電力系統安全自動裝置設計

在正常運行和在發生大幹擾(例如因發生短路故障而失去了一回輸電線路)後的條件下，電力系統中任一輸電迴路的傳輸能力都大於所傳枯的功率，同時保證所有發電機組都具有衰減轉速變化的能力;保持運行頻率穩定的必要條件是電力系統中各發電機組可以提供的綜合有功功率出力總是大於全系統的綜合有功功率負荷需求;保持運行電壓穩定的必要條件則是在電力系統中任一負荷樞紐點或負荷集中區域可以提供的無功功率補償能力，總是大於該地區負荷的無功功率需求。電力系統失去同步運行待定的後果.是發生電流、功率及電壓的強烈擺動。不但系統供電不能繼續，且極易擴大為大面積停電事故，失去運行頻率穩定的後果是產生叔率崩遺。使整個系統全停電;失去電壓穩定的後果，是產生電壓崩淤，使受影響的地區停電。電力系統安全自動裝置就是針對這些問題而設置並安排其動作的。

電力系統安全自動裝置的結構形式有兩種:一種是就地方式，即收集裝置安裝處的有關信息進行處理判斷。就地或者通過信息通道向另一地發出執行命令;另一種是集中方式。即除本地信息外。還通過信息通道同時收集系統中其他點的有關信息，進行綜合處理與判斷，就地或者通過信息通道向其他點發出執行命令。

目前得到廣泛採用的電力系統安全自動裝置有:輸電線路自動重合閘裝置，發電機自動解列裝置，火電機組快關汽門，切集中負荷，投入制動電阻，發電機快速勵磁裝置，電力來統自動解列裝置。按預率降低自動減負待裝置和按電壓降低自動減負荷裝置等 ^[1]  。

當運行中轉電線路突然斷開。降低了對電源功率的傳輸能力，往往直接危及電力系統的安全穩定運行。而在電力系統中，輸電線路故障最為頻發，但這種故障又大多是瞬時性的，因而對箱電線路實現故障後的自動重合問，對於快速恢復系統的完整性，特別是增強可能接踵而來的其他輸電線路故障(例如在強烈的大面積雷電活動及限風等情況)後的電力網強度，保持系統的安全穩定運行有重要作用。

當運行中的輸電線路因故障或其他原因突然斷開，使輸電迴路的傳輸能力低於當時系統要求傳輸的電源功率，從而將導致系統同步運行穩定破壞時，需要及時減少相應電源發出的有功功率，降低傳輸迴路的負載到可以適應的穩定輸電水平.快速減少電源出力的最常用措施，是及時切除運行中水電廠的部分機組。這是因為水輪發電機組的切機操作比較簡單、安全，再併入系統恢復送電也可以較為迅速。在實踐中為了補償輸電能力不足(例如因各種原因推遲了輸電線路建設)和充分利用廉價動力，有的電力系統也採用了火電機組(包括核電機組)切機的做法。基本要求是，被切機組能在清負荷情況一下解列帶廠用電，並能快速恢復帶到滿負荷。為了充分發揮切機的系統穩定效益，一般是當輸電線路跳閘同時連鎖切除預定機組。預定被切機組常因電力網接線及運行方式而變動，到了20世紀80年代，在有的電力系統中，這種切機計劃已由調度中心遠方自動給定。在水電廠實現自動判別，自動安排與執行切機計劃的研究工作，也在80年代進入實用階段。

火電機組快關氣門可以代替切機的另一種快速降低火電廠輸出功率的辦法，是快速關閉再熱式機組中壓閥門，降低汽輪機的輸入機械功率。有兩種快關汽門的方式，即短暫快關與持續快關。短暫快關只是短時問地將中壓閥門快關，將機組出力降到額定值的30%-35%.然後在數秒內再重新全開啓，恢復到原來狀態;持續快關則是在中壓閥門快關的同時。將主調節汽門也快速地部分關閉並保持，使發電機的輸出功率在快關後只恢復到原來輸出值的一部分。短暫快關用於保持系統暫態過程中的同步運行穩定;而持續快關還可以取得部分切機的系統穩定效益。實現火電機組快關汽門需要具備的條件包括:①中壓閥門在收到命令後能夠快速關閉;②保證中壓閥門在全關後能可靠地再開啓，並設置中壓閥門不能再全開的特殊保護迴路及設施，防止再熱蒸氣管道因不能通過汽流而發生高温損壞;③採用持續快關時。對鍋爐燃燒進行協調控制 ^[2]  。

在異常情況下切除系統中的一個大容量集中負荷，可以:①提高該樞紐點的運行電壓，以中止該地區的電壓滑坡，避免發展為電壓崩潰，②提高系統的運行頻率，並在多個點實旅，避免發展為系統頻率崩潰:③提高受端系統電壓或減少關鍵輸電迴路的傳輸功率。使系統保持大擾動後的暫態穩定。在實際的電力系統中，為實現上述目的的切集中負荷都有應用。但此種做法直接影響用户，一般只作為保護系統的最後手段。在一些系統中.為了發揮切負荷的系統效益，通過與用户訂立合同的方式，把某些可以短時斷電的大容量負荷，如電解鋁工業等。安排為系統的可切負荷，以備不時之需。

當發電廠高壓配出線短路，引起發電機轉速升高而有可能對系統失去同步運行穩定時.在發電機近端投入一相當容量的電阻負簡，以抑制發電機組轉速升高。這就是投制動電阻的作用。這種措施，多用於水電廠。為了發揮制動電阻的積極作用，要求有相適應的控制迴路。做到及早投人而按系統狀態需要及時退出，否則將有害於系統穩定。

採用晶閘管控制的由機端供電勵磁的方式，可以做到基本無時限地隨機端電壓變化而調整發電機的勵磁電壓數值。迅速恢復機端電壓，從而有利於機組對系統的靜態及暫態穩定。但快速勵磁將帶來負阻尼效應。引起系統動態失穩，而必需在勵磁控制調節迴路中增設正比於發電機組轉速的附加反饋環節予以糾正。

最為常用的是振盪解列裝置。當電力系統失去同步運行穩定而出現振盪時，可以利用振盪解列裝置在系統中的適當地點(例如兩個系統間的聯絡線，地區系統與主系統間的聯絡線)將系統一分為二，以中止振盪，實現解列的地點應選在:

①預期解列後的兩側系統，各自可以同步運行。

②解列後的兩側系統的有功及無功功率供需可以基本平衡，不滿足以上兩個條件的無計劃解列。常常是擴大系統事故的原因之一。

因而，這種措施不適於具有多傾率性質的主系統振盪情況。基於同樣理由，在高壓線路的繼電保護裝置中.防止系統振盪時的誤動作往往是必要的。除振盪解列裝置外，在某些與主系統連接的地區系統中，根據需要，還可以配裏低頻率和低電壓解列裝置。

當運行中的電力系統失去一個大電源，而系統中又沒有足夠的旋轉備用容量時，需要及時地切除相適應容量的負荷，以恢復系統頻率，制止發生系統頻率崩潰。這種自動裝置需在系統中分散地分級設裏，並按負荷的重要性順序，依所在點系統頻率下降的絕對值或頻率下降率而動作。依次切除相適應容量的負荷，方能適應不同系統情況下發生有功功率缺額的要求。這是任何電力系統都必需裝設的一種最基本的安全自動裝置。但對於有功功率缺額過大，例如缺額達50%以上的情況，則需要採取及時集中切負荷的特殊手段。

按電壓降低自動減負荷裝置當負荷集中區域缺少無功功率時，地區電壓將隨負荷的增長而不斷下借，為了防止發生電壓奔潰事故，當電壓下降到一定水平時，箱要及時地切除部分負荷.以恢復地區電壓。這種減負荷裝置，只在可能出現上述危險的地區中裝設。當系統出現較大無功功率缺額，而供電變壓器又配置了自動調壓以維持負荷側的高電壓水平時，主輸電網電壓將普遍降低，有可能形成全系統的電壓奔潰事故，此時需依靠預定的調度操作規程處理 ^[3]  。