邵玉槐

(太原理工大學(xué)電氣與動(dòng)力工程學(xué)院,山西太原 030024)

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課程面對(duì)的問(wèn)題

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程是電氣工程及其自動(dòng)化專業(yè)中電力方向的專業(yè)必修課,對(duì)于將從事電力系統(tǒng)繼電保護(hù)工作的本科學(xué)生,必須通過(guò)這門(mén)課程的學(xué)習(xí)才能具備電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本理論和應(yīng)用基礎(chǔ)。

2000年之前依據(jù)當(dāng)時(shí)電力專業(yè)教學(xué)大綱要求,我校電力專業(yè)繼電保護(hù)原理課程一直使用傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理教材。當(dāng)微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)一書(shū)出版后我們以此書(shū)為教材增開(kāi)了選修課,以便學(xué)生能適應(yīng)微型機(jī)繼電保護(hù)日益廣泛的應(yīng)用和繼電保護(hù)技術(shù)不斷發(fā)展的工作需求。

隨著教學(xué)改革的深入,電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課作為電氣專業(yè)電力方向的必修課,課時(shí)由70學(xué)時(shí)減為48學(xué)時(shí),對(duì)原教材的內(nèi)容,課時(shí)顯然不足。而我們是非電力院校的地方綜合性大學(xué),不可能要求增加學(xué)時(shí)解決這個(gè)問(wèn)題。另外電氣專業(yè)學(xué)生自選課程時(shí)還出現(xiàn)了不選繼電保護(hù)原理課只選微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)課的脫節(jié)狀況。教師很難做到在沒(méi)有學(xué)習(xí)繼電保護(hù)原理課程的條件下保證微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)課程的教學(xué)效果。選擇電力方向的學(xué)生也有只選繼電保護(hù)原理課作為必修課而不選微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)課程作為選修課,致使這部分學(xué)生在大學(xué)課程中只了解繼電保護(hù)作用原理而不了解微型機(jī)繼電保護(hù)新技術(shù)。

鑒于上述原因,由我主編的“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理”教材在突破傳統(tǒng)教材框架方面進(jìn)行了一些嘗試,將傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理和微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)教材中的基本理論和重要內(nèi)容有機(jī)地融為一體,在內(nèi)容編排上既注重課程體系的基礎(chǔ)性、系統(tǒng)性,同時(shí)也注入了繼電保護(hù)領(lǐng)域發(fā)展的新知識(shí)、新技術(shù),在講授方法上也有不少創(chuàng)新之處。

2 教材結(jié)構(gòu)的優(yōu)化

教材結(jié)構(gòu)優(yōu)化的思路是將微型機(jī)繼電保護(hù)和電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理中的內(nèi)容根據(jù)它們的內(nèi)在聯(lián)系有機(jī)地融為一體,將其中最重要最基本的理論和技術(shù)如電網(wǎng)電流保護(hù)、微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)、電網(wǎng)的距離保護(hù)、輸電線路的縱聯(lián)保護(hù)、變電站綜合自動(dòng)化放在教材的前幾章,作為必修課的內(nèi)容。學(xué)生通過(guò)必修課的學(xué)習(xí)掌握繼電保護(hù)原理的基本理論和用微型機(jī)實(shí)現(xiàn)保護(hù)功能的基礎(chǔ)知識(shí)。對(duì)于在此基礎(chǔ)上能夠通過(guò)扼要講解或者自學(xué)可理解的內(nèi)容,如發(fā)電機(jī)保護(hù)、變壓器保護(hù)、母線保護(hù)及自動(dòng)重合閘放在教材的后幾章,作為選修課的內(nèi)容。這樣既避免了學(xué)生選修課時(shí)出現(xiàn)脫節(jié)的問(wèn)題,更有利于在有限的學(xué)時(shí)內(nèi)教學(xué)安排的靈活性和有效性。

具體講就是在結(jié)構(gòu)安排時(shí),將微型機(jī)繼電保護(hù)的硬件構(gòu)成原理、從電流、電壓的采樣值計(jì)算電流、電壓有效值的方法(簡(jiǎn)稱算法)、數(shù)字濾波方法及電流保護(hù)程序流程編寫(xiě)在電網(wǎng)電流保護(hù)內(nèi)容之后,以期學(xué)生對(duì)微型機(jī)式電流保護(hù)的原理與裝置構(gòu)成形成整體概念。為了給初學(xué)者一個(gè)清晰的概念和感性認(rèn)識(shí),電網(wǎng)電流保護(hù)用電磁型的繼電器結(jié)構(gòu)和電流保護(hù)原理說(shuō)明繼電保護(hù)原理。在介紹了微型機(jī)繼電保護(hù)的構(gòu)成原理之后,逐步用微型機(jī)保護(hù)算法,如阻抗算法、序分量算法等和程序流程圖、邏輯框圖說(shuō)明電網(wǎng)距離與線路差動(dòng)繼電保護(hù)原理。鑒于計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)在電力系統(tǒng)中的大量采用和電力系統(tǒng)光纖通信網(wǎng)絡(luò)的逐步形成,微機(jī)型繼電保護(hù)成為變電站綜合自動(dòng)化和調(diào)度自動(dòng)化中計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制系統(tǒng)的基本組成單元,還編寫(xiě)了變電站綜合自動(dòng)化的內(nèi)容。

3 教材內(nèi)容的選擇

專業(yè)課程教學(xué)的目的是讓學(xué)生了解本領(lǐng)域的最新技術(shù)及其原理。因此教材內(nèi)容選擇的原則是突出電力系統(tǒng)繼電保護(hù)基本原理和新技術(shù)的應(yīng)用,根據(jù)近年來(lái)繼電保護(hù)的原理發(fā)展和微型機(jī)繼電保護(hù)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際應(yīng)用情況進(jìn)行增刪。舉例說(shuō)明如下:

例1.微型機(jī)距離保護(hù)不再是幾個(gè)阻抗繼電器并行工作,而是提取故障電壓、電流對(duì)進(jìn)行阻抗計(jì)算。因此,在電網(wǎng)距離保護(hù)一章的阻抗繼電器接線一節(jié)中介紹過(guò)相間與接地距離保護(hù)的接線方法后,增加了故障選相與故障類型、故障相別的判別程序流程圖及其理論分析。

例2.在距離保護(hù)的振蕩閉鎖措施中介紹獲取負(fù)序分量的復(fù)相量濾序算法和正弦采樣序列的濾序算法,介紹反映振蕩期間電阻變化和反映振蕩中心電壓的對(duì)稱故障開(kāi)放元件的原理,不再編入負(fù)序電流的電磁型獲取方法及其分析。

例3.由于采用光纖通道與允許式方向縱聯(lián)保護(hù)相結(jié)合的保護(hù)在超高壓和特高壓線路上獲得越來(lái)越多的應(yīng)用。在輸電線路縱聯(lián)保護(hù)保護(hù)一章的通信通道一節(jié)中增加介紹了光纖通道,在方向縱聯(lián)與距離縱聯(lián)保護(hù)一節(jié)中增加介紹了工頻變化方向元件和允許式方向縱聯(lián)保護(hù)。

教材涉及這種問(wèn)題的內(nèi)容較多,茲不一一列舉。

4 講授方法的幾點(diǎn)創(chuàng)新

由于教材在結(jié)構(gòu)編排上做了較大調(diào)整,同時(shí)增加了一些新的內(nèi)容,為了便于學(xué)生理解,對(duì)繼電保護(hù)的一些基本原理的講授從本教材編寫(xiě)的角度在方法上有創(chuàng)新之處。

4.1 阻抗繼電器動(dòng)作方程的轉(zhuǎn)換

在傳統(tǒng)的電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理教材中關(guān)于相位比較式阻抗繼電器在動(dòng)作范圍為90°～270°時(shí),繼電器動(dòng)作條件的表達(dá)式為:

其中φC、φD分別為相量﹒C和﹒D的相位角

用微型機(jī)實(shí)現(xiàn)的同樣動(dòng)作范圍的相位比較式阻抗繼電器的動(dòng)作條件卻表達(dá)為:

其對(duì)應(yīng)的余弦表達(dá)式為:

微型機(jī)繼電保護(hù)的算法中將式(4)左端展開(kāi),并在兩端同乘以|﹒UC||﹒UD|而得到比相動(dòng)作條件的數(shù)學(xué)表達(dá)式:

UCI,UDI分別為電壓相量﹒UC、﹒UD的虛部

稱式(5)為余弦型相位比較判據(jù)

在教材中指出公式(2)不能被直接引用是因?yàn)槭?2)對(duì)應(yīng)的余弦表達(dá)式為

這是個(gè)不習(xí)慣的表達(dá)式。

因此在教材的118頁(yè)對(duì)相位比較阻抗繼電器動(dòng)作條件的轉(zhuǎn)換以方向阻抗繼電器為例,增加了圖1,使之與公式(7)、(8)對(duì)應(yīng),并進(jìn)行了說(shuō)明。

當(dāng)繼電器的動(dòng)作條件為:

當(dāng)繼電器的動(dòng)作條件為:

式中﹒UK為加入保護(hù)裝置的二次測(cè)量電壓

4.2 正序電壓為極化電壓時(shí)圓特性方向阻抗繼電器動(dòng)作特性分析

圖1 在方向阻抗圓特中表示的θ1與θ2的區(qū)別示意圖

在距離保護(hù)一章中,圓特性方向阻抗繼電器動(dòng)作特性分析的目的是為了達(dá)到理解采用非故障相電壓或記憶電壓作為相位比較式方向阻抗繼電器的動(dòng)作方程的極化電壓,可以消除方向阻抗繼電器的動(dòng)作死區(qū)。這種應(yīng)用使方向阻抗繼電器在被保護(hù)范圍正方向發(fā)生故障時(shí)動(dòng)作特性由方向阻抗圓變?yōu)橐粋€(gè)包括坐標(biāo)原點(diǎn)的偏移圓,測(cè)量阻抗在圓內(nèi),可靠動(dòng)作。在被保護(hù)范圍反方向短路時(shí),方向阻抗繼電器的動(dòng)作特性是復(fù)平面上第一象限的一個(gè)上拋圓,測(cè)量阻抗在第三象限時(shí),繼電器不會(huì)誤動(dòng)作。這個(gè)特性對(duì)相間方向、接地方向阻抗繼電器及工頻變化量阻抗繼電器都是存在的,這個(gè)理論很重要。

由對(duì)稱分量法可知,正序電壓可由三相電壓組合而得。用正序電壓作為方向阻抗繼電器動(dòng)作方程中的極化電壓,就相當(dāng)于在極化電壓中引入了一個(gè)非故障相電壓。由于微型機(jī)保護(hù)很容易實(shí)現(xiàn)正序電壓的算法,因此在微型機(jī)距離保護(hù)中方向阻抗繼電器選用正序電壓作為極化電壓。

用基本原理說(shuō)明這一新方法時(shí)必須使用正序極化電壓表示的動(dòng)作方程與圖表示的阻抗繼電器動(dòng)作特性一致。如對(duì)反方向故障分析。

以AB相間短路為例,如圖2所示,保護(hù)安裝處實(shí)際電流的方向與規(guī)定正方向相反,﹒IK=-﹒IABN,電壓是母線處電壓,從電壓互感器上獲得,其值總為正值。故障相的電壓和正序極化電壓可以表示為

圖2 反方向短路系統(tǒng)圖

式(11)中,

工作電壓:

極化電壓:

所以反方向故障情況下動(dòng)作條件可以表示為:

在復(fù)平面上,該式表示反方向相間短路時(shí),方向阻抗繼電器的動(dòng)作范圍是一個(gè)以Z′S與Zset連線為直徑的上拋圓(一般情況下取Zset與Z′S同相位)如圖3所示。反方向出口短路時(shí),測(cè)量阻抗在原點(diǎn)附近,遠(yuǎn)離動(dòng)作區(qū)域,可靠不動(dòng)。反方向遠(yuǎn)處短路時(shí),-ZK位于第三象限,不可能落入圓內(nèi),阻抗繼電器也不會(huì)動(dòng)作。這表明,以正序電壓為極化電壓(參考電壓)的方向阻抗元件具有明確的方向性。

圖3 反方向短路時(shí)以正序電壓為極化電壓的方向阻抗繼電器動(dòng)作特性

5 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述,為適應(yīng)普通高校電力專業(yè)繼電保護(hù)原理課程教學(xué)需求編寫(xiě)的這本“電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理”教材,在結(jié)構(gòu)安排、內(nèi)容選擇、講授方法上都有一些新的思路。該教材于2008年6月由中國(guó)電力出版社出版出版。在我校05級(jí)電氣專業(yè)學(xué)生約180人中講授時(shí)取得了良好的教學(xué)效果,學(xué)生掌握了電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理的基本理論,了解了微型機(jī)繼電保護(hù)的新技術(shù),奠定了一定的應(yīng)用基礎(chǔ),增強(qiáng)了工作的信心。希望與各校同仁共同努力,探索電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理課程的教學(xué)改革。

[1] 邵玉槐,秦文萍.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].北京:中國(guó)電力出版社,2008

[2] 賀家里,宋從矩.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理[M].增訂版.北京:中國(guó)電力出版社,2004

[3] 楊奇遜,黃少鋒.微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)[M].2版.北京:中國(guó)電力出版社,2005

[4] 張保會(huì),尹項(xiàng)根.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京:中國(guó)電力出版社,2005