论电力系统继电保护可靠性

目录1绪论..............................................................11.1继电保护发展简史..............................................11.2继电保护的基本原理............................................21.3对继电保护装置的要求..........................................31.4保护装置的构成................................................41.5继电保护可靠性研究现状........................................41.6继电保护可靠性分析的意义.....................................71.7本文的主要工作...............................................72电力系统继电保护设备可靠性分析....................................92.1电力系统继电保护..............................................92.2可靠性基础...................................................102.3继电保护设备的可靠性.........................................122.4继电保护装置可靠性评估方法...................................143影响电力系统继电保护设备可靠性的各种因素........................173.1继电保护设备自身的因素.......................................173.2软件因素.....................................................193.3外部环境等因素...............................................203.4人为因素....................................................204提高电力系统继电保护设备可靠性的各种技术措施.....................214.1冗余技术.....................................................214.2降额设计.....................................................224.3EMC设计.....................................................224.4提高软件可靠性...............................................234.5三次设计.....................................................244.6提高人机交互可靠性..........................................254.7综合分析提高可靠性的技术措施.................................275.2提高电力线路微机继电保护装置可靠性的研究.....................31结论...............................................................35致谢...............................................................36参考文献...........................................................37论电力系统继电保护可靠性11绪论1.1继电保护发展简史电力系统继电保护一词泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试等技术，也包括由获取电量信息的电压、电流互感二次回路，经过继电保护装置到断路器跳闸线圈的一整套具体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。继电保护科学和技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统发生短路是不可避免的，伴随着短路，电流增大。为避免发电机被烧坏，最早采用熔断器串联于供电线路中，当发生短路时，短路电流首先熔断熔断器，断开短路的设备，保护发电机。这种保护方式，由于简单，时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量增大，电力网的接线日益复杂，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于1890年后出现了直接装于断路器上反应一次电流的电磁型过电流继电器。19世纪初期，继电器才广泛应用于电力系统的保护，被认为是继电保护技术发展的开端。1901年出现了感应型过电流继电器。1908年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理。1910年方向性电流保护开始应用，并出现了将电流与电压相比较的保护原理，导致了1920年后距离保护装置的出现。随着电力线载波技术的发展，在1927年前后，出现了利用高压输电线两端功率方向或电流相位的高频保护装置。在1950年稍后，就提出了利用故障点产生的行波实现快速保护的设想，在1957年前后诞生了行波保护装置。1980年左右反应工频故障分量原理的保护被大量研究，1990年后该原理的保护装置被广泛应用。与此同时，随着材料、器件、制造技术等相关学科的发展，继电保护装置的结构、型式和制造工艺也发生着巨大的变化，经历了机电式保护装置、静态继电保护装置和数字式继电保护装置三个发展阶段。20世纪50年代，随着晶体管的发展，出现了晶体管式继电保护装置。这种保护装置体积小、动作速度快、无机械转动部分、无触点。20世纪70年代，晶体管式保护在我国大量采用。20世纪80年代后期，静态继电保护装置由晶体管式向集成电路式过渡，成为静态继电保护的主要形式。20世纪60年代末，已有了用小型计算机实现继电保护的设想，但由于小型计算机当时价格昂贵，难于实际采用。随微处理器技术的发展，和价格的急剧下降，在20世纪70年代后期，出现了性能比较完善的微机保护样机并投入系统试运行，80年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟。20世纪90年代后半期，在数字式继电保护技术和调试自动化技术的支撑下，变电所自动化技术和无人值守运行模式得到迅速发展，融测量、控制、保护和数据通信为一体的变电所综合自动化装备，已成为目前我国绝大部分新建变电所的二次装备，继电保护技术与其他学科的交叉、渗透深入。论电力系统继电保护可靠性21.2继电保护的基本原理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20°，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60°～85°，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180°+(60°～85°)。(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。因此继电保护基本原理是利用被保护线路或设备故障前后某些变化的物理量为信息量，当信息量达到一定值时，起动逻辑环节，发出相应的命令。(1)利用基本电气参数量的区别发生短路故障后，利用电流、电压、线路测量阻抗、电压电流间相位、负序和零序分量的出现等的变化，构成相应的保护。①过电流保护反应电流增大而动作的保护称为过电流保护。如在线路上发生三相短路故障，则从电源到短路点之间将流过短路电流，短路点之前的保护都可以反应到这个电流，但是只有离短路点最近的保护才最快跳闸来切除故障。②低电压保护低电压保护是反应电压降低而动作的保护。③距离保护距离保护也称低阻抗保护，是反应保护安装处到短路点之间的阻抗下降而动作的保护。(2)利用比较两侧的电流相位正常运行时线路两侧的电流大小相等，相位差为180度，外部短路时结论与正常运行相同。若两侧电流相位相同，则判为内部故障。(3)反应序分量或突变量是否出现电力系统对称运行时，不存在负序、零序分量，当发生不对称短路时，论电力系统继电保护可靠性3将出现负序、零序分量。可以根据是否出现负序、零序分量构成序分量保护；根据正序突变量构成对称、不对称短路保护。(4)反应非电量保护瓦斯保护、过负荷保护等。1.3对继电保护装置的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。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）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。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。论电力系统继电保护可靠性4保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。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