继电保护基础知识

继电保护（Relay Protection）绪论 本部分主要介绍电力系统故障类型，不正常运行状态及电力系统发生故障产生的危害后果。重点介绍继电保护部分的任务，工作原理及对继电保护的要求。一 电力系统的故障与不正常运行1 电力系统：电能的生产，输送，分配和应用组成的系统。2 一次设备：电能通过的设备。如发电机，变压器，断路器，隔离开关，PT,CT，电力电容器，电抗器，母线及线路为一次设备。3 二次设备：对一次设备运行状态进行监视，测量，保护及控制的设备为二次设备。（弱电）电力系统在运行中可能会发生各种故障及不正常运行状态，会严重影响系统的正常运行，甚至会使系统瓦解。4 电力系统中的故障和不正常运行状态及后果。a 故障：最常见也是最危险的故障是发生各种形式的短路，其次是系统断路及复合故障。危害： 通过故障点很大的短路电流（为负载电流的几倍或几十倍）备。 短路电流通过电源到短路点的非故障元件。由于发热和电动力的作用（如线路间力的作用）使它们损坏或缩短使用寿命，功能降低。 U 使电压大大下降，供电质量下降，影响用户工作的稳定性（大面积停电） 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡。 b. 不正常运行状态：电力系统中电气设备不能正常工作，但没发生故障。 过负荷：负荷超过电气设备额定值，即负载上升，R下降，负荷电流上升大于额定电流即 （载流部分和绝缘材料温度上升，加速绝缘的老化损坏，可能会发展为故障） 过电压：发电机突然甩负荷或急剧下降。R上升。I下降 系统频率下降（低用状态） 发生轻微振荡。 5短路的类型： 三相短路 2% 两相短路 1.6% 单相接地短路 87% 两相接地短路 6.1%6系统发生事故的原因： 自然条件因素 （如雷击等） 设备设计不合理，使正常的电流偏离。 设备制造或安装中的缺陷 ，维护不及时造成的绝缘损坏 误操作（带电切刀闸等）及人为因素。二电力系统继电保护的任务：1 继电保护装置：指能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作与跳闸或发出信号的一种装置2 基本任务： 故障后，能自动迅速，有选择地切除故障源，使故障设备免于遭到破 坏，保证其它无故障设备能正常运行。 反应电气设备的不正常运行状态，动作与发出信号，减负荷或跳闸，对于不正常运行状态，一般不要求迅速动作，延时可避免由于干扰而引起的情况，防止误动作。二 继电保护的原理及组成1 继电保护的组成： 为完成继电保护所完成的任务，保护装置应该有能够正确地区分系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的区别，以实现保护。因此保护装置应用测量部分，逻辑分析部分及执行保护三部分组成：如图 输入信号 输出 测量部分 逻辑部分 执行部分 跳闸（模拟量） 信号 整定值 测量部分：测量被保护对象输入的模拟信号，并和已给定的整定值进行比较，从而判断是否应该起动。 逻辑部分：根据测量信号部分输出信号的性质（大小顺序等），使被保护按一定的逻辑关系工作，最后确定是否发出跳闸信号。 执行部分：根据逻辑部分送来的信号，执行相应的任务 即： a. 故障时，动作与跳闸 b. 不正常运行时，发出信号 c. 正常运行时，不动作2 继电保护的基本原理： 继电保护的原理是利用被保护设备故障前后模拟量的突变，越过门槛电压（阈电压），或电流等其它模拟量时，经逻辑判别环节发出跳闸命令或中央信号。 在一般情况下，发生短路之后总是伴随着I，U（）和线路起始端距故障点的阻抗I下降，以及相位角的变化。因此，利用正常运用时与故障时这些基本参数的突变，够成了不同原理的继电保护（1） 根据基本参数： I 上升 过电流保护 U 下降 低电压保护 测量阻抗Z下降 距离保护（短路点到保护安装地点之间的距离阻抗） 可保护L距离任一点的短路（2） 根据电流（功率）的方向：（差动保护 A B C 双侧电源网络正常运行时，电流从A侧流入B侧流出，如果规定电流的正方向为由母线流向线路，则A侧与B侧电流可以认为是相等大小方向相反。 A B C 当在线路AB以外短路时，AB侧电流为大小相等方向相位相反。 A B 当在线路AB内短路时，A侧电流与B侧电流为由母线流向线路，相位相反，但大小不一定相等（与短路阻抗有关） 所以利用内部故障与外部故障两侧电流相位或功率方向的差别就可以构成各种差动保护。（相差保护，纵联保护等） 差动保护只能在被保护线路内部故障时才动作，而不反映外边故障，所以有绝对的选择性。（3） 根据负序，零序的是否存在，零序保护（对称分量法）系统正常运行时，三相电压或电流均为对称即：我们可以把每一相分成正序，负序和零序 且三相正序大小相等方向 成，三相负序也是，因此，三相零 序大小相等方向相同。 在系统正常运行时，或三相同时接地短路时，只有正序分量且等于每相线电压而负序和零序分量均为零 在系统出现非对称故障时（单相接地或两相接地时），有负序和零序分量（有中性线零序电流经中性线流入大地） 所以利用负序和零序分量的非零值可构成保护装置（4）根据非电量参数： 瓦斯保护（主变绕组短路油分解产生气体） 过温保护（电动机绕组温度升高）3 故障时参数的变化情况（以单侧电源网络为例） Ic1 A B C IA IB Ic3 系统正常运行时，每条线路上都流有由它供电的负荷电流If，且a 越靠近电流端的线路上负载电流越大。（分流）。越靠近电流端的母线电压也越高。(线路压降)b 母线电压与电流之间的相位角取决于由它供电的负载功率因数。c 电压与电流之比为“测量阻抗”，对母线来说某一条线路负载的等效阻抗，其值一般都比较大。 A B Id C I=0 Zd Ud =0 假定在线路BC上发生了三相接地短路，则a 短路点电压降至0 ， C段母线上停电b 从电源到短路点之间均将流过很大的短路电流c 各段母线上的电压将大幅度的下降（ ）且距离短路点越近，电压降的越多 （ ）d. B母线上的残余电压为，B母线段的短路阻抗为，且正比于短路点到B母线之间的距离。4 电流保护实例图 正常时，一次设备流过负荷电流，电流互感器，线性地反映(1-5A)，其值（正常值）几十倍，则互感器二次侧电流，则LJ的结点闭合，起动中间继电器，此结点闭合，使DL跳闸线圈TQ带电，由吸引力使脱钩机构释放，（杠杆顺时针转时）DL在弹簧F的作用下跳开（同时DL也跳开），切除了故障，消失，LJ返回。四对继电保护的基本要求1 选择性： 只需切除故障部分，无故障部分继续安全运行。 使停电的范围最小 A 1 2 B 5 C 6 3 d1 4 7 d2 d3 当d1处短路时，应由距短路点最近的保护1跳闸，将故障线路切除，变电所B仍可由另一无故障线路继续供电。 当处短路时，保护6跳闸，切除CD段线路，变电所D停电。a. 后备保护：由继电器保护为DL拒动而设计的。如当处短路时，距短路点最近的保护6应动作切除故障，但由于某种原因，该处继电器保护或DL拒动，此时如果保护5动作也能消除故障，此时变电所C，D停电，能起保护5这种作用的保护称为相邻元件的后备保护。b. 远后备保护：5作为6的后备保护，而1，3又可做5，7的后备保护，按以上方式构成的在远处实现的后备保护称为远后备保护。c. 近后备保护：当实现远后备保护在技术上有问题时可采用近后备保护保护 主保护（每个被保护着被有九套保护装置）近后备保护兼下一线路保护或DL拒动时的员后备保护 A B C 1 2 D3 D3 主保护为速断保护，它只保护本条线路的一部分，故速断保护的动作电流大于本条线路末端短路时最大短路电流，在本线路末端及末端以外短路时，本线路速断保护不会动作。根据大小而定。 后备保护是过流保护a 本线路速断不动时，过流保护动作。b 下一条线路两套保护均不动作时，作为下条线路的后备保护，但动作延时要比下条线路过流保护延时长t. 如处短路，流过保护1.2时，此时： 保护1的速断不会动作（因为1的动作电流大于本线路以外的） 保护2的速断可能动作（是否在BC段的末端） 如果动作切除BC段，C变电站停电。 如果不动作，保护2过流动作，如果再不动，则保护1过流动作。 如处短路，流过保护1.2.3时，此时： 保护1.2的速断不会动作（速断只保护本线一部分） 保护3的速断应最先动作，如果不动，保护3的过流动作，再不动，保护2的过流作为后备应动作（此时停电范围要扩大） 保护1.2.3的过流保护中，3的延时最短，1的最长2 速动作：快速切除故障，以提高系统运行的稳定性，尽量减少由于故障而造成的破 坏（用户用电质量设备不损坏）保护装置的动作时间为40ms.3. 灵敏性：是指对保护范围内发生不正常运行状态或故障的反应能力，在保护范围内应正确反应。 灵敏系数： 对过量继电器（高于整定值保护动作） 对欠量继电器（低于整定值，保护动作） 4.可靠性：指在保护范围内发生它应该动作的故障时不 应该拒动，在不应该动作的情况下不应该误动5 安全性：第一章 电网的过流保护1.1 电网相间短路的过流保护一 继电器的类和要求 继电器是组成继电保护装置的基本元件。它的基本作用是反映一个电气量突变而动作，即其输入模拟量达到一定值时输出被控量。1 继电器的分类： 按动作原理：a.电磁型 b.晶体管型 c.集成型 d.微机型 按反应的物理量：a.电流继电器 b.电压继电器 c.功率方向继电器 d.阻抗继电器 e.频率继电器 按其作用：a.启动继电器 b.时间继电器 c.出口继电器 d.中间继电器 e.信号继电器 2 对继电器的基本要求：工作可靠 灵敏度高 误差小动作迅速要保证以上对继电器的基本要求，必须做到设计合理，制造工艺先进，严格的质量检测。 二电磁型继电器 螺管线圈式吸引衔铁式 三种转动衔铁式 1 电磁型继电器的基本组成部分 铁芯（固定）及线圈组成电磁铁 可动衔铁 接点（通断外电路） 反作用弹簧 止挡2 电磁型继电器的工作原理：磁路欧姆定律： 当电磁铁的线圈通有电流i时，将在铁芯（固定及可动） 及空气隙组成的回路中产生磁通.磁通的瞬时值及流入继电器线圈电流的瞬时值的关系是 图 （磁通欧姆定律） 其中：为通电线圈在铁芯中产生的磁势（相当电压）w为线圈的匝数为整个磁路的磁阻 铁芯中的磁阻空气中的磁阻（占主要地位）且 （空气隙宽度）所以磁通欧姆定律可写为 (K=COSt) 电磁转矩：衔铁被电磁铁的磁场变化率以后，将产生电磁力，对轴的转矩为电磁转矩且 所以 即： 继电器启动及返回过程：a 设反作用弹簧产生的反向力矩为，由弹簧特性可知：即：（空气隙）越小，则（反力矩）越大，因此，随线性变化（成反比），在M-中为一条直线。b 当（电磁转矩）（弹簧反力矩）时，其结点断开，丁不动c 当线圈电流此时会产生与相反的摩擦力矩，如果一旦时，可动衔铁移动使继电器结点闭合，且随，电磁转矩（双曲线，因为）使结点可靠闭合，此时空气隙由降至（继电器启动）d 继电器动作电流：使继电器刚刚起动的最小电流 (大于则继电器 更能启动)（，而）因为（丁的最小启动电流）所以可由下列方法来调整：.改变继电器线圈的匝数W.改变弹簧的反作用力矩.改变引起阻磁变化的空气隙. 只要继电器就会起动而且还会产生剩余转矩（随的变小，平方变大。增大速度较快，呈双曲线，可以保证继 电器可靠起动，结点闭合）e 继电器起动以后，要使它返回原位，就必须减小电流以减小电磁转矩。如果 （弹簧反作用力矩）+，则继电器开始返回，此时与同向（即起 阻碍返回的作用）所以继电器的返回条件是继电器返回电流：继电器返回原位时的最大电流，返回电磁转矩为f 继电特性： 当时，继电器根本不动作。 当时，继电器能突然迅速动作，闭合触点。 继电器动作以后，只要时，继电器又能迅速返回原位，打开触点，无论起动或返回，继电器的动作都是明确干脆的，不可能停留在中间的某一个位置，这一特性称为“继电特性”。g 返回系数：返回电流与起动电流之比 （合） 对于过量的继电器来说 （分） 且要求大一些比较好0850.9 越大则保护灵敏度越好。h 继电器的返回系数与哪些因素有关呢？（如何提高返回系数） 采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩 改善磁路结构以减小剩余转矩容易返回 吸引衔铁型多被用于中间继电器（驱动）转动衔铁型多用于过电流保护继电器（高，高）螺管线圈式多用于时间继电器 三 体管型继电器1 晶体管型过电流继电器图 电压形成回路： 用变流器LB将输入电流转换成一个在上的压降。 与电流互感器二次回路隔离取的所需电压 整流电路阻抗 整流滤波回路 由二极管组成全波整流桥 为型滤波 它将系统输出电压变成一比较平滑的直流电压，加在电位器上， 电压比较回路：由正电源，稳压管W构成回路。 W被反向击穿，W两端为稳压的电压（一般选3v稳 压管），且可调，即可变继电器的起动电流。：门槛电压，（3v）=0v时，即可起动 图中处为反向击穿稳压，为正向导通的二极管 执行回路是一个由三极管T1，T2构成的两级单稳定触发器a 正常工作时，时， c 动作以后再减小电流，使，a点电位回升，最后又D2截止，使T1由截止变成导通，T2截止，输出高电平，继电器返回。d D3保护下，C3为干扰电容 1 （正常） 2不动 （启动翻转）4 3 动 （返回） 2 晶体管型延时继电器 正常时，T1饱和导通，a点为低电平，D1导通， 电容C被短接b点电位为 图 此值不能使W反向击穿，T2基极为低电平，T2截 止，输出为高电平。 当输入电平为低电平时，T1截止，a点电位为高电平，D1截止，电源经R2向电容充电，当b点电位大于W的击穿电压时，W被击穿，T2饱和导通，输出低电平，即：继电器延时输出。 延时时间 （电容起始电压） 调节改变延时.四 电流互感器。（略）五 电压互感器。（略）六 电流速断保护（过流段）无时限电流速断。1 工作原理：当网络相间短路时，电源与故障之间的电流会增大电流保护动作 概念：反应电流增大而瞬时动作的电流保护称为电流速断。 对电流速断保护的要求：a 根据继电保护速动性的要求，必须保证系统稳定和重要用户供电的可靠性。原则上要求越快越好，所以对各种电气设备应力求安装速动保护装置。b 要保证动作的选择性，例如： A B C D 2 2 1 3 d1 d2 d3 d4 假定在每条线路上均装有电流速断保护装置，此时如果当AB段发生短路时，希望保护2能迅速动作，BC段故障时，保护1能动作。电流速断的保护范围最好能达到本条线路全长的100%，但是： 当AB段线路末端d1 短路时，希望保护2动作切除故障。 当BC段线路始端d2短路时，希望保护1动作而保护2不动（B站还能送电） 而d1点和d2点短路时流过保护2的电流几乎是一样的，所以要求d1短路时保护2动作而d2短路时保护2不动，就不能同时满足。 保护1也无法区分d3和d4点的短路。d. 速断至少要保护线路的一部分 为解决以上矛盾，通常都是优先保证动作的选择性，即：在BH2的启动电流，保证下一条线路出口处短路的条件整定，此时起动参数的整定称之为“按躲开下一条线路出口处短路的条件整定”。因此说电流速断无法保护线路的全长。2 整定计算： 系统最大运行方式：某一保护在保护范围内末端短路时，流过保护的电流最大。 1 2 特点：对应的阻抗较小 当1或2断路跳开时就变为最小运行方式 系统最小运行方式：在保护范围末端短路时流过的电流最小 1 3 特点：对应的阻抗较大 系统的运行方式是根据短路类型及系统接线不同而变化的 短路电流：根据电力系统短路分析，当电源电势一定时，短路电流的大小决定于短路点与电源之间的总阻抗a 在最大运行方式下发生三相短路时，最小短路电流为： b 在最小运行方式下发生三相短路时，最小短路电流为：（，见电力工程）其中：电源电势：保护安装地到电源的最大阻抗：保护安装地到电源的最小阻抗：线路单位长度阻抗：短路的点到保护安装地的距离 在一定的系统运行方式下，（电源电势）和（保护到电源的阻抗）均为常数，此时短路电流随（短路阻抗） 的增大而减小，所以随距离L的变化曲线如图： 最大运行方式 最小运行方式 图中： ： 当系统运行方式及故障类型改变时都将随之变化 无时限电流速断保护的整定： 为了保证电流速断的选择性（如对来说，当在D4处发生短路时电流速断不应该动作，而由电流速断动作）所以，的起动电流必须大于D4短路时可能出现的最大短路电流。 即： （n。电流互感器的变化） 其中：= 起动电流 最大运行方式下变电所C母线的三相短路电流 这样才能保证D4短路时电流速断不动，满足选择性的要求。 所以整定电流为： 其中： =为可靠系数 引入的目的是：a 考虑各种存在的误差。b 实际的短路电流要大于理论计算值。c 考虑必要的裕度对来讲，起动电流3 无时限电流速断（本线路末端最大短路电流）即：无时限电流速断不反映外部故障。它没有时间元件，仅以继电器本身固有的动作时间动作，它完全依靠提高整定值来获得选择性。由于动作电流整定后是固定不变的，所以可用直线来表示它与和各有交点。 在交点以前短路时由于短路电流大于起动电流，保护装置能动作 在交点以后短路时由于短路电流小于起动电流，保护装置不能动作而系统在不同的运行方式下或不同的短路类型下它的保护范围是不同的。 在最大运行方式下短路电流比较大，保护启动的可能性大，保护范围就大 在最小运行方式下短路电流比较小，保护启动的可能性小，保护范围就小 保护范围： 如果保护的动作电流已知，则： 系统运行在最小方式下，且为两相短路时，短路电流最小，此时保护范围最小。 （取线电压） 所以电流速断的最小保护范围为 灵敏度： 即：无时限电流速断保护的最小保护范围一般不应小于被保护线路全长的4 动作时限：无时限电流速断要求动作迅速，没有延时0s5 保护接线： 动作过程：电流继电器接于电流互感器二次 侧，过流后直接启动中间继电器经串联信号 继电器跳闸线圈TQ，跳开DL和二次信号回路。 采用中间继电器的原因： .电流继电器的触点容量较小，不能直接启动跳闸线圈TQ，中间继电器接点容量较大，去驱动作用。 .当线路上装有管型避雷器，其放电时，相当发生瞬时接地短路，电流速断要跳闸，但放点完毕后，线路又恢复正常（不是故障），这时保护的动作属于误动。因此保护的动作时间应该躲开避雷器的放电时间个周波，ms，所以采用ms延时的中间继电器，可防止保护由于避雷器放电而引起的误动。 信号继电器的作用： 为了便于运行人员分析故障，需将已动作过的保护指示出来，所以要加信号继电器，一般装在保护装置的出口回路上。这样才能指出整套装置是否已经工作。 展开图：6 对无时限电流速断保护的评价 不能保护线路的全长。（线路末端） 以满足选择性，有相当长的非保护区。 保护范围随系统运行方式及短路类型而变化。a 当系统为最大运行方式时速断的保护范围最大。b 系统在最小运行方式下两相短路时，其保护范围最小。即：对被保护线路内部故障的反应能力（即灵敏性）是变化的。 当系统运行方式变化很大时（即最大短路电流与最小短路电流差别很大时），按最大运行方式下保证选择性整定后，在最小运行方式下可能没有保护范围。在按最大运行方式下的三相短路电流来整定最大。 所以先确定，然后确定 1 ，然后确定保护1的整定值：（此时保护范围最大）如果在最小运行方式下很小，则要想产生足够大的使保护动作，即： ，就必须把短路点距电源很近。 最大运行方式当与没有交点时，则保护1在最小 最小运行方式运行方式下就没有保护范围。 图中为 当被保护的线路较短时，也可能没有保护范围。a 当线路较长时，其始端和末端的短路电流相差很大，所以变化曲线就比较陡，靠近始端时上升很快，可使保护动作，所以保护范围较大。时，保护均能动作。b 当线路较短时，其始端与末端短路电流相差不大，所以变化曲线就比较平缓，此时保护起动电流在考虑了可靠系数进行整定以后 1则 对最大运行方式，保护范围很小 对最小运行方式，可能就没有保护范围 无时限电流速断保护的优点是：动作迅速能 快速切除故障线路，简单可靠七限时电流速断保护（过流段） 无时限电流速断保护在许多情况下用于任何负载网络均能保证选择性，且接线简单，迅速可靠，但它的缺点是不能保护线路的全长，即：有相当大的非保护区（系统运行方式变化较大，或较较短线路）可能没有保护区。 在非保护区短路时，如不采取措施，故障便不能切除，这是绝对不允许的。因此必须考虑增加另一种保护，用来切除本线路上无时限电流速断保护范围以外的故障，作为无时限电流速断的后备保护，这就是时限电流速断保护。1.工作原理： 概念：反应电流增大而延时动作切能保护线路全长的电流保护 对限时电流速断保护的要求：a 作为无时限电流速断的后备保护，限时电流速断比哦许能保护本条线路的全长。因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，及在本线路的末端或下条线路出口处发生短路时（这两处的短路电流基本相等），次处无时限电流速断不能保护，所以作为后备保护，限时电流速断要起动。b 动作要带有一定的时限，以保证动作的选择性，并力求具有最小的动作时限，以保证具有足够的灵敏度。总之，要求限时电流速断保护能以较小的时限快速切除全线路范围内的故障。 起动条件：分析如下保护2的无时限电流速断的动作电流为保护范围是。AB- 为非保护区。当d1处短路时（在AB段内）理应由的限时电流速断来起动跳闸。 A 2 B 1 C d1 d2 L2 L1 当d2处短路时（在BC段内的的无时限速断保护区）。所以应该由的无时限电流速断来起动跳闸。 但是由于d1与d2处的短路电流基本上相等。，所以d1处或d2处短路时保护2的限时电流速断与保护1的无时限电流速断都可能动作，但为了保证选择性，在d2处的限时电流速断不应该动作（如果动会造成B变电所停电，而故障又不在AB线路上这样会扩大停电的范围），而应由保护1的电流速断来动作（切除故障线路BC，而B变电站不停电），为了保证以上的选择性，方法是：增加保护2限时电流速断的时间，即d2短路时，所以保护1的无时限电流速断马上动作切除故障线路BC，同时（保护2的限时速断的起动电流），所以保护2的限时速断也同时起动了，但是它要经过一段延时才能动作于跳闸。在延时过程中，保护1的无时限速断已经把故障线路切除了，故障消失，使保护2的限时电流速回，保证了选择性。 在d1处短路时，短路电流均大于保护2的限时速断和保护1的无时限速断的起动电流，即，但此时B变电所的母线电压已降为零，流过的电流也为零，所以从B往后已经停电，保护1不能起动，保护2的限时电流速断动作。所以保护2的限时速断延时后，动