电力系统继电保护.docx
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电力系统继电保护
第一章电力系统继电保护的基础知识
第一节电力系统继电保护的目的和任务
一、电力系统继电保护的概念
二、电力系统的故障及不正常工作状态
电力系统由于受自然如雷击、风灾、人为(如误操作)等因素的影响,会发生故障和异常运行状态。
1.电力系统故障
2.电力系统异常运行状态
指系统的正常工作受到干扰,设备的运行参数偏离正常值。
如:
过负荷、频率降低等。
3.故障和异常运行可能引起的后果
电弧;绝缘老化;设备变形;电压降低,影响用户正常工作;破坏系统运行稳定性。
三、电力系统继电保护的任务
1.继电保护的任务
故障时,将故障设备切除;出现异常时,发出告警信号或减负荷、跳闸。
2.电力系统继电保护装置
反应电气设备故障或异常状态,动作于断路器跳闸或发信号的一种自动装置。
3.装设继电保护装置的目的
预防或缩小事故范围,提高系统运行可靠性。
避免或减轻故障对电器设备造成的损坏。
第二节对电力系统继电保护的基本要求
一、选择性
将故障设备从系统中切除,减小停电范围,保证系统中非故障设备继续安全运行。
二、速动性
快速地切除故障设备:
可提高系统运行稳定性;使电压尽快恢复,减轻对用户的影响;减轻电气设备损坏程度;防止事故扩展,提高重合成功率。
故障切除的时间=保护动作时间+断路器分闸时间
三、灵敏性
系统最大运行方式
广义:
根据系统最大负荷的需要,电力系统中所有可以投入的发电设备都投入运行(全部或绝大部分),以及所有线路和规定接地的中性点全部投入运行的方式称为系统最大运行方式。
继电保护:
短路时通过该保护的短路电流为最大的系统的可能运行方式。
系统最小运行方式
广义:
根据系统负荷为最小,投入与之相适应的发电机组且系统中性点只有少部分接地的运行方式称为系统的最小运行方式。
继电保护:
短路时通过该保护的短路电流为最小的系统的可能运行方式。
灵敏度:
继电保护装置对其保护范围内发生故障或异常运行状态的反应能力。
1.对反应故障时参数量增加的保护装置
2.对反应故障时参数量降低的保护装置
四、可靠性
正常时不误动;内部故障时应可靠动作;不该动作的情况下应可靠不动作。
第三节继电保护的基本原理及分类
一、继电保护的基本原理
利用正常运行与故障或异常运行状态时,各种物理量的差别来判断故障或异常,并通过断路器将故障切除或发出告警信号。
例:
电流增大、电压降低、阻抗减小、温度升高等
二、继电保护装置的分类
1.按继电保护装置的构成原理分类:
电流保护、电压保护、差动保护、功率方向保护、距离保护和高频保护等。
2.按被保护的对象分类:
线路保护、变压器保护、发电机保护、母线保护、电动机保护、电容器保护等。
3.按构成保护装置的元件分类:
机电型保护装置、静态型保护装置、微机型继电保护装置;
4.按照保护的功能分类:
主保护、后备保护、辅助保护等。
三、继电保护装置的基本组成
1.继电保护装置的基本工作过程
2.继电保护装置的基本组成
第四节继电保护的实现
一、机电型继电保护装置
图形符号、文字符号LJ(KA)、YJ(KV)、SJ(KT)、ZJ(KC)、XJ(KS)
二、静态型继电保护装置
三、微机型继电保护装置
硬件电路的基本组成;软件模块的基本结构
继电保护技术发展趋势:
计算机化,网络化,智能化,保护、控制、测量和数据通信一体化。
第二章输配电线路相间短路的电流保护
第一节电流保护及电流元件的基本概念
一、电流保护
1.电流保护的概念
2.电流保护的分类:
二、电流元件
1.电流元件的作用
2.动作电流
3.返回电流
4.返回系数
三、电流互感器的极性和电流保护的接线方式
1.电流互感器的作用
2.电流互感器的极性
3.电流互感器的误差及二次负载
四、电流保护的接线方式
指电流继电器的线圈或电流变换器的一次绕组与电流互感器二次绕组的连接方式。
1.三相完全星形接线方式
接地短路故障时:
三相完全星形接线方式:
可以反映各种类型的相间短路及接地故障。
主要用于大电流接地系统中输电线路的保护以及发电机、变压器保护等。
2.两相不完全星形接线方式
两相不完全星形接线方式:
可以反映各种类型的相间短路故障,但不能完全反映接地故障。
该接线方式多用于小电流接地系统的相间短路保护。
电流互感器必须装设在A相和C相上。
3.两相电流差接线方式
正常运行时:
;
UV或VW两相短路时:
或
;
UW两相短路时:
两相电流差接线方式:
可以反映各种类型的相间短路故障,对于不同类型的故障,其灵敏度不同。
一般用于10KV及以下小接地电流系统的配电线路、电动机等的相间短路保护。
4.接线系数
三相完全星形接线方式、两相不完全星形接线方式:
。
两相电流差接线方式:
。
五、电流保护的整定
一次动作电流:
根据被保护设备中电流的大小,按一定条件计算得出;
二次动作电流:
根据一次动作电流、电流互感器的变比、电流保护的接线方式折算得出。
设:
,
,
取:
则:
整定计算:
对保护装置的动作值、灵敏度进行计算;
整定原则:
计算动作值的条件、灵敏度检验的条件;
对保护装置进行整定:
把计算出的动作值告知保护装置;
第二节反映线路相间短路的电流保护
一、瞬时电流速断保护
(一)瞬时电流速断保护的原理及整定原则
1.瞬时电流速断保护的原理
1)当线路上任一点发生三相短路时,流过保护1的短路电流。
2)系统最大运行方式、系统最小运行方式
2.动作电流的整定原则
1)(满足选择性要求)动作电流按躲过本线路末端可能出现的最大短路电流整定。
图2-6
3.保护范围及灵敏度校验
1)瞬时电流速断保护的灵敏度,可以用保护范围的长度占被保护线路全长的百分比表示。
2)计算方法
3)要求:
应不小于线路全长的50%;
应不小于线路全长的15%~20%。
(二)瞬时电流速断保护的构成
1.机电型瞬时电流速断保护(图2-7)
2.微机型瞬时电流速断保护(图2-8)
3.几个问题
1)避雷器对瞬时电流速断保护的影响。
微机型:
10-20ms;机电型:
不用加时间继电器。
2)瞬时电流速断保护的特点,较短线路不采用。
3)线路变压器组,瞬时电流速断保护可以保护整个线路的全长。
二、限时电流速断保护
(一)限时电流速断保护的原理及整定原则
1.限时电流速断保护的原理
1)作用:
切除瞬时电流速断保护范围以外的故障,作为瞬时速断的后备。
2)要求:
在任何情况下都能保护本线路的全长,并具有足够的灵敏度。
3)原理说明(图2-10)
2.动作电流的整定原则
(选择性与速动性)限时电流速断保护的动作电流按与相邻线路瞬时电流速断保护配合整定。
一般取1.1~1.2;
3.动作时限的整定原则
限时电流速断保护的动作时限,按与相邻线路瞬时电流速断保护配合整定。
-时限级差
4.灵敏度校验
1)限时电流速断保护的灵敏度,按本线路末端发生相间短路故障时的最小短路电流校验。
2)当灵敏度不满足要求时,限时电流速断保护的动作电流、动作时限可按与相邻线路限时电流速断保护配合整定。
(二)限时电流速断保护的构成
1.机电型限时电流速断保护
2.微机型限时电流速断保护
三、定时限过电流保护
(一)主保护和后备保护
主保护、后备保护(近后备保护、远后备保护)
I段和II段构成35kV及以下电压等级线路的主保护
定时限过电流保护被广泛用来作为线路、变压器、发电机等电气设备的后备保护。
(二)定时限过电流保护的原理及整定原则
1.定时限过电流保护的原理及动作电流
1)图2-13,过电流保护的保护范围,对其动作电流的要求。
2)动作电流的整定
;
;
;
3)最大负荷电流:
被保护线路实际可能出现的最严重情况。
2.定时限过电流保护的动作时限
1)图2-15选择性要求
;
2)阶梯形原则:
;
;……(动作时限保证选择性)
3)图2-16,动作时间的计算
4)定时限过电流保护的动作时限是一定的,与短路电流的大小没有关系。
3.灵敏度校验
作近后备保护时,要求;
作远后备保护时,要求。
定时限过电流保护具有较高的灵敏度,但不能快速切除故障。
一般用来作为本线路和相邻元件的后备保护。
四、阶段式电流保护
(一)阶段式电流保护的构成
1.阶段式电流保护的构成
1)三段式电流保护的构成
2)实际上,对于不同的线路,应根据具体情况来选择配置三段式或两段式电流保护。
2.机电型三段式电流保护的接线图
1)原理接线图:
以二次元件(如继电器)的整体形式表示各二次元件之间的电气联系,二次元件之间的连线按实际工作顺序画出。
(图2-17(a))
2)展开接线图:
按供电给二次回路的每个独立电源来划分,它将二次回路划分为交流电流回路、交流电压回路、直流控制回路、直流信号回路等。
(图2-17(b))
三段式电流保护整定计算举例
如图所示,线路L-1、L-2上均配置有三段式电流保护。
已知系统在最大、最小运行方式下的系统电抗分别为
;线路L-1、L-2的长度分别为L1=25KM,L2=62KM;线路每公里正序电抗为X1=0.4Ω;保护2中定时限过电流保护的动作时限为
;线路L-1的最大负荷功率为9MW,
,
,电动机自起动系数
。
试对线路L-1上配置的三段式电流保护进行整定计算。
解:
(1)选择短路点并计算最大、最小短路电流
K1点短路时的三相短路电流:
最大运行方式下:
最小运行方式下:
K2点短路时的三相短路电流:
最大运行方式下:
最小运行方式下:
(2)对电流保护I段,即瞬时电流速断保护进行整定计算
1)动作电流
2)计算保护范围、校验灵敏度
灵敏度满足要求。
(3)对电流保护II段,即限时电流速断保护进行整定计算
1)动作电流
2)动作时限
3)校验灵敏度
,灵敏度满足要求。
(4)对电流保护III段,即定时限过电流保护进行整定计算
1)动作电流
2)动作时限
3)校验灵敏度
作为本线路的近后备保护时:
,灵敏度满足要求。
作为相邻线路远后备保护时:
,灵敏度满足要求。
㈣练习题
如图所示为35kV单侧电源辐射形网络,其线路AB拟装设三段式电流保护,电流互感器采用不完全星形接线。
已知线路AB正常运行时流过的最大负荷电流Il,max=174A,电流互感器变比为300/5,在最大、最小运行方式下k1、k2和k3点的三相短路电流见表。
表k1k1、k2和k3点的三相短路电流
短路点
K1
K2
K3
最大运行方式下(A)
3400
1310
520
最小运行方式下(A)
2280
1100
490
线路BC过电流保护的动作时限
=2.5s,试计算线路AB三段式电流保护的启动电流及动作时限,并校验各段的灵敏度。
(已知:
=1.3,
=1.1,
=1.2,
=1.3,
=0.85,
=0.5s;II段电流保护的灵敏度要求不小于1.25;III段电流保护作为本线路后备保护时灵敏度要求不小于1.5,作为相邻下一线路后备保护时灵敏度要求不小于1.2)
第三节反映线路相间短路的方向电流保护
一、方向电流保护的原理
(一)方向电流保护的基本原理
1)电力网的结构(三段式电流保护不能满足多电源环网对选择性的要求)
2)双电源辐射形网络的保护的动作行为分析(双电源两侧断路器)
图2-19,以保护2、保护3的定时限过电流保护为例
①当K1点短路时:
应由保护3、4先动作将故障线路切除:
②当K2点短路时:
应由保护1、2先动作将故障线路切除:
。
*两个要求矛盾,需要采取新的办法去解决。
3)短路功率及其方向
①某点电压与电流的乘积,从电源流向短路点;
②当K1点短路时:
保护2,保护3;
③当K2点短路时:
保护3,保护2;
*结论:
装设判断短路功率方向的元件,当短路功率由母线指向线路时才让保护动作。
4)方向电流保护的几个基本概念
方向电流保护;功率方向元件(方向元件);正方向(图2-20)
机电型—功率方向继电器;微机型—对输入的电流、电压进行相位判断的一段程序。
5)双向阶梯形原则(双侧电源辐射形网络定时限过电流保护)
(二)方向电流保护的构成
1.机电型方向过电流保护
1)构成元件及其联接(图2-21)
2)动作条件(过程)
2.微机型带低电压闭锁的方向过电流保护
①低电压元件;②方向元件;③过电流元件
二、功率方向元件
(一)功率方向元件的原理
图2-23,对保护3,K1点短路时:
。
K2点短路时:
。
(二)功率方向元件的最大灵敏角和动作范围
1.最大灵敏角
2.动作范围
。
实际动作范围小于180°.
(电流互感器、电压互感器的角度误差、计算误差以及短路电流中非工频分量)
(三)功率方向元件的潜动和死区
1.潜动:
在只加电流,没有加电压;或只加电压,没有加电流的情况下,方向元件误动现象。
电流潜动;电压潜动。
整流型功率方向继电器,通常采用调整电路元件参数的方法消除潜动;
微机型功率方向元件,通常采用软件判定或调零漂的方法消除潜动。
2.死区
原因:
靠近保护安装处正方向发生相间短路故障,母线电压很低,近似为零。
定义:
有可能造成方向元件拒动的区域,称为方向元件的死区。
防止措施:
微机型功率方向元件,取故障前的电压与故障后的短路电流进行计算,以消除死区。
(四)功率方向元件的接线方式
定义:
指加入方向元件的电流与电压的组合方式。
整流型功率方向继电器;微机型保护装置
1.对动率方向元件接线方式的要求
2.90°接线方式
1)电压与电流的组合方式:
(反映相间短路故障)故障相的电流+另外两相线电压(表2-2)
2)90°的含义:
在假设三相对称且同名相电流与电压同相位的情况下
3)实际电力线路的短路阻抗角,及方向元件的最大灵敏角。
(五)按相起动原则
在机电型保护装置中,要求仅同名相的电流继电器与功率方向继电器的常开触点串联连接。
在微机型继电保护装置中,其电流元件、方向元件均应取故障相的电流及其对应的电压进行计算、判别。
第三章输配电线路的接地保护
第一节中性点直接接地电网的故障分析
图3-1(a)所示的中性点直接接地电网
1.正常运行时:
零序电流、零序电压都为零。
2.当线路MN发生接地短路时:
1)零序等效网络如图3-1(b)所示。
2)故障点处、母线M和母线N的零序电压为:
3)当K点发生单相接地故障时,故障点处的零序电流
4)当U相发生接地时,电流、电压相量如图3-1(d)所示。
分析后可得结论:
(1)由图3-1(b)零序网络和式(3-1)可知,故障点的零序电压
最高,变压器中性点的零序电压最低,为零。
(2)零序电流由故障处
产生,其大小与中性点接地变压器的数目和分布有关,而与系统的运行方式无直接关系。
(3)零序电流仅在故障点与接地中性点之间形成回路,它是由故障点的零序电压产生的(即为-
),其实际的流动方向是由故障点流向变压器的中性点,-
与
的夹角取决于保护背后的零序阻抗角(约为700)。
所以零序功率的方向为:
线路指向母线。
(4)零序电流和零序电压的大小与故障点位置的关系为:
故障点离保护安装处越近,值就越大;故障点离保护安装处越远,值就越小。
其变化类似于相间电流随故障点变化的规律。
所以零序方向元件动作无死区。
第二节中性点直接接地电网中线路的接地保护
一、阶段式零序电流保护的构成原理
(一)瞬时零序电流速断保护(零序I段)
1.躲过被保护线路末端接地短路时的最大零序电流整定。
(I0,max的取法)
2.躲过断路器三相触头不同期合闸时的最大零序电流整定。
3.当被保护线路采用单相重合闸时,躲过单相重合闸过程中出现非全相振荡时的零序电流整定。
(综合重合闸线路:
灵敏I段、不灵敏I段)
4.零序电流I段保护和相间电流I段保护比较,有以下优点:
(1)保护范围比相间I段长。
(2)保护范围较稳定。
(二)限时零序电流速断保护(零序Ⅱ段)
1.动作电流整定原则:
零序II段的动作电流应与相邻线路的零序Ⅰ段相配合。
即躲过相邻线路(即BC线路)的零序Ⅰ段保护范围末端接地短路时,流过本保护的最大零序电流的计算值整定。
2.动作时限的整定原则:
比下一线路I段多出一个时间级差Δt=0.5秒。
3.校验灵敏度:
按本线路末端接地短路时,流过保护的最小零序电流3
校验。
*当灵敏度不满足要求时,可采取下列措施:
(1)动作电流和动作时限与下一段线路零序Ⅱ段相配合。
(2)保留
的零序Ⅱ段,再增加一个按
(1)整定的灵敏Ⅱ段
(3)改用接地距离保护。
(三)零序过电流保护(零序Ⅲ段)
1.动作电流整定原则:
(1)按躲过最大不平衡电流整定。
(3-12)
(2)各零序Ⅲ段保护之间在灵敏度上要相互配合。
即本保护零序Ⅲ段的保护范围,不能超出相邻线路上零序Ⅲ段的保护范围。
2.动作时限的整定原则:
(同一接地系统中,阶梯型)
3.校验灵敏度
近后备:
为合格
远后备:
为合格
(四)三段式零序电流保护的接线
第二节中性点直接接地系统中线路的接地保护
二、零序方向电流保护
(一)零序方向电流保护的工作原理
图3-8(a)双电源系统接线图
k1点短路时:
零序网络如图3-8(b);选择性要求;保护3无方向元件可能误动
k2点短路时:
零序网络如图3-8(c);选择性要求;保护2无方向元件可能误动
(二)零序功率方向元件
1.工作原理
基本原理:
比较接入方向元件的零序电压和零序电流之间的相位差判断零序功率的方向。
以保护2为例进行分析:
k1点短路时:
流过保护2的零序电流、零序电压的表达式及零序电流与零序电压之间的夹角。
k2点短路时:
流过保护2的零序电流、零序电压的表达式及零序电流与零序电压之间的夹角。
2.接线方式
零序功率方向继电器的最大灵敏角70°~85°
整流型或晶体管型公路方向继电器接线方式
微机型零序保护装置接线方式
当故障点较远时,必须校验方向元件在这种情况下的灵敏度
(三)三段式零序方向电流保护
三段式零序方向电流保护的原理接线,如图3-11所示。
第三节中性点非直接接地电网的故障分析
一、中性点不接地电网发生单相接地故障的特点(图3-12(a))
1.正常运行情况下:
电压、电流的大小及分布特点。
2.当U相发生接地故障时:
各相对地电压;故障点的零序电压;从接地点流回的电流。
3.非故障线路I上,在线路始端反应的零序电流
4.发电机上零序电流的大小和方向
5.故障线路II上零序电流的大小和方向
6.中性点不接地系统发生单相接地故障时的零序等效网络(图3-13(a)),零序电压与零序电流的向量关系(图3-13(b))
6.分析结论:
(1)发生单相接地时,电网各处故障相对地电压为零,非故障相对地电压升高至电网的线电压;零序电压大小等于电网正常运行时的相电压。
(2)非故障线路上零序电流的大小等于其本身的对地电容电流,方向由母线指向线路。
(3)故障线路上零序电流的大小等于全系统非故障元件对地电容电流的总和,方向为由线路指向母线。
二、中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的特点
1.装设消弧线圈的原因
弧光过电压、绝缘损坏、电感线圈、感性电流
2.装设消弧线圈的条件
22~66kV电网,故障点的电容电流总和大于10A
10kV电网,故障点的电容电流总和大于20A
3~6kV电网,故障点的电容电流总和大于30A
3.中性点经消弧线圈接地电网发生单相接地故障时,电流的分布
电容容电流的大小和分布与不接消弧线圈时是一样的;电感电流
从接地点流回的总电流:
零序等效网络图3-14(b)
4.消弧线圈的补偿方式(对电容电流的补偿程度)
1)完全补偿(
)
优点:
使从接地点流回的电流总和近似为零,避免出现孤光过电压
缺点:
形成串联谐振回路,在正常运行情况下线路三相对地电容不完全相等时、及当断路器三相触头不同时合闸时,中性点对地电压升高,破坏设备的绝缘。
结论:
不可取
2)欠补偿(
)
当某些线路因检修备切除或因短路跳闸,有可能出现完全补偿的现象
结论:
不可取
3)过补偿(
)
残余电流;优点;补偿度P(表达式、取值范围)
5.中性点经消弧线圈接地系统单相接地故障的分析结论
第四节中性点非直接接地电网中线路的接地保护
中性点非直接接地系统发生单相接地短路时,保护的作用形式(系统可继续运行1~2小时,动作于发信号)。
一、零序电压保护(中性点非直接接地系统)
零序电压、绝缘监视装置(无选择性接地保护)
原理接线如图3-16
工作原理:
(1)正常运行时;
(2)当发生单相接地短路时(选择故障线路的方法)
二、零序电流保护(中性点不接地系统)
1.构成原理:
故障线路的零序电流大于非故障线路的零序电流(出线较多的系统中)
2.应用条件:
有条件装设零序电流互感器的线路;架空线路—零序电流滤过器中不平衡电流
3.整定原则:
零序电流保护的动作电流应大于本线路的电容电流
4.灵敏度的校验,按在被保护线路上发生单相接地短路时,流过保护的最小零序电流来校验
Ks=
=
校验时应采用系统最小运行方式时的电容电流。
三、零序功率方向保护(出线较少的中性点不接地系统)
采用零序电流保护不能满足灵敏性要求
故障线路与非故障线路零序电流方向相反
四、反映高次谐波分量的接地保护(中性点经消弧线圈接地系统)
当系统采用过补偿方式时,无法利用零序电流的大小和方向判断故障线路和非故障线路
5次谐波分量数值最大,消弧线圈的感抗增加5倍,线路对地电容的容抗减小5倍
根据5次谐波电流的大小和方向判断故障线路与非故障线路
第五节小电流接地系统的接地选线装置
小电流接地选线装置的作用是:
当小电流接地系统发生接地故障时,正确地选择出故障线路,为工作人员的检修提供方便。
一、工作原理
小电流接地选线装置应用的选线判据一般有:
(1)接地故障时出现大的零序电压和零序电流;
(2)故障线路的零序电流大于非故障线路的零序电流;
(3)故障线路的零序电流滞后零序电压900,非故障线路的零序电流超前零序电压900。
工作原理
①门槛电压,20~30V;②幅值法,选出数值靠前的3~4条线路;③比相法;
若所有的零序电流同相,则可判断为母线发生了故障
中性点不接地—基波零序量;经消弧线圈接地—5次谐波分量
二、硬件组成
小电流接地选线装置的硬件主要由以下几部分组成:
零序电流和零序电压变送器、滤波抗干扰电路、多路开关、A/D转换器、CPU、信号装置、人机对话接口等等。
其各部分的关系如图3-17所示。
各部分的作用是:
(1)零序电流、零序电压变换器。
它是把从互感器传来的电流和电压转换成适用于计算机数据采集系统的电压,通常为0~5V的弱电信号,然后送至滤波和抗干扰电路。
(2)滤波和抗干扰电路。
它是由阻容滤波电路、光电耦合电路组成,用来抑制杂散干扰信号进入计算机系统,以提高系统的测控精度和可靠性。
(3)多路开关。
其作用是将各路信号依次地分时送入A/D转换器,依次对各模拟信号进行
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