电力系统继电保护与二次回路课件 第1章 继电保护概述

继电保护概述

1.1继电保护的作用及要求1.1.1继电保护的作用一、电力系统的故障与不正常运行状态电力系统最常见的同时是对系统危害最大的故障是各种形式的短路，即相与相之间或相与地之间的短接，以及电机或变压器同一绕组不同线匝之间的短接。短路故障会带来许多危害：（1）故障点的电弧将电气设备烧坏。（2）短路电流的电动力效应和热效应使故障回路的设备受到机械损伤和热损伤，降低了使用寿命。（3）使电力系统的电压大幅度下降，影响用户的正常工作，严重时可能造成电压崩溃，引起大面积停电。（4）破坏电力系统运行的稳定性，严重时引起系统振荡甚至使整个电力系统瓦解。电力系统的不正常运行状态指电力系统的正常工作遭到破坏、设备的运行参数偏离正常值，但还未形成故障。如常见的不正常运行有设备过负荷、因功率缺额引起系统频率下降、中性点非直接接地系统的单相接地、发电机突然甩负荷引起的过电压、电力系统振荡、直流系统一点接地、发电机转子回路一点接地等。电力系统不正常运行出现后如果处理及时妥当，则可恢复正常运行；如处理不及时，将可能引发故障，给电力系统造成严重损害。1.1继电保护的作用及要求1.1.1继电保护的作用二、继电保护装置的作用继电保护装置，就是能反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。其作用有以下两个方面。切除故障设备

在电力系统出现故障时，能快速、自动、有选择地将故障元件从系统中切除，避免故障设备继续遭到破坏，保证系统无故障部分能继续运行。2.反应不正常运行状态

当电力系统出现不正常运行状态时，能及时发出相应的信号，提示值班人员及时处理，也可根据设备承受能力作用于减负荷或跳闸。继电保护相当于电力系统的“外科医生”，继电保护的跳闸行为，相当于对电力系统实施“切除手术”，目的是保证其他完好设备继续运行。继电保护又被称为电力系统中“无言的哨兵”，时刻守护着电力系统，其作用是非常重要的。1.1继电保护的作用及要求1.1.2对继电保护的要求选择性速动性灵敏性可靠性电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围的一种性能。

保护快速切除故障的性能。故障切除时间包括继电保护动作时间和断路器的跳闸时间。在规定的保护范围内，保护对故障情况的反应能力。要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出来。发生了属于它该动作的故障，它能可靠动作，即不发生拒绝动作；而在不该动作时，它能可靠不动，即不发生错误动作。该动则动，不该动则不动1.2继电保护的基本原理、构成与分类1.2.1继电保护的基本原理目前普遍应用的反映电流增大而动作的保护为过电流保护。在正常运行时，线路上流过的电流为负荷电流，短路故障时，线路上流过几倍甚至几十倍负荷电流，可以构成过电流保护。反应故障点附近母线电压跌落而动作的保护称为低电压保护。正常运行时，各母线电压一般都在高于或低于额定电压5%-10%范围内变化，短路故障时，故障点附近母线电压跌落远远超过正常运行的范围，可以构成低电压保护。反应故障时出现零序分量、负序分量构成零序保护和负序保护。正常运行时，一般认为电力系统对称，不存在零序分量和负序分量，接地短路故障时，会出现零序分量，两相短路故障时，会出现负序分量。根据是否出现零序分量和负序分量构成零序保护和负序保护。1.2继电保护的基本原理、构成与分类1.2.1继电保护的基本原理反应保护安装处到故障点之间的阻抗下降而动作的保护称为低阻抗保护，也称为距离保护。在正常运行时，保护安装处测量的电压与电流之比是该线路与供电负荷的等值阻抗，其数值一般较大，短路故障时，保护安装处测量的电压与电流之比是该测量点到故障点之间线路的阻抗，其数值较小，可以构成低阻抗保护。反应两侧电流相位异同可以构成相应保护。如果两侧电流相位相同，则判定为内部故障，若两侧电流相位相反，则判定为外部故障。所以利用比较被保护线路两侧电流相位可以构成纵联差动保护、相差高频保护、方向保护等。除了反应各种电气量变化的保护外，还有反应非电量特征的保护。比如变压器油箱内部绕组短路时，反应变压器油受热分解产生瓦斯气体，构成瓦斯保护，反应绕组温度升高而构成过负荷保护等。1.2继电保护的基本原理、构成与分类1.2.2继电保护的构成根据逻辑判断元件传来的指令，发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息、发出警报或不动作。测量逻辑执行被测物理量整定值跳闸或信号测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。根据测量比较元件输出逻辑信号的性质、先后顺序、持续时间等，使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，确定是否应该跳闸、发出信号或不动作，并将对应的指令传给执行输出元件。1.2继电保护的基本原理、构成与分类1.2.3继电保护的分类继电保护装置按保护对象分按保护原理分按故障类型分按保护技术分按保护作用分输电线路保护发电机保护变压器保护电动机保护母线保护机电型保护整流型保护晶体管型保护集成电路型保护微机保护电流保护电压保护距离保护差动保护方向保护零序保护主保护后备保护辅助保护相间短路保护接地故障保护匝间短路保护断线保护失步保护失磁保护及过激磁保护1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器一、保护用电流互感器1．电流互感器分类

保护用的电流互感器分为两大类：1）P类电流互感器，包括P、PR、PX类。其中PR类电流互感器为低剩磁型，PX类电流互感器为低漏磁型。2）TP类电流互感器。该类电流互感器的准确限值是考虑一次电流中同时具有周期分量和非周期分量，并按某种规定的暂态工作循环时的峰值误差来确定的。该类电流互感器适用于考虑短路电流中非周期分量暂态影响的情况。在实际选择保护用的电流互感器时选择原则如下：1)保护用电流互感器的性能应满足继电保护正确动作的要求。首先应保证在稳态对称短路电流下的误差不超过规定值。对于短路电流非周期分量和互感器剩磁等的暂态影响，应根据互感器所在系统暂态问题的严重程度，所接保护装置的特性、暂态饱和可能引起的后果和运行经验等因素，予以合理考虑。2）110kv及以下系统保护用电流互感器一般按稳定条件选择，选用P类互感器。3）非直接接地系统的接地保护用电流互感器，可根据具体情况采用由三相电流互感器组成的零序滤过器、专用的电缆式或母线式零序电流互感器。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器2．电流互感器的极性如图1-3所示，电流互感器一次绕组L1为首端、L2为尾端；二次绕组K1为首端，K2为尾端。电流互感器一次侧“”（或“*”）端与二次侧“”（或“*”）端为同极性端。参考方向采用“减极性”原则，即当系统一次电流从极性端流入时，电流互感器二次电流从极性端流出。图1-3电流互感器的极性1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器3．电流互感器的准确度与误差电流互感器的准确度等级是指在规定的二次负载范围内，一次电流为额定值时，电流的最大误差，用百分数“%”表示。准确度等级分为0.1、0.2、0.5、1.0、3、5、10。其中，0.1、0.2、0.5、1.0级为测量级，3、5、10级为保护级，用5P、10P、5PR、和10PR等表示。变压器主回路宜采用复合误差较小的5P和5PR级电流互感器。其他回路可采用10P或10PR级电流互感器。在表示保护用电流互感器准确度级时，通常也将准确限值系数一并写出，一般可取5、10、15、20和30。例如，某保护用电流互感器的准确度等级为5P20，其中5表示该电流互感器的综合误差不大于5%；20为准确限值系数，即一次侧流过的最大电流为其一次额定电流20倍；P表示该电流互感器是供保护用的。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器例题1-1：某新建110/10kv变电站设有两台主变，110kv采用内桥接线方式，10kv采用单母线分段接线方式。110kv进线及10kv母线均分列运行，系统接线如图1-4所示，电源1最大运行方式下三相短路电流为25kA，最小运行方式下三相短路电流为20kA。电源2容量为无限大，电源进线L1及L2均采用110kv架空线路，主变压器容量为50000kVA，电压比为，假设10kv1#母线的最大三相短路电流为20kA。请问主变高压侧主保护用电流互感器的变比应如何选择？该电流互感器最低准确度等级应为多少（可靠系数取2）？图1-4系统接线图1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器解：变压器高压侧的额定电流为：电流互感器额定一次电流等级为：5；10；15；20；30；40；50；75；100；150；200；300；400；500；600；800；1000等所以变压器高压侧选用变比为300/1的电流互感器。最低准确度等级的选取：电流互感器准确限制系数一般可以取为5、10、15、20和30。所以该电流互感器准确限制系数取15，用于变压器主回路选准确等级为5P，最终选择最低准确度等级应为5P15。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器二、保护用电压互感器1．电压互感器分类电压互感器按构成原理可分为电磁式和电容式两类。35kV及以下电压等级的电压互感器实质上是一种电磁式降压变压器，其一次绕组并接入电力系统母线上，二次绕组并接着各种测量仪表、保护装置等的电压线圈；110kV及以上电压等级的电压互感器常常是电容式电压互感器，电容器串接于高压母线之间，而在临近接地的一个电容两端并接入一只通用小型电压互感器。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器二、保护用电压互感器2．电压互感器的接线方式以三相五柱式电压互感器为例，介绍其接线方式，三相五柱式电压互感器由五柱式铁心、一组一次绕组和两组二次绕组组成，其结构示意图如图1-5所示，其接线示意图如图1-6所示。图1-5三相五柱式电压互感器结构示意图图1-6三相五柱式电压互感器接线示意图1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器二、保护用电压互感器2．电压互感器的接线方式由结构示意图1-5可知，五柱式铁心左右两个边柱为零序磁通提供通路。一次三相绕组分别绕于铁心中部的三个芯柱上，连接成星形接线，其引出端U1、V1、W1并接于一次回路中，中性点N1直接接地。二次侧有两组三相绕组：主二次绕组和辅助二次绕组。主二次绕组分别绕于铁心中部的三个芯柱上，连接成星形接线，其引出端U2、V2、W2向二次回路负载提供三相电压。中性点N2是否接地根据二次回路的要求而定。一般在110kV及以上电压等级的中性点直接接地的电力系统中，N2直接接地。辅助二次绕组，分别绕于铁心中部的三个芯柱上，连接成开口三角形接线，形成零序电压滤过器。三相五柱式电压互感器由于既能检测一次系统的相电压、线电压，又能检测零序电压，所以被广泛应用。由接线示意图1-6可知，三相五柱式电压互感器一次绕组连接成星形，主二次绕组连接成星形，形成Yy0接线方式，辅助二次绕组连接成开口三角形，形成Yd1接线方式。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器三、保护用电子式互感器随着智能变电站不断兴起，智能变电站中使用电子式互感器、智能化开关等智能化一次设备使传统的继电保护工作方式发生了较大变化。1.电子式互感器的分类按其变换原理不同，分为采用光学测量原理的电光效应互感器和采用线圈测量方式的半常规电流互感器。根据高压传感器部分是否需要电源供应，电子式互感器分为无源式和有源式两种。有源电子式互感器包括采用罗氏线圈或低功率线圈检测一次电流的电子式电流互感器（ECT）和采用电容分压器、电阻/电容分压器或串联感应分压器检测一次高电压的电子式电压互感器（EVT）等。无源电子式互感器采用光学传感原理，并通过光纤将信号传送到低压侧。由于传感器输出信号本身就是随被测量变化的光信号，不存在设计高压侧电子电路的问题，也不存在为高压侧提供电源的问题，它是根据法拉第磁光效应测量电流的电子式电流互感器。无源电子式互感器的关键技术在于光学传感材料的稳定性、传感头的组装技术、微弱信号调制解调、温度对精度的影响、振动对精度的影响和长期运行的稳定性。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.1保护用的电流互感器和电压互感器三、保护用电子式互感器2.电子式互感器的优点与常规互感器相比，电子式互感器优点为：不含铁心，消除了磁饱和、铁磁谐振等问题。动态范围大，测量精度高，频率响应范围宽，响应速度快。绝缘性能优良，绝缘结构简单，造价低。电压等级越高，造价优势越明显。安全性好。采用光纤实现高电压与二次回路在电气上的隔离，电子式电流互感器不存在低压侧开路时产生高电压的危险。电子式电流互感器的高压侧与低压侧之间只存在光纤联系，抗电磁干扰性能好。电子式互感器输出数字接口，可以和智能电子设备直接连接，满足智能化要求。体积小、重量轻。因无铁心、绝缘油等，一般电子式互感器的重量远远低于电磁式互感器，便于运输和安装。没有因充油而产生的易燃、易爆等危险。现将常规互感器和电子式互感器加以对比，对比图如图1-7所示：图1-7常规互感器和电子式互感器对比1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.2常用的继电器目前，继电保护应用中大部分都是采用微机保护实现的。但是对于初学者而言，为了更好理解电流保护原理及其他保护原理，在介绍电流保护原理或电流保护原理接线时依然采用常规电磁式继电器，每一套常规电磁式继电保护装置，是由若干个继电器按一定的性能及要求连接在一起而组成的整体，因此在常规保护装置中，不同性能的继电器是独立存在的，在这一节简要介绍常用的电磁型继电器，包括电磁型电流继电器、电磁型电压继电器、电磁型中间继电器、电磁型时间继电器、电磁型信号继电器。一、电磁型电流继电器电磁型电流继电器常用作继电保护的测量元件，反映被保护元件的电流变化。电流继电器的文字符号为KA，其图形符号如图1-8a所示。图中方框表示电流继电器的线圈，方框上面的符号表示电流继电器的常开触点（动合触点）。图1-8电流、电压继电器图形符号1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.2常用的继电器一、电磁型电流继电器电磁型电流继电器常用作继电保护的测量元件，反映被保护元件的电流变化。电流继电器的文字符号为KA，其图形符号如图1-8a所示。图中方框表示电流继电器的线圈，方框上面的符号表示电流继电器的常开触点（动合触点）。图1-8电流、电压继电器图形符号能使电流继电器动作的最小电流称为动作电流，以Iop表示；而能使电流继电器返回的最大电流称为返回电流，以Ir表示。继电器的返回电流与动作电流的比值称为继电器的返回系数，用Kr表示。（1-1）对于过量继电器（如过电流继电器），电流继电器返回系数Kr总小于1，一般为0.85～0.9。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.2常用的继电器二、电磁型电压继电器电磁型电压继电器也用作继电保护的测量元件，反映被保护元件的电压变化。电压继电器的文字符号为KV。电压继电器分为过电压继电器和低电压继电器两种，其图形符号如图1-8b、c所示。1．过电压继电器过电压继电器工作原理与电流继电器相同。当输入电压高于设定值时，电磁力矩克服弹簧力矩及摩擦力矩，继电器动作，动合触点闭合。2．低电压继电器低电压继电器一般配有动断触点。电力系统正常运行时，低电压继电器处于励磁状态，其动断触点断开；当发生故障，电压低于动作电压时，继电器失磁，其动断触点闭合。低电压继电器线圈中使继电器动作的最大电压，称为低电压继电器的动作电压，用表示；使继电器由动作状态返回到起始位置的最低电压，称为继电器的返回电压，用继电器的返回系数Kr可表示为表示。（1-2）对于欠量继电器（如低电压继电器）其返回系数Kr总大于1。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.2常用的继电器三、电磁型中间继电器与电磁式电流继电器、电压继电器相比，中间继电器具有触点容量大，可直接作用于断路器跳闸线圈。电流、电压继电器由于需要快速动作，可动触点比较轻巧且容量较小，因而不能直接接通断路器跳闸电流，只能先接通中间继电器线圈回路，再由中间继电器触点接通断路器跳闸回路，中间继电器的文字符号为KM，其图形符号如图1-10所示。中间继电器一般配有多个动合触点或动断触点。图1-9中间继电器图形符号1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.2常用的继电器四、电磁型时间继电器时间继电器的作用是建立保护装置动作时限。时间继电器的文字符号为KT，其图形符号如图1-11所示。时间继电器一般配有瞬时打开延时闭合的动合触点。图1-10时间继电器图形符号1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.2常用的继电器五、电磁型信号继电器信号继电器的作用是在保护动作时，发出灯光和音响信号，并对保护装置的动作情况有记忆作用，以便记录保护装置动作情况、分析电力系统故障性质及保护动作的正确性。信号继电器文字符号为KS，其图形符号如图1-12所示。图1-11信号继电器图形符号信号继电器的记忆作用是由机械掉牌、磁保持或手动复归完成的，当运行人员记录保护动作情况后手动将信号继电器复位。1.3电磁式继电保护的基础元件1.3.2常用的继电器五、电磁型信号继电器信号继电器的作用是在保护动作时，发出灯光和音响信号，并对保护装置的动作情况有记忆作用，以便记录保护装置动作情况、分析电力系统故障性质及保护动作的正确性。信号继电器文字符号为KS，其图形符号如图1-12所示。图1-11信号继电器图形符号信号继电器的记忆作用是由机械掉牌、磁保持或手动复归完成的，当运行人员记录保护动作情况后手动将信号继电器复位。在此简单介绍实用短路电流计算法，在高压网络中常用标幺制表示法，标幺制是一种相对单位制，电参数的标幺值为其有名值与基准值之比，比如：1.4继电保护的理论知识掌握电力系统短路电流计算的方法是继电保护必备理论知识。短路电流计算方法有两种：一种方法见GB/T