第六章电力系统继电保护()

1、1 1南京航空航天大学南京航空航天大学 电力工程基础电力工程基础电力工程基础电力工程基础毛毛 玲玲Email: 南京航空航天大学南京航空航天大学自动化学院自动化学院 电气工程系电气工程系2 2第六章第六章 电力系统继电保护电力系统继电保护6-1 继电保护的基本知识继电保护的基本知识6-2 常用保护继电器常用保护继电器 6-3 线路的电流电压保护线路的电流电压保护 6-5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护6-6 距离保护简介距离保护简介6-7 电力变压器的保护电力变压器的保护6-9 电力电容器的保护电力电容器的保护6-4 电网的方向电流保护电网的方向电流保护3 36.5 输电线路的接地保护输

2、电线路的接地保护 一、概述一、概述n 大大接地电流系统接地电流系统中的单相接地短路保护：中的单相接地短路保护：采用完全星形接线的相间电流电压保护采用完全星形接线的相间电流电压保护灵敏度常灵敏度常常不能满足要求；常不能满足要求；装设专门的接地短路保护装设专门的接地短路保护反映零序电流、零序电反映零序电流、零序电压和零序功率压和零序功率的保护。的保护。n 小小接地电流系统接地电流系统中的单相接地故障：不构成直接短路，中的单相接地故障：不构成直接短路，但非故障相对地电压升高容易引起两相接地短路故障。但非故障相对地电压升高容易引起两相接地短路故障。 保护：保护：当单相接地电流较大时，应装设单相接地保护

3、，当单相接地电流较大时，应装设单相接地保护，使之使之动作于信号动作于信号，以便让运行人员及时采取措施消除故障。，以便让运行人员及时采取措施消除故障。4 4二、大接地电流系统中的接地保护二、大接地电流系统中的接地保护1. 零序电流、零序电压和零序功率的分布（图零序电流、零序电压和零序功率的分布（图6-32）图图6-32 接地短路时的零序等效网络接地短路时的零序等效网络6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 5 5零序分量零序分量具有以下具有以下特点特点： 故障故障点的零序电压最高，变压器中性点接地处的零序电点的零序电压最高，变压器中性点接地处的零序电压为压为0。保护安装处设母线。保护安装处

4、设母线A、B的零序电压分别为的零序电压分别为 和和 ; 10010TAZIU20020TBZIU 零序零序电流的分布与中性点接地的位置和数目有关。电流的分布与中性点接地的位置和数目有关。 在图在图6-32所所示，有：示，有：0210ZZZEI200210012002001TTTZZZZZZII）（和和 若发电厂若发电厂A的中性点接地变压器台数增多，的中性点接地变压器台数增多， 将减小，从而将减小，从而使使 和和 增大增大， 减小；若变电所减小；若变电所B内的变压器中性点不接地，则内的变压器中性点不接地，则 ， 和和也将增大也将增大且等于且等于 。10TZ0I01I02I20TX6.5 输电线路

5、的接地保护输电线路的接地保护 0I01I6 6 零序零序功率功率 。由于故障点的零序电压最高，所以。由于故障点的零序电压最高，所以故障点的零序功率也最大。故障点的零序功率也最大。000IUS 注意：注意：由于在故障线路上，零序功率的方向是由线路指向母线（与正序功率由于在故障线路上，零序功率的方向是由线路指向母线（与正序功率相反），因此，零序功率方向继电器都是在负值零序功率下动作的。相反），因此，零序功率方向继电器都是在负值零序功率下动作的。 2. 零序分量的获取方法零序分量的获取方法n 零序零序电流的获取电流的获取架空线路：用架空线路：用零序电零序电流滤过器流滤过器电缆线路：用电缆线路：用零序

6、电零序电流互感器流互感器 图图6-33 零序电流的获取零序电流的获取a）零序电流滤过器）零序电流滤过器 b）零序电流互感器）零序电流互感器6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 7 7图图6-34 零序电压互感器零序电压互感器 a）三单相式）三单相式 b）三相五柱式）三相五柱式n 零序零序电压的获取：电压的获取：通过电压互感器获得通过电压互感器获得 。 将将三个单相电压互感器的副边绕组接成开口三角形绕组三个单相电压互感器的副边绕组接成开口三角形绕组来获取（图来获取（图6-34a） 从从三相五柱式电压互感器二次侧的开口三角形绕组来获三相五柱式电压互感器二次侧的开口三角形绕组来获取（图取（图

7、6-34b）6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 8 8 3. 大接地电流系统的零序电流保护大接地电流系统的零序电流保护 通常采用通常采用三段式零序电流三段式零序电流保护。第保护。第段为段为瞬时瞬时零序电流零序电流速断保护，第速断保护，第段为段为带时限带时限零序电流速断保护，第零序电流速断保护，第段为定段为定时限时限零序过电流保护，其原理接线图如图零序过电流保护，其原理接线图如图6-35所示。所示。 图图6-35 三段式零序电流保护原理接线图三段式零序电流保护原理接线图6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 9 9 动作电流动作电流：躲过下一级相邻线路首端发生短路时，流过躲过下一

8、级相邻线路首端发生短路时，流过保护安装处的最大零序电流，即保护安装处的最大零序电流，即r 瞬时零序电流速断保护瞬时零序电流速断保护max. 03IKIrelop式中，式中，Krel取取1.21.3。 灵敏度灵敏度校验：校验：零序电流零序电流I段的保护范围也应不小于本线路段的保护范围也应不小于本线路全长的全长的15%20%。 注意：注意：由于线路的零序阻抗比正序阻抗大，故由于线路的零序阻抗比正序阻抗大，故 的曲线较陡，的曲线较陡，因此，零序电流因此，零序电流I段的保护范围比一般的电流段的保护范围比一般的电流I段大得多，且保护范围也段大得多，且保护范围也比较稳定。比较稳定。 )(30lfI 计算计

9、算3I0.max 的运行方式是：故障点的运行方式是：故障点的的 最小，保护安装侧变压器中最小，保护安装侧变压器中性点接地最多，线路末端变压器不性点接地最多，线路末端变压器不接地。当接地。当 时，采用单相接时，采用单相接地短路，反之则采用两相接地短路地短路，反之则采用两相接地短路1Z1Z0Z6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 1010r 带时限零序电流速断保护带时限零序电流速断保护 动作电流动作电流：应与下一级线路的零序应与下一级线路的零序I段相配合。但是，当段相配合。但是，当两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器时，两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器时，如图如

10、图6-36所示，应考虑该变压器的影响。所示，应考虑该变压器的影响。 2 .1 .opbrelopIKKI因此因此 式中，式中，Krel取取1.11.2； Kb为分支系数。为分支系数。 图图6-36 带时限零序电流速断保护的作用原理带时限零序电流速断保护的作用原理等于下一级线路零序电流速断等于下一级线路零序电流速断保护范围末端接地短路时，流保护范围末端接地短路时，流过故障线路和被保护线路的零过故障线路和被保护线路的零序电流之比，即序电流之比，即 ，应取最小值应取最小值。00IIKb6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 1111r 零序零序过电流保护过电流保护 动作时间动作时间：与下一级线

11、路零序与下一级线路零序I段相配合，一般取段相配合，一般取0.5s。 灵敏度灵敏度校验：校验：按最小运行方式下被保护线路末端发生接按最小运行方式下被保护线路末端发生接地短路时，流过保护的最小地短路时，流过保护的最小3倍零序电流倍零序电流 来校验，要来校验，要求求Ks1.31.5。 min.03I若灵敏度不满足要求，可与下一级线路的零序电流若灵敏度不满足要求，可与下一级线路的零序电流II段相配合。段相配合。 动作电流动作电流：躲过下一线路首端三相短路时，流过保护装躲过下一线路首端三相短路时，流过保护装置的最大零序不平衡电流置的最大零序不平衡电流 ，即，即max.dsqrelopIKI式中，式中，K

12、rel取取1.21.3。 6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 r 带时限零序电流速断保护带时限零序电流速断保护1212 灵敏度灵敏度校验：校验：按被保护范围末端发生接地短路时，流过按被保护范围末端发生接地短路时，流过保护的最小保护的最小3倍零序电流倍零序电流 来校验，作近后备时（本线来校验，作近后备时（本线路末端短路），要求路末端短路），要求Ks1.31.5；作远后备时（相邻线路末；作远后备时（相邻线路末端短路），要求端短路），要求Ks1.2 。 min. 03I 动作时间动作时间：按阶梯原则整定，如图按阶梯原则整定，如图6-37所示。所示。图图6-37 零序过电流保护的动作时限零序

13、过电流保护的动作时限由图可知，同一线路上由图可知，同一线路上零序过电流保护的动作零序过电流保护的动作时限比相间短路过电流时限比相间短路过电流保护的动作时限小。保护的动作时限小。6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 r 零序零序过电流保护过电流保护13134. 方向性零序电流保护方向性零序电流保护 在双电源和多电源的大接地电流系统中，为了保证接地在双电源和多电源的大接地电流系统中，为了保证接地故障时零序电流保护动作的选择性，要加装零序功率方向继故障时零序电流保护动作的选择性，要加装零序功率方向继电器，以构成电器，以构成零序功率方向保护零序功率方向保护。 n 零序零序功率方向继电器的接线（

14、图功率方向继电器的接线（图6-38a）03IIK03UUK 而电力系统中而电力系统中实际使用的零序功率方向继电器最大最灵敏角为实际使用的零序功率方向继电器最大最灵敏角为70 85， 由于在规定的电流、电压正方向下，当被保护线路正方由于在规定的电流、电压正方向下，当被保护线路正方向发生接地短路时，向发生接地短路时， 超前超前 约约90 110，03I03U因此，在使用零序功率方向继电器时，若以因此，在使用零序功率方向继电器时，若以正极性端正极性端接入继接入继电器电流线圈的极性端，则必须以电器电流线圈的极性端，则必须以负极性端负极性端接入继电器电压接入继电器电压线圈的极性端，这时接入继电器的电流和

15、电压分别为：线圈的极性端，这时接入继电器的电流和电压分别为：即继电器的最大灵敏即继电器的最大灵敏角为角为90110 6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 1414 由图由图6-38b的相量图可以看出，此时的相量图可以看出，此时 滞后滞后 70，即，即 ，则正方向发生接地故障时继电器最灵敏。，则正方向发生接地故障时继电器最灵敏。 KIKU70sK03I03U图图6-38 零序功率方向继电器的接线零序功率方向继电器的接线a）接线原理图）接线原理图 b）接入）接入 和和 的相量图的相量图03I03U 6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 4. 方向性零序电流保护方向性零序电流保护15

16、15n 零序零序功率方向继电器的灵敏度校验功率方向继电器的灵敏度校验min00)33(1IUSKopSmin00)33(IU 式中，式中， 为保护区末端接地短路时，为保护区末端接地短路时，保护安装处保护安装处的最的最小零序功率；小零序功率； 为零序功率方向继电器的动作功率。为零序功率方向继电器的动作功率。opS说明：说明：由于接地故障点的零序电压最高，所以当接地故障位于保护安由于接地故障点的零序电压最高，所以当接地故障位于保护安装处附近时，不会出现零序方向继电器的电压死区。装处附近时，不会出现零序方向继电器的电压死区。 根据规程要求，作近后备时（本线路末端接地短路），根据规程要求，作近后备时（

17、本线路末端接地短路），Ks1.5；作远后备时（相邻线路末端接地短路），；作远后备时（相邻线路末端接地短路），Ks2 。 6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 4. 方向性零序电流保护方向性零序电流保护1616三、小接地电流系统的接地保护三、小接地电流系统的接地保护1. 小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布（图小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布（图6-39）图图6-39 小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 1717由图由图6-39可知，电容电流分布的特点如下：可知，电容电流分布的特点如下：

18、发生单相接地，全系统都会出现零序电压。发生单相接地，全系统都会出现零序电压。非故障线路的非故障线路的C相对相对地地（电容）电流电容）电流为零，只有为零，只有A相和相和B相相有电容电流；而故障线路的有电容电流；而故障线路的C相相对对地电流地电流不为零。不为零。 非故障线路的零序电流非故障线路的零序电流为该线路本身对地的电容电流，其为该线路本身对地的电容电流，其方向由母线指向线路。方向由母线指向线路。对对故障线路故障线路WL3而言，而言，C相中有相中有 从线路流向母线，从线路流向母线，A、B相中有相中有 从母线流向线路，所以，故障线路始端所反应的零从母线流向线路，所以，故障线路始端所反应的零序电流

19、为：序电流为：CI3CI2133213)(CCCCCCCCIIIIIIII上式说明，故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其上式说明，故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向是从由线路流向母线。方向是从由线路流向母线。6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 18182. 小接地电流系统的单相接地保护小接地电流系统的单相接地保护n 绝缘绝缘监视装置：监视装置：发生发生单相接地故障时，利用单相接地故障时，利用母线电压互感器二次侧母线电压互感器二次侧开口三角形端子上零序开口三角形端子上零序电压来起动过电压继电电压来起动过电压继电器，动作于信号。器，动作于信号。特点：保护

20、比较简单，但特点：保护比较简单，但给出的信号没有选择性。给出的信号没有选择性。6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 图图7-14 交流系统绝缘监察装置接线图交流系统绝缘监察装置接线图1919n 零序零序电流保护：电流保护：根据根据故障线路零序电流大于非故障线路零故障线路零序电流大于非故障线路零序电流序电流这一特点，可以构成有选择性的零序电流保护，并可这一特点，可以构成有选择性的零序电流保护，并可动作于信号或跳闸。动作于信号或跳闸。 对于对于架空线路：采用零序电流滤过器，动作电流为：架空线路：采用零序电流滤过器，动作电流为： iCdsqrelKopKIIKI. 为正常负荷电流为正常负荷电

21、流产生的不平衡电流产生的不平衡电流 dspI说明：说明：按上式确定的动作电流，一般不能躲开本按上式确定的动作电流，一般不能躲开本线路外部三相短路时所出现的不平衡电流，因此线路外部三相短路时所出现的不平衡电流，因此应加装时限元件来保证选择性，其动作时限应比应加装时限元件来保证选择性，其动作时限应比相间短路的过电流保护大一个相间短路的过电流保护大一个 。t 动作电流动作电流6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 2. 小接地电流系统的单相接地保护小接地电流系统的单相接地保护 对于对于电缆线路：采用零序电流互感器电缆线路：采用零序电流互感器 ，其动作电流为：，其动作电流为： iCrelKopK

22、IKI.电缆线路正常运电缆线路正常运行时的不平衡电行时的不平衡电流流 很小，可忽略很小，可忽略2020灵敏度校验灵敏度校验： KopiCCIKIIK.S式中，式中， 为本线路单相接地时，非故障线路对为本线路单相接地时，非故障线路对地电容电流的总和，应取最小值地电容电流的总和，应取最小值。CCII6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 2. 小接地电流系统的单相接地保护小接地电流系统的单相接地保护n 零序零序电流电流保护保护对架空线路，要求对架空线路，要求Ks1.5对对电缆线路，要求电缆线路，要求Ks 1.25。2121n 零序零序功率方向保护：功率方向保护：利用故障线路和非故障线路的保护

23、安利用故障线路和非故障线路的保护安装处零序功率方向相反的特点来实现有选择性的保护，动作装处零序功率方向相反的特点来实现有选择性的保护，动作于信号或跳闸。适用于零序电流保护的灵敏度不满足要求和于信号或跳闸。适用于零序电流保护的灵敏度不满足要求和接线复杂的网络中。接线复杂的网络中。6.5 输电线路的接地保护输电线路的接地保护 2. 小接地电流系统的单相接地保护小接地电流系统的单相接地保护2222第六章第六章 电力系统继电保护电力系统继电保护6-1 继电保护的基本知识继电保护的基本知识6-2 常用保护继电器常用保护继电器 6-3 线路的电流电压保护线路的电流电压保护 6-5 输电线路的接地保护输电线

24、路的接地保护6-6 距离保护简介距离保护简介6-7 电力变压器的保护电力变压器的保护6-9 电力电容器的保护电力电容器的保护6-4 电网的方向电流保护电网的方向电流保护23236.6 距离保护简介距离保护简介一、距离保护的基本概念一、距离保护的基本概念 距离保护是反应保护安装处至故障点的距离（或阻抗），距离保护是反应保护安装处至故障点的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定是否动作的一种保护装置。并根据距离的远近而确定是否动作的一种保护装置。 正常工作正常工作时，保护安装处测量到的电压为时，保护安装处测量到的电压为 ，电流为负，电流为负荷电流荷电流 ，比值，比值 基本上是负荷阻抗，其值较大。基

25、本上是负荷阻抗，其值较大。当当系统短路系统短路时，保护安装处测量到的电压为残余电压时，保护安装处测量到的电压为残余电压 ，电，电流为短路电流流为短路电流 ，比值，比值 为短路阻抗，其值较小。为短路阻抗，其值较小。 wULILLwZIUkUkIkkkZIUn 距离保护距离保护的工作原理的工作原理距离保护的距离保护的优点优点：由于：由于 只与短路点到保护安装处的距离有关，因此，用只与短路点到保护安装处的距离有关，因此，用 构成的距离保护构成的距离保护，其保护范围基本上不受运行方式变化的影响。其保护范围基本上不受运行方式变化的影响。 ZIUkZ2424n 距离保护距离保护的保护范围的保护范围 距离保

26、护的保护范围用整定阻抗距离保护的保护范围用整定阻抗Zset值的大小来表示。值的大小来表示。 当线路发生短路时，若距离保护的测量阻抗当线路发生短路时，若距离保护的测量阻抗Zm小于整定小于整定阻抗，即阻抗，即ZmZset，保护动作；若，保护动作；若Zm Zset，则保护不动作。，则保护不动作。因此，距离保护实质上是一种因此，距离保护实质上是一种低量动作低量动作保护。保护。 二、距离保护的时限特性二、距离保护的时限特性 三段式三段式阶梯延时阶梯延时特性特性v 第第I段：段：保护范围为本线路全长的保护范围为本线路全长的80%85%，动作时限为，动作时限为继电器本身的固有时间。继电器本身的固有时间。tv

27、 第第II段：段：保护范围为本线路全长的保护范围为本线路全长的125%，其动作时限应比，其动作时限应比下一线的第下一线的第I段保护动作时限大段保护动作时限大 。 6.6 距离保护简介距离保护简介一、距离保护的基本概念一、距离保护的基本概念2525v 第第III段：段：保护范围较长，包括本线路和下一线路全长乃至保护范围较长，包括本线路和下一线路全长乃至更远，其动作时限应比下一线路第更远，其动作时限应比下一线路第III段的动作时限大段的动作时限大 。t图图6-40 距离保护的时限特性距离保护的时限特性6.6 距离保护简介距离保护简介二、距离保护的时限特性二、距离保护的时限特性2626图图6-41

28、三段式距离保护的组成元件框图三段式距离保护的组成元件框图三、距离保护的主要组成元件三、距离保护的主要组成元件 起动元件起动元件：采用过电流继电器或阻抗继电器。采用过电流继电器或阻抗继电器。6.6 距离保护简介距离保护简介 时间时间元件：元件：采用时间继电器或延时电路。采用时间继电器或延时电路。 测量元件测量元件：采用带方向性的阻抗继电器。采用带方向性的阻抗继电器。27276.6 距离保护简介距离保护简介四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性 图图6-42中，设中，设BC线路距离线路距离段的整定阻抗段的整定阻抗Zset=0.85ZBC ，并设并设 ，则阻抗继

29、电器的动作特性应是在，则阻抗继电器的动作特性应是在Zset范围内的范围内的一条一条线段线段，由于受短路点过渡电阻和互感器角误差的影响，由于受短路点过渡电阻和互感器角误差的影响，通常用包含该线段在内的一个通常用包含该线段在内的一个圆圆来表示。来表示。 lset图图6-42 阻抗继电器的阻抗继电器的动作特性动作特性2828图图6-42 阻抗继电器的阻抗继电器的动作特性动作特性6.6 距离保护简介距离保护简介四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性1全阻抗继电器特性圆全阻抗继电器特性圆 全全阻抗继电器：阻抗继电器：以以B点为圆心，以点为圆心，以Zset为半径得到的

30、为半径得到的圆圆1，称为全阻抗继电器的特性圆。称为全阻抗继电器的特性圆。注意：注意：全阻抗继电器在线路反方向短路时也动作，即继电器没有方向全阻抗继电器在线路反方向短路时也动作，即继电器没有方向性，因此，必须和方向元件配合使用使以其反方向短路时不动作。性，因此，必须和方向元件配合使用使以其反方向短路时不动作。 2929图图6-42 阻抗继电器的阻抗继电器的动作特性动作特性6.6 距离保护简介距离保护简介四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性1全阻抗继电器特性圆全阻抗继电器特性圆 2方向阻抗继电器特性圆方向阻抗继电器特性圆 方向方向阻抗继电器：阻抗继电器：以以Zset为直径，圆周通过为直径，圆周通过B点得到的点得到的圆圆2，称为方向抗继电器的特性圆。称为