电力系统继电保护原理(第四版)-3(最详细版).pdf

1 第三章 电网的相间电流 电第三章 电网的相间电流 电 压保护和方向性相间电流 电 压保护 压保护和方向性相间电流 电 压保护 第一节第一节 单侧电源网络相间短单侧电源网络相间短第一节第一节 单侧电源网络相间短单侧电源网络相间短 路的电流 电压保护路的电流 电压保护 2 电力系统发生短路故障的基本特征 电力系统发生短路故障的基本特征 电流 增大和电压降低 电流 增大和电压降低 利用这利用这一一特征实现的保护是最基本特征实现的保护是最基本也是也是 单侧电源网络单侧电源网络 kact II kact UU 一 瞬时电流速断保护一 瞬时电流速断保护 即实际上都隐含了要确定电流和时间两个动作值 即实际上都隐含了要确定电流和时间两个动作值 因此对于电流保护而言 关键在于如何根据实际电网 的情况 确定上述两个定值 使其满足电网对继电保 护的要求 因此对于电流保护而言 关键在于如何根据实际电网 的情况 确定上述两个定值 使其满足电网对继电保 护的要求 kact tt 瞬时电瞬时电流速断保护流速断保护 仅反应于仅反应于电流增大电流增大而而瞬时动作瞬时动作的电的电 0 act ts 即相当于 即相当于 瞬时电瞬时电流速断保护流速断保护 仅反应于仅反应于电流增大电流增大而而瞬时动作瞬时动作的电的电 流保护流保护 问题 如何确定动作电流 问题 如何确定动作电流 act I 0 kact k II t 瞬时电流速断保护定值选择瞬时电流速断保护定值选择 图中 线路图中 线路AB和和BC均装设了瞬时电流速断保护均装设了瞬时电流速断保护1和和2 保护范围 在该范围所发生的故障能够引起保护动作保护范围 在该范围所发生的故障能够引起保护动作 保护保护2 线路线路AB 保护 保护1 线路线路BC 如何确定如何确定 要确保电流保护动作 只需令要确保电流保护动作 只需令 minact II动作电流 保护范围内的最小短路电流动作电流 minactB II maxactB II maxactB II 临界点临界点 短路电流大短路电流大 于将大于保 护 于将大于保 护2的定值的定值 9 瞬时电流速断保护整定原则 躲开下一条线路出口处的 最大短路电流 最大运行方式下的三相短路电流 瞬时电流速断保护整定原则 躲开下一条线路出口处的 最大短路电流 最大运行方式下的三相短路电流 所谓躲开 在这里体现在引入大于1的可靠性系数 考虑所谓躲开 在这里体现在引入大于1的可靠性系数 考虑 理论计算与现场实际存在的各种误差影响 理论计算与现场实际存在的各种误差影响 2 max min rel actrelk B SAB KE IKI ZZ 保护保护1 保护保护2 1 max min rel actrelk C SABBC K E IKI ZZZ 17 1 2 1 3 rel K 保护的灵敏性分析保护的灵敏性分析 由于不同故障条件下 相同地点发生的短路电流是不 相同的 因此 由于不同故障条件下 相同地点发生的短路电流是不 相同的 因此保护范围保护范围不是恒定的 不是恒定的 在最大运行方式下三相短路时范围最大在最大运行方式下三相短路时范围最大 在最小运行方式下相间短路时范围最小在最小运行方式下相间短路时范围最小 II 动作条件 动作条件 因此 瞬时电流速断保护必然不能保护线路全长因此 瞬时电流速断保护必然不能保护线路全长 在最小运行方式下相间短路时范围最小在最小运行方式下相间短路时范围最小 18 max min 最小保 护范围 最大保 护范围 kact II 10 在保护范围的末端短路时 其短路电路与保护整定值 相等 即 在保护范围的末端短路时 其短路电路与保护整定值 相等 即 K K E I ikkSlS KK ZK Z 保护范围的计算保护范围的计算 任意运行方式下的保护范围任意运行方式下的保护范围 I rel KE k SL I ZZ minkkSrelS relrelL KK ZK Z KK Z 影响因素 故障类型 系统运行方式及线路长度影响因素 故障类型 系统运行方式及线路长度 系统运行方式变化越大 被保护线路越短 保护范围越小系统运行方式变化越大 被保护线路越短 保护范围越小 2act I min rel SL ZZ 19 maxS Z 增大增大 长短线路 对比 长短线路 对比 无保护范围无保护范围 任意运行方式下的保护范围 任意运行方式下的保护范围 只需给定只需给定运运行方式和故障类行方式和故障类型型即可算出在该情况下的即可算出在该情况下的 minkkSrelS relrelL KK ZK Z KK Z 保护范围的校验保护范围的校验 只需给定行方式和故障类即可算出在该情况下的只需给定行方式和故障类即可算出在该情况下的 保护范围保护范围 minmax 0 8660 866 SrelS ZK Z 保护校验保护校验 原则 考虑最不利于保护动作的情况 原则 考虑最不利于保护动作的情况 短路电流最小时 短路电流最小时 最小保护范围 相间短路及最小运行方式最小保护范围 相间短路及最小运行方式 20 min max min SrelS relrelL KK Z 15 min 一般要求 一般要求 min 11 单相原理图单相原理图 电流继电器动作后 先启动中间继电器 然后再由中 间继电器的触点去跳闸 电流继电器动作后 先启动中间继电器 然后再由中 间继电器的触点去跳闸 优点优点 简单可靠 动作迅速简单可靠 动作迅速 缺点缺点 不能实现全线速断不能实现全线速断 三 限时电流速断保护三 限时电流速断保护 电流速断保护不能保护线路全长 必须增加一段 新保护 电流速断保护不能保护线路全长 必须增加一段 新保护 切除本线路瞬时电流速断保护范围以外的故障切除本线路瞬时电流速断保护范围以外的故障切除本线路瞬时电流速断保护范围以外的故障切除本线路瞬时电流速断保护范围以外的故障 作为瞬时电流速断保护的后备作为瞬时电流速断保护的后备 限时电流速断保护 以较小的时限快速切除全线 路范围内的故障 限时电流速断保护 以较小的时限快速切除全线 路范围内的故障 首先在任何情况下都能够保护本线路的全长 且具有 足够的灵敏性 首先在任何情况下都能够保护本线路的全长 且具有 足够的灵敏性 在满足上述要求下力求具有最小的动作时限 在满足上述要求下力求具有最小的动作时限 12 首要任务 保护线路全长 且有足够灵敏性首要任务 保护线路全长 且有足够灵敏性 其定值必须小于保护范围内的其定值必须小于保护范围内的最小短路电流最小短路电流 从而导致 保护范围必然要延伸到下一条线路 从而导致 保护范围必然要延伸到下一条线路 且定值越小且定值越小保护范围越大保护范围越大则灵敏度越高则灵敏度越高 限时电流速断保护工作原理限时电流速断保护工作原理 有什么有什么 且定值越小且定值越小 保护范围越大保护范围越大 则灵敏度越高则灵敏度越高问题 问题 保护的选择性 此时当下一线路出口处发生短路时 它 就要启动 保护的选择性 此时当下一线路出口处发生短路时 它 就要启动 解决办法 使保护动作带有 一定的时限 即其动作时限 解决办法 使保护动作带有 一定的时限 即其动作时限 比下一段线路中与其保护范比下一段线路中与其保护范 围重叠的保护高个时间段围重叠的保护高个时间段 2act I 围重叠的保护高围重叠的保护高一一个时间段个时间段 如何具有最小的动作时限 如何具有最小的动作时限 跟动作时间最短的保护配合跟动作时间最短的保护配合 首先考虑保护范围不超过下一 段线路的瞬时速断保护范围 首先考虑保护范围不超过下一 段线路的瞬时速断保护范围 动作电流 体现了保护范围 确保能保护线路末端动作电流 体现了保护范围 确保能保护线路末端 与下一线路电流速断配合在时间上最有利 这样只需 比电流速断保护高一个时间段 与下一线路电流速断配合在时间上最有利 这样只需 比电流速断保护高一个时间段 12 actrelact IKI 限时电流速断保护整定原则限时电流速断保护整定原则 kact kact II tt ttt 12 动作时限动作时限 比与之配合的保护高一个时间段比与之配合的保护高一个时间段 原则上 动作时限越短越 好 但要保证两个保护间 的选择性 不能太小 原则上 动作时限越短越 好 但要保证两个保护间 的选择性 不能太小 必须保证下一线路故障时必须保证下一线路故障时 由下线路保护切除故由下线路保护切除故 由下由下一一线路保护切除故线路保护切除故 障后 本保护有足够时间 返回 一般取0 5s 障后 本保护有足够时间 返回 一般取0 5s 13 电流速断和限时电流速断的联合工作可以保证全线 路范围内的故障都能在0 5s的时间予以切除 电流速断和限时电流速断的联合工作可以保证全线 路范围内的故障都能在0 5s的时间予以切除 因此 电流速断和限时电流速断构成线路的主保护因此 电流速断和限时电流速断构成线路的主保护 逻 辑 框 图 逻 辑 框 图 为了保证保护本线路的全长 限时电流速断保护必须 在系统最小运行方式下 线路末端发生两相短路时 具有足够的反应能力 为了保证保护本线路的全长 限时电流速断保护必须 在系统最小运行方式下 线路末端发生两相短路时 具有足够的反应能力 灵敏度系数灵敏度系数 保护装置灵敏性的校验保护装置灵敏性的校验 整定值保护装置的动作 的计算值量短路时故障 保护范围内发生金属性 整定值保护装置的动作 的计算值量短路时故障 保护范围内发生金属性 sen K I 灵敏度系数灵敏度系数 应根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的正常 运行方式和不利的故障类型来选定 应根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的正常 运行方式和不利的故障类型来选定 对应限时电流速断对应限时电流速断 2 act min B k sen I I K 5 1 3 1 sen K 灵敏系数不满足时的措施灵敏系数不满足时的措施 与下一线路限时速断配合 导致动作时限升高与下一线路限时速断配合 导致动作时限升高 14 单相原理接线单相原理接线 和下一条线路的限时电流速断保护的配合关系和下一条线路的限时电流速断保护的配合关系 t t 四 定时限过电流保护四 定时限过电流保护 起动电流按躲开最大负荷电流来整定的电流保护起动电流按躲开最大负荷电流来整定的电流保护 正常时不起动 一旦故障则能反应于 电流的增大而灵敏地起动 正常时不起动 一旦故障则能反应于 电流的增大而灵敏地起动 整定原则整定原则 选择性要求 选择性要求 动作电流动作电流 躲开最大负荷电流 引入可靠系数躲开最大负荷电流 引入可靠系数Krel 考虑电动机的自起动电流大于正常工 作电流 引入自起动系数 考虑电动机的自起动电流大于正常工 作电流 引入自起动系数KMs 1 考虑考虑返回问题返回问题 电流继电器起动电流电流继电器起动电流大于返回电流大于返回电流 要保要保 maxL re Msrel act I K KK I 考虑考虑返回问题返回问题 电流继电器起动电流电流继电器起动电流大于返回电流大于返回电流 要保要保 证外部故障切除后继电器能够返回 引入返回系数证外部故障切除后继电器能够返回 引入返回系数Kre 都是反应于电流升高而动作 都是反应于电流升高而动作 kact kact II tt 整定原则不同整定原则不同 瞬时速断是按躲开被保护元件末端的最大短路电 流来整定 瞬时速断是按躲开被保护元件末端的最大短路电 流来整定 限时速断是按躲开下级各相邻元件电流速断保护限时速断是按躲开下级各相邻元件电流速断保护 最小保护范围末端的最大短路电流整定最小保护范围末端的最大短路电流整定最小保护范围末端的最大短路电流整定最小保护范围末端的最大短路电流整定 过电流保护则是按躲开最大负荷电流来整定过电流保护则是按躲开最大负荷电流来整定 三段式电流保护整定是在保证选择性的前提下 实 现保护的快速动作 三段式电流保护整定是在保证选择性的前提下 实 现保护的快速动作 选择性选择性灵敏性 速动性灵敏性速动性 瞬时电流 速断保护 瞬时电流 速断保护 限时电限时电 流速断流速断 选择性选择性 电流定值时间定值电流定值时间定值 灵 敏 性 灵 敏 性 优 先 优 先 确确 动 作 速 动 作 速 度度流速断流速断 过电流 保护 过电流 保护 增 加 增 加 确确 保保 度度 减 慢 减 慢 17 三段式电流保护接线图三段式电流保护接线图 优点优点 简单 可靠 并且在一般情况下也能够满足快速切除简单 可靠 并且在一般情况下也能够满足快速切除 故障的要求故障的要求因此在电网中特别是在因此在电网中特别是在35kV35kV及以下的较及以下的较故障的要求故障的要求 因此在电网中特别是在因此在电网中特别是在35kV35kV及以下的较及以下的较 低电压的网络中获得了广泛的应用低电压的网络中获得了广泛的应用 缺点缺点 直接受系统的接线以及电力系统运行方式变化的影响直接受系统的接线以及电力系统运行方式变化的影响 整定值整定值必须按系统必须按系统最大运行方式最大运行方式来选择 而灵敏性来选择 而灵敏性 则必须用系统则必须用系统最小运行方式来校验最小运行方式来校验 这就使它往往这就使它往往则必须用系统则必须用系统最小运行方式来校验最小运行方式来校验 这就使它往往这就使它往往 不能满足灵敏系数或保护范围的要求 不能满足灵敏系数或保护范围的要求 18 七 电流保护的接线方式七 电流保护的接线方式 三相星形接线三相星形接线 优点 每相都装有电流 继电器 可以反应相间 优点 每相都装有电流 继电器 可以反应相间 故障和单相接地故障故障和单相接地故障故障和单相接地故障故障和单相接地故障 缺点 不够经济缺点 不够经济 三相星形接线方式原理图三相星形接线方式原理图 两相星形接线两相星形接线 优点 简单 经济优点 简单 经济 在中性点直接接地电在中性点直接接地电 网和非直接接地电网网和非直接接地电网 两相星形接线方式原理图两相星形接线方式原理图 网和非直接接地电网网和非直接接地电网 中 都是广泛地采用 它作为相间短路的保 护 中 都是广泛地采用 它作为相间短路的保 护 八 低电压保护在系统中的应用八 低电压保护在系统中的应用 低电压保护特点低电压保护特点 反应于电压降低而动作 且返回电压 动作电压反应于电压降低而动作 且返回电压 动作电压 在不同运行方式下的动作性能与电流保护相反在不同运行方式下的动作性能与电流保护相反 如 在最大运行方式下短路时 母线残压高 低电压保护 不易动作 而此时短路电流则最大 电流保护易于动作 如 在最大运行方式下短路时 母线残压高 低电压保护 不易动作 而此时短路电流则最大 电流保护易于动作 串联线路短路时 各母线电压不同 且电压随短路点距串联线路短路时 各母线电压不同 且电压随短路点距 离的变化曲线都是从零开始增大离的变化曲线都是从零开始增大 防止低电压保护误动防止低电压保护误动 同同一一母线上的其他线路短路时母线上的其他线路短路时 变电站母线将降低变电站母线将降低 同母线上的其他线路短路时同母线上的其他线路短路时 变电站母线将降低变电站母线将降低 电压互感器断线造成电压为零电压互感器断线造成电压为零 解决措施解决措施 利用本线路故障必然有电流增加这一特征 增加过 电流闭锁元件 利用本线路故障必然有电流增加这一特征 增加过 电流闭锁元件 actk actk UU II 19 最大运最大运 行方式 最小运 行方式 行方式 最小运 行方式 瞬时电压速断保护瞬时电压速断保护 躲开线路末端短路时的最小电压躲开线路末端短路时的最小电压 瞬时电压速断保护瞬时电压速断保护 躲开线路末端短路时的最小电压躲开线路末端短路时的最小电压 对应于最小运行方式对应于最小运行方式 与电流保护整定时不同与电流保护整定时不同 最大运 行方式 最大运 行方式 对应于最小运行方式对应于最小运行方式 与电流保护整定时不同与电流保护整定时不同 且不考虑故障类型且不考虑故障类型 对于保护对于保护1 min 1 BCL rel Ck act EZ K U U 最小运 行方式 最小运 行方式 max BCLABLSrel ZZZK 2 11 1 rel K 20 第二节 电网相间短路的方向性 电流 电压保护 第二节 电网相间短路的方向性 电流 电压保护 一 方向电流保护的工作原理一 方向电流保护的工作原理 三段式电流保护以单侧电源网络为基础进行分析三段式电流保护以单侧电源网络为基础进行分析 保护安装在被保护线路靠近电源一侧保护安装在被保护线路靠近电源一侧 短路特点 短路功率 感性功率 短路特点 短路功率 感性功率 总是总是从电源流向短路点从电源流向短路点 现代电力系统实际上为多现代电力系统实际上为多电源复杂电源复杂网络网络 感性功率感性功率 1 f 2 f 对于保护装置而言 流过其的短路电流只会由对于保护装置而言 流过其的短路电流只会由正方向 母 线指向线路的方向 正方向 母 线指向线路的方向 的故障点产生的故障点产生 在上述情况下按选择性条件和灵敏性要求配合协调工作在上述情况下按选择性条件和灵敏性要求配合协调工作 现代电力系统实际上为多现代电力系统实际上为多电源复杂电源复杂网络网络 1 f 2 f 在线路两侧均需装设断路器和保护装置在线路两侧均需装设断路器和保护装置 流过保护装置的短路电流可能由正方向或反方向的故障 点产生 流过保护装置的短路电流可能由正方向或反方向的故障 点产生 21 单纯电流保护对多电源复杂网络的不适应性单纯电流保护对多电源复杂网络的不适应性 保护配合最简单的方式是按单侧电源整定保护配合最简单的方式是按单侧电源整定 保护保护1 2 3 4按电源按电源EI单独供电时整定单独供电时整定 保护保护按电源按电源单独供电时整定单独供电时整定 对比正确动作和不正确动作的保护装置对比正确动作和不正确动作的保护装置 误动作的保护误动作的保护 都是在发生反方向故障时由对侧电源所都是在发生反方向故障时由对侧电源所 存在误动作的问题 本线路反方向的故障可能引起保护 误动 存在误动作的问题 本线路反方向的故障可能引起保护 误动 以以k1故障为例 可能引起保护故障为例 可能引起保护1 5误动误动 保护保护5 6 7 8按电源按电源EII单独供电时整定单独供电时整定 误动作的保护误动作的保护都是在发生反方向故障时由对侧电源所都是在发生反方向故障时由对侧电源所 供给的短路电流引起 此时短路功率方向是由被保护线 路流向母线 与被保护线路内部故障时的方向相反 供给的短路电流引起 此时短路功率方向是由被保护线 路流向母线 与被保护线路内部故障时的方向相反 解决办法解决办法 在原有保护的基础上增加一个功率方向闭锁元件在原有保护的基础上增加一个功率方向闭锁元件 使保护动作具有方向性 即该元件只当短路功率方向由使保护动作具有方向性 即该元件只当短路功率方向由 母线流向线路时动作母线流向线路时动作而当短路功率方向由线路流向母而当短路功率方向由线路流向母母线流向线路时动作母线流向线路时动作 而当短路功率方向由线路流向母而当短路功率方向由线路流向母 线时则闭锁电流保护而使其不动作 线时则闭锁电流保护而使其不动作 可把双侧电源网络电流保护拆开看成两个单侧电源网 络保护 前述的三段式电流保护工作原理和整定原则仍 可应用 可把双侧电源网络电流保护拆开看成两个单侧电源网 络保护 前述的三段式电流保护工作原理和整定原则仍 可应用 22 43 模拟式方向电流保护的原理接线模拟式方向电流保护的原理接线 方向元件方向元件 电流元件电流元件 电流元件电流元件 时间元件时间元件 23 二 功率方向继电器的工作原理二 功率方向继电器的工作原理 线路正 反方向短路时的电压 电流相位关系 正方向故障时 k1 正方向故障时 k1 反方向故障时 k2 反方向故障时 k2 1k Icos2 a b tg ba X XbXa 其中 其中 用计算机处理时 离散化的公式 为 用计算机处理时 离散化的公式 为 1 1 0 1 1 0 22 cos 22 sin N k k N k k axk NN bxk NN 衰减直流对傅氏算法的影响衰减直流对傅氏算法的影响 0k NN 衰减直流对傅氏算法的影响衰减直流对傅氏算法的影响 实际故障电流的非周期分量不是纯直流 而是按指数 规律衰减的 其频谱是连续的 实际故障电流的非周期分量不是纯直流 而是按指数 规律衰减的 其频谱是连续的 I f 被采样的故障电压 电流不是真正的周期函数 即理 论上不满足傅氏变换的要求 被采样的故障电压 电流不是真正的周期函数 即理 论上不满足傅氏变换的要求 必然产生误差必然产生误差 66 时域 频域 时域 频域 f 34 全波傅氏算法的频谱特性全波傅氏算法的频谱特性 能完全滤调各种整次谐波和纯直流分量能完全滤调各种整次谐波和纯直流分量 对非整次高频分量和按指数衰减的非周期分量所包含对非整次高频分量和按指数衰减的非周期分量所包含 的低频分量也有定的抑制能力的低频分量也有定的抑制能力的低频分量也有的低频分量也有一一定的抑制能力定的抑制能力 需要一个周波的数据窗长度 运算工作量中等需要一个周波的数据窗长度 运算工作量中等 谐波计算公式 谐波计算公式 1 0 22 cos N nk k axnk NN 67 1 0 22 sin N nk k bxnk NN 2 全波差分傅氏算法全波差分傅氏算法 目前 微机保护装置中常采用差分傅氏算法来削弱非 周期分量对算法精度的影响 目前 微机保护装置中常采用差分傅氏算法来削弱非 周期分量对算法精度的影响 先对采样数据进行差分处理 先对采样数据进行差分处理 1 1 2sin kkk xxx N 然后再进行傅氏变换然后再进行傅氏变换 1 1 1 1 22 cos 22 sin N k k N k k axk NN bxk NN N 然后再进行傅氏变换然后再进行傅氏变换 35 3 半波傅氏算法半波傅氏算法 仅需半个周波的数据窗仅需半个周波的数据窗 1 2 1 0 1 2 42 cos