电力系统继电保护装置的整定计算

电力系统继电保护装置的整定计算

0系统整定计算的重要性和创新性随着科学技术的进步和发展，微型计算机继电保护装置完全取代了电、工业、电路等静态继电保护装置，这是继电保护技术的飞跃。近十年来,微机型继电保护装置硬件结构和软件开发都有了很大发展,装置性能稳定、技术指标先进、功能齐全、自检功能强、可靠性高,调试维护方便,运行实践证明正确动作率高。在综合自动化的变电站和电厂里,微机型继电保护装置与监控系统已综合形成一个网络系统。随着智能型集中信息微机处理系统不断发展,微机型继电保护将进入更加辉煌繁荣的时代。运行单位广泛应用微机型继电保护装置,在调试、运行维护方面已取得显著成果。但在整定计算方面,由于制造厂过于强调微机型继电保护装置的灵活性,造成了最复杂的配置。保护装置定值表及运行方式控制字有几十个,甚至达一百个以上,将简单的线路保护装置做成各种保护功能俱全、各种方式任选的庞大、复杂的继电保护装置。大量定值和运行方式控制字不利于运行单位的选用,更不利于整定计算,甚至会造成错误而引起严重后果。实践证明,过多的灵活性必将导致复杂化,从而降低可靠性,不利于运行管理和整定计算。微机型保护装置的应用在调试、运行维护、保护性能上是创新,而另一方面,还应该在整定计算工作上创新。本文从简化整定计算方面讨论线路的微机型继电保护装置,提出了一些有效的简化措施。122近后置保护功能在220kV及以上电压等级线路上,因为电源侧上一级断路器上配置的继电保护装置往往不能对相邻故障元件实现完全保护,因而只能实现“近后备”保护功能,所以每条线路都配置2套独立完整的继电保护装置发出跳闸命令断开故障,如果断路器拒绝动作,则启动断路器失灵保护,断开同一母线上其他带电源的所有线路和变压器,从而最终断开故障。这样就满足了双重化的要求。目前220kV及以上电压等级线路均装有2套纵联全线速动保护。在加强主保护的基础上,理应简化后备保护,同时还应该简化后备保护的整定计算。1.1反时限零序电流保护零序电流保护的原理和实现都很简单,零序阻抗比正序阻抗大,零序电流变化较陡,容易实现整定配合。但随着系统网架的快速扩大,500kV自耦变压器、220kV超短线路及短线路群的投入,零序序网随运行方式变化而越发复杂,零序电流保护的整定配合非常困难,零序电流保护的应用受到越来越多的限制,因此用接地距离保护代替零序电流保护是必然趋势。1990年以前有的单位已换用微机型保护,具备三段式接地距离保护,但是全网线路不全采用接地距离保护,因此仍以阶段式零序电流保护为主,接地距离保护仅投Ⅰ段,或Ⅰ,Ⅱ段。当时,阶段式零序电流保护设计复杂,有灵敏Ⅰ段,不灵敏Ⅰ段,Ⅱ，Ⅲ，Ⅳ段等,短路电流计算程序、零序电流整定计算程序也都较复杂,考虑了非全相运行时的零序电流、零序方向元件零序电压结线错误等因素,采取了较多的措施。现在全网所有线路都采用微机型保护,有条件确定以接地距离保护为主、零序电流保护为辅的接地保护,这样整定计算就可以大大简化。接地距离保护的缺点是受接地电阻的影响太大,过大的接地电阻将造成拒动。规程中明确指出接地故障最末一段应以适应短路点接地电阻的接地故障为整定条件,为此零序电流保护必须保留最末一段,其动作电流整定值不大于300A。电网只保留零序电流长延时最后段,对于复杂电网而言在配合上非常困难,在运行中因最后段无法满足时限配合关系,也存在着无选择性跳闸的隐患。因此,取消阶段式的零序电流保护代之以接地距离保护为主的方式应增加反时限零序电流保护功能,全网使用统一的启动值和反时限特性,接地故障时按电网自然的零序电流分布以满足选择性。反时限零序电流保护的动作时间ti=t1+t2,反时限特性如下:式中t1为反时限特性的动作时间;t2为定时限特性的动作时间;t为全网接地距离最末一段中最长的时限;△t=0.5s;Ip为反时限电流定值;K,R参数由国家调度中心统一决定,并设置几条曲线,供各电网选择,所有的制造厂均按这些曲线设置,要求一个电网采用统一的K,R,Ip定值。国际电工委员会标准(IEC255-4)的普通反时限特性为式中IP为电流基准值对应零序反时限过流定值;tP为时间常数对应零序反时限段时间定值。制造厂说明书中可查找由上述公式所绘制的曲线,这些曲线可将tP固定,如tP取0.5,1,2,3,4,5,6,7,8,9,10,作,,=f(IP)曲线。若按上述曲线,规程规定零序电流整定值为300A,则IP可整定为270A。取I为300A相当于/=1.11IP,设tP=1,则t1=70s。一般I≥5IP,由接地距离段动作跳闸,不考虑反时限特性的配合,关键的曲线范围是I=(1.3～5)IP。当I=1.3IP,tP=1,则t1=28s。当tP=1时,在I=(2～5)Ip范围内时间级差不明显。当tP=3或tP=4时,有明显级差,但I=1.3IP动作时间又太长,为此可设定I=300A,t1最长时限为60s。反时限零序电流保护动作三跳并闭锁重合闸,需设置TA断线闭锁。反时限零序电流保护不带零序方向,因为存在高弧光电阻,所以零序电流及零序电压的数值均很小,不足以启动零序方向元件,如果设置则在TV断线时解除零序方向。采用反时限零序电流保护,其优点是线路后备保护无需再取零序电压。当微机型保护装置没有反时限特性段时,可采取各线路零序电流最长延时段均整定为300A,但按延时级差配合整定,最短时限取3.5s,最长时限不超过7s。如果发生配合困难,可预先设置解列点,将环网解列,以取得配合效果。1.2相邻线路充分发挥保护作用的定值电压互感器断线时,自动投入零序电流I段和过电流I段;电压恢复正常后,自动解除。电流整定值按本线路末端满足灵敏度整定。时间整定值参照下述原则整定:a.本线路失去纵联全线速动保护后,为保证系统稳定取0.2s;b.相邻线路纵联全线速动保护相继动作的时间再增加△t,即取0.25～0.3s;c.本线路较长时,相邻线路的后备保护仅起范围很小的远后备作用,则为防止相邻线路故障时的越级动作,可取1.0s;d.过电流段按事故性过负荷整定,可能定值较低,按一般躲避正常情况下易发生全相振荡的误动时间取值。1.3数字并网保护的控制字制造厂尽可能减少继电保护装置定值的数量。制造厂可自动设置的辅助定值和可固定的输入定值参数最好固定,由制造厂在技术说明书中叙述,无需整定计算人员计算定值和输入定值。制造厂尽可能减少运行方式的控制字。目前,广泛采用微机型线路保护装置和投入接地距离保护,许多旧的整流型、集成电路型的运行方式控制字均可简化或取消。下面介绍几种简化方式。a.零序各段是否投零序方向,可以简化为零序各段均经零序方向元件控制,方便整定计算,同时自产的零序电压不可能发生极性错误,带有零序方向元件尚可避免TA断线误动,只有最末一段零序电流保护为判断零序方向元件是否满足灵敏度而设置经零序方向元件的控制字。b.相间距离Ⅰ,Ⅱ段和接地距离Ⅰ,Ⅱ段是否经振荡闭锁控制,可以简化为投振荡闭锁和不投振荡闭锁。、目前的微机型线路保护均设有较好的对称故障和不对称故障的振荡闭锁开放元件。有的制造厂也设有在振荡闭锁过程中Ⅰ.Ⅱ段各增加0.5s的自动切换功能。c.重合闸后加速的处理:三相重合闸设加速相间距离Ⅱ段和加速相间距离Ⅲ段;双电源线路三相重合闸采取一侧检无压一侧检同期,而且有振荡闭锁开放元件开放Ⅰ,Ⅱ段,故不需要1.5s加速距离Ⅲ段的功能;阻抗相近加速段,重合闸后原故障相的测量阻抗在Ⅱ段内,且电抗分量同跳闸前相近时,保护加速出口,理应经常投入,无需再设控制字;四段式零序电流保护,要求零序电流Ⅲ段满足灵敏度,因此只设加速零序电流Ⅲ段,零序电流Ⅳ段(最长延长段300A)不需要加速,但设重合闸后延时缩短0.5s的控制字,以防止与相邻线路最长延时段整定同一时间造成无选择动作跳闸。d.220kV及以上电压等级线路均具有双套纵联全线速动保护,一般后备段亦不启动重合闸。因此在单相重合闸和三相重合闸时间整定中,可取消长延时和短延时的控制字。网、省公司继电保护整定计算部门在软件控制字的选择上应制定统一的使用原则,使整定和使用控制字的数量愈少愈好。为减少整定计算人员的工作量和不同人员任意选取定值,可将通用的附加定值作统一的规定。分不同电压等级(500kV,330kV,220kV)的线路,按线路长度、电流互感器变比等,列出通用的附加定值选取统一定值。如突变量电流定值、零序电流启动电流、静态失稳电流、圆特性阻抗的正序灵敏角、负序灵敏角、接地距离偏移角、相间距离偏移角、负荷限制电阻、多边形特性阻抗的相间距离电阻、接地距离电阻、重合闸检无压值和检同期合闸角等。零序补偿系数按照导线的布置、分列导线数、接地线等情况作统一的标准值。1.4电容电流补偿电路具有光纤通道的纵联电流差动全线速动保护配有分相式电流差动和零序电流差动,其优点是本身具有选相能力,不受系统振荡影响,在非全相运行中有选择性的快速动作。由于带有制动特性,可防止区外故障误动,回路简单明了,值得推广。在长线路上使用,需要具有电容电流补偿功能,利用线路两侧电压对电容电流进行补偿。在短线路上使用,不需要电容电流补偿功能,同时对超短线路停用相间距离Ⅰ段、接地距离Ⅰ段和工频变化量距离(按相补偿阻抗快速元件)等,是短线路保护的最佳方案。零序电流差动保护主要是根据内部高阻接地故障进行灵敏度整定,为了防止区外故障误动应带有延时动作,一般为0.2s,用时间换取灵敏度。1.5具有过渡电阻能力的风险目前,相间阻抗元件和接地阻抗元件有多边形特性线路微机保护,也有正序电压极化的方向阻抗圆特性线路微机保护,它们均具有良好的允许过渡电阻能力,但是不同特性在线路发生过渡电阻故障时,尤其是接地阻抗,上下级线路的配合不得而知,对于过渡电阻整定计算不可能进行定量计算。运行实践上因线路均配备双套全线速动保护,瞬时切除故障,掩盖了近后备保护上下级不配合隐患。解决的办法是在线路上配置一套多边形特性线路微机保护和一套正序电压极化的方向阻抗圆特性线路微机保护,两套保护同时运行就不可能出现配合上的隐患。211kv及以下电压等级线路的解环运行继电保护系统的配置应满足:任何电力设备和线路在运行中的任何时候必须有2套完全独立的继电保护装置分别控制2台完全独立的断路器实现保护。110kV及以下电压等级线路微机保护装置要求实现“远后备”原则[1,有足够灵敏度发挥后备作用断开最邻近故障元件的故障。因为110kV及以下电压等级的线路和变压器只装设一套微机型保护装置,因此其线路还应对变压器起后备作用,在此基础上110kV及以下电压等级线路解环运行是最有效的措施。规程中规定220kV电网与110kV及以下电压电网之间均不宜构成电磁环网运行,要求110kV及以下电压电网以辐射型开环运行。全国电网中,随着500kV电压网架形成与发展,110kV电网都将逐步做到开环运行,惟有西北电网是330kV与110kV的网架,具有特殊性,因此可按近后备原则设计线路与变压器微机型保护装置。目前110kV及以下电压等级线路微机型保护装置,功能配置与220kV及以上电压等级线路微机型保护装置几乎相同,除了没有选相元件以外,样样具备,定值表及运行方式控制字甚至超过220kV及以上电压等级线路,将简单的110kV及以下电压等级线路实现远后备的保护装置变成了最复杂的配置,因此必须进行整定计算上的简化。2.1按相补偿阻抗元件与高频封闭距离保护110kV及以下电压等级线路90%以上不使用单相重合闸和高频闭锁距离保护,因此不需要配置按相补偿阻抗元件和高频闭锁距离全线速动保护,若系统需要可选用220kV线路微机型保护,不必将简单的线路保护设计成千篇一律的复杂保护。2.21接地距离保护110kV线路越来越多地应用解环运行,因此接地保护用零序电流保护是最佳方案,而没有必要配置接地距离保护。同时接地距离保护当TV断线时将退出运行,故三段接地距离不必作为通用元件。为满足特殊要求时,可作为可选元件。零序电流保护用三段足够,原则上零序电流Ⅱ段保本线路末端灵敏度,零序Ⅲ段保内部高阻接地故障有灵敏度。具有双电源的线路,零序方向元件简化为投零序方向元件,不需要区分各段的控制字。当TV断线时自动将零序方向元件解除作用。具有双电源的线路,为满足特殊性可选用接地距离保护,此时应投入零序电流段,当TV断线时自动投入零序电流Ⅱ段,零序电流Ⅰ段停用,零序方向元件不投入。这样可大大简化整定计算。2.31过电流保护的保护110kV及以下电压等级线路保护起远后备作用,采用电压闭锁存在问题。保护越简单,则可靠性越高,这对于微机保护亦是适用的真理。单电源的线路电源等值阻抗变化不大,采用简单的三段过电流能满足灵敏度和快速性要求,则理应采用简单的过电流保护而无需采用复杂的电压电流保护和阻抗保护,这样在硬件上不需要电压输入量,在软件上亦非常简单明了。作为双电源的线路应使用阻抗保护,因此过电流保护大大简化,不需要电压闭锁和方向判别元件。电源等值阻抗变化较大的单电源线路同样可以使用阻抗保护,在微机型保护中应该取消电压电流保护和方向元件。三段式过电流保护应增设一段负序电流保护,作为变压器的远后备,并在TA断线时闭锁,其时限和过电流Ⅲ段相同。当使用阻抗保护时,采用任何阻抗整定补偿措施,对于变压器而言均无用,因此必须投入过电流Ⅲ段。这样当TV断线时过电流Ⅱ段自动投入,过电流Ⅰ段停用。如果是环网,起远后备作用的过电流Ⅲ段无方向发生配合困难,可预先设置解列点,将环网解列,以取得配合效果。2.43互感抗故障点的处理小接地电流系统发生两点接地,为仅切除其中一个故障点,在电流保护中采用2个电流互感器两相式电流元件的保护接线可保证有三分之二的机会只切除一个故障点,如果使用距离保护要完成这个功能,则用零序电流切换阻抗元件的接线方式,即正常阻抗元件接相间电压和两相电流差,当有零序电流产生时切换为两相式(A相和C相)相电压和带有零序电流补偿的相电流接线。同一母线上两条线路发生两点接地故障,线路L1的B相接地,线路L2的(C相接地,均有零序电流。L1因B相无相阻抗元件,无法动作;L1有(C相阻抗元件,正确动作切除故障。辐射网络两条线路发生两点接地故障,如图1所示。式中Z0,Z1,分别为线路零序和正序阻抗;ZL为线路自感阻抗;ZM为线路相间互感阻抗。线路L1的B相接地、无零序电流,阻抗元件仍为相间阻抗接线。L1阻抗元件测到的阻抗相当于远处一个接地点至保护安装处的阻抗值,其感受到相似于远处接地点的相间故障。线路L2有零序电流,阻抗元件切换到相阻抗元件,其感受到C相接地故障,保护距故障点近,迅速将线路L2故障切除。小电流接地系统在两点接地时投入两相式接地功能的关键是零序电流的整定,为此装设三相电流互感器组成零序电流。发生两点接地的零序电流用复故障计算灵敏度非常复杂,而且要躲开两相、三相故障时电流互感器产生的不平衡电流。实践证明:在环状中和电源线路上,电网上发生一点接地后,由于接地点电弧不稳定燃烧引起的过电压可能在电网其他几点同时发生闪络,保护的选择性很难保证。同时当多相故障因零序电流整定不当而误切换,保护拒动其后果是严重的,因此很多电网中早已停止使用距离保护在线路发生两点接地时只切除一个故障点的功能。35～66kV线路微机型保护装置产品中,已将两相式电流元件的过电流保护全部改为三相式电流元件,则距离保护更没有必要采取三分之二的机会只切除一个故障点的功能。因此,为简化整定计算和提高可靠性应该取消此功能。必须指出过电流保护的最后一段必须组成三相式电流元件,以满足远后备保护功能。2.5无电源侧和双回线保护双回线保护用阻抗元件相继速动功能对无电源侧尚存在不足之处,同时双回线作为变压器的远后备作用,利用阻抗保护或过电流保护都不可能满足灵敏度的要求。2.5.1加速跳闸令自由基双回线保护电源侧距离Ⅱ段相继速动需同时满足下述判据才发出加速跳闸令:a.距离Ⅱ段动作;b.收到邻线Ⅲ段动作信号,其后该信号消失;c.距离Ⅱ段经40ms不返回。无电源侧距离Ⅱ段相继速动需加以改进,同时满足下述判据,即发出加速跳闸令:a.距离Ⅱ段动作;b.收不到邻线来的动作信号;c.当故障启动,对侧断路器跳闸后,本侧最大相电流由小变大或者最低的相间电压由低升高,但小于70%额定电压;d.距离Ⅱ段经40ms不返回。2.5.2自动降低动作电流的判据作为变压器的远后备作用,自动降低动作电流。双回线投入时电流保护的电流定值为式中Ifmax为双回线的最大负荷电流,亦是单回线运行的最大负荷电流。时间定值为式中tⅢ为距离Ⅲ段整定时间;△t为0.5s。自动降低动作电流的判据如下:a.检查邻线固定一相电流与本线路同相电流的数值,当均大于0.05I0P,且其比值小于n%(n值可由厂家设定),证明双