继电保护的基本概念.doc

定时限和反时限为了实现过电流保护的选择性，应将线路各段的保护动作时间按阶梯原则来整定，即离电源端越近时限越长。每段时限级差一般为 0.5秒。继电器的动作时间和短路电流的大小无关。采用这种动作时限方式的称为定时限。定时限过流继电器为电磁式，配有时间继电器获得时限特性，其型号为DL型。 反时限是使动作时间与短路电流的大小有关，当动作电流大时，动作时间就短，反之则动作时间长，利用这一特性做成的继电器称为反时限过流继电器。它是感应式，型号为GL型。它的动作电流和动作时间的关系可分为两部分：一部分为定时限，一部分为反时限。当短路电流超出一定倍数时，电流的增加不再使动作时间缩短，此时表现为定时限特性。流过保护装置的短路电流与动作时间之间的关系曲线称为保护装置的延时特性。延时特性又分为定时限延时特性和反时限延时特性。定时限延时的动作时间是固定的，与短路电流的大小无关。反时限延时动作时间与短路电流的大小有关，短路电流大，动作时间短，短路电流小，动作时间长。短路电流与动作时限成一定曲线关系。正序负序零序在三相电源中，各相电压经过同一值（最大值或最小值）的先后次序称为三相电源的相序。如果各相电压的次序为A-B-C（或B-C-A、C-A-B），则这样的相序为正序或顺序。如果各相电压经过同一值的先后次序为A-C-B（或C-B-A、B-A-C），则这种相序称为负序或逆序。在三相四线制供电系统中，电压或电流出现不对称现象时，可以把不对称分量分解为正序、负序和零序分量。无论是正序、负序、零序分量，都是根据A、B、C三相的相位顺序来确定的。1）求零序分量：把三个向量相加求和。即A相不动，B相的原点平移到A相的顶端（箭头处），注意B相只是平移，不能转动。同方法把C相的平移到B相的顶端。此时作A相原点到C相顶端的向量（些时是箭头对箭头），这个向量就是三相向量之和。最后取此向量幅值的三分一，这就是零序分量的幅值，方向与此向量是一样的。 2）求正序分量：对原来三相向量图先作下面的处理：A相的不动，B相逆时针转120度，C相顺时针转120度，因此得到新的向量图。按上述方法把此向量图三相相加及取三分一，这就得到正序的A相，用A相向量的幅值按相差120度的方法分别画出B、C两相。这就得出了正序分量。 3）求负序分量：注意原向量图的处理方法与求正序时不一样。A相的不动，B相顺时针转120度，C相逆时针转120度，因此得到新的向量图。下面的方法就与正序时一样了。 通过上述方法大家可以分析出各种系统故障的大概情况，如为何出现单相接地时零序保护会动作，而两相短路时基本没有零序电流。 在这里再说说各分量与谐波的关系。由于谐波与基波的频率有特殊的关系，故在与基波合成时会分别表现出正序、负序和零序特性。但我们不能把谐波与这些分量等同起来。由上所述，之所以要把基波分解成三个分量，是为了方便对系统的分析和状态的判别，如出现零序很多情况就是发生单相接地，这些分析都是基于基波的，而正是谐波叠加在基波上而对测量产生了误差，因此谐波是个外来的干扰量，其数值并不是我们分析时想要的，就如三次谐波对零序分量的干扰。当中性点直接接地的电网（又称大接地电流系统）中发生接地短路时，将出现很大的零序电流，而在正常运行情况下它们是不存在的，因此利用零序电流来构成接地短路的保护，就具有显著的优点。一、零序电压过滤器 为了取得零序电压，通常采用如图2-46（a)所示的三个单相式电压互感器或图2-46（b)所示的三相五柱式电压互感器，其一次绕组接成星行并将中性点接地，其二次 绕组接成开口三角形，这样从m,n 端子上得到的输出电压为Umn=Ua+Ub+Uc=3U0而对正序或负序分量的电压，因三相相加后等于零，没有输出。因此，这种接线实际上就是零序电压过滤器。二、零序电流过滤器 为了取得零序电流，通常采用三相电流互感器按图2-47（a)方式连接，此时流入继电器回路中的电流为Ij=Ia+Ib+Ic=3I0而对正序或负序分量的电流。因三相相加后等于零，因此，就没有输出。这种过滤器的接线实际上就是三相星形接线方式中，在中线上所流过的电流。零序电流过滤器也会产生不平衡电流，其等效回路可用图2-47（b)来表示。在正常运行和一切不伴随有接地的相间短路时，三个电流互感器一次侧电流的向量和必然为零。因此，流入继电器中的电流即为：Ij=-1/(Ila+Ilb+Ilc)=Ibp此Ibp称为零序电流过滤器的不平衡电流。它是由三个互感器励磁电流不相等而产生的而励磁电流的不等，则是由于铁心的磁化曲线不完全相同以及制造过程中的某些差别而引起的。当发生相间短路时电流互感器一次侧流过的电流值最大并且包含有非周期分量，因此不平衡电流也达到最大值，以Ibpmax表示。 当发生接地短路时，在过滤器的输出端有3I0的电流输出，此时，Ibp相对于I0一般很小，因此，可以忽略，零序保护即可反应于这个电流而动作。三、零序电流速断（零序I段）保护在发生单相或两相即时，也可以求出零序电流3I0随线路长度l变化的关系曲线，然后相似于相间短路电流保护的原则，进行保护的整定计算。其整定原则如下： 1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0max,引入可靠系数Kk（一般取为1.2-1.3),即为Idz=Kk*3I0.max 2)躲开断路器三相触头不同期合闸时所出现的最大零序电流3I0.bt,引入可靠系数Kk即为Idz=Kk*3I0.bt如果保护装置的动作时间大于断路器三相不同期合闸的时间，则可以不考虑这一条件。整定值一般取其中较大者。 3）当线路上采用单相自动重合闸时，通常是设置两个I段保护，一个是按条件或整定（由于其定值较小，保护范围较大，因此称为灵敏I段），它的主要任务是对全相运行状态下的接地故障起保护作用，具有较大的保护范围，而当单相重合闸起动时则将其自动闭锁，需待恢复全相运行时才重新投入。另一个是按条件（3）的整定（由于它的定值较大，因此称为不灵敏I段），装设它的主要目的是为了在单相重合闸过程中其它两相又发生接地故障时，用以弥补失去灵敏I段的缺陷，尽快地将故障切除。四、零序电流限时速断（零序II段）保护 零序II段地工作原理与相间短路限时电流速断保护一样，其起动电流首先考虑和下一条线路地零序电流速断相配，可参照2-14式的原则选择，并带有高出一个t的时限，以保证动作的选择性。五、零序过电流（零序III段）保护 零序III段的作用相当于相间短路的过电流保护，在一般情况下是作为后备保护使用的。但在中性点直接接地电网中的终端线路上，它也可以作为主保护使用。在零序过电流保护中，对继电器的起动电流，原则上是按照躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Ibp.max来整定，引入可靠系数Kk即为Idz.j=Kk*Ibp.max 同时还必须要求各保护之间在灵敏系数上要互相配合，满足2-23的要求。因此，实际上对零序过电流保护的整定计算，必须按逐级配合的原则来考虑，具体来说，就是本保护零序III段的保护范围，不能超出相邻线路上零序III段的保护范围。当两个保护之间具有分支电路时，保护装置的起动电流应整定为：Idz=Kk*Idz.1/Ko.fz保护装置的灵敏系数，当作为相邻元件的后备保护时，应按相邻元件末端接地短路时，流过本保护的最小零序电流来校验。六、方向性零序电流保护在双侧或多侧电源的网络中，电源处变压器的中性点一般至少有一台要接地，由于零序电流的实际流向是 由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此在变压器接地数目比较多的复杂网络中，就需要考虑零序电流保护动作的方向性问题。在零序电流保护上增加功率方向元件，利用正方向和反方向故障时，零序功率方向的差别，来闭锁可能误动作的保护，才能保证动作的选择性。 七、零序电流保护的评价 与相间短路电流保护相比，零序电流保护具有很多优点： 1）相间短路的过电流保护系按照大于负荷电流整定。大家器的起动电流一般为5-7A，而零序过电流保护则按照躲开不平衡电流的原则整定，其值一般为2-3A，由于发生单相接地短路时，故障相的电流与零序电流3Io相等，因此，零序过电流保护的灵敏系数高。此外，零序过电流保护的动作时限也较相间保护为短。 2）相间短路的电流速断和限时电流速断保护直接受系统运行方式变化的影响很大，而零序电流保护受系统运行方式变化的影响要小得多。 3）当系统中发生某些不正常运行状态时，例如系统振荡，短时过负荷等。三相是对称的，相间短路的电流保护均受它们的影响而可能误动作，因而需要采取必要的措施予以防止，而零序保护则不受它们的影响。 4）在110KV及以上的高压和超高压系统中，单相接地故障约占全部故障底50%-90%，而且其它的故障也往往是由单相接地发展起来的。因此，专门的零序保护就具有显著的优越性，从我国电力系统的实际运行经验中，也充分证明了这一点。零序电流保护的缺点： 1）对于短线路或运行方式变化很大的情况，保护往往不能满足系统运行所提出的要求； 2）随着单相重合闸的广泛应用，在重合闸动作的过程中将出现非全相运行状态再考虑显然两侧的电机发生摇摆，则可能出现较大的零序电流，因而影响零序电流保护的正确工作，此时应从整定计算上予以考虑，或在单相重合闸动作过程中使之变短退出运行。 3）当采用自耦变压器联系两个不同电压等级时，则任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，这将使零序保护的整定配合复杂化，并将增大第III段保护的动作限。发电机正常运行时发出的是三相对称的正序电流。发电机转子的旋转方向和旋转速度与三相正序对称电流所形成的正向旋转磁场的转向和转速一致，即转子的转动与正序旋转磁场之间无相对运动，此即“同步”的概念。当电力系统发生三相不对称短路或负荷三相不对称时，在发电机定子绕组中就流过负序电流，该负序电流在发电机气隙中产生反向（与正序电流产生的正向旋转磁场方向相反）旋转磁场，它相对于转子来说为2倍的同步转速，因此在转子中就会感应出100HZ的电流，即所谓的倍频电流，该倍频电流的主要部分流经转子本体、槽锲和阻尼条，而在转子端部附近沿周界方向形成闭合回路，这就使得转子端部、护环内表面、槽锲和小齿接触面等部位局部灼伤，严重时会使护环松脱，给发电机造成灾难性破坏，即通常所说的“负序电流烧机”，这是负序电流对发电机的危害之一。另外，负序（反向）气隙旋转磁场与转子电流之间，正序（正向）气隙旋转磁场与定子负序电流之间产生的100HZ的交变电磁力矩，将同时作用于转子大轴和定子机座，引起频率为100HZ的振动，此为负序电流危害之二。汽轮发电机承受负序电流的能力，一般取决于转子的负序电流发热条件，而不是发生的振动。 鉴于以上原因，发电机应装设负序电流保护。负序电流保护按其动作时限分为定时限和反时限两种。前者用于中型发电机，后者用于大型发电机。 发电机不对称过负荷及过电流保护 发电机不对称过负荷及过电流保护实际是保护发电机转子的，故又称为转子表层负序过电流保护。 该保护通常有定时限过负荷及反时限过电流两部分组成。而反时限过电流保护的整定值，通常有上限动作电流值及动作时间、反时限特性、下限动作电流值及动作时间组成。 （1）负序过负荷保护的整定计算。负序过负荷保护为定时限保护。 1）动作电流的整定。负序过负荷保护的动作时间I2dz，应按躲过发电机长期允许的负序电流I2来整定。 I2dzKrel(I2/Kr)*IN Krel可靠系数，取1.051.1； Kr返回系数，对于微机保护取0.95； IN发电机额定电流（TA二次值）； I2发电机长期允许的负序电流标幺值（以发电机额定电流为基准）。也可按照发电机额定电流的8%来整定。 2）动作延时的整定。动作延时可整定为69S，出口发信号。 （2）负序反时限过流保护 1）反时限部分的整定。负序反时限过流保护的反时限部分的动作时间t，应按发电机负序电流与允许持续时间的关系来整定。 t=A/(I2平方-) A：与转子表层承受负序电流能力有关的常数。 I2平方：负序电流标幺值（以发电机额定电流为基准）。 ：与发电机转子散热有关的常数，通常取0.010.02。 转子表层承受负序电流的能力，与发电机的容量、结构及冷却方式均有关系，对于容量为300MW级一下且转子为直冷式的发电机，A值可取810。 2）反时限上限的整定。对于发电机变压器组的负序反时限过流保护，其上限电流I2dzmax应按照变压器高压母线上两相短路的条件来计算及整定。 即：I2dzmax(KrelIN)/(Xd+X2+2XT) IN发电机额定电流（TA二次值） Krel可靠系数，取1.051.1 X2发电机负序电抗（标幺值） XT主变压器电抗（标幺值） 上限的动作延时t1，应按与高压母线出线短路保护的I段动作时间配合的原则整定。 即t1tI三角t tI高压母线所接出线上保护的I段动作时间（约为0.1S） 三角t时间级差，可取0.30.5S 3）反时限下限的整定。反时限电流I2dzmin应按照与负序反时限过负荷保护的配合来整定，即： I2dzmin=KCI2dz KC配合系数，取1.1； I2dz负序过负荷保护的动作电流。下限动作时间按上式计算，当计算时间大于1000S时，按1000S整定。 负序电压保护：保护由纵向零序电压和故障分呈负序方向判据构成,设置PT断线闭锁措施，作为发电机内部匝间、相间短路以及定子绕组开焊的主保护.故障分量负序方向判据通过检测流出发电机的负序功率实现纵向零序电压判据通检测中性点与发电机中性点直接相连但不接地的3PT开口三角绕组所输出的纵向3U0实现。保护动作于全停。1 发电机失磁保护 失磁保护作为发电机励磁电流异常下降或完全消失的失磁故障保护。由整定值自动随有功功率变化的励磁低电压Ufd(P)、系统低电压、静稳阻抗、TV断线等判据构成，分别动作于发信号和解列灭磁。 励磁低电压Ufd(P)判据和静稳阻抗判据均与静稳边界有关，可检测发电机是否因失磁而失去静态稳定。静稳阻抗判据在失磁后静稳边界时动作。 TV断线判据在满足以下两个条件中任一条件：Ua+Ub+Uc3U0Uset(电压门坎)或三相电压均低于8V，且0.1AIA 2 发电机过激磁保护 过激磁保护是反应发电机因频率降低或者电压过高引起铁芯工作磁密过高的保护。过激磁保护分高、低两段定值，低定值经固定延时5s发出信号和降低励磁电压（降低励磁电压、励磁电流的功能暂未用），高定值经反时限动作于解列灭磁。反时限延时上限为5秒，下限为200秒。 3 发电机定子接地保护 发电机定子接地保护作为发电机定子单相接地故障保护，由基波零序电压部分和三次谐波电压两部分组成，基波零序电压保护机端至机尾95%区域的定子绕组单相接地故障，由反映发电机机端零序电压原理构成，经时限t1（3s）动作于解列灭磁；三次谐波电压保护机尾至机端30%区域的定子绕组单相接地故障，由发电机中性点和机端三次谐波原理构成，经时限t2（5s）动作于信号。二者组成100%的定子接地保护。保护设有断线闭锁。 4 发电机定子匝间保护 保护由纵向零序电压和故障分呈负序方向判据构成,设置PT断线闭锁措施，作为发电机内部匝间、相间短路以及定子绕组开焊的主保护.故障分量负序方向判据通过检测流出发电机的负序功率实现纵向零序电压判据通检测中性点与发电机中性点直接相连但不接地的3PT开口三角绕组所输出的纵向3U0实现。保护动作于全停。 5 失步保护 保护采用三阻抗元件，通过阻抗的轨迹变化来检测滑极次数并确定振荡中心的位置。在短路故障、系统振荡、电压回路断线等情况下，保护不误动作。保护一般动作于信号；当振荡中心在发电机变压器组内部，保护I段启动经t1(0.5s)发跳闸命令, 动作于解列灭磁；当振荡中心在发电机变压器组外部，保护II段启动经t2(2s)发信号。保护装设有电流闭锁装置，用以保证在断路器断开时电流不超过断路器额定失步开断电流。 6 低频累加保护 低频累加保护反应系统频率降低对汽轮机影响的累积效应，保护由灵敏的频率继电器和计数器组成，经出口断路器辅助接点闭锁（即发电机退出运行时低频累加保护也退出运行），累计系统频率低于频率定值47.5Hz的时间，当累计时间达到整定值3000秒时，经延时30秒动作于发信号。装置在运行时可实时监视：定值，频率f及累计时间的显示。 发变组差动保护、变压器差动保护及高变差动保护是被保护元件内部相间短路故障的主保护，采用比率制动式原理。区外故障时可靠地躲过各侧CT特性不一致所产生的不平衡电流，区内故障保护灵敏地动作。为避免在变压器励磁涌流作用下保护误动，保护采用二次谐波闭锁。保护设有不经二次谐波闭锁差流速断功能，当差动电流达到整定值时瞬间切除故障。保护具有CT断线闭锁功能（实际未用）。CT断线判别与发电机差动保护相同。 7 励磁回路过负荷保护 励磁回路过负荷保护用作转子励磁回路过流或过负荷的保护，接成三相式，由定时限和反时限两部分组成。 定时限部分动作电流按正常运行最大额定电流下能可靠返回的条件整定，经时限t1(5s)动作于信号和降低励磁电流（降低励磁电流的功能未用）；反时限部分动作特性按发电机励磁绕组的过负荷能力确定，保护动作于解列灭磁，反时限上限为10秒。 8 发电机转子一点接地保护 发电机转子一点接地保护用于反应发电机转子回路一点接地故障，保护采用乒乓式切换原理，轮流采样转子回路正、负极对地电压，通过求解两个不同的接地回路方程，实时计算转子接地电阻和接地位置。保护经延时2秒动作于信号。 9 发电机对称过负荷保护 保护装置由定时限和反时限两部分组成，定时限部分经时限5秒动作于信号。反时限动作特性按发电机承受过负荷电流的能力确定，动作于解列。保护装置能反应发电机定子的热积累过程。 10 发电机负序过负荷保护 保护装置由定时限和反时限两部分组成，定时限动作电流按躲过发电机长期允许的负序电流值和躲过最大负荷下负序电流滤过器不平衡的电流值整定，经时限3秒动作于信号。反时限动作特性按发电机承受负序电流的能力确定，动作于解列灭磁。保护装置能反应发电机转子的热积累过程。 11 发电机过电压保护 在发电机并网前，如机端电压达到1.3倍额定值时，发电机过电压经延时0.5秒动作于解列灭磁。当发电机并网后，自动退出此保护。发电机变压器组是否并网通过主变220KV侧开关辅助接点状态进行判别。基于大型发电机的特点，在考虑机组继电保护的总体配置时，着重强调最大限度地保证机组安全和最大限度缩小故障破坏范围，在发电机故障时应能将损失减小到最小，在非正常状况时应在充分利用发电机自身能力的前提下确保机组本身的安全，尽可能避免不必要的突然停机。1、 发电机纵差动保护为定子绕组及其引出线相间短路的主保护。根据比较被保护元件始端和末端电流的相位和幅值的原理构成。在发电机中性点侧和出口侧装设同一型号和变比的电流互感器，保护范围即为这两组互感器之间的定子绕组及其引出线。 2、 发电机横差动保护当发电机定子绕组为双星形接线时，需装设横差保护，以消除由于线棒变形、振动等造成绝缘损坏或长期受热和电老化造成绝缘老化，而引起的定子绕组匝间、分支间短路或分支开焊等故障。3、 发电机过电流保护主要用作发电机外部短路及内部故障时的后备保护。发电机外部故障时，流过发电机的稳态短路电流不大，有时甚至接近发电机的额定负荷电流，所以发电机的过电流保护一般采用低电压启动或复合电压启动。过电流继电器接于发电机中性点侧的电流互感器上（也可接在发电机端侧的CT），低电压继电器接于接在机端电压互感器的相间电压上，在发电机并网前发生故障时，保护装置也能动作。在发电机发生过负荷时，过电流继电器可能动作，但因这时低电压继电器不动作，保护被闭锁。4、 发电机过负荷保护对于大型发电机，定子绕组的过负荷保护一般由定时限和反时限两部分组成，一般采用三相式，电压形成回路的输出电压决定于三相中最大的一相电流（微机型保护中没有大小相电流的选择，每相均设保护），这样做的目的是为了保护装置能反应伴随不对称短路之后发电机最严重的发热情况。5、 发电机负序过电流保护当发电机内部或外部发生不对称短路，一相或两相断线的系统的非全相运行，或当发电机供给的负荷不对称时，定子线圈将出现负序电流。由于定子绕组中的负序电流所建立的发电机气隙旋转磁场与转子旋转方向相反，因此该磁场就以两倍的同步速度切割转子。在转子绕组及转子铁芯内感应出倍频的交变电流，该电流在转子中引起额外的损坏和发热，会使发电机转子严重烧伤。另一方面，负序电流的旋转磁场，产生两倍频率的交变电磁转矩，也会使机组产生100Hz的振动，引起金属疲劳和机械损伤。为防止这些问题的发生，必须装设负序电流保护。6、 发电机过电压保护当发电机在满负荷下突然甩负荷时，电枢反应突然消失，由于调速系统和励磁调节系统都存在惯性，转速仍然上升，励磁电流不能突变，使得发电机电压在短时间内能达到额定电压的1.3-1.5倍，持续时间达几秒之久，这将对发电机的主绝缘构成威胁，因此需要装设发电机过电压保护。有一段式定时限过电压保护，根据整定电压的大小而取相应的延时，然后动作于信号或跳闸；两段式定时限过电压保护，第一段低定值延时发信或跳闸，第二段高定值瞬时跳闸；定时限和反时限过电压保护，定时限部分取较低的整定值，动作于发信，反时限经相应的时间动作于跳闸。本厂采用一段式并瞬时跳闸，动作电压一般取1.2-1.3倍额定电压，瞬时跳闸。7、