220KV高压电网继电保护研究分析
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【摘要】作为电网安全稳定运行的第一道防线，继电保护时刻都发挥着至关重要的作用，继电保护装置的应用要求也越来越高。但不管如何发展变化，总要满足其原理和基本设计要求。本文是对220 KV高压电网的继电保护的研究，主要研究分析继电保护的基本原理与要求，变压器中性点接地的选择等方面的知识。在满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性要求的基础上对220kv电网的继电保护短路等方面的计算方法进行了较为全面的论述，并给出一些不同工作状态时系统对应标准数据。为电力系统继电保护装置设计者提供了关键技术，保证对220KV高压电网继电保护设计的可行性，安全性与实用性。
【关键词】220KV电网;继电保护;变压器;短路计算
1.继电保护的基本原理
继电保护装置应在系统发生故障或不正常运行时，迅速，准确的切除故障元件或发出信号以便及时处理，因此，继电保护装置是电网及电气设备安全可靠运行的保证。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。电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：
（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20o，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60o～85o，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180o+（60o～85o）。
（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。利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。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。
2.继电保护的基本要求
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。
2.1 选择性
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。
2.2 速动性
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。一般必须快速切除的故障有：
（1）使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值（一般为0.7倍额定电压）。
（2）大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。
（3）中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。
（4）可能危及人身安全、对通信系统或铁路信号造成强烈干扰的故障。
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。
2.3 灵敏性
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。
保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。
2.4 可靠性
可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。
安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。
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。
继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。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。
3.变压器中性点接地的确定
3.1 变压器中性点接地位置和数目的选择原则
电力系统中性点接地方式有两大类：一类是大接地电流系统;一类是小接地电流系统。
通常，变压器中性点接地位置和数目按如下两个原则考虑：一是使零序电流保护装置在系统的各种运行方式下保护范围基本保持不变，且具有足够的灵敏度和可靠性;二是不使变压器承受危险的过电压，为此，应使变压器中性点接地数目和位置尽可能保持不变。
在中性点直接接地电网发生接地短路时，零序电流的大小和分布与电网中变压器中性点接地数目和位置有很大关系。在系统不失去中性点接地的前提下，安排一部分变压器中性点接地运行，另一部分变压器中性点不接地运行，并使变压器中性点接地数目及位置尽量不变，以保证零序保护动作范围的稳定和具有足够的灵敏性。
（1）在单母线运行的发电厂和高压母线上有电源联络线的变电站变压器中性点应接地。
（2）在具有两台以上的变压器，而且是双母线固定连接方式运行的发电厂和高压母线上有两回以上电源联络线的变电所，每组母线上至少有一台变压器的中性点直接接地，这样当母联开关断开后，每组母线上至少保留有一台变压器的中性点直接接地。
（3）在单电源网络中，终端变电所的变压器中性点一般不应接地。
（4）在多电源的网络中，每个电源处至少应该有一个中性点接地，以防止中性点不接地的电源因某种原因与其它电源切断联系时，形成中性点不接地系统。
（5）变压器低压侧接入电源，当大接地电流电网中发生接地短路而该电源的容量能够维持接地点发生的电弧时，则变压器的中性点应该接地，如果该电源的容量不是足以维持接地电弧时，则中性点不接地。
（6）为便于线路接地保护配合，在低压侧没有电源的枢纽变电所，部分变压器的中性点应直接接地。
（7）接在分支线上的变电所，低压侧虽无电源，但变压器低压侧是并联运行的，为使横差差动保护正确动作，变压器的中性点应接地。
（8）自耦型和有绝缘要求的其它变压器，其中性点必须接地运行。
3.2 变压器中性接地的数目和位置
主变中性点的投入数量和位置直接影响系统的零序阻抗，零序阻抗的变化又改变着零序电流的分布。考虑到零序保护的灵敏性和变压器中性点绝缘，系统过电压，保护整定配合等因素，零序阻抗应基本不变。如你厂接线为双母线，一般应保持一条母线上有一台变压器接地。如为单母线，有两台及以上变压器接在母线上时，就保持一台变压器中性点接地。备用变的220KV侧中性点接地也是算作220KV系统的接地点的，与主变的中性点接地无异。一般情况下，备用变与中性点接地的主变是分别运行于不同母线的。为了接地短路时，变压器不会受到过电压的危害，又能使零序电流的分布基本不变，系统中各变电站的变压器接地情况如表1所示：
表1 变压器中性点接地情况表
变电站名称 A B C D E
变压器台数 1 2 3 4 2
220KV侧中性点接地变压器台数 1 1 2 2 1
4.短路计算
4.1 短路概述
短路是电力系统的严重故障。所谓短路，是指一切不正常的相与相之间或相与地之间发生通路的情况。产生短路的原因有元件损坏、气象条件恶化等。在三相系统中可能发生的短路有：（1）三相短路;（2）两相短路;（3）两相接地短路;（4）单相接地短路。电力系统的运行经验表明，在各种类型的短路中，单相短路占大多数，两相短路较少，三相短路机会最少。从短路计算方法来看，一切不对称短路的计算在采用对称分量法后，都归结为对称短路的计算。
4.2 短路计算的目的
在设计中，短路计算是其中的一个重要环节。计算的目的主要有以下几个方面：
（1）以便选择有足够机械稳定度和热稳定度的电气设备，如断路器等，必须以短路计算作为依据。
（2）为了合理地配置各种继电保护和自动装置并正确整定其参数，必须对电力网中发生的各种短路进行计算和分析。
（3）进行电力系统暂态稳定计算，研究短路对用户工作的影响等，也包含有一部分短路计算的内容。
（4）确定输电线路对通讯的干扰，对已发生的故障进行分析。
实际工作中，根据一定任务进行短路计算时，必须首先确定建设条件。一般包括，短路发生时系统的运行方式，短路的类型和发生地点，以及短路发生后所采取的措施等。从短路计算的角度看，系统的运行方式指的是系统中投入运行的发电、变电、输电、用电设备的多少以及它们之间相互连接的情况，建设不对称短路时，还应包括中性点的运行状态。不同的计算目的，对应的计算条件不同。
4.3 短路计算条件
在实际工作中，根据一定的任务进行短路计算时必须首先确定计算条件.所谓计算条件是指短路发生时系统的运行方式，短路的类型和发生地点，以及短路发生后所采取的措施。为使所选电器具有足够的可靠性、经济性和合理性，并在一定时期内适应电力系统发展的需要，作验算用的短路电流应按下列条件确定：
（1）容量和接线：按本工程设计最终容量计算，并考虑电力系统远景发展规划一般为本期工程建成后的5-10年，其接线应采用可能发生最大短路电流的正常接线方式，但不考虑在切换过程中可能短时并列的接线方式。
（2）短路种类：一般按三相短路验算，若其它种类短路较三相短路严重时，则应按最严重的情况验算。
（3）正常工作时，三相系统对称运行。
（4）所有电源的电动势相位角相同。
（5）电力系统中各元件的磁路不饱和，即带铁芯的电气设备电抗值不随电流大小发生变化。
（6）短路发生在短路电流为最大值的瞬间。
（7）不考虑短路点的电弧阻抗和变压器的励磁电流。
（8）元件的计算参数均取其额定值，不考虑参数的误差和调整范围。
4.4 短路类型
由电力系统不对称故障分析，短路电流正序分量可以统一写成：
式中表示附加电抗，其值随短路型式的不同而不同，上角标（n）是代表短路类型的符号。上式表明，在简单不对称短路的情况下，短路点电流的正序分量，与在短路点每一相中加入附加电抗而发生三相短路时的电流相等。这个概念称为正序等效定则。短路电流的绝对值与它的正序分量的绝对值成正比，即：
式中，m（n）为比例系数，其值视短路种类而异，各种简单短路时的和m（n）如表2所示：
表2 简单短路时的和m（n）表
短路类型 m（n）
三相短路 0 1
两相短路接地
两相短路
单相短路 3
目前，继电保护向计算机化、网络化方向发展，保护、控制、测量、数据通信一体化和人工智能化对继电保护提出了艰巨的任务，也开辟了研究开发的新天地。随着改革开放的不断深入、国民经济的快速发展，电力系统继电保护技术将为我国经济的大发展做出贡献。
参考文献
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