电力系统继电保护原理

1、1电力系统继电保护电力系统继电保护2课程基本信息课程基本信息课程名称：课程名称：电力系统继电保护电力系统继电保护面对专业：面对专业：电气工程及其自动化电气工程及其自动化课程类别：课程类别：专业课程专业课程总学时：总学时：8080学时（其中上课学时（其中上课7272学时，实验学时，实验8 8学时）学时）选用教材：选用教材：电力系统继电保护电力系统继电保护张保会、尹张保会、尹项根主编项根主编 20052005年年5 5月第一版月第一版先行课程：先行课程：电路；电机学；电力系统分析；发电路；电机学；电力系统分析；发 电厂电气部分电厂电气部分; ;电力系统自动控制装置等。电力系统自动控制装置等。3讲课

2、学时分配表讲课学时分配表 章次章次 内内 容容 学时学时 1 1 绪论绪论 4 4 2 2 电网的电流保护电网的电流保护 1414 3 3 电网距离保护电网距离保护 1515 4 4 输电线路纵联保护输电线路纵联保护 8 8 5 5 自动重合闸自动重合闸 5 5 6 6 电力变压器保护电力变压器保护 9 9 7 7 发电机保护发电机保护 9 9 8 8 母线保护母线保护 4 4 9 9 数字式继电保护技术基础数字式继电保护技术基础 4 44实验学时分配：实验学时分配：1 1）电流、电压和时间继电器特性实验；）电流、电压和时间继电器特性实验； 2 2学时学时2 2）功率方向继电器特性实验）功率方

3、向继电器特性实验 ； 2 2学时学时 3 3）方向阻抗继电器特性实验）方向阻抗继电器特性实验 ； 2 2学时学时 4 4）线路保护演示实验）线路保护演示实验 ； 1 1学时学时 5 5）微机变压器差动保护演示实验；）微机变压器差动保护演示实验； 1 1学时学时51 1 绪绪 论论 学习目的：学习目的：1 1、弄清电力系统的、弄清电力系统的运行状态运行状态这一与继电保护关系这一与继电保护关系 密切的基本概念；密切的基本概念； 2 2、理解继电保护及其、理解继电保护及其任务任务； 3 3、理解继电保护的、理解继电保护的作用原理作用原理； 4 4、了解继电保护、了解继电保护装置装置的组成；的组成；

4、5 5、掌握对继电保护的、掌握对继电保护的基本要求基本要求； 6 6、了解继电保护的发展。、了解继电保护的发展。61.1 1.1 电力系统的运行状态电力系统的运行状态 电力系统运行状态电力系统运行状态是指电力系统在不同是指电力系统在不同运行条件运行条件（如负荷水平、（如负荷水平、 出力配置、系统接出力配置、系统接线、故障等）下的系统与设备的工作状况。线、故障等）下的系统与设备的工作状况。 根据不同的运行条件，可以将电力系统运根据不同的运行条件，可以将电力系统运行状态分为行状态分为 正常运行状态正常运行状态 故障状态故障状态 不正常运行状态不正常运行状态71.1.1 1.1.1 正常运行状态正常

5、运行状态系统的状态：系统的状态： （1 1）三相对称）三相对称 系统结构三相对称系统结构三相对称 系统运行参数三相对称系统运行参数三相对称 （2 2）各运行参数为额定值或者其各运行参数为额定值或者其波动范围不超过规定值。波动范围不超过规定值。满足：满足：等式约束和不等式约束等式约束和不等式约束8 等式约束条件等式约束条件是由电能性质本身决定是由电能性质本身决定的，即系统发出的有功功率和无功功率应的，即系统发出的有功功率和无功功率应在任一时刻与系统中随机变化的负荷功率在任一时刻与系统中随机变化的负荷功率相等（包括传输损耗）。相等（包括传输损耗）。 不等式约束条件不等式约束条件涉及供电质量和电力涉

6、及供电质量和电力设备安全运行的某些参数，它们应处于安设备安全运行的某些参数，它们应处于安全运行的范围，例如：发电机、变压器等全运行的范围，例如：发电机、变压器等一次设备的功率、母线电压、输、配电线一次设备的功率、母线电压、输、配电线路的电流以及系统频率等不越限。路的电流以及系统频率等不越限。91.1.2 1.1.2 不正常运行状态不正常运行状态特点：特点：三相仍然对称，其运行参数较大三相仍然对称，其运行参数较大的的偏离其额定值（超出允许范围）。偏离其额定值（超出允许范围）。 基本类型：基本类型： 过负荷（过载）过负荷（过载） 频率越限频率越限或或 过电压过电压甩负荷甩负荷 振荡振荡问题：问题：

7、是否满足等式，不等式约束？是否满足等式，不等式约束？101.1.3 1.1.3 故障运行状态故障运行状态特点：特点：三相对称被破坏，各种运行参数激三相对称被破坏，各种运行参数激剧且严重偏离其额定值。剧且严重偏离其额定值。 对称短路对称短路 短路短路 不对称短路不对称短路故障类型故障类型 单相断线单相断线 断线断线 两相断线两相断线问题：不同故障类型之间复合序网的关系问题：不同故障类型之间复合序网的关系11各种短路故障的相对几率：各种短路故障的相对几率：20022002年我国年我国220KV220KV电网输电线路故障统计（电网输电线路故障统计（P3 P3 表表 1.11.1）12造成短路的原因造

8、成短路的原因绝缘损坏（雷击、机械损伤、老化等绝缘损坏（雷击、机械损伤、老化等）过电压过电压误操作误操作动物跨越裸露部分动物跨越裸露部分设计制造缺陷设计制造缺陷13短路的危害短路的危害 短路电流和短路电流和I IK KIIN N 形成电弧，严重形成电弧，严重时烧坏时烧坏故障元件故障元件； I IK K 通过通过非故障元件非故障元件，由于发热和电动，由于发热和电动力的作用，引起它们损坏或缩短寿命；力的作用，引起它们损坏或缩短寿命； 由于功率平衡被破坏由于功率平衡被破坏破坏系统的稳破坏系统的稳定性；定性； 母线电压母线电压UU影响用户的正常工作影响用户的正常工作或产生废品。或产生废品。141.1.4

9、 1.1.4 继电保护的作用继电保护的作用 电力系统自动化（控制）电力系统自动化（控制）自动控制自动控制操作技术操作技术 电力系统继电保护电力系统继电保护 与安全自动装置与安全自动装置电能生产过程中的连续、自电能生产过程中的连续、自动调节，动作速度相对迟缓动调节，动作速度相对迟缓 故障后为迅速恢复系统正常运故障后为迅速恢复系统正常运行，消除异常情况而采取的自动化行，消除异常情况而采取的自动化措施；动作速度快，是非调节性的措施；动作速度快，是非调节性的15 继电保护的概念：继电保护的概念：当电力系统发生当电力系统发生故障故障或出现或出现异常异常状态时能自动、迅速而有状态时能自动、迅速而有选择地选

10、择地切除故障设备切除故障设备或发出或发出警报警报信号。信号。16 电力系统中的发电机，变压器，输电线电力系统中的发电机，变压器，输电线路，母线以及用电设备，一旦发生故障，迅路，母线以及用电设备，一旦发生故障，迅速而有选择地切除故障设备，既能保护设备速而有选择地切除故障设备，既能保护设备免受损坏，又能提高系统运行的稳定性，是免受损坏，又能提高系统运行的稳定性，是保证系统及其设备安全运行最有效的方法之保证系统及其设备安全运行最有效的方法之一。一。17继电保护技术继电保护技术是一个完整的体是一个完整的体系，包括电力系统故障分析、系，包括电力系统故障分析、原理设计、配置、整定、调试原理设计、配置、整定

11、、调试等。等。继电保护装置继电保护装置是指能反应系统是指能反应系统中电气设备发生故障或不正常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，闸或发出信号的一种自动装置，完成继电保护功能的核心。完成继电保护功能的核心。Power System Protection181.2 1.2 继电保护的基本原理及其组成继电保护的基本原理及其组成 1.2.1 1.2.1 继电保护的基本原理继电保护的基本原理 “区分元件运行状态区分元件运行状态” 找出可测参数（电气量）的找出可测参数（电气量）的“差异差异”Kp+jQIU U短路运行参数的特点：短路运行

12、参数的特点： I I 过电流保护；过电流保护； U U低电压保护；低电压保护；19KU UI IL LI IL LI IK1K1I IK2K2 相位及相位及 大小变化大小变化 正常正常 很小，但很小，但 很大；很大； 短路短路 增大增大9090，但，但 变小。变小。 阻抗保护阻抗保护元件两端电流变化元件两端电流变化 方向电流保护；方向电流保护； IU.IU/.IU.IU/.IU.IU/.20反映反映I I2 2 、I I0 0 的的 序分量保护；序分量保护；非电气量：瓦斯保护，过热保护。非电气量：瓦斯保护，过热保护。 原则上说：原则上说：只要找出正常运行与故只要找出正常运行与故障时系统中电气量

13、或非电气量的变化障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可找出一种原理，特征（差别），即可找出一种原理，且差别越明显，保护性能越好。且差别越明显，保护性能越好。211.2.2 1.2.2 继电保护装置的构成继电保护装置的构成 123给定值测测量量逻辑逻辑执执行行被测参数被测参数(U(U、I I、U IU I) )执行回路执行回路无输出无输出“正常正常”保护装置不动保护装置不动作作执行回路执行回路有输出有输出（保护装置动作）（保护装置动作） “QF“QF跳闸跳闸”（“故障故障”） “信号信号” ” （“不正常不正常”）221.2.3 1.2.3 继电保护的工作回路继电保护的工作回路 线路

14、过电流保护装置单相原理接线图线路过电流保护装置单相原理接线图231.2.4 1.2.4 电力系统继电保护的工作配合电力系统继电保护的工作配合 P9 P9 图图1.51.5 保护范围保护范围 “ “有重叠区有重叠区”按保护所起的作用分：按保护所起的作用分： 1 1）主保护）主保护（Primary ProtectionPrimary Protection）2 2）后备保护：）后备保护：（Back-up ProtectionBack-up Protection） 近保护、远保护近保护、远保护121QF2QF33QF24电力系统的每一处都在保护范围覆电力系统的每一处都在保护范围覆盖下。盖下。没有安装保

15、护的电力元件是不允许没有安装保护的电力元件是不允许接入电力系统工作的。接入电力系统工作的。251.3 1.3 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求 1.3.1 1.3.1 可靠性可靠性可靠性、可靠性、选择性、选择性、速动性速动性、灵敏性灵敏性 1 1）安全性）安全性保护装置在不应该动作时，保护装置在不应该动作时，可靠不动作，即不误动可靠不动作，即不误动 2 2）信赖性）信赖性保护装置在规定的保护范围保护装置在规定的保护范围内发生了故障应该动作时，不拒动内发生了故障应该动作时，不拒动 安全性安全性信赖性信赖性26影响可靠性的因素：影响可靠性的因素：内在的：装置本身的制造质量、保内在的：装置本

16、身的制造质量、保 护回路的连接护回路的连接外在的：运行维护水平、安装调试外在的：运行维护水平、安装调试 继电保护的继电保护的误动作误动作和和拒动作拒动作都会给都会给电力系统造成严重危害电力系统造成严重危害 ？ 然而提高系统不误动的然而提高系统不误动的安全安全措施与提措施与提高系统不据动的高系统不据动的信赖信赖性措施往往是矛盾性措施往往是矛盾的。的。27 由于不同的电力系统结构不同，电力元由于不同的电力系统结构不同，电力元件在电力系统中的位置不同，误动和拒动的件在电力系统中的位置不同，误动和拒动的危害程度不同，因而提高保护安全性和信赖危害程度不同，因而提高保护安全性和信赖性的性的侧重点侧重点在不

17、同情况下也有所不同。在不同情况下也有所不同。 例如，对例如，对220KV220KV及以上电压的超高压电网，及以上电压的超高压电网，电网联系比较紧密，联络线较多，系统备用电网联系比较紧密，联络线较多，系统备用容量较大，容量较大，对误动和拒动安全措施的侧重？对误动和拒动安全措施的侧重？28 目前要求每回目前要求每回220KV220KV及以上电压输电及以上电压输电线路都装设两套工作原理不同、工作回路线路都装设两套工作原理不同、工作回路完全独立的快速保护，采取各自独立跳闸完全独立的快速保护，采取各自独立跳闸的方式，提高不拒动的信赖性。的方式，提高不拒动的信赖性。29母线保护的侧重点母线保护的侧重点 相

18、关思考：母线在系统中的作用？ 母线的误动会给系统带来严重后果，则更强调不误动的安全性，一般采用两套保护出口触点串联后跳闸的方式30 即使对于相同的电力元件，随着电网的即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护发展，保护不误动不误动和和不拒动不拒动对系统的影响也对系统的影响也会发生变化。会发生变化。 例如，一个更高一级电压网络建成初期例如，一个更高一级电压网络建成初期或大型电厂投产初期，由于联络线较少，输或大型电厂投产初期，由于联络线较少，输送容量较大，切除一个元件就会对系统产生送容量较大，切除一个元件就会对系统产生很大影响，防止很大影响，防止 是最重要的；随着电是最重要的；随着电网建设的发展

19、，联络线越来越多，联系越来网建设的发展，联络线越来越多，联系越来越紧密，防止越紧密，防止 可能变成最重要的了。可能变成最重要的了。311.3.2 1.3.2 选择性选择性 选择性：选择性：保护装置动作时，在可能最小保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中切除，最大限的区间内将故障从电力系统中切除，最大限度的保证系统中无故障部分仍能继续安全运度的保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。行。 它包含两种意思：其一是只应由装在故它包含两种意思：其一是只应由装在故障元件上的保护装置动作切除故障；其二是障元件上的保护装置动作切除故障；其二是要力争相邻元件的保护装置对它起后备保护要力争相邻元件的

20、保护装置对它起后备保护作用。作用。 目的：目的：缩小故障的影响范围，减小缩小故障的影响范围，减小停电损失。停电损失。321 12 24 45 5 6 67 78 81QF1QF2QF2QF3QF3QF4QF4QF6QF6QF5QF5QF7QF7QF8QF8QFK K1 1K K2 2K K3 33 333 对于保护选择性的保证，除利用一对于保护选择性的保证，除利用一定的延时使本线路的后备保护与主保护定的延时使本线路的后备保护与主保护正确配合外，还必须注意相邻元件后备正确配合外，还必须注意相邻元件后备保护之间的保护之间的配合配合。 1 1）上级元件后备保护的灵敏度要低）上级元件后备保护的灵敏度要

21、低于下级元件后备保护的灵敏度于下级元件后备保护的灵敏度 2 2）上级元件后备保护的动作时间要）上级元件后备保护的动作时间要大于下级元件后备保护的动作时间大于下级元件后备保护的动作时间 在短路水平较低，保护处于动作边在短路水平较低，保护处于动作边缘情况下，此两条件缺一不可。缘情况下，此两条件缺一不可。341.3.3 1.3.3 速动性速动性 保护装置动作时间尽可能小，尽可保护装置动作时间尽可能小，尽可能快的切除故障能快的切除故障意义：意义： 减少设备及用户在大短路电流、低减少设备及用户在大短路电流、低电压下的运行时间。电压下的运行时间。 降低设备的损坏程度。降低设备的损坏程度。 切除故障太慢，可

22、能扩大故障影响切除故障太慢，可能扩大故障影响范围。范围。 可以提高系统并列运行的稳定性可以提高系统并列运行的稳定性。35 对保护速动性的要求应根据电力系统对保护速动性的要求应根据电力系统的接线和被保护元件的具体情况，经技术的接线和被保护元件的具体情况，经技术经济比较后确定，一些必须快速切除的故经济比较后确定，一些必须快速切除的故障：障： 1 1）使发电厂或重要用户的母线电压低）使发电厂或重要用户的母线电压低于允许值，（一般为于允许值，（一般为0.70.7倍额定电压）倍额定电压） 2 2）大容量的发电机、变压器和电动机）大容量的发电机、变压器和电动机内部故障内部故障 3 3）中、低压线路导线截面

23、过小，为避）中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障免过热不允许延时切除的故障 4 4）可能危及人身安全，对通信系统或）可能危及人身安全，对通信系统或铁路信号系统有强烈干扰的故障铁路信号系统有强烈干扰的故障36 在高压电网中，维持电力系统的在高压电网中，维持电力系统的暂态稳定性往往成为继电保护快速性暂态稳定性往往成为继电保护快速性要求的决定性因素，故障切除越快，要求的决定性因素，故障切除越快，暂态稳定极限（维持故障切除后系统暂态稳定极限（维持故障切除后系统的稳定性所允许的故障前输送功率）的稳定性所允许的故障前输送功率）越高，越能发挥电网的输电效能。越高，越能发挥电网的输电效能。

24、37KP PPmPmPePeI IPePeIIIIPePeIIIIIIS S减减S S加加38决定决定速动性速动性的因素：的因素： （故障切除时间）（故障切除时间） 保护装置动作时间（保护装置动作时间（10-40ms10-40ms） QFQF分闸时间（分闸时间（20-60ms20-60ms） 391.3.4 1.3.4 灵敏性灵敏性 指在指在最不利的条件最不利的条件下，保护装置下，保护装置对故障的反应能力。对故障的反应能力。 满足灵敏性要求的保护装置应该满足灵敏性要求的保护装置应该是在规定的保护范围内部故障时，是在规定的保护范围内部故障时，在系统任意的运行条件下，无论短在系统任意的运行条件下，无论短路点的位置、类型如何，以及短路路点的位置、类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，当发生短路时点是否有过渡电阻，当发生短路时都能敏锐感觉、正常反应。都能敏锐感觉、正常反应。 指标：灵敏系数指标：灵敏系数 KsenKsen 40 反应于数值上升而动作的过量保护反应于数值上升而动作的过量保护（如电流保护）：（如电流保护）：setksenIIKmin保护的动作参数保护的动作参数最小计算值最小计算值区内故障时故障参数的区内故障时故障参数的= = 反应于数值下降而动作的欠量保护反应于数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）（如低电压保护）setsenUK保护的动作参数保护的动作