6--供电系统继电保护

1、第6章 供配电系统继电保护原理,6 继电保护与自动装置,6.1 继电保护基础 6.2 电网相间短路电流电压保护 6.3 小接地电流系统的单相接地保护 6.4 电力变压器保护 6.5 高压电动机保护 6.6 备用电源自动投入装置,6.1 继电保护基础,6.1.1 电力系统继电保护的任务和作用 6.1.2 继电保护的基本原理和组成 6.1.3 继电器的分类 6.1.4 对继电保护的基本要求 6.1.5 继电保护发展简史,1 短路故障对系统的危害： 电力系统在运行中可能发生各种故障和不正 常运行状态，最常见同时也是最危险的故障 是各种类型的短路。发生短路时可能产生以 下后果： (1) 数值较大的短路

2、电流通过故障点时，产生电弧，使故障设备损坏或烧毁。,6.1.1 电力系统继电保护的任务和作用,(2) 短路电流通过非故障元件时，使电气设备的 载流部分和绝缘材料的温度超过散热条件的允许 值而不断升高，造成载流导体熔断或加速绝缘老 化和损坏，从而可能发展成为故障； (3) 电力系统中部分地区的电压大大下降，破坏 用户工作的稳定性或影响产品的质量。 (4) 破坏电力系统中各发电厂并列运行的稳定 性，引起系统振荡，从而使事故扩大，甚至导致 整个系统瓦解。,2 电力系统运行状态 正常运行，指电压、电流、频率（转速）在规定的范围内，各个一次电气设备能够正常工作而不损坏的运行状态 不正常运行，指电力系统中

3、电气设备的正常工作遭到破坏但未出现故障的状态，比如像过负荷、过电压、频率降低、系统震荡等。 故障，各种短路（d(3)、 d(2) 、d(1) 、d(1-1)和断线（单相、两相），其中最常见且最危险的是各种类型的短路。,3 继电保护基本任务： 继电保护装置就是指能反应电力系统中电气 元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路 器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任 务： 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力 系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保 证其他无故障部分迅速恢复正常运行。,(2) 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运 行维护的条件而动作于信号，以便及时采取措施 减轻故障危害

4、。此时一般不要求保护迅速动作。 (3) 继电保护装置还可以与电力系统中的其他自 动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施， 缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电 力系统运行的可靠性。,由此可见，继电保护在电力系统中的主要 作用是通过预防事故或缩小事故范围来提 高系统运行的可靠性，最大限度地保证向 用户安全连续供电。因此，继电保护是电 力系统的重要组成部分，是保证电力系统 安全可靠运行的必不可少的技术措施之 一。,6.1.2 继电保护的基本原理和组成,1 基本原理： 为区分系统正常运行状态与故障或不正常运行 状态 找差别：电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征,2 构成 它主要由测量、逻

5、辑和执行三部分组成，,测量回路的作用是测量与被保护电气设备或线路工作状态有关的物理量的变化，如电流、电压等的变化，以确定电力系统是否发生了短路故障或出现不正常运行情况；逻辑回路的作用是当电力系统发生故障时，根据测量回路的输出信号，进行逻辑判断，以确定保护是否应该动作，并向执行元件发出相应的信号；执行回路的作用是执行逻辑回路的判断，发出切除故障的跳闸脉冲或指示不正常运行情况的信号。,线路过电流保护装置单相原理接线图,1 继电器基本概念 继电器是根据某种输入信号来实现自动切换电路的 自动控制电器。“类似于开关”。 继电器的基本原理：当输入信号达到某一定值或 由某一定值突跳到零时，继电器就动作，使被

6、控制 电路通断。它的功能是反应输入信号的变化以实现 自动控制和保护。 继电器定义：能自动地使被控制量发生跳跃变化的 控制元件称为继电器。,6.1.3 继电器：,2 分类 按输入信号的性质可分为电气继电器(如电流继电器、电压继电器、功率继电器、阻抗继电器等)和非电气继电器(如温度继电器、压力继电器、速度继电器、瓦斯继电器等)两类； 按工作原理可分为电磁式、感应式、电动式、电子式(如晶体管型)、整流式、数字式等； 按用途可分为控制继电器(用于自动控制电路中)和保护继电器(用于继电保护电路中)。 保护继电器按其在继电保护装置中的功能，可分为主继电器(如电流继电器、电压继器、阻抗继电器等)和辅助继电器

7、(如时间继电器、信号继电器、中间继电器等)。,3. 继电器的继电特性,4. 继电器的返回系数 继电器的返回系数是指返回电流与动作电流的比值，即,Kre是一个重要的参数，在实际应用中要求继电器有较高的返回系数。,6.1.4 对继电保护的基本要求：,对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满 足四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性、 可靠性。 即保护四性。 选择性： 选择性是指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。,当k1点发生短路故障时，应由故障线路上的保护1 和2 动作，将故障线路切除，这时变电所B则仍可由另一条非故障线路继续供电。 在要求

8、保护动作有选择性的同时，还必须考虑保护或断路器有拒动的可能性，因而就需要考虑后备保护的问题。,速动性： 快速切除故障。 提高系统稳定性； 减少用户在低电压下的工作时间； 减少故障元件的损坏程度 ，避免故障进一步扩大。 t故障切除时间； tbh-保护动作时间； tDL-断路器动作时间 一般的快速保护动作时间为0.060.12s，最快的 可达0.010.04s。 一般的断路器的动作时间为0.060.15s，最快的 可达0.020.06s。,灵敏性 指在规定的保护范围内，对故障情况的反应能力。 满足灵敏性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 正确地反应出来提高

9、系统稳定性； 要求：不但在系统最大运行方式下三相短路时能可 靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过 渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作 通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Klm。,可靠性： 指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（拒动）；而在不该动作时， 他能可靠不动，即不发生错误动作（简称误动）。影响可靠性有内在的和外在的因素： 内在的：装置本身的质量，包括元件好坏、 结构设计的合理性、制造工艺水平、内外 接线简明，触点多少等； 外在的：运行维护水平、调试是否正确、 正确安装,上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的 基础，也是贯穿本章的一个基本线索。在它

10、 们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统 一的一面。,最早的继电保护是熔断器 19世纪末期出现了电磁型过电流继电器 1901年出现了感应型过电流继电器 1908年出现了电流差动保护原理 20世纪20年代出现了距离保护 1927年出现了高频方向保护 1950年前后出现了微波保护 20世纪50年代出现了行波保护的思想，70年代末期出现了装置 之后原理上的创新甚少！,6.1.5 继电保护发展简史,从20世纪50年代出现晶体管，开始出现晶体管保护 从20世纪70年代末期到80年代初期，出现集成电路保护 从20世纪60年代提出微机保护，80年代前后出现装置 从上世纪末期，出现基于微机的保护、控制、测量

11、、数据通信于一体的综合自动化系统 结构型式： 机电型 电子型 微机型,(电磁型、感应型、电动型),（晶体管、 集成电路）,6.2 电网相间短路电流、电压保护原理,电力系统短路故障特征之一：故障相线路电流突然增大，同时故障点电压降低。 继电保护配置方案：电流保护、低压保护 适用范围：小电流接地系统,4.2.1 电流速断保护（电流段） 1、保护动作原理与整定计算： 定义：对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。 对速断保护的期望和要求 速动性好 保护本线路全长（灵敏性：全线速动，最理想效果）； 下条线路出口短路时保护不动作（选择性：基本要求，必须满足）,单侧电源辐射形电网电流速断

12、保护工作原理图,如图所示的单侧电源辐射形电网，为切除故障线路，需在每条线路的电源侧装设断路器和相应的保护装置，即无时限电流速断保护分别装设在线路L1、L2的电源侧(也称为线路的首端)。,注 意： 期望无法同时得到满足，存在一个矛盾 解决方法：优先保证选择性。即：下一条线路出口短路时不启动，又称按躲开下一条线路出口短路电流的条件整定, 电流速断保护整定计算,当线路上任一点发生三相短路时，通过被保护元件(即线路)的电流为,式中 ES系统等效电源的相电势，也可以是母线上的电压； ZS保护安装处到系统等效电源之间的阻抗，即系统阻抗； Z1线路单位长度的正序阻抗，单位为/ km ； Lk短路点至保护安装

13、处之间的距离。,最大运行方式：当系统阻抗最小时，流经被保护元件短路电流最大的运行方式称为最大运行方式。 如图 曲线1表示系统在最大运行方式下短路点沿线路移动时三相短路电流的变化曲线。 在最大运行方式下，发生三相短路时通过被保护元件的电流最大，即最大短路电流为：,最小运行方式: 短路时系统阻抗最大，流经被保护元件短路电流最小的运行方式称为最小运行方式。 如图：曲线2表示系统在最小运行方式下短路点沿线路移动时最小短路电流的变化曲线 在最小运行方式下，发生两相短路时通过被保护元件的电流最小，即最小短路电流为：,为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定，即最大运行方式下三相短

14、路条件下（短路情况最严重）,同理：,2 灵敏性校验 什么是灵敏性？ 为什么要考虑灵敏性？,电流速断保护的灵敏系数通常用保护范围来衡量，保护范围越长，表明保护越灵敏。 保护范围通常用线路全长的百分数表示，一般要求最大保护范围50%，最小保护范围15%。,3 保护接线,4 速断保护评价 仅靠动作电流值来保证其选择性 动作迅速，故称速断保护（速动性） 接线简单可靠（可靠性） 不能保护线路全长，并且保护范围受系统运行方式变化的影响（灵敏性）,6.2.2 限时电流速断保护（电流段）： 1 定义：由于电流速断保护不能保护本线路全长，为了切除本线路速断保护范围外的故障，并作为作为速断保护的后备，需增加一段新

15、的保护，因该保护动作带有延时，故称限时电流速断保护。 2 对速断保护的期望和要求 任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性； 在满足上述要求的前提下，力求动作时限最小。,3 限时电流速断保护整定计算 为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第段的保护范围,动作时限高出下一条线路段保护t。即整定值与相邻线路第段配合。（为什么？）,动作电流整定,假设保护 2 装有电流速断保护，其动作电流整定为,保护1 限时电流速断保护的动作电流应整定为,动作时限的整定,灵敏性校验,为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护在系统最小运行方式下线路末端发生两相短路时，应具有足够的灵敏性，一

16、般用灵敏系数来校验，即规程规定,4 原理接线图,5 限时电流速断保护评价 限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长 依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性 与第段共同构成被保护线路的主保护，兼作第段的后备保护。 能够保护线路全长，并且保护范围受系统运行方式变化的影响。,6.2.3 定时限过电流速断保护（电流段）： 原理：是指动作电流按照躲开最大负荷电流来整定的保护装置。当电网发生短路时，则能反应于电流的增大而动作。由于短路电流一般比最大负荷电流大得多，所以保护的灵敏性较高，不仅能保护本线路的全长，作本线路的近后备保护，而且还能保护相邻线路全长，作相邻线路的远后备保护。,定时限过电流速断保护整

17、定计算 对定时限过电流速断保护的期望和要求 保护本线路全长，作为本线路主保护的近后备 保护相邻线路全长，作为下一线路主保护的远后备。 动作电流整定 满足两个条件: 过电流保护的动作电流应大于该线路上可能出现且通过保护装置的最大负荷电流 ； 在外部故障切除后电压恢复时负荷自启动电流作用下保护装置必须能够可靠返回，即返回电流应大于负荷自启动电流。,对于QF1处过电流保护，有：,返回电流,动作电流,动作时限的整定,灵敏性校验 过电流保护的灵敏系数校验类似于限时电流速断保护，即,4 定时限过电流保护评价 第段的IdZ比第、段的IdZ小得多，其灵敏度比第、段更高； 保护范围是本线路和相邻下一线路全长；

18、电网末端第段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不设电流速断保护；越接近电源，t越长，应设三段式保护。,6.2.4 三段式电流保护装置 1. 阶段式电流保护的构成与配合 为保证迅速、可靠而有选择性地切除故障，可将电流速断保护（电流段）限时电流速断保护（电流段）定时限过电流速断保护（电流段），根据需要组合在一起构成一整套保护，称为三段式电流保护。 具体应用时，可以采用电流速断保护加定时限过电流保护，或限时电流速断保护加定时限过电流保护，也可以三者同时采用。,阶段式电流保护的配合说明图,2 三段式电流保护的评价 对继电保护的评价，主要是从选择性、速动性、 灵敏性和可

19、靠性四个方面出发，看其是否满足电 力系统安全运行的要求，是否符合有关规程的规 定。 1) 选择性 在单测电源辐射网中，有较好的选择性，但在多电源或 单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。 2) 速动性 电流速断保护以保护固有动作时限动作于跳闸；限时电 流速断保护动作时限一般在0.5s 以内，因而动作迅速是 这两种保护的优点。过电流保护动作时限较长，特别是 靠近电源侧的保护动作时限可能长达几秒，这是过电流 保护的主要缺点。,3) 灵敏性 受系统运行方式影响大、灵敏性差是三段式电流保护的主要缺点。 例：第段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围； 第段：长线路重负荷（If增大，Id减小

20、），灵敏性不满足要求。 4) 可靠性 由于三段式电流保护中继电器简单，数量少，接线、调试和整定计算都较简便，不易出错，因此可靠性较高。,5)应用范围： 35KV及以下的单电源辐射状网络中；第 段：110KV等，辅助保护,6.4 变压器保护,6.4.1 概述 6.4.2 变压器瓦斯保护 6.4.3 变压器电流速断保护 6.4.4 变压器纵联差动保护 6.4.5 变压器相间短路的后备保护,6.4.1 概述,变压器的故障： 油箱内部故障： 各相绕组之间的相间短路 单相绕组部分线匝之间的匝间短路 单相绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障 引出线的相间短路,油箱外部故障： 引出线的相间短路 绝缘套管闪

21、络或破坏造成引出线通过外壳发生的单相接地短路,2 变压器不正常工作状态：,外部短路或过负荷引起的过电流 油箱漏油造成油面降低 变压器中性点电压升高 外加电压过高或频率降低引起过励磁等,3 应装设的继电保护装置,（1） 瓦斯保护 防御变压器油箱内各种短路故障和油面降低 重瓦斯 跳闸 轻瓦斯 信号 对800kVA 及以上油浸式变压器和 400kVA 及以上车间内油浸式变压器，均 应装设瓦斯保护。,3 应装设的继电保护装置,（2）纵差保护或电流速断保护： 防御变压器绕组和引出线的多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路 对6.3MVA 及以上并列运行的变压器和10MVA 单

22、独运行的变压器以及6.3MVA以上厂用变压器应装设纵差保护。,6.4.1 概述,对10MVA 以下厂用备用变压器和单独运行的变压器，当后备保护时间大于0.5s时，应装设电流速断保护。 对2MVA及以上用电流速断保护灵敏性不符合要求的变压器，应装设纵差保护。,(3)外部相间短路时的保护 反应变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和纵差保护(或电流速断保护)后备的过电流保护、低电压启动的过电流保护、复合电压启动的过电流保护。 过电流保护宜用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流。 复合电压启动的过电流保护，宜用于升压变压器、系统联络变压器和过电流保护不满足灵敏性要求的降压变压

23、器。,（4）零序电流保护：防御大接地电流系统中变压器外部接地短路 （5） 过负荷保护：防御变压器对称过负荷 （6） 过励磁保护：防御变压器过励磁,6.4.2 变压器瓦斯保护,1 定义： 当变压器内部故障时，由于故障点电流和电弧的作用，使得变压器油及其他绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因气体比较轻，因而从油箱流向油枕的上部。当故障严重时，油会迅速膨胀并产生大量气体，此时将有大量的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。利用变压器内部故障时的这一特点构成的保护装置称为瓦斯保护。,2 瓦斯保护动作原理,气体继电器安装示意图 1瓦斯继电器；2油枕；3变压器顶盖；4连接管,4.4.1 概述,开口杯挡板式气体继电

24、器结构图 1下开口杯 2上开口杯 3干簧触点 4平衡锤 5放气阀 6探针 7支架 8挡板 9进油挡板 10永久磁铁,“电力负荷”在不同的场合可以有不同的含义，它可以指用电设备或用电单位，也可以指用电设备或用电单位的功率或电流的大小。,3 瓦斯保护接线,4 瓦斯保护评价,如果变压器内部发生严重漏油或匝数很少的匝间短路、铁芯局部烧损、线圈断线、绝缘劣化和油面下降等故障时，往往纵差保护等其他保护均不能动作，而瓦斯保护却能够动作。因此，瓦斯保护是变压器内部故障最有效的一种主保护； 瓦斯保护能反应油箱内各种故障，且动作迅速、灵敏性高、接线简单； 不能反应油箱外的引出线和套管上的故障。故不能作为变压器唯一

25、的主保护，须与纵差保护配合共同作为变压器的主保护。,瓦斯保护不能保护变压器外部故障，故对于较小容量变压器，可在变压器电源侧加装电流速断保护，作为变压器电源侧主保护。并用过流保护作为变压器内部故障的后备保护,6.4.3 变压器电流速断保护,接线原理图,变压器纵差保护主要是用来反应变压器绕组、引出 线及套管上的各种短路故障，是变压器的主保护。,6.4.4 变压器的纵差保护,正常运行或外部故障时，差动继电器中的电流等于两侧电流互感器的二次电流之差，欲使这种情况下流过继电器的电流基本为零，则应恰当选择两侧电流互感器的变比。,1 保护原理和不平衡电流,若上述条件满足，则当正常运行或外部故障时，流入差动继

26、电器的电流为：,当变压器内部故障时，流入差动继电器的电流为,但是，在实际运行过程中，不论正常运行还是外部故障，差动继电器内都有某些电流流入，称之为不平衡电流。 下面分析不平衡电流产生原因及克服方法： 1) 电流互感器的影响 电流互感器计算变比与实际变比不同 变压器各侧电流互感器型号不同,2)变压器的励磁涌流 变压器纵差保护继电器的正确选型、设计和 整定，都与变压器励磁电流有关。变压器的励磁 电流是只流入变压器接通电源一侧绕组的，对纵 差保护回路来说，励磁电流的存在就相当于变压 器内部故障时的短路电流。因此，它必然给纵差 保护的正确工作带来影响 产生励磁涌流的原因主要是变压器铁芯的严重饱和使励磁

27、阻抗大幅度降低。,励磁涌流的大小和衰减速度与合闸瞬间电压的相位、剩磁的大小、电源和变压器的容量等有关。,3) 变压器各侧电流相位不同引起的不平衡电流,2 纵差保护的整定计算,1) 纵差保护动作电流的整定原则 躲过电流互感器二次回路断线时引起的差动电流 变压器某侧电流互感器二次回路断线时，另一侧电流互感器的二次电流全部流入差动继电器中，此时引起保护误动动作电流必须大于正常运行情况下变压器的最大负荷电流，即,当负荷电流不能确定时，可采用变压器的额定电流，可靠系数一般取1.3。,躲过保护范围外部短路时的最大不平衡电流,躲过变压器的最大励磁涌流,按上面三个条件计算纵差保护的动作电流，选取最大值作为保护的整定值。 所有电流都是折算到电流互感器的二次值。,2) 纵差保护动灵敏系数的校验 灵敏系数按下式校验,为各种运行方式下变压