（电气工程专业论文）直流系统及变压器角接侧两相故障远后备保护的研究.pdf

华匕电力人学l ：程硕十学位论文 摘要 在电网规划、设计以及运行管理中，变电站直流系统和变压器远后备保护， 对于从技术上保证电力变压器安全可靠运行是至关重要的。本文主要探讨变电站 直流系统和电力变压器的远后备保护问题，特别是，当变压器角接侧( 非电源侧) 发生两相故障时，且变压器保护失去直流电源的情况下，变压器的远后备保护问 题；通过向量图分析此时( 指变压器角接侧发生两相故障时) 变压器高、低压侧 故障电流的特点，进而提出一种远后备保护方案，彻底解决变压器角接侧发生两 相故障时，远后备保护灵敏度不足的问题。 关键词： 直流系统，变压器，远后备锞护 a b s t r a c t d i r e c tc u r r e n ts y s t e ma n dt h et r a n s f o r m e rr e m o t eb a c k u pd u r i n gi t sd e s i g n i n ga n d o p e r a t i n g ，i so ft h eu t m o s ti m p o r t a n c ef o rg u a r a n t e e i n gt h es a f e t yo f t h et r a n s f o r m e r t h i sp a p e rm a i n l yd i s c u s s e sd i r e c tc u r r e n ts y s t e ma n dt h et r a n s f o r m e rr e m o t eb a c k u p p r o t e c t i o np r o b l e m ，e s p e c i a l l yt h ep r o b l e m w h e naf a u l to c c u r sa tt h ea n g l e c o n n e c t i o n s i d e ( n o n b a t t e r ys i d e ) o ft r a n s f o r m e r , a n df u r t h e m l o r et h et r a n s f o r n l e r sp r o t e c t i o n l o s e si t sd c b a k e r y t h r o u g ht h ev e c t o rd i a g r a ma n a l y s i so f t h ec h a r a c t e r i s t i c so f f a u l t c u r r e n t st h r o u g hb o t ho ft r a n s f o r m e r sh i g hs i d ea n dl o ws i d ea tt h em o m e n tw h e nt w o p h a s e f a u l th a p p e n sa tt h ea n g l e c o n n e c t i o ns i d e ，an e wr e m o t eb a c k u pp r o t e c t i o n s c h e m ei sp r o p o s e di nt h i sp a p e lt h es c h e m ec o m p l e t e l ys o l v e st h ep r o b l e mt h a tt h e r e m o t eb a c k u pp r o t e c t i o ni sn o ts e n s i t i v ee n o u g hw h e nt h eo c c u r r i n go ft w o p h a s e f a u l ta tt h et r a n s f o f i n e ra n g l e - c o n n e c t i o ns i d e y a n gx u d o n g ( p o w e re n g i n e e r i n g ) d i r e c t e db yp r o f h u a n gj i a d o n g k e yw o r d s ： d i r e c tc u r r e n ts y s t e m ，t r a n s f o r m e r , r e m o t eb a c k u pp r o t e c t i o n 声明 本人郑重声明：此处所提交的硕士学位论文直流系统及变压器角接侧两相故障远 后备保护的研究，是本人在华北电力大学攻读硕士学位期问，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名： 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅：学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不嗣媒体上发表、传播 学位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定) 作者签名：整! ! 迪垂。 日期：! ! 堕：! ； 导师签名：营彖橼 日期：三! 笪丝 华j 匕电力大学1 程硕士学位论文 发电机 主要符号表 高压断路器 电力变压器 熔断器 与f 或 时间脉冲宽度为t 。 继电器电压线圈 动台触点 动断触点 兮一疹 廿哥母母。一 华北电力人学i 科硕士学位论文 第一章绪论 11 本课题研究的目的和意义 电力变压器是现代电力系统中堆重要的电气设备之一，特别是大型变压器由于 造价昂贵、结构复杂，一旦斟故障而遭到破坏，其检修难度很大，检修时间也较长， 在经济上必然要遭受巨大的损失，同时影响到对用户的正常供电，社会影响很大。 近年柬，国内曾多次出现电力变压器低压侧外部故障， 故障点一般在变压器低压侧穿墙套管( 对于变压器在室外， 而配电室在室内的变电所) 到低压侧母线之间的引线上，或 足在低压侧母线上，故障点处的电弧光，很容易披及到周 田的直流电缆或保护用的端子排，从l 阿引发直流系统故障， 造成保护装簧因失去直流屯源而不能及时动作来切除故障 点，致使主变压器被烧毁。在上述情况下，靠值班员手动 拉刀- 电源开关，米最终切除故障，变j = 丘器才幸免遇难的事 件也屡见不鲜。纠其原因， 是在故障发生时，变压器保 护失去了直流工作电源( 在很多情况下，变压器的主保护 和高、中、低侧后备保护直流工作电源同时失去) ，致使主 变保护停l l 工作；二是高压侧电源线路后备保护对变压器 图1 一l 系统接线图 低压侧故障( 尤其对于变压器角接侧的两相短路故障远后备灵敏度不足) ，系统接 线图见图l l 。 因此，研究变电站直流系统中各级熔断器之间的配合问题，直流系统与保护之 剧的配台问题，以及给变电所供电的高压输i u 线路保护对变压器的远后备作用，意 义重大，刻不容缓，对于保证电嘲的安全稳定运行，保护厂六人民的生命及财产安 全，维护社会稳定具有重大的现实意义。 1 2 本课题研究的总体思路 随着电力系统的迅这发展，和全国联网的逐渐形成，电剐联系日趋紧密。原来 相对独立的两个系统，相关性逐渐增强，以至于相互影响，又相互依托。变电所直 流系统和高压输电线路的后备保护，从表面看来，本是两个相互独讧的问题，但从 华北电力人学工群硕士学位论文 整个电力系统的安全稳定运行看，_ t 2 _ n 存在着本质的内在的联系，这就要求我 们站在全局的高度，来认识和处理二者中存在的问题。为了在变电所内部发生短路 故障，电弧光有可能引发直流电源中断的情况下，确保电力设备及电网的安全，我 们要对变电所直流系统和高压输电线路的后备保护作为一个问题的两个方面放在 一起进行研究，揭示其内在的规律性，用于指导我们的工作。 在现代电网中，直流系统的问题，哪怕是点小问题，也可能引发大问题，甚 至威胁整个电网，因此，作为我们所研究问题的一个方面。我们根据电力系统继 电保护及安全自动装置反事故措施要点对直流熔断器与相关回路配置的基本要求 即：“消除寄生回路：增强保护功能的冗裕度”，着手研究变电所直流系统。 在发生事故，变电所整个失去直流电源的情况下，与变电所相关的高压输电线 路的后备保护，也要保证最终将故障切除，是我们所研究问题的另一个方面。 1 3 本论文所做的主要工作 为了实现研究目标，所做的工作主要包括下面几个方面： a 、对目前变电所直流系统对所存在的问题进行调查和研究：对直流系统与保护 装置电源、直流系统与断路器操作电源、保护装置电源与断路器操作电源、保护功 能与直流系统的配置、以及上下级保护、断路器电源之问的配合问题进行研究； b 、对直流系统本身存在的问题，以及继电保护装臀、高压断路器电源配置中存 在的问题进行研究，提出对策； c 、在变电站直流系统改造中进行具体实践应用，检验其先进型、实用性、及可 靠性； d 、利用现代电力系统故障分析理论，研究并找出目前线路距离保护存在的问题， 归总变压器角接侧的两相短路故障的特点，设计能满足要求的保护新方案； e 、设计变压器角接侧两相短路故障原理判据模块及工程应用判据模块； 卜、对远后备保护故障电流量有效值和相角的算法以及数字滤序器进行研究； g 、对新型线路远后备保护基本功能进行实验检验。 华匕电力人学i ：程硕十学位论文 第二章对目前变电所直流系统及保护存在问题的研究 2 1 直流电源系统本身存在的问题 从事电力生产的人员都知道，变电所赢流系统是变电所非常重要的一种二次设 备。它的主要任务给继电保护、高压断路器的合、分闸及控制电源提供直流操作电 源。因此它的正常运行与否，常常涉及到继电保护及开关能否正确切除故障，保护 电力次设备，避免重大电网事故以及尽快恢复供电，减少供电损失。同时，它又 是变电所一个公用系统，不象其它控制保护设备一样，有问题只能影响一个间隔或 回路，它出了问题会影响全所甚至全网的限常运行。事故教训一再表明：重大变电 事故往往是由于简单事故的扩大造成的，其中保护失去直流占很大比例。在发供电 生产设备发生故障的情况下，直流系统出现问题，特别是保护直流工作电源的中断， 保护设备停止工作，往往会引发灾难性的后果，会造成主设备严重损坏或引发火灾、 爆炸、电力系统大面积停电等，并造成巨大经济损失，严重的情况下，有可能引起 社会混乱。 目莳，变电站的直流系统是影响电力系统安全稳定运行的一个薄弱环节。运行 经验表明：在发生事故的情况下，变电所保护装置或高压断路器失去工作电源的情 况有以下几种原因。 2 1 1 直流熔断器上下级配置不合理 目前，国内很多变电站直流系统熔断器上下级配茕不合理，级数过多，直流回 路有短路故障时，很容易越级熔断。例如：见图2 1 ，变压器二次控制直流电源回 路从蓄电池开始，到高压断路器( 1 1 1 丌关) 的操作回路设置四级熔断器：第一级， 蓄电池引线熔断器r d l ( 蓄电池和直流母线之间，额定电流典型数据：3 0 0 a ) ；第 二级，控制电源电缆出线熔断器r d 2 ( 直流母线备分路出线熔断器，额定电流典型 数据：6 0 a ) 第三级：变压器总控制保险r d 3 ( 额定电流典型数据：1 0 a ) ；第四级； 变压器各侧断路器分控制熔断器r d 4 ( 额定电流典型数据：6 a ) ；很明显，第三、 四级之问很难配合。保护装置电源也类似，另外，保护装嚣内部电源模块本身都装 设熔断器，致使熔断器级数更多。不同的变电站稍有不同，有的变电站熔断器级数 甚至超过6 级。 变电站在设计、建造、或设备选型过程中，往往采用多个厂家的产品，每个生 产厂家在选用熔断器的时候，随意性较大，熔断器种类及型号繁多，有的使用自动 华北电力人学i ：程硕士学位论文 + k m + h m 电池组 砖锛 g - 1 变电所直流系统示意 硅链电池组 ，1 ：关代替直流熔断器，致使变电站内的各级熔断器熔断特性差别很大，配合困难。 由于熔断器之间是串联关系，任何一级出现问题，则会造成断路器和保护装置因失 去直流电源而拒动，从而影响电网及设备的安全运行。 为了解决熔断器越级熔断的问题，国内有的研究部门研制了直流系统三段式电 流保护装置，采用可控真流熔断器代替传统的熔断器( 见文献2 ) ，从原理上讲可以 做到，但是在实际工程中不宜推广，主要问题是：这样做的结果是把本来简单的问 题更加复杂化了，直流整体可靠性因此而更加难以保证。 2 1 2 变电所直流系统采用单组蓄电池可靠性差 为了节约建设成本，降低工程造价，减少占地面积，目前，电力系统中很多变 电所直流系统仍大量采用单组蓄电池。即使采用双组蓄电池的变电所，在接线上虽 然普遍为双路环形供电( 一路备用) ，但在故障失电时仍需由值班员手动切换。在 电网中发生事故的情况下，值班员很难在短时间内完成直流电源的切换，尤其对于 4 兰! ! 生垄叁堂，! ：曼堡主堂堕笙塞 无人值班变电站，成为不可能完成的任务，而这往往是致命的。因此、在发生变电 站内事故的同时引发赢流系统故障，一旦蓄电池引线熔断器越级熔断，保护装置或 断路器因失去直流工作电源丽拒动，故障不能被及时切除，造成事故扩大，引起大 面积停f 乜。 2 1 3 采用硅链调压易造成保护失去直流电源 变电站直流系统中，普遍采用硅链( 或由多个二极管串联而成，接与f 合闸母 线与f 控制母线之间，见图1 2 ) 来调整控制母线的电压，以保证控制母线电压在适 当的水平上，满足直流负载的要求。调节方式有“手动”和“自动”两种方式。每 个硅二极管的压降约为0 7 v ，因此每短接个二极管，控制母线电压上升0 7 v 。见 图3 ，硅链属于半导体器件，过载能力较差，在短路电流的冲击下，易断裂，造成 直流控制母线失压，保护装置和高压断路器因失去直流电源而拒动。国内曾经出现 过由于硅链断裂，造成直流控制母线失电，引发事故扩大的事件。 2 1 4 保护电源本身存在设计或制造缺陷 南京电力自动化设备厂八十年代未期生产的晶体管型变压器保护装置所采用 的逆变电源，没有自启动功能( 电源停止工作后，需按保护装置的辅助启动按钮， 逆变电源方能启动) ，在宜流系统发生短路故障，引发直流系统波动时，容易停止 工作。 河北省景县2 2 0 千伏变电站，变压器采用y y i 一1 1 接线方式，容量1 2 万千 伏安，l # 主变采用南京电力自动化设备厂八十年代末期生产的晶体管型变压器保 护装置，1 9 9 8 年4 月2 2 同，3 5 配电室发生短路故障，短路点的弧光波及到直流系 统，造成1 # 主变晶体管型变压器保护装嚣高频逆变电源停止工作，由于变压器主、 后备保护电源均没有自启动功能，致使保护失去电源，本变压器上级线路后备保护 ( 南京电力自动化设备厂生产的w x b - 11 及w x b 一15 型高压线路微机保护) ，保护 范围不能延伸到变压器低压侧，不能切除变压器低压侧的故障，故障一直持续了2 分多钟，幸好值班员反应迅速，判断准确，手动拉开1 # 变压器高压侧开关，使故 障得咀切除，避免了一次严重的主变压器烧毁事故的发生。 2 0 0 0 年2 月2 5 同，河北省南富2 2 0 千伏变电站l o 千伏配电室内5 0 1 开关所带 的分段母线发生短路故障，故障发生0 5 秒后5 0 1 开关过流保护动作出口。事后检 查5 0 1 开关在分闸位置，但故障未消失，并引起该开关柜下侧的合闸直流电源短路， 直流母线下侧的合闸电源保险( 1 0 0 a ) 己熔断。分析可能在故障后2 秒( 主变1 0 一兰! ! 生垄叁堂! ：型堡主兰堡笙苎 千伏侧相问后备保护动作时间) 之前直流母线电压短时降低，造成主变保护逆变电 源的保护电路断开电源，使1 # 、2 # 主变保护失去工作电源。随后故障延1 0 k v 母 线向电源侧发展，依次为故障点、5 0 1 开关、c t 柜、穿墙套管c t 、电抗器、1 0 k v 母线桥，与之直接相连变电站2 2 0 千伏线路后备保护不能保护到本站变压器的低压 侧，故障约4 分钟后，值班员手动拉7 1 ：1 1 1 、2 5 l 、2 5 4 、2 7 5 开关隔离了故障点。 以上两起事故的共同特点是：站内事故，短路点的弧光波及的直流系统，致使 变压器逆变电源停止工作，引发变压器保护拒动。以上两起事故均是由保护逆变电 源设计存在问题引起的，非常典型，值得认真对待。这一次事故也暴露出，与之直 接相连变电所2 2 0 千伏线路后备保护不能保护到本站变压器的低压侧，后果是十分 严重的，有可能造成整个变电所烧毁，或引发电网事故。 目前，国内电网中，微机保护应用已经十分广泛，根据运行部门的现场调查， 保护装置电源故障率很高，占所有微机保护装置故障之首，应引起设计及制造部门 的高度重视，并采取对策，消除事故隐患，避免因电源的原因造成保护拒动，而引 发事故的扩大。 2 1 5 储能电容电源引发的问题 直流系统采用储能电容的变电站，保护的电源很不可靠。 河北省深县1 1 0 k v 变电站，变压器采用y y 一1 1 接线方式，容量2 万千伏 安，主变采用电磁型保护，赢流系统采用电容储能电源，1 9 8 9 年，某月某同，变压 器低压侧1 0 k v 线路发生两相短路故障，由于1 0 k v 进线开关拒动，故障没能及时 切除，这时1 0 k v 站变已经不能为直流充电整流设备提供交流电源，直流储能电容 器存储的电能很快耗尽，致使主变压器后备保护不能出口切除故障，故障沿线路向 1 0 k v 母线发展，致使变压器线圈过热，引起主变故障，故障从主变低压侧蔓延到 高压侧，最后，变压器上级线路后备保护出口跳闸，将故障切除，从故障发生到故 障切除用时十几分钟，变压器彻底烧毁，经济损失、社会影响巨大。此次事故充分 暴露出：l 、变电站直流系统采用储能电容方式，很不可靠；2 、线路后备保护要将 保护范围可靠伸到下级变电站变压器的低压侧( a 接侧，并保证有足够的灵敏度) 。 目前电力系统中，在少量1 1 0 k v 变电站( 早期建造的) 和大量3 5 k v 变电站( 为 了降低工程造价) 直流系统中，使用电容做为储能元件。 2 2 使用直流电源的变电设备其直流电源的选择存在问题 在变电所设备的研制、选型、设计及运行过程中，对各种继电保护及电网安全 6 华北l 乜力人学【：程硕七学位论文 自动装置功能之间的相互配合考虑的比较周全，但对变电所直流电源系统、各种继 电保护及电网安全自动装置工作电源以及高压断路嚣操作电源之间的相互配合问 题没有引起足够的重视，甚至是空白点。主要体现在： a 、设备的主保护和后备保护使用同一对直流熔断器供电( 或由同一条控制母 线供电) ，当设备发生故障，同时引发直流熔断器( 或相应控制母线) 出现问题的 时候，后备保护因直流电源问题而不能发挥其后备作用。 b 、设备的上级后备保护和下级保护使用同对直流熔断器供电( 或由同一条 控制母线供电) ，当设备发生故障，同时引发直流熔断器( 或相应控制母线) 出现 问题的时候，上级后备保护不能发挥其后备作用。 c 、上下级断路器控制电源使用同一对直流熔断器供电( 或出同一条控制母线 供电) ，当设备发生故障，同时直流熔断器( 或相应控制母线) 出现问题的时候， 即使后备保护能够f 确动作，也不能跳开上级断路器，致使故障不能被切除。 d 、上级保护与下级断路器或上级断路器与下级保护使用同一对直流熔断器供 电( 或由同一条控制母线供电) ，同样存在类似的问题。 2 3 上级变电站后备保护没有考虑下级变电站直流全停的情况 1 9 9 9 年7 月2 0 同。山西省新店变电站发生了一起由于变电站l o k v 侧短路引 发的全站停电事故，变电站主控室着火，烧毁l 号主变压器等设备，由于全站直流 消失，站内保护拒动，造成事故扩大，先后有l 条1 1 0 k v 线路、6 条2 2 0 k v 线路、 8 台发电机组掉闸，殃及山西电网并波及到华北主网。其事故起因是8 0 2 3 号插头柜 发生短路，但由于丌关柜接地线与主接地网未连接造成开关柜的高电位经丌关柜 内控制及合闸电缆直接窜入直流系统，而直流系统采用的是单充电机、单蓄电池组 的供电方式，导致直流电源消失，其变电所的所有保护不能动作于出口跳闸，从而 导致事故扩大。这次事故暴露出变电所二次设备存在的严重问题：上级保护与下级 保护使用同一个直流电源；上级( 或与之直接联网运行) 变电站出线的远后备保护( 相 间距离保护1 i l 段) ，没有考虑下级( 或与之直接联网运行) 变电站直流全停的情况。 近些年来，国内一些专家逐渐意识到了变压器远后备保护问题的严重性和重要 性，已经丌始了这方面的研究，有的专家提出，利用负序阻抗继电器切除变压器低 压侧的两相短路故障，此方法的缺点是：动作时限上，必须与被保护的变电所中的 最长时限配合。同时还必须与线路保护后备段相配合，致使保护动作时限较长，对 切除故障不利，动作方程中使用了故障电压量，电压量的使用，客观上影响了保护 的固有可靠性。有的专家提出，利用输电线路的接地阻抗继电器作变压器相问故障 华北电力人学程硕士学位论文 的远后备保护，绝大多数情况下，1 1 0 k v 供电线路送电侧保护灵敏度不足以反映变 压器1 0 k v 侧故障。如果阻抗继电器按保护低压恻相间短路整定，对于圆特性，将 难以躲过负荷阻抗；如果采用四边形特性，虽然可以较好地处理短路故障和跺负荷 的矛盾，但前提是必须正确选出故障相，否则计算量很大，并且可能得出不希望的 结果。 8 华北电力人学程硕士学位论文 第三章变电所直流系统的设计及运行 为了保证电网及电力设备的安全、稳定、可靠运行，彻底解决变电所二次系统 存在的问题，我们要从电力生产全局的高度，认识变电所直流系统在整个电网安全 中的重要作用和地位。在技术上，我们应该从两方面入手，一方面，从变电所直流 系统内部做工作，系统规划、设计直流电源及继电保护系统，优化之间的配合，合 理安排直流系统的运行方式；另一方面，从外部入手，即使在变电所直流系统全停 的情况下，系统联络线的远后备保护也能灵敏地、可靠地将故障最终切除，避免事 故的进一步扩大，危及整个电网的安全，晟大限度地保护电力系统主设备。 以往事故的经验和教训，充分地说明在变电站内发生断路故障，尤其对于直流 系统为单组蓄电池或者无人值班的变电站，由于站内短路事故同时引起变电站内直 流部分或全部停电，即使变电站内设备保护配备非常完善，往往造成事故的进一步 扩大，很难避免灾难的发生，引发主变压器烧毁，发生火灾，大面积停电等。因此， 研究改进变电站的直流系统的可靠性具有重大的现实意义。 3 1 对变电所直流系统及相关回路的基本要求 a 、防止所用交流电源中断或电压降低时，蓄电池不能提供可靠的直流电源； b 、加强直流系统各级熔断器及配置的研究，防止越级熔断、扩大赢流系统的 停电范围； c 、研究直流系统的结线及运行方式，提高直流系统的整体可靠性和容错能力。 d 、重要枢纽变电所直流系统要进行双重化设计，消除寄生回路，增强保护功 能的冗裕度。 3 2 在规划、设计及运行过程中要重点注意的几个问题 a 、对于枢纽变电所，严格执行国家电力公司2 0 0 0 年9 月2 8r 颁布的防止 电力生产重大事故的二十五项重点要求。其中，第2 0 1 3 ，1 条指出：“枢纽变电所 直流系统宜采用两组蓄电池、三台充电装置的方案，每组蓄电池和充电装置应分别 接于一段直流母线上，第三台充电装置( 备用充电装置) 可在两段母线之间切换， 任一一工作充电装置退出运行时，手动投入第三台充电装_ 置。”采用两组蓄电池和三 台充电机、两段母线的直流系统供电方式，极大地提高了变电所直流系统的供电可 靠性；第2 0 1 3 2 条指出：“直流母线应采用分段运行的方式，每段母线应分别采用 9 华北电力人学i ：程硕寸学位论文 独立的蓄电池组供电，并在两段直流母线之间设置联络断路器，正常运行时断路器 处于断丌位置。”直流母线采取分裂运行方式，使整个变电所的直流系统分为相互 独立的两部分，正常运行时两部分之问没有电气连接，从根本上减小了整个变电所 失去直流的可能性。 b 、两组蓄电池应尽量安装的在不同地点，安装在同一蓄电池室时，两组蓄电 池之间要装设防火墙。两组畜电池引出线电缆要采用恺装屏蔽阻燃电缆，经不同且 没有交叉的通道引至直流屏( 两直流母线馈线屏也要尽量远离) 。 c 、具有两组跳闸线圈的断路器( 主要用于2 2 0 千伏及以上系统) ，跳闸回路的 电源来自不同的直流母线。 电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点指出：“有两组跳闸线 圈的断路器，其每一跳闸线圈回路应分别由专用的直流熔断器供电”。这样还不够， 还要使每组熔断器从相互彼此独立的直流控制母线取得工作电源，只有这样才能保 证，在站内发生事故，同时一条直流母线失压的情况下，断路器仍有一组跳闸线圈 能正常工作，确保断路器在事故情况下能够可靠掉闸，把事故限制在最小的范围内。 d 、在高压配电装置操作机构允许的情况下，去掉直流合闸母线，高压配电装 置的合闸电源直接取自控制母线，以便省去合闸母线与控制母线之间的调压硅链， 消除事故隐患。 e 、具有保护双重化配置的出线、母线及变压器，保护电源应取自不同的直流 母线。 f 、对于只有一套保护和断路器只有一个跳闸线圈的单元( 一般用于1 1 0 千伏 及以下电压等级变电所) ，其保护电源及断路器控制电源取应自同一直流母线。在 这种情况下，高压断路器操作电源和保护工作电源可以共用一对熔断器，从而简化 二次接线，提高可靠性。 g 、对于装设单套保护和单跳闸线圈断路器的控制保护单元一e 级断路器和保 护与下一级断路器和保护的电源应取自不同的直流母线。 对于2 2 0 千伏变电站的中低压侧，以及l l o 千伏( 包括1 1 0 千伏) 以下电压等 级的变电所中，每个保护控制单元一般情况下均装设一套完整的保护，例如：高压 输电线路保护，一般出一套完整的主保护和一套完整的后备保护组成，高压微机线 路保护装置的主保护和后备保护一般情况下共用同一个保护机箱，1 l o 千伏及以下 电压等级的断路器一般仅设计一个跳闸线圈。 图3 1 是某1 1 0 k v 变电所部分后备保护配置图( 仅标出需上下级配合的后备 保护) ，3 5 千伏各出线装设有三段式过电流保护( 电流速断保护、限时电流速断保 护、过电流保护) ；1 0 千伏各出线装设有两段式过电流保护( 电流速断保护、过电 华北电力人学i ：程硕十学位论文 图3 一l 保护配置图 流保护) ；主变压器中、低压侧均装设段三时限过电流保护( 短时限跳本侧母线 分段开关，中时限跳本侧变压器主进丌关，长时限跳变压器三侧开关) ，分别作为 中、低压侧母线故障的主保护及各出线的远后备保护；变压器高压侧装设一段过电 流保护，动作后跳变压器三侧开关，作为变压器本体及各侧引出线的后备保护及中 低压侧母线的远后备保护。 在变压器的设计及运行过程中，应将变电所中、低压侧各出线保护电源和开关 ( 包括母联) 控制电源驳自i 段( 或i i 段) 直流母线，变压器中、低压侧开关和后 备保护的电源取自i i 段( 或i 段) 直流母线，变压器高压侧断路器和后备保护的电 源取自i 段( 或1 i 段) 直流母线。 这样安排解决了一次设备的保护和其远后备保护的直流电源要分开，已确保设 备的保护或控制失去直流电源的情况下，上一级的远后备保护能够充分发挥作用， 保证故障的最终切除。 h 、直流熔断器应合理配置并加强运行管理。 电力系统继电保护及安全自动装置反事故措施要点指出：“上下级熔断器 之问必须有选择。”目前微机型、集成电路型、晶体管型继电保护和安全自动装置 的内部电源( 大多数是高频逆变式稳压电源) 一般装置内部都装设有电源熔断器( 一 般情况下小于2 5 a ) 。在变电所中，对于所有直流负荷( 需直流工作电源的设备) ， 从蓄电池到直流用户，直流熔断器的配最基数不易过多，鉴于目前国内的实际情况， 设置三级保险比较合理；额定电流典型数据分别为3 0 0 a 、6 0 a 、1 0 a 。保护装置内 部电源熔断器必须与外部熔断器相配合，在不能配合的情况下应省去。 望韭坐! 堂! ：型堡堂笪堡苎 变电所内的所有直流熔断器应采用同一厂家、同一型号的产品，避免多家产品 混用。使用不同厂家的熔断器时，应保证熔断器特性基本一致。 在保证按规定分级配置、采用质量合格的产品外、必须对熔断器建立技术档案： 最好对熔断器熔芯用电桥测量其内阻并记录存档、以便比较。当下一级熔断器发生 短路故障更换熔断器的同时，应对上一级熔断器内阻进行测量。若上级熔断器内阻 明显增大，蜕明该熔断器的熔芯已有较严重的局部熔化现象，应与下一级熔断器同 时更换。 i 、对于1 1 0 千伏及以下采用单套保护的变电所，在继电保护装置研发及变电站 施工设计过程中，要保证主保护和后备保护( 即使主保护和后备保护使用同机箱) 直流供电电源( 使用独立逆变电源) 要彻底分开，并经不同的接线端子引出，通过 不同的直流熔断器从不同的直流控制母线取得电源。 变压器三侧后备保护电源( 对于三圈变压器) 应分别使用独立的逆变电源( 即 使是变压器三侧后备保护使用同一机箱) ，尤其对于使用单套后备变压器保护的变 电所来说，非常重要，也非常必要。 j 、在高压配电装置的设计旌工过程中，应采取有效隔离或防护措施，防止发生 短路故障时，电弧光波及到二次设备及其引线，引发直流系统问题。高压电缆和低 压控制电缆通道要彻底分开，不能交叉。 3 3 直流系统的工程设计及应用 根掘以上研究成果及结论，为了检验其整个直流系统先进性、可靠性、实用性 及可操作性，我们投资四十多万元对一座十一万变电所的直流系统进行了技术改 造。 该变电所始建于二十世纪八十年代后期，担负着市区很多重要用户的供电任 务，近年来，随着国民经济的迅速发展，该变电所的重要性f 1 益突出。该变电所有 三个电压等级，装有两台3 1 5 0 0 k v a 变压器，高压侧为双母线接线，中低压侧为单 母线分段接线。改造前，赢流系统的接线方式为单母线分段，两段母线并列运行； 两台相控式充电机，一台用作浮充机，一台用作强充机；合闸母线和控制母线分开， 控制母线电压通过硅链调整：单组蓄电池，蓄电池为镉镍电池，容量为6 0 安时。 通过重新设计，我们将两台相控式直流充电机，更换为两台高频逆变式充电机， 稳压精度出3 v 提高到o 5 v ；直流蓄电池由一组变为两组，采用新型胶体密封铅酸 蓄电池，每组容量2 0 0 安时，电池寿命长，日常维护量少：因该变电所内高压断路 器已经更换，合闸操作电流已经很小，因此设计中去掉了直流合闸母线，不再使用 华北电力人学工程硕十学位论文 硅链进行调压，使可靠性得到进一步提高；正常时两条直流母线分裂运行，直流负 荷断环运行，每条母线接有一组蓄电池，分别由一台直流充电机供电。 霪鼯 i 1 1i 一 型协卓 区刈 r 电池组 图3 2 直流系统接线图 电池鳃 主变压器三侧后备保护采用北京四方继电保护公司生产的c s t 一2 1 0 b 型保护， 各自使用独立的机箱和逆变电源：后备保护配置图见图3 1 。 按照“单套保护和单跳闸线圈断路器的控制保护单元，上级断路器和保护与下 一级断路器和保护的电源应取自不同的直流母线”的原则， 变压器高压侧后备保 护、高压侧断路器、3 5 千伏、l o 千伏各出线保护及断路器电源取自i 段直流母线， 变压器中、低后备保护及断路器电源取自i i 段直流母线。见图3 2 自投运以来，运行良好，没有出现任何问题，准备在以后变电所的毅建或改建 中进行推广。 华北电力人学1 程硕士学位论文 第四章新型线路远后备保护的原理与实现 优化变电站直流系统的设计和运行可以极大地提高整个变电所运行的安全性 和可靠性，极大地提高整个电网抵御事故的能力。但是，在实际工程中，为了减少 占地面积，降低工程造价，目前大部分1 1 0 千伏及部分2 2 0 千伏变电所直流系统仍 采用单组蓄电池供电。对于直流系统已经双重化的变电所，由于事故的不可预料性， 尽管几率非常小，整个变电所失去直流也是有可能的。因此，我们在电网的规划、 设计和运行时，必须考虑到整个变电所失去直流电源的情况，否则我们将为此付出 沉重的代价。 在变电所内部发生短路故障的情况下，如果上级变电站出线后备保护，不能保 护到下级变电站全站设备( 尤其是变压器低压侧母线设备) ，且有足够的灵敏度， 当下级变电所发生事故过程时，出现直流全停的情况，往往会造成事故的进一步扩 大，引发主变压器烧毁，发生火灾，大面积停电等。因此，这就更加突出了研究高 压线路保护作为下级变压器低压侧故障( 特别是角接侧两相故障) 远后备保护问题 的迫切性和必要性，使之成为切除故障的最后屏障。 4 1 变压器侧两相短路故障的特点 在现代电力系统中，y 变压器得到了广泛应用，绝大多数大型供电电力变压 器低压侧均为三角型接线，变压器角接侧系统属于不接地系统。当此系统中发生两 相短路时，由于变压器的角度变换作用，致使变压器电源侧线路电压和电流相位角 发生变化。 不失一般性，我们以y 一1 1 接线方式的两卷供电降压变压器为例进行分析研 究，设变压器低压侧出1 ：3 发生b c 两相会属性两相短路，系统接线图见图4 1 。 _ 卜_ + 趣踮。 l ( 一x 。一斗x 。一水一x 一一爿 图4 一l 电力系统接线图 其中：( 均忽略电阻分量) x 。为系统电抗，系统正序、负序、零序电抗分量分别为x s - 、x xs o 4 华j 匕电力人学。i ：程硕十学位论文 x 为线路电抗，线路正序、负序、零序电抗分量分别为xu 、x 。x 。 x ，为变压器电抗，变压器正序、负序、零序电抗分量分别为x 。、x 。x ，。 图4 2 是变压器内部接线图 ，i c y ，a - 1 l 图4 2变压器接线图 其中： i 。、ki 。分别为变压器高压侧( 电源侧) 故障电流； i 。、i 。、i 。分别为变压器低压侧故障电流。 变压器a 侧b c 发生两相发生短路，我们用对称分量法来进行分析，以a 相为基 准相，序网见图4 3 u a 二羔羔虬 其中 u 8 u a 2 图4 - 3 两相短路时的序网图 霸 华北电力人学l ：程硕士学位论文 x ：( 综合正序电抗) = x ；+ x 。+ xr - ( 4 i ) x ：( 综合负序电抗) = xs z + xn + x t = ( 4 2 ) 由于相削故障时不存在零序分量，所以复合序网中只包括正序和负序网络。两 相短路时的复合序网见图3 4 图3 4 两相短路时的复合序网图 变压器侧各序故障电流分量： t o = o ( 4 - 3 ) i 。l = i 。2 = 亡。j ( xi + x 2 e ) ( 4 4 ) 变压器侧各序电压分量： o 。o = 0 ( 4 5 ) d 。l = d 。2 = ia lx j x 2 e ( 4 6 ) 短路点的各相电流为： i a = 0 ( 4 7 ) 扛i 厅。l ( 4 8 ) i 。_ j 厅i 。1 ( 4 9 短路点的各相电压为： 0 a = 0 。l + o 。2 + o 。o = 2 0 。l ( 4 1 0 ) o b = o b i + o b 2 + t j b o = a 2 0 a i + a o k 2 = 一o 。2 ( 4 1 1 ) t j 。= oc l + t 丁c 2 + o 。o = a o a l + a 2 0 k 2 = - o a 2 ( 4 一1 2 ) 变压器三角侧发生b c 两相短路时的电流电压向量图见图4 - - 5 。 当b c 两相短路发生在y a 1 1 接线方式变压器的三角侧时，正序分量( 包括电 流量和电压量) 由三角侧变换到星型侧时，需将三角侧的正序分量顺时针方向旋转 3 0 。；负序分量( 包括电流量和电压量) 逆时针方向旋转3 0 。，则： 华北电力人学t 程硕士学位论文 一一一 u c 尸u b 2 u b = u o = u a 2 u b t = u c 2 图4 5 变压器三角侧发生b 、c 两相短路时的向量图 i a f i 。i e 1 3 0 。 ( 4 - 1 3 ) i a 2 = i a 2e j 3 0 = 一i a le j 3 0( 4 - - 1 4 ) 将各序电流分量合成，得各相电流为： i a = i a l + i a 2 = i 。ie i 3 0 _ i a ie j 3 0 = i 。i ( e - j 3 0 _ e i 3 0 ) = - 9 a 1 = i b 、丁( 4 1 5 ) i b = i b l + i b 2 = a 2 i a l + a i a 2 = a 2 i a l d 3 0 a i a le j 3 0 = i a l ( e j 2 * o e j 5 0 ) = - j i a f i b 、丁( 4 1 6 ) i c = 主c i + i c 2 = a i a i + a 2 j a 2 = a i a i e - j 3 0q 2 i a l e j 3 0 高i a i ( e j 9 0e i 2 70 4 ) = 2 j i a l = 2 i b 4 厂丁( 4 1 7 ) 根据各序电压求得变压器高压侧各相电压为： o a = 心a i + o a 2 = o a l + j i a lxt 1 ) e - j 3 0 + ( t a l - j ia 1 x1 1 ) e j 3 0 。 = f o a l + i a l xt l ( 4 1 8 ) o b = ob l + ob 2 = a 2 i = i a l + a l a a 2 = a 2 ( o aj + j ia l 。1 1 ) e - j 3 0 + a ( oa l j - ia l xt 1 ) e j 3 0 + = o a l ( e j 2 1 o + ej 1 5 0 ) + jr a i x t i ( e j 2 10 。ej ) 5 一厂u a l + l a lx t i( 4 - - 1 9 ) d c = o c l + d c 2 = a o a l + a 2 讥2 = a o a i + j i a lx ，r i ) e - j 3 0 十a 2 ( t j 8 l j i a lxt i ) e j 如 = d a l ( e i 9 0 + c j 2 7 0 ) + j ia 1 xt i ( e j 9 0 一e j 2 7 0 ) = 一2 i 。l ot l l 4 - - 2 0 ) 经变压器角度变换后，变压器星型侧的故障电压的向量图见图4 6 a ( 忽略了 变压器的内部阻抗) 和图4 - - 6 c ( 考虑变压器的内部阻抗) ，故障电流向量图见图4 些苎旦三；! 尘羔塑堂笪堡壅 一6 b 0 0 b 幽4 - 6 a o c 2 f b l = f a 2 i a = i b 幽4 - - 6 b 0 b 豳4 6 c 图4 6 变压器星形侧( 电源侧) 的向量图 0 c 2 以上对于y ，- 1 1 接线的变压器侧发生两相接地短路故障的分析，可知：在 侧发生任意两相短路时，y 侧各相电流的分布情况和故障相别有关，其规律是两 故障相中的滞后榻电流最大，如上述b c 两相短路，y 侧c 相电流最大。数值上为 侧故障相电流的2 f 3 倍，其它两相电流大小相等、方向相同，数值上为侧故 障相电流的l 万倍；y 侧各相电压的情况是两故障相中的滞后相电压总为零( 当 忽略变压器内部压降时) ，或者很小，另两相电压总是相等，例如a 侧b c 两相短路 时。y 侧的c 楣电压等于零，a 、b 相电压的绝对值大小相等。相间电压一般比较 大。 4 2 距离保护存在的问题 距离保护是反映故障点至保护安装地点之间距离( 或阻抗) ，并根据距离的远 近而确定动作时间的一一秘保护装置。该装置的主要元件为距离( 阻抗) 继电器，它 可根据其端予上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，此阻抗称 为继电器的测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短； 当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了保护 有选择地切除故障。出于距离保护的定值选择、保护范围及灵敏系数等方面受电网 接线方式及系统运行方式的影响较小，能够在1 1 0 于伏及以上电压的复杂网络中， 满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求，从而得到了极为广泛的应用。目前， 在1 1 0 千伏以上电压等缴的电网中，输电线路都毫无例外地采用距离保护作为其主 华北电力人学】样硕士学位论文 一一一 保护或后备保护。 输电线路的距离保护按功能分为相间距离保护和接地距离保护，相间距离保护 主要保护相间三相短路、两相短路及两相接地短路故障；接地距离保护主要保护单 相接地短路和两相接地短路故障。 距离保护的动作时阳jt 与保护安装地点至短路点之间距离l 的关系t = f ( 1 ) ，称 为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选择性、灵敏性和可靠性的要求，目前 广泛应用具有三段动作范围的阶梯时限特性，分别称为距离保护的i 、i i 、i i i 段。 距离保护的i 段是瞬时动作的，可靠保护本线路全长的8 0 8 5 ，其保护范围不受系 统运行方式的影响，保护范围非常稳定( 目前，微机型距离保护已经能够做到精确 工作电压小于0 2 5 v ，最小精确工作电流小于0 1 倍