继电保护原理

继电保护,当电力系统中的电力元件发生故障时，向运行值班人员及时发出警告信号，或者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称为继电保护装置。,继电保护,继电保护的作用与任务,继电保护是电力系统安全、稳定运行的可靠保证。  继电保护的功能，就是将检测到的电气量与整定值进行比较，在越过整定值或边界时就动作。切除故障，发现不正常状态。,继电保护系统作用,1）断开电力故障元件，最大限度地减少对电力元件本身的损坏。2）反应电力元件不正常工作状态，便于监视与调整。3）支持电力系统安全运行。特别是保护快速动作对提高电网暂态稳定的特殊作用，其他稳定措施是不能与其相比拟。,继电保护装置的功能可用一个等效的自动化开关来描述，其逻辑框图如图所示。,被保护的设备正常运行时，输入量不会越过整定值或边界，自动化开关是打开的，没有输出量，保护装置不动作；当被保护设备发生故障或出现不正常工作状态时，输入量就会越过整定值或边界，自动化开关自动闭合，有输出量及保护装置动作。,在继电保护技术中，将继电保护装置的自动化开关特性，称为继电特性。即：当控制量（输入量）变化到某一定值（整定值或边界）时被控量（输出量）发生突变。因此，凡能实现继电特性的技术，均可引用到继电保护技术中来。如：电磁技术、电子技术、集成电路技术、微机技术等。这样就构成了电磁型、电子型、集成电路型、微机型等不同技术实现的继电保护装置。,电力系统中的电力设备和线路，应装设短路故障和异常运行的保护装置。 电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。 主保护是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。,继电保护的配置原则（一）,后备保护是主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护。远后备保护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来实现的后备保护。近后备保护当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现的后备保护。当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。,继电保护的配置原则（二）,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。异常运行的保护是反应被保护电力设备或线路异常运行状态的保护。,继电保护的配置原则（三）,能够快速有选择性地切除线路故障的全线速动保护以及线路保护I段都是线路的主保护。每一套全线速动保护对全线路内发生的各种类型故障均有完整的保护功能，两套全线速动保护互为近后备保护。线路II段保护是全线速动保护的近后备保护，通常情况下，在线路保护I段范围外发生故障时，如其中一套全线速动保护拒动，应由另一套全线速动保护切除故障，特殊情况下，当两套全线速动保护均拒动时，如果可能，则由线路II段保护切除故障。此时，允许相邻线路保护II段失去选择性。线路保护III段是本线路的延时近后备保护，同时力争作为相邻线路的远后备保护。,线路主保护和后备保护的功能及作用,电力系统中，为使系统安全、经济、合理运行，或者满足检修工作的要求，需要经常变更系统的运行方式，由此相应地引起了系统参数的变化。在设计变、配电站选择开关电器和确定继电保护装置整定值时，往往需要根据电力系统不同运行方式下的短路电流值来计算和校验所选用电器的稳定度和继电保护装置的灵敏度。,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。一般根据系统最大运行方式的短路电流值来校验所选用的开关电器的稳定性。 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。一般根据系统最小运行方式的短路电流值来校验继电保护装置的灵敏度。,主要内容,1.线路保护简介2.电流保护3.零序电流保护4.距离保护5.纵联保护,线路保护配置与电压等级、电网结构有着密切关系，分类如下：电流保护零序电流保护距离保护纵联保护,线路保护简介,电流电压保护66kV及以下的线路保护通常以电流保护为主，作为相间短路的保护，一般配置两段或三段，再根据实际情况考虑是否再增加方向元件或电压元件。电流电压保护是最早发展的一种保护，原理简单，其三段式阶梯特性是以定量作为故障位置测量保护装置的典型方式，反应的电气量是电力系统的基本电量，即反应电流突然增大、母线电压突然降低。因此，受系统运行方式的影响很大。,线路保护简介,距离保护110kV及以上的高压线路通常以距离保护作为相间短路的保护，一般配置三段。距离保护是以反应从故障点到保护安装处之间阻抗大小（距离大小）的。距离保护的三段式阶梯特性也是以定量测量判断故障位置，但因其判断故障位置的量是非电气量距离，因而其保护区不受系统运行方式的影响。,线路保护简介,零序电流保护110kV及以上电网中变压器中性点直接接地，为大接地电流系统。当发生接地故障时,通过变压器接地点构成短路通路, 系统中会出现零序分量。110kV及以上的高压线路通常以零序电流方向保护作为接地短路的保护，一般配置三段或四段。运行经验表明,在中性点直接接地系统中,d(1)几率占总故障率的70%90%，零序保护正确动作率达97%以上，该保护简单可靠。,线路保护简介,纵联保护220kV及以上的高压、超高压线路通常以纵联保护达到全线瞬时切除故障的要求，再配置三段式相间距离保护、三段式接地距离保护及两段零序电流保护作后备。纵联保护依靠测量元件的定性测量判断故障位置，借助于通道，将判别量传送到各侧，然后根据特定的关系，判定区内、区外故障性质，以达到瞬时切除全线故障的目的。判别元件和通道是纵联保护构成的主要部分。,线路保护简介,三段式距离保护和三段式电流保护一样，都是典型的以定量测量判断故障位置的保护，有共同的缺点：依靠定量测量，难以达到全线路瞬时切除故障的要求；共同的优点：能对相邻线路起到远后备的保护作用。纵联保护依靠测量元件的定性测量判断故障位置。优点：实现全线瞬时切除故障；缺点：需要配置后备保护。,线路保护简介,终端线原则电流保护I段按躲本线路末端变压器其它侧故障整定。电流保护段（可省略）按本线路末端故障有规定灵敏度整定。按躲本线路末端变压器其它侧故障整定。按与本线路变压器时限速断保护配合整定。电流保护段按本线路末端故障有规定灵敏度整定。按本线路变压器其它侧故障有灵敏度整定。按躲最大负荷电流整定。,通用整定规则,联络线原则电流保护I段按躲本线路末端故障整定。电流保护段按本线路末端故障有规定灵敏度整定。按与相邻线路的电流电压保护配合整定。按躲本线路末端变压器其它小阻抗侧故障整定。 按相邻无保护线路末端故障有灵敏度整定。电流保护段按躲最大负荷电流整定。按相邻线路末端故障有灵敏度整定。按与相邻变压器时限速断保护配合整定。,通用整定规则,通用整定规则,联络线原则相间距离保护段按躲本线路末端故障整定。按躲本线路末端变压器其它小阻抗侧故障整定。,联络线原则相间距离保护段按本线路末端故障有规定灵敏度整定。按与相邻线路的相间距离保护配合整定。按与相邻线路的电流电压保护配合整定。按与相邻线路纵联保护配合整定。按相邻无保护线路末端故障有灵敏度整定。按躲本线路末端变压器其它小阻抗侧故障整定。,通用整定规则,联络线原则相间距离保护段按本线路故障有规定灵敏度整定。按躲最小负荷阻抗整定。按与相邻线路的相间距离保护配合整定。校核定值不应伸出相邻变压器其它小阻抗侧。（定值若躲不过，时间延长到设置时间；若躲得过，按整定级差取）按相邻线路末端故障有灵敏度整定。按相邻变压器末端故障有灵敏度整定。,通用整定规则,电流保护,电流保护配置：,电流保护,电流速断保护（第段）：      对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。图中:1-最大运行方式下d(3)2-最小运行方式下d(2)3-保护1第一段动作电流,电流保护,段整定值的计算和灵敏性校验 为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定：保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次参数表示。（IdZ） 灵敏性：用保护范围的大小来衡量：lmax 、lmin；一般用lmin来校验 。要求（1520），希望值50。动作时间t=0s,电流保护,段小结：仅靠动作电流值来保证其选择性 ；能无延时地保护本线路的一部分。不是一个完整的电流保护。,电流保护,限时电流速断保护（第段） 任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性； 在满足要求的前提下，力求动作时限最小。 段整定值的计算和灵敏性校验     为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第段的保护范围。即整定值与相邻线路第段配合。     若灵敏性不满足要求，与相邻线路第段配合。,电流保护,段小结：限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长；依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性；与第段共同构成被保护线路的主保护，兼作第段的近后备保护。,电流保护,定时限过电流保护（第段）        作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲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。 段整定值的计算和灵敏性校验     躲最大负荷电流     在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。,电流保护,阶梯性时间特性      在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第段的测量元件均可能动作。,电流保护,段小结：第段的IdZ比第、段的IdZ小得多，其灵敏度比第、段更高；在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；保护范围是本线路和相邻下一线路全长；电网末端第段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（或），越接近电源，t越长，应设三段式保护。,电流保护,对电流保护的评价1、  选择性：在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠IdZ、t），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。2、  灵敏性：受运行方式的影响大，往往满足不了要求。（电流保护的缺点）例：第段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围；第段：长线路重负荷（If增大，Id减小），灵敏性不满足要求。3、  速动性：第、段满足；第段越靠近电源，t越长。4、  可靠性：线路越简单，可靠性越高。电流保护的应用范围：      35KV及以下的单电源辐射状网络中；在110KV及以上，作辅助保护。,方向电流保护,方向电流保护问题的提出      双电源多电源和环形电网供电更可靠,但却带来新的保护问题。        解决办法：加装方向元件功率方向继电器。仅当它和电流测量元件均动作时才启动逻辑元件。,方向电流保护,双侧电源网络中电流保护整定的特点 限时电流速断保护原则与单侧电源网络中第段的整定原则相同，与相邻线路段保护配合。但需考虑分支电路的影响。引入分支系数： 仅有助增时： 仅有外汲时： 无分支时：kfz=1,方向电流保护,对方向电流保护的评价 在多电源网络及单电源环网中能保证选择性；快速性和灵敏性同前述单侧电源网络的电流保护；接线较复杂，可靠性稍差，且增加投资；出口短路时，方向元件有死区，使保护有死区。,方向电流保护,方向元件的规定 为了提高保护动作的可靠性，单侧电源线路的相电流保护不应经方向元件控制。双侧电源线路的相电流和零序电流保护，如经核算在可能出现的不利运行方式和不利故障类型下，均能与背侧线路保护配合，也可不经方向元件控制；在复杂电网中，为简化整定配合，相电流和零序电流保护宜经方向元件控制。为不影响相电流和零序电流保护的动作性能，方向元件要有足够的灵敏系数，且不能有动作电压死区。,零序电流保护,在大接地电流系统中发生接地故障后，就有零序电流、零序电压和零序功率出现，利用这些电量构成保护接地短路故障的继电保护装置统称为零序电流方向保护。      三相星形接线的过电流保护虽然也能保护接地短路故障，但其灵敏度较低，保护时限较长。采用零序保护就可克服此不足。,零序电流保护,零序分量的特点,零序电流保护,零序分量的特点 零序电压 : 故障点U0最高,离故障点越远, U0越低.变压器中性点接地处U0=0零序电流分布: 中性点接地变压器的位置有关；大小: 线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关。零序功率大小：短路点最大(与U0相同)；方向:与正序相反,从线路母线。相位差由变压器ZB10的阻抗角决定，与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。,零序电流保护,电网中出现零序电流的主要原因有几点： （1）中性点直接接地电网中发生单相接地和两相短路接地时会产生零序电流；（2）电网出现非全相运行状态，例如线路出现单相或两相断线、单相重合闸情况下，电网中会出现零序电流；（3）在零序回路互相隔离的两回线上，当其中一回线因故通过零序电流时，也会在空间并列的另一回线上感应出零序电压，从而产生零序电流。,零序电流保护,零序保护的I、段的保护范围：     零序保护的I段是按躲过本线路末端单相短路时流经保护装置的最大零序电流整定的，它不能保护线路全长。     零序保护的段是与保护安装处相邻线路零序保护的I段相配合整定的，它不仅能保护本线路全长，而且可以延伸至相邻线路。      零序保护的段与相邻线路的段相配合，是 I、段的后备保护。      段则一般作为段的后备保护。,对零序电流保护的评价 优点：（1） 零序电流保护更灵敏，、受运行方式影响较小，段保护范围长且稳定，段灵敏性易于满足；        段躲不平衡电流，定值低更灵敏且时间较短。      （2） 出口无死区，接线简单、经济、可靠。      （3） 系统振荡、短时过负荷等情况下（三相对称）I0不受影响。缺点： 不能反映相间短路故障,零序电流保护,距离保护,距离保护       反映故障点到保护安装处的距离距离保护，它基本上不受系统的运行方式的影响。       保护的性能比电流保护更加完善。,距离保护,距离保护,距离保护,影响距离保护正确动作的因素阻抗继电器的测量阻抗是受很多因素影响,主要有：短路点的过渡电阻；电力系统振荡；保护安装处与故障点之间有分支电路；CT,PT的误差；PT二次回路断线；串连补偿电容。,距离保护,影响距离保护正确动作的因素短路点过渡电阻的影响     短路一般是非金属性的，即存在过渡电阻使得测量阻抗变化，保护范围可能缩短，可能超范围或反方向误动 。      过渡电阻分类：   电弧电阻   杆塔电阻   大地电阻,距离保护,短路点过渡电阻的影响     单侧电源网络中过渡电阻的影响：短路点距保护安装处越近，影响越大，反之影响越小保护装置整定值越小，相对的受过渡电阻影响越大。     双侧电源网络中过渡电阻的影响： 3：正方向出口短路，拒动 2：反方向出口短路，误动 1：区外短路，误动。,距离保护,振荡对距离保护的影响 电力系统振荡的特点:（1）保护安装处将流过数值很大的,周期性变化的电流。其最大值可能大于三相短路电流,保护的测量元件将会误动作。（2）被保护线路母线上的电压,也将发生周期性变化,当该母线处于振荡中心附近时,则保护安装处的电压可能降至很低,保护装置的电压元件会误动。（3）距离保护的测量阻抗也将发生周期性的变化,当它小于阻抗元件的动作阻抗时,阻抗元件将误动作。（4）三相对称,因此不会出现零序和负序分量,利用零序和负序分量构成的保护装置不会误动作。（5）保护装置的动作时间大于1.5s时,一般保护不会误动作。,距离保护,防止电力系统振荡保护装置误动作的方法:（1）利用保护的定值躲开系统振荡对保护的影响。（2）利用保护的延时躲开系统振荡对保护的影响。（3）利用保护的原理躲开系统振荡对保护的影响。（4）采用振荡闭锁装置。振荡闭锁回路的要求当系统只发生振荡而无故障时，应可靠闭锁保护。区外故障而引起系统振荡时，应可靠闭锁保护。区内故障，不论系统是否振荡，都不应闭锁保护。,距离保护,距离保护的整定计算原则 距离保护I段按躲过线路末端故障整定 距离保护II段：原则1与相邻线路的距离I段配合；原则2按躲过线路末端变压器低压母线短路整定。取上述两项中数值小者作为保护II段定值。灵敏度校验：按本线路末端故障校验灵敏度。若灵敏度不满足要求，应与相邻线路距离保护II段配合。距离保护III段按躲过输电线路的最小负荷阻抗整定。考虑外部故障切除后，电动机自启动时，距离保护III段应可靠返回。动作时间按阶梯时限原则整定。,距离保护,对距离保护的评价1、选择性多电源的复杂网络中能保证动作的选择性。2、快速性距离保护的第一段能保护线路全长的85%，对双侧电源的线路，至少有30%的范围保护要以II段时间切除故障。,距离保护,对距离保护的评价3、灵敏性     由于距离保护同时反应电压和电流，比单一反应电流的保护灵敏度高。    距离保护一段的保护范围不受运行方式变化的影响。保护范围比较稳定。二、三段的保护范围受运行方式变化影响。4、可靠性    由于阻抗继电器构成复杂，距离保护的直流回路多，振荡闭锁、断线闭锁等使接线复杂，可靠性较电流保护低。,距离保护,应用：     在35110KV作为相间短路的主保护和后备保护，采用带零序电流补偿的接线方式，在110KV线路中也可作为接地故障的保护。     在220KV及以上线路，作为相间短路、接地短路的后备保护。,距离保护,接地距离保护 接地距离保护之间的整定配合，本身也很复杂，这是因为上下级之间的配合，除了考虑正序电流的分支系数外还要同时考虑零序电流间的分支系数。采用接地距离保护，其整定远比相间距离保护繁琐得多。整定考虑的因素多，配合误差就会比较大，因而选取的阻抗定值配合系数(<1)理当比相间距离的为小。接地电流保护与接地距离保护之间的选择配合，极为复杂，实际的可行办法是上下级接地电流保护之间各自整定配合，上下级接地距离保护之间各自整定配合，分别独立进行而不相互交叉。,纵联保护,数字光纤通信是近年来迅速发展起来的新技术，它具有传输信息量大、传输速率高、传输距离远、抗干扰性强、