电力系统扰动分析是监测电力保护系统性能的一项重要功能。这不仅能够提供丰富的电力系统正常运行特性相关的宝贵信息，还能够简化理解电力系统现象，以及增强安全运行限值和常规继电保护。本书给出了作者在电力系统扰动分析领域40多年的工作经验。首先简要介绍了中继应用的理论和基本原理。然后详细介绍了电力系统扰动相关的大量实际案例。通过对实际的数字故障记录仪录波、示波图和数值继电器故障录波进行分析来阐述如何推断故障事件的发生顺序。本书中涵盖了扰动分析所需信息、故障入射角以及电力系统现象及其对中继系统性能影响等主题，同时还描述了系统扰动分析所得出的电力系统现象。另外，还包括了涉及发电机、变压器、架空输电线、馈线电缆和断路器失灵的保护系统的实际系统扰动的案例分析。书中的几个章节专门介绍了将系统扰动分析作为中继方案性能优化的一种工具。除此之外，本书还可作为验证电力系统模型，并提供电力系统特性丰富技术信息的一种工具。
适读人群 ：本书可作为从事电力保护和控制、电力系统运行和电力系统设备等领域的工程技术人员的参
90多个案例分析阐述了电力系统现象以及电力系统扰动中存在的问题。
根据作者40多年的工作经验，本书可让读者通过监测电力系统扰动并进行综合分析来实现电力系统。最重要的是，读者能够了解到检测和解决可能导致断电的一系列问题的最新解决方案和技术，以确保任何电力系统的平稳、可靠运行。
本书具有较强的组织逻辑性。首先介绍了电力系统扰动分析的作用以及实现；然后引导读者分析了电力系统中发生的相接地故障成因和故障清除方式，以及电力系统各种现象及其对继电系统性能的影响；在后续内容中介绍了90多个关于保护系统如何对发电机、变压器、架空输电线、输电线电缆馈线和断路器失灵等进行电力系统扰动的检测和隔离的实际案例分析。
在这些案例分析中，通过展示和分析实际DFR录波、示波图和数字继电器故障记录来阐述电力系统扰动发生的成因以及如何推断故障发生顺序。本书最后一章专门设置了一些实践问题，以鼓励读者利用所学知识来进行各自系统的扰动分析。
本书可让工程师、技术人员以及电力系统操作人员利用最新的测试和验证方法来进行专业的电力系统扰动分析。此外，书中的许多案例分析和实践问题也非常适合于相关专业学生学习电力系统。
原 书 前 言
电力监控系统中所采用的故障记录设备，从在特殊的感光纸或示波图胶片上记录的湿迹和光束发展到现在的基于微机处理的数字技术。由于湿迹和感光纸的重复显示问题，某些过去的故障记录需要耗时几天才能完成。因此，导致一些关键的记录丢失，从而难以进行电力系统的扰动分析。另外，故障记录设备的启动比较繁琐，容易导致示波器运行的不可靠。数字故障记录仪（DFR）是一种智能电子设备，在发生扰动后可立即通过通信链路自动将故障记录发送到远程运行中心和工程部门，这样就能够进行快速分析以尽快恢复系统。通过精确的有效值测量以及执行一系列软件包可进行系统模型的验证，并分析扰动对电力系统设备的影响。
电力系统扰动分析是监测电力保护系统性能的一项重要功能。这不仅能够提供丰富的电力系统正常运行特性相关的宝贵信息，还能够简化理解电力系统现象，以及增强安全运行限值和常规继电保护。经常检查系统运行时数字故障记录仪的录波和数字继电器的故障录波有助于发现早期问题，以使得在问题严重之前就能进行及时修正。了解电力系统振荡并增强电力系统摆动状态下的系统继电保护响应可避免电力系统断电。另外，通过分析DFR的录波还能加强电力系统工程概念以及在分析电力系统故障时采用对称分量元件。
大容量电力系统通常由两个冗余继电保护系统进行保护。这些系统的性能可通过系统扰动分析进行监测。电力系统的恢复需要先正确分析导致断电的扰动，在确认安全后才能再进行系统上电。正确分析系统扰动有助于在发生故障的电力系统设备上电的情况下安全恢复供电。另外，通过正确的系统扰动分析，还能获取关于继电保护应用的哲学思想的信心。
为方便用户检查，在DFR的录波中通过与录波对应的标识同时显示了表示监测电压和电流的唯一功能系统图。书中有一节专门记录了在实际的案例分析中出现的电力系统现象，这将为经验有限的工程师进行系统分析时提供问题的背景知识。
本书作为一个平台，记录和展示了作者在电力系统扰动分析领域40多年的工作经验。美国电力服务公司、纽约电力管理局和一些应用客户的许多同事都直接或间接地为本书作出了贡献，在此，对他们的付出表示衷心感谢。本书的主旨是简化问题，并对继电保护工程师提供故障清除的指导原则以及基础知识。根据这种组织架构，首先简要介绍了继电保护应用的理论和基本原理。然后通过涉及系统扰动的实际案例来强化这些基础知识。这些案例都是作者根据多年来在公共电力系统保护中实际发生的故障收集整理而成的。案例中公共发电厂、变电站和输电线的实际名称都用通用名称代替。
在早期垂直整合的环境下，对于大多数公共事业，培训和教育是必不可少的。在竞争激烈的新环境下，由于是通过对年轻工程师传授宝贵经验，而导致经验和技术信息的交流受到限制。正是由于该原因，在继电保护的历史上，已经流传了一代又一代的基本知识正面临丢失的危险。 由于目前对于从事电力系统扰动分析中保护和控制领域的工程师培训极少，这促使作者以这种有益于工程师的方式来记录本人的工作经验。
本书中，详细介绍了如何将电力系统扰动分析作为判断电力保护系统性能的一种重要手段。通过对实际的数字故障记录仪录波、示波图和数字继电器故障录波进行分析来阐述如何推断故障事件的发生顺序。本书中涵盖了扰动分析所需信息、故障角（fault incident angle）以及电力系统现象及其对继电保护系统性能影响等主题。同时还描述了系统扰动分析所得出的电力系统现象。另外，还包括了涉及发电机、变压器、架空输电线、馈线电缆和断路器失灵的保护系统性能的实际系统扰动的案例分析。书中的几个章节专门介绍了将系统扰动分析作为继电保护方案性能优化的一种工具。除此之外，本书还可作为验证电力系统模型，并提供电力系统特性丰富技术信息的一种工具。
本书主要是针对从事电力保护和控制、电力系统运行和电力系统设备等领域工作的工程师和技术人员。同时，也适用于电能控制中心的操作人员和技术支持人员，以增强发生电力扰动后安全恢复电力系统的技术背景知识。本书将为工程师提供大多数电力系统现象及其对保护系统特性影响的基础知识。同时，本书也可作为想要提高电力相关知识的本科生和研究生的教材。书中专门设置了问题一章，以增强对电力系统扰动分析作用的理解。因此，本书还能对本科生或研究生相关课程提供关于电力系统扰动分析主题的讨论。
Mohamed AIbrahim
译者序
原书前言
第1章电力系统扰动分析功能
1.1电力系统扰动分析的作用
1.2数字故障记录仪（DFR）扰动分析的目的
1.3通过电力系统扰动分析来测定电力系统设备状况
1.4DFR设备描述
1.5电力系统扰动分析所需信息
1.6故障记录仪监测信号
1.6.1模拟信号
1.6.2事件（数字或二进制）输入和输出
1.7DFR监测电压和电流的触发设置
1.8DFR和数字继电器的采样率与频率响应
1.9通过数字继电器产生的故障录波
1.10智能电子装置采集的数据集成与整合
1.11DFR的软件分析包
1.11.1相量分析
1.11.2有效值（RMS）计算
1.11.3有功功率和无功功率的计算
1.11.4数据显示操作
1.11.5故障定位
1.11.6电力系统谐波分析
1.11.7对称分量分析
1.12变电站接地电流监测中DFR的精度校验
1.13利用DFR来验证电力系统短路模型
1.14瞬态数据交换通用格式标准
参考文献
第2章电力系统故障现象与电力系统的故障清除过程
2.1电力系统中的分流故障类型
2.2分流故障分类
2.2.1三相故障
2.2.2相—相故障
2.2.3相—地故障
2.2.4双相—地故障
2.3电力系统中的串联不平衡类型
2.4电力系统中的扰动成因
2.5故障点
2.6对称和非对称故障电流
2.7电压峰值处的电弧放电或飞弧闪络
2.8故障演变
2.9并发故障
2.10金属性（RF=0）或带地线合闸的线—地短路故障
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
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
2.13树木引起的高阻线接地故障
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
2.15一个非接地电力系统中的相—地故障
2.16线—地故障时非故障相中的电流
2.17三角形/星形变压器星形接地侧的线—地故障
2.18三角形/星形变压器星形接地侧的线—线故障
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
2.20超高压双相—地故障时周波继电器的运行时间
2.21油断路器箱中相C—地故障的自动清除
2.22输电线绝缘子飞弧闪络引起的相B—地故障的自清除
2.23通信信号延迟造成的辅助系统的延迟清除
2.24线—地故障的顺序故障清除
2.25线—地故障的步距故障清除
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
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
2.28线—地故障中断路器失灵的故障清除
2.29利用一种对比方法的故障点确定和故障分类
参考文献
第3章电力系统现象及其对继电保护系统性能的影响
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
3.1.1发电机振荡现象
3.1.2失步振荡事故描述
3.1.3输电线L1上Z1的跳闸分析
3.1.4对继电保护系统的影响
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
3.2.1事故描述
3.2.2发电机组GB跳闸分析的理论和结论
3.3200MW机组同步产生的电力系统平稳振荡
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
3.5高压侧相—地故障期间发电机转子处120Hz电流的表征
3.6不平衡故障期间发电机负序电流的流动
3.7170MW水力发电机组的意外（偶然）励磁
3.8发电机中性点处三次谐波电压的表征
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
3.10GSU高压侧线—地故障时发电机输出的有功功率和无功功率
3.11200MW机组的励磁损耗
3.12发电机的剩余（衰减）能量
3.13发生故障和误同步时的电流非过零点
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
3.15高压侧差动保护区域内存在故障时的变压器励磁
3.15.1故障电流中的谐波分量分析
3.16变压器的涌流
3.16.1变压器涌流现象的定义
3.16.2对变压器保护的影响
3.16.3二次谐波检测逻辑方法
3.17YG/三角形变压器星形接地侧励磁时的涌流
3.18变压器三角形侧励磁时的涌流
3.18.1三角形/YG变压器三角形侧的励磁
3.18.2三角形/三角形变压器三角形侧的励磁
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
3.20整个三角形/星形变压器组的30°相移
3.21远端双绕组三角形/YG变压器产生的零序电流
3.22作为零序源的传统电力调节变压器的铁心类型
3.23断路器的重燃
3.24合闸操作过程中断路器三相不一致
3.25断路器的分闸电阻
3.26反馈到断路器失灵故障检测器的二次电流
3.27磁通量消除
3.28电流互感器（CT）饱和
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
3.30电容式电压互感器（CVT）的暂态
3.31一个超高压（EHV）输电线断电时套管电位器的暂态
3.32电容额定电流中断后电容器组断路器重燃
3.33电容器组的合闸暂态
3.34并联电容器组近距系统故障
3.34.1涌流现象的定义
3.34.2电容器涌出电流的仿真研究
3.35数据采集与监控系统（SCADA）并入一个三相故障
3.36自动重合闸到一个永久性线—地故障
3.37线—地故障后快速重合闸
3.38零序互耦感应电压
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
3.40三相故障清除时非正弦中性点电流的表征
3.41发生故障时平行输电线上电流反向
3.42Ferranti（费兰梯）电压上升
3.43两端具有并联电抗器的EHV线上的电压振荡
3.43.1EHV线上相A—C—地故障时的电压振荡
3.43.2EHV线上相A—地故障时的电压振荡
3.43.3EHV线开关操作时的电压振荡
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
3.45用于保护电缆接头的345kV避雷器击穿之前的电流泄放
3.46校准设置误差造成的模拟数字（AD）转换器的量程饱和
3.47故障中断瞬间电流下降的表征
3.48定子绕组中性点不正确连接的中压电动机的激励
3.49从负载状态到故障状态时的相角变化
参考文献
第4章发电机系统扰动相关的案例分析
4.1发电机保护的基础知识
案例分析
案例分析4.1115kV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
案例分析4.2170MW水力发电机组的意外（偶然）激励
案例分析4.3人为操作失误造成的200MW发电机机组失磁
案例分析4.41100MW发电机组的失磁跳闸
案例分析4.5联合循环发电厂中50MW蒸汽机组的误同步
案例分析4.6一个200MW水力发电机组的误同步
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
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
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
案例分析4.10345kV相—地故障正常清除时800MW发电厂的DFR录波分析
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
案例分析4.12800MW火力发电机组的发电机定子接地故障
案例分析4.13800MW发电机组端子处的三相故障
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
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
案例分析4.16345kV输电线近距相—地故障时抽水蓄能发电站的意外跳闸
案例分析4.17345kV母线故障时800MW发电厂以及所连接EHV线的跳闸
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
案例分析4.19138kV输电系统扰动时150MW联合循环发电厂的跳闸
案例分析4.20138kV双相—地故障成功清除后150MW联合循环发电厂意外跳闸
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
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
案例分析4.23500MW联合循环发电厂中STG机组的顺序停机
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
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
4.1.1继电器设置计算相关案例分析
案例分析4.26100%定子接地故障保护中三次谐波欠电压装置的设置过程
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
参考文献
第5章变压器系统扰动相关的案例分析
5.1变压器基础知识
5.1.1广泛应用的变压器连接类型
5.1.2自耦变压器
5.1.3自耦变压器故障电流分析
5.1.4三绕组变压器或自耦变压器的三角形电流监测
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
5.1.6三角形三次零序电流的标幺值
5.1.7自耦变压器中性点电流的幅值和方向
5.1.8确定电力系统模型
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）
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）
5.2变压器差动保护基础知识
5.2.1硬连接差动保护
5.2.2多功能数字差动继电器
5.2.3变压器差动保护的应用
5.2.4两绕组三角形/星形接地变压器差动保护基础知识
5.3案例分析
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
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
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
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
案例分析5.513.8kV三角形绕组断相的发电机组升压变压器运行
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
案例分析5.7450MVA 345kV/138kV/13.2kV自耦变压器故障
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
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
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
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
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
案例分析5.115MVA 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
案例分析5.125MVA 13.8kV/4.16kV厂用变压器高压侧相—相故障演变为
三相故障
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
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
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
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
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
案例分析5.1813.8kV母线上由松鼠引起的相—相故障演变为三相故障
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
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
参考文献
第6章架空输电线系统扰动相关的案例分析
6.1输电线保护基础知识
6.1.1电力系统装置保护和控制的对偶原理
6.1.2输电线继电技术的历史沿革
6.1.3大容量电力系统的保护准则
6.1.4纵联继电系统在输电线保护中的应用
6.2案例分析
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
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
案例分析6.3雷击造成的三相故障分析
案例分析6.4雷击造成的765kV双相—地故障分析
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
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
案例分析6.7人为破坏造成的345kV相—地（相C—地）故障
案例分析6.8公路电力线事故造成的345kV相—地（相A—地）故障
案例分析6.9外部相—地故障时138kV电流差动继电系统的误跳闸
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
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
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
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
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）
案例分析6.15输电线开关失灵造成的115kV相—相故障
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
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
案例分析6.17A两条平行输电线保护推荐过程的应用
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
参考文献
第7章输电电缆馈线系统扰动相关的案例分析
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案例分析
7.2500MW发电厂试运行阶段138kV电缆馈线差动继电器的意外运行案例分析
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—地故障案例分析
7.4仅利用继电目标来排除345kV相—地故障案例分析
7.5300MW发电机和345kV开关站之间345kV连接电缆故障造成的相—地故障案例分析
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
参考文献
第8章断路器失灵保护系统扰动相关的案例分析
8.1断路器失灵保护的基础知识
8.1.1断路器失灵的应用
8.1.2传统断路器失灵时序图
8.1.3传统断路器失灵的直流原理图
8.1.4断路器失灵保护清除主保护系统的盲区
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
8.1.6断路器失灵保护的设置原则
案例分析
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
案例分析8.2115kV双断路器失灵造成的1000MW发电厂以及附属变电站的损失
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
案例分析8.4230kV断路器失灵造成的1000MW发电厂以及附属变电站的隔离
案例分析8.5断路器自动同步时发电机断路器故障
案例分析8.6230kV双回路电力塔相—地故障同时清除时断路器重燃
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
案例分析8.8230kV避雷器故障清除后的油断路器失灵故障
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
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
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
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
参考文献
第9章问题
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