電力系統擾動分析是監測電力保護系統性能的一項重要功能。這不僅能夠提供豐富的電力系統正常運行特性相關的寶貴信息，還能夠簡化理解電力系統現象，以及增強安全運行限值和常規繼電保護。本書給出了作者在電力系統擾動分析領域40多年的工作經驗。首先簡要介紹了中繼應用的理論和基本原理。然后詳細介紹了電力系統擾動相關的大量實際案例。通過對實際的數字故障記錄儀錄波、示波圖和數值繼電器故障錄波進行分析來闡述如何推斷故障事件的發生順序。本書中涵蓋了擾動分析所需信息、故障入射角以及電力系統現象及其對中繼系統性能影響等主題，同時還描述了系統擾動分析所得出的電力系統現象。另外，還包括了涉及發電機、變壓器、架空輸電線、饋線電纜和斷路器失靈的保護系統的實際系統擾動的案例分析。書中的幾個章節專門介紹了將系統擾動分析作為中繼方案性能優化的一種工具。除此之外，本書還可作為驗證電力系統模型，并提供電力系統特性豐富技術信息的一種工具。
適讀人群 ：本書可作為從事電力保護和控制、電力系統運行和電力系統設備等領域的工程技術人員的參
90多個案例分析闡述了電力系統現象以及電力系統擾動中存在的問題。
根據作者40多年的工作經驗，本書可讓讀者通過監測電力系統擾動并進行綜合分析來實現電力系統。最重要的是，讀者能夠了解到檢測和解決可能導致斷電的一系列問題的最新解決方案和技術，以確保任何電力系統的平穩、可靠運行。
本書具有較強的組織邏輯性。首先介紹了電力系統擾動分析的作用以及實現；然后引導讀者分析了電力系統中發生的相接地故障成因和故障清除方式，以及電力系統各種現象及其對繼電系統性能的影響；在后續內容中介紹了90多個關于保護系統如何對發電機、變壓器、架空輸電線、輸電線電纜饋線和斷路器失靈等進行電力系統擾動的檢測和隔離的實際案例分析。
在這些案例分析中，通過展示和分析實際DFR錄波、示波圖和數字繼電器故障記錄來闡述電力系統擾動發生的成因以及如何推斷故障發生順序。本書最后一章專門設置了一些實踐問題，以鼓勵讀者利用所學知識來進行各自系統的擾動分析。
本書可讓工程師、技術人員以及電力系統操作人員利用最新的測試和驗證方法來進行專業的電力系統擾動分析。此外，書中的許多案例分析和實踐問題也非常適合于相關專業學生學習電力系統。
原 書 前 言
電力監控系統中所采用的故障記錄設備，從在特殊的感光紙或示波圖膠片上記錄的濕跡和光束發展到現在的基于微機處理的數字技術。由于濕跡和感光紙的重復顯示問題，某些過去的故障記錄需要耗時幾天才能完成。因此，導致一些關鍵的記錄丟失，從而難以進行電力系統的擾動分析。另外，故障記錄設備的啟動比較繁瑣，容易導致示波器運行的不可靠。數字故障記錄儀（DFR）是一種智能電子設備，在發生擾動后可立即通過通信鏈路自動將故障記錄發送到遠程運行中心和工程部門，這樣就能夠進行快速分析以盡快恢復系統。通過精確的有效值測量以及執行一系列軟件包可進行系統模型的驗證，并分析擾動對電力系統設備的影響。
電力系統擾動分析是監測電力保護系統性能的一項重要功能。這不僅能夠提供豐富的電力系統正常運行特性相關的寶貴信息，還能夠簡化理解電力系統現象，以及增強安全運行限值和常規繼電保護。經常檢查系統運行時數字故障記錄儀的錄波和數字繼電器的故障錄波有助于發現早期問題，以使得在問題嚴重之前就能進行及時修正。了解電力系統振蕩并增強電力系統擺動狀態下的系統繼電保護響應可避免電力系統斷電。另外，通過分析DFR的錄波還能加強電力系統工程概念以及在分析電力系統故障時采用對稱分量元件。
大容量電力系統通常由兩個冗余繼電保護系統進行保護。這些系統的性能可通過系統擾動分析進行監測。電力系統的恢復需要先正確分析導致斷電的擾動，在確認安全后才能再進行系統上電。正確分析系統擾動有助于在發生故障的電力系統設備上電的情況下安全恢復供電。另外，通過正確的系統擾動分析，還能獲取關于繼電保護應用的哲學思想的信心。
為方便用戶檢查，在DFR的錄波中通過與錄波對應的標識同時顯示了表示監測電壓和電流的唯一功能系統圖。書中有一節專門記錄了在實際的案例分析中出現的電力系統現象，這將為經驗有限的工程師進行系統分析時提供問題的背景知識。
本書作為一個平臺，記錄和展示了作者在電力系統擾動分析領域40多年的工作經驗。美國電力服務公司、紐約電力管理局和一些應用客戶的許多同事都直接或間接地為本書作出了貢獻，在此，對他們的付出表示衷心感謝。本書的主旨是簡化問題，并對繼電保護工程師提供故障清除的指導原則以及基礎知識。根據這種組織架構，首先簡要介紹了繼電保護應用的理論和基本原理。然后通過涉及系統擾動的實際案例來強化這些基礎知識。這些案例都是作者根據多年來在公共電力系統保護中實際發生的故障收集整理而成的。案例中公共發電廠、變電站和輸電線的實際名稱都用通用名稱代替。
在早期垂直整合的環境下，對于大多數公共事業，培訓和教育是必不可少的。在競爭激烈的新環境下，由于是通過對年輕工程師傳授寶貴經驗，而導致經驗和技術信息的交流受到限制。正是由于該原因，在繼電保護的歷史上，已經流傳了一代又一代的基本知識正面臨丟失的危險。 由于目前對于從事電力系統擾動分析中保護和控制領域的工程師培訓極少，這促使作者以這種有益于工程師的方式來記錄本人的工作經驗。
本書中，詳細介紹了如何將電力系統擾動分析作為判斷電力保護系統性能的一種重要手段。通過對實際的數字故障記錄儀錄波、示波圖和數字繼電器故障錄波進行分析來闡述如何推斷故障事件的發生順序。本書中涵蓋了擾動分析所需信息、故障角（fault incident angle）以及電力系統現象及其對繼電保護系統性能影響等主題。同時還描述了系統擾動分析所得出的電力系統現象。另外，還包括了涉及發電機、變壓器、架空輸電線、饋線電纜和斷路器失靈的保護系統性能的實際系統擾動的案例分析。書中的幾個章節專門介紹了將系統擾動分析作為繼電保護方案性能優化的一種工具。除此之外，本書還可作為驗證電力系統模型，并提供電力系統特性豐富技術信息的一種工具。
本書主要是針對從事電力保護和控制、電力系統運行和電力系統設備等領域工作的工程師和技術人員。同時，也適用于電能控制中心的操作人員和技術支持人員，以增強發生電力擾動后安全恢復電力系統的技術背景知識。本書將為工程師提供大多數電力系統現象及其對保護系統特性影響的基礎知識。同時，本書也可作為想要提高電力相關知識的本科生和研究生的教材。書中專門設置了問題一章，以增強對電力系統擾動分析作用的理解。因此，本書還能對本科生或研究生相關課程提供關于電力系統擾動分析主題的討論。
Mohamed AIbrahim
譯者序
原書前言
第1章電力系統擾動分析功能
1.1電力系統擾動分析的作用
1.2數字故障記錄儀（DFR）擾動分析的目的
1.3通過電力系統擾動分析來測定電力系統設備狀況
1.4DFR設備描述
1.5電力系統擾動分析所需信息
1.6故障記錄儀監測信號
1.6.1模擬信號
1.6.2事件（數字或二進制）輸入和輸出
1.7DFR監測電壓和電流的觸發設置
1.8DFR和數字繼電器的采樣率與頻率響應
1.9通過數字繼電器產生的故障錄波
1.10智能電子裝置采集的數據集成與整合
1.11DFR的軟件分析包
1.11.1相量分析
1.11.2有效值（RMS）計算
1.11.3有功功率和無功功率的計算
1.11.4數據顯示操作
1.11.5故障定位
1.11.6電力系統諧波分析
1.11.7對稱分量分析
1.12變電站接地電流監測中DFR的精度校驗
1.13利用DFR來驗證電力系統短路模型
1.14瞬態數據交換通用格式標準
參考文獻
第2章電力系統故障現象與電力系統的故障清除過程
2.1電力系統中的分流故障類型
2.2分流故障分類
2.2.1三相故障
2.2.2相—相故障
2.2.3相—地故障
2.2.4雙相—地故障
2.3電力系統中的串聯不平衡類型
2.4電力系統中的擾動成因
2.5故障點
2.6對稱和非對稱故障電流
2.7電壓峰值處的電弧放電或飛弧閃絡
2.8故障演變
2.9并發故障
2.10金屬性（RF=0）或帶地線合閘的線—地短路故障
2.11線路兩側順序故障清除導致表現為金屬性（RF=0）遠端線—地短
路故障
2.12線路兩側順序故障清除導致表現為電阻性遠端線—地短路故障
2.13樹木引起的高阻線接地故障
2.14高阻線—地故障驗證了僅從一端饋入故障電流時測量阻抗的
自然阻性
2.15一個非接地電力系統中的相—地故障
2.16線—地故障時非故障相中的電流
2.17三角形/星形變壓器星形接地側的線—地故障
2.18三角形/星形變壓器星形接地側的線—線故障
2.19三角形/星形變壓器（三角形繞組不與電源相連）三角形側的
線—線故障
2.20超高壓雙相—地故障時周波繼電器的運行時間
2.21油斷路器箱中相C—地故障的自動清除
2.22輸電線絕緣子飛弧閃絡引起的相B—地故障的自清除
2.23通信信號延遲造成的輔助系統的延遲清除
2.24線—地故障的順序故障清除
2.25線—地故障的步距故障清除
2.26一端為瞬時接地器件且另一端為時限過電流接地器件的接地
故障清除步驟
2.27一次側和本地備用（斷路器失靈）保護系統故障后遠端備用的
接地故障清除
2.28線—地故障中斷路器失靈的故障清除
2.29利用一種對比方法的故障點確定和故障分類
參考文獻
第3章電力系統現象及其對繼電保護系統性能的影響
3.1電力系統振蕩導致輸電線兩端同時跳閘和僅在相鄰輸電線一端跳閘
3.1.1發電機振蕩現象
3.1.2失步振蕩事故描述
3.1.3輸電線L1上Z1的跳閘分析
3.1.4對繼電保護系統的影響
3.2由線—地故障、發電損耗和三相138kV輸電線意外跳閘共同造成的
發電機振蕩
3.2.1事故描述
3.2.2發電機組GB跳閘分析的理論和結論
3.3200MW機組同步產生的電力系統平穩振蕩
3.4導致同一變電站的不同輸電線產生不同振蕩的電力系統主要擾動
3.5高壓側相—地故障期間發電機轉子處120Hz電流的表征
3.6不平衡故障期間發電機負序電流的流動
3.7170MW水力發電機組的意外（偶然）勵磁
3.8發電機中性點處三次諧波電壓的表征
3.9電力系統故障時發電機中性點三次諧波電壓幅值的變化
3.10GSU高壓側線—地故障時發電機輸出的有功功率和無功功率
3.11200MW機組的勵磁損耗
3.12發電機的剩余（衰減）能量
3.13發生故障和誤同步時的電流非過零點
3.14高壓側接地故障時通過升壓變壓器繞組間電容產生的發電機中性點
零序電壓耦合
3.15高壓側差動保護區域內存在故障時的變壓器勵磁
3.15.1故障電流中的諧波分量分析
3.16變壓器的涌流
3.16.1變壓器涌流現象的定義
3.16.2對變壓器保護的影響
3.16.3二次諧波檢測邏輯方法
3.17YG/三角形變壓器星形接地側勵磁時的涌流
3.18變壓器三角形側勵磁時的涌流
3.18.1三角形/YG變壓器三角形側的勵磁
3.18.2三角形/三角形變壓器三角形側的勵磁
3.19線—地故障和斷相同時發生時具有三角形三次繞組的自耦變壓器的
兩相勵磁
3.20整個三角形/星形變壓器組的30°相移
3.21遠端雙繞組三角形/YG變壓器產生的零序電流
3.22作為零序源的傳統電力調節變壓器的鐵心類型
3.23斷路器的重燃
3.24合閘操作過程中斷路器三相不一致
3.25斷路器的分閘電阻
3.26反饋到斷路器失靈故障檢測器的二次電流
3.27磁通量消除
3.28電流互感器（CT）飽和
3.29發電機斷路器誤同步引發的系統失步狀態下的CT飽和
3.30電容式電壓互感器（CVT）的暫態
3.31一個超高壓（EHV）輸電線斷電時套管電位器的暫態
3.32電容額定電流中斷后電容器組斷路器重燃
3.33電容器組的合閘暫態
3.34并聯電容器組近距系統故障
3.34.1涌流現象的定義
3.34.2電容器涌出電流的仿真研究
3.35數據采集與監控系統（SCADA）并入一個三相故障
3.36自動重合閘到一個永久性線—地故障
3.37線—地故障后快速重合閘
3.38零序互耦感應電壓
3.39輸電線相—地故障時造成高阻抗母線差動保護誤跳閘的互耦合
現象
3.40三相故障清除時非正弦中性點電流的表征
3.41發生故障時平行輸電線上電流反向
3.42Ferranti（費蘭梯）電壓上升
3.43兩端具有并聯電抗器的EHV線上的電壓振蕩
3.43.1EHV線上相A—C—地故障時的電壓振蕩
3.43.2EHV線上相A—地故障時的電壓振蕩
3.43.3EHV線開關操作時的電壓振蕩
3.44被監測輸電線上雷擊造成的相C—地故障之后相鄰輸電線上的
雷擊
3.45用于保護電纜接頭的345kV避雷器擊穿之前的電流泄放
3.46校準設置誤差造成的模擬數字（AD）轉換器的量程飽和
3.47故障中斷瞬間電流下降的表征
3.48定子繞組中性點不正確連接的中壓電動機的激勵
3.49從負載狀態到故障狀態時的相角變化
參考文獻
第4章發電機系統擾動相關的案例分析
4.1發電機保護的基礎知識
案例分析
案例分析4.1115kV相—地故障期間由定子負序電流產生的水輪發電機
轉子雙頻電流（120Hz）的表征
案例分析4.2170MW水力發電機組的意外（偶然）激勵
案例分析4.3人為操作失誤造成的200MW發電機機組失磁
案例分析4.41100MW發電機組的失磁跳閘
案例分析4.5聯合循環發電廠中50MW蒸汽機組的誤同步
案例分析4.6一個200MW水力發電機組的誤同步
案例分析4.7水力發電機組手動同步過程中數字差動繼電器的意外跳閘
案例分析4.8高壓側138kV相—地故障引發的500MW聯合循環發電廠跳閘
案例分析4.9功率搖擺期間聯合循環發電廠中110MW燃氣輪機組的跳閘
案例分析4.10345kV相—地故障正常清除時800MW發電廠的DFR錄波分析
案例分析4.11發電機端浪涌電容器導線故障造成的150MW聯合循環發電廠跳閘
案例分析4.12800MW火力發電機組的發電機定子接地故障
案例分析4.13800MW發電機組端子處的三相故障
案例分析4.14電纜連接故障造成的50MW發電機組端子處三相故障
案例分析4.15發電機轉子風扇上的葉片故障造成的定子相—相—地故障
案例分析4.16345kV輸電線近距相—地故障時抽水蓄能發電站的意外跳閘
案例分析4.17345kV母線故障時800MW發電廠以及所連接EHV線的跳閘
案例分析4.18外部138kV三相故障時150MW聯合循環發電廠的跳閘
案例分析4.19138kV輸電系統擾動時150MW聯合循環發電廠的跳閘
案例分析4.20138kV雙相—地故障成功清除后150MW聯合循環發電廠意外跳閘
案例分析4.21電容器組位于保護區內的差動繼電器導致感應發電機意外跳閘
案例分析4.22聯合循環發電廠試運行階段蒸汽發電（STG）機組與系統首次
同步時的意外跳閘
案例分析4.23500MW聯合循環發電廠中STG機組的順序停機
案例分析4.24新機組試運行階段由于接線錯誤導致發電機數字差動繼電器
的意外運行
案例分析4.25在試運行之前逐步將一個新發電機并入電力系統
4.1.1繼電器設置計算相關案例分析
案例分析4.26100%定子接地故障保護中三次諧波欠電壓裝置的設置過程
案例分析4.27提供電力系統后備保護的發電機繼電裝置設置基礎
參考文獻
第5章變壓器系統擾動相關的案例分析
5.1變壓器基礎知識
5.1.1廣泛應用的變壓器連接類型
5.1.2自耦變壓器
5.1.3自耦變壓器故障電流分析
5.1.4三繞組變壓器或自耦變壓器的三角形電流監測
5.1.5確定故障期間自耦變壓器三角形繞組零序電流方向
5.1.6三角形三次零序電流的標幺值
5.1.7自耦變壓器中性點電流的幅值和方向
5.1.8確定電力系統模型
5.1.9接地星形側電壓相位超前三角形側30°的三角形/星形接地變壓器
（Yd1型變壓器連接形式）
5.1.10三角形側電壓相位超前接地星形側30°的三角形/星形接地變壓器
（Yd11型變壓器連接形式）
5.2變壓器差動保護基礎知識
5.2.1硬連接差動保護
5.2.2多功能數字差動繼電器
5.2.3變壓器差動保護的應用
5.2.4兩繞組三角形/星形接地變壓器差動保護基礎知識
5.3案例分析
案例分析5.1具有位于變壓器差動保護區的13.8kV相—相母線故障的
5MVA 13.8kV/4.16kV廠用變壓器激勵
案例分析5.2發電機升壓變壓器缺乏冗余保護而導致230kV區域電力供應中斷
案例分析5.3由于繞組配置中繼電器設置錯誤導致的變壓器數字差動繼電器
意外運行
案例分析5.4利用變壓器數字差動繼電器故障錄波來定位13.8kV開關設備的
相—相故障
案例分析5.513.8kV三角形繞組斷相的發電機組升壓變壓器運行
案例分析5.6利用變壓器相量圖、DFR錄波和繼電器目標來確定發電機組輔助
變壓器的故障相
案例分析5.7450MVA 345kV/138kV/13.2kV自耦變壓器故障
案例分析5.8由于鐵磁諧振狀態導致的750kVA 13.8kV/0.480kV廠用變壓器
故障
案例分析5.9外部線—地故障時變壓器數字差動繼電器的意外跳閘
案例分析5.9A發電機處于工作狀態時外部相B—地故障導致的發電廠意外跳閘
案例分析5.9B發電機處于停機狀態時外部相C—地故障導致的發電廠意外跳閘
案例分析5.10兩臺75MVA 138kV/13.8kV GSU變壓器激勵時變壓器數字差動
繼電器的意外運行
案例分析5.115MVA 13.8kV/4.16kV廠用變壓器激勵時變壓器數字差動
繼電器的意外運行
案例分析5.125MVA 13.8kV/4.16kV廠用變壓器高壓側相—相故障演變為
三相故障
案例分析5.13連接2MVA 13.8kV/0.480kV廠用變壓器外殼的13.8kV母線處相—相
故障演變為三相故障
案例分析5.14暴雨導致的13.8kV開關設備相—相故障演變為三相故障
案例分析5.15由于缺少作為繼電器接線輸入的燃氣輪機電纜連接導致變壓器
數字差動繼電器意外運行
案例分析5.16由鳥糞引發115kV變壓器絕緣套管飛弧閃絡而導致的相—地故障
案例分析5.17利用變壓器數字繼電器示波圖分析4.16kV低阻接地電源的
相—地故障
案例分析5.1813.8kV母線上由松鼠引起的相—相故障演變為三相故障
案例分析5.19由于動物接觸引發的13.8kV變壓器相—相故障演變為115kV
變壓器套管故障
案例分析5.20通過數字輸入連接到氣體繼電器的跳閘輸出來確定變壓器
多功能數字繼電器的意外跳閘
參考文獻
第6章架空輸電線系統擾動相關的案例分析
6.1輸電線保護基礎知識
6.1.1電力系統裝置保護和控制的對偶原理
6.1.2輸電線繼電技術的歷史沿革
6.1.3大容量電力系統的保護準則
6.1.4縱聯繼電系統在輸電線保護中的應用
6.2案例分析
案例分析6.1僅利用一端DFR錄波來確定本地和遠端線—地故障的清除時間
案例分析6.2僅利用一端示波圖分析345kV輸電線兩端相—地故障的清除時間
案例分析6.3雷擊造成的三相故障分析
案例分析6.4雷擊造成的765kV雙相—地故障分析
案例分析6.5通過分析雷擊造成的三相接地故障來評估電力塔塔基電阻
案例分析6.6首先從一個直接接地電力系統中清除115kV相—地故障，然后與一個非接地電力系統連接并從中清除故障
案例分析6.7人為破壞造成的345kV相—地（相C—地）故障
案例分析6.8公路電力線事故造成的345kV相—地（相A—地）故障
案例分析6.9外部相—地故障時138kV電流差動繼電系統的誤跳閘
案例分析6.10由于附加CT電路接地造成的三相故障時13.8kV饋線接地繼電器的意外運行
案例分析6.11通過分析115kV斷路開關關聯的支柱絕緣子故障來修正系統模型誤差
案例分析6.12利用DFR錄波來定位機電式距離繼電器保護的345kV輸電線故障
案例分析6.13利用遠端變電站的DFR錄波來定位熱電聯供裝置的室外13.8kV開關設備故障
案例分析6.14由于負重輸電線與樹接觸造成的高阻故障時345kV分裂導線束破損（損壞）
案例分析6.15輸電線開關失靈造成的115kV相—相故障
案例分析6.16由于數字輸電線保護繼電器中時限過電流器件的設置錯誤造成的115kV饋線的意外跳閘
案例分析6.17緩解高壓和超高壓輸電線的接地距離繼電器范圍的互耦效應
案例分析6.17A兩條平行輸電線保護推薦過程的應用
案例分析6.17B多條輸電線串聯且與一條較長輸電線互耦的345kV電力系統的保護
參考文獻
第7章輸電電纜饋線系統擾動相關的案例分析
7.1可快速確定345kV海底電纜故障位置的繼電保護區優化設計案例分析
7.2500MW發電廠試運行階段138kV電纜饋線差動繼電器的意外運行案例分析
7.3發電機和開關站之間345kV電纜連接故障以及一個電纜端套相機械故障造成的相—地故障案例分析
7.4僅利用繼電目標來排除345kV相—地故障案例分析
7.5300MW發電機和345kV開關站之間345kV連接電纜故障造成的相—地故障案例分析
7.6利用數字電流差動繼電器示波圖和事故記錄來分析138kV電纜端套故障
參考文獻
第8章斷路器失靈保護系統擾動相關的案例分析
8.1斷路器失靈保護的基礎知識
8.1.1斷路器失靈的應用
8.1.2傳統斷路器失靈時序圖
8.1.3傳統斷路器失靈的直流原理圖
8.1.4斷路器失靈保護清除主保護系統的盲區
8.1.5作為變電站配置功能的斷路器失靈對電力系統的影響
8.1.6斷路器失靈保護的設置原則
案例分析
案例分析8.1固態斷路器失靈繼電系統意外運行造成的150MW聯合循環發電廠的跳閘
案例分析8.2115kV雙斷路器失靈造成的1000MW發電廠以及附屬變電站的損失
案例分析8.3近距相—地故障清除時由于斷路器問題造成的230kV變電站停機
案例分析8.4230kV斷路器失靈造成的1000MW發電廠以及附屬變電站的隔離
案例分析8.5斷路器自動同步時發電機斷路器故障
案例分析8.6230kV雙回路電力塔相—地故障同時清除時斷路器重燃
案例分析8.7故障清除期間345kV電容器組斷路器故障并同時發生345kV雙SF6壓力斷路器故障
案例分析8.8230kV避雷器故障清除后的油斷路器失靈故障
案例分析8.9通過分析監測輸電線電流和電壓的本地示波圖來檢測遠端斷路器問題
案例分析8.10一次側繼電系統故障以及二次側繼電系統缺失直流控制電力導致的138kV負荷區域停電
案例分析8.11斷路器失靈期間在環形變電站配置中串聯安裝兩個345kV斷路器以減少關鍵輸電線的損耗
案例分析8.12兩個138kV斷路器串聯設計以滿足斷路器失靈保護的需要
參考文獻
第9章問題
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