（电力系统及其自动化专业论文）电力电子设备对配电系统继电保护影响的研究.pdf

天津理工大学硕士学位论文 a b s t r a ( 了r w i t ht h ed e v e l o p m e n to fs c i e n c ea n dt e c h n o l o g y , h i g h e ra n dh i g h e rq u a l i t yr e q u i r e m e n t s w e r en e e d e db yt h ee l e c t r i c a lc o n s u m e r sa b o u tt h ep o w e re n e r g yi np o w e rs u p p l y i n ga n d d i s t r i b u t i n g f o rt h i so b j e c t i v e ，m a n yk i n d so fp o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t sa r ea p p l i e di n p o w e rs u p p l ys y s t e m sa n dd i s t r i b u t i o ns y s t e m si n o r d e rt oi m p r o v et h es y s t e mr u n n i n g s t a b i l i t yw i t ht h e i rr a p i dr e s p o n s eo p e r a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s b u ta tt h es a m et i m e ，t h ep o w e r e l e c t r o n i ce q u i p m e n t sm a yg e n e r a t es o m eh i d d e nd a n g e r st h a tc a l ln o tb eo v e r l o o k e dt ot h e s y s t e m ，p a r t i c u l a r l yt ot h er e l i a b i l i t yo fp r o t e c t i o na c t i o n b a s e do nw h a ti ss a i da b o v e ，a n dt a k i n gt h ep r a c t i c ed i s t r i b u t i o ns y s t e mi nt p c of o ra n e x a m p l e ，i ti sa n a l y z e di nt h i sp a p e rt h a tt h ei n f l u e n c e st ot h i sd i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t ht h e a s s e m b l i n go fd v r , s t a t c o ma n ds f c li n c l u d i n gt h en o r m a la c t i o no ft h ec u r r e n t p r o t e c t i o ni nt h i ss y s t e m ，p h e n o m e n ao fh a r m o n i c s ，r e s o n a n c ea n dm a g n i f y i n go fh a r m o n i c c u r r e n t ，a n dt h ec o o p e r a t i o nb e t w e e nc u r r e n tp r o t e c t i o n sa n dt h e s ee q u i p m e n t s s o m ed i 罾h a l s i m u l a t i o n sa r ed o n et os u p p o r tt h et h e o r ya n a l y s i s a tt h ee n do ft h i sp a p e r , as c h e m ea b o u th o wt od i s t i n g u i s ht h ef a u l ta n dh a r m o n i c c u r r e n ti sd e s i g n e dw i t ht h ep r e r e q u i s i t ef o ra n a l y z i n gt h er u n n i n gc h a r a c t e r i s t i co ft h es y s t e m i naf a u l t i n gs t a t ea n di nah a r m o n i cs t a t e t h i ss c h e m ec a nb eu s e dt od e s i g nt h ec u r r e n t c h e c k i n gt a c h e i nt h ec u r r e n tp r o t e c t i o nt oa c h i e v et h ei m p r o v e m e n to f p r o t e c t i o nr e l i a b i l i t y t h er e s e a r c hp r o d u c t i o ni nt h ep a p e rh a ss o m ed e f i n i t er e f e r e n c ev a l u et ot h et e c h n i c a l p e r s o n n e li nt h i sf i e l da b o u tr e l a ya n dh a r m o n i cs t u d y k e yw o r d s ：p o w e re l e c t r o n i ce q u i p m e n t ，d i s t r i b u t i o ns y s t e m ，c u r r e n tp r o t e c t i o n , f a u r ， h a r m o n i c 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取 得的研究成果，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，也不包含为获得丞洼堡王态堂 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：徐哟 签字日期：抑6 年膳月j 口日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解丞星堡王太堂有关保留、使用学位论文 的规定。特授权丞洼堡工太堂可以将学位论文的全部或部分内容编入 有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编， 以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复本和电子 文件。 ” ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 签字日期：砌6 年月韧日签字目期：毒唧年j 月7 e l 第一章绪论 第一章绪论 随着科技的发展，人们对供、配电系统电能质量要求越来越高。目前常采用诸如故 障限流器、动态电压恢复器、无功补偿器等装置来达到提高电能质量的目的。这些装置 的控制单元和整流逆变单元主要由电力电子器件构成，其快速反应的动作特性使系统运 行的可靠性得到提高。但是，这些电力电子设备在保证高质量的供、配电的同时，也给 系统带来了不可忽视的运行隐患，如对继电保护正常运行的影响等。 1 1 电力电子设备的应用对配电系统的影响 配电系统是发电系统、输电系统同用电负荷之问的联络枢纽，因此，对配电系统所 采取的任何一种“改变”都应该以不影响配电系统的正常运行为前提。但是随着越来越 的电力电子设备应用于配电系统，其带来的影响也是不可忽视的。 1 1 1 配电系统稳定性的讨论 电力系统是一个复杂的大规模非线性动态系统，其稳定性分析是电力系统规划和运 行的最重要也是最复杂的任务之一，并且人们已经对电力系统的功角稳定问题及电压稳 定问题进行了大量的研究“1 1 。 一般情况下，如果说一个系统发生失稳现象，常常是指某种失稳形式占主导地位。 i e e e 报告中给出了两种极端情况：远方的一台同步发电机通过输电线路接入无穷大 系统( 纯功角稳定问题) ；一台同步发电机或一个无穷大系统通过输电线接有异步负 荷( 纯电压稳定问题) 。图l 一1 ( a ) 、( b ) 分别表示上述两种极端情况。 ( 。) 无穷大系统 无穷大系统 ( b ) 负荷 图1 1 表示稳定问题极端情况的简单系统 ( a ) 纯功角稳定；( b ) 纯电压稳定 配电系统的网络结构以放射形结构为主要形式。一般对于企业配电系统，尤其是对 无自备发电设备的企业来说，其放射形配电网络结构通常可以等值成一个用电负荷通过 输电线路与无穷大系统相连的网络，因此不存在配电系统功角稳定的问题。 关于电压稳定问题，国内外现有的研究大都以电网( 或输电网) 为对象，很少涉及 到配电系统。大家都清楚，造成电力系统电压不稳定的主要因素是由于电力系统本身不 能满足其无功功率的需求，使得诸如负荷的继续增加、系统故障或系统运行的正常操作 等扰动，都可能使系统状态越出稳定的临界值，进而使系统的母线电压发生不可逆转的 突然下降，最终还可能由于电压不稳定导致该系统发生电压崩溃，扩大事故范围9 ”“。 但是对于一个配电系统，尤其是无自备发电设备的配电系统，由于其上端所连无穷 第一章绪论 大功率母线电压是恒定的，它是由上一级电网输出的有功功率和无功功率所决定的，并 且该无穷大功率母线向负荷侧所提供的有功功率和无功功率是充足的。因此，对于一个 配电系统，如果从系统外部角度来看，其稳定性应该属于纯电压稳定问题，如图1 1 ( b ) ；而如果从负荷侧( 系统内部) 角度考虑，由于无穷大功率母线电压恒定，其向负 荷端传输的功率也是充足的，且如果负荷端发生故障也不会影响其电压值的变化，因而 此时不存在理论上的配电系统电压稳定的问题，即不存在“配电系统电压稳定性的概 念”。 但是，从实际工程应用角度来看，任何故障、人为的操作或配电网中存在的谐波都 会引起电压的变化或波动，使电压变得短时不稳定。而从理论角度，尤其是从负荷端考 虑，这种电压的变化或波动应该算是一种电压的异常现象，它并不能造成系统的无功短 缺，因而不能称为是“电压稳定性”问题。 综上所述，由于配电系统与电力系统结构的不同，使其自身不存在通常所说的功角 稳定问题和电压稳定问题。然而对于故障、人为的操作和谐波的存在等扰动引起的配电 网各母线电压的变化或波动，虽然其不会造成系统的不稳定，但是由于某一母线的电压 波动会影响连接于该母线下的负荷，尤其是敏感负荷的正常运行，因此，为了避免事故 范围的扩大，引起不必要的经济损失，应该对配电系统中的电压波动问题予以重视。 1 1 2 电力电子设备的应用及谐波的产生 在一个理想的电力系统中，人们除了用规定的电压水平对电能质量进行衡量以外， 也常使用频率的指标来评价电能质量。电力电子设备作为非线性负荷的一种，应用在实 际的电力系统中，会使电压电流的波形发生畸变，从而严重影响系统中各种电力设备的 正常运行以及用户和通讯线路的信号传输。这种畸变通常是由于电力电子设备在投入系 统和从系统中切除时引起的各次谐波导致的，尤其是近年来，各种大功率可控硅整流设 备、变频设备、电弧炉、感应炉和各种电力电子补偿设备不断接入电网，使电网中的谐 波含量日益严重，而电力电子设备也被视为电力系统的最重要的谐波源。 ( 1 ) 晶闸管整流设备 由于晶闸管整流在无功补偿装置、动态电压恢复器及电力机车等许多方面得到了越 来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置常采用移相控制，由于它从 电网中吸收的是缺角的正弦波，且给电网留下的是另一部分缺角的正弦波，因此在留下 的缺角正弦波中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含 有奇次谐波电流，其中3 次谐波的含量可达基波的3 0 9 6 ；接容性负载时则含有奇次谐波电 压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6 脉冲整流器，变压 器一次侧及供电线路含有5 次及以上奇次谐波电流；如果是1 2 脉冲整流器，则还会含有 1 1 次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近4 0 9 6 ，这 是最大的谐波源“”1 。 ( 2 ) 变频装置 变频装置由于采用了相位控制，谐波成分很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分 数次谐波，且随着变频调速的发展对电网造成的谐波也越来越多。 2 第一章绪论 ( 3 ) 电弧炉、电石炉 直流电弧炉以其经济、高效的特点，越来越受到工矿企业，尤其是钢铁冶炼企业 的青睐，由于其采用整流器馈电，故也被列入电力电子设备的行列。注入电网的谐波电 流主要是2 7 次谐波，平均可达基波的蹋2 0 ，最大可达4 5 。 ( 4 ) 无功补偿装置及动态电压恢复器中的变压器 变压器和饱和电抗器产生的高次谐波是铁芯饱和造成的，一般产生的是三次和五 次谐波电压畸变，数量最多的是三次谐波。 1 1 3 电力电子设备引起的谐波对配电系统的影响 ( 1 ) 谐波对一次电气设备的影响 高次谐波在电力系统中传递，将使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，引起铜 损和铁损增大、设备过热、产生噪音、降低设备工作效率。另外，高次谐波的负序分量 有可能使旋转设备产生反方向的转矩，造成机械损伤和热耗而且，当电压含有高次谐 波时，还使得电气设备的耐压下降，介质损耗增加，充电电流增大，绝缘老化，寿命缩 短，从而引起各种故障“”； ( 2 ) 谐波会引起并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使危害大大增加，甚至引起 严重的事故； ( 3 ) 谐波对系统中的各种自动装置、继电保护装置及电子仪表造成的影响严重 由于大多数的自动装置、继电保护装置及电子仪表的设计运行频率为基波频率，且 其动作整定值也是基于基波频率下的电压或电流值，因此，当系统中由谐波存在时，常 常会导致自动装置、继电保护装置产生误动、拒动，使电子仪表失灵“： ( 4 ) 谐波还可能会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通信质量，重者 则会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。 1 1 4 电力电子设备引起的谐波对继电保护的影响 配电系统中运行的继电保护因保护类型的不同及安装地点的不同所受谐波的影响 也不同，其中可能引起继电保护误动、拒动的情况主要有以下几个方面“”： a 、在电气距离上接近大的谐波源； b 、保护装置的安装地点具备谐波严重放大或接近于谐波谐振条件，例如安装地点 具有并联电容器等； c 、保护装置的动作整定值很小，尤其是对于接在差流回路、零序电路或负序电路 上的继电保护装置，其整定值通常只有相电流或相电压的百分之几： d 、继电保护装置中所选用的元件或动作原理对谐波的敏感度高，尤其是反映电压、 电流的瞬时值、有效值变化的过量型继电保护； e 、系统中有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时存在时，继 电保护无法正确、可靠动作 目前，国内外常采用的降低谐波对继电保护影响的措施有很多，大概可以归纳为两 类： 第一章绪论 第一类为辅助措施。此类措施的出发点是利用配电系统中的其他装置以达到使继电 保护正确、可靠动作的目的，通常包括： 利用安装在配电系统中的频率测试仪测试谐波频率，从而辅助继电保护装置对电 压、电流值的测量和比较； 增加滤波装置，使得保护中的输入信号无畸变； 采用反应“增量”的装置，即在继电保护装置的执行元件前接入一个微分电路， 使其只反应突变量而不反应稳态量； 在配电系统中的各类保护间加装谐波闭锁环节； 第二类是从继电保护自身出发，通过合理设定其动作整定值从而达到正确、可靠动 作的目的【”1 。 目前，越来越多的先进技术和改进算法应用于继电保护的故障检测和参数整定中， 例如：文献 2 7 中介绍了单片机技术在阶段式电流保护上的应用。提出采用单片机可取 代大量的继电器，避免了因接线复杂和元件不稳定造成保护装置的误动、拒动，从而可 提高供电的安全可靠性。文献 2 8 中则提出了一种以t m s 3 2 0 l f 2 4 0 7 d s p 为核心处理器的 电力系统多功能微机保护实验装置的设计方案，并针对装置的原理框图，对装置的主要 硬件构成部分进行了具体介绍。文献 2 9 针对3 5 k v 及以下电网的安全运行，提出了用 p l c 实现电网电流保护的几种方案，并给出了硬件原理图和相关软件流程图。文献 3 0 提出一种利用人工神经网络( a n n ) 实现自适应电流保护的方法。利用人工神经网络所具 有的强大的自适应能力、学习能力和模式识别能力，实现对电力系统中的各种故障情况 的识别，解决电流保护中的灵敏度补偿和故障方向识别问题。文献 3 1 提出了将专家系 统应用于继电保护整定，并详细地介绍了线路电流电压保护整定专家系统的开发过程， 取代了繁琐的继电保护整定原则手册，并通过整定人员长期积累的整定计算经验不断地 调整和扩大知识库，使专家系统更加完善。 此外，也有一部分专家从理论角度出发对继电保护整定中所使用的算法也有相应的 研究。如：文献 3 2 提出一种利用半波傅氏算法消除衰减非周期分量对基波分量影响的 快速算法，该算法理论上可以完全消除任意衰减时间常数- 的非周期分量对基波分量的 影响；文献 3 3 采用差分与傅氏变换相结合的计算方法，省去模拟滤波电路，从带有衰 减直流分量的故障电流中提取基波电流，进行保护计算和判断，具有较高的准确性和可 靠性；文献 3 4 提出了一种利用序分量提高电流保护灵敏度的新原理，可以克服故障类 型对保护灵敏度的影响；文献 3 5 根据叠加原理给出正序故障分量的概念及特点，详细 阐述正序故障分量在故障方向判别、相比较纵联保护、自适应电流保护及故障测距中的 应用原理；文献 3 6 中通过对馈线上各相电流暂态分量的形成与分布特征分析得出故障 馈线的非故障相提供的自供性故障相暂态电流分量和其他非故障馈线提供的相似性暂 态电流分量组成的结论，利用这一结论使基于正交小波分解提取特征频带具有可行性、 有效性和稳定性。文中从理论上提出构成单相接地保护继电器的判断准则，不需要整定 计算就可适用于中性点不接地模式的任何配电网，且保护方式易于融于分布式馈线保护 自j 隔单元中，不需要配置监控系统选线模块或专用选线装置。 可见，为了克服由于电力电子设备引起的谐波给继电保护带来的影响，目前国内外 4 第一章绪论 的相关研究越来越多，但是这些方法还或多或少的存在一些不足，如： 通过利用配电系统中已有的或新增加的设备辅助继电保护装置正确动作，可影响 信号采集、判断、比较的速度，并且增加的设备会改变系统原有的阻抗分布，从而可能 会因起新的谐波谐振隐患； 利用先进技术或改进算法合理计算继电保护的整定值，但是无论是哪种整定方法 都是基于传统的参数整定法，整定值只适应在某种特定运行方式下达到最佳保护状态， 而在其他运行方式下则不再是最佳，即适应性差； 虽然已经将谐波因素考虑到了继电保护的整定过程中，但是这些方法仍然是将基 波故障电流作为判断故障的特征量，因而仍然存在因系统的谐波和振荡引起保护误动的 隐患，即：继电保护的判断环节区分故障状态及非故障状态但为不正常状态的能力差。 1 2 本论文的主要研究内容 电力电子设备的应用给配电系统带来了严重的谐波影响，尤其给配电系统中的继电 保护装置造成很大的威胁，影响其正常工作因此，本论文将综合考虑现有技术，从改 善继电保护动作性能的角度出发，加强其自身对谐波的区分能力，使电力电子设备引起 的谐波给继电保护的影响降低到最小。 本论文主要以天津钢管公司配电系统为实际研究对象，对电力电子设备的应用对配 电系统电流保护的影响进行了研究，主要工作包括： 掌握关于电流保护和谐波谐振的相关理论，包括各种电流保护的整定方法及其运 行特性、谐波谐振的基本理论、危害及其可能引起的谐波放大； 为了解决天津钢管公司配电系统三相短路后母线残压低的技术难题，在系统中分 别加装动态电压恢复器d v r 、静止无功补偿装置s t a t c o m 、超导故障限流器s f c l 后，对 继电保护的运行性能分析，合理设定各种电力电子设备与继电保护的动作配合，并对各 种电力电子设备可能引起的谐波谐振进行分析； 通过分析配电系统的谐波特性和故障特性，设计一种可以区分谐波电流和故障电 流的方法，并将其应用到继电保护的测量和比较环节，使继电保护本身具有区分二者的 能力，进而达到减小电力电子设备引起的谐波对继电保护动作性能的影响。 第二章配电系统电流保护的基本原理 第二章配电系统电流保护的基本原理 无论是电力系统，还是配电系统，加装继电保护的目的都是为了保证系统的安全运 行，因此继电保护必须具备“区分”电力系统的正常、不正常工作和故障运行状态的能 力，即在系统各种运行状态下及时“甄别”出发生故障和出现异常的元件，寻找可测参 量的“差异”，提取并利用这些可测参量的“差异”，实现对三种运行状态的快速“区分”。 2 1 电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态 电力系统的运行状态是指电力系统在不同运行条件( 如负荷水平、出力配置、系统 接线、故障等) 下的系统与设备的工作状况。电力系统的运行条件一般可用三组方程式 描述，一组微分方程用来描述系统元件及其控制的动态规律，两组代数方程式则分别构 成电力系统正常运行的等式和不等式约束条件。 等式约束条件是由电能性质本身决定的，即系统发出的有功功率和无功功率应在任 意时刻与系统中随机变化的负荷功率( 包括传输损耗) 相等，即 y 吃一y 最，一y 峨t 0 如一一级一。 式中，圪，q 。分别为i 个发电机或其他电源设备发出的有功和无功功率； 匕，分别为j 个负荷使用的有功和无功功率； a b ，a q s 分别为电力系统中各种有功和无功功率损耗： 不等式约束条件涉及供电质量和电力设备安全运行的某些参数，它们应处于安全运 行的范围( 上限及下限) 内，如： & s s i 。 u i 。u i u i 。m lq 薯lq ? 。 f ms fs f 。 式中，s 。，瓯。分别为发电机、变压器或用电设备的功率及其上限； u 。，u j 。，u ；。分别为母线电压及其上、下限； ，。分别为输、配电线路中的电流及其上限； 厂，一，二分别为系统频率及其上、下限。 根据不同的运行条件，可以将电力系统的运行状态分为正常状态、不正常状态和故障状 态。电力系统运行控制的目的就是通过自动的和人工的控制，使电力系统尽快摆脱不正 常状态和故障状态，能够长时间在正常状态下运行。 6 第二章配电系统电流保护的基本原理 2 1 1 电力系统的正常工作状态 在正常状态下运行的电力系统，满足下述特征： 所有的等式和不等式的约束条件均满足，表明电力系统以足够的电功率满足负 荷对电能的需求； 电力系统中各发电、输电和用电设备均在规定的长期安全工作限额内运行： 电力系统中各母线电压和频率均在允许的偏差范围内，提供合格的电能； 一般在正常状态下的电力系统，其发电、输电和变电设备还保持一定的备用容 量，能够满足负荷随机变化的需要，同时在保证安全的条件下，可以实现经济运行； 能够承受常见的干扰( 如部分设备的正常和故障操作) ，从一个正常状态和不正 常状态、故障状态通过预定的控制连续变化到另一个正常状态，而不至于进一步产生有 害的后果。 2 1 2 常见的不正常工作状态及其危害 所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的电力系 统工作状态称为不正常运行状态。例如，因负荷潮流超过电力设备的额定上限造成的电 流升高( 又称过负荷) ，系统中出现功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷引 起的发电机频率升高，中性点不接地系统和非有效接地系统中的单相接地引起的非接地 相对地电压的升高，以及电力系统发生振荡等，都属于不正常运行状态。 电流超过额定值引起的过负荷，使电力设备的载流部分和绝缘材料的温度超过散热 条件的允许值而不断升高，造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏，可能发 展成故障。电压的升高有可能超过绝缘介质的耐压水平，造成绝缘击穿，酿成短路。电 压过低时，对于占负荷比重最大的异步电动机转差增大，转速降低，绕组中电流增大， 温升增加，寿命缩短；电压过大偏移还会引起电力系统无功潮流的改变，增加有功损耗 等，不利于系统的经济、安全运行。所有的不正常运行都可能会给系统造成很大的影响， 甚至会使其进入故障运行，从而扩大损失范围 因此，必须识别电力系统的不正常工作状态，通过自动和人工的方式消除这种不正 常现象，使系统尽快恢复到正常运行状态。由于不正常工作状态对电力系统和电力设备 造成的经济损失与运行时间的长短有关，加之引起不正常工作状态的原因复杂，一般由 继电保护装置检测到不正常状态后发出信号，或延时切除不正常工作的元件。 2 1 3 故障状态及其危害 电力系统的故障主要概括为短路和断路两种情况。 一短路： 在电力系统可能发生的各种故障中，对电力系统运行和电力设备安全危害最大，而 且发生概率较大的首推短路故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之问或相与地( 对 于中性点接地的系统) 发生通路的情况。产生短路的原因很多，主要有元件损坏、雷击 造成的c i j 络放电或避雷器动作、人为事故等。 7 第二章配电系统电流保护的基本原理 短路故障的基本类型有三相短路、两相短路、单相接地短路和两相短路接地，后两 种发生在中性点直接接地或经小阻抗接地的电力系统中。其中，三相短路时，三相电路 仍旧是对称的，称为对称短路，其余三类都是不对称短路 电力系统发生的各种短路故障中，由于短路类型、发生地点、和持续时间的不同， 给系统带来的危害也不同，它可能只破坏局部地区的正常供电，也可能威胁整个系统的 安全运行，主要包括以下的几个方面： ( 1 ) 短路点及附近支路中流过的电流值可能达到额定电流的几倍至十几倍，当短路电 流通过电气设备时会产生大量热，如果持续时间过长，可能引起设备过热以致损坏。 ( 2 ) 短路时系统电压大幅度下降，会对非故障线路的用户造成很大的影响。 ( 3 ) 当短路发生地点离电源不远而持续时间又较长时，并行运行的发电厂可能失去同 步，破坏系统稳定，造成大片地区停电。这是短路故障最严重的后果。 ( 4 ) 不对称短路时，架空线路中不对称电流所产生的磁通，会在邻近平行架设的通信 线路上感应出相当大的电势，轻则产生通信干扰，重则危及通信设备和人身安全。 二断线故障： 电力系统还存在一相断开故障和两相断开故障的情况，简称断线故障。这类故障大 多发生在具有三相分别操作断路器的架空线路中，当断路器的一相或两相跳闸时即形成 断线故障。例如在采用单相重合闸的线路上，当发生单相短路的一相断路器跳闸后，即 形成一相断开、两相运行的非全相运行状态。然而在断线故障发生时，可能引起的最大 的危害就是会影响旁路负荷的正常运行，严重时还会导致与事故无关的线路也同样发生 断路器跳闸现象，从而扩大事故范围。 2 2 对继电保护的基本要求 动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性( 安全性和 信赖性) 、选择性、速动性和灵敏性。这几个特性之间紧密联系，既矛盾又统一，必须 根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力元件 的继电保护。充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力 系统运行的安全性、稳定性和经济性发挥最大的效能。 2 2 1 可靠性 可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护性能的最根本要求。所谓安全性，是要 求继电保护在不需要他动作时可靠不动作，即不发生误动作。所谓信赖性，是要求继电 保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒动作。 安全性和信赖性主要取决于保护装置本身的制造质量、保护回路的连接和运行维护 的水平。一般而言，保护装置的组成元件质量越高、回路接线越简单，保护的工作就越 可靠。同时，正确地调试、整定，良好地运行维护以及丰富的运行经验，对于提高保护 的可靠性具有重要的作用。 继电保护的误动和举动都会给电力系统造成严重的危害。然而，提高不误动的安全 性措施与提高不拒动的信赖性的措施是相矛盾的。由于不同的电力系统结构不同，电力 8 第二章配电系统电流保护的基本原理 元件在电力系统中的位置不同，误动和拒动的危害程度不同，因而提高保护安全性和信 赖性的侧重点在不同情况下有所不同。即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保 护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。因此，要在保证防止误动的同时，要充 分防止拒动；反之亦然。 2 2 2 选择性 继电保护的选择性是指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中 断开，最大限度地保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。它包含两种意思：其一是 只应有装在故障元件上的保护装置动作切除故障；其二是要力争相邻元件的保护装置对 他其后备保护的作用。 这种选择性的保证，除利用一定的延时使本线路的后备保护与主保护正确配合外， 还必须注意相邻元件后备保护之间的正确配合。一是上级元件后备保护的灵敏度要低于 下级元件后备保护的灵敏度；二是上级元件后备保护的动作时间要大于下级元件后备保 护的动作时间。在短路电流水平较低、保护处于动作边缘情况下，两个条件缺一不可。 2 2 3 速动性 继电保护的速动性是指尽可能快地切除故障，以减少设备及用户在大短路电流、低 电压下运行的时间，降低设备的损坏程度，提高电力系统并列运行的稳定性。动作迅速 而又能满足选择性要求的保护装置，一般结构都比较复杂，价格比较昂贵，对大量的中、 低压电力元件，不一定都采用高速动作的保护。对保护速动性的要求应根据电力系统的 接线和被保护元件的具体情况，经技术经济比较后确定。一些必须快速切出的故障有： ( 1 ) 使发电厂或重要用户母线电压低于允许值( 一般为o 7 倍额定电压) ； ( 2 ) 大容量的发电机、变压器和电动机内部发生的故障； ( 3 ) 中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障； ( 4 ) 可能危及人身安全、对通讯系统或铁路信号系统有强烈干扰的故障。 在高压电网中，维持电力系统的暂态稳定性往往成为继电保护快速性要求的决定因 素，故障切除越快，暂态稳定极限越高，越能发挥电网的输电效能。 故障切除时间等于保护装置和断路器动作时间的总和，一般的快速保护的动作时间 为o 0 6 一o 1 2 s ，最快的可达o o l 一0 0 4 s ，一般的断路器的动作时间为o 0 6 一o 1 5 s ，最 快的可达o 0 2 0 0 6 s 。 2 2 4 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规定的保护范围内部故障时，在系统任意的运 行条件下，无论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，当发生 断路时都能敏锐感觉、正确反应。灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量，增大灵敏度， 增加了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。在g b l 4 2 8 5 1 9 9 3 继电保护和安全 9 第二章配电系统电流保护的基本原理 自动装置技术规程中，对各类保护的灵敏系数的要求都作了具体的规定，一般要求灵 敏系数在1 2 2 之间。 以上四个基本要求是评价和研究继电保护性能的基础，在它们之问，既有矛盾的一 面，又要根据被保护元件在电力系统中的作用，使以上四个基本要求在所配置的保护中 得到统一。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的大部分工作也是围绕如何处理好 这四个方面的辩证统一关系进行的。相同原理的保护装置在电力系统的不同位置的元件 上如何配置和配合，相同的电力元件在电力系统不同位置安装时如何配置相应的继电保 护，才能最大限度地发挥被保护系统的运行功效，充分体现着继电保护工作的科学性和 继电保护工程时间的技术性。 2 3 配电系统的电流保护 电流保护是任何一个配电系统中最基本的继电保护类型，每一等级母线的进线端和 出线端都会安装不同种类的电流保护，并且根据各种电流保护的工作原理及可保护的最 大线长，对各电流保护进行合理配合，使其充分发挥自身类型的优势，并与其他类型的 电流保护配合实现对各段线路的全范围保护。 2 3 1 电流速断保护 一、工作原理 对于反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，成为电流速断保护。为了保 证其选择性，一般只能保护线路的一部分。如图2 1 所示网络接线，假定在每条线路 上均装有电流速断保护，当线路a _ b 上发生故障时，希望保护2 能瞬时动作，而当线路 b _ c 上故障时，希望保护1 能瞬时动作，他们的保护范围最好能达到本线路全长的1 0 0 。 但是这种愿望能否实现，需要作具体分析。 ， 图2 1 电流速断保护网络 以保护2 为例，当相邻线路b _ c 的始端( 又称为出口处) k 2 点短路时，按照选择 性的要求，速断保护2 就不应该动作，因为该处的故障应有速断保护l 动作。而当本线 1 0 第二章配电系统电流保护的基本原理 路末端k 1 点短路时，希望速断保护2 瞬时动作切除故障。但实际上，k 1 点和k 2 点短路 时，从保护2 处流过的电流的数值几乎是一样的。因此，希望k 1 短路时速断保护2 能 动作，而k 2 点短路时又不动作的要求就不可能同时得到满足。同样的，保护1 也无法 区别k 3 点和k 4 点的短路。 为解决这个矛盾可以有两种办法。通常都是优先保证动作的选择性，即从保护装置 启动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不启动，在继电保护技术中，这又称为 按躲开下一条线路出口处短路的条件整定。另一种办法是在个别情况下，当快速切出故 障时首要条件时，就采用无选择性的速断保护，以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。 对反应电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置启动的最小电流值称 为保护装置的整定电流，以，。表示，显然必须当实际的短路电流，。苫，。时，保护装 鹭才能动作。保护装置的整定电流，。使用电力系统一次测的参数表示的，所代表的意 义是：当在被保护线路的一次测电流达到这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能 够动作。以保护2 为例，为保证动作的选择性，保护装置的启动电流，二：必须大于下一 条线路出口处短路时可能的最大短路电流，从而造成在本线路末端短路时保护不能启 动，保护不能启动的范围随运行方式、故障类型的变化而变化。在各种运行方式下发生 各种短路保护都能动作切出故障的短路点位置的最小范围成为最小的保护范围，例如保 护2 的最小保护范围为图2 - - 1 中直线，二，与曲线2 的焦点前面的部分。 二、电流速断保护的整定计算原则 ( 1 ) 动作电流的整定 为了保证电流速断保护动作的选择性，对保护1 来讲，其整定的动作电流，二，必须 大于k 4 点短路时可能出现的最大短路电流，即大于在最大运行方式下变电所c 母线上 三相短路时电流，。，一 动作电流为 ，二。k 二，t r 。 ( 2 1 ) 引入可靠系数k 二= 1 2 1 3 是考虑非周期分量的影响、实际的短路电流可能大于计算 值、保护装置的实际动作值可能小于整定值和一定的裕度等因素。 对保护2 来讲，按照同样的原则，其启动电流应整定的大于变电所b 母线上短路时 的最大短路电流，。一，即： i l2t k 二，i 。 计算出保护的一次动作电流后，还需要求出继电器的二次动作电流 ，j l - i 一尘生kc 。 b t a 式中，n 。为电流互感器的变比；x 。为电流互感器的接线系数，其值与电流互感器的 接线方式有关，当电流互感器的二次侧为三相星形或两相星形接线时，其值为1 ；当二 1 1 第二章配电系统电流保护的基本原理 次侧为三角形接线时，其值为3 。 速断保护的动作时间取决于继电器本身固有的动作时间，一般小于l o r e s 。考虑到躲 过线路中避雷器的放电时间为4 0 - 6 0 l l l s ，一般加装一个动作时间为6 0 8 0 m s 的保护出口 中间继电器，一方面提供延时，另一方面扩大触点的容量和数量。 ( 2 ) 保护范围的校验 在已知保护的动作电流后，大于一次动作电流的短路电流对应的短路点区域，就是 保护范围。保护的范围随运行方式、故障类型的变化而变化，最小的保护范围为在系统 最小运行方式下两相短路时出现。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验保 护的最小范围，要求大于被保护线路全长的( 1 5 - 2 0 ) 。保护的最小范围计算式为： 跏气- 孚乏去 式中，l 。是电流速断保护的最小保护范围长度；z 。是线路单位长度的正序阻抗a 三，电流速断保护的构成 电流速断保护的单相构成原理接线如图2 2 所示： 图2 2 电流速断保护的单相原理接线图 过流继电器介于电流互感器t a 的二次侧，当流过他的电流大于它的动作电流砭后，比 较环节i ( a 有输出。在某些特殊情况下需要有闭锁跳闸回路，设置闭锁环节。闭锁环节 在保护不需要闭锁时输出为1 ，在保护需要闭锁时输出为o 。当比较环节l ( a 有输出并且 不被闭锁时，与门有输出，发出跳闸命令的同时，启动信号回路k s 。 四、电流速断保护的主要优、缺点 电流速断保护具有简单可靠，动作迅速的优点，因而获得了广泛的应用；缺点是不 可能保护线路的全长，并且保护范围直接受运行方式变化的影响。当系统运行方式变化 很多，或者被保护线路的长度很短时，速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。 但在个别情况下，有选择性的电流速断也可以保护线路的全长，例如当电网的终端线路 采用线路一变压器组的接线方式时，线路和变压器此时可以看成是一个元件，因此速断 保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处的短路束整定，由于变压器的阻抗一般较 大，因此此点的短路电流就大为减小，这样电流速断在整定后就可以保护线路全长，且 可以保护变压器的一部分。 第二章配电系统电流保护的基本原理 2 3 2 限时电流速断保护 一、工作原理 由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此可考虑增加一段带时限 动作的保护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后 备，这就是现实电流速断保护。 对这个保护的要求，首先是在任何情况下能保护本线路的全长，并且具有足够的灵 敏性；其次是在满足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限；在下级线路短路时， 保证下级保护优先切出故障，满足选择性要求。示例如图2 3 所示， ， 图2 3 限时电流速断动作特性分析 系统保护2 ，由于要求限时电流速断保护必须保护线路的全长，因此它的保护范围必然 要延伸到下级线路中去，这样当下级线路出口处发生短路时，就应启动，在这种情况下， 为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，此时限的大小与其延伸 的范围有关。为了使这一时限尽量缩短，照例都是首先考虑使它的保护范围不超过下级 线路速断保护的范围，而动作时限则比下级线路的速断保护高出一个时间阶梯，此时间 阶梯以f 表示。如果与下级线路的速断保护配合后，在本线路末端短路灵敏性不足时， 则此限时电流速断保护与下级线路的限时电流速断保护配合，动作时限比下级的限时速 断保护高出一个时间阶梯。通过上下级保护问保护定值与动作时间的配合，使全线路的 故障都可以在一个缸内切除。 二、限时电流速断保护的整定 ( 1 ) 启动电流的整定 设图2 - 3 所示系统保护1 装有电流速断，其启动电流整定式整定为j 二，它与短 路电流变化曲线的交点m 机为保护1 的电流速段的保护范围，当在此点发生断路时，短 路电流即为，：，速断保护刚好能动作。根据以上分析，保护2 的限时电流速断范围不 应超出保护1 电流速断的范围。因此在单侧电源供电的情况下，它的启动电流应整定为 i n22 ，二l 能否取等号呢? 如果取相等，就意味着保护2 限时速断的保护范围正好和保护1 速断保 护的范围相重合。这在理想情况下虽是可以的，但在实践中是不允许的。因为保护2 和 第二章配电系统电流保护的基本原理 保护1 安装在不同的地点，使用不同的电流互感器和继电器，他们之间的特性很难完全 一样。如果正好遇到保护1 的电流速断出现负误差，其保护范围比计算值缩小，而保护 2 的限时速断是正误差，其保护范围比计算值增大，那么实际上，当计算的保护范围末 端短路时，就会出现保护1 的电流速断已不能动作，而保护2 的限时速断仍然会启动的 情况。为了避免这种情况的发生，就不能够采用两个电流相等的整定方法，而必须为： ，二2 ，二1 引入可靠性配合系数k 。1 1 ，一般取为1 卜1 2 ，则得： ，三2 一k 1 1 l 螂1 1 ( 2 ) 动作时限的选择 从以上分析中已经得出，限时速断的动作时限f ，应该选择得比下级线路速断保护的 动作时限t j 高出一个时间阶梯垃，即 f 2 一- - l ! + f 从尽快切除故障的观点来看，血应越小越好，但是为了保证两个保护之间动作的选 择性，其值又不能选择的太小。现以线路b c 上发生故障时，保护2 和保护1 的配合关 系为例，说明确定缸的原则： 应包括故障线路断路器q f 的跳闸时间、灭弧时间( 即从接通跳闸线圈带电的瞬 时算起，直到电弧熄灭的瞬间为止) ，因为在这一段时间里，故障电流并不消失，保护2 仍处于启动状态； 应包括故障线路保护1 中时问继电器的实际动作时间比整定时间大的正误差( 当 保护1 为速断保护时，保护装置中不用时间继配器，即可不考虑这一影响。) ； 应包括保护2 中时间继电器可能比预定时间提早动作的负误差； 应包括如果保护2 中的测量元件( 电流继电器) 在外部故障切除后，由于惯性的 影响而不能立即返回的延时； 考虑一定的裕度。 对于通常采用的断路器和间接作用于断路器的二次式继电器而言，缸的数值在 0 3 0 5 s 之间，通常多取为0 5 s 。 可见，当线路上装设了电流速断和限时电流速断保护以后，它们的联合工作就可以 保证全线路范围内的故障都能在0 5 s 的时间内予以切除，在一般情况下都能够满足速 动性的要求。具有这种快速切除全线路各种故障能力的保护称为该线路的“主保护”。 三、保护装置灵敏性的校验 为了能保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末 端发生两相短路时，具有足够的反应能力。这个能力通常用灵敏度k 。来衡量。对