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第1章 电力系统扰动分析功能1

1.1 电力系统扰动分析的作用1

1.2 数字故障记录仪（DFR）扰动分析的目的3

1.3 通过电力系统扰动分析来测定电力系统设备状况3

1.4 DFR设备描述4

1.5 电力系统扰动分析所需信息5

1.6 故障记录仪监测信号6

1.6.1 模拟信号6

1.6.2 事件（数字或二进制）输入和输出7

1.7 DFR监测电压和电流的触发设置7

1.8 DFR和数字继电器的采样率与频率响应8

1.9 通过数字继电器产生的故障录波9

1.10 智能电子装置采集的数据集成与整合9

1.11 DFR的软件分析包10

1.11.1 相量分析10

1.11.2 有效值（RMS）计算12

1.11.3 有功功率和无功功率的计算14

1.11.4 数据显示操作14

1.11.5 故障定位15

1.11.6 电力系统谐波分析16

1.11.7 对称分量分析16

1.12 变电站接地电流监测中DFR的精度校验17

1.13 利用DFR来验证电力系统短路模型20

1.14 瞬态数据交换通用格式标准25

参考文献26

第2章 电力系统故障现象与电力系统的故障清除过程28

2.1 电力系统中的分流故障类型28

2.2 分流故障分类29

2.2.1 三相故障29

2.2.2 相—相故障30

2.2.3 相—地故障30

2.2.4 双相—地故障31

2.3 电力系统中的串联不平衡类型33

2.4 电力系统中的扰动成因33

2.5 故障点34

2.6 对称和非对称故障电流34

2.7 电压峰值处的电弧放电或飞弧闪络37

2.8 故障演变41

2.9 并发故障44

2.10 金属性（RF=0）或带地线合闸的线—地短路故障45

2.11 线路两侧顺序故障清除导致表现为金属性（RF=0）远端线—地短路故障46

2.12 线路两侧顺序故障清除导致表现为电阻性远端线—地短路故障47

2.13 树木引起的高阻线接地故障48

2.14 高阻线—地故障验证了仅从一端馈入故障电流时测量阻抗的自然阻性50

2.15 一个非接地电力系统中的相—地故障51

2.16 线—地故障时非故障相中的电流52

2.17 三角形／星形变压器星形接地侧的线—地故障55

2.18 三角形／星形变压器星形接地侧的线—线故障56

2.19 三角形／星形变压器（三角形绕组不与电源相连）三角形侧的线—线故障57

2.20 超高压双相—地故障时周波继电器的运行时间59

2.21 油断路器箱中相C—地故障的自动清除60

2.22 输电线绝缘子飞弧闪络引起的相B—地故障的自清除61

2.23 通信信号延迟造成的辅助系统的延迟清除62

2.24 线—地故障的顺序故障清除63

2.25 线—地故障的步距故障清除65

2.26 一端为瞬时接地器件且另一端为时限过电流接地器件的接地故障清除步骤67

2.27 一次侧和本地备用（断路器失灵）保护系统故障后远端备用的接地故障清除68

2.28 线—地故障中断路器失灵的故障清除70

2.29 利用一种对比方法的故障点确定和故障分类71

参考文献73

第3章 电力系统现象及其对继电保护系统性能的影响74

3.1 电力系统振荡导致输电线两端同时跳闸和仅在相邻输电线一端跳闸74

3.1.1 发电机振荡现象75

3.1.2 失步振荡事故描述75

3.1.3 输电线L1上Z1的跳闸分析75

3.1.4 对继电保护系统的影响79

3.2 由线—地故障、发电损耗和三相138kV输电线意外跳闸共同造成的发电机振荡80

3.2.1 事故描述80

3.2.2 发电机组GB跳闸分析的理论和结论80

3.3 200MW机组同步产生的电力系统平稳振荡82

3.4 导致同一变电站的不同输电线产生不同振荡的电力系统主要扰动83

3.5 高压侧相—地故障期间发电机转子处120Hz电流的表征86

3.6 不平衡故障期间发电机负序电流的流动88

3.7 170MW水力发电机组的意外（偶然）励磁89

3.8 发电机中性点处三次谐波电压的表征90

3.9 电力系统故障时发电机中性点三次谐波电压幅值的变化92

3.10 GSU高压侧线—地故障时发电机输出的有功功率和无功功率93

3.11 200MW机组的励磁损耗94

3.12 发电机的剩余（衰减）能量96

3.13 发生故障和误同步时的电流非过零点97

3.14 高压侧接地故障时通过升压变压器绕组间电容产生的发电机中性点零序电压耦合98

3.15 高压侧差动保护区域内存在故障时的变压器励磁100

3.15.1 故障电流中的谐波分量分析101

3.16 变压器的涌流102

3.16.1 变压器涌流现象的定义102

3.16.2 对变压器保护的影响103

3.16.3 二次谐波检测逻辑方法104

3.17 YG／三角形变压器星形接地侧励磁时的涌流104

3.18 变压器三角形侧励磁时的涌流105

3.18.1 三角形／YG变压器三角形侧的励磁105

3.18.2 三角形／三角形变压器三角形侧的励磁106

3.19 线—地故障和断相同时发生时具有三角形三次绕组的自耦变压器的两相励磁107

3.20 整个三角形／星形变压器组的30°相移110

3.21 远端双绕组三角形／YG变压器产生的零序电流111

3.22 作为零序源的传统电力调节变压器的铁心类型112

3.23 断路器的重燃113

3.24 合闸操作过程中断路器三相不一致114

3.25 断路器的分闸电阻115

3.26 反馈到断路器失灵故障检测器的二次电流116

3.27 磁通量消除118

3.28 电流互感器（CT）饱和120

3.29 发电机断路器误同步引发的系统失步状态下的CT饱和122

3.30 电容式电压互感器（CVT）的暂态124

3.31 一个超高压（EHV）输电线断电时套管电位器的暂态126

3.32 电容额定电流中断后电容器组断路器重燃127

3.33 电容器组的合闸暂态128

3.34 并联电容器组近距系统故障129

3.34.1 涌流现象的定义129

3.34.2 电容器涌出电流的仿真研究131

3.35 数据采集与监控系统（SCADA）并入一个三相故障133

3.36 自动重合闸到一个永久性线—地故障134

3.37 线—地故障后快速重合闸135

3.38 零序互耦感应电压136

3.39 输电线相—地故障时造成高阻抗母线差动保护误跳闸的互耦合现象138

3.40 三相故障清除时非正弦中性点电流的表征141

3.41 发生故障时平行输电线上电流反向142

3.42 Ferranti（费兰梯）电压上升144

3.43 两端具有并联电抗器的EHV线上的电压振荡146

3.43.1 EHV线上相A—C—地故障时的电压振荡147

3.43.2 EHV线上相A—地故障时的电压振荡148

3.43.3 EHV线开关操作时的电压振荡148

3.44 被监测输电线上雷击造成的相C—地故障之后相邻输电线上的雷击150

3.45 用于保护电缆接头的345kV避雷器击穿之前的电流泄放150

3.46 校准设置误差造成的模拟-数字（A-D）转换器的量程饱和151

3.47 故障中断瞬间电流下降的表征153

3.48 定子绕组中性点不正确连接的中压电动机的激励154

3.49 从负载状态到故障状态时的相角变化156

参考文献157

第4章 发电机系统扰动相关的案例分析159

4.1 发电机保护的基础知识160

案例分析161

案例分析4.1 115kV相—地故障期间由定子负序电流产生的水轮发电机转子双频电流（120Hz）的表征161

案例分析4.2 170MW水力发电机组的意外（偶然）激励166

案例分析4.3 人为操作失误造成的200MW发电机机组失磁176

案例分析4.4 1100MW发电机组的失磁跳闸182

案例分析4.5 联合循环发电厂中50MW蒸汽机组的误同步183

案例分析4.6 一个200MW水力发电机组的误同步190

案例分析4.7 水力发电机组手动同步过程中数字差动继电器的意外跳闸198

案例分析4.8 高压侧138kV相—地故障引发的500MW联合循环发电厂跳闸202

案例分析4.9 功率摇摆期间联合循环发电厂中110MW燃气轮机组的跳闸209

案例分析4.10 345kV相—地故障正常清除时800MW发电厂的DFR录波分析212

案例分析4.11 发电机端浪涌电容器导线故障造成的150MW联合循环发电厂跳闸214

案例分析4.12 800MW火力发电机组的发电机定子接地故障222

案例分析4.13 800MW发电机组端子处的三相故障226

案例分析4.14 电缆连接故障造成的50MW发电机组端子处三相故障231

案例分析4.15 发电机转子风扇上的叶片故障造成的定子相—相—地故障236

案例分析4.16 345kV输电线近距相—地故障时抽水蓄能发电站的意外跳闸244

案例分析4.17 345kV母线故障时800MW发电厂以及所连接EHV线的跳闸250

案例分析4.18 外部138kV三相故障时150MW联合循环发电厂的跳闸254

案例分析4.19 138kV输电系统扰动时150MW联合循环发电厂的跳闸259

案例分析4.20 138kV双相—地故障成功清除后150MW联合循环发电厂意外跳闸263

案例分析4.21 电容器组位于保护区内的差动继电器导致感应发电机意外跳闸265

案例分析4.22 联合循环发电厂试运行阶段蒸汽发电（STG）机组与系统首次同步时的意外跳闸268

案例分析4.23 500MW联合循环发电厂中STG机组的顺序停机271

案例分析4.24 新机组试运行阶段由于接线错误导致发电机数字差动继电器的意外运行273

案例分析4.25 在试运行之前逐步将一个新发电机并入电力系统276

4.1.1 继电器设置计算相关案例分析278

案例分析4.26 100％定子接地故障保护中三次谐波欠电压装置的设置过程278

案例分析4.27 提供电力系统后备保护的发电机继电装置设置基础280

参考文献284

第5章 变压器系统扰动相关的案例分析285

5.1 变压器基础知识285

5.1.1 广泛应用的变压器连接类型285

5.1.2 自耦变压器286

5.1.3 自耦变压器故障电流分析286

5.1.4 三绕组变压器或自耦变压器的三角形电流监测287

5.1.5 确定故障期间自耦变压器三角形绕组零序电流方向287

5.1.6 三角形三次零序电流的标幺值288

5.1.7 自耦变压器中性点电流的幅值和方向288

5.1.8 确定电力系统模型289

5.1.9 接地星形侧电压相位超前三角形侧30°的三角形／星形接地变压器（Yd1型变压器连接形式）290

5.1.10 三角形侧电压相位超前接地星形侧30°的三角形／星形接地变压器（Yd11型变压器连接形式）291

5.2 变压器差动保护基础知识292

5.2.1 硬连接差动保护292

5.2.2 多功能数字差动继电器292

5.2.3 变压器差动保护的应用293

5.2.4 两绕组三角形／星形接地变压器差动保护基础知识294

5.3 案例分析294

案例分析5.1 具有位于变压器差动保护区的13.8kV相—相母线故障的5MVA 13.8kV/4.16kV厂用变压器激励294

案例分析5.2 发电机升压变压器缺乏冗余保护而导致230kV区域电力供应中断300

案例分析5.3 由于绕组配置中继电器设置错误导致的变压器数字差动继电器意外运行304

案例分析5.4 利用变压器数字差动继电器故障录波来定位13.8kV开关设备的相—相故障309

案例分析5.5 13.8kV三角形绕组断相的发电机组升压变压器运行314

案例分析5.6 利用变压器相量图、DFR录波和继电器目标来确定发电机组辅助变压器的故障相319

案例分析5.7 450MVA 345kV/138kV/13.2kV自耦变压器故障323

案例分析5.8 由于铁磁谐振状态导致的750kVA 13.8kV/0.480kV厂用变压器故障329

案例分析5.9 外部线—地故障时变压器数字差动继电器的意外跳闸335

案例分析5.9A 发电机处于工作状态时外部相B—地故障导致的发电厂意外跳闸337

案例分析5.9B 发电机处于停机状态时外部相C—地故障导致的发电厂意外跳闸340

案例分析5.10 两台75MVA 138kV/13.8kV GSU变压器激励时变压器数字差动继电器的意外运行346

案例分析5.11 5MVA 13.8kV/4.16kV厂用变压器激励时变压器数字差动继电器的意外运行350

案例分析5.12 5MVA 13.8kV/4.16kV厂用变压器高压侧相—相故障演变为三相故障352

案例分析5.13 连接2MVA 13.8kV/0.480kV厂用变压器外壳的13.8kV母线处相—相故障演变为三相故障357

案例分析5.14 暴雨导致的13.8kV开关设备相—相故障演变为三相故障362

案例分析5.15 由于缺少作为继电器接线输入的燃气轮机电缆连接导致变压器数字差动继电器意外运行365

案例分析5.16 由鸟粪引发115kV变压器绝缘套管飞弧闪络而导致的相—地故障369

案例分析5.17 利用变压器数字继电器示波图分析4.16kV低阻接地电源的相—地故障373

案例分析5.18 13.8kV母线上由松鼠引起的相—相故障演变为三相故障381

案例分析5.19 由于动物接触引发的13.8kV变压器相—相故障演变为115kV变压器套管故障384

案例分析5.20 通过数字输入连接到气体继电器的跳闸输出来确定变压器多功能数字继电器的意外跳闸388

参考文献391

第6章 架空输电线系统扰动相关的案例分析392

6.1 输电线保护基础知识393

6.1.1 电力系统装置保护和控制的对偶原理394

6.1.2 输电线继电技术的历史沿革394

6.1.3 大容量电力系统的保护准则395

6.1.4 纵联继电系统在输电线保护中的应用395

6.2 案例分析396

案例分析6.1 仅利用一端DFR录波来确定本地和远端线—地故障的清除时间396

案例分析6.2 仅利用一端示波图分析345kV输电线两端相—地故障的清除时间398

案例分析6.3 雷击造成的三相故障分析400

案例分析6.4 雷击造成的765kV双相—地故障分析401

案例分析6.5 通过分析雷击造成的三相接地故障来评估电力塔塔基电阻404

案例分析6.6 首先从一个直接接地电力系统中清除115kV相—地故障，然后与一个非接地电力系统连接并从中清除故障405

案例分析6.7 人为破坏造成的345kV相—地（相C—地）故障411

案例分析6.8 公路电力线事故造成的345kV相—地（相A—地）故障415

案例分析6.9 外部相—地故障时138kV电流差动继电系统的误跳闸420

案例分析6.10 由于附加CT电路接地造成的三相故障时13.8kV馈线接地继电器的意外运行425

案例分析6.11 通过分析115kV断路开关关联的支柱绝缘子故障来修正系统模型误差434

案例分析6.12 利用DFR录波来定位机电式距离继电器保护的345kV输电线故障440

案例分析6.13 利用远端变电站的DFR录波来定位热电联供装置的室外13.8kV开关设备故障444

案例分析6.14 由于负重输电线与树接触造成的高阻故障时345kV分裂导线束破损（损坏）448

案例分析6.15 输电线开关失灵造成的115kV相—相故障454

案例分析6.16 由于数字输电线保护继电器中时限过电流器件的设置错误造成的115kV馈线的意外跳闸457

案例分析6.17 缓解高压和超高压输电线的接地距离继电器范围的互耦效应461

案例分析6.17A 两条平行输电线保护推荐过程的应用470

案例分析6.17B 多条输电线串联且与一条较长输电线互耦的345kV电力系统的保护474

参考文献481

第7章 输电电缆馈线系统扰动相关的案例分析482

案例分析482

案例分析7.1 可快速确定345kV海底电缆故障位置的继电保护区优化设计482

案例分析7.2 500MW发电厂试运行阶段138kV电缆馈线差动继电器的意外运行488

案例分析7.3 发电机和开关站之间345kV电缆连接故障以及一个电缆端套相机械故障造成的相—地故障495

案例分析7.4 仅利用继电目标来排除345kV相—地故障501

案例分析7.5 300MW发电机和345kV开关站之间345kV连接电缆故障造成的相—地故障507

案例分析7.6 利用数字电流差动继电器示波图和事故记录来分析138kV电缆端套故障510

参考文献516

第8章 断路器失灵保护系统扰动相关的案例分析517

8.1 断路器失灵保护的基础知识517

8.1.1 断路器失灵的应用519

8.1.2 传统断路器失灵时序图520

8.1.3 传统断路器失灵的直流原理图520

8.1.4 断路器失灵保护清除主保护系统的盲区520

8.1.5 作为变电站配置功能的断路器失灵对电力系统的影响522

8.1.6 断路器失灵保护的设置原则524

案例分析526

案例分析8.1 固态断路器失灵继电系统意外运行造成的150MW联合循环发电厂的跳闸526

案例分析8.2 115kV双断路器失灵造成的1000MW发电厂以及附属变电站的损失532

案例分析8.3 近距相—地故障清除时由于断路器问题造成的230kV变电站停机538

案例分析8.4 230kV断路器失灵造成的1000MW发电厂以及附属变电站的隔离543

案例分析8.5 断路器自动同步时发电机断路器故障550

案例分析8.6 230kV双回路电力塔相—地故障同时清除时断路器重燃555

案例分析8.7 故障清除期间345kV电容器组断路器故障并同时发生345kV双SF6压力断路器故障559

案例分析8.8 230kV避雷器故障清除后的油断路器失灵故障565

案例分析8.9 通过分析监测输电线电流和电压的本地示波图来检测远端断路器问题569

案例分析8.10 一次侧继电系统故障以及二次侧继电系统缺失直流控制电力导致的138kV负荷区域停电570

案例分析8.11 断路器失灵期间在环形变电站配置中串联安装两个345kV断路器以减少关键输电线的损耗574

案例分析8.12 两个138kV断路器串联设计以满足断路器失灵保护的需要574

参考文献576

第9章 问题577