电力系统继电保护原理刘晓文 本章基本要求本章基本要求了解电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果；掌握继电保护装置概念、继电保护的任务（作用）、原理及组成；熟练掌握对继电保护的基本要求。第一章第一章 第一节 电力系统继电保护的作用第二节第二节继电保护的基本原理和保继电保护的基本原理和保护装置的组成护装置的组成第三节第三节继电保护装置的基本要求继电保护装置的基本要求 第四节第四节 继电保护技术发展简史继电保护技术发展简史第五节第五节电网相间短路的三段式电流电网相间短路的三段式电流保护配置保护配置第一节 电力系统继电保护的作用一、电力系统的故障和不正常运行状态电力系统的故障：三相短路f(3)、两相短路f(2) 、单相短路接地f(1)、两相短路接地f(1,1)、断线、变压器绕组匝间短路、复合故障等。 不正常运行状态：小接地电流系统的单相接地、过负荷、变压器过热、系统振荡、电压升高、频率降低等。二、发生故障可能引起的后果1、故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏； 2、系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命； 3、因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量；破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。事故事故：指系统的全部或部分的正常运行遭到破坏，以致造成对用户的停止送电、少送电、电能质量变坏到不能容许的程度，甚至毁坏设备等等。三、继电保护装置及其任务继电保护装置：就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 基本任务： 1、 发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。 2、 对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。第二节继电保护的基本原理和保护 装置的组成继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。 1、利用基本电气参数的区别。 2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。 3、对称分量是否出现。 4、反应非电气量的保护。一、继电保护的基本原理1、利用基本电气参数的区别发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护。 （1）电流保护：反映电流的增大而动作。 （2）低电压保护：反应于电压的降低而动作。 （3）距离保护：反应于短路点到保护安装地之间的距离（或测量阻抗的减小）而动作。3、对称分量是否出现电气元件在正常运行（或发生对称短路）时，负序分量和零序分量为零； 在发生不对称短路时，一般负序和零序都较大。 因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。4、反应非电气量的保护反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护； 反应于绕组的温度升高而构成过负荷保护等。 二、继电保护装置的组成继继电电保保护护一一般般由由三三个个部部分分组组成成: :测测量量部部分分、逻逻辑辑部部分和执行部分，其原理结构分和执行部分，其原理结构如下图如下图所示。所示。测量被保护元件工作测量被保护元件工作状态的物理量，并和状态的物理量，并和已给的整定值进行比已给的整定值进行比较，从而判断保护是较，从而判断保护是否应该起动。否应该起动。根据测量部分各输根据测量部分各输出量的大小，性质，出量的大小，性质，出现的顺序等，使出现的顺序等，使保护装置按一定的保护装置按一定的逻辑程序工作，最逻辑程序工作，最后传到执行部分。后传到执行部分。根据逻辑部分送的根据逻辑部分送的信号，最后完成保信号，最后完成保护装置所担负的任护装置所担负的任务。如发出信号，务。如发出信号，跳闸或不动作等。跳闸或不动作等。举例说明举例说明正常状态：正常状态：一次设备通过的电流为负一次设备通过的电流为负载电流载电流 KA流过的二流过的二次电流小于动作值次电流小于动作值 KA不动作不动作其接点不闭合其接点不闭合断路器主、辅触点保护不动作保护不动作 。电流继电器时间继电器电流互感器脱扣器中间继电器跳闸线圈短路故障时：短路故障时：流过一次设备的电流激增流过一次设备的电流激增 KA流过的二次电流流过的二次电流大于大于KA动作值动作值KA接点闭合，接点闭合， KT得电得电KT触点闭合触点闭合KM线圈得电，其触点闭合线圈得电，其触点闭合QF的的YT线圈得电跳闸线圈得电跳闸切除故障。切除故障。举例说明举例说明第三节 对继电保护装置的基本要求1、选择性、选择性2、速动性、速动性 3、灵敏性、灵敏性4、可靠性、可靠性一、选择性(Selectivity) 选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。选择性选择性 保护装置动作时仅将故障元件从电力系统中切除，使保护装置动作时仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量减少。停电范围尽量减少。1 1、2 2处保处保护动作护动作3 3处保护处保护动作动作4 4处保处保护动作护动作d3点短路：保护6动作，6QF跳闸； 若保护6或6QF拒动， 5QF跳闸；d2点短路：保护5动作，5QF跳闸； 若保护5或5QF拒动，保护1和保护3动作于 1QF、3QF跳闸；d1点短路：保护1和保护2动作，1QF、2QF跳闸； 若保护2或2QF拒动，保护3动作于3QF跳闸； 二、速动性速动性是指尽可能快地切除故障。 短路时快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。继电保护装置应尽可能快的断开故障元件。故障的切除时间等于保护装置和断路器动作时间之和。保护动作时间保护动作时间一一般快速保护：般快速保护：60ms60ms120ms120ms 最快可达：最快可达： 10ms10ms40ms40ms( (如：超高压线路主保护如：超高压线路主保护) )断路器动作时间断路器动作时间 一般的断路器：一般的断路器：60ms60ms150 ms150 ms; ;最快可达：最快可达：20ms20ms60 ms60 ms 灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，灵敏系数越大，则保护的灵敏度就越高，反之就越低。 三、灵敏性对过量继电器：对欠量继电器： 以上四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相以上四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。 此此四四个个基基本本要要求求是是分分析析研研究究继继电电保保护护的的基基础础，也也是是贯贯穿穿全全课课程程的的一一个个基基本本线线索索。根根据据被被保保护护元元件件在在电电力力系系统统中中的的地地位位和和作作用用来来确确定定具具体体的的保保护护方方式式，以以满满足其相应的要求。足其相应的要求。 四、可靠性可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其它不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。它不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。第四节 继电保护技术发展简史继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的。在20世纪50年代及以前，差不多都是用电磁型的机械元件构成。随后陆续推广了整流型元件和由半导体分力元件组成的装置。70年代以后，集成电路构成的继电保护装置中得到广泛运用。到80年代，微型机在继电保护装置中逐渐应用。随着新技术新工艺的采用，继电保护硬件设备的可靠性，运行维护方便性也不断得到提高。继电保护技术将达到更高的水平。 最初熔断器最初熔断器难以实现选择性难以实现选择性电压、电流保护电压、电流保护环环网、多源网网、多源网方向电流、电压保护方向电流、电压保护受受系统运行方式影响，难以满足选择性、灵敏系统运行方式影响，难以满足选择性、灵敏性、速动性性、速动性距离保护距离保护单端单端测量方式，难以保证快速跳闸测量方式，难以保证快速跳闸差动差动保护保护长距离难以实现长距离难以实现高频保护高频保护第五节第五节电网的电流保护电网的电流保护电网相间短路的三段式电流保护配置三段式三段式第第段段电流速断保护电流速断保护第第段段限时电流速断保护限时电流速断保护第第段段定时限过电流保护定时限过电流保护主保护主保护后备保护后备保护应用领域：应用领域：35KV、10KV网络线路保护网络线路保护主保护：主保护：能有选择性地快速切除全线故障的保能有选择性地快速切除全线故障的保护。护。后备保护：后备保护：当故障线路的主保护或断路器拒动当故障线路的主保护或断路器拒动时用以切除故障的保护。时用以切除故障的保护。近近后备保护：后备保护：作为本线路主保护的后备保护。作为本线路主保护的后备保护。远后备保护远后备保护：作为下一条相邻线路主保护或：作为下一条相邻线路主保护或开关拒跳的后备保护。开关拒跳的后备保护。补充概念补充概念 (1)主保护(2)后备保护(1)远后备图0-2后备保护的构成方式(a)远后备保护(b)近后备保护图1-2无时限电流速断保护的单相原理接线图电磁型电流继电器动作分析(1)继电器动作的条件：为使继电器动作，必须增大电流，通过增大电继电器动作的条件：为使继电器动作，必须增大电流，通过增大电流来增大电磁转矩，当电磁力矩大于弹簧的作用力矩及摩擦力矩之和流来增大电磁转矩，当电磁力矩大于弹簧的作用力矩及摩擦力矩之和时，保护动作。时，保护动作。动作电流；使继电器动作的最小电流值称为继电器的动作电流（起动动作电流；使继电器动作的最小电流值称为继电器的动作电流（起动电流）。电流）。（2）继电器的返器条件。继电器动作后，当电流减小时，继电器在弹）继电器的返器条件。继电器动作后，当电流减小时，继电器在弹簧的作用下将返回，为使继电器返回，弹簧的作用力矩必须大于电磁簧的作用下将返回，为使继电器返回，弹簧的作用力矩必须大于电磁力矩及摩擦力矩之和。力矩及摩擦力矩之和。返回电流：使继电器返回原位的最大值电流称为继电器的返回电流。返回电流：使继电器返回原位的最大值电流称为继电器的返回电流。返回系数：返回电流和起动电流的比值成为继电器的返回系数。返回系数：返回电流和起动电流的比值成为继电器的返回系数。（3）继电特性：无论动作或返回，继电器从起始位置到终止位置是突）继电特性：无论动作或返回，继电器从起始位置到终止位置是突发性的，它不可能停留在某一个中间位置。发性的，它不可能停留在某一个中间位置。一、单侧电源网络相间短路电流保护电流速断保护（第段）仅反应于相电流增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护，也称为无时限过流速断保护（也称为电流段）一、几个基本概念1、短路电流与故障点位置的关系（如图）图中1最大运行方式下d(3)2最小运行方式下d(2)3保护1第一段动作电流2、三相短路电流计算可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关 1 1、系统最大运行方式、系统最大运行方式、系统最大运行方式、系统最大运行方式：在被保护未端发生短路时，系统等值阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大的运行方式。（Zs.min） 2.2.系统最小运行方式系统最小运行方式：在同样短路条件下，系统等值阻抗最大，通过保护装置电流为最小的运行方式。系统等值阻抗的大小与投入运行的电气设备及线路的多少等有关。（Zs.max）3、最大短路电流：在最大运行方式下三相短路时通过保护装置的电流为最大，称之为最大短路电流。4、最小短路电流：在最小运行方式下两相短路时，通过保护装置的短路电流为最小，称之为最小短路电流。1、整定值计算及灵敏性校验2保护装置的起动值保护装置的起动值1）对因电流升高而动作的电流保护来讲，使起动保护装置的最小电流值称为保护装置的起动电流。保护装置的起动值是用电力系统的一次侧参数表示的，当一次侧的短路电流达到这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能够起动3）保护装置的整定）保护装置的整定所谓整定就是根据对继电保护的基本要求，确定保护装置的起动值（一般情况下是指电力系统一次侧的参数）、灵敏性、动作时限等过程。为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路电流动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路电流动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路电流动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路电流整定整定整定整定保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次侧参数表示。在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a、b点可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长2、3灵敏性校验灵敏性校验Lmin最小保护范围大于本线长15Lmax最大保护范围大于本线长502.整定计算(1)动作电流整定原则：保护装置的起动电流应按躲开下一条线路出口处通过保护的最大短路电流（最在动行方式下的三相短路电流）来整定即：动作电流：可靠系数：动作时间：TdzI=0s三相短路电流：设计院计算公式：Idz.j=Kk*Kjx*I3k3.max/nl算例计算电流速断保护1的动作电流、时限以及最小保护范围。已知： Kk=1.2,线路阻抗线路阻抗Z1=0.4 /KM，系统最小运行方式等值电抗为最大系统最小运行方式等值电抗为最大系统最小运行方式等值电抗为最大系统最小运行方式等值电抗为最大Zsmax=18,系系系系统最大运行方式等值电抗为最小统最大运行方式等值电抗为最小统最大运行方式等值电抗为最小统最大运行方式等值电抗为最小Zsmin=123、小结仅靠动作电流值来保证其选择性能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。当系统运行方式变化比较大，或者保护线路长度比较短（短线路），可能无保护范围终端线路采用线路线路变压器组变压器组的接线方式方式，按躲变压器低压侧线路出口处短路整定，可保护本线路全长，并能保护变压器的一部分。二、单侧电源网络相间短路电流保护二、单侧电源网络相间短路电流保护限时电流速断保护（第限时电流速断保护（第段）段）限时电流速断保护(也称电流段)；能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障的保护。一、保护的要求及基本工作原理1、要求：、要求：（1）任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性（2）在满足要求（1）的前提下，力求动作时限最小。因动作带有延时，故称限时电流速断保护。2、特点、特点能保护线路全长，快速切除故障，兼作电流速断保护的后备3、工作原理、工作原理保护范围必然要延伸到下一条线路中去，当下一条线路出口处发生短路时，保护动作。为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限：为了尽量缩短时限，其保护范围不超出下一条线路速断保护的范围。二、整定计算的基本原则1、动作电流整定原则：保护装置的起动电流应按躲过下一条线路电流速断保护范围耒段发生短路时最大短路电流（或躲过下一条线路电流段的整定值）来整定。即整定值与相邻线路与相邻线路与相邻线路与相邻线路段段段段配合配合配合配合。即：可靠系数：2、动作时限的选择：限时速断的动作时限应选择得比下一条线路保护的动作时限高出一个时间阶段t 取0.5“，称时间阶梯（时限级差）时限级差）时限级差）时限级差）4、保护装置灵敏性校验为了能够保护本线的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路未端发生两相短路时，具有足够的反应能力。通常用灵敏系数来衡量。KJm=保护范围未端金属性短路时故障参数的最小计算值/比上保护的动作参数（1）、灵敏系数的计算一般采用本线路最小运行方式下发生两相短路时的短路电流来计算。即：KJm=d.Bmax dzdz2 2要求：1.31.5单侧电源线路限时电流速断保护的配合整定图保证灵敏系数大于1的原因（1）可能为非金属性短路，使短路电流在减小；（2）实际的短路电流小于计算值（3）电流互感器引起的负误差：（4）保护装置中的继电器可能具有的下误差（5）考虑一定的裕度限时电流速断保护的单相原理接线图1、小结、小结：（1）限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长。（2）依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性（3）与第段共同构成被保护线路的主保护，兼作第段的近后备保护。三、单侧电源网络相间短路电流保护三、单侧电源网络相间短路电流保护定时限过电流保护（第定时限过电流保护（第段）段）定时限过电流保护（也称电流段）：指其起动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。保护作用作为本线路主保护的近后备近后备近后备近后备以及相邻线下一线路保护的远后备远后备远后备远后备。1、工作原理正常时不应该动作，短路时起动并以时间来保证动作的选择性。其起动电流按躲最大负荷电流来整定。不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。2、整定值的计算和灵敏性校验：（1）动作电流：躲过最大负荷电流在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数KZq式中， Idz.j=Kk*Kjx*Igh/(Kh*nl)设计院公式（2）动作时间选择在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第段的测量元件均可能动作。例如：下图中d短路时，保护14都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。阶梯时间特性 当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的配合 t 取0.5“，称时间阶梯（时限级差）时限级差）时限级差）时限级差）（3）灵敏性近后备：Id1.min最小动作方式下本线路末端最小短路时的短路电流远后备：Id2min 最小动作方式下相邻线路末端最小短路时的短路电流3、小结第段的IdZ比第、段的IdZ小得多，其灵敏度比第、段更高；在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；保护范围是本线路和相邻下一线路全长；电网末端电网末端电网末端电网末端第段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作瞬时动作瞬时动作瞬时动作），故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（或），越接近电源，t越长，应设三段式保护。五、三段式电流保护评价选择性：在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠IdZ、t），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。灵敏性：受运行方式的影响大，往往满足不了要求。第段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围；第段：长线路重负荷，灵敏性不满足要求。速动性：第、段满足；第段越靠近电源，t越长缺点可靠性：线路越简单，可靠性越高优点应用范围：35KV及以下的单电源辐射状网络中；第段：110KV等，辅助保护