继电保护的基本原理.ppt

继电保护的基本原理 王刚 刘沛 继电保护 什么是继电保护 泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统 什么是继电保护装置 指能反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态 并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置 继电保护保护什么 继电保护装置的两大基本任务 1 自动 迅速 有选择性地将故障元件从电力系统中切除 使故障元件免于继续遭受破坏 保证其他无故障部分迅速恢复正常运行 2 反映电气元件的不正常运行状态 并根据运行维护的条件 而动作于发信号 减负荷或跳闸 继电保护的基本原理 19世纪末 过电流保护原理 熔断器 1905 1908年 电流差动保护1910年 方向性电流保护20年代初 距离保护30年代 高频保护 纵联方向比较式保护 实现手段三个阶段 两次飞跃50年代 由机电式到半导体式80年代 由半导体式到数字式 继电保护的基本概念 保护 保险丝继电 由继电器来控制开关核心工作 判断信息来源 电流 电压等电气量及一些状态量理论工具 电力系统故障分析 信号处理方法相关技术 传感器技术 计算机技术 通讯技术 电力系统对继电保护的基本要求 选择性 指保护装置动作时 仅将故障元件从电力系统中切除 使停电范围尽量缩小 速动性 发生故障时 继电保护装置能迅速动作 切除故障 灵敏性 是对于其保护的范围内 发生故障或不正常运行状态的反应能力 可靠性 发生故障的部分不应该拒动 没有发生故障的部分不能误动 可依赖性 安全性 继电保护装置的作用 在工厂供电系统中发生故障时 必须有相应的保护装置将故障部分及时地从系统中切除 以保证非故障部分的继续工作 或发出报警信号 以便值班人员检查并采取消除故障的措施 继电保护装置即各种不同类型的继电器 以一定的方式连接与组合 在系统发生故障时 继电保护动作 作用于断路器脱扣线圈或给出报警信号 以达到对系统进行保护的目的 常见的继电保护装置 继电保护装置由若干个继电器组成 所以继电器是继电保护的主要元件 电流继电器 电压继电器 时间继电器 中间继电器 信号继电器 温度继电器 瓦斯继电器 继电保护装置的基本构成 测量 传感回路 信息采集 滤波和算法 判断 故障分析 逻辑判别 定值门槛 执行 控制开关行为的具体电路 信息记录 故障录波 事件记录 通讯 学科特点 理论与实践并重 电力系统发生故障时 会引起电流的增加和电压的降低 以及电流 电压间相位角的变化 因此 利用故障时参数与正常运行时的差别 就可以构成各种不同原理和类型的继电保护 例如 1 反映电流改变的 有电流速断 定时限过电流 反时限过电流及零序电流等保护 2 反映电压改变的 有低电压或过电压保护 3 既反映电流又反映电流与电压间相角改变的 有方向过电流保护 4 反映电压与电流的比值 即反映短路点到保护安装处阻抗的 有距离保护等 5 反映输入电流与输出电流之差的 有变压器差动保护等 电力设备在运行中可能发生故障和不正常的状态 故障 最常见也是最危险的故障是各种形式的短路 不正常状态 电力系统中电气设备的正常工作遭到破坏 但并未发生短路故障 这种情况属于不正常运行状态 比如设备过负荷 温度过高 小电流接地系统中的单相接地等 电力系统发生短路可能产生的后果 故障点所燃烧电弧使故障元件损坏 短路电流通过非故障元件 产生发热和电动力 使非故障元件损坏或降低使用寿命 电力系统部分地区电压降低 影响用户工作稳定性或影响工厂产品质量 破坏电力系统并列运行的稳定 短路 就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流 短路电流流过载流体产生的力效应和热效应是校验载流部分和电气设备能否稳定工作的主要依据之一 为了选择和检验电气设备 载流导体和整定供电系统的继电保护装置 需要计算三相短路电流 短路故障的种类 单相接地故障 单相接地短路是最常见的故障 约占全部故障几率的80 以上 两相接地短路 两相接地短路故障一般不超过全部故障几率的10 两相短路及三相短路 两相短路及三相短路故障相对较少 一般不超过全部故障几率的5 但是这种故障比较严重 故障发生后要求迅速切除故障 断相 断相故障包括线路断线 断路器断相等 故障几率更小 约为1 绕组匝间短路 这种故障发生在发电机 变压器 调相机 电动机等电机电器内部的绕组中 故障几率极小 但是能严重损坏设备 造成短路的主要原因 造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏 误操作 雷击或过电压击穿等 由于误操作产生的故障约占全部短路故障的70 短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍 当它通过电气设备时 设备温度急剧上升 过热会使绝缘加速老化或损坏 同时产生很大的电动力 使设备的载流部分变形或损坏 选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定 短路电流在线路上产生很大的压降 离短路点越近的母线 电压下降越厉害 从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行 短路电流和系统运行方式的关系 供电系统的短路电流大小与系统的运行方式有很大的关系 系统的运行方式可分为最大运行方式和最小运行方式 最大运行方式下电源系统中发电机组投运多 双回输电线路及并联变压器均全部运行 此时 整个系统的总的短路阻抗最小 短路电流最大 反之 最小运行方式下由于电源中一部分发电机 变压器及输电线路解列 一些并联变压器为保证处于最佳运行状态也采用分列运行 这样使总的短路阻抗变大 短路电流也相应的减少 继电保护的整定计算一般是在同一电压等级上以一次值进行的 在整定方案选定后需换算至二次值 按保护构成原理分为两种 第一种是以差动为基本原理的保护 包括发电机 变压器 母线等差动保护 各种纵联方式的线路保护 如高频保护 它们在原理上具备了区分内 外故障的能力 保护范围固定不变 而且它们的整定值与相邻保护没有配合关系 具有独立性 整定计算比较简单 第二种是阶段式保护 它们的整定值要求与相邻的上 下级保护之间有严格的配合关系 而它们的保护范围又随电力系统得运行方式的改变而变化 在工厂供电系统中 电流继电器是保护装置中重要的起动元件 常用的机电式电流继电器分电磁式和感应式两种 电磁式电流继电器的电流时间特性是定时限特性 只要通过继电器的电流超过某一预先整定的数值时 它就能动作 动作时限是固定的 与外加电流无关 感应式电流继电器的时间特性是反时限特性 当某一线圈通入一定数值得电流时 其动作时限与通入电流大小平方成反比 通入线圈的电流越大 则动作时限越短 反时限过电流保护的特点 动作电流与时限成反比 即动作电流愈大 动作的时限愈短 譬如在同一线路上 靠近电源侧的始端发生短路时 短路电流大 动作时限短 反之末端发生短路 短路电流较小 动作时限较长 选择定时限过电流保护动作电流的原则是应保证在被保护线路发生相间短路故障时能可靠的动作 在正常运行时的最大负荷电流和由于电动机的起动或自起动以及用户负荷突变和其他原因引起的短时间的冲击电流等情况下保护不应动作 互感器运行 电压互感器可以将高电压变换为低电压 电力系统在运行中 需要测量运行电压和负荷电流 还需要具备完善的继电保护装置 但由于绝缘的要求 测量仪表和继电器制造工艺等方面的原因 用电气测量仪表无法直接测量高电压和大电流 继电器也无法直接接入系统 为此 在电力系统中采用了电压和电流变换装置 称之为互感器 电流互感器可以将大电流变换为小电流 由于采用了互感器 测量仪表和继电保护装置不用直接与高电压连接 从而保证了电气测量和继电保护工作的安全 互感器原理和标准化 互感器与变压器都是利用电磁感应原理工作的 其结构亦是由铁 蘸 一次线圈 二次线圈及结构物组成 电压互感器工作原理与变压器相同 电流互感器工作原理与变压器不同的是 其铁芯内的交变主磁通是由一次线圈通过的电流产生的 交变主磁通在二次线圈内感应出相应的二次电流 电压互感器的二次侧标难额定电压为100V 电流互感器的二次侧标准额定电流为5A或1A 这使得仪表和继电器的制造可以实现标准化 电压互感器 电压互感器的工作原理与变压器相同 但从工作应用的角度分析 电压互感器输出容量接近于空载运行 其本身的短路阻抗也很小 在允许负荷范围内 互感器的阻抗压降也较小 这样在使用时可以得到比较准确的电压比 根据工作原理 一次电压变换到二次电压时会产生相角差 相角差和负荷与短路阻抗形成的电压差 在使用中应子重视 电压互感器的准确度 国家标准规定 电压互感器的准确度等级分为5级 应用时应根据电压互感器的用途 负荷性质 选用适当准确度等级的电压互感器 测量用电压互感器的标准准确级和误差限值见表1 保护用电压互感器的标准准确级和误差限值见表2 电压互感器 用低量程的电压表测高电压 被测电压 电压表读数 N1 N2 使用注意 1 副边不能短路 以防产生过流 2 铁心 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损时 在副边出现高压 电流互感器 电流互感器的工作原理与变压器相似 不同点是电流互感器是通过一次线圈的电流在铁芯中感应交变磁通 交变磁通穿过二次线圈产生感应电势 感应电势通过负载 取得相应的电流 一次电流与二次电流的比值称为电流互感器的电流比 电流互感器的电流比取决于一次线圈与二次线圈的匝数比 一次电流变换为二次电流时 也会产生电流误差和相位差 使用中应予重视 电流互感器的准确度 国家标准规定 电流互感器的准确级共分为6级 应用时应根据电流互感器的用途 负荷性质 选用适当准确度等级的电流互感器 测量用电流互感器的标准准确级和误差限值见表l 一般保护作用电流互感器标准准确级和误差限值见表2 电流互感器 用低量程的电流表测大电流 被测电流 电流表读数 N2 N1 1 副边不能开路 以防产生高电压 2 铁心 低压绕组的一端接地 以防在绝缘损坏时 在副边出现过压 使用注意事项 零序电流互感器 零序电流互感器主要是用来监测交流三相线路电流的平衡度 从变换电流出发 可将零序电流互感器视为单匝贯穿式电流互感器 其一次电流等于流过零序电流互感器的三相电流的向量和 在系统正常运行时 三相电流的向量和等于零 即零序电流互感器的一次电流为零 二次电流必须是零 当线路发生单相接地故障时 包括中性点不接地系统和中性点经小电阻接地系统 三相电流必然会产生不平衡 即零序电流 零序电流穿过零序电流互感器会使互感器二次线圈有电流产生 二次线圈接入信号或保护装置 使信号或继电保护装置动作 便能及时发现故障 切断故障线路 保证人身和设备不致发生危险 什么是变压器的空载试验 变压器的空载试验指的是通过变压器的空载运行来测定变压器的空载电流和空载损耗 一般说来 空载试验可以在变压器的任何一侧进行 通常将额定频率的正弦电压加在低压线圈上而高压侧开路 为了测出空载电流和空载损耗随电压变化的曲线 外施电压要能在一定范围内进行调节 变压器空载时 铁芯中主磁通的大小是由绕组端电压决定的 当变压器施加额定电压时 铁芯中的主磁通达到了变压器额定工作时的数值 这时铁芯中的功率损耗也达到了变压器额定工作下的数值 因此变压器空载时输入功率可以认为全部是变压器的铁损 一般电力变压器在额定电压时 空载损耗约为额定容量的0 1 1 什么是变压器的短路试验 变压器的短路试验通常是将高压线圈接至电源 而将低压线圈直接短接 由于一般电力变压器的短路阻抗很小 为了避免过大的短路电流损坏变压器的线圈 短路试验应在降低电压的条件下进行 用自耦变压器调节外旋电压 使电流在0 1 1 3倍额定电流范围变化 原边电流达到额定值时 变压器的铜损相当于额定负载时的铜损 因外施电压较低 铁芯中的工作磁通比额定工作状态小得多 铁损可以忽略不计 所以短路试验的全部输入功率基本上都消耗在变压器绕组上 短路试验可测出铜损 通常电力变压器在额定电流下的短路损耗约为额定容量的0 4 4 其数值随变压器容量的增大而下降 电力变压器的保护 瓦斯保护 容量在800KVA及其以上的油浸式变压器应装设瓦斯保护 作为变压器油箱内各种故障和油面降低的主保护 其中轻瓦斯保护动作于信号 重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器 过电流保护 一般用于降压变压器 作为变压器外部短路及瓦斯和电流速断保护的后备保护 零序电流保护 当变压器中性点直接接地或经放电间隙接地时 应装设零序电流保护 作为变压器外部接地短路的保护 过负荷保护 接于相电流上 并延时作用于信号 电流速断保护 对于中 小容量的变压器 例如工厂供电中的供 配电变压器 可以在电源侧装设电流速断保护 作为变压器电源侧线圈和电源侧套管及引出线故障的主要保护 它的整定值较高 因为它既要躲开变压器低压侧短路时的最大短路电流 又要躲开变压器空载投入时的励磁涌流 所以只能保护变压器高压线圈以上的部分 而不能保护变压器低压线圈 这是电流速断的缺点 异步电动机对三相短路电流的影响 正常运转时异步电动机的感应电动势略低于外加电压 当供电线路发生三相短路时 短路点的电压近似等于零 接在短路电附近的异步电动机因端电压的下降有停止运转的趋势 但是由于惯性 异步电动机的转子仍在转动 此时异步电动机的反电势大于其端电压 处于发电机工作状态 将转子储藏的磁能转换为电能向短路电反馈 产生反馈冲击电流 电动机内部常见的故障 定子绕组相间短路定子绕组单相接地定子绕组匝间短路 电动机常见的不正常状态 1过负荷2 电压消失或降低3 同步电动机的异步状态 电动机的保护方式有以下几种 相间短路设电流保护和纵差保护 对于1000V电压以下的电动机 容量大的使用自动空气开关 设专用保护 或利用其脱扣器保护 容量较小的用熔断器保护为防止过负荷 装设电流保护和热力保护为防止发生单相接地 装设零序电路保护欠电压保护同步电动机的失步保护 电容器的故障和异常运行方式 电容器组和断路器之间的连接线短路 针对这种短路应装设无时限或带短时限的电流保护 动作于跳闸 电容器内部故障及其引出线的短路 应采用的保护 可将电容器分为两组 装设横联差动保护 动作于跳闸 电容器组的单相接地故障 装设单相接地保护 微机继电保护的发展历程 2008 12培训 继电保护的发展阶段 第一阶段 电磁型保护第二阶段 晶体管保护第三阶段 集成电路保护第四阶段 微机保护第五阶段 随着计算机技术的不断发展 继电保护的内函扩展 将保护功能 管理功能融为一体 即 四合一 保护 提出综合自动化的概念 继电保护的发展阶段 中国的继电保护有2个发展高潮电磁型 感应型 整流型继电器由50年代 80年代微机型继电保护80年代至今晶体管和集成电路保护时间较短 为微机保护打下基础 电磁型继电器 70年代以前广泛使用保护功能 过流保护 电流继电器 时间继电器 中间继电器过 欠压保护 电压继电器 时间继电器 中间继电器距离 零序等继电器四遥 运行 管理功能 中央信号屏 RTU屏 运行人员巡视 定时记录 电磁型继电器 优点 稳定 可靠 使用寿命长 成本低 原理简单缺点 动作速度慢 二次回路复杂 TVTA负载大 复杂原理保护构成麻烦 调试定检工作量大 晶体管保护 第一台晶体管保护由山东工业大学研制 但运行不理想第一套实用型的晶体管保护由水电部组织研制 70年在西北330KV输电线路上运行 随后研制了A系列 C系列 D系列保护装置80年代大量使用 晶体管保护 晶体管保护也称为静态保护 由晶体管等电子元器件实现各种保护原理 第一代采用锗管 由于其抗干扰能力差改成硅管低压保护包含了电压 电流 重合闸功能 高压保护距离 零序 高频 相差 重合闸分别由不同的装置实现四遥 运行 管理功能 中央信号屏 RTU屏 运行人员巡视 定时记录 晶体管保护 优点 成本低 动作速度快 TVTA负载小 原理较简单缺点 复杂原理保护构成麻烦 调试定检工作量大 稳定性不高 集成电路保护 80年代开始研制 87年投入市场 原理同晶体管 只是采用中小规模IC芯片取代晶体管 提高可靠性 减少调试的复杂性和工作量 使用范围和规模较小 市场存在时间较短四遥 运行 管理功能 中央信号屏 RTU屏 运行人员巡视 定时记录 微机保护 六十年代提出应用计算机构成保护的概念七十年代研究算法的热潮八十年代微机保护进入实用八十年代末国内微机保护进入批量生产八十年代中期综合自动化研究发展九十年代国内综合自动化研究和应用繁荣 微机保护 82年开始研制 84年样机制造并在河北 东北电力系统运行84 86年进行大量的试验 87年9月26日在河北邯郸电网220KV线路做人工短路试验 同年批量生产 89年在东北500KV做人工短路试验 同年国家电网公司决定大面积推广应用 91年第二代微机保护推出 94年第三代微机保护推出 99年第四代微机保护推出 微机保护的优点 硬件可以标准化体积更小 占地少可方便实现各种原理的保护用数学方法比继电器特性方法易于提高保护性能程序可自适应运行状态而自动改变定值和特性有软硬件实时自检能力故障及事件记录 有利于事后分析通信功能 微机保护的缺点 与传统保护有根本性的背离使用者维护较难对硬件和软件都要求高度可靠在操纵和维护中用户较难掌握计算机技术发展很快 硬件容易过时 几种保护性能比较 几种保护性能比较 几种保护性能比较 第一代微机保护 采用6809微处理机一块CPU12位A D采样RS232通信保护功能无 四遥 功能 硬件结构图 模件布置图 第二代微机保护 8031单片机VFC技术5个CPU模块保护功能RS232通信总线不出插件无 四遥 功能 什么是VFC技术 ADC VFC吗 VFC是压频转换器 ADC是模数转换器 ADC的一种结构就是采用压频变换过程VFC是将模拟电压变成对应频率的脉冲信号 然后计频 可以换算成相应的电压数值 这就是使用VFC进行ADC的原理 ADC还有其他方法所以ADC VFC 硬件结构图 模件布置图 第三代微机保护 专业单片机VFC技术5个CPU模块保护功能LON网总线不出芯片 四遥 功能 第三代微机保护 Intel80196 80296 单片机VFC技术 A D技术 多CPU模块保护功能LON网 CAN网 总线不出单板 四遥 功能 前三代微机保护存在的问题 资源小 冗余度不够汇编语言编程 不利于扩展和维护 继承性差整体可靠性低运算速度慢信息处理能力低 第四代微机保护 采用32位微处理机 Motorola68332 大资源大平台设计14位A D以太网逻辑可编程保护功能 四遥 功能 第四代微机保护特点 软硬件系列化 模块化设计装置系列化设计基于统一设计的硬件平台软件统一平台 模块化设计 增强可靠性高级语言软件设计以齐套变电站内保护 控制设备为目标 第四代微机保护特点 高起点 大资源的硬件平台突破传统保护设计概念的局限易于产品功能的扩展高级语言编程 软件模块化借鉴国际产品优点 与先进技术同步发展为产品通用化提供条件 第四代微机保护特点 高起点 大资源的硬件平台摩托罗拉32位单片机技术 大容量RAM 1M字节 FlashRAM 1M字节 ROM 256K字节使产品的稳定性和运算速度得到保证保护采用14位的A D转换器测量模块A D转换精度高达24位配以大容量的RAM和FlashMemory 可记录8至50个录波报告 记录的事件数不少于1000条 第四代微机保护特点 高起点 大资源的硬件平台快速内部网络 消除通信瓶颈丰富的I O资源32组定值冗裕设计 提高装置安全性 CPU模件设计 第四代微机保护特点 嵌入式实时多任务软件平台良好的开发环境为分工协作 设计高可靠性的软件提供了保障软件功能彻底模块化采用C语言编程的功能软件独立于硬件之外 具备很强的移植性 可继承性 第四代微机保护特点 高效率的图形化逻辑可编程技术利用图形化逻辑可编程技术形成保护及自动化功能的过程 逻辑图的输入解析逻辑图逻辑图的执行 第四代微机保护特点 第四代微机保护特点 逻辑图执行效率逻辑运算速度达到 300个逻辑门 ms 各具特点的高精度数据采集系统VFC技术的优点 多CPU共享采样数据VFC的局限性 1 稳定性较差2 精度难以提高3 采样率受限制 各具特点的高精度数据采集系统 A D的优点精度高 14位稳定性好可提高采样率器件有较大的选择余地解决了多CPU共享A D采样数据的难题有源 无源滤波高精度极好的滤波特性保证各采样通道间相移一致 AD精度与精确工作电流的关系 第四代微机保护特点 根据继电保护 测量 计量功能的不同运行特点和要求 分别设计不同原理的交流采集系统保护采用低功耗 高稳定性的A D转换器测量 计量功能采用 型专用测量A D转换器 模数转换精度达24位以上 可形成包括电度量在内的各种测量 计量值 U I 0 2 P Q kWh kVrh 0 5 第四代微机保护特点 运行过程全息再现记录保护内部各元件动作行为和录波数据记录各元件动作时内部各计算值可将数据在分析软件上进行事件分析 反演支持远程诊断可将数据在Sview分析软件上进行事件分析可将数据在PC机保护平台上反演 第四代微机保护特点 嵌入式以太网及TCP IP技术高性能 可靠 灵活 通用采用IEC870 5 103标准通信规约 达到不同制造商产品的互操作性支持远方诊断 几种通信网络的比较 第四代微机保护特点 开放性设计丰富而灵活的通信资源充分考虑与现有变电站自动化系统接口通信口配置配置1以太网接口配置2RS232 485RS232 485 422配置3RS232 485LonWork配置4RS232 485CANBUS媒介铜导线或光纤支持集中打印或取消打印机 第四代微机保护特点 测量与控制功能事件上传遥控压板投退操作远方读取 修改定值切换运行定值区遥测 遥