1、电力系统继电保护原理教案,1 绪论,1-1 继电保护的作用一、故障及不正常运行状态 Id 危害 故障元件故 障 U - 非故障元件(各种短路) f 用户 电力系统 二、继电保护作用切除故障元件，阻止故障向事故（设备损坏、用电质量下降、系统由于失稳而解裂）的发展山底下救护所而非山上护栏要点：如何正确判断故障元件,1-2 继保的基本原理和保护装置的组成 一、反应系统正常运行与故障时电气元件（设备）一端所测基本参数的变化而构成的原理（单端测量原理）,运行参数：I、U、Z反应 I过电流保护反应 U低电压保护反应 Z低阻抗保护(距离保护),二、反应电气元件内部故障与外部故障（及正常运行）时两端所测电流相
2、位和功率方向的差别而构成的原理（双端测量原理，也称差动式原理）,以A-B线路为例：规定电流正方向：保护处母线被保护线路 规定电压正方向：母线高于中性点 1、外部d1点短路时： 2、内部d2点短路时：(包括正常运行时),利用以上差别，可构成差动原理保护。如：纵联差动保护；方向纵联保护；相位差动保护三、保护装置的组成部分 输入测量逻辑执行 输出 信号 信号 整定值,1-3 对电力系统继电保护的基本要求 一、选择性：保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小。,d3点短路：只能保护6动作d1点短路：只能1、2动作,二、速动性：故障后,为阻止故障向事故的发展，应尽量地快速切除故障
3、。(快速保护:几个工频周期，微机保护：30ms以下) 三、灵敏性：保护装置对于其应保护的范围内发生故障的反应能力。（保护不该动作情况与应该动作情况所测电气量相差越大灵敏度）一般用灵敏系数Klm来衡量灵敏度 四、可靠性：不拒动、不误动。主要指保护装置,2 电网的电流保护,2-1 单侧电源网络反映相间短路的电流保护 一、过电流继电器 1、基本符号及特性参数 动作过程：IJMdcMdcMth+Mm舌片开始动作 Mdc 动作过程中： 舌片加速动作 ( Mdc =K(IJ /) 2 ) Mth 动作终止时出现剩余力矩：M = Mdc-Mth （有利于接点可靠闭合）,二、电流速断保护（电流I段） 电流速断
4、保护：瞬时动作的电流保护。 1、整定计算原则 (1) 短路特性分析：三相短路时d(3),流过保护安装处的短路电流：,Zd () Id,曲线max：系统最大运行方式下发生三相短路情况。 曲线min：系统最小运行方式下发生两相短路情况。 （线路上某点两相短路电流 为该点三相短路电流的 倍）,(2) 动作电流整定 原则：按躲开下条线路出口（始端）短路时流过本保护的最大短路电流整定（最大运行方式下三相短路）：IIdz.1 I(3)d.B.max IIdz.2 I(3)d.c.max IIdz.1= KkII(3)d.B.max IIdz.2= KkII(3)d.C.max （可靠系数：KkI = 1.
5、21.3）,(3) 灵敏性校验 该保护不能保护本线路全长， 故用保护范围来衡量： min：最小保护范围，对应 最小运行方式下两相短路.校验保护范围：（min/ L）100% 15% 20%,2、电流速断保护的评价优点：动作迅速(主要优点),简单可靠。缺点：不能保护本线路全长（主要缺点），直接受系统运行方式的影响，受线路长度的影响。,三、限时电流速断保护（电流II段）限时电流速断保护：以较小的动作时限切除本线路全线范围内的故障 1、动作电流的整定：与下条线路的电流I段配合。保护范围延伸到下条线路，但不超出下条线路电流I段保护范围的末端。IIIdz.1= KkIIIIdz.2= KkIIKkII(
6、3)d.C.max 可靠系数： KkII = 1.11.2,2、动作时限的配合为保证本线路电流II段与 下条线路电流I段的保护范围 重叠区内短路时的动作选择 性，动作时限按下式配合：tII1=tI2+tt （t: 0.35s0.6s,一般取0.5s） 3、保护装置灵敏性的校验对于过量保护,灵敏系数：,四、定时限过流保护 （电流III段，主要作为后备保护，对灵敏性要求高） 1、动作电流的整定原则 按躲开流过保护的最大负荷电流来整定，考虑到外部故障切除后，电压恢复时电动机的自启动过程中，保护要能可靠地返回。2、动作时限的配合,五、三段式电流保护 (1) 电流I段：由动作电流的整定来保证动作选择性，
7、动作迅速（无时限），但不能保护本线路全长，作为主保护的一部分。 (2) 电流II段：由动作电流整定与时限配合来保证动作选择性，能保护本线路全长，动作时限较小，作为主保护的另一部分（电流I段的补充） (3) 电流III段：由动作时限的配合来保证动作的选择性，动作电流按躲开负荷电流整定，其值较小，灵敏度较高，然而动作时限较长，作为后备保护。 三者合在一起成为电流三段式保护。,六、三段式电流 保护接线图 1、原理图以二次元件为整体绘制。 2、展开图以二次回路为整体绘制。交流回路直流回路,2-2 电网相间短路的方向性电流保护 一、方向性问题的提出（以双侧电源电网为例）,若E1单独供电：由保护1、3、5
8、起线路保护作用E2单独供电：由保护6、4、2起线路保护作用 E1、E2同时供电：（以B母线两侧保护2,3为例） d1点短路时（要求：2动作，3不动），若3动作失去选择性。,规定保护正方向：保护安装处母线 被保护线路 分析可知：被保护线路正方向短路时：保护不会出现误动；反方向短路时：由对侧电源供给的短路电流可能造成该保护 误动作，此时的功率方向：线路 母线 为防止保护误动,增设功率方向闭锁元件GJ(装于误动保护上) 正方向（母线 线路）：GJ动作启动保护 短路点位于 反方向（线路 母线）：GJ不动闭锁保护 增设GJ后,双侧电源网可以按单侧电源网的三段电流保护 进行配合 。,二、GJ的工作原理 假
9、设GJ接线方式为：加入GJ的电压：相电压（以相应相母线高于中性点N为正极性）电流 相电流（以母线流向线路为正极性）。 则：d1点三相短路时：d2点三相短路时： 可以通过比较电流、电压相位反应短路功率的方向。,集成电路型功率方向继电器举例,方向性电流保护原理接线图,3-1 中性点接地方式及特点 1、中性点接地方式 2、单相接地故障时，不同中性点接地方式的特点 (1)中性点不接地系统 *无短路回路，无Id，只有经等效对地C形成的大容抗回路，故障点只有较小的IC，允许系统继续运行12h，保护不需跳闸，因此供电可靠性相对较高。 *故障相对地电压降低，但非故障相对地电压升高（若为金属性接地故障，非故障相
10、对地电压将由正常时的相电压升高为线电压），因此对系统中设备的对地绝缘要求高。,3 电网接地故障的零序保护,(2)中性点直接接地系统 *有短路回路，有很大的Id，不允许系统继续运行，保护必须立即切除故障，供电可靠性相对较低。 *由于中性点对地电压被钳制为0，则各相对地电压不会超过相电压(或超过不多)，因此系统中设备的对地绝缘要求不高。 3、不同中性点接地方式的应用特点 由于110kV以上系统，其设备费用将随着对地绝缘要求的提高而大幅增加，因此我国规定110kV及以上系统采用中性点直接接地系统（其供电可靠性可通过其他措施来保证，例如采用双回线供电、环网供电等）； 110kV以下系统采用中性点非直接
11、接地系统（不接地系统） 。 当中性点不接地系统中发生单相接地故障时，若故障点对地电容电流IC大到一定程度，要求采取措施降低IC，则可在中性点增设消弧线（或高阻）来降低IC 。,3-2 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护 一、电网中发生接地短路时零序分量的特点 规定正方向： 零序电流：母线线路； 零序电压：线路高于大地） (1)故障点零序电压最高，距故障点越远，零序电压越低；零序电流分布取决于零序网。 (2) 某点零序电压U0取决于该点至接地中性点的零序阻抗，零序电流I0超前零序电压U0：(180-d0)，零序功率实际方向：线路母线（与正序相反）。 (3)零序分量受系统运行方式变化
12、的影响小（零序网基本不变）,三、零序电流速断保护（零序电流I段） 1、动作电流整定原则： (1) 躲开下条线路出口处(即本线末端)接地短路时,本保护所测的最大零序电流：IIdzKkI3Id0.bm.max （KkI：取1.21.3） (2) 躲开QF三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流：IIdzKkI3I0.btq 若保护动作时限ttQF，可不考虑此条件 (例如在手动合闸或自动重合闸时，使保护带0.1s的小延时),四、零序电流限时速断保护（零序电流II段） 1、整定原则：与下条线路的零序电流I段配合。动作电流整定：躲开下条线路零序电流I段保护范围末端接地短路时（即流过下条线路的零序电流刚好为
13、其零序电流I段整定值时）流过本保护的最大零序电流。,IIIdz.1KkII3Id0.AB.maxKkIIIIdz.2 /Kfz.minKkII：取1.11.2；分支系数Kfz3Id0.BC/3Id0.AB，Kfz.min：Kfz可能的最小值。 动作时限：tII1tI2+tt0.5s,五、零序过电流保护（零序电流III段） 1、整定原则：躲开下条线路出口处相间短路时所测的最大不平衡电流：IIIIdzKkIII3I0.bp.max 实际整定：应考虑满足各级线路灵敏系数按逐级配合的原则，即本保护零序电流III段的保护范围不超出下条线路零序电流III段的保护范围，即本线路零序电流III段与下条线路的零
14、序电流III段配合：IIIIdz.1KkIIIIIIIdz.2/Kfz.min （KkIII1.11.2） 动作时限按“阶梯原则”配合.（保证各级线路保护的动作选择性）,六、方向性零序电流保护 1、多台变压器中性点接地的复杂网中零序保护的方向问题d1短路：若 IIdz.2 IIdz.3 ,保护3的I段会误动 若 tIII2 tIII3， 保护3的III段会误动 d2短路：若 IIdz.3 IIdz.2 ,保护2的I段会误动 若 tIII3 tIII2， 保护2的III段会误动 为防止误动，在可能误动的保护上增设零序功率方向元件GJ0 （规定保护正方向：安装处母线被保护线路） 通常加入GJ0的
15、以高于大地为正极性；以母线线路为正极性。,2、三段式方向性零序电流保护的 原理接线：,七、对零序电流保护的评价 1、优点： (1) 相间短路的电流III段：IIIIdz Ifh.max (大) 零序电流III段： IIIIdz Ibp.max (小) 故：零序电流III段Klm 零序网 正序网 零序电流III段的t III (2) 零序电流I段及零序电流II段受系统运行方式影响小，较稳定，且保护范围，Klm（3Id0曲线陡；曲线max与曲线min相差小） (3) 零序电流保护不受过负荷及系统振荡的影响,3-3 中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电压、电流及方向保护 一、中性点不接地电网中
16、单相接地故障的特点 以线路II上A相金属性接地故障为例(忽略线路上阻抗压降) 1、零序电压：,2、零序电流： 各元件对地电容电流：各元件出口处所测零序电流： * 非故障元件：* 故障元件：（C：系统所有元件对地电容的总和）,3、结论： (1)系统单相接地时(A相),全系统都出现零序电压 (2)流过非故障元件的零序电流等于其本身对地电容电流。 (3)流过故障元件的零序电流等于全系统所有非故障元件对地电容电流的总和。 4、中性点经消弧线圈接地电网，难问题,三种补偿方式： 完全补偿：3C=1/(L) IC.=IL Id0.0但是在系统正常运行时，若线路三相对地电容不对称或断 路器三相触头不同时闭合将
17、出现一个零序分量电压源串在回 路中串联谐振很大的谐振电流中性点过电压。故不能采用完全补偿。 欠补偿：3C1/(L) IC.IL 当系统运行方式变化时（例如某元件退出或被切除）C 3C=1/(L) 谐振过电压，不宜采用。 过补偿：3C1/(L)IC.IL （广泛采用）过补偿度 p=(ILIC.)/IC. 一般选择 p = 5%10%,电流保护小结,4 电网的距离保护,4-1 距离保护的作用原理 一、距离保护基本概念 运行参数变化、结构参数固定 距离保护：反应故障点至保护安装处之间的距离（阻 抗）一种保护装置。 测量阻抗： ZJ Zdz 保护不动作； ZJ Zdz 保护动作 优点：* 故障时：即反
18、映U,又反映IKlm * 系统运行方式变化时，ZJ不变，故不受运行方式变化的影响,二、三段式距离保护整定原则I段：ZIdz.1=KIkZAB ； ZIdz.2=KIkZBC （KIk取0.80.85）tI 0s II段：ZIIdz.1=KIIk(ZAB+ZIdz.2) (KIIk取0.8) tII1= tI2+t 0.5s III段：ZIIIdz Zfh.min tIII按阶梯原则配合 三、三段式距离保护 基本逻辑框图,4-2 阻抗测量元件（阻抗继电器）ZKJ 一、ZKJ基本概念 一次阻抗与二次阻抗的折算： 如何比较？通常把动作特性设计为一个圆（或透镜形、苹果形、多边形）。圆内为动作区，圆外为
19、非动作区。,三种常用的圆特性ZKJ： 3个阻抗概念： * 测量阻抗ZJ：加入继电器的电压 与电流 的比。 * 整定阻抗Zzd：在最大灵敏角lm方向（特性圆直径正方向）上的动作阻抗，动作范围的整定依据。 动作阻抗Zdz.J：在某个角度方向上刚好使ZKJ动作时对应 的阻抗。,二、圆特性ZKJ的动作特性分析 1、全阻抗ZKJ 以阻抗平面的坐标原点为圆心，以整定阻抗Zzd为半径 的一个圆。ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与测量阻抗角J无关，无 方向性。 (1) 幅值比较式 动作条件：|ZJ| |Zzd| 即：,(2) 相位比较式动作条件： 即： （或： ）,2、方向阻抗ZKJ 以整定阻抗Zzd为直径，且
20、过坐标原点的一个圆。 ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与J有关，具有完全方向性。 (1) 幅值比较式 动作条件： 即： (2) 相位比较式 动作条件：,3、偏移特性ZKJ 正方向整定阻抗为Zzd时，向反方向偏移一个Zzd( 01，一般为0.10.2 ) 圆心坐标 Z0= (1-)Zzd , 半径 r = | (1+)Zzd | ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与J有关，具有不完全方向性。 (1) 幅值比较式 动作条件：即： （2) 相位比较式 动作条件：,4-3 ZKJ的接线方式 一、对接线方式的基本要求ZJ 短路点到保护安装处间的距离二、反映相间短路ZKJ的0接线方式 0接线方式 1、三相短路Z
21、J1能反映 l 而正确动作。 （z1：线路单位正序阻抗；l：短路点至保护安装处距离）,2、两相短路 以AB两相短路为例 ZKJ1： ZKJ1能反映 l 而正确动作 ZKJ2： （ 包含非故障相电压） ZJ2 ZJ1，不能正确反映z1l ，ZKJ2可能出现拒动。 ZKJ3：情况同ZKJ2为确保保护正确动作，三个ZKJ出口采用“或”逻辑。,3、中性点直接接地电网中的两相接地短路 以AB两相接地短路为例 ZKJ1： ZKJ1能反映 l 而正确动作 ZKJ2： ZJ.2 ZJ.1，不能正确反映z1l ，ZKJ2可能拒动。 ZKJ3：情况同ZKJ2为了反映各种相间故障必须采用三个ZKJ的出口采用“或”逻
22、辑。,三、反映接地短路ZKJ的零序电流补偿接线方式 各相接线方式：,4-5 影响距离保护正确工作的因素及防止方法 一、短路点过渡电阻Rg对距离保护的影响 1、Rg的性质 接地短路Rg：基本不随时间变化，来自于大地和导体阻抗 相间短路Rg：t Rg 主要是电弧电阻 2、双侧电源线路上Rg的影响 若BC线路出口经Rg短路：,尤其当角为负时， 保护可能出现：保护1，2的I段皆不动作，而由 保护1的II段动作，失去了选择性。 * 保护距短路点越近，受Rg影响越大。 * 保护整定值越小(如短线路距离保护)，受Rg影响越大。,3、Rg对不同动作特性ZKJ的影响保护范围内经Rg短路时：ZJ=Zd+Rg Rg
23、 Rg1,透镜型阻抗ZKJ开始拒动 Rg Rg2,方向阻抗ZKJ开始拒动 Rg Rg3,全阻抗ZKJ开始拒动 ZKJ动作特性在+R轴方向所占面积越大，受Rg影响越小。 4、防止Rg影响的措施 常用方法：采用能容许较大Rg而不致拒动的ZKJ（动作特性在+R轴方向所占面积较大）,二、系统振荡对距离保护的影响及振荡闭锁回路 系统振荡(同步振荡或异步运行) I，U Z 距离保护可能误动 1、系统振荡时的测量阻抗分析 以双侧电源辐射网为例: （三相对称，只分析单相） 振荡时， 绕 摆动或旋转 （ 与 的夹角在 间变化）(其中h =EN/EM )。,若 EM=EN（即：h=1），则： 变化 ZJ.M沿着直
24、线OO变化， 振荡中心位于全系统的（Z/2）处。 若振荡中心在本保护动作特性区内， 则本保护可能出现误动。,对于相同Zzd的ZKJ，在系统振荡时：全阻抗ZKJ误动区方向阻抗ZKJ误动区透镜型ZKJ误动区 一般而言：ZKJ动作特性沿OO方向所占面积越大，受系统振荡的影响越大。 设：ZJ.M经过误动区的时间：twd. 若保护动作延时ttwd.（1.5S），则可躲过振荡的影响。 （如距离III段） 2、振荡与短路的主要区别：,3、对振荡回路的基本要求： *系统振荡无故障应可靠闭锁*系统故障（包括转换性短路）保护不应闭锁*先振荡，后故障，保护应正确动作*先故障，后振荡，保护不应无选择性动作,4、振荡闭
25、锁回路工作原理： 反映测量阻抗变化速度的振荡闭锁回路保护范围内故障：ZI，ZII，ZIII同时启动，则允许保护动作跳闸。 振荡时：测量阻抗ZJ先进入ZIII圆，再进ZII圆，再进ZI圆，闭锁距离I、II段。,5 输电线路纵联保护,5-1 概述电流保护、距离保护均为单端信息，必然为阶段式，不能全线速动。 一、纵联保护分类纵联保护利用两侧信息构成保护，涉及两方面问题：保护原理和信息通道。按保护原理分为：电流差动、相位差动、方向纵联等原理。按通讯方式分为：导引线、高频、微波、光纤等；,二、高频通道高频保护：利用输电线路本身作为保护信号的传输通道，在 输送50Hz工频电能的同时叠加传送50300kHz
26、的高频讯号（保 护测量信号），以进行线路两端电气量的比较而构成的保护。 由于高频通道干扰大，不能准确传送线路两端电量的全信 息，因此一般只传送两端的状态信息（如：方向，相位）。 高频保护分类： 方向高频：比较线路两端功率方向 相差高频：比较线路两端电流相位,1、阻波器（L、C组成的并联电路）：通工频，阻高频 2、耦合电容器：其电抗Xc=1/(C)；通高频，阻工频。 （同时起到隔离高压线路与高频收发讯机的作用） 3、连接滤波器（由可调空心变和高频电缆侧电容组成） * 结合电容器+连接滤波器带通滤波器（提取所需高频信号，滤除其余高频干扰）,4、高频电缆 5、高频收、发讯机 * 发讯机：由继电保护控
27、制* 收讯机：可收到对端（闭锁式也可收到本端）发讯机所发高频讯号。,5-1 输电线路电流差动保护 电流差动原理：规定正方向：每端以流向本线路中间为正（母线线路为正）。 差动电流取为：Icd =| | (1)正常运行及外部故障时 Icd =0，保护不动作。 (2)内部短路时 皆为正，Icd =| |=Id 为短路点的总短路电流，保护动作。 受通道限制：导引线（只适用于短线路） 、光纤等,一、闭锁式方向高频保护 1、基本原理（平时无讯，外部故障时发讯机发闭锁讯号，将对侧保护闭锁，不出口） (1)系统正常：启动元件不启动，保护不动。 (2)本线路外部短路（d2）：两端启讯元件启动发讯机发讯，靠近故障
28、点端的保护判为反方向而不停讯，该端高频闭锁讯号闭锁两端保护。,5-2 输电线的高频保护,(3)本线路内部短路（d1）： * 两侧皆有电源时：两端启讯元件首先启讯，两端保护启动元件皆启动，方向元件皆判为正方向使两端皆停讯，则两端保护动作跳闸。 * 单侧有电源时：无电源端保护不动；有电源端启讯元件首先启讯，保护启动元件启动，方向元件判为正方向而停讯，则有电源端保护动作跳闸。 (4)闭锁式方向高频保护优点：内部短路并伴随高频通道破坏时，仍可正确跳闸。,2、闭锁式高频距离保护 * 以无方向性或无完全方向性的ZIII（全阻抗ZKJ或偏移特性阻抗ZKJ）作为高频部分的启讯元件。 * 以具有完全方向性的ZI
29、I（方向ZKJ）作为高频部分的方向判别元件。,(1)外部故障时：两端ZIII启动，先发闭锁讯号。 远故障点端的ZII动作（正向），闭锁JZ1，停讯。 近故障点端的ZII不动（反向），不停讯。两端皆可收到闭锁讯号JZ2不动（高频出口不动）。 对远故障点的保护：若故障点在ZII范围内，距离II段经tII延时动作；若在ZIII范围内，距离III段经tIII延时动作（起后备保护作用）。,(2)内部故障时：两端ZIII启动，先发闭锁讯号。 两端的ZII动作(正向保护区内)，闭锁两端JZ1，停止发讯，两端皆收不到闭锁讯号JZ2动作保护瞬时动作跳闸。 若故障点在ZI范围内，还可由距离I段ZI瞬时动作跳闸 *
30、 为了判别方向，ZII一定采用方向阻抗元件 。 * 为了确保外部短路时保护不误动，任一端的ZIII必须在反方向具有保护范围，且保护范围至少涵盖对端ZII延伸出来的保护范围。,三、相差高频保护 1、相差高频基本原理 规定电流正方向：保护安装处母线被保护线路 假设： 与 同相，且线路阻抗角皆为d ，则： 外部短路时： 与 相位差=180 内部短路时： 与 相位差=0 发讯机受操作元件控制：电流正半周发讯，负半周不发讯。,发讯机受操作元件控制：电流正半周发讯，负半周不发讯。 可见：外部短路时，两端收到连续的高频闭锁信号。 内部短路时，两端收到间断的高频闭锁信号。（间断角：180）。 实际上：内部短路
31、时，两端电流 与 一般不完全同相间断角180； 外部短路时， 与 不完全反相（误差造成）有一定间断角。,2、相差高频保护1LJ，3LJ：正、负序 灵敏元件(低定值)，用于启动发讯机。(平时无讯,故障发讯) 2LJ，4LJ ：正、负序 启动比相回路 I1+KI2：综合过滤器,作为控制发讯机的操作元件（正半周发讯，负半周停讯）,3、相差高频保护闭锁角的整定 *外部短路时， 与 不完全反相有一定间断角：7(TA最大角误差)+15(保护本身最大角误差)=22 线路传输延时角误差： (6/每100km) 取闭锁角：b= 22+l+y (y：裕度角) *内部短路时， 与 不完全同相间断角：180- 考虑因素：两端电势相位差、系统阻抗角度差、互感器和保护误差、线路传输误差等。需要对闭锁角进行整定。,
