继电保护原理基础-线路保护

继电保护原理基础,继电保护原理线路保护,用,电,变,输,电,发,电,电,一次设备：包括发电机、变压器、断路器、母,线、输电线路、电动机等。,二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、,测量、控制和保护的设备。,根据电力系统在不同运行条件下的系统与设备的工作状况，电力系统的运行状态分为正常工作状态、不正常工作状态和故障状态。,1.,正常工作状态,电力系统正常运行的约束条件等式约束条件：,PLjPS=0,P,Gi,=0,QGiQLjQS,发电机或其他电源设备发出的有功和无功功率,1.,正常工作状态,电力系统正常运行的约束条件等式约束条件：,PLjPS=0,P,Gi,=0,QGiQLjQS,负荷使用的有功功率和无功功率,1.,正常工作状态,电力系统正常运行的约束条件等式约束条件：,PLjPS=0,P,Gi,=0,QGiQLjQS,电力系统中各种有功功率和无功功率损耗,1.,正常工作状态,电力系统正常运行的约束条件不等式约束条件：,k.max,k,S,S,用电设备的功率及其上限；,母线电压及其上、下限；线路电流及其上限；,Ui.minUiUi.maxIijjIijj.max,fminffmax系统频率及其上、下限；,2不正常工作状态及其危害,所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常运行状态。,常见的不正常状态及其危害：,过负荷：因负荷超过电气设备的额定值造成的电流增大；,危害：造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏从而导致故障；频率降低：系统中出现有功功率缺额而引起；,危害：1）影响产品质量；,2）降到4748HZ以下会引起频率崩溃；3）使电压下降可能引发电压崩溃。,2不正常工作状态及其危害,所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常运行状态。,常见的不正常状态及其危害：,过电压：发电机突然甩负荷而产生；危害：造成绝缘击穿导致短路。,系统振荡：因系统受到扰动而失去功率平衡。,危害：系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影响系统的正常运行；,3.故障状态和故障类型,(2),ab,(2),ca,(1),a,(2,0),ab,(2,0),ca,ab,c,(2)bc,ab,c,(1)b,(1),c,ab,c,(2,0)bc,两相短路Phase-to-phase,单相接地短路Phase-to-ground,两相接地短路Phase-to-phase-,tto-groundd常见的十种短路类型,a,a,bc,bc一相断开两相断开纵向不对称故障（断线）,复杂故障：在电力系统的不同地点（两处或两处以上）同时发生不对称故障的情况,最常见且最危险的故障是各种类型的短路,短路的后果,数值很大的短路电流通过短路点将燃起电弧，使故障设备损坏；,短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或使设备缩短使用寿命；,电力系统中大部分地区的电压下降，使大量电能用户的正常工作遭到破坏或产生废品；,破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至造成整个电力系统瓦解。,继电保护的概念及作用,一、继电保护的概念,是继电保护技术与继电保护装置的总称。,继电保护技术,包括电力系统故障分析、继电保护原理及设计、配置整定、运行维护及调试等技术。继电保护装置,能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。,继电保护的概念及作用,二、继电保护的作用,自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证无故障部分迅速恢复正常运行。,反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳闸。,继电保护的基本原理、,构成和分类,1,继电保护的基本原理,基本原则：找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征,1电流增大电压降低,继电保护的基本原理过电流保护低电压保护,电流电压间的相位角会发生变化,20,正常运行时：arg,方向保护,UI,线路正方向三相短路：,6085,arg,UI,1,继电保护的基本原理,测量阻抗发生变化,阻抗保护,UI,Z=,正常运行时：负荷阻抗短路时：短路阻抗测量阻抗变小,1,继电保护的基本原理,电流差动保护,元件流入电流与流出的关系发生变化,正常运行时：流入电流流出电流内部故障时：流入电流流出电流,正常：I=0,短路：I=Id,1,继电保护的基本原理,序分量保护,出现负序和零序分量,正常运行时：只有正序分量发生不对称故障时：有负序、零序分量出现两相短路时有负序分量出现接地短路时有零序分量出现,2,继电保护的分类,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、母线保护、电动机保护等。,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。,2,继电保护的分类,按保护所反应故障类型分类相间短路保护、接地短路保护、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,继电保护测量值与整定值的关系分类：过量保护：（测量值整定值）欠量保护：（测量值整定值）,2,继电保护的分类,按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。主保护：反映被保护元件本身的故障，并以尽可能短的时限切除故障的保护；,2,继电保护的分类,按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。后备保护：主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为近后备保护和远后备保护。,2,继电保护的分类,按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。近后备保护：在本元件处装设两套保护，当主保护拒动时，由本元件的另一套保护动作；远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由上一级相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。,2,继电保护的分类,按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。辅助保护：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。,电力系统继电保护的工作配合发电机保护区变压器保护区高压母线II保护区线路保护区,低压母线保护区,高压母线I保护区,高压母线保护区,对电力系统继电保护,的基本要求,选择性、速动性、灵敏性、可靠性,选择性,选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。,例：,当k1点短路时，保护1、2动跳1QF、2QF,有选择性,选择性选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。,1,2,A,B,例：,3,4,5,6,8,C7,D,k2,当k2点短路时，保护5、6动跳5QF、6QF有选择性,选择性,选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。,例：,k3,当k3点短路时，保护7、8动跳7QF、8QF,有选择性,选择性选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。例：k3当k3点短路时，若保护7拒动或7QF拒动，保,有选择性,护5动（远后备）跳5QF,选择性选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。,例：,停电,k3当k3点短路时，若保护7正确动作和7DL跳闸，保护5动跳5DL，则越级跳闸（非选择性）,选择性,小结：,选择性就是故障点在区内就动作，区外就不动作。当主保护未动作时，由近后备或远后备切除故障，使停电面积最小。,速动性,速动性是指尽可能快地切除故障。其主要原因如下：,提高系统暂态稳定性；,减少用户在低电压下运行的时间；降低设备的损坏程度；避免故障进一步扩大。,速动性,故障切除时间：,t=tPR+tQF,tPR,保护动作时间；,一般为0.060.12s，最快0.010.04s。,断路器动作时间；,tQF,最快0,一般为0为0.060.15s，快0.020.06s。,灵敏性,灵敏性是指在规定的保护范围内，,对故障情况的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出来。,灵敏性灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Ksen。对反应于数值上升而动作的过量保护（如过电流保护）,Ksen=,保护区内金属性短路时故障参数的最小计算值保护的动作参数Ik.minIset,灵敏性灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Ksen。对反应于数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）,Ksen=,保护的动作参数保护区内金属性短路时故障参数的最大计算值UsetUk.max,可靠性,可靠性是对继电保护性能的最根本,要求。包括安全性和信赖性。,安全性：在不该动作时，可靠不动作，即不发生误动作。,信赖性：当发生了属于它该动作的故障时，可靠动作，即不发生拒动；,上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础。在它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。例如强调快速性时，有时会影响可靠性、选择性和灵敏性，强调选择性时又会影响快速性和灵敏性。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的绝大部分工作是围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辨证统一关系而进行的。,50,70,1927,27,1920,20,1910,10,1908,08,1901,01,方,继电保护的发展,过电流,差,动,向电流,距,离,高,频,微,波,行,波,保,护,保,护,保,护,保,护,保,护,保,护,保,护,微机化网络化,智能化,年,年,年,年,年,年,年,保护、控制、测量、通信一体化,装置发展,年代,年代,60年代,50年代,70年代,80年代,90年代,整流型,晶体管型,集成电路型微机型,机电型(电磁型、感应型）,线路电流保护,三段式电流保护的配置与整定,主保护,三,第段：电流速断保护第段：限时电流速断保护,段,式,第III段：定时限过电流保护后备保护,（一）瞬时电流速断保护,1.动作电流,2.动作时间,3.灵敏度校验,=KI,式中：Krel=1.21.3,Iset.1,1、动作电流的整定原则躲本线路末端短路时的最大短路电流整定；,k2,k1,QF1,QF2,QF3,Ik,I,1,2,Irelk.B.max,Iset.1,I,I,l,Ik.B.max,2Iset.1,2、最小保护范围校验,k2,k1,QF1,QF2,QF3,(,%=,3EI,Ik,ZS.max),1ZAB,lminl,1,2,a,lmin,b,要求（1520%）,I,lmax,l,Iset.1,Ik.B.max,（一）瞬时电流速断保护,优点：动作速度快，接线简单；,缺点：不能保护线路全长，保护范围受运行方式的影响。,=KI,Iset.1,Krel=1.11.2,Iset.1,Iset.2,（二）限时电流速断保护1.动作电流的整定整定原则：整定值与相邻线路第段保护配合,QF1,QF2,QF3,IIset.1,IIIrelset.2,I,Ik,式中：,II,I,II,I,l,t1,t2,（二）限时电流速断保护2.动作时限的选择,+t,=,I,II,t通常取为0.5s,Iset.1,（二）限时电流速断保护3.灵敏度校验按系统最小运行方式下，本线路末端发生两相短路时的短路电流进行校验,Ik.B.minII,Ksesen=,要求1.31.5,（三）过电流保护,过电流保护是指其起动电流按躲最大负,荷电流来整定的保护。它是三段式电流保护的第段。该保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。可作为本线路主保护的近后备保护以及相邻下一线路保护的远后备保护。也作为过负荷时的保护。,动作电流：I,KKssIL.max,1.动作电流的整定整定原则:按流过该线路的最大负荷电流整定；,IIIrel,Kre,IreKre,=,=,IIIset2.动作时限的选择,t,t,t5IIIt,t3III,t4III,t2III,t,tl,IIIrel,K,1.动作电流的整定整定原则:按流过该线路的最大负荷电流整定；,动作电流：,L.max,IsetIII,KssIKre,IreKre,=,=,2.动作时限的选择,t,t,t5IIIt,t3III,t4III,t2III,t,tl,Iset,Iset,3.灵敏性的校验,（1）作为近后备时采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流来校验；,（2）作为远后备时采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流来校验；,11.33,Ik.B.minIII,Ksen,=,11.22,Ik.C.minIII,Ksen,=,三段式电流保护的功能逻辑框图,阶段式电流保护的配合及应用,I,I,I,II,I,II,III,III,或III,III,或III,III,方向性电流保护,1.问题的提出及解决办法,Ik1B,Ik1A对电流速断保护,护:,Iset2,Ik1A,I,k1点短路时若I,时,护2,保护误动；,1.问题的提出及解决办法,Ik1A,Ik1B,对过电流保护:k1点短路时要求t2t3才能保证选择性,1.问题的提出及解决办法,Ik1A对过电流保护:,Ik1B矛盾,才能保证选择性,k1点短路时要求t2t3,k2点短路时要求,t3t2才能保证选择性,1.问题的提出及解决办法规定：短路功率的正方向为从母线流向线路,S+S,S+S,S+,S+,误动,Ik2A,Ik2B,结论：误动的保护其短路电流的方向总是为反方向。,1.问题的提出及解决办法,解决方法：加装方向元件，规定S为正方向时保护动作；而S为反方向时保护不动作。可以利用功率方向继电器来判别方向。,1.问题的提出及解决办法,+,=k190,UN,0arg,2.功率方向继电器,1）工作原理:,流过保护的电流Ir,Ik1UN,短路电流Ir=Ik1,k1,o,正方向故障：oIr,P=UNIrcosk10,=180o+k2270o,UN,180arg,2.功率方向继电器1）工作原理:2IrIk2,Ik2,UNk2180o+k2,反方向故障：oIrP=UNIrcos(180o+k2)I,保护1可不加方向远件,(二)限时电流速断保护的整定计算仍然是与下一级保护的第一段配合，但需考虑保护安装点与短路点之间有分支电路的影响。,IAB,IB,IBCIBC,助增电源助增电流外汲电流,(二)限时电流速断保护的整定计算,IAB,IBC,IB,引入分支系数,=,故障线路流过的短路电流被保护线路流过的短路电流,Kb=,当仅有助增时,IBCIAB,Kb1,IBCIAB,(二)限时电流速断保护的整定计算,IAB,IBC,IBC引入分支系数,IBCIAB,=,故障线路流过的短路电流被保护线路流过的短路电流,Kb=,当仅有外汲时,Kb1,IBC3I0(2,0)3I(01)X1当X0X1,Z2Z0,Z2+Z0,三、多段式零序电流保护（一）零序电流速断（零序I段）保护（2）躲断路器三相触头不同时合闸而出现的最大三倍零序电流3I0unbI3I0.unb的计算：两相先合：,3I0.unb,EMENZ1+2Z0,=3,Z2Z2+Z0,=3,EMENZ1+,一相先合：,3I0.unb=3,EMEN2Z1+Z0,取两者较大者,三、多段式零序电流保护,（一）零序电流速断（零序I段）保护,整定值应选取（1）和（2）中较大者。原则（2）所,得定值一般较大，保护范围缩小，灵敏度降低，此时,可考虑使段带一小的延时（0.1s）躲开不同时合闸,时间。,灵敏性：要求最小保护范围（15%20%）l,三、多段式零序电流保护,（一）零序电流速断（零序I段）保护,（3）当线路采用单相自动重合闸时，按能躲开在非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流整定；,按（3）整定值较高，保护范围缩小；设置两个零序I段保护：,1、按（1）或（2）整定，定值小，保护范围大，为灵敏I段。主要对全相运行状态下的接地故障起保护,作用；,2、按（3）整定，为不灵敏I段，用于在单相重合闸,过程中其他两相又发生接地故障的保护。,III0set1=KrelII0set2/K0b.min,t=t+t,三、多段式零序电流保护（二）零序电流限时速断（零序II段）保护与相邻线路零序电流段配合。,I0AB,II,II,I0BC(Krel=1.11.2),3I0.minIII0set,III0102灵敏性校验：Ksen=,（要求1.5）,若不满足要求：与相邻线段配合或改为接地距离保护。,IIII=KrelIunb.max,(Krel=1.11.2),三、多段式零序电流保护（三）零序过电流（零序III段）保护躲线路末端三相短路时流过保护装置的最大不平衡电流Iunb.max,III,0set,III,(3),Iunb.max=KnpKstKwcIk.max,其中,Kk.max-非周期分量系数，同时时，取、不相同时取电流时取1,I(3)stnpwc-同电型流互感器型的号10%t误时=差0s，过取0.1的最大2；t=10.5s线路末端三相短相路流0.51.5保护短路,灵敏性校验：3I0mini11.作为近后备时：应按被保护线路末端接地短路时，流过保护的最小三倍零序电流来校验，要求Ksen1.5,III,3I0B.minI01set,Ksen,=,=,2.作为远后备时：应按相邻线路末端接地短路时，流过保护的最小三倍零序电流来校验，要求Ksen1.2,III,Ksen,3I0C.minI01set,t4,动作时间：按阶梯时限原则来选择tt5,t2,t3,t05,l,t1,t04t03零序过电流保护的时限特性,在同一线路上的零序过电流保护与相间短路的过电流保护相比，将具有较小的时限，这是零序过电流保护的一大优点。,四、方向性零序电流保护,1.零序功率方向继电器的接线,3U0,110,YH,Ir=3I0sen=70,LH,3I0,3U0,Ur=3U0,Ir=3I0,Ur=3U0,五、对零序电流保护的评价,1.零序过电流保护的灵敏度高,2.受系统运行方式的影响要小,3.不受系统振荡和过负荷的影响,4.方向性零序电流保护出口短路时没有电压死区,5.简单、可靠,线路距离保护,一、距离保护的作用原理IkZk,A,L,jXZkk,UeILUkIk,=ZL=Zk,正常：Zm=短路：Zm=,ZLR,发,三、距离保护的主要组成元件1、起动元件（I2+3I0）判断系统是否,生故障；,2、测量元件阻抗继电器；3、时间元件时间继电器；,4、振荡闭锁回路故障时短时开放距离保护,I、II段，振荡时立即闭锁I、II段；,5、断线闭锁元件电压互感器二次断线时闭,锁距离保护；,6、出口执行元件；,四、阻抗继电器的测量阻抗I1,Im,U1,Um一次阻抗与继电器测量阻抗之间的关系U1,nTAnTV,U1nTAI1nTV,nTVI1,UmIm,=Z1,=,=,Zm=,nTA,阻抗继电器的动作特性1、全阻抗继电器,CZset,R,jXB,Zm,全阻抗特性圆：以保护安装点(坐标原点)为圆心，Zset为半径的圆,圆内为动作区；反方向故障时会误动，,没有方向性；A,2、方向阻抗继电器,jX,C,Zset,方向阻抗特性圆：过坐标原点，以,Zset为直径的圆,圆内为动作区；,R,B,反方向故障时不会误动，本身具有方向性；ZmA,Zm(1)Zset(1+)Zset,Zm(1)Zset,r=(1+)Zset,3、偏移阻抗继电器,jX,比幅式动作方程：,ZsetC,1122,12,12,(1)Zset,Zm,BRZset,A,12,4、多边形特性,阻抗继电器的接线方式,结论,（1）0接线方式可以正确反应三相短路、两相短路、两相接地短路，不能正确反应单相接地短路。,（2）带零序电流补偿的接线方式，可以正确反应单相接地短路、两相接地短路和三相短路时。不能正确反应两相短路。,距离保护的整定计算1.距离保护I段按躲过线路末端短路整定。,Irel,Iset1,Z,ZAB,=K,其中,K,Irel,=0.80.85,Z,=K(ZAB+Kb.minZ,2.距离保护II段(1)定值计算：与相邻线路的距离I段配合,),IIIrelset2,IIset1,其中,K,IIrel,=0.8,=K(ZAB+Kb.minZT),2.距离保护II段按躲过线路末端变电所变压器低压母线,短路整定,Z,IIrel,IIset1,其中K,IIrel,=0.70.75,取上述两项中数值小者作为保护的定值。,s50ttt.=+=,50tttsB.=+=,(2)动作时间：,III12,II,1,Z,(3)灵敏性校验：按本线路末端短路校验灵敏性,IIset1ZAB,1.25,Ksen=,若灵敏度不满足要求，则与相邻线路距离保护II段配合。,Zset,Z,KrelKssKre,Zset,ZL.min,=,Z,KrelKssKrecos(kL),Zset,3.距离保护III段(1)定值计算：按躲过最小负荷阻抗整定,jX,对全阻抗继电器,III,1,III,III,IIIset1,ZL.min,=,ZL.min,k,III,LR,对方向阻抗继电器IIIset1III,3.距离保护III段(2)动作时间：,t,+t,=t,III2,III1,Z,Z,3.距离保护III段（3）灵敏性校验,近后备,Ksen,=,1.5,IIIset1ZAB,远后备Ksen=,1.2,IIIs