继电保护水院讲义

继电保护讲义 柳焕章 电力系统 电力系统是由电力生产的5个环节 发电 输电 变电 配电和用电组成的整体 输电网和配电网统称为电网 完成一次能源转换成电能并输送和分配到用户的统一系统称为一次系统 对一次系统进行保护 控制 测量 调节 监视 通信等相应的辅助系统称为二次系统 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一般称为继电保护装置 安全自动装置 当电力系统本身发生故障或危及其安全运行的事件时 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 用于保护电力系统的通称为电力系统安全自动装置 继电保护系统的作用 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 三道防线 1常见的普通故障 要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行和正常供电 2为出现概率较低的较严重的故障 要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行 但允许损失部分负荷 3为罕见的严重复杂故障 电力系统在承受此类故障时 如不能保持系统稳定运行 则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失 1合理的电网结构和电源布局 保护重合闸和开关正确动作 必须保持稳定和正常供电 2保护重合闸和开关正确动作 必须保持稳定 但允许损失部分负荷 切机 切负荷 解列 3振荡解列 低周低压减载等 电力系统对继电保护的要求 四性 可靠性 可信赖性和安全性 选择性快速性灵敏性 四性 可靠性 可信赖性和安全性 可信赖性 要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下 能准确地完成动作 即要求不拒动 安全性 要求继电保护在非设计要求它动作的其他所有情况下 能够可靠不动作 即要求不误动 可信赖性与安全性是一对矛盾 实际应用中它与接线方式与电网结构有关 对于220kV电网以可信赖性为主 重点防止保护拒动 对于500kV电网以安全性为主 重点防止保护误动 四性 继电保护选择性选择性是指期望能在电力元件发生故障时 由最靠近故障元件的继电保护装置动作断开故障 继电保护选择性是通过合理的动作值整定来完成 选择性整定原则 越靠近故障点的保护装置的动作灵敏度越大 动作时间应越短 四性 继电保护快速性继电保护快速性是指继电保护装置应以允许的可能最快速度动作切除故障 继电保护快速跳闸 一方面可以减轻故障设备的损坏程度 另一方面是提高电力系统暂态稳定的重要手段 四性 注意两点 1 快速性与可靠性之间存在矛盾 只有在继电保护装置可靠动作前提下的快速性才有实际意义 2 快速性并不是愈快愈好 只有在系统暂态稳定需要的前提下才是合理的 继电保护快速性对通道传输时间有规定要求 华中电网500kV线路保护切除故障时间变化 110ms 90ms 70ms 对电网稳定贡献巨大 四性 继电保护灵敏性继电保护灵敏性是指继电保护装置对设计规定要求动作的故障及异常状态能够可靠地动作能力 在规程中规定每种保护元件的具体灵敏系数 继电保护对动作的灵敏性是出于保护装置可靠动作需要 四性 注意 正确处理灵敏性与选择性之间矛盾 愈灵敏愈能可靠反应要求动作的故障或异常状态 但同时愈易于在非要求动作的其他情况下产生误动 继电保护的配置原则 超高压 220kV及以上 双重化原则 近后备 断路器失灵 高压 220kV以下 主 备独立 远后备 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性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 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 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 超高压线路保护 保护的范围由PT和CT的安装位置 PT确定纵向故障 CT确定横向故障 及原理和通道信号决定 主保护 纵联保护 分相电流纵差 高频方向 高频距离 分相电流纵差 利用基尔霍夫电流定律 需要线路两侧电流进行运算 判别线路内部 外部短路 决定是否跳闸 因此 要求通道传送对侧电流 模拟量 特点是容量大 同步要求高 同时刻两侧电流进行运算 通常只能通过光纤或微波通道传送 64k或2M 高频方向 高频距离 方向或距离只是原理不同 都是判别正 反向故障 方向只是超范围 距离又分超范围或欠范围 高频方向 高频距离的通道命令分为闭锁命令或允许命令 无论如何 都是接受对侧命令加上本侧的方向元件一并判别线路内部 外部短路 决定是否跳闸 当然 对侧是否发送命令是由对侧的方向元件判别后决策的 这种命令我们称为快速命令 对允许式保护10 15ms 对闭锁式保护小于10ms 速度快安全性差 复用载波机多采用移频键控 对允许式保护存在线路内部偶合相故障 载波通道阻塞的特殊问题 要求载波机给出载波通道阻塞信息即UNBLOCK 来替代允许信号 高频方向 高频距离 由于复用载波机通常采用相相偶合 保护中只有相间故障才采用该措施 即使采用也是短时间窗70ms左右 华中网多次发生误动 主要是由于区外故障时 信噪比降低 载波机收不到导频信号又无跳频信号误给出UNBLOCK命令 导致保护误动 华中网现在已取消该措施 退出UNBLOCK 闭锁式保护无此问题 直跳命令 这是保护原理上的叫法 主要应用过电压 失灵和电抗器保护 从原理上讲接受命令就可以跳闸 但对通道的安全性要求极高 为防误动对载波命令要加就地闭锁 有些地区对光纤命令取消就地闭锁 直跳命令把安全性放在重要位置 复用载波机多采用编码命令 因而牺牲速度称为慢速命令25 35ms 突变量 零序 负序 保护 突变量保护分析按无源网络 外加源在故障点 以TV TA为界 正向故障 横向或纵向 电压和电流的关系 欧姆定律 决定于反向阻抗 反向故障 横向或纵向 电压和电流的关系 欧姆定律 决定于正向阻抗 TV TA的安装位置与保护范围的关系 一般横向故障由TA的安装位置决定保护范围 这是因为TA两边故障的电流方向不同 而TV两边故障的电压相同 纵向故障由TV的安装位置决定保护范围 这是因为TV两边故障的电压方向不同 而TA两边故障的电流相同 利用突变量构成的行波方向 突变量方向 能量方向的演变过程 行波方向原理是 利用反向故障初始阶段功率为正 u t i t 同极性 反之 正向故障初始阶段功率为负 u t i t 异极性 初始阶段的长短取决于短路角 随后 极性的异同交替出现 所以安全性极差 突变量方向原理是利用欧姆定律 反向故障 正向故障 克服了行波方向交替改变的缺点 所以安全强 能量方向原理是 利用反向故障储存能量永远为正 反之 正向故障储存能量永远为负 显然 必须是t0时刻为故障时刻 这一点至关重要 另外 为了防止大电源背侧阻抗太小 突变量电压太小 通常加补偿 补偿电压 已知TV安装点的电压和TV安装点至补偿点 如 整定点Y 间流过的电流 只要这两点间无分支 流过同一电流 就可以计算出补偿点电压 我们把这个电压称为补偿电压 显然 外部故障 补偿电压等于整定点电压 内部故障 补偿电压不等于整定点电压 其实它也不等于任意点电压 是一个计算出来的虚拟电压 它的值分析如下 电压相量图 1 戴维南定理将故障点断开 从故障点往系统看 根据戴维南定理 总可以把系统等值成一个发电机和一个阻抗 电压相量图 1 相似比串联阻抗上的电压比等于阻抗比 例如 2 电源电势不变 已知电源电势和故障点电压轨迹 便知这两点间任意点电压轨迹 它通过电压比等于阻抗比求得的 线路保护整定计算中的一些概念 继电保护装置是通过安装处采集的电压 电流 根据动作判据认定是否动作 何时动作 整定计算就是计算动作判据的整定值和动作时间 以保证故障发生在保护范围内 按配合时间的要求可靠地动作 灵敏性 在保护范围外可靠地不动作 选择性 为此目的 必须划分保护范围 设置故障点 设置故障类型 选择运行方式 划分保护范围 保护范围分为两类 一类是保护范围固定不受运行方式影响 如 被保护的线路 被配合的相邻线路的纵联保护和距离保护 段 相邻变压器的差动保护 变压器另一侧出线的纵联保护和距离保护 段 另一类是保护范围不固定受运行方式影响 如 被配合的电流保护 距离保护高段 这类保护要找到保护范围很不容易 尤其当保护范围伸出本线路 对侧母线接有多分支 对每一个分支都存在一个保护范围 但是 这些保护范围是由一个保护定值决定的 因此 同原理保护配合往往是定值上的配合 即用配合定值乘以助增系数或分支系数 不同原理保护配合就不能在定值上取得配合 这是因为各序网络独立 存在不同的电流分配系数 两类保护定值没有固定的关系 设置故障点 在计算灵敏性时 故障点设在保护范围内灵敏度最低处 在计算选择性时 故障点设在保护范围外灵敏度最高处 对无零序互感线路 离保护安装点愈近故障灵敏度愈高 因此故障点设在保护范围末端 它是保护范围内灵敏度最低处 又是保护范围外灵敏度最高处 对零序互感线路则不然 由于互感的取磁作用 零序电流随故障点远去有可能单调减后又单调升 但不会单调升后又单调减 故障点可设在非故障线路的出口或末端 对于环网的助增系数或分支系数 也随故障点不同而不同 但容易失去配合点往往在保护范围末端 故障点可设在保护范围末端 设置故障类型 由被保护的故障对象 相间 接地 决定 设置故障类型 由计算目的 最大 最小 电压 电流 分支系数等决定 值得注意的是 环网中的解环线路 相继动作 零序互感等问题 整定计算中的感受量 通常用两种方法作整定计算 一种是同原理保护作配合整定 即用配合定值乘以助增系数或分支系数 另一种是设置故障点计算保护安装点的感受量 前一种方法适应单一助增系数或分支系数的同原理保护作配合整定 如 零序电流保护间的配合整定 相间距离保护间的配合整定 后一种方法适应保护范围固定的保护整定计算和配合整定 如 独立 段 与相邻线路的纵联保护和距离保护 段配合 与相邻变压器的差动保护 变压器另一侧出线的纵联保护和距离保护 段配合 整定计算中的感受量 如 接地距离保护与相邻线路的纵联保护配合 故障点设在相邻线路对端母线 改变运行方式 计算保护安装点的感受阻抗 选取最小阻抗值乘以可靠系数便得到整定值 这样做是科学的 可提高保护的灵敏度 编制程序也简单 统一 以往选用正序助增系数与零序助增系数两者中的较小者 第一 正序助增系数与零序助增系数两者中的较小者不在同一方式 第二 选用正序助增系数与零序助增系数两者中的较小者是一种保选择性的近似计算方法 这样计算有时灵敏度不能满足 测量阻抗 整定线路的距离保护与配合设备的保护作配合计算时 通常采用下列公式 整定阻抗 保护安装处至配合设备首端母线间的测量阻抗 配合阻抗 助增系数 可靠系数1 2 1 测量阻抗 整定阻抗的物理意义是 在配合保护范围末端发生金属性短路 保护安装处的测量阻抗乘以可靠系数 假设在配合保护范围末端设置金属性短路 则保护安装处的测量阻抗 其中 2 测量阻抗 配合阻抗就是配合设备的测量阻抗 比较 1 式和 2 式仅相差可靠系数 得出 2 式的前提条件是在配合保护范围末端设置金属性短路 许多情况不易确定配合保护范围末端 为了避免此问题 作如下假设 保护范围末端短路与配合设备末端母线短路的助增系数相同 这个假设对放射型网络是成立的 对环网存在误差 这个误差在工程上普遍被接受 因此 将故障点由配合保护范围末端移至配合设备末端母线 计算 测量阻抗 3 其中 配合设备阻抗 此时的配合阻抗就是配合设备阻抗 将 3 式代入 1 式若令则 4 测量阻抗 对 4 式进行讨论 1 当与配合设备主保护 纵联或差动 配合时 2 当与配合设备 段配合时 3 是配合设备末端母线短路的计算值4 若配合设备是线路就是配合线路正