电力系统安全自动装置读书报告

一、电力系统安全自动装置的基本概念、保护对象和分类。

1、电力系统安全自动装置的基本概念
电力系统是由发电机、变压器、输配电线路及用电设备组成。

要保证电力系统正常运行必须满足两点基本要求：所有电气设备处于正常状态，能满足各种工况的需要；系统的电压和频率保持在规定的范围，所有发电机保持同步运行。

安全供电是现代电力系统的首要任务，而系统的各种事故对这一任务构成了挑战。

电力系统中事故可以分为两大类：一是电气元件事故，指在实际运行中，由于自然灾害、设备缺陷以及人为因素造成的设备事故；二是系统事故，指事故过程或事故后，若系统运行指标异常和遭破坏，例如系统的频率或电压异常甚至崩溃，系统发生振荡甚至失去稳定，系统被解列以致造成大面积停电等波及整个电力系统的事故，通常是由第一种事故处理不当或者不及时造成。

显然第二种事故的对电力系统造成的危害远远大于设备故障对系统造成的危害。

当发送变电元件发生事故时，要求把事故元件按要求自动从电力系统中断开，以保证电力系统的无事故部分继续正常运行，这就是通常所说的继电保护装置。

而电力系统的安全自动装置是为了在事故后尽可能短的时间内恢复电力系统的正常运行而采取的针对性的、尽量缩小事故影响，避免发展为系统事故的自动化措施。

2、电力系统安全自动装置的保护对象
由基本概念可知，安全自动装置主要用于控制整个系统的安全稳定运行，其保护对象即为整个电力系统。

为了保证电力系统的安全运行，必须从规划设计、科研制造、安装调试、调度运行每个环节着手，密切配合，才能获得预期的效果。

但是，由于发电机、变压器、输电线路等发送变电元件的陈旧老化，偶尔自然灾害、人为因素的影响，使发送变电元件的事故时有发生，甚至导致电力系统的事故，威胁电力系统的安全运行。

因此，需要研究电力系统发生事故的各种原因，基本现象，可能采取的判据，以制成对电力系统进行保护的自动装置。

3、电力系统安全自动装置的分类
根据电力系统安全自动装置的主要功能，可以把安全自动装置分为五大类：提高系统稳定性的自动装置；保持输电能力和输电需求平衡的自动装置；保持频率在安全范围内的自动装置；保持无功功率紧急平衡的自动装置；再同步及失步解列装置。

具体如下：
1)、提高系统稳定性的自动装置
根据安装位置来划分可以分为：安装在发送端的装置；安装在接受端的装置；安装在线路中间的装置。

i）．安装在发送端的自动装置
a)电阻制动及其控制装置：系统故障瞬间，由于发电机输出电磁功率下降，输入机械功率不变，产生过剩功率。

为了减少发电机输入机械功率与输出功率的不平衡，可以在发电机端并联制动电阻，在短路过程投入，以吸收一部分剩余功率。

采用制动电阻后，可提高暂态稳定极限功率30%~50%。

b)发电机自动励磁调节系统和PSS：励磁系统和发电机稳定性有着密切的关系。

合理设计励磁系统及励磁调节器的参数可以大幅度提高系统的静态稳定性。

此外，励磁控制装置的投资也比较经济，因此应该把励磁控制作为提高系统静态稳定性的首要措施来考虑。

同时为了改进调节系统，还可应用PSS（电力系统稳定器）以克服调节器的负阻尼效应。

PSS装置在实际电力系统中的应用，不仅使系统低频振荡基本可以克服，而且也大大改善了系统的同台调整过程。

c)切机装置：在线路故障情况下，保持系统稳定性的另一措施是迅速将发电机从系统中切除。

虽然切机会带来系统频率的短时下降，有时还需要切去一部分负荷，但它能维持整个系统的稳定性和保证绝大部分用户供电的连续性，所以也被广泛采用。

d)快关气门及其控制：也是减少不平衡功率的措施。

该措施依靠控制汽轮机的中间阀门来实现，通过减小原动机的机械功率来达到减小不平衡功率的目的。

ii）．安装在接受端的自动装置
与送端的情况相反，当系统联络线上发生故障时，由于线路传输功率减小了，故障瞬间受端将出现功率不足，受端发电机将产生制动作用。

这时，受端应采取如下措施：
a)短时切负荷。

一般在短路故障或故障切除后的0.5s内切去负荷；这种快速卸负荷与控制是为了防止系统失步而设置的，与低频减载装置不同。

b)快速启动备用机组。

虽然这种控制对减小发电机第一摆的作用不大，但对于事故
后的静稳定是有利的。

iii）．安装在线路中间的自动装置
a)静止补偿器，同步调相机：可以补偿或吸收线路无功，维持系统电压。

静止补偿器是有一个可控硅控制的电抗器及一组可切换的电容器组成，其优点在于时间常数小，可实现快速调节。

b)串联补偿电容：在高压长距离输电线上使用，减少线路总电抗值。

正常运行时接入方式，主要用以提高系统的静态稳定；故障时接入方式又称为强制补偿方式，故障时切除部分并联电容器，是容抗增加，提高线路的补偿度。

c)线路自动重合闸：尽快恢复供电、输电设备的运行，尽量减少网络拓扑的变化，尽快恢复网络暂态和稳态输电能力，可以显著提高系统暂态稳定性。

2)、保持输电能力和输电需求平衡的自动装置
负荷控制与频率控制是紧密联系的。

过负荷继电保护属于元件保护，主要是保护输变电设备免受长期过负荷发热引起的毁坏，而并不考虑该元件切除后对系统运行引起的后果，以及应采取的措施。

而过负荷控制把线路保护跳闸与系统电源控制相结合，引入了控制的概念，用切除部分电源和负荷的方法，使处理故障后，供受功率基本平衡，不致因潮流转移而产生某些元件过负荷，属于系统保护；根据离线计算和运行经验已知某些元件跳开后输电能力不足肯定过负荷时，采用连锁切机、切负荷，远方切机、切负荷等。

当难于有明显的唯一措施时，报警由运行人员控制。

3)、保持频率在安全范围内的自动装置
当电力系统因事故而出现严重的有功功率缺额时，运行频率会随之急剧下降，这种由故障引起的频率大幅度变化的动态过程称为频率异常。

它不同于正常运行状态下频率的波动，主要表现在变化幅度大、速度快，在系统尚未解列时，常伴随有振荡。

系统解列后，在有功功率严重缺额的受端系统往往会造成频率崩溃。

解决系统频率异常就要使故障后系统的功率能迅速及时地达到新的平衡。

为保证频率在额定值附近，通常在电力系统中采取两类控制措施：一、正常运行时的自动频率控制，其主要是在负荷缓慢变化时调节发电机的输出功率，以保持系统中联络线的功率等于额定值，同时在调节发电机功率时，还要考虑按最经济原则分配机组处理。

二、紧急状态下的频率控制，在系统中有功功率出现大扰动频率出现大偏差时，尽快恢复频率至正常值。

最常见的频率异常是频率降低，频率降低自动减负荷是防止系统崩溃的最后一道防线。

我国电力系统在紧急
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状态下防止频率异常降低或崩溃，广泛采用了低频减载装置。

在某些联络线或地区还采用了连锁切负荷或低频解列的措施。

为了快速提供备用容量，某些水电厂还采用了低频自起动或调相转发电的措施。

电力系统的负荷突然减少时系统频率会升高，会引起发电机转速过快等危险。

运行经验表明，将具有预测作用的自动装置和限制水电厂频率升高的装置结合使用，能保证可靠的防止这类事故扩大。

4)、保持无功功率紧急平衡的自动装置
电力系统的电压是通过发电机、无功补偿设备和变压器分接头切换等控制无功功率来维持的。

在负荷急剧变化或系统发生事故时，可能引起无功功率严重不平衡而导致电压异常：电压过低和电压过高。

i）．电压过低：原因主要是系统故障、负荷重和无功功率不足引起。

防止电压稳定性破坏的控制有以下几种重要的控制系统：发电机自动励磁调节系统、静止无功补偿装置、新型静止补偿器、变压器有载切换分接开关。

ii）．电压过高：主要由于无功功率过剩引起，系统不对称和频率异常升高也可能引起过电压，在某些情况还可能发生危险的谐振过电压。

限制电网电压的危险升高，首先应在电网规划时及时采取必要的措施。

在紧急控制时可以充分发挥发电机励磁和静止无功补偿装置的作用、切除过电压空载长线路等。

5)、再同步及失步解列装置
如果系统稳定性破坏而进入异步运行状态就可能会产生危险的大电流、失步振荡损坏机组轴系等严重事故。

因此，当稳定破坏时，必须采取措施消除电力系统的异步状态。

系统恢复同步的方法有两种：再同步和解列后同步。

为实现再同步的控制，在送端通常按下列顺序操作：汽轮机减功率、切除发电机、解列部分系统。

在功率短缺的受端系统，可采用以下控制措施：切除部分负荷、水轮发电机低频自动起动或从调相运行方式改为发电运行方式、用解列装置解列受端系统、部分降低发电机励磁、切除同步调相机或其励磁。

将失步的系统各部分解列运行，称为“失步解列”。

当电力系统不允许异步运行，或者失步后不可能恢复再同步时，在失步时应尽快将系统解列，这种解列通常在失步的第一周期进行。

在实现系统解列时，为了减少负荷损失，有时需要根据运行方式的特点，选择适当的地点解列，这种解列装置称为有选择性的自动解列装置。

在异步运行时，有时须采取分级控制：先采取再同步控制措施，争取实现再同步；如果再同步不成功，则
经过给定时间或给定异步振荡周期数后，将系统解列。

按这种要求设计的装置一般称为消除异步状态的分级控制装置。

二、电力系统同步稳定性及提高稳定性的措施。

电力系统的根本任务就是在合理开发能源，用综合最低成本向用户提供充足、可靠并且质量合格的电能。

要保证向用户提供合格电能产品，必须保证安全连续供电，因此安全和稳定性是电力系统两大问题。

1、电力系统同步稳定性的概念
电力系统稳定性问题就是当系统在某一正常运行状态下受到某种干扰后，能否经过一定的时间后回到原来的运行状态或者过渡到一个新的稳态运行状态的问题。

如果能够，则认为系统在正常运行状态下是稳定的。

反之，若系统不能回到原来的运行状态或者不能建立一个新的稳定运行状态，则说明系统的状态变量没有一个稳定值，而是随着时间不断增大或振荡，系统是不稳定的。

按照表征是否稳定的物理量可将稳定性划分为：同步（功角）稳定性、频率稳定性、次同步稳定性等。

同步稳定就是指系统中各发电机组同步运行，功角均是常数。

如果这些功角的差随时间不断增大，则各发电机组之间将存在相对转速，运行失去同步，电力系统将发生功率和电压的强烈振荡，引起系统中枢点电压、输电设备中的电流和电压大幅度的周期波动，不能继续向负荷正常供电。

处理不好，将会导致电力系统长期大面积停电。

一般将同步稳定分为三大类，即静态稳定、暂态稳定和动态稳定。

静态稳定是指电力系统受到小干扰后，不发生非周期性失步，自动恢复到初始运行状态的能力。

为了系统的正常运行，系统中任一输电回路在正常情况和规定的事故后传输的有功功率，必须低于稳定运行所允许的最大传输极限，并随时保留合理的裕度，不因传输功率和系统电压等的正常波动而使所连接的两端电源系统间的电势角差非周期性地无限增大，导致同步稳定性的破坏。

暂态稳定是指电力系统受到大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或回复到原来稳态运行方式的能力。

在系统发生故障或断开线路等引起大扰动的操作时，保持事件后系统的同步运行稳定性，即过渡到新的或者恢复到原来的稳定运行状态。

定义
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的暂态稳定指标，是要求在事件后的第一个或第二个振荡周期内，受影响的发电机组（或部分系统）不对系统其余部分失去同步。

动态稳定指电力系统受到小的或者大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性能力。

要求不因系统运行状态的正常波动或在系统发生断路故障等的大扰动后，引起系统电源间电势角差的周期性振荡发散，导致同步稳定性的破坏。

2、提高系统同步稳定性的措施
对应于系统同步稳定性分为静态稳定性、暂态稳定性和动态稳定性三分类，有相应的提高电力系统同步稳定性的措施如下：
1）．提高系统静态稳定性的措施。

i ）．改善发电机及其励磁调节系统的特性
发电机本身的参数，主要指发电机的电抗，电磁时间常数和惯性时间常数等。

发电机的电抗在输电系统总电抗中所占的比重很大（一般占1/3以上）。

因此，减小发电机的电抗可以提高电力系统的功率极限和输送能力。

发电机的惯性时间常数，对暂态稳定有着重要影响，发电机的相对加速度J a N J a N T P T M a //∆≈∆=ωω，因此增大J T 可以减小a ，从而减小发电机受扰动后转子相对动能的变化量，有利于提高暂态稳定。

从静态稳定分析中知道，自动励磁调节器对提高电力系统功率极限和扩大运行范围都有着良好的作用。

强行励磁对暂态稳定亦有好的作用，由于自动励磁调节器本身的价格相对于电力系统的投资来说是很小的，它和其他提高稳定措施的投资相比也要经济的多，因此，发电机都应尽可能地装设高灵敏度的完善的自动励磁调节器，特别是应该装设能有效地抑止自发振荡、更好地维持电压的新型调节器，如PSS 和按最优控制理论设计的调节器等。

另外，改善发电机的励磁系统也是提高稳定性的主要措施。

强行励磁对提高暂态稳定性的作用，取决于发电机电势上升的速度，这与励磁机电压上升速度有关。

减小励磁机的等值时间常数e T 和增大强励电压的顶值，都有利于提高励磁机电压上升的速度
ii)．减小元件的电抗
发电机之间的联系电抗总是由发电机、变压器和线路的电抗组成。

这里有实际意义的是减少线路电抗，具体做法有下列几种：第一，采用分裂导线。

高压输电线采用分裂
导线的主要目的是为了避免电晕，同时，分裂导线可以减小线路电抗。

第二，提高线路额定电压等级。

功率极限和电压的平方成正比，因而提高线路额定电压等级可以提高功率极限；另一方面，提高线路额定电压等级也可以等值地看作是减小线路电抗。

当然，提高线路的额定电压势必要加强线路的绝缘、加大杆塔的尺寸并增加变电所的投资，因此，一定的输送功率和输送距离对应一个经济上合理的线路额定电压等级。

第三，采用串联电容补偿或并联电抗补偿。

串联电容补偿就是利用电容器容抗与输电线路感抗相反的性质，在输电线上串联接入电容器来减小线路的等值电抗。

一般说，串联电容补偿度越大，线路等值电抗越小，对提高稳定性越有利。

但是串联电容补偿度的增大要受到很多条件的限制，一般不超过0.5。

iii)．改善系统的结构，加强系统联系
有多种方法可以改善系统的结构、加强系统的联系，例如增加输电线路的回路数；另外，当输电线路通过的地区原来就有电力系统时，将这些中间电力系统与输电线路连接起来也是有利的。

这样可以使长距离的输电线路中间点的电压得到维持，相当于将输电线路分为两端，缩小了“电气距离”。

而且，中间系统还可以域输电线交换有功功率，起到互为备用的作用。

iv)．采用中间补偿设备
如果在输电线路中间的降压变电所装设同期调相机，而且同期调相机配有先进的自动励磁调节器，则可以维持同期调相机端点电压甚至高压母线电压恒定。

这样，输电线路也就等值地分为两段，系统的静态稳定性得到提高。

v)．提高电网电压水平
在正常运行中提高发电机的电动势和电网的运行电压也可以提高功率极限。

为使电网具有较高的电压水平，必须在系统中设置足够的无功功率电源。

为了保持事故后系统的静态稳定还要采取一些紧急控制措施，主要是利用快速切机、投入备用容量等来调节有功平衡。

2）．提高系统暂态稳定性的措施：
提高暂态稳定的措施，一般是首先考虑的是减少扰动后功率差额的临时措施，因为在大扰动后发电机机械功率和电磁功率的差额是导致暂态稳定破坏的主要原因。

以下介绍几种常用的方法：
i)．自动重合闸
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自动重合闸的重要作用，不仅在于恢复因故障断开的线路，更是在连续故障情况下保持系统完整性，避免扩大事故的重要手段。

如果重合到故障未消除的线路上，将可能使本来不重合可以保持稳定的系统因重合于故障而失去稳定。

合理选择重合闸时间，可以显著地提高重合于故障未消除线路上的系统稳定性。

在最佳重合闸时间附近重合于故障，可以使系统仍然保持在第一次故障不重合的稳定水平。

最佳重合闸时间可以按最大送电方式选定，在回摆到△ω为负最大值附近时合闸为最好。

ii)．快速切除故障
增加系统的暂态稳定性，首先应致力于加速切除故障，尤其应在加速切除近端故障方面挖掘潜力。

快速切除故障是提高线路暂态稳定性的最有效措施，也是其它安全自动措施得以发挥作用的前提条件，因为快速切除故障减小了加速面积，增加了减速面积，提高了发电机之间的并列运行的稳定性；另一方面，快速切除故障也可使负荷中的电动机端电压迅速回升，减小了电动机失速和停顿的危险，提高负荷的稳定性。

切除故障时间是继电保护装置动作时间和断路器动作时间的总和，目前可做到短路后0.6秒切除故障线路。

iii)．对发电机快速励磁
在弱传输系统中，在规定的故障切除时间下，快速励磁对提高暂态稳定条件下的线路极限传输功率很有好处。

当线路发生短路故障后可以立即给发电机转子回路提供极限励磁电压，在故障切除后，发电机的端电压可以很快得到恢复乃至短时间超过额定值，即增大了减速面积，，线路允许传送的极限功率得以增加，从而提高了系统的暂态稳定。

iv)．电气制动
电气制动是指在故障切除后在电厂母线上短时间投入一个电阻器，以吸收发电机组因故障获得的加速能量，使发电机组在故障切除后得以快速减速，从而减小最大摇摆角，达到提高稳定性的目的。

电气制动作为提高系统稳定水平措施，主要用于远方水电厂。

v）．变压器中性点经小电阻接地
变压器中性点经小电阻接地就是接地短路故障时的电气制动。

对于变压器中心点经小电阻接地的系统发生单相接地短路时，因为变压器中性点接了电阻，零序网络中增加了电阻，零序电流流过电阻时引起了附加的功率损耗。

vi）．连锁切机与切集中负荷
保持电力系统同步运行稳定性的最根本前提是在任何情况下包括在故障后的电网
结构下，保证线路的传输能力总是大于系统通过它传输的最大功率。

如果因线路故障失去了部分电网必需的传输能力时，就必须及时减去相适应的电源，以减低那部分电网通过的功率。

多年来国内外系统都把水电厂切机作为最常用的在失去线路后保持系统暂态稳定的一种有效方法。

发挥切机作用的关键是在故障发生后尽可能缩短切机时间。

为了快速降低火电机组的功率，可快关汽门。

切集中负荷可以提高系统运行频率，减轻某些电源线路的过负荷，可以提高首端电压水平，因而有利于系统的安全稳定运行。

但集中切负荷对用户的影响过大，在远方控制又可能产生误动作，因而要慎重使用。

vii)．合理调整系统运行接线
加强受端系统，适当分散外接电源，是运行系统一种重要的措施，它特别适应于弱受端的系统。

这种系统的受端母线电压往往因缺少本地电源支持，在故障后系统的功率摇摆过程中，不能保持在较高水平；更可能在摇摆过程中电压崩溃，造成受端电源与外地电源间失步。

在运行系统中改善这种不稳定的办法之一，是将受端系统中的停运机组改调相机运行，以增大受端母线短路电流水平，从而使受端母线能在摇摆过程中保持较高电压。

而更为有效的措施是设法将远方电源分开，让这些电源支路直到受端系统母线处才并联运行，当任一支路发生故障，其他的电源支路都将作为受端系统电源支持受端母线电压，保证受端电压处于较高水平，从而显著地提高系统的稳定性。

viii)．终端系统解列重合闸
对于有地区电源同时由主系统供应相当电力的地区系统，当系统供电线路故障时，采用解列重合闸方式，可以取得很大的安全供电效果。

对于地区电源的故障，地区母线负荷仍能由主网供电，使地区重要负荷的供电安全得到较大的保证。

ix）．减少原动机输出的机械功率
保持电力系统同步运行稳定性的最根本前提是在任何情况下保证线路的传输能力总是大于系统通过它传输的最大功率。

如果因线路故障失去了部分电网必须的传输能力时，就必须及时减去相适应的电源，以减低那部分电网通过的功率，才有可能保持系统的继续稳定运行。

3）．提高系统动态稳定性的措施
系统发生动态失稳绝大多数都是由于电压调节系统的负阻尼效应，采用高初始快速励磁系统这个问题更突出，因为为了校正电压，快速励磁装置一般会产生机端电压的增高，和由此引发的发电机输出功率增大，即对发电机组的负阻尼力矩。

由于发电机转子
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