輸電線路繼電保護課件

1、 4 電網(wǎng)的電流、電壓、阻抗及方向 保護4、1 單側(cè)電源輻射網(wǎng)絡(luò)相間短路的電流保護 輸電線路階段式電流保護主要有電流速斷、限時電流速斷和定時過流等，視網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)不同，可有三段式，兩段式或一段式等配置。 傳統(tǒng)電流保護由電流繼電器、時間繼電器、中間繼電器和信號繼電器等構(gòu)成。微機保護則由一單片機（或DSP)為核心的微機系統(tǒng)完成。 機電式電流繼電器集檢測、比較判斷等功能于一身。其動作特性常以返回系數(shù)表征。 返回系數(shù)=返回值/動作值 電流繼電器返回系數(shù)橫小于1。1電流速斷保護 僅反映電流增加而瞬時動作的電路保護被稱作電流速斷保護。圖4-1 電流速斷保護動作特性的分析 對電流速斷保護而言，能使該保護裝置起動

2、的最小電流值稱為保護裝置的起動電流，以 表示。 短路電流可由下式求得式中 系統(tǒng)等效電源的相電勢； Zk 短路點至保護安裝處之間的阻抗； Zs 保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗。 對保護1而言有:（4-1） 在最大運行方式下變電所C母線上三相短路時的電流是 ，因此動作電流 引入可靠系數(shù) ，則上式即可寫為 對保護2來講，按照同樣的原則，其起動電流應(yīng)整定得大于B母線短路時的最大短路電流， ，即（4-2）（4-3）（4-4） 在系統(tǒng)最小運行方式下的兩相短路時，電流速斷的保護范圍為最小。一般情況下，應(yīng)按這種運行方式和故障類型來校驗其保護范圍。保護2的最小保護范圍是： 式中Z1為線路單位長度(1km)正

3、序阻抗， 為相電勢。 電流速斷保護的主要優(yōu)點是簡單可靠，動作迅速，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。它的缺點是不可能保護線路的全長，并且保護范圍直接受系統(tǒng)運行方式變化的影響大。 圖4-2 系統(tǒng)運行方式變化對電流速斷保護的影響 圖4-3 被保護線路長短不同時，對電流速斷保護的影響(a)長線路； (b)短線路 當(dāng)系統(tǒng)運行方式變化很大而電流速斷的保護范圍很小或失去保護范圍時，可考慮用電流、電壓相等范圍保護，用以在不增加時延情況下，增加保護范圍和提高靈敏度。 所謂等范圍保護是指電流元件和電壓元件的起動值均按系統(tǒng)在經(jīng)常運行方式下有較大的保護范圍確定(一般按經(jīng)常運行方式的保護區(qū)為線路全長的75%考慮，即 )。因此，等

4、范圍保護（又稱電流電壓聯(lián)鎖保護）動作值為： 式中： 系統(tǒng)等效電源相電勢 保護安裝處至等效電源之間的阻抗 被保護線路每公里正序阻抗 經(jīng)常運行方式下的保護范圍。 2限時電流速斷保護 由于它能以較小的時限快速切除全線路范圍以內(nèi)的故障，因此，稱之為限時電流速斷保護。 (1) 工作原理和整定計算的基本原則圖4-4 用于線路-變壓器組的電流速斷保護 圖4-5 限時電流速斷動作特性的分析(4-5) 對 ，考慮到短路電流中的非周期分量已經(jīng)衰減，故可選取得比速斷保護的 小一些，一 般取為1.11.2。 (2) 動作時限的選擇(4-6)確定 的原則 (4-7) (3) 保護裝置靈敏性的校驗 (4-8)圖4-6 限

5、時電流速斷動作時限的配合關(guān)系(a) 和下一條線路的速斷保護相配合；(b) 和下一條線路的限時速斷保護相配合。 (4-9) 為了保證在線路末端短路時，保護裝置一定能夠動作，對限時電流速斷保護應(yīng)要求 。 當(dāng)校驗靈敏系數(shù)不能滿足要求時，通常都是考慮進一步延伸限時電流速斷的保護范圍，使之與下一條線路的限時電流速斷相配合，這樣其動作時限就應(yīng)該選擇得比下一條線路限時速斷的時限再高一個 ，一般取為11.2s，按照這個原則整定的時限特性如圖4-6(b)所示，此時 (4-10) 3定時限過電流保護 其動作時限與短路電流的大小無關(guān)，因此稱為定時限過電流保護。 (1) 工作原理和整定計算的基本原則圖4-7 選擇過電

6、流保護起動電流和動作時間的網(wǎng)絡(luò)圖 (4-12)式中 可靠系數(shù)，一般采用1.151.25； 自起動系數(shù)，數(shù)值大于1； 電流繼電器的返回系數(shù)，一般采用0.85。 (2) 按選擇性的要求整定過電流保護的動作時限圖4-8 單側(cè)電源放射形網(wǎng)絡(luò)中過電流保護動作時限選擇說明 缺點：當(dāng)故障越靠近電源端時，短路電流越大，此時過電流保護動作切除故障的時限反而越長。 此外，處于電網(wǎng)終端附近的保護裝置，過電流保護的動作時限并不長，可以作為主保護兼后備保護，而無需再裝設(shè)電流速斷或限時電流速斷保護。(3) 過電流保護靈敏系數(shù)的校驗 要求 ；當(dāng)作為相鄰線路的后備保護時， 。 此外，在各個過電流保護之間，還必須要求靈敏系數(shù)相

7、互配合，即對同一故障點而言，要求越靠近故障點的保護應(yīng)具有越高的靈敏系數(shù)。 (4-13)110KV142356ABC30KM20KMT=1sP=50MW已知對保護1的第三段電流保護進行整定計算。4、2 單側(cè)電源輻射網(wǎng)絡(luò)相間短路的距離保護 1阻抗繼電器（4-14)圖4-9 用復(fù)數(shù)平面分析阻抗繼電器的特性 (a)網(wǎng)絡(luò)接線；(b)被保護線路的測量阻抗及動作特性 (1) 構(gòu)成阻抗繼電器的基本原則 繼電器的動作阻抗應(yīng)該選擇為 (4-16) (2) 利用復(fù)數(shù)平面分析全阻抗繼電器特性 幅值比較方式 （4-17)上式兩端乘以電流 ，因 ，變成為(4-18)圖4-10 全阻抗繼電器的動作特性(a)幅值比較式； (

8、b)相位比較式 (2) 相位比較方式全阻抗繼電器的動作特性 當(dāng)測量阻抗ZK位于圓周上時，向量(ZK+Zset)超前于(ZKZset)的角度=90，而當(dāng)ZK位于圓內(nèi)時，90；ZK位于圓外時，90。 (4-19) 式中 對應(yīng)于ZK超前于Zset時的情況，此時為負值，如圖4-13所示。 圖4-11測量阻抗在圓內(nèi) 圖4-12 測量阻抗在圓外 圖4-13 ZK超前于Zset的向量關(guān)系 圖9-20 距離保護的作用原理(a) 網(wǎng)絡(luò)接線；(b) 時限特性距離一段 （4-27） （4-28）距離二段 （4-29）靈敏系數(shù) （4-30） 距離三段： (4-33） 可靠系數(shù)、自起動系數(shù)和返回系數(shù)均為大于等于1的數(shù)值

9、。 正常運行時的最小負荷阻抗， 動作時限應(yīng)比距離段保護范圍內(nèi)其他各保護的最大動作時限高出一個 。 (2) 距離保護的主要組成元件 在一般情況下，距離保護裝置由以下元件組成，其邏輯關(guān)系如圖4-21所示。圖4-21 三段式距離保護的組成元件和邏輯框圖 4.3 雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路保護 在線路兩側(cè)都裝上階段式電流保護(因為兩側(cè)均有電源)，則誤動的保護都是在自己保護線路的反方向發(fā)生故障時，由對側(cè)電源供給的短路電流所致。圖4-22 方向繼電器工作原理的分析 (a)網(wǎng)絡(luò)接線；(b)短路點1向量圖；(c)短路點2向量圖 雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路方向保護就是在單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間保護的基礎(chǔ)上增加方向元件以保證其選擇性

10、的保護。1功率方向繼電器的工作原理及相間功率方向繼電器接線方式 （1）原理 用以判別功率方向或測定電流、電壓間相位角的繼電器稱為功率方向繼電器 。 (2) 接線方式 零度接線 對A相的功率方向繼電器，加入電壓 和電流 ，則當(dāng)正方向短路時 （4-34） 反方向短路時， （4-35） 輸出為最大時的相位差稱為繼電器的最大靈敏角 。此時 =0度。 繼電器動作角度 的范圍通常取為其動作方程可表示為 或 （4-36） 圖4-23 0接線時的動作特性( ) 圖4-24 90接線時的動作特性（ ）90接線 為了減小和消除死區(qū)，在實際上廣泛采用非故障的相間電壓作參考量去判別電流的相位。如對的方向繼電器加入電流

11、 和電壓 。繼電器的最大靈敏角應(yīng)設(shè)計為 ，動作方程為： （4-37）式中 稱為功率方向繼電器的內(nèi)角。 用內(nèi)角表示的動作方程： （4-39)用功率表示： (4-30) 綜合三相和各種兩相短路的分析可以得出，當(dāng) 時，方向繼電器在一切相間故障情況下都能動作的條件應(yīng)為 (4-41) 90接線方式的主要優(yōu)點是：第一，對各種兩相短路都沒有死區(qū)，第二，適當(dāng)?shù)剡x擇繼電器的內(nèi)角后，對線路上發(fā)生的各種故障，都能保證動作的方向性。2雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中電流保護整定的特點 (1) 電流速斷保護 為了同是滿足選擇性和靈敏性的最佳配合，必須在單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)電流速斷的基礎(chǔ)上增加功率方向元件。 (2) 限時電流速斷保護 . 助增電流

12、的影響。 圖4-26 有助增電流時，限時電流速斷保護的整定 故障線路中的短路電流 將大于 ，這種使故障線路電流增大的現(xiàn)象，稱為助增。 由于 但考慮助增后 因此引入分支系數(shù)，其定義為: 此例為： 動作定值： （4-47） 外汲電流的影響。 圖4-27 有外汲電流時電流速斷保的整定 使故障線路中電流減小的現(xiàn)象稱外汲。此時分支系數(shù) 。 當(dāng)變電所B母線上既有電源又有并聯(lián)的線路時 （4-48） 3方向阻抗繼電器和偏移特性阻抗繼電器 方向距離保護的核心是方向阻抗繼電器，或帶偏移特性的阻抗繼電器。 (1) 方向阻抗繼電器 圖4-28 繼電器的動作特性 a) 幅值比較式的分析； (b) 相位比較式的分析 方向

13、阻抗繼電器的特性是以整定阻抗為直徑經(jīng)坐標(biāo)原點的一個圓(即坐標(biāo)原點在圓周上) 當(dāng) 等于 的阻抗角時，繼電器的起動阻抗達到最大，阻抗繼電器的保護范圍最大，工作最靈敏，這個角度稱為繼電器的最大靈敏角 。 應(yīng)該調(diào)整繼電器的最大靈敏角使 ，以便繼電器工作在最靈敏的條件下。 當(dāng)反方向發(fā)生短路時，測量阻抗位于第三象限，繼電器不能動作，因此它本身就具有方向性，故稱之為方向阻抗繼電器。 幅值比較式繼電器的起動的條件： (4-49) 相位比較式繼電器的起動的條件： 將 與 乘以電流 ，即可得到比較相位的兩個電壓： 極化電壓 補償電壓(2) 偏移特性的阻抗繼電器偏移特性阻抗繼電器的特性是當(dāng)正方向的整定阻抗為 ，同時

14、向反方向偏移一個 ，式中圖4-29 具有偏移特性的阻抗繼電器(a) 幅值比較式的分析； (b) 相位比較式的分析 圓的直徑為 圓心的坐標(biāo) 圓的半徑為 。 幅值比較式.繼電器的起動條件為 (4-52) 相位比較式繼電器起動的條件也是比較其相位的兩個電為壓 (4-55) 4、多邊形阻抗繼電器 阻抗繼電器的非圓形特性有三條直線,四條直線及多條直線曲線圍成的多邊形特性。 5雙測電源網(wǎng)絡(luò)距離保護的特點 (1) 整定計算原則 距離保護第段的整定 考慮采用方向阻抗元件，一般按躲開下一條線路出口處短路的原則來確定，按(4-27)式和(4-28)式計算，在一般線路上，可靠系數(shù)取0.8。 距離保護第段的整定圖4-

15、32 整定阻抗的網(wǎng)絡(luò)接線 考慮用方向阻抗元件與分支系數(shù)。1) 與相鄰線路距離保護第段相配合，參照(4-29)式的原則并考慮分支系數(shù)的影響. (4-59)2) 躲開線路末端變電所變壓器低壓側(cè)出口處(圖4-32中k點)短路時的阻抗值。 ， （4-61） 定值取 (4-59),和(4-61)兩式中數(shù)值較小的一個。 時限應(yīng)與相鄰線路的段相配合，一般取為0.5s。 3) 校驗距離段在本線路末端短路的靈敏系數(shù)按(4-31)式計算。時限整定與單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)距離段相同 距離保護第段的整定 定值按(4-32)式、(4-33)式整定計算。時限整定原則與單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)段距離保護相同。但考慮方向阻抗元件與全阻抗元件的區(qū)別

16、，應(yīng)將動作特性歸算到最大靈敏角方向的值。 靈敏度校驗： 一般要求動作時限整定： 一般應(yīng)比保護范圍內(nèi)其他保護動作時限的最大者高出 。 距離保護可以在多電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中保證動作的選擇性 ，并有較高的靈敏度。距離段的保護范圍不受系統(tǒng)運行方式變化影響（其他兩段也較小），保護范圍比較穩(wěn)定。例題：如圖所示各線均裝距離保護，對保護I的距離段進行整定計算。 解：比較、取其最小者 4.4 中性點直接接地電網(wǎng)中接地短路保護 零序分量的參數(shù)具有如下特點 ： 零序電流可以看成是在故障點出現(xiàn)一個零序電壓而產(chǎn)生的，它必須經(jīng)過變壓器接地的中性點構(gòu)成回路。對零序電流的參考方向，仍然采用母線流向故障點為正，零序電壓的方向，仍是

17、線路高于大地的電壓為正 。 故障點的零序電壓最高。零序電流的分布主要決定于電線路和中性點接地變壓器的零序阻抗，而與電源的數(shù)目和位置無關(guān)。 零序功率方向?qū)嶋H上都是由線路流向母線的。 運行方式變化時，如果中性點接地的變壓器數(shù)目不變，則零序阻抗就不變。 圖4-34 接地短路時的零序 等效網(wǎng)絡(luò) (a) 系統(tǒng)接線；(b) 零序網(wǎng)絡(luò)；(c) 零序電壓的分布；(d) 忽略電阻時的向量圖； (e) 計及電阻時的向量圖(設(shè)) 3零序電流速斷(零序段)保護 零序電流速斷保護的整定原則。 躲開下一條線路出口處單相或兩相接地短路時可能出現(xiàn)的最大零序電流，引入可靠系數(shù)(一般取為1.21.3)，即為 (4-67) 不靈敏

18、段：目的是為了在單相重合閘過程中，其它兩相又發(fā)生接地故障時，用以彌補失去靈敏段的缺陷，盡快切除故障。其整定原則是：躲開在非全相運行狀態(tài)下發(fā)生系統(tǒng)振蕩時，所出現(xiàn)的最大零序電流。兩個段在非全相和全相運行之間互相切換。4零序電流限時速斷(零序段)保護 （4-69） 零序段的靈敏系數(shù)，應(yīng)按照本線路末端接地短路時的最小零序電流來校驗，并應(yīng)滿足的要求。 5零序過電流(零序段) 保護一般作為后備保護使用，但在中性點直接接地電網(wǎng)中的終端線路上也可以作為主保護使用。 圖4-39 有分支電路時，零序段 動作特性的分析 (a) 網(wǎng)絡(luò)接線圖；(b) 零序等效網(wǎng)絡(luò)； (c) 零序電流變化曲 同時還必須要求各保護之間在靈

19、敏系數(shù)上要互相配合即 (4-71)靈敏系數(shù)：當(dāng)作為相鄰元件的后備保護時，應(yīng)按照相鄰元件末端接地短路時，流過本保護的最小零序電流(應(yīng)考慮 圖4-40 零序過電流保護的時限特性 分支電流的影響)來校驗。6方向性零序電流保護 由于零序電流的實際流向是由故障點流向各個中性點接地的變壓器，因此在變壓器接地數(shù)目比較多的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，就需要考慮零序電流保護動作的方向性問題。 接線方式： 零序功率方向繼電器接于零序電壓 和零序電流 之上。 圖9-41 零序方向保護工作原理的分析 (a)網(wǎng)絡(luò)接線；(b) 點短路的零序網(wǎng)絡(luò)；(c) 點短路的零序網(wǎng) 內(nèi)部故障時按規(guī)定正方向， 超前于 為95110 (對應(yīng)于保護安裝地點

20、背后的零序阻抗角為8570)，繼電器最靈敏。 根據(jù)零序分量的特點，零序功率方向繼電器應(yīng)采用最大靈敏角為： 7對零序電流保護的評價 總的故障切除時間更短 ，受系統(tǒng)運行方式變化的影響要小 ，零序段的保護范圍較大，也較穩(wěn)定，零序段的靈敏系數(shù)也易于滿足要求。 不受系統(tǒng)振蕩的影響。 對于短線路或運行方式變化很大的情況，保護往往不能滿足系統(tǒng)運行所提出的要求； 在重合閘動作的過程中將出現(xiàn)非全相運行狀態(tài)，再考慮系統(tǒng)兩側(cè)的電機發(fā)生搖擺，則可能出現(xiàn)較大的零序電流，因而影響零序電流保護的正確工作。 當(dāng)采用自耦變壓器聯(lián)系兩個不同電壓等級的網(wǎng)絡(luò)時整定配合復(fù)雜化，并將增大第段保護的動作時限。8、接地距離保護及其接線 在中

21、性點直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)零序電流不能滿足要求時，一般考慮采用接地距離保護。 如果仍按相間距離的接線方式，且用相電量即： 看在此接線方式下對接地距離是否可行? 采用 和 的接線方式時，則繼電器的測量阻抗為 阻抗繼電器加入如下的電壓和電流 (4-76) 式中 。一般可近似為零序阻抗角和正序阻抗角相等，因而K是一個實數(shù)，這 時： （4-77） 接地距離保護必須采用三個阻抗繼電器，其接線分別為： ， ； ， ； ， 。第五節(jié) 中性點非直接接地電網(wǎng)單相接地保護 一、中性點不接地電網(wǎng)中單相接地故障的特點 圖4-43 簡單網(wǎng)絡(luò)接線示意圖 圖4-44 A相接地時的向量圖 圖4-45 單相接地時，用三相系統(tǒng)表示的

22、電容電流分布圖 圖4-46 單相接地時的零序等效網(wǎng)絡(luò)(對應(yīng)圖4-45)及向量圖(a) 等效網(wǎng)絡(luò)；(b) 向量圖結(jié)論： (1) 在發(fā)生單相接地時，全系統(tǒng)都將出現(xiàn)零序電壓。 (2) 在非故障的元件上有零序電流，其數(shù)值等于本身的對地電容電流，電容性無功功率的實際方向為由母線流向線路。 (3) 在故障線路上，零序電流為全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流之總和，數(shù)值一般較大，電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線。二、中性點經(jīng)消弧線圈接地電網(wǎng)中的單相接地 故障的特點圖4-47 消弧線圈接地電網(wǎng)中，單相接地時的電流分布(a) 用三相系統(tǒng)表示； (b) 零序等效網(wǎng)絡(luò) (1) 完全補償 此時 正是電感L和三相對地

23、電容對50Hz交流串聯(lián)諧振的條件。(2) 欠補償 當(dāng)系統(tǒng)運行方式變化時，很可能又出現(xiàn)和兩個電流相等的情況，而又引起諧振過電壓。(3)過補償 補償后的殘余電流是電感性的。采用這種方法不可能發(fā)生串聯(lián)諧振的過電壓問題，因此，在實際中獲得了廣泛的應(yīng)用。 補償度 一般選度 ，而不大于10%。 結(jié)論：(1) 當(dāng)采用完全補償方式時，流經(jīng)故障線路和非故障 線路的零序電流都是本身的電容電流，電容性無功功率的實際方向都是由母線流向線路，因此，在這種情況下，利用穩(wěn)態(tài)零序電流的大小和功率方向都無法判斷出哪一條線路上發(fā)生了故障。(2) 當(dāng)采用過補償方式時，流經(jīng)故障線路的零序電流將大于本身的電容電流，而電容性無功功率的實際方向仍然是由母線流向線路，和非故障線路的方向一樣，因此，在這種情況下，首先就無法利用功率方向的差別來判別故障線路，其次由于過補償度不大，因此，也很難象中性點不接地電網(wǎng)那樣，利用零序電流大小的不同來找出故障線路。三、中性點不接地電網(wǎng)中單相接地的保護 圖4-49 網(wǎng)絡(luò)單相接地的信號裝置原理接線圖 1絕緣監(jiān)視裝置 2零序電流保護 利用故障線路零序電流較非故障線路為大的特點來實現(xiàn)有選擇性地發(fā)出信號或動作于跳閘。 3零序功率方向保護 利用故障線路與非故障線路零序功率方向不同的特點來實現(xiàn)有選擇性的保護，動作于信號或跳閘。這種方式適用于零序電流保護不能