【专题】电力系统继电保护详解

  当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时,能够向运行值班人员及时发出警告信号,或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。实现这种自动化措施的成套设备,一般通称为继电保护装置。

  本期专题小编就为大家详细介绍继电保护的基本原理、基本要求、基本任务、分类和设备的继电保护。

  继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障,是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能,需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。

  1)电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。

  2)电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时,系统各点的相间电压或相电压值下降,且越靠近短路点,电压越低。

  3)电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角,一般约为20°,三相短路时,电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的,一般为60°~85°,而在保护反方向三相短路时,电流与电压之间的相位角则是180°+(60°~85°)。

  4)测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。正常运行时,测量阻抗为负荷阻抗;金属性短路时,测量阻抗转变为线路阻抗,故障后测量阻抗显著减小,而阻抗角增大。

  不对称短路时,出现相序分量,如两相及单相接地短路时,出现负序电流和负序电压分量;单相接地时,出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。

  此外,除了上述反应工频电气量的保护外,还有反应非工频电气量的保护,如瓦斯保护。

  继电保护装置为了完成它的任务,必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护,应同时满足四个基本要求,而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置,这四个基本要求中有些要求可以降低。

  选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时,其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除,当故障设备或线路的保护或断路器拒动时,应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

  速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障,以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间,降低设备的损坏程度,提高系统并列运行的稳定性。

  故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间,一般快速保护的动作时间为0.04s~0.08s,最快的可达0.01s~0.04s,一般断路器的跳闸时间为0.06s~0.15s,最快的可达0.02s~0.06s。

  对于反应不正常运行情况的继电保护装置,一般不要求快速动作,而应按照选择性的条件,带延时地发出信号。

  灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时,保护装置的反应能力。

  能满足灵敏性要求的继电保护,在规定的范围内故障时,不论短路点的位置和短路的类型如何,以及短路点是否有过渡电阻,都能正确反应动作,即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作,而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。

  系统最大运行方式:被保护线路末端短路时,系统等效阻抗最小,通过保护装置的短路电流为最大运行方式。

  系统最小运行方式:在同样短路故障情况下,系统等效阻抗为最大,通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。

  信赖性:要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作,即不拒动。

  即使对于相同的电力元件,随着电网的发展,保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。

  以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据,又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的,但往往又存在着矛盾。因此,在实际工作中,要根据电网的结构和用户的性质,辩证地进行统一。

  1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除,使故障元件免于继续遭到破坏,保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。

  2)反应电气元件的不正常运行状态,并根据运行维护的条件(如有无经常值班人员)而动作于信号,以便值班员及时处理,或由装置自动进行调整,或将那些继续运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予以切除。此时一般不要求保护迅速动作,而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时,以免暂短地运行波动造成不必要的动作和干扰而引起的误动。

  3)继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合,在条件允许时,采取预定措施,缩短事故停电时间,尽快恢复供电,从而提高电力系统运行的可靠性。

  1)按被保护对象分类,有输电线保护和主设备保护(如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护)。

  2)按保护功能分类,有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护;后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。

  3)按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类,有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型(运算放大器)保护装置,它们直接反映输入信号的连续模拟量,均属模拟式保护;采用微处理机和微型计算机的保护装置,它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。

  4)按保护动作原理分类,有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、纵联保护、瓦斯保护等。

  本期专题先对一些设备的继电保护进行介绍,对于线路的继电保护将在后续进行介绍。

  1)接线方式。从发电机机端TV开口三角处引入机端三次谐波电压。从发电机中性点TV或消弧线圈引入发电机中性点侧三次谐波电压。

  3)原理。三次谐波定子接地保护的构成原理是:反应机端和中性点三次谐波大小和相位的变化。总体而言,三次谐波保护原理受诸多因素的影响。首先是受发电机定子绕组对地电容大小的影响;第二是受中性点接地方式的影响;第三是受发电机出力的影响。

  4)整定计算。由于整定计算受运行机组参数影响较大,一般采用现场调试整定的方法。现在微机保护大多采用自动整定的方法,以简化现场整定。

  当发电机在外部或内部发生不对称短路或当发电机供给的负荷不对称时,定子绕组就会流过负序电流。

  1)接线方式。一般构成发电机负序电流保护的电流来自发电机中性点侧三相电流,这样可以兼作发电机并网前的内部短路故障的后备保护。

  2)原理。负序电流保护有定、反时限两种,大机组用反时限特性。反时限特性曲线一般由三部分组成:上限定时限;反时限;下限定时限。当发电机负序电流大于上限整定时,则按上限定时限动作;如果负序电流超过下限整定值,但不足以使反时限部分动作时,则按下限定时限动作;负序电流在此之间,则按反时限规律动作。

  失步运行时电机电势与系统等效电势的相位差为180度的瞬间,振荡电流的幅值将接近机端三相短路时流经发电机的电流值。对于三相短路故障均有快速保护切除,而振荡电流则要在较长时间内反复出现,若无相应保护会使定子绕组遭受热损伤或端部遭受机械损伤。

  1)基本要求。失步保护应能鉴别短路故障、稳定振荡和非稳定振荡,且只在发生非稳定振荡时可靠动作,而在发生短路故障和稳定振荡情况下,不应当误动作。另外失步保护动作于跳闸时,在功角为180度时使断路器断开,则会因遮断电流最大而对断路器熄弧最为不利,因此失步保护应避免在这一时机动作于跳闸。

  2)原理。失步保护的原理是以机端测量阻抗运动轨迹及其随时间的变化特征来构成失步保护判据。

  发电机逆功率保护,主要用于保护汽轮机。当主汽门误关闭时,发电机就变成了同步电动机运行,从电力系统吸收有功功率。发电机组不允许在这种状况下长期运行。

  逆功率保护有两种实现方法。其一是反应逆功率大小的逆功率保护,当发现发电机处于逆功率运行时该保护动作。另外一种是习惯上称为程序跳闸的逆功率保护。程序跳闸的逆功率保护动作时,保护出口先关闭汽轮机的主汽门,然后由逆功率保护与主汽门触点联动跳开发电机一变压器组的主断路器。在发电机停机时,可利用该保护的程序跳闸功能,先将汽轮机中的剩余功率向系统送完后再跳闸,从而更能保证汽轮机的安全。

  该保护是以反应发电机从系统吸收有功功率的大小而动作的,是以主汽门是否关闭的条件来决定动作时间的。

  当变压器内部故障严重时,产生强烈的瓦斯气体,使变压器内部压力突增,产生很大的油流向油枕方向冲击。因油流冲击挡板,挡板克服弹簧的阻力,带动磁铁向干簧触点接通,发出信号。

  瓦斯保护能反应变压器邮箱内的内部故障,包括铁心过热烧伤,油面降低等,但差动保护对此无反应。又如变压器绕组产生少数线匝的匝间短路,虽然短路匝内短路电流很大,会造成局部绕组严重过热,但表现在相电流上却不大。因此差动保护没有反应,但瓦斯保护对此却能灵敏地加以反应。

  对于发电机,当标么值大于1时,会引起发电机过励磁。过励磁主要表现为发电机铁心包和之后谐波磁密增加,使附加损耗增加,引起过热。另外由于定子铁心背部漏磁场增强,处于这一漏磁场中的定子定位筋,也要感应出电动势,并且相邻定位筋中的感应电动势存在相位差,并通过定子铁心形成闭路,流过电流。当过励磁时,漏磁场急剧增强,铁心中的电流也将随之增大,使之在定位筋附近的部位电流密度很大,将引起局部过热,造成机组局部烧伤。

  一般来说,发电机承受过励磁能力比变压器要弱一些,当发电机和变压器之间没有断路器相接时,过励磁保护可按发电机过励磁特性来整定。

  过励磁保护可采用定时限和反时限两种。对于大型机组一般采用反时限特性。过励磁保护是通过反应标么值的增加而动作的。