電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的配置

摘要電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置能夠檢測電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中發(fā)生的故障和異常情況，并能夠?qū)⒐收涎杆偾谐透綦x，防止故障擴(kuò)大化。正確的配置電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置，對于電力系統(tǒng)安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。本文從高頻保護(hù)、相間距離保護(hù)和方向保護(hù)不同角度來討論了繼電保護(hù)的配置問題。

關(guān)鍵詞 電力系統(tǒng) 繼電保護(hù) 配置

中圖分類號：TM77文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

The Configuration of Power System Protection

LI Xiangrui

(Chongqing Water Resources and Electric Engineering College， Chongqing 402160

AbstractPower system protection devices is able to detect failures and abnormal situations during operation. And it can quickly remove and isolate the fault to prevent the failure magnification. The correct configuration power system protection devices， that have an important significance for security and stability of the power system. Different perspectives of the configuration problem for the protection has to be discussed. Including high-frequency protection， phase distance protection， directional protection.

Key wordspower system; relay protection; configuration

電力系統(tǒng)在運(yùn)行過程中，可能發(fā)生各種故障和不正常運(yùn)行狀態(tài)，最常見的、同時也是最危險的故障就是各種形式的短路。為減少故障危害，電網(wǎng)設(shè)置了各種保護(hù)裝置。正確配置這些保護(hù)裝置對于電網(wǎng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行有著重要的意義。

1 高頻保護(hù)

1.1 網(wǎng)絡(luò)高頻保護(hù)

為了縮小故障造成的損壞程度，滿足系統(tǒng)動穩(wěn)定的要求，常常需要自線路兩側(cè)無延時地切除被保護(hù)線路上任何一點(diǎn)的故障。為此可以采用全線速動的高頻保護(hù)作為線路的主保護(hù)，它是比較被保護(hù)線路兩側(cè)的電量（如短路功率方向、電流相位等）。以此決定是否跳閘。

系統(tǒng)電壓等級110KV較高，系統(tǒng)穩(wěn)定性是比較重要問題，是保證供電質(zhì)量的重要前提。線路發(fā)生三相短路時，有的發(fā)電廠廠用母線電壓低于允許值（一般約為70%額定電壓），且其它保護(hù)不能無時限和有選擇地切除短路，如AB線路80%處發(fā)生三相短路故障，A變電站高壓母線電壓只有0.69倍額定電壓，階段式距離保護(hù)、零序保護(hù)不能無時限切除故障，會嚴(yán)重影響發(fā)電站的安全穩(wěn)定運(yùn)行。為滿足系統(tǒng)穩(wěn)定性、線路發(fā)生三相短路時，使發(fā)電廠廠用母線電壓不低于允許值（一般約為70%額定電壓），且其它保護(hù)不能無時限和有選擇地切除短路時，裝設(shè)一套全線速動保護(hù)。本文采用高頻閉鎖方向保護(hù)作為全線速動保護(hù)，并作為環(huán)網(wǎng)和雙側(cè)電源線路的主保護(hù)。

1.2 系統(tǒng)穩(wěn)定性

電力系統(tǒng)的機(jī)電暫態(tài)過程的工程技術(shù)問題主要是電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題。電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性問題就是當(dāng)系統(tǒng)在某一正常運(yùn)行狀態(tài)下受到某種干擾后，能否經(jīng)過一定的時間后回到原來的運(yùn)行狀態(tài)或過渡到一個新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)的問題。如果能夠，則認(rèn)為系統(tǒng)在該正常運(yùn)行狀態(tài)下是穩(wěn)定的。反之，若系統(tǒng)不能回到原來的運(yùn)行狀態(tài)或不能建立一個新的穩(wěn)定運(yùn)行狀態(tài)，則說明系統(tǒng)的狀態(tài)變量沒有一個穩(wěn)態(tài)值，而是隨著時間不斷增大或振蕩，各發(fā)電機(jī)組轉(zhuǎn)子間一直有相對運(yùn)動，相對角不斷變化，因而系統(tǒng)的功率、電流和電壓都不斷振蕩，以致整個系統(tǒng)不再能繼續(xù)運(yùn)行下去，則系統(tǒng)在這種情況下不能保持暫態(tài)穩(wěn)定。

提高暫態(tài)穩(wěn)定的措施，一般首先考慮的是減小擾動后功率差額，因?yàn)榇驍_動后發(fā)電機(jī)機(jī)械功率和電磁功率的差額是導(dǎo)致暫態(tài)穩(wěn)定破壞的主要原因。常用的措施：故障的快速切除和自動重合閘裝置的應(yīng)用，快速切除故障對提高系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性有決定性作用，因?yàn)榭焖偾谐收蠝p小了加速面積，增加了減速面積，提高了發(fā)電機(jī)之間并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。另一方面，快速切除故障也可使負(fù)荷中的電動機(jī)端電壓迅速回升，減小了電動機(jī)失速和停頓的危險，提高了負(fù)荷的穩(wěn)定性。電力系統(tǒng)的故障特別是高壓輸電線的故障大多數(shù)是短路故障，而這些短路故障大多數(shù)又是暫時性的。采用自動重合閘裝置，在發(fā)生故障的線路上，先切除線路，經(jīng)過一定時間再合上短路器，如果故障消失則重合閘成功。

1.3 高頻保護(hù)的配置

在現(xiàn)代大型電力系統(tǒng)的超高壓遠(yuǎn)距離輸電線路上，為了縮小故障造成的損壞程度，滿足系統(tǒng)動穩(wěn)定的要求，常常需要自線路兩側(cè)無延時地切除被保護(hù)線路上任何一點(diǎn)的故障。

間接比較是兩側(cè)保護(hù)裝置各自只反映本側(cè)的交流電量，高頻訊號只是將各側(cè)保護(hù)裝置對故障判別的結(jié)果傳送到對側(cè)去。線路每一側(cè)的保護(hù)根據(jù)本側(cè)和對側(cè)保護(hù)裝置對故障判別的結(jié)果進(jìn)行間接比較，最后作出究竟是否應(yīng)該跳閘的決定。屬于這一類的保護(hù)有三種：

（1）高頻閉鎖方向保護(hù)。它是基于間接比較線路兩側(cè)的短路功率方向。兩側(cè)保護(hù)裝置，根據(jù)各自所測量的短路功率方向，確定是否應(yīng)發(fā)出跳閘閉鎖訊號。每一側(cè)的保護(hù)裝置，根據(jù)兩側(cè)功率方向元件對短路功率方向判別的結(jié)果，確定是否應(yīng)該跳閘。

（2）高頻閉鎖距離保護(hù)。由于距離保護(hù)中所用的主要繼電器（如起動元件、方向元件等）都是實(shí)現(xiàn)高頻閉鎖方向保護(hù)所必須的，因此，在某些情況下，把兩者結(jié)合起來，就可做成高頻閉鎖距離保護(hù)。區(qū)內(nèi)短路時，兩側(cè)的起動元件和方向距離Ⅱ段動作，且都不發(fā)高頻閉鎖信號。保護(hù)裝置只要方向距離Ⅱ段動作，而又收不到高頻閉鎖訊號，就立即加速距離Ⅱ段，全線快速跳閘。區(qū)外短路時，靠近短路點(diǎn)的一側(cè)，保護(hù)判斷為反方向故障，所以起動元件動作，方向距離Ⅱ段不動作，立即發(fā)出高頻閉鎖訊號。保護(hù)裝置收到高頻閉鎖訊號后，就將距離Ⅱ段速動跳閘回路閉鎖，只能按階梯時限帶延時動作。

（3）高頻遠(yuǎn)方跳閘。用高頻電流傳送跳閘訊號。區(qū)內(nèi)短路時，保護(hù)裝置Ⅰ段動作后，快速跳開本側(cè)短路器，并同時向?qū)?cè)發(fā)出高頻訊號。收到高頻訊號的一側(cè)，將高頻訊號與保護(hù)Ⅱ段動作進(jìn)行比較，如Ⅱ段起動即加速動作于跳閘，從而實(shí)現(xiàn)區(qū)內(nèi)短路全線快速切除。

保護(hù)裝置的作用原理：設(shè)故障發(fā)生于線路B—C的范圍以內(nèi)，則短路功率SK、的方向如圖所示。此時，安裝在線路B—C兩端的方向高頻保護(hù)3和4的功率方向?yàn)檎Ｗo(hù)應(yīng)動作于跳閘。故保護(hù)3、4都不發(fā)出高頻閉鎖信號，因而，在保護(hù)啟動后，即可瞬時動作，跳開兩端的斷路器。但對非故障線路A—B和C—D ，其靠近故障點(diǎn)一端的功率方向?yàn)橛删€路流向母線，即功率方向?yàn)樨?fù)，則該端的保護(hù)2和5發(fā)出高頻閉鎖信號。此信號一方面被自己的收信機(jī)接收，同時，經(jīng)過高頻通道把信號送到對端的保護(hù)1和6，使得保護(hù)裝置1、2和5、6都被高頻信號閉鎖，保護(hù)不會將線路A—B 和C—D 錯誤地切除。

圖1高頻閉鎖方向保護(hù)的作用原理

2 相間距離保護(hù)

對相間短路，單側(cè)電源單回線路裝設(shè)兩段距離保護(hù)作為線路的主保護(hù)，如線路CD；雙側(cè)電源和環(huán)網(wǎng)線路裝設(shè)三段式距離保護(hù)作為線路的后備保護(hù)，如線路AB。

該電網(wǎng)繼電保護(hù)采用遠(yuǎn)后備原則，即在臨近故障點(diǎn)的斷路器處裝設(shè)的繼電保護(hù)或該短路器本身拒動時，能由電源側(cè)上一級斷路器處的繼電保護(hù)動作切除故障，如AB線路A側(cè)繼電保護(hù)或斷路器拒動，由AF線路F側(cè)保護(hù)延時切除故障，AF線路F側(cè)保護(hù)是AB線路A側(cè)保護(hù)的遠(yuǎn)后備保護(hù)，同時又是AF線路F側(cè)保護(hù)的近后備保護(hù)。

距離保護(hù)，是反應(yīng)故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的距離，并根據(jù)距離的遠(yuǎn)近而確定動作時間的一種保護(hù)裝置。距離愈近，動作時間愈短。這樣，就可以保證有選擇地切除故障線路。

電力系統(tǒng)正常工作時，保護(hù)安裝處的電壓為系統(tǒng)的額定工作電壓Ue，線路的電流為負(fù)荷電流Ifh，而在發(fā)生短路時，母線上的電壓為殘余電壓Ucy，比正常工作電壓下降了很多；線路中的電流為短路電流ID，比正常負(fù)荷電流增加了很多。由此我們可以看出，故障線路保護(hù)安裝處的電壓和電流的比值，在正常狀態(tài)和故障狀態(tài)下將有很大的躍變，比單純的電壓值或電流值更清楚地區(qū)別正常狀態(tài)和故障狀態(tài)。

在正常狀態(tài)下，比值基本上反應(yīng)了負(fù)荷阻抗。在短路故障狀態(tài)下比值反應(yīng)了保護(hù)安裝處到短路點(diǎn)的阻抗，這個阻抗的大小，代表這一段線路的長度。

圖2距離保護(hù)的基本原理

3 零序電流保護(hù)

對接地短路，單側(cè)電源單回線路裝設(shè)兩段零序電流保護(hù)作為線路的主保護(hù)，如線路CD；雙側(cè)電源和環(huán)網(wǎng)線路裝設(shè)三段式零序電流保護(hù)作為線路的后備保護(hù)，如線路AB。

由于中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障時，接地短路電流很大，所以稱之為大接地電流系統(tǒng)。目前我國110KV及以上電力系統(tǒng)均采用中性點(diǎn)直接接地方式。根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)統(tǒng)計，在這種系統(tǒng)中，單相接地故障占總事故的60~70%，甚至更高，因此，接地保護(hù)在大接地電流系統(tǒng)中顯得特別重要。

零序保護(hù)之所以比較簡單、靈敏而又能縮短動作時間，是因?yàn)檫@種保護(hù)只反映接地短路時所特有的零序電流或零序電壓，而反應(yīng)零序電流或零序電壓的濾序器接線是很簡單的。由于在系統(tǒng)正常運(yùn)行和發(fā)生相間短路時，不會出現(xiàn)零序電流和零序電壓，因此零序保護(hù)的動作電流可以整定地較小，而當(dāng)發(fā)生接地短路時，即有相當(dāng)大的零序電流和零序電壓出現(xiàn)，所以保護(hù)裝置動作比較靈敏。同時，按動作時間配合以獲得選擇性的零序保護(hù)，不必與/△降壓變壓器以后的線路保護(hù)配合，因?yàn)樽儔浩鳌鱾?cè)以后的零序電流不會反應(yīng)到側(cè)，所以接地保護(hù)的動作時間大大地縮短。

參考文獻(xiàn)

[1]盧繼平，陳生貴.電力系統(tǒng)繼電保護(hù).重慶大學(xué)出版社，2003:121-133.

[2]王梅義.電網(wǎng)繼電保護(hù)應(yīng)用.中國電力出版社，1999:95-96.

[3]陳少俊.王梅義.DL/T 584-95.3～110KV電網(wǎng)繼電保護(hù)裝置運(yùn)行整定規(guī)程.能源部電力司，1996:178-184.

[4]李光琦.電力系統(tǒng)暫態(tài)分析.中國電力出版社，1995:176-204.

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