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继电保护基础讲义,继电保护基础讲义,继电保护基本概念继电保护基本原理继电保护装置的基本组成常见继电保护介绍常规继电保护配置配电网的继电保护继电保护未来的发展方向,讲义内容,正常运行状态：电力系统的各母线电压在允许偏差范围内、频率波动在允许范围内，系统的发电输电以及用电设备有一定的备用容量，电力设备的负载在额定负荷以内保持正常运行。不正常运行状态：电力系统或电力设备的正常运行状态受到改变但还没有达到故障状态。常见的有电力设备超负荷长期运行，电力系统振荡等。,1、电力系统运行状态,一、继电保护基本概念,故障：电力设备或电力线路出现短路或断线，其中最常见也是最危险的故障时各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路。事故：系统或其一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电、电能质量变坏到不能容许的程度、甚至人身伤亡和设备损坏以及大面积的停电等。电力系统的大部分事故往往是由于故障设备切除的过慢或保护拒动、误动引起的。,1、电力系统运行状态,一、继电保护基本概念,自动、迅速、有选择的将故障设备从电力系统中切除，使故障设备免遭破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常的运行；反映电力系统的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，动作于发信号、减负荷或断路器跳闸。,2、继电保护的作用,一、继电保护基本概念,选择性：电力系统发生故障时，保护仅将故障元件切除，非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。速动性：保护应尽可能快的动作于断路器跳闸，以切除故障或中止异常状态发展，提高系统稳定性，避免故障进一步扩大。快速保护动作时间为0.010.06s，断路器的动作时间为0.020.15s。,3、电力系统对继电保护的基本要求,一、继电保护基本概念,灵敏性：灵敏性是保护在规定的保护范围内，对故障情况的反应能力。要求保护装置在区内故障时，不论短路位置与类型，都能灵敏地正确地反应出来。继电保护越灵敏，也越容易出现误动作，因而灵敏性与选择性是有矛盾的，需要协调处理。可靠性：当系统异常或故障状态时，保护能够准确地完成动作，即不拒动；而在动作以外的其他所有情况下，保护能够可靠不动作，即不误动。,3、电力系统对继电保护的基本要求,一、继电保护基本概念,按保护的作用分类主保护：能以最快速度有选择的切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护：主保护或断路器拒动时，用于切除故障的保护。远后备：当主保护拒动时，由相邻电力设备或线路的保护实现后备。近后备：当主保护拒动时，由该电力设备或线路的另一套保护实现后备的保护。辅助保护：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。异常运行保护：反映被保护电力设备或线路异常运行状态的保护。,4、继电保护的分类,一、继电保护基本概念,按被保护的对象分类输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；按保护原理分类电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；按保护所反应故障类型分类相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等。,4、继电保护的分类,一、继电保护基本概念,20世纪50年代以前，电磁型继电器保护；20世纪50年代末到80年代初，晶体管继电保护；20世纪80年代中到90年代，初集成电路保护；20世纪90年代中至今，微机保护。,5、继电保护的发展史,一、继电保护基本概念,电源到短路点之间的线路中流过很大的短路电流；系统各母线电压均有不同程度的下降，距离故障点越近，母线电压越低；反映电压与电流之比的测量阻抗值较小，短路点距离测量位置越近，测量阻抗值越小，距离越远，测量阻抗越大，短路时测量阻抗角值较大（60以上）；发生对称故障时没有负序和零序分量，若发生不对称故障，故障点或母线处将会出现较大的负序和零序分量。,1、系统故障时电气量特点,二、继电保护的基本原理,反映短路故障后电流增大而动作的过电流保护；反映短路故障后母线电压降低而动作的低电压保护；反映短路故障后测量阻抗减小而动作的距离（阻抗）保护；反映短路故障后负序和零序分量增大而动作的负序过流、过压和零序过流、过压保护。,2、单侧电源系统采用的保护原理,二、继电保护的基本原理,通过在被保护设备或线路两侧进行电气量的测量比较以构成差动原理的保护。如电流差动保护、电流相差保护等；反映短路电流流向的功率方向保护。,3、多侧电源系统采用的保护原理,二、继电保护的基本原理,1、微机保护装置的硬件结构,三、继电保护装置的基本组成,分散组屏,2、微机保护装置的现场组屏,三、继电保护装置的基本组成,集中组屏,2、微机保护装置的现场组屏,三、继电保护装置的基本组成,1、三段式电流保护,四、常见继电保护介绍,瞬时电流速断保护,定义：反映电流增大而瞬间动作的电流保护。,整定值：Iset1=KrelIk.max,保护范围：大于线路全长15%20%,1、三段式电流保护,四、常见继电保护介绍,限时电流速断保护,定义：切除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为本线路速断保护的后备的保护。,整定值：Iset2=KrelIset1,时限：t=0.20.5,1、三段式电流保护,四、常见继电保护介绍,定时限过流保护,定义：启动电流按照躲过最大负荷电流来整定的电流保护称为过电流保护。,整定值：,时限：采用阶梯形时限配合，在电网的最末端动作最快，比下一级线路的过电流保护时限要高出至少一个t。,2、电流保护的接线方式,四、常见继电保护介绍,三相星形接线,两相星形接线,3、方向式电流保护,四、常见继电保护介绍,方向性的提出,3、方向式电流保护,四、常见继电保护介绍,方向元件的动作特性,保护1的正方向k1点故障时，其短路功率为正值，可用数学式子来表达：Pk=UkIk=UkIkCOSk0,3、方向式电流保护,四、常见继电保护介绍,动作特性向量图,为了提高方向元件的灵敏性，实际应用中一般将Uk移相角，使移相后的向量M=Ukej落在Ik附近。,正方向短路时方程改写为：Pk=UkIk=UkIkCOS(k)0,令=sen，sen称为方向元件的最大灵敏角。,4、零序电流保护,四、常见继电保护介绍,中性点直接接地系统的零序电流保护,零序电流速断保护,躲开线路末端单相或两相接地故障时最大短路电流；,躲开非全相运行状态下又发生系统振荡时的最大零序电流，此电流值较大，会降低保护灵敏度。,零序电流限时速断保护,零序电流过电流保护,4、零序电流保护,四、常见继电保护介绍,中性点非直接接地系统的零序电流保护,中性点不接地系统单相接地故障特点,母线上出现较高的零序电压；,故障相零序电流是正常运行时三相对地电容电流的代数和；,当母线上有多条线路时，对故障线路，其流向母线的零序电流等于全系统非故障线路对地电容电流之和，故障线路电容性无功功率的方向为由线路流向母线，与非故障线路相反。,中性点不接地系统的接地选线,零序电压启动；故障线路零序电流大于非故障线路，零序功率方向不同。,4、零序电流保护,四、常见继电保护介绍,中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障特点,母线上出现较高的零序电压；,消弧线圈的感性电流与电网容性电流相抵消，使得接地点电流减小，故障线路与非故障线路零序电流的差别不大；,感性电流与电容电流的补偿作用随运行方式变化，非故障线路与故障线路的零序功率方向区别也难以判断。,中性点经消弧线圈接地系统的接地选线,谐波电流方向保护原理、首半波原理、零序电流有功分量方向保护原理；多种原理判据综合判断。,中性点非直接接地系统的零序电流保护,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,距离保护概念,距离保护反映故障点到保护安装处的距离而动作，由于它同时反映故障后电流的升高和电压的降低而动作，因此其性能比电流保护更加完善，它基本上不受系统运行方式变化的影响。,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,距离保护时限特性,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,距离保护主要组成元件,启动元件：过电流元件、阻抗元件、负序或零序电流元件等；阻抗元件：四边形阻抗元件、比相式阻抗元件、工频变化量阻抗元件、低压阻抗元件等；振荡闭锁元件：系统振荡时闭锁距离保护；电压闭锁元件：二次电压回路断线及失压闭锁；时间元件：确定动作时间。,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,阻抗元件概念,计算接入电压Uk和电流IK的比值ZK。我们把ZK称为测量阻抗，设整定阻抗为Zset，当ZKZset时保护不动作，反之保护动作。,表中K=(Z0Z1)3Z1,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,方向阻抗元件,通用动作方程,式中：工作电压Uop=UKIKZset，极化电压UP=U1对接地距离继电器，工作电压为：对相间距离继电器，工作电压为：,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,方向阻抗元件动作特性,方向阻抗元件,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,方向阻抗特性圆,方向阻抗元件,5、距离保护,四、常见继电保护介绍,距离保护缺点,不能实现全线速动；保护本身元件多，降低了可靠性；受过渡电阻、系统振荡等的影响大。,6、纵联保护,四、常见继电保护介绍,纵联保护概念,纵联保护是指通过某种通讯通道将输电线两端的保护装置纵向连接起来，将各端的电气量传送到对端，然后对两端的电气量进行比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围外，从而决定是否切除被保护线路，实现全线路故障时的瞬时切除。理论上，纵联保护具有绝对的选择性，在整定计算上不需要与其他保护配合。,6、纵联保护,四、常见继电保护介绍,纵联保护分类,载波纵联保护,纵联差动保护,高频闭锁方向保护，包括高频闭锁功率方向保护、高频闭锁距离保护、高频闭锁零序保护、电压相位比较式保护等；电流相位差动保护。,电缆直接连接方式，如发电机、变压器及变电站母线差动；采用光纤线路将电气量传送至对侧，例如光纤电流差动保护。,6、纵联保护,四、常见继电保护介绍,电流差动原理,IR=IM2+IN2,6、纵联保护,四、常见继电保护介绍,电流差动动作特性,在第一区域中：IM+INId0时动作；在第二区域中：IM+INK1IMIN时动作；在第三区域中：IM+INK2IMIN时动作。,1、线路保护配置,五、常规继电保护配置,中、低压（110kV及以下）线路保护,三段式电流保护、方向过流保护、低压闭锁过流保护，低周减载；零序过流（直接接地系统）、零序过压（非直接直接系统）。,高压线路保护,高频保护、光纤电流差动保护；距离保护、零序方向过流保护、非全相运行保护。,2、变压器保护配置,五、常规继电保护配置,中、低压（110kV及以下）变压器保护主保护,纵联差动保护，包括差动速断和比率差动保护；本体保护，包括本体重瓦斯、有载调压重瓦斯和压力释放。,后备主保护,复合电压闭锁方向过流保护、TV断线告警；过负荷保护，包括过负荷告警、启动风冷、闭锁有载调压；冷空失电、主变超温告警；零序过流保护、间隙零序过流保护。,2、变压器保护配置,五、常规继电保护配置,高压（110kV及以下）变压器保护主保护,比率差动保护采用至少两种原理来克服励磁涌流误动；工频变化量比率差动保护、零序差动保护；分相差动保护、分侧差动保护。,后备主保护,阻抗保护、零序方向过流保护；断路器失灵保护、反时限过激磁保护；过电流保护、零序过压保护。,3、母线保护配置,五、常规继电保护配置,母线保护配置原则,母线保护与主变保护一样，其主保护均采用纵联差动保护；多母线保护由母线大差动和母线小差动构成的。大差动由除母联以外的各母线上所有支路电流构成的差动回路。小差动是指某段母线相连接的各支路电流构成的差动回路，其中包括了母联开关。,保护配置,纵联差动保护、断路器失灵保护；母联死区保护、母线充电保护、母联过电流保护。,4、发电机保护配置,五、常规继电保护配置,发电机故障类型,发电机定子绕组的相间短路故障；发电机定子绕组的接地故障；发电机定子绕组的匝间短路故障；发电机外部相间短路引起的过电流；发电机定子绕组过电压；发电机定子绕组过负荷；发电机负序过负荷；发电机励磁绕组过负荷；发电机励磁回路接地；发电机转子接地；发电机失磁故障；发电机逆功率等。,4、发电机保护配置,五、常规继电保护配置,发电机保护基本配置,反映定子绕组相间短路故障的纵联差动保护；反映定子绕组匝间短路故障的横差保护；反映发电机定子绕组单相接地故障的保护（零序电流保护、基波零序电压保护、三次谐波电压保护）；发电机转子接地保护（一点接地保护、两点接地保护）；发电机相间短路故障的后备保护（过电流保护、复合电压闭锁过电流保护、负序过电流保护等）；发电机转子绕组过负荷和过电流保护；发电机定子过电压保护；发电机失磁保护；发电机逆功率保护等。,4、发电机保护配置,五、常规继电保护配置,大型发电机保护配置,发电机不完全纵差；发电机裂相横差；发电机过励磁；发电机失步；机组误上电；励磁变差动；转子过负荷；阻抗保护；发电机轴电压轴电流保护；发电机频率异常保护；发电机的其他辅助保护。,5、电力电容器保护配置,五、常规继电保护配置,保护配置,电流速断和过电流保护，用于对电容器组与断路器之间连接线的故障；过电压保护，用于电容器组中故障电容器切除或击穿后造成其他电容器端电压过高的故障；失压保护，用于母线失压故障。,6、自动重合闸,五、常规继电保护配置,重合闸概念,自动重合闸就是当线路出现故障时断路器跳开后，在短时间（12秒）内实现一次自动合闸。,重合闸分类,单重、三重、综重。,重合闸配置原则,对于中、低压线路，由于故障后一般不采用分相跳闸方式，因此一般选用简单的三相重合闸方式；对于高压线路，由于三相重合闸产生的过电压有可能会危害到系统的稳定，因此一般选用单相重合闸或综合重合闸。,1、中、低压配电网结构,六、配电网的继电保护,主要组成部分,35kV输电线路35kV变电站10kV配电线路10kV开闭所10kV配电变压器400V配电网,2、中、低压配电网特点,六、配电网的继电保护,接线形式不规则，有辐射型接线、环网接线、多回路接线、开闭所等，拓扑识别难度大；配电线路长、级数多，保护整定配合困难；运行方式上同时存在环网运行和开环运行，求取极端运行方式困难；所配备的保护从熔丝保护到微机保护类型混杂，保护整定原则非常多样、灵活。,3、中、低压配电网传统保护配置,六、配电网的继电保护,35kV变电站，进线一般不设保护，变压器保护包括差动保护、本体保护、后备保护，10kV出线配置三段式过流保护和自动重合闸，10kV母线上装设小电流接地选线装置，母线分段配置过流保护和充电保护；10kV开闭所进线一般不设保护，出线配置过电流保护、零序过压告警、零序电流保护（仅限电阻接地系统）、自动重合闸，母线分段配置备用电源自投装置；配电变压器配置熔断器或过电流保护和零序电流保护；10kV环网一般采用负荷开关为主，因此常常不设保护；400V配网采用低压开关自带的过电流保护和零序电流保护。,4、继电保护在配网自动化中的应用,六、配电网的继电保护,基于重合器和分段器的保护方式,重合器一种具有控制和保护功能的开关设备。当线路正常运行时起到断路器的作用；当线路故障时，若重合器流过超过整定值的故障电流，则重合器跳闸，并按预先整定的动作顺序做若干次合、分闸的循环操作，若重合成功则自动终止后续操作，过一段时间回到预先整定状态为下一次故障做好准备，若重合失败则闭锁在分闸状态，直到人为解除闭锁。,4、继电保护在配网自动化中的应用,六、配电网的继电保护,分段器与电源前级主保护开关相配合的，在失压的情况下自动分闸的一种设备。在线路发生永久性故障时，分段器在预定次数的分合操作后闭锁于分闸状态，从而达到隔离故障线路区段的目的。若分段器未完成预定次数的分合操作，故障就被其他设备切除了，则保持在合闸状态，经一段时间后恢复到预先整定状态。,基于重合器和分段器的保护方式,4、继电保护在配网自动化中的应用,六、配电网的继电保护,故障隔离过程,基于重合器和分段器的保护方式,4、继电保护在配网自动化中的应用,六、配电网的继电保护,基于设备终端和通讯网络的保护方式,设备终端包括远程终端（RTU）、馈线终端（FTU）、开闭所/环网柜终端（DTU）、配电变终端（TTU）；F