電力系統繼電保護原理,黑龍江科技學院,目錄,第一章 緒論第二章 電網的電流保護和方向性電流保護第三章 電網的距離保護第四章 輸電線的縱聯保護第五章 自動重合閘第六章 電力變壓器的繼電保護第七章 發電機的繼電保護第八章 母線的繼電保護,第一章 電網的電流保護和方向性電流保護,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護2.2 網絡相間短路的方向性電流保護2.3 大接地電流系統的零序電流保護2.4 小接地電流系統的接地保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,一、繼電器二、電流保護：電流速斷保護（I段） 限時電流速斷保護（II段） 過電流保護（III段）三、電流保護的接線方式四、三段式電流保護的原理接線圖,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,輸電線發生相間短路時，電流會突然增大，故障相間的電壓會降低，利用這一特征就可以構成電流保護。 電流保護主要包括： 無時限電流速斷保護 限時電流速斷保護 定時限過電流保護 電流繼電器是實現電流保護的基本元件，電流繼電器是反應于一個電氣量而動作的簡單繼電器的典型,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,一、繼電器 1. 螺管線圈式 結構：鐵心、線圈、可動銜鐵 止擋、接點、彈簧,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,2. 吸引銜鐵式 結構：鐵心、線圈、可動銜鐵、 止擋、接點、彈簧,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,3. 轉動銜鐵式 結構：鐵心、線圈、可動銜鐵、 止擋、接點、彈簧,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,繼電器的動作條件：為使繼電器動作，必須增大電流，通過增大電流來增大電磁轉矩，當電磁轉矩大于彈簧的作用力矩及摩擦力矩之和時，保護動作。 繼電器的動作電流：能使繼電器動作的最小電流IdzJ 繼電器的返回條件：繼電器動作之后，當電流減小時，繼電器在彈簧的作用下返回。為使繼電器返回，,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,彈簧的作用力矩必須大于電磁力矩及摩擦力矩之和。繼電器的返回電流：能使繼電器返回原位的最大電流值IhJ 繼電器的返回系數：返回電流與啟動電流的比值Kh,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,無論啟動和返回，繼電器的動作都是明確干脆的，它不可能停留在某一個中間位置，這種特性稱為繼電特性。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,二、電流保護1. 電流速斷保護（I段） 僅反應電流增大而瞬時動作的電流保護。 （1）短路電流的計算： 短路電流的大小與系統運行方式、故障點的位置和故障類型有關。 相關概念：最大運行方式：對每一套保護裝置來說，通過該保護裝,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,置的短路電流為最大的方式 最小運行方式：對每一套保護裝置來說，通過該保護裝置的短路電流為最小的方式 指同一點同一故障。 最大運行方式：是系統在該方式下運行時，具有最小的短路阻抗值，發生短路后產生的短路電流最大的一種運行方式。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,最小運行方式：是系統在該方式下運行時，具有最大的短路阻抗值，發生短路后產生的短路電流最小的一種運行方式。 圖中上面的曲線：最大運行方式下三相短路電流曲線圖中下面的曲線：最小運行方式下兩相短路電流曲線短路電流計算公式：,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,結論： 系統運行方式越大（Zs越小的運行方式）短路電流越大 故障點越近，短路電流越大，反之短路電流越小 在某種運行方式下，同一點短路三相短路的短路電流大于兩相短路的短路電流,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,（2） 整定計算 為了保證選擇性，保護裝置A的動作電流 就必須大于被保護線路AB末端短路時的最大短路電流Id.B.max 整定。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,可靠系數： 引入可靠系數的原因：必須考慮實際上存在的各種誤差的影響 實際的短路電流大于計算值 對瞬時動作的保護還應考慮非周期分量使總電流增大的影響 保護裝置中電流繼電器的實際啟動電流可能小于,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,整定值 必須考慮必要的裕度 從最不利的情況出發，即使同時存在著以上幾個因素的影響，也能保證在預定的保護范圍內故障時，保護裝置不誤動，因而必須乘以大于1的可靠系數。 （3） 靈敏度的校驗 用保護范圍的大小來衡量，規程規定，其最小保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,保護范圍一般不應小于被保護線路全長的（1520）%。 解： 得：,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,相關概念： 保護裝置的動作電流：對于反應于電流升高而動作的電流速斷保護而言，能使該保護裝置啟動的最小電流值，是用電力系統一次側的參數表示的。 結論： 僅靠動作電流值來保證其選擇性 能無延時地保護被保護線路的一部分（不是完整的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,（4） 單相原理接線圖,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,中間繼電器的作用: 接點容量大，可直接接通TQ去跳閘 當線路上裝有管型避雷器時，利用其固有動作時間（60ms）防止避雷器放電時保護誤動,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,2. 限時電流速斷保護（II段）,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,在任何情況下都能保護線路全長，并具有足夠的靈敏性，還應有盡可能短的動作時限。 （1）整定計算： 為保證選擇性及最小動作時限，首先考慮其保護范圍不超過相鄰下一條線路第I段的保護范圍，時間比其大一個時間級差t。 動作電流：,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,動作時間： 可靠系數： 考慮到短路電流中的非周期分量已經衰減，故可選取得比I段的可靠系數小一些。 時間級差t的確定原則： 應包括故障線路斷路器的跳閘時間 。 應包括故障線路保護中時間繼電器的實際動作,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,時間比整定值大 。 應包括被整定保護中時間繼電器的實際動作時間比整定值小 。 如果被整定保護中的測量元件（電流繼電器）在外部故障切除后，由于慣性的影響而不能立即返回，則還應包括測量元件延遲返回的慣性時間 。 考慮一定的裕度 。 即 通常取0.5s。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,（2）靈敏度校驗：用靈敏系數Klm來衡量。 靈敏系數Klm按被保護線路末端發生兩相短路時的短路電流來計算，規程要求，靈敏系數不小于1.31.5。 若靈敏性不滿足要求，與相鄰線路第II段配合。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,動作電流： 動作時間： 限時電流速斷保護的保護范圍大于本線路全長。 依靠動作電流和動作時間共同保證選擇性。 與第I段共同構成被保護線路的主保護，兼作第I段的近后備保護。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,（4）限時電流速斷保護單相原理接線圖,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,3. 定時限過電流保護（III段） 作為本線路主保護的后備保護以及相鄰下一線路保護的遠后備保護。其啟動電流按躲過最大負荷電流來整定的保護稱為過電流保護，此保護不僅能保護本線路全長，且能保護相鄰線路的全長。 （1）整定計算： 動作電流必須滿足兩個條件： 躲過最大負荷電流,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,在外部故障切除后，電動機自啟動時，應可靠返回。 選取以上兩個條件計算出的較大數值作為保護的動作電流。動作時限：按階梯形時限特性（如下圖）選取教驗。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,（2）靈敏度校驗：分兩種情況分別用靈敏系數Klm來衡量。 作為本線路的保護時，應采用最小運行方式下本線路末端兩相短路的電流進行校驗，要求Klm1.31.5. 作為相鄰線路的后備保護時，則應采用最小運行方式下相鄰線路末端兩相短路的電流進行校驗，要求Klm1.2.,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,4.過電流保護原理接線圖,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,三、電流保護的接線方式 1.定義：指保護中電流繼電器與電流互感器二次線圈之間的連接方式。 2.常用的兩種接線方式： 三相星形接線和兩相星形接線。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,接線系數Kjx：電流互感器副邊電流I2與流入電流繼電器IJ的電流之比。 上述兩種接線方式中，流入電流繼電器的電流IJ與電流互感器的二次電流I2相等，其接線系數為1。 當保護裝置的啟動電流為Idz時，則繼電器的動作電流Idzj應為,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,其中nl為電流互感器的變比。兩種接線方式的特點：（1）對各種相間短路，兩種接線方式均能正確反應。（2）兩點接地短路時 在小接地電流系統中，不同相的兩點接地時，只要求切除一個故障點，以提高供電的可靠性。例1：在下圖串聯線路上發生兩相接地短路,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,a、采用三相星形接線時： 由于保護1和保護2之間有配合關系，因此能保證100%的只切除NP線路。 b、采用兩相星形接線時： 將有1/3的機會使靠近電源的MN線路誤跳閘，從而擴大了停電范圍。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,例2：在下圖平行線路上發生兩點接地短路,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,a、采用三相星形接線時，保護1和保護2將同時動作切除兩條線路。 b、采用兩相星形接線時：2/3的機會只會切除一條線路。 由上分析可見，在小接地電流系統中兩點接地時，兩種接線方式各有優缺點，為了節省設備和投資。通常在這種網絡上規定采用兩相星形接線。同時必須指出 ，整個系統中應該將兩相星形接線的兩個電流互,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,感器都裝在相同的兩相上（通常為A、C相）3. 在Yd接線變壓器后兩相短路時,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,結論：Yd，11接線的降壓變壓器后兩相短路時，高壓（Y）側滯后相電流是其他兩相電流的兩倍并與它們反相位。 由前面的分析可以看出，當Yd，11變壓器兩相短路時，變壓器另一側三相的電流是不相等的，其中兩相的電流只為第三相的一半。當該側作為后備保護的過電流保護采用三相接線時，總有一個繼電器流過最大的相電流，保護裝置的靈敏度較高。如采用兩相星,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,形接線，則在某一種兩相短路時，流過繼電器的電流只有最大相電流的一半，保護裝置的靈敏度也將減少到一半，這是兩相星形接線方式的一個缺點。為了克服這個缺點，可采用下圖所示接線，即在中性線上加接一電流繼電器。此繼電器流過的電流即為第三相的電流。故可提高靈敏性。這種接線方式也稱兩相三繼電器式接線。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,4.兩種接線方式的經濟性 三相星形接線方式需要三個電流互感器、三個電流繼電器和四根二次電纜，相對來說是復雜和不經濟的。 兩種接線方式的應用情況 三相星形接線：廣泛應用于發電機、變壓器等大型貴重電氣設備的保護中； 兩相星形接線 ：廣泛用于中性點直接接地電網和非直接接地電網中。,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,四、三段式電流保護的原理接線圖,第一節 單側電源網絡相間短路的電流保護,電流速斷保護和限時電流速斷保護采用兩相星形接線，而過電流保護則采用兩相三繼電器式的接線方式。以提高在Yd，11接線變壓器后面兩相短路的靈敏性。每段保護動作后，都有自己的信號繼電器掉牌給出信號。在每段保護動作調整的回路中分別沒有連接片LP ，以便根據運行的需要臨時停用任一段保護。,第二節 電網相間短路的方向性電流保護,方向性電流保護的工作原理一、問題的提出 為提高供電的可靠性，出現了單側電源環形供電網絡、雙電源或多電源網絡。但在這樣的網絡中簡單的電流保護不能滿足要求。分析如下：,第二節 電網相間短路的方向性電流保護,對電流速斷保護 d1點短路，要求Id1Iop2即（ Iop3 Iop2 ），否則保護2誤動。 d2點短路，要求要求Id2Iop3即（ Iop2 Iop3 ），否則保護3誤動。 對多電流保護 d1點短路，要求t3t2 d2點短路，要求t2t3顯然這樣要求是矛盾的,第二節 電網相間短路的方向性電流保護,二、幾個概念 1.短路功率：指系統短路時，某點電壓與電流相乘所得到的感性功率。在不考慮串聯電容和分布電容，在線路短路時，短路功率從電源流向短路點。 2.故障方向：指故障發生在保護安裝處的哪一側，通常有正向故障和反向故障之分，它實際上是根據短路功率的流向進行區分的。,第二節 電網相間短路的方向性電流保護,正方向故障：從保護安裝處看出去，在“母線指向線 路”方向上發生的故障。反方向故障：從保護安裝處看出去，在“線路指向母 線”方向上發生的故障。保護安裝處：電流互感器的位置，電流從電流互感器的那側流入。母線電壓為參考，短路電流與短路功率方向一致。,第二節 電網相間短路的方向性電流保護,三、原因分析：反方向短路時對側電源提供的短路電流引起保護誤動作。四、解決辦法： 利用方向性元件與電流元件相結合就構成了方向電流保護。 由于元件動作具有一定的方向性，可在反方向故障時把保護閉鎖。 正方向故障時保護才能動作，按正方向分組。,第二節 電網相間短路的方向性電流保護,第二節 電網相間短路的方向性電流保護,五、原理接線圖,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,電力系統中性點工作方式：中性點直接接地、中性點不接地和中性點經消弧線圈接地。 在中性點直接接地系統中，X0/X13。當發生單相接地時，通過變壓器接地點構成短路通路，使故障相產生很大的短路電流，所以稱其為大接地電流系統。110kV及以上電網中性點直接接地系統（大接地電流系統）66kV及以下電網中性點不接地或不直接接地系統（小接地電流系統）,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,運行經驗表明，在中性點直接接地系統中，單相接地幾率占總故障率的70%90%。所以正確設置接地故障的保護，是該系統的中心問題之一。而在該系統中發生單相接地，系統中會出現零序分量，而正常運行時無零序分量，故可利用零序分量構成接地短路的保護。 一、零序分量的特點 1、零序電壓：故障點的零序電壓U0最高，離故障點越遠處U0越低，變壓器中性點接地處U0=0,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,2、零序電流：零序電流的數值和分布與變壓器中性點接地的多少與位置有關，而與電源的數目和位置無關。 3、零序功率：S0=I0U0，由于故障點的U0最高，所以故障點的S0也最大，越靠近變壓器中性點處S0愈小。在故障線路上， S0是由線路流向母線。 4、保護安裝處的U0與I0的相位關系,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,該處的零序電壓與零序電流的相位差由 的阻抗角決定，而與被保護線路的零序阻抗及故障點的位置無關。 二、零序分量的獲取 零序電壓過濾器 為了獲得零序電壓，通常由副邊接成開口三角形的電壓互感器構成。,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,當發電機的中性點經電壓互感器或消弧線圈接地時，從它的二次繞組也能夠獲得零序電壓。,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,在集成電路中，由電壓形成回路取得三個相電壓后，利用加法器將三個相電壓相加，也可以從內部合成零序電壓。,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,零序電流的獲取：可利用零序電流過濾器或零序電流互感器來獲得。 零序電流過濾器 為取得零序電流，通常采用三相電流互感器按星形接線方式接線，從中線上即能得到零序電流。,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,零序電流互感器 對于采用電纜引出線的送電線路，廣泛采用零序電流互感器的接線獲得3I0.,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,零序電流保護 通常零序電流保護有三部分組成 （1）無時限零序電流速斷保護（又稱零序電流I段保護） （2）限時零序電流速斷保護（又稱零序電流II段保護） （3）零序過電流保護 （又稱零序電流III段保護） 無時限電流速斷保護 無時限零序電流速斷保護與無時限電流速斷保護相似，是靠選擇電流整定值來獲得動作的選擇性。,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,原則1：躲過下一條線路出口接地短路的最大三倍零序電流3I0.max,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,計算3I0.max的條件 a.故障點：本線路末端； b.故障類型：當X0 X1時，采用單相接地短路，反之則采用兩相接地短路為計算故障類型； c.運行方式： Z1最小，保護安裝側變壓器中性點接地最多，對側變壓器中性點接地最少的運行方式。,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,原則2：躲過斷路器三相觸頭不同時合閘而出現的三倍零序電流3I0bt,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,計算3I0bt： a.兩相先合 b.一相先合,第三節 大接地電流系統的零序電流保護,式中 斷線點兩側系統的等值電勢； Z1、 Z2、 Z0斷線點的正序、負序、零序輸入阻抗。當Z0 Z1取一相先合，反之取兩相先合計算。 選擇上兩式的較大者作為保護的整定值，如果保護裝置的動作時間大于