電力變壓器保護

I電力變壓器保護摘 要電力變壓器是電力系統(tǒng)中不可缺少的重要設備，他的故障給供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重的后果，同時大容量變壓器也是非常貴重的元件，因此，必須根據(jù)變壓器的容量和重要程度裝設性能良好的、動作可靠的保護元件。本文是筆者在閱讀了大量專業(yè)資料、咨詢了很多的專家和老師的前提下，按照指導老師所給的原始資料，通過系統(tǒng)的原理分析、精確的整定計算。做出的一套電力變壓器保護方案。本文語言簡練、邏輯嚴密、內容夯實。可作為從事電氣工程技術人員的參考資料。關鍵詞 電力系統(tǒng)故障，變壓器，繼電保護，整定計算ABSTRACTThe transformer is the essential equipment in the electrical power system Its breakdown might bring the serious influence to the power supply reliability and the system safely operationAt the same time the large capacity power transformer is the extremely precious equipment ThereforeWe must install the reliable relay protection installment according to the transformer capacity rank and the important degreeThe article is about the relay protection of the transformer.I had consulted many experts and teachers before I finished the article At the same time the massive specialized materials was consulted by meIt is not diffcult to understand the logical organiztion of the article for readers And the article will bring the usful help to the comrades who is working as a electrical engineer.Keywords Power System Fault Condition, Power Transformer, Relay Protection, Setting CalculationI目 錄摘 要ABSTRACT1 緒論11.1 課題背景11.1.1 設計題目11.1.2 畢業(yè)設計原始資料11.1.3 待保護變壓器的在系統(tǒng)中的連接情況11.1.4 設計任務11.2 繼電保護的綜述 21.2.1 電力系統(tǒng)的故障和不正常運行狀態(tài)及引起的后果21.2.2 繼電保護的任務21.2.3 繼電保護裝置的組成31.2.4 繼電保護的基本要求313 電力變壓器故障概況614 繼電保護發(fā)展71.4.1 計算機化7142 網絡化81.4.3 保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體9144 智能化92 短路電流實用計算 112.1 短路電流計算的規(guī)程和步驟 112.1.1 短路電流計算的一般規(guī)定112.1.2 計算步驟 122.2 三相短路電流的計算122.2.1 等值網絡的繪制122.2.2 化簡等值網絡122.2.3 三相短路電流周期分量任意時刻值的計算132.2.4 三相短路電流的沖擊值14II3 電力變壓器保護原理分析153.1 瓦斯保護原理153.2 變壓器縱差動保護163.2.1 構成變壓器縱差動保護的基本原則163.2.2 不平衡電流產生的原因和消除方法163.3 電流速斷保護原理203.3.1 電流速斷保護的整定計算203.3.2 躲過勵磁涌流213.3.3 靈敏度的校驗213.4 過電流保護的原理213.4.1 過電流保護213.4.2 復合電壓起動的過電流保護223.4.3 負序電流和單相式低壓過電流保護243.5 零序過電流保護原理243.5.1 中性點直接接地變壓器的零序電流保護253.5.2 中性點可能接地或不接地變壓器的保護263.6 過負荷保護原理 283.7 過勵磁保護原理2938 微機保護原理 293.8.1 微機保護概況303.8.2 變壓器的微機保護配置304 保護配置與整定計算314.1 電力變壓器的保護配置3142 保護參數(shù)分析與方案確定334.2.1 保護方案334.2.2 保護設備配置選擇344.3 接線配置圖354.4 整定計算364.4.1 帶時限的過電流保護整定計算364.4.2 電流速斷保護整定計算 364.4.3 單相低壓側裝設低壓側接地保護374.4.4 過負荷保護38III4.5 保護配置動作實現(xiàn)38結論39參考文獻40附錄 A：接線配置圖 41致 謝4211 緒論1.1 課題背景1.1.1 設計題目設計題目為車間變壓器的保護設計。1.1.2 變壓器的基本原始資料10/0.4KV 車間配電變壓器，已知變壓器為 SL7-800 型，高壓側 IN=40A，過負荷系數(shù)為 3。其各部分短路電流為： 、 、1340dMAXI（ ） 2319dMAXI（ ）、 、 、 。最小運行350dMAXI（ ） 13min290dI（ ） 2min8（ ） 3min50（ ）方式下變壓器低壓側母線單相接地穩(wěn)態(tài)短路電流 為 5 540A。21.ik1.1.3 待保護變壓器的在系統(tǒng)中的連接情況圖 1.1 原始接線圖1.1.4 設計任務 認真查閱資料確定保護方案。 進行整定計算選取所需要的元件和裝置 畫出相應的保護接線配置圖。 畫出的保護總配置圖。 進行校驗改正、完成畢業(yè)論文。21.2 繼電保護的綜述1.2.1 電力系統(tǒng)的故障和不正常運行狀態(tài)及引起的后果電力系統(tǒng)又發(fā)電機、變壓器、母線、輸配電線路及用電設備組成。電力系統(tǒng)中，最常見同時也是最危險的故障是相與相或相與地之間的非正常連接，及短路。其中以單相接地短路最為常見，而三相短路是比較少見的。與其他電氣元件比較，輸出線路所處的條件決定了它是電力系統(tǒng)中最容易發(fā)生故障的一環(huán)。在輸電線路上，還可能發(fā)生斷線及幾種故障同時發(fā)生的復合故障。短路總要伴隨產生很大的短路電流，同時使系統(tǒng)中電壓大大降低。短路點的短路電流及短路電流的熱效應和機械效應會直接損壞電氣設備。電壓下降影響用戶的正常工作，影響產品質量。短路更嚴重的后果，是因為電壓下降可能導致電力系統(tǒng)發(fā)電廠之間并列運行的穩(wěn)定性遭受破壞，引起系統(tǒng)振蕩，直至使整個系統(tǒng)瓦解。最常見的異常運行狀態(tài)是電氣元件的電流超過其額定值，即過負荷狀態(tài)。長時間的過負荷使電氣元件的載流部分和絕緣材料的溫度過高，從而加速設備絕緣老化，或者損壞設備，甚至發(fā)展成事故。此外，由于電流系統(tǒng)出現(xiàn)功率缺額而引起的頻率降低，水輪發(fā)電機組突然甩負荷引起的過電壓以及電力系統(tǒng)振蕩，都屬于異常運行狀態(tài)。故障和異常運行狀態(tài)都可能發(fā)展成系統(tǒng)的事故。所謂事故，是指整個系統(tǒng)或其中一部分的正常工作遭到破壞，以至造成對用戶少送電、停止送電或電能質量降低到不能容許的地步，甚至造成設備損壞和人員傷亡。電力系統(tǒng)各元件之間是通過電或磁的聯(lián)系，任一元件發(fā)生故障時，都可能立即在不同程度上影響到系統(tǒng)的正常運行。因此，切除故障元件的時間常常要求短到十分之幾秒甚至百分只幾秒。顯然，在這樣段的時間內，有運行人員來發(fā)現(xiàn)故障元件并將它切除是不可能的。要完成任務，必須在沒一個元件上裝設具有保護作用的自動裝置。1.2.2 繼電保護的任務繼電保護是一種重要的反事故措施，它的基本任務是： 當電力系統(tǒng)的被保護元件發(fā)生故障時，繼電保護裝置應該能自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，以保證無故障部分迅速恢復正常運行，并使故障元件免于繼續(xù)遭受損壞。 當電力系統(tǒng)被保護元件出現(xiàn)異常運行狀態(tài)時，繼電保護應能及時反應，并根據(jù)運行維護條件，而動作于非發(fā)出信號，減負荷或跳閘。此時一般不要求保護迅速動作，而是根據(jù)對電力系統(tǒng)及其元件的危害程度規(guī)定一定的延時，以免不必要的動作和由于干擾而引起的誤動作。31.2.3 繼電保護裝置的組成繼電保護裝置一般情況下，都是由三部分組成的，即測量部分、邏輯部分、和執(zhí)行部分，其原理結構圖如圖 1.2 所示。輸入信號 輸出信整定值圖 1.2 繼電保護裝置的原理結構圖 測量部分測量部分是測量從被保護對象輸入的有關電氣量，并與給定的整定值進行比較，根據(jù)比較結果，給出“是” 、 “非” ；“大于” 、 “不大于” ；等于“0”或“1”性質的一組邏輯信號，從而判斷保護是否應該動作。 邏輯部分邏輯部分是根據(jù)測量部分各輸出量的大小、性質、輸出的邏輯狀出現(xiàn)的順序或它們的組合，使保護裝置按一定的邏輯關系工作，然后確定是否應該使斷路器跳閘或發(fā)出信號，并將有關命令傳給執(zhí)行部分。繼電保護中常用的邏輯回路有“或” 、 “與” 、 “否” 、 “延時起動” 、以及“記憶”等回路。 執(zhí)行部分執(zhí)行部分是根據(jù)邏輯部分送的信號，最后完成保護裝置所負擔的任務。如故障時，動作與跳閘，異常運行時，發(fā)出信號；正常運行時，不動作等。1.2.4 繼電保護的基本要求電力系統(tǒng)各電氣元件之間通常用斷路器相互連接，每臺斷路器都有相應的繼電保護裝置，可以向斷路器發(fā)出跳閘脈沖。繼電保護裝置是以各電氣元件或線路作為被保護對象的，其切除故障的范圍是斷路器之間的區(qū)段。對電力系統(tǒng)繼電保護的基本性能要求是有選擇性、速動性、靈敏性、可靠性。基本要求之間，有的相輔相成，有的是互相制約，需要針對不同的使用條件，分別進行協(xié)調。 選擇性作用于跳閘的保護裝置的選擇性是指保護裝置動作時，僅將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使停電范圍盡量縮小，以保證電力系統(tǒng)中的無故障部分仍能繼續(xù)安全運行。如圖 1.3 所示的網絡中，測量部分 邏輯部分 執(zhí)行部分4圖 1.3 線路保護圖 當線路 L4 上 K2 點發(fā)生短路時，保護 6 動作跳開短路器 QF6 將 L4 切除，繼電保護的這種動作使有選擇性的。K2 點故障，若保護 5 動作于將 QF5 斷開，則變電所C 和 D 都將停電，繼電保護的這種動作是無選擇性的。同樣 K1 點故障時，保護 1和保護 2 動作于斷開 QF1 和 QF2，將故障線路 L1 切除，才是有選擇性的。如果 K2 點故障，而保護 6 或斷路器 QF6 拒絕動作，保護 5 動作于斷開QF5，將故障切除，這種情況雖然是越級跳閘，但卻是盡量縮小了停電范圍，限制了故障的發(fā)展，因而也認為是有選擇性動作。運行經驗表明，架空線路發(fā)生的短路故障大多數(shù)是瞬時性的，線路上的電壓消失后，短路會自行消除。因此，在某些條件下，為了加速切除短路，允許采用無選擇性的保護，但必須采取相應措施，例如采用自動重合閘或備用電源自動投入裝置予以補償。為了保證選擇性，對相鄰元件有后備用的保護裝置，其靈敏性與動作時間必須與相鄰元件的保護相配合。 速動性快速地切除故障可以提高電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，減少用戶在電壓降低情況下的工作時間，限制故障元件的損壞程度，縮小故障的影響范圍以及提高自動重合閘裝置和備用電源自動投入裝置的動作成功率等。因此，在發(fā)生故障時，應力求保護裝置能迅速動作切除故障。動作迅速而同時又能滿足選擇性要求的保護裝置，一般結構都比較復雜，價格比較貴。因此，應根據(jù)電力系統(tǒng)的實際情況，對保護的速動性提出合理的要求。一般情況下，電力系統(tǒng)允許保護裝置帶一定的延時切除故障。故障切除時間 t 等于保護裝置的動作時間與斷路器的動作時間之和。目前世界上正式投入運行的保護，動作速度最快的為 0.02S，斷路器的動作時間最快為 0.05S0.06S。因此，最快切除故障時間為 0.070.08S。上述對作用于跳閘的保護裝置的基本要求，一般也適用于反映異常運行狀態(tài)的保護裝置。只是對作用于信號的保護裝置不要求快速動作，而是按照選擇性5要求延時發(fā)出信號。 靈敏性保護裝置的靈敏性是指保護區(qū)內發(fā)生故障或異常運行狀態(tài)的反應能力。滿足靈敏性要求的保護裝置應該是在規(guī)定的保護區(qū)內短路時，不論短路點的位置、短路形式以及系統(tǒng)運行方式如何，都能靈敏反應。保護裝置的靈敏系數(shù) Ksen來衡量，對于反應故障時參數(shù)增大而動作的保護裝置，其靈敏系數(shù)是式（1.1）保 護 區(qū) 末 端 金 屬 性 短 路 時 故 障 參 數(shù) 的 最 小 計 算 值靈 敏 系 數(shù) 保 護 裝 置 的 動 作 參 數(shù)對于反應故障時參數(shù)降低而動作的保護裝置，其靈敏系數(shù)是式（1.2）保 護 裝 置 的 動 作 參 數(shù)靈 敏 系 數(shù) 保 護 區(qū) 末 端 金 屬 性 短 路 時 故 障 參 數(shù) 的 最 大 計 算 值實際上，短路大多情況是非金屬性的，而且故障參數(shù)在計算時會有一定的誤差，必須要求 Ksen符合部頒繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程的規(guī)定， 繼電保護和安全自動裝置技術規(guī)程對各類短路保護裝置的靈敏系數(shù)最小值都作了具體要求。 可靠性保護裝置的可靠性是指在規(guī)定的保護區(qū)內發(fā)生故障時，它不應該拒絕動作，而在正常運行或保護區(qū)外發(fā)生故障時，則不應該誤動作?？煽啃灾饕Ｗo裝置本身的質量和運行維護水平。不可靠的保護本身就成了事故的根源。因此，可靠性是對繼電保護裝置的最基本的要求。為保證可靠性，一般來說，宜選用盡可能簡單的保護方式；應采用由可靠的元件和簡單的接線構成的性能良好的保護裝置，并應采取必要的檢測、閉鎖和雙重化等措施。此外，使保護裝置便于整定、調試和運行維護，對于保證可靠性也具有重要的作用。上述基本要求是互相聯(lián)系而又互相矛盾的。例如，對某些保護裝置來說，選擇性和速動性不可能同時實現(xiàn)，要保證選擇性，必須使之具有一定的動作時間?？梢赃@樣說，繼電保護這門技術，是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，在不斷解決保護裝置應用中出現(xiàn)的基本要求是分析研究各種繼電保護裝置的基礎。在電力系統(tǒng)中，當確定繼電保護裝置的配置和構成方案時，還應該適當考慮經濟上的合理性。應綜合考慮被保護元件與電力網的結構特點、運行特點以及事故出現(xiàn)的概率和可能造成的后果等因數(shù)，依此確定保護方式，而不能只從保護裝置本身的投資來考慮。因保護不完善或不可靠而給國民經濟造成的損失，一般會大大超過即使是最復雜的保護裝置的投資。6實踐證明，繼電保護裝置或斷路器有拒絕動作的可能性，因而需要考慮后備保護。實際上，每一電氣元件一般都有兩種繼電保護裝置，主保護和后備保護。必要時還另外增設輔助保護。反應整個被保護元件上的故障并能以最短的延時有選擇性地切除故障的保護稱為主保護。主保護或其斷路器拒絕動作時，用來切除故障的保護稱為后備保護。后備保護和遠后備保護兩種：主保護拒絕動作時，由本元件的另一套保護實現(xiàn)后備保護，稱為近后備；當主保護或其斷路器拒絕動作時，由相鄰元件或線路的保護實現(xiàn)后備的保護，稱為遠后備保護。1.3 電力變壓器故障概況電力變壓器是電力系統(tǒng)中大量使用的重要電氣設備，他的故障給供電可靠性和系統(tǒng)的正常運行帶來嚴重的后果，同時大容量變壓器也是非常貴重的元件，因此，必須根據(jù)變壓器的容量和重要程度裝設性能良好的、動作可靠的保護元件。電力變壓器的故障分為內部和外部兩種故障。內部故障指變壓器油箱里面發(fā)生的各種故障，主要靠瓦斯和差動保護動作切除變壓器；外部故障指油箱外部絕緣套管及其引出線上發(fā)生的各種故障，一般情況下由差動保護動作切除變壓器。速動保護（瓦斯和差動）無延時動作切除故障變壓器，設備是否損壞主要取決于變壓器的動穩(wěn)定性。而在變壓器各側母線及其相連間隔的引出設備故障時，若故障設備未配保護（如低壓側母線保護）或保護拒動時，則只能靠變壓器后備保護動作跳開相應開關使變壓器脫離故障。因后備保護帶延時動作，所以變壓器必然要承受一定時間段內的區(qū)外故障造成的過電流，在此時間段內變壓器是否損壞主要取決于變壓器的熱穩(wěn)定性。因此，變壓器后備保護的定值整定與變壓器自身的熱穩(wěn)定要求之間存在著必然的聯(lián)系。 變壓器的不正常運行狀態(tài)主要有：變壓器外部短路引起短路的過電流，負荷長時間超過額定容量引起的過負荷，風扇故障或漏油等原因引起冷卻能力的下降等，這些不正常運行狀態(tài)會使繞組和鐵芯過熱。此外，對于中性點不接地運行的星形接線變壓器，外部接地短路時有可能造成變壓器中性點過電壓，威脅變壓器的絕緣；大容量變壓器在過電壓或低頻率等異常運行工況下會使變壓器過電勵磁，引起鐵芯和其他金屬構件的過熱。變壓器處于不正常運行狀態(tài)時，繼電保護應該根據(jù)其嚴重程度，發(fā)出告警信號，使運行人員及時發(fā)現(xiàn)并采取相應的措施，以確保變壓器的安全。71.4 繼電保護的發(fā)展繼電保護技術未來趨勢是向計算機化，網絡化，智能化，保護、 控制、 測量和數(shù)據(jù)通信一體化發(fā)展。1.4.1 計算機化 隨著計算機硬件的迅猛發(fā)展，微機保護硬件也在不斷發(fā)展。原華北電力學院研制的微機線路保護硬件已經歷了 3 個發(fā)展階段：從 8 位單 CPU 結構的微機保護問世，不到 5 年時間就發(fā)展到多 CPU 結構，后又發(fā)展到總線不出模塊的大模塊結構，性能大大提高，得到了廣泛應用。華中理工大學研制的微機保護也是從8 位 CPU，發(fā)展到以工控機核心部分為基礎的 32 位微機保護。南京電力自動化研究院一開始就研制了 16 位 CPU 為基礎的微機線路保護，已得到大面積推廣，目前也在研究 32 位保護硬件系統(tǒng)。東南大學研制的微機主設備保護的硬件也經過了多次改進和提高。天津大學一開始即研制以 16 位多CPU 為基礎的微機線路保護，1988 年即開始研究以 32 位數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎的保護、控制、測量一體化微機裝置，目前已與珠海晉電自動化設備公司合作研制成一種功能齊全的 32 位大模塊，一個模塊就是一個小型計算機。采用32 位微機芯片并非只著眼于精度，因為精度受 A/D 轉換器分辨率的限制，超過16 位時在轉換速度和成本方面都是難以接受的；更重要的是 32 位微機芯片具有很高的集成度，很高的工作頻率和計算速度，很大的尋址空間，豐富的指令系統(tǒng)和較多的輸入輸出口。CPU 的寄存器、數(shù)據(jù)總線、地址總線都是 32 位的，具有存儲器管理功能、存儲器保護功能和任務轉換功能，并將高速緩存(Cache)和浮點數(shù)部件都集成在 CPU 內。電力系統(tǒng)對微機保護的要求不斷提高，除了保護的基本功能外，還應具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù)據(jù)處理功能，強大的通信能力，與其它保護、控制裝置和調度聯(lián)網以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網絡資源的能力，高級語言編程等。這就要求微機保護裝置具有相當于一臺 PC 機的功能。在計算機保護發(fā)展初期，曾設想過用一臺小型計算機作成繼電保護裝置。由于當時小型機體積大、成本高、可靠性差，這個設想是不現(xiàn)實的?，F(xiàn)在，同微機保護裝置大小相似的工控機的功能、速度、存儲容量大大超過了當年的小型機，因此，用成套工控機作成繼電保護的時機已經成熟，這將是微機保護的發(fā)展方向之一。天津大學已研制成用同微機保護裝置結構完全相同的一種工控機加以改造作成的繼電保護裝置。這種裝置的優(yōu)點有：具有 486PC 機的全部功能，能滿足對當前和未來微機保護的各種功能要求。尺寸和結構與目前的微機保護裝置相似，工藝精良、防震、防過熱、防電磁干擾能力強，可運行于非常惡劣的工作環(huán)境，成本可接受。采用 STD 總線或 PC 總線，硬件模塊化，對于不同的保護可任意選用不8同模塊，配置靈活、容易擴展。繼電保護裝置的微機化、計算機化是不可逆轉的發(fā)展趨勢。但對如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進一步提高繼電保護的可靠性，如何取得更大的經濟效益和社會效益，尚須進行具體深入的研究。1.4.2 網絡化 計算機網絡作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時代的技術支柱，使人類生產和社會生活的面貌發(fā)生了根本變化。它深刻影響著各個工業(yè)領域，也為各個工業(yè)領域提供了強有力的通信手段。到目前為止，除了差動保護和縱聯(lián)保護外，所有繼電保護裝置都只能反應保護安裝處的電氣量。繼電保護的作用也只限于切除故障元件，縮小事故影響范圍。這主要是由于缺乏強有力的數(shù)據(jù)通信手段。國外早已提出過系統(tǒng)保護的概念，這在當時主要指安全自動裝置。因繼電保護的作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍(這是首要任務)，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。這就要求每個保護單元都能共享全系統(tǒng)的運行和故障信息的數(shù)據(jù)，各個保護單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎上協(xié)調動作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。顯然，實現(xiàn)這種系統(tǒng)保護的基本條件是將全系統(tǒng)各主要設備的保護裝置用計算機網絡聯(lián)接起來，亦即實現(xiàn)微機保護裝置的網絡化。這在當前的技術條件下是完全可能的。對于一般的非系統(tǒng)保護，實現(xiàn)保護裝置的計算機聯(lián)網也有很大的好處。繼電保護裝置能夠得到的系統(tǒng)故障信息愈多，則對故障性質、故障位置的判斷和故障距離的檢測愈準確。對自適應保護原理的研究已經過很長的時間，也取得了一定的成果，但要真正實現(xiàn)保護對系統(tǒng)運行方式和故障狀態(tài)的自適應，必須獲得更多的系統(tǒng)運行和故障信息，只有實現(xiàn)保護的計算機網絡化，才能做到這一點。對于某些保護裝置實現(xiàn)計算機聯(lián)網，也能提高保護的可靠性。天津大學 1993年針對未來三峽水電站 500kV 超高壓多回路母線提出了一種分布式母線保護的原理，初步研制成功了這種裝置。其原理是將傳統(tǒng)的集中式母線保護分散成若干個(與被保護母線的回路數(shù)相同)母線保護單元，分散裝設在各回路保護屏上，各保護單元用計算機網絡聯(lián)接起來，每個保護單元只輸入本回路的電流量，將其轉換成數(shù)字量后，通過計算機網絡傳送給其它所有回路的保護單元，各保護單元根據(jù)本回路的電流量和從計算機網絡上獲得的其它所有回路的電流量，進行母線差動保護的計算，如果計算結果證明是母線內部故障則只跳開本回路斷路器，將故障的母線隔離。在母線區(qū)外故障時，各保護單元都計算為外部故障均不動作。這種用計算機網絡實現(xiàn)的分布式母線保護原理，比傳統(tǒng)的集中式母線保護原理有較高的可靠性。因為如果一個保護單元受到干擾或計算錯誤而誤動時，只能錯誤地跳開本回路，不會造成使母線整個被切除的惡性事故，這對于象三峽電站具有超高9壓母線的系統(tǒng)樞紐非常重要。由上述可知，微機保護裝置網絡化可大大提高保護性能和可靠性，這是微機保護發(fā)展的必然趨勢。1.4.3 保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化 在實現(xiàn)繼電保護的計算機化和網絡化的條件下，保護裝置實際上就是一臺高性能、多功能的計算機，是整個電力系統(tǒng)計算機網絡上的一個智能終端。它可從網上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網絡控制中心或任一終端。因此，每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能，而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，亦即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化。目前，為了測量、保護和控制的需要，室外變電站的所有設備，如變壓器、線路等的二次電壓、電流都必須用控制電纜引到主控室。所敷設的大量控制電纜不但要大量投資，而且使二次回路非常復雜。但是如果將上述的保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化的計算機裝置，就地安裝在室外變電站的被保護設備旁，將被保護設備的電壓、電流量在此裝置內轉換成數(shù)字量后，通過計算機網絡送到主控室，則可免除大量的控制電纜。如果用光纖作為網絡的傳輸介質，還可免除電磁干擾?，F(xiàn)在光電流互感器(OTA) 和光電壓互感器(OTV) 已在研究試驗階段，將來必然在電力系統(tǒng)中得到應用。在采用 OTA 和 OTV 的情況下，保護裝置應放在距 OTA 和 OTV 最近的地方，亦即應放在被保護設備附近。OTA 和 OTV 的光信號輸入到此一體化裝置中并轉換成電信號后，一方面用作保護的計算判斷；另一方面作為測量量，通過網絡送到主控室。從主控室通過網絡可將對被保護設備的操作控制命令送到此一體化裝置，由此一體化裝置執(zhí)行斷路器的操作。1992 年天津大學提出了保護、控制、測量、通信一體化問題，并研制了以 TMS320C25 數(shù)字信號處理器(DSP)為基礎的一個保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化裝置。1.4.4 智能化 近年來，人工智能技術如神經網絡、遺傳算法、進化規(guī)劃、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)各個領域都得到了應用，在繼電保護領域應用的研究也已開始。神經網絡是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復雜的非線性問題，應用神經網絡方法則可迎刃而解。例如在輸電線兩側系統(tǒng)電勢角度擺開情況下發(fā)生經過渡電阻的短路就是一非線性問題，距離保護很難正確作出故障位置的判別，從而造成誤動或拒動；如果用神經網絡方法，經過大量故障樣本的訓練，只要樣本集中充分考慮了各種情況，則在發(fā)生任何故障時都可正確判別。其它如遺傳算法、進化規(guī)劃等也都有其獨特的求解復雜問題的能力。將這些人工智能方法適當結合可使求解速度更快。天津大學從 1996 年起進行神經網絡式繼電保護的研究，10已取得初步成果。可以預見，人工智能技術在繼電保護領域必會得到應用，以解決用常規(guī)方法難以解決的問題。112 短路電流實用計算在電力系統(tǒng)繼電保護中我們必須知道在發(fā)生故障時的短路電流情況，因此我們必須求取各點短路電流。在短路的實際計算中，為簡化計算工作，采取以下一些簡化方法來幫助我們進行計算。假設： 短路過程中各發(fā)電機之間不發(fā)生搖擺，并認為所有發(fā)電機的電勢都同相位。對短路點而言，計算所得的電流數(shù)值稍稍偏大，這對于保護的整定是有利的。 負荷只作近似計算，視具體情況而定。 不計磁路飽和，系統(tǒng)各元件參數(shù)都是恒定的。 對稱三相系統(tǒng)。 忽略高壓輸電線的電阻和電容，忽略變壓器的電阻和勵磁電流，忽略電纜線的電阻，即各元件均用純電抗表示。 金屬性短路。 兩相不對稱短路時短路電流可按 計算。(2)(3)/kkII2.1 短路電流計算的規(guī)定和步驟2.1.1 短路電流計算的一般規(guī)定 計算的基本情況1）電力系統(tǒng)中所有電源均在額定負荷下運行。2）所有同步電機都具有自動調整勵磁裝置（包括強行勵磁裝置） 。3）短路發(fā)生在電流為最大值的瞬間。4）所有電源的電動勢相位角相同。5）應考慮對短路電流值有影響的所有元件，但不考慮短路點的電弧電阻。 接線方式計算短路電流所用的接線方式，應是可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式（即最大運行方式） ，而不能僅在切換過程中可能并列運行的接線方式。 計算容量應按工程設計的規(guī)劃容量計算，并考慮電力系統(tǒng)的遠景發(fā)展規(guī)劃，一般取工程建成后的 510 年。 短路種類一般按三相短路計算。若發(fā)電機出口的兩相短路，或中性點直接接地系統(tǒng)及12自耦變壓器等回路中的單相、兩相接地短路較三相短路情況嚴重時，則應按嚴重情況進行校驗。 短路計算點在正常接線方式時，通過設備的短路電流為最大的地點，稱為短路計算點。 短路計算的一般方法在工程設計中，短路電流計算均采用實用計算法。所謂實用計算法，是指在一定的假設條件下計算出短路電流的各個分量，而不是用微分方程去求解短路電流的完整表達式。在工程中一般采用運算曲線法來進行短路電流計算。2.1.2 計算步驟 選擇短路計算點。 繪出等值網絡（次暫態(tài)網絡圖） ，并將各元件電抗統(tǒng)一編號。 化簡等值網絡：將等值網絡化簡為以短路點為中心的輻射等值網絡，并求出各電源與短路點之間的電抗，即轉移電抗 。X“ 求計算電抗 。jsX 由運算曲線查出各電源供給的短路電流周期分量的標幺值。 計算無限大容量的電源供給的短路電流周期分量的標幺值。 計算短路電流周期分量有名值和短路容量。 計算短路電流沖擊值。 繪制短路電流計算結果表。2.2 三相短路電流的計算2.2.1 等值網絡的繪制 網絡模型的確定計算短路電流所用的網絡模型，即忽略負荷電流；除 1KV 以下的低壓電網外，元件的電阻都忽略不計；輸電線路的電納及變壓器的導納也忽略不計；發(fā)電機用次暫態(tài)電抗表示；認為各發(fā)電機電勢模值為 1，相角為 0。 網絡參數(shù)的計算短路電流的計算通常采用標幺值進行近似計算?；鶞嗜萘?為一整數(shù)一般取BS100MVA，而將各電壓等級的平均額定電壓取為基準電壓 ，從1.5avNU而使計算大為簡化。常見的基值見表 2.1。2.2.2 化簡等值網絡采用網絡簡化法將等值電路逐步化簡，求出各電源與短路點之間的轉移阻抗。在工程計算時，為進一步簡化網絡，減少工作量，常將短路電流變化規(guī)律相13同或相近的電源歸并為一個等值電源。歸并的原則是距離短路點電氣距離大致相等的同類型發(fā)電機可以合并；至短路點電氣距離較遠， 1 的同一類型或不同jsX類型的發(fā)電機也可以合并；直接接于短路點的發(fā)電機一般予以單獨計算,無限大容量的電源應單獨計算。表 2.1 常用標幺值計算的基準值（ ）10BSMVA基 準電 壓UB（K）3.15 6.3 10.5 15.75 18 37 63 115 162 230 345 525基 準電 流IB（K）18.39 9316 5.50 3.67 3.21 1.56 0.92 0.50 0.36 0.25 0.17 0.11基 準電 抗ZB（）0.09 0.397 1.102 2.418 3.240 13.69 39.69 132.25 262.44 529.00 1190.2 2756.22.2.3 三相短路電流周期分量任意時刻值的計算進行網絡化簡時求出各個等值電源與短路點之間的轉移電抗 ,再將其換算X“成以等值電源容量為基準的標幺值即為該電源的計算電抗 。jsi式（2.1）“NijsiiBSX式中 第 個等值電源的額定容量，MVA； =1，2，,n。NiS i 無限大容量電源當供電電源為無限大容量或計算電抗（以供電電源容量為基準） 時，5jsiX則可以認為其周期分量不衰減，此時式（2.2）“*“1jsIX或 有限大容量電源當供電電源為有限容量時，其周期分量是隨時間衰減的。這時工程上常采用運算曲線法來求得任意時刻短路電流的周期分量。所謂運算曲線是一組短路電流周期分量 與計算電抗 、短路時間 t 的變*tIjsX化關系曲線，即 。根據(jù)各電源的計算電抗 ，查相應的運算曲線，*()tjsIfXtj可分別查出對應于任何時間 t 的周期分量的標幺值 。*t 總的短路電流周期分量的有名值14最后將得到的各電源在某同一時刻供出的短路電流的標幺值換算成有名值，然后相加，便得到短路點某一時刻的三相短路電流周期分量，即式（2.3） *133nNiBttiBSSIIU式（2.3）中 有限容量電源供給的短路電流周期分量標幺值；*tI無限大容量電源供給的短路電流周期分量標幺值；短路點 t 秒短路電流周期分量有效值，KA 。t2.2.4 三相短路電流的沖擊值三相短路電流的最大峰值出現(xiàn)在短路后半個周期，當 時，發(fā)生50fHz在短路后 0.01s，此峰值被稱為沖擊電流 。其計算式為chi式（2. 4） 0.1“ “2()2aTch chiIekI式（2. 4）中 短路點等效衰減時間常數(shù)，在近似計算中可直接選用表 2.2 推aT薦的數(shù)值。沖擊系數(shù)。工程設計可按表 2.3 選用。chk表 2.2 短路點等效時間常數(shù) 推薦值（s）aT短路點 aT 短路點 aT汽輪發(fā)電機端水輪發(fā)電機端發(fā)電機出線電抗器后0.2550.1910.127高壓側母線（主變壓器 100MVA 上）高壓側母線（主變壓器10 100MVA）遠離發(fā)電廠0.1270.1110.048表 2.3 不同短路點的沖擊系數(shù) 推薦值chk短路點 chk發(fā)電機端發(fā)電廠高壓母線或出線電抗器之后遠離發(fā)電廠1.901.851.80153 電力變壓器保護原理分析3.1 瓦斯保護原理分析瓦斯保護是反應變壓器油箱內部氣體的數(shù)量和流動的速度而動作的保護，保護變壓器油箱內部各種短路故障，特別是對繞組的相間和匝間短路。由于短路點電弧的作用，將使變壓器和其他絕緣材料分解，產生氣體。氣體從油箱經連通管流向油枕，利用氣體數(shù)量及流速構成瓦斯保護。圖 3.1 上面的觸點表示“輕瓦斯保護” ，動作后經延時發(fā)出報警信號。下面的觸點表示“重瓦斯保護” ，動作后啟動變壓器保護的總出口繼電器，使斷路器跳閘。當油箱內部發(fā)生嚴重事故時，由于油流不穩(wěn)定，可能造成干簧觸點的抖動，此時為使斷路器能可靠跳閘，應選用具有電流自保持線圈的出口中間繼電器 KM，動作后由斷路器的輔助觸點來解除出口回路的自保持。此外，為防止變壓器換油或進行試驗時引起重瓦斯保護誤動作跳閘，可利用切換片 XB 將跳閘回路切換到信號回路。信 號至 延 時 電 路圖 3.1 瓦斯保護的原理接線圖 163.2 縱差動保護原理分析3.2.1 構成變壓器縱差動保護的基本原則圖 3.2 變壓器縱差保護原理接線圖正常運行或外部故障時式BnI2'1'/（3.1）所以兩側的 CT 變比應不同，且應使 2“1“II即： 式21''lln（3.2）或： 式Bll nIn2'1'/21（3.3）即：按相實現(xiàn)的縱差動保護，其電流互感器變比的選擇原則是兩側 CT 變比的比值等于變壓器的變比。173.2.2 不平衡電流產生的原因和消除方法理論上，正常運行和區(qū)外故障時， =I1“-I2“=0 。j實際上，很多因素使 = Ibp0 。 （ 為不平衡電流）j bp下面討論不平衡電流產生的原因和消除方法： 由變壓器兩側電流相位不同而產生的不平衡電流：（/-11）Y.d11 接線方式兩側電流的相位差 30°消除方法：相位校正。變壓器 Y 側 CT（二次側）： 形。 Y.d11變壓器 側 CT（ 二次側）：Y 形。 Y.Y12圖 3.3 電流關系圖圖 3.4 三相差動保護原理圖（a）圖 3.4 電流矢量圖(b) 圖 3.4 電流相量圖(c)可見,差動臂中的 同相位了,但 。22BAII和 A2B2AI3I-為使正常運行或區(qū)外故障時, =0,則應使 。j 2I318式（3.4）BAllAl nnn1122113/3即高壓側電流互感變比應加大 倍. 該項不平衡電流已清除. 由計算變比與實際變比不同而產生的不平衡電流:CT 的變比是標準化的,如:600/5,800/5,1 000/5,1 200/5.所以,很難完全滿足 或 。 即 0,產生 .12lnB3/12lnBjIbpI消除方法:利用差動繼電器的平衡線圈進行磁補償.圖 3.5 差動繼電器磁補償原理圖假設正常運行和區(qū)外故障時, “那么 I2'I2。 Wph 接電流小的一側, I2“. - 'I2“ ( - I2“) I2“ I2“cdW' phW調整 ,使 ( - I2“)= I2“.磁勢抵消. 鐵芯中,= =0. 所以phcd' cdphW2中無感應電勢,J 不動作.實際上, 可能不是整數(shù). 應是整數(shù).故仍phjs zW有一殘余的不平衡電流.式（3.5）.max/1bpzdIfIn其中: =( )/ ( + ) 式（3.6）zdf.hjs.phzdW.phjs.pzd外部故障時,流過變壓器高壓側的最大短路電流maxI此不平衡電流在整定計算中應予以考慮. 由兩側電流互感器型號不同而產生的不平衡電流:(CT 變換誤差)式（3.7）. .max1/bpTtxerderlIKIn其中 =1t19此不平衡電流在整定計算中應予以考慮. 由變壓器帶負荷調整分接頭而產生的不平衡電流:改變分接頭改變 破壞 = 或 的關系.從而產生新的不平衡電流.Bn21/lnB(CT 二次側不允許開路,即 , 不能改變),2l.U=±U. / 式（3.8）bpI.maxdI1l無法消除.所以此不平衡電流在整定計算中應予以考慮.bpI由以上分析可知,穩(wěn)態(tài)情況下, 由三部分組成.bpI= + + .U 式（3.9）bpI.bpT.CT 暫態(tài)情況下的不平衡電流:1)非周期分量的影響:比穩(wěn)態(tài) 大,且含有很大的非周期分量,持續(xù)時間比較長 (幾十周波). bpI圖 3.6 暫態(tài)電流圖最大值出現(xiàn)在短路后幾個周波. 引入非周期分量函數(shù) fzqK式. .max1/bpTtxerderlIKIn（3.10）措施:快速飽和中間變流器,抑制非周期分量. 2) 由 產生的不平衡電流:LYI當變壓器電壓突然增加的情況下(如:空載投入,區(qū)外短路切除后). 勵LI磁涌流.這是因為在穩(wěn)態(tài)各種情況下，鐵心的磁通滯后于外加電壓 。如果空載09合閘時，正好在電壓瞬時值 時接通電路則鐵心中具有磁通為 。但由于0um鐵心中的磁通不能突變。因此將出現(xiàn)一個非周期分量的磁通，其幅值為 ，這樣經過半個周期以后，鐵心中的磁通就達到 。如果鐵心中還有剩磁 ，則總2ms磁通將為 。此時變壓器的鐵心嚴重飽和，磁電流 將劇烈增大，此電流2ms LI就稱為變壓器的勵磁涌流。其數(shù)值最大可達到額定電流的 68 倍。同時包含了20大量的非周期分量和高次諧波分量，勵磁涌流的大小和衰減時間，與外電壓的相位、鐵心剩磁的大小和方向、電源容量的大小、回路的阻抗以及變壓器容量的大小和鐵心性質有關系。其涌流的特點有:a.很大的直流分量.(80%基波)b.很大的諧波分量,尤以二次諧波為主.(20%基波)c.形間出現(xiàn)間斷.(削去負波后)措施:a.采用具有速飽和鐵芯的差動繼電器;b.間斷角原理的差動保護;c.利用二次諧波制動;d.利用波形對稱原理的差動保護。3.3 電流速斷保護原理分析變壓器的電流速斷保護是反應于大電流增大而瞬間動作的保護。裝于變壓器的電源測，對于變壓器用引出線上各種形式的短路電流進行保護。為證明選擇性，速斷保護只能保護變壓器的一部分，一般能保護變壓器的原繞組，它適合用于容量在 10MVA 以下小容量的變壓器，當電流保護時限大于 0.5S 時，可在電源側裝設電流速斷保護，其接線原理如圖（3.7）所示：去 電 流21圖 3.7 電流速斷保護接線圖3.3.1 電流速斷保護的整定計算按躲開變壓器負荷側出口 d3點的短路最大電流來整定，即 式maxdzkIKI（3.11）式（3.11）中 可參考系數(shù)，k取 1.31.4；外部短路的最大三相短路電流。maxdI3.3.2 躲過勵磁涌流根據(jù)實際經驗及實驗數(shù)據(jù)，一般為：式.(34)dzeTII（3.12）式中（3.12） 為變壓器的額定電流。.eTI按照上面的條件計算，選擇其較大值作為變壓器電流速斷保護的啟動電流。3.3.3 靈敏度的校驗按變壓器原邊 d2短路時，流過保護的最小短路電流校驗，即式(2).min1dmzIK（3.13）變壓器電流速斷保護的優(yōu)點是接線簡單，動作迅速。缺點是只保護變壓器一部分。3.4 過電流保護的原理變壓器相間短路的保護既是變壓器主保護的后備保護，又是相鄰母線或線路的后備保護。根據(jù)變壓器容量大小和系統(tǒng)短路電流的大小，變壓器相間短路的后備保護可采用過電流保護、低電壓起動的過電流保護和復合電壓起動的過電流保護等。3.4.1 過電流保護過電流宜用于降壓變壓器，過電流保護采用三相式接線，且保護應該裝設在電源側。保護的動作電流 應按躲過變壓器可能出現(xiàn)的最大負荷電流 來opI .maxLI22整定，即式（3.14）.maxrelopLKII式（3.14）中 可靠系數(shù)，一般為 1.21.3；relK為返回系數(shù)。r確定 時，應該考慮下面兩種情況：.maxLI 并列運行的變壓器，應該考慮切除一臺變壓器以后所產生的過負荷。若各變壓器的容量相等，可按下計算式.max1LNII（3.15）式（3.15）中 M并列變壓器的臺數(shù)；變壓器的額定電流。NI信 號圖 3.8 過電流保護單相接線原理圖 降壓變壓器，應該考慮負荷中電動機自啟動時的最大電流，則式'.max.maxLsLIKI（3.16）式（3.16）中 自啟動系數(shù)，其值與負荷性質及用戶與電源尖的電氣隔離開sK關。對 110KV 降壓變電站，610KV 側， =1.52.5；35KV 側， =1.52.0 s sK23。 為正常運行時的最大負荷電流。'.maxLI同時保護的動作時限應該與下級保護配合，即比下級保護中最大動作時限大一個階梯時限 。t保護的靈敏度為式.minKsenopI（3.17） 式（3.17）中 最小運行方式下，其靈敏度校驗點發(fā)生兩相短路時，流過.minKI保護裝置的最小短路電流。最小短路電流應該根據(jù)變壓器連接組別、保護的接線方式確定。在被保護變壓器受電側母線上短路時，要求 =1.52；在后備保護范圍末senK端短路時，要求 =1.2。若靈敏度不滿足要求時，則選用靈敏度較高的其他后sen備保護。3.4.2 復合電壓起動的過電流保護 接線原理符合電壓起動的過電流保護原理接線如圖（3.9）所示。負序電壓繼電器 KVN和低電壓繼電器組成復合電壓元件。發(fā)生不對稱短路時，負序電壓濾過器 KUG 有輸出，繼電器 KVN 動作，其常閉接點打開，KV 失電，其常閉接點閉合，起動中間繼電器 KAM，其接點閉合，電流繼電器 KA 的常開接點因短路而閉合，則時間繼電器 KT 的線圈回路接通。經 KT 的整定延時后，KT 的接點延時閉合，起動出口中間繼電器 KCO，動作于斷開變壓器兩側短路器。當發(fā)生三相短路時，低電壓繼電器動作，其常閉接點閉合，與電流繼電器一起，按低電壓起動過電流保護的動作方式，作用與跳閘。24跳 信 號至 電 壓 斷 線 信 號 跳接 至 電 壓 互 感 器圖 3.9 復合電壓起動過電流保護原理接線圖 整定計算1）電流元件動作電流式relopNKII（3.18）為變壓器額定電流NI2）動作電壓為式0.7opNU（3.19）為變壓器的額定電壓。N低壓元件靈敏度為式.max1.2opresenKU25（3.20）式中（3.20） 相鄰元件末端三相金屬性短路故障時，保護安裝處的最大.maxKU線電壓；低壓元件的返回系數(shù)。re3）負序電壓元件動作電壓為式2(0.6.12)opNUU（3.21）負序電壓元件靈敏度為式2.minksenopKU（3.22）式（3.22） 為相鄰元件末端不對稱短路故障時，最小負序電壓。2.minkU3.4.3 負序電流和單相式低壓過電流保護對于大容量的發(fā)電機變壓器組，由于額定電流大，電流元件往往不能滿足遠后備靈敏度的要求，可采用負序電流保護，它是由反應不對稱故障的負序電流元件和反應對稱短路故障的單相式低壓過電流保護組成。負序電流保護靈敏度較高，且在 Y，d 接線的變壓器另一側發(fā)生不對稱短路故障時，靈敏度不受影響，接線也較簡單。3.5 零序過電流保護原理在大電流接地的系統(tǒng)中，一般在變壓器上裝設接地保護。作為便宜變壓器本身主保護的后備保護和相鄰元件接地短路的后備保護。當系統(tǒng)接地短路時，零序電流的大小和分布是與系統(tǒng)中變壓器中性點接地的數(shù)目和位置有關。對于有一臺變壓器的升壓變電站，變壓器都采用中性點接地運行方式。對于若干臺變壓器并聯(lián)運行的變電站，則采用一部分變壓器中性點接地運行，而另一部分變壓器中性點不接地運行。3.5.1 中性點直接接地變壓器的零序電流保護圖 3.10 為中性點直接接地雙繞組變壓器的零序電流保護原理接線圖。保護用電流互感器接于中性點引出線上。其額定電壓可選擇低一級，其變比根據(jù)接地短路電流的熱穩(wěn)定和動態(tài)穩(wěn)定條件來選擇。