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時間︰2020-01-06??閱讀︰773
主要的繼電保護相關原理歸納總結
 
一、線路主保護(縱聯保護)
 
縱聯保護︰利用某種通信通道將輸電線路兩端的保護裝置縱向連接起來,將各端的電氣量傳送到對端,將各端的電氣量進行比較,一判斷故障在本線路範圍內還是範圍之外,從而決定是否切斷被保護線路。
任何縱聯保護總是依靠通道傳送的某種信號來判斷故障的位置是否在被保護線路內,信號按期性質可分為三類︰閉鎖信號、允許信號、跳閘信號。
閉鎖信號︰收不到這種信號是保護動作跳閘的必要條件。
允許信號︰收到這種信號是保護動作跳閘的必要條件。
跳閘信號︰收到這種信號是保護動作與跳閘的充要條件。
按輸電線路兩端所用的保護原理分,可分為︰(縱聯)差動保護、縱聯距離保護、縱聯方向保護。
 
通道類型︰一、導引線通道;二、載波(高頻)通道;三、微波通道;四、光縴通道。
1.(縱聯)差動保護
 
(縱聯)差動保護︰原理是根據基爾霍夫定律,即流向一個節點的電流之和等于零。
差動保護存在的問題︰
 
(一).對于輸電線路
電容電流︰電容電流從線路內部流出,因此對于長線路的空載或輕載線路容易誤動。
      解決辦法︰提高啟動電流值(犧牲靈敏度);加短延時(犧牲快速性);必要是進行電容電流補償。
*注︰穿越性電流就是在保護區外發生短路時,流入保護區內的故障電流。穿越電流不會引起保護誤動。
   2.TA斷線,造成保護誤動
解決辦法︰使差動保護要發跳閘命令必須滿足如下條件︰本側起動原件起動;本側差動繼電器動作;收到對側“差動動作”的允許信號。
 
保護向對側發允許信號條件︰保護起動;差流元件動作
    3.弱電側電流縱差保護存在問題(變壓器不接地系統的弱電側在輕載或空載時電流幾乎沒有變化)
解決辦法︰除兩側電流差突變量起動元件、零序電流起動元件和不對應起動元件外,加裝一個低壓差流起動元件。
    4.高阻接地是保護靈敏度不夠
    在線路一側發生高阻接地短路時,遠離故障點的一側各個起動元件可能都不啟動,造成兩側差動保護都不能切除故障。
解決辦法︰由零序差動繼電器,通過低比率制動系數的穩態相差元件選相,構成零序1段差動繼電器,經延時動作。
*注︰比率制動差動即一個和電流(差動),一個差電流(制動),兩者綜合考慮,差電流越大,才能動作。
5.采樣不同步
解決辦法︰改進技術
6.死區故障
解決辦法︰遠跳
線路M、N側。將M側母線保護動作的接點接在電流差動保護裝置的“遠跳”端子上,保護裝置發現該端子的輸入接點閉合後立即向N側發“遠跳”信號。N側接收到該信號後再經(也可不經)起動元件動作作為就地判據發三相跳閘命令並閉鎖重合閘。
*注︰3/2接線方式中母線保護動作是不允許發“遠跳”信號的,而是母線保護起動失靈保護,失靈保護動作後起動“遠跳”跳對側斷路器。
 
(二).對于主變
在空載投入變壓器、或者是外部故障切除電壓恢復時,變壓器電流表指針會有很劇烈的擺動,然後再返回正常的空載電流值,這個沖擊電流就是所謂的勵磁涌流。它有以下幾個特點︰
1、涌流含有數值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波),主要是二次諧波,因此,勵磁涌流的變化曲線為尖頂波,並且有明顯的間斷角。
2、勵磁涌流的衰減常數與鐵芯的飽和程度有關,飽和越深,電抗越小,衰減越快。因此,在開始瞬間衰減很快,以後逐漸減慢。
3、一般情況下,變壓器容量越大,衰減的持續時間越長,但總的趨勢是涌流的衰減速度往往比短路電流衰減慢一些。
4、勵磁涌流的數值很大,最大可達額定電流的6~8倍。當整定一台斷路器控制一台變壓器時,其速斷可按變壓器勵磁電流來整定。
根據這些特點,可以提出相應的解決辦法。比如采用帶有飽和變流器的差動繼電器構成差動保護;利用二次諧波制動原理構成差動保護。
 
二.縱聯方向保護
 
縱聯方向保護是在規定正方向的情況下,通過比較故障分量電壓和和電流在模擬阻抗上產生的電壓之間的相位,
 
 
正方向故障時,其功率方向為正,如上面公式所示。這是在假定各個阻抗的阻抗角相等的理想情況下的出來的,而在考慮各種因素的影響時,工頻突變量的方向元件在正方向故障時功率方向為正的判據為(270°,90°),即左半區域內,可以理解為阻抗部分的電阻值一定為負值,即所謂的電阻應該是變小的。
反之,就容易得出另一個判據,反方向時判據為(90°,-90°)。
縱聯方向保護的原理決定它有以下幾個特點︰
不受負荷狀態的影響;
不受故障點過渡電阻的影響;
故障分量的電壓、電流間的橡膠與系統電阻決定,方向明確;
可消除電壓死區;
不受系統振蕩影響。
縱聯距離保護
縱聯距離保護和縱聯方向保護類似,只是將方向元件改成了距離元件。
距離保護通過比較短路點與保護安裝處的線路阻抗Zm和整定阻抗Zset,有以下三種情形︰
1、Zm<zset,說明在保護區內,保護動作;< p=""></zset,說明在保護區內,保護動作;<>
2、Zm>Zset,說明在保護區外,保護不動作;
3、Zm在Zset的反方向,說明為反方向故障,保護不動作。
從它的保護原理,即通過比較兩者的阻抗值可知,在考慮一定的裕量,以及發生高阻接地是要保證靈敏性的要求下,距離保護不能保護線路的全長,一般來說,距離1段能保護線路全長的80%;距離II段保護全長及下一線路的一部分;距離III段保護下一線路全全長,作為下一線路的遠後備。
縱聯距離保護歸根于距離保護的一段,即距離I段。
縱聯距離保護很少受系統運行方式、網絡結構和負荷變化的影響。但它受系統振蕩的影響、在串補電容線路上整定困難。
距離保護還可以兼做本線路和相鄰線路的後備保護用。
 
三、重合閘
 
電力系統的運行經驗表明,架空線路故障大都是“瞬時性”故障,這些故障發生時,繼電保護動作開關斷開,電弧很快自然熄滅,這時故障點的絕緣強度重新恢復,此時,合上斷路器能夠恢復正常供電。
重合閘的優點明顯︰首先能提高供電的可靠性,尤其是單回路線路;同事,也能提高電力系統並列運行的穩定性;對斷路器機構本身或繼電保護的誤動作引起的誤跳閘也能進行糾正補救。
重合閘的缺點在于︰當重合于永久性故障時,電力系統又受到了一次故障的沖擊,有可能降低並列運行的穩定性;同時,它要求斷路器在短時內連續兩次切斷短路電流,對短路器的滅弧能力要求高。
重合閘不應動作的情況︰1)由值班人員手動或操作遙控裝置將斷路器斷開;2)手動合閘。
重合閘起動方式有位置不對應起動(偷跳)和保護戶跳閘起動。
重合閘的單重、三重和綜重
單相重合閘是指︰線路上發生單相接地故障的時候,保護動作只跳開故障相的斷路器並單相重合閘;
三重是指︰不管線路上單相接地故障還是相間短路故障,都跳開三相,再三相重合閘;
 綜合重合閘是指︰當發生單相接地故障時采用單相重合閘方式,當發生相間短路時采用三相重合閘方式。
一般來說,對于110kV及以下線路,采用單重方式;對于220kV及以上線路,采用多重方式;對于孤立線路,沒有形成環網等特殊情況采用綜重,各種方式的采用是綜合考慮線間距離而導致的故障類型的可能性、供電的可靠性以及對系統的沖擊來考慮的。
重合閘的動作時間
一方面,為了縮短電源斷開時間,希望動作時限越短越好;另一方面,重合閘前要保證滅弧使介質絕緣強度恢復,這包括兩點內容︰一為斷路器機構滅弧室;二為故障點的電弧熄滅。綜合來看,重合閘的時間又不能太短,一般來說為,220kV0.8s,500kV0.6s。
檢無壓和檢同期
 
檢無壓︰在合開關前,先檢測開關線路側是否有電壓,確定無電壓後,再合開關。
檢同期︰在和開關前,先檢測開關兩端是否滿足同期條件(電壓和相位都相同),再合開關。
兩側跳閘後,線路無壓,這時投無壓側先將開關合上,另一側檢同期後再合閘。如果兩側均投檢同期,由于線路無壓,母線側有壓,兩側開關均不滿足同期條件,將無法操作。
如果一側投檢無壓,另一側投檢同期,那麼,檢無壓一側,在斷路器由于某種原因(誤踫或保護誤動時)而跳閘,對側並未動作,此時線路有壓,不能重合。因此,兩側均應裝有檢無壓和檢同期,但是,一側投檢無壓和檢同期後,另一側只能夠檢同期,否則出現同時檢無壓重合閘導致非同期合閘,此時,在檢同期繼電器觸點回路中要串接檢無壓的觸點。(兩側重合閘的配合問題)
 
重合閘是,一般在系統側投檢無壓,靠近電廠側投檢同期,是為了防止重合于永久性故障時,再一次對發電機組造成沖擊。
同樣的考慮還有500kV線路3/2接線方式的采用邊開關先合,因為開關重合于永久性故障並且開關此時不能跳開時,系統的停電範圍影響(停一條母線,還是相鄰的一條線路),因為對于500kV線路來說,線路在一般情況下比母線更重要。
需要說明的是,對于單重方式,就不存在檢同期,因為兩相仍處于合閘狀態。
 
四、斷路器保護
 
斷路器保護的功能配置︰
失靈保護
 
對于3/2接線,斷路器分為邊斷路器和中斷路器,兩者失靈時所跳的斷路器有所不同,前者是跳中斷路器和所連母線上所有邊斷路器;後者是跳兩個邊斷路器,並且發遠跳跳開線路對側的與線路相連的斷路器。
一般來說,220kV及以下的失靈配置母差保護來完成,而500kV3/2接線時,則由斷路器保護完成失靈
失靈保護的動作條件
故障相失靈︰按相對應的線路保護跳閘接點和失靈過流高定值都動作後,先經可整定的失靈跳本開關時間延時定值發三相跳閘命令跳本斷路器,再經可整定的失靈跳相鄰開關延時定值發失靈保護動作跳相鄰斷路器。
非故障相失靈的實現︰由三相跳閘輸入接點保持失靈過流高定值動作元件,並且失靈過流低定值動作元件連續動作,此時輸出的動作邏輯先經可整定的失靈跳本開關時間延時定值發三相跳閘命令跳本斷路器,再經可整定的失靈跳相鄰開關延時定值發失靈保護動作跳相鄰斷路器。
發變三跳起動失靈回路的實現︰由發、變三跳起動的失靈保護可分別經低功率因素、負序過流和零序過流三個輔助判據開放。三個輔助判據均可由整定控制字投退。輸出的動作邏輯先經可整定的失靈跳本開關時間延時定值發三相跳閘命令跳本斷路器,再經可整定的失靈跳相鄰開關延時定值發失靈保護動作跳相鄰斷路器。
500kV開關失靈︰
 
   開關的失靈保護是在開關保護里實現的,線路保護的分相跳閘命令來自操作箱的三相跳閘命令TJR開入至開關保護開關保護內部邏輯判斷--過流判據(失靈高定值0.6A,失靈低定值0。4A),滿足失靈條件時經第一時限0.13s跳本開關,0.2s跳相鄰開關即SLJ觸點閉合。
 
對于邊開關來說,兩個SLJ觸點跳相鄰中開關;兩個SLJ觸點起動母差失靈;另有四個SLJ觸點開入至發信裝置起動發信遠跳。
 
三跳接點可以分為三種︰TJQ 三跳啟動重合閘、啟動失靈——目前基本沒有什麼用(單重);
TJR 三跳不啟重合閘、啟動失靈——母線保護、電抗器、失靈保護、遠跳等的出口;
TJF三跳不啟重合閘、不啟失靈——非電量出口(不一致、本體等 ),三相不一致、瓦斯
TJQ為三跳繼電器,不閉鎖重合閘,在一些三跳三重的場合TJQ動作還是允許重合的。如果此時去啟動遠跳回路肯定是不合適。
TJR為永跳繼電器,閉鎖重合閘,往往母差保護及一些需閉鎖重合閘的動作通過它來出口。TJR一但動作,肯定不能重合,用它來啟動遠跳回路。
220kV開關失靈︰
 
1.線路開關失靈
 
線路開關的失靈保護由線路保護、開關保護、失靈保護共同實現的,線路保護的分相跳閘命令來自操作三相跳閘命令TJR和TJQ與開關輔助保護過流判據(失靈電流定值)串聯,開入至失靈保護屏,經失靈出口短延時跳母聯/分段,失靈長延時跳該母線上所連接的所有開關。
2.母聯/分段開關失靈
 
母聯/分段開關的失靈保護由母差保護實現的,來自操作的三相跳閘命令TJR開入母差保護屏,有母差保護經過流判據(母聯失靈電流定值)實現失靈保護,滿足失靈條件時經延時跳兩條母線上的所有開關。
3.變中開關失靈
 
變中開關失靈有主變保護屏起動,借助失靈屏跳主變三側。經內部邏輯判斷後,開入之失靈屏的變中失靈中;同時主變保護屏的跳中壓側開關的命令開入至失靈屏解除復壓閉鎖;兩者條件同時滿足,使得保護元件和閉鎖元件觸電同時動作,從而實現聯跳主變三側。
4.自動重合閘
 
(前面已有提及)
5.三相不一致保護
 
定義︰斷路器只有一相或兩相跳開,三相跳位開入不一致,非全相狀態(此時系統中有零序/負序分量),它的控制字為“不一致經零序開放投”“不一致經負序開放投”,閉鎖重合閘,不啟動失靈(TJF)。
6.充電保護
 
充電保護由按相構成的兩段兩時限相過流和一段零序過流組成。充電保護動作後,起動失靈保護。僅在線路(變壓器)充電時投入,充電正常後立即退出。
7.死區保護
 
死區保護是為開關CT間故障時,開關跳開並不能切除故障,此時,為減小這種故障對系統的影響而設置的比失靈保護動作更快的保護。
動作邏輯為︰當裝置收到跳閘信號和TWJ信號,且死去過流元件動作仍不返回,受死區保護投入控制經整定延時起動死區保護,出口回路與失靈一致。(動作延時更小)
1).CT和開關之間
 
2).死區保護與失靈保護公用出口
 
3).動作時間比失靈保護動作快
 
動作條件︰三相跳閘接點;三相跳位;死區電流動作;死區延時
 
對于3/2接線,
 
8.跟跳
 
單相跟跳︰收到線路保護來的A/B/C單相跳閘信號,並且相應的高定值電流元件動作,瞬時分相跳閘。
兩相跳閘聯跳三相,收到而且僅收到線路保護來的兩相跳閘信號,並且任一相的高定值電流元件動作,經15MS延時聯跳三相。
三相跟跳︰收到三相跳閘信號,並且任一相的高定值電流元件動作,瞬時三相跳閘出口。
 
五、主變保護
 
1.瓦斯保護
 
反應于油箱內部所產生的氣體或油流而動作,它可防御變壓器油箱各種短路故障和油面的降低,切具有很高的靈敏度。瓦斯保護有重輕之分,一般重瓦斯保護動作于跳開格策開關,輕瓦斯保護動作于信號。
2.縱聯差動保護和電流保護
用于防御變壓器繞組和引出線的各種相間短路故障、繞組的匝間短路故障(不能反映繞組很少的匝間短路故障)以及中性點直接接地系統側繞組和引出線的單相接地短路。
縱差保護存在的問題︰1°變比不同、分接頭位置不同以及電流互感器的勵磁特性不同,均會引起偏差,一般可以通過增設平衡繞組或改變微機保護的算法來補償。2°勵磁涌流,正常時,由于勵磁電流很小,影響可不及,但在空載或者外部故障切除後電壓恢復時,會有很大的勵磁涌流,並且這種電流只流過電壓器繞組的其中一側,將會引起很大的差流,引起誤跳閘,可以通過二次諧波量和間斷角等識別勵磁涌流。
3.反映外部相間短路故障的後備保護
對于外部相間短路引起的變壓器過電流,同時作為變壓器瓦斯保護、縱聯差動保護的後備保護,可采用的保護有過電流保護、低電壓起動的過電流保護、復合電壓起動的過電流保護、負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護以及阻抗保護等。
4.反應外部接地短路故障的後備保護
對中性點直接接地電力網中,有外部接地短路引起過電流時,如變壓器中性點接地運行應裝設零序電流保護。零序電流保護可由兩段組成,每段可各帶兩個時限,並均以較短的時限動作于縮小故障影響範圍,或動作于本側斷路器,以較長的實現動作于斷開變壓器各側斷路器。
5.過負荷保護
過負荷延時動作于信號,無人站必要時可動作于自動減負荷或跳閘。
6.過勵磁保護
大型變壓器需裝設過勵磁保護,由于變壓器鐵心中的磁通密度B與電壓/頻率比U/f成正比,因此當電壓升高和頻率降低時會引起變壓器過勵磁,鐵耗增加、發熱,嚴重時甚至引起絕緣損壞。
7.其他非電量保護
本體和有載調壓部分的油溫保護、壓力釋放保護、風冷保護、過載閉鎖有載調壓保護。
 
六、母線保護
 
斷路器套管及母線絕緣子閃絡、母線PT故障、運行人員的誤踫誤操作均會引起母線短路故障。
母線故障的保護方法︰根據電壓等級的不同,對于35kV及以下母線,一般利用母線相連元件的保護裝置來切除故障(比如過電流保護),即不單獨設置母線保護;而對于110kV及以上的母線,涉及到的負荷相對更大,這是為保證供電的可靠性,應該有選擇性地切除任一組母線上的故障,並且另一段無故障母線仍能繼續運行,這是就配置專用的母線保護。
母線保護是以CT為分界點的,這也是因為母線保護按差動原理構成有關。因為差動保護能滿足速動性和選擇性的要求。
母線差動原則︰
1.區外故障時,母線所連支路中流入和流出的電流相等;
2.區內故障時,所有的電流幾乎流向短路故障點,此時,流入和流出的電流不相等。
3.從相位上來看,區外故障時,至少有一條支路的電流相位和其他支路相反;而區內故障時,由于電流都流向故障點,此時電流都是同相位的。
完全差動和不完全差動︰
 
不完全差動需,1)躲開外部短路時產生的不平衡電流;2)躲開母線連接元件中,最大負荷支路的最大負荷電流,以防止電流二次回路斷線時誤動。
母線不完全差動保護只需將連接于母線的各有電源元件上的電流互感器,接入差動回路,在無電源元件上的電流互感器不接入差動回路。因此在無電源元件上發生故障,它將動作。電流互感器不接入差動回路的無電源元件是電抗器或變壓器。
雙母線接線方式的大差和小差
雙母線固定連接方式的完全電流差動保護︰由三組差動保護組成,1M小差動,2M小差動,1M、2M大差動。
有大差之後,在母線運行方式發生變化時,由于小差通過大差閉鎖來動作開關,可以有效閉鎖區外故障時差動保護誤動作。
同樣,在運行方式發生變化時,對于區內故障,會由大差繼電器首先動作于母聯開關,然後,小差I 、II繼電器均有故障電流時會跳開兩條母線。此種情況下會擴大停電範圍。
母聯電流相位比較式差動保護︰第一部分,進線和出線電流總電流繼電器KA;第二部分,總差流,母聯斷路器電流和相位比較繼電器KP。正常或區外故障時,KA不啟動,不會誤動;區內故障時,由KA判斷區內故障,由KP判斷故障母線。這種方式的缺點在于單母線運行時,需配置另一套單母線運行保護。
 
舉例說明母差動作︰
 
1)如果變電站A中母差保護動作(母線故障),開關1跳開,對側的開關2會跳開嗎?如果跳開的話,是不是通過變電站A母差保護操作箱中TJR發的遠跳命令呢?
2)如果變電站A中母差保護動作(母線故障),開關1拒跳,對側的開關2會跳開。以前的培訓說的是,母差保護動作,開關拒動會停信(閉鎖式保護),使開關2跳開。我在想,如果母差保護動作就會啟動操作箱中TJR發遠跳命令的話,就用不著停信使開關2跳開了。
準確的說是母差保護跳令發送至操作箱的TJR繼電器,TJR除跳閘,啟動失靈外,同時給保護的"遠跳開入"回路發一個開入,保護接到"遠跳開入"開入量後,就向對側保護發遠跳命令,使對側斷路器跳閘。
所以說根本的東西在于保護是否接到"遠跳開入",如果接到了,就會向對側保護發遠跳命令。如果接線正確,不論開關是否拒跳,都會有︰母差跳閘=>啟動TJR=>保護收到遠跳開入=>對側斷路器跳閘(是否經啟動控制要視控制字而定)。
TJQ為三跳繼電器,不閉鎖重合閘,在一些三跳三重的場合TJQ動作還是允許重合的。如果此時去啟動遠跳回路肯定是不合適。
TJR為永跳繼電器,閉鎖重合閘,往往母差保護及一些需閉鎖重合閘的動作通過它來出口。TJR一但動作,肯定不能重合,用它來啟動遠跳回路。
本側母差都動作了說明是母線故障,本側開關跳開,現在如果線路保護是光縴縱差保護,母差保護動作啟動TJR,TJR一副接點去啟動遠跳讓對側結合控制字是否需經本側啟動控制直接跳閘或者是遠傳結合本側就地判據出口跳閘,本側開關已經跳開,為了更快的隔離故障讓對側也跳閘也不會有什麼負荷損失,像以前母差保護動作停信是針對閉鎖式高頻保護,CT與開關之間的故障,本側母差保護動作跳開本側開關,由于高頻保護未能來得及動作,在本側開關跳開後,故障點的電流由對側流過來,對于本側保護來說是反方向故障,保護會發信閉鎖對側的高頻保護使得高頻保護不能跳閘,由于對側的距離一段只能保護線路全長的80%,只能由距離二段切除故障,距離二段時間較長會使故障擴大,所以必須讓本側母差保護動作讓本側保護停信好讓對側高頻保護動作快速切除故障。
母差動作和失靈動作的不同
 
母差保護跳各種元件都是瞬時的,因為其判據簡單且母線故障對系統穩定性影響極大。對于失靈保護而言,回路及判據相對復雜且一旦動作停電範圍大,因此動作相對保守。這也是為什麼失靈動作跳其它斷路器要有延時的目的之一,尤其是現在保護雙套配置的情況下,我們完全有理由在出現斷路器失靈起動量(保護動作接點+電流判別元件)寄希望于其它保護動作切除故障 。因此,衡量了誤動以及延時動作兩者的危害後,延時跳開其它斷路器是可以接受的。同時考慮到切除母聯斷路器一般情況下並不影響供電,因此母聯斷路器的切除時間可以更短些。但是因為判斷斷路器失靈不得不考慮保護動作時間和斷路器動作時間以及整定計算上要考慮的時間最小級差的問題,因此跳開母聯斷路器也是要有短延時的,只不過這個時間可以比跳開其它斷路器的時間更短些。
七、相關補充
 
(一)對稱分量法
 
對稱分量法(method of symmetrical components)電工中分析對稱系統不對稱運行狀態的一種基本方法。廣泛應用于三相交流系統參數對稱、運行工況不對稱的電氣量計算。
通俗的講,對稱分量法是人為地將ABC三相的電氣量(電壓、電流)按對稱分量法進行拆分,進而得出正序、負序、零序分量。
當前世界上的交流電力系統一般都是ABC三相的,而電力系統的正序,負序,零序分量便是根據ABC三相的順序來定的。
正序︰A相領先B相120度,B相領先C相120度,C相領先A相120度。 
負序︰A相落後B相120度,B相落後C相120度,C相落後A相120度。 
零序︰ABC三相相位相同,哪一相也不領先,也不落後。 
系統里面什麼時候分別用到什麼保護(正序負序零序)? 
三相短路故障和正常運行時,系統里面是正序。
單相接地故障時候,系統有正序、負序和零序分量。 
兩相短路故障時候,系統有正序和負序分量。 
兩相短路接地故障時,系統有正序、負序和零序分量。
正常運行的電力系統,三相電壓、三相電流均應基本為正相序,根據負荷情況(感性或容性),電壓超前或滯後電流1個角度(Φ),如圖1。
 
對稱分量法是分析電力系統三相不平衡的有效方法,其基本思想是把三相不平衡的電流、電壓分解成三組對稱的正序相量、負序相量和零序相量,這樣就可把電力系統不平衡的問題轉化成平衡問題進行處理。在三相電路中,對于任意一組不對稱的三相相量(電壓或電流),可以分解為3組三相對稱的分量。
 
當選擇A相作為基準相時,三相相量與其對稱分量之間的關系(如電流)為︰
IA=Ia1+Ia2+Ia0 -------------------------------------------------- [1]
IB=Ib1+Ib2+Ib0=α^2 Ia1+α Ia2 + Ia0 --------------------------- [2]
IC=Ic1+Ic2+Ic0=α Ia1+α^2 Ia2+Ia0 ----------------------------- [3]
對于正序分量︰Ib1=α^2 Ia1 ,Ic1=α Ia1
對于負序分量︰Ib2=α Ia2 ,Ic2=α^2 Ia2
對于零序分量︰Ia0= Ib0 = Ic0
式中,α為運算子,α=1∠120°,有α^2=1∠240°,α^3=1, α+α2+1=0
由各相電流求電流序分量︰
I1=Ia1= 1/3(IA +α IB +α^2 IC)
I2=Ia2= 1/3(IA +α^2 IB +α IC)
I0=Ia0= 1/3(IA +IB +IC)
以上3個等式可以通過代數方法或物理意義(方法)求解。
求解正序電流,應過濾負序分量和零序分量。參考圖2,
 
圖2︰正序、負序、零序相量(以電流為例)
B逆時針旋轉120°、IC逆時針旋轉240°後,3相電流相加後得到3倍正序電流,同時,負序電流、零序電流被過濾,均為0。
故Ia1= 1/3(IA +αIB +α2 IC)
對應代數方法︰[1]+α [2]+α^2 [3]
易得︰Ia1= 1/3(IA +α IB +α^2 IC)。
 
                  [ 1,     1, 1]      
U[012] = 1/3 ·  [ α,     α^2, 1]  U[abc]
                [ 1,    α^2,  α ]  
 
實例說明︰
【例1】對某微機型保護裝置僅施加A相電壓60V∠0°,則裝置應顯示的電壓序分量為︰
U1=U2=U0=1/3UA=20V∠0°
 
【例2】對該裝置施加正常電壓,UA=60V∠0°,UB=60V∠240°,UC=60V∠120°,當C相斷線時,U1=?U2=?U0=?
解︰U1=Ua1= 1/3(UA +αUB +α2UC)=1/3(60V∠0°+ 1∠120°*60V∠240°)=40∠0°;
(當C相斷線時,接入裝置的UC=0。)
U2=Ua2= 1/3(UA +α2 UB +αUC)=1/3(60V∠0°+ 1∠240°*60V∠240°)=20∠60°;
U0=Ua0= 1/3(UA + UB +UC)=1/3(60V∠0°+ 60V∠240°)=20∠300°。
總結︰負序分量在三相不平衡時就會出現;而零序分量,零序電壓在不平衡時會出現,而零序電流,則需滿足有接地點這一條件時才會有。
 
(二)零序保護(線路)
 
線路零序電流保護是反映線路一端零序電流的保護。由于它無法區分本線路末端和相鄰線路首端的短路,為了在相鄰線路只能靠其他帶延時切除故障,需做成多段式保護。
構成多段式保護的兩個條件︰1)能區分正常運行和短路故障兩種運行狀態;2)能區分短路點的遠近,以便在近處短路時以較短的延時切除故障,而在遠處短路時以較長的延時切除故障,以滿足選擇性的要求。
各段的配合
零序I段︰
?躲過下一段線路出口處單相或者兩相接地短路時候出現的最大零序電流。
?躲開斷路器三相觸頭不同期合閘時候所出現的最大零序電流。
兩者比較取最大
零序II段︰
與下一段線路的一段配合,即是躲過下段線路的第一段保護範圍末端接地短路時,通過本保護裝置的最大零序電流。
零序II段的靈敏系數要大于1.5,不滿足的話要與下一段線路的II段配合,時限再抬高一個等級。
零序III段︰
?與下一段線路的III段配合;
?躲開下一段線路出口處相間短路時所出現的最大不平衡電流。
兩者比較取最大。
零序IV段
構成可靠的遠後備
影響零序電流大小的因素︰
與接地故障的類型有關
單相接地和兩相接地短路時流過短路點的零序電流計算公式︰
 
一般情況下,兩相接地短路的零序電流要大于單相接地短路
與零序阻抗並且和正序阻抗有關(正序阻抗反映了系統的阻抗)
與保護背後系統和對端系統中性點接地的變壓器多少密切相關,系統中變壓器中性點接地越多,Z0越小,零序電流越大。
零序方向繼電器︰通過判斷正方向和反方向時零序電壓和電流的夾角相反來判斷,它的動作行為與負序電流無關,與過渡電阻無關,在系統振蕩是也不會誤動。
非全相運行期間的零序保護︰
對于線路保護采用母線PT電壓時,本線路非全相運行,縱聯零序方向應退出,否則可能會誤動作。
當線路保護用線路PT時,本線路非全相運行,線路縱聯零序方向保護不會誤動作。
 
(三)、短引線保護
 
短引線保護是在3/2接線方式下,線路(或主變)刀閘拉開而開關恢復運行時,為保護兩個開關的CT間的一段引線(包括刀閘)而設置的保護。
短引線的投入一般要滿足兩個條件︰1)刀閘的輔助觸點,通過刀閘的常閉觸點(或常開觸點)來閉鎖和投入短引線保護;2)短引線保護壓板。此時,在整定值中差動保護投入控制字為“1”。
短引線保護根據電流差動原理,通過比率差動原理,當判斷電流越限時,出口跳兩端開關,這是與線路保護不同的地方(不跳對側開關)。
 
(四)、壓力釋放保護
 
壓力釋放保護是變壓器的非電量保護之一,當變壓器內部發生故障時,變壓器油和絕緣材料就會因高溫產生大量的氣體,變壓器油箱內壓力劇增,當壓力達到壓力釋放器的動作值時,壓力釋放保護就會動作,起動變壓器壓力釋放閥,以防止變壓器油箱體破裂變形。
壓力釋放保護和重瓦斯保護不能相互替換,兩者的動作機理還是有所區別。不同地方的變壓器壓力釋放保護動作的對象不同,有的動作于發信,有的動作于跳閘。
對于茂名站來說,壓力釋放保護只動作于發信,不動作于三側跳閘(不同),這種考慮在一定程度上是為了防止壓力釋放誤動作。
 
壓力釋放保護作為一個輔助保護,只參考壓力閥值而動作,與重瓦斯和差動保護的動作無直接關聯。
(五)、復合電壓閉鎖過流保護(主變)
 
在主變保護中,差動、瓦斯保護是主保護,主變的過流保護是重要的後備保護,它不僅可作為變壓器本身的後備保護,也可作為變壓器中、低壓側母線及出線的後備保護,防止變壓器外部故障長時間威脅變壓器的絕緣,損壞變壓器本體。
簡單的過電流保護不能滿足復雜系統和大容量變壓器的定值計算中的靈敏度的問題,復合電壓閉鎖過流保護,解決了電流保護整定值過高、靈敏度不足等問題。
1)低電壓元件,動作判據︰動作值小于低電壓元件整定值。
2)負序電壓元件,動作判據︰動作值大于負序電壓元件整定值。
3)過流元件,任一相的電流大于過流定值。定值需躲過可能出現的最大負荷電流、負荷自起動(重合閘)的最大工作電流等來整定。兩個電壓元件是或的關系,加上過流元件滿足條件,就滿足復合電壓閉鎖過流保護出口條件了。
具體來說,對于不對稱短路故障,負序元件能有很好的靈敏度;而對于三相短路時,負序電壓不滿足條件,但是三相電壓均會降低,滿足低電壓元件動作條件。因此,對于各種故障,均有很好的靈敏度。
方向閉鎖的復合電壓閉鎖的過流保護,具有兩時限出口,第一時限出口跳分段開關;第二時限跳主變各側開關。
 
(六)、間隙保護
 
在討論間隙保護之前,首先一個問題是中性點接地的問題。不同電壓等級的系統,中性點接地方式是不同的。
在我國,中性點接地方式有三種︰中性點不接地、中性點經消弧線圈接地、中性點直接接地。
1.對于低壓系統,采用中性點不接地方式。此種方式下,正常運行是各相對低電壓為相電壓;在發生單相接地(金屬性接地)故障時,未故障的兩相對地電壓上升到線電壓(如果是高阻接地,則位于相電壓和線電壓之間)。在接地故障時,系統的線電壓的對稱性並沒有破壞,此時,仍可以持續運行1~2小時。這種方式的缺點是未故障相對地電壓升高,系統的絕緣水平需要線電壓考慮。
 
2.對于3~60kV系統,采用中性點經消弧線圈接地。相對中性點不接地系統,中性點經消弧線圈接地的系統電壓等級更高,系統容量更大,當發生單相接地故障時,接地電流較大,電弧不容易熄滅。為解決這個問題,便引入了消弧線圈。消弧線圈為一個電感線圈,按補償程度來分,可以分為欠補償、過補償、全補償。
1).欠補償︰補償後的電感電流小于電容電流,此時,如果電網因為故障或其他原因切除部分線路後,網絡的對地電容減小,有可能引起系統達到或接近全補償而造成串聯諧振。
2)過補償︰補償後電感電流大于電容電流,這是電網普遍采取的方式,此時,流過接地點的是電感電流,熄弧後故障相電壓恢復較慢,不易重燃。它的缺點是系統發展和擴大時,對地電容增大,可能會由過補償變為全補償或欠補償,因此,在電網擴建是,需重新評估是否仍為過補償。
3)全補償︰一種靜態理想方式的補償,會引起串聯諧振,實際中不采用。
3對于高電壓,遠距離的輸電,采用中性點直接接地方式。因為此時消弧線圈已不能滿足要求。在直接接地方式中,單相故障時,故障相通過中性點與大地形成回路,故障電流很大。此時,通過繼電保護來切除故障(單重),不會產生穩定電弧,而非故障對地電壓也只會短時升高後迅速回到相電壓,對系統的絕緣水平要求相對降低(高電壓系統對絕緣要求本來就很高,運行維護成本因此升高)。
從以上分析可以看出,中性點接地方式,是綜合考慮了系統的供電可靠性、過電壓、繼點保護要求等方面。
同時,需明白系統接地和主變接地是兩個概念
同理,對于直接接地系統來說,變壓器中性點接地點的數量也是有考慮的。
系統不接地,意味著同一電壓等級的變壓器中性點全不接地,此時,由于變壓器的絕緣為半絕緣,發生短路故障時,中性點承受很高的零序電壓,可能發生絕緣擊穿損害。
變壓器中性點接地數量太多,會使零序接地阻抗變小,發生接地短路時,零序電流很大,有可能造成越級跳閘,此時,若將零序保護值整定值變大,則犧牲了靈敏性,可能造成拒動。
 
因此,一般系統整定合適的變壓器直接接地點,其他的中性點用間隙保護來實現。
 
間隙保護是變壓器中性點間隙接地保護裝置的簡稱。
間隙保護的優點是結構簡單、可靠、運行維護量小。在工頻、操作和雷電過電壓下都可對變壓器進行保護。缺點是在三種過電壓這樣大範圍保護配合參數確定較為困難,放電分散性大,保護特性一般,工頻續流較大,滅弧能力較差,而且間隙動作會產生截波,對變壓器本身的絕緣也不利。靠繼電保護切除故障,在系統的不對稱接地端路故障時有較大和較長時間的工頻零序電流沖擊主變壓器。
*截波︰波前很陡的電壓波俗稱為截波,一般發生在回路突然開斷產生的過電壓、以及由于回路故障產生的過電壓等。
*工頻過電壓︰(power frequency overvoltage)指系統中由線路空載、不對稱接地故障和甩負荷引起的頻率等于工頻(50 Hz)或接近工頻的高于系統最高工作電壓的過電壓。
 
(七) 變壓器中性點放電間隙的知識
 
1.現在的變壓器多采用分級絕緣,一般中性點絕緣較低,在小電流接地系統和大電流接地系統的主變中性點不接地是,為保護主變中性點絕緣不被擊穿,設置了放電間隙,並配置間隙零序電流保護。它和中性點接地裝置及中性點避雷器三者的作用都是保護變壓器中性點絕緣,防止過電壓,它們的關系是︰
當中性點刀閘接地時,放電間隙與避雷器均不起作用;
當中性點刀閘斷開後,放電間隙與避雷器有一個互相配合關系,也就是當中性點電壓逐漸升高到一定電壓值時放電間隙先擊穿,如此時電壓降低,則避雷器就無需動作了,如電壓繼續升高,則避雷器就要動作。放電間隙的作用就是防止避雷器的頻繁動作,以延長避雷器的壽命。
2.防止接地變跳閘後,高壓側故障中性點出現危險過電壓;
3.110KV及以上系統中性點的間隙保護主要是︰為了防止過電壓!因為在這種電壓等級的設備由于絕緣投資的問題所以都采用分級絕緣,在靠近中性點的地方絕緣等級比較低。如果發生過電壓的話會造成設備損壞,間隙保護可以起到作用,但是又由于中性點接地的選擇問題一個系統不要有太多的中性點接地,所以有的變壓器的中性點接地刀閘沒有合上(保護的配置原因)。在這時候如果由于變壓器本身發生過電壓的話就會由間隙保護實現對變壓器的保護,原理就是電壓擊穿,在一定電壓下他的間隙就會擊穿,把電壓引向大地。間隙保護可以起到變壓器繞組絕緣的作用,當系統出現過電壓(大氣過電壓、操作過電壓、諧振過電壓、雷擊過電壓等)時,間隙被擊穿時由零序保護動作、間隙未被擊穿時有過電壓保護動作切除變壓器。
4.滿足保護的靈敏度要求;
5.防止合閘不同期等情況造成的過電壓,損害絕緣;
6.所謂保護間隙,是由兩個金屬電極構成的一種簡單的防雷保護裝置。其中一個電極固定在絕緣子上,與帶電導線相接,另一個電極通過輔助間隙與接地裝置相接,兩個電極之間保持規定的間隙距離。
在正常情況下,保護間隙對地是絕緣的,並且絕緣強度低于所保護線路的絕緣水平,因此,當線路遭到雷擊時,保護間隙首先因過電壓而被擊穿,將大量雷電流泄入大地,使過電壓大幅度下降,從而起到保護線路和電氣設備的作用。
 
(八) 間隙過流/過壓保護和零序過流保護的區分︰
 
     與大電流接地系統相連的變壓器需配置反映單相接地短路的零序過流保護,電流取自中性點專門的CT。零序過流保護分兩段,整定時與相鄰線路的零序電流保護配合。其Ⅰ段定值與線路零序電流保護的Ⅰ段相配合,Ⅱ段與線路零序保護的末段保護相配合。
中性點不接地的變壓器采用間隙過流和間隙過壓保護,主要用來保護變壓器中性點的絕緣。間隙保護不是後備保護,其動作電壓和動作電流不需要與其他保護配合。間隙TA的變比要小,電流整定值一般要小于零序過流保護的定值。
零序過流和間隙保護不能同時投用。一般中性點刀閘自身帶有輔助節點閉鎖的功能,當刀閘處于合閘位置時,間隙保護會自動退出。
 
在主變中性點地刀合上時,一般需將間隙過流保護退出,一面造成間隙保護誤動;而在中性點地刀拉開時,間隙保護投入,此時,盡管零序過流比間隙過流的整定值大得多,但由于間隙電流性質不穩定,可能誤觸發了零序電流出口。
 
(九)保護動作跳閘︰
 
   在中性點直接接地的電網中,如變壓器中性點直接接地運行,對單相接地引起的變壓器過電流,應裝設零序過電流保護,保護可由兩段組成,其動作電流與相關線路零序過電流保護相配合。每段保護可設兩個時限,並以較短的時限動作于縮小故障影響範圍,或動作于本側斷路器,以較長時限動作于斷開變壓器的各側斷路器。
變壓器中性點不接地運行時可能出現的中性點過電壓,在變壓器中性點應裝設放電間隙。此時應裝設用于中性點直接接地和經放電間隙接地的兩套零序過電流保護。此外,還應增設零序過電壓保護。當變壓器所接的電力網失去中性點,又發生單相接地故障時,此電流電壓保護動作,經0.3S~0.5S時限動作于斷開變壓器各側斷路器。
 
(十)備自投
 
   備用電源自動投入裝置在電力系統發生故障導致變電站失去工作電源時,自動將備用電源投入使變電站設備繼續運行,簡稱備自投。
常見的備自投有三種︰進線備自投、分段備自投、變壓器備自投。
以進線備自投為例分析︰
 
 
正常運行時,本側QF1、QF3合位,QF2分位,此時,1號線路供電,2號線路備用。
備自投充電條件︰?I、II母均三相有壓;?當“檢2號線路電壓”控制字投入時,2號線路有壓;?QF1、QF3合位,QF2分位。
放電條件︰?2號線路失壓;?手合QF2;?手跳QF1或QF3;?外部閉鎖開入;?QF1、QF2、QF3的KCT異常;?整定控制字不允許2號進線斷路器自投。
動作過程︰充電完成後,若I母、II母均無壓,線路1無流,2號線路有壓,則備自投裝置啟動,經延時發令跳QF1,確認QF1斷開後,發令合閘QF2,此邏輯稱方式1.若2號線路為工作電源,1號線路作為備用,邏輯與此類似,稱為方式2。
充電完成後,若沒有放電情況發生,則備自投裝置一直處于準備狀態。
線路1的線路上某點發生故障時,對端變電站1QF跳閘,導致本站兩條母線均無壓,1號線路無流(檢測電流是預防TV斷線導致兩條母線均無壓時發生誤動),備自投啟動後,跳閘QF1以隔離故障點,確認QF1斷開後(若發生未斷開,備自投停止後續動作),合閘QF2。
*注意檢測電壓,分清母線電壓和線路電壓。
對于內橋接線方式,任何主變保護動作都不需要閉鎖進線備自投。
 
(十一)、分相式電流差動
 
   差動保護原理是根據基爾霍夫定律,即流向一個節點的電流之和等于零。
電流差動具有天然的選相功能,同時,能很好的地解決同塔架設的跨線異名相故障問題。
電流差動的判據一般是比率差動判據,一個為和電流,一個為差電流,兩個電流需同時滿足條件才跳閘。
在一側開關手合,另一側開關分閘時,需閉鎖保護動作;
分相電流差動和差動的不同之處在于“允許”或“閉鎖”信號的不同。差動保護動作出口,一般要滿足以下幾個條件︰
(1)保護起動;
(2)收到允許(或閉鎖)信號;
(3)正方向(即區內故障);
所謂的的“允許”或“閉鎖”信號就是保護裝置動作出口,要收到對側信號,如果裝置是允許式邏輯,則須收到對側發的“允許”信號;閉鎖則收到“閉鎖”信號,才滿足條件2,這里比較閉鎖式和允許式的優缺點︰閉鎖保護式邏輯可能在通道故障時誤動,這是因為,通道故障收不到對側閉鎖信號,這時,只需滿足條件(1)和(3),保護就會出口;同理,允許式則可能拒動,即通道故障時,不能收到對側允許信號,則保護不會出口。
需要說明的是,現在的保護一般用允許式,這和以前有所不同,因為現在的通道是光縴雙通道,通道傳輸快並且可靠,而以前用載波通道,則一般用閉鎖式,防止線路故障時,由于通道的原因而拒動。
 
而對于是否為分相式,就是在這個“允許”或“閉鎖”信號是發線路跳閘,還是某一相跳閘。以允許式為例,分相式保護由對側發某一相跳閘信號,本側收到信號後,根據本地判據,如果判斷故障相相同,並且其他條件也滿足,則動作出口,否則不出口;而不分相的話,則對側只會發跳閘信號,本側結合自己的判斷跳某相或三相,然後出口。
差動保護簡單可靠,並且動作快。影響差動保護動作性能的主要有以下幾個因素︰
1、電流互感器的誤差和不平衡電流;(提高啟動值)
2、長距離超高壓輸電線路的電容性電流;(提高啟動電流值(犧牲靈敏度);加短延時(犧牲快速性);必要是進行電容電流補償。)
3、(短路時)電流互感器飽和;(抗飽和設計)
4、二次回路斷線(通過本側和對側的閉鎖)
 
 


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