电力系统继电保护.ppt

1 电力系统继电保护 2 关于继电保护及安全自动装置的定义 当电力系统中的电力元件 如发电机 线路等 或电力系统本身发生了故障或发生了危及其安全稳定的事件时 向运行值班人员及时发出警告信号 或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令 以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备 实现这种自动化措施的成套硬件设备 用于保护电力元件的 一般通称为继电保护装置 而用于保护电力系统的则通称为电力系统安全自动装置 继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本装备 任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行 电力系统安全自动装置则用以快速恢复电力系统的完整性 防止发生和终止已开始发生的足以引起电力系统长期大面积停电的重大系统事故 如失去电力系统稳定 频率崩溃和电压崩溃等 摘自中国电力百科全书 3 继电保护与安全自动装置的同异 作用 保证电力系统的安全稳定运行相同之处 对运行中的系统或电力设备进行实时的在线监视 并依照预先设定的方案进行控制继电保护 对应单个元件 当某一电力设备发生故障时 发出告警信号或作用于断路器将其退出运行 安全自动装置 对应全部或部分系统 在系统的运行状态发生变化 且有可能造成大范围的事故之前 将部分负荷 发电机 变压器与系统解列 或将原运行的大系统接列为若干个独立运行的系统 从而避免系统的失稳或瓦解 4 继电保护在电力系统中的重要作用 电力系统的日常运行中较常见的故障和不正常运行工况 短路 断线 接地 过负荷 振荡等上述故障和不正常运行工况的危害 如果处理不及时或处理不当 往往会引发更大范围的系统事故 造成系统的全部或部分的正常运行状态遭到破坏 用户停电 电能质量破坏和设备损坏 出现上述故障或不正常运行工况后的处理措施 迅速地将故障部分与正常运行的系统相隔离 将故障造成的影响减少到最低限度 避免事故的扩大 保证电力系统的安全稳定运行 通常 在系统发生故障时 依靠人的判断和处理是来不及的 这一任务须由继电保护和安全自动装置来完成 5 故障特征 故障量 主要继电保护装置的基本原理 用于继电保护状态判别的故障量 随被保护对象而异 也随所处电力系统的周围条件而异 使用得最为普遍的是工频电气量 最基本的是通过电力元件的电流和所在母线的电压 以及由这些量演绎出来的其他量 如功率 相序量 阻抗 频率等 从而构成电流保护 电压保护 阻抗保护 频率保护等 有关规定 6 继电保护的分类 按照保护原理分类按照故障类型分类按照保护的范围分类按被保护设备分类按照保护的硬件结构分类 7 继电保护是一个系统 继电保护 直流电源系统 反映系统运行状态的电气量和非电气量 告警信号 断路器 通信设备及通道 调度自动化 信息远传 综合自动化系统 故障录波 安全自动装置 系统运行方式 8 继电保护投入运行前的准备工作 保护装置的选型配置 保护定值的整定计算 保护装置的安装 调试 继电保护系统的传动检查 利用实际系统进行保护交流输入回路正确性的检查 9 影响继电保护正确动作主要因素 直流电源异常交流电流 电压回路异常继电保护装置本身异常继电保护外部直流回路异常电磁干扰 电磁兼容 纵联通道异常继电保护设计考虑不周导致的原理缺陷人员行为失误导致的继电保护不正确动作一次系统方式不合理导致的继电保护不正确动作其它 10 继电保护的事故分析 简单事故较容易判断 根据保护动作情况 开关动作情况以及系统内其它厂站是否感受到故障冲击便可确定 复杂事故的分析较为困难 特别是在一次事故中有多套保护动作 多台开关跳闸时 事故分析便需要根据保护动作情况 开关动作顺序 多个厂站的故障录波图以及其它事故追忆报告 经验等综合进行分析 继电保护事故的分析应综合考虑事故现场的环境 如现场是否有人工作 相邻设备是否发生故障 天气情况等 在做出继电保护动作行为正确与否的判断前千万慎重 11 继电保护装置运行中的注意事项 继电保护必须按照经过计算的定值进行整定 继电保护运行必须提前制订现场运行规程 继电保护出现异常时 必须及时退出 并通知有关专业人员进行处理 线路两侧的纵联保护应同时投退 否则有在区外故障时误动 纵联差动类保护非正常断开一侧电流或非正常停用单侧保护装置 可能会导致误动 12 谢谢 13 1 过电流保护2 低电压保护3 高 过 电压保护4 功率方向保护5 阻抗 距离 保护6 差动保护7 暂态分量保护8 非电气量保护 按照保护原理分类 14 按照故障类型分类 相间故障保护 接地故障保护 匝间短路保护 非全相运行保护 15 按照保护的范围分类 电力系统元件 发电机 变压器 线路 母线 电动机等等 继电保护的基本任务 也是对继电保护配置的总体要求 是当被保护的电力系统元件发生故障时 应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给距离故障元件最近的断路器发出跳闸命令 使故障元件及时从电力系统中断开 以最大限度地减少对电力元件本身地损坏 降低对电力系统安全供电的影响 并满足电力系统的某些特定要求 如保持电力系统的暂态稳定性等 充当这种第一线保护作用的继电保护叫主保护 而当这个任务不能实现时 则应由其他的继电保护或相邻电力元件的继电保护动作 将故障元件自电力系统中断开 起后一种保护作用的继电保护叫后备保护 16 按被保护设备分类 线路保护发电机变压器组保护变压器保护母线保护断路器失灵保护电动机保护电抗器保护 17 按照保护的硬件结构分类 电磁型保护晶体管型保护集成电路型保护微机型保护 18 线路保护 主保护 对于超高压线路 一般将能够瞬时切除本线路故障的纵联保护称之为主保护纵联方向保护纵联距离保护纵联电流差动保护后备保护 能够瞬时的切除本线路的部分故障 能够经过预定的延时切除本线路和相邻线路的故障 通常是用于主保护因故不能发挥作用时的备用措施阶段式阻抗 距离 保护阶段式零序电流保护电流保护过电压保护 19 发电机变压器组保护 发变组大差动保护发电机差动保护定子接地保护转子接地保护负序过电流保护发电机匝间短路保护逆功率保护变压器差动保护阻抗保护过电流保护瓦斯保护 20 变压器保护 变压器差动保护阻抗保护复合电压闭锁过电流保护过激磁保护瓦斯保护 21 母差保护 比例制动式母差保护母联电流相位比较式母差保护不完全差动式母差保护固定分配式母差保护 22 断路器失灵保护 失灵作用是 当系统发生故障 相应的保护装置动作 但与其对应的断路器因故不能跳开切除故障 此时 失灵保护跳开与拒动断路器相邻的其它断路器 以便将故障点与系统隔离 23 继电保护配置选型原则 两点基本要求 任何电力设备和线路 在任何时候不得处于无继电保护的状态下运行 任何电力设备和线路在运行中 必须在任何时候均由两套完全独立的继电保护装置分别控制两套完全独立的断路器跳闸回路实现保护 继电保护的配置与选型应符合 四性 的要求 可靠性选择性灵敏性速动性 24 继电保护的整定计算 目的 对电力系统中已经配置安装好的各种继电保护装置 按照具体电力系统的参数和运行要求 通过计算分析给出所需的各项整定值 使全系统中各种继电保护有机协调配合 使其正确地发挥作用 基本任务 对各种继电保护给出整定值 而对电力系统中的全部继电保护来说 则需编制一个整定方案 整定方案通常按电力系统的电压等级或设备来编制 按照继电保护的功能划分成小的方案分别进行 各种继电保护适应电力系统运行变化的能力都是有限的 因而 继电保护整定方案也不是一成不变的 当电力系统运行情况的变化超过其预定的适应范围时 就需要对全部或部分继电保护装置重新进行整定 以满足新的运行要求 25 继电保护整定配合的三个要点 保护的范围要有配合 上一级的保护范围比下一级的范围小 末端发生短路时 本级保护的灵敏度要比上一级保护的灵敏度高 时间定值上要有配合 上下级保护的时限要有级差 保护整定时要考虑方向性 26 干扰 现代电力系统 尤其是发电厂与变电所内 是一个具有高强度电磁场环境的特殊地域 从电磁能量发送和接收的角度来看 站内的电气设备在正常和异常运行状态下都会产生或遭受到各种电磁干扰 例如高压电气设备的倒闸操作 低压交直流回路的电气设备操作 短路故障等所产生的瞬变过程 电气设备周围的静电场和磁场 电晕 雷电 电磁波辐射 人体与物体的静电放电等都会产生频率 瞬间电压较高的噪声 因此 装在高压变电所内的继电保护和自动装置不断受到正常运行情况下和某些特殊偶然情况下的强电磁场干扰 并使站内运行的二次设备 特别是继电保护装置 受到严重影响 27 干扰 自从半导体技术引入继电保护装置 特别是近年来采用了微机型保护 高压变电所的强电磁干扰影响成为一个突出的问题 造成高压变电所强电磁干扰环境有多种因素 诸如雷击 系统故障 变电所内高压开关操作 以及来自二次回路的操作和电网谐波等等 如何与变电所的电磁干扰相协调 已成为一个突出的问题 28 为什么现在的保护抗干扰问题这么突出 60年代以前继电保护装置大多是由具有很高抗电磁干扰能力的电磁型元件构成时 变电所的电磁干扰问题并没有提上议事日程 60年代中期以后电网最高电压由230 345kV提高到400 735kV半导体器件 微电子器件开始应用于高压变电所继电保护与自动装置无屏蔽的塑料控制电缆逐渐取代原来的铠装铅包电缆二次回路设备的电磁干扰问题慢慢开始突显出来 29 干扰的来源 雷击隔离开关操作步话机辐射干扰工频干扰 断开直流回路电感线圈静电放电中压开关柜操作直流电源的中断及恢复 30 抗干扰的基本措施 为保证控制与继电保护装置的正常运行 一方面是这些装置本身应具有符合要求的抗干扰能力 另一方面应该采取相应措施使传到这些二次设备的干扰水平降低到它们可以接受的水平 提高继电保护的抗干扰能力可通过以下方法实现 降低干扰源的能量 电压加强防护 减少干扰信号的侵入吸收干扰信号提高设备自身成受干扰的能力以上四项措施相互结合 共同作用 31 阶段式保护动作范围及时序 32 线路纵联保护的介绍 仅反应线路一侧电气量的保护装置 由于计算误差 互感器和保护装置本身的误差 以及系统运行方式 短路暂态过程等因素的影响 不能将本线路末端的故障与相邻线路始端的故障区分开来 为保证选择性 在线路末端发生故障时 这种保护只能带一定延时动作 利用信号传输通道作为媒体将线路一侧的电气量或保护装置对故障方向的判断传送到线路另一侧 使保护装置能同时根据线路两侧的电气量或跳闸信息 区分本线路与相邻线路的故障 便可无延时地切除本线路任意一点发生的故障 借助于通道构成全线速动的线路保护统称为线路纵联式保护 33 线路纵联保护所使用的通信通道 线路高频相差保护闭锁式高频方向保护闭锁式高频距离保护导引线纵差保护 允许式纵联方向保护允许式纵联距离保护行波保护分相式线路纵差保护 继电保护专用高频收发信机 导引线 FSK音频接口 电力载波机 微波 光纤等 微波 光纤 34 纵联保护的基本构成 2020 3 17 35 可编辑 36 高频通道的构成 37 继电保护专用收发信机 参数 额定频率范围 50 400kHz 额定中心频率 f0 f0 50 2n kHz n 0 1 2 3 175 额定带宽 4kHz 额定输出阻抗 75 100 不平衡额定输出电平 功率 40dBm 10W 43dBm 20W 46dBm 40W 调制方式 ON OFF方式 38 继电保护专用收发信机 39 继电保护音频接口 40 关于电流方向的定义 所有接在母线上的元件均以母线作为参考点 规定电流流出母线为正方向 流入母线为反方向 如果以母线线电压为基准 当负载为纯感性时 正方向的电流反映为 电流落后电压90 当负载为纯阻性时 正方向的电流反映为 电流与电压同相位 41 电流 电压波形 42 故障电流的方向 43 相间故障录波 44 接地故障录波 45 以母线流向被保护线路方向为正方向 动作电流 差动电流 为 制动电流为 动作电流与制动电流对应的工作点位于比率制动特性曲线上方 继电器动作 输电线路电流纵差保护原理 46 线路内部短路动作电流 制动电流 因为继电器动作 凡是在线路内部有流出的电流 都成为动作电流 输电线路电流纵差保护原理 47 线路外部短路动作电流 制动电流 因为继电器不动 凡是穿越性的电流不产生动作电流 只产生制动电流 输电线路电流纵差保护原理 48 电容电流的影响电容电流是从线路内部流出的电流 因此它构成动作电流 由于负荷电流是穿越性的电流 它只产生制动电流 所以在空载或轻载下电容电流最容易造成保护误动 输电线路电流纵差保护的主要问题 解决方法 用起动电流定值躲本线路电容电流 起动电流定值躲不了电容电流时 进行电容电流补偿 49 重负荷情况下线路内部经高电阻接地短路 灵敏度可能不够 负荷电流是穿越性的电流 它只产生制动电流而不产生动作电流 当经高电阻短路时 短路电流很小 因此动作电流很小 因而灵敏度可能不够 解决方法 采用工频变化量比率差动继电器和零序差动继电器 输电线路电流纵差保护的主要问题 50 TA断线 差动保护会误动 为了在单侧电源线路内部短路时电流纵差保护能够动作 因此差动继电器在动作电流等于制动电流时应能保证动作 这样在一侧TA断线时差动保护会误动 解决方法 采取措施防止TA断线时差动继电器误动 输电线路电流纵差保护的主要问题 51 由于两侧TA暂态特性和饱和程度的差异 二次回路时间常数的差异在区外故障或区外故障切除时出现差动电流 动作电流 容易造成差动继电器误动 解决方法 提高比率制动特性的起动电流和制动系数 在制动量上增加浮动门槛 输电线路电流纵差保护的主要问题 52 两侧采样不同步 造成不平衡电流的加大 线路纵差保护与主设备保护中用的纵差保护不同 线路纵差保护两侧电流是由不同装置采样的 两侧电流采样时间不一致 使动作电流不是同一时刻的两侧电流的相量和 最大的误差是相隔一个采样周期 这将加大区外故障时的不平衡电流 解决方法 两侧同步采样 或进行相位补偿 如 采用小步幅调整采样周期实现采样同步 输电线路电流纵差保护的主要问题 53 工频变化量 突变量 方向保护 根据电力系统故障分析理论 输电线上的短路故障可视为在故障点上突然叠加了一个与该点故障前电压大小相等 幅值相反的电源EF 而故障电流及故障时母线上的电压之间差值是由于该故障电源EF的作用所造成的 这样 当将系统所有电势均短接 仅保留在故障点上所加的故障电源EF 并规定了电流自母线流向线路为正时 便可根据电流方向确定出故障点是否在保护的正方向上 现代电子技术的发展 使得欲想得到故障时电流及电压的变化量成为一件较为容易的事情 反应工频变化量的方向继电器经通道控制可快速切除被保护线路全线范围内的各种类型故障 保护的灵敏度较高 基本上不受过渡电阻的影响 54 工频变化量 突变量 方向保护 工频变化量方向高频保护中有三个正方向动作的工频变化量方向继电器 F 及三个反方向动作的工频变化量继电器方向 F 正 反方向继电器均按AB BC CA设置 其中正方向继电器测量相角 arg式中 为AB BC CA Zd为模拟阻抗 CZd 0 5ZL ZL为线路阻抗 反方向继电器测量相角 arg式中 为AB BC CA Zd为模拟阻抗 55 工频变化量 突变量 方向保护 理论推导证明 无论发生何种类型的故障 当故障点在保护的正方向时 对于正方向动作的工频变化量继电器 F 有 180 对于反方向动作的工频变化量继电器 F 有 0 而当故障点在保护的反方向时 对于正方向动作的工频变化量继电器 F 有 0 对于反方向动作的工频变化量继电器 F 有 180 即反应工频变化量的正 反方向继电器具有非常明确的方向性 56 工频变化量 突变量 方向保护 57 RADSS母差保护简介 58 RADSS母差保护简介 正常运行 1LH和2LH的一次电流大小相等方向相反 例如在1LH一次电流正半波时 其二次电流进入1LHf正极性端 经过变换后 1LHf二次电流从正极性端流出进入整流桥 经整流后变成直流电流IT进入两制动电阻Rz 2 然后变为IL 通过整流二极管回到2LH的正极性端 在负半周时 交流回路电流方向相反 但直流回路电流IT和IL方向不变 由于正常运行时IT IL Id IT IL 0 无差流 故J不动作 示意1 示意2 59 RADSS母差保护简介 区外故障 d1短路 1LH和2LH电流流通情况与上述相似 但由于CT饱和程度不同 各二次电流之和已不为0 IT IL 产生不平衡电流Id Id IT IL 流入差回路 经变流器Tm变换整流后加于电阻Rd 只要参数选择适当 完全可使Uz Ud J不会误动 故障示意 60 RADSS母差保护简介 区内故障 d2短路 1LH和2LH的一次电流相位完全