电力系统安全自动装置设计

当运行中的输电线路因故障或其他原因突然断开，使输电回路的传输能力低于当时系统要求传输的电源功率，从而将导致系统同步运行稳定破坏时，需要及时减少相应电源发出的有功功率，降低传输回路的负载到可以适应的稳定输电水平.快速减少电源出力的最常用措施，是及时切除运行中水电厂的部分机组。这是因为水轮发电机组的切机操作比较简单、安全，再并入系统恢复送电也可以较为迅速。在实践中为了补偿输电能力不足(例如因各种原因推迟了输电线路建设)和充分利用廉价动力，有的电力系统也采用了火电机组(包括核电机组)切机的做法。基本要求是，被切机组能在清负荷情况一下解列带厂用电，并能快速恢复带到满负荷。为了充分发挥切机的系统稳定效益，一般是当输电线路跳闸同时连锁切除预定机组。预定被切机组常因电力网接线及运行方式而变动，到了20世纪80年代，在有的电力系统中，这种切机计划已由调度中心远方自动给定。在水电厂实现自动判别，自动安排与执行切机计划的研究工作，也在80年代进入实用阶段。

火电机组快关气门可以代替切机的另一种快速降低火电厂输出功率的办法，是快速关闭再热式机组中压阀门，降低汽轮机的输入机械功率。有两种快关汽门的方式，即短暂快关与持续快关。短暂快关只是短时问地将中压阀门快关，将机组出力降到额定值的30%-35%.然后在数秒内再重新全开启，恢复到原来状态;持续快关则是在中压阀门快关的同时。将主调节汽门也快速地部分关闭并保持，使发电机的输出功率在快关后只恢复到原来输出值的一部分。短暂快关用于保持系统暂态过程中的同步运行稳定;而持续快关还可以取得部分切机的系统稳定效益。实现火电机组快关汽门需要具备的条件包括:①中压阀门在收到命令后能够快速关闭;②保证中压阀门在全关后能可靠地再开启，并设置中压阀门不能再全开的特殊保护回路及设施，防止再热蒸气管道因不能通过汽流而发生高温损坏;③采用持续快关时。对锅炉燃烧进行协调控制 。

当运行中转电线路突然断开。降低了对电源功率的传输能力，往往直接危及电力系统的安全稳定运行。而在电力系统中，输电线路故障最为频发，但这种故障又大多是瞬时性的，因而对箱电线路实现故障后的自动重合问，对于快速恢复系统的完整性，特别是增强可能接踵而来的其他输电线路故障(例如在强烈的大面积雷电活动及限风等情况)后的电力网强度，保持系统的安全稳定运行有重要作用。

在正常运行和在发生大干扰(例如因发生短路故障而失去了一回输电线路)后的条件下，电力系统中任一输电回路的传输能力都大于所传枯的功率，同时保证所有发电机组都具有衰减转速变化的能力;保持运行频率稳定的必要条件是电力系统中各发电机组可以提供的综合有功功率出力总是大于全系统的综合有功功率负荷需求;保持运行电压稳定的必要条件则是在电力系统中任一负荷枢纽点或负荷集中区域可以提供的无功功率补偿能力，总是大于该地区负荷的无功功率需求。电力系统失去同步运行待定的后果.是发生电流、功率及电压的强烈摆动。不但系统供电不能继续，且极易扩大为大面积停电事故，失去运行频率稳定的后果是产生叔率崩遗。使整个系统全停电;失去电压稳定的后果，是产生电压崩淤，使受影响的地区停电。电力系统安全自动装置就是针对这些问题而设置并安排其动作的。

电力系统安全自动装置的结构形式有两种:一种是就地方式，即收集装置安装处的有关信息进行处理判断。就地或者通过信息通道向另一地发出执行命令;另一种是集中方式。即除本地信息外。还通过信息通道同时收集系统中其他点的有关信息，进行综合处理与判断，就地或者通过信息通道向其他点发出执行命令。

目前得到广泛采用的电力系统安全自动装置有:输电线路自动重合闸装置，发电机自动解列装置，火电机组快关汽门，切集中负荷，投入制动电阻，发电机快速励磁装置，电力来统自动解列装置。按预率降低自动减负待装置和按电压降低自动减负荷装置等 。

在异常情况下切除系统中的一个大容量集中负荷，可以:①提高该枢纽点的运行电压，以中止该地区的电压滑坡，避免发展为电压崩溃，②提高系统的运行频率，并在多个点实旅，避免发展为系统频率崩溃:③提高受端系统电压或减少关键输电回路的传输功率。使系统保持大扰动后的暂态稳定。在实际的电力系统中，为实现上述目的的切集中负荷都有应用。但此种做法直接影响用户，一般只作为保护系统的最后手段。在一些系统中.为了发挥切负荷的系统效益，通过与用户订立合同的方式，把某些可以短时断电的大容量负荷，如电解铝工业等。安排为系统的可切负荷，以备不时之需。

最为常用的是振荡解列装置。当电力系统失去同步运行稳定而出现振荡时，可以利用振荡解列装置在系统中的适当地点(例如两个系统间的联络线，地区系统与主系统间的联络线)将系统一分为二，以中止振荡，实现解列的地点应选在:

①预期解列后的两侧系统，各自可以同步运行。

②解列后的两侧系统的有功及无功功率供需可以基本平衡，不满足以上两个条件的无计划解列。常常是扩大系统事故的原因之一。

因而，这种措施不适于具有多倾率性质的主系统振荡情况。基于同样理由，在高压线路的继电保护装置中.防止系统振荡时的误动作往往是必要的。除振荡解列装置外，在某些与主系统连接的地区系统中，根据需要，还可以配里低频率和低电压解列装置。

当发电厂高压配出线短路，引起发电机转速升高而有可能对系统失去同步运行稳定时.在发电机近端投入一相当容量的电阻负简，以抑制发电机组转速升高。这就是投制动电阻的作用。这种措施，多用于水电厂。为了发挥制动电阻的积极作用，要求有相适应的控制回路。做到及早投人而按系统状态需要及时退出，否则将有害于系统稳定。

当运行中的电力系统失去一个大电源，而系统中又没有足够的旋转备用容量时，需要及时地切除相适应容量的负荷，以恢复系统频率，制止发生系统频率崩溃。这种自动装置需在系统中分散地分级设里，并按负荷的重要性顺序，依所在点系统频率下降的绝对值或频率下降率而动作。依次切除相适应容量的负荷，方能适应不同系统情况下发生有功功率缺额的要求。这是任何电力系统都必需装设的一种最基本的安全自动装置。但对于有功功率缺额过大，例如缺额达50%以上的情况，则需要采取及时集中切负荷的特殊手段。

采用晶闸管控制的由机端供电励磁的方式，可以做到基本无时限地随机端电压变化而调整发电机的励磁电压数值。迅速恢复机端电压，从而有利于机组对系统的静态及暂态稳定。但快速励磁将带来负阻尼效应。引起系统动态失稳，而必需在励磁控制调节回路中增设正比于发电机组转速的附加反馈环节予以纠正。

按电压降低自动减负荷装置当负荷集中区域缺少无功功率时，地区电压将随负荷的增长而不断下借，为了防止发生电压奔溃事故，当电压下降到一定水平时，箱要及时地切除部分负荷.以恢复地区电压。这种减负荷装置，只在可能出现上述危险的地区中装设。当系统出现较大无功功率缺额，而供电变压器又配置了自动调压以维持负荷侧的高电压水平时，主输电网电压将普遍降低，有可能形成全系统的电压奔溃事故，此时需依靠预定的调度操作规程处理 。2100433B

2017年7月31日，《电力系统继电保护及安全自动装置户外柜通用技术条件》发布。

2018年2月1日，《电力系统继电保护及安全自动装置户外柜通用技术条件》实施。

继电保护与安全自动装置包括为保持系统稳定规定的超高压线路的故瘫切除时间，500 kw线路单相重合闸的方式和选用原则，按频率降低自动减负荷的整定原则及切除负荷容量的配里，按电压降低自动减负荷装置的装设原则和解列点的设计原则。

根据电力系统的运行特点，在设计和分析电力系统时就有了以下三个基本要求：

(1)提高电力系统供电的安全可靠性

电力系统供电的安全可靠性主要体现在三个方面：一是保证一定的备用容量，电力系统中的发电设备容量，除满足用电负荷容量外，要留有一定的负荷备用：事故备用和检修备用。二是电网的结构要合理，例如高压输电网一般都采用环形网络，使得即使其中某一线路因故退出运行时，各变电站仍可以继续供电。并要求所采用的设备安全可靠，在发生故障时能及时动作。三是加强对电力系统运行的监控，对电力系统在不同的运行方式下各节点的电网参数进行分析计算(稳态分析的任务)及时采取各种措施保证电力系统稳定运行。

(2)保证电能质量电力系统中描述电能质量最基本的指标是频率和电压。

在同一个电力系统中，二般情况下认为各点的电压频率是一致的，各发电机的转子角速度等于电力系统的电压角频率，称为发电机同步并列运行。我国规定电力系统的额定频率为50Hz，电力系统正常运行条件下频率偏差限值为±0.2Hz，在电网容量比较小(装机容量小于300万kW)时，允许偏差可以放宽到±0.5Hz。随着电力系统自动化水平的提高，频率的允许偏差范围也将逐步缩小。

在同一个电力系统中，各点的电压大小是不同的，我国一般规定各点的电压允许变化范围为该点额定电压的±5%。除了这两个基本指标外，电能质量指标还有：谐波、三相电压的不对称(不平衡)度和电压的闪变等。

(3)提高电力系统运行的经济性在电能生产过程中要尽量降低能耗，充分利用水资源进行水力发电，火力发电厂要尽量提高发电的效率。在电力网规划设计中要考虑降低电力网在电能传输过程中的损耗，电力网运行过程要通过自动化控制使电力系统运行在最经济的状态。

另外，环境保护问题也越来越受到人们的关注，在当代提倡“绿色能源，低碳能源”的口号下，比较环保的能源如风能、太阳能发电、潮汐发电也成为人们研究的热点，并取得了一系列的进展。