繼電保護(hù)整定計(jì)算方法的研究及優(yōu)化

引言

隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展,人們的生活質(zhì)量要求越來(lái)越

高,而電力系統(tǒng)的穩(wěn)定與否直接關(guān)系到人們的生活質(zhì)量,因此,保障電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性變得至關(guān)重要。繼電保護(hù)裝置作為電力系統(tǒng)的主要保護(hù)裝置,在保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性方面發(fā)揮著巨大作用。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或者異常時(shí),繼電保護(hù)裝置能夠快速檢測(cè)到故障點(diǎn)并做出相對(duì)準(zhǔn)確的動(dòng)作,最大程度地保證電力系統(tǒng)的穩(wěn)定和完整,減少損失,維護(hù)用戶的利益。

1繼電保護(hù)原理概述

繼電保護(hù)裝置的主要作用就是對(duì)電力系統(tǒng)中的故障和異常進(jìn)行監(jiān)測(cè),然后發(fā)出報(bào)警信號(hào)給工作人員,讓值班員人為消除故障,或在最短時(shí)間內(nèi)和最小區(qū)域內(nèi)自動(dòng)將故障點(diǎn)隔離或切除,以減輕或避免其他設(shè)備的損壞,保障鄰域地區(qū)供電的穩(wěn)定。通常當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),系統(tǒng)中的電流、電壓、相位角、功角、頻率和測(cè)量阻抗都會(huì)發(fā)生變化,甚至當(dāng)系統(tǒng)發(fā)生不對(duì)稱故障時(shí),出現(xiàn)相序分量和功率方向的變化,這些都可以作為繼電保護(hù)裝置判定被保護(hù)元件狀態(tài)的依據(jù)。另外,除反映各種電氣量的保護(hù)以外,還有根據(jù)電氣設(shè)備的特點(diǎn)實(shí)現(xiàn)反映非電量的保護(hù),當(dāng)繞組多相短路、匝間短路、繞組與鐵芯或與外殼間的短路、鐵芯故障、油面下降或漏油、分接開關(guān)接觸不良或?qū)Ь€焊接不良時(shí),電力線路中應(yīng)該有瓦斯保護(hù)、過(guò)熱保護(hù)等裝置,確保電力線路的穩(wěn)定性與安全性。

微機(jī)繼電保護(hù)裝置一般由三部分組成,分別是測(cè)量單元、邏輯單元和執(zhí)行單元,當(dāng)繼電保護(hù)的范圍確定后,需要在范圍內(nèi)進(jìn)行設(shè)置,比如根據(jù)發(fā)生故障的強(qiáng)弱做出跳閘、風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警、不動(dòng)作等反應(yīng)。在執(zhí)行單元中,主要是根據(jù)邏輯判斷單元給出的指令進(jìn)行執(zhí)行,確保繼電保護(hù)裝置的可靠性、靈活性等。

2繼電保護(hù)整定計(jì)算方法

2.1繼電保護(hù)的基本要求

繼電保護(hù)裝置為了完成任務(wù)需要滿足4個(gè)基本要求,即可靠性、靈敏性、選擇性和速動(dòng)性。

(1)繼電保護(hù)可靠性是指其對(duì)電力線路、用電器等故障保護(hù)精準(zhǔn),在使用過(guò)程中,不會(huì)出現(xiàn)由于誤動(dòng)而導(dǎo)致電流被切斷等問(wèn)題。

(2)繼電保護(hù)靈敏性是指當(dāng)系統(tǒng)中出現(xiàn)故障時(shí),繼電保護(hù)裝置能夠在第一時(shí)間做出反應(yīng),保護(hù)用電設(shè)備。

(3)繼電保護(hù)選擇性是指在發(fā)生故障后,首先應(yīng)該由發(fā)生故障的用電器本身做出相應(yīng)的反應(yīng),當(dāng)用電器的保護(hù)器發(fā)生拒動(dòng)后,相鄰的設(shè)備才被允許做出反應(yīng)。

(4)繼電保護(hù)速動(dòng)性是指當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障后,繼電保護(hù)裝置能夠在第一時(shí)間對(duì)故障進(jìn)行切除,將由于電路故障造成的損失降到最低。

2.2整定方法及整定步驟

繼電保護(hù)整定計(jì)算模式主要有離線模式和在線模式兩種,其中離線模式主要包括完全人工計(jì)算、半人工計(jì)算和全計(jì)算機(jī)計(jì)算三種。全人工計(jì)算是指繼電保護(hù)整定技術(shù)人員通過(guò)對(duì)區(qū)域電網(wǎng)的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和計(jì)算,得出相關(guān)的短路電流和分支系數(shù),最后根據(jù)整定規(guī)則和實(shí)際要求對(duì)保護(hù)值進(jìn)行整定。半人工計(jì)算則是由計(jì)算機(jī)軟件先計(jì)算出線路相關(guān)的故障電流,然后由人工進(jìn)行保護(hù)整定值的計(jì)算。全計(jì)算機(jī)計(jì)算則完全由計(jì)算機(jī)軟件來(lái)代替人工進(jìn)行繼電保護(hù)的整定工作。

整定計(jì)算在線模式主要依賴于微機(jī)保護(hù)、電力通信技術(shù)和在線繼電保護(hù)整定計(jì)算軟件的開發(fā)。它能夠根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化,對(duì)保護(hù)定值進(jìn)行動(dòng)態(tài)在線整定,調(diào)整各線路保護(hù)段保護(hù)值的配合問(wèn)題,同時(shí)還能校驗(yàn)保護(hù)定值的靈敏度。隨著目前電力通信技術(shù)越來(lái)越成熟,在線繼電保護(hù)整定技術(shù)已得到越來(lái)越多的應(yīng)用,特別是自適應(yīng)繼電保護(hù)在線整定,它能夠根據(jù)電力系統(tǒng)運(yùn)行方式的改變,實(shí)時(shí)地對(duì)繼電保護(hù)定值進(jìn)行修改,保證繼電保護(hù)裝置的最佳保護(hù)性能。同時(shí)在其他性能方面,它相比離線整定有很大的優(yōu)勢(shì)。離線整定和在線整定性能對(duì)比如表1所示。

表1離線整定和在線整定性能對(duì)比

3目前繼電保護(hù)整定計(jì)算方法存在的不足和優(yōu)化

3.1斷相口開路電壓計(jì)算問(wèn)題

在對(duì)電力系統(tǒng)進(jìn)行繼電保護(hù)整定計(jì)算時(shí),需要計(jì)算電網(wǎng)絡(luò)中的電流和電壓等電氣量,特別是出現(xiàn)概率較大的由于電力系統(tǒng)震蕩引起的非全相運(yùn)行,需要對(duì)其正序網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行開路電壓計(jì)算。因此,可以將系統(tǒng)中各發(fā)電機(jī)的等值電勢(shì)和等值電阻用相應(yīng)符號(hào)表示,當(dāng)系統(tǒng)任意線路發(fā)生非全相運(yùn)行時(shí),運(yùn)用疊加定理可以求出正序網(wǎng)絡(luò)的開路電壓。雖然這個(gè)過(guò)程可以很精確地計(jì)算出開路電壓值,但是計(jì)算量過(guò)大,不能運(yùn)用在大規(guī)模電力系統(tǒng)中。

為了解決這個(gè)問(wèn)題,首先運(yùn)用網(wǎng)絡(luò)H參數(shù)法,將網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的影響考慮進(jìn)來(lái),把電力系統(tǒng)震蕩過(guò)程中的發(fā)電機(jī)分成兩個(gè)震蕩群,同時(shí),將端口選擇為正序網(wǎng)絡(luò)斷相口和兩個(gè)震蕩群機(jī)組等效電動(dòng)勢(shì)端口。最后應(yīng)用雙口網(wǎng)絡(luò)H參數(shù)的計(jì)算方法得出開路電壓。

3.2分支系數(shù)計(jì)算問(wèn)題

在開展繼電保護(hù)整定計(jì)算時(shí),必須充分考慮到分布式電源變化對(duì)分支系數(shù)的影響,如果沒(méi)有嚴(yán)謹(jǐn)選擇合適的分支系數(shù),會(huì)導(dǎo)致計(jì)算出的整定值有很大的誤差。

為了能選擇合適的分支系數(shù),在計(jì)算分支系數(shù)之前,要充分、全面地考慮到各方面因素,當(dāng)分布式電源發(fā)生變化時(shí),要修改舊數(shù)據(jù),重新計(jì)算更新數(shù)據(jù),保證分支系數(shù)的準(zhǔn)確性,最大程度地減小分支系數(shù)的計(jì)算誤差。

3.3運(yùn)行方式選擇存在的問(wèn)題

電力系統(tǒng)運(yùn)行方式是影響繼電保護(hù)整定的重要因素,一般在進(jìn)行繼電保護(hù)整定時(shí)只是將繼電保護(hù)所在的母線進(jìn)行隔離,并沒(méi)有考慮到其他運(yùn)行方式對(duì)整定的影響,這樣會(huì)造成保護(hù)范圍過(guò)大。找到電力系統(tǒng)的極端運(yùn)行方式是進(jìn)行繼電保護(hù)整定的關(guān)鍵一步,一般都是通過(guò)對(duì)保護(hù)所在的線路進(jìn)行輪流開斷的方法來(lái)查找,然而在某些情況下這種方法無(wú)法找到電力系統(tǒng)的極端運(yùn)行方式。

為了能找到電力系統(tǒng)的最不利運(yùn)行方式,運(yùn)用計(jì)算機(jī)來(lái)完成繼電保護(hù)整定值的計(jì)算。計(jì)算機(jī)可以完成開斷線路,根據(jù)開斷線路所造成的擾動(dòng)域來(lái)判斷繼電保護(hù)整定值的計(jì)算范圍,只有這樣才能準(zhǔn)確查找出電力系統(tǒng)的最不利運(yùn)行方式。

3.4勵(lì)磁涌流問(wèn)題

勵(lì)磁涌流問(wèn)題主要發(fā)生在變壓器中,特別是在變壓器空投的過(guò)程中,變壓器鐵芯內(nèi)磁通量會(huì)產(chǎn)生很大改變,產(chǎn)生非周期性的勵(lì)磁電流,導(dǎo)致鐵芯內(nèi)部處于飽和狀態(tài),使勵(lì)磁電流出現(xiàn)大幅度增長(zhǎng),其主要特點(diǎn)是:(1)非周期分量占較大的比例,出現(xiàn)涌流后,一般會(huì)聚集在時(shí)間軸端。(2)高次諧波比例較大,多為二次諧波。(3)勵(lì)磁涌流波形出現(xiàn)間斷角。(4)勵(lì)磁涌流的初始階段數(shù)值比較大,然后漸漸減弱。

典型波形如圖1所示,其中CT變比為1500/1,從上至下波形分別為:主變高壓側(cè)A相最大一次有效值Ia=1035A、主變高壓側(cè)B相最大一次有效值Ib=360A、主變高壓側(cè)C相最大一次有效值Ic=795A、主變接地中性線N相最大一次有效值I0=390A、高廠變高壓側(cè)A相最大一次有效值I-a=555A。

圖1500kV主變空投時(shí)相關(guān)電流錄波圖

由于勵(lì)磁涌流中的非周期分量,特別是二次諧波會(huì)隨著時(shí)間延長(zhǎng)而衰減,利用這個(gè)特點(diǎn),當(dāng)前國(guó)內(nèi)大型變壓器差動(dòng)保護(hù)大多采用二次諧波制動(dòng)比來(lái)防止誤動(dòng),根據(jù)經(jīng)驗(yàn),一般整定為15%~20%。鑒于大型變壓器空投后引起過(guò)多次變壓器差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)的事實(shí),以及實(shí)際上大型變壓器二次諧波比例越來(lái)越小,電網(wǎng)公司建議必要時(shí)可將變壓器差動(dòng)保護(hù)二次諧波制動(dòng)比調(diào)整為12%。

3.5保護(hù)出口整定問(wèn)題

實(shí)際工作中往往重視繼電保護(hù)定值的整定計(jì)算,但是容易忽視對(duì)保護(hù)出口的整定問(wèn)題。在傳統(tǒng)的發(fā)變組整定計(jì)算中,對(duì)發(fā)變組全停、解列、解列滅磁、跳分支開關(guān)等比較重視,但是隨著機(jī)組容量的增加和繼電保護(hù)與安全自動(dòng)裝置的不斷融合,在保護(hù)出口的整定中,尤其要關(guān)注啟動(dòng)失靈、啟動(dòng)遠(yuǎn)跳、啟動(dòng)分支快切、閉鎖分支快切、關(guān)主汽門甚至鍋爐全燃料失去(MFT)等功能的整定,通過(guò)保護(hù)定值整定和保護(hù)出口整定的完美配置,保證繼電保護(hù)裝置的可靠性。

4結(jié)語(yǔ)

繼電保護(hù)作為電力系統(tǒng)中的主要保護(hù)裝置,在保證電力系統(tǒng)穩(wěn)定性、安全性和可靠性方面起著不可替代的作用,因此提高和改善繼電保護(hù)裝置的性能十分必要。其中,對(duì)繼電保護(hù)整定值計(jì)算方法的研究十分重要,它關(guān)系到保護(hù)裝置的準(zhǔn)確性和靈敏性。目前我國(guó)電網(wǎng)系統(tǒng)變得越來(lái)越龐大和復(fù)雜,繼電保護(hù)整定在實(shí)踐過(guò)程中遇到了不少問(wèn)題,繼電保護(hù)整定計(jì)算既是一門理論學(xué)科,又是一門實(shí)踐學(xué)科,我們需要理論聯(lián)系實(shí)際,不斷發(fā)現(xiàn)并善于總結(jié)問(wèn)題,最終找到解決途徑,保證繼電保護(hù)裝置的穩(wěn)定運(yùn)行,提高電力系統(tǒng)的可靠性。