220KV高壓電網繼電保護研究分析

【摘要】作為電網安全穩定運行的第一道防線，繼電保護時刻都發揮著至關重要的作用，繼電保護裝置的應用要求也越來越高。但不管如何發展變化，總要滿足其原理和基本設計要求。本文是對220 KV高壓電網的繼電保護的研究，主要研究分析繼電保護的基本原理與要求，變壓器中性點接地的選擇等方面的知識。在滿足選擇性、速動性、靈敏性、可靠性要求的基礎上對220KV電網的繼電保護短路等方面的計算方法進行了較為全面的論述，并給出一些不同工作狀態時系統對應標準數據。為電力系統繼電保護裝置設計者提供了關鍵技術，保證對220KV高壓電網繼電保護設計的可行性，安全性與實用性。

【關鍵詞】220KV電網;繼電保護;變壓器;短路計算

1.繼電保護的基本原理

繼電保護裝置應在系統發生故障或不正常運行時，迅速，準確的切除故障元件或發出信號以便及時處理，因此，繼電保護裝置是電網及電氣設備安全可靠運行的保證。繼電保護裝置必須具有正確區分被保護元件是處于正常運行狀態還是發生了故障，是保護區內故障還是區外故障的功能。保護裝置要實現這一功能，需要根據電力系統發生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎來構成。電力系統發生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：

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

（2）電壓降低。當發生相間短路和接地短路故障時，系統各點的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點，電壓越低。

（3）電流與電壓之間的相位角改變。正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數角，一般約為20o，三相短路時，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，而在保護反方向三相短路時，電流與電壓之間的相位角則是180o+（60o～85o）。

（4）測量阻抗發生變化。測量阻抗即測量點（保護安裝處）電壓與電流之比值。正常運行時，測量阻抗為負荷阻抗;金屬性短路時，測量阻抗轉變為線路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。

不對稱短路時，出現相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現負序電流和負序電壓分量;單相接地時，出現負序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運行時是不出現的。利用短路故障時電氣量的變化，便可構成各種原理的繼電保護。此外，除了上述反應工頻電氣量的保護外，還有反應非工頻電氣量的保護。

2.繼電保護的基本要求

繼電保護裝置為了完成它的任務，必須在技術上滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個基本要求。對于作用于繼電器跳閘的繼電保護，應同時滿足四個基本要求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運行情況的繼電保護裝置，這四個基本要求中有些要求可以降低。

2.1 選擇性

選擇性就是指當電力系統中的設備或線路發生短路時，其繼電保護僅將故障的設備或線路從電力系統中切除，當故障設備或線路的保護或斷路器拒動時，應由相鄰設備或線路的保護將故障切除。

2.2 速動性

速動性是指繼電保護裝置應能盡快地切除故障，以減少設備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設備的損壞程度，提高系統并列運行的穩定性。一般必須快速切除的故障有：

（1）使發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）大容量的發電機、變壓器和電動機內部故障。

（3）中、低壓線路導線截面過小，為避免過熱不允許延時切除的故障。

（4）可能危及人身安全、對通信系統或鐵路信號造成強烈干擾的故障。

故障切除時間包括保護裝置和斷路器動作時間，一般快速保護的動作時間為0.04s～0.08s，最快的可達0.01s～0.04s，一般斷路器的跳閘時間為0.06s～0.15s，最快的可達0.02s～0.06s。

對于反應不正常運行情況的繼電保護裝置，一般不要求快速動作，而應按照選擇性的條件，帶延時地發出信號。

2.3 靈敏性

靈敏性是指電氣設備或線路在被保護范圍內發生短路故障或不正常運行情況時，保護裝置的反應能力。能滿足靈敏性要求的繼電保護，在規定的范圍內故障時，不論短路點的位置和短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，都能正確反應動作，即要求不但在系統最大運行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統最小運行方式下經過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時也能可靠動作。系統最大運行方式：被保護線路末端短路時，系統等效阻抗最小，通過保護裝置的短路電流為最大運行方式;系統最小運行方式：在同樣短路故障情況下，系統等效阻抗為最大，通過保護裝置的短路電流為最小的運行方式。

保護裝置的靈敏性是用靈敏系數來衡量。

2.4 可靠性

可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護最根本的要求。

安全性：要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發生誤動。

信賴性：要求繼電保護在規定的保護范圍內發生了應該動作的故障時可靠動作，即不拒動。

繼電保護的誤動作和拒動作都會給電力系統帶來嚴重危害。即使對于相同的電力元件，隨著電網的發展，保護不誤動和不拒動對系統的影響也會發生變化。

以上四個基本要求是設計、配置和維護繼電保護的依據，又是分析評價繼電保護的基礎。這四個基本要求之間是相互聯系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實際工作中，要根據電網的結構和用戶的性質，辯證地進行統一。

3.變壓器中性點接地的確定

3.1 變壓器中性點接地位置和數目的選擇原則

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

通常，變壓器中性點接地位置和數目按如下兩個原則考慮：一是使零序電流保護裝置在系統的各種運行方式下保護范圍基本保持不變，且具有足夠的靈敏度和可靠性;二是不使變壓器承受危險的過電壓，為此，應使變壓器中性點接地數目和位置盡可能保持不變。

在中性點直接接地電網發生接地短路時，零序電流的大小和分布與電網中變壓器中性點接地數目和位置有很大關系。在系統不失去中性點接地的前提下，安排一部分變壓器中性點接地運行，另一部分變壓器中性點不接地運行，并使變壓器中性點接地數目及位置盡量不變，以保證零序保護動作范圍的穩定和具有足夠的靈敏性。

（1）在單母線運行的發電廠和高壓母線上有電源聯絡線的變電站變壓器中性點應接地。

（2）在具有兩臺以上的變壓器，而且是雙母線固定連接方式運行的發電廠和高壓母線上有兩回以上電源聯絡線的變電所，每組母線上至少有一臺變壓器的中性點直接接地，這樣當母聯開關斷開后，每組母線上至少保留有一臺變壓器的中性點直接接地。

（3）在單電源網絡中，終端變電所的變壓器中性點一般不應接地。

（4）在多電源的網絡中，每個電源處至少應該有一個中性點接地，以防止中性點不接地的電源因某種原因與其它電源切斷聯系時，形成中性點不接地系統。

（5）變壓器低壓側接入電源，當大接地電流電網中發生接地短路而該電源的容量能夠維持接地點發生的電弧時，則變壓器的中性點應該接地，如果該電源的容量不是足以維持接地電弧時，則中性點不接地。

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

（7）接在分支線上的變電所，低壓側雖無電源，但變壓器低壓側是并聯運行的，為使橫差差動保護正確動作，變壓器的中性點應接地。

（8）自耦型和有絕緣要求的其它變壓器，其中性點必須接地運行。

3.2 變壓器中性接地的數目和位置

主變中性點的投入數量和位置直接影響系統的零序阻抗，零序阻抗的變化又改變著零序電流的分布。考慮到零序保護的靈敏性和變壓器中性點絕緣，系統過電壓，保護整定配合等因素，零序阻抗應基本不變。如你廠接線為雙母線，一般應保持一條母線上有一臺變壓器接地。如為單母線，有兩臺及以上變壓器接在母線上時，就保持一臺變壓器中性點接地。備用變的220KV側中性點接地也是算作220KV系統的接地點的，與主變的中性點接地無異。一般情況下，備用變與中性點接地的主變是分別運行于不同母線的。為了接地短路時，變壓器不會受到過電壓的危害，又能使零序電流的分布基本不變，系統中各變電站的變壓器接地情況如表1所示：

表1 變壓器中性點接地情況表

變電站名稱 A B C D E

變壓器臺數 1 2 3 4 2

220KV側中性點接地變壓器臺數 1 1 2 2 1

4.短路計算

4.1 短路概述

短路是電力系統的嚴重故障。所謂短路，是指一切不正常的相與相之間或相與地之間發生通路的情況。產生短路的原因有元件損壞、氣象條件惡化等。在三相系統中可能發生的短路有：（1）三相短路;（2）兩相短路;（3）兩相接地短路;（4）單相接地短路。電力系統的運行經驗表明，在各種類型的短路中，單相短路占大多數，兩相短路較少，三相短路機會最少。從短路計算方法來看，一切不對稱短路的計算在采用對稱分量法后，都歸結為對稱短路的計算。

4.2 短路計算的目的

在設計中，短路計算是其中的一個重要環節。計算的目的主要有以下幾個方面：

（1）以便選擇有足夠機械穩定度和熱穩定度的電氣設備，如斷路器等，必須以短路計算作為依據。

（2）為了合理地配置各種繼電保護和自動裝置并正確整定其參數，必須對電力網中發生的各種短路進行計算和分析。

（3）進行電力系統暫態穩定計算，研究短路對用戶工作的影響等，也包含有一部分短路計算的內容。

（4）確定輸電線路對通訊的干擾，對已發生的故障進行分析。

實際工作中，根據一定任務進行短路計算時，必須首先確定建設條件。一般包括，短路發生時系統的運行方式，短路的類型和發生地點，以及短路發生后所采取的措施等。從短路計算的角度看，系統的運行方式指的是系統中投入運行的發電、變電、輸電、用電設備的多少以及它們之間相互連接的情況，建設不對稱短路時，還應包括中性點的運行狀態。不同的計算目的，對應的計算條件不同。

4.3 短路計算條件

在實際工作中，根據一定的任務進行短路計算時必須首先確定計算條件.所謂計算條件是指短路發生時系統的運行方式，短路的類型和發生地點，以及短路發生后所采取的措施。為使所選電器具有足夠的可靠性、經濟性和合理性，并在一定時期內適應電力系統發展的需要，作驗算用的短路電流應按下列條件確定：

（1）容量和接線：按本工程設計最終容量計算，并考慮電力系統遠景發展規劃一般為本期工程建成后的5-10年，其接線應采用可能發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并列的接線方式。

（2）短路種類：一般按三相短路驗算，若其它種類短路較三相短路嚴重時，則應按最嚴重的情況驗算。

（3）正常工作時，三相系統對稱運行。

（4）所有電源的電動勢相位角相同。

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

（6）短路發生在短路電流為最大值的瞬間。

（7）不考慮短路點的電弧阻抗和變壓器的勵磁電流。

（8）元件的計算參數均取其額定值，不考慮參數的誤差和調整范圍。

4.4 短路類型

由電力系統不對稱故障分析，短路電流正序分量可以統一寫成：

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

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

表2 簡單短路時的和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，繼電保護向計算機化、網絡化方向發展，保護、控制、測量、數據通信一體化和人工智能化對繼電保護提出了艱巨的任務，也開辟了研究開發的新天地。隨著改革開放的不斷深入、國民經濟的快速發展，電力系統繼電保護技術將為我國經濟的大發展做出貢獻。

參考文獻

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