电力系统继电保护-第二章

电力系统继电保护原理,黑龙江科技学院,目录,第一章 绪论第二章 电网的电流保护和方向性电流保护第三章 电网的距离保护第四章 输电线的纵联保护第五章 自动重合闸第六章 电力变压器的继电保护第七章 发电机的继电保护第八章 母线的继电保护,第一章 电网的电流保护和方向性电流保护,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护2.2 网络相间短路的方向性电流保护2.3 大接地电流系统的零序电流保护2.4 小接地电流系统的接地保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,一、继电器二、电流保护：电流速断保护（I段） 限时电流速断保护（II段） 过电流保护（III段）三、电流保护的接线方式四、三段式电流保护的原理接线图,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,输电线发生相间短路时，电流会突然增大，故障相间的电压会降低，利用这一特征就可以构成电流保护。 电流保护主要包括： 无时限电流速断保护 限时电流速断保护 定时限过电流保护 电流继电器是实现电流保护的基本元件，电流继电器是反应于一个电气量而动作的简单继电器的典型,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,一、继电器 1. 螺管线圈式 结构：铁心、线圈、可动衔铁 止挡、接点、弹簧,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,2. 吸引衔铁式 结构：铁心、线圈、可动衔铁、 止挡、接点、弹簧,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,3. 转动衔铁式 结构：铁心、线圈、可动衔铁、 止挡、接点、弹簧,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,继电器的动作条件：为使继电器动作，必须增大电流，通过增大电流来增大电磁转矩，当电磁转矩大于弹簧的作用力矩及摩擦力矩之和时，保护动作。 继电器的动作电流：能使继电器动作的最小电流IdzJ 继电器的返回条件：继电器动作之后，当电流减小时，继电器在弹簧的作用下返回。为使继电器返回，,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,弹簧的作用力矩必须大于电磁力矩及摩擦力矩之和。继电器的返回电流：能使继电器返回原位的最大电流值IhJ 继电器的返回系数：返回电流与启动电流的比值Kh,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,无论启动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置，这种特性称为继电特性。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,二、电流保护1. 电流速断保护（I段） 仅反应电流增大而瞬时动作的电流保护。 （1）短路电流的计算： 短路电流的大小与系统运行方式、故障点的位置和故障类型有关。 相关概念：最大运行方式：对每一套保护装置来说，通过该保护装,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,置的短路电流为最大的方式 最小运行方式：对每一套保护装置来说，通过该保护装置的短路电流为最小的方式 指同一点同一故障。 最大运行方式：是系统在该方式下运行时，具有最小的短路阻抗值，发生短路后产生的短路电流最大的一种运行方式。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,最小运行方式：是系统在该方式下运行时，具有最大的短路阻抗值，发生短路后产生的短路电流最小的一种运行方式。 图中上面的曲线：最大运行方式下三相短路电流曲线图中下面的曲线：最小运行方式下两相短路电流曲线短路电流计算公式：,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,结论： 系统运行方式越大（Zs越小的运行方式）短路电流越大 故障点越近，短路电流越大，反之短路电流越小 在某种运行方式下，同一点短路三相短路的短路电流大于两相短路的短路电流,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,（2） 整定计算 为了保证选择性，保护装置A的动作电流 就必须大于被保护线路AB末端短路时的最大短路电流Id.B.max 整定。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,可靠系数： 引入可靠系数的原因：必须考虑实际上存在的各种误差的影响 实际的短路电流大于计算值 对瞬时动作的保护还应考虑非周期分量使总电流增大的影响 保护装置中电流继电器的实际启动电流可能小于,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,整定值 必须考虑必要的裕度 从最不利的情况出发，即使同时存在着以上几个因素的影响，也能保证在预定的保护范围内故障时，保护装置不误动，因而必须乘以大于1的可靠系数。 （3） 灵敏度的校验 用保护范围的大小来衡量，规程规定，其最小保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,保护范围一般不应小于被保护线路全长的（1520）%。 解： 得：,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,相关概念： 保护装置的动作电流：对于反应于电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置启动的最小电流值，是用电力系统一次侧的参数表示的。 结论： 仅靠动作电流值来保证其选择性 能无延时地保护被保护线路的一部分（不是完整的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,（4） 单相原理接线图,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,中间继电器的作用: 接点容量大，可直接接通TQ去跳闸 当线路上装有管型避雷器时，利用其固有动作时间（60ms）防止避雷器放电时保护误动,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,2. 限时电流速断保护（II段）,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,在任何情况下都能保护线路全长，并具有足够的灵敏性，还应有尽可能短的动作时限。 （1）整定计算： 为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超过相邻下一条线路第I段的保护范围，时间比其大一个时间级差t。 动作电流：,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,动作时间： 可靠系数： 考虑到短路电流中的非周期分量已经衰减，故可选取得比I段的可靠系数小一些。 时间级差t的确定原则： 应包括故障线路断路器的跳闸时间 。 应包括故障线路保护中时间继电器的实际动作,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,时间比整定值大 。 应包括被整定保护中时间继电器的实际动作时间比整定值小 。 如果被整定保护中的测量元件（电流继电器）在外部故障切除后，由于惯性的影响而不能立即返回，则还应包括测量元件延迟返回的惯性时间 。 考虑一定的裕度 。 即 通常取0.5s。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,（2）灵敏度校验：用灵敏系数Klm来衡量。 灵敏系数Klm按被保护线路末端发生两相短路时的短路电流来计算，规程要求，灵敏系数不小于1.31.5。 若灵敏性不满足要求，与相邻线路第II段配合。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,动作电流： 动作时间： 限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长。 依靠动作电流和动作时间共同保证选择性。 与第I段共同构成被保护线路的主保护，兼作第I段的近后备保护。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,（4）限时电流速断保护单相原理接线图,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,3. 定时限过电流保护（III段） 作为本线路主保护的后备保护以及相邻下一线路保护的远后备保护。其启动电流按躲过最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。 （1）整定计算： 动作电流必须满足两个条件： 躲过最大负荷电流,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,在外部故障切除后，电动机自启动时，应可靠返回。 选取以上两个条件计算出的较大数值作为保护的动作电流。动作时限：按阶梯形时限特性（如下图）选取教验。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,（2）灵敏度校验：分两种情况分别用灵敏系数Klm来衡量。 作为本线路的保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路的电流进行校验，要求Klm1.31.5. 作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路的电流进行校验，要求Klm1.2.,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,4.过电流保护原理接线图,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,三、电流保护的接线方式 1.定义：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。 2.常用的两种接线方式： 三相星形接线和两相星形接线。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,接线系数Kjx：电流互感器副边电流I2与流入电流继电器IJ的电流之比。 上述两种接线方式中，流入电流继电器的电流IJ与电流互感器的二次电流I2相等，其接线系数为1。 当保护装置的启动电流为Idz时，则继电器的动作电流Idzj应为,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,其中nl为电流互感器的变比。两种接线方式的特点：（1）对各种相间短路，两种接线方式均能正确反应。（2）两点接地短路时 在小接地电流系统中，不同相的两点接地时，只要求切除一个故障点，以提高供电的可靠性。例1：在下图串联线路上发生两相接地短路,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,a、采用三相星形接线时： 由于保护1和保护2之间有配合关系，因此能保证100%的只切除NP线路。 b、采用两相星形接线时： 将有1/3的机会使靠近电源的MN线路误跳闸，从而扩大了停电范围。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,例2：在下图平行线路上发生两点接地短路,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,a、采用三相星形接线时，保护1和保护2将同时动作切除两条线路。 b、采用两相星形接线时：2/3的机会只会切除一条线路。 由上分析可见，在小接地电流系统中两点接地时，两种接线方式各有优缺点，为了节省设备和投资。通常在这种网络上规定采用两相星形接线。同时必须指出 ，整个系统中应该将两相星形接线的两个电流互,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,感器都装在相同的两相上（通常为A、C相）3. 在Yd接线变压器后两相短路时,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,结论：Yd，11接线的降压变压器后两相短路时，高压（Y）侧滞后相电流是其他两相电流的两倍并与它们反相位。 由前面的分析可以看出，当Yd，11变压器两相短路时，变压器另一侧三相的电流是不相等的，其中两相的电流只为第三相的一半。当该侧作为后备保护的过电流保护采用三相接线时，总有一个继电器流过最大的相电流，保护装置的灵敏度较高。如采用两相星,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,形接线，则在某一种两相短路时，流过继电器的电流只有最大相电流的一半，保护装置的灵敏度也将减少到一半，这是两相星形接线方式的一个缺点。为了克服这个缺点，可采用下图所示接线，即在中性线上加接一电流继电器。此继电器流过的电流即为第三相的电流。故可提高灵敏性。这种接线方式也称两相三继电器式接线。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,4.两种接线方式的经济性 三相星形接线方式需要三个电流互感器、三个电流继电器和四根二次电缆，相对来说是复杂和不经济的。 两种接线方式的应用情况 三相星形接线：广泛应用于发电机、变压器等大型贵重电气设备的保护中； 两相星形接线 ：广泛用于中性点直接接地电网和非直接接地电网中。,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,四、三段式电流保护的原理接线图,第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护,电流速断保护和限时电流速断保护采用两相星形接线，而过电流保护则采用两相三继电器式的接线方式。以提高在Yd，11接线变压器后面两相短路的灵敏性。每段保护动作后，都有自己的信号继电器掉牌给出信号。在每段保护动作调整的回路中分别没有连接片LP ，以便根据运行的需要临时停用任一段保护。,第二节 电网相间短路的方向性电流保护,方向性电流保护的工作原理一、问题的提出 为提高供电的可靠性，出现了单侧电源环形供电网络、双电源或多电源网络。但在这样的网络中简单的电流保护不能满足要求。分析如下：,第二节 电网相间短路的方向性电流保护,对电流速断保护 d1点短路，要求Id1Iop2即（ Iop3 Iop2 ），否则保护2误动。 d2点短路，要求要求Id2Iop3即（ Iop2 Iop3 ），否则保护3误动。 对多电流保护 d1点短路，要求t3t2 d2点短路，要求t2t3显然这样要求是矛盾的,第二节 电网相间短路的方向性电流保护,二、几个概念 1.短路功率：指系统短路时，某点电压与电流相乘所得到的感性功率。在不考虑串联电容和分布电容，在线路短路时，短路功率从电源流向短路点。 2.故障方向：指故障发生在保护安装处的哪一侧，通常有正向故障和反向故障之分，它实际上是根据短路功率的流向进行区分的。,第二节 电网相间短路的方向性电流保护,正方向故障：从保护安装处看出去，在“母线指向线 路”方向上发生的故障。反方向故障：从保护安装处看出去，在“线路指向母 线”方向上发生的故障。保护安装处：电流互感器的位置，电流从电流互感器的那侧流入。母线电压为参考，短路电流与短路功率方向一致。,第二节 电网相间短路的方向性电流保护,三、原因分析：反方向短路时对侧电源提供的短路电流引起保护误动作。四、解决办法： 利用方向性元件与电流元件相结合就构成了方向电流保护。 由于元件动作具有一定的方向性，可在反方向故障时把保护闭锁。 正方向故障时保护才能动作，按正方向分组。,第二节 电网相间短路的方向性电流保护,第二节 电网相间短路的方向性电流保护,五、原理接线图,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,电力系统中性点工作方式：中性点直接接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。 在中性点直接接地系统中，X0/X13。当发生单相接地时，通过变压器接地点构成短路通路，使故障相产生很大的短路电流，所以称其为大接地电流系统。110kV及以上电网中性点直接接地系统（大接地电流系统）66kV及以下电网中性点不接地或不直接接地系统（小接地电流系统）,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,运行经验表明，在中性点直接接地系统中，单相接地几率占总故障率的70%90%。所以正确设置接地故障的保护，是该系统的中心问题之一。而在该系统中发生单相接地，系统中会出现零序分量，而正常运行时无零序分量，故可利用零序分量构成接地短路的保护。 一、零序分量的特点 1、零序电压：故障点的零序电压U0最高，离故障点越远处U0越低，变压器中性点接地处U0=0,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,2、零序电流：零序电流的数值和分布与变压器中性点接地的多少与位置有关，而与电源的数目和位置无关。 3、零序功率：S0=I0U0，由于故障点的U0最高，所以故障点的S0也最大，越靠近变压器中性点处S0愈小。在故障线路上， S0是由线路流向母线。 4、保护安装处的U0与I0的相位关系,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,该处的零序电压与零序电流的相位差由 的阻抗角决定，而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。 二、零序分量的获取 零序电压过滤器 为了获得零序电压，通常由副边接成开口三角形的电压互感器构成。,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,当发电机的中性点经电压互感器或消弧线圈接地时，从它的二次绕组也能够获得零序电压。,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,在集成电路中，由电压形成回路取得三个相电压后，利用加法器将三个相电压相加，也可以从内部合成零序电压。,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,零序电流的获取：可利用零序电流过滤器或零序电流互感器来获得。 零序电流过滤器 为取得零序电流，通常采用三相电流互感器按星形接线方式接线，从中线上即能得到零序电流。,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,零序电流互感器 对于采用电缆引出线的送电线路，广泛采用零序电流互感器的接线获得3I0.,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,零序电流保护 通常零序电流保护有三部分组成 （1）无时限零序电流速断保护（又称零序电流I段保护） （2）限时零序电流速断保护（又称零序电流II段保护） （3）零序过电流保护 （又称零序电流III段保护） 无时限电流速断保护 无时限零序电流速断保护与无时限电流速断保护相似，是靠选择电流整定值来获得动作的选择性。,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,原则1：躲过下一条线路出口接地短路的最大三倍零序电流3I0.max,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,计算3I0.max的条件 a.故障点：本线路末端； b.故障类型：当X0 X1时，采用单相接地短路，反之则采用两相接地短路为计算故障类型； c.运行方式： Z1最小，保护安装侧变压器中性点接地最多，对侧变压器中性点接地最少的运行方式。,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,原则2：躲过断路器三相触头不同时合闸而出现的三倍零序电流3I0bt,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,计算3I0bt： a.两相先合 b.一相先合,第三节 大接地电流系统的零序电流保护,式中 断线点两侧系统的等值电势； Z1、 Z2、 Z0断线点的正序、负序、零序输入阻抗。当Z0 Z1取一相先合，反之取两相先合计算。 选择上两式的较大者作为保护的整定值，如果保护装置的动作时间大于