董德澤

【摘 要】科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)型和數(shù)字型繼電保護(hù)及自動(dòng)化設(shè)備越來(lái)越多的采用數(shù)字化技術(shù)和高速微處理器的計(jì)算機(jī)技術(shù)；這些先進(jìn)的產(chǎn)品，對(duì)于電力系統(tǒng)的發(fā)展和安全可靠運(yùn)行起到積極推動(dòng)作用。本文主要介紹的是幾種用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的幾種方法。

【關(guān)鍵詞】繼電保護(hù)；矢量跳躍技術(shù)；孤島保護(hù)技術(shù)；Powerformer繼電保護(hù)

經(jīng)濟(jì)的持續(xù)發(fā)展使得我國(guó)電力供應(yīng)的形勢(shì)更為嚴(yán)峻，電力系統(tǒng)的安全與可靠尤為重要電力系統(tǒng)的安全和可靠在很大程度上取決于電力設(shè)施，特別是繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置的安全和可靠所以，必須加強(qiáng)繼電保護(hù)技術(shù)監(jiān)督，實(shí)行全過(guò)程管理，不斷提高對(duì)繼電保護(hù)人員及裝置運(yùn)行的管理水平。

1.繼電保護(hù)裝置的定義、用途

（1）當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異?，F(xiàn)象時(shí)，利用一些電氣自動(dòng)裝置將故障部分從系統(tǒng)中迅速切除或在發(fā)生異常時(shí)及時(shí)發(fā)出信號(hào)，以達(dá)到縮小故障范圍，減少故障損失，保證系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。通常將執(zhí)行上述任務(wù)的電氣自動(dòng)裝置稱(chēng)作繼電保護(hù)裝置。

（2）當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生足以損壞設(shè)備或危及電網(wǎng)安全運(yùn)行的故障時(shí)，使被保護(hù)設(shè)備快速脫離電網(wǎng)：對(duì)電網(wǎng)的非正常運(yùn)行及某些設(shè)備的非正常狀態(tài)，能及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)以便迅速處理，使之恢復(fù)正常（如：小電流接地系統(tǒng)的單相接地，變壓器的過(guò)負(fù)荷等），實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化和遠(yuǎn)動(dòng)化，以及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制（如：自動(dòng)重合閘、備用電源自動(dòng)投入、遙控、遙測(cè)、遙訊等）。

2.繼電保護(hù)的工作原理

繼電保護(hù)的種類(lèi)很多，但一般情況是由測(cè)量部分、邏輯部分、執(zhí)行部分組成。測(cè)量部分從被保護(hù)對(duì)象讀取有關(guān)信號(hào)，與給定的整定值相比較，比較結(jié)果輸出至邏輯部分。邏輯部分根據(jù)測(cè)量部分各輸出量的大小性質(zhì)、出現(xiàn)的順序或它們的組合，決定是否動(dòng)作。如需動(dòng)作，則發(fā)出信號(hào)給執(zhí)行部分；由執(zhí)行部分立即或延時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)或跳閘信號(hào)。

3.幾種用于電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的幾種方法。

3.1電壓矢量跳躍技術(shù)在繼電保護(hù)中的應(yīng)用

三相平衡交流供電網(wǎng)的電壓，其大小和相位是相對(duì)穩(wěn)定的，只要系統(tǒng)阻抗或電流不發(fā)生改變，則系統(tǒng)電壓矢量基本維持不變。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，突變電流將導(dǎo)致電壓相角跳變。如突變電流增大，則系統(tǒng)短路；突變電流為零，則系統(tǒng)開(kāi)路失壓。系統(tǒng)開(kāi)路時(shí)電壓矢量跳躍的情況。

常用的差動(dòng)保護(hù)原理是利用比較被保護(hù)設(shè)備兩端電流的大小和相位作為啟動(dòng)判據(jù)，不反應(yīng)區(qū)外故障或電網(wǎng)的擾動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)故障，由于二三相重合閘，會(huì)引起發(fā)電機(jī)輸出電壓或頻率的波動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)、可能出現(xiàn)異步情況，損壞發(fā)電機(jī)或者發(fā)電機(jī)和設(shè)備之間的傳動(dòng)裝置。監(jiān)視電壓相角可作為確定饋線(xiàn)受擾的依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，突變電流將導(dǎo)致電壓相角跳變，跳變相角△由負(fù)載變化的大小和性質(zhì)決定。△的變化作為保護(hù)啟動(dòng)的判據(jù)，當(dāng)它超過(guò)保護(hù)設(shè)置的限值時(shí)，將開(kāi)斷發(fā)電機(jī)或跳耦合斷路器。這意味著矢量跳躍主要用于電網(wǎng)去耦。

具有矢量跳躍功能的微機(jī)保護(hù)裝置，尤其適應(yīng)于以下幾個(gè)類(lèi)型的保護(hù)。

水輪機(jī)、蓄能發(fā)電機(jī)、入網(wǎng)發(fā)電站、柴油發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、工業(yè)電力站、傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電站、大中型同步電動(dòng)機(jī)、大中型主變壓器。

3.2分布式發(fā)電中的孤島保護(hù)技術(shù)

孤島（Islanding）效應(yīng)，是指當(dāng)電網(wǎng)失電后，分布式發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)向一部分負(fù)荷供電的情況。如果配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在保證電力系統(tǒng)安全的前提下，盡可能維持DG正常供電，而將配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為若干孤島自治運(yùn)行，將可以減小停電面積，提高供電可靠性，對(duì)電網(wǎng)公司、DG發(fā)電商和用戶(hù)都是有利的。

但是非計(jì)劃性孤島運(yùn)行時(shí)也會(huì)有很?chē)?yán)重的后果：（1）電網(wǎng)無(wú)法控制孤島中的電壓和頻率，如果電壓和頻率超出允許的范圍，可能會(huì)對(duì)用戶(hù)的設(shè)備造成損壞；（2）如果負(fù)載容量大于逆變電源容量，逆變電源過(guò)載運(yùn)行，易被燒毀；（3）與逆變電源相連的線(xiàn)路仍然帶電，對(duì)檢修人員造成危險(xiǎn)，降低電網(wǎng)的安全性；（4）對(duì)孤島進(jìn)行重合閘操作會(huì)導(dǎo)致該線(xiàn)路再次跳閘，還有可能損壞逆變電源和其它設(shè)備?？梢?jiàn)，研究孤島檢測(cè)方法及保護(hù)措施，將孤島產(chǎn)生的危害降至最低具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)主電網(wǎng)跳閘時(shí)，分布式發(fā)電裝置的非計(jì)劃運(yùn)行將對(duì)用戶(hù)以及配電設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，因此實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式發(fā)電裝置必須具備反孤島保護(hù)的功能，即具有檢測(cè)孤島效應(yīng)并及時(shí)與電網(wǎng)切離的功能。

3.3 Powerformer繼電保護(hù)技術(shù)

Powerformer電纜的外半導(dǎo)體層按一定間隔多點(diǎn)接地，可以認(rèn)為其外半導(dǎo)體層的電位和地電位相同，這意味著繞組的電場(chǎng)集中于電纜的內(nèi)外半導(dǎo)體層之間，泄漏出去的電場(chǎng)很少，可以認(rèn)為Powerformer電纜之間不存在電氣耦合關(guān)系，這和常規(guī)發(fā)電機(jī)的情況有所不同。所以，分析常規(guī)發(fā)電機(jī)繞組對(duì)地電容電流時(shí)必須要考慮匝間、繞組間和相間的耦合電容，在分析Powerformer的電容電流時(shí)可以忽略不計(jì)。根據(jù)上述假設(shè)，對(duì)于用同轱絕緣電纜繞制的電機(jī)來(lái)說(shuō)，由于外半導(dǎo)體層是地電位，繞組內(nèi)的電場(chǎng)僅存在于內(nèi)、外半導(dǎo)體層之間，其對(duì)地電容僅由內(nèi)、外半導(dǎo)體層之間的充電放電形成。類(lèi)似于同軸圓柱管的電容計(jì)算公式，該對(duì)地電容的單位長(zhǎng)度大小為：

C0=2πε0εrln（r2/r1）

式中：絕對(duì)介電常數(shù)ε0=8.854e-12；相對(duì)介電常數(shù)εr=2～3；r1是內(nèi)半導(dǎo)體層的外半徑；r2是外半導(dǎo)體層的內(nèi)半徑。

3.3.1 Powerformer非全相保護(hù)

Powerformer非全相運(yùn)行時(shí)將在其中性點(diǎn)產(chǎn)生很高的位移電壓，而其分級(jí)絕緣的特點(diǎn)使中性點(diǎn)附近成為耐受過(guò)電壓的薄弱環(huán)節(jié)。相對(duì)常規(guī)發(fā)電機(jī)而言為Powerformer配置專(zhuān)門(mén)的非全相保護(hù)更為必要。作者在分析非全相運(yùn)行狀態(tài)特點(diǎn)的基礎(chǔ)上提出了一種基于Powerformer機(jī)端零序電壓和定于繞組負(fù)序電流的非全相運(yùn)行保護(hù)方案。由于系統(tǒng)發(fā)生單相或兩相接地故障時(shí)也會(huì)有負(fù)序電流流過(guò)Powerformer，并在其中性點(diǎn)產(chǎn)生零序電壓，所以非全相保護(hù)還必須借助其他信息，斷路器輔助觸點(diǎn)信息為常用的有效選擇。然而，單純依賴(lài)輔助觸點(diǎn)的信息反應(yīng)非全相運(yùn)行在工程實(shí)踐中已經(jīng)被證明并不完全可靠，形成完備的非全相保護(hù)還將有其他考慮。根據(jù)前面的分析，可以形成基于i2，u0和斷路器輔助觸點(diǎn)信息的Powerformer非全相保護(hù)方案。

3.3.2 Powerformer新型能量方向保護(hù)

新型能量方向保護(hù)利用Powerformer機(jī)端處的零序電流和母線(xiàn)處的零序電壓，通過(guò)分析能量方向檢測(cè)接地故障，基本能夠?qū)崿F(xiàn)100%定子接地保護(hù)。由于Powerformer不需要升壓變壓器的作用直聯(lián)高壓電網(wǎng)，其故障特點(diǎn)與傳統(tǒng)發(fā)電機(jī)有所差別。當(dāng)Powerformer發(fā)生定子單相接地故障時(shí)，商壓電網(wǎng)對(duì)故障的影響較大。因?yàn)闆](méi)有升壓變壓器繞組的隔離，高壓電網(wǎng)將成為發(fā)電機(jī)部分重要的諧波源。零序電流量值足夠大，可以精確測(cè)量，從而能夠確定零序功率的方向，對(duì)Powerformer的內(nèi)部故障和外部故障進(jìn)行區(qū)分。

建國(guó)以來(lái)，我國(guó)電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)經(jīng)歷了4個(gè)發(fā)展階段。隨著電力系統(tǒng)的高速發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)步，繼電保護(hù)技術(shù)面臨著進(jìn)一步發(fā)展的趨勢(shì)。國(guó)內(nèi)外繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)為：計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)化，保護(hù)、控制、測(cè)量、數(shù)據(jù)通信一體化和人工智能化，這對(duì)繼電保護(hù)工作者提出了艱巨的任務(wù)，也開(kāi)辟了進(jìn)一步發(fā)展的廣闊天地。

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