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1 继电保护基本知识 黄少锋2007 1 2 一 几个基本概念二 电力系统短路的严重后果三 防止事故扩大的手段四 继电保护装置的作用五 继电保护的基本要求六 继电保护的分类七 继电保护的基本原理八 自动重合闸九 继电保护的典型配置 3 请提前准备你们关心的问题 4 一 一次和二次的概念1 简单地说 完成发电 送电 配电 用电过程的设备 均称为一次系统 或一次设备 如 发电机 变压器 输电线路 母线等 2 对一次设备进行监视 计量 调节和控制过程 可以采用直接的方式 但是 电压高 电流大 需要大设备 高投资 还容易危及人身安全 为此 通常将高电压 大电流变换为低电压 小电流后 再进行监视 计量 调节和控制 将经过互感器变换之后 在低电压 小电流范围内 完成监视 计量 调节和控制等功能的设备简称为二次设备 如继电保护 安全自动装置 一 几个基本概念 5 一 几个基本概念 6 一 几个基本概念 变压器 电压互感器 变换器的区别 原理一致 变压器 传输功率 互感器 变换器 传变信号 7 二 防雷与接地大地具有导电性良好 散流速度快等特点 接地的目的主要有三种 1 工作接地 中性点接地方式 2 保护接地 正常工作不带电的接地 如 电气设备的外壳 配电装置的金属架构等 保护人身的安全 交流电在50mA时 对人可能有致命危险 规定 安全电流为 30mA 3 防雷接地 导泄雷电流的接地 还兼有防止操作过电压的作用 如 避雷针 避雷线 避雷器 一 几个基本概念 8 一 几个基本概念 工作接地 星形连接的变压器 发电机中性点接地方式 1 中性点不接地早期或现在的低压 配网 系统 供电范围小 电压低 网络不大 在一相接地时 线电压 三相电流的大小和相位关系基本维持不变 仍然可以运行一段时间 有利于提高供电的可靠性 但是 在一相接地时 另外两相的电压会升高到一相电压的1 732倍 需要较高的绝缘水平 增加投资 同时 容易发生弧光过电压 导致事故 在一相接地时 一般不允许超过2小时 否则 可能导致绝缘损坏 发展成相间短路 9 一 几个基本概念 2 中性点经消弧线圈接地抵消电容电流的影响 使弧光易于自行熄灭 一般采取过补偿的方式 即感性电流大于容性电流 10 一 几个基本概念 3 中性点直接接地随着电压等级的升高 对绝缘的投资大大增加 为了降低造价 通常采用中性点直接接地的方式 电压越高 经济效益越大 任何接地短路和相间短路都将引起电流增大 因此 继电保护必须切除任何的短路 11 一 几个基本概念 4 中性点经电阻接地电阻值较多地取8 12 常用于低电压等级 接地方式的称谓 1 小电流接地系统 不接地 或经消弧线圈接地 2 大电流接地系统 中性点直接接地 3 经电阻接地系统 12 1 故障点通过很大的短路电流 并引起燃弧 使故障设备 绝缘损坏 对于家庭来说 还会引起火灾 2 短路电流通过非故障设备 产生热和电动力的作用 造成设备 绝缘损坏 或缩短使用寿命 3 部分地区的电压下降 断电 破坏电力用户的电能供给或产生废品 4 破坏电力系统并列运行的稳定性 引起振荡 甚至使整个电力系统瘫痪 如 2003年8月14日 美加大停电 损失很大 二 电力系统短路的严重后果 13 短路是不开避免的 如 雷击 台风 地震 绝缘老化 甚至放风筝 钓鱼等各种原因 防止事故扩大的手段 自动化技术 继电保护模型和最原始的手段 保险丝 航天 登月是目前公认的最先进技术 但是 其原型为 二踢脚 不能认为模型或原型简单 就没有技术性和先进性 三 防止事故扩大的手段 14 保险丝或空气开关仍然在每家每户中继续使用 但是 在电力系统中 短路电流很大 可达几十千安 希望切除短路的时间极快 30ms以内 还希望有措施能够自动恢复供电 这就需要研究专门的技术和手段 三 防止事故扩大的手段 15 继电保护是电力系统的重要组成部分 是保证系统安全 可靠运行的主要措施之一 在电网结构合理的前提下 保证电力系统和设备的安全运行 虽然电力系统出现故障的几率较低 但继电保护必须时时刻刻护卫着电力系统 在没有继电保护情况下 电力系统不能直接投入使用 类似于军队对于国家的作用 三 防止事故扩大的手段 16 1 自动 迅速 有选择地向断路器发出跳闸命令 将故障元件从电力系统中切除 保证其他无故障部分迅速地恢复正常运行 2 反应电气元件的不正常运行状态 发出信号 或进行自动调整甚至跳闸 此项作用一般允许带一定的延时动作 继电保护是电力系统的重要组成部分 是保证系统安全 可靠运行的主要措施之一 在电网结构合理的前提下 保证电力系统和设备的安全运行 虽然电力系统出现故障的几率较低 但继电保护必须时时刻刻护卫着电力系统 将受短路影响的停电范围限定在最小区域 四 继电保护装置的作用 17 动作于跳闸的继电保护 在技术上应满足四个基本要求 即可靠性 选择性 速动性和灵敏性 简称四性 1 可靠性可靠性是指 在继电保护设定的保护范围内发生了应该动作的故障时应可靠动作 不发生拒绝动作 简称不拒动 或信赖性 在继电保护不需要动作时应可靠不动 不发生误动作 简称不误动 或安全性 简单地说 就是要求保护该动作时应动作 不该动作时不动作 五 继电保护的基本要求 18 可靠性主要取决于保护装置本身的设计 制造质量和运行维护水平 可靠性是继电保护的最基本要求 因为误动和拒动都会给电力系统造成严重的危害 但提高不误动和不拒动的可靠性措施往往是矛盾的 即 采取了防误动的措施 就有增加拒动的可能性 采取了防拒动的措施 就有增加误动的可能性 由于电力系统的结构不同 具体电气设备 元件的作用和地位不同 误动和拒动的危害程度不同 因而 提高防误动和防拒动的着重点在具体情况下应当有所不同 五 继电保护的基本要求 19 2 选择性选择性是指 仅将故障元件从电力系统中切除 使停电范围尽量缩小 保证系统中无故障部分仍能继续安全运行 当然 在最靠近故障点的保护或断路器发生拒动时 由下一级的后备保护切除故障 则这个后备保护的动作也属于有选择性 在某些条件下必须加速切除短路时 可使保护无选择动作 但必须采取补救措施 例如采用自动重合闸或备用电源自动投入等方式来补救 五 继电保护的基本要求 20 五 继电保护的基本要求 K1发生短路时 应当由保护1和2快速地动作 去控制断路器跳闸 将故障切除 保证其它电气设备的继续运行和供电 停电范围最小 其它任何地方的保护动作 均属于误动 在K1短路后 如果保护2或断路器2拒动 则保护4和6的动作属于正确动作 起到后备作用 21 3 速动性速动性是指 尽可能快地切除故障 目的是提高电力系统的稳定性 降低设备的损坏程度 缩小故障波及范围 提高自动重合闸和备用电源 备用设备自动投入的效果 减少用户在低电压情况下的工作时间 故障切除的时间等于保护装置和断路器动作时间之和 目前 国内对应用于高电压等级的保护装置 要求 在第一次故障时 无附加延时元件的保护动作时间不大于30ms 五 继电保护的基本要求 22 4 灵敏性灵敏性是指 对被保护范围内发生故障或不正常状态的反应能力 通常采用灵敏系数来衡量 并留有一定的裕度 满足灵敏性要求的保护装置应该是 在设定的保护范围内故障时 不论短路点的位置 短路类型 以及是否有过渡电阻 保护都能敏锐 正确地反应 避免拒动 五 继电保护的基本要求 23 继电保护分类的方法有多种 按原理可分为 电流保护 方向电流保护 零序电流保护 阻抗保护 高频距离保护 高频方向保护 微波保护 光纤差动保护 行波保护等 按装置的结构可分为 电磁式 感应式 整流型 晶体管式 集成电路式 数字式等 还有按动作特性分类等等 按作用分类为 1 主保护 满足系统稳定和设备安全要求 能以最快速度 有选择地切除被保护设备和线路故障的保护 六 继电保护的分类 24 2 后备保护 在主保护或断路器拒动时 用以切除故障的保护 后备保护可分为远后备和近后备两种方式 1 远后备是当主保护或断路器拒动时 由相邻电力设备或线路的保护实现的后备 2 近后备是当主保护拒动时 由该电力设备或线路的另一套保护实现后备的保护 当断路器拒动时 由断路器失灵保护来实现的后备保护 六 继电保护的分类 就地的另一套或另一种保护 异地的保护 25 3 辅助保护 辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护 4 异常运行保护 异常运行保护是反应被保护电力设备或线路异常运行状态的保护 如 小电流接地系统发生单相接地 六 继电保护的分类 26 能够区分正常 不正常 故障三种状态的特征 都可以构成继电保护原理和技术 目前 常用的特征为 电流 电压 短路功率方向 阻抗以及电流和等 短路时 虽然也常常伴随着出现电压降低的情况 但是 由于电压互感器的二次侧断线后 容易引起电压元件动作 所以 单一的电压量很少构成继电保护的主判据 在继电保护中 如果没有特别说明 那么 所测量的电气量都是指工频信号 七 继电保护的基本原理 2020 3 17 27 可编辑 28 1 电流保护 在设计时 各种设备 电器应当允许长期通过此电流 通常小于额定电流 七 继电保护的基本原理 29 七 继电保护的基本原理 1 电流保护 30 七 继电保护的基本原理 家里的保险丝和空气开关均采用这种简单的基本原理 离散值大 动作慢 1 电流保护 31 七 继电保护的基本原理 离散值大 动作慢 原因很多 包括 材料 工艺等 离散值大 电源的波动 电能质量中 允许电压波动10 故 最小电压为0 9Ue 实际上 Zs还是变动的 与保险丝 空气开关作用相类似的电流保护仍然广泛地应用于低电压等级的配电网中 在三相系统中 故障情况与类型要比上述情况复杂得多 有 单相接地故障 两相接地故障 两相相间短路 三相短路 振荡 经过电阻接地 转换性故障等等 另外 2个及以上的电源系统中 电流保护无法满足选择性的要求 扩大停电范围 1 电流保护 32 七 继电保护的基本原理 在单相接地故障时 还可能需要仅仅选择出发生故障的那一相 只跳开故障相 然后 还需要进行自动重合 以便自动地恢复供电 当重合于故障时 还要再次跳闸 1 电流保护 33 七 继电保护的基本原理 在大电流接地系统中 发生单相或两相接地故障时 会出现零序分量 而正常运行时 没有零序分量 此特征十分明显 由此就构成了零序电流保护 零序分量构成 2 零序电流保护 大电流接地系统的零序分量特点 1 正常时 基本上没有零序分量 定值较低 2 接地故障时 短路点的3U0 3I0最大 3 三相零序分量的大小 相位相同 即相等 4 接地点都是零序电流的 注入点 因此 通常需要引入零序方向元件 才能保证选择性 34 七 继电保护的基本原理 零序电流保护的基本原理 1 利用零序电流的大小确定短路点的远近 根据不同的短路点 3I0的大小是不一样的 2 利用零序功率方向判别短路点的方向 正方向短路还是反方向短路 2 零序电流保护 1 正方向接地 仅分析M侧 N侧类似 35 七 继电保护的基本原理 2 零序电流保护 36 七 继电保护的基本原理 2 反方向接地 仅分析M侧 N侧类似 2 零序电流保护 37 七 继电保护的基本原理 正方向短路时 有 2 零序电流保护 反方向短路时 有 利用上述的区别 就可以判别短路点的方向 38 差动保护比较被保护设备各引出线上的电流 规定电流的正方向为流入被保护设备 与母线指向线路的方向一致 当各引出线之间在电路上相连时 被保护设备可以看作是电路中的一个节点 于是 在正常运行和外部短路时 每一相都满足基尔霍夫电流定律 电流和为0 即 七 继电保护的基本原理 3 差动保护 39 比较与 发现 二者有很大的区别 由此 就构成了 电流和 的保护 称为差动保护 由早期的电流定义方向所引起 称谓沿用至今 当内部发生短路时 短路电流经故障点流入大地或流入其他相 于是 有 七 继电保护的基本原理 3 差动保护 40 差动保护具有 选择性好 灵敏 快速的优点 具有明确区分内部和外部故障的能力 具有自然选相的功能 不受运行方式 非全相 串补电容 转换性故障 振荡及振荡中再故障等因素的影响 且内部短路电流通常都大于差动电流的启动值 是一种最简单 可靠的继电保护原理 在电力系统中得到了广泛的应用 导引线 微波和光纤通道都可以完成分相差动保护的信号传输 正常与外部短路时 有 七 继电保护的基本原理 3 差动保护 41 同时接触火线与零线时 仍有 同时 达不到空气开关或保险丝的动作值 危及生命 对地漏电或仅对火线触电时 有 动作跳闸 漏电保安器的原理与此类似 但是 需要注意 很可能保护不了 火线 与 零线 之间的短路 容易误解为 人不会触电 正常时 有 七 继电保护的基本原理 3 差动保护 42 如果差动保护是这么简单 那就十分省事了 所有差动保护必须研究如下几个共性的问题 1 必须躲过外部短路产生的最大不平衡电流 2 TA饱和的影响 3 TA断线的影响 4 对于直接电气连接的元件 如发电机单相绕组 不识别内部纵向短路 对于具体的被保护设备 还有另外的特殊问题 如线路差动保护的电容电流问题 变压器差动保护的励磁涌流问题等 差动保护的主要研究方向是如何解决这些共性和特殊性的问题 包括采取何种制动电流 七 继电保护的基本原理 3 差动保护 43 线路差动保护当差动保护应用于输电线路时 可以得到动作电流为 由于CT有传变误差 所以 动作电流应当考虑躲过外部短路时的最大不平衡电流 保证在任何外部短路情况下差动保护都不会误动 但是 可能会降低了内部短路时的灵敏度 为此 通常取实测电流的大小来计算不平衡电流常用的比率差动保护动作方程为 七 继电保护的基本原理 3 差动保护 44 正方向短路时 有 反方向短路时 有 七 继电保护的基本原理 4 阻抗保护 利用阻抗既可以判断短路点的位置 又可以判断方向 与短路点到保护安装处的距离成正比 故 又称为距离保护 45 1 自动重合闸的作用断路器跳闸后 重合闸装置能够自动地控制断路器重新合闸 采用重合闸技术后 主要可以获得如下效益 1 大大提高供电的可靠性 减少停电次数 2 提高系统并列运行的稳定性 3 对断路器或保护的误动作 能起到纠正作用 当然 如果重合于永久性故障上 也将带来不利的影响 1 系统再次受到故障的冲击 还可能降低并列运行的稳定性 2 使断路器的工作条件变得恶劣 八 自动重合闸 46 运行经验和统计数据表明 大部分架空线路的故障都属于瞬时性故障 因此 采用重合闸技术后 重合闸的成功率在90 以上 获得的利益远远高于不利的影响 重合闸功能实际上是一次试合闸的过程 八 自动重合闸 47 2 重合闸的分类1 单相重合闸 单相故障跳单相 重合一次 非单相故障 则三相跳闸 不重