（电力系统及其自动化专业论文）静止同步补偿器对配电系统继电保护的影响研究.pdf

t i t l e ：r e s e a r c ht h ee f f e c tf o rr e l a yp r o t e c t i o no fd i s t r i b u t i o ns y s t e m b a s e do nd s 雨盯c o m m a j o r p o w e rq u a li t ya n dr e l a yp r o t e c t i o n n a m e = l i g a n gg a o s u p e r v i s o r = a s s o c i a t ep r o f x i a o p i n gy a n g l e c t u r e rz h e n f e n gl ! a n g a b s t r a c t s i g n a t ur e - 垒! 幽星州s i g n a t u r e ：竺：拦聋! 州 s g n a t u r e 她侮 s i g n a t u r e ：缉垄咖 t h ed i s t r i b u t i o ns t a t i c s y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( d s t a t c o m ) i sr e a c t i v ep o w e r c o m p e n s a t i o nw i t ht h eb e s tp e r f o r m a n c ei nt h ep o w e rs y s t e m , w h i c hi sac r i t i c a lt e c h n i q u ef o r f l e x i b l ea l t e r n a t i v ec u r r e n tt r a n s m i s s i o n s y s t e m ( f a c t s ) i tc a l li m p r o v et h es t a b i l i t y p e r f o r m a n c eo fv o l t a g ea n dc o m p e n s a t et h er e a c t i v ec u r r e n t t h es y s t e mw i t ht h ed s t a t c o m h a st h ec h a r a c t e r i s t i c so ff l e x i b i l i t y ；i th a st h ef u l lu t i l i z a t i o no ft r a n s m i s s i o ns y s t e m t h ec u r r e n ti sb a s i ct y p ep r o t e c t i o ni np o w e rs y s t e m i ti sw i d eu s e di nt h el o wa n d m e d i u mv o l t a g ed i s t r i b u t i o nn e t w o r k ；t h et h r e e - s t e pc u r r e n tp r o t e c t i o ni sc o m b i n e dw i t he a c h o t h e ri nt r a n s m i s s i o nl i n e f o rt h ed i s t r i b u t i o ns y s t e m , t h er e l a yp r o t e c t i o ni si m p a c t e dw 油t h e d s t a t c o mc o m p e n s a t i o n s ot h em o d e lo ft h es y s t e mw i t l lt h ed s t a t c o mi sb u i l ta n dt h e e f f e c ti sp r o p o s e d h r s f l y , t h ep r i n c i p l eo fd s t a t c o mi ss u m m a r i z e d t h em a i nd r c u i ta n dt h ec o n t r o l s t r a t e g i e so fd s t a t c o ma r ep r e s e l l t e d t h e ns p w ma n ds v p w mm o d u l a t i o nm o d eo f d s t a t c o ma r ea l lu s e di nt h i sp a p e r t h ee m t d c p s c a dp a c k a g ea n dd e f i n e dm o d u l e sa r e u s e dt oa n a l y z et h ed y n a m i cc h a r a c t e r i s t i c sa n dp r o t e c t i o no fd i s t r i b u t e dp o w e rs y s t e md u r i n g s y s t e mf a u l t s at y p i c a lo fa c t u a ll i n em o d e li ni e e ei sb u i l t ，t h ee f f e c to ft h er e l a yp r o t e c t i o ni n d i s t r i b u t i o ns y s t e mw i t hd s t a t c o mi sa n a l y z e da n das o l u t i o ni sp u t sf o r w a r d t h e o r e t i c a l a n a l y s i sr e s u l t ss h o wt h a tad s t a t c o mv o l t a g ec o n t r o n e rc a l li m p r o v eb yt h es y n t h e t i c c o m p e n s a t i o no fr e a c t i v ep o w e r , t h eu n b a l a n c e dr e a c t i v ec u r r e n to nt h ef a u l t l i n ei s c o m p e n s a t e d t oe n s u r et h ep r o t e c t i v es e l e c t i v i t yo fd i s t r i b u t i o nl i n e s ，an e wp r o t e c t i o ns c h e m e o ff i v e s t e pp r o t e c t i o ns c h e m ei sp r e s e n t e d t h ei n s e n s i t i v ez o n eii su s e dt oi m p r o v et h e o p e r a t i n gs p e e do fz o n eio ft r a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n t h es e n s i t i v ez o n ei i su s e dt o i m p r o v et h es e n s i t i v i t yo fz o n ei t h ei n s e n s i t i v ez o n ei ii su s e dt oi m p r o v et h eo p e r a t i n gs p e e d 西安理工大学硕士学位论文 o fz o n ei io fw a n s m i s s i o nl i n ep r o t e c t i o n n es e n s i t i v ez o n ei ii s u s e dt o i m p r o v et h e p r o t e c t i o ns e n s i t i v i t yo fz o n e i ia n di su s e dt oi m p r o v et h eo p e r a t i n gs p e e do fb a c k u pp r o t e c t i o n o ft h en e x tc i r c u i t z o n e i su s e da st h eb a c k u pp r o t e c t i o no ft h et r a n s m i s s i o nl i n ea n da l s o u s e da st h eb a c k u pp r o t e c t i o no ft h en e x tc i r c u i t b yt h en e ws c h e m eo ft h ef i v e - s t e pp r o t e c t i o n ， t h es e n s i t i v i t yi si m p r o v e da n dt h es e l e c t i v i t yi se n s u r e d s i m u l a t i o nr e s u l t sv e n f yt h ev a l i d i t y o ft h ep r e s e n t e ds c h e m e k e yw o r d s ：d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ( d s t a t c o m ) ；f i v e s t e pp r o t e c t i o n s c h e m e ；p s c a d e m t d c ；p r o t e c t i v es e l e c t i v i t y 独创性声明 秉承祖国优良道德传统和学校的严谨学风郑重申明：本人所墨交的学位论文是我 个人在导师指导下进行的研究工份及取得翡成果。尽我所知，除特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人的研究成果。与我一同工作的同志对本文所研究的工 作和成莱的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并已致谢。 本论文及其相关资料若有不实之处，囱本人承拯一切相关责任 论文作者签名_ 。塾生壁! l。释弓月瓤豳 学位论文使用授权声明 本人为塾婴j 在导师的指导下创作完成毕业论文。本人融通过论文的答辩， 并已经在西安理工大学孛请博士硕士学位。本人作为学使论文著作权拥有者，同意 授权疆安理工大学拥有学位论文的部分使用权，噩p ：1 ) 已获学位的研究生按学校规定 提交印制版和电子版学位论文，学校可以采用影印、缩印或其他复制手段保存研究生 上交的学位论文，可以将学位论文静全部或部分走容编入有关数据库进行检索；2 ) 秀 教学和科研目的，学校可以将公开的学位论文或解密后的学位论文作为资料在图书馆、 资料室等场所域在校园网上供校内师生阅读、浏览。 本入学位论文全部或部分内容的公布( 包括刊登) 授权西安理工大学研究生部办 理。 ( 保密的学位论文在解密后，适用本授权说明) 论文佟者签名：i 婪造l 导师签名： 7 o ，毒年毒月，( 因 第一章绪论 1 绪论 1 1 研究背景 1 1 1 配电系统存在的问题 电力系统是一个超大规模系统，为了便于分析，通常把它分成三个子系统：发电系统、 输电系统和配电系统。长期以来，我国的电力系统重电源建设、轻电网建设，而电网建设 中又轻配电网建设，这使得配电系统的规划、设计和运行管理相对落后，配电系统电能质 量的要求受到巨大的挑战。近年来，随着高新产业的不断发展，电力用户对供电质量的要 求越来越高。研究发现，几乎所有的电能质量问题都来源于配电系统，其中，电压跌落 ( v o l t a g es a g s ) 、电压波动( v o l t a g ef l u c t u a t i o n ) 和负荷不平衡( u n b a l a n c e dl o a d ) 已成为影响用户 设备正常、安全运行最严重的问题。 衡量配电系统电能质量的重要指标包括：电压偏差、电网谐波、电压三相不平衡、电 压波动与闪变、暂时过电压和瞬态过电压、电压暂降和短时间中断等1 1 1 , 配电系统的电能质量水平过低会对电网和用户造成很大的危害。电网用电负荷一般由 异步电动机、同步电动机、电炉、整流和照明等设备组成，其中异步电动机的比例最大( 用 电量占6 0 以上) 。电网电压和频率的偏差、谐波含量、三相不平衡以及电压波动和闪变 等，均会直接影响电机的力矩和发热，从而影响生产工效和产品质量2 1 。 电网谐波一般是由非线性负荷或固态开关负荷引起的。电网谐波增加将导致电气设备 寿命缩短，线路的网损增大，系统发生谐波谐振的可能性增加，同时可能引起继电保护和 自动装置误动，仪表指示和电度计量不准以及通信受干扰等一系列问题。即使各级电网谐 波电压不超过标准，由于谐波引起的损耗以及电气设备绝缘寿命的缩短所造成的等值损失 电量也很可观。如果电网中谐波严重超标或发生谐波谐振，则损耗将会更大。 电压三相不平衡一般是由于不对称负载或者不对称故障引起。三相不平衡( 存在负序 分量) 会引起电机振动和发热。额定转矩的电动机，如果负序电压的含量为4 ，由于发热， 则其寿命缩短为一半。如果某相电压高于额定值，其寿命缩短更严重，一些继电保护装置 也会因其干扰而发生误动。 电压波动一般是由于电弧炉或电动机的启动引起。电压的快速波动会使电动机转速不 均匀，不仅危及电动机的安全运行，而且还影响一些产品的质量，并引起照明的闪烁，使 人视觉疲劳而降低工效等。 随着电力市场化的逐步推进以及工业自动化、国民经济信息化的发展，一方面，配电 系统中各种不利因素对电网的电能质量构成了严重的威胁；另一方面，配电系统中诸如计 算机等用电设备对系统干扰更加敏感，它们对电能质量提出了高可靠性、高暂态稳定性、 高可控性的要求，所以提高配电系统的电能质量成为配电系统研究的一个热点问题。 西安理工大学硕士学位论文 1 1 2 无功补偿装置的发展现状 电压质量是电能质量的主要指标，电压的稳定对电力系统稳定运行、降低线路损耗和 保证安全生产有重要的意义。而电力系统中无功功率对电压水平有较大的影响，因而无功 功率补偿是提高电能质量的主要途径之一。 传统的无功补偿装置有并联电容器和同步调相机。并联电容器是电网中用的最多的无 功功率补偿设备，它的特点是价格便宜，易于安装维护，主要用于控制负荷功率因数之用， 也可用作系统的无功功率补偿。它的缺点是当电压降低时，特别是由于故障而电压降低时， 系统需要电压支持，而并联电容器输出无功功率却急剧下降，不能满足系统需要。同步调 相机也是最早采用的一种无功补偿设备之一，其实质上是一种不带机械负载的同步电动 机，调节其励磁，即可以发出无功功率，又可以吸收无功功率，在并联电容器和电抗器得 到大量采用后，它退到次要地位。同步调相机的优点是：在系统发生故障引起屯压降低时， 同步调相机可提供电压支持，还可以在短时间进行强行励磁，对提高电力系统的稳定性有 很大好处。它的主要缺点是投资大，运行维护复杂，机械损耗大，噪音大。 随着柔性交流输电( f l e x i b l ea ct r a n s m i s s i o ns y s t e m ，简称f a c t s ) 概念的提出，特 别是电力电子技术得到长足发展以后，静止无功补偿装置( s v c ) 有了很好的发展。在工 业界，静止无功补偿装置通常是专指使用晶闸管的静止无功补偿装置，它包括晶闸管投切 电容器( t h y r i s t o rs w i t c h e dc a p a c i t o r ) 和晶闸管控制电抗器( t h y r i s t o rc o n t r o l l e dr e a c t o r ) 以及两者的混合装置( t s c + t c r ) 等装置。 静止无功补偿器虽然有很多优点，但是它也因为调节不连续，响应速度慢等原因很难 满足系统运行方式快速变化时的需求，因此静止无功补偿装置还有很大的改进余地。 l g y u g y i 等人提出利用逆变器进行无功补偿的理论以来，逐步出现了应用逆变技术进行 动态无功补偿的静止同步补偿器( d s t a t c o m ) ，它通过并联在电网上的自换相的电力半导 体桥式逆变器来实现无功功率的连续快速补偿。 1 1 3d s t a t c o m 在配电系统中的应用 灵活交流输电系统( f a c t s ) 是基于电力电子技术改造传统交流输电的系列技术，它可 以对交流系统的无功电流( 电压) 进行控制，从而能有效提高交流系统的安全稳定性，使传 统的交流输电系统具有更高的柔性和灵活性，使输电线路得到充分利用，以达到电力系统 安全、可靠和经济运行的目标1 3 1 其用于配电网时( 也称d f a c t s ) 可有效地抑制电压波 动与闪变、电压暂降与电压中断、减小谐波和畸变、消除三相不平衡，使电压的幅值和波 形符合要求、提高功率因数等h 。自八十年代中期f a c t s 概念提出以来，f a c t s 技术就 得到了世界范围的广泛响应并取得了极大的发展，相继出现了多种f a c t s 设备如可控串 联补偿器t c s c ( t h y r i s t o rc o n t r o l l e d s e r i e s c o m p e s a t o r ) 、静止无功补偿装置 s t a t c o m ( s t a t i c v a rg e n e r a t o r ) 及统一潮流控制器u p f c ( u n i f i e dp o w e rf l o wc o n t r o l l e r ) 等。 2 第一章绪论 s t a t c o m 作为f a c t s 中的重要装置，是柔性交流输电系统( f a c t s ) 的核心装置和 核心技术之一5 1 ，所谓s t a t c o m 就是指由自换相的电力半导体桥式逆变器来进行动态 无功补偿的装置。它不仅可以用于输电系统中，也可用于配电系统中，此时亦称为 d s t a t c o m ( d i s t r i b u t i o ns t a t i cs y n c h r o n o u sc o m p e n s a t o r ) ，其作用是提供或吸收无功功率， 维持母线电压稳定，必要时还可滤除负荷产生的谐波。与s v c 相比，d s t a t c o m 具有 体积小、低电压特性好、响应速度快等特点，可用于电力系统动态电压调节、增强系统稳 定性、提高输配电系统的电能质量等。 s t a t c o m 的发展初期主要应用在输电网中，并在输电网起到了很大作用。而随着电 力系统的发展和社会的进步，电能质量问题与用户经济利益相联系，制冷电子控制器、芯 片测试仪、可编程控制器( c p l d ) 、精密机械工具、直流电机、调速电机、交流接触器和 计算机这些用户设备对电能质量有严格要求，解决这些用户的电能质量问题就显得尤为重 要。因此作为f a c t s 系统的关键技术之一，s t a t c o m 在配电网中的应用受到各国的电 力工作者的重视1 6 1 0 d s t a t c o m 运用于电力系统之后，可以通过不同的控制策略及其不同运行方式最大 限度地提高电能质量和维持系统稳定性，对此国内外已经有了大量地研究t 7 - 8 1 有关专家 对d s t a t c o m 在电力系统中稳定节点电压、抑制系统振荡、提高静态稳定性和暂态稳定 极限等方面给于了充分的论述。在研究d s t a t c o m 对系统电压和无功功率作用的同时 1 9 1 5 1 ，应看到电力系统动态和暂态过程包括系统中继电保护的动作情况，都将不同程度 受d s t a t c o m 的影响，同时系统的暂态变化反过来影响d s 眦o m 的安全运行。 文献【1 6 从s t a t c o m 的原理，控制器结构，给出了s t a t c o m 稳态、准稳态及 动态数学模型。在分析f a c t s 谐波特性的基础上，具体分析了s t a t c o m 谐波对线路保 护的影响，指出s t a t c o m 安装位置越近，其谐波成分对线路保护的影响越大；同时还 分析了谐波对线路保护铁芯元件、序分量元件、突变量元件和阻抗继电器的影响。文献【1 7 】 从交流发电机和d s t a t c o m 配合使用对配电系统的动态影响出发，研究d s t a t c o m 在 系统故障时对系统电压和无功的补偿效果和对保护系统的影响。指出配电系统遭受短路冲 击时，d s t a t c o m 能很好的保证系统稳定，但有可能对保护的正确动作产生不利影响。 文献【1 8 】采用m a t l a b 建立了s t a t c o m 的时域仿真模型，对s t a t c o m 在系统故障 时的动态运行特性进行了仿真研究，验证了当控制器采用常规p i 算法时，s t a t c o m 的 运行可能会严重偏离其正常运行条件，加剧系统的故障状态。文献【1 9 1 论述了s t a t c o m 对不平衡电压的控制，并通过仿真实例对单相接地故障和不平衡负荷情况分别做了分析， 指出s t a t c o m 可以有效抑制系统不平衡电压。文献 2 0 1 提出了一种控制s t a t c o m 驱动脉冲的方法，使装置发出正序电压的同时也产生负序电压，以抵消系统负序电压分量， 抑制流过装置的负序电流。并分析了s t a t c o m 在系统不对称情况下的运行控制。文献 2 1 】分析了s 僦o m 在负序不平衡系统中的影响，论述了s t a t c o m 的控制方法， 并利用a t p - e m t p ( 电磁暂态仿真程序) 研究了加入4 8 脉波的s t a t c o m 对系统负序补 3 西安理工大学硕士学位论文 偿的情况。 1 2 配电系统保护类型及d s 乳虹c o m 对保护影响 配电系统保护主要包括短路保护和接地保护两大类：一般情况下，相间短路保护的故 障电流大于负荷电流，较易检测，采用三段式电流保护作为电力系统中低压配电网络中的 主保护，通过延时实现变压器、母线、馈线之间的相互配合、切除故障。接地保护是为了 防止人身触电事故、保证电气设备正常运行所采取的一项重要技术措施。其基本原理是： 当限制漏电设备对地的泄露电流超过某一安全范围，保护器自动切断电源，一般适用于我 国的低压配电网中。 电力系统继电保护主要利用电力系统的各种对称与不对称故障所反映出的系统电气 量的显著变化来鉴别有、无故障或不正常工作情况，以电气量的测量值或者比较系统中某 些电气量之间的相互关系来检测故障地点，有选择地切除故障。例如电流保护就是用线路 电流的变化来检测其故障情况的。而d s t a t c o m 的投入或切除在一定程度上影响了系统 的电气量，有可能带来保护的误动或拒动，所以在系统故障状态下研究d s t a t c o m 对继 电保护的影响就显得尤为重要。 系统正常运行时，线路中流过的电流是负荷电流，当线路发生短路时，线路中的电流 由负荷电流上升为短路电流。电流保护正是反映电流的上升而设立的一种保护形式。一般 将电流保护分为三段，即所谓的三段式电流保护，对于多电源的复杂网络，还要考虑方向 性问题，即需要设置方向性电流保护。 电流保护的整定值的选择、保护范围和灵敏系数等方面直接受电网接线方式及系统运 行方式的影响，所以在3 5 k v 及以上的复杂网络中，电流保护很难满足选择性、灵敏性及 快速切除故障的要求。即使在低压网络中也会出现这样的问题，如电流速断保护，其整定 值的选取，是按照系统最大运行方式下的三相短路来整定的，这样选择的目的是为了保证 速断保护的动作的选择性。但是，当系统的运行方式变化很大，如此刻发生最小运行方式 下的两相短路，或者被保护线路很短，则有可能出现速断保护无保护范围的现象。而 d s t a t c o m 相应很快，一般s v c 的响应时间为5 0 6 0 m s ，d s t a t c o m 的响应时间为 2 0 ，3 0 m s1 2 2 1 配电网电流保护i 、段的动作时限与d s t a t c o m 相比较长，以速断 保护为例，其动作时间取决于继电器本身固有的动作时间，一般小于1 0 m s ，考虑到躲开 避雷器的放电时间4 0 - - 6 0 m s ，所以加装一个动作时间为6 0 8 0 m s 的中间继电器，一方面 提供延时，另一方面扩大触点的容量与数量1 2 3 1 再加上断路器动作时间，整个动作过程 将达近1 s 。所以d s t a t c o m 投入系统后，对系统的无功电流进行调节的同时，势必会影 响继电保护的动作情况，进而影响整个配电系统的动态稳定性。 1 3 本论文的主要工作 本课题从当前配电系统的实际出发，研究静止同步补偿器在对配电系统提供无功功率 4 第一章绪论 和电压调节、维持系统稳定性的同时，对系统的继电保护动作和性能的影响。 与输电系统的s t a t c o m 不同的是，配电系统的d s t a t c o m 在很多情况下，要经受 不对称运行的考验，其运行的可靠性和补偿能力也往往受到不对称工况的制约，进而对系 统稳定性造成比较大的影响。实际上，对用于不平衡负荷补偿的装置而言，装置的补偿能 力受制于电流最大相的电流的大小。只要有一相需要的补偿电流超过额定值，装置就不能 进行正常的不平衡负荷补偿。对装置本身而言，该相有过流的危险，需要有很好的过流保 护措施。而对系统保护而言，有可能影响保护的动作特性。 本课题在考虑配电系统状态对d s t a t c o m 安全运行影响的同时，着重研究 d s t a t c o m 对配电系统的作用，特别是当系统故障时，d s t a t c o m 在维持系统电压、 提高系统稳定性方面的贡献及d s t a t c o m 对电力系统继电保护性能的影响。 考虑到目前关于f a c t s 对继电保护影响的大量研究都是基于三相对称短路条件下的 含f a c t s 设备的电力系统暂态分析而得出结论，这在一定程度上可以满足研究的需要。 而在实际的电力系统故障中，不对称故障的概率高达9 5 ，特别是单相接地故障率达到 了8 0 。因此为了满足实际工况的需要，本课题对对称故障和不对称故障分别进行分析。 d s t a t c o m 在电力系统不对称故障情况下也可能性能下降或退出运行。因此，要研 究d s t a t c o m 对继电保护的影响就必须考虑不对称故障下d s t a t c o m 与电网的相互影 响以及其对故障特征的影响程度。 本课题从以下五个方面来研究d s t a t c o m 对于继电保护的影响： 1 ) 电力系统参数的快速调节对继电保护的影响研究； 由于d s t a t c o m 可以快速调节电力系统的参数( 微秒级) ，而继电保护系统判断电 力系统的运行状态的基本依据是电力系统的电压、电流、频率等主要参数。电力系统的在 正常和故障的暂态情况下，d s t a t c o m 均会进行相应的参数调节，这些调节会影响保护 的动作性能，造成保护的误动。 2 ) d s t a t c o m 不同控制策略引起的暂态过程对继电保护的影响研究； 考虑到d s t a t c o m 的控制方法具有多样性，采取何种控制方法在一定程度上影响了 补偿和调节能力。由于不同控制策略的d s t a t c o m ，调节特性不同。因此，需要考虑这 些不同特性，才能准确的估计d s t a t c o m 各种调节模式对电力系统暂态过程的影响。 3 ) d s t a t c o m 的投入对继电保护灵敏度的影响； 配电系统电流保护的灵敏度与故障回路的电流有关，而d s t a t c o m 投入以后对参数 进行了调节，会对电流保护的灵敏度造成影响，进而对保护正确动作造成影响。 4 ) d s t a t c o m 安装地点及补偿方式不同对继电保护的影响； d s t a t c o m 补偿方式可分为集中补偿和分组补偿。保护的各段定值的整定和线路参 数有密切的关系，所以讨论补偿地点的不同时d s t a t c o m 对继电保护的影响有深刻的意 义。 5 ) 新型继电保护方案的研究； 5 西安理工大学硕士学位论文 针对配电系统原有的继电保护受到影响的情况，提出五段式电流保护的方案，仿真研 究新型保护方案下，继电保护的动作情况。 本篇论文共分六章： 第一章介绍论文的选题背景，综述了配电系统现状和d s t a t c o m 在配电系统中的应 用，并从四个方面提出了d s t a t c o m 对配电系统的影响。 第二章综述了电力系统故障类型，继电保护的基本要求，介绍了配电系统电流保护的 基本原理，并着重分析了配电系统的主要保护电流保护的作用。 第三章给出了d s t a t c o m 的数学模型和控制方法，分别用两种不同的控制策略，以 电压和无功为控制目标来对d s t a t c o m 在配电系统中的作用进行分析。 第四章针对配电网对称故障和不对称故障分析了d s t a t c o m 对电流保护的影响。 第五章针对d s t a t c o m 影响保护选择性的问题，提出两种保护的解决方案，仿真并 验证了其正确性。 第六章给出了本文的结论和今后进一步的工作和设想。 6 第二章配电系统电流保护的基本原理 2 配电系统电流保护的基本原理 继电保护装置与安全自动装置作为电力系统一个重要的组成部分，对电力系统的安全 稳定运行起着极为重要的作用，特别是当今超高压、大容量的电力系统对继电保护提出了 更高的要求，其重点是提高速动性和灵敏性。 2 1 电力系统故障的原因、类型、特征及后果 2 1 1 故障原因 1 ) 自然方面造成的原因。雷击、雾闪、雨雪等灾害性天气；动物活动、植物生长、 大气污染等自然方面的原因，造成的电气设备对地闪络放电或相间短路，或直接接地短路。 2 ) 人为原因。误操作、安装、调试及运行维护不良、运行方式不当等，造成的电气 设备短路、接地、过负荷、过电压等故障导致电气设备损坏。 3 ) 设备自身的缺陷、绝缘老化、或外力破坏等其他原因造成设备故障。 2 1 2 故障类型 1 ) 单相接地短路。 单相接地短路约占全部故障几率的8 0 以上。对于中性点直接接地的系统或中性点 接地的三相四线制系统发生单相接地时，要求迅速切除故障点。对于中性点不接地或要求 消弧线圈接地的系统，允许短时间带接地点运行，但要尽快寻找接地点将接地部分切除。 2 ) 两相接地短路。 两相接地短路一般不超过全部故障几率的1 0 。在中性点直接接地的系统中，这种 故障多在同一点发生。在中性点非直接接地的系统中，常见情况是先发生一点接地，然后 其他两相对地电压升高，在绝缘薄弱处形成第二点接地，此两点接地多数不在同一点。两 相接地短路后要求迅速切除故障。 3 ) 两相短路及三相短路。 两相短路及三相短路故障相对较少，一般不超过全部故障几率的5 ，但这种故障比 较严重，故障发生后要求迅速切除故障。 4 ) 断相故障。 断相故障包括线路断线，断路器断相等，故障几率更小，约为1 ，这种故障造成系 统非全相运行，不允许长期存在，应由继电保护装置自动切除。 另外，还包括变压器绕组匝间短路，转换性故障，重叠性故障等。 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。无论是输电系统，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、 7 西安理工大学硕士学位论文 不正常工俸和故障运行状态的能力。 2 。2 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帮矛盾的主要方面，配置、配合黧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其最大的效用。 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帮出 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范 銎，对各电流保护进行合理配合，使其充分发挥盘身类型的优势，并与其纯类型的电流保 护配合实现对各段线路的全范围保护。 电力系统中低压配电网络中的主保护一般采用电流保护。当系统正常运行时，线路中 流过负荷电流；线路发生短路时，线路中的电流由负荷电流上升为短路电流。电流保护正 是反映电流的上升而设立的一种保护形式。一般可将电流保护分为三段，即所谓的三段式 电流保护：至段电流速断保护、珏段限时毫流速断保护、m 段定时限过电流保护。电流速 断、限时电流速断和过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护形式，它们之间的主要 区别在子按照不同的整定原则来选择超动电流。 2 。3 。王电流速断保护 电流速断保护是按照躲开线路出瑟处的最大短路电流来整定的。蠡于保护无法区分本 线路末端短路和相邻线路始端出口处短路时的电流值，因此无时限电流速断保护虽然能迅 速切除短路故障，但不能保护线路全长。 电流速断保护的整定原则为：其动作电流大子最大运行方式下线路末端的三相短路电 流的最大值： p 匕= 鬈二k 僦= 爱岛彳七 ( 2 王) 厶j m 妯十厶工 欲，为可靠系数，互廊为系统最大运行方式下的最小阻抗，z l 是线路的阻抗。岛为 系统等效电源的相电动势。 速断保护的动作时间取决于继电器本身固有的动作时间1 ：2 4 1 一般小于l o m s ，考虑到 躲开避雷器的放电时间4 0 6 0 m s ，所以加装一个动作时间为6 0 一8 0 m s 的中间继电器，_ 方藤提供延时，另一方面扩大触点的容量。对于电流速断保护的灵敏度的校验，是计算在 r 第二章配电系统电流保护的基本原理 系统最小运行方式下保护的最大保护范围，一般要求其不小于线路全长的1 5 一2 0 。 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。 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来整定。由于变压器的阻抗一般较 大，因此这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。 2 3 2 限时速断保护 为了弥补电流速断保护无法保护线路全长的缺陷，可考虑增加一段新的保护，用来切 除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为速断的后备，这就是限时电流速断保护。 限时速断按照躲开下一段保护速断的范围来整定： 璎：= 碟匕。 ( 2 2 ) 其中，二。为下一段速断保护的整定值，k 二为- - f 靠系数，一般取1 1 - 1 2 。 由于要求限时电流速断保护必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到 下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时，它就要起动，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，首先考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护 的范围，而动作时限则比下一条线路的速断保护高出一个时间阶段( a t = o 3 0 5 s ) 。限时 电流速断保护虽然能保护线路全长，但不能作为相邻线路的后备保护。其灵敏性根据最小 运行方式下线路末端发生两相短路时的故障电流来校验： ， k = 等产 ( 2 3 ) i 埘2 k 血。是保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值，圪：为保护装置的动作参数。 考虑到过渡电阻的影响、互感器的误差和继电器的误差，一般要求灵敏度大于1 ( 取 1 3 1 5 ) 。否则可能导致保护拒动或误动。 要求灵敏系数大于l 的原因是考虑可能会出现一些不利于保护启动的因素，在实际存 在这些因素时，为使保护仍然能够动作，就必须留有一定的裕度。不利于保护启动的因素 有： 1 ) 故障点一般都不是金属性短路，而是存在有过渡电阻，它将使得短路电流减小，因而 不利于保护装置动作。 2 ) 实际的短路电流由于计算误差或其他原因而小于计算值。 9 西安理工大学硕士学位论丈 3 ) 保护装置所使用的电流互感器，在短路电流通过的情况下，一般都具有负误差，因此 是实际流入保护装置的电流小于按照确定变比折合的数值。 4 ) 保护装置中的继电器，其实际启动值可能具有的正误差。 5 ) 考虑一定的裕度。 当灵敏系数不能满足要求时，那就意味着将来真正发生内部故障时，由于上述不利因 素的影响保护可能启动不了，达不到保护线路全长的目的，这是不允许的。为了解决这个 问题，通常都是考虑降低限时电流速断的整定值，使之与下级线路的限时电流速断相配合， 这样其动作时限就应该选择很比下级线路限时速断的时限再高一个。 2 3 3 过电流保护 过电流保护通常是指其起动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。在一 般情况下，过电流保护不仅能够保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起 到后备保护的作用。在动作时限上，过电流保护满足阶梯状的动作时限，从负荷到电源端 逐渐提高一个时间阶段缸所以过电流保护有一个缺点，当故障越靠近电源端时，短路 电流越大，但保护动作切除故障的时限反而越长，其灵敏度的计算也按上式进行。 过电流保护灵敏系数的校验仍采用式( 2 3 ) ，当过电流保护作为本线路的主保护时， 应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求足。1 2 。此外， 在各个过电流保护之间，还必须要求灵敏系数互相配合，即对同一故障点而言，要求越靠 近故障点的保护应具有越高的灵敏系数。在单侧电源的网络接线中，由于越靠近电源端时， 负荷电流越大，从而保护装置的定值越大；而发生故障后，各保护装置均流过同一个短路 电流，因此上述灵敏系数应相互配合的要求是自然能够满足的，而在其他原理的保护配合 时，则应当着意予以保证。 上述三种保护方式各有其优缺点，电流速断不能保护线路全长，限时电流速断又不能 作为相邻元件的后备保护，所以在实际使用时常根据实际的网络接线，并结合保护选择性、 速动性、灵敏性和可靠性的要求，将这三类保护组合在一起构成三段式电流保护。无时限 电流速断保护和限时电流速断保护作为本线路相间短路的主保护；而过电流保护作为本线 路相间故障的近后备和相邻线路的远后备。也可只采用电流速断和过电流保护，或者只采 用过电流保护和限时电流速断保护构成两段式电流保护。一般在远离电源的电网末端，常 采用电流速断和带0 5 j 时限的过电流保护。对于靠近电源端的线路，由于过电流保护动 作时限太长，常需装设三段式电流保护。 2 3 4 阶段式电流保护的配合及应用 为了保证迅速而有选择地切除故障，常将电流速断保护、限时电流速断保护和过电流 保护组合在一起，构成阶段式电流保护。图2 - - 1 是一个单侧电源系统网络阶段式电流保 护的配置示意图。 l o 第二章配电系统电流保护的基本原理 到剧目 倒 。 删 厶。 厶 萨 i 碱 j 甜 p 。3 l 积 u ， 时，d s t a t c o m 处与超前运行状态，发出无功功率，起电容器的作用；当u i u ，时， d s t a t c o m 处与滞后运行状态，吸收无功功率，起电抗器的作用；当u t = u ，时， d s t a t c o m 与系统之间不存在无功交换。仅考虑基波频率时，d s t a t c o m 可以等效为 幅值和相位均可以控制的一个与电网同频率的交流电压源，通过交流电抗器连接到电网 上。其单相等效电路图和相位图如图3 3 所示t 2 6 1 0 在图3 - 3 中，j 为系统电压与d s t a t c o m 输出电压之间的相位差，r 为连接电抗器 和逆变器的总的损耗，u x 是尺与x 上总的电压降之和，矽为u x 与，之间的相角差。此 时，逆变器电压u ，与电流j 相差9 0 0 。而电网电压u ，与电流，的相差不是9 0 0 ，而是比 1 4 g - - 章d s t a t c o m 的数学模型和控制方法 9 0 0 小了巧角，电网提供有功功率来补充逆变器和线路中的损耗，也就是相对于电网电压 来讲，电流j 有一定的有功分量。改变这个相位差，并且改变6 ，的幅值，则产生的电流j 的相位和大小也随之改变，d s t a t c o m 从电网吸收的无功功率也就因此得到调节。 i j x r ( a ) 单相等效电路图 ： u i 电容方式 零无功方式 兰j x s - x 过 电感方式 相位图 图3 3 实际状态下d s t a t c o m 的等效电路、相位图 f i g 3 3e q u i v a l e n tc i r c u i ta n dp h a s ed i a g r a mo fd s t a t c o mi nt h ea c t u a ls t a t e 若以逆变器输出电压滞后于系统电压一个角度为正，则当跏时，d s t a t c o m 发出 无功功率，起着电容器的作用，当5 0 时，d s t a t c o m 吸收无功功