继电保护基础知识

电力系统继电保护基础知识介绍一、继电保护相关电力系统基础知识简介1、电力系统的稳定和震荡电力系统的稳定：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，电力系统应能自动地恢复到原来的运行状态，或者凭借控制设备的作用过渡到新的功率平衡状态运行，即所谓电力系统稳定。G~1）电力系统稳定功角δ：发电机电动势与无穷大系统电压的夹角电力系统稳定静态稳定动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。电力系统受到小的或大的干扰后，在自动调节和控制装置的作用下，保持长过程的运行稳定性的能力。2）电力系统稳定分类暂态稳定电力系统受到大干扰后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定运行方式的能力。3）电力系统振荡发电机与系统电源之间或系统两部分电源之间δ的摆动现象，称为振荡。同期振荡非同期振荡电力系统振荡2、电力系统故障简单故障复合故障电力系统故障电力系统正常运行时某一处发生短路或者断相的情况复合故障指两个或两个以上的简单故障的组合三相短路（对称短路，约占1.9%）两相短路（不对称短路，约占1.4%）两相接地短路（不对称短路，约占5.8%）单相接地短路（不对称短路，约占87.9%）短路故障断相故障电力系统故障类型（约占1.4%）其它复合故障：转换性故障（约占0.7%），非全相运行中又发生单相接地短路（约占0.9%）某电力系统20年的统计数据3、电力系统振荡与短路的区别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；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与电压之间的相位角都随功角δ的变化而改变，而短路时，电流与电压之间的相位角是基本不变的4、电力系统振荡对继电保护的影响电力系统振荡时对继电保护装置的电流继电器、阻抗继电器有影响电力系统振荡时对相差动保护、电流差动保护等从原理上没影响1）对电流继电器的影响itIopIre0tk如右图：流入继电器的振荡电流随时间变化的曲线，当振荡电流达到继电器的动作电流Iop时，继电器动作，当振荡电流降低到继电器返回电流Ire时，继电器返回，tk为继电器的动作时间（触点闭合时间），因此振荡时电流继电器可能会误动。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，阻抗继电器可能动作；振荡电流减小，电压升高，阻抗继电器返回。如果阻抗继电器动作的时间大于该保护动作的延时，将造成该保护误动。5、继电保护装置1）什么是继电保护装置当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障或危及电力系统安全运行的事件时，向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令，以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。

2）继电保护的四性：速动性、选择性、灵敏性、可靠性速动性：指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。一般从装设速动保护(如高频保护、差动保护)、充分发挥零序接地瞬时段保护及相间速断保护的作用、减少继电器固有动作时间和断路器跳闸时间等方面入手来提高速动性；

选择性：指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障。为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件）的选择性，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合。带方向的保护，其方向元件也是为了保证保护的选择性；2）继电保护的四性：速动性、选择性、灵敏性、可靠性2）继电保护的四性：速动性、选择性、灵敏性、可靠性灵敏性：指继电保护对设计规定要求动作的故障及异常状态能够可靠地动作的能力。各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定；

选择性和灵敏性的要求，通过继电保护的整定实现。

2）继电保护的四性：速动性、选择性、灵敏性、可靠性可靠性：可靠性是指保护该动作时应可靠动作，不该动作时应可靠不动作。可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。

5、我国电力系统中，中性点的接地方式直接接地不接地中性点接地方式经消弧线圈接地3~35kV电网，这样的系统称为小接地电流系统110kV及以上电网，这样的系统称为大接地电流系统1）不同的接地方式对继电保护的原则要求大接地电流系统：发生单相接地故障占总短路故障的70%，因此，要求接地保护能灵敏、可靠快速地切除接地短路故障，以避免危及电气设备的安全；小接地电流系统：发生单相接地故障时，并不破坏系统线电压的对称性，系统还可继续运行1~2h。同时，绝缘检查装置发出无选择性信号，可由值班人员采取措施加以消除。只有在特殊情况或电网比较复杂、接地电流比较大时，根据技术保安条件，才装设有选择性的接地保护，动作于信号或跳闸。2）我国大接地电流系统与小接地电流系统划分的标准X∑0/X∑1≤4~5为大接地电流系统其中：X∑0------系统零序阻抗X∑1------系统正序阻抗X∑0/X∑1>4~5为小接地电流系统3）小接地电流系统中，中性点经消弧线圈接地的目及补偿的运行方式目的：利用消弧线圈的感性电流补偿接地故障时的容性电流欠补偿全补偿过补偿补偿后电感电流等于电容电流，即补偿的感抗ωL=1/3ωC0补偿后电感电流小于电容电流，即补偿的感抗ωL>1/3ωC0补偿后电感电流大于电容电流，即补偿的感抗ωL<1/3ωC0二、电网主设备继电保护基本原理介绍1、线路保护及重合闸1）距离保护输电线路的长度是一定的，其阻抗也基本一定。在其范围内任何一点故障，故障点至线路首端的距离都不一样，也就是阻抗不一样，都会小于总阻抗。距离保护就是反应故障点至保护安装处之间的距离，并根据该距离的大小确定动作时限的一种继电保护装置。距离保护的核心元件阻抗继电器。a、距离保护的基本原理当被保护线路上发生短路故障时，阻抗继电器的测量阻抗为Zm

设阻抗继电器的工作电压为：

阻抗继电器的整定阻抗是指保护安装处至保护末端的阻抗。由此可见：保护区内短路故障，工作电压小于0；而保护外或反方向短路故障，工作电压大于0。测量部分：振荡闭锁部分：距离保护启动部分：二次回路断线失压闭锁部分：逻辑部分：对短路点的距离测量和判别短路故障的方向。判别系统是否处于故障状态。防止振荡时距离保护误动。防止二次回路断线失压闭锁部分距离保护误动。实现保护装置应具有的性能和建立保护各段时限c、距离保护的时限c、距离保护继电器分类抛球特性阻抗继电器单相阻抗继电器测距式距离继电器距离继电器多相距离继电器工频变化量继电器方向阻抗继电器全阻抗继电器偏移特性距离继电器电抗继电器负荷限制继电器2）线路纵联保护a、反应单侧电气量的保护

无法实现全线速动QF1Ⅰ段保护区QF2Ⅰ段保护区两侧I段保护公共区60%-70%ZZ

QF1

QF2b、反应两侧电量的输电线路纵联保护QF1QF2QF3QF4ABCk+++-利用通信通道将两端的保护装置纵向联结起来，将两端的电气量比较，以判断故障在区内还是区外。理论上具有绝对的选择性纵联保护结构图c、纵联保护分类导引线纵联保护纵联差动保护（比较两端电流量）纵联方向保护（比较两端逻辑量）纵联保护按通信通道划分按构成原理划分电力线载波纵联保护微波纵联保护光纤纵联保护纵联距离保护（比较两端逻辑量）相—地制相—相制纵联保护动作原理(1)纵联方向保护每侧继电器反应本侧短路功率方向，利用通道将对侧故障方向判别结果传送到对侧，各侧保护根据两侧功率方向判断结果区分区内还是区外故障传送逻辑信号分为纵联方向保护和纵联距离保护纵联距离方向元件纵联方向元件能量积分方向元件工频变化量方向元件和零序方向元件阻抗方向元件零序方向元件（作为高阻接地故障时阻抗方向元件灵敏度不足时的后备元件）(2)纵联电流差动保护利用通道将本侧电流的波形或代表电流相位的信号传送到对侧，每侧保护根据对两侧电流的幅值和相位比较的结果区分区内还是区外故障要求两侧信息同步采集纵联保护动作原理差动保护元件可分为：（a）分相电流差动保护元件（b）零序电流差动保护元件（c）突变量电流差动保护元件“相-地”制高频通道示意图阻波器由一电感线圈与可变电容器并联组成的回路。其谐振频率为载波频率。

对载波电流：Z>1000Ω----将高频电流限制在被保护线路以内。对工频电流：Z≈0.04Ω----工频电流可畅流无阻。“相-地”制高频通道示意图结合电容器结合电容器的电容量很小，对工频电流具有很大的阻抗，可防止工频高压侵入高频收信机。对高频电流则阻抗很小，高频电流可顺利通过。结合电容器与连接滤波器共同组成带通滤波器，只允许通带内的高频电流通过。“相-地”制高频通道示意图连接滤波器连接滤波器是一个可调节的空心变压器。在其连接至高频电缆一侧的线圈中串接有电容器。连接滤波器与结合电容器共同组成带通滤波器，使所需频带的高频电流能够通过。“相-地”制高频通道示意图高频电缆高频电缆的作用是将位于主控室的高频收、发信机与户外变电站的带通滤波器连接起来。“相-地”制高频通道示意图保护间隙保护间隙是高频通道的辅助设备，用它保护高频收发信机和高频电缆免受过电压的袭击。“相-地”制高频通道示意图接地刀闸

接地刀闸也是高频通道的辅助设备。在调整或维修高频收发信机和连接滤波器时，将它接地，以保证人身安全。“相-地”制高频通道示意图高频收发信机

用来发出和接收高频信号d、纵联保护通道传送的逻辑信号分类闭锁信号跳闸信号允许信号跳闸信号或者本端保护元件动作都作用于跳闸闭锁保护动作于跳闸的信号，收不到闭锁信号是保护能够跳闸的必要条件允许保护动作跳闸的信号，收到允许信号是保护动作跳闸的必要条件a）闭锁信号传输通道及优、缺陷点传送闭锁信号的通道大多数为专用载波通道，只要本端保护元件不动作，在保护启动或通道试验时发闭锁信号。线路两侧通道中收发信频率一样的，在本线路一侧发出闭锁信号时，线路两侧都能收到闭锁信号。优点：发生区内故障时，如果同时通道损坏（比如发生三相接地故障时），闭锁式纵联保护不会因为通道中断而导致拒动。缺点：发生正方向区外故障时，通道没有正确传输信号，纵联保护可能误动。b）允许信号传输通道及优、缺陷点传送允许信号的通道大多数为复用载波通道，随着光纤通信的普及，光纤通道传输允许信号的方式也较多。优点：平常通道一直在交换导频信号，通道损坏后会立即告警；在发生区外故障时，如果同时通道损坏了，允许式纵联保护不会因为通道中断而导致误动。缺点：发生区内故障时，如果通道同时损坏，允许式纵联保护会因为通道中断而导致拒动。3）线路自动重合闸自动重合闸装置就是将因故跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置自动重合闸优点（1）提高电力系统运行的完整性、供电的可靠性，减少线路停电次数及停电时间（2）提高电力系统并列运行的稳定性，提高输电线路的传输容量（3）可以纠正断路器本身机构不良或继电保护误动作等原因引起的误跳闸缺点（1）重合于永久性故障使电力系统又一次受到故障的冲击（2）重合于永久性故障，断路器要在短时间内，连续两次切断电弧，使断路器的工作条件变得更加严重1）对自动重合闸装置的要求（1）动作应迅速；（2）由运行人员手动或通过遥控装置将断路器断开时，自动重合闸装置不应动作；

(3)手动合闸于故障线路时，继电保护跳开后，自动重合闸装置不应动作；（4）对于双侧电源，应考虑合闸时两侧电源间的同步问题；（5）动作的次数应符合预先的规定。如一次重合闸就只能重合一次；当重合于永久性故障而断路器再次跳闸后，就不应再重合。（6）动作后应能自动复归，为下一次动作做好准备；（7）重合闸时间应能整定，并有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电保护的动作，以便更好地与继电保护相配合，加速故障地切除。（8）当断路器处于不正常状态时(如操动机构中使用的气压、液压异常等)，应将装置闭锁。2）自动重合闸的类型a.三相重合闸不论发生单相短路还是相间短路，继保动作后均使断路器三相同时断开，然后重合闸再将三相同时投入。b.单相重合闸在单相接地只把故障相断开，再进行单相重合，其余两相继续运行。c.综合重合闸单相重合闸和三相重合闸综合到一起，发生单相接地故障时，采用单相重合闸方式工作；当发生相间短路时，采用三相重合闸方式工作。3）自动重合闸启动方式1、断路器控制状态与断路器位置不对应启动方式2、保护启动方式4）自动重合闸的充电条件（1）重合闸处于正常投入状态；（2）重合闸未启动的情况下，三相断路器都在合闸状态，断路器的跳闸位置继电器都没有动作；（3）在重合闸未启动的情况下，断路器液压或气压正常；（4）没有外部闭锁重合闸的输入。如手动跳闸、手动合闸、母线保护动作及其他保护装置的闭锁重合闸继电器动作的输入（双重化时另一套永跳继电器动作）；（5）重合闸未启动的情况下，没有TV断线或失压信号。4）自动重合闸的闭锁条件(1)由保护装置定值控制字控制的一些闭锁重合闸条件的出现时;(2)出现一些不经保护定值控制字控制的严重故障时,保护直接永跳。如手动合闸或重合于故障线路、线路保护单相或三相故障跳闸失败后引起的永跳等;(3)重合闸装置使用单重方式时,则保护三跳时不重合;(4)如果现场运用重合闸时允许双重化的两套保护装置中的重合闸同时都投入运行,以使重合闸也实现双重化。此时为避免两套装置的重合闸出现不允许的两次重合闸情况,每套装置的重合闸在发现另一套重合闸已将断路器合上后,立即放电并闭锁本装置的重合闸;(5)重合闸发出合闸脉冲同时放电,等充电满后才能再次合闸;(6)重合闸在满足充电条件10~20s后充电完成,在充电未满的情况下又试图重合,此时将闭锁重合闸;(7)重合闸装置检测到有闭锁重合闸开入时,立即放电;(8)在重合闸启动后,进入故障处理程序后,还要实时监视启动相有无保护跳闸令输入,有无电流,如果有则要闭锁启动相的重合闸。重合闸前加速保护，是当线路上（包括相邻线路图中L2、L3）发生故障时，靠近电源侧的保护首先无选择性动作跳闸（QF1），而后借助重合闸来纠正，这种方式称为重合闸前加速6）重合闸前加速上图中，线路L1、L2、L3上各装设一套过电流保护，其时限按阶梯原则选择；L1上装设一套可以保护到L3线路的电流速断保护。无论在哪条线路上发生故障，速断保护都可以无选择地动作，将QF1断开，然后利用ZCH将其合闸。如遇到永久性故障，则速断保护被ZCH闭锁，不再瞬时跳闸，而通过过电流保护按时限配合，有选择性地将故障切除。当线路发生故障后，保护有选择性地动作切除故障，重合闸进行一次重合后恢复供电。若重合于永久性故障时，保护装置不带时限无选择性的动作跳开断路器，这种方式称为重合闸后加速。7）重合闸后加速重合闸成功与否取决于故障的类型，要是永久性故障，无论那种方式都一样不能成功。只能说前加速跳闸快，可以减少瞬时性故障发展成永久性故障的概率。但重合闸前加速的应用停电面积大，没有选择性，所以应用较后加速少。

2、变压器保护1）电力变压器的不正常工作状态和可能发生的故障及对应的保护变压器故障内部故障外部故障变压器内部故障系指变压器油箱里面发生的各种故障,其主要类型有:各相绕组之间发生的相间短路,单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路,单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障等

变压器外部故障系变压器油箱外部绝缘套管及其引出线上发生的各种故障,其主要类型有:绝缘套管闪络或破碎而发生的单相接(通过外壳)短路,引出线之间发生的相间故障等。a）变压器故障变压器的不正常工作状态主要包括:由于外部短路或过负荷引起的过电流、油箱漏油造成的油面降低、变压器中性点电压升高、由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁等。b）变压器变压器的不正常工作状态为了防止变压器在发生各种类型故障和不正常运行时造成不应有的损失,保证电力系统安全连续运行,变压器一般应装设以下继电保护装置:(1)防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低的瓦斯保护。(2)防御变压器绕组和引出线多相短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的(纵联)差动保护或电流速断保护。(3)防御变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护(或复合电压启动的过电流保护、或负序过电流保护)。(4)防御大电流接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护。(5)防御变压器对称过负荷的过负荷保护。(6)防御变压器过励磁的过励磁保护。c)变压器一般应装设以下继电保护装置1）变压器差动保护（a）正常运行及外部故障；（b）内部故障（双侧电源）；（c）内部故障（单侧电源）

（1）变压器差动保护原理（2）变压器接线组别的影响及其补偿措施

a）变压器接线组别影响的常规补偿措施

Y，d11变压器差动保护接线图和相量图

b）微机保护的补偿措施

△→Y相位补偿在软件中将△侧电流做一个反相序的两相电流之差。为求得零序电流的平衡，将Y侧电流减去零序电流。△侧Y侧Y→△相位补偿Ia’=(IA-IB)/Ib’=(IB-IC)/Ic’=(IC-IA)/Ia＇=IaIb＇=IbIc＇=Ic在软件中将Y侧电流做一个正相序的两相电流之差。△侧电流直接参与计算。△侧Y侧（3）变压器差动保护需考虑的特殊问题

a）变压器励磁涌流的影响及防止措施在各侧均有负荷电流时，励磁电流只是励磁支路中的分流；在空投时，励磁电流全部表现为差流，且数值非常大，需要采取一定措施躲过。差动保护涌流闭锁元件（a）二次谐波制动原理：差电流二次谐波分量电流与基波分量电流的百分比；（b）间断角原理：根据差电流波形是否有间断及间断角的大小来区分故障电流与励磁涌流；（c）波形对称原理（d）磁制动原理励磁涌流的特点：（a）包含有很大成分的非周期分量，往往使涌流偏于时间轴的一侧；（b）包含有大量的高次谐波分量，并以二次谐波为主；（c）波形出现了间断若在初相角α=0时合闸,有最大的暂态磁通，因此α=0也就是产生最大涌流峰值的条件(对单相变压器而言)。若在初相角α=π／2时合闸,变压器即进入稳态，是最理想合闸时间。对于三相变压器，由于三相相差120度，因此总是有涌流出现。b）在变压器过励磁时不应误动作变压器过励磁时，励磁电流中的5次谐波分量大大增加，因此利用差电流五次谐波识别变压器过励磁，闭锁差动保护。c）较高的短路电流水平时，电流互感器饱和时高次谐波量增加，差动保护拒动在较高的短路电流水平时，由于电流互感器饱和时高次谐波量增加，产生极大的制动力矩而使差动元件拒动，因此设置差动速断元件，当短路电流达到4~10倍额定电流时，速断元件快速动作出口。2）变压器分侧差动保护分侧差动保护是将变压器的各侧绕组分别作为被保护对象，在各侧绕组的两侧设置电流互感器而实现差动保护。3）变压器零序差动保护4）变压器后备保护（1）复合电压闭锁过电流保护；（2）零序过电流及零序方向方向电流保护；（3）负序电流及负序方向电流保护；（4）阻抗保护；（5）复合电压功率方向过流保护3、母线保护1）母线保护配置母线差动保护母联充电保护母联死区保护母联失灵保护母联过流保护母联非全相保护断路器失灵保护

母线差动保护由分相式比率差动元件构成。 差动回路包括母线大差回路和各段母线小差回路。母线大差是指除母联开关和分段开关外所有支路电流所构成的差动回路。某段母线的小差是指该段母线上所连接的所有支路（包括母联和分段开关）电流所构成的差动回路。2）母线差动保护原理动作方程母线差动保护动作方程制动系数K可整定为防止在母联开关断开的情况下，弱电源侧母线发生故障时大差比率差动元件的灵敏度不够，大差比例差动元件的比率制动系数有高低两个定值。母联开关处于合闸位置以及投单母或刀闸双跨时大差比率差动元件采用比率制动系数高值，而当母线分列运行时自动转用比率制动系数低值。小差比例差动元件则固定取比率制动系数高值。3）母联充电保护当一条母线由未运行状态（例如母线检修）恢复到运行状态时，先合母联断路器对该母线充电。如果该母线没有故障，再将某些连接元件倒到该母线上。但如果该母线有故障，在合母联断路器后保护应再次切除母联断路器，以使原运行母线继续正常运行，这个保护称做母联充电保护。

4）母联过流保护在有些特殊情况下，例如母联断路器经某一母线带一条输电线路运行（母联代路）时，需用母联断路器的母联过流保护临时作为输电线路的保护，当线路上有故障时由母联过流保护跳母联断路器切除故障。

任一相母联电流大于过流整定值，或流过母联零序电流大于零序过流整定值。5）母联失灵保护母线保护