供配电工程第6章 供配电系统的继电保护

供配电工程·第6章供配电系统的继电保护Contents目录供配电工程第6章供配电系统的继电保护01继电保护概述02输电线路继电保护03变压器继电保护CHAPTER01继电保护概述理解继电保护的任务、要求与基本原理供配电工程·第6章继电保护的任务与基本要求继电保护是电力系统安全运行的"守护神"，其核心任务是在最短时间内自动切除故障设备或发出报警信号，保护系统设计必须同时满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四项基本要求。继电保护体系架构保护系统设计须同时满足四项基本要求01故障切除：当系统发生短路故障时，自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，防止故障扩大02异常报警：当系统出现异常运行状态（如过负荷、频率降低、电压异常）时，及时发出报警信号通知运行人员处理03自动恢复：配合自动重合闸等装置，在瞬时故障消除后自动恢复供电，提高系统供电可靠性04选择性：保护装置动作时仅切除故障元件，使停电范围最小化，保证非故障部分继续运行05速动性：故障切除时间尽可能短，减轻设备损坏程度和对系统稳定性的影响06灵敏性：保护装置对其保护区内发生的故障或不正常运行状态具有足够的反应能力FUNDAMENTALPRINCIPLES继电保护的基本工作原理继电保护装置通过检测故障前后电气物理量的变化特征来识别故障，主要包括电流增大、电压降低、相位角变化和阻抗减小四大判据，不同类型保护利用不同电气量变化构成动作原理。数倍~数十倍电流增大判据短路时故障回路电流从正常负荷电流激增至短路电流，可达额定电流的数倍至数十倍故障点最大电压降低判据相间短路或接地短路时，系统各点电压下降，故障点附近电压降幅最大60°~85°相位角变化判据正常运行时功率因数角约20°，三相短路时电流电压相位角变为60°~85°的阻抗角阻抗值显著减小测量阻抗变化判据故障后测量阻抗从负荷阻抗变为线路阻抗，阻抗值显著减小而阻抗角增大负序+零序序分量判据不对称短路时出现负序和零序分量，这些分量在正常对称运行时不存在CHAPTER06·RELAYPROTECTION继电保护装置的组成结构继电保护装置由测量比较、逻辑判断和执行输出三个基本部分构成，三者依次完成电气量检测、故障判别和动作执行功能，共同实现对电力元件的自动保护。测量比较部分01通过互感器采集被保护元件的电流、电压等电气量，实时监测运行状态02将检测值与预置整定值进行比较，判断是否超过动作门槛03输出比较结果信号给逻辑部分，作为保护动作的判据依据电气量检测逻辑部分01接收测量比较部分的输出信号，获取故障特征信息02按预定逻辑关系分析故障类型、方向和范围，确定保护策略03综合判断是否满足动作条件，决定是否发出跳闸指令故障判别执行输出部分01接收逻辑部分的动作指令，启动执行程序02接通跳闸回路驱动断路器快速切除故障元件03接通信号回路发出声光报警，通知运行人员动作执行RelayProtection继电保护的配置原则继电保护配置遵循主保护与后备保护协调配合原则，确保在任何故障情况下都能可靠切除故障，重要设备采用双重化配置以提高保护系统的可靠性。主保护配置快速、有选择性地切除被保护元件范围内的故障，满足系统稳定和设备安全要求。快速切除后备保护配置当主保护或断路器拒动时切除故障，分为近后备（本元件另一套保护）和远后备（相邻元件保护）。近后备·远后备双重化原则330kV及以上系统的重要设备和线路应配置两套独立完整的主保护，互为备用。330kV+选择性配合上下级保护之间的动作电流和动作时间需按阶梯原则整定，确保故障就近切除。阶梯整定RELAYTECHNOLOGY常用保护继电器类型保护继电器是继电保护系统的核心执行元件，从传统的电磁型、感应型发展到现代的静态型和微机型，技术不断进步，微机型保护已成为当前主流。传统继电器电磁型继电器利用电磁吸力原理，结构简单、抗干扰能力强，广泛用于电流电压保护电流电压现代保护装置静态型继电器采用集成电路技术，精度高、功耗低、体积小，调试维护方便集成电路现代保护装置微机型保护装置集测量、保护、控制、通信于一体，功能强大、灵活性好，是当前主流当前主流传统继电器感应型继电器基于电磁感应原理，具有反时限特性，适用于电动机和变压器过载保护反时限传统继电器整流型继电器采用半导体整流元件，灵敏度高、返回系数好，性能优于电磁型半导体现代保护装置数字化保护装置基于IEC61850标准，支持网络通信和智能变电站应用IEC61850继电保护·接线方案保护装置的接线方式保护装置的接线方式直接影响保护范围和灵敏度，应根据系统接地方式、保护对象和故障类型选择合适的接线方案。01完全星形接线三相均装设电流互感器，能反映所有类型短路故障，适用于中性点直接接地系统的主保护。02不完全星形接线仅在A、C两相装设电流互感器，经济性好，但不能单独反映B相单相接地故障。03两相电流差接线利用两相电流之差作为保护判据，接线简单，适用于小电流接地系统线路保护。04零序电流滤过器接线三相电流互感器二次侧并联，输出零序电流，专用于接地故障保护。CHAPTER02输电线路继电保护掌握单侧电源、双侧电源线路及接地故障的保护原理与配置方法RELAYPROTECTION过电流保护原理与特性过电流保护通过检测线路电流是否超过整定值来判断故障，是最基础的线路保护方式；按照动作时限分为定时限和反时限两种，选择性通过阶梯式时限配合实现。基本原理⚡检测线路电流，当电流超过整定值时启动保护动作，快速识别故障状态🛡️整定电流需大于最大负荷电流，防止正常负荷波动引起误动，确保保护可靠性↩️返回系数需满足要求，确保故障切除后保护可靠返回，避免持续误动作时限特性⏱️定时限特性：动作时间固定不变，与故障电流大小无关，整定配合简单直观📉反时限特性：动作时间随故障电流增大而减小，靠近故障点动作更快切除🔄时限级差：上下级保护时间级差一般取0.3~0.5s，确保选择性配合与速动性平衡Chapter6·继电保护电流速断保护电流速断保护无时限快速切除线路首端严重短路故障，保护范围约为线路全长的70%~80%；需与过电流保护配合构成完整的保护体系。01动作原理当短路电流超过整定值时瞬时动作，整定值按躲过本线路末端最大短路电流确定02保护范围只能保护线路首端约70%~80%，末端故障时不动作，存在保护死区03灵敏度校验按最小运行方式下保护范围末端两相短路电流校验，要求灵敏系数≥1.504配合策略速断保护快速切除首端故障，过电流保护作为全线后备，两者构成阶段式电流保护继电保护·第II段限时电流速断保护限时电流速断保护带短延时动作，整定值低于电流速断保护，保护范围延伸至本线路全长，与电流速断和过电流保护共同构成完整的三段式电流保护体系。整定原则按躲过下一级线路电流速断保护的最大保护范围末端短路电流整定，保证选择性01选择性时限配合动作时限比下一级线路速断保护高出一个时间级差Δt（通常取0.3~0.5s）02Δt0.3–0.5s保护范围能够保护本线路全长，并可延伸至下一级线路首端，作为本线路的近后备保护03线路全长三段式配合第I段速断保护首端故障、第II段限时速断保护全长、第III段过电流保护作为远后备04I+II+III供配电系统的继电保护方向过电流保护双侧电源网络中仅靠电流和时间配合无法实现选择性，需引入功率方向元件判断故障方向，只有故障电流方向符合设定条件时保护才动作，解决复杂电网的选择性配合问题。方向元件原理01利用功率方向继电器判断故障方向，比较电压与电流的相位关系02正方向故障时功率方向为正，保护允许动作；反方向故障时闭锁保护03常用90°接线方式，使方向元件在各种故障类型下均能正确判断选择性配合01同一母线上各出线的方向保护时限按阶梯原则配合02方向元件与电流元件串联，两者均动作时才发出跳闸命令03适用于环形网络和双侧电源辐射网络，保证故障就近切除RELAYPROTECTION·CHAPTER06距离保护基本原理距离保护通过测量故障点到保护安装处的阻抗来判断故障位置，保护范围基本不受系统运行方式影响，是高压输电线路的主保护方式之一。01基本原理测量保护安装处的电压与电流之比得到测量阻抗，与整定阻抗比较判断故障是否在保护区内。该原理基于电路欧姆定律，通过实时计算阻抗值实现故障定位。Z=U/I02第I段整定阻抗为线路阻抗的80%~85%，瞬时动作，保护线路首端大部分区域。作为快速主保护，无需延时即可切除区内故障。80–85%·瞬时03第II段整定阻抗延伸至下一级线路首端，带0.3~0.5s延时，保护本线路全长。延时设置用于与下级保护配合，避免越级跳闸。0.3–0.5s·全长04第III段按躲过最小负荷阻抗整定，带较长延时，作为本线路和相邻线路的后备保护。当主保护拒动时提供最终保护屏障。后备保护RelayCharacteristics阻抗继电器的动作特性阻抗继电器是距离保护的核心测量元件，其动作特性决定了保护的范围和方向性；常用特性包括全阻抗、方向阻抗和偏移阻抗三种圆特性，以及多边形特性。圆特性阻抗继电器全阻抗继电器：动作区为以原点为圆心的圆，无方向性，需另加方向元件方向阻抗继电器：动作区为过原点的圆，具有明确方向性，但存在电压死区偏移阻抗继电器：动作区为包含原点的偏移圆，兼具方向性且消除出口死区圆特性·三种经典形态多边形特性电抗型继电器：动作边界为电抗线，受过渡电阻影响小四边形特性：综合电阻和电抗判据，动作区精确，微机保护广泛采用苹果型特性：结合方向性和电抗特性，抗过渡电阻能力强多边形·现代微机首选PROTECTION·CHAPTER06小电流接地系统单相接地保护小电流接地系统单相接地时故障电流小、系统可继续运行，但需配置接地保护及时发现故障线路；主要采用零序电压检测、零序电流选线和零序功率方向三种方法实现。VOLTAGEDETECTION绝缘监视装置检测母线零序电压，当零序电压超过整定值时发出接地报警信号，提示运行人员巡视查找U₀检测CURRENTSELECTION零序电流选线故障线路的零序电流等于全系统非故障线路对地电容电流之和，明显大于非故障线路I₀幅值DIRECTIONAL零序功率方向选线故障线路零序功率方向为线路流向母线，非故障线路为母线流向线路，方向相反方向判别ARCSUPPRESSION消弧线圈接地系统采用暂态分量法或注入信号法检测故障线路，克服消弧线圈补偿导致的稳态电流小问题暂态分析供配电工程·继电保护中性点直接接地系统零序保护大电流接地系统单相接地故障产生大零序电流，零序保护利用零序分量实现接地故障检测和切除；具有只反应接地故障、不反应相间短路的特点，灵敏度和选择性均优于相间保护。零序电流保护零序I段·按躲过本线路末端接地短路最大零序电流整定，瞬时动作保护线路首端，动作无延时零序II段·与下一级零序I段配合整定，带短延时动作保护本线路全长，作为I段后备零序III段·按躲过最大不平衡电流整定，带较长延时作为本线路及相邻线路的后备保护零序方向保护方向判断·利用零序功率方向判断故障方向，正方向故障时保护动作、反方向故障时可靠闭锁方向元件·零序方向元件采用零序电压与零序电流比较相位，灵敏度高且不受系统振荡影响适用范围·适用于多电源环网和双侧电源供电线路，有效保证接地保护动作的选择性CHAPTER03变压器继电保护掌握变压器差动保护、瓦斯保护、过电流保护和接地保护的原理与配置供配电系统·继电保护变压器保护配置总览变压器保护系统由主保护和后备保护构成，差动保护和瓦斯保护作为内部故障主保护，过电流保护和零序保护作为外部故障后备保护，各类保护协同确保变压器安全运行。主保护差动保护反应绕组及引出线的相间短路故障，要求快速灵敏动作快速灵敏主保护瓦斯保护反应油箱内部故障产生的气体和油流，轻瓦斯发信号、重瓦斯跳闸轻重分级后备保护过电流保护反应外部短路引起的过电流，作为差动保护和馈线保护的后备外部后备后备保护零序保护反应变压器及系统接地故障，据中性点接地方式配置保护方案接地故障辅助保护过负荷保护反应长时间过负荷运行，带时限发信号，必要时减负荷或跳闸带时限RELAYPROTECTION变压器差动保护原理变压器差动保护基于基尔霍夫电流定律，比较变压器两侧电流的矢量和来判断内部故障；正常运行时差动电流为零，内部故障时差动电流显著增大驱动保护动作，是变压器的主保护。基本原理01在变压器两侧装设电流互感器，二次电流引入差动继电器进行比较02正常运行和外部故障时，两侧电流折算后大小相等方向相反，差动电流近似为零03内部故障时差动电流等于两侧短路电流之和，超过整定值时保护瞬时动作不平衡电流问题01励磁涌流：变压器空载合闸时产生含大量二次谐波的暂态励磁电流，可能导致差动保护误动02变比误差和分接头调整：电流互感器变比与变压器变比不完全匹配产生稳态不平衡电流03两侧CT特性差异：两侧电流互感器型号或饱和特性不同导致不平衡电流增大继电保护变压器比率制动差动保护比率制动差动保护通过引入制动电流使动作门槛随穿越电流自适应调整，有效防止外部故障时不平衡电流导致的误动；配合二次谐波制动技术识别励磁涌流，确保保护在各种工况下正确动作。比率制动特性动作电流随制动电流增大而增大，外部故障时自动提高门槛防止误动，内部故障时可靠动作。自适应门槛制动电流选取通常取两侧电流的标量和或最大侧电流作为制动量，反映穿越电流大小。标量和二次谐波制动检测差动电流中二次谐波含量，当二次谐波比例超过15%~20%时判定为励磁涌流并闭锁保护。15%~20%五次谐波制动用于区分过励磁工况与内部故障，过励磁时五次谐波含量高，需闭锁差动保护。过励磁闭锁GASPROTECTION·继电保护变压器瓦斯保护瓦斯保护是油浸式变压器特有的非电量保护，利用内部故障产生的气体和油流动作；轻瓦斯反应轻微故障发信号，重瓦斯反应严重故障跳闸，能检测差动保护无法反应的匝间短路和铁芯故障。01—工作原理轻瓦斯：内部轻微故障产生少量气体聚集，油面下降使触点接通，发出报警信号适用于过热、局部放电等早期故障预警，提醒运维人员及时检查处理重瓦斯：严重故障产生大量气体和强烈油流，冲击挡板使触点接通，驱动断路器跳闸动作速度快、可靠性高，是变压器内部严重故障的主保护之一安装位置：瓦斯继电器安装在油箱与储油柜之间的连接管道上，倾斜度1%~1.5%确保气体顺利上升聚集，油流畅通流动，保证保护动作的准确可靠02—保护特点能反应油箱内部各种故障，包括匝间短路、铁芯过热、绝缘劣化等覆盖范围广，对变压器内部各类故障均有良好的检测能力对少匝数匝间短路比差动保护更灵敏，是差动保护不可替代的补充弥补电气量保护的盲区，形成完善的变压器主保护配置方案不能反应变压器外部故障，需与其他保护配合构成完整保护系统通常与差动保护、过流保护等配合使用，实现全方位故障防护Chapter6·RelayProtection变压器相间过电流保护变压器相间过电流保护反应外部短路引起的过电流并作为内部故障后备保护，根据灵敏度要求可采用纯过电流、低电压启动或复合电压启动方向过电流等多种配置方式。基本过电流保护按躲过变压器最大负荷电流整定，接线简单但灵敏度较低，适用于小容量变压器小容量适用低电压启动过电流保护增加低电压闭锁条件，电流整定值可降至额定电流的1.2~1.5倍，灵敏度显著提高1.2~1.5In复合电压启动方向过电流增加负序电压和方向元件，适用于多电源网络和灵敏度要求高的场合多电源网络并列运行变压器配合需考虑一台变压器跳闸后其余变压器过负荷问题，保护逻辑应作相应处理过负荷联动RELAYPROTECTION·继电保护低电压启动的过电流保护低电压启动过电流保护增加电压闭锁判据，只有电流超定值且电压低于门槛时保护才动作，电流整定值可降低至额定电流的1.2~1.5倍，有效提高灵敏度并防止负荷波动引起误动。动作条件01电流元件动作线路电流超过电流整定值，按1.2~1.5倍额定电流整定02电压元件动作母线电压低于电压整定值，按0.6~0.7倍额定电压整定03与门出口逻辑两元件同时动作才出口跳闸，任一不动作则保护被闭锁优势与应用01电流定值降低无需躲过电动机自启动等最大负荷电流，灵敏度提高30%~50%02防止误动正常过负荷时电压不降低，保护被电压元件闭锁，避免不必要跳闸03典型应用场景降压变压器低压侧母线短路后备保护，适用于大容量变压器和电动机负荷较重场合继电保护·后备保护配置复合电压启动方向过电流保护复合电压启动方向过电流保护综合负序电压、低电压和方向元件三重判据，对不对称短路灵敏度更高且具备方向选择性，适用于多侧电源变压器和复杂电网的后备保护配置。复合电压元件由负序电压和低电压两部分组成，负序电压反应不对称故障更灵敏，低电压反应对称故障，两者互补确保各类故障均能可靠启动方向元件采用90°接线的功率方向继电器，判断故障方向确保选择性，正方向故障允许动作，反方向故障可靠闭锁，避免非故障侧误动多侧配合三绕组变压器各侧分别配置方向过电流保护，方向指向各自母线，时限按阶梯原则配合，实现故障区域精准隔离与系统稳定运行典型应用110kV及以上电压等级的重要变电站主变压器后备保护，以及环网供电系统的关键节点，作为主保护的后备确保供电可靠性继电保护·接地保护变压器中性点接地零序保护中性点直接接地变压器利用中性点零序电流实现接地保护，通常配置两段式零序电流保护；中性点可切换的变压器还需配置零序电压保护，确保各种运行方式下均有完善的接地保护。零序电流保护01零序I段：按躲过低压母线接地短路最大零序电流整定，延时0.3~0.5s动作跳闸。作为变压器接地故障的主保护，快速切除近区故障。02零序II段：与线路零序后备保护配合整定，延时1.0~1.5s动作，作为远后备。保护相邻线路末端接地故障。03中性点电流互感器装设在变压器中性点接地引下线上，直接测量零序电流3I₀，接线简单可靠，灵敏度高。零序电压保护01中性点不接地运行时，接地故障产生零序电压但无零序电流，传统零序电流保护失效，必须依靠零序电压保护实现故障检测。02零序电压取自母线电压互感器开口三角形绕组，整定值一般为5~10V，延时0.3~0.5s动作，防止PT断线误动。03用于中性点可切换的变压器，与零序电流保护互为补充，确保不接地运行时也有完善的接地故障检测手段。继电保护·接地保护自耦变压器接地保护特点自耦变压器高中压绕组存在电气联系，接地故障时零序电流在两侧间传递使保护配合复杂化，需在公共绕组和中性点回路分别配置零序保护并考虑方向性。零序电流传递特性自耦变高、中压侧共用部分绕组，一侧接地故障时零序电流经公共绕组传递到另一侧公共绕组中性点零序保护在中性点接地引下线装设CT，检测变压器零序电流，作为接地故障的主保护主保护公共绕组零序保护在公共绕组回路装设CT，检测流经公共绕组的零序电流，反应内部接地故障内部故障方向性要求由于零序电流可能双向流动，保护需具备方向判据以保证选择性方向判据供配电系统继电保护变压器保护典型配置方案变压器保护配置根据容量和重要性分级设置，小型变压器配置基本过电流和瓦斯保护，大型变压器需完善配置差动、瓦斯、零序、过负荷及非电量保护，形成多层次保护体系。按容量分级配置小型变压器：配置过电流保护、瓦斯保护和温度保护≤1000kVA中型变压器：增加差动保护、低电压启动过电流保护1000–10000kVA大型变压器：完善配置差动、瓦斯、零序、过负荷及非电量保护>10000kVA保护配合关系主保护：差动+瓦斯保护快速切除内部故障，两者互为补充快速切除后备保护：过电流和零序保护反应外部故障，作为主保护后备外部故障响应异常保护：过负荷、温度、油位保护发信号或延时跳闸异常状态监测SETTINGCALCULATION继电保护整定计算方法继电保护整定计算确定保护动作值和动作时间，需兼顾选择性、灵敏性和可靠性要求；整定后必须进行灵敏度校验，主保护灵敏系数≥1.5、后