电力系统继电保护及安全自动装置

主办：电力调度控制中心,时间：2013年3月,主讲人：刘超,电力系统继电保护及安全自动装置,目录,第一章电力系统继电保护基础知识,第二章电流保护,第三章接地保护,第四章自动重合闸,第五章变压器保护,目录,第六章发电机保护,第七章电容器保护,第八章其它,第九章继电保护运行管理,第一章电力系统继电保护基础知识,一、电力系统的稳定、振荡、短路1、电力系统稳定（1）电力系统正常运行时，原动机供给发电机的功率总是等于发电机送给系统供负荷消耗的功率，当电力系统受到扰动，使上述功率平衡关系受到破坏时，电力系统应能自动恢复到原来的运行状态，即所谓电力系统稳定。（2）电力系统稳定分静态稳定和暂态稳定。静态稳定：电力系统受到微小的扰动（如负荷和电压较小的变化）后，能自动地恢复到原来运行状态的能力。,暂态稳定：电网受到大扰动的情况。2、振荡：发电机与系统电源之间或系统两部分电源之间功角的摆动现象3、电力系统振荡和短路的区别（1）振荡时系统各点电压和电流值均作往复性摆动，而短路时电流、电压值是突变的。此外，振荡时电流、电压值的变化速度较慢，而短路时电流、电压值突然变化量很大。（2）振荡时系统任何一点电流和电压之间的相位角都随功角的变化而改变；而短路时，电流和电压之间的相位角是基本不变的。4、电力系统振荡时，对继电保护装置有哪些影响，哪些保护装置不受影响？,电力系统振荡时，对继电保护装置的电流继电器、阻抗继电器有影响。（1）对电流继电器的影响，当振荡电流达到继电器的动作电流Iop时，继电器动作，电流速断保护可能会误动作，一般情况下振荡周期较短，当保护装置的时限大于1.52s时，就可能躲过振荡误动作。（2）对阻抗继电器的影响。周期性振荡时，电网中任一点的电压和流经线路的电流将随两侧电源电动势间相位角的变化而变化。振荡电流增大，电压下降，阻抗保护可能误动作。因此距离保护必须加装振荡闭锁元件。原理上不受振荡影响的保护有相差动保护、电流差动纵联保护等。,5、提高系统稳定性的主要措施（1）减小线路电抗；（2）线路上装设串联电容；（3）装设中间补偿设备；（同步调相机、电容器）（4）采用直流输电。二、中性点接地方式及消弧线圈的补偿方式1、电力系统中性点接地方式：（1）中性点直接接地；（大接地电流系统：X0/X145）用在110kV以上的系统中。（2）中性点经消弧线圈接地；（小接地电流系统：X0/X145）用在335kV系统中。（3）中性点不接地。（小接地电流系统：X0/X145）用在335kV系统中。,2、消弧线圈的感性电流能起到补偿接地故障时的容性电流，使接地故障电流减少。补偿有三种不同的运行方式：欠补偿、全补偿、过补偿。（1）欠补偿：补偿后电感电流小于电容电流；（当电网中因故障或其他原因切除部分线路后，接地故障电容电流减小，导致电感电流等于电容电流，从而形成全部长的运行方式而造成串联谐振，出现很大的过电压。）（2）过补偿：补偿后电感电流大于电容电流；（3）全补偿：补偿后电感电流等于电容电流。（会发生串联谐振从而使消弧线圈受到很高的电压。）(o)/消弧线圈一般采用过补偿方式,3、大接地电流系统接地短路时，当故障点综合零序阻抗大于综合正序阻抗时，单相接地故障零序电流大于两相短路接地故障零序电流。当零序阻抗小于正序阻抗时，则反之。一般说，线路中点故障，单相接地故障电流较大。单相接地故障时的零序电流：Ik0=UK/(2Zk1+Zk0)两相接地故障时的零序电流：Ik0=UK/(2Zk0+Zk1)三、正序、零序、负序分量1、正序分量:三相量大小相等，彼此相位互差120，且与系统在正常对称运行方式下的相序相同，这就是正序分量。此正序分量为一平衡三相系统，正序分量通常又称为顺序分量。,2、负序分量：三相量大小相等，彼此相位互差120，且与系统在正常对称运行方式下的相序相反，这就是负序分量。负序分量亦为一平衡三相系统。3、零序分量：由大小相等，而相位相同的相量组成。4、分量图：,5、大接地电流系统接地短路时，电压、电流、功率的分布特点（1）当系统任一点单相及两相接地短路时，网络中任何处的三倍零序电压（或电流）都等于该处三相电压（或电流）的相量和，即3U0=UA+UB+UC3I0=IA+IB+IC。（2）故障点的零序电压U0最高，变压器中性点接地处的电压为0。（3）零序功率S0=I0U0。由于故障点的电压U0最高，所以故障点的S0最大，越靠近变压器中性点接地处，SO越小。在故障线路上，S0是由线路流向母线。6、单相接地短路：故障边界条件(假定A相单相接地短路)，短路处用相量来示的边界方程为：(o)/越靠近故障点，零序电压最大，正序电压越小。,大接地电流系统中（1）：3U0=UA+UB+UC=EB+EC=-EA小接地电流系统中（2）：故障相电压为0；非故障相对地电压升高为原来的根号3倍。,7、两相短路：故障边界条件（假定BC两相短路），以相量表示的边界条件方程：,两相短路时的系统接线图,单相接地时的系统接线图,即：非故障相电流为0，故障俩相电流大小相等，方向相反，bc两点对地电压相同。无零序电流。Ia=Ia1+Ia2=0故：Ia1=-Ia28、两相接地短路故障边界条件（假定BC两相接地短路），短路处以相量表示的边界条件为：,两相接地短路时的系统接线图,四、继电保护的任务和作用,1、故障及不正常运行状态Id危害故障元件故障U-非故障元件(各种短路)f用户电力系统过负荷不正常运行状态过电压危害元件不能正常工作f-长时间将损坏设备系统振荡发展成故障,备注：最常见同时也是最危险的故障是各种类型的短路,2、继电保护的基本任务（1）发生故障时，迅速而准确的将故障设备从系统中切除，以保证非故障设备继续运行，并防止故障设备继续遭到破坏。（2）当电力系统出现不正常工作状态时，自动发出信号，以使值班人员得以及时察觉和采取必要的措施。反应不正常工作状态的继电保护，通常允许带有一定的延时动作。（3）接地保护与自动重合闸装置相配合，可在输电线路发生暂时性故障时，迅速恢复故障线路的正常运行，从而提高系统供电的可靠性。3、继电保护的主要作用通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全连续供电。,五、继电保护的基本原理利用短路故障时电气量的变化，便构成了各种原理的继电保护。（1）根据短路故障时电流的增大，可构成过电流保护。（2）根据短路故障时电压的降低，可构成电压保护。（3）根据短路故障时电流与电压之间相角的变化，可构成功率方向保护。（4）根据电压与电流比值的变化，可构成距离保护。（5）根据故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化，可构成差动保护。（6）根据不对称故障时出现的电流、电压的相序分量，可构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护。(o)/此外，除了反应工频电气量的保护外，还有反应非工频电气量的保护，如电力变压器的瓦斯保护及反应电动机绕组温度升高的过负荷或过热保护等。,六、继电保护的组成及分类1、继电保护装置的组成部分由测量回路、逻辑回路和执行回路三个主要部分组成。被测量电气量测量回路逻辑回路执行回路跳闸、信号2、分类（1）根据被保护对象分类：a、元件保护：发电机、变压器、母线和电动机等元件的继电保护；b、线路保护：电力网及电力系统中输电线路的继电保护。（2）根据作用的不同分类：a、主保护。b、后备保护。（分为远后备和近后备保护）c、辅助保护。,备注（1）主保护：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。（2）后备保护：主保护和断路器拒动时，用来切除故障的保护。a、远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻设备或线路的另一套保护来实现的后备保护。b、近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现的后后备保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。（3）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。,七、继电保护装置的要求1、可靠性：不拒动、不误动。2、选择性：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，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。（1）d3点短路：6动作：有选择性；5动作：无选择性；（2）如果6拒动，5再动作：有选择性(5作为6的远后备保护)；（3）d1点短路：1、2动作：有选择性；3、4动作：无选择性。,3、速动性：故障后,为防止并列运行的系统失步,减少用户在电压降低情况下工作的时间及故障元件损坏程度，应尽量地快速切除故障。4、灵敏性：保护装置对于其应保护的范围内发生故障的反应能力。（保护不该动作情况与应该动作情况所测电气量相差越大灵敏度）(o)/一般用灵敏系数Klm来衡量灵敏度,备注：主保护对动作快速性要求相对较高；后备保护对灵敏性要求相对较高。,当线路上发生短路时，流过线路的电流突增，当电流超过保护装置的整定值并达到整定时间保护动作于跳闸，这种反应电流升高而动作的保护装置称为电流保护。一、电流速断保护（过流段）：按躲过被保护元件外部短路时流过本保护的最大短路电流进行整定，以保证它有选择性地动作的无时限电流保护称为电流速断保护。特点：接线简单、动作可靠、切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到运行方式变化的影响较大。,第二章电流保护,二、限时电流速断保护（过流段）以较小的动作时限切除本线路全线范围内的故障，按与下一元件电流速断保护配合以获得选择性的带较短时限的电流保护称为限时电流速断保护。特点：接线简单、动作可靠，切除故障较快，可以保护线路全长，其保护范围受系统运行方式变化的影响。三、定时限过电流保护（过流段）1、是反应电流短路时，带延时保护下一条线路全长的电流保护；2、作为近后备，应在过流I段、过流II段拒动时，能保护本线路全长；3、作为远后备，应在下一条线路的过流I段、过流II段拒动时，,能保护下一条线路的全长；4、动作有一定的时限，以保证动作的“选择性”；5、过流III段的启动值，应大于可能出现的最大负荷；备注：*1、过流段、段保护为本线路的主保护；*2、过流段保护作为本线路的近后备，下一线路的远后备；*3、过流段应用于35kV线路保护中。*4、系统的运行方式分为：最大、最小运行方式。A、最大运行方式：被保护对象末端短路时，系统的等值阻抗最小，通过保护装置的短路电流最大的运行方式；B、最小运行方式：系统等值阻抗最大，通过保护装置的短路电流最小的运行方式。,*5、复合电压启动的过电流保护：是在过电流保护的基础上，加上由一个负序继电器和一个接在相间电压上的低电压继电器组成的复合电压启动元件构成的。只有在电流测量元件及电压启动元件均动作时，保护装置才能动作跳闸。*6、线路末端有电源的（如小水电站）的必须带方向。*7、过负荷保护起到告警的作用（动作于信号），按最大负荷电流整定。,单相接地是输、配电线路常见的故障之一。一、对于中性点直接接地的电网（110kV）发生单相接地，则为单相短路，短路电流很大，通常在这种电网中利用单相接地电流的零序分量，构成零序电流保护。(o)/中性点直接接地系统中保护方式：（1）纵联保护（相差高频、方向高频等）；（2）零序电流保护；（3）接地距离保护。二、对小接地的电网（35kV及以下）发生单相接地时，接地,第三章接地保护,电流为电容电流，由于其值较小，不会对电网造成很大的威胁，按运行规程要求，可以带故障运行2h,在运行中查明并消除故障。（小接地电流中利用单相接地电容电流构成的接地保护装置，常作用于信号，而不作用于跳闸）,一、重合闸的作用：1、在输电线路发生暂时性故障时，能迅速恢复供电，从而能提高供电的可靠性。2、对于双侧电源的输电线路，可以提高系统并列运行的稳定性。3、在电网的设计与建设过程中，有些情况下由于考虑重合闸的作用，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。4、可以纠正有余断路器本身机构的问题或继电保护误动作引起的误跳闸。二、对重合闸的要求：1、手动分闸不应重合；,第四章自动重合闸,2、自动重合闸宜采用开关位置与断路器位置不对应的原则来启动重合闸；3、只重合一次；4、动作后自动复归；5、手合故障线路不应重合；6、断路器处于不正常状态时不允许重合；7、应有防跳装置；8、与保护配合应加速动作。三、重合闸分类：1、三相重合闸：指不论线路上发生的是单相短路还是相间短路，继电保护装置动作后均使断路器三相同时断开，然后重合闸再将断路器三相同时投入的方式。,2、单相重合闸：（1）单向故障跳单相单相自动重合若重合与永久性故障跳三相并不再重合；（2）相间故障跳三相并不在自动重合。3、综合重合闸：（1）单相故障跳单相单相重合重合永久性故障若不允许非全相运行跳三相并不再重合；（2）相间故障跳三相后三相自动重合若重合与永久性故障跳三相并不再自动重合。四、重合闸的加速方式：1、前加速：线路故障，先是无选择性切除故障，重合闸动作，若是永久性故障，则有选择性地切除故障。,2、后加速：线路故障，先是有选择性切除故障，重合闸动作，若是永久性故障，则加速切除故障。五、具有同步检定和无压检定的重合闸具有同步检定和无电压检定的重合闸除在线路两侧均装设重合闸装置外，在线路的一侧还装设有检定线路无电压的继电器KV，而在另一侧装设检定同步的继电器KSY。备注：(o)/1、检同期：在合开关之前，先检测开关两端（线路侧和母线侧）是否满足同期条件（即电压和相位都相同）时，再合开关。2、检无压：在合开关前，先检测开关线路侧是否有电压，确定无电压后，再合开关。,3、检无压和检同期合闸，主要应用在具有两个电源点的联络线上：（1）一般整定为一侧检无压，另一侧检同期。当联络线两端跳闸后，线路肯定没有电压。这时，投检无压侧可以先将开关合上，另一侧检同期后在合闸。（2）如果两侧都投检同期，由于线路侧无电压，母线侧有电压的话，两侧开关都不满足同期条件，将无法操作。4、重合闸，一般系统侧投检无压，靠近电厂侧投检同期：系统侧投检无压，发电厂侧投检同期是为了防止重合于永久因障上时，再一次对发电机组造成冲击，如果系统侧合闸了，说明固障已消失了，发电厂侧检同期合闸，这样发电机组就不会重合在故障上，减少了短路电流对发电机的冲击！,一、变压器故障类型1、油箱内(绕组相间短路,接地短路,匝间短路及铁心烧损等)；2、油箱外(套管及引出相间短路,接地短路)。二、变压器不正常运行状态1、外部相间短路过电流2、外部接地短路零序过流、零序过压3、过负荷4、油面降低等,第五章变压器保护,三、配置的保护：1、瓦斯保护：防御变压器油箱内各种短路故障和油面降低。（主保护）a、重瓦斯动作于跳闸；b、轻瓦斯动作于信号。*(o)/：对800kVA及以上油浸式变压器和400kVA及以上车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。2、纵差动保护和电流速断保护：防御变压器绕组和引出线的多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路。（主保护）备注：变压器装设差动保护的一般原则：,（1）并列运行的容量为5600kVA以上的变压器；（2）单独运行7500kVA以上的变压器；（3）当重瓦斯能可靠动作于跳闸，后备保护对变压器有足够灵敏度且其动作时间为电网允许时间，可不装设；（4）并列运行容量为1000kVA及以上，5600kVA以下的降压变压器，当电流速断保护的灵敏度小于2，且过电流保护时限在0.5s以上时，也可以装纵差保护。上述保护动作后均应跳开变压器个电源侧的断路器。3、相间短路的后备保护：a、过电流保护；b、复合电压起动的过电流保护；c、负序过电流：一般用于63MVA及以上升压变压器。（后备保护）,4、接地保护(反应外部接地短路)。5、过负荷保护（告警）。6、过励磁保护。7、温度保护（告警）。8、压力释放（用于告警）。9、启动风冷。10、闭锁有载调压。四、变压器励磁涌流：1、特点：（1）励磁涌流很大，其中含有大量的直流分量；（2）励磁涌流中含有大量的高次谐波，其中以2次谐波为主，而短路电流中2次谐波成分很小；,（3）励磁涌流的波形有间断角。2、防止变压器励磁涌流的措施：（1）采用带有速饱和变流器的差动继电器构成纵差保护；（2）利用二次谐波制动的差动继电器构成纵差保护；（3）采用鉴别波形间断角的差动继电器构成纵差保护。,一、故障类型及保护方式1、定子（及引出线）：相间短路纵差保护（1000KW以上）匝间短路横差保护（大容量，双绕组）单相接地接地保护（Ic5A则跳闸；Ic5A则发信号）2、转子：一点接地一点接地保护或定期检测装置；两点接地两点接地保护；失磁失磁保护。二、不正常状态及保护方式1、外部短路过电流过流保护（低电压启动或复合电压启动的过流）,第六章发电机保护,2、三相对称过负荷过负荷保护3、外部不对称短路或不对称过负荷负序过流负序过流保护（5万KW以上）4、突然甩负荷定子过电压过电压保护（水轮发电机）5、转子过负荷转子过负荷保护（10万KW以上，可控硅励磁机组）6、主汽门突然关闭逆功率逆功率保护（大容量，汽轮发电机）,一、电力电容器的作用：补偿系统无功电源容量的不足，提高功率因数、改善电压质量、降低线损；并且它比同步调相机制造简单、施工简易、维护方便、投资节省。二、电容器故障：1、内部故障（高电压）2、电容器外部相间和接地短路。3、电容器的过压：电容器只允许在1.1倍工频电压下长期运行。4、电容器的失压：即在系统失压的情况下，跳开电容器。三、保护的配置：1、电流速断、过电流保护：当电容器绕组本身内部元件全部,第七章电容器机保护,击穿形成相间短路，产生很大的短路电流的情况下，该保护起作用，对于电容器的初期内部故章无法反应。2、反映初期内部故障的保护：（1）不平衡保护；（2）零序电流保护（单三角形接线电容器组）；（3）三元件横差保护。3、低电压、过电压保护（动作于跳闸）。,一、备用电源自投装置对于中、低压侧有小电并网运行的110kV变电站，110kV备自投应联切中、低压侧小电并网线路，中、低压侧备自投应联切本侧小电并网线路。二、解列装置（1）为保证装置在电网发生电压崩溃、频率崩溃、系统振荡等稳定事故时能可靠动作，退出解列装置的滑差闭锁和低电压闭锁。（2）高频解列频率定值一般整定为50.8Hz，动作时限为动作时限为0.20.5s；高压解列电压定值一般整定为额定运行电压的1.15倍，动作时限为0.20.5s；低频解列频率定值一般整定为47.6Hz，动作时限为0.20.5s；低压解列电压定值按保证解列范围有足够的灵敏系数整定，一般整定为额定运行电压的0.7倍，动作时限为0.20.5s，低压解列