（无线电物理专业论文）微机继电保护在石化企业电力系统中的应用.pdf

本人已经认真阅读“c a l i s 高校学位论文全文数据库发布章程 ，同意将本人的 学位论文提交“c a l i s 高校学位论文全文数据库”中全文发布，并可按“章程中的 规定享受相关权益。囤意论塞握銮卮溢卮；旦坐生；鸯兰生；旦三生发查： 导师签名： 日期：沙 摘要 随着计算机技术的飞速发展，计算机在电力系统继电保护领域中的应用越来越 普遍，微机继电保护系统也日趋成熟，继电保护技术目前正朝着保护、控制、测量 和数据通信一体化方向发展。现在无论是从灵敏性还是可靠性方面来比，微机继电 保护系统都比电磁式保护系统优越，它解决了老的电磁式保护系统存在的检修时间 长、保护系统故障不能及时恢复正常运行等问题，同时缩短了日常保护系统的校验 时间，而且还可以保存事故时的故障数据，从而更便于进行事故原因分析和检修人 员的维护。 本文简要叙述了微机继电保护技术和原理，并针对南阳石蜡精细化工厂电力系 统继电保护系统现状，深入分析了变电站继电保护系统存在的问题，通过与微机继 电保护技术的比较，并综合考虑企业变电站的电压等级、分布情况、供电性质，提 出用分散式配置方案，进行合理的继电保护系统配置，给出了南阳石蜡精细化工厂 微机继电保护系统改造方案；介绍了符合南阳石蜡精细化工厂电力系统特点的微机 继电保护系统的设计与实现过程，改造后的系统具有可靠性高、保护灵敏性高、自 动化程度高等特点。 论文最后总结分析了微机继电保护在南阳石蜡精细化工厂电力系统中应用的 特点，展望了微机继电保护技术在石化企业电力系统中的应用前景。 关键词：微机继电保护，电力系统，变电站，石化企业 摘要 a b s t r a c t 第一章 目录 概述 i i i 1 1 1 电力系统概述1 1 1 1 电力系统稳定性和提高稳定性的基本措施1 1 1 2 电力系统的运行状态与继电保护的作用2 1 2 石化企业电力系统的特点5 1 3 继电保护技术发展现状分析7 1 3 1 计算机化7 1 3 2 保护、控制、测量、数据通信一体化8 1 3 3 变电站综合自动化9 第二章微机继电保护技术简述 1 1 2 1 继电保护原理及相关技术1 1 2 1 1 继电保护的基本原理和保护系统的组成1 1 2 1 2 继电保护系统的主要性能指标1 4 2 2 微机继电保护技术1 7 2 3 微机继电保护特点1 8 第三章微机继电保护技术在石化企业的应用 3 1 南阳石蜡精细化工厂电力系统现状2 0 3 1 1 南阳石蜡精细化工厂电力系统概述2 0 3 1 1 精蜡厂继电保护系统存在的问题2 1 3 2 精蜡厂微机继电保护系统设计2 4 3 2 1 精蜡厂微机继电保护系统设计要求2 4 3 2 2 精蜡厂微机继电保护系统设计方案2 5 第四章精蜡厂微机继电保护系统的实现 4 1 微机继电保护系统通用功能的实现。2 8 4 2 微机变压器保护系统差动保护功能的实现3 1 4 3 微机电动机特殊保护功能实现3 4 4 3 1 起动时间3 4 硕士擘位论文 m a s t e r st h e s l s 4 3 2 过热保护3 5 第五章总结与展望 5 1 系统的通讯和集成3 7 5 2 微机保护系统的信息网络化展望3 8 5 2 1 继电保护进入it 领域的发展3 9 5 2 2 数字信号处理dsp 技术的发展。4 0 参考文献 致谢 4 2 5 0 1 1 电力系统概述 第一章概述 电力系统是由发电厂、输电网、配电网和电力用户组成的整体，是将一次能源 转换成电能并输送和分配到用户的一个统一系统。输电网和配电网统称为电网，是 电力系统的重要组成部分。发电厂将一次能源转换成电能，经过电网将电能输送和 分配到电力用户的用电设备，从而完成电能从生产到使用的整个过程。电力系统还 包括保证其安全可靠运行的继电保护系统、安全自动系统、调度自动化系统和电力 通信等相应的辅助系统( 一般称为二次系统) 。 输电网是电力系统中最高电压等级的电网，是电力系统中的主要网络( 简称主 网) ，起到电力系统骨架的作用，所以又可称为网架。在一个现代电力系统中既有 超高压交流输电，又有超高压直流输电。这种输电系统通常称为交、直流混合输电 系统。 配电网是将电能从枢纽变电站直接分配到用户区或用户的电网，它的作用是将 电力分配到配电变电站后再向用户供电，也有部分电力不经配电变电站，直接分 配到大用户，由大用户的配电装置进行配电。 在电力系统中，电网按电压等级的高低分层，按负荷密度的地域分区。不同容 量的发电厂和用户应分别接入不同电压等级的电网。大容量主力电厂应接入主网， 较大容量的电厂应接入较高压的电网，容量较小的可接入较低电压的电网。 1 1 1 电力系统稳定性和提高稳定性的基本措施 电力系统稳定性可分为静态稳定、暂态稳定和动态稳定 电力系统静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性的失步，自动 恢复到起始运行状态的能力。 电力系统暂态稳定指的是电力系统受到大干扰后，各发电机保持同步运行并过 渡到新的或恢复到原来稳定运行状态的能力，通常指第一或第二摆不失步。 电力系统动态稳定是指系统受到干扰后，不发生振幅不断增大的振荡而失步。 提高电力系统稳定性的措施可以分为两大类：一类是加强网架结构；另一类是 采用保护装置提高系统稳定性控制。稳定性控制又包括两个方面：失去稳定前， 采取措施提高系统的稳定性；失去稳定后，采取措施重新恢复新的稳定运行。继 电保护及重合闸装置是提高电力系统暂态稳定的重要的有效措施之一。高压线路上 现代电力系统的特点是大机组、高电压、大电网、交直流远距离输电、电网互 联，因而其结构复杂，覆盖不同环境的辽阔地域。这样，在实际运行中，自然灾害 的作用、设备缺陷和人为因素都会造成设备故障和运行条件发生变化，因而电力系 统还会出现其他非正常运行的状态。 电力系统的运行状态可分为3 种：正常状态、紧急状态( 事故状态) 和恢复状 态( 事故后状态) 3 种运行状态及其相互间的转化关系如图1 1 所示 图i 1 电力系统运行状态转换关系 1 正常状态 在正常运行状态下，电力系统中总的有功和无功功率出力能和负荷总的有功和 无功功率的需求达到平衡；电力系统的各母线电压和频率均在正常运行的允许偏差 范围内；各电源设备和输配电设备均在规定的限额内运行；电力系统有足够的旋转 备用和紧急备用以及必要的调节手段，使系统能承受正常的干扰( 如无故障开断一 2 台发电机或一条线路) ，而不会产生系统中各设备的过载，或电压和频率偏差超出 允许范围。 在正常运行状态下，电力系统对不大的负荷变化能通过调节手段，可从一个正 常运行状态连续变化到另一个正常运行状态。在正常运行状态下，还能在保证安全 运行条件下，实现电力系统的经济运行。 2 紧急状态 电力系统遭受严重的故障( 或事故) ，其正常运行状态将被破坏，进入紧急状 况( 事故状态) 。 电力系统的严重故障主要有： ( 1 ) 线路、母线、变压器和发电机短路。短路有单相接地、两相和三相短路。 短路又分瞬间短路和永久性短路。在实际运行中，单相短路出现的可能性比三相短 路多，而三相短路对电力系统影响最严重。当然尤其严重的是三相永久性短路，这 是极其稀小的。在雷击等情况下，有可能在电力系统中若干点同时发生短路，形成 多重故障。 ( 2 ) 突然跳开大容量发电机或大的负荷引起电力系统的有功功率和无功功率严 重不平衡。 ( 3 ) 发电机失步，即不能保持同步运行。 电力系统出现紧急状态将危及其安全运行，主要事故有以下几个方面： ( 1 ) 频率下降。在紧急状态下，发电机和负荷间的功率严重不平衡，会引起电 力系统频率突然大幅度下降，如不采取措施，使频率迅速恢复，将使整个电厂解列， 其恶性循环将会产生频率崩溃，导致全电力系统瓦解。 ( 2 ) 电压下降。在紧急状态下，无功电源可能被突然切除，引起电压大幅度下 降，甚至发生电压崩溃现象。这时，电力系统中大量电动机停止转动，大量发电机 甩掉负荷，导致电力系统解列，甚至使电力系统的一部分或全部瓦解。 ( 3 ) 线路和变压器过负荷。在紧急状态下，线路过负荷，如不采取相应技术措 施，会连锁反应，出现新的故障，导致电力系统运行进一步恶化 ( 4 ) 出现稳定问题。在紧急状态下，如不及时采取相应的控制措施或措施不够 有效，则电力系统将失去稳定。所谓电力系统稳定，就是要求保持电力系统中所有 同步发电机并列同步运行。电力系统失去稳定就是各发电机不再以同一频率，保持 固定功角运行，电压和功率大幅度来回摆动。电力系统稳定的破坏会对电力系统安 全运行产生最严重后果，将可能导致全系统崩溃，造成大面积停电事故。 3 6 0 年代以来，国际上出现过多次大面积停电事故。例如，1 9 7 7 年7 月1 3 日， 美国纽约电力系统由于遭受雷击，保护装置不正确动作，调度中心掌握信息不足以 及通信困难等原因，造成事故的连锁发展和扩大，致使全系统瓦解。事故前后延续 2 5 h ，影响9 0 0 万居民供电，直接和间接经济损失达3 5 亿美元。 电力系统进入紧急状态后，应及时依靠继电保护和安全自动装置有选择地快速 切除故障，采取提高安全稳定性措施，避免发生连锁性的故障，导致事故扩大和系 统的瓦解。 3 恢复状态 在紧急状态后，借助继电保护和自动装置或人工干预，使故障隔离，事故不扩 大，电力系统大体可以稳定下来。这时，部分发电机或线路( 变压器) 仍处于断开 状态，部分用户仍然停电，严重情况下电力系统可能被分解成几个独立部分，电力 系统进入恢复状态。这时，要采取一系列操作，采取各种恢复出力和送电能力的措 施，尽快恢复对用户的供电，使系统恢复到正常状态n 刀。 二继电保护的作用 电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不 正常运行状态，例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高( 一般又称 过负荷) ，就是一种最常见的不正常运行状态。由于过负荷，使电气设备载流部分 和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就可能发展成故障。此外， 系统中出现功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及 电力系统发生振荡等，都属于不正常运行状态。 故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。事故，就是指系统或 其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许 的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。 系统事故的发生，除了由于自然条件的因素( 如遭受雷击等) 以外，一般都是由 于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当而引起的。 因此，只要充分发挥人的主观能动性，正确地掌握客观规律，加强对设备的维护和 检修，就可以大大减少事故发生的几率，把事故消灭在发生之前。 在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故 障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的 最有效方法之一。切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证 明只有在每个电气元件上装设保护装置才有可能满足这个要求。这种保护装置直到 目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备的组合构成的，故称为继电 4 保护装置。在电子式静态保护装置和微机继电保护装置出现以后，虽然继电器已被 电子元件或计算机所代替，但仍沿用此名称。在电力部门常用“继电保护 一词泛 指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。 继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态 于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是： 一2 ( 1 ) 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于 继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行； ( 2 ) 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件( 例如有无经常值 班人员) 而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是 根据对电力系统及其元件的危害程度，规定一定的延时，以免不必要的动作和由于 干扰而引起的误动作啪。 1 2 石化企业电力系统的特点 石化行业在国民经济中占有很重要的地位，石化企业的生产工艺特点突出，生 产工艺都包括几套大型或特大型炼化生产装置，各装置间关系紧密，形成上下游关 系，生产工艺条件多为高温、高压，生产环境多为易燃、易爆、有毒、有害，而且 生产连续性强，一旦停车，尤其是非计划停车，恢复生产时间长，造成的经济损失 巨大。电力是石化企业重要的生产动力，石化企业用电负荷绝大部分为一级负荷， 部分用电负荷突然中断供电时，将导致生产工艺发生连锁化学反应，可能引发中毒、 爆炸和火灾等重大人身设备事故，这部分用电负荷为企业安全生产的特别重要负 荷。石化企业的这些生产工艺特点，使企业对电力系统的安全可靠性要求很高。 各石化企业由于国家建设的需要，投产时间不一，时间长的几十年，短的几年， 电力系统的配置随着年代的不同也不尽相同，一些企业电力系统的配置比较合理， 充分考虑了企业的长远发展需要，为装置的扩建预留了足够的空间。而另一些企业 在装置建设的规划阶段，就没有充分考虑电力系统的科学合理配置，造成装置投产 后电力系统隐患重重，而且制约了企业长远的发展。随着时代的发展，新技术在石 化企业新建设的电力系统中广泛应用，企业供电的安全可靠性也大大提高。但是石 化企业一些投产已几十年的装置中，老旧淘汰的电气设备还大量存在，存在很多隐 患，有的隐患甚至严重威胁到石化企业的安全生产。 石化企业用电负荷较大，且用电负荷绝大部分是一级负荷，由于各个企业所处 的地域不同，在地区电网中的位置也不同，因此，在系统设置上，针对如何提高供 电系统的安全可靠性，各个企业有不同的作法，但原则上基本是按正常供电时两个 5 独立系统设鼍，从供电能力上，两个系统互为1 0 0 备用。有的企业两个电源从地区 电网取得，兼有装机容量较小的自备电站，用以节能或作为厂区部分备用电源，其 自备电站不能维持厂区正常生产，双回路电源来自不同地区变电所或同一地区变电 所的两段；有的企业厂区用电基本由自各电站供给，地区电网不能保证企业的正常 生产，自备电站与地区电网相联，装置双回路电源来自自备电站不同母线段；有的 从企业自备电站和地区电网各取得一个电源，企业自备电站和地区电网均不能长期 保证厂区负荷的正常运行。各石化企业的供电系统电源的获取方式基本上以以上三 种方式最为典型。 一般情况下，石化企业中都有几套大型或特大型的装置形成联合装置，配电系 统根据装置用电负荷的大小设置不同电压等级的变配电站。为一套炼化装置用电负 荷供电的变电站，单台变压器容量为5 0 0 0 k v a 及以上时，多采用的电压等级为3 5 k v 1 i o k v ，变电站位置一般靠近负荷中心，比如：年产5 0 万吨尿素的化肥装置、年加 工能力5 0 0 百万吨的炼油装置等。这些大装置中存在用电较为集中的子装置，在子 装置附近设置为其供电的中压配电站( 也称开闭所) ，电压等级一般为i o k v 、6 k v 等，单台变压器容量一般在2 0 0 - 2 0 0 0 k v a 。从供电能力上，各个电压等级按正常供 电时两个独立系统设置，两个系统互为1 0 0 备用，即任何一个系统的配电设备停运， 另一个系统的配电设备能够负担起全部负荷的正常供电，并且在适当的电压母线联 络段设有备用电源自投装置。为同一工艺生产装置服务的电气设备一般为多机配 置，有运行有备用，它们一般挂在不同的电源系统上，在其中一个供电系统停电时， 不影响另一个系统的设备运行，也有的挂在同一个供电系统上，但设置了备用电源 自投装置，并根据工艺条件的要求设置了电气设备的再起动，以减小因供电系统晃 电对生产造成的影响脚。 石化行业中的供电系统，有其自身的特殊性，与普通电力供电系统相差很大。 根据对石化行业供电系统的分析，总结出以下系统特性： 馈出线多地区电网中一般情况下一条母线只挂近十条馈线，而石化行业供 电系统中则可能挂的馈线多得多，因此，母线管理相对复杂 开闭所多。同一电压等级下挂开闭所多，各开闭所规模也较地方电力系统大。 谐波多。石化行业存在很多整流设备，这些设备在运行时，都会造成丰富的 谐波，容易对电能质量造成污染。 智能设备多。存在微机保护、变频设备、p l e 设备等，这些设备之间有通讯 接口问题。 6 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 电动机多，并有部分同步电机。大功率电动机冲击电流大且起动频繁，起动 电流大，系统电力负荷波动大。 母线分段多。在同一电压等级中，电力系统一般是两到三段母线，而石化行 业中四段、五段、六段都会出现。 备自投要求特殊。在石化行业中带有很多电动机，由于工艺要求特殊，因此 对供电可靠性要求很高，再加上石化行业供电系统结构复杂，对各自投要求很特殊。 1 3 继电保护技术发展现状分析 继电保护技术目前正向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据 通信一体化发展。随着计算机技术的飞速发展及计算机在电力系统继电保护领域中 的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好 的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展。 1 3 1 计算机化 随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。原华北电力学院研 制的微机线路保护硬件已经历了3 个发展阶段：从8 位单c p u 结构的微机保护问世， 不到5 年时间就发展到多c p u 结构，后又发展到总线不出模块的大模块结构，性能 大大提高，得到了广泛应用。华中理工大学研制的微机保护也是从8 位c p u ，发展 到以工控机核心部分为基础的3 2 位微机保护。 南京电力自动化研究院一开始就研制了1 6 位c p u 为基础的微机线路保护，已 得到广泛应用，目前研究开发的3 2 位保护硬件系统也在推广应用东南大学制的 微机主设备保护的硬件也经过了多次改进和提高。天津大学一开始即研制以1 6 位 多c p u 为基础的微机线路保护，1 9 8 8 年即开始研究以3 2 位数字信号处理器( d s p ) 为基础的保护、控制、测量一体化微机装置，与珠海晋电自动化设备公司合作研制 成一种功能齐全的3 2 位大模块，一个模块就是一个小型计算机。采用3 2 位微机芯 片并非只着眼于精度，因为精度受a d 转换器分辨率的限制，超过1 6 位时在转换 速度和成本方面都是难以接受的；更重要的是3 2 位微机芯片具有很高的集成度， 很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出 口。c p u 的寄存器、数据总线、地址总线都是3 2 位的，具有存储器管理功能、存储 器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存( c a c h e ) 和浮点数部件都集成在c p u 内。 电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容 量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其 7 它保护、控制装置以及调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级 语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台p c 机的功能。在计算机保护 发展初期，曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、 成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机保护装置大小相似的工控 机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机作成继 电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。天津大学已研制成用同 微机保护装置结构完全相同的一种工控机加以改造作成的继电保护装置。 这种装 置的优点有： ( 1 ) 具有4 8 6 p c 机的全部功能，能满足对当前和未来微机保护的各种功能要求。 ( 2 ) 尺寸和结构与目前的微机保护装置相似，工艺精良、防震、防过热、防电 磁干扰能力强，可运行于非常恶劣的工作环境，成本可接受。 ( 3 ) 采用s t d 总线或p c 总线，硬件模块化，对于不同的保护可任意选用不同模 块，配置灵活、容易扩展。 继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋势。但对如何更好地满 足电力系统要求，如何进一步提高继电保护的可靠性，如何取得更大的经济效益和 社会效益，尚须进行具体深入的研究。 1 3 2 保护、控制、测量、数据通信一体化 在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性 能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上 获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何 信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成 继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能， 亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。 目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线 路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。所敷设的大量控制电缆不但 要大量投资，而且使二次回路非常复杂。但是如果将上述的保护、控制、测量、数 据通信一体化的计算机装置，就地安装在室外变电站的被保护设备旁，将被保护设 备的电压、电流量在此装置内转换成数字量后，通过计算机网络送到主控室，则可 免除大量的控制电缆。如果用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。 现在光电流互感器( o t a ) 和光电压互感器( o t v ) 已在研究试验阶段，将来必然 在电力系统中得到应用。在采用o t a 和o t v 的情况下，保护装置应放在距o t a 和o t v 8 与站级相连，在站级建立一个统一的计算机系统，进行各个功能的协调。 集成型自动化既在间隔级，又在站级对各个功能进行优化组合，是现代控制技 术、计算机技术和通信技术在变电站自动化系统的综合应用。所谓集成型自动化系 9 统是将间隔的控制、保护、故障录波、事件记录和运行支持系统的数据处理等功能 集成在一个统一的多功能数字装置内，间隔内部和间隔间以及间隔同站级间的通信 用少量的光纤总线实现，取消传统的硬线连接h 1 。 1 0 第二章微机继电保护技术简述 2 1 继电保护原理及相关技术 2 1 1 继电保护的基本原理和保护系统的组成 为完成继电保护所担负的任务，显然应该要求它能够正确地区分系统正常运行 与发生故障或不正常运行状态之间的差别，以实现保护。 如图2 1 ( a ) 所示的网络接线，在电力系统正常运行时，每条线路上都流过由它 供电的负荷电流i l ，越靠近电源端的线路上的负荷电流越大。同时，各变电站母线 上的电压，一般都在额定电压5 0 1 0 的范围内变化，且靠近于电源端母线上的 电压较高。线路始端电压与电流之间的相位角决定于由它供电的负荷的功率因数角 和线路的参数。由电压与电流之比值所代表的“测量阻抗，则是在线路始端所感 受到的、由负荷所反应出来的一个等效阻抗，其值一般很大。 b p f 1 屿， 由 l 7 、，& b ，- - h ( t 亡i v 一 叫 厂 酊 峨的瓯，z 、尊 +， 趸醚 图2 1 单侧电源网络接线( _ ) 正常运行时( b ) k 点短路时的电流分布 硕士学位论文 m a s t e r st h e s i s 当系统发生故障时，其状况如图2 1 ( b ) 所示。假定在线路b c 上k 点发生了 三相短路，则短路点的电压u l 降低到零，从电源到短路点之间均将流过很大的短 路电流i k ，各变电站母线上的电压也将在不同程度上有很大的降低，距短路点越近 时降低得越多。以z k 表示短路点到变电站b 母线之间的阻抗，则母线上的残余电 压应为u 。m - i k z k ；此时，uc b ) 与i k 之间的相位角就是z k 的阻抗角，在线路始端 的测量阻抗就是z k ，此测量阻抗的大小正比于短路点到变电站b 母线之间的距离。 在一般的情况下，发生短路之后，总是伴随有电流的增大、电压的降低、线路 始端测量用抗的减小，以及电压与电流之间相位角的变化。因此，利用正常运行与 故障时这些基本参数的区别，便可构成各种不同原理的继电保护，例如：反应于 电流增大而动作的过电流保护；反应于电压降低而动作的低电压保护；反应于 短路点到保护安装地点之问的距离( 或测量阻抗的减小) 而动作的距离保护( 或低阻 抗保护) 等。 此外，就电力系统中的任一电气元件来看，如图2 2 中的线路a b ，在正常运 行时，在某一瞬间，负荷电流总是从一侧流人而从另一侧流出，如图2 2 ( a ) 所示。 如果我们统一规定电流的正方向都是从母线流向线路，( 图2 2 中所示电流方向是实 际的方向，不是假定的正方向) 那么，按照规定的正方向，a - d 两侧电流的大小相 等，而相位相差1 8 0 。当在线路a - d 的范围以外的k l 点短路时，如图2 2 ( b ) 所示， 由电源i i 所供给的短路电流i k l 将流过线路a b 此时a b 两侧的电流仍然是大 小相等相位相反，其特征与正常运行时一样。如果短路发生在线路a b 的范围以内 ( k 2 ) ，如图2 2 ( c ) 所示，由于两侧电源均分别向短路点k 2 供给短路电流i r a 和i t t l a ， 因此，在线路a _ b 两侧的电流都是由母线流向线路，此时两个电流的大小一般都 不相等，在理想情况下( 两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等) ，两个电流同相 位。 1 2 图2 2 双侧电源网络接 ( a ) 正常运行时( b ) k l 点短路时的电流分布( c ) 娩点短路时的电沉分布 利用每个电气元件在内部故障与外部故障( 包括正常运行情况) 时，两侧电流相 位或功率力向的差别，就可以构成各种差动原理的保护，如纵联差动保护、相差高 频保护、方向高频保护等。差动原理的保护只能在被保护元件的内部故障时动作， 而不反应外部故障。因而被认为具有绝对的选择性。 在按照上述原理构成各种继电保护装置时，可以使它们的参数反应于每相中的 电流和电压( 如相电流，相或线电压) ，也可以便之仅反应于其中的某一个对称分量 ( 如负序、零序或正序) 的电流和电压。由于在正常运行情况下，负序和零序分量不 会出现，而在发生不对称接地短路时，它们都具有较大的数值，在发生不接地的不 对称短路时，虽然没有零序分量，但负序分量却很大，因此，利用这些分量构成的 保护装置，一般都具有良好的选择性和灵敏性，这正是这种保护装置获得广泛应用 的原因m 除上述反应于各种电气量的保护以外，还有根据电气设备的特点实现反应非电 量的保护。例如，当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于油被分解所产生的气体 而构成的瓦斯保护：反应于电动机绕组的温度升高而构成的过负荷或过热保护等 以上各种原理的保护，可以由一个或若干个继电器连接在一起组成保护装置来 实现。 1 3 一一一一 一 被 髋嗣或信号 图2 3 继电保护装置原理结构图 就一般情况而言，整套继电保护装置是由测量部分、逻辑部分和执行部分组成 的，其原理结构如图2 3 所示，现分述如下： 1 测量部分 测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比 较，根据比较的结果，绐出“是”、“非；“大于”、“不大于 等于“0 或“l ”性 质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该起动。 2 逻辑部分 逻辑部分是根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺 序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器 跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。继电保护中常用的逻辑同路有 或 、 “与 、“否、“延时起动”、“延时返回 以及“记忆夥等回路。 3 执行部分 执行部分是根据逻辑部分输出的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如故 障时，动作于跳闸；不正常运行时，发出信号；正常运行时，不动作等。 2 1 2 继电保护系统的主要性能指标 动作于跳闸的继电保护，在技术指标上一般应满足四个基本要求，即选择性、 速动性、灵敏性和可靠性。 1 选择性 维电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切 除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行 图2 4 双侧电源网络中保护选择性动作示意图 在图2 4 所示的双侧电源网络接线中，当d l 短路时，保护l 、2 动一跳1 d l 、 2 d l ，有选择性，变电站b 则仍可由另一条无故障的线路继续供电。 1 4 当d 2 短路时，保护5 、6 动作一跳5 d l 、6 i ) l ，有选择性 当d 3 短路时，保护7 、8 动作一跳7 d l 、8 d l ，有选择性，变电站d 由另一侧 电源供电。 若保护7 拒动或7 d l 拒动，保护6 动作一跳6 d l ( 有选择性) 若保护7 和7 d l 正确动作于跳闸，保护6 动一跳6 d l ，则越级跳闸( 非选择性) 由此可见，继电保护有选择性的动作可将停电范围限制到最小，甚至可以作到 不中断向用户供电。 在要求继电保护动作有选择性的同时，还必须考虑继电保护或断路器有拒绝动 作的可能性，因而就需要考虑后备保护的问题。如图2 4 所示，当d 3 点短路时，距 短路点最近的保护7 本应动作切除故障，但由于某种原因，该处的继电保护或断路 器拒绝动作，故障便不能消除，此时如其前面一条线路( 靠近电源侧) 的保护5 能动 作，故障也可消除。能起保护5 这种作用的保护称为相邻元件的后备保护。同理， 保护1 和3 应该作为保护5 的后备保护。按以上方式构成的后备保护是在远处实现 的，因此又称为远后备保护。 一般情况下远后备保护动作切除故障时将使供电中断的范围扩大。 在复杂的高压电网中，当实现远后备保护在技术上有困难时，也可以采用近后 备保护的方式。即当本元件的主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护作为后备 保护；当断路器拒绝动作时，由同一发电厂或变电站内的有关断路器动作，实现后 备。为此，在每一元件上应装设单独的主保护和后备保护，并装设必要的断路器失 灵保护。由于这种后备作用是在主保护安装处实现，因此，称它为近后备保护 应当指出，远后备的性能是比较完善的，它对相邻元件的保护装置、断路器、 二次回路和直流电源所引起的拒绝动作，均能起到后备作用，同时它的实现简单、 经济，因此，在电压较低的线路上应优先采用，只有当远后备不能满足灵敏度和速 动性的要求时，才考虑采用近后备的方式。 2 速动性 快速地切除故障可以提高电力系统并联运行的稳定性，减少用户在电压降低的 情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。因此，在发生故障时，应力求 保护装置能迅速动作切除故障。 动作迅速而同时又能满足选择性要求的保护装置，一般都结构比较复杂，价格 比较昂贵。电力系统在一些情况下，允许保护装置带有一定的延时切除故障。因此， 对继电保护速动性的具体要求应根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况 来确定。故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般的快速保护 的动作时间为0 0 4 - 0 0 8 s ，最快的可达0 0 1 一o 0 4 s ，一般的断路器的动作时间为 0 0 6 0 1 5 s ，最快的可达0 0 2 - 0 0 6 s 。 3 灵敏性 继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应 能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论 短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐感觉，正 确反应：保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，它主要决定于被保护元件和 电力系统的参数和运行方式。在国家标准继电保护和安全自动装置技术规程g b 1 4 2 8 5 1 9 9 3 中，对各类保护灵敏系数的要求都作了具体规定。 通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为k l m 。 对反应于数值上升而动作的过量保护( 如电流保护) k 蛔=保护区内金属性短路时故障参数的最小计算值一j 。曲 保护的动作参数 对反应于数值下降而动作的欠量保护( 如低电压保护) k h = 保护的动作参数 一u 出 保护区内金属性短路时故障参数的最大计算值 u d 哪 其中故障参数的最小、最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式、故障 类型和短路点来计算的 4 可靠性 t 保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的 故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该 误动作。 可靠性主要指保护装置本身的质量和运行维护水平而言。一般说来，保护装置 的组成元件的质量越高、接线越简单、回路中继电器的触点数量越少，保护装置的 工作就越可靠。同时，精细的制造工艺、正确地调整试验、良好的运行维护以及丰 富的运行经验，对于提高保护的可靠性也具有重要的作用。 继电保护装置的误动作和拒绝动作都会给电力系统造成严重的危害。但提高其 不误动的可靠性和不拒动的可靠性的措施常常是互相矛盾的。由于电力系统的结构 和负荷性质的不同，误动和拒动的危害程度有所不同，因而提高保护装置可靠性的 着重点在各种具体情况下也应有所不同。例如当系统中有充足的旋转备用容量、输 电线路很多、各系统之间和电源与负荷之间联系很紧密时，由于继电保护装置的误 1 6 动作，使发电机变压器或输电线切除而给电力系统造成的影响可能很小。但如果发 电机变压器或输电线故障时继电保护装置拒绝动作，将会造成设备的损坏或系统稳 定的破坏，损失是巨大的，在此情况下，提高继电保护不拒动的可靠性比提高不误 动的可靠性更为重要。但在系统中旋转备用容最很少及各系统之间和电源与负荷之 间的联系比较薄弱的情况下，由于继电保护装置的误动作使发电机、变压器或输电 线切除时，将会引起对负荷供电的中断，甚至造成系统稳定的破坏，损失是巨大的。 而当某一保护装置拒动时，其后备保护仍可以动作而切除故障。因此，在这种情况 下，提高保护装置不误动的可靠性比提高其不拒动的可靠性更为重要。由此可见， 提高保护装置的可靠性应根据电力系统和负荷的具体情况采取适当的措施u 1 。 以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，在它们之间，既有矛盾的 一面，又有在一定条件下统一的一面。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的 绝大部分工作也是围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辩证统一关系而进行。 选择继电保护方式除应满足上述的基本要求外，还应该考虑经济条件。首先应 从企业经济的整体利益出发，按被保护元件在企业电力系统中酌作用和地位确定保 护方式，而不能只从保护装置本身的投资来考虑，这是因为保护不完善或不可靠而 给企业的经济造成的损失，一般都远远超过即使是最复条的保护装置的投资。但要 注意对较为次要的数量很多的电气元件( 如低压配电线、小容量电动机等) ，也不应 该装设过于复杂和昂贵的保护装置。 2 2 微机继电保护技术 微机继电保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方 向，它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度。微机保护装置硬件以微处理器( 单片 机) 为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。 微机保护系统的数字子系统核心一般由c p u 、存储器、定时器计数器、w a c h d o g 等组成。目前数字子系统核心的主流为嵌入式微控制器( m c u ) ，即通常所说的单片 机：输入输出通道包括模拟量输入通道( 模拟量输入变换回路( 将c t 、p t 所测量的 量转换成更低的适合内部 d 转换的电压量，2 5 v 、5 v 或i o v ) 、低通滤波器 及采样、a d 转换) 和数字量输入输出通道( 人机接口和各种告警信号、跳闸信号 及电度脉冲等) 。 1 数据采集一模拟量输入 通过数据输入输出( i 0 单元) 系统对所有模拟量测量点进行巡回检测，并能 对模拟数据进行死区判别和越限判别，同时对所有模拟量输入回路进行相应的滤波 1 7 和防干扰措施，以保证模拟量的检测精度，使得保护能正确动作，测量准确。 2 开关量输入、输出 对开关量的输入应分为两种类型来处理，对断路器位置信号，继电保护及自动 装置的动作信号等需要快速反应的开关量，应采用中断方式；而对一些预告信号及 隔离开关位置信号等反应较慢的开关量，可采用巡回检测方式。对于电力系统或运 行设备发生事故时，应能将继电保护、自动装置的动作和断路器的跳合闸顺序记录 下来，准确记录动作时间和动作性质，对快速反应的开关量、动作时间精确到毫秒； 对一般开关信号，要求动作精确到秒。同时对所有开关量输入回路的硬件上均需采 取光电隔离措施，软件上采取防抖动措施，以增强抗干扰能力，提高可靠性。 3 显示功能 计算机主机应显示全站模拟量、开关量等实时信息、报表和画面，并且当模拟 量越限或重要开关量动作时计算机立即发出音响报警，并根据用户习惯附加变色、 闪光等措施，同时还应要求自动推出相关事故画面，对主机的画面分配及操作方式， 除满足用户要求外，应设计配置成多区式。 4 通讯接口及人机联系接口 目前采用的单片机本身带有串行通讯接口，根据微机集中通讯接口要求，可设 计成通用的r s - - 2 3 2 、4 8 5 d 的标准接口；同时应根据通讯距离的远近，数据传送量 的大小选用不同的通信电缆及接口人机联系接口主要指计算机与彩色屏幕显示 器、模拟屏的接口。彩色模拟显示屏要求能快速响应操作人员的操作指令，而显示 一幅画面要从计算机取出很多数据，因此，一般都采用d m a 通道与计算机相连。模 拟屏与计算机的接口一般设计一台模拟驱动器，与计算机系统相连，这样即使在双 主机全停的情况下，通过前置机系统也能维持较低限度的上屏信息圆 2 3 微机继电保护特点 研究和实践证明，与传统的继电保护相比较，微机继电保护有许多优点，其主 要特点如下： 1 、改善和提高继电保护的动作特征和性能，动作正确率高。主要表现在能得 到常规保护不易获得的特性；其很强的记忆力，能更好地实现故障分量保护；可引 进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络 等，其运行正确率很高也已在运行实践中得到证明。 2 、可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附 加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。 1 8 3 、工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积 小，减少了盘位数量；功耗低。 4 、可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使 用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测 主要元件、部件的工况以及功能软件本身。 5 、使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维 修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。 6 、可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控 系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性口1 刚。 1 9 第三章微机继电保护技术在石化企业的应用 3 1 南阳石蜡精细化工厂电力系统现状 3 1 1 南阳石蜡精细化工厂电力系统概述 南阳石蜡精细化工厂( 以下简称精蜡厂) 电力系统包括3 5 k v 变电站1 座、6 k v 开 闭所4 座、发电站l 座，各站的一次接线图如附图1 至附图5 所示，高压变配电系 统及主要电气设备有3 5 k v 1 2 5 0 0 k v a 变压器2 台、3 m w 背压式发电机组1 套、6 k v 变压器4 1 台、3 5 k v 高压开关柜l o 面、6 k v 高压开关柜1 2 4 面、高压电动机1 9 台； 低压配电系统及主要的低压电气设备包括低压配电室3 3 座、低压配电柜4 6 8 面、 低压电动机8 1 7 台。精蜡厂电力系统中电气设备数量多、涉及面广，在对变电站微 机继电保护系统进行技术改造前，变电所、发电站、开闭所电气设备( 包括发电机、 电机、变压器、断路器等) 的运行状态和各种报警故障指示都要靠电气巡检人员每 两小时一次的巡检去检查、落实、记录，不能及时发现电气设备异常运行现象和实 时记录，给电气运行故障处理造成难度并耽误了事故处理时间。精蜡厂电力系统能 否平稳运行，将直接影响全厂炼油化工装置的安全生产，电力系统平稳运行是精蜡 厂安全工作重点之一。 精蜡厂3 5 k v 站建于1 9 9 2 年，坐落在精蜡厂东南角，占地面积大约2 0 0 0 平方 米，是精蜡厂的供电枢纽，主要负责向精蜡厂各装置转供电，建站时两台主变容量 各为1 0 0 0 0 k v ，采用y d 联接形式，2 0 0 6 年对3 5 k v 主变压器进行了更换，采用 高效节能型单台容量1 2 5 0 0 k v a 的变压器，3 5 k v 站电力系统主接线是分段单母线 接线方式。正常情况下，系统采用单母线分段运行。建站时保护监控系统采用的是 南自厂的单c p i j 对多回路集中式保护监控单元，属于第一代微机保护监控系统，存 在问题较多。2 0 0 3 年，精蜡厂在争取到中石化的隐患治理改造资金后，对3 5 k v 站 微机继电保护系统重新设计，进行了更新换代，保护、监控采用的是国电南自p s l 系列微机保护单元，采用开关柜上分散安装，主控室集中后台监控形式。经过几年 运行，3 5 k v 站微机继电保护系统运行平稳，动作可靠。 1 # 开闭所建于1 9 9 2 年，占地面积大约2 7 0 平方。位于精蜡厂二联合装置南侧， 主要负责向二联合、罐区提供电