1、 电力系统继电保护 读书笔记 1. 绪论 1.1 电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态 一般将电能通过的设备称为电力系统的一次设备，对一次备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备称为二次设备。 一般正常状态下的电力系统，其发电、输电和变电设备还保持一定的备用容量，能满足负荷随机变化的需要，同时在保证安全的条件下，可以实现经济运行；能承受常见的干挠，从一个正常状态和不正常状态、故障状态通过预定的控制连续变化到另一个正常状态，而不致于进一步产生有害的后果。 不正常运行状态指部分参量超过安全工作限 额但又不是故障的工作状态，如因负荷潮流超过电气设备的额定上限造成的电流升高（又称为过负
2、荷），系统中出现功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷引起的发电机频率升高，中性点不接地系统和非有效接地系统中的单相接地引起的非接地相对地电压的升高，以及电力系统发生振荡等。 电力系统的故障状态最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路，其中以单相接地短路为主，其次为两相短路。 电力系统自动化（控制） ：为保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备，主 要进行电能生产过程的连续自动调节，动作速度相对缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中的 一部分作为调节对象。 为了在故障后迅速恢复电力系统的正常运行，消除故障，保证持续供
3、电，常采用以下的自动化措施：输电线路自动重合闸，备用电源自动投入，低电压切负荷，按频率自动减负荷，电气制动、振荡解列以及为维持系统的暂态稳定而配备的稳定性紧急控制系统，完成这些任务的自动装置统称为电网安全自动装置。 继电保护装置就是指能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发生信号的一种自动装置。 1.2 继电 保护的基本原理及构成 实现继电保护需区分电力系统在不同运行状态下的差异，具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。 线路短路后，从电源端至短路点，离短路点越近
4、，电压降得越低，短路点的相间或对地电压降低到零。而对短路电流，不同的短路点随距电源端的距离变化，短路电流相应连续变化，短路点越远电流越小。 在正常运行时，线路始端的电压与电流之比反映的 是该线路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角（即功率因数角，电流与电压之间的 相位角，正常运行时一般小于 30），阻抗值一般较大，阻抗角较小。短路后，线路始端的电压与电流之比反映的 是该测量点到短路点之间线路段的阻抗，其值较小，如不考虑分布电容时 ，一般正比于该线路段的距离（长度） ，阻抗角为线路阻抗角，较大。利用测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离（低阻抗）保护。 如果电力系统发生的不是三相对称短路，而
5、是不对称短路，则在供电网络中会出现某 些不对称分量，如负序或零序电流和电压等，并且其幅值较大，利用这些序分量构成的保护，一般都有良好的选择性和灵敏性。 保护装置的动作整定值， 常用的 方法是预先给定各电力元件保护的保护范围，求出保护范围末端发生短路时的电气量，并考虑适当的可靠性裕度后作出值。 阶段式保护特性：为单端电气量的保护，需要上、下级保护（离电源的近、远）动作整定 值和动作时间的配合来切除不同点的短路。 电力元件的主保护，只在被保护元件内部故障时动作，可以快速切除被保护元件内部任意点的故障，被认为具有绝对的选择性。常见主保护有：利用每个电力元件在内部与外部短路时两侧电流相量的差别可以构成
6、电流差动保护，利用两侧电流相位的差别 可以构成电流相位差动保护，利用两侧功率方向的差别可以构成方向比 较式纵联保护，利用两侧测量阻抗的大小和方向等还可以构成其他原理的纵联保护。 利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护，称为纵联保护。 保护装置的构成：相应输入量测量比较元件逻辑判断元件执行输出元件跳闸或信号。 测量比较元件：测量值与给定值比较并给出 0、 1 逻辑信号，有被测电气量超过给定值动作的过量继电器，如过流继电器、过压继电器、高周波继电器等；低于给定值动作的欠量继电器，如低电压继电器、阻抗继电器、低周波继电器； 被测电压、电流之间相位角满足一定值而动作的功
7、率方向继电器等。 每一套保护都有预先严格划定的保护范围，一般借助于断路器实现保护范围的划分。 近后备保护与主保护安装在同一断路器处，远后备保护安装在上级（近电源侧）元件的断路器处。 断路器失灵保护：当断路器失灵时，由失灵保护启动跳开所有与故障元件相连的电源侧断路器。 1.3 对继电保护的基本要求 继电保护基本要求：（ 1）可靠性，即安全性（不误动），和信赖性（不拒动）；（ 2）选择性；（ 3）速动性；（ 4）灵敏性。 对 220KV 及以上电压的超高压电网，更强调保护不拒动的信赖性，要求装设两套完全不同的保护，各自独立跳闸。对母 线保护，更强调不误动的安全性，一般以两套保护出口触点串联后跳闸的
8、方式。 2 电网的电流保护 2.1 继电器 继电器分类：按动作原理分电磁型、感应型、整流型、电子型和数字型；按反应的物理量分电流继电器、电压 、功率方向 、阻抗 、频率 和气体（瓦斯） 等；按在保护回路中所起的作用分启动继电器、量度 、时间 、中间 、信号 、出口 。 防止当输入量在整 定值附近波动时输出不停地跳变，继电器有一个返回值，返回值与启动值的比值称为继电器的返回系数，继电器的启动和返回动作明确、迅速、不可能停留在某一中间位置，这 种特性称之为“继电特性”。 2.2 单侧电源网络相间短路的电流保护 110KV 及以上电网主要承担输电任务，形成多电源环网，采用中性点直接接地方式，其主保护
9、一般为纵联保护； 110KV 以下电网主要 承担供配电任务，发生单相接地后为保证继续供电，中性点采用非直接接地方式，其主保护一般为阶段式电流保护。 单侧电源网络相间短路的电流保护：电流速断保护，限时电流速断保护，定时限过电流保护，反时限过电流保护 。 负荷电流与供电电压之间的相位角就是通常所说的功率因数角，一般小于 30。 当供电网络中任意点发生三相和两相短路时 ，流过短路点与电源间线路中的短路电流包括短路工频周期分量、暂态高频分量和衰减直流分量。其短路工频周期分量近似计算式为Ik E Z K ( E Zs Zk)，式中 E 为系统等效电源的相电动势 ，对应于电力系统运行状态 ， Zk为短路点
10、至保护安装处之间的阻抗 ，对应于两者的距离 ， Zs为保护安装处到系统等效电源之间的阻抗 ，对应于电力系统运行方式 ， K 为短路类型系数，三相短路取 1，两相短路取 3/2。随整个电力系统开机方式、保护安装处到电源之间电网的网络拓扑、负荷水平的变化， E 和 Zs都会变化，造成短路电流 Ik的变 化。 随短路点距等值电源的距离（阻抗 Z ）变化，短路电流连续变化，越远电流越小，并且在本线路末端和下级线路出口短路，电流没有差别。 在相同地点发生相同类型的短路时，当流过保护安装处的电流 IK 最大时，对继电而言称为系统最大运行方式，此时对应的系统等值阻抗最小；当 IK 最小时，称为系统最小运行方
11、式，对应的系统等值阻抗最大。取最大方式下的三相短路和最小运行方式两相短路，则系统所有运行方式下，相同地点发生不同类型的短路时的电流介于这两个短路电流之间。阶段式电流保护的整定值需按系统最大运行方式来先择，而灵敏性需用系 统最小运行方式来校验。 电流速断保护通常是优先保证动作的 选择性 ， 动作值的整定大于下一条线路出口处（即本线路末端） 短路时可以出现的最大短路电流，即在最大运行方式下的三相短路电流。动作电流为 I set.1 K relIk.max，引入可靠 性配合 系数 K rel 1.2 1.3 是考虑非周期分量的影响、实际的短路电流可能大于计算值、保护装置的实际动作值可能小于整定值和一
12、定的裕度等因素。动作的整定值 以一次值计算，二次值与一次值关系式为 I OP Kcon I set nTA， nTA 为 CT变比， Kcon为 CT 接线系数（接 线方式），当 CT 二次侧为三相 形或两相 形 接线 时 为 1，当为 接线 时 为 3，速断保护动作时间要躲过线路中避雷器的放电时间，一般为 60 80ms。 电流速断保护在个别情况下，当快速切除故障是首要条件时，就采用无选择性的速断保护，而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。 当电网的终端线路上采用线路 变压器组的接线方式，由于线路和变压器可以看成是一个元件，因此速断保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处的短路来整定，由于变
13、压器的阻抗一般较大，因此低压侧线路出口处的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断就可以保护 线路的全长，并能保护变压器的一部分。 限时电流速断保护要求保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下级线路中去，按躲开下一级线路电流速断保护的最大保护范围来整定， I set.2 K relI set.1，可靠系数K rel 1.1 1.2， 时 间通常取 0.5s。当为与下一级线路的限时电流速断相配合时取 1 1.2 s。 能快速切除全线路各种故障能力的保护称为该线路的“主保护”。 对反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是 K=保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值 保护装
14、置的动作参数值，要 求大于 1，故障参数如电流、电压等的计算值，应根据实际情况合理采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定。 过电流保护作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时的近后备保护，也作为过负荷时的保护。分定时限和反时限两种。保护范围为本线路的全长和相邻线路全长。 定时限过流保护启动电流按躲开本元件最大负荷电流来整定， 同时还需考虑外部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流作用下保护装置返回， 返回电流 应 大于 该负荷自启动电流 （ Iss.max KssIL.max） ， 而 负荷自启动电流大 于正常运行时的最大负荷电流 （ Ire K r
15、elIss.max） 。 定时限过流保护启动电流为返回电流 除 以继电器返回系数 （ Iset 1 Kre Ire ）。上述表达式中 Krel为可靠系数 1.15 1.25， Kss为 自启动系数，Kre为继电器的返回系数 0.85 0.95。 保护装置过电流保护的启动和返回是通过电流继电器来实现的，因此继电器返回电流与启动电流之间的关系也就代表着保护装置返回电流与启动电流之间的关系。 各个过电流保护之间需要灵敏系数的配合，对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系 数。 反时限过电流继电器电流元件和时间元件的职能由同一个继电器来完成，在一定程度上具有三段式电流保护的功能。 反
16、时限过电流保护主要用于单侧电源供电的终端线路和较小容量的电动机上。 电流保护的接线方式是指保护中的电流继电器与电流互感器之间的连接方式，目前广泛采用的是三相星形和两相星形接线方式。 两相星形接线用装设在 A、 C 相上的两相电流互感器与两个电流继电器分别按相连接在一起， B 相未装设保护， B 相接地时，保护不能动作， AB 和 BC 相间短路时只有 A 相或 C 相一个继电器动作。 变压器三角形侧绕组中 a b c 0，各相出线电流 A、 B、 C 与各相绕组中的电流a、 b、 c 关系为 A a b， B b c， C c a。 CT 三相星形接线或两相星形接线的电流保护可以反应中性点直接
17、接地系统和非直接接地系统中的各种相间短路和中性点直接接地系统中的单相接地短路（ CT 两相星形接线时不能反应 B 相接地）。 中性点非直接接地系统中，允许单相接地时短时运行。因此在多级网络中，发生多处的接地故障点时，希望只切除一个故障点，以最大限度缩小停电范围。 中性点接地系统中，发生接地短路时，故障相电压为 0，故障相电流与 零序电流 3Io相等 ；发生相间短路时，短路两相电压 大小和方向都 相同 ，而 电流 则大小相同，方向 相反； 中性点接地系统中 发生任何 接地或相间 短路时所有非故障相电流为 0。 Yd11 接线的变压器，某侧 A B或 B C 短路时，在另一侧有 A C， B 2A
18、，即接于 B 相上的继电器有较其他两相大 1 倍的电流，因此灵敏系数增大 1 倍，但如保护采用两相星形接线，则需在两相星形接线的中性线上再接入一个继电器才能提高灵敏系数。 2.3 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护 多电源网络中相间短路时需采用方向性电流保护，在线路两侧的保 护中加装功率方向元件。 双侧电源网络发生短路时流过线路的短路功率一般指短路时母线电压与线路电流相乘所得到的感性功率，方向是从电源经由线路流向短路点。 短路功率的流动方向正是保护应该动作的方向。 方向性电流保护即在电流保护的基础上加装一个判别短路功率流动方向元件。当功率方向由母线流向线路（正方向）时才动作，而反方向 故障
19、时，使保护闭锁。 并与电流保护共同工作。方向性电流保护既利用电流的幅值特征，又利用功率方向的特征。 双侧电源网络的方向电流保护可以拆开看成是不同方向上的两组单侧电源网络的保护，各组保护反应于各 侧电源供给的电流。 两组保护之间不要求有配合关系。 功率的方向即电流、电压之间的相位关系，而 电流滞后对应相电压的 角度称为线路阻抗角 k。电力系统任何线路任何情况下0 k 90 。 如果规定流过保护的电流正方向是从母线指向线路，在正方向故障 时 流过保护的电流 r k，滞后母线电压 的相角为 k， 0 k 90； 而在反方向 故障时 r k，滞后母线电压 的相角为 180 k， 180（ 180 k）
20、 270，即两种情况下相位相差 180。 用以判别功率的方向或测定电流、电压之间相位角的元件称为功率 方向元件（继电器）。由于它主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式来实现最为简单。 功率方向元件（即功率方向继电器）接入向量为电压 r，电流 r，两者的相角为 arg（ r r），用 r表示 。功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出值（转矩或电压）随两者相位差的大小而改变。 功率方向元件动作最灵敏时的角度称为其最大灵敏角 sen。又为了保证当短路点有过渡电阻、线路阻抗角 k在 0 90 范围内变化情况下正方向故障时，继电器都能可靠动作，功率方向元件动作的
21、角度应该有一个范围 ，考虑实现的方便性，这个范围通常取为 sen 90 。 当 r、 r 为故障相电压和电流时，功率方向元件动作角度范围为垂直于最大灵敏角的一条直线，方程式 sen 90 arg（ r r） sen 90，即 90 arg（ re-j sen r）90 ,功率形式表示为 rrcos（ r sen） 0， 临界条件为 cos（ r sen） 1，即 r sen。 最大灵敏角 sen线路阻抗角 k 60。 功率方向元件为消除短路时的电压死区，采用非故障相的相间电压作为接入功率方向元件的电压参考相量 ，判别故障相电流的相位。（非故障的相间电压与故障相电压相差 90角），即所谓90接线
22、（当 cos 1 时， A 和 BC 相位相差 90，只是称呼方便，没有物理意义）。 当采用 90接线方式特性的功率方向元件时，功率方向元件的最大灵敏角 sen k90 30，取 90 k（称为功率方向继电器的内角），则功率方向元件的动作特性方程式为 90 arg（ r r） 90，功率形式表式为 rrcos（ r ） 0，功率方向继电器动作最灵敏的条件应根据三相短路时使 cos（ r ） 1 来 决定。 功率方向判别元件的作用是比较加在元件上电压与电流的相位，并在满足一定关系时动作。其实现方法有相位比较法和幅值比较法。其实现手段有感应型、集成电路型、和数字型等。目前广泛采用的相位比较法是相量
23、 r 和 r 转换成电压，测量两个电压瞬时值同时为正（或同时为负）的持续时间来进行的。 对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，否则会造成正方向短路拒动，而反方向上误动。 电流保护及方向性电流保护应用特点：在电流速断保护中能用电流整定值和动作时限保证选择性的，尽量不加方向元件；对线路两 端的保护能在一端保护中加方向元件后满足选择性要求的，不在两端保护中加方向元件。 当一条母线上有多条电源线路时，除动作时限最长的一个过电流保护不需要装方向元件外，其余都要装方向元件。 线路中，保护安装地点与短路点之间有电流或线路两种分支电路，参与的电流分别称为助增电流和外汲电流，上
24、级限时电流速断保护整定时，应引入分支系数 Kb，得 I set.2 (Krel Kb)Iset.1。 2.4 中性点直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护 正常运行的电力系统是三相对称的，其零序、负序电流和电压理论上为零；多数 的短路故障是三相不对称的，其零序、负序电流和电压会很大。 当中性点直接接地系统（又称大接地电流系统）中发生接地短路时 （如单相接地或两相接地短路）， 将出现很大的零序电压和零序流。 利用零序电压、 零序 电流来构成接地短路的保护， 被 广泛应用在 110KV 及以上电压等级的直接接地（中性点接地变压器）的电网中。 在电力系统发生短路时，可以利用对称分量的方法将电流和电压分解为正序、负序、零序分量，并利用复合序网来表示它们之间的关系。 零序电流是由在故障点施加的零序电压产生的，由故障点经由线路 、大地 和接地的中性点 （ 或接地变压器 的接地支路 ） 构成 回路。零序电源在故障点（接地点）的零序电压最高，距故障点越远，零序电压越低，取决于测量点到大地间阻抗的大小。 零序电流的规定正方向为由母线流向线路，零序电压的正方向规定线路高于大地的电压
