第十章_电力系统继电保护.ppt

1、第十章第十章 电力系统继电保护电力系统继电保护v第一节 继电保护的作用和原理 v第二节 继电保护装置的构成v第三节 对继电保护的基本要求 v第四节 输电线路的电流保护 v第五节 输电线路的自动重合闸 v第六节 主要电气设备的保护配置 第一节第一节 继电保护的作用和原理继电保护的作用和原理v一、继电保护的作用v二、继电保护的基本原理一、继电保护的作用一、继电保护的作用v 电力系统继电保护u是一门研究这种自动识别故障并排除故障元件的自动装置的技术学科。u继电保护自动装置：能反应电力系统中电气元件故障或不正常运行状态并动作于断路器跳闸或发出指示信号的一种自动装置。BkAC1QF2QF3QF4QF5Q

2、F6QF7QF图10-1 电力系统中继电保护的作用v 基本任务u自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏并保证非故障元件迅速恢复正常运行；u反应电气元件的不正常工作状态并根据实际运行条件作出不同反应，如：在无人值班的变电所，一般动作于故障元件的断路器跳闸；若发生过负荷而有自动减负荷装置时，可动作于自动减负荷装置；在有值班人员的变电所或控制室，一般动作于发信号，提示值班人员哪个元件出现了不正常工作状态。二、继电保护的基本原理二、继电保护的基本原理 利用电力系统发生故障和处于不正常运行状态时一些物理量的特征和特征分量，可以构成各种原理的保护。Bk2AC1QF2QF

3、3QF4QF5QF6QFk1图10-2 继电保护原理示意图1电流保护的原理 当k2点发生三相短路时，电源与短路点之间的各相电流将突然增加，其值可能是额定电流或正常工作电流的十几倍。利用这个特点可用一个元件对电流进行测量并和给定电流比较，当测量到的电流大于给定电流时，输出相应的控制信号。这就构成了反应相电流增大而动作的过电流保护。这个给定电流称为电流保护的整定值，即电流保护的动作电流。2低电压保护的原理如图10-2中k2点三相短路时，将使B、C母线电压很小甚至几乎为0。利用短路时母线电压下降的特点，可构成测量电压且反应电压下降动作的低电压保护。这个给定电压称为电压保护的动作电压。3低阻抗保护的原

4、理 当k1点故障时，A母线电压严重下降而线路电流却大大上升，因此，故障时测量阻抗Zm也就与正常时大不相同，其幅值下降而相角却增大。利用这种差别可以构成反应该断路器处测量阻抗Zm变化的保护，称为阻抗保护。4方向保护的原理在图10-2中，同一条线路上需要在线路两侧均装断路器并配置保护才能切除该线路上任意处的故障。在这种双电源的线路上发生故障时，可以找到新的故障特点以构成保护。利用相位特点可构成反应功率方向的方向保护。5纵联保护的原理利用线路内部短路时其两侧电流均为正，而外部短路时两侧电流一侧为正一侧为负的特点可构成纵联保护。纵差保护是纵联保护的一种。6序分量保护的原理当电力系统中发生不对称短路时，

5、故障电流和电压中含有负序分量。若为不对称接地故障时，故障电流、电压中还包括零序分量。利用故障时序分量的出现可以构成反应序量动作的保护，如零序电流、电压保护，负序电流、电压保护等。7其他保护原理利用变压器内部短路时使其油箱内绝缘油受热分解产生的大量气体构成反应这些气体多少和气流速度的瓦斯保护。利用线路故障时故障点产生的暂态行波分量的传播方向不同等特点可构成各种行波保护。第二节第二节 继电保护装置的构成继电保护装置的构成v一、继电保护装置的构成v二、输入电路v三、测量元件 v四、逻辑元件 v五、输出电路与执行元件 一、继电保护装置的构成一、继电保护装置的构成12345给定图10-4 继电保护的构成

6、 从所完成的功能看，保护的构成如图10-4所示，有输入、测量、逻辑判断、输出和执行等主要部分。二、输入电路二、输入电路三、三、测量元件测量元件u电磁型：电流、电压、时间、中间等继电器；u晶体管型：电流、电压、方向元件等；u微机型：通过软件实现。输入电路应将电力系统中的强电量变换成为满足继电保护二次电路需要的各种弱电量。因此，输入回路包括各种互感器、变换器、序滤过器、滤波回路、整流电路、模数变换等部件。四、四、逻辑元件逻辑元件 由各种门电路、时间电路、相位或幅值比较电路、加法器、减法器、积分器及移相电路等中的一个或几个部份组成。五、输出电路与执行元件五、输出电路与执行元件 通常指开关量的输出；当

7、接到逻辑回路或输出回路的跳闸或发信号等命令后，执行其命令以完成继电保护所担负的任务。第三节第三节 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求v一、有选择性 v二、动作迅速 v三、灵敏度好 v四、可靠性高 一、有选择性一、有选择性 指电力系统故障时，保护装置仅切除故障元件，尽可能地缩小停电范围，保证电力系统中非故障部份继续运行。Bk1AC1QF5QF3QF7QF8QFk22QFk3III6QF4QF9QF图10-6 保护有选择性动作示意图二、二、动作迅速动作迅速 对用户来说，快速切除故障可以减少非故障用户元件在低电压下运行的时间，利于电动机自启动，保持用户电气设备的不间断运行；对于系统中的电气设备

8、而言，保护动作越快，对通过故障电流的电气设备损坏越小；对电力系统中并列运行的发电机而言，保护动作太慢，可能将使发电机之间失去同步。若短路时，相关保护迅速动作切除故障，电源间功角不至拉开太大，系统能较容易地使失去同步的电源进入再同步，恢复电力系统的正常运行。三、灵敏度好三、灵敏度好 灵敏度是指继电保护对其保护范围内故障或不正常运行状态的反应能力。保护的灵敏度一般用灵敏系数(Ksen)来衡量。对于反应物理量上升而动作的保护，其灵敏系数为：Ksen=保护范围内金属短路时故障参数的最小计算值/保护的整定值（动作值）对于反应物理量下降而动作的保护，其灵敏系数为：Ksen=保护的整定值/保护范围内金属短路

9、时故障参数的最大计算值。四、四、可靠性高可靠性高 保护的可靠性高是指属于保护范围内的短路故障，保护应动作，对于保护范围外的故障则应不动作。否则，该动作的而不动作称为保护拒动作，不该动作的而动作称为保护误动作。保护拒动或误动都会给用户、电力系统和电气设备带来不应该的损失。第四节第四节 输电线路的电流保护输电线路的电流保护v一、线路相间短路的电流保护v二、相间短路方向电流保护v三、相间短路电流保护整定计算举例v四、接地短路的电流保护一、相间短路的电流保护一、相间短路的电流保护1.无时限电流速断保护（电流保护I段）u 无时限电流速断保护的动作原理与整定计算无时限电流速断保护的动作原理与整定计算无时限

10、电流速断保护在任何情况下只切除本线路上的故障。以AB线路断路器1QF处的无时限电流速断保护为例，则必须首先计算AB线路各处三相和两相短路时的短路电流以确定如何计算该保护的动作电流和如何校验该保护的灵敏度。u在线路各点三相和两相短路时的短路电流分别为：Ak11QF2QFBxsmaxxsminIIOP1IkBmaxlLminLmax3120图10-7 无时限电流速断保护整定计算示意图u无时限电流速断保护（电流保护I段）的动作时间：tIop1=0u无时限电流速断保护（电流保护I段）的灵敏度：用保护范围即它所保护的线路的长度的百分数来表示。无时限电流保护不能保护线路全长，应采用最不利情况下的保护范围来

11、校验保护的灵敏度，一般要求保护范围不少于线路长度的15%。u1QF处无时限电流速断保护的动作电流IIop1整定为：可靠系数KIrel可取1.21.3。u 无时限电流速断保护的构成无时限电流速断保护的构成按最小运行方式下二相短路求lmin灵敏度：lmin15%lAB&KTAIOP.r1234跳闸IKSIrIKA图10-8 无时限电流速断保护单相原理框图1-电流测量元件；2-否门；3-信号元件；4-闭锁元件u当上述无时限电流速断保护灵敏度不满足要求时，即保护范围时，该保护不宜使用，此时可采用无时限电流电压联锁速断保护，以提高电流保护第I段的灵敏度。2.带时限电流速断保护（电流保护II段）u为什么要

12、配置带时限电流速断保护？u带时限电流速断保护的主要作用：在任何情况下，带时限电流速断保护均能保护本线路的全长（包括本线路的末端）。为此，保护范围必须延伸至相邻的下一线路，以保证在有各种误差的情况下仍能保护线路的全长；为了保证在相邻下一线路出口处短路时保护的选择性，本线路的带时限电流速断保护在动作时间和动作电流两个方面均必须和相邻线的无时限电流速断保护配合。根据要求有：IIIop1 IIop2且 IIIop1 tIop2则：IIIop1KIIrelIIop2/Kbmin tIIop1tIop2tt可靠系数KIIrel一般取1.11.2。u任何整定电流保护段？IIOP1IkBmaxIIIop1II

13、op2IkCmaxl0Ak11QF2QFB3QFC图10-9 带时限电流速断保护整定计算示意图u分支系数Kb定义：在相邻线路第I段保护范围末端即k1点短路时，流过故障线的短路电流与流过被保护线短路电流的比值。即：Kb IBC/IABu电流保护第II段的灵敏度：式中，在本县末端短路时流过1QF处保护的最小短路电流；带时限电流速断保护的灵敏度，其值在“技术规程”规定：当线路长度小于50km时，大于等于1.5；当线路长度在50km200km时，大于等于1.4；当长度大于200km时，大于等于1.3。3.定时限过电流保护（电流保护III段）u作用：作本线路主保护的后备保护（近后备保护）；作相邻下一线路

14、（或元件）的后备保护（远后备保护）。u当该保护灵敏度不满足要求时，动作电流可采用和相邻线路电流保护第II段整定值配合，以降低本线路电流保护第II段的整定值而提高其灵敏度，即整定值为：u如何整定动作电流？正常运行并伴有电动机自启动而流过保护的最大负荷电流为KssILmax时该电流保护不动作，即：IIIIop1 KssILmax外部故障切除后，非故障线的定时限过流保护在下一母线有电动机启动且流过最大负荷电流时应能可靠返回，即：Ire=KIIIrelKssILmax且 IIIIop1 Ire故 动作电流Iop1：可靠系数KIIIrel一般取1.151.25电流测量元件的返回系数Kre 一般取0.85

15、。u任何保证电流保护III段动作的选择性？问题：IIIIop1 IIIop1 tIIIop2tIIIop3tIIIop4即：tIIIop3 tIIIop4 t tIIIop2 tIIIop3 t tIIIop1 tIIIop2 tu灵敏度校验0tIIIop0tIIIop1tIIIop2tIIIop3tIIIop4l0QF1QF2QF3QF4QFM5QF图10-10 定时限过电流保护动作时间整定示意图4.电流保护的接线方式u接线方式：指电流互感器和电流测量元件间的连接方式。u分类：完全星形接线：一般用于大接地电流系统。不完全星形接线：一般用于小接地电流系统。AB CIII1逻辑元件KAKAKAi

16、aibicinAB CII1逻辑元件KAKAiaicin图10-11 电流保护的接线方式(a)完全星形接线；(b)不完全星形接线u特点：投资不同；均能反应所有的相间短路；在大接地电流系统中，完全星形接线能反应所有单相接地故障，不完全星形接线不能反应B相接地故障；在小接地电流系统中，当在不同线路上发生两点接地时，一般情况下只要求切除一个接地点而允许带一个接地点继续运行一段时间。对在保护动作时间相同的并行线路，不完全星形接线的可靠性高；对串联运行的两相邻线路，完全星形接线百分之百有选择性。5.三段式电流保护的原理图及延时特性u三段式电流保护的功能框图ABC1QFBIIIIIIIIIt2t3KCO1

17、6跳1QF15141311126KA5KA4KA1KA2KA3KA7KA8KA9KA2KT3KT1KS2KS3KSiaibic图10-12 三段式电流保护的功能框图u电磁型三段式电流保护原理电路图举例图10-14 三段式电流保护电路的原理展开图(a)交流回路展开图；(b)直流回路展开图；(c)信号回路TAABC1kA2kA3kA4kA5kA6kA7kA8kA9kA(a)1KS2KS3KSWS信号(c)WC-WC1kA4kA7kA2kA5kA8kA3kA6kA9kA2KTKCO3KTQF12KT3KT2KS3KS1KSKCOYRFUFU(b)u三段式电流保护的配置和延时特性电流保护配置：每一处都

18、必须配置三段式电流保护吗？延时特性：A1B2C34DMIII段：定时限过电流 tIII40sI段：无时限电流速断 tI30sIII段：tIII30.5sI段：tI20sII段：带时限电流速断 tII20.5sIII段：tIII21sI段：tI10sII段：tII10.5sIII段：tIII11.5s0ltI1tII1tIII1tI2tII2tIII2ttI3tIII3tIII4图10-13 三段式电流保护的延时特性二、相间短路方向电流保护二、相间短路方向电流保护1.采用方向电流保护的必要性Dk2CBAk1123456K3图10-14 双电源网络中三段式电流保护的选择性2.方向电流保护的构成uI

19、段：动作电流满足选择性时不加方向元件；uII段：动作电流和动作时间能满足选择性时不加方向元件；uIII段：同一变电所内动作时间较小而可能失去选择性时加方向元件，动作时间相同可能失去选择性时均加方向元件。III&112345671KS102KS113KS12t2t389跳闸13KAKAKAKPKCO图10-15 三段式方向电流保护单相原理框图3.功率方向元件 方向电流保护与一般电流保护的差别仅多了一个功率方向元件。u功率方向元件的构成原理功率方向元件的构成原理 k1点短路时：UrIr k1(0，900)k2点短路时：UrIr k2 k11800故：保护正向短路时：90 r 90 保护反向短路时：

20、r 90 或 r 180k2k1IrUr(a)00(b)图11-18 功率方向测量元件(a)电流电压的相位；(b)对A、B的影响u功率方向元件的接线方式功率方向元件的接线方式要求：相间短路时有良好的方向性和有很高的灵敏度。900接线方式：指系统在三相对称且功率因数为1的情况下，接入功率方向元件的电流超前所加电压900的接线。4.三段式方向电流保护 三段式方向电流保护在作用原理、整定计算原则等方面与无方向三段式电流保护基本相同。三、相间短路电流保护整定计算举例三、相间短路电流保护整定计算举例u例例10-1：图10-20中所示网络中每条线路的断路器处均装三段式相间方向电流保护。试求AB线路断路器1

21、QF处电流保护第I、II段的动作电流、动作时间和灵敏度。图中电源电势为115kV，A处电源的最大、最小等值阻抗为：XsAmax20，XsAmin15，B处电源的最大、最小阻抗为：XsBmax25，XsBmin20，各线路的阻抗为：XAB40，XBC26，XBD24，XDE20，电流保护第I、II段的可靠系数为：KIrel1.3，KIIrel1.15。kEABCDEBxsBEAxsA4QF6QF1QF2QF3QF5QF图10-20 例图的一次系统接线解解：1、断路器1QF处电流保护第I段的整定计算：电流保护第I段的动作时间为tIop1=0s当电流保护第I段的动作电流应躲最大振荡电流时应按下式计算

22、：IIop1=KIrel IOSmax2、电流保护第II段的整定计算断路器1QF处电流保护第II段的动作电流应和相邻线BD电流保护第I段配合，即：故：IIop1=1.31.77=2.3kA电流保护第I段的灵敏度校验为：不满足灵敏度的要求，应考虑用无时限电流电压联锁速断保护。电流保护第II段应与相邻线路电流保护第II段配合，即：四、接地短路的电流保护四、接地短路的电流保护1.大接地系统中的多段式零序电流保护大接地系统中的多段式零序电流保护u大接地电流系统接地故障的特征BkAT1T2Z0T1Z01Z02Z0T2图10-21 大接地电流系统中的单相接地短路系统中出现零序电流且零序电流的分布与接地点的

23、位置和数目相关。发生接地短路时，系统中出现零序电压，且故障点零 序电压U0最高，而变压器中性点的零序电压为0，保护安装处母线A、B的零序电压取决于变压器零序阻抗的大小。零序功率S0=U0I0。故障点的零序功率最大，零序功率方向在故障线上是由线路指向母线，在非故障线路上却从母线流向线路。在故障线路上，零序电压和零序电流间的相差角0取决于线路和变压器的零序阻抗角K0，即-0=180-K0。若k0为80左右，则0在-100左右。u变压器中性点接地方式的安排“应尽量保持变电所零序阻抗基本不变”u多段式零序电流保护零序电流保护一般为四段式，即零序电流保护I段、II段、III段和IV段。与相间短路电流保护

24、类同，零序电第I、II段为线路接地故障的主保护，而第III、IV段为线路接地故障的后备保护。2.大接地电流系统中的方向零序电流保护大接地电流系统中的方向零序电流保护多段方向零序电流保护的构成仅在多段式零序电流保护中增加一个零序功率方向元件，并与零序电流测量元件构成与门共同判别是否在保护线路正方向发生了接地短路。故障点的电流为全系统非故障相对地电容电流之和，其相位超前零序电压的角度900；故障线的零序电流等于除故障线外的全系统中其它元件的电容电流之和，其值远大于非故障线的零序电流，且方向与非故障线相反，由线路指向母线且滞后零序电压的角度900；故障线的零序功率与非故障线的零序功率方向相反。3.小

25、接地电流系统中单相接地零序电压、电流及功率方向保小接地电流系统中单相接地零序电压、电流及功率方向保护护u中性点不接地系统中单相接地故障的特征及保护方式a.单相接地的特征全系统出现零序电压和零序电流；非故障线的零序电流为该线非故障相对地电容电流之和，方向由母线指向线路且超前零序电压的角度为900；b.保护方式绝缘监视装置零序电流保护零序功率方向保护u中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的保护方式用绝缘监视装置用单相接地时产生的高次谐波分量构成保护用接地故障暂态过程中的故障分量的某些特征构成保护第五节第五节 输电线路的自动重合闸输电线路的自动重合闸v一、概述v二、三相自动重合闸v三、单相重合闸v

26、四、综合重合闸v五、重合闸和继电保护的配合一、概述一、概述u自动重合闸的作用在线路上发生暂时性故障时，迅速恢复供电，从而可提高供电的可靠性；对于有双侧电源高压输电线路，可以提高系统并列运行的稳定性；可以纠正由于断路器机构不良，或继电保护误动作引起的误跳闸；在电网建设过程中，考虑自动重合闸作用，可暂缓架设双回线路以节约投资。u对自动重合闸的基本要求动作迅速；不允许任意多次重合；动作后应能自动复归；手动跳闸时不应重合；手动合闸于故障线路不重合；一般自动重合闸ARD可用控制开关位置和断路器位置不对应启动，对综合重合闸ARD宜用不对应原则和保护同时启动；应考虑继电保护和自动重合闸之间动作的相互配合。u

27、自动重合闸的类型三相重合闸 指不论在输、配线上发生单相短路还是相间短路，继电保护装置均将线路三相断路器同时跳开，然后启动自动重合闸同时合三相断路器。若为暂时性故障则重合闸成功。否则保护再次动作跳三相断路器。单相重合闸 指线路上发生单相接地故障时，保护动作只跳开故障相的断路器，然后进行单相重合。如果故障是暂时性的，则重合后，便恢复三相供电；如果故障是永久性的，而系统又不允许长期非全相运行时，则重合后，保护动作跳开三相断路器，不再进行重合。综合重合闸 将单相重合闸和三相重合闸综合在一起。当发生 单相接地故障时，采用单相重合闸方式；当发生相间短路时，采用三相重合闸方式。综合重合闸装置经过转换开关的切

28、换，一般都具有单相重合闸，三相重合闸，综合重合闸和直跳等四种运行方式。u自动重合闸的配置原则1kV及以上架空线和电缆与架空线混合线路，在具有断路器的条件下，如用电设备允许且无备用电源自动投入时，应装设自动重合闸装置；旁路断路器和兼作旁路的母联断路器或分段断路器，应装设自动重合闸装置；低压侧不带电源的降压变压器，可装设自动重合闸装置；必要时，母线故障可采用自动重合闸装置。二、三相自动重合闸二、三相自动重合闸u单电源线路的三相一次自动重合闸u双电源的三相自动重合闸与同期问题三、单相重合闸三、单相重合闸四、综合重合闸四、综合重合闸五、重合闸和继电保护的配合五、重合闸和继电保护的配合u自动重合闸前加速

29、保护u动作自动重合闸后加速保护动作第六节第六节 主要电气设备的保护配置主要电气设备的保护配置 v一、电力系统继电保护的配置原则 v二、电力变压器的保护配置 v三、同步发电机和电动机的保护配置 v四、母线的保护配置 一、电力系统继电保护的配置原则一、电力系统继电保护的配置原则 电力系统继电保护的合理配置，是保护能否园满地完成所担负任务的一个十分重要的因素。对于电力系统的电力设备和线路，应装设反应各种短路故障和异常运行的保护装置；反应电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可再增设辅助保护；重要的设备要求配置双重主保护；各个相邻元件保护区域之间需有重叠区，不允许有无保护的区域；必要

30、时线路应装设将断路器自动合闸的自动重合闸装置。二、电力变压器的保护配置二、电力变压器的保护配置对于油浸式变压器，由于故障使油箱内产生瓦斯和油面下降，应装反应箱内气体容量和流速的轻、重瓦斯保护，轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯动作于跳变压器各侧断路器；对于变压器引出线、套管内及油箱内部的短路应按变压器的容量及实际运行条件装设主保护并动作于变压器各侧断路器跳闸；电力变压器的主保护有电流速断保护和纵差保护；对于变压器高压侧电压在330kV及以上时，可装双重纵差保护；对于变压器外部短路引起的变压器过电流，应根据变压器的容量和类型装设相应的保护作为主保护的后备保护和相邻元件的后备保护；如过流保护，复合电压启

31、动的过流保护，负序电流及单相式低电压启动的过流保护等；这些保护延时动作于变压器各侧断路器跳闸；500kV系统联络变压器高、中压侧均应装设阻抗保护；对于中性点直接接地系统中的变压器，若中性点直接接地运行，对外部单相接地引起的过电流应装零序过电流保护；对于在中性点直接接地系统中低压侧有电源且中性点可能接地运行也可能不接地运行的变压器，应根据变压器的绝缘情况装设不同时限的零序电流保护，零序电压保护或零序电流电压保护等；反应变压器过负荷的过负荷保护；高压侧电压为550kV的变压器应装反应变压器上工作磁通密度过高的过励磁保护；对于变压器温度升高、油箱内压力过高和冷却系统故障均应装设相应的保护。三、同步发

32、电机和电动机的保护配置三、同步发电机和电动机的保护配置1、同步发电机的保护配置 同步发电机一般应配置以下保护方式：1）定子绕组相间短路保护；2）定子绕组接地短路保护；3）在发电机外部发生相间故障时应装相间后备保护以防止外部短路引起发电机定子绕组过电流；4）定子绕组过电压保护和过负荷保护；5）对于不对称负荷、非全相运行、外部不对称短路引起的负序过电流应装定时限与反时限负序过电流保护以防止发电机转子表层过负荷；6）装励磁绕组过负荷保护和低励、失磁保护；7）发电机逆功率保护；8）转子一点或两点接地保护；9）其它保护 2、电动机的保护配置同步电动机和异步电动机的主要故障是定子绕组相间故障、单相接地故障和一相绕组匝间故障等。因此，应装设的保护有：1）相间短路保护，如电流速断保护或纵差保护；2）单相接地短路保护，如零序电流保护；但一般电动机不装匝间短路保护。四、母线的保护配置四、母线的保护配置 发电厂和变电站的母线是汇集和分配电能的关键元件。母线故障将威胁电力系统的安全运行。母线故障机率尽管较小，但因后果严重，应该有良好的保护措施。母线的故障主要是相间和接地短路。对母线进行保护的方式有两种：一种是利用供电元件的后备保护延时切除故障，另一种是装专门的母线保护。本章结束点此进入下一章