。在国标要求下的最恶劣的电气环境中测量, 当Ir1≤4 In时存在10%以内的误差, 当Ir1增大到8.4In时, 误差范围也将扩大到15%。这是由于电网的不稳定, 在延时过程中电压和电流实时改变而导致的误差, 但是该误差范围仍在国标要求以内。在实际较为良好的电气环境中, 测量的反时限动作理想值误差控制在5%以内, 较好地验证了该项目的反时限算法[10]。
5 结束语
当前电气行业正由机械式朝电子式、智能化、模块化发展。本研究针对当前新兴的控制与保护开关电器的市场需求, 以及传统控制与保护开关操作和生产上的缺陷, 设计研发了基于反时限特性的控制与保护开关电器, 实现过载长延时反时限动作保护、短路瞬时保护、过欠压保护、三相不平衡保护、漏电保护等一系列功能。该研究成果已在市场应用, 得到生产厂家和客户的广泛认可。
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继电器特性 篇6
由于太阳能资源地理分布的差异性[1],大规模光伏发电集中式接入电力系统是我国光伏并网的重要形式[2,3]。 这种并网形式是通过专用的送出线路将大中型光伏电站接入电网中。 人们对光伏系统的故障电流特性已有一定的认识[4,5,6],但仍未见针对光伏电站送出线路故障特性的研究,针对风能、太阳能等新能源接入电网引起的电网特性问题的分析还有待进一步完善[7,8,9,10,11,12]。 由于光伏电站的故障电流受到光伏逆变器低电压穿越(LVRT)控制的限制[13],且单个光伏电站的容量占所接入系统容量的比例很低,光伏侧的故障电流受限是该线路不同于常规线路的最大特性,该特性会对送出线路现有继电保护的动作特性产生严重影响。
光伏电站送出线路配备快速动作的主保护和线路两侧的后备保护。 根据现行规定,一般情况下,专线电网接入公用电网的光伏电站宜配置光纤电流差动保护作为主保护[14],10 k V和35 k V送出线路配置阶段式电流保护作为后备保护,而110 k V送出线路的后备保护一般为距离保护和零序电流保护[15]。
目前尚未见到关于光伏电站送出线路继电保护的分析与研究。 因此,本文分析送出线路继电保护的动作性能,考察现有保护配置是否存在问题,并利用光伏发电系统电磁暂态模型进行仿真验证,提出保护配置的建议,具有一定的实际意义。
1光伏送出系统故障特征分析
电网故障期间,为保证光伏逆变器具备LVRT能力,控制环节必须对电流进行限幅,以保护电力电子开关器件不过流。 限制故障时电流的大小一般不超过逆变器额定负载电流的1.1倍[16],即故障期间电流不会显著增大,这会对依靠电流大小门槛值来识别故障的保护造成严重的影响。 当送出线路故障时流过光伏送出侧保护安装处的故障电流与故障前的正常电流接近,故电流保护Ⅰ、Ⅱ段元件不能正常动作,电流保护Ⅲ段元件按常规方法整定也难以可靠动作,而流过系统侧保护安装处的故障电流与光伏电源特性无关,故系统侧电流保护可以正常动作因此,送出线路的光伏侧电流保护在区内故障时拒动,而系统侧电流保护可以正常动作。
一般情况下,光伏电站所接入系统的短路容量至少为光伏电站额定容量的20~30倍,故送出线路故障时系统提供的短路电流一般至少为额定负荷电流的20~30倍。 因此,系统与光伏电站提供的故障电流大小相差悬殊,光伏电站的弱电源特性十分显著。
图1为某110 k V光伏电站送出线路故障示意图,保护1和保护2分别为光伏侧和系统侧的距离保护,Rg为过渡电阻,Ipv和Is分别为光伏电站和系统提供的故障电流。
设Is滞后Ipv的相位角 θ [-180°,180°],两者倍数比M为:
θ 与光伏逆变器的LVRT控制方式和故障严重程度密切相关。
a. 当逆变器在故障期间发送无功 ( 规程要求光伏电站在故障期间提供无功支撑)时,一般有 θ<0° 发送的无功功率越多,Ipv的无功电流分量越大,则Ipv的相位越滞后,θ 越小。
b. 当逆变器在故障期间仅发送有功 (实际运行的光伏电站在故障期间往往无功支撑能力不足)时, 一般有 θ>0°。 这是由于光伏电站的送出变压器和各光伏发电单元的升压变压器都要消耗无功,而光伏电站的无功补偿装置(电容器、动态无功补偿装置等) 受母线电压下降和装置响应速度不够快的影响,在故障期间补偿的无功功率不足,光伏电站要从外界吸收一定的无功。 光伏电站从系统吸收的无功越多,则Ipv的相位越超前,θ 越大。
c. 故障后Ipv的相位变化要经历一个暂态过程, 导致 θ 变化不定。 这是由于逆变器的控制器中锁相环的响应有暂态过程。 锁相环的作用是提取逆变器出口处的电压相位作为控制器的参考信号。 故障越严重,锁相环的暂态响应波动越剧烈;当故障特别严重时,逆变器出口电压降得很低,锁相环的输入信号太小,其响应难以达到稳态,θ 在-180°~180° 范围内变化。 故障的严重程度受过渡电阻、故障点位置和故障类型的影响。
而M约等于系统短路容量与光伏电站额定容量的比值。 光伏电站容量占接入系统的容量比例越小, 则M越大,一般至少为20~30,比一般线路大得多。
设光伏侧保护1的测量电压为Um,保护安装处到故障点的线路压降为Uk,过渡电阻上的压降为Ug, 其中光伏侧和系统侧的故障电流在过渡电阻上产生的压降分别为U′g和Ug″,则上述电压 、电流之间的关系为:
由式(1)、(2)不难看出:
其中,U″g和U′g分别为U″g和U′g的幅值。 由于M很大,所以U″g比U′g大得多,因此,过渡电阻上的压降Ug主要由系统故障电流Is产生的压降U″g形成,则光伏侧测量电压Um主要是过渡电阻上的电压。
特别强调,光伏电站的上述弱电源特性主要体现在非接地故障中。 从图1可以看出,光伏电站本身在不接地方式下运行,零序网络仅包含送出变压器和送出线路。 当送出线路发生接地故障时,光伏侧的零序阻抗是变压器的零序阻抗,与光伏电站无关,其大小远小于正、负序阻抗,因此零序电流较大,这使得两侧电流幅值比M比不接地故障时小得多。
参考西北地区某110 k V光伏电站实际参数在PSCAD / EMTDC上搭建图1所示光伏送出系统的模型。 该光伏电站电源接入容量为50 MW,系统短路容量Sk= 1 500 MV·A(取最小运行方式 ),送出线路长度L=15 km,线路阻抗z1= 0.132 + j 0.385 Ω / km。 经计算,送出线路的额定负荷电流IN= 262.4 A。
给定该光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式,光伏电站出力为额定功率的80%。 当送出线路中点K1处发生过渡电阻为3 Ω 的三相短路故障时,Ipv和Is的幅值分别为245 A和5 204 A,得M = 21.2,同时测得 θ 达到稳态后为 -62.5°。 而Um、Uk、Ug的幅值分别为9.30 k V 0.15 k V和9.21 k V,由此可见,Uk幅值很小,Ug是Um的主要分量。 A相Ipv和Is的瞬时值如图2所示。
将光伏电站模型的逆变器LVRT控制策略改为故障期间发送定有功电流的方式,其他条件不变,故障期间Ipv和Is的相角差 θ 变为105°,其变化范围比一般线路大得多。 该故障条件下2种控制策略下的变化如图3所示。
将故障类型改为单相接地故障,其他条件不变测得相应故障回路的两侧电流幅值比M=5.9。 受零序电流的影响,与非接地故障时相比,单相接地故障下的M要小得多。
2光伏送出线路保护动作性能分析
2.1电流差动保护
当光伏送出线路故障时,电流差动保护所采用的两端故障电流分别由光伏电站和系统提供。 光伏电站送出线路配置的是分相电流差动保护,采用两端电流的相量和作为动作量,在理论上不受电源类型、过渡电阻和运行工况的影响,可瞬时切除区内故障。 图4为电流差动保护的动作特性(k为斜率),动作方程如式(4)所示。
其中 , 差动电流; 制为最小启动电流 。
当送出线路发生区内故障时,由于光伏电站的弱电源特性,系统侧故障电流幅值Is远大于光伏侧故障电流幅值Ipv,Ipv几乎可以忽略。 送出线路的故障类似于单端电源线路故障,差动保护的灵敏度(差动电流与制动电流的比值)很低,故弱电源特性降低了电流差动保护的灵敏度。
2.2距离保护
由于系统提供的故障电流远大于光伏电站提供的故障电流,下面分析故障位置不同时距离保护因过渡电阻影响可能产生的问题。
a. 区内故障可能拒动。
区内故障时,距离保护因没有耐受过渡电阻能力而可能拒动。 图5为送出线路中点K1处(见图1) 发生区内相间故障时,光伏侧距离保护拒动的示意图。 图中,Zm为测量阻抗,Zk为保护安装处点Op到故障点K1的线路阻抗,测量电流Im= Ipv;实线圆为距离保护Ⅰ段的方向圆动作特性,虚线圆为Zm可能的取值组成的轨迹。 各物理量的关系满足式(5)。
由图5可知,当线路中点K1处发生区内故障时, 尽管过渡电阻Rg很小,但由于M(M= ︱Is/ Ipv︱)很大, 故偏移矢量的模值可能比故障线路阻抗的模值还要大 , 则测量阻抗Zm可能落在动作区外 , 导致距离保护元件拒动 。
此外,由于受故障条件和光伏逆变器LVRT控制方式的影响,光伏侧故障电流Ipv的相角不确定。 因此,两侧故障电流的相角差 θ 也不确定。 测量阻抗Zm落在以点A为圆心、MRg为半径的圆轨迹上。
显然,一般线路的距离保护虽然也受到过渡电阻的影响,但由于M较小,θ 也较小且固定,Zm的偏移一般不会过大,偏移方向较固定,可通过改善距离保护元件的动作特性来提高其耐受过渡电阻能力。 然而,对于光伏电站送出线路,由于两侧故障电流的幅值比M很大、相角差 θ 不确定,测量阻抗Zm受过渡电阻的影响远比一般线路的距离保护要大。 由图5可知,不论 θ 的大小和变化情况,只要M较大, 距离保护元件就极易在区内故障时拒动。
b. 区外故障可能误动。
下级线路区外故障时,距离保护元件因没有耐受过渡电阻能力而可能误动。 图6为送出线路下级出口K2处(见图1)发生区外相间故障时,光伏侧距离保护误动的示意图,图中各物理量含义与图5相同。
由图6可知,当下级出口K2处发生正方向区外故障时,尽管过渡电阻Rg很小,但由于系统侧与光伏侧故障电流的幅值比M很大且相角差 θ 不确定, 偏移矢量的模值很大 、 方向不确定 , 测量阻抗Zm落在以点C为圆心 、MRg为半径的圆轨迹上 。 测量阻抗Zm很有可能落在动作区内 , 导致距离保护元件误动 。
此外,系统侧距离保护在K2处故障时也可能发生反方向故障的误动,参考图6便可作出其动作特性图,在此不再赘述。
由图6可知,距离保护元件在区外故障时的误动发生在 θ > 0° 时;当 θ < 0°,距离保护元件可能拒动, 但不会误动。 因此,距离保护元件误动发生在严重故障后的暂态过程中或逆变器在故障期间仅发送有功的条件下。
由以上分析可知,光伏电站送出线路距离保护在光伏侧极易发生拒动和误动,在系统侧极易发生反方向故障的误动。 显然,这些误动和拒动均是由于距离保护的测距原理未考虑对端故障电流受过渡电阻的影响而造成的,一般均假设保护安装处电流与故障电流同相位,通过改进保护的动作区域提高耐受过渡电阻能力。 而在光伏送出线路中,系统侧故障电流与光伏侧故障电流间较大的幅值比M与不确定的相角差 θ 严重放大了原理性误差的影响,导致很小的过渡电阻也会造成距离元件的不正确动作。
c. 接地距离保护元件的耐受过渡电阻能力大于相间距离保护元件。
由第1节的分析可知,送出线路接地故障中的零序阻抗远小于正、负序阻抗,故零序电流成为故障电流的主要分量,缩小了两侧故障电流幅值的差距,M比不接地故障时小得多。 因此,接地故障时,测量阻抗因过渡电阻产生的偏移较小,接地距离保护元件比相间距离保护元件可耐受更大的过渡电阻。
综上所述,光伏电站提供的故障电流远小于系统提供的故障电流,导致送出线路距离保护耐受过渡电阻能力差,易发生误动与拒动。
3仿真算例
用图1所示的模型对光伏电站送出线路的保护动作性能进行仿真验证。 光伏侧和系统侧距离保护 Ⅰ段均为方 向圆特性 , 定值均为 线路阻抗 的85 % (5.189∠71.1° Ω)。 设定图1中光伏电站模型的逆变器的LVRT控制策略为故障期间发送一定无功功率的方式。
送出线路电流差动保护的动作情况见表1。 在不同的故障类型和过渡电阻下,区内故障时均可靠动作,区外故障时均可靠不动作,动作的准确性完全不受光伏故障电流特性的影响。
然而,由于故障中Is比Ipv大得多,Ipv可忽略不计,则ID≈Is、 IB≈Is。 尽管电流差动保护可正确判断区内外故障,但由于光伏电站的弱电源特性,光伏侧故障电流很小,差动电流ID与制动电流IB接近,故差动保护的灵敏度降低。
表2和表3分别为送出线路中点K1处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。 表2、3中BCG故障取BG回路测量阻抗 ,ABC故障取BC回路测量阻抗;某些严重故障情况下测量阻抗没有稳态值,单下划线表示暂态过程中某一时刻对应的测量阻抗值,而其余测量阻抗均为稳态值;双下划线表示该动作结果不正确,后同。
由表2和表3知,当无过渡电阻时,测量阻抗准确反映了保护安装处到故障点K1的线路阻抗Zk,两侧距离保护元件均正确动作。 当过渡电阻为0.5 Ω 时,系统侧的测量阻抗几乎未发生偏移,而光伏侧测量阻抗偏移到了动作区外。 当过渡电阻为5 Ω 时,系统侧的测量阻抗在某些类型的故障下也偏移到了动作区外。 由此可见,光伏侧距离保护元件在区内故障时耐受过渡电阻能力极差,很小的过渡电阻便会引起很大的测量误差,造成保护拒动。 系统侧的距离保护耐受过渡电阻能力较强,在送出线路全长阻抗只有6.105 Ω 的情况下仍可耐受几欧姆的过渡电阻。
由表2和表3还可以看出,光伏侧距离保护的耐受过渡电阻能力在接地故障时强于相间故障时,但仍然比系统侧距离保护弱。
需要指出,两相短路接地故障的2个接地回路比相间回路耐受过渡电阻能力强,原因是接地故障回路中主要分量为零序电流,两侧测量电流幅值比M较小。 以表2中过渡电阻为0.5 Ω 的BCG故障为例, BG和CG回路的保护可以动作 ,但BC回路的测量阻抗为11.546∠-22.4° Ω,BC回路的保护显然拒动。
将光伏电站模型的逆变器LVRT策略改为故障期间发送定有功电流的方式,表4和表5分别为送出线路的下级出口K2处故障时光伏侧和系统侧距离保护的动作情况。
表4中,该故障对于光伏侧距离保护而言是正方向区外故障,但当过渡电阻为0.3 Ω 时,相间短路和三相短路故障的测量阻抗落在了动作区内,即发生了稳态超越。 因此,光伏侧距离元件在正方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差,极易发生稳态超越,引起误动。 表5中,该故障对于系统侧距离保护而言是反方向区外故障,但当过渡电阻为0.3 Ω 时,相间短路和三相短路故障的测量阻抗却朝反方向增大, 落在动作区内。 因此,系统侧距离保护在反方向区外故障时耐受过渡电阻能力极差,极易发生反方向故障的误动。
需要特别指出的是,弱电源特性对距离保护元件耐受过渡电阻能力的影响问题在光伏送出线路上表现得尤为突出,但其影响不仅仅限于光伏送出线路而是涉及到所有的弱电源送出线路。 一侧故障电流受限会极大地降低距离保护的耐受过渡电阻能力。
4保护配置建议
上述分析揭示了光伏电站送出线路现有保护受弱电源特性的影响性能下降的问题,需要改进保护配置方案,以满足送出线路安全运行的要求。
送出线路的主保护仍应采用电流差动保护。 由于电流差动保护在光伏电站送出线路上可正确动作,故除了110 k V送出线路之外,现有规程要求在10 k V或35 k V的低压光伏电站送出线路上也要配备电流差动保护,以取代不能正确动作的电流保护和距离保护作为主保护。 唯一需要注意的是,光伏电站故障特性降低了差动保护的灵敏度,因而应按单电源线路对送出线路差动保护进行整定。
送出线路的后备保护应重新配置如下。
a. 对于接地故障,仍采用现有的零序电流保护从图1可以看出,零序网络仅包含送出变压器高压侧和送出线路,零序电流保护与光伏电站的电源特性无关,仍然可正确动作。
b. 对于相间故障,系统侧仍可采用电流保护 ,而光伏侧可考虑配置低电压保护。 由于光伏电站为电网的弱电源端,当故障发生时,相应故障回路的电压显著降低。 低电压保护的配置原则是:当送出线路发生区内故障时,应动作于跳闸;当电网或光伏电站内部故障时,应可靠不动作。 低电压保护的时间整定值应能躲过系统中发生的区外故障。 当系统中发生区外故障时,其动作延时应与下级线路后备保护的动作时间相配合。 此外,光伏侧保护应加装方向元件避免光伏电站集电线路或送出变压器故障时发生反方向误动。
5结论
本文就弱电源特性对光伏电站送出线路继电保护的影响进行了详细的分析和仿真验证,得出以下结论。
a. 弱电源特性使光伏送出侧电流保护在区内故障时不可用。
b. 弱电源特性不影响电流差动保护的正确动作,但降低了差动保护的灵敏度。
c. 弱电源特性使相间距离元件耐受过渡电阻能力极差,在实际中不可用;接地距离元件耐受过渡电阻能力也较差。
继电器特性 篇7
近年来，同塔输电技术以其输电走廊窄、占耕地面积小、输电容量大、投资成本低、建设速度快[1]等优点得到了广泛应用。在工程实际中，除全程同塔双回线路外，还衍生有部分同塔、混压同塔等其他多种形式的复杂同塔线路结构[2,3,4,5]。与全程同塔双回线路相比，复杂同塔线路的故障特性和故障类型更复杂，对线路保护的性能提出了更高要求[6,7,8,9,10,11,12,13]。
复杂同塔线路故障特性的理论分析极为困难即使通过复故障分析法可获得线路故障的解析表达，但由于其复杂性，也难以直接用于保护性能分析。因此，数字仿真是进行复杂同塔线路继电保护原理研究和性能评估的重要手段。国内外学者针对同塔线路结构特点，提出了多种线路模型构建方法[14,15,16]，但目前的研究均假设同塔各回线的导线参数相同，只适用于全程同塔等简单方式，不能直接应用于混压同塔这类导线参数不一致的复杂同塔线路。此外，故障仿真分析，特别是保护性能的评估分析需考虑不同故障点位置、不同故障类型以及不同运行方式等各种因素的影响，而同塔线路故障情况复杂，仅同塔四回线路的各种故障就有8184种[17]若通过手动修改模型参数，逐个进行仿真，工作量巨大，也难以保证仿真操作的准确性。
本文根据复杂同塔线路保护分析要求，建立了同塔线路仿真系统模型，提出了一种适用于复杂同塔结构的线路仿真模型构建方法，并针对不同故障条件自动切换、仿真软件自动循环仿真以及仿真数据预处理和保护功能模块的规范设计等实现技术问题提出了相关解决方案，工程应用实例验证了所开发的保护分析软件的有效性和正确性。
1 同塔线路仿真系统设计
1.1 同塔线路仿真系统结构
在实际工程中，由于地理环境的限制或输电特殊需求，除全程同塔双回线路外，还存在部分同塔、混压同塔等复杂结构形式。通过对现场同塔线路结构形式的调研分析，在复杂同塔线路中，部分同塔双回、同压同塔四回和混压同塔四回占主导地位。因此，为了满足不同同塔线路保护的分析要求，在仿真软件设计中，构建了图1所示的4种典型仿真系统结构模型。图1(a）中Ⅰ、Ⅱ回线全程同塔，两端共母。与图1(a）不同，图1(b）中Ⅰ、Ⅱ回线在近M侧母线同塔架设，两回线在另一侧分别到达N、Q母线。图1(c）和图1(d）中Ⅰ、Ⅱ回线设为组1，Ⅲ、Ⅳ回线为组2，在虚线中间段组1和组2双回线路构成同塔四回线路。
在仿真模型中，可通过调整母线背侧等值阻抗ZM、ZN、ZP、ZQ模拟系统不同的运行方式，使用母线间阻抗ZMP、ZNQ、ZMN、ZMQ、ZPQ来反映母线各侧外部等值系统之间电气联系的强弱。上述4种仿真系统结构可涵盖绝大多数常见的同塔线路形式，满足复杂同塔线路故障特性分析和保护性能评估的需求。
1.2 复杂同塔线路模型构建方法
为了适应继电保护暂态性能的分析要求，整个仿真分析软件基于PSCAD构成。在图1所示的仿真系统建模中，系统电源、联接阻抗等可直接采用PSCAD基本模块，难点是如何正确构建复杂同塔线路模型。
为了准确反映同塔线路结构参数的影响，同塔线路模型需采用PSCAD中的杆塔模型。对于全程同塔线路，由于各回线一般均采用相同型号的导线，即导线参数相同，其建模方法相对简单，两回线路采用单个杆塔模块统一构建。但对于复杂同塔线路，如混压同塔线路，由于各回线的导线参数不一致，无法通过上述方式建立线路模型，需采用新的建模方法。
针对部分同塔、混压同塔等复杂同塔方式时同塔线路导线参数不一致的问题，可根据导线参数分组构建多个杆塔模块，通过设置对应的导线位置结构参数，使各杆塔模块相互耦合，共同组成符合工程实际的同塔线路模型。如图2所示，以混压同塔四回线路为例，若四回线导线参数不一致，可在参数编辑器中添加4个杆塔模块，分别对4个杆塔模块输入各自的导线及位置结构参数。若同压的两回线路导线参数相同，也可采用2个杆塔模块，每个杆塔模块按同塔双回线路模型设置，共同构成同塔四回线路。另外，通过改变线路模型接口间的连接方式，可以实现不同同塔方式，如中端同塔、送端同塔、受端同塔等仿真建模要求。
2 仿真软件的关键实现技术
2.1 自动循环仿真实现技术
如前所述，复杂同塔线路继电保护动作特性分析与评估需考虑系统运行方式、同塔线路运行方式、故障点位置、故障类型、过渡电阻等众多故障条件变化的影响，仿真的工作量巨大，如何实现不同故障条件的自动切换以及PSCAD软件的自动循环调度控制，是保护分析软件设计中需要重点解决的关键问题。
PSCAD自带有Multiple Run功能，可以解决六变量、六测量量的多重循环仿真，但由于同塔线路故障条件复杂繁多，Multiple Run功能中变量取值有限，而且通道不足，故PSCAD自带的多重仿真功能不能满足应用要求。为此，本文基于MATLAB环境，通过编制专用软件模块，实现故障条件自动切换及PSCAD软件的运行调度控制。
在PSCAD图形界面下建模后，将自动生成psc模型文件，该文件包含了模型内部的详细信息。故障条件的切换实际上对应的是PSCAD仿真模型的改变，因此，可通过修改psc文件来实现。psc文件参数修改的一种直观方法是根据该参数在psc文件中的具体位置，通过文件指针定位移动，对其进行重新赋值。但由于同塔线路故障条件的切换涉及系统阻抗、故障点位置以及模拟不同故障类型的时控开关等众多元件参数，指针定位计算复杂，且一旦定位出现偏差，将导致模型修改错误，甚至导致仿真崩溃。进一步的研究分析发现，PSCAD模型参数除了可使用固定数值表征外，还可将其设置为字符型的全局常量。设置的常量全部保存在psc文件中的子函数Global＿Consts中。根据以上特点，可首先将PSCAD同塔线路模型中所有与故障条件切换相关的参数均设为全局常量。在此基础上，通过MATLAB写文件函数修改psc文件，根据所需仿真的故障条件，对Global＿Consts中全程常量赋予不同的数值，并保持psc文件的其他部分不变。通过生成不同的psc文件，即可实现不同故障条件的自动切换。上述方法简单可靠，其生成的仿真模型与在PSCAD图形界面编辑的模型完全一致。psc文件全局常量修改示例如下。
PSCAD软件的运行通常是通过人工操作鼠标，点击打开PSCAD软件、加载仿真模型、编译仿真及关闭软件等步骤实现故障仿真。为避免人工干预，提高仿真效率，可通过MATLAB软件模拟鼠标的上述操作步骤，对PSCAD进行调度控制，实现自动循环仿真。以编译仿真为例，首先控制鼠标移动到PSCAD软件的仿真按钮Run，其次控制单击鼠标开始仿真。由于每次打开PSCAD软件后，Run按钮的位置是固定的，因此下一次仿真时鼠标移动到指定位置的坐标保持不变，保证了程序的通用性。参照以上鼠标操作可以实现其他的仿真步骤。
由于PSCAD软件采用分步骤运行方式，在其循环调度控制中需要解决的另一个问题是如何实现PSCAD与鼠标操作时间上的同步，以保证鼠标操作前，上一步骤已经完成。在各操作步骤中，打开PSCAD软件、加载仿真模型、编译仿真等环节的运行时间相对固定，可通过在各个步骤之间添加固定延时来实现时间同步。但上述方式不适用于关闭软件这类鼠标操作的时间控制。由于不同故障条件的仿真完成时间存在差异，在模拟鼠标操作关闭软件前，需确保PSCAD已完成所有仿真计算，而若以最大仿真延时作为鼠标操作等待时间，将会导致仿真效率大幅降低，因此，需采用其他更为有效的同步控制方法。
对PSCAD仿真输出文件分析可知，其.out文件第1列数据记录了当前仿真时间，且该文件是随着仿真时间的推进逐行自动写入。因此，在循环控制软件设计时，可不断读入.out文件的第1行仿真时间数据，一旦该时间与预设的仿真时间相同，则表明PSCAD仿真计算完成，可控制鼠标关闭软件。
采用上述控制技术，可实现PSCAD的自动循环仿真，从而大幅提高仿真效率，并能有效避免手动修改模型参数造成的错误。
2.2 数据预处理及保护功能模块设计
PSCAD仿真软件生成的1个.out文件只能包含10个输出通道数据，当输出通道大于10时，.out文件依次以＿01.out、＿02.out等输出。同塔线路保护动作特性分析涉及的通道数较多，因此，在分析前需对仿真数据进行预处理，以形成规范的数据格式，以便后续保护功能模块的调用处理。
仿真数据的预处理主要包括以下基本功能。
a.多个.out文件的整合。通过MATLAB读取多个＿xx.out文件，并进行整合处理，分线路形成标准化的二次采样值矩。
b.基本参数计算。对采样数据分别进行傅氏变换和对称分量变换，计算并保存保护所需的基础电气参数，如各相基频电压、电流分量、各序分量以及故障分量等，以便不同保护原理根据需要选择调用。
保护功能模块设计是整个软件设计的重要基础。由于保护厂家众多，保护原理各异，为全面评估同塔线路保护动作特性，需要对不同厂家的不同保护原理分别编程实现。在保护软件开发中，借鉴了微机保护软件的模块化设计方法，将保护功能模块分为保护元件计算模块、保护动作逻辑运算模块、保护动作记录模块、仿真条件记录模块等。
a.保护元件计算模块：仿照模拟式保护的结构特点，形成不同的“软件继电器”（保护元件）。利用已计算出的各种基础电气参数，根据各保护元件的动作方程，进行计算判断，其结果作为逻辑量输出。保护元件主要包括各种功率方向元件、电流差动元件、阻抗元件、选相元件、振荡闭锁元件以及时间元件等。
b.保护动作逻辑运算模块：根据保护整体动作逻辑，将相关“保护元件”的输出结果进行逻辑组合运算，以决定保护的最终动作行为。
c.保护动作记录模块：记录各保护元件的输出逻辑结果和保护动作逻辑运算结果，并对拒动或误动的情况加以标记，以为保护动作行为分析提供依据。
d.仿真条件记录模块：依次记录循环仿真的每一种故障条件，以便当保护误动或拒动时，可据此有针对性地开展进一步的详细仿真分析。
上述模块化设计方法，软件结构清晰，开发维护方便。在仿真软件中，设计了差动元件（分相差动、零序差动）、选相元件（单回线选相、双回线选相等）、测量阻抗元件（四边形特性、正序电压极化特性等）以及方向元件（零序方向、负序方向等），并可以根据分析需求加以扩展补充。
2.3 仿真软件基本结构
整个保护分析软件由主控模块、仿真模型自动循环控制模块、仿真数据预处理模块、保护功能模块以及输出显示模块五部分组成，其基本结构见图3。
通过主控模块，用户可根据分析需要选择同塔线路仿真系统类型以及被评估的保护原理。此外，为提高仿真分析效率，在主控模块中设置了“循环条件设置”功能。用户可选择包含所有故障条件的全部遍历仿真或者选择针对某类故障条件的局部重点仿真，如可选择不同故障点位置、不同故障类型或不同运行方式等进行分类仿真。
完成主控模块设置后，软件将通过MATLAB自动循环控制模块实现不同的故障条件的自动切换，并模拟鼠标操作，实现PSCAD的运行调度控制。仿真完成后将生成统一的输出文档。用户可根据研究需求选择输出显示被分析的保护原理在各种故障条件下的动作记录数据，以便综合对比分析；也可对标记的保护拒动或误动情况，利用其对应的仿真条件记录结果，通过主控模块生成此时的仿真模型，对其故障暂态特性以及保护动作性能开展进一步的详细分析。
3 仿真测试与工程应用
仿真分析软件开发完成后，对其进行了全面的功能测试，结果表明其各项性能均达到设计要求，目前已在工程实际中得到应用，并在复杂同塔线路保护动作原理研究和适用性分析中发挥了积极作用。本节以某实际的500 k V/220 kV混压同塔四回线路为例，简述其仿真测试及应用结果。
3.1 线路参数介绍
线路的等效示意图如图1(d）所示，其中500 kV线路采用的导线型号为4×LGJ-630/45,220 kV线路采用的导线型号则为2×LGJ-630/45，子导线直径为33.6 mm、分裂间距为500 mm,20℃时直流电阻为0.045 9Ω/km。500 k V及220 kV线路地线都为36芯OPGW，地线直径为15.6 mm,20℃时直流电阻为0.324Ω/km。同塔四回段的杆塔参数及线路相序排列方式如图4所示，其中G1、G2表示架空地线，A、B、C、a、b、c表示各相导线的相别。
3.2 仿真验证
在仿真系统模型测试中，重点针对所提出的复杂同塔线路建模方法的正确性进行了验证分析。由于与保护分析相关的线路基本参数是正序、负序和零序阻抗参数，而正序与负序阻抗基本相同，因此仿真验证中模拟现场参数测量方法，分别测试线路末端短路时首端的正序、零序等值阻抗，并将仿真测试结果与现场的实测结果进行对比分析，其中Ⅰ回线的对比结果如表1所示。
从表1可知，正序、零序测量阻抗与实测结果的相对误差在6%以内，均处于合理范围。测量误差主要是由于仿真模型中的某些设置参数，如土壤电阻率等与现场运行实际电阻率有关，难以准确给定。上述对比结果表明，所采用的同塔线路模型构建方法正确，满足工程应用要求。
由于保护动作特性仿真分析涉及不同保护原理、不同运行方式、不同故障类型以及不同故障点位置等诸多因素，受文章篇幅所限，难以详细展开分析，将另文详细说明。表2—4给出的是仿真故障条件、某厂家用于全程同塔双回线路的距离保护选相元件和接地距离Ⅱ段的仿真结果。由表3可以看出，全程同塔双回线路选相元件不能直接应用于混压同塔线路，在发生跨线故障时存在误选相情况。表4为Ⅲ回线P侧保护安装处的接地距离Ⅱ段在不同跨线接地故障下的动作结果。可以看出，在跨线故障情况下，正序电压极化的接地阻抗继电器的整体性能优于四边形特性的接地阻抗继电器，但2种阻抗继电器在某些跨线故障下仍存在拒动问题。根据输出结果记录的仿真故障条件（见表2）做进一步的仿真分析，结果表明造成混压跨线接地故障保护拒动的主要原因是上述跨线故障会导致测量阻抗幅值显著增大，或相角发生严重偏移，具体见表5，分析结论可为距离保护的性能改善和工程应用提供重要参考。
注：强表示强电源；p为故障点位置和M侧电源的距离占Ⅰ回线全长的百分比。
注：选相结果中F表示误选相。
注：幅值为测量阻抗与Ⅲ回线正序阻抗的比值。
4 结语
数字仿真是进行复杂同塔线路继电保护原理研究和性能评估的重要手段。本文根据同塔线路的结构特点和保护分析要求，以PSCAD为核心，开发了一套复杂同塔线路保护动作特性仿真分析软件，具有以下特点：
a.构建的4种典型仿真系统结构模型可涵盖绝大多数常见的同塔线路形式，满足复杂同塔线路故障特性分析和保护性能评估的要求；
b.同塔线路模型构建方法较好地解决了导线参数不一致时的建模问题，能准确模拟部分同塔、混压同塔等各种复杂同塔线路的参数特性；
c.自动循环仿真技术可实现不同故障条件的自动切换及PSCAD软件的自动调度控制，大幅提高了仿真效率，并能避免手动修改模型参数造成的错误；
d.保护软件采用模块化设计方法，开发维护方便，并易于功能扩展，为复杂同塔线路保护原理研究和性能评估提供了有力的分析工具。
摘要：根据复杂同塔线路的结构特点和保护分析要求,以PSCAD为核心,提出了一种适用于复杂同塔结构的线路仿真模型构建方法。基于MATLAB环境建立专用软件模块,实现故障条件自动切换及PSCAD软件的循环调度控制。对仿真数据预处理和保护功能模块进行了设计。基于上述工作,开发了一套复杂同塔线路保护动作特性分析软件。工程应用实例验证了该软件的有效性和正确性。