华中科技大学-电气工程基础课件(熊银信)-第10章-电力系统继电保护.ppt

HUST_CEEE,*,华中科技大学电气学院,*,第一节,继电保护的作用和原理,一、继电保护的作用,电力系统继电保护,是一门研究,自动识别故障,并,排除故障元件,的自动装置的技术学科。,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。,B,k,A,C,1QF,2QF,3QF,4QF,5QF,6QF,7QF,基本任务,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；,反应,电气元件,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；,在有人值班变电所或控制室，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,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。,B,k,2,A,C,1QF,2QF,3QF,4QF,5QF,6QF,k,1,1,电流保护原理,2,低电压保护原理,3,低阻抗保护原理,4,方向保护原理,5,纵联保护原理,6,序分量保护原理,当电力系统中发生不对称短路时，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,。,7,其他保护原理,瓦斯保护、,行波保护,一、继电保护装置的构成,输入电路,：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。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。,测量元件,。包括：,电磁型：电流、电压、时间、中间等继电器；,晶体管型：电流、电压、方向元件等；,微机型：通过软件实现。,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一个或几个部份组成。,输出电路：,通常指开关量的输出。,执行元件,：,当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。,1,2,3,4,5,给定,第二节 继电保护装置的构成,第三节,对继电保护的基本要求,B,k,1,A,C,1QF,5QF,3QF,7QF,8QF,k,2,2QF,k,3,I,II,6QF,4QF,9QF,1.,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。,2.,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,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。,3.,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,(,K,sen,),来衡量。,对于反应物理量,上升,而动作的保护，其灵敏系数为：,K,sen,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：,K,sen,保护的整定值（动作值）,保护范围内金属短路时故障参数的最大计算值,4.,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,。,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,。,第四节 输电线路的电流保护,一、,电力系统继电保护的配置原则,二、,线路相间短路的电流保护,*,三、,相间短路方向电流保护,四、,相间短路电流保护整定计算举例,五、,接地短路的电流保护,二、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）,动作原理与整定计算：,无时限电流速断保护在,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。,1QF,处无时限电流速断保护的,动作电流,I,I,op,1,：,I,I,op,1,K,I,rel,I,K.B,max,可靠系数,K,I,rel,可取,1.21.3,。,A,k,1,1QF,2QF,B,x,smax,x,smin,I,I,OP1,I,kBmax,l,L,min,L,max,3,1,2,0,动作时间,：,t,I,op,1,=0s,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%,。,I,I,OP1,I,kBmax,l,L,min,L,max,3,1,2,0,A,k,1,1QF,2QF,B,x,smax,x,smin,按最小运行方式下二相短路求,l,min,灵敏度：,l,min,15%,l,AB,无时限电流速断,保护构成,：,&,K,TA,I,OP.r,1,2,3,4,跳闸,I,KS,I,r,I,KA,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,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,l,min,15%,l,AB,时，不宜采用该保护，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）,为什么,要配置带时限电流速断保护？,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,。,I,I,OP1,I,kBmax,I,II,op1,I,I,op2,I,kCmax,l,0,A,k,1,1QF,2QF,B,3QF,C,任何整定电流保护,II,段？,I,II,op,1,I,I,op,2,且,I,II,op,1,t,I,op,2,则：,I,II,op,1,K,II,rel,I,I,op,2,/,K,bmin,t,II,op,1,t,I,op,2,t,t,可靠系数,K,II,rel,一般取1.11.2,。,分支系数,K,b,定义：在相邻线路第,I,段保护范围末端即,k,1,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：,K,b,I,BC,/,I,AB,A,k,1,1QF,2QF,B,3QF,C,“,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,。,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：,I,II,op,1,K,II,rel,I,II,op,2,/,K,bmin,t,II,op,1,t,II,op,2,t,电流保护第,II,段的灵敏度：,3.,定时限过电流保护（电流保护,III,段）,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（或元件）的后备保护（,远后备,保护）。,可靠系数,K,III,rel,一般取1.151.25,电流测量元件的,返回系数,K,re,一般取,0.85,。,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,K,ss,I,Lmax,时该电流保护不动作，即：,I,III,op,1,K,ss,I,Lmax,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：,I,re,=,K,III,rel,K,ss,I,Lmax,且,I,III,op,1,I,re,故,动作电流,I,op,1,：,A,k,1,1QF,2QF,B,3QF,C,任何保证,电流保护,III,段动作的,选择性,？,问题,：,I,III,op,1,I,II,op,1,t,III,op,2,t,III,op,3,t,III,op,4,即：,t,III,op,3,t,III,op,4,t,t,III,op,2,t,III,op,3,t,t,III,op,1,t,III,op,2,t,灵敏度校验,0,t,III,op0,t,III,op1,t,III,op2,t,III,op3,t,III,op4,l,0QF,1QF,2QF,3QF,4QF,M,5QF,4.,电流保护的,接线方式,接线方式,：指电流互感器和电流测量元件间的连接方式。,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。,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。,A,B,C,I,I,I,1,逻辑,元件,KA,KA,KA,i,a,i,b,i,c,i,n,A,B,C,I,I,1,逻辑,元件,KA,KA,i,a,i,c,i,n,5.,三段式电流保护的原理图及延时特性,三段式电流保护的功能框图,A,B,C,1QF,A,I,I,I,I,I,I,I,I,I,t,2,t,3,KCO,16,跳,1QF,15,14,13,11,12,6KA,5KA,4KA,1KA,2KA,3KA,7KA,8KA,9KA,2KT,3KT,1KS,2KS,3KS,i,a,i,b,i,c,图,10-12,三段式电流保护的功能框图,A,k,2,M,1QF,B,2QF,C,3QF,k,1,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,TA,A,B,C,1kA,2kA,3kA,4kA,5kA,6kA,7kA,8kA,9kA,(a),1KS,2KS,3KS,WS,信号,(c),WC,-WC,1kA,4kA,7kA,2kA,5kA,8kA,3kA,6kA,9kA,2KT,KCO,3KT,QF,1,2KT,3KT,2KS,3KS,1KS,KCO,YR,FU,FU,(b),三段式电流保护的配置和延时特性,电流保护配置,：每一处都必须配置三段式电流保护吗？,A,1,B,2,C,3,4,D,M,III,段：定时限过电流,t,III,4,0s,I,段：无时限电流速断,t,I,3,0s,III,段：,t,III,3,0.5s,I,段：,t,I,2,0s,II,段：带时限电流速断,t,II,2,0.5s,III,段：,t,III,2,1s,I,段：,t,I,1,0s,II,段：,t,II,1,0.5s,III,段：,t,III,1,1.5s,延时特性：,0,l,t,I,1,t,II,1,t,III,1,t,I,2,t,II,2,t,III,2,t,t,I,3,t,III,3,t,III,4,图,10-13,三段式电流保护的延时特性,三段式电流保护的配置和延时特性,电流保护的动作顺序,QF,1,QF,2,QF,3,短路点,保护,I,段,II,段,III,段,I,段,II,段,III,段,I,段,II,段,III,段,k,3,启动,跳闸,t,III,1,t,III,2,t,II,3,t,III,3,k,2,启动,跳闸,t,III,1,t,II,2,t,III,2,k,1,启动,跳闸,t,II,1,t,III,1,A,1,B,2,C,3,4,D,k,1,k,2,k,3,三、相间短路方向电流保护,1.,采用,方向,电流保护的必要性,D,k,2,C,B,A,k,1,1,2,3,4,5,6,K,3,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,I,段：动作电流满足选择性时不加方向元件；,II,段：动作电流和动作时间能满足选择性时不加方向元件；,III,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。,I,I,I,&,&,&,1,1,2,3,4,5,6,7,1KS,10,2KS,11,3KS,12,t,2,t,3,8,9,跳闸,13,KA,KA,KA,KP,KCO,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。,功率方向元件的构成原理,k1,点短路时：,U,r,I,r,k1,(0,，,90,0,),k2,点短路时：,U,r,I,r,k2,k1,180,0,故,保护正向短路,时：,90,r,90,保护反向短路,时：,r,90,或,r,180,k,2,k,1,I,r,U,r,(a),0,0,(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,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。,90,0,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,90,0,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。,四、相间短路电流保护整定计算举例,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,1QF,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：,X,sAmax,20,，,X,sAmin,15,，,B,处电源的最大、最小阻抗为：,X,sBmax,25,，,X,sBmin,20,，各线路的阻抗为：,X,AB,40,，,X,BC,26,，,X,BD,24,，,X,DE,20,，电流保护第,I,、,II,段的可靠系数为：,K,I,rel,1.3,，,K,II,rel,1.15,。,k,E,A,B,C,D,E,B,x,sB,E,A,x,sA,4QF,6QF,1QF,2QF,3QF,5QF,图,10-20,例图的一次系统接线,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,t,I,op,1,=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：,I,I,op,1,=,K,I,rel,I,OSmax,2,、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：,I,I,op,1,=1.3,1.77=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：,五、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,大接地电流系统接地故障的特征,B,k,A,T,1,T,2,Z,0T1,Z,01,Z,02,Z,0T2,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,U,0,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,S,0,=U,0,I,0,。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。,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,”,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,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,90,0,；,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,90,0,；,故障线的零序功率与非故障线的零序功率方向相反。,3.,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,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,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 输电线路的自动重合闸,一、概述,二、三相自动重合闸,三、单相重合闸,四、综合重合闸,五、重合闸和继电保护的配合,一、概述,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。,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。,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。,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,单电源线路的三相一次自动重合闸,双电源的三相自动重合闸与,同期,问题,三、单相重合闸,四、综合重合闸,五、重合闸和继电保护的配合,自动重合闸前加速保护,动作自动重合闸后加速保护动作,第六节,主要电气设备的保护配置,一、电力系统继电保护的配置原则,二、电力变压器的保护配置,三、同步发电机和电动机的保护配置,四、母线的保护配置,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,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,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：,利用供电元件的后备保护延时切除故障,装专门的母线保护,