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》

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。

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。

2.2 电网相间短路的方向性电流保护

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

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