电力系统继电保护.doc

1、第一章 电力系统 继电保护的基础知识 第一节 电力系统 继电保护 的目的和任务 一、电力系统继电保护的概念 二、电力系统 的 故障及不正常工作状态 电力系统由于受自然如雷击、风灾、人为 （ 如误操作 ） 等因素 的 影响，会发生故障和异常运行状态 。 1电 力系统 故障 2电 力系统异常运行状态 指系统的正常工作受到干扰， 设备的 运行参数偏离正常值。 如：过负荷、频率降低等。 3故障和 异常运行 可能引起的后果 电弧；绝缘老化；设备变形；电压降低，影响用户 正常工作； 破坏系统运行稳定性。 三、电力系统 继电保护的任务 1. 继电保护的任务 故障时， 将故障 设备 切除 ； 出现异常时，发出

2、 告警 信号 或减负荷、跳闸。 2.电力系统继电保护装置 反应 电气设备 故障或异常状态 ，动作 于断路器跳闸或发信号的一种自动 装置 。 3.装设继电保护 装置的目的 预防或缩小事故范围 ， 提高系统运行可靠性。 避免或减轻 故障 对电器设备造成的损坏。 第二节 对电力系统 继电保护的基本要求 一、 选择性 将故障 设备 从系统中切除，减小停电范围 ， 保证系统中非故障 设备 继续安全运行。 二、 速动性 快速地切除故障 设备： 可提高系统运行稳定性；使电压尽快恢复，减轻对用户的影响；减轻电气设备损坏程度；防止事故扩展，提高重合成功 率。 故障切除的时间 保护动作时间 断路器 分闸 时间 三

3、、 灵敏性 系统最大运行方式 广义：根据系统最大 负荷 的需要，电力系统中所有可以投入的 发电设备 都投入运行（全部或绝大部分），以及所有 线路 和规定接地的 中性点 全部投入运行的方式称为系统最大运行方式。 继电保护：短路时通过该保护的短路电流为最大的系统的可能运行方式。 系统最小运行方式 广义：根据系统 负荷 为最小，投入与之相适应的 发电机组 且系统 中性点 只有少部分接地的运行方式称为系统的最小运行方式。 继电保护：短路时通过该保护的短路电流为最小的系统的可能运行方式。 灵敏 度： 继电 保护装置对其保护范围 内 发生故障 或异常运行状态的反应能力。 1.对反应故障时参数量增加的保护装

4、置 2.对反应故障时参数量降低的保护装置 四、可靠性 正常时不误动； 内 部 故障时应可 靠动作；不该动作的情况下 应可 靠 不 动作 。 第三节 继电保护的基本原理及 分 类 一、继电保护的基本原理 利用正常运行与故障或 异常运行状 态时 ，各种物理量的差别来判断故障或异常，并通过断路器将故障切除或发出告警信号。 例： 电流增大 、 电压降低 、 阻抗 减小、温度升高等 二、 继电保护装置的 分 类 1.按 继电保护装置的构成原理 分类： 电流保护、电压保护 、差动保护、功率方向保护、 距离保护和高频保护等。 2.按 被保护 的 对象分 类： 线路保护、变压器保护、发电机保 护、母线保护、

5、电动机保护、 电容器保护等。 3.按 构成保护装置的元件 分 类： 机电型保护 装置 、静态型保护 装置 、微机型继电保护 装置； 4.按照 保护的功能 分 类： 主保护 、 后备保护 、 辅助保护 等。 三、继电保护装置的基本组成 1继电保护装置的基本工作过程 2继电保护装置的基本组成 第四节 继电保护的实现 一、 机电型 继电 保护装置 图形符号、文字符号 LJ（ KA）、 YJ（ KV）、 SJ（ KT）、 ZJ（ KC）、 XJ（ KS） 二、 静态型继电保护装置 三、微机型 继电保护装置 硬件电路 的基本组成； 软件 模块的基本结构 继电保护技术发展趋势： 计算机化，网络化，智能化，

6、保护、控制、测量和数据通信一体化。 第二章 输配电线路相间短路的电流保护 第一节 电流保护及电流元件的基本概念 一、电流保护 1电流保护的概念 2电流保护的分类： 二、电流元件 1电流元件的作用 2动作电流 .oprI 3返回电流 .rerI 4 返回系数 reK 三、电流互感器的极性和电流保护的接线方式 1.电流互感器的作用 2.电流互感器的极性 3.电流互感器的误差及二次负载 四、电流保护的接线方式 指电流继电器的线圈或电流变换器的一次绕组与电流互感器二次绕组的连接方式。 1三相完全星形接线方式 2rII n u v wI I I I 接地短路故障时： 03nII 三相完全星形接线方式：可

7、以反映各种类型的相间短路及接地故障。主要用于大电流接地系统中输电线路的保护以及发电机、变压器保护等。 2两相不完全星形接线方式 两相不完全星形接线方式：可以反映各种类型的相间短路故障，但不能完全反映接地故障。该接线方式多用于小电流接地系统的相间短路保护。电流互感器必须装设在 A 相和 C相上。 3两相电流差接线方式 r u wI I I 正常运行时：23r u wI I I I ； UV 或 VW 两相短路时： 2ruI I I 或 2rwI I I； UW 两相短路时： 22r u wI I I I 两相电流差接线方式：可以反映各种类型的相间短路故障， 对于不同类型的故障，其灵敏度不同。一般

8、用于 10KV 及以下小接地电流系统的配电线路、电动机等的相间短路保护。 4接线系数 2rcon IK I 三相完全星形接线方式、两相不完全星形接线方式： 1conK 。 两相电流差接线方式： 3conK 。 五、电流保护的整定 一次动作电流：根据被保护设备中电流的大小，按一定条件计算得出； 二次动作电流：根据一次动作电流、电流互感器的变比、电流保护的接线方式折算得出。 . opop r conTAIIKK设： .max 253lIA ， 300/5TAK ， 1conK 取： 270opIA 则： . 270 1 4 .53 0 0 5op rIA 整定计算：对保护装置的动作值、灵敏度进行计

9、算； 整定原则：计算动作值的条件、灵敏度检验的条件； 对保护装置进行整定：把计算出的动作值告知保护装置； 第二节 反映线路相间短路的电流保护 一、瞬时电流速断保护 （一）瞬时电流速断保护的原理及整定原则 1 瞬时电流速断保护的原理 1）当线路上任一点发生三相短路时， 流过保护 1 的短路电流 。 2）系统最大运行方式、系统最小运行方式 2动作电流的整定原则 1）（满足选择性要求）动作电流按躲过本线路末端可能出现的最大短路电流整定。.1 .max .IIop rel k BI K I 图 2-6 3保护范围及灵敏度校验 1）瞬时电流速断保护的灵敏度，可以用保护范围的长度占被保护线路全长的百分比表

10、示。 2）计算方法 3）要求： maxL 应不小于线路全长的 50； minL 应不小于线路全长的 15 20。 （二）瞬时电流速断保护的构成 1. 机电型瞬时电流速断保护（图 2-7） 2. 微机型 瞬时电流速断保护（图 2-8） 3. 几个问题 1）避雷器对瞬时电流速断保护的影响。微机型： 10-20ms；机电型：不用加时间继电器。 2）瞬时电流速断保护的特点，较短线路不采用。 3）线路变压器组，瞬时电流速断保护可以保护整个线路的全长。 二、限时电流速断保护 （一）限时电流速断保护的原理及整定原则 1 限时电流速断保护的原理 1）作用：切除瞬时电流速断保护范围以外的故障，作为瞬时速断的后备

11、。 2）要求：在任何情况下都能保护本线路的全长，并具有足够的灵敏度。 3）原理说明（图 2-10） 2动作电流的整定原则 （选择性与速动性）限时电流速断保护的动作电流按与相邻线路瞬时电流速断保护 配合 整定。 .1 .2II II Iop rel opI K I IIrelK 一般取 1.1 1.2； 3动作时限的整定原则 限时电流速断保护的动作时限，按与相邻线路瞬 时电流速断保护配合整定。 .1 .2 0. 5II Iop opt t t s t 时限级差 4 灵敏度校验 1）限时电流速断保护的灵敏度，按本线路末端发生相间短路故障时的最小短路电流校验。 2. m in 1.3 1.5II k

12、s IIopIK I2）当灵敏度不满足要求时， 限时电流速断保护的动作电流、动作时限可按与相邻线路限时电流速断保护配合整定。 .1 .2II II IIop rel opI K I .1 .2II IIop opt t t （二）限时电流速断保护的构成 1机电型限时电流速断保护 2 微机型 限时电流速断保护 三、定时限过电流保护 （一） 主保护和后备保护 主保护、 后备保护 （近后备 保护 、远后备 保护） I 段和 II 段构成 35kV 及以下电压等级线路的主保护 定时限过电流保护被广泛 用来作为线路、变压器、发电机等电气设备的后备保护。 （二）定时限过电流保护的原理及整定原则 1定时限过

13、电流保 护的原理及动作电流 1） 图 2-13，过电流保护的保护范围，对其动作电流的要求。 2）动作电流的整定 .maxIIIre lII ； III IIIop re reI I K ； .maxIIIIII rel lopreKII K ； .m axIII rel ss lopreK K II K 3）最大负荷电流：被保护线路实际可能出现的最严重情况。 2定时限过电流保护的动作时限 1）图 2-15 选择性要求 .1 .2III IIIop optt ； .1 .2 .3III III IIIop op opt t t 2）阶梯形原则： .1 .2III IIIop opt t t ；

14、.2 .3III IIIop opt t t ；（动作时限保证选择性） 3）图 2-16，动作时间的计算 4）定时限过电流保护的动作时限是一定的，与短路电流的大小没有关系。 3 灵敏度校验 定时限过电流保护 具有较高的灵敏度，但 不能快速切除故障。一般用来作为本线路和相邻元件的后备保护。 2.minks IIIopIK I四、阶段式电流保护 （一） 阶段式电流保护的构成 1阶段式电流保护的构成 1）三段式电流保护的构成 2）实际上，对于不同的线路，应根据具体情况来选择配置三段式或两段式电流保护。 IIzdII 限时速断 压板投入 & IIzdt 0 I 限时速断出口 set set 作近后备保

15、护时，要求 1.3 1.5sK ； 作远后备保护时，要求 1.2sK 。 2机电型三段式电流保护的接线图 1）原理接线图：以二次元件（如继电器）的整体形式表示各二次元件之间的电气联系，二次元件之间的连线按实际工作顺序画出。（图 2-17（ a） 2）展开接线图：按供电给二次回路的每个独立电源来划分，它将二次回路划分为交流电流回路、交 流电压回路、直流控制回路、直流信号回路等。（图 2-17（ b） 三段式电流保护 整定计算举例 如图所示，线路 L-1、 L-2 上均配置有三段式电流保护。已知系统在最大、最小运行方式下的系统电抗分别为 .max 6.3sX , .min 9.4sX ；线路 L-

16、1、 L-2 的长度分别为L1=25KM , L2=62KM ； 线路每公里正序电抗为 X1=0.4 ；保护 2 中定时限过电流保护的动作时限为 IIIop.2t 2.5s ；线路 L-1 的最大负荷功率为 9MW， cos 0.9 ， 3005TAK ，电动机自起动系数 1.3ssK 。试对线路 L-1 上配置的三段式电流保护进行整定计算。 解：（ 1） 选择短路点并计算最大、最小短路电流 K1 点短路时的三相短路电流： 最大运行方式下： 31 37000 13106.3 0.4 25 3kIA最小运行方式下： 31 37000 11009 .4 0 .4 2 5 3k K2 点短路时的三相

17、短路电流： 最大运行方式下： 32 37000 5206 . 3 0 . 4 2 5 6 2 3kIA最小运行方式下： 32 37000 4839 . 4 0 . 4 2 5 6 2 3k （ 2） 对电流保护 I 段，即瞬时电流速断保护进行 整定计算 1）动作电流 3. 1 1 . m a x 1 . 2 1 3 1 0 1 5 7 2IIo p r e l kI K I A .1.1 15721 2 6 . 23 0 0 5IopIo p r c o n TAII K AK 2）计算保护范围、校验灵敏度 . m a x 1 m a x3m a x . m a x1,1 1 3 7 1 0

18、3 6 .3 1 5 .90 .4 1 5 7 2IopssIopEIX X LEL X KMXI m a x 1 1 5 . 91 0 0 % 1 0 0 % 6 3 . 6 % 5 0 %25LL . m in 1 m in3m in . m in13 ,21 3 1 3 3 7 1 0 3 9 .4 3 .8 92 0 .4 2 1 5 7 2IopssIopEIX X LEL X KMXI m i n 1 3 . 8 91 0 0 % 1 0 0 % 1 5 . 6 % 1 5 %25LL 灵敏度满足要求。 （ 3） 对电流保护 II 段，即限时电流速断保护进行 整定计算 1） 动作电

19、流 . 2 2 . m a x. 1 . 2.1.11 . 2 5 2 0 6 2 41 . 1 6 2 4 6 8 6 . 46 8 6 . 41 1 1 . 43 0 0 5IIo p r e l kII II Io p r e l o pIIopIIo p r c o nTAI K I AI K I AII K AK 2） 动作时限 .1 0.5IIopts 3)校验灵敏度 21. m in.13 11002 1.39 1.3686 .4II ks IIopIK I ，灵敏度满足要求。 （ 4） 对电流保护 III 段，即定时限过电流保护进行 整定计算 1） 动作电流 6m a x. m

20、 a x . m i n 9 1 0 1743 c o s 3 0 . 9 5 3 5 0 . 9l wPIAU . 1 . m a x 1 . 2 1 . 3 1 7 4 3 2 00 . 8 5III r e l s so p lreKKI I AK .1.1 320 1 5 . 33 0 0 5IIIopIIIo p r c o nTAII K AK 2） 动作时限 .1 .2 2 .5 0 .5 3III IIIo p o pt t t s 3） 校验灵敏度 作为本线路的近后备保护时： 21. m in.13 11002 2.98 1.5320ks IIIopIK I ，灵敏度满足要求

21、。 作为相邻线路远后备保护时： 22. m in.13 4832 1.3 1.25320ks IIIopIK I ， 灵敏度满足要求。 练习题 如图所示为 35kV 单侧电源辐射形网络，其线路 AB 拟装设三段式电流保护，电流互感器采用不完全星形接线。已知线路 AB 正常运行时流过的最大负荷电 流 Il,max=174A,电流互感器变比为 300/5,在最大、最小运行方式下 k1、 k2 和 k3 点的三相短路电流见表。 表 k1k1、 k2 和 k3 点的三相短路电流 短路点 K1 K2 K3 最大运行方式下（ A） 3400 1310 520 最小运行方式下（ A） 2280 1100 4

22、90 线路 BC 过电流保护的动作时限 2IIIt =2.5s,试计算线路 AB三段式电流保护的启动电流及动作时限，并校验各段的灵敏度。（已知： IrelK =1.3， IIrelK =1.1， IIIrelK =1.2， ssK =1.3， reK =0.85，t =0.5s； II 段电流保护的灵敏度要求不小于 1.25； III 段电流保护作为本线路后备保护时灵敏度要求不小于 1.5，作为相邻下一线路后备保护时灵敏度要求不小于 1.2） 第三节 反映线路 相间短路的方向电流保护 一、方向电流保护的原理 （一）方向电流保护的基本原理 1）电力网的结构（三段式电流保护不能满足多电源环网对选择

23、性的要求） 2）双电源辐射形网络的保护的动作行为分析（双电源 两侧断路器） 图 2-19，以保护 2、保护 3 的定时限过电流保护为例 当 K1 点短路时：应由保护 3、 4 先动作将故障线路切除： .2 .3III IIIop optt 当 K2 点短路时：应由保护 1、 2 先动作将故障线路切除： .2 .3III IIIop optt 。 两个要求矛盾，需要采取新 的办法去解决。 3）短路功率及其方向 某点电压与电流的乘积，从电源流向短路点； 当 K1 点短路时：保护 2，保护 3； 当 K2 点短路时：保护 3，保护 2； 结论：装设判断短路功率方向的元件，当短路功率由母线指向线路时才

24、让保护动作。 4）方向电流保护的几个基本概念 方向电流保护；功率方向元件（方向元件）；正方向（图 2-20） 机电型 功率方向继电器； 微机型 对输入的电流、电压进行相位判断的一段程序。 5）双向阶梯形原则（双侧电源辐射形网络 定时限过电流保护） （二） 方向电流保护的构成 1机电型方向过电流保护 1）构成元件及其联接（图 2-21） 2）动作条件（过程） 2微机型带低电压闭锁的方向过电流保护 低电压元件；方向元件；过电流元件 二、 功率方向元件 （一）功率方向元件的原理 图 2-23，对保护 3， K1 点短路时： 11co s 0k KMP UI 。 K2 点短路时： 22co s 0k

25、KNP UI 。 （二）功率方向元件的最大灵敏角和动作范围 1最大灵敏角 2 动作范围 9 0 9 0s r s 。实际动作范围小于 180 . （电流互感器、电压互感器的角度 误差 、计算误差以及短路电流中非工频分量） （三）功率方向元件的潜动和死区 1.潜动： 在只加电流，没有加电压；或只加电压，没有加电流的情况下，方向元件误动现象。 电流潜动；电压潜动。 整流型功率方向继电器，通常采用 调整电路元件参数 的方法消除潜动； 微机型功率方向元件，通常采用 软件判定或调零漂 的方法消除潜动。 2.死区 原因：靠近保护安装处正方向发生相间短路故障，母线电压很低，近似为零。 定义：有可能造成方向元

26、件拒动的区域，称为方向元件的死区。 防止措施：微机型功率方向元件，取 故障前的电压 与 故障后的短路电流 进行 计算，以消除死区。 （四）功率方向元件的接线方式 定义： 指加入方向元件的电流与电压的组合方式。整流型功率方向继电器；微机型保护装置 1.对动率方向元件接线方式的要求 2.90 接线方式 1）电压与电流的组合方式：（反映相间短路故障）故障相的电流 +另外两相线电压（表 2-2） 2） 90的含义：在假设三相对称且同名相电流与电压同相位的情况下 3）实际电力线路的短路阻抗角，及方向元件的最大灵敏角。 （五）按相起动原则 在机电型保护装置中，要求仅同名相的电流继电器与功率方向继电器的常开

27、触点串联连接。 在微机型继电保 护装置中，其电流元件、方向元件均应取故障相的电流及其对应的电压进行计算、判别。 第三章 输配电线路的接地保护 第一节 中性点直接接地电网的故障分析 图 3-1（ a）所示的中性点直接接地电网 1.正常运行时：零序电流、零序电压都为零。 2.当线路 MN 发生接地短路时： 1）零序等效网络如图 3-1（ b）所示。 2）故障点处、母线 M 和母线 N 的零序电压为： 3）当 K 点发生单相接地故障时，故障点处的零序电流 4）当 U 相发生接地时，电流、电压相量如图 3-1（ d） 所示。 分析后可得结论： （ 1）由图 3-1（ b） 零序网络和式（ 3-1）可知

28、，故障点的零序电压 0U 最高，变压器中性点的零序电压最低，为零。 （ 2）零序电流由故障处 0U 产生，其大小与中性点接地变压器的数目和分布有关，而与系统的运行方式无直接关系。 （ 3）零序电流仅在故障点与接地中性点之间形成回路，它是由故障点的零序电压产生的（即为 - 0I ），其实际的流动方向是由故障点流向变压器的中性点， - 0I 与 0U 的夹角取决于保护背后的零序阻抗角（约为 700）。所以零序功率的方向为：线路指向母线。 （ 4）零序电流和零序电压的大小与故障点位置的关系为：故障点离保护安装处越近，值就越大；故障点离保护安装处越远，值就越小。其变化类似于相间电流随故障点变化的规律。

29、所以零序方向元件动作无死区。 第二节 中性点直接接地电网中线路的接地保护 一、阶段式零序电流保护的构成原理 （一）瞬时零序电流速断保护（零序 I 段） 1.躲过被保护线路末端接地短路时的最大零序电流整定。（ I0,max的 取法） 2躲过断路器三相触头不同期合闸时的最大零序电流整定。 3当被保护线路采用单相重合闸时，躲过单相重合闸过程中出现非全相振荡时的零序电流整定。（综合重合闸线路：灵敏 I 段、不灵敏 I 段） 4.零序电流 I 段保护和相间电流 I 段保护比较，有以下优点： （ 1）保护范围比相间 I 段长。 （ 2）保护范围较稳定。 （二）限时零序电流速断保护（零序段） 1. 动作电流

30、整定原则 : 零序 II 段的动作电流应与相邻线路的零序段相配合。即躲过相邻线路（即 BC 线路）的零序段保护范围末端接地短路时，流过本保护的最大零序电 流的计算值整定。 2动作时限的整定原则 :比下一线路 I 段多出一个时间级差 t = 0.5 秒。 3校验灵敏度：按本线路末端接地短路时，流过保护的最小零序电流 3 min.oI 校验。 当灵敏度不满足要求时，可采取下列措施： （ 1）动作电流和动作时限与下一段线路零序段相配合。 （ 2）保留 5.0 t 的零序段，再增加一个按（ 1）整定的灵敏段 （ 3）改用接地距离保护。 （三） 零序过电流保护（零序 段） 1动作电流整定原则 : (1)按躲过最 大不平衡电流整定。 m ax.unbrelop IKI （ 3-12） （ 2）各零序段保护之间在灵敏度上要相互配合。 即本保护零序段的保护范围，不能超出相邻线路上零序段的保护范围。 2.0m in.1.III opIIIbIIIrelop IKKI 2.动作时限的整定原则 :（同一接地系统中，阶梯型）