電力系統(tǒng)繼電保護01.ppt

1、電力系統(tǒng)繼電保護,陳生貴 主 編 盧繼平 王維慶 副主編 施懷瑾 主 審,出版社,目 錄,第1篇 繼電保護原理 緒論 0.1 繼電保護的作用 0.2 對電力系統(tǒng)繼電保護的基本要求 0.3 繼電保護的基本原理及保護裝置的組成 第1章 電網(wǎng)的電流電壓保護 1.1 單側(cè)電源網(wǎng)絡的相間短路的電流電壓 保護,1.2 電網(wǎng)相間短路的方向性電流保護 1.3 大接地電流系統(tǒng)的零序保護 1.4 小接地電流系統(tǒng)的零序保護 第2章 電網(wǎng)的距離保護 2.1 距離保護的基本原理 2.2 阻抗繼電器 2.3 阻抗繼電器的接線方式 2.4 距離保護的整定計算 2.5 影響距離保護正確動作的因素及其對策 第3章 輸電線路的高

2、頻保護,3.1 高頻保護的基本原理 3.2 高頻閉鎖方向保護 3.3 高頻閉鎖負序方向保護 3.4 高頻閉鎖距離保護和零序保護 3.5 高頻相差動保護 第4章 反映故障分量的線路保護 4.1 反映故障分量的繼電保護基本原理 4.2 工頻變化量方向元件 4.3 工頻變化量距離保護 第5章 自動重合閘,5.1 三相自動重合閘 5.2 綜合自動重合閘 第 6章 發(fā)電機的保護 6.1 發(fā)電機的故障和不正常運行狀態(tài)及其保護方式 6.2 發(fā)電機相間短路的縱聯(lián)差動保護 6.3 發(fā)電機定子繞組匝間短路保護 6.4 發(fā)電機定子繞組的單相接地保護 6.5 發(fā)電機低勵失磁保護 6.6 發(fā)電機勵磁回路一點接地保護,6

3、.7 發(fā)電機勵磁回路兩點接地保護 6.8 發(fā)電機轉(zhuǎn)子表層過熱（負序電流）保護 6.9 發(fā)電機逆功率保護 6.10 發(fā)電機失步運行保護 6.11 發(fā)電機定子繞組對稱過負荷保護 第7章 電力變壓器的保護 7.1 概述 7.2 大型變壓器內(nèi)部故障的差動保護 7.3 大型變壓器零序保護 7.4 大型變壓器瓦斯保護,7.5 中小型變壓器保護 第8章 發(fā)電機變壓器組公用繼電保護 8.1 概述 8.2 發(fā)電機變壓器組內(nèi)部故障縱差保護 8.3 發(fā)電機變壓器組反時限過激磁保護 8.4 發(fā)電機變壓器組后備阻抗保護 8.5 發(fā)電機變壓器組輔助性保護 第9章 母線的繼電保護 9.1 母線故障及其保護 9.2 帶制動特

4、性的母線差動保護,9.3 JMH1型母線差動保護裝置基本原理 9.4 電流相位比較式母線保護 第2篇 微機保護基礎 緒論 0.1 微機保護的發(fā)展概況 0.2 微機保護的特點 第1章 微機保護的硬件構(gòu)成原理 1.1 微機保護裝置的結(jié)構(gòu) 1.2 模擬量輸入部分 1.3 開關量輸入回路,1.4 開關量輸出回路 第2章 數(shù)字濾波器 2.1 概述 2.2 數(shù)字濾波器的基本概念 2.3 幾種基本的數(shù)字濾波器 第3章 微機保護的算法 3.1 兩采樣值積算法 3.2 半周積分算法 3.3 Mann-Morrison導數(shù)算法 3.4 Prodar-70算法,3.5 傅立葉算法 3.6 衰減直流分量的影響 3.7

5、 移相器算法 3.8 序分量濾過器算法 3.9 相位比較器算法 3.10 增量元件算法 第4章 微機保護的抗干擾措施 4.1 概述 4.2 干擾和干擾源 4.3 干擾對微機保護裝置的影響,4.4 防止干擾進入微機保護裝置的對策 4.5 抑制竄入干擾影響的軟、硬件對策 第5章 WXB11型線路保護裝置 5.1 概述 5.2 高頻保護軟件說明 5.3 距離保護軟件說明 5.4 零序保護軟件說明 5.5 重合閘軟件說明 參考文獻,第1篇 繼電保護原理,緒 論,0.1 繼電保護的作用 電力最常見、危害最大的故障是各種形式的短路。 故障造成的很大的短路電流產(chǎn)生的電弧使設備損壞。 從電源到短路點間流過的短

6、路電流引起的發(fā)熱和電動力將造成在該路徑中非故障元件的損壞。,靠近故障點的部分地區(qū)電壓大幅度下降，使用戶的正常工作遭到破壞或影響產(chǎn)品 質(zhì)量。 破壞電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩，甚至使該系統(tǒng)瓦解和崩潰。 0.2 對電力系統(tǒng)繼電保護的基本要求 (1)選擇性 選擇性的基本含義是保護裝置動作時僅將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使停電范圍盡量減小，以保證系統(tǒng)中非故障部分繼續(xù)安全運行。,圖0.1 保護選擇性說明圖,圖0.2 電力系統(tǒng)并列運行示意圖,(2)速動性 速動性是指繼電保護裝置應以盡可能快的速度斷開故障元件。這樣就能降低故障設,備的損壞程度，減少用戶在低電壓情況下工作的時間，提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)

7、定性。 (3)靈敏性 保護裝置對其保護范圍內(nèi)的故障或不正常運行狀態(tài)的反映能力稱為靈敏性(靈敏度)。 (4)可靠性 可靠性是指在保護裝置規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生了它應該反應的故障時，保護裝置應可靠地動作(即不拒動)。 0.3 繼電保護的基本原理及保護裝置的組成,依據(jù)反映的物理量的不同，保護裝置可以構(gòu)成下述各種原理的保護： (1)反映電氣量的保護 (2)反映非電氣量的保護,圖0.3 繼電保護裝置組成方框圖,第1章 電網(wǎng)的電流電壓保護,1.1 單側(cè)電源網(wǎng)絡的相間短路的電流電壓保護 1.1.1 電流繼電器 動作電流(Iop.r)：能使繼電器動作的最小電流值。當繼電器的輸入電流IrIop.r時,繼電器根本不

8、動作；而當IrIop.r時，繼電器能夠突然迅速地動作。 返回電流(Ire.r)：能使繼電器返回原位的最大電流值。在繼電器動作以后，當電流減小到IrIre.r時，繼電器能立即突然地返回原位。,返回系數(shù)：即繼電器的返回電流與動作電流的比值?？杀硎緸椋?1.1.2 無時限電流速斷保護 無時限電流速斷保護又稱為段電流保護或瞬時電流速斷保護。 三相短路電流可表示為：,(1.1),(1.2),最大運行方式下變電所C母線上三相短路時的電流IK.C.max，也即,圖1.1 電流速斷保護動作特性的分析,(1.3),引入可靠系數(shù) =1.21.3，則上式可寫為： 對于保護2，按照同樣的原則，其啟動電流應整定得大于K

9、2點短路時的最大短路電流IK.B.max，即 中間繼電器2一方面是利用2的常開觸點(大容量)代替電流繼電器1。,(1.4),(1.5),(1.6),圖1.2 無時限電流速斷保護的單相原理接線圖,圖1.3 系統(tǒng)運行方式的變化對電流速斷保護的影響,圖1.4 被保護線路長短不同對電流速斷保護的影響,圖1.5 線路變壓器組的電流速斷保護,圖1.6 電流電壓聯(lián)鎖速斷保護的單相原理接線圖,圖1.7 電流電壓聯(lián)鎖速斷保護的動作特性分析,低電壓繼電器的動作電壓應取為： 1.1.3 限時電流速斷保護 (1)工作原理和整定計算的基本原則 啟動電流就應該整定為： 引入可靠系數(shù) ,則得： (2)動作時限的計算,(1.

10、7),(1.8),(1.9),由圖1.8，保護2限時電流速斷保護的動作時限 ，應選擇得比下一條線路電流速斷保護的動作時限 高出一個t，即,圖1.8 單側(cè)電源線路限時電流速斷保護的配合整定圖,(1.10),從盡快切除故障的觀點看，t應越小越好，但是，為了保證兩個保護之間動作的選擇性，其值又不能選擇得太小，現(xiàn)以線路上發(fā)生故障時，保護2與保護1的配合關系為例，說明確定t的原則： (3)保護裝置靈敏性的校驗 對保護2限時電流速斷而言，Ksen的計算公式為：,(1.12),(1.11),為解決此問題，通?？紤]進一步延伸限時電流速斷的保護范圍，使之與下一條線路的限時電流速斷保護相配合，這樣其動作時限就應該

11、選擇得比下一條線路限時速斷的時限再高出一個t，一般取為11.2 s。這就是限時電流速斷保護的整定原則之二，按此原則的整定計算公式為： (4)限時電流速斷保護的單相原理接線圖,(1.13),(1.14),圖1.9 限時電流速斷保護的單相原理接線圖,圖1.10 定時限過電流保護啟動電流和動作時限的配合,1.1.4 定時限過電流保護 (1)工作原理和整定計算的基本原則 引入一個自啟動系數(shù)Kst來表示自啟動時最大電流Ist.max與正常運行時最大負荷電流IL.max之比，即 為保證過電流保護在正常運行時不動作，其啟動電流Iop應大于最大負荷電流IL.max，即：,(1.15),(1.16),為保證在相

12、鄰線路故障切除后保護能可靠返回，其返回電流應大于外部短路故障切除后流過保護的最大自啟動電流，即 在上式中引入可靠系數(shù)Krel，并代入式(1.15)，即 由式(1.1)，引入返回系數(shù)，得：,(1.17),(1.18),即得： (2)按選擇性的要求整定定時限過電流保護的動作時限,圖1.11 最大負荷說明圖,(1.19),為了保證K1點短路時動作的選擇性，則應整定其動作時限t2t1，引入t，則保護2的動作時限為：,(1.20),圖1.12 單側(cè)電源串聯(lián)線路中各過電流保護動作時限的確定,保護2的動作時限確定以后，當K2點短路時，它將以t2的時限切除故障，此時，為了保證保護3動作的選擇性，又必須整定t3

13、t2，引入t后，得： 依此類推，保護4、5的動作時限分別為： 一般說來，任一過電流保護的動作時限，應選擇比下一級線路過電流保護的動作時限至少高出一個t，只有這樣才能充分保,(1.21),(1.22),證動作的選擇性。如在圖1.10中，對保護4而言應同時滿足以下要求： (3)過電流保護靈敏系數(shù)的校驗 當K1點短路時，應要求各保護的靈敏系數(shù)之間有下列關系： 1.1.5 三段式電流保護的應用 電流速斷、限時電流速斷和過電流保護都,(1.23),是反映電流升高而動作的保護裝置。它們之間的區(qū)別主要在于按照不同的原則來選擇啟動電流。,圖1.13 階段式電流保護的配合和實際動作時間的示意圖,圖1.14 具有

14、電流速斷、限時電流速斷和過電流保護的單相原理接線圖,圖1.15 三相完全星形接線方式的原理接線圖,1.1.6 電流保護的接線方式 電流保護的接線方式是指保護中電流繼電器與電流互感器二次線圈之間的連接方式?；窘泳€方式有3種：三相三繼電器的完全星形接線方式、兩相兩繼電器的不完全星形接線方式、兩相一繼電器的兩相電流差接線方式。 (1)對中性點直接接地電網(wǎng)中的單相接地 短路,圖1.16 兩相不完全星形接線方式的原理接線圖,圖1.17 串聯(lián)線路上兩點接地的示意圖,(2)對中性點非直接接地電網(wǎng)中的兩點接地短路 (3)對Y、接線變壓器后面的兩相短路 在故障點， ，設側(cè)各相繞組中的電流分別為 、 和 ，并設

15、變壓器比nT=1，則：,(1.24),圖1.18 兩點異地接地示意圖,圖1.19 Y/11接線降壓變壓器短路時電流分布及過電流保護的接線 (a)接線圖；(b)電流分布圖；(c)三角形側(cè)電流相量圖；(d)星形側(cè)電流相量圖,根據(jù)變壓器的工作原理，即可求得Y側(cè)電流的關系為： 1.1.7 兩種接線方式的應用 一般廣泛應用于發(fā)電機、變壓器等大型重要的電氣設備的保護中，因為它能提高保護動作的可靠性和靈敏性。此外，它也可,(1.25),(1.26),以用在中性點直接接地電網(wǎng)中，作為相間短路和單相接地短路的保護。 1.1.8 三段式電流保護的接線圖,圖1.20 三段式電流保護的接線圖,圖1.21 雙側(cè)電源供電

16、網(wǎng)絡 (a)K1點短路時的電流分布；(b)K2點短路時的電流分布； (c)各保護動作方向的規(guī)定；(d)方向過電流保護的階梯形時限特性,1.2 電網(wǎng)相間短路的方向性電流保護 1.2.1 方向性電流保護的基本原理 1.2.2 功率方向繼電器的工作原理,圖1.22 方向過電流保護的單相原理接線圖,圖1.23 方向繼電器工作原理的分析 (a)系統(tǒng)網(wǎng)絡接線圖；(b)K1點短路；(c)K2點短路,當K1、K2點短路時，保護1所反映的短路功率分別為： K1點短路： K2點短路： 對繼電保護中方向繼電器的基本要求是： 應具有明確的方向性，即在正方向發(fā)生各種故障時，能可靠動作；而在反方向故障時，可靠不動作；,故

17、障時繼電器的動作有足夠的靈敏度。 對于A相的功率方向繼電器，加入電壓 和電流 ，則當正方向短路時，繼電器中電壓、電流之間的相角為： 反方向短路時，如圖1.23(c)所示，繼電器中電壓、電流之間的相角為：,(1.27),(1.28),一般地，當功率方向繼電器的輸入電壓和電流的幅值不變時，其輸出值隨兩者間相位差的大小而改變，輸出為最大時的相位差稱為繼電器的最大靈敏角 。 如果用 表示 超前于 的角度，并用功率的形式表示，則：,(1.29),(1.30),圖1.24 功率方向繼電器的工作原理,圖1.25 三相短路的相量圖,引入 ，于是有： 習慣上采用 ，稱為功率方向繼電器的內(nèi)角，則上式變?yōu)椋?如用功

18、率的形式表示，則為： 對A相的功率方向繼電器而言,可具體表示為：,(1.31),(1.32),1.2.3 相間短路功率方向繼電器的接線方式 功率方向繼電器的接線方式,是指它與電流互感器和電壓互感器的連接方式,即加入繼電器的電壓Ur和電流Ir是線(相間)的還是相的一定組合方式。,圖1.26 90接線的相量圖,(1.33),(1)三相短路,圖1.27 功率方向繼電器的90接線,圖1.28 三相短路的90接線分析圖,圖1.29 B、C兩相短路的系統(tǒng)接線圖,(2)兩相短路,圖1.30 保護安裝地點出口處B、C兩相短路時的相量圖,對于B相繼電器， ，則動作條件應為： 對于C相繼電器， ，則動作條件應為：

19、 對于三相短路時的分析，為了保證在 的范圍內(nèi)，繼電器均能動作，就要選擇內(nèi)角為 。,(1.35),(1.36),對于B相繼電器，由于電壓 ，較出口處短路時相位滯后30,因此， ，則動作條件應為：,圖1.31 遠離保護安裝地點B、C兩相短路時的相量圖,(1.37),對于C相繼電器，由于電壓UABEAB，較出口處短路時相位超前30，因此， ，則動作條件應為： (3)按相啟動 當電網(wǎng)中發(fā)生不對稱故障時,在非故障相中仍然有電流流過,這個電流就稱為非故障相電流，它可能使非故障相的方向元件誤動作。 (4)90接線方式的評價,(1.38),90接線的優(yōu)點是：適當選擇繼電器的內(nèi)角，對線路上發(fā)生的各種相間短路都能

20、保證正確地判斷短路功率的方向，而不致誤動作；各種兩相短路均無電壓死區(qū)，因為繼電器接入非故障相間電壓，其值很,圖1.32 兩相短路電流對非故障相電流的影響,高；由于接入繼電器的相間電壓，故對三相短路的電壓死區(qū)有一定的改善；如果再采用電壓記憶回路。一般可以消除三相短路電壓死區(qū)。其缺點是：連接在非故障相電流上的功率方向繼電器，可能在兩相短路或單相接地短路時誤動作。 1.2.4 對方向性電流保護的評價 1)助增電流的影響,(1.39),(1.40),圖1.33 雙側(cè)電源線路上電流速斷保護的整定,(1.41),(1.42),圖1.34 有助增電流時限時電流速斷保護的整定,(1.43),2)外汲電流的影響

21、 1.3 大接地電流系統(tǒng)的零序保護 電力系統(tǒng)中性點的工作方式有:中性點直接接地、中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地。,圖1.35 有外汲電流時限時電流速斷保護的整定,零序分量的參數(shù)具有如下特點： 故障點的零序電壓最高，系統(tǒng)中距離故障點越遠處的零序電壓越低，零序電壓的分布如圖1.36(c)所示，在變電所A母線上零序電壓為UA0，變電所B母線上零序電壓為UB0等。 由于零序電流是UK0產(chǎn)生的，當忽略回路的電阻時，按照規(guī)定的正方向畫出零序電流和電壓的相量圖，如圖1.36(d)所示， 和 將超前 ；而考慮回路電阻時，例如，取零序阻抗角為 ，如圖1.36(e)所示，,和 將超前 。 對于發(fā)生故障的線路，

22、兩端零序功率的方向與正序功率的方向相反，零序功率方向?qū)嶋H上都是由線路流向母線的。 從任一保護(例如保護1)安裝處的零序電壓與電流之間的關系看，由于A母線上的零序電壓 實際上是從該點到零序網(wǎng)絡中性點之間零序阻抗上的電壓降，因此，可表示為： 式中，XT1.0為變壓器T1的零序阻抗。,圖1.36 接地短路時的零序等效網(wǎng)絡 (a)系統(tǒng)接線；(b)零序網(wǎng)絡；(c)零序電壓的分布； (d)忽略電阻時的相量圖；(e)考慮電阻時的相量圖(設 =80),在電力系統(tǒng)運行方式變化時，如果送電線路和中性點接地的變壓器數(shù)目不變，則零序阻抗和零序等效網(wǎng)絡就是不變的。 1.3.1 零序電壓過濾器 1.3.2 零序電流過濾器

23、 為了取得零序電流，通常采用三相電流互感器，按圖1.38(a)的方式連接，此時流入繼電器回路中的電流為：,(1.44),圖1.37 取得零序電壓的接線圖 (a)用三個單相式電壓互感器；(b)用三相五柱式電壓互感器； (c)用接于發(fā)電機中性點的電壓互感器；(d)在集成電路保護裝置內(nèi)部合成零序,圖1.38 零序電流過濾器 (a)原理接線；(b)等效電路,圖1.39 電流互感器的等效電路,圖1.40 零序電流互感器接線示意圖,在正常運行和不接地的相間短路時，三個電流互感器一次側(cè)電流的相量和必然為零，因此，流入繼電器中的電流為： 1.3.3 零序電流速斷(零序段)保護 零序電流速斷保護的整定原則如下：

24、,(1.45),(1.46),(1.47),躲開下一條線路出口處單相或兩相接地短路時可能出現(xiàn)的最大零序電流3I0.max，引入可靠系數(shù) (一般取為1.21.3)，即為： 躲開斷路器三相觸頭不同期合閘時所出現(xiàn)的最大零序電流3I0.bt，引入可靠系數(shù) 即為： 如果保護裝置的動作時間大于斷路器三相不同期合閘的時間，則可以不考慮這一 條件。,(1.48),(1.49),圖1.41 有分支線路時零序段動作特性的分析 (a)網(wǎng)絡接線圖；(b)零序等效網(wǎng)絡；(c)零序電流變化曲線,1.3.4 零序電流限時速斷(零序段)保護 1.3.5 零序過電流(零序段)保護 零序段的作用相當于相間短路的過電流保護，一般情

25、況下作為后備保護使用。在中性點直接接地電網(wǎng)中的終端線路上，它也可以作為主保護使用。 在零序過電流保護中，對繼電器的啟動電流，可按照躲開在下一條線路出口處相間短路時所出現(xiàn)的最大不平衡電流Iunb.max來整,(1.50),定，引入可靠系數(shù)Krel，即為：,(1.51),(1.52),圖1.42 零序過電流保護的時限特性,1.3.6 方向性零序電流保護 在雙側(cè)或多側(cè)電源的網(wǎng)絡中，電源處變壓器的中性點一般至少有一臺要接地。由于零序電流的實際流向是由故障點流向各個中性點接地的變壓器，因此，在變壓器接地數(shù)目較多的復雜網(wǎng)絡中，就需要考慮零序電流保護動作的方向性問題。 1.3.7 對零序電流保護的評價 采用

26、專門的零序電流保護具有以下優(yōu)點： 相間短路的過電流保護是按照躲開最大負荷電流整定，繼電器的啟動電流一般為5,7A，而零序過電流保護則按照躲開不平衡電流的原則整定，其值一般為23A。,圖1.43 零序方向保護工作原理的分析 (a)網(wǎng)絡接線；(b)K1點短路的零序電流；(c)K2點短路的零序電流,相間短路的電流速斷和限時電流速斷保護直接受系統(tǒng)運行方式變化的影響很大，,圖1.44 三段式零序方向電流保護的原理接線圖,而零序電流保護受系統(tǒng)運行方式變化的影響要小得多。 當系統(tǒng)中發(fā)生某些不正常運行狀態(tài)時(例如，系統(tǒng)振蕩、短時過負荷等)三相是對稱的，相間短路的電流保護均受它們的影響而可能誤動作，因而需要采取

27、必要的措施予以防止，而零序保護則不受它們的影響。 在110kV及以上的高壓和超高壓系統(tǒng)中，單相接地故障約占全部故障的70%90%，而且其他的故障也往往是由單相接地發(fā)展起來的，因此，采用專門的零序保護就具,有顯著的優(yōu)越性。 零序電流保護的缺點是： 對于短線路或運行方式變化很大的情況，保護往往不能滿足系統(tǒng)運行所提出的要求。 隨著單相重合閘的廣泛應用，在重合閘的動作過程中將出現(xiàn)非全相運行狀態(tài)，再考慮系統(tǒng)兩側(cè)的電機發(fā)生搖擺，則可能出現(xiàn)較大的零序電流，因而影響零序電流保護的正確地工作，此時應從整定值上予以考慮，或在單相重合閘動作過程中使之短時退出運行。,當采用自耦變壓器聯(lián)系兩個不同電壓等級的網(wǎng)絡時，則任一網(wǎng)絡的接地短路都將在另一網(wǎng)絡中產(chǎn)生零序電流，這將使零序保護的配合整定復雜化，并將增大段保護的動作時限。 1.4 小接地電流系統(tǒng)的零序保護 1.4.1 中性點不直接接地電網(wǎng)中單相接地故障的特點,(1.53),圖1.45 簡單網(wǎng)絡接線示意圖,圖1.46 A相接地時的相量圖,故障點K的零序電壓為： 在非故障相中流向故障點的電容電流為：,