沈阳农业大学信息与电气工程学院电力系统继电保护课件第一章.ppt

第二章 电网的电流保护 (Over-current Protection),第三节 电网相间短路的方向性电流保护,第四节 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护,第五节 中性点非直接接地电网中单相接地短路的零序电压、电流及方向保护,第二节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 继电保护装置的基本元件和电路,基本要求,学习内容,习题与思考题,第一节 继电保护装置的基本元件和电路 (Basic Elements and Circuit of Relay Protection),基本要求,1、掌握常用继电器的构成原理、基本动作电流、返回电流、返回系数等基本概念及其内在联系。,2、掌握电流互感器和电压互感器的基本工作原理、影响误差因素及注意事项。,第一节 继电保护装置的基本元件和电路 (Basic Elements and Circuit of Relay Protection),一、电磁型继电器,二、晶体管型继电器,三、电流互感器,四、电压互感器,继电器的分类,按动作原理：电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型等继电器。 按反应的物理量：电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器和频率继电器等。 按作用：起动继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器和出口继电器等。,继电器是一种能自动断续的控制器件，当其输入量达到一定值时，能使输出回路的被控电量发生预计的变化，是具有对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构。,对继电器的要求,工作可靠。 动作值误差小。 接点可靠。 消耗的功率要小。 动作迅速。 热稳定、动稳定要好。 安装调试容易、运行维护方便、价格便宜。,一、电磁型继电器(Electromagnetic Relays),电磁型继电器基本结构型式有螺管线圈式，吸引衔铁式和转动舌片式三种。,电流继电器在电流保护中用作测量和起动元件，它是反应电流超过某一整定值而动作的继电器。电磁型继电器是利用电磁原理工作的，现以吸引衔铁式继电器为例进行分析，如下图所示。,动作力矩: 在线圈1中通以电流Ir，则产生与其成正比的磁通， 电磁吸力与2成正比，这样由电磁吸引力作用到舌片上的电磁转矩Me为 Me=K12=K2,阻力矩: 弹簧产生的反抗力矩为 Ms=Ms1+K3（ 1 2 ）,摩擦力矩:Mf。,因此，阻碍继电器动作的全部机械反抗力矩为： Ms+Mf,1、继电器动作的条件： 为使继电器动作，必须增大电流Ir，以增大电磁转矩Me，使其满足： Me Ms+Mf,2、动作电流： 使继电器动作的最小电流值Ir，称为继电器的动作电流，记作Iop.r。 对应此时的电磁转矩为,3、继电器的返回条件 继电器动作后，当Ir减小时，弹簧的作用力矩Ms必须大于电磁力矩Me及摩擦力矩Mf之和，才能使继电器返回，即 Ms Me+Mf或 MeMs-Mf,4、返回电流： 使继电器返回原位的最大电流值称为继电器的返回电流，记为Ire.r.,5、返回系数 返回电流与动作电流的比值,总结： 当Ir Iop.r时，继电器不动作； 当 IrIop.r时，则继电器动作，触点闭合； 当减小Ir使IrIre.r时，继电器又立即返回原位，触点打开。,探究：如何改变动作电流的大小？,二、晶体管型继电器(Transistor Relays),晶体管型继电器的功能是由晶体管开关电路完成的。 1、晶体管型电流继电器,（1）正常工作时： 电流变换器的输入电流小于继电器的动作电流，UR30，晶体管VT1因正向偏置而导通，VT2完全截止。输出电压Usc接近于+E1，对应于继电器不动作状态。,（2）起动时： 当输入继电器的电流大于继电器的动作电流时，UR3增大，a点电位降低，致使V5导通，VT1停止，其集电极电位升高，使晶体管VT2导通，继电器处于动作状态。,当继电器的输入电流减小至返回电流时，UR3减小，a点电位增高使V5截止，VT1重新导通，触发器翻转，继电器返回，继电器的返回电流小于继电器的动作电流，其返回系数小于1。,2.晶体管型时间继电器 在正常情况下，VT3饱和导通，电容器C被短接，电容器C上的电压为VT3集电极与发射极之间的饱和压降Uces1和二级管D8的正向压降UD之和： UCD=UD+Uces10.6+0.2=0.8V 其值小于稳压管D9的方向击穿电压，VT4截止，输出电压USC近于0V，表示继电器延时输出。,三、电流互感器(Current Transformer),电流互感器作用：将高压设备中的大电流变换成5A或1A的小电流，以便继电保护装置或仪表用于测量电流。 一、二次绕组磁势有以下平衡关系： I1W1-I2W2=0,1. 电流互感器的极性,一、二次绕组中感应电势 及 同时为高电位点，称同极性或对应端。一般用L、K表示或以“*”标注。,2.电流互感器的等值电路及相量图,3. 误差分析,(1)电流误差：归算到二次绕组的一次电流 与二次绕组电流 数量差, 用百分数表示为,当角比较小时 而,3. 误差分析,（1）电流误差：,结论：电流误差决定于励磁电流的大小，而励磁电流与电流互感器的负载阻抗ZL成正比，与励磁阻抗成反比。一般误差小于1%。,（2）稳态短路电流引起的误差,在铁心未饱和时，二次侧电流与原边电流成正比增加。 当电流互感器原边流过大的短路电流时，铁心饱和，磁阻增加，励磁阻抗下降，励磁电流增加，二次侧电流将减小且波形发生变化。 电流互感器二次负载阻抗ZL越大，铁芯饱和越快。,图中,按规定用于继电保护的电流互感器，其稳态电流误差不允许大于10%，角误差 不得大于7 。,电流互感器稳态运行时的电流误差实际是二次负载阻抗ZL与短路电流倍数m的函数，可表示为 I%=f(ZL ,m),在满足10%误差的条件下， 的关系曲线叫电流互感器的10%误差曲线，它由厂家提供。,（3）暂态短路电流引起的误差,从误差曲线可以看出，最大误差发生在短路后35个周波，短路回路非周期电流衰减以后，其值比稳态短路误差大许多倍，且含有很大的直流成分。,（4）减小电流互感器误差的措施,注意！ 电流互感器为恒流源，其副边不应开路，在副边不接负载时应将它短路。其副边必须接地，以免高电压危及人身及设备的安全。,减小电流互感器的励磁电流。 尽量加大电流互感器的励磁电抗Xm。 尽量减小电流互感器的二次侧负载阻抗ZL。 选择同型号的电流互感器串联使用。 选择大变比的电流互感器，以降低m。,四、电压互感器(Voltage Transformer),电压互感器的作用： 将很高的电压准确地变换至二次保护及二次仪表的允许电压，使继电器和仪表既能在低电压情况下工作，又能准确地反映电力系统中高压设备的运行情况。,（一）电磁式电压互感器,（二）电容式电压互感器,（一）电磁式电压互感器 1. 工作原理,电磁式电压互感器的工作原理与一般电力变压器相似。其等值电路与相量图如下图所示。以副边电压为参考相量，依次画出各支路的电流及各节点电压的相量如下图所示。,2.电压误差分析,电压互感器的电压误差是指归算到副边的原边电压与副边实际电压的数量差，用百分数表示：,当原副边电压的相角差较小时，其电压误差可近似为：,从上式可看出，电压互感器的误差是由电压互感器的阻抗压降引起的。减小负载电流能提高电压互感器的精确度。,(二)电容式电压互感器 电容式电压互感器是利用电容分压原理实现电压变换的。二次开路时的电压为 有载时的输出电压为 = 调节X1，使j X1=- ,则,利用可调电感L补偿分压器容性电抗，大大降低电压互感器总电抗，使电压互感器更接近理想恒压源。提高了电压互感器的精确度。,第二节 单侧电源网络相间短路的电流保护 （Overcurrent Protection for Phase Faults in Single Source Network),一、无时限电流速断保护（电流段） 二、限时电流速断保护 (电流段) 三、定时限过电流保护（电流段） 四、电流三段保护小结 五、电流保护的接线方式 六、反时限特性的过电流保护,基本要求,4、掌握反时限过电流保护的基本工作原理。,1、熟悉三种典型的电流保护的特点、整定原则、整定计算方法及其评价。,2、掌握相间短路保护电流回路的基本接线方式及其特点与应用范围。,3、通过三段式电流保护原理接线图，会分析二次回路的原理图和展开图。,一、电流速断保护(电流I段) (Instantaneous Overcurrent Protection),1.几个基本概念 系统最大运行方式：,电流速断保护:反应电流增大而瞬时动作的电流保护。,系统最小运行方式： 就是被保护线路末端发生短路时，系统等值阻抗最大，而通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。,就是在被保护线路末端发生短路时,系统等值阻抗最小，而通过保护装置的短路电流为最大的运行方式。,最大短路电流：在最大运行方式下三相短路时，通过保护装置的短路电流为最大。 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。,保护装置的起动值：对应于电流升高而动作的电流保护，使保护装置起动的最小电流值称为保护装置的起动电流，记作IOP。 保护装置整定：就是根据对继电保护的基本要求，确定保护装置起动值，灵敏系数，动作时限等过程。,一、电流速断保护(电流I段) (Instantaneously Overcurrent Protection),2.工作原理,发生短路时，流过保护安装地点的短路电流为：,结论：流过保护安装地点的短路电流值随短路点的位置变化，且与系统的运行方式和短路类型有关。,d1,d2,d3,d4,3. 整定计算,动作电流 按躲开下一条线路出口处短路时，通过保护的最大短路电流来整定。即 IOPId.d2max=Krel Id.B.max,结论:电流速断保护只能保护本条线路的一部分，而不能保护全线路，其最大和最小保护范围lmax和lmin。,M,d1,d2,d3,d4,N,3. 整定计算,动作电流,继电器动作电流：,Kcon电流互感器的接线系数,保护范围（灵敏度KLm）计算（校验） 规程规定，在最小运行方式下，速断保护范围的相对值 lb%,保护范围（灵敏度KLm）计算（校验）,动作时限,无时限电流速断保护没有人为延时，只考虑继电保护固有动作时间，由于动作时间较小可认为t=0s。,4.电流速断保护的接线图,单相原理接线图 原理图以整体形式表示各二次设备之间的电气联接。,正常状态：,一次设备通过的电流为负载电流,流过KA的电流小于动作值,不发断路器跳闸脉冲。,KA不动作，其触点不闭合,短路故障时：,KA的二次电流大于KA动作值,KA触点闭合,KM线圈得电,其触点闭合,KS起动，发出信号。,QF跳闸，切除故障。,4.电流速断保护的接线图,单相原理接线图,线路上流有很大的短路电流,保护装置返回,展开图,展开图以分散形式表示二次设备之间的电气连接。分为交流回路和直流回路。,看二次回路方法：先交流后直流；交流看电源，直流找线圈，抓住触点不放松，一个一个全查清。,扩大接点的容量和数量 躲过管型避雷器的放电时间，防止误动作。,电流速断保护装置为什么要加中间继电器？,5.对电流速断保护的评价,优点：简单可靠，动作迅速。 缺点：（1）不能保护线路全长； （2）运行方式变化较大时，可能无保护范围。 （3）在线路较短时，可能无保护范围。,G,G,特殊情况,电流速断可以保护线路全长。在采用线路变压器组的接线方式的电网中，把线路和变压器可以看成是一个元件。速断保护按躲开变压器低压侧短路出口处d1点短路来整定，可以保护线路的全长。,小结：,仅靠动作电流值来保证其选择性 能无延时地保护本条线路的一部分（不是一个完整的电流保护）,二、限时电流速断保护 (电流II段) (Time Delay Instantaneous Overcurrent Protection),电流速断保护在许多情况下均能保证选择性，且接线简单，动作迅速可靠。但是电流速断保护不能保护本线路的全长，怎么办？,解决办法：增设一套新的保护限时电流速断保护。,限时电流速断保护： 按与相邻线路电流速断保护相配合且以较短时限获得选择性的电流保护。,1. 工作原理,（1）保护范围必须延伸到下一条线路中去。 （2）动作带有一定的时限。 （3）为了保证速动性，时限应尽量缩短。,2. 整定计算,（1） 动作电流 按躲开下一条线路无时限电流速断保护的动作电流进行整定：,继电器动作电流：,(2) 动作时限,影响t的因素有：, QF2的跳闸时间tQF, 约为0.2s。,时间继电器提前动作误差tt，电磁型的约为0.05s。,限时速断保护的测量元件在外部故障切除后，由于惯性而不能立即返回的惯性延时tg，电磁型的约为0.1s。,裕度时间ty，取0.1s。故,(3)灵敏度校验,Ksen1.5，是因为考虑了以下不利于保护动作的因素。 （a）可能存在非金属性短路，使短路电流Id较小； （b）实际的短路电流小于计算值； （c）电流互感器有负误差，使短路时流入保护起动元件中的电流变小； （d）继电器的实际起动值可能有正误差，使IOP.r变大； (e) 考虑一定裕度。,思考问题：灵敏性不满足要求，怎么办？,（1）与下一条线路的限时电流速断相配合,(2) 动作时限比下一条线路时限电流速断保护的动作时限高出一个时间阶段t，即,3.限时电流速断保护的接线图,（）单相原理接线,展开图,4.对限时电流速断保护的评价,优点：结构简单，动作可靠，能保护本条线路全长。 缺点：不能作为相邻元件（下一条线路）的后备保护,受系统运行方式变化较大。,小结,限时电流速断保护的保护范围大于本条线路的全长 依靠动作电流和动作时间来保证其选择性 与第I段配合共同构成被保护线路的主保护，兼做第I 段的后备保护,三、定时限过电流保护（电流III段） (Definite Time Overcurrent Protection),定时限过电流保护 定义：其动作电流按躲过被保护线路的最大负荷电流整定，其动作时间一般按阶梯原则进行整定以实现过电流保护的动作选择性，并且其动作时间与短路电流的大小无关。,思考问题：无时限电流速断保护只能保护本线路一部分，限时电流速断能保护本线路全长，但不能做为相邻线路的后备保护。要想实现后备保护，怎么办？,1. 工作原理,反应电流增大而动作, 作为近后备保护和远后备保护， 它要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长。过电流保护在最大负荷时，保护不应该动作。,2.整定计算,（1）动作电流 按躲开被保护线路的最大负荷电流，且在自起动电流下继电器能可靠返回进行整定：,继电器的动作电流：,（）灵敏度校验,近后备,远后备,低电压继电器正常时（得电）常开触点闭合，常闭触点断开。当电压低于整定值时，常开触点断开，常闭触点闭合。,正常运行时:KV触点打开，KA触点打开。,最大负荷电流：KV触点打开，KA触点闭合。,短路时：KV触点闭合，KA触点闭合。,思考：当灵敏度不满足要求时，怎么办？,可以采用低电压闭锁的过电流保护。,（3） 时间整定,动作延时是按阶梯原则整定的，即本线路的过电流保护动作延时应比下一条线路的电流段的动作时间长一个时限阶段t:,3.接线图 电流段保护的原理接线、展开图与电流段保护相同。,4. 对定时限过电流保护的评价,优点：结构简单，工作可靠，能作近后备、远后备。,缺点：动作时间长，而且越靠近电源端其动作时限越大，对靠电源端的故障不能快速切除。,四、电流三段保护小结 (Brief Summary of Overcurrent Protection),1. 三段式电流保护： 由电流速断保护，限时电流速断保护及定时限过电流保护相配合构成的一整套保护。,是不是所有的线路都要装设三段式电流保护？,什么情况下过电流保护作为主保护？,什么情况下可采用两段组成一套保护？,2. 电流三段式保护的保护特性及时限特性,单相原理接线图 动作电流 动作时限 保护范围 灵敏度,本线路全长及下一条相邻线路无时限速断保护范围的一部分.,IOP=KrelId.B.max,t=0s,0.5s,线路的一部分,本线路全长及下一条相邻线路全长.,不满足要求:,3.电流三段式保护接线图,（1）单相原理接线图,（2）展开图,选择性：通过动作电流、动作时间来保证选择性。 单电源辐射网络上可保证获得选择性。 速动性：无时限速断和带时限速断保护动作是迅速的； 过电流保护则常常不能满足速动性的要求。 灵敏性：运行方式变化较大或被保护线路很短时，速断 保护往往不能满足要求。 灵敏度差是电流电压保护的主要缺点。 可靠性：继电器简单、数量少，整定计算和校验容易。 可靠性好是它的主要优点。,4、三段式电流保护的评价,例2-1,如下图所示网络，试对保护1进行电流速断，限时电流速断和定时限过电流保护整定计算（起动电流，动作时限和灵敏系数），并画出时限特性曲线。（计算电压取115KV）。,解： 1、对保护1进行电流速断保护的整定计算 （1）动作电流,=1.33780=4914 (A),（2）灵敏度校验：,=12.5 ( km),=41.67%15% 符合要求,（3）动作时限：,t=0s,2、限时电流速断保护的整定计算,（1）动作电流：,=1.21.3 1250=1950(A),（2）灵敏度校验：,=1.581.5 符合要求,（3）动作时限,3.定时限电流保护整定计算,（1）动作电流：,=794.12(A),远后备保护：,=1.261.2 符合要求,(3) 动作时限：,(2) 灵敏度校验： 近后备保护 ：,=3.871.5 符合要求,时限特性曲线,五、电流保护的接线方式 (Connection of Overcurrent Protection),1.相间短路电流保护的主要接线形式,2. 各种接线方式在不同故障时的性能分析,3. 各种接线方式的应用范围,电流保护的接线方式：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的联系方式。,1. 相间短路电流保护的主要接线形式,(1)三相星形接线,三相星形接线方式的保护对各种故障都能动作。 两相星形接线的保护能反应各种相间短路，但B相发生单相短路时，保护装置不会动作。,(2)两相星形接线,（3） 两相电流差接线,三相短路时流过继电器电流是 倍的短路电流；,AB两相短路: Ir= Ia,AC两相短路时流过继电器电流是 倍的短路电流；,AB或CB两相短路时流过继电器电流是 倍的短路电流。,2,1,Ir=,三相短路:Ir= Ia,CB两相短路: Ir= Ic,AC两相短路: Ir= 2Ia,故对两相电流差接线方式，在对称运行或三相短路时，Kcon= ；,接线系数Kcon ：流过继电器的电流IKA与电流互感器二次侧短路电流之比，数值为,在AC两相短路时，Kcon=2； 在AB或BC两相短路时，Kcon=1。 对于三相和两相星形接线方式任何短路型式Kcon=1.,2. 各种接线方式在不同故障时的性能分析,（1）中性点直接接地或非直接接地电网中的各种相间短路 前述三种接线方式均能反应。 （2）中性点非直接接地电网中的两点接地短路 希望只切除一个故障点。, 串联线路上两点接地情况, 放射性线路上两点接地情况, 串联线路上两点接地情况,若保护1和保护2均采用三相星形接线时，100%地只切除线路故障。 如采用两相星形接线，只能有2/3的机会有选择地切除后面的一条线路。,AB： AC： BA： ,BC： CA： CB： , 放射性线路上两点接地情况,采用三相星形接线: 100%地切除两条线路。 采用两相星形接线:保护有2/3的机会只切除任一线路。,AB： AC： BA： ,BC： CA： CB： ,因此，在放射性的线路中，两相星形比三相星形应用较广。,（3） 对Y，d11接线变压器后面的两相短路,当侧发生AB两相短路时,结论:三相星形接线比两相星形接线灵敏系数增大一倍。,过电流保护用于降压变压器的后备保护时，不同接线形式的保护有其不同的特点。,（a）采用三相星形接线时，灵敏系数增大一倍。,（b）采用两相星形接线时，在两相星形接线的中线上再接入一个继电器，从而提高了这个继电器的灵敏度。,（c）两相电流差接线不能用来保护变压器。,3. 各种接线方式的应用范围,(1)三相星形接线方式: 用在中性点直接接地电网中，作为相间短路的保护和单相接地保护。 (2)两相星形接线方式： 主要应用在35千伏及以下电压等级的电网中，作为相间短路的保护。 (3)两相电流差接线方式： 主要用在610千伏中性点不接地系统中，作为馈电线和较小容量高压电动机的保护。,六、反时限特性的过电流保护 （Inverse Time Relay with Overcurrent Protection),1、感应型电流继电器,2、反时限过电流保护,3、接线图,4、反时限过电流保护应用范围,1. 感应型电流继电器,（1）继电器结构,（2）工作原理,线圈通以交流电流I,在铁芯中产生磁通1,在铝盘产生Mdc,Mdc克服了弹簧的反转矩Mf,蜗轮蜗杆啮合,扇形轮随蜗转动而上升,触点闭合,(3) 时限特性,扇形轮在最低位置与最高位置，继电器动作时间与电流的关系曲线如下图所示。 当电流增大时，动作时限减少，具有反时限特性。,继电器起动以后，减少流入继电器线圈中的电流，框架在反作用弹簧的作用下返回，扇形轮与蜗杆脱开，称为继电器返回。 GL-10系列继电器的返回系数在0.80.85之间。,电磁元件的起动电流是以感应元件的起动电流倍数为标志的。,(3) 时限特性,当电流大到一定值时，铁芯饱和，在图上出现曲线1、2的平直部分，具有定时限特性。 当电流继续增大时，衔铁瞬时被吸下，横担将接点闭合，具有速断特性。,2. 反时限过电流保护,（1）工作原理 反应电流增大而动作，其延时与通入电流的平方成反比，一般可作610kV线路或电动机的保护。,（2）整定计算 动作电流的整定原则与定时限过电流保护相同，即,灵敏度校验 ：,时间整定, 两级反时限过电流保护的配合: 已知P2反时限过电流保护的整定参数。 在P1、P2反时限过电流保护重叠保护区内，d1点为配合点，在配合点的t2为已知，则, 反时限过电流保护与电源侧的定时限过电流保护配合,已知P1定时限过电流保护的整定参数。 P1、P2重叠保护区的末端d1为配合点。在配合点d1,3. 接线图,反时限过电流保护多用于10kV线路及电动机保护。电流互感器采用两相星型接线，如右图所示。,4. 反时限过电流保护应用范围,优点：在线路靠近电源处短路时，短路电流大，动作时限短且保护接线简单。 缺点：时限的配合较复杂。 因此，反时限过电流保护主要用在610千伏的网络中，作为馈线和电动机的保护。,复习思考题：,1、什么是起动电流，什么是返回电流？返回系数指何而言？ 2、电流继电器的动作条件是什么?返回条件是什么? 3、如何调整电流继电器的动作电流？ 4、电流互感器的作用？ 5、电流互感器的误差与哪些因素有关？有怎样的关系？ 6、试述无时限电流速断保护的工作原理、整定计算原则和整定计算方法、灵敏性校验方法和要求？为什么要加一个中间继电器？ 7、试述限时电流速断保护的工作原理、整定计算原则和整定计算方法、灵敏性校验方法和要求？ 8、试述定时限过电流保护的工作原理、整定计算原则和整定计算方法、灵敏性校验方法和要求。,9、三段式电流保护哪一段