第二章電氣二次系統(tǒng)概述

主講人：胡靜Email：hujing0909@163.com2013.07電力系統(tǒng)

繼電保護(hù)原理第二章電氣二次系統(tǒng)概述一、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、二次回路二、對(duì)繼電保護(hù)的基本要求三、保護(hù)裝置的基本構(gòu)成四、繼電保護(hù)的發(fā)展簡史五、繼電保護(hù)學(xué)習(xí)的特點(diǎn)一、繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、二次回路

電力系統(tǒng)的三種狀態(tài)：故障、異常狀態(tài)、正常狀態(tài)

（1）故障狀態(tài)：發(fā)生短路故障，各種型式的相間、接地短路故障。.短路故障產(chǎn)生的后果：

電流：Id增大電壓：Ud降低電流電壓間的相位角：發(fā)生變化1、繼電保護(hù)故障的對(duì)策：一旦故障發(fā)生，必須迅速而準(zhǔn)確地切除故障設(shè)備，保證電力系統(tǒng)的安全。切除故障的時(shí)間要求小到十分之幾甚至百分之幾秒。（2）異常運(yùn)行狀態(tài)：電力系統(tǒng)設(shè)備的電流過大、電壓過高等不正常狀態(tài)。異常運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生的后果：電力設(shè)備的電流過大會(huì)使設(shè)備載流部分和絕緣材料的溫度不斷升高，加速絕緣的老化和損壞，可能發(fā)展成故障。異常運(yùn)行狀態(tài)產(chǎn)生的對(duì)策：一旦電力系統(tǒng)設(shè)備發(fā)生不正常運(yùn)行狀態(tài)，應(yīng)該發(fā)出告警信號(hào)、減負(fù)荷或跳閘。

（3）正常狀態(tài)：電力系統(tǒng)的電壓、頻率正常。不需采取措施。

電力系統(tǒng)中的發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路、母線以及用電設(shè)備，一旦發(fā)生故障，迅速而有選擇性地切除故障設(shè)備，既能保護(hù)電力設(shè)備免遭損壞，又能提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，是保證電力系統(tǒng)及其設(shè)備安全運(yùn)行最有效的方法之一。切除故障的時(shí)間通常要求小到幾十毫秒到幾百毫秒，實(shí)踐證明，只有裝設(shè)在每個(gè)電力元件上的繼電保護(hù)裝置，才能完成這個(gè)任務(wù)。繼電保護(hù)裝置（RelayProtection），就是指能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，并動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)的一種自動(dòng)裝置。繼電保護(hù)裝置除了在故障和不正常運(yùn)行的很短時(shí)間內(nèi)動(dòng)作外，長期是不動(dòng)作的，被喻為電力系統(tǒng)的“無聲警衛(wèi)”。繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)中的地位電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的作用

QF表示斷路器，它的作用是接收跳閘命令后，迅速切斷短路電流。

當(dāng)線路L1上發(fā)生短路故障時(shí)，繼電保護(hù)迅速反應(yīng)這個(gè)短路故障，發(fā)出跳閘命令給斷路器QF1，斷路器QF1接收了命令后，打開觸頭，切斷短路電流。

由于要求切除故障的速度要很快，只能通過自動(dòng)的繼電保護(hù)裝置來完成。

繼電保護(hù)裝置的基本任務(wù)

(1)自動(dòng)、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到損壞，保證其它無故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。

即故障時(shí)發(fā)出跳閘命令。(2)反應(yīng)電氣元件的不正常運(yùn)行狀態(tài)，根據(jù)運(yùn)行維護(hù)的具體條件（如有無經(jīng)常值班人員）和設(shè)備的承受能力，發(fā)出警報(bào)信號(hào)、減負(fù)荷或延時(shí)跳閘。即不正常工作時(shí)發(fā)出告警信號(hào)。2、自動(dòng)裝置

分為自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置和自動(dòng)操動(dòng)裝置。（1）自動(dòng)調(diào)節(jié)裝置為了保證電能質(zhì)量、消除系統(tǒng)異常運(yùn)行狀態(tài)等對(duì)某些電量實(shí)施自動(dòng)的調(diào)節(jié)。如：同步發(fā)電機(jī)勵(lì)磁自動(dòng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)、電力系統(tǒng)頻率自動(dòng)調(diào)節(jié)等。（2）自動(dòng)操作裝置為了提高電力系統(tǒng)的供電可靠性、自動(dòng)化程度和保證安全運(yùn)行。如：備用電源自動(dòng)投入裝置、線路自動(dòng)重合閘裝置、低頻減載裝置等。3、二次回路

電力系統(tǒng)分為一次系統(tǒng)和二次系統(tǒng)。電力設(shè)備分為一次設(shè)備和二次設(shè)備一次設(shè)備：對(duì)電能直接進(jìn)行生產(chǎn)、傳輸和分配電能的設(shè)備，如發(fā)電機(jī)、變壓器、斷路器、母線、輸電線路等。二次設(shè)備：對(duì)一次設(shè)備進(jìn)行監(jiān)視、控制、測量和保護(hù)的設(shè)備，如繼電保護(hù)裝置、操作用的直流電源等。（1）一次系統(tǒng)由一次設(shè)備及相互的連接電路組成。（2）二次系統(tǒng)也稱二次回路，由二次設(shè)備及相互的連接線路組成。主要包括繼電保護(hù)、自動(dòng)裝置、測量儀表、控制、信號(hào)和操作電源等子系統(tǒng)。二、對(duì)繼電保護(hù)的基本要求1、選擇性2、速動(dòng)性3、靈敏性4、可靠性1、選擇性

保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，僅將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使停電范圍盡量縮小。即跳開離故障位置最近的斷路器。短路點(diǎn)主保護(hù)后備K1跳1、2/K2跳5跳1、3K3跳6跳5主保護(hù):反映元件嚴(yán)重故障，快速動(dòng)作于跳閘的保護(hù)后備保護(hù)：主保護(hù)不動(dòng)作時(shí)備用的保護(hù)，由相鄰設(shè)備的保護(hù)來完成。

為了保證可靠性，選擇性包含2種意思：（1）正常情況下只應(yīng)由裝在故障元件上的保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障；（2）當(dāng)電氣設(shè)備的主保護(hù)不能切除故障時(shí)，力爭相鄰設(shè)備的保護(hù)裝置對(duì)它起到后備保護(hù)的作用。短路點(diǎn)主保護(hù)遠(yuǎn)后備近后備K2跳5跳1、3跳2、4K3跳6跳5/遠(yuǎn)后備保護(hù)：位于其它變電站、發(fā)電廠中的后備保護(hù)；近后備保護(hù)：位于本變電站、發(fā)電廠中的的后備保護(hù)；2、速動(dòng)性（迅速性）定義：繼電保護(hù)裝置要以盡可能短的時(shí)間將故障從電網(wǎng)中切除。

優(yōu)點(diǎn)：（1）提高電網(wǎng)的穩(wěn)定性；（2）加快非故障部分的恢復(fù)供電；（3）減輕故障設(shè)備的損壞程度。故障切除時(shí)間＝保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)間＋斷路器動(dòng)作時(shí)間保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間為：微機(jī)保護(hù)最快：0.01～0.04秒，即0.5～2個(gè)周期就動(dòng)作；電磁式保護(hù)：0.06～0.12秒，即3～6個(gè)周期就動(dòng)作斷路器的動(dòng)作時(shí)間為：最快：0.02～0.06秒，即1～3個(gè)周期斷開電流；一般：0.06～0.15秒，即3～7個(gè)周期斷開電流3、靈敏性

指對(duì)于其保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)的反應(yīng)能力。要求：任何運(yùn)行方式下，被保護(hù)設(shè)備范圍內(nèi)發(fā)生故障，不論短路點(diǎn)的位置、類型、是否有過渡電阻，保護(hù)都能靈敏感覺，正確動(dòng)作。

保護(hù)的靈敏度通常用靈敏系數(shù)來衡量。

靈敏系數(shù)：常見不利運(yùn)行方式和不利故障類型下通入裝置的故障量和整定動(dòng)作值之比。反應(yīng)數(shù)值上升的保護(hù)：反應(yīng)數(shù)值下降的保護(hù)：

都要求大于1上下級(jí)保護(hù)的靈敏性問題：上一級(jí)保護(hù)的靈敏度應(yīng)高于下一級(jí)保護(hù)的靈敏度：下一級(jí)保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)應(yīng)高于上一級(jí)保護(hù)的動(dòng)作延時(shí)：目的：防止上一級(jí)保護(hù)誤動(dòng)作，保證選擇性的條件之一。4、可靠性定義：當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)部故障時(shí)必須動(dòng)作（不拒動(dòng)），當(dāng)外部故障時(shí)不動(dòng)作（不誤動(dòng)）。包括兩個(gè)方面：（1）不拒動(dòng)，即可信賴性（2）不誤動(dòng)，即安全性影響可靠性的因素：內(nèi)在：裝置本身的質(zhì)量，包括元件好壞、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、制造工藝水平、內(nèi)外接線簡明，觸點(diǎn)多少等；外在：運(yùn)行維護(hù)水平、調(diào)試是否正確、正確安裝需要根據(jù)電力系統(tǒng)和負(fù)荷的具體情況，對(duì)可靠性的兩個(gè)方面（不拒動(dòng)、不誤動(dòng)）的性能要求適當(dāng)?shù)赜枰詤f(xié)調(diào)。

在系統(tǒng)有充足的旋轉(zhuǎn)備用容量、各元件之間聯(lián)系十分緊密的情況下，應(yīng)著重強(qiáng)調(diào)不拒動(dòng)的可靠性；反之，則應(yīng)強(qiáng)調(diào)不誤動(dòng)的可靠性。

對(duì)于傳送大功率的輸電線路保護(hù)，一般宜于強(qiáng)調(diào)不誤動(dòng)；而對(duì)于其它線路保護(hù)，則往往強(qiáng)調(diào)不拒動(dòng)。對(duì)于大型發(fā)電機(jī)組的繼電保護(hù)，無論拒動(dòng)或誤動(dòng)跳閘，都會(huì)引起巨大的經(jīng)濟(jì)損失，可信賴性和安全性同樣重要，因此可采用三中取二的雙重化方案或雙倍的二中取一雙重化方案。

可靠性“四性”之間的關(guān)系：矛盾、統(tǒng)一經(jīng)濟(jì)性考慮：

選擇并配置繼電保護(hù)裝置時(shí)，應(yīng)考慮經(jīng)濟(jì)條件，按被保護(hù)元件在電力系統(tǒng)中的地位和作用來確定保護(hù)方式。對(duì)于重要的系統(tǒng)元件，如果選用簡單價(jià)廉的保護(hù)裝置，由于技術(shù)性能不佳，出現(xiàn)拒動(dòng)或誤動(dòng)所帶來的損失是驚人的。而對(duì)較為次要的數(shù)量很多的電氣元件，則不應(yīng)裝設(shè)過于復(fù)雜昂貴的保護(hù)裝置。需要根據(jù)電力系統(tǒng)和負(fù)荷的具體情況，對(duì)這4個(gè)方面的要求適當(dāng)?shù)赜枰詤f(xié)調(diào)。

三、保護(hù)裝置的基本構(gòu)成

繼電保護(hù)的原理：正確區(qū)分正常運(yùn)行和故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)，當(dāng)確認(rèn)被保護(hù)設(shè)備發(fā)生內(nèi)部故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，發(fā)出跳閘命令或告警信號(hào)。

繼電保護(hù)的基本原理的核心：區(qū)分正常運(yùn)行和故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)。如何區(qū)分正常運(yùn)行和故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)？正常運(yùn)行狀態(tài)：電流：負(fù)荷電流，電源側(cè)負(fù)荷電流大；電壓：±5％內(nèi)，靠近電源側(cè)的母線電壓較高；測量阻抗：負(fù)荷阻抗，阻抗模值很大。短路故障狀態(tài)：電流：Id劇增

過電流保護(hù)電壓：Ud降低

低電壓保護(hù)測量阻抗：阻抗模值減小

距離保護(hù)

基本原理的總結(jié)

電流

I

：故障時(shí)增大-

過電流保護(hù)

正常狀態(tài)時(shí)

兩側(cè)電流相位相反

內(nèi)部故障時(shí)

兩側(cè)電流相位相同

－差動(dòng)保護(hù)

電壓U

：故障時(shí)降低

－低電壓保護(hù)

阻抗Z

：Z模值減小

－阻抗（距離）保護(hù)

非電氣量：溫度升高

－

瓦斯保護(hù)2.繼電保護(hù)裝置的基本構(gòu)成測量部分：測量有關(guān)電氣量,與整定值比較,給出“是”、“非”、“大于”、“不大于”、“等于”、“0”、“1”性質(zhì)的一組邏輯信號(hào),判斷保護(hù)是否應(yīng)該啟動(dòng)。邏輯部分：根據(jù)測量部分各輸出量的大小、性質(zhì)、出現(xiàn)的順序或它們的邏輯組合，確定是否應(yīng)該使斷路器跳閘或發(fā)出報(bào)警信號(hào)，并將有關(guān)命令傳達(dá)給執(zhí)行部分。執(zhí)行部分：根據(jù)邏輯部分的結(jié)果，立即或延時(shí)發(fā)出報(bào)警信號(hào)和跳閘信號(hào)（故障、不正常運(yùn)行時(shí)）。繼電保護(hù)的接線簡圖

繼電保護(hù)與一次側(cè)電力系統(tǒng)設(shè)備之間的聯(lián)接簡圖。

繼電保護(hù)就是通過二次側(cè)弱電系統(tǒng)來控制（如跳開、閉合）一次側(cè)強(qiáng)電系統(tǒng)設(shè)備。四、繼電保護(hù)的發(fā)展簡史

1、繼電保護(hù)硬件發(fā)展晶體管型電磁型感應(yīng)型電動(dòng)型集成電路型第一代靜態(tài)保護(hù)第二代靜態(tài)保護(hù)電磁型機(jī)電型晶體管型保護(hù)集成電路型保護(hù)第三代靜態(tài)保護(hù)1901年發(fā)明70年代80年代后微機(jī)保護(hù)1960年發(fā)明1970年發(fā)明1972年發(fā)明90后大量應(yīng)用

電磁型：體積大，消耗功率大，動(dòng)作慢，機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分、觸點(diǎn)部分容易磨損或粘連，調(diào)試維護(hù)比較復(fù)雜。晶體管型：動(dòng)作快,無機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)部分，易發(fā)生特性變化。集成電路型：體積更小,工作更可靠，抗干擾能力差。微機(jī)保護(hù)：（2）維護(hù)調(diào)試方便，可靠性高；（3）統(tǒng)一硬件，保護(hù)裝置硬件易標(biāo)準(zhǔn)化；（4）有強(qiáng)大輔助功能，簡化調(diào)試、事故分析和事故后處理；（5）靈活性大，易于獲得附加功能。各種硬件繼電保護(hù)的特點(diǎn)：電磁型繼電保護(hù)（現(xiàn)在已很少應(yīng)用）微機(jī)型繼電保護(hù)裝置微機(jī)型繼電保護(hù)裝置基本結(jié)構(gòu)硬件軟件微機(jī)保護(hù)裝置硬件電路的基本組成

輸入/輸出回路人機(jī)對(duì)話系統(tǒng)開關(guān)量輸入開關(guān)量輸出數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)電源部分通信接口跳閘或告警信號(hào)外部觸點(diǎn)其它計(jì)算機(jī)TA、TV二次側(cè)i、u+5V+15V-

15V+24V220V或110V+5V供各保護(hù)CPU等芯片電源；V運(yùn)算放大器及VFC模數(shù)變換芯片電源；+24V供啟動(dòng)、跳閘及信號(hào)、告警繼電器電源。保護(hù)裝置電源插件是逆變開關(guān)電源，提供三組穩(wěn)壓電源：過電流保護(hù)原理，1901年電流差動(dòng)保護(hù)原理，1908年方向性電流保護(hù)，1910年距離保護(hù)，1920年高頻保護(hù)，1927年行波保護(hù)，1950年工頻變化量保護(hù)，1980年，由我國專家提出。繼電保護(hù)硬件裝置不斷變化，但保護(hù)原理不變。2、繼