用于继电保护中的几种技术方法

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用于继电保护中的几种技术方法

【摘 要】科学技术的发展，微机型和数字型继电保护及自动化设备越来越多的采用数字化技术和高速微处理器的计算机技术；这些先进的产品，对于电力系统的发展和安全可靠运行起到积极推动作用。本文主要介绍的是几种用于电力系统继电保护的几种方法。



【关键词】继电保护；矢量跳跃技术；孤岛保护技术；Powerformer继电保护



经济的持续发展使得我国电力供应的形势更为严峻，电力系统的安全与可靠尤为重要电力系统的安全和可靠在很大程度上取决于电力设施，特别是继电保护和安全自动装置的安全和可靠所以，必须加强继电保护技术监督，实行全过程管理，不断提高对继电保护人员及装置运行的管理水平。



1.继电保护装置的定义、用途

（1）当电力系统发生故障或异常现象时，利用一些电气自动装置将故障部分从系统中迅速切除或在发生异常时及时发出信号，以达到缩小故障范围，减少故障损失，保证系统安全运行的目的。通常将执行上述任务的电气自动装置称作继电保护装置。



（2）当电网发生足以损坏设备或危及电网安全运行的故障时，使被保护设备快速脱离电网：对电网的非正常运行及某些设备的非正常状态，能及时发出警报信号以便迅速处理，使之恢复正常（如：小电流接地系统的单相接地，变压器的过负荷等），实现电力系统自动化和远动化，以及工业生产的自动控制（如：自动重合闸、备用电源自动投入、遥控、遥测、遥讯等）。



2.继电保护的工作原理

继电保护的种类很多，但一般情况是由测量部分、逻辑部分、执行部分组成。测量部分从被保护对象读取有关信号，与给定的整定值相比较，比较结果输出至逻辑部分。逻辑部分根据测量部分各输出量的大小性质、出现的顺序或它们的组合，决定是否动作。如需动作，则发出信号给执行部分；由执行部分立即或延时发出警报信号或跳闸信号。



3.几种用于电力系统继电保护的几种方法。

3.1电压矢量跳跃技术在继电保护中的应用

三相平衡交流供电网的电压，其大小和相位是相对稳定的，只要系统阻抗或电流不发生改变，则系统电压矢量基本维持不变。当系统故障时，突变电流将导致电压相角跳变。如突变电流增大，则系统短路；突变电流为零，则系统开路失




压。系统开路时电压矢量跳跃的情况。



常用的差动保护原理是利用比较被保护设备两端电流的大小和相位作为启动判据，不反应区外故障或电网的扰动。当系统故障，由于二三相重合闸，会引起发电机输出电压或频率的波动。严重时、可能出现异步情况，损坏发电机或者发电机和设备之间的传动装置。监视电压相角可作为确定馈线受扰的依据。当系统故障时，突变电流将导致电压相角跳变，跳变相角△由负载变化的大小和性质决定。△的变化作为保护启动的判据，当它超过保护设置的限值时，将开断发电机或跳耦合断路器。这意味着矢量跳跃主要用于电网去耦。



具有矢量跳跃功能的微机保护装置，尤其适应于以下几个类型的保护。

水轮机、蓄能发电机、入网发电站、柴油发电机、汽轮机、工业电力站、传统的蒸汽发电站、大中型同步电动机、大中型主变压器。



3.2分布式发电中的孤岛保护技术

孤岛（Islanding）效应，是指当电网失电后，分布式发电系统继续向一部分负荷供电的情况。如果配电网发生故障后，在保证电力系统安全的前提下，尽可能维持DG正常供电，而将配电网转化为若干孤岛自治运行，将可以减小停电面积，提高供电可靠性，对电网公司、DG发电商和用户都是有利的。



但是非计划性孤岛运行时也会有很严重的后果：（1）电网无法控制孤岛中的电压和频率，如果电压和频率超出允许的范围，可能会对用户的设备造成损坏；（2）如果负载容量大于逆变电源容量，逆变电源过载运行，易被烧毁；（3）与逆变电源相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险，降低电网的安全性；（4）对孤岛进行重合闸操作会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏逆变电源和其它设备。可见，研究孤岛检测方法及保护措施，将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实意义。当主电网跳闸时，分布式发电装置的非计划运行将对用户以及配电设备造成严重损害，因此实际电网系统中分布式发电装置必须具备反孤岛保护的功能，即具有检测孤岛效应并及时与电网切离的功能。



3.3 Powerformer继电保护技术

Powerformer电缆的外半导体层按一定间隔多点接地，可以认为其外半导体层的电位和地电位相同，这意味着绕组的电场集中于电缆的内外半导体层之间，泄漏出去的电场很少，可以认为Powerformer电缆之间不存在电气耦合关系，这和常规发电机的情况有所不同。所以，分析常规发电机绕组对地电容电流时必须要考虑匝间、绕组间和相间的耦合电容，在分析Powerformer的电容电流时可以忽略不计。根据上述假设，对于用同轱绝缘电缆绕制的电机来说，由于外半导体层是地电位，绕组内的电场仅存在于内、外半导体层之间，其对地电容仅由内、外半导体层之间的充电放电形成。类似于同轴圆柱管的电容计算公式，该对地电容的单位长度大小为：






C0=2πε0εrln（r2/r1）

式中：绝对介电常数ε0=8.854e-12；相对介电常数εr=2～3；r1是内半导体层的外半径；r2是外半导体层的内半径。



3.3.1 Powerformer非全相保护

Powerformer非全相运行时将在其中性点产生很高的位移电压，而其分级绝缘的特点使中性点附近成为耐受过电压的薄弱环节。相对常规发电机而言为Powerformer配置专门的非全相保护更为必要。作者在分析非全相运行状态特点的基础上提出了一种基于Powerformer机端零序电压和定于绕组负序电流的非全相运行保护方案。由于系统发生单相或两相接地故障时也会有负序电流流过Powerformer，并在其中性点产生零序电压，所以非全相保护还必须借助其他信息，断路器辅助触点信息为常用的有效选择。然而，单纯依赖辅助触点的信息反应非全相运行在工程实践中已经被证明并不完全可靠，形成完备的非全相保护还将有其他考虑。根据前面的分析，可以形成基于i2，u0和断路器辅助触点信息的Powerformer非全相保护方案。



3.3.2 Powerformer新型能量方向保护

新型能量方向保护利用Powerformer机端处的零序电流和母线处的零序电压，通过分析能量方向检测接地故障，基本能够实现100%定子接地保护。由于Powerformer不需要升压变压器的作用直联高压电网，其故障特点与传统发电机有所差别。当Powerformer发生定子单相接地故障时，商压电网对故障的影响较大。因为没有升压变压器绕组的隔离，高压电网将成为发电机部分重要的谐波源。零序电流量值足够大，可以精确测量，从而能够确定零序功率的方向，对Powerformer的内部故障和外部故障进行区分。



建国以来，我国电力系统继电保护技术经历了4个发展阶段。随着电力系统的高速发展和计算机技术、通信技术的进步，继电保护技术面临着进一步发展的趋势。国内外继电保护技术发展的趋势为：计算机化，网络化，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化，这对继电保护工作者提出了艰巨的任务，也开辟了进一步发展的广阔天地。



【参考文献】

[1]吴斌，刘沛，陈德树.继电保护中的人工智能及其应用[J].力系统自动化，l995（4）.



[2]国家电力调度通信中心.电力系统继电保护实用技术问答[M].北京：中国电力出版社，l999.



[3]高艳，林湘宁，刘沛. Powerformer非全相运行保护[J].电力系统自动化，2007，31（6）：48-51，107.

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