華中科技大學(xué)-電氣工程基礎(chǔ)課件(熊銀信)-第10章-電力系統(tǒng)繼電保護第一頁，共45頁。第一節(jié)

繼電保護的作用和原理一、繼電保護的作用電力系統(tǒng)繼電保護是一門研究自動識別故障并排除故障元件的自動裝置的技術(shù)學(xué)科。繼電保護自動裝置：能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件故障或不正常運行狀態(tài)并動作于斷路器跳閘或發(fā)出指示信號的一種自動裝置。~BkAC1QF2QF3QF4QF5QF6QF7QF

基本任務(wù)自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞并保證非故障元件迅速恢復(fù)正常運行；反應(yīng)電氣元件不正常工作狀態(tài)并根據(jù)實際運行條件作出不同反應(yīng)，如在無人值班的變電所，一般動作于故障元件的斷路器跳閘；若發(fā)生過負荷而有自動減負荷裝置時，可動作于自動減負荷裝置；在有人值班變電所或控制室，一般動作于發(fā)信號，提示值班人員哪個元件出現(xiàn)了不正常工作狀態(tài)。第二頁，共45頁。二、繼電保護的基本原理

利用電力系統(tǒng)發(fā)生故障和處于不正常運行狀態(tài)時一些物理量的特征和特征分量，可以構(gòu)成各種原理的保護。~Bk2AC1QF2QF3QF4QF5QF6QFk1~1．電流保護原理

2．低電壓保護原理3．低阻抗保護原理4．方向保護原理5．縱聯(lián)保護原理6．序分量保護原理當電力系統(tǒng)中發(fā)生不對稱短路時，故障電流和電壓中含有負序分量。若為不對稱接地故障時，故障電流、電壓中還包括零序分量。7．其他保護原理瓦斯保護、行波保護第三頁，共45頁。一、繼電保護裝置的構(gòu)成輸入電路：將電力系統(tǒng)中的強電量變換成為滿足繼電保護二次電路需要的各種弱電量。包括：各種互感器、變換器、序濾過器、濾波回路、整流電路、模數(shù)變換等部件。測量元件。包括：電磁型：電流、電壓、時間、中間等繼電器；晶體管型：電流、電壓、方向元件等；微機型：通過軟件實現(xiàn)。邏輯元件：由各種門電路、時間電路、相位或幅值比較電路、加法器、減法器、積分器及移相電路等中一個或幾個部份組成。輸出電路：通常指開關(guān)量的輸出。執(zhí)行元件：當接到邏輯回路或輸出回路的跳閘或發(fā)信號等命令后，執(zhí)行其命令以完成繼電保護所擔(dān)負的任務(wù)。12345給定第二節(jié)繼電保護裝置的構(gòu)成第四頁，共45頁。第三節(jié)

對繼電保護的基本要求~Bk1AC1QF5QF3QF7QF8QFk22QFk3III6QF4QF9QF1.有選擇性：指電力系統(tǒng)故障時，保護裝置僅切除故障元件，盡可能地縮小停電范圍，保證電力系統(tǒng)中非故障部份繼續(xù)運行。2.動作迅速：對用戶來說，快速切除故障可以減少非故障用戶元件在低電壓下運行的時間，利于電動機自啟動，保持用戶電氣設(shè)備的不間斷運行；對于系統(tǒng)中的電氣設(shè)備而言，保護動作越快，對通過故障電流的電氣設(shè)備損壞越小；對電力系統(tǒng)中并列運行的發(fā)電機而言，保護動作太慢，可能將使發(fā)電機之間失去同步。若短路時，相關(guān)保護迅速動作切除故障，電源間功角不至拉開太大，系統(tǒng)能較容易地使失去同步的電源進入再同步，恢復(fù)電力系統(tǒng)的正常運行。第五頁，共45頁。3.靈敏度好：靈敏度是指繼電保護對其保護范圍內(nèi)故障或不正常運行狀態(tài)的反應(yīng)能力。保護的靈敏度一般用靈敏系數(shù)(Ksen)來衡量。對于反應(yīng)物理量上升而動作的保護，其靈敏系數(shù)為：

Ksen＝保護范圍內(nèi)金屬短路時故障參數(shù)的最小計算值

÷保護的整定值（動作值）對于反應(yīng)物理量下降而動作的保護，其靈敏系數(shù)為：

Ksen＝保護的整定值（動作值）

÷保護范圍內(nèi)金屬短路時故障參數(shù)的最大計算值4.可靠性高：保護的可靠性高是指屬于保護范圍內(nèi)的短路故障，保護應(yīng)動作，對于保護范圍外的故障則應(yīng)不動作。該動作的而不動作稱為保護拒動作。不該動作的而動作稱為保護誤動作。第六頁，共45頁。第四節(jié)輸電線路的電流保護一、電力系統(tǒng)繼電保護的配置原則二、線路相間短路的電流保護*三、相間短路方向電流保護四、相間短路電流保護整定計算舉例五、接地短路的電流保護第七頁，共45頁。一、電力系統(tǒng)繼電保護的配置原則

《技術(shù)規(guī)程》對電力系統(tǒng)中的保護配置有十分詳細和具體的規(guī)定：對于電力系統(tǒng)中的電力設(shè)備和線路，應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)各種短路故障和異常運行的保護裝置：反應(yīng)電力設(shè)備和線路短路故障的保護應(yīng)有主保護和后備保護，必要時可再增設(shè)輔助保護；主保護：指滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全要求，能以最快速度有選擇地切除被保護設(shè)備和線路故障的保護。后備保護：在主保護或斷路器拒動時，用以切除故障的保護。在主保護拒動時用以切除故障的保護稱近后備保護。在斷路器拒動時用以切除故障的保護則稱為遠后備保護。輔助保護：為補充主保護和后備保護的性能不足或在主、后備保護退出運行時而增設(shè)的簡單保護。各個相鄰元件的保護范圍必須有重疊區(qū)；對于電力設(shè)備和線路的異常運行狀態(tài)（如過負荷等）應(yīng)有反應(yīng)異常運行的異常運行保護。第八頁，共45頁。二、相間短路的電流保護1.無時限電流速斷保護（電流保護I段）動作原理與整定計算：無時限電流速斷保護在任何情況下只切除本線路上的故障。以AB線路斷路器1QF處的無時限電流速斷保護為例，則必須首先計算AB線路各處三相和兩相短路時的短路電流以確定如何計算該保護的動作電流和如何校驗該保護的靈敏度。1QF處無時限電流速斷保護的動作電流IIop1：

IIop1＝KIrel

IK.Bmax

可靠系數(shù)KIrel可取1.2~1.3。Ak11QF2QFB~xsmaxxsminIIOP1IkBmaxlLminLmax3120第九頁，共45頁。動作時間： tIop1=0s靈敏度：用保護范圍即它所保護的線路的長度的百分數(shù)來表示。無時限電流保護不能保護線路全長，應(yīng)采用最不利情況下的保護范圍來校驗保護的靈敏度，一般要求保護范圍不少于線路長度的15%。IIOP1IkBmaxlLminLmax3120Ak11QF2QFB~xsmaxxsmin按最小運行方式下二相短路求lmin靈敏度：lmin15%lAB第十頁，共45頁。

無時限電流速斷保護構(gòu)成：&KTAIOP.r1234跳閘I>KSIrIKA圖10-8無時限電流速斷保護單相原理框圖1-電流測量元件；2-否門；3-信號元件；4-閉鎖元件當上述無時限電流速斷保護靈敏度不滿足要求時，即保護范圍lmin＜15%lAB時，不宜采用該保護，此時可采用無時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護，以提高電流保護第I段的靈敏度。第十一頁，共45頁。2.帶時限電流速斷保護（電流保護II段）為什么要配置帶時限電流速斷保護？帶時限電流速斷保護的主要作用：在任何情況下，帶時限電流速斷保護均能保護本線路的全長（包括本線路的末端）。為此，保護范圍必須延伸至相鄰的下一線路，以保證在有各種誤差的情況下仍能保護線路的全長；為了保證在相鄰下一線路出口處短路時保護的選擇性，本線路的帶時限電流速斷保護在動作時間和動作電流兩個方面均必須和相鄰線的無時限電流速斷保護配合。IIOP1IkBmaxIIIop1IIop2IkCmaxl0Ak11QF2QFB~3QF~C任何整定電流保護II段？

IIIop1>IIop2且IIIop1<IkBmax

tIIop1>tIop2則：

IIIop1＝KIIrelIIop2/KbmintIIop1＝tIop2＋△t＝△t可靠系數(shù)KIIrel一般取1.1~1.2。第十二頁，共45頁。分支系數(shù)Kb定義：在相鄰線路第I段保護范圍末端即k1點短路時，流過故障線的短路電流與流過被保護線短路電流的比值。即：

Kb

＝IBC/IABAk11QF2QFB~3QF~C“技術(shù)規(guī)程”規(guī)定：當線路長度小于50km時，大于等于1.5；當線路長度在50km~200km時，大于等于1.4；當長度大于200km時，大于等于1.3。當該保護靈敏度不滿足要求時，動作電流可采用和相鄰線路電流保護第II段整定值配合，以降低本線路電流保護第II段的整定值而提高其靈敏度，即整定值為：

IIIop1＝KIIrelIIIop2/Kbmin tIIop1＝tIIop2＋△t電流保護第II段的靈敏度：第十三頁，共45頁。3.定時限過電流保護（電流保護III段）作用：作本線路主保護的后備保護（近后備保護）；作相鄰下一線路（或元件）的后備保護（遠后備保護）?？煽肯禂?shù)KIIIrel一般取1.15~1.25電流測量元件的返回系數(shù)Kre

一般取0.85。如何整定動作電流？正常運行并伴有電動機自啟動而流過保護的最大負荷電流為KssILmax時該電流保護不動作，即：IIIIop1>KssILmax外部故障切除后，非故障線的定時限過流保護在下一母線有電動機啟動且流過最大負荷電流時應(yīng)能可靠返回，即：

Ire=KIIIrelKssILmax且IIIIop1>Ire故動作電流IⅢop1

：Ak11QF2QFB~3QF~C第十四頁，共45頁。任何保證電流保護III段動作的選擇性？問題：IIIIop1<<IIIop1<IIop1

動作時間整定：

階梯原則tIIIop1>tIIIop2>tIIIop3>tIIIop4即：tIIIop3＝

tIIIop4＋△ttIIIop2＝

tIIIop3＋△ttIIIop1＝

tIIIop2＋△t靈敏度校驗0tIIIop0tIIIop1tIIIop2tIIIop3tIIIop4l~0QF1QF2QF3QF4QFM5QF第十五頁，共45頁。4.電流保護的接線方式接線方式：指電流互感器和電流測量元件間的連接方式。分類：完全星形接線：一般用于大接地電流系統(tǒng)。不完全星形接線：一般用于小接地電流系統(tǒng)。特點：投資不同；均能反應(yīng)所有的相間短路；在大接地電流系統(tǒng)中，完全星形接線能反應(yīng)所有單相接地故障，不完全星形接線不能反應(yīng)B相接地故障；在小接地電流系統(tǒng)中，當在不同線路上發(fā)生兩點接地時，一般情況下只要求切除一個接地點而允許帶一個接地點繼續(xù)運行一段時間。對在保護動作時間相同的并行線路，不完全星形接線的可靠性高；對串聯(lián)運行的兩相鄰線路，完全星形接線百分之百有選擇性。ABCI>I>I>1邏輯元件KAKAKAiaibicinABCI>I>1邏輯元件KAKAiaicin第十六頁，共45頁。5.三段式電流保護的原理圖及延時特性三段式電流保護的功能框圖ABC1QFAI>I>I>I>I>I>I>I>I>t2t3KCO16跳1QA5KA4KA1KA2KA3KA7KA8KA9KA2KT3KT1KS2KS3KSiaibic圖10-12三段式電流保護的功能框圖~Ak2M1QFB2QFC3QFk1第十七頁，共45頁。電磁型三段式電流保護原理電路圖舉例圖10-14三段式電流保護電路的原理展開圖(a)交流回路展開圖；(b)直流回路展開圖；(c)信號回路TAABC1kA2kA3kA4kA5kA6kA7kA8kA9kA(a)1KS2KS3KSWS信號(c)WC-WC1kA4kA7kA2kA5kA8kA3kA6kA9kA2KTKCO3KTQF12KT3KT2KS3KS1KSKCOYRFUFU(b)第十八頁，共45頁。三段式電流保護的配置和延時特性電流保護配置：每一處都必須配置三段式電流保護嗎？~A1B2C34DMIII段：定時限過電流

tIII4＝0sI段：無時限電流速斷

tI3＝0sIII段：tIII3＝0.5sI段：tI2＝0sII段：帶時限電流速斷

tII2＝0.5sIII段：tIII2＝1sI段：tI1＝0sII段：

tII1＝0.5sIII段：tIII1＝1.5s延時特性：0ltI1tII1tIII1tI2tII2tIII2ttI3tIII3tIII4圖10-13三段式電流保護的延時特性第十九頁，共45頁。三段式電流保護的配置和延時特性電流保護的動作順序QF1QF2QF3短路點保護I段II段III段I段II段III段I段II段III段k3啟動××√××√×√√跳閘tIII1tIII2tII3tIII3k2啟動××√×√√×××跳閘tIII1tII2tIII2k1啟動×√√××××××跳閘tII1tIII1~A1B2C34Dk1k2k3第二十頁，共45頁。三、相間短路方向電流保護1.采用方向電流保護的必要性~Dk2~CBAk1123456K3圖10-14雙電源網(wǎng)絡(luò)中三段式電流保護的選擇性2.方向電流保護的構(gòu)成I段：動作電流滿足選擇性時不加方向元件；II段：動作電流和動作時間能滿足選擇性時不加方向元件；III段：同一變電所內(nèi)動作時間較小而可能失去選擇性時加方向元件，動作時間相同可能失去選擇性時均加方向元件。I>I>I>&&&112345671KS102KS113KS12t2t389跳閘13KAKAKAKPKCO圖10-15三段式方向電流保護單相原理框圖第二十一頁，共45頁。3.功率方向元件方向電流保護與一般電流保護的差別僅多了一個功率方向元件。功率方向元件的構(gòu)成原理k1點短路時：∠UrIr＝k1∈(0，900)k2點短路時：∠UrIr＝k2＝k1＋1800故保護正向短路時：

－90

r90

保護反向短路時：

r>90

或r<－90令：得結(jié)論：保護正向短路時：A≥B保護反向短路時：A＜Bk1k2>180~~k2k1IrUr(a)00(b)圖11-18功率方向測量元件(a)電流電壓的相位；(b)對A、B的影響第二十二頁，共45頁。功率方向元件的接線方式要求：相間短路時有良好的方向性和有很高的靈敏度。900接線方式：指系統(tǒng)在三相對稱且功率因數(shù)為1的情況下，接入功率方向元件的電流超前所加電壓900的接線。4.三段式方向電流保護三段式方向電流保護在作用原理、整定計算原則等方面與無方向三段式電流保護基本相同。第二十三頁，共45頁。四、相間短路電流保護整定計算舉例例10-1：

圖10-20中所示網(wǎng)絡(luò)中每條線路的斷路器處均裝三段式相間方向電流保護。試求AB線路斷路器1QF處電流保護第I、II段的動作電流、動作時間和靈敏度。圖中電源電勢為115kV，A處電源的最大、最小等值阻抗為：XsAmax＝20Ω，XsAmin＝15Ω，B處電源的最大、最小阻抗為：XsBmax＝25Ω，XsBmin＝20Ω，各線路的阻抗為：XAB＝40Ω，XBC＝26Ω，XBD＝24Ω，XDE＝20Ω，電流保護第I、II段的可靠系數(shù)為：KIrel＝1.3，KIIrel＝1.15。~kE~ABCDEBxsBEAxsA4QF6QF1QF2QF3QF5QF圖10-20例圖的一次系統(tǒng)接線第二十四頁，共45頁。解：1、斷路器1QF處電流保護第I段的整定計算：電流保護第I段的動作時間為tIop1=0s當電流保護第I段的動作電流應(yīng)躲最大振蕩電流時應(yīng)按下式計算：

IIop1=KIrelIOSmax第二十五頁，共45頁。2、電流保護第II段的整定計算斷路器1QF處電流保護第II段的動作電流應(yīng)和相鄰線BD電流保護第I段配合，即：故：IIop1=1.31.77=2.3kA電流保護第I段的靈敏度校驗為：不滿足靈敏度的要求，應(yīng)考慮用無時限電流電壓聯(lián)鎖速斷保護。第二十六頁，共45頁。電流保護第II段應(yīng)與相鄰線路電流保護第II段配合，即：第二十七頁，共45頁。第二十八頁，共45頁。五、接地短路的電流保護1.大接地系統(tǒng)中的多段式零序電流保護大接地電流系統(tǒng)接地故障的特征~BkA~T1T2Z0T1Z01Z02Z0T2圖10-21大接地電流系統(tǒng)中的單相接地短路第二十九頁，共45頁。系統(tǒng)中出現(xiàn)零序電流且零序電流的分布與接地點的位置和數(shù)目相關(guān)。發(fā)生接地短路時，系統(tǒng)中出現(xiàn)零序電壓，且故障點零序電壓U0最高，而變壓器中性點的零序電壓為0，保護安裝處母線A、B的零序電壓取決于變壓器零序阻抗的大小。零序功率S0=U0I0。故障點的零序功率最大，零序功率方向在故障線上是由線路指向母線，在非故障線路上卻從母線流向線路。在故障線路上，零序電壓和零序電流間的相差角0取決于線路和變壓器的零序阻抗角K0，即-0=180-K0。若k0為80左右，則0在-100左右。第三十頁，共45頁。變壓器中性點接地方式的安排 “應(yīng)盡量保持變電所零序阻抗基本不變”多段式零序電流保護 零序電流保護一般為四段式，即零序電流保護I段、II段、III段和IV段。與相間短路電流保護類同，零序電第I、II段為線路接地故障的主保護，而第III、IV段為線路接地故障的后備保護。2.大接地電流系統(tǒng)中的方向零序電流保護 多段方向零序電流保護的構(gòu)成僅在多段式零序電流保護中增加一個零序功率方向元件，并與零序電流測量元件構(gòu)成與門共同判別是否在保護線路正方向發(fā)生了接地短路。第三十一頁，共45頁。故障點的電流為全系統(tǒng)非故障相對地電容電流之和，其相位超前零序電壓的角度900；故障線的零序電流等于除故障線外的全系統(tǒng)中其它元件的電容電流之和，其值遠大于非故障線的零序電流，且方向與非故障線相反，由線路指向母線且滯后零序電壓的角度900；故障線的零序功率與非故障線的零序功率方向相反。3.小接地電流系統(tǒng)中單相接地零序電壓、電流及功率方向保護中性點不接地系統(tǒng)中單相接地故障的特征及保護方式a.單相接地的特征全系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓和零序電流；非故障線的零序電流為該線非故障相對地電容電流之和，方向由母線指向線路且超前零序電壓的角度為900；第三十二頁，共45頁。b.保護方式絕緣監(jiān)視裝置零序電流保護零序功率方向保護中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)中單相接地故障的保護方式用絕緣監(jiān)視裝置用單相接地時產(chǎn)生的高次諧波分量構(gòu)成保護用接地故障暫態(tài)過程中的故障分量的某些特征構(gòu)成保護第三十三頁，共45頁。第五節(jié)輸電線路的自動重合閘一、概述二、三相自動重合閘三、單相重合閘四、綜合重合閘五、重合閘和繼電保護的配合第三十四頁，共45頁。一、概述自動重合閘的作用在線路上發(fā)生暫時性故障時，迅速恢復(fù)供電，從而可提高供電的可靠性；對于有雙側(cè)電源高壓輸電線路，可以提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性；可以糾正由于斷路器機構(gòu)不良，或繼電保護誤動作引起的誤跳閘；在電網(wǎng)建設(shè)過程中，考慮自動重合閘作用，可暫緩架設(shè)雙回線路以節(jié)約投資。第三十五頁，共45頁。對自動重合閘的基本要求動作迅速；不允許任意多次重合；動作后應(yīng)能自動復(fù)歸；手動跳閘時不應(yīng)重合；手動合閘于故障線路不重合；一般自動重合閘ARD可用控制開關(guān)位置和斷路器位置不對應(yīng)啟動，對綜合重合閘ARD宜用不對應(yīng)原則和保護同時啟動；應(yīng)考慮繼電保護和自動重合閘之間動作的相互配合。第三十六頁，共45頁。自動重合閘的類型三相重合閘指不論在輸、配線上發(fā)生單相短路還是相間短路，繼電保護裝置均將線路三相斷路器同時跳開，然后啟動自動重合閘同時合三相斷路器。若為暫時性故障則重合閘成功。否則保護再次動作跳三相斷路器。單相重合閘指線路上發(fā)生單相接地故障時，保護動作只跳開故障相的斷路器，然后進行單相重合。如果故障是暫時性的，則重合后，便恢復(fù)三相供電；如果故障是永久性的，而系統(tǒng)又不允許長期非全相運行時，則重合后，保護動作跳開三相斷路器，不再進行重合。綜合重合閘將單相重合閘和三相重合閘綜合在一起。當發(fā)生單相接地故障時，采用單相重合閘方式；當發(fā)生相間短路時，采用三相重合閘方式。綜合重合閘裝置經(jīng)過轉(zhuǎn)換開關(guān)的切換，一般都具有單相重合閘，三相重合閘，綜合重合閘和直跳等四種運行方式。第三十七頁，共45頁。自動重合閘的配置原則1kV及以上架空線和電纜與架空線混合線路，在具有斷路器的條件下，如用電設(shè)備允許且無備用電源自動投入時，應(yīng)裝設(shè)自動重合閘裝置；旁路斷路器和兼作旁路的母聯(lián)斷路器或分段斷路器，應(yīng)裝設(shè)自動重合閘裝置；低壓側(cè)不帶電源的降壓變壓器，可裝設(shè)自動重合閘裝置；必要時，母線故障可采用自動重合閘裝置。二、三相自動重合閘單電源線路的三相一次自動重合閘雙電源的三相自動重合閘與同期問題三、單相重合閘四、綜合重合閘五、重合閘和繼電保護的配合自動重合閘前加速保護動作自動重合閘后加速保護動作第三十八頁，共45頁。第六節(jié)主要電氣設(shè)備的保護配置

一、電力系統(tǒng)繼電保護的配置原則

二、電力變壓器的保護配置

三、同步發(fā)電機和電動機的保護配置

四、母線的保護配置

第三十九頁，共45頁。一、電力系統(tǒng)繼電保護的配置原則電力系統(tǒng)繼電保護的合理配置，是保護能否園滿地完成所擔(dān)負任務(wù)的一個十分重要的因素。對于電力系統(tǒng)的電力設(shè)備和線路，應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)各種短路故障和異常運行的保護裝置；反應(yīng)電力設(shè)備和線路短路故障的保護應(yīng)有主保護和后備保護，必要時可再增設(shè)輔助保護；重要的設(shè)備要求配置雙重主保護；各個相鄰元件保護區(qū)域之間需有重疊區(qū)，不允許有無保護的區(qū)域；必要時線路應(yīng)裝設(shè)將斷路器自動合閘的自動重合閘裝置。第四十頁，共45頁。二、電力變壓器的保護配置對于油浸式變壓器，由于故障使油箱內(nèi)產(chǎn)生瓦斯和油面下降，應(yīng)裝反