220KV高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)研究分析

【摘要】作為電網(wǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的第一道防線，繼電保護(hù)時(shí)刻都發(fā)揮著至關(guān)重要的作用，繼電保護(hù)裝置的應(yīng)用要求也越來越高。但不管如何發(fā)展變化，總要滿足其原理和基本設(shè)計(jì)要求。本文是對(duì)220 KV高壓電網(wǎng)的繼電保護(hù)的研究，主要研究分析繼電保護(hù)的基本原理與要求，變壓器中性點(diǎn)接地的選擇等方面的知識(shí)。在滿足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性、可靠性要求的基礎(chǔ)上對(duì)220KV電網(wǎng)的繼電保護(hù)短路等方面的計(jì)算方法進(jìn)行了較為全面的論述，并給出一些不同工作狀態(tài)時(shí)系統(tǒng)對(duì)應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)。為電力系統(tǒng)繼電保護(hù)裝置設(shè)計(jì)者提供了關(guān)鍵技術(shù)，保證對(duì)220KV高壓電網(wǎng)繼電保護(hù)設(shè)計(jì)的可行性，安全性與實(shí)用性。

【關(guān)鍵詞】220KV電網(wǎng);繼電保護(hù);變壓器;短路計(jì)算

1.繼電保護(hù)的基本原理

繼電保護(hù)裝置應(yīng)在系統(tǒng)發(fā)生故障或不正常運(yùn)行時(shí)，迅速，準(zhǔn)確的切除故障元件或發(fā)出信號(hào)以便及時(shí)處理，因此，繼電保護(hù)裝置是電網(wǎng)及電氣設(shè)備安全可靠運(yùn)行的保證。繼電保護(hù)裝置必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成。電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：

（1）電流增大。短路時(shí)故障點(diǎn)與電源之間的電氣設(shè)備和輸電線路上的電流將由負(fù)荷電流增大至大大超過負(fù)荷電流。

（2）電壓降低。當(dāng)發(fā)生相間短路和接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點(diǎn)，電壓越低。

（3）電流與電壓之間的相位角改變。正常運(yùn)行時(shí)電流與電壓間的相位角是負(fù)荷的功率因數(shù)角，一般約為20o，三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60o～85o，而在保護(hù)反方向三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角則是180o+（60o～85o）。

（4）測(cè)量阻抗發(fā)生變化。測(cè)量阻抗即測(cè)量點(diǎn)（保護(hù)安裝處）電壓與電流之比值。正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量阻抗為負(fù)荷阻抗;金屬性短路時(shí)，測(cè)量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路阻抗，故障后測(cè)量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。

不對(duì)稱短路時(shí)，出現(xiàn)相序分量，如兩相及單相接地短路時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序電流和負(fù)序電壓分量;單相接地時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運(yùn)行時(shí)是不出現(xiàn)的。利用短路故障時(shí)電氣量的變化，便可構(gòu)成各種原理的繼電保護(hù)。此外，除了上述反應(yīng)工頻電氣量的保護(hù)外，還有反應(yīng)非工頻電氣量的保護(hù)。

2.繼電保護(hù)的基本要求

繼電保護(hù)裝置為了完成它的任務(wù)，必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性四個(gè)基本要求。對(duì)于作用于繼電器跳閘的繼電保護(hù)，應(yīng)同時(shí)滿足四個(gè)基本要求，而對(duì)于作用于信號(hào)以及只反映不正常的運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，這四個(gè)基本要求中有些要求可以降低。

2.1 選擇性

選擇性就是指當(dāng)電力系統(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時(shí)，其繼電保護(hù)僅將故障的設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當(dāng)故障設(shè)備或線路的保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，應(yīng)由相鄰設(shè)備或線路的保護(hù)將故障切除。

2.2 速動(dòng)性

速動(dòng)性是指繼電保護(hù)裝置應(yīng)能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓運(yùn)行的時(shí)間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。一般必須快速切除的故障有：

（1）使發(fā)電廠或重要用戶的母線電壓低于有效值（一般為0.7倍額定電壓）。

（2）大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障。

（3）中、低壓線路導(dǎo)線截面過小，為避免過熱不允許延時(shí)切除的故障。

（4）可能危及人身安全、對(duì)通信系統(tǒng)或鐵路信號(hào)造成強(qiáng)烈干擾的故障。

故障切除時(shí)間包括保護(hù)裝置和斷路器動(dòng)作時(shí)間，一般快速保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為0.04s～0.08s，最快的可達(dá)0.01s～0.04s，一般斷路器的跳閘時(shí)間為0.06s～0.15s，最快的可達(dá)0.02s～0.06s。

對(duì)于反應(yīng)不正常運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，一般不要求快速動(dòng)作，而應(yīng)按照選擇性的條件，帶延時(shí)地發(fā)出信號(hào)。

2.3 靈敏性

靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運(yùn)行情況時(shí)，保護(hù)裝置的反應(yīng)能力。能滿足靈敏性要求的繼電保護(hù)，在規(guī)定的范圍內(nèi)故障時(shí)，不論短路點(diǎn)的位置和短路的類型如何，以及短路點(diǎn)是否有過渡電阻，都能正確反應(yīng)動(dòng)作，即要求不但在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下三相短路時(shí)能可靠動(dòng)作，而且在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下經(jīng)過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時(shí)也能可靠動(dòng)作。系統(tǒng)最大運(yùn)行方式：被保護(hù)線路末端短路時(shí)，系統(tǒng)等效阻抗最小，通過保護(hù)裝置的短路電流為最大運(yùn)行方式;系統(tǒng)最小運(yùn)行方式：在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)等效阻抗為最大，通過保護(hù)裝置的短路電流為最小的運(yùn)行方式。

保護(hù)裝置的靈敏性是用靈敏系數(shù)來衡量。

2.4 可靠性

可靠性包括安全性和信賴性，是對(duì)繼電保護(hù)最根本的要求。

安全性：要求繼電保護(hù)在不需要它動(dòng)作時(shí)可靠不動(dòng)作，即不發(fā)生誤動(dòng)。

信賴性：要求繼電保護(hù)在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)可靠動(dòng)作，即不拒動(dòng)。

繼電保護(hù)的誤動(dòng)作和拒動(dòng)作都會(huì)給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害。即使對(duì)于相同的電力元件，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，保護(hù)不誤動(dòng)和不拒動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響也會(huì)發(fā)生變化。

以上四個(gè)基本要求是設(shè)計(jì)、配置和維護(hù)繼電保護(hù)的依據(jù)，又是分析評(píng)價(jià)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)。這四個(gè)基本要求之間是相互聯(lián)系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實(shí)際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì)，辯證地進(jìn)行統(tǒng)一。

3.變壓器中性點(diǎn)接地的確定

3.1 變壓器中性點(diǎn)接地位置和數(shù)目的選擇原則

電力系統(tǒng)中性點(diǎn)接地方式有兩大類：一類是大接地電流系統(tǒng);一類是小接地電流系統(tǒng)。

通常，變壓器中性點(diǎn)接地位置和數(shù)目按如下兩個(gè)原則考慮：一是使零序電流保護(hù)裝置在系統(tǒng)的各種運(yùn)行方式下保護(hù)范圍基本保持不變，且具有足夠的靈敏度和可靠性;二是不使變壓器承受危險(xiǎn)的過電壓，為此，應(yīng)使變壓器中性點(diǎn)接地?cái)?shù)目和位置盡可能保持不變。

在中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)發(fā)生接地短路時(shí)，零序電流的大小和分布與電網(wǎng)中變壓器中性點(diǎn)接地?cái)?shù)目和位置有很大關(guān)系。在系統(tǒng)不失去中性點(diǎn)接地的前提下，安排一部分變壓器中性點(diǎn)接地運(yùn)行，另一部分變壓器中性點(diǎn)不接地運(yùn)行，并使變壓器中性點(diǎn)接地?cái)?shù)目及位置盡量不變，以保證零序保護(hù)動(dòng)作范圍的穩(wěn)定和具有足夠的靈敏性。

（1）在單母線運(yùn)行的發(fā)電廠和高壓母線上有電源聯(lián)絡(luò)線的變電站變壓器中性點(diǎn)應(yīng)接地。

（2）在具有兩臺(tái)以上的變壓器，而且是雙母線固定連接方式運(yùn)行的發(fā)電廠和高壓母線上有兩回以上電源聯(lián)絡(luò)線的變電所，每組母線上至少有一臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)直接接地，這樣當(dāng)母聯(lián)開關(guān)斷開后，每組母線上至少保留有一臺(tái)變壓器的中性點(diǎn)直接接地。

（3）在單電源網(wǎng)絡(luò)中，終端變電所的變壓器中性點(diǎn)一般不應(yīng)接地。

（4）在多電源的網(wǎng)絡(luò)中，每個(gè)電源處至少應(yīng)該有一個(gè)中性點(diǎn)接地，以防止中性點(diǎn)不接地的電源因某種原因與其它電源切斷聯(lián)系時(shí)，形成中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)。

（5）變壓器低壓側(cè)接入電源，當(dāng)大接地電流電網(wǎng)中發(fā)生接地短路而該電源的容量能夠維持接地點(diǎn)發(fā)生的電弧時(shí)，則變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)該接地，如果該電源的容量不是足以維持接地電弧時(shí)，則中性點(diǎn)不接地。

（6）為便于線路接地保護(hù)配合，在低壓側(cè)沒有電源的樞紐變電所，部分變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)直接接地。

（7）接在分支線上的變電所，低壓側(cè)雖無電源，但變壓器低壓側(cè)是并聯(lián)運(yùn)行的，為使橫差差動(dòng)保護(hù)正確動(dòng)作，變壓器的中性點(diǎn)應(yīng)接地。

（8）自耦型和有絕緣要求的其它變壓器，其中性點(diǎn)必須接地運(yùn)行。

3.2 變壓器中性接地的數(shù)目和位置

主變中性點(diǎn)的投入數(shù)量和位置直接影響系統(tǒng)的零序阻抗，零序阻抗的變化又改變著零序電流的分布?？紤]到零序保護(hù)的靈敏性和變壓器中性點(diǎn)絕緣，系統(tǒng)過電壓，保護(hù)整定配合等因素，零序阻抗應(yīng)基本不變。如你廠接線為雙母線，一般應(yīng)保持一條母線上有一臺(tái)變壓器接地。如為單母線，有兩臺(tái)及以上變壓器接在母線上時(shí)，就保持一臺(tái)變壓器中性點(diǎn)接地。備用變的220KV側(cè)中性點(diǎn)接地也是算作220KV系統(tǒng)的接地點(diǎn)的，與主變的中性點(diǎn)接地?zé)o異。一般情況下，備用變與中性點(diǎn)接地的主變是分別運(yùn)行于不同母線的。為了接地短路時(shí)，變壓器不會(huì)受到過電壓的危害，又能使零序電流的分布基本不變，系統(tǒng)中各變電站的變壓器接地情況如表1所示：

表1 變壓器中性點(diǎn)接地情況表

變電站名稱 A B C D E

變壓器臺(tái)數(shù) 1 2 3 4 2

220KV側(cè)中性點(diǎn)接地變壓器臺(tái)數(shù) 1 1 2 2 1

4.短路計(jì)算

4.1 短路概述

短路是電力系統(tǒng)的嚴(yán)重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地之間發(fā)生通路的情況。產(chǎn)生短路的原因有元件損壞、氣象條件惡化等。在三相系統(tǒng)中可能發(fā)生的短路有：（1）三相短路;（2）兩相短路;（3）兩相接地短路;（4）單相接地短路。電力系統(tǒng)的運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數(shù)，兩相短路較少，三相短路機(jī)會(huì)最少。從短路計(jì)算方法來看，一切不對(duì)稱短路的計(jì)算在采用對(duì)稱分量法后，都?xì)w結(jié)為對(duì)稱短路的計(jì)算。

4.2 短路計(jì)算的目的

在設(shè)計(jì)中，短路計(jì)算是其中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)。計(jì)算的目的主要有以下幾個(gè)方面：

（1）以便選擇有足夠機(jī)械穩(wěn)定度和熱穩(wěn)定度的電氣設(shè)備，如斷路器等，必須以短路計(jì)算作為依據(jù)。

（2）為了合理地配置各種繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置并正確整定其參數(shù)，必須對(duì)電力網(wǎng)中發(fā)生的各種短路進(jìn)行計(jì)算和分析。

（3）進(jìn)行電力系統(tǒng)暫態(tài)穩(wěn)定計(jì)算，研究短路對(duì)用戶工作的影響等，也包含有一部分短路計(jì)算的內(nèi)容。

（4）確定輸電線路對(duì)通訊的干擾，對(duì)已發(fā)生的故障進(jìn)行分析。

實(shí)際工作中，根據(jù)一定任務(wù)進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)，必須首先確定建設(shè)條件。一般包括，短路發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，短路的類型和發(fā)生地點(diǎn)，以及短路發(fā)生后所采取的措施等。從短路計(jì)算的角度看，系統(tǒng)的運(yùn)行方式指的是系統(tǒng)中投入運(yùn)行的發(fā)電、變電、輸電、用電設(shè)備的多少以及它們之間相互連接的情況，建設(shè)不對(duì)稱短路時(shí)，還應(yīng)包括中性點(diǎn)的運(yùn)行狀態(tài)。不同的計(jì)算目的，對(duì)應(yīng)的計(jì)算條件不同。

4.3 短路計(jì)算條件

在實(shí)際工作中，根據(jù)一定的任務(wù)進(jìn)行短路計(jì)算時(shí)必須首先確定計(jì)算條件.所謂計(jì)算條件是指短路發(fā)生時(shí)系統(tǒng)的運(yùn)行方式，短路的類型和發(fā)生地點(diǎn)，以及短路發(fā)生后所采取的措施。為使所選電器具有足夠的可靠性、經(jīng)濟(jì)性和合理性，并在一定時(shí)期內(nèi)適應(yīng)電力系統(tǒng)發(fā)展的需要，作驗(yàn)算用的短路電流應(yīng)按下列條件確定：

（1）容量和接線：按本工程設(shè)計(jì)最終容量計(jì)算，并考慮電力系統(tǒng)遠(yuǎn)景發(fā)展規(guī)劃一般為本期工程建成后的5-10年，其接線應(yīng)采用可能發(fā)生最大短路電流的正常接線方式，但不考慮在切換過程中可能短時(shí)并列的接線方式。

（2）短路種類：一般按三相短路驗(yàn)算，若其它種類短路較三相短路嚴(yán)重時(shí)，則應(yīng)按最嚴(yán)重的情況驗(yàn)算。

（3）正常工作時(shí)，三相系統(tǒng)對(duì)稱運(yùn)行。

（4）所有電源的電動(dòng)勢(shì)相位角相同。

（5）電力系統(tǒng)中各元件的磁路不飽和，即帶鐵芯的電氣設(shè)備電抗值不隨電流大小發(fā)生變化。

（6）短路發(fā)生在短路電流為最大值的瞬間。

（7）不考慮短路點(diǎn)的電弧阻抗和變壓器的勵(lì)磁電流。

（8）元件的計(jì)算參數(shù)均取其額定值，不考慮參數(shù)的誤差和調(diào)整范圍。

4.4 短路類型

由電力系統(tǒng)不對(duì)稱故障分析，短路電流正序分量可以統(tǒng)一寫成：

式中表示附加電抗，其值隨短路型式的不同而不同，上角標(biāo)（n）是代表短路類型的符號(hào)。上式表明，在簡(jiǎn)單不對(duì)稱短路的情況下，短路點(diǎn)電流的正序分量，與在短路點(diǎn)每一相中加入附加電抗而發(fā)生三相短路時(shí)的電流相等。這個(gè)概念稱為正序等效定則。短路電流的絕對(duì)值與它的正序分量的絕對(duì)值成正比，即：

式中，m（n）為比例系數(shù)，其值視短路種類而異，各種簡(jiǎn)單短路時(shí)的和m（n）如表2所示：

表2 簡(jiǎn)單短路時(shí)的和m（n）表

短路類型 m（n）

三相短路 0 1

兩相短路接地

兩相短路

單相短路 3

目前，繼電保護(hù)向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化方向發(fā)展，保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化和人工智能化對(duì)繼電保護(hù)提出了艱巨的任務(wù)，也開辟了研究開發(fā)的新天地。隨著改革開放的不斷深入、國民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)將為我國經(jīng)濟(jì)的大發(fā)展做出貢獻(xiàn)。

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