繼電保護原理基礎(chǔ)-線路保護

1、繼電保護原理基礎(chǔ)繼電保護原理線路保護用電變輸電發(fā)電電一次設(shè)備：包括發(fā)電機、變壓器、斷路器、母線、輸電線路、電動機等。二次設(shè)備：對一次設(shè)備的運行狀態(tài)進行監(jiān)視、測量、控制和保護的設(shè)備。根據(jù)電力系統(tǒng)在不同運行條件下的系統(tǒng)與設(shè)備的工作狀況，電力系統(tǒng)的運行狀態(tài)分為正常工作狀態(tài)、不正常工作狀態(tài)和故障狀態(tài)。1.正常工作狀態(tài)電力系統(tǒng)正常運行的約束條件等式約束條件： PLj PS = 0 PGi= 0QGi QLj QS發(fā)電機或其他電源設(shè)備發(fā)出的有功和無功功率1.正常工作狀態(tài)電力系統(tǒng)正常運行的約束條件等式約束條件： PLj PS = 0 PGi= 0QGi QLj QS負(fù)荷使用的有功功率和無功功率1.正常工作狀

2、態(tài)電力系統(tǒng)正常運行的約束條件等式約束條件： PLj PS = 0 PGi= 0QGi QLj QS電力系統(tǒng)中各種有功功率和無功功率損耗1.正常工作狀態(tài)電力系統(tǒng)正常運行的約束條件不等式約束條件：k . maxkS S用電設(shè)備的功率及其上限；母線電壓及其上、下限；線路電流及其上限；Ui.min Ui Ui.maxI ijj I ijj . maxf min f f max 系統(tǒng)頻率及其上、下限；2 不正常工作狀態(tài)及其危害所有的等式約束條件均滿足，部分的不等式約束條件不滿足但又不是故障的工作狀態(tài)稱為不正常運行狀態(tài)。常見的不正常狀態(tài)及其危害：過負(fù)荷：因負(fù)荷超過電氣設(shè)備的額定值造成 的電流增大；危害：造

3、成載流導(dǎo)體的熔斷或加速絕緣材料的老化和損壞從而導(dǎo)致故障；頻率降低：系統(tǒng)中出現(xiàn)有功功率缺額而引起；危害：1）影響產(chǎn)品質(zhì)量；2）降到4748HZ以下會引起頻率崩潰；3）使電壓下降可能引發(fā)電壓崩潰。2 不正常工作狀態(tài)及其危害所有的等式約束條件均滿足，部分的不等式約束條件不滿足但又不是故障的工作狀態(tài)稱為不正常運行狀態(tài)。常見的不正常狀態(tài)及其危害：過電壓：發(fā)電機突然甩負(fù)荷而產(chǎn)生；危害：造成絕緣擊穿導(dǎo)致短路。系統(tǒng)振蕩：因系統(tǒng)受到擾動而失去功率平衡。危害：系統(tǒng)振蕩時，電流和電壓周期性擺動，嚴(yán)重影響系統(tǒng)的正常運行；3.故障狀態(tài)和故障類型(2)ab(2)ca(1)a(2,0)ab(2,0)caabc(2)bcab

4、c(1)b(1)cabc(2,0)bc兩相短路Phase -to-phase單相接地短路Phase -to-ground兩相接地短路Phase -to-phase-tto-groundd常見的十種短路類型aabcbc一相斷開 兩相斷開縱向不對稱故障（斷線）復(fù)雜故障：在電力系統(tǒng)的不同地點（兩處或兩處以上）同時發(fā)生不對稱故障的情況最常見且最危險的故障是各種類型的短路短路的后果數(shù)值很大的短路電流通過短路點將燃起電弧，使故障設(shè)備損壞；短路電流通過故障設(shè)備和非故障設(shè)備時，產(chǎn)生熱和電動力的作用，致使其絕緣遭到損壞或使設(shè)備縮短使用壽命；電力系統(tǒng)中大部分地區(qū)的電壓下降，使大量電能用戶的正常工作遭到破壞或產(chǎn)生廢

5、品；破壞電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩，甚至造成整個電力系統(tǒng)瓦解。繼電保護的概念及作用一、繼電保護的概念是繼電保護技術(shù)與繼電保護裝置的總稱。繼電保護技術(shù)包括電力系統(tǒng)故障分析、繼電保護原理及設(shè)計、配置整定、運行維護及調(diào)試等技術(shù)。繼電保護裝置能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。繼電保護的概念及作用二、繼電保護的作用自動、迅速、有選擇性的將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞，保證無故障部分迅速恢復(fù)正常運行。反應(yīng)電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護條件，而動作于發(fā)出信號或跳閘。繼電保護的基本原理、構(gòu)成和分類1繼電保

6、護的基本原理基本原則：找出正常運行與故障時系統(tǒng)中電氣量或非電氣量的變化特征1電流增大電壓降低繼電保護的基本原理過電流保護低電壓保護電流電壓間的相位角會發(fā)生變化 20正常運行時： arg方向保護UI線路正方向三相短路： 60 85argUI1繼電保護的基本原理測量阻抗發(fā)生變化阻抗保護UIZ =正常運行時：負(fù)荷阻抗短路時：短路阻抗測量阻抗變小1繼電保護的基本原理電流差動保護元件流入電流與流出的關(guān)系發(fā)生變化正常運行時：流入電流流出電流內(nèi)部故障時：流入電流流出電流正常：I = 0短路：I = Id1繼電保護的基本原理序分量保護出現(xiàn)負(fù)序和零序分量正常運行時：只有正序分量發(fā)生不對稱故障時：有負(fù)序、零序分量

7、出現(xiàn)兩相短路時有負(fù)序分量出現(xiàn)接地短路時有零序分量出現(xiàn)2繼電保護的分類按被保護的對象分類輸電線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護、母線保護、電動機保護等。按保護原理分類：電流保護、電壓保護、距離保護、差動保護、方向保護、零序保護等。2繼電保護的分類按保護所反應(yīng)故障類型分類相間短路保護、接地短路保護、匝間短路保護、斷線保護、失步保護、失磁保護及過勵磁保護等繼電保護測量值與整定值的關(guān)系分類：過量保護：（測量值整定值）欠量保護：（測量值整定值）2繼電保護的分類按保護所起的作用分類：主保護、后備保護、輔助保護等。主保護：反映被保護元件本身的故障，并以盡可能短的時限切除故障的保護；2繼電保護的分類按保護所起的

8、作用分類：主保護、后備保護、輔助保護等。后備保護：主保護或斷路器拒動時用來切除故障的保護。又分為近后備保護和遠(yuǎn)后備保護。2繼電保護的分類按保護所起的作用分類：主保護、后備保護、輔助保護等。近后備保護：在本元件處裝設(shè)兩套保護，當(dāng)主保護拒動時，由本元件的另一套保護動作；遠(yuǎn)后備保護：當(dāng)主保護或斷路器拒動時，由上一級相鄰電力設(shè)備或線路的保護來實現(xiàn)的后備保護。2繼電保護的分類按保護所起的作用分類：主保護、后備保護、輔助保護等。輔助保護：為補充主保護和后備保護的性能或當(dāng)主保護和后備保護退出運行而增設(shè)的簡單保護。電力系統(tǒng)繼電保護的工作配合發(fā)電機保護區(qū) 變壓器保護區(qū) 高壓母線II保護區(qū)線路保護區(qū)低壓母線保護區(qū)

9、高壓母線I保護區(qū)高壓母線保護區(qū)對電力系統(tǒng)繼電保護的基本要求選擇性、速動性、靈敏性、可靠性選擇性選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置僅將故障元件切除，而使非故障元件仍能正常運行，以盡量縮小停電范圍。例：當(dāng)k1點短路時，保護1、2動跳1QF、2QF有選擇性選擇性選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置僅將故障元件切除，而使非故障元件仍能正常運行，以盡量縮小停電范圍。12AB例：34568C 7Dk2當(dāng)k2點短路時，保護5、6動跳5QF、6QF有選擇性選擇性選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置僅將故障元件切除，而使非故障元件仍能正常運行，以盡量縮小停電范圍。例：k3當(dāng)k3點短路時，保護7、8動跳7

10、QF、8QF有選擇性選擇性選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置僅將故障元件切除，而使非故障元件仍能正常運行，以盡量縮小停電范圍。例：k3當(dāng)k3點短路時，若保護7拒動或7QF拒動，保有選擇性護5動（遠(yuǎn)后備）跳5QF選擇性選擇性是指電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，保護裝置僅將故障元件切除，而使非故障元件仍能正常運行，以盡量縮小停電范圍。例：停電k3當(dāng)k3點短路時，若保護7正確動作和7DL跳閘，保護5動跳5DL，則越級跳閘（非選擇性）選擇性小結(jié)：選擇性就是故障點在區(qū)內(nèi)就動作，區(qū)外就不動作。當(dāng)主保護未動作時，由近后備或遠(yuǎn)后備切除故障，使停電面積最小。速動性速動性是指盡可能快地切除故障。其主要原因如下： 提高系統(tǒng)

11、暫態(tài)穩(wěn)定性； 減少用戶在低電壓下運行的時間； 降低設(shè)備的損壞程度； 避免故障進一步擴大。速動性故障切除時間：t = tPR + tQFtPR保護動作時間；一般為0.060.12s，最快0.010.04s。斷路器動作時間；tQF最快0一般為0為0.060.15s， 快0.020.06s。靈敏性靈敏性是指在規(guī)定的保護范圍內(nèi)，對故障情況的反應(yīng)能力。滿足靈敏性要求的保護裝置應(yīng)在區(qū)內(nèi)故障時，不論短路點的位置與短路的類型如何，都能靈敏地正確地反應(yīng)出來。靈敏性靈敏性用靈敏系數(shù)來衡量，并表示為Ksen。對反應(yīng)于數(shù)值上升而動作的過量保護（如過電流保護）K sen =保護區(qū)內(nèi)金屬性短路時故障參數(shù)的最小計算值保護的

12、動作參數(shù)I k .minI set靈敏性靈敏性用靈敏系數(shù)來衡量，并表示為Ksen。對反應(yīng)于數(shù)值下降而動作的欠量保護（如低電壓保護）K sen =保護的動作參數(shù)保護區(qū)內(nèi)金屬性短路時故障參數(shù)的最大計算值U setU k .max可靠性可靠性是對繼電保護性能的最根本要求。包括安全性和信賴性。安全性：在不該動作時，可靠不動作，即不發(fā)生誤動作。信賴性：當(dāng)發(fā)生了屬于它該動作的故障時，可靠動作，即不發(fā)生拒動；上述四個基本要求是分析研究繼電保護性能的基礎(chǔ)。在它們之間既有矛盾的一面，又有在一定條件下統(tǒng)一的一面。例如強調(diào)快速性時，有時會影響可靠性、選擇性和靈敏性，強調(diào)選擇性時又會影響快速性和靈敏性。繼電保護的科學(xué)

13、研究、設(shè)計、制造和運行的絕大部分工作是圍繞著如何處理好這四個基本要求之間的辨證統(tǒng)一關(guān)系而進行的。5070192727192020191010190808190101方繼電保護的發(fā)展過電流差動向電流距離高頻微波行波保護保護保護保護保護保護保護微機化網(wǎng)絡(luò)化智能化年年年 年 年年 年保護、控制、測量、通信一體化裝置發(fā)展年代年代60年代50年代70年代80年代90年代整流型晶體管型集成電路型 微機型機電型(電磁型、感應(yīng)型）線路電流保護三段式電流保護的配置與整定主保護三第段：電流速斷保護第段：限時電流速斷保護段式第III段：定時限過電流保護后備保護（一）瞬時電流速斷保護1.動作電流2.動作時間3.靈敏度

14、校驗= K I式中： Krel =1.2 1.3Iset.11、動作電流的整定原則躲本線路末端短路時的最大短路電流整定；k2k1QF1QF2QF3IkI12Irel k.B.maxIset.1IIlIk.B.max2 I set.12、最小保護范圍校驗k2k1QF1QF2QF3(% =3 E?IIk ZS.max )1Z ABlminl12alminb要求（1520%）IlmaxlIset.1Ik.B.max（一）瞬時電流速斷保護優(yōu)點：動作速度快，接線簡單；缺點：不能保護線路全長，保護范圍受運行方式的影響。= K II set.1Krel = 1.1 1.2I set.1I set.2（二）限

15、時電流速斷保護1.動作電流的整定整定原則：整定值與相鄰線路第段保護配合QF1QF2QF3IIset.1II Irel set.2IIk式中：IIIIIIlt 1t 2（二）限時電流速斷保護2.動作時限的選擇+ t=IIIt 通常取為0.5sIset.1（二）限時電流速斷保護3.靈敏度校驗按系統(tǒng)最小運行方式下，本線路末端發(fā)生兩相短路時的短路電流進行校驗Ik.B.minIIKsesen =要求1.31.5（三）過電流保護過電流保護是指其起動電流按躲最大負(fù)荷電流來整定的保護。它是三段式電流保護的第 段。該保護不僅能保護本線路全長，且能保護相鄰線路的全長?？勺鳛楸揪€路主保護的近后備保護以及相鄰下一線路

16、保護的遠(yuǎn)后備保護。也作為過負(fù)荷時的保護。動作電流： IK K ss I L.max1. 動作電流的整定整定原則:按流過該線路的最大負(fù)荷電流整定；IIIrelK reI reK re=IIIset2.動作時限的選擇ttt 5IIItt 3IIIt 4IIIt 2IIIttlIIIrelK1. 動作電流的整定整定原則:按流過該線路的最大負(fù)荷電流整定；動作電流：L.maxI setIIIK ss IK reI reK re=2.動作時限的選擇ttt 5IIItt 3IIIt 4IIIt 2IIIttlIsetI set3.靈敏性的校驗（1）作為近后備時采用最小運行方式下本線路末端兩相短路時的電流來校

17、驗；（2）作為遠(yuǎn)后備時采用最小運行方式下相鄰線路末端兩相短路時的電流來校驗； 11.33Ik.B.minIIIK sen= 11.22I k.C.minIIIK sen=三段式電流保護的功能邏輯框圖階段式電流保護的配合及應(yīng)用IIIIIIIIIIIIII或 IIIIII或 IIIIII方向性電流保護1.問題的提出及解決辦法I k1 BI k1 A對電流速斷保護護:Iset2Ik1 A Ik1點短路時 若 I時,護2保護 誤動；1.問題的提出及解決辦法Ik1AIk1B對過電流保護:k1點短路時要求 t 2 t 3 才能保證選擇性1.問題的提出及解決辦法Ik1A對過電流保護:Ik1B矛盾才能保證選擇

18、性k1點短路時要求 t 2 t 3k2點短路時要求t3 t2 才能保證選擇性1.問題的提出及解決辦法規(guī)定：短路功率的正方向為從母線流向線路S + S S + S S +S +誤動I k2 AI k2 B結(jié)論：誤動的保護其短路電流的方向總是為反方向。1.問題的提出及解決辦法解決方法：加裝方向元件，規(guī)定S為正方向時保護動作；而S為反方向時保護不動作?？梢岳霉β史较蚶^電器來判別方向。1.問題的提出及解決辦法+= ?k1 90U N0 arg2. 功率方向繼電器1）工作原理:流過保護的電流I rI k 1U N短路電流I r = I k 1?k 1o正方向故障：oI rP = UNIrcos?k1

19、0= 180o + ?k2 270oUN180 arg2. 功率方向繼電器1）工作原理:2I rI k 2I k 2U N?k 2180o + ?k2反方向故障：oIrP = U N I r cos(180 o + ? k2 ) I保護1可不加方向遠(yuǎn)件(二)限時電流速斷保護的整定計算仍然是與下一級保護的第一段配合，但需考慮保護安裝點與短路點之間有分支電路的影響。I ABI BIBCI BC助增電源 助增電流 外汲電流(二)限時電流速斷保護的整定計算I ABIBCI B引入分支系數(shù)=故障線路流過的短路電 流被保護線路流過的短路 電流K b =當(dāng)僅有助增時IBCI AB Kb 1 IBC IAB(

20、二)限時電流速斷保護的整定計算I ABIBCI BC引入分支系數(shù)IBCI AB=故障線路流過的短路電 流被保護線路流過的短路 電流Kb =當(dāng)僅有外汲時 Kb 1 IBC 3I 0( 2,0 )3I (01) X1 當(dāng) X0 X1 Z 2 Z 0 Z 2 + Z 0 三、多段式零序電流保護（一）零序電流速斷（零序I段）保護（2）躲斷路器三相觸頭不同時合閘而出現(xiàn)的最大三倍零序電流 3I0unbI3I 0.unb的計算：兩相先合：3 I 0.unbEM ENZ1 + 2Z 0 = 3 Z 2 Z 2 + Z 0 = 3 EM ENZ1 +一相先合：3I 0.unb = 3 EMEN2Z1 + Z 0

21、 取兩者較大者三、多段式零序電流保護（一）零序電流速斷（零序I段）保護整定值應(yīng)選?。?）和（2）中較大者。原則（2）所得定值一般較大，保護范圍縮小，靈敏度降低，此時可考慮使段帶一小的延時（0.1s）躲開不同時合閘時間。靈敏性： 要求最小保護范圍（15%20%）l三、多段式零序電流保護（一）零序電流速斷（零序I段）保護（3）當(dāng)線路采用單相自動重合閘時，按能躲開在非全相運行狀態(tài)下又發(fā)生系統(tǒng)振蕩時所出現(xiàn)的最大零序電流整定；按（3）整定值較高，保護范圍縮?。辉O(shè)置兩個零序I段保護：1、按（1）或（2）整定，定值小，保護范圍大，為靈敏I段。主要對全相運行狀態(tài)下的接地故障起保護作用；2、按（3）整定，為不靈

22、敏I段，用于在單相重合閘過程中其他兩相又發(fā)生接地故障的保護。I II0set1 = K rel I I0set2 /K 0b.mint = t + t三、多段式零序電流保護（二）零序電流限時速斷（零序II段）保護與相鄰線路零序電流段配合。I 0 ABIIIII 0 BC(K rel = 1.1 1.2)3I 0.minI II0setII I01 02靈敏性校驗： K sen =（要求1.5）若不滿足要求：與相鄰線段配合或改為接地距離保護。IIII = KrelIunb.max(K rel = 1.1 1.2)三、多段式零序電流保護（三）零序過電流（零序III段）保護躲線路末端三相短路時流過保

23、護裝置的最大不平衡電流Iunb.maxIII0setIII(3)I unb.max = K np K st K wc I k.max其中Kk.max- 非周期分量系數(shù)，同時 時，取、不相同時取電流時取1I(3)stnpwc -同電型流互感器型的號10%t誤時=差0s，過取0.1的最大2；t =10.5 s線路末端三相短相路 流 0.5 1.5保護 短路靈敏性校驗：3I 0 mini11.作為近后備時：應(yīng)按被保護線路末端接地短路時，流過保護的最小三倍零序電流來校驗，要求K sen 1.5III3I 0B.minI 01setK sen=2.作為遠(yuǎn)后備時：應(yīng)按相鄰線路末端接地短路時，流過保護的最小

24、三倍零序電流來校驗，要求 K sen 1.2IIIK sen3I 0C.minI 01sett4動作時間：按階梯時限原則來選擇tt5t2t3t05lt1t04t03零序過電流保護的時限特性在同一線路上的零序過電流保護與相間短路的過電流保護相比，將具有較小的時限，這是零序過電流保護的一大優(yōu)點。四、方向性零序電流保護1. 零序功率方向繼電器的接線3U0 110YHI r = 3I 0?sen = 70LH3I 0 3U 0Ur = 3U 0Ir = 3I0 , Ur = 3U0五、對零序電流保護的評價1.零序過電流保護的靈敏度高2.受系統(tǒng)運行方式的影響要小3.不受系統(tǒng)振蕩和過負(fù)荷的影響4.方向性零

25、序電流保護出口短路時沒有電壓死區(qū)5.簡單、可靠線路距離保護一、距離保護的作用原理I kZkA?LjXZ k? kUeI LUkIk= ZL= Zk正常： Zm =短路： Zm =ZLR發(fā)三、距離保護的主要組成元件1、起動元件（I 2 + 3I 0 ）判斷系統(tǒng)是否生故障；2、測量元件阻抗繼電器；3、時間元件時間繼電器；4、振蕩閉鎖回路故障時短時開放距離保護I、II段，振蕩時立即閉鎖I、II段；5、斷線閉鎖元件電壓互感器二次斷線時閉鎖距離保護；6、出口執(zhí)行元件；四、阻抗繼電器的測量阻抗I1I mU1U m一次阻抗與繼電器測量阻抗之間的關(guān)系U1n TAn TVU1 n TAI1 n TVn TVI1

26、U mIm= Z1=Zm =n TA阻抗繼電器的動作特性1、全阻抗繼電器CZ setRjXBZm全阻抗特性圓：以保護安裝點(坐標(biāo)原點)為圓心，Zset為半徑的圓,圓內(nèi)為動作區(qū)；反方向故障時會誤動，沒有方向性；A2、方向阻抗繼電器jXCZset方向阻抗特性圓：過坐標(biāo)原點，以Z set 為直徑的圓,圓內(nèi)為動作區(qū)；RB反方向故障時不會誤動，本身具有方向性； ZmAZm (1 )Zset (1+ )ZsetZm (1 )Zsetr = (1 + )Zset3、偏移阻抗繼電器jX比幅式動作方程：ZsetC1 12 21212(1 )Z setZmBR ZsetA124、多邊形特性繼電器接線方式123U

27、mI mU mI mU mI m0接線U ABI A I BU BCI B I CUCAI C I A+30接線U ABI AU BCI BU CAI C-30接線UAB IBU BC I CU CA I A具有零序電流補償?shù)?接線U AI A + K 3I 0U BI B + K 3I 0U CI C + K 3I 0阻抗繼電器的接線方式結(jié) 論（1）0接線方式可以正確反應(yīng)三相短路、兩相短路、兩相接地短路，不能正確反應(yīng)單相接地短路。（2）帶零序電流補償?shù)慕泳€方式，可以正確反應(yīng)單相接地短路、兩相接地短路和三相短路時。不能正確反應(yīng)兩相短路。距離保護的整定計算1. 距離保護I段按躲過線路末端短路整定

28、。IrelIset1Z Z AB= K其中KIrel= 0.8 0.85Z= K (ZAB + Kb.minZ2. 距離保護II段(1)定值計算： 與相鄰線路的距離I段配合)II Irel set2IIset1其中KIIrel= 0.8= K (ZAB + K b.min ZT )2. 距離保護II段 按躲過線路末端變電所變壓器低壓母線短路整定ZIIrelIIset1其中 KIIrel= 0.7 0.75取上述兩項中數(shù)值小者作為保護的定值。s50ttt .=+= 50ttt sB .=+=(2)動作時間：II I1 2II1Z(3)靈敏性校驗：按本線路末端短路校驗靈敏性IIset1ZAB 1.25Ksen =若靈敏度不滿足要求，則與相鄰線路距離保護II段配合。ZsetZKrel Kss KreZsetZL.min=ZKrel Kss Krecos(?k ?L )Zset3. 距離保護III段(1)定值計算：按躲過最小負(fù)荷阻抗整定jX對全阻抗繼電器III1IIIIIIIIIset1ZL.min=Z L.min?kIII?L R對方向阻抗繼電器IIIset1 III3. 距離保護III段(2)動作時間：t+ t= tIII2III1ZZ3. 距離保護III段（3）靈敏性校驗 近后備K sen=1.5IIIset1Z AB 遠(yuǎn)后備 Ksen