电力系统继电保护

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教材：《现代电力系统继电保护原理》

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绪论

电力系统的运行状态和继电保护的作用

电力系统由发、输、变、配、用等环节构成。电能无法大规模储存，任何故障都会导致供电中断、影响系统安全。

一次设备：完成电力发、输、配、用等设备称为一次设备。如发电机、变压器、断路器、母线、线路、电动机等。
二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备。如继电保护装置、测量表计等。

发生短路的原因：

• 元件损坏、绝缘老化（电缆等）以及安装和维护不及时所造成的设备缺陷而发展成短路；
• 由于气候条件引起的短路，如雷电、大风、冰雪等；
• 人为事故，如带负荷拉闸、线路检修后未摘地线合闸送电等；
• 其他原因，机械损伤、鸟栖息等。

短路造成的后果

• 短路点附近出现比正常工作电流大很多倍的故障电流，数值很大的短路电流通过短路点将燃起电弧，使故障设备烧坏，甚至烧毁；
• 由于短路电流的电动力效应，导体之间产生很大的机械应力，如果导体及其支架不够坚强，可能造成破坏，进一步扩大事故；
• 短路电流使导体发热，持续时间过长可能损坏设备；

电力系统不正常运行状态

任何电气设备都有额定电流、额定电压等的限制，在额定值附近工作时，称为正常工作状态，超过正常工作状态一定范围，称为不正常工作状态。

• 过负荷：实际运行功率超过电气设备的额定值。危害：造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏，从而导致故障
• 频率降低：系统中出现有功功率缺额而引起的。危害：1）影响产品质量；2）频率过低可能会引起频率崩溃；3）使电压下降，可能引发电压崩溃
• 过电压：如发电机突然甩负荷引起过电压。危害：造成绝缘击穿，导致短路
• 系统振荡：因系统受到扰动而失去功率平衡。危害：系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影响系统的正常运行

事故：系统或其中的一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至造成人员伤亡和电气设备的损坏。

一旦发生故障，要求在十几分几甚至百分之几秒内切除故障设备。

继电保护装置的概念和作用

继电保护装置：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。

1. 动作条件——发生故障或不正常运行状态
2. 动作结果——动作于断路器跳闸或发出信号

继电保护的作用：

• 发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭受破坏，保证其它非故障部分迅速恢复正常运行；
• 对不正常运行状态，根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作。

继电保护的基本原理、构成和分类

继电保护应该能够正确区分正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别而动作。原则上：只要能找到电气量或非电气量的差别，就能够构成某种原理的保护

继电保护的基本原理

1. 单侧电源网络——正常运行
   

2. 单侧电源网络——三相短路
   

3. 双侧电源网络——正常运行
   

4. 双侧电源网络——k1点短路
   

5. 双侧电源网络——k2点短路
   

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2. 利用在内部故障和外部故障时两侧电流相位的差别，可构成差动保护

3. 反应电气量的序分量
   电气元件在正常运行（或发生对称短路）时，负序分量和零序分量在理想情况下为零；
   在发生不对称接地短路时，一般负序和零序都较大；
   在发生不对称相间短路时，虽没有零序分量，但负序分量很大；
   可以构成零序分量或负序分量的保护

4. 反应非电气量的保护
   当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于油被分解所产生的气体而构成的瓦斯保护；
   反应于电动机绕组的温度升高而构成过热保护。

继电保护装置的基本构成

一次设备：完成电力发、输、配、用等设备称为一次设备。如发电机、变压器、断路器、母线、线路、电动机等。
二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备。如继电保护装置、测量表计等。
继电保护由三个部分组成：测量部分、逻辑部分和执行部分。

继电保护的分类

• 按被保护的对象分类：
  可分为输电线路保护、变压器保护、母线保护、发电机保护、电容器保护、电抗器保护等
• 按保护原理分类：
  电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等
• 按保护所反应的故障类型分类：
  相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、失步保护、失磁保护等
• 按保护测量值与整定值的关系分类：
  过量保护（测量值>=整定值时动作）
  欠量保护（测量值<=整定值时动作）
• 按保护所起的作用分类：
  主保护：反应被保护元件本身的故障，并以尽可能短的时限切除故障
  后备保护：主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护
  辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能，或当主保护和后备保护退出运行时而增设的简单保护
• 按继保保护装置的实现技术分类：
  机电型保护、晶体管型保护、集成电路型保护、微机型保护等

后备保护的基本概念

近后备保护：K3点短路时，保护6拒动（拒绝动作），可以另外装设一套保护，作为后备保护，称为近后备保护（在近处实现的后备保护）；
远后备保护：K3点短路时，保护6拒动或者保护6的断路器拒动，此时，可以利用保护5作为后备保护，称为远后备保护（在远处实现的后备保护）；

继电保护的保护范围

保护范围划分的基本原则：任一个元件的故障都能可靠地被切除；造成的停电范围最小。

保护范围的重叠：为了保证任意处的故障都置于保护区内；重叠区越小越好。

按重叠保护范围正确地选择保护分区交界处的电流互感器（a）电流互感器位于断路器两侧； （b）电流互感器位于断路器一侧

对继电保护的基本要求

对动作于跳闸的继电保护，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，即保护的“四性”

选择性

选择性：是指继电保护装置动作时，仅将故障元件从电网中切除，尽量缩小停电范围，保证系统中无故障部分仍可以安全运行。
k2点故障，由保护3动作跳闸，变电站D停电
k1点故障，由保护2动作跳闸，变电站C、D停电
k2点故障，保护3或断路器3拒动，保护2动作跳闸

下图中，当k1点短路时，应由距短路点最近的保护1和2动作跳闸，将故障线路切除，变电所B则仍可由另一条无故障的线路继续供电。而当k3点短路时，保护6动作跳闸，切除线路CD，此时只有变电所D停电。由此可见，继电保护有选择性的动作可将停电范围限制到最小，甚至可以做到不中断向用户供电。

速动性

动作于断路器跳闸的保护都要求动作迅速。其主要原因如下：
（1）可以提高系统稳定性；
（2）减少故障元件的损坏程度；
（3）避免故障进一步扩大；
（4）减少用户在低电压下工作的时间。

故障切除时间=保护动作时间+断路器动作时间

一般的快速保护的动作时间为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

灵敏性：是指对于保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。通常用灵敏度系数来衡量，灵敏度系数越大则灵敏度越高。

满足灵敏性要求的保护装置应该是在保护范围内故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否存在过渡电阻，都能敏锐感觉，正确反应。

可靠性

可靠性：是指在保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，能可靠动作，即不拒动；而在该保护不应该动作的其他情况下，能可靠不动作，不误动。
影响因素：元器件的质量、接线的复杂程度、继电器的触点数量、制造工艺、运行维护…

四性之间的关系

“四性”是分析继电保护性能的基础，是贯穿整个课程的一个基本线索； 这四个要求之间往往是相互矛盾的： 当选择性或灵敏性无法满足时，常常降低速动性的要求，增加延时；可靠性中的不拒动和不误动，也是一种平衡。

继电保护发展简史

继电保护原理的发展——随着电力系统的发展而不断完善：过电流保护，熔断器是最早的过电流保护——差动保护——方向电流保护——距离保护

继电保护装置的发展——随着构成继电器的元器件制造技术发展而变化 ：机电型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型

继电保护工作的特点

与相关学科的关系密切：电机学、电气工程基础、电力电子技术、通信等。强调实践技能，实验技能和调试技能：任何一套保护装置，在投运前都要进行静态模拟，动态模拟，试运行。

电网的电流保护和方向性电流保护

电流保护主要是反应故障时电流量的不正常状态（增大）而动作的 。

• 针对相间故障
  2.1 单侧电源网络相间短路电流保护
  2.2 电网相间短路的方向性电流保护
• 针对接地故障
  2.3 中性点直接接地电网接地短路的电流保护
  2.4 中性点非直接接地电网单相接地的电流保护

2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护

2.1.1 电流继电器

电流继电器是一种能自动实现断续控制的部件。

为使继电器刚刚能够动作的最小电流值，称为继电器的启动电流。
继电器动作条件为
为使继电器返回的最大电流值，称为返回电流。

继电特性要点：

1. 永远处于动作或返回状态，无中间状态
2. 动作电流不等于返回电流，防止触点抖动

返回系数

2.1.2 电流速断保护（电流Ⅰ段保护）

电流速断保护的定义—仅反应于电流的增大而瞬时动作的保护。

单侧电源网络的特点:

• 电流的流向固定，由电源流向负荷。
• 在35kV以下的配网当中非常普遍，特别是10kV网络，基本上是辐射状供电的。随着对供电可靠性要求的提高，网络单侧电源供电的方式将越来越少。在负荷转移时，可能存在短时的双电源或多电源供电。
• 一般还存在分支。

大方式和小方式：当负荷较大时，由三个电源一起供电，则属于大方式。大方式和小方式是相对而言的。当发生短路时，大方式下短路电流大，而小方式下短路电流小 。

电流速断保护的目的和原理

目的：反应本线路的相间短路故障

考虑各种误差的影响，仅靠短路电流幅值无法分辨k1和k2两处短路。
以保护2为例，当本线路末端k1点短路时，希望速断保护2能够瞬时动作切除故障，而当相邻线路B-C的始端k2点短路时，按照选择性要求，速断保护2就不应该动作，因为该处的故障应由速断保护1动作切除。然而，保护2是无法从短路电流的数值区分k1点和k2点短路的。

整定原则——保证选择性

动作判据：

为短路电流。
为继电保护的整定值。 。
$K^{I}{rel}I{kmax}$是指本线路末端发生短路时可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下发生三相短路时的短路电流。

又称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定。

引入可靠系数——确保不误动

考虑最不利的情况，留有必要的裕度。

• 实际短路电流大于理论计算值
• 对瞬时动作保护还应考虑非周期分量使总电流增大的影响
• 电流继电器的实际起动电流可能小于整定值
• 电流互感器可能存在误差

计算出保护的一次动作电流后，还需要求出继电器的二次动作电流

为继电保护的一次侧整定值
为电流保护的接线系数, 与电流保护的接线方式有关 (完全星形, 不完全星形, 两相电流差接)
保护安装处电流互感器的变比

：表示电流保护的动作条件，
：表示零序电流保护的动作条件
：表示距离保护的动作条件，其中，$\dot{I}{kA}\dot{E}A2Z{1\Sigma} + Z{0\Sigma}k^{(1,1)}\dot{I}{kB}\dot{I}{kC}\dot{I}{k1}aZ{2\Sigma}Z_{0\Sigma}$ 是线路的总阻抗。

保护评价

优点：简单可靠，动作迅速
缺点：不能保护线路的全长，保护范围直接受系统运行方式变化的影响。

特例：当系统运行方式变化很大或者被保护线路的长度很短时，可能没有保护范围
当应用于线路-变压器组时，可按躲开变压器低压侧线路出口处短路来整定，其保护范围可保护线路全长

电流速断保护的保护范围（灵敏性）

电流速断保护的目的是反应本线路的相间短路故障，因此应按照如下标准校验灵敏度：在系统最小运行方式下发生相间短路时，电流速断保护的保护范围应不小于15~20%

2.1.3 限时电流速断保护（电流Ⅱ段保护）

限时电流速断保护-既反映于电流的增大，同时又限定动作时间的保护，可以保护线路的全长的保护。

目的：反应本线路速断保护范围以外的相间故障。

动作电流的整定

原则：躲开下级相邻元件电流速断保护的最大动作范围整定

动作时限的整定

比下一条线路速断保护的动作时限高出一个时间阶梯 , 通常取0.3-0.5s，保证保护的选择性，保证保护以可靠返回

电流Ⅰ段和Ⅱ段保护联合工作，能够保证全线路范围内的相间故障都能够在Ⅱ段时限内切除，构成该线路的主保护

灵敏性校验

对于过量保护，灵敏性的定量计算方法：

灵敏性：按最小方式下，线路末端两相短路时的短路电流进行校验，一般要求灵敏度大于等于1.3-1.5

灵敏度不满足要求时，在发生内部故障时保护可能不动作，需要进一步延伸限时电流速断保护的保护范围，按照下一线路的限时电流速断保护来整定，如图。

当按照下一线路的限时电流速断保护来整定时，需要进一步增加延时 ，以同时满足选择性的要求，即：

保护评价

限时电流速断保护的实际保护范围大于本线路全长与Ⅰ段保护配合，可在较短时间内切除全线路范围内任何点相间故障——可作为线路的主保护

优点：可保护本线路全长；可作为Ⅰ段的近后备
缺点：速动性差（有延时）

2.1.4 定时限过电流保护（电流Ⅲ段保护）

定义：按照躲开最大负荷电流的一种电流保护，可以保护本线路和相邻线路的全长，同时又具有确定的动作时限的保护。

目的：不仅能保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用

动作电流的整定

动作时限的整定

以此，便有了近后备与远后备的的校验选择：

(1)作为近后备时，采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流来校验

保护评价

• Ⅲ段保护的动作电流比Ⅰ段、Ⅱ段的小得多，因此灵敏性更高
• 保护范围是本线路和相邻下一线路的全长
• 可作为本线路的近后备和相邻元件的远后备
• 故障越靠近电源端时，短路电流越大，但是过电流保护的动作时限反而越长
• Ⅲ段保护处于电网终端附近时，其动作时限并不长，可作为主保护兼后备保护

2.1.5 阶段式电流保护的总结及评价

• 电流Ⅰ段：按躲开本线路末端的最大短路电流来整定；不能保护线路全长
• 电流Ⅱ段：按躲开下一级相邻元件速断保护的动作电流来整定；不能作为相邻元件的后备
• 电流Ⅲ段：按躲开最大负荷电流来整定；动作时限较长

阶段式电流保护：为保证选择性和速动性，将电流Ⅰ段、 Ⅱ段和Ⅲ段联合起来工作

优点和缺点

优点：简单、可靠，广泛应用于35kV及以下较低电压的网络中

缺点：直接受电网接线和运行方式变化的影响
整定值必须按系统最大运行方式选择
灵敏性必须用系统最小运行方式来校验

2.1.7 电流保护的接线方式

电流保护接线方式的定义：电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式

三相星型接线方式

两相星型接线方式

两相三接线方式

三相星型接线能提高保护动作的可靠性和灵敏性，广泛应用于发电机、变压器等贵重设备
两相星型接线简单经济，广泛应用于相间短路电流保护的接线方式
当电网中采用两相星型接线时，所有线路都应该配置在相同的两相上，否则可能造成保护拒动

2.1.8 小结

• 电流保护的概念和分类
• 单侧电源网络相间短路的电流保护
  • 电流速断保护，也称为电流I段
  • 限时速断保护，也称为电流II段
  • 定时限过电流保护，也称为电流III段
• 三段式电流保护
• 要求：掌握三段式电流保护的原理和整定方法

2.2 电网相间短路的方向性电流保护

2.2.1 双侧电源网络中电流保护存在的问题及解决方法(方向性电流保护)

电流速断保护与过电流保护存在的问题

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方向性电流保护 = 电流保护+功率方向继电器

讨论：过电流保护安装方向元件的必要条件

• 不安装方向元件的必要条件是：本保护的动作时限比所有背侧的保护的动作时间至少高出一个
  （再下一级背侧？）
• 安装方向元件的条件是：本保护的动作时限比所有背侧保护的动作时限低或者高一点，但是，高出的时间不到一个
• 要看短路电流的方向，只有流过同一个短路电流之间才会考虑配合。
• 同一母线的各电源出线的保护，动作时限较长者可不装设方向元件;动作时限较短者必须装设方向元件;如果动作时限相同，则都必须装设方向元件
  

例题：

2.2.2 功率方向继电器的工作原理和动作特性

1. 正方向短路时电压电流相位关系
   

2. 反方向短路时电压电流相位关系
   

3. 功率方向继电器的工作原理：用以判别功率方向或测定电压、电流间相位角的继电器

4. 正方向和反方向故障时的区别：短路功率的方向、母线电压和短路电流之间的相位关系

5. 最大灵敏角：当输入电压和电流幅值不变时，方向继电器输出值随两者间相位角而变化，输出为最大时的相位角称为继电器的最大灵敏角。为了在最常见的短路情况下，使继电器动作最灵敏，最大灵敏角应等于在该情况下输入继电器的电压与电流间的相位角。
   

6. 输入继电器的电压、电流为A相电压和A相短路电流。正方向发生三相短路时，输入继电器的电压和电流间的相位角为线路阻抗角

2.2.4 功率方向继电器的90°接线方式

1. 存在的问题：输入继电器的电压为母线A相电压，输入继电器的电流为A相短路电流，在保护正方向出口处发生三相短路、A-B或C-A两相接地短路、A相接地短路时，由于A相电压很小（接近零），继电器拒动

2. 功率方向继电器的接线方式:功率方向继电器的接线方式是指接入功率方向继电器的电压和电流的取舍；

3. 功率方向继电器的接线方式的分类：0度接线方式;90度接线方式

4. 功率方向继电器的基本要求：具有明确的方向性，故障类型、故障点的位置都不影响功率方向继电器的动作特性；故障时，继电器具有足够的灵敏度

5. 90°接线方式
   
   除正方向出口附近发生三相短路时，由于BC相间电压很小，A相继电器有电压死区外，在其他任何包含A相的不对称短路时，A相短路电流很大，且BC相间电压也很高，因此继电器不仅没有死区，而且动作灵敏度很高。
   

6. 正方向三相短路动作行为分析
   

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90度接线方式的评价：
优点：

• 各种两相短路都没有死区，因为继电器加入的是非故障相的相间电压，其数值很高
• 适当选择继电器的内角a后，对线路上发生的各种故障都能保证动作的方向性
• 正常状态下送侧功率方向继电器处于动作状态
  缺点：正方向出口三相短路时有死区

2.2.5 方向性电流保护的整定及评价

电流速断保护的保护范围：
两侧不安装方向元件，取两个保护整定值较大的值作为两侧保护的整定值；
弱电源侧安装方向元件，则各自按照躲开本线路末端短路时的最大短路电流来整定。
两者整定方法的区别：两个保护范围不一样。

限时电流速断保护的灵敏度校验：限时电流速断保护只能作为近后备使用，灵敏度校验与单侧电源输电线路相同。作为近后备灵敏度校验时，不需要需要考虑分支系数的影响：

作为远后备灵敏度校验时，需要考虑分支系数的影响：

对方向性电流保护的评价：在多电源网络中，必须采用方向性保护才能保证选择性；方向性电流保护的整定原则同单侧电源网络的电流保护；接线较复杂，可靠性稍差，且投资增加；出口三相短路时，方向元件有死区，导致整套保护拒动

小结：

• 关键概念：功率方向继电器、线路阻抗角、最大灵敏角、方向继电器的内角、电压死区、90度接线方式、继电器接线时的极性问题、分支系数、助增电流、外汲电流
• 90度接线时，方向继电器在各种故障时的动作行为分析
• 存在分支电路时，限时电流速断保护的整定
• 多电源网络中过电流保护的方向元件配置原则

2.3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护

110kV及以上电压等级电网——中性点直接接地（又称为大接地电流系统）
66kV及以下电压等级电网——中性点不接地或不直接接地（又称为小接地电流系统）

2.3.1 中性点直接接地电网接地短路的特征

1. 零序电压的特征：故障点的零序电压最高，距离故障点越远处的零序电压越低，变压器中性点接地处零序电压为零
   

零序电流的分布与变压器中性点接地的多少和位置有关，而与电源的数目和位置无关；
零序电流的大小主要决定于线路零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，间接地受运行方式变化的影响。
零序电流超前零序电压90°~ 180°；保护安装处零序电流与零序电压之间的相位差与被保护线路的零序阻抗及故障点位置无关。

对发生故障的线路，两端零序功率的方向与正序功率的方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线

2.3.2 零序电压、电流过滤器

零序电压

零序电流

2.3.3 零序电流速断（零序Ⅰ段）保护

整定原则1：躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流

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整定原则2：躲开断路器三相触头不同时合闸时所出现的最大零序电流

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整定原则3：当线路采用单相重合闸时，系统会出现短时间的非全相运行，如果同时发生系统振荡，这时的最大零序电流会超过原则(1)和(2)中计算的最大零序电流，按躲开该电流整定会导致零序电流保护范围进一步缩小

解决方法：设置两个零序Ⅰ段保护

• 灵敏Ⅰ段：按原则(1)整定，用于全相运行
• 不灵敏Ⅰ段：按原则(3)整定，用于非全相运行

2.3.4 零序电流限时速断（零序Ⅱ段）保护

整定原则：与下一条线路的零序电流速断保护配合

• 按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验，要求灵敏度不小于1.5
• 当下一条线路比较短或运行方式变化比较大时，灵敏度可能不满足要求，考虑以下解决方法：
  • 与下一条线路的零序Ⅱ段配合，时限再抬高一级
  • 设置两个灵敏度不同的零序Ⅱ段。不灵敏Ⅱ段与下一条线路的零序Ⅰ段配合，能以较短延时切除正常运行和最大运行方式下的接地短路；灵敏Ⅱ段与下一条线路的零序Ⅱ段配合，能保证在各种运行方式下线路末端接地短路时保护具有足够的灵敏度
  • 改用接地距离保护

2.3.5 零序过电流（零序Ⅲ段）保护

整定原则1:按躲开下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定

整定原则2：与下一条线路的零序Ⅲ段保护配合，保证本线路零序Ⅲ段的保护范围不超过下一条线路上零序Ⅲ段的保护范围，请问此分支系数取最大值还是最小值？

灵敏度校验

• 近后备校验：按被保护线路末端接地短路时，流过保护的最小零序电流来校验，要求不小于1.5
• 远后备校验：按相邻元件末端接地短路时，流过保护的最小零序电流来校验，要求不小于1.2。注意：当存在分支电路时，需要考虑分支系数，请问此时的分支系数取最大还是最小？
  

2.3.7 方向性零序电流保护

零序功率方向继电器的灵敏度校验：

• 零序方向元件没有电压死区：越靠近故障点的零序电压越高
• 当故障点距保护安装处很远时，由于输入保护的零序电流和零序电压都较小，零序方向元件可能不动作，因此需要校验灵敏度。
• 灵敏度校验条件：作远后备时能保证方向性，即按相邻元件末端短路时输入本保护的最小零序电流、零序电压或零序功率来校验，要求不小于1.5
  

2.3.8 对零序电流保护的评价

优点：

• 零序过电流保护的灵敏度高、动作时限短；
• 与阶段式电流保护相比，受系统运行方式的影响较小；
• 与电流Ⅰ段相比，零序Ⅰ段的保护范围较大，也较稳定；
• 与电流Ⅱ段相比，零序Ⅱ段的灵敏度容易满足要求；
• 不受系统振荡和过负荷的影响；
• 方向性零序电流保护没有电压死区。

缺点：

• 对短线路或运行方式变化很大时，保护往往不能满足要求；
• 单相重合闸的过程中可能误动；
• 当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网时，将使零序保护的整定配合复杂化，且将增大零序Ⅲ段保护的动作时限。

小结

• 关键概念：大接地电流系统、零序电压过滤器、零序电流过滤器、不平衡电压、不平衡电流、零序电流速断、灵敏零序Ⅰ段、不灵敏零序Ⅰ段、零序电流限时速断、零序电流分支系数、零序过电流保护
• 中性点直接接地系统接地短路时零序分量的特征
• 三段式零序电流保护的原理、整定原则和灵敏度校验方法
• 零序功率方向元件的灵敏度特征
• 零序电流保护的优缺点

2.4 中性点非直接接地电网中单相接地短路的零序电压、电流及方向保护

• 66kV及以下电压等级电网——小接地电流系统
  • 中性点不接地
  • 中性点经消弧线圈接地
  • 中性点经电阻接地
• 小接地电流系统发生单相接地时
  • 故障点的电流很小
  • 三相之间的线电压仍然保持对称，对负荷供电没影响
  • 允许单相接地后继续运行1~2小时
  • 单相接地后，其他两相的对地电压升高根号3倍，要求能选出接地线路并及时发出信号

2.4.1 中性点不接地电网中单相接地短路的特点

相对地电压升高到原相电压的根号3倍，三个线间电压完全对称

接地点的电容电流为全系统所有元件的对地电容电流之和

故障线路始端的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，电容性无功功率的方向为线路流向母线

由于线路的零序阻抗远小于对地电容的阻抗，可忽略不计，则全系统各点零序电压均等于故障点零序电压。中性点不接地电网中的零序电流，就是各元件的对地电容电流。

在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。如果忽略线路阻抗上的零序压降，则全系统各点零序电压都等于故障点零序电压。
在非故障元件上有零序电流，数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的方向为母线流向线路。
在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流的总和，电容性无功功率的方向为线路流向母线。

2.4.2 中性点经消弧线圈接地电网中单相接地短路的特点

1. 绝缘监视装置
   只要电网中发生单相接地故障，则在同一电压等级的所有母线上，都将出现零序电压。该方法给出的接地信号没有选择性。
   
2. 零序电流保护
   
3. 零序功率方向保护
   

2.4.3 中性点经消弧线圈接地电网中单相接地短路的特点

消弧线圈

根据对电容电流的补偿程度，可分为完全补偿、欠补偿和过补偿三种方式

完全补偿方式：

• 三相对地电容不完全相等时，电源中性点对地之间就会产生电压偏移，即零序电压
• 断路器合闸三相触头不同时闭合时，也会短时出现零序电压分量
• 上述零序电压与消弧线圈、对地电容构成串联谐振回路，使中性点对地电压严重升高

欠补偿方式：

• 如果某个元件被切除或因发生故障而跳闸，则电容电流就将减小，很可能又会出现完全补偿的情形
  
  过补偿方式：
• 通过故障线路的电流为补偿后的感性电流
• 电容性无功功率的方向为母线流向线路，与非故障线路的方向一样，难以判别故障线路
• 由于过补偿度不大，故障线路电流的数值也和非故障线路的容性电流差不多

2.4.4 中性点不接地电网中单相接地的保护

1. 绝缘监视装置
   只要电网中发生单相接地故障，则在同一电压等级的所有母线上，都将出现零序电压。该方法给出的接地信号没有选择性。
   

2. 零序电流保护
   

3. 零序功率方向保护
   

小结

• 关键概念：小接地电流系统、消弧线圈、过补偿度、完全补偿、欠补偿、过补偿
• 中性点不接地系统中发生单相接地时的零序分量特征及其保护方式
• 中性点经消弧线圈接地系统中发生单相接地的特点
• 消弧线圈各种补偿方式的特点

3. 电网的距离保护

距离保护的产生背景：
由于电流保护整定值的选择、保护范围以及灵敏系数等方面都直接受电网接线方式及系统运行方式的影响，在35kV及以上电压的复杂电网中，它们很难满足选择性、灵敏性以及速动性的要求

3.1 距离保护的作用原理

电流保护的优点和缺点:

• 电流保护的使用量-电流只是反映了故障的一个特征
• 实际上，线路故障时，除了电流增大，还有电压的降低-可以考虑联合使用电压的降低和电流的增加构成的保护-阻抗保护—距离保护

1. 距离保护的基本概念

• 距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置
• 距离的远近是由输入继电器的电压和电流计算出的阻抗值的大小来反应的，该阻抗称为继电器的测量阻抗
  

2. 距离保护的时限特性：距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系
   

3. 三段式距离保护
   距离Ⅰ段：瞬时动作，保护范围为本线路全长的80%~85%
   
   距离Ⅱ段：动作时限和整定值要与下一条线路的距离Ⅰ段或Ⅱ段配合；目的是保护本线路全长，与距离Ⅰ段联合工作可构成本线路的主保护
   
   距离Ⅲ段：作为相邻元件保护和断路器拒动的远后备保护以及本线路距离Ⅰ段和Ⅱ段的近后备保护，动作时限的整定原则与过电流保护相同；整定值按躲开正常运行时的最小负荷阻抗来整定

4. 距离保护的组成元件
   

3.2 各种单相式阻抗继电器的动作特性

• 单相式（第一类阻抗继电器）
  加入继电器的只有一个电压Um（可以是相电压或线电压）和一个电流 Im（可以是相电流或线电流）
  加入继电器的电压和电流之比称为继电器的测量阻抗 Zm= Um / Im = R + jX
• 多相式（第二类阻抗继电器）
  由于加入继电器的不是单一的电压和电流，因此不能利用测量阻抗的概念来分析它的动作特性

单相式阻抗继电器

考虑过渡电阻以及互感器误差的影响，通常把阻抗继电器的动作特性由上图阴影部分扩大为一个圆，圆内为动作区

1 为全阻抗继电器的动作特性，2 为方向阻抗继电器的动作特性，3 为偏移特性阻抗继电器的动作特性。此外，还有透镜形、四边形、苹果形等特性的阻抗继电器。

全阻抗继电器

特点：没有方向性。不论加入继电器的电压与电流之间的角度有多大，继电器的起动阻抗在数值上都等于整定阻抗

动作方程

实际实现

评价：
优点：构成简单
缺点：无方向性，反方向故障时，继电器会误动

方向阻抗继电器

特点：正方向故障时，测量阻抗在第一象限；反方向故障时，在第三象限。本身具有方向性

动作特性：

实际实现：

启动阻抗随着测量阻抗相角的变化而改变；
当测量阻抗相角等于整定阻抗的相角时，起动阻抗最大，保护范围最大，继电器最灵敏，称为继电器的最大灵敏角

整定阻抗：最大灵敏角方向上的圆的直径

评价：
优点：有方向性，反方向故障时，继电器不会误动
缺点：正方向母线出口短路时，继电器有死区；继电器的测量阻抗Zm与测量阻抗角 有关，继电器的灵敏性有一定的影响。

偏移特性阻抗继电器

特点：
没有完全的方向性；起动阻抗与测量阻抗的相角有关；正方向的整定阻抗为Zset，反方向偏移一个 ；动作特性圆偏移后，把圆心包含在圆内，可消除方向阻抗继电器的死区

动作方程：

实际实现：

评价：
优点：有一定的方向性，保护安装处出口短路时，没有死区。
缺点：在反方向出口短路时会失去方向性。
应用：一般用于III段距离保护，作为启动元件和后备保护使用。

---

补充说明：几个阻抗的意义和区别

Zm是继电器测量阻抗，它等于加入继电器中电压和电流的比值，其阻抗角就是电压和电流间的相位差；测量阻抗可以是阻抗平面上的任意一点，与系统的运行方式有关：
A. 正常运行时，是负荷阻抗；
B. 短路时，测量到的是短路阻抗，跟故障点到保护安装处的距离有关；
C. 系统振荡时，测量到的是振荡阻抗。

Zset是继电器的整定阻抗，一般取继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗作为整定阻抗；不同的阻抗继电器，整定阻抗是不同的。
A. 全阻抗继电器：圆的半径；
B. 方向阻抗继电器：在最大灵敏角方向上的圆的直径；
C. 偏移特性阻抗继电器：在最大灵敏角方向上由原点到圆周上的长度。

Zact 是距离保护的一次侧的启动阻抗，跟输电线路的实际阻抗有关，也就是跟继电器的测量阻抗角有关。对于方向阻抗继电器，继电器的启动阻抗是随着测量阻抗角 的不同而不同，
当 时，
当 时，可以通过计算完成。
对于全阻抗继电器，启动阻抗的幅值与整定阻抗的幅值相同。

Zact.m是继电器的二次侧起动阻抗，表示当继电器刚好动作时，加入继电器的电压与电流之比。

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功率方向继电器

输入继电器的电压、电流为A相电压和A相短路电流
正方向发生三相短路时，输入继电器的电压和电流间的相位角为线路阻抗角；按上述方式接线，最大灵敏角为线路阻抗角

与方向阻抗继电器的关系：从阻抗继电器的观点来理解功率方向继电器，可把它看成方向阻抗继电器的特例，即整定阻抗为无穷大

动作特性

具有直线特性的继电器-电抗继电器

动作角度范围变化对继电器特性的影响

具有四边形特性的阻抗继电器

极化电压和补偿电压

补偿电压的物理意义
$$\dot{U}^{\prime}=\dot{U}_m-\dot{I}m Z{s e t}=\dot{I}m\left(Z_m-Z{s e t}\right)=\dot{I}m\left(n Z_k-Z{s e t}\right)$$

• 最大灵敏角取线路阻抗角，则Zset和Zk的阻抗角相同
• 保护范围外部故障时，Zk > Zset，则U’与UP同相位，保护不动作
• 保护范围内部故障时，Zk < Zset，则U’与UP反相位，保护动作

补偿电压：U’ 相位的变化能够反应故障点位置
极化电压（参考电压）：UP作为与补偿电压比相的参考相量
动作判据:

其他极化量：非故障相母线电压；其他相的补偿电压-多相补偿距离继电器；正序电压；零序电流-零序电抗继电器；负序电流……
采用不同的极化量，可构成不同特性的阻抗继电器

小结

• 关键概念：距离保护、距离保护的时限特性、阻抗继电器、单相式阻抗继电器、多相式阻抗继电器、测量阻抗、整定阻抗、起动阻抗、极化电压、补偿电压
• 掌握全阻抗继电器、方向阻抗继电器、偏移特性阻抗继电器、功率方向继电器、直线特性继电器、透镜形阻抗继电器、折线形阻抗继电器等的动作特性
• 会根据阻抗平面的动作区写出动作方程

3.3 阻抗继电器的接线方式

1. 对接线方式的基本要求

阻抗继电器的接线方式是指加入阻抗继电器的电流和电压的取舍。

基本要求：测量阻抗正比于短路点到保护安装处之间的距离；测量阻抗应与故障类型无关。

常见的几种接线方式

母线残压(保护安装处的电压)的计算公式(1)

母线残压(保护安装处的电压)的计算公式(2)

2. 阻抗继电器的0°接线

(1) 三相短路
在三相短路时，三个继电器的测量阻抗都等于短路点到保护安装处之间的阻抗，三个继电器都能正确动作

(2) AB相间短路
在AB相间短路时，只有J1继电器(故障相)的测量阻抗等于短路点到保护安装处之间的阻抗。在AB相间短路时，对于非故障相继电器J2和J3来说，测量阻抗不能正确反映故障距离，即含有非故障相的阻抗继电器测量到的阻抗不等于短路点到保护安装处之间的阻抗。

故障相继电器动作特性

非故障相继电器动作特性

(3) AB两相接地

在AB两相接地短路时，J1继电器(故障相)的测量阻抗等于短路点到保护安装处之间的阻抗。在AB两相接地短路时，非故障相继电器的测量阻抗不等于短路点到保护安装处之间的阻抗

故障相继电器动作特性

非故相继电器动作特性

(4) A相接地
在单相接地短路时，三个阻抗继电器都不能正确反映故障距离

3. 带零序电流补偿的相电流接线

(1) A相接地
在A相接地短路时，只有J1继电器(故障相)的测量阻抗等于短路点到保护安装处之间的阻抗

(2) AB两相接地
在AB两相接地短路时，J1和J2继电器(故障相)的测量阻抗等于短路点到保护安装处之间的阻抗

(3) 三相短路
在三相短路时，三个继电器的测量阻抗都等于短路点到保护安装处之间的阻抗

(4) AB相间短路
在任意两相相间短路时，三个继电器的测量阻抗都不能正确反映故障距离

4. 阻抗继电器接线方式总结（1）

• 0°接线方式
  • 在发生相间短路、两相接地和三相短路时，总是有阻抗继电器能正确反映故障距离
  • 在单相接地短路时，三个继电器都不能正确反映故障距离
  • 适用于反映相间短路故障的距离保护
  • 相间距离继电器跳闸三相，三个阻抗继电器或门输出，可以实现距离保护的目标
• 带零序电流补偿的相电流接线方式
  • 在发生单相接地、两相接地和三相短路时，总是有阻抗继电器能正确反映故障距离
  • 在两相相间短路时，三个继电器都不能正确反映故障距离
  • 适用于反映接地短路故障的距离保护
  • 可以构成单相重合闸，只跳闸故障相

3.4 方向阻抗继电器的死区和特性分析

方向阻抗继电器的动作死区

死区的解决方法

方向阻抗继电器动作死区的解决方法

• 记忆回路：相当于“记住”了故障前极化电压的相位
  

• 引入非故障相电压：在各种两相短路时，非故障相间电压仍然很高，参照功率方向继电器广泛采用的90°接线方式，在极化电压中附加非故障相电压。不能解决三相短路时的死区问题
  

• 直接利用故障前的母线电压-微机保护微机保护中，一直采样母线电压，将正常运行时的母线电压列表给出，当发生故障时，直接用故障前的母线电压进行比相。

记忆回路对继电器动作特性的影响

采用记忆回路后，极化电压将短时记忆短路前负荷状态下母线电压UL的相位

保护正方向短路时——

特性分析


动作特性

• 消除出口短路的死区，正方向出口三相短路时，阻抗继电器能够正确动作；
• 从其动态特性看得出，继电器的抗过渡电阻的能力比以前的稳态特性要大；
• 反方向故障时，继电器会误动吗？不会！原因是：现在这个动态特性的前提是正方向短路，并且，在几个周波内会过渡到稳态特性的。

保护反方向短路时——

小结

• 关键概念：方向阻抗继电器的死区、记忆回路
• 阻抗继电器的各种接线方式、基本要求、适用范围消除方向阻抗继电器死区的方法记忆回路对方向阻抗继电器特性的影响及其分析方法

3.5 距离保护的整定计算和评价

距离 I 段的整定

动作阻抗：按照躲开下一条线路出口处短路的原则来整定；三个阻抗继电器的动作阻抗的整定方法如下：

整定阻抗：
全阻抗继电器：
方向阻抗继电器：
折算到二次侧的整定阻抗：

距离 Ⅱ 段的整定

动作阻抗：
（1）与相邻线路距离 I 段配合，并考虑分支系数


(2)躲开线路末端变电所变压器低压侧出口处短路时的阻抗值

取（1）和（2）中较小的阻抗作为II段距离保护的整定动作阻抗

整定阻抗:
全阻抗继电器：
方向阻抗继电器：
折算到二次侧的整定阻抗：

整定时限：

灵敏度校验-欠量保护:
= 保护装置的动作阻抗/保护范围内发生金属性短路时故障阻抗的计算值。一般要求大于等于1.25

当灵敏度不能满足要求时，需要考虑与下一条线路的距离Ⅱ段配合

距离Ⅲ段的整定

动作阻抗

整定阻抗

全阻抗继电器

方向阻抗继电器-近后备

方向阻抗继电器-远后备

精确工作电流的校验：按保护范围末端短路时的最小短路电流来校验，要求不小于1.5。一般都能满足要求，基本上都不需要校验。

距离保护的评价

• 可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性
• 在220kV及以上电压的网络中，由于电力系统稳定的要求，距离Ⅰ段和Ⅱ段联合工作不能作为主保护——距离I,II ,III段借助于高频通道可以构成高频距离保护
• 与电流保护相比，距离保护具有较高的灵敏度
• 距离Ⅰ段的保护范围不受运行方式的影响，其他两段受到的影响也较小，因此保护范围稳定
• 与电流保护相比，接线复杂，可靠性低

小结

三段式距离保护的整定方法和灵敏度校验方法

3.6 影响距离保护正确动作的因素及防止方法

距离继电器的工作原理：
影响距离继电器正确动作的因素有：

• 短路点过渡电阻
• 电力系统振荡
• 电压回路断线
• 输电线路的串补电容
• 短路电压、电流中的非工频分量
• TV，TA的传变误差

过渡电阻对距离保护的影响

短路点过渡电阻的性质

• 相间短路时，过渡电阻主要由电弧电阻构成，电弧电阻一般在5-10欧姆；
• 接地短路时：在导线对铁塔放电的接地短路时，铁塔及其接地电阻构成过渡电阻的主要部分，可能达到数十欧。在导线通过树木或其他物体对地短路时，过渡电阻更高，可能会达到100欧姆（220kV），300欧姆（500kV）

单侧电源线路上过渡电阻的影响-测量阻抗

单相短路接地故障。接地过渡电阻会影响测量的准确性

在振荡情况下，故障相继电器总是能正确测量距离。实际保护配置三个接地距离和三个相间距离。

两相短路接地故障。相间电弧电阻会影响测量的准确性

在振荡情况下，故障相继电器总是能正确测量距离。相间接线方式，不受接地过渡电阻的影响，所以对于相间接地短路，最好采用相间接线方式的继电器。

单侧电源线路上过渡电阻的影响-动作特性分析

Rg较小时，保护2可以正确动作；
Rg较大时，保护2拒动，可是，落在保护1的保护范围内，所以，保护1会误动，失去选择性。

单侧电源线路上过渡电阻总是使测量阻抗增大，保护范围缩短；可能使保护失去选择性；保护距短路点越近，受过渡电阻影响越大；保护整定值越小，受过渡电阻的影响也越大。

双侧电源线路上过渡电阻的影响-分析

此时的过渡电阻使得阻抗继电器的测量阻抗呈现两种形式：（1）感性阻抗（2）容性阻抗。
保护在送电端：过渡电阻呈现容性阻抗，继电器的测量阻抗减小，导致无选择性动作；
保护安装在受电端：过渡电阻可能呈现感性阻抗，阻抗继电器的测量阻抗增大，导致保护拒动。

过渡电阻对不同特性阻抗继电器的影响

1是透镜形特性，2是方向阻抗特性，3是全阻抗特性；随着过渡电阻的增大，继电器1、2、3依次开始拒动；动作特性在R轴正半轴方向上越大，承受过渡电阻的能力越强

防止过渡电阻影响的方法

选择承受过渡电阻能力强的动作特性，如下图中四边形特性的阻抗继电器

• XA向下倾斜，防止过渡电阻使测量电抗减小时的超越
• RA可在R轴方向独立移动以适应不同数值的过渡电阻

采用记忆特性的阻抗继电器，正方向短路时，阻抗继电器有较强的抗过渡电阻能力

系统振荡对距离保护的影响

系统产生振荡的原因

引起系统振荡的原因：

• 输电线路输送功率过大，超过静稳定极限
• 无功功率不足而引起系统电压降低
• 相邻输电线路短路，故障切除较慢
• 自动重合闸合闸于永久性故障或者非同期自动重合闸，合闸不成功引起振荡

注意

• 电力系统振荡只是电力系统的一种不正常运行方式，保护不应该动作；
• 正常运行时，系统两侧的功角一般小于70度。

系统振荡研究的假设条件

研究电力系统振荡，要做如下的假设：

• 系统振荡时，三相处于对称状态，可只取一相来研究；
• 振荡时，两侧系统的电势 和幅值相等，相角差用 来表示，在0-360度之间变化；
• 系统中各元件的阻抗角相等，用来表示；
• 振荡过程中，不考虑负荷电流的影响。

振荡时电压电流的计算

电流分布

电压分布

电气中心或振荡中心-系统各元件阻抗角相等

电气中心或振荡中心-系统各元件阻抗角不相等

系统振荡时保护安装处的测量阻抗

系统振荡对距离保护的影响分析


通过延时可以躲开振荡对距离保护的影响

避免系统振荡距离保护误动作的措施

• 采用在OO’方向上面积小的阻抗继电器
• 保护安装处远离振荡中心
• 适当延长保护的动作时间，躲开振荡的影响，缺点是会影响保护的动作速度。

振荡闭锁回路–振荡和短路的主要区别

• 振荡时，电流和各点电压的幅值周期性变化；而短路后，在不计衰减时是不变的
• 振荡时电流和各点电压幅值的变化速度较慢；而短路时幅值是突然改变的，变化速度很快
• 振荡时，各点电流和电压之间的相位关系随振荡角的变化而改变；而短路时是不变的
• 振荡时，三相完全对称，系统没有负序分量；而短路时，总会出现长期（不对称短路）或瞬间（在三相短路开始时）的负序分量

振荡闭锁回路的要求

• 系统发生全相或非全相振荡时，保护装置不应误动作跳闸。
• 系统在全相或非全相振荡过程中，被保护线路发生各种类型的不对称故障，保护装置应有选择性地动作跳闸，纵联保护仍应快速动作。
• 系统在全相振荡过程中再发生三相故障时，保护装置应可靠动作跳闸，并允许带短延时跳闸。

振荡闭锁方法（1） 利用系统短路时的负序、零序分量或电流突然变化，短时开放保护

故障判断元件和整组复归元件在系统正常运行或振荡时都不会动作（无负序分量），保护装置的I段和II段被闭锁，无论阻抗继电器本身是否动作，保护都不可能动作跳闸，即不会发生误动。
电力系统发生故障时，故障判断元件立即动作，动作信号经双稳态触发器SW记忆下来，直至整组复归。SW输出的信号，又经单稳态触发器DW，固定输出时间宽度为Tdw 的短脉冲，在Tdw时间内若阻抗判别元件的I段或II段动作，则允许保护无延时或有延时动作(距离保护II段被自保持)。

振荡闭锁回路（2）–反映测量阻抗速度
原理：利用电流、电压或测量阻抗变化速度的不同来实现振荡闭锁

振荡过程中再故障的鉴别方法

电压回路断线对距离保护的影响

当电压互感器二次回路断线时，阻抗继电器失去电压，在负荷电流的作用下，其测量阻抗变为零，可能造成误动作。因此需装设断线闭锁装置。

可以采用负序电流和零序电流（或它们的增量）来实现断线闭锁

小结

• 关键概念：电气中心或振荡中心
• 单侧或双侧电源线路上过渡电阻对阻抗继电器的影响
• 电力系统振荡和短路的区别以及振荡闭锁的原理
• 电压回路断线对阻抗继电器的影响以及闭锁方法

3.7 距离保护装置框图举例

4. 输电线纵联保护

4.1 输电线纵联保护的基本原理

1. 反应单侧量保护的缺陷

只需要将线路一端的电流、电压引入保护装置，容易实现。
会把本线路末端故障误判为对端母线上故障或母线所连接的其它线路出口处故障，只能靠增加保护动作延时来保证选择性。
无法实现全线速动，不能满足高压线路的稳定要求。

2. 反应两侧量的纵联保护—概念
   利用通信通道将两端保护装置纵向联结起来，将两端的电气量比较，以判断故障是在本线路范围内还是本线路范围外。理论上具有绝对的选择性，能够实现全线速动
   

3. 纵联保护的基本原理（1）—差动保护
   差动的含义：正常运行或者外部故障时，两个电流相减，有“差”的概念，实际上是两侧电流的相量之和；
   差动保护的优点：有选择性地快速切除故障
   对于短线路比较容易实现；对于长线路，目前采用的方法有2种：一种是高频保护，还有一种是基于光缆的纵差保护，目前广泛使用。

• 两侧电流量特征——差动保护

• 两侧电流相位特征——频相差保护
  • 假定两端系统阻抗角相等，且两端电势相角相等
  • 区内故障：两侧电流同相位
  • 正常运行或区外故障：两侧电流反相位
• 两侧功率方向特征——高频方向保护
  • 设定功率正方向由母线指向线路
  • 区内故障：两端功率方向都为正方向
  • 区外故障：远故障点端功率方向为正方向，近故障点端功率方向为反方向
  • 正常运行：总是一端为正方向，另一端为反方向
• 两侧测量阻抗特征——高频距离保护
  • 区内故障：两端测量阻抗都是短路阻抗，两侧距离Ⅱ段同时起动
  • 区外故障：若采用方向特性阻抗继电器，近故障点端的距离Ⅱ段不会起动
  • 正常运行：两侧的测量阻抗都是负荷阻抗，两侧距离Ⅱ段都不会起动

4.2 输电线纵联保护的通信通道

1. 通信通道的类型

• 导引线通道——导引线纵联保护
  • 是与输电线路平行的金属导线
  • 线路较长时，既不经济，也不安全
• 电力线载波通道（高频通道）——高频保护
  • 利用输电线路传输高频信号，应用最广，超高压输电线路的主保护
  • 需解决线路故障时高频信号的有效传输问题
  • 载波频率：50~300khz不等
• 微波通道、光纤通道——微波保护和光纤保护
  • 与输电线路没有直接联系，线路故障不会影响信道
  • 带宽高，抗干扰能力强

1. 导引线纵联保护
   

2. 高频保护
   基本概念

• 作用原理:将线路两侧的电流相位（功率方向）转换成高频信号，利用输电线路本身作为高频通道，将信号传送至对侧然后进行比较的保护。
• 特点：
  • 只反映区内故障；
  • 整定时，不需要考虑与相邻线路保护；
  • 无时限全线速动。
  • 载波频率：50~300khz不等
• 分类：方向高频保护和相差高频保护
  高频通道的构成
  1—阻波器；2—结合电容器；3—连接滤波器；4—电缆；5—高频收发信;6—刀闸

阻波器

结合电容器和连接滤波器


高频收、发信机

频通道的工作方式


高频信号的分类

• 闭锁信号：是阻止保护动作于跳闸的信号。
• 允许信号：是允许保护动作于跳闸的信号。
• 跳闸信号：是直接引起跳闸的信号。
  

4.3 方向高频保护

• 高频保护：以输电线载波通道为通信通道的纵联保护，广泛应用于高压和超高压输电线
  • 不反应于被保护输电线范围以外的故障
  • 定值无需与下一条线路配合，可不带延时动作
  • 与纵联差动保护相比，信道传递的是高频信号，不是与对端构成电流回路
• 高频保护包括：
  • 方向高频保护：比较被保护线路两端的功率方向
  • 相差高频保护：比较被保护线路两端电流的相位

2. 高频闭锁方向保护的动作原理
   动作原理
   保护3和4的功率方向为正，不发出闭锁信号
   保护2和5的功率方向为负，发出闭锁信号，被本端和对端收信机接收，闭锁保护1、2、5、6
   构成方式：高频通道经常无电流；外部故障时由短路功率方向为负的一端发出闭锁信号
   可以保证内部故障并伴随通道破坏时，保护仍然能够正确动作

3. 高频闭锁方向保护的原理接线
   

4. 工作情况分析——

   1. 外部故障
      
   2. 两端供电内部故障
      
   3. 单端供电内部故障
      
   4. 单端供电外部故障
      
   5. 系统振荡
      

5. 两端起动元件灵敏度不配合
   

6. 高频闭锁方向保护的缺点

• 容易受系统振荡的影响。解决方法：采用负序功率方向元件构成高频闭锁负序方向保护
• 需要两套起动元件（适于所有闭锁式保护）
  • 内部故障时，必须低灵敏起动元件动作后才能跳闸，降低了整套保护的灵敏度；
  • 低灵敏起动元件的动作时间应大于高灵敏起动元件的动作时间，降低了整套保护的动作速度
• 不能作为母线和下一条线路的后备。解决方法：利用三段阻抗继电器构成高频闭锁距离保护，或者利用三段零序电流继电器构成高频闭锁零序方向保护

7. 高频闭锁负序方向保护的原理接线
   
   

8. 高频闭锁距离保护的原理接线
   

4.4 输电线纵联差动保护——光纤纵差保护

动作原理

(1) 正常运行或区外故障时

(2) 区内故障时

影响纵联差动保护正确工作的因素

(1) 电流互感器的误差和不平衡电流——稳态情况分析

(2) 电流互感器的误差和不平衡电流——暂态情况分析
暂态不平衡电流可能超过稳态电流好几倍，且含有非周期分量。

(3) 电流互感器的误差和不平衡电流——分析

• 为保证选择性，纵联差动保护继电器的起动电流必须按躲开最大不平衡电流来整定
• 最大不平衡电流越小，保护的灵敏度就越高
  • 应采用型号相同、磁化特性一致，铁心截面较大的高精度电流互感器
  • 必要时，可采用铁心磁路中有小气隙的电流互感器

差动电流保护的整定

1. 躲开最大不平衡电流
   躲过外部短路时的最大不平衡电流
   区外短路时差动回路流过最大不平衡电流时保护不动作，则有：
   

式中， ——可靠系数，取1．3～1．5
——非周期分量系数，主要考虑暂态过程中的非周期分量的影响，当差动回路采用速饱和变流器时，为1；当差动回路是用串联电阻降低不平衡电流时，为1．5～2；
——电流互感器的 误差系数；
——电流互感器的同型系数，两侧线路电流互感器同型系数取 0.5 ，不同型号取 1 ，主要考虑两侧电流互感器不同型号时特性差异影响。
——外部短路时流过电流互感器的最大短路电流

2. 正常运行时电流互感器二次断线时不动作
   正常运行时电流互感器二次断线时差动电流元件中将流过线路负荷的二次值，这时保护不动作，即：
   
   躲开电流互感器二次回路断线
   式中， ——可靠系数，取1．5～1．8；
   ——线路正常运行时的最大负荷电流。

3. 灵敏度校验

保护灵敏度的校验：

式中， ——单侧电源作用且被保护线路末端短路时，流过保护的最小短路电流。若纵差保护不满足灵敏度要求，则可采用灵敏度更高的纵差保护，如带制动特性的纵差保护等。

4. 带制动特性的电流差动保护
   
   

5. 差动保护同步测量
   
   

4.5 相差高频保护

1. 相差高频保护的基本原理—电流相位特征
   基本原理：比较被保护线路两端短路电流相位
   理想情况下：内部故障时两端电流相位相同；外部故障时相位相反
   

2. 相差高频保护的动作原理—方波的形成机制
   

3. 相差高频保护的动作原理—比相原理
   

4. 最不利情况下内部故障时相位分析-对称故障
   
   
   

5. 最不利情况下内部故障时相位分析-不对称故障
   
   

6. 相差高频保护的相位特性和闭锁角
   

7. 相差高频保护的原理接线
   

8. 相继动作
   

小结

• 关键概念：纵联保护、纵联差动保护、方向高频保护、相差高频保护、闭锁信号、允许信号、跳闸信号
• 各种纵联保护的原理接线及工作过程
• 通信通道的类型以及高频通道的基本结构、工作方式
• 影响纵联差动保护正确动作的因素

5 自动重合闸

5.1 自动重合闸的作用和基本要求

1. 电力系统中的故障分类，自动重合闸的定义

• 瞬时性故障：架空线路故障大都是“瞬时性”的
  • 如：雷电引起的绝缘子表面闪络；大风引起的碰线；通过鸟类以及树枝等物引起的短路等
  • 线路被保护断开后，故障点绝缘强度短时间内可重新恢复
  • 线路断开后重新投入，就能恢复正常供电
• 永久性故障：
  • 如：线路倒杆、断线、绝缘子击穿或损坏等引起的故障
  • 线路被保护断开后，故障点依然存在，不能自动消失
  • 线路断开后重新投入，还要被保护再次断开
• 自动重合闸的定义：自动重合闸装置是当断路器跳开后，根据需要能够自动地将断路器重新合闸的装置。

2. 自动重合闸的经济效果

• 对用户：提高供电的可靠性，避免60~70%的线路的停运；
• 对电力系统：提高系统并列运行的稳定性；
• 减少投资：为了提高供电的可靠性，一般架设同杆双回线或者多回线；如果采用自动重合闸，那么，可以暂时只架设单回线；
• 对保护本身：可以纠正保护装置的误动作或者断路器本身机构不良引起的误动作。

3. 重合闸的不利影响

• 当重合闸重合于永久性故障时的不利影响：
  • 使电力系统又一次受到故障的冲击
  • 使断路器工作条件恶化，短时间内连续两次切除故障电流。
• 说明：油断路器的工作情况比较严重。第一次短路时，电弧温度高，断路器动作，会提高油温，油的绝缘强度已经降低，重合于永久性故障的话，断路器再次跳开，此时，断路器的开断容量已经降到原来容量的80%左右，断路器的工作条件非常恶劣——降低断路器的使用寿命

4. 对重合闸的基本要求

• 重合闸的起动方式：位置不对应起动；由保护起动
• 重合闸不应动作的情况：
  • 值班人员用控制开关或通过遥控将断路器断开
  • 手动投入断路器，合闸于线路
• 重合闸动作次数应符合预先的规定：一次式，二次式，均有不同规定。
• 动作后应能自动复归，准备好下一次再动作
• 自动重合闸与继电保护的配合
  • 应能在重合以前加速—-前加速
  • 或重合以后加速保护的动作—-后加速
• 应具有接收外来闭锁信号的功能—断路器工作不正常时（油压，气压下降时）
• 对于双侧电源线路，应考虑两侧电源的同步
• 自动重合闸的动作时间：
  • 瞬时性故障，自动重合闸动作越快越好
  • 一般来说，自动重合闸的动作时间为0.5~1.5秒

5.2 输电线的三相一次自动重合闸

自动重合闸的分类：三相一次重合闸，单相一次重合闸；结合起来是综合重合闸

• 故障->保护动作跳三相->重合闸动作合三相
• 瞬时性故障：重合成功
• 永久性故障：保护再跳三相，不再重合（一次重合）
  

重合闸动作时限的整定原则:

1. 单侧电源线路的三相重合闸

• 为了使电动机负荷尽快恢复正常，在争取重合成功的前提下，动作时限越短越好
  • 故障点要消失：故障点电弧熄灭，绝缘强度恢复
  • 断路器要准备好再次跳闸：断路器触点周围绝缘强度恢复以及消弧室重新充满油
  • 重合闸由保护起动时，动作时限还应加上断路器跳闸时间
• 根据运行经验，一般1秒左右

2. 双侧电源线路的三相一次重合闸
   双侧电源情况下，自动重合闸的特点及要求：

• 时间配合问题：线路发生故障时，两侧的保护可能以不同时限动作于跳闸，线路两侧的重合闸必须保证在两侧的断路器都跳闸以后再进行重合
• 电源同步问题：线路上发生故障跳闸以后，存在两侧电源是否同步，以及是否允许非同步合闸的问题

3. 双侧电源线路的三相一次重合闸的主要方式

• 不检查同步的重合闸方式—与网络结构有关
  • 网络联系非常紧密
  • 同杆多回线
• 非同步重合闸方式
• 解列重合闸
• 自同步重合闸
• 检查同步重合闸方式

(1)不检查同步的重合闸

(2)具有电流检定的重合闸

(3)非同步的重合闸

(4)解列重合闸
解列点的选择应尽量使发电厂的容量与所带的负荷平衡。

• 当线路发生故障后，系统侧的保护动作，小电源的保护动作则使解列点跳闸，而不跳故障线路的断路器，小电源与系统解列后，其容量应基本上与所带的重要负荷相平衡，这样就可以保证地区重要负荷的连续供电，并保证电能的质量。
• 如果是瞬时性故障，系统恢复运行
• 如果是永久性故障，则系统侧的保护再次动作跳闸，地区的非重要负荷将被迫中断供电。
  

(5)自同步重合闸—水轮机

利用水轮发电机以自同步方式，自动与系统并列

• 线路上发生故障后，系统侧的保护使线路断路器跳闸，水电厂侧的保护则动作于跳开发电机的断路器和灭磁开关，而不跳故障线路的断路器。
• 如是瞬时性故障，则重合成功，水轮发电机以自同步的方式，自动与系统并列，因此称为自同步重合闸。
• 如果重合不成功，则系统侧的保护再次动作跳闸，水电厂也被迫停机。

(6)具有同步检定和无压检定的重合闸

• 线路正常运行时，无压侧断路器误动，那么，就无法重合。所以，无压侧必须同时投入同步检定，两者并联工作：同步检定侧绝对不能投入无压检定，请给出原因。
• 实际使用时的方式：一侧投入无压和同步检定，另外一侧只能投入同步检定
• 无压继电器的工作原理：
• 同步检定继电器

重合闸动作时限的整定原则

5.3 重合闸与保护的配合

自动重合闸与继电保护的配合，相当于电力系统自动装置的一部分。自动重合闸与继电保护的配合有2种方式：

• 前加速——重合闸重合前加速保护动作；
• 后加速——重合闸重合后加速保护动作。

1. 重合闸前加速保护

• 定义：k1点故障时，保护3瞬时无选择动作如果重合于瞬时性故障，系统恢复运行；如果重合于永久性故障，保护1-3再按照原有的选择性动作。

• 为了减少无选择性动作范围，规定变压器低压侧短路(即k2点)时，保护3不应动作
  

• 前加速的优点

  • 快速切除瞬时性故障
  • 使瞬时性故障来不及发展成永久性故障，提高重合闸成功率
  • 能保证发电厂和重要变电所母线电压在0.6~0.7Un以上，可保证厂用电和重要用户的电能质量
  • 只需装设一套重合闸，简单经济

• 前加速的缺点

  • 安装重合闸装置侧的断路器工作条件恶劣，动作次数较多
  • 重合于永久性故障时，故障切除时间较长
  • 如果重合闸拒动或断路器拒绝合闸，将扩大停电范围
  • 适用于35kV以下由发电厂或重要变电所引出的直配线路

2. 重合闸后加速保护
   定义：线路故障时，保护先有选择性动作如果重合于瞬时性故障，系统恢复运行；如果重合于永久性故障，再加速保护动作瞬时切除故障。
   适用于35kV以上电网以及对重要负荷供电的线路。
   

后加速的优缺点:

优点：

• 第一次是有选择性跳闸，不会扩大停电范围
• 保证永久性故障能有选择性地快速切除，有利于系统稳定
• 与前加速相比，使用中不受网络结构和负荷条件的限制
  缺点：
• 每个断路器上都要装设一套重合闸
• 第一次切除故障可能带有延时

5.4 高压输电线的单相自动重合闸

单相自动重合闸的定义：发生单相接地短路时，跳单相，合单相：如果合闸成功（瞬时性故障），系统正常运行；如果不成功，则跳单相—-非全相运行；跳三相，不再重合。

对于 220kV~500kV 线路，三相线路的相间距离较大，发生相间故障的可能性不是很大，一般都是发生单相接地短路。又由于超高压输电线路供电给重要用户，当发生单相接地短路时，一般都是先跳一相，另外两相继续运行（非全相运行），可以提高供电的可靠性和系统并列运行的稳定性。

1. 单相自动重合闸
   

• 单相接地故障->跳故障相->重合故障相
  • 瞬时性故障->重合成功
  • 永久性故障_>跳单相或三相，视运行方式而定，会出现非全相运行

2. 故障选相元件

• 基本要求：
  • 选择性：故障相的选相元件应可靠动作，非故障相的选相元件应可靠不动作
  • 灵敏性：线路末端发生单相接地故障时，故障相的选相元件应保证足够的灵敏度
• 常用的选相元件：
  • 电流选相元件—相过电流保护
  • 低电压选相元件—-相低电压保护
  • 阻抗选相元件—接地距离保护
  • 相电流差突变量选相算法
  • 补偿电压选相算法
  • 零序与负序电流比相的选相算法等

3. 相电流差突变量选相算法
   相电流差变化量继电器动作条件为
   

其中， ——是相间电流变化量的半波积分值；
——为浮动门坎，随着变化量的变化而自动调整，取1．25倍可保证门坎始终略高于不平衡输出。
——是取三个相间电流变化量的最大值，取其一部分作为制动量，有效的防止了单相故障时非故障相的误动，其制动系数 的取值考虑了系统正负序阻抗不等，而非故障相间可能产生的最大不平衡分量，同时还保证了二相经过渡电阻故障的最不利条件下不漏选相。 带记忆，可保证当本侧开关经选相跳开后，对侧后跳闸过程中本侧非故障相选相元件不误动。
——为固定门坎。
——小于 1 的系数

选相算法原理：选相元件测量两相电流之差的工频突变量的幅值，共用三个继电器。

单相接地时，反应非故障相的继电器不动作
其他故障时，所有三个继电器都动作

3. 动作时限的选择
   除了应满足三相重合闸所提出的要求外，还要考虑：

• 不论是单侧电源还是双侧电源，都要考虑两点：
• 两侧选相元件和保护以不同时限切除故障的可能性
• 潜供电流对灭弧所产生的影响
  
  潜供电流会严重阻碍灭弧
• 线路电压越高，线路越长，潜供电流越大
• 潜供电流的持续时间不仅与其大小有关，而且与故障电流的大小、故障切除时间、弧光的长度以及故障点的风速等因素有关
• 灭弧时间由实测确定

4. 单相重合闸的优缺点
   优点：（广泛应用于220kV及以上高压线路）

• 能在绝大多数的故障情况下保证连续供电
• 在双侧电源的联络线上，采用单相重合闸可避免系统解列，提高系统并列运行的稳定性
  缺点：
• 需要可分相操作的断路器
• 需要专门的选相元件与保护相配合，重合闸回路的接线比较复杂
• 单相重合闸过程中的非全相运行状态会引起保护误动，从而使保护的接线、整定和调试更复杂

5.5 高压输电线的综合重合闸简介

1. 综合重合闸
   综合重合闸：

• 单相接地故障时：采用单相重合闸方式
• 其他故障时：采用三相重合闸方式

工作方式：

• 综合重合闸
• 单相重合闸
• 三相重合闸
• 停用重合闸

2. 应考虑的基本原则

   1. 单相接地->跳单相->重单相->重合不成功则跳三相不再重合
   2. 其他故障->跳三相->重三相->重合不成功则跳三相不再重合
   3. 选相元件拒动时，应能跳三相，重三相
   4. 非全相运行中可能误动作的保护，应可靠闭锁
   5. 单相接地时，应防止相间保护误跳三相
   6. 一相跳开后重合闸拒动时，应避免线路长期非全相运行
   7. 任两相分相跳闸继电器动作后，应联跳第三相
   8. 无论单相或三相重合闸，在重合不成功后，都应加速切除三相
   9. 非全相运行过程中，如又发生另一相或两相的故障，保护应能有选择性的切除故障
   10. 断路器气压或液压低至不允许重合时，应将重合闸闭锁

3. 单断路器线路的重合闸逻辑
   

5.6 微机保护中的重合闸逻辑举例

本课程不涉及

小结

• 关键概念：瞬时性故障、永久性故障、三相重合闸、单相重合闸、综合重合闸、解列重合闸、自同步重合闸、潜供电流、重合闸前加速、重合闸后加速
• 具有同步检定和无压检定重合闸的配置关系和工作过程
• 重合闸动作时限的整定原则
• 重合闸和保护的配合关系

6 电力变压器的继电保护

保护的分类（按照原理来分）
过电流，低电压保护，距离保护，纵联保护，序分量保护等
保护的分类（按照保护的对象）
线路保护—电流，电压保护，距离保护和纵联保护
元件保护—变压器保护，发电机保护，母线保护，电动机，电容器，电抗器保护等

6.1 变压器的故障类型和不正常运行状态及其相应的保护方式

变压器的故障类型

油箱内故障——导致铁心烧损，绝缘物质剧烈化，可能引起爆炸

• 各绕组之间的相间短路
• 各绕组通过外壳发生的接地故障
• 单相绕组部分线匝之间的匝间短路
  油箱外故障
• 套管或引出线之间的相间短路
• 绝缘套管闪络或破坏，引出线通过外壳，而发生的接地故障

变压器的不正常运行状态

• 外部相间短路引起的过电流
• 外部接地短路引起的过电流和中性点过电压
• 负荷超过额定容量引起的过负荷
• 漏油等原因引起的油面降低
• 对于大容量的变压器，过电压或低频率等异常运行方式引起的过励磁

变压器应装设的主保护

1. 瓦斯保护
   定义：瓦斯是一种气体，瓦斯保护是一种反映于非电气量的保护。它检测气体及内部液体的流动。当变压器油箱内部发生各种故障时，油温上升，气体膨胀，瓦斯保护动作。
   保护的对象：反应变压器油箱内各种短路以及油面的降低。
   分类：轻瓦斯保护动作于信号；重瓦斯保护动作于跳闸

2. 纵差保护和电流速断保护
   瓦斯保护的特点：只能反映邮箱内的故障，无法反映套管及引出线的各种故障
   纵差动保护：反应变压器绕组、套管及引出线上的故障
   电流速断保护：小容量的变压器的主保护（6.3MVA及以下），反应变压器绕组、套管及引出线上的故障
   主保护动作后，都应跳开变压器各电源侧的断路器

变压器应装设的后备保护

• 反应外部相间短路的后备保护
  • 过电流保护—用于降压变压器
  • 低电压启动的过电流保护—升压变压器
  • 复合电压起动的过电流保护一般用于升压变压器
  • 负序电流及单相式低电压起动的过电流保护-升压变，联络变
  • 阻抗保护—升压变，联络变
• 反应外部接地故障的后备保护
  • 变压器中性点接地运行：零序电流保护
  • 自耦变压器和高、中压侧中性点都直接接地的三绕组变压器：零序方向电流保护
  • 防止中性点过电压：零序电压保护、间隙零序电流保护

中性点产生过电压的说明：B1中性点接地运行，而B2中性点不接地运行；d点发生接地故障后，B1由零序电流保护跳开，但B2仍带接地故障继续运行，从而使中性点产生过电压

压器应装设的其他保护

• 过负荷保护：接一相电流，一般延时动作于信号
• 过励磁保护：严重过励磁时动作于跳闸
• 其他非电量保护：
  • 油温高保护：反应变压器油温上升
  • 压力释放保护：反应油箱内压力升高
  • 冷却器故障保护：反应冷却系统故障，如冷却器失电或三相缺相，油压或水压差偏小等

6.2 变压器的故障分量比率差动保护——变压器的主保护之一

1. 差动保护的基本原理
   

2. 产生不平衡电流的因素
   (1) 变压器励磁涌流：当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，变压器励磁回路可能出现数值很大的励磁电流，该电流称为励磁涌流
   (2) 变压器两侧电流相位不同
   (3) 计算变比与实际变比不同
   (4) 两侧电流互感器型号不同
   (5) 变压器带负荷调整分接头

(1) 变压器励磁涌流

正常情况下：2%10%额定电流
外部故障时，由于电压降低，励磁电流更小
电压突然变化时，励磁电流最大可达68倍额定电流，即励磁涌流

• 合闸时电压的初相角
• 铁心中剩磁的大小和方向
• 变压器铁心的饱和磁通（铁心性质）
• 电源容量大小、回路阻抗大小、变压器容量大小
  
  

设在 时合闸，加在变压器上的电压为：

根据： 则空载合闸时铁心中的磁通为：

设合闸时电压的初相角
经过 0.01 秒，铁心中磁通达到最大，为：

• 单相变压器：电压初相角 时合闸，涌流最大；初相角 时合闸，没有涌流
• 三相变压器：无论何时合闸，都会产生涌流
  

励磁涌流的特征

1. 有很大的非周期分量
2. 有大量高次谐波，而以二次谐波为主
3. 波形之间出现间断，存在间断角
   

防止励磁涌流影响的方法

1. 采用具有速饱和铁芯的差动继电器
2. 鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别：判间断角
3. 利用二次谐波制动
4. 采用波形对称的方法来鉴别涌流

具有速饱和铁心的差动继电器
BLH为具有速饱和特性的中间变流器
基本原理：非周期分量电流使BLH快速饱和，破坏了周期分量电流的传变
缺点：内部故障时保护动作时间延长

励磁涌流鉴别原理
（1）二次谐波抑制

（2）波形比较制动

（3）其他鉴别励磁涌流的方法-波形对称法，微机保护中常用的

(2) 变压器两侧电流相位不同

(3) 计算变比与实际变比不同

解决方法：

• 电磁式保护：在差动继电器的中间变流器上加平衡线圈进行补偿(Wb只能是整数，因此不可能完全补偿)
• 微机保护：计算补偿

(4) 两侧电流互感器型号不同

(5) 变压器带负荷调整分接头

(6) 变压器不平衡电流总结

(1)变压器励磁涌流——已经解决
(2) 变压器两侧电流相位不同—已经解决
(3) 计算变比与实际变比不同
(4) 两侧电流互感器型号不同
(5) 变压器带负荷调整分接头
稳态情况下，变压器纵差动保护的最大不平衡电流：

---

3. 变压器纵差动保护的整定计算
   

4. 变压器纵差动保护的灵敏度校验
   最小短路电流的计算方式：单侧电源供电时，系统在最小运行方式下，变压器发生短路时的最小短路电流

灵敏度不满足要求时，需要采用具有制动特性的差动继电器。

5. 具有制动特性的差动继电器的整定

• 起动电流随着外部短路电流的增大而增大。
• 由于曲线3始终在直线1之上，因此外部故障时差动继电器不会误动
• 内部故障时，继电器的灵敏性大大提高
  

6. 微机保护中比率制动特性的实现
   
   
   
   微机型变压器纵联差动保护
   
   

变压器严重故障的加速方法

加速原因：内部不对称故障时，差动电流中会出现较大的二次谐波分量，使差动保护制动

---

故障分量比率差动保护原理

6.3 变压器的电流和电压保护

变压器的电流和电压保护——变压器的近后备以及相邻元件的远后备，反应相间故障

• 主保护—瓦斯保护和差动保护反映于变压器内部以及引出线的故障。
• 外部相间故障时，流过变压器有过电流，可以考虑装设过电流保护，作为变压器的后备保护。
  • 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

整定原则：

1. 对并列运行的变压器，应考虑突然切除一台时所出现的过负荷
2. 对降压变压器，应考虑低压侧负荷电动机自起动时的最大电流

---

动作时限及其灵敏度校验
动作时限：阶梯动作时限，即比出线保护的动作时限高出一个
保护的灵敏度校验：

• 作为变压器的后备保护时，要求
• 由于考虑了电动机的自启动过程，过电流保护的整定值比较大，作远后备时，保护的灵敏度往往不够。

低电压起动的过电流保护

整定原则

1. 低电压元件起动值应考虑以下因素
   • 躲开正常运行情况下母线上可能出现的最低工作电压
   • 外部故障切除后，电动机自起动过程中，必须返回
2. 过电流元件按躲开变压器的额定电流整定

---

灵敏度校验
低电压元件的灵敏度校验：

:在最大运行方式下，相邻元件末端三相短路时，保护安装处的最大线电压

过电流元件的灵敏度校验：

复合电压起动的过电流保护

整定原则

1. 过电流元件按躲开变压器的额定电流整定
2. 相间电压元件起动值应考虑以下因素
   • 躲开正常运行情况下母线上可能出现的最低工作电压
   • 外部故障切除后，电动机自起动过程中，必须返回
3. 负序电压元件起动值按躲开正常运行方式下负序过滤器出现的最大不平衡电压整定

复压起动的电流保护的优点：
与低电压起动的过电流保护相比：

• 由于负序电压元件的起动值小，因此在不对称短路时，电压元件的灵敏度高
• 在变压器后面发生不对称短路时，电压元件的工作情况与变压器采用的接线方式无关
  注意：对于大容量的变压器和发电机组，由于其额定电流很大，而在相邻元件未端两相短路时的短路电流可能较小，因此采用复合电压起动的过电流保护往往不能满足作为相邻元件后备保护时对灵敏系数的要求。在这种情况下，应采用负序过电流保护。

6.4 变压器的接地保护

接地保护——变压器的近后备和相邻元件的远后备，反应接地故障

变压器中性点的接地原则：
(1)在多电源系统中，每个发电厂至少有一台变压器的中性点接地，以防止发生由于接地短路引起的过电压。

(2)在发电厂和低压侧也有电源的变电所的变压器多于一台时，应该将部分变压器的中性点接地。
(3)低压侧无电源的变压器的中性点多采用不接地运行，以提高保护的灵敏度和简化保护接线（可不装设方向元件）。

只有一台升压变压器的零序电流保护的整定原则：

• 保护的动作电流，按照与被保护侧母线引出线零序电流保护后备段在灵敏度上相配合的条件来整定，即
• 保护的灵敏度按后备保护范围末端接地短路校验，灵敏系数应不小于1.2。
• 保护动作时间比出线零序电流保护后备段大一个阶梯时限 。

仅部分变压器中性点接地系统的变压器接地保护：

• 变压器高压绕组中性点是否接地运行还与变压器的绝缘水平有关。220kV及以上的大型变压器，高压绕组均为分级绝缘，但绝缘水平不尽相同，也与中性点接地方式有关。
• 为了限制短路电流并保证系统中零序电流的大小和分布尽量不受系统运行方式变化的影响，在发电厂或变电所中通常只有部分变压器的中性点接地。
• 针对变压器中性点是否装设了放电间隙，应设置不同的保护。
• 装设了放电间隙的变压器，当其间隙上的电压超过动作电压时迅速放电，形成中性点对地短路，从而保护变压器中性点的绝缘。因放电间隙不能长时间通过电流，故在放电间隙上装设零序电流元件，一旦检测到间隙放电后迅速切除变压器。

中性点未装放电间隙：

• 尽量减少故障的影响范围，即发生故障时，应使故障侧的变压器退出运行；
• 出现接地故障后，应考虑首先断开中性点不接地的变压器，以防止过电压造成的危害。

中性点安装放电间隙：

自耦变压器接地保护的特点：

6.5 变压器的瓦斯保护

瓦斯保护——变压器的主保护之一

瓦斯继电器的基本原理和作用

• 变压器油箱内部故障时，故障点电流和电弧将使变压器油及其它绝缘材料因局部受热而分解产生气体（瓦斯气体）。气体从油箱经连接管流向油枕的上部。
• 瓦斯继电器反应变压器油箱内气体量的多少和油流的速度而动作，是针对变压器油箱内各种故障而配置的保护，不能反应油箱外套管及引出线上发生的故障
• 轻瓦斯保护动作于信号；重瓦斯保护动作于跳闸

开口杯挡板式瓦斯继电器的结构：

瓦斯继电器的工作过程：
a) 变压器正常运行时：上下两对触点都断开，不发出信号

b)变压器油箱内部发生轻微故障：上触点接通信号回路，发出音响和灯光信号，这称之为“轻瓦斯动作”

c)变压器油箱内部发生严重故障：下触点接通跳闸回路，使断路器跳闸，同时发出音响和灯光信号，这称之为“重瓦斯动作”

瓦斯继电器的原理接线：

小结

• 关键概念：变压器励磁涌流、比率制动
• 变压器的故障和异常及相应的保护配置
• 变压器纵差动保护中产生不平衡电流的因素
• 励磁涌流的特征及防止励磁涌流影响的方法
• 具有速饱和铁心的差动继电器的工作原理
• 带制动特性差动继电器的工作原理以及内部故障时提高灵敏性的分析
• 变压器过电流保护、低电压过电流保护、复压起动过电流保护的整定原则
• 变压器中性点接地原则
• 瓦斯保护的作用和基本原理

7 发电机的继电保护

7.1 发电机的故障类型和不正常运行状态

1. 发电机的故障类型
   发电机基本结构：发电机由定子（ABC 三相）和转子（旋转磁场）组成

• 定子绕组
  • 定子绕组及引出线相间短路
  • 定子绕组匝间短路（大容量发电机）
  • 定子绕组单相接地
• 转子绕组—励磁回路
  • 转子绕组一点或两点接地
  • 转子绕组励磁电流消失

2. 发电机的不正常运行状态

• 定子
  • 定子绕组过电流（外部短路引起）
  • 过负荷（负荷超过发电机的额定容量引起）
  • 发电机负序过电流（不对称负荷或外部不对称短路引起的）—负序电流会引起发电机发热
  • 定子绕组过电压（突然甩负荷引起）
• 转子绕组
  • 励磁回路故障或者强励时间过长而引起的转子绕组过负荷
  • 汽轮发电机主汽门突然关闭而引起的发电机的逆功率

3. 发电机的保护方式

• 定子绕组
  • 纵差保护：定子绕组及引出线相间短路
  • 横差保护：发电机定子绕组匝间短路（大容量发电机）
  • 零序电流和零序电压保护：定子绕组单相接地
  • 过电流保护：外部短路引起的定子过电流：采用负序过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护或过电流保护；
  • 注意：对于发电机变压器组，一般采用复合电压启动的过电流保护
  • 负序电流保护：发电机不对称短路引起的负序电流
  • 过电压保护：发电机突然甩负荷引起的过电压
• 转子绕组
  • 转子接地保护：转子绕组一点或者两点接地短路
  • 转子绕组过负荷保护：转子过负荷
  • 失磁保护：励磁绕组失电
  • 逆功率保护：汽轮发电机主汽门突然关闭
• 重点介绍的保护
  • 发电机纵差保护，横差保护，定子接地保护，失磁保护
• 发电机保护动作的特点：
  • 发电机侧的断路器跳开，另外，必须切断励磁回路——作用：转子回路不存在电流，也就不在定子绕组中感应电势，不再继续供给短路电流

7.2 发电机的纵差动保护和横差动保护

纵差动保护

纵差动保护的原理：
反应定子内部相间短路：动作于跳闸
反应电流互感器二次回路断线：动作于信号

断线监视继电器的整定：

• 起动电流按躲开正常运行时的不平衡电流整定，原则上越灵敏越好，通常取：
• 为了防止外部故障时由于不平衡电流的影响而误发断线信号，它的动作延时应大于发电机所有后备保护的动作时限

差动继电器的整定：

（1）在正常运行情况下，电流互感器二次回路断线时保护不应误动

（2）按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定

不同类型发动机的差动电流整定值
（1）汽轮发电机：励磁阻抗较小， ，则
（2）水轮发电机：励磁阻抗较大， ，则

具有比率制动特性的差动继电器：

• 最小起动电流：
• 拐点制动电流：一般取
• 制动系数（制动特性的斜率）：0．2 0．4

纵差保护的灵敏度校验：

Ik.min为发电机内部故障时流过保护的最小短路电流，需要考虑如下两种情况：

1. 发电机与系统并列运行以前，也即发电机单机运行时，在其出线端发生两相短路
2. 发电机采用自同期并列时，励磁回路无电流，发电机侧无电流，差动回路中流入的电流只有系统供给的短路电流—-在系统最小运行方式下，发电机中性点侧发生两相短路

不完全差动保护：原理与变压器比率制动纵联差动保护类似

横差动保护

横差动保护的原理—定子绕组结构：

• 大容量发电机的特点：额定电流太大，定子绕组的每一相都是由两个并联的绕组组成。
• 正常运行时：每相每个绕组感应电势相等，绕组间无环流；
• 匝间短路时，两个绕组的感应电势不相等，在绕组间有环流。
  

横差动保护的原理：
利用反应两个支路电流之差的原理，可实现对发电机定子绕组匝间短路的保护。
流入差动电流继电器的电流为 其中，

横差动保护的接线方式:
裂相横差：每相装设两个电流互感器，每相用一个继电器，有较大的不平衡电流
单元件横差：两个并列的星形接线的中性点连线上接一个电流互感器，有较小的不平衡电流。

• 采用三次谐波过滤器的原因：滤除三次谐波（三次谐波都会反映到中性线上，三次谐波在绕组中有环流，影响继电器的工作特性）
• 延时继电器的作用：转子回路发生两点接地故障时，会引起较大不平衡电流，导致横差保护动作——可以考虑带 0.5 ~ 1 秒的延时，再动作于跳断路器和灭磁开关。

横差动保护的整定：

• 保护有死区，死区范围跟整定值有关
• 转子回路两点接地时，磁场有畸变，出现不对称，定子绕组中感应电势不相等，横差继电器中有环流，横差动保护可能误动作；
• 转子一点接地时，横差动保护应切换至带0.5~1s的延时动作于跳闸，可防止转子回路偶然性的两点接地时引起的横差保护误动作

7.3 发电机的定子单相接地保护

发电机电压网络的特点：

• 发电机的中性点都是不接地或经消弧线圈接地的
• 发电机电压网络是指与发电机有直接电联系的各元件组成的网络，是非直接接地系统
• 发电机定子绕组单相接地时，流经接地点的电流为发电机电压网络对地电容电流的总和。当接地电流较大时，能在故障点引起电弧，将绕组绝缘和定子铁心烧毁
• 当接地电容电流小于 5A 时，装设动作于信号的接地保护；否则，装设动作于跳闸的接地保护

定子绕组单相接地的特点-故障点对地电压：

定子绕组单相接地的特点–发电机机端电压：

定子绕组单相接地的特点-零序电流：

利用零序电流构成的定子接地保护：

需要采用高灵敏的零序电流互感器：

• 尽量提高零序电流互感器的励磁阻抗
• 零序电流互感器尽量靠近发电机安装

定子零序电流保护的整定：

1. 躲过外部单相接地时发电机本身的电容电流以及正常运行时零序电流互感器二次侧的不平衡电流
2. 零序电流保护的一次动作电流应小于发电机单相接地电流的允许值
   说明:

• 当启动电流不考虑发电机的暂态电容电流时，保护需带有1~2s的动作延时
• 当启动电流不考虑外部相间短路时的不平衡电流时，需要在相间保护动作时将接地保护闭锁
• 定子绕组中性点附近接地时，接地电流很小，定子零序电流保护存在动作死区

利用零序电压构成定子接地保护：

定子零序电压保护的整定：

1. 躲开正常运行时的不平衡电压
2. 躲开变压器高压侧接地时在发电机端产生的零序电压

• 如果没有装设三次谐波电压过滤器，则Uset=15~30V
• 装设了三次谐波电压过滤器，则Uset可以适当降低
• 零序电压的保护范围一般为85%。

反应100%定子绕组的接地保护：
一是零序电压保护，能保护定子绕组的85%以上；
二是用来消除零序电压保护不能保护的死区

• 附加直流或低频电源（20或者25Hz），将其电流注入定子绕组，当定子绕组接地时，保护装置将反映于此电流而动作。
• 利用发电机固有的三次谐波电势

发电机三次谐波电势的分布特点-无消弧线圈

发电机三次谐波电势的分布特点-有消弧线圈
发电机中性点侧对三次谐波的等值电抗为：

发电机机端点侧对三次谐波的等值电抗为：

发电机三次谐波电势的分布特点-定子绕组单相接地故障

100%定子接地保护的特点：

• 利用三次谐波电压构成的接地保护，可以反应定子绕组中靠近中性点侧50%范围内的单相接地故障，且故障点越接近于中性点时，保护越灵敏
• 利用基波零序电压构成的接地保护，可以反应靠近定子机端侧85%范围内的单相接地故障，且故障点越接近于出线端时，保护越灵敏

7.4 发电机的负序过电流保护

定子负序电流产生原因及影响：
产生原因：电力系统发生不对称短路；在正常运行情况下三相负荷不平衡
影响：

• 在转子绕组、阻尼绕组及转子铁心等部件上感应出100Hz的倍频电流，造成局部过热
• 产生100Hz的交变电磁转矩，并作用在转子大轴和定子机座上，引起100Hz的振动

定子负序电流引起转子发热的度量：
假定发电机转子为绝热体（不向周围散热），则不使转子过热所允许的负序电流和时间的关系：

发电机组容量越大，承受负序过负荷的能力越小，即A值越小
2025-05-28-15-07-40

定子负序过电流保护的作用：
主保护：对定子绕组电流不平衡而引起转子过热的一种保护，是发电机的主保护之一
后备保护：在相邻元件发生不对称短路时，定子负序过电流保护可以作为后备保护；需要附加装设一个单相式的低电压起动过电流保护，以反应三相短路

负序反时限过电流保护：
发电机允许负序电流的特性是在绝热条件下给出的，考虑转子散热条件后，对于同一时间内所允许的负序电流值实际上要比用允许负序电流曲线计算出的值大

7.5 发电机的失磁保护

发电机失磁运行及影响-失磁原因：

• 转子绕组故障
• 励磁调节器或者励磁机故障，如励磁机绕组短路，励磁机本身失去励磁
• 灭磁开关误跳闸
• 半导体励磁系统中某些元件损坏或回路发生故障
• 误操作

发电机失磁运行及影响：

失磁后的物理现象：

• 发电机发出的电磁功率下降。 减小 减小
• 原动机的剩余力矩将使发电机加速，使功角增大直至超过静稳极限，此后发电机与系统失去同步
• 发电机无功随着感应电势的减小和功角的增大而减小，最终从系统中吸收感性无功
• 转子绕组失磁后，感应出滑差电流，产生的异步转矩与原动机转矩平衡，进入稳态异步运行。
• 无功功率反向—发电机从向系统输送无功变为从系统吸收无功。
• 发电机定子电流增大—原因是定子绕组中除了有功电流，还从系统中吸收大量无功功率
• 定子电压下降—发电机容量占系统容量的百分比越大，定子电压下降越多

失磁的后果：

• 对于发电机：
  • 定子过热
  • 转子发热（滑差电流造成）
  • 异步力矩产生不均匀的转矩，发电机会振动
  • 定子电流由于吸收大量无功而增大
  • 定子电压下降
• 对系统：破坏了系统的无功平衡->系统如果没有足够的备用无功功率，系统电压下降->相邻的并列运行的发电机强励磁动作->过载，跳闸->扩大事故->甚至造成系统崩溃。

发电机失磁后的机端测量阻抗:

a) 等有功阻抗圆(失步前)

等有功圆的物理意义：发电机失磁后到失步前，有功功率近似不变；发电机的无功功率的变化：从向系统输送无功转为向系统吸收无功（ 由正变为负）；

b) 临界失步阻抗圆(功角为90度，无功恒定)




该圆称为临界失步阻抗圆，也称为等无功圆
等无功圆的物理意义：圆外为稳定工作区，圆周为临界失步点，圆内为失步区。

c) 失步后的异步运行阶段

---

综上所述，发电机失磁后，机端测量阻抗的变化规律为：等有功圆->等无功圆->异步运行

从a点过渡到b点，直接进入异步运行状态C点

---

其它运行方式下的机端测量阻抗：

系统振荡时机端测量阻抗：
在振荡情况下，发电机的等值电抗可以用暂态电抗Xd’来表示；

7.6 发电机-变压器组继电保护的特点

本课程不涉及。

小结

• 关键概念：发电机失磁、等有功阻抗圆、等无功阻抗圆
• 发电机的故障和异常及相应的保护配置
• 发电机纵差动保护的原理、整定及灵敏度校验
• 发电机横差动保护的原理和接线方式
• 发电机定子单相接地的特点及单相接地保护原理
• 100%定子单相接地保护的构成方式及利用三次谐波构成的原理
• 定子负序过电流的影响及负序过电流保护原理
  -发电机失磁的影响及失磁后机端阻抗的变化规律