继电保护基础理论讲解

1、继电保护基础理论讲解第1页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二五 输电线路的纵联保护 前言 为了保证电力系统并列运行的稳定性及重要用户运行的稳定性，要求保护能无延时地切除被保护线路任何点的故障。前面所讨论的电流电压保护，方向电流保护、零序保护和距离保护都不能满足这一要求。因为这些保护的测量元件只能反映被保护线路一端的电气量，因而无法区别本线路末端和下一线路始端的故障，为了保证保护的选择性就不得不采用延时或缩短保护区的办法。因而这些保护都不能满足全线速动的要求。输电线的纵联保护弥补了以上保护的不足而被广泛应用于重要的高压及超高压输电线路上。第2页，共27页，2022年，5月2

2、0日，19点53分，星期二五 输电线路的纵联保护输电线的纵联保护是用通信通道将输电线各端的保护装置纵向连接起来而构成的，利用通信通道将输电线各端的电气量相互传送到对端进行比较，以判断是本输电线路的内部故障还是外部故障，从而决定是否动作切除本线路，由于这种保护无须与相邻线路的保护在动作参数上进行配合，因而可实现全线速动。根据纵联保护的原理，当使用不同的通讯通道时，就可以实现不同类型的保护；如纵联差动保护，高频保护，微波保护，光纤保护等就是分别使用辅助导线（或称导引线）、输电线、微波、光纤等作为通讯通道而实现的。第3页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二五 输电线路的纵联保护一

3、)输电线的纵联差动保护二) 输电线的高频保护第4页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二图3-1 输电线路内外短路示意图第5页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二一）输电线的纵联差动保护在图3-1被保护线路MN末端Kl点和下一线路始端K2点短路时，通过线路MN末端的短路电流(图3-1中的IN)，不仅大小不同，而且方向相反。如果M侧保护的测量元件能同时反映线路MN两侧的电量(电流的大小和相位或功率的方向)，则保护就能正确判断线路MN末端(内部)和下一线路始端(外部)的短路。因此，不需延时就可保证动作的选择性，即可以无延时地切除被保护线路任何点的故障。第6页，

4、共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二图3-2 电流纵差动保护的示意图第7页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二实现这种保护的最简单方法如图3-2所示。当被保护线路MN外部短路或正常运行时图3-2，(a) IM=IN，流入继电器的电流=(1M-IN)/ nTA =0 式中nTA电流互感器的变比。电流继电器不会动作跳1DL和2DL。当被保护线路MN内部短路时图3-2，(b)，IN反向，流入继电器的电流 Ir=IM+IN=（IM+IN )/ nTA (9-2)第8页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二如果IrIOP(电流继电器的动作电流)，则

5、保护能无延时地跳1DL和2DL，由于引入继电器的电流是被保护线路两端电流之差，故这种保护称为电流纵差动保护。它虽有无延时切除被保护线路任何点故障的优点，但由于它需要用与输电线路同样长的辅助导线来传送电流IM和IN，因此，用于长线路，在经济上是不合算的，在技术上也有一定的困难。一般只应用在57公里以下的线路上。国外有用于长达30公里线路上的保护方式。但将它用于电机、变压器及母线却是相当方便的。第9页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二二) 输电线的高频保护1高频保护的基本原理及高频通道的构成高频保护的基本原理与纵联差动保护是相同的。但传送信号采用高频通道，即将两端的电气量调制

6、成高频信号，利用高频通道将高频信号传送到对侧，设置在每端的高频保护，将接受到的信号与本侧信号进行比较，判断是内部故障还是外部故障，以决定保护是否跳闸。 通常是利用输电线路本身作为高频通道，即在输电线传送50HZ工频电流的同时，叠加传送一个高频信号，高频信号一般采用40300KHZ的频率，以便与输电线路的工频相区别。输电线经高频加工后就可作为高频通道。高频通道的构成如下图： 第10页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二 图3-3 高频通道构成示意图 图3-4 阻波器阻抗与频率的关系 第11页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二利用“导线一大地”作为高频通道

7、是最经济的方案，因为它只需要在一相线路上装设构成通道的设备，因此目前在我国得到了广泛的应用。但它的缺点是高频信号的衰耗和受到的干扰都比较大。1）高频阻波器 阻波器是由一电感线圈与可变电容器并联组成的回路。其并联后的阻抗Z与频率的关系如图3-4所示，当并联谐振时，它所呈现的阻抗最大（1000欧左右）。利用这一特性做成的阻波器，需使其谐振频率为所用的载波频率。这样，高频信号就被限制在被保护输电线路的范围以内，而不能穿越到相邻线路上去。但对50周的工频电流而言，阻波器仅呈现电感线圈的阻抗，数值很小(约为004欧左右)，并不影响它的传输。第12页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二

8、2）耦合电容器 把高频电流耦合到高压输电线路中去，由于它的容量小，所以对工频电流具有很大的阻抗，可防止工频高电压对高频收发信机的入侵，但对高频电流的阻抗很小，不妨碍它的传送，其另一作用是与连接滤波器组成带通滤波器。 3）连接滤波器 实际上是一个阻抗匹配器。结合电容器与连接滤波器共同组成一个四端网络的“带通滤波器”，使所需频带的高频电流能够通过。第13页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二 带通滤波器从线路一侧看入的阻抗与输电线路的波阻抗(约为400欧)匹配，而从电缆一侧看入的阻抗，则应与高频电缆的波阻抗(约为100欧)相匹配。这样，就可以避免电磁波在传送过程中发生反射，因而

9、减小高频能量的附加衰耗。 并联在连接滤波器两侧的接地刀闸6，是当检修连接滤波器时，作为结合电容器的下面 一极接地之用。第14页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二 4）高频收、发信机发信机的工作由保护装置的继电部分来控制，即当线路故障(内部或外部)时，保护装置的继电部分起动并控制发信机发信(或使正常发信的发信机停信)，发出的信号被收信机接受,作为参与判断跳闸或闭锁的条件。第15页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二2高频保护的分类及高频信号的应用方式：目前采用的高频保护、按其工作原理可分为：1)高频闭锁方向保护；2)高频闭锁距离（或零序）保护；3)相差高

10、频保护；4)高频远方跳闸保护（很少用） 第16页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二两个概念： 1)所谓闭锁信号就是指：“收不到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。结合高频保护的工作原理来看，就是当外部故障时，由一端的保护发出高频闭锁信号，将两端的保护闭锁，而当内部故障时，两端均不发因而也收不到闭锁信号，保护即可动作于跳闸。 2)所谓允许信号则是指：“收到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件”。因此，当内部故障时，两端保护应同时向对端发出允许信号，使保护装置能够动作于跳闸。而当外部故障时，则因近故障点端不发允许信号，故对端保护不能跳闸。近故障点的一端则因判别故障方向的元

11、件不动作，也不能跳闸。第17页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二3高频闭锁方向保护目前广泛应用的高频闭锁方向保护，是以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭锁信号的方式构成的。此闭锁信号由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的收信机所接收，而把保护闭锁，故称为高频闭锁方向保护。第18页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二图3-1-7高频闭锁方向保护的作用原理第19页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二现利用图3-7所示的故障情况来说明保护装置的作用原理。设故障发生于线路BC的范围以内，则短路功率SK的方向如图所示。此时安装在线

12、路BC两端的方向高频保护3和4的功率方向为正，保护应动作于跳闸。故保护3、4都不发出高频闭锁信号，因而，在保护起动后，即可瞬时动作，跳开两端的断路器。但对非故障线路AB和CD，其靠近故障点一端的功率方向为由线路流向母线，即功率方向为负，则该端的保护2和5发出高频闭锁信号。此信号一方面被自己的收信机接收，同时经过高频通道把信号送到对端的保护1和6，使得保护装置1、2和5、6都被高频信号闭锁，保护不会将线路AB和CD错误地切除。第20页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二这种保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端保护的高频信号，而对于故障线路两端则不需要发出高频

13、信号使保护动作于跳闸，这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时(例如通道所在的一相接地或是断线)，保护装置仍然能够正确地动作，这是它的主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应用主要原因之一。第21页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二 问题：为什么采用两个灵敏度不同的电流起动元件？ 是由于被保护线路两侧的TA有误差(最大达10%)和两侧电流起动元件的动作电流可能有5的误差。如果只用一个电流起动元件，则在外部短路时：可能出现近短路侧的电流元件拒动，而远离短路侧的起动元件动作的情况。于是近短路侧的发讯机不发讯，远离短路侧的发讯机发讯，收讯机收不到高频闭锁讯号。远离短路侧

14、的SK为正方向，S+动作,从而会使该侧断路器误跳闸。为了解决这一问题，可采用两个动作电流IOP不等的电流起动元件；用IOP较小的电流起动元件去起动发讯机，IOP较大的I准备跳闸。这样就可保证在外部短路一侧的I动作时，对侧的I也一定动作，从而可保证发讯机发讯，避免上述的误动作。 第22页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二4高频闭锁距离保护高频闭锁方向保护可以瞬时地切除被保护范围内的各种故障，但不能作为变电所母线和下一条线路的后备保护。至于距离保护，它通常是按二段或三段式构成。在单侧电源供电的线路上，第段的保护范围只能保护输电线路全长的80%85%；而在两端电源的线路上，只有

15、在60%70%的区域内故障时，才能无延时地从两侧切除故障，而在30%40%的区域内故障时，一侧需要以延时切除故障。从这个意义上来说，它在220kV及以上的线路上是不能满足要求的，但它的第段或第可作为变电所母线和下一条线路的后备。为了在被保护范围内故障时加速保护的动作，可在距离保护上加设高频部分，以构成高频闭锁距离保护。这样，它既能在内部故障时快速地切除被保护范围内任一点的故障，又能在外部故障时作为下一条线路和变电所线线的后备。它兼有两种保护的优点，并且能简化整个保护的接线。目前，高频闭锁距离保护是超高压输电线路上广泛采用的一种主保护之一。 第23页，共27页，2022年，5月20日，19点53

16、分，星期二5高频闭锁零序方向保护零序电流方向保护对接地故障反应灵敏、延时小、零序功率方向元件无死区、电压互感器二次测断线时不会误动作、接线简单可靠，系统振荡时不会误动作，所以不需要采取振荡闭锁措施，实现高频闭锁保护方案时要比距离保护更为方便。实现高频闭锁零序方案时，可用灵敏度高的零序电流段起动发信机，而用保护区延伸到下段线路的零序电流段作为停止发信机用。应注意的是作为起动发信机的起动元件，动作时不应该带有方向性。因为起动元件如带有方向性，则在反方向故障时，它就不能起动发信机。而作为停止发信机用的零序段保护，则必须具有方向性。这样才能做到在被保护范围内任一点发生内部故障都能被瞬时地切除。而在保护

17、范围外部故障时，根据故障点的远近，可以用不同的时限来切除故障，起到相邻元件的远后备保护作用。高频闭锁零序保护的工作原理与高频闭锁距离保护相似，这里不再重复。 第24页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二6.高频相差动保护工作原理其基本原理在于比较被保护线路两端短路电流的相位。在此仍采用电流的给定正方向是由母线流向线路。因此，装于线路两端的电流互感器的极性应如图3-15(a)所示，这样，当保护范围内部(Kl点)故障时，在理想情况下，两端电流相位相同，如图3-15(b)所示，两端保护装置应动作，使两端的断路器跳闸，而当保护范围外部(K2)点故障时，两端电流相位相差180度，如图4-14(c)所示，保护装置则不应动作。第25页，共27页，2022年，5月20日，19点53分，星期二3-15