10.1  交流远距离输电

（1）长线的基本方程

距离长线末端为xkm处，电压电流相量为

式中，、为线路末端电压和电流相量，为线路波阻抗，为线路传播系数。

当线路为均匀无损传输线时，，的虚部为，此时

（2）线路的自然功率

因为，取时，有

其中，，为自然功率。

由上式可以得到如下结论：当时，线路首末端电压相等；当时，线路首端电压高于末端电压；当时，首端电压低于末端电压。

（3）空载线路电压分布

线路末端空载时，线路沿线电压分布为

图10.1空载长线沿线电压分布

1/4波长谐振：当时（即空载长线长度为1/4波长1500km），末端电压为无穷大。

电容效应（法拉第效应）：空载长线末端电压高于首端电压的现象。

10.2  并联电抗器的作用

高抗：500kV超高压并联电抗器。其主要功能：线路工频过电压、补偿线路电容无功、配合中性点小电抗抑制潜供电流。

低抗：接在超高压变压器的中压和低压第三绕组上的并联电抗器（设计在220kV、110kV或35kV电压等级）。主要功能：调节线路无功潮流。

（1）对空载长线末端电压的

空载长线（无损线）末端并联电抗器时，有

则可以得到：

沿线电压分布为：

其中.

补偿度：电抗器容量与补偿长线电容的无功功率的比值。

（2）抑制潜供电流

潜供电流（二次电流）：超高压线路发生单相电弧接地故障时，在具有单相重合闸线路中，当故障相被切除后，通过健全相对故障相的静电和电磁耦合，在接地电弧通道中流过的不大的感应电流。

潜供电流横分量（静电分量）：故障相跳闸后，健全相经过互部分电容对故障相接地电弧所供电流。

潜供电流纵分量（电磁分量）：健全相电流通过与故障相的互感，在故障相上感应出电动势并向接地电弧所供电流。

潜供电流横分量的消除：在线间加一组合适的三角形连接的电抗器将线间互部分电容补偿掉，也可以用一组中性点不接地的星形连接的等值电抗器代替。

潜供电流纵分量的消除：在各相导线首末端对地间各加一组合适的中性点接地的星形接地的电抗器将导线对地的自部分电容补偿掉。

10.3  高压直流输电

直流输电：将送端系统的正弦交流电在送端换流站升压整流后通过直流线路传输到受端换流站。

直流输电优点：稳定性好、控制灵活等

直流输电缺点：①由于触发角和逆变角的存在，无论环流装置工作于整流状态还是逆变状态，其交流侧电流相位都会滞后于电压相位，因此换流装置在运行中要消耗大量的无功功率；②换流装置在运行中会同时在换流站的交流侧和直流侧产生谐波电压和谐波电流，为了抑制谐波，在交流侧需装设滤波装置，在直流侧要装平波电抗器；③由于换流装置要用大量的容量大、电压高的可控硅器件，换流站的造价很高，部分抵消了因线路投资低带来的经济效益；④直流高压断路器不能利用电流过零来熄弧，其制造困难，了直流输电向多端直流电网的发展（现在已经不是大问题，有相应过零电流设备出现）。

应用：跨海输电、大区域电网互联。远距离输电及风力发电等非工频系统与工频系统的联网等。

直流输电的接线方式

10.4  灵活交流输电系统（FACTS）

灵活交流输电系统的主要特点：以大功率可控硅部件组成的电力电子开关代替现有的机电开关，使电网电压、功角和线路参数调节自如，是电力系统变成更加灵活可控、安全可靠，从而能在不改变现有电网结构的情况下提高输送能力，增加其稳定性。

FACTS控制设备接入电力系统的方式主要分为并联和串联两种形式，并联设备有：静止无功补偿器SVC、静止同步调相器STATCOM；串联设备有：可控串联补偿器TCSC。还有一种综合并、串联两种形式的FACTS控制设备：统一潮流控制器UPFC。

第十一章  电力系统内部过电压

11.1  概述

（基本概念）

过电压：超过正常运行电压并可使电力系统绝缘或保护设备损坏的电压升高。

过电压分类：内部过电压和外部过电压（雷电过电压）。

内部过电压（内过电压）：由于电力系统内部能量的转化或传递引起的过电压。（此处能量转化是指磁能转化为电能，能量传递是指同步哦各部分相互之间的电磁耦合。）

内过电压种类：操作过电压、谐振过电压和工频过电压。

操作过电压：因操作或故障引起的暂态电压升高。

谐振过电压：因系统的电感、电容参数配合不当，出现的各种持续时间很长的谐振现象及其电压升高。

工频过电压：电力系统中在正常或故障是出现的幅值超过最大工作相电压、频率为工频或接近工频的电压升高。

内过电压倍数K：内过电压的幅值与电网该处最高运行相电压幅值之比。

11.2  操作过电压

1、空载变压器的分闸过电压（切空变过电压）

切空变过电压的根本原因：开关截流（断路器灭弧性能越强，电流变化速度越快，切空变过电压事故越多）

由截流引起的变压器上的过电压为,截流值越大则过电压越高，当截流发生在励磁电流的幅值时，过电压最大为。（为励磁电流最大值，由于不是很大，又可以采用各种方法使增加，故过电压倍数较小，一般不超过2）。

影响切空变过电压的因素：①断路器性能（断路器性能越好，过电压越高）；②变压器电容C的影响（C越大，过电压越高）；③变压器电感L的影响（新式变压器采用冷轧硅钢片，使励磁电流减小，过电压降低）

切空变过电压的措施：加装避雷器（用雷电过电压的普通阀式避雷器来吸收空载变压器励磁绕组储存的磁能，避雷器装在断路器的变压器侧）。

注意：切断有负载的变压器是不会产生过电压，原因是负载电流大，电弧过零熄灭，不会出现截流，因而不会产生过电压。

2、操作空载长线的过电压

（1）关合空载长线（合空线）

关合空载长线的暂态过程可用右图等值电路来表示，其中L与C构成震荡回路，其震荡角频率，其值比工频高得多，可以假设求过渡过程中C的电压时电源电压保持不变。根据拉普拉斯或解微分方程的方法可得。

由于震荡而产生的过电压可用如下通式表示：

（2）开断空载长线（切空线）

开断空载长线的等值电路如右图，其过电压发生过程可用下图分析：当电流过零熄弧书剑，电容电压恰为电源电压幅值，电弧熄灭后，电容电压保持不变，当半个周期之后，电源电压达到-时，断口电压达2，断口可能被击穿，电弧重燃，则电容上电压由起始值以震荡，则电容电压最大值可能达到-3。依次类推，过电压可按5、-7……逐次增加。

引起切空线过电压的根本原因：电弧的重燃。

但是由于电弧重燃和熄灭都具有随机性，故在中性点不接地系统中过电压倍数一般不超过3.5~4倍，中性点接地系统中不超过3倍。

切控线过电压的影响因素：电弧重燃和熄灭的随机性，断路器的不同期合闸，母线上有其他出线。

措施：提高断路器的熄弧能力（即加快断口在开断小电流是的介质强度恢复）。

（3）重合空长线

重合空长线过电压最大相当于切空线时开关第一次重燃时的过电压-3。

综上（1）（2）（3）有，切空线过电压最高，如果采用切空线无重燃断路器，则最大过电压将发生在重合空线时。

3、空载长线操作过电压的措施

①由于采用了性能较好的断路器，切空线重燃现象基本消除，金属氧化物避雷器性能的提高，用它作切空线过电压的后备保护，故线路中不考虑切空线过电压问题。

②220kV及以下线路，重合过电压倍数不高，不需采用任何重合空线过电压的措施。

③330kV及以上线路需采取措施重合空线过电压，常用方法是断路器断口上加装并联电阻如右图。并联电阻主要是起阻尼作用，电阻越大阻尼作用越强，则震荡出现的过电压就不会太高。并联电阻也能起到切空线过电压的作用。

4、电弧接地过电压（只发生在中性点不接地系统中）

电弧接地过电压分析的等值电路和发展过程如右图所示。

过程如下：

电弧接地过电压危害：持续时间较长，而且遍及全网，对网内装设的绝缘较差的老设备、线路上存在的绝缘弱点、尤其是由发电机电压直配的电网中绝缘强度很低的旋转电机等，都存在较大的威胁，在一定程度上会影响电网的安全运行。

措施：①加强绝缘监督工作及时发现隐患；②若线路过长，运行条件许可时，采用分网运行方式，减小接地电流和有利于接地电弧的自熄；③利用改善功率因数的电容器组（接于线间）；④加装消弧线圈。

11.3谐振过电压

谐振过电压危害：①可能因持续的过电压而危及电气设备的绝缘；②可能因持续的过电流而烧毁小容量的电感元件设备；③影响保护装置的工作条件（如影响避雷器的正常运行）。

注意：电力系统中的有功负荷是阻尼震荡和谐振过电压的有利因素，所以通常只有在空载或轻载的情况下才会发生谐振。

1、线性谐振过电压

线性谐振的谐振回路由线性电感和电容元件所组成。在正弦电源作用下，懂系统自振频率与电源频率相等或接近时，将产生线性谐振。（简化电路如右）

当即时，，，相位上相反，电路自振角频率，即当回路的总阻抗为零或外加电源的频率和电路的固有自振角频率相等时，出现电压谐振现象。

但是在实际电路中一般存在电阻，电阻的存在对谐振过电压的发展起到阻尼作用，。

2、铁磁谐振过电压

铁磁谐振回路是由线性电容和铁芯电感组成的谐振回路（如右图）， 右下图为伏安特性曲线图，曲线1是电容C的伏安特性曲线，曲线2是非线性电感的伏安特性曲线，曲线3是回路总压降即。

由图可得铁磁谐振的七条性质：

①铁磁谐振不像线性谐振那样需要有严格的C值，而是在满足的很大范围内都可能发生。

②当电源电压由正常值E开始不断加大时，电路的工作点将沿曲线3自a点上升，但当电源电压超过m点值以后，工作点从m点突然跳到n点，并沿n-e段上升。n点与m点相比，虽电源电压相等，但是电容上的电压却大得多，电感上的电压也增大了，因而产生过电压，电路状态从感性变为容性。

可见，由于某种激发因素导致铁芯饱和从而产生过电压。需要“激发”是铁磁谐振的第二个性质。

③电容越大，电容的伏安特性曲线（曲线1）斜率下降，则需要电源电压升高等“激发”因素就越大。因此，电容越大，出现铁磁谐振的可能性就越小。

④铁磁谐振时，L和C上电压不会趋于无限大，而是有限值。由于铁芯电感的饱和效应，铁磁谐振过电压幅值一般不会很高，但电流有可能很大。

⑤铁磁谐振发生后，即使电源电压降低至正常工作电压以下，电路也不会回到0-m段，而是稳定工作在d-n段，此时电感和电容上的电压都比正常工作时的高，所以谐振仍可能存在。铁磁谐振状态可以自保持是第五个性质。

⑥谐振发生前电路呈感性，但谐振发生后电路呈容性，产生铁磁谐振时电流相角发生180°转变（称电流翻相）。翻相会造成三相相序改变，从而引起小容量异步电机反转。

⑦电路中由于有非线性电感的存在，电流波形发生畸变，含有高次谐波和分次谐波，这是铁磁谐振的第七个性质。

若电路中存在电阻时（如右图），此时有，则非线性谐振回路的伏安特性曲线如右下图。

由右图可知，要彻底消除基波铁磁谐振，只需增大电阻R使曲线上的d点抬高，使之高于正常工作时的电压E，即。

3、断线谐振过电压（属于铁磁谐振过电压）

A、断线：开关不同期操作和输电线断线。

B、断线谐振过电压的影响：使系统中性点位移、负载变压器相序反转、绕组电流急剧增加、铁芯发出响声、导线发出电晕声等，严重时会使绝缘闪络、避雷器爆炸，甚至损坏电力设备。

C、谐振产生过程及分析：假设C相断线，等值电路如右图，根据电路画出相量图，由DF点看进去，由戴维南定理可知，等值电源为，等值阻抗为和的并联，再电感两端看进去，利用戴维南定理可知，等值电源和电容为

得到最终的电路图如右所示（其中L=）。

则产生串联铁磁谐振所需条件为：

D、断线谐振过电压的危害：①危及保护分级绝缘变压器中性点避雷器；②传递过电压，危及低压侧设备绝缘；③可能使低压侧翻相——小型电机反转。

E、断线过电压措施：①不采用熔断器，提高断路器动作时的三相同期性，保证断路器不发生非全相拒动（不同期度三相不大于10ms）；②加强线路的巡视和检修，预防断线发生；③若断线操作后有异常现象，可立即复原，并进行检查；④不要讲空载变压器长期挂在线路上。

11.4电压互感器饱和过电压

1、中性点不接地系统中的电压互感器饱和过电压（由中性点位移导致过电压）

A、此过电压表现：①两相（基波时）或三相（谐波时）对地电压升高；②相电压以每秒一次左右的低频摆动（分谐波时）；③引起绝缘破坏或避雷器爆炸（高次谐波时）；④出现虚幻接地现象；⑤在电压互感器中引起过电流使熔丝熔断或电压互感器烧坏。

B、过电压出现原因：电压互感器在正常工作时接近于空载状态，呈现为一个很大的励磁电感，当回路受到 “激发”（电压电流突然增大）后，励磁电感会因饱和而突然减小，从而引起过电压。

C、过电压产生过程及分析：

如右图，每相对地接有电压互感器励磁电感（铁芯电感）和线路对地字部分电容。

在较低电压时，故并联后相当于等值电容。当电压升高等原因使ωL减小，则并联后等值于电感。例如当A相瞬时接地时使B相和C相电压升高时，则B、C相的对地阻抗可变成等值电感，而A相对地阻抗仍保持等值电容，如右图。

作出相量图如右图，可见要满足三相电流相量和为零，负载侧中性点位移到△ABC之外，即移到线电压三角形之外，电源中性点的点位将超过相电压，而负载侧B、C相的相电压都会超过线电压值，即出现过电压。（类似于A相接地短路，因此称为虚幻接地现象）

将电路图运用戴维南定理等效后分析可知，这种电压只可能是“电感—电容效应”而不可能形成铁磁谐振，原因是：形成铁磁谐振时，电容上的电压必然要比电感上的电压高，此时由于饱和A相的等值电容也将变成电感，从而阻止基波串联谐振的形成。

但是当三相基波电压同时升高超过线电压时，各相对地阻抗均看成等值电感，而电源中性点存在对地电容，此时有可能发生基波串联谐振过电压。

D、中性点直接接地的电压互感器受到的“激发”：①电源对只带电压互感器的空母线突然合闸；②一相导线突然对地发弧。

E、特点：①三相对地电压同时升高，高频电压较高，指示稳定；低频电压测量时指针摆动；②可自保持，也可持续一段时间后自行消失（当谐波源不能提供稳定谐波时，则会使过电压自行消失）。

F、危害性：①35kV系统过电压可达3.5倍，66kV系统过电压可达4.74倍（其中分频谐波危害最大）；②过电流会使电压互感器冒油，烧损甚至爆炸。

G、措施：①选用励磁特性较好的电磁式电压互感器或只使用电容式电压互感器（能从根本上消除）；②使电压互感器带有零序电阻；③特殊情况下，可将电网中性点改为暂时经电阻接地或直接接地，或采用临时倒闸措施改变电路参数；④在个别情况下，可在10kV及以下母线上装设一组三相对地电容器，或利用电缆段代替架空线段，减小对地容抗，使对地容抗与电压互感器高压侧在线电压下每相励磁电抗之比小于0.01，即可避免谐振；⑤禁止使用一相或两相电压互感器接在相线与地线间，以保证三相对低阻抗的对称性，避免中性点位移或产生谐振。

2、110kV、220kV中性点接地系统中的电压互感器饱和过电压

A、中性点接地系统中，电压互感器饱和过电压出现在用断口间具有并联电容的断路器切空线时。

B、过电压产生过程和分析：等值电路图如右。分析过程和谐振过电压相同。

C、危害性：①当C值小时谐振往往属于基波性质的，测量到的过电压为额定相电压的1.65~3倍；②当C值大时谐振具有分频性质（1/3次为主），过电压幅值不高，但励磁电流很大，可达到额定励磁电流的80倍，会使电压互感器过热烧毁，甚至喷油爆炸。

第十三章  电力系统继电保护

13.1继电保护的基本原理

1、继电保护的任务及应用

A、常见故障类型：单相接地短路、两相接地短路、两相短路、三相短路和各种断线故障。短路故障是最常见也是最危险的故障。

B、短路造成的后果：①短路点会流过很大的短路电流并产生电弧，从而烧坏甚至烧毁故障设备；②短路电流通过故障设备时，由于发热及电动力的作用，使设备损坏或使用寿命缩短；③电力系统中大部分地区的电压下降，破坏用户的正常工作；④破坏电力系统各发电厂之间并列运行的稳定性，使事故扩大，甚至使整个系统瓦解。

C、电力系统事故：系统或其中的一部分正常工作遭到破坏，导致对用户少送电或使电能质量变坏，甚至造成人身伤亡和电气设备损坏。

D、继电保护装置：能迅速反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于跳闸或发出信号的一种自动装置。

E、继电保护装置基本任务：①对故障特征量进行提取、分析，自动、迅速、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，保证无故障部分迅速恢复正常运行；②反应电气元件的不正常工作状态，并根据运行维护条件分别动作于发信号、减负荷或跳闸，反应不正常工作状态的保护装置通常允许一定的延时动作；③能支持电力系统的安全运行。

2、继电保护的分类和组成

A、分类：①反应故障时电流上升而动作的保护（过电流保护）；②反应故障时电压下降而动作的保护（低电压保护）；③反应故障时测量阻抗降低而动作的保护（距离保护）；④利用内部故障和外部故障时，被保护元件两侧电流相位和功率方向的差别，构成的差动原理的保护（纵联差动保护、相差高频保护、方向高频保护）；⑤只反应某一个对称分量的电流和电压的保护（负序和零序保护）。

B、继电保护装置组成：测量部分、逻辑部分和执行部分组成。

3、对继电保护的基本要求

动作于跳闸的继电保护装置需满足四个要求；选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

A、选择性：当系统发生故障时，保护装置仅将故障设备从系统中切除，使停电范围尽量减小，保证系统中非故障部分仍能继续运行。

B、速动性：快速切除设备。

 要求动作迅速的原因：减少用户在电压降低的条件下的运行时间，降低短路电流及其引起的电弧对故障设备的损坏程度，以及保证电力系统并列运行的稳定性。

C、灵敏性：对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。

 反应数值上升的保护装置，灵敏系数为：

 反应数值下降的保护装置，灵敏系数为：

D、可靠性；在保护范围内发生了它应该动作的故障时，保护应可靠动作，即不拒动；而在任何其他不应动作的情况下，保护应可靠不动作，即不误动。

 一般而言，组成保护装置的元器件的质量越高、接线越简单，则保护装置的可靠性越高。

13.2  输电线路的继电保护

1、相间短路的电流保护

A、瞬时电流速断保护（保证了选择性、速动性，牺牲了灵敏性）

中间继电器的作用：①利用中间继电器的常开触点（容量大）代替电流继电器的小容量触点，接通跳闸线圈；②利用带有一定延时的中间继电器增大保护固有动作时间，防止管式避雷器放电引起速断保护误动作。

假设电源电势一定时，三相短路的短路电流为，两相短路的短路电流为。

动作电流整定：（其中取1.2~1.3）。

动作时限：

灵敏度：（不小于15%~20%）

由图可见，瞬时电流速断保护不能保护线路全长，且保护范围受系统运行方式和故障类型的影响。（优点是：简单、快速、可靠）

B、限时电流速断保护

动作电流整定：（取值1.1~1.2） 

动作时限：（△t=0.5s）

灵敏系数：（如果灵敏度不满足要求，可考虑与下一条线路的限时电流速断保护相配合，同时其动作时限应比相邻线路的限时电流速断大一个△t，以保证选择性）

C、定时限过电流保护

特点：其动作电流只需按躲过最大负荷电流来整定，故动作电流小，灵敏度高，保护的选择性靠不同的动作时限来保证，不仅能保护本线路的全长，而且还能保护相邻线路的全长，起到远后备的作用。

动作电流整定：（取1.15~1.25；决定于网络接线和负荷性质，其数值大于1；取0.85）

动作时限：

灵敏系数：（当作为本线路近后备和主保护时，分子取最小运行方式下本线路末端两相短路时的短路电流进行计算，要求灵敏系数不小于1.3~1.5,；当作为相邻线路的远后备时，分子取最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的短路电流进行计算，灵敏系数不小于1.2）

D、电流保护的接线方式

电流保护的接线方式：电流保护中电流继电器线圈与电流互感器二次绕组间的连接方式。目前有三相星形接线（完全接线）和两相星形接线（不完全接线）。

三相星形接线和两相星形接线的比较：①当并行线路上发生两点接地时，三相星形接线的保护会同时切除两条故障线路，而采用两相星形接线就有2/3机会只切除一条线路，提高了供电的可靠性；②当两点接地发生在串联线路上时，若采用三相星形接线的保护一定只会切除原理电源的故障点，而采用两相星形接线接线时，有1/3机会使靠近电源的线路误跳，扩大了停电范围。

结论：①在大接地电流系统中，为了正确反应所有单相接地短路一般采用三相星形接线；②小接地电流系统中通常为了节省投资，而采用两相星形接线。

E、阶段式电流保护

瞬时电流速断保护特点：能迅速切除故障线路，但不能保护线路全长。

限时电流速断保护特点：能保护线路全长，但不能作为相邻线路的后备保护。

定时限过电流保护特点：能作为相邻线路的后备保护，但如将其作为本线路的主保护时，往往动作时限过长，不能满足速动性的要求。

三段式电流保护：瞬时速断保护（I段）和限时电流速断保护（II段）一起作为本线路相间短路的主保护，定时限过电流保护（III段）作为本线路相间短路的近后备和相邻线路的远后备保护。

2、相间短路的方向性电流保护

A、功率方向的规定：功率正方向为从母线流向线路；功率负方向为从线路流向母线。

B、方向过电流保护：在过电流保护基础上加装功率方向元件的保护。

C、方向过电流保护组成：方向元件、电流元件、时间元件。

D、动率方向继电器的工作原理

动作条件：（或，）

最灵敏角：当电流落在处时，和同相位，继电器输出最大功率，继电器工作在最灵敏状态，此时为最灵敏角。

功率方向继电器的电压“死区”：当保护安装附近靠近母线的一段线路发生三相短路时，母线电压降大幅度下降，如果，则功率方向继电器不能正确工作，此段区域称为功率方向继电器的电压“死区”。

消除死区的方法：设置记忆回路；引入第三相电压。

3、接地故障的电流保护

接地故障特点：故障电流和电压中会出现零序分量。

A、中性点直接接地电网接地短路时的特点

零序电流参考正方向：母线流向故障点为正

零序电压参考正方向：由线路指向大地为正

零序分量的特点：①故障点的零序电压最高，变压器中性点接地处零序电压为零；②零序电流是由故障点处的零序电压产生的，零序电流的大小和分布主要决定于变压器的零序阻抗，即决定于中性点接地变压器的数目和分布；③当电力系统运行方式变化时，若线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序网络就不变，但由于系统的正序和负序阻抗要随运行方式的变化而变化，从而改变各序电压之间的电压分配，故将影响零序分量的大小；④故障线路两端零序功率的方向与正序功率正好相反，正序功率方向是由母线指向故障点，而零序功率的方向实际上都是由线路指向母线的。

B、零序电压和零序电流的获取

零序电压获取：从三台三绕组电压互感器或一台三相五柱式三绕组电压互感器中结成开口三角形的第三绕组侧的开口处获得：

零序电流的获取：由三相电流互感器获取：

C、中性点直接接地电网的零序电流保护

①瞬时零序电流速断保护

整定原则（共三条，注意整定时电流均为3）：

躲过下一条线路出口处单相或两相接地短路时流过保护的最大零序电流

（取1.2~1.3）

躲过断路器三相触头不同期合闸时，流过保护的最大零序电流

（取1.1~1.2）

当线路采用单相自动重合闸时，保护应躲过在非全相运行过程中出现震荡时的零序电流

（取1.1~1.2）

在装有综合重合闸的线路上需设置两个零序I段保护：一个是灵敏I段，其动作电流按前两个原则整定（取大值）；另一个是不灵敏I段，按最后一个原则整定，专门用于非全相运行时的接地保护。

②限时零序电流速断保护

动作电流整定：与下一条线路的零序I段配合

（取1.1~1.2，为分支系数）

动作时限：

灵敏系数要求：Ks≥1.3～1.5 

③零序过电流保护

整定原则（两条）：

躲过相邻线路出口处发生三相短路时流过保护的最大不平衡电流

（取1.2~1.3）

各级零序III段保护之间在灵敏度上的逐级配合

（取1.1~1.2）

动作时限：如右图确定

灵敏系数要求：当用作远后备时，保护装置灵敏度应按相邻线路末端接地短路时，流过保护的最小零序电流来校验，Ks≥1.2；当用作近后备时，零序III段的灵敏度按本线路末端接地短路时，流过保护的最小零序电流来校验，Ks≥1.3～1.5。

④对零序电流保护的评价：灵敏度高，保护范围稳定；动作时限短

D、中性点不接地电网单相接地故障的特点及接地保护

特点：①发生单相接地时，全系统均会出现零序电压和零序电流；②流过非故障元件保护安装处的零序电流的大小等于该线路本身的对地电容电流，容性无功功率的方向为由母线流向线路；③流过故障线路保护安装处的零序电流为全系统非故障元件的对地电容电流之和，容性无功功率的方向为由线路流向母线。

中性点不接地电网的单相接地故障的保护：绝缘监视装置、零序电流保护盒零序功率方向保护。

13.3  电力变压器的继电保护

1、变压器的常见故障和不正常工作状态

A、变压器故障及相应保护措施

B、变压器不正常运行状态及相应保护措施

2、纵差动保护的基本原理

A、理想情况下（忽略励磁电流）原理如右图

当正常运行及保护范围外部故障时有

当线路内部故障时有

B、实际情况下（考虑励磁电流）

电流互感器的二次侧电流为：

当正常运行及保护范围外部故障时有：

因而，为保证纵差动保护动作的选择性，差动继电器的动作电流必须躲过外部短路时出现的最大不平衡电流。

纵差动保护主要用作变压器内部相间故障的主保护。

3、变压器的纵差动保护

特点：正常运行时，低压侧的额定电流不同：

不平衡电流产生的原因及防止其对差动保护影响的方法：

A、变压器励磁涌流造成的不平衡电流

励磁涌流：正常运行时，变压器的励磁电流很小，一般不超过额定电流的2%~10%，但当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，会出现数值很大的励磁电流，其数值可达额定电流的6~10倍，此电流称为励磁涌流。（其出现的根本原因是铁芯饱和）

影响励磁涌流的因素：外加电压的相位、铁芯中的剩磁、电源容量、变压器容量等。

励磁涌流的特点：①励磁涌流中含很大的非周期分量，常使有流偏于时间轴一侧；②包含大量的高次谐波，以二次谐波为主；③波形之间出现明显的间断。

防止励磁涌流对差动保护影响的措施：①采用具有速饱和变流器的差动继电器；②利用二次谐波制动原理构成差动保护；③鉴别短路电流和励磁涌流波形之间的差别。

B、变压器两侧电流相位不同引起的不平衡的电流（由于连接方式改变造成相位变化）

若变压器采用Y/d11接线时，则需要两侧电流互感器变比之间关系为：

C、电流互感器变比标准化引起的不平衡电流

为减小这一不平衡电流：可将差动继电器的平衡线圈接入互感器二次电流较小的一侧，以平衡差动电流产生的磁势。

D、两侧电流互感器型号不同产生的不平衡电流

当变比和型号不同的电流互感器相对误差将达到10%，因此纵差动保护整定时应按相对误差为10%来计算不平衡电流。

E、变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流

分接头的改变实际上就是改变了变压器的变比，必然会在差动保护的二次回路引起新的不平衡电流。

综上所述：（其中10%为电流互感器的相对误差，ΔU 为变压器带负荷调压引起的相对误差，Δf为电流互感器变比或平衡线圈匝数标准化后 所引起的相对误差，为外部最大短路电流归算到二次侧的数值）

4、变压器纵差动保护的整定计算（三个原则）

A、正常运行时，为防止电流互感器二次回路断线引起保护误动，差动保护的动作电流应躲过变压器的最大负荷电流：

（取1.3~1.5）

B、躲过保护范围外部短路时流过差动继电器的最大不平衡电流：

（）

C、当采用速饱和铁芯的差动继电器时，要求继电器的动作电流能躲过变压器额定电流，即：

（）

最终选定动作电流为：

灵敏系数校验：

第十四章  发电厂变电所的控制与信号系统

14.1  电气二次回路

（基本概念）

二次设备：对一次设备进行监视、控制、测量和保护的设备。包括：控制和信号设备、测量表计、继电保护装置及各种自动装置等。

二次系统：由二次电气设备构成的系统。

二次接线（二次回路）：将二次设备按照工作要求互相连接组合在一起所形成的电路。

二次回路分为：操作控制回路、测量回路、信号回路、保护回路、操作电源回路和自动控制装置回路。

二次接线图：将二次设备按照工作要求连接在一起的图。

二次接线图按用途分类：原理接线图、展开接线图、安装接线图。

14.2  控制回路和信号回路常用低压电器

接触器：一种能频繁操作交直流电路及大容量控制电路的自动控制开关电器，可作远距离控制用。

接触器的基本工作原理：利用电磁铁的运动带动出头控制主电路通断。

电磁接触器构成：电磁系统、触头系统、灭弧系统、释放弹簧机构和基座等。

14.3  高压断路器的控制电路

断路器的合跳闸控制有集中控制和就地控制两种方式。

断路器控制回路要满足的基本要求：①断路器跳、合闸后，应能迅速自动切换对应的操作电路，以避免因跳、合闸线圈长时间通电而烧毁；②应能指示断路器跳、合闸状态；③应有防止断路器多次跳闸、合闸的防“跳跃”闭锁功能；④应能监视控制回路电源和断路器跳闸、合闸回路的完好性；⑤应能实现闭锁要求，对于气动和液压操动机构，当压力不正常时，除有信号反应外，还应进行操作闭锁；⑥控制回路接线应简单、可靠、使用电缆少。

14.4  高压隔离开关的电动操作与闭锁

隔离开关的控制回路分类：电动操作式、液压操作式和气动操作式。

隔离开关操作前提：在断路器断开及接地刀闸断开的情况下。

14.5  信号及测量回路

信号回路构成：信号电源、信号装置及连接线。

信号装置组成：音响信号（为了引起运行值班人员的注意）和灯光信号（帮助人分析判断问题）两部分。

测量回路构成：测量仪表和连接线组成。

14.6  发电厂变电所的操作电源

操作电源：对开关电器的远距离操作、信号设备、测量设备、继电保护和自动控制装置、事故照明、直流油泵及交流不停电装置等需要的专门供电电源。

操作电源的要求：①应保证在任何情况下都能不间断供电；②电源能量和电压质量均应能在最严重事故情况下保证用电设备可靠工作。

操作电源分类：直流操作电源（蓄电池组、电容储能硅整流电源和复式整流电源）和交流操作电源。

直流操作电源的作用：供电给直流控制负荷（电气和热工的控制、信号、保护、自动装置和某些执行机构）和直流动力负荷（大合闸电流的电磁操动机构、事故照明装置等）。

蓄电池的自放电：充足电的蓄电池未经使用，经过一定时间后，也会失去电量的现象。

自放电原因：①电解液中所含金属杂质沉积在负极板上，以及负极板本事含有的杂质，蓄电池的自放电就是通过这些杂质在负极上构成局部短路回路造成的；②由于电解液上下比重的差异，导致极板上下电势不同，在正负极板上出现俊雅电流，也会引起蓄电池自放电。

浮充电运行方式：将充满电的蓄电池组与浮充电装置并联运行，浮充电装置正常工作时，除供给直流母线上的经常性负荷外，还用不大的浮充电电流向蓄电池浮充电以补偿蓄电池的自放电损耗，使蓄电池经常处于充满电的状态。

浮充电运行的优点：按浮充电方式工作的蓄电池组总是保持在完全充电状态下，随时准备供电给直流负荷，提高了供电的可靠性，而且由于放电机会少，不需经常充电，蓄电池的寿命也会大大提高。

交流不停电电源（UPS）系统组成：①一套把交流电变为直流点的整流和充电装置及一套把直流电变为交流电 的逆变装置；②一套为了保护逆变器或万一逆变器失灵，能自动转移到交流备用电源上的旁路装置（包括变压器、调压变压器、稳压器和控制器等）。

UPS的主要部件：整流器、逆变器、静态开关。

第十六章  电力系统自动控制技术

16.1  概述

电力系统自动控制系统组成：由继电保护、自动装置、通信、调度自动控制、自动监视与自动控制等设备单独或有机结合成。

联合电力系统的优越性：①能更经济合理地利用各种一次能源，解决能源与负荷分布的地区性不平衡；②可以利用供电区域时差和季节差的因素错开峰谷负荷，降低系统的综合最大负荷，减少总的系统装机容量；③有利于安装大容量机组，提高投资效益和运行效率；④便于在系统发生故障时，各区域间功率的相互支援，提高系统运行的安全性和供电的可靠性；⑤便于对电力系统的几种管理、统一调度、实现经济运行。

1、电力系统安全运行的控制原则与措施

电力系统安全运行：所有电气设备处于正常状态，满足运行工况需要；系统电压和频率保持在规定范围内；所有发电机保持同步运行。

事故分类：①元件事故：出现在电气元件上的故障（通常由几点保护装置处理）；②系统事故：因电压或频率的一场引起系统稳定性的破坏（通常由系统安全自动装置来控制和处理）。

由系统频率下降引起事故的控制措施（按步骤进行）：①迅速启用电力系统中的旋转备用；②迅速启动和投入备用发电机组（主要是水力发电机组，采用低频自启动）；③自动按频率减负荷，切除部分用户负荷；④自动解列，将系统解列成几个小系统运行。

由系统电压下降引起事故的控制措施（按步骤进行）：①迅速通过同步发电机的自动调节历次装置提高励磁或强行励磁；②利用静补或串补的作用及调相机的备用无功容量，增加系统无功功率；③必要时切除系统中电压最低点的用电负荷。

由系统稳定破坏引起事故的控制措施：①在系统正常运行时，实时监测发电厂、枢纽变电站母线电压相角差是否在稳定运行的要求之内并保持一定裕度；实时监测电网输电线路的功率与方向；②当电网受到打扰动而不满足动稳定和静稳定极限时，按照实时计算的或预先给定的对策表来实施自动控制。

2、电力系统安全控制状态

电力系统运行状态：电力系统在不同的运行条件下的工作状态。（用等式约束条件和不等式约束条件描述）

等式约束条件：系统发出的有功和无功功率在任一时刻与系统中负荷吸收的有功和无功功率及输配电元件上消耗的有功和无功功率之和相等，即：

不等式约束条件：涉及系统供电质量和安全运行的某些参数（如母线电压、线路潮流等）应该处于系统或设备安全运行的允许范围之内。即：

电力系统运行状态：系统正常运行状态、系统预警状态、系统紧急状态、系统崩溃状态、系统恢复状态。

3、电力系统自动控制的目的和内容

电力系统自动控制的基本要求和目的：①实时或快速地检测、收集和处理电力系统各元件、局部或全系统的运行参数；②根据电力系统的实际运行状态以及系统中各电气元件的技术、经济和安全的需要，为运行人员提供控制和调节的参考决策，或者直接对电气元件进行控制和调节；③实现全系统各层次、各局部系统和各电气元件间的综合协制，力图达到电力系统安全和经济的多目标的最优运行方式；④电力系统自动控制应具备常规控制和紧急控制能力，全面改善和提高电力系统的运行性能。

电力系统自动控制：调度自动控制、变电站自动控制、配电网自动控制、发电厂自动控制。

16.2  电力系统调度自动化

监视控制和数据采集SCADA系统功能：对电力系统运行状态的监视，远距离的开关操作，自动发电控制及经济运行，以及制表、记录和统计等。

能量管理系统EMS：将数据采集与监控、自动发电控制和网络分析等功能有机联系在一起的管理系统。

1、电力系统调度自动化的实现

电网调度的组织：国调、网调、省调、地调和县调。

电力系统远动：电力系统调度中心对电力系统中的厂站实施的实时远方监视与控制。

远动系统的构成：控制站（调度端）、被控站（厂站端）和远动通道。

电力系统调度自动化系统的基本结构：计算机子系统、人际联系子系统、信息采集与命令执行子系统、通信子系统。

RTU功能：①实时数据的采集、预处理和上传数据；②事故和事件信息的优先传送；③接收调度端下发的命令并执行命令；④本地功能。

2、电力系统调度自动化的功能

电力系统调度自动化的功能：电力系统监视与控制、安全分析、经济调度、自动发电控制等。

（1）电力系统监视与控制

监视：对电力系统运行信息的采集、处理、显示、告警和打印，以及对电力系统异常或事故的自动识别，向调度员反映电力系统实时运行状态和电气参数，为调度员及时了解和掌握电力系统的运行情况提供方便。

监视的内容：电力系统运行状态的监视、发电和供电负荷监视、频率监视、潮流和电压监视、水库水位的监视。

控制：主要指通过人机联系设备执行对断路器、隔离开关、静电电容器组、变压器分接头等设备进行远方操作的控制。

（2）电力系统安全分析

安全分析：在安全监视的基础上，分析电力系统当前的运行状态在出现故障后能否保证连续供电，即是否安全。

安全分析的主要内容：利用实施数据对电力系统发生一条线路、一台发电机或一台变压器跳闸的假想事故进行爱线模拟计算，以便随时发现每一种假想是够是否可以造成设备过负荷、以及频率和电压超出允许范围等不安全情况。

（3）电力系统经济调度

电力系统经济调度：在调度过程中按照电力系统安全可靠运行的约束条件，在给定的电力系统运行方式中，在保证系统频率质量的条件下，以全系统的运行成本最低为原则，将系统的有功负荷分配到各可控的发电机组。

经济调度的基本方法：按照供电标准煤耗为增率相等的原则分配各发电厂的发电负荷，并考虑电力线路有功功率损耗的修正，必要时还应该按燃料价格进行修正。

（4）自动发电控制（AGC）

自动发电控制（AGC）的目标：①使电力系统发电自动跟踪系统负荷变化；②响应负荷和发电的随机变化，维持电力系统频率为规定值；③在各区域间分配系统发电功率，维持区域间净交换功率为计划值；④对周期性的负荷变化，按发电计划调整发电功率，对偏离预计的负荷，实现在线经济负荷分配；⑤监视和调整备用容量，满足电力系统安全要求。

AGC的启动周期：4~8s。

自动发电控制功能包括：频率和发电机有功功率的自动控制（通过发电机组的调速系统调节），电压和无功功率的自动控制（发电机的励磁控制系统的调节）。

3、电力系统电镀软件系统（能量管理系统EMS）

EMS应用软件分四级：数据收集（SCADA）级、能量管理级、网络分析级和培训模拟级。

16.3  电力系统典型自动控制装置

1、同步发电机同期并列装置

⑴

⑵同步发电机并列操作：通过关合断路器净发电机投入电力系统运行的操作。

⑶

⑷并列应遵循的原则：①并列时的冲击电流应尽可能小，其瞬时最大值不超过允许值；②并列后应能迅速进入同步运行状态，暂态过程要短。

⑸滑差频率：，其中为发电机的频率，为电力系统的频率。（注意：滑差频率可以为负的，但是滑差周期是始终为正的）

⑹以下分三种情况分析同步发电机在非理想条件下并列时出现的现象：

①并列时只存在电压幅值差（即）：

当时，则并列时产生的冲击电流周期性分量有效值为其中：分母为同步发电机直轴次暂态电抗和电力系统等值电抗的和（注意：此处用不用的原因是并列前发电机空载，两者相等；此处用的原因是发电机并列是暂态过程，用与配合更容易计算） 。最大冲击电流。此时发电机向系统输出无功。

同理可以得到时，冲击电流周期性分量有效值为。此时发电机从系统中吸收无功。

②并列时只存在相位差（即）：

当并列前发电机电压超前系统电压，则（注意：此处分母用同步发电机交轴次暂态电抗），冲击电流是有功性质的，发电机主要受到制动转矩；反之，发电机受到驱动转矩，还是有功性质的。

③并列时只存在频率差（即：）：

电压差瞬时值为，其幅值称为正弦整步电压。

由于发电机电压频率和系统电压频率不相等，两者的相角差会从0°到360°之间周期变化，即出现系统震荡，可能导致失稳。

2、同步发电机同期并列原理

（1）正弦整步电压的特点：

①若与的幅值相等，则；否则。

②（2π）时，。

③相邻两次经过的时间为频差周期。

④当时，相角差值与整步电压有对应的关系，即。

（2）同步发电机并列原理：

3、电力系统自动低频减负荷

（1）负荷调节效应：靠频率改变自动调节负荷功率来实现功率平衡的作用称为负荷的调节效应。

（2）自动低频加负荷的整定原则：

①保证切除足够的负荷功率，使系统频率可恢复到允许值

②尽量避免过多切除负荷

（3）自动低频减负荷装置（ZDPJ）的任务：在系统发生事故且出现严重有功缺额时，快速切除相应的负荷，使系统恢复到稳定运行。

（4）切除负荷总量的确定：最大功率缺额的确定要根据在最不利的运行方式下发生故障时，整个系统可能发生的最大功率缺额来确定。

总共需要切除的负荷应由下式决定：

（5）基本级动作频率的确定

ZDPJ首级动作频率通常定在48.5~49.0Hz；末级动作频率应由系统所允许的最低频率下限来确定（一般不低于46~46.5Hz）。最小恢复频率一般不低于首级频率。

（6）基本级各级切除负荷的确定

第i级切除的负荷量为

（7）特殊级的设定

特殊级的启动频率不低于基本级的第1级的动作频率，按时间顺序分级动作，第1级时限以系统频率下降过程的时间常数的2~3倍来确定。

4、其他安全自动装置

（1）水轮发电机组低频自启动装置

由三部分的功能块组成：系统频率测量部分、对水轮发电机组的起动和调速控制部分、快速并列操作部分。

（2）自动解列装置

自动解列装置：一种反应电力系统稳定性受到威胁和遭破坏的紧急情况下动作，在预定解列点将系统解列，防止系统崩溃、提高系统运行安全性的自动装置。分为系统解列和厂用电系统解列两种方式。

对解列点的选择原则：尽量保持解列后的子系统的功率平衡，防止电压和频率急剧变化；应操作方便，易于恢复，具备良好的通信条件。

（3）电力系统安全控制装置

电力系统安全稳定控制装置按控制系统分为：就地分散式、分布式、分层分布式、集中式。下载本文