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继电保护讲课

继电保护

电力系统基础知识

1、电力系统的中性点接地方式：

小电流接地：

中性点不接地（包括中性点经消弧线圈接地）

大接地电流：

中性点直接接地（包括中性点经小电阻接地）

2、中性点直接接地系统特点：

供电可靠性不如电力系统中性点不接地和经消弧线圈接地方式。

故障时如发生接地故障，则构成短路回路，接地相电流很大；为提高供电可靠性，在线路上广泛安装三相或单相自动重合闸装置。

我国380/220V系统中一般都采用中性点直接接地方式，主要是从人身安全考虑问题。

适用范围：

1）我国110kV（国外220kV）及以上电压等级的电力系统。

2）380/220V低压系统。

3、中性点不接地系统（35kV及以下系统）特点：

1）单相接地故障的结论1：

故障相对地电压降为零；非故障相对地电压升高为线电压，且相位相差60°。

因此，线路及各种电气设备的绝缘要按线电压设计，绝缘投资所占比重加大，显而易见，电压等级越高绝缘投资越大。

三相之间的线电压仍然对称，用户的三相用电设备仍能照常运行，但允许继续运行的时间不能超过2h。

2）单相接地故障的结论2：

接地电流在故障处可能产生稳定的或间歇性的电弧。

如果接地电流大于30A时，将形成稳定电弧，成为持续性电弧接地，这将烧毁电气设备和可能引起多相相间短路。

如果接地电流大于5A~10A，而小于30A，则有可能形成间歇性电弧；间歇性电弧容易引起弧光接地过电压，其幅值可达（2.5~3）U，将危害整个电网的绝缘安全。

如果接地电流在5A以下，当电流经过零值时，电弧就会自然熄灭。

随着城市建设发展的需要和供电负荷的增加，许多地方正在城区建设110/10kV终端变电所，一次侧采用电压110kV进线，随着城网改造中杆线下地，城区10kV出线绝大多数为架空电缆出线，10kV配电网络中单相接地电容电流将急剧增加，根据DＬ/Ｔ620-1997《交流电气装置的过电压保护和绝缘配合》规定：

3～10kV钢筋混凝土或金属杆塔的架空线路构成的系统和所有35kV、66kV系统，当单相接地故障电流大于10Ａ时应装设消弧线圈；3～10kV电缆线路构成的系统，当单相接地故障电流大于30Ａ，又需在接地故障条件下运行时，应采用消弧线圈接地方式。

第一章绪论

第一节           电力系统继电保护的作用

一、电力系统的故障和不正常运行状态

1.电力系统的故障：

三相短路f（3）、两相短路f

（2）、单相短路接地f

（1）、两相短路接地f（1,1）、断线、变压器绕组匝间短路、复合故障等。

2.不正常运行状态：

小接地电流系统的单相接地、过负荷、变压器过热、系统振荡、电压升高、频率降低等。

二、发生故障可能引起的后果

1、 故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏；

2、 系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命；

3、 因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量；破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。

事故：

指系统的全部或部分的正常运行遭到破坏，以致造成对用户的停止送电、少送电、电能质量变坏到不能容许的程度，甚至毁坏设备等等。

三、继电保护装置及其任务

1．继电保护装置：

就是指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。

2．它的基本任务是：

（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。

（2）对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。

 第二节             继电保护的基本原理和保护装置的组成

一、继电保护的基本原理

继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。

1、     利用基本电气参数的区别

发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护。

（1）过电流保护：

反映电流的增大而动作，如图1-1所示，

（2）低电压保护：

反应于电压的降低而动作。

（3）距离保护（或低阻抗保护）：

反应于短路点到保护安装地之间的距离（或测量阻抗的减小）而动作。

2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。

如图1-2所示双侧电源网络。

规定电流的正方向是从母线流向线路。

正常运行和线路AB外部故障时，A-B两侧电流的大小相等相位相差180°；当线路AB内部短路时，A-B两侧电流一般大小不相等，相位相等，从而可以利用两侧电流相位或功率方向的差别可以构成各种差动原理的保护（内部故障时保护动作），如纵联差动保护，相差高频保护、方向高频保护等。

3、对称分量是否出现

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为零；在发生不对称短路时，一般负序和零序都较大。

因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。

此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。

4、反应非电气量的保护

反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护；反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护等。

二、继电保护装置的组成

继电保护的种类虽然很多，但是在一般情况下，都是由三个部分组成的，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如图1-3所示。

图1-3继电保护装置的原理结构图

1、测量部分测量部分是测量被保护元件工作状态（正常工作、非正常工作或故障状态）的一个或几个物理量，并和已给的整定值进行比较。

从而判断保护是否应该起动。

2、逻辑部分逻辑部分的作用是根据测量部分各输出量的大小，性质，出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执行部分。

3、执行部分执行部分的作用是根据逻辑部分送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。

如发出信号，跳闸或不动作等。

第三节对继电保护

第三节对继电保护的基本要求

一、选择性选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行（有选择性的切除故障）。

首先由故障设备本身的保护切除故障，当故障设备本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻元件的保护或断路器失灵保护切除故障。

由电源算起，愈靠近故障点的继电保护的故障起动值相对愈小，动作时间愈短，并在上下级之间留有适当的裕度。

如图下图所示

d3点短路：

保护6动作，6QF跳闸；保护6或6QF拒动，5QF跳闸；

d2点短路：

保护5动作，5QF跳闸；保护5或5QF拒动，2QF、4QF跳闸；

d1点短路：

保护1和保护2动作，1QF跳闸、2QF跳闸；保护2或2QF拒动，4QF跳闸。

主保护：

能有选择性地快速切除全线故障的保护。

后备保护：

当故障线路的主保护或断路器拒动时用以切除故障的保护。

近后备保护：

作为本线路主保护的后备保护。

远后备保护：

作为下一条相邻线路主保护或开关拒跳后备保护。

二、速动性速动性是指尽可能快地切除故障

短路时快速切除故障，可以缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。

三、灵敏性灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。

保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数（保护范围）来衡量，灵敏系数越大，则保护的灵敏度就越高，反之就越低。

四、可靠性可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在其他不属于它应该动作的情况下，则不应该误动作。

（不能拒动或误动）

继电保护的可靠性是对电力系统继电保护的最基本的性能要求，它又分为两个方面，即可依赖性与安全性。

可依赖性。

要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下，能够准确地动作。

简单说：

“该动则动”

安全性。

要求继电保护在非设计要求它动作的其他所有情况下，能够可靠地不动作。

简单说：

“不该动则不动”

可依赖性与安全性，都是继电保护必备的性能，但两者相互矛盾。

在设计与选用继电保护时，需要依据被保护对象的具体情况，对这两方面的性能要求适当地予以协调。

例如，对于传送大功率的输电线路保护，一般宜于强调安全性；面对于其他线路保护，则往往宜于强调可依赖性。

至于大型发电机组的继电保护，无论它的拒绝动作或误动作跳闸，都会引起巨大的经济损失，需要经过精心设计和装置配置，兼顾这两方面的要求。

以上四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。

此四个基本要求是分析研究继电保护的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。

根据保护元件在电力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式，以满足其相应的要求。

第四节继电保护技术发展简史

继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的。

在20世纪50年代及以前，电磁型继电器。

60年代，整流型元件组成的装置。

70年代以后，集成电路构成的装置。

到80年代，微型机继电保护装置中逐渐应用。

随着新技术新工艺的采用，继电保护硬件设备的可靠性，运行维护方便性也不断得到提高。

继电保护技术将达到更高的水平。

 第二章电网的差动保护

第一节电网的纵联差动保护

线路纵差动保护是利用比较被保护元件始末端电流的大小和相位的原理来构成输电线路保护的。

当在被保护范围内任一点发生故障时，它都能瞬时切除故障。

－、纵联差动保护的工作原理

电网的纵联差动保护反应被保护线路首末两端电流的大小和相位，保护整条线路，全线速动。

纵联差动保护原理接线如下图所示。

流入继电器的电流为I2—I2，即为电流互感器二次电流的差。

差回路：

继电器回路。

正常运行：

流入差回路的电流

外部短路：

流入差回路中的电流为

指出：

被保护线路在正常运行及区外故障时，在理想状态下，流入差动保护差回路中的电流为零。

实际上，差回路中还有一个不平衡电流Ibp。

差动继电器KD的起动电流是按大于不平衡电流整定的，所以，在被保护线路正常及外部故障时差动保护不会动作。

内部短路：

流入差动保护回路的电流为

流入差回路的电流远大于差动继电器的起动电流，差动继电器动作，瞬时发出跳闸脉冲，断开线路两侧断路器。

结论：

1、差动保护灵敏度很高

2、保护范围稳定

3、可以实现全线速动

4、不能作相邻元件的后备保护

二、纵联差动保护的不平衡电流

由于被保护线路两侧电流互感器二次负载阻抗及互感器本身励磁特性不一致，在正常运行及保护范围外部发生故障时，差回路中的电流不为零，这个电流叫差动保护的不平衡电流IbP。

1．稳态情况下的不平衡电流

该不平衡电流为两侧电流互感器励磁电流的差。

差动回路中产生不平衡电流最大值为

式中KTA一电流互感器10％误差；

Ktx—电流互感器的同型系数，两侧电流互感器为同型号时，取0.5，否则取l；

Idmax—被保护线路外部短路时，流过保护线路的最大短路电流。

2．暂态不平衡电流

在外部短路时暂态过程中差回路出现的不平衡电流,其最大值为

式中Kfz——非周期分量的影响系数，在接有速饱和变流器时，取为1，否则取为1.52。

三、纵联差动保护的整定计算

差动保护的动作电流按躲开外部故障时的最大不平衡电流整定

按躲开电流互感器二次断线整定

灵敏度校验：

保护范围内故障时的最小短路电流与差动保护动作电流之比。

四、纵联差动保护的评价

优点：

全线速动，不受过负荷及系统振荡的影响，灵敏度较高。

缺点：

需敷设与被保护线路等长的辅助导线，且要求电流互感器的二次负载阻抗满足电流互感器10％的误差。

这在经济上，技术上都难以实现。

第三章电网高频保护

第一节   高频保护的基本概念

一、概述

高频保护：

是用高频载波代替二次导线，传送线路两侧电信号，所以高频保护的原理是反应被保护线路首末两端电流的差或功率方向信号，用高频载波将信号传输到对侧加以比较而决定保护是否动作

高频保护与线路的纵联差动保护类似，正常运行及区外故障时，保护不动，区内故障全线速动。

二、载波通道的构成原理

目前应用比较广泛的载波通道是“导线一大地”制，其构成如图所示。

组成：

1.高频阻波器

2．结合电容器

3．连接滤波器

4．高频电缆

5．保护间隙

6．接地刀闸

7．高频收、发信机

1、高频阻波器

高频阻波器是由电感线圈和可调电容组成的并联谐振回路，使高频电流限制在被保护输电线路以内。

而工频电流可畅通无阻.

2．结合电容器

它是一个高压电容器，电容很小，对工频电压呈现很大的阻抗，使收发信机与高压输电线路绝缘，载频信号顺利通过

3．连接滤波器

它是一个可调节的空心变压器，与结合电容器共同组成带通滤波器，连接滤波器起着阻抗匹配的作用，可以避免高频信号的电磁波在传输过程中发生反射，并减少高频信号的损耗，增加输出功率。

4．高频电缆

用来连接户内的收发信机和装在户外的连接滤波器。

5．保护间隙

保护间隙是高频通道的辅助设备。

用它来保护高频电缆和高频收发信机免遭过电压的袭击。

6．接地刀闸

接地刀闸也是高频通道的辅助设备。

在调整或检修高频收发信机和连接滤波器时，用它来进行安全接地，以保证人身和设备的安全。

7．高频收、发信机

高频收发信机的作用是发送和接收高频信号。

发信机部分是由继电保护来控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护起动之后它才发出信号，但有时也可以采用长期发讯的方式。

由发信机发出信号，通过高频通道为对端的收信机所接收，也可为自己一端的收信机所接收。

高频收信机接收到由本端和对端所发送的高频信号。

经过比较判断之后，再动作于跳闸或将它闭锁。

三、高频信号的利用方式

按高频通道的工作方式分成经常无高频电流

经常有高频电流

在这两种工作方式中，按传送的信号性质，又可以分为传送闭锁信号、允许信号和跳闸信号三种类型。

闭锁信号：

收不到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件。

允许信号：

收到这种信号是高频保护动作跳闸的必要条件。

传送跳闸信号：

收到这种信号是保护动作于跳闸充分而必要条件的条件。

实现这种保护时，实际上是利用装设在每一端的电流速断、距离I段或零序流速断等保护，当其保护范围内部故障而动作于跳闸的同时，还向对端发出跳闸信号，可以不经过其它控制元件而直接使对端的断路器跳闸。

第二节   高频闭锁方向保护

一、高频闭锁方向保护的基本原理

高频闭锁方向保护是通过高频通道间接比较被保护线路两侧的功率方向，以判别是被保护范围内部故障还是外部故障。

当区外故障时，被保护线路近短路点一侧为负短路功率，向输电线路发高频波，两侧收信机收到高频波后将各自保护闭锁。

当区内故障时，线路两端的短路功率方向为正，发信机不向线路发送高频波，保护的起动元件不被闭锁，瞬时跳开两侧断路器。

高频闭锁方向保护的原理接线图

起动发信继电器：

灵敏度较高，用来起动高频发信机

起动跳闸继电器:

灵敏度较低，用来起动跳闸回路

功率方向继电器:

判断短路功率的方向

停信继电器:

在内部故障时停止发出高频信号

闭锁继电器5：

用以控制保护的跳闸回路,带有工作线圈和制动线圈.

只有当工作线圈有电流时继电器才动作；而当制动线圈或两组线圈同时有电流时继电器均不动作

1．区外故障

如在D1点短路，被保护线路AB两侧的起动发信机电流继电器，向高频通道发信，近短路点B侧的短路功率是负的，功率方向继电器不动作，不去停信。

输电线路AB两侧方向高频保护的收信机收到高频信号，将各自的保护闭锁，不发出跳闸脉冲。

2．区内故障

如在D2点短路，两侧起动发信机继电器1及起动跳闸继电器2动作，，向高频通道发信，两侧收信机收到高频信号后，立刻将保护闭锁，但两侧方向继电器3承受正方向短路功率而起动。

首先停信，解除闭锁，与此同时闭锁继电器起动，发出跳闸脉冲。

3．系统振荡

二、高频闭锁负序方向保护

高频闭锁负序方向保护单端原理接线如下图所示。

它由：

双向动作的负序功率方向继电器KPD2、起动发信机继电器1K、闭锁保护继电器2KL、口继电器3KOM等组成。

1． 区内故障

负序功率方向继电器KPD2触点向下闭合、停信，起动闭锁继电器2KL发出跳闸脉冲。

2．区外故障

靠近短路点的一侧负序功率继电器KPD2的接点向上闭合，起动发信机继电器向高频通道发信，两侧收信机收到高频信号将各自保护闭锁。

3．整定计算

灵敏元件的动作电流，按躲开最大负载情况下最大负序不平衡电流Ibpmax整定为

I2dz.lm=0.1If.max

不灵敏元件的动作电流与灵敏元件相配，即

I2dz.blm=（1.5～2）I2dz.lm

第三节高频闭锁距离保护

下图为高频闭锁距离保护的原理说明，假设线路两侧均采用三段式距离元件.

距离部分和高频部分配合的关系是：

III段起动元件ZIII动作时，经1KM的常闭触点起动发信机发出高频闭锁信号，II段距离元件ZII动作时则起动1KM停止高频发信机。

距离II段动作后一方面起动时间元件tII，可经一定延时后跳闸，同时还可经过一收信闭锁继电器2KL的闭锁触点瞬时跳闸。

当保护范围内部故障时（如d1点），两端的起动元件动作，起动发信机，但两端的距离II段也动作，又停止了发信机。

当收信机收不到高频信号时，2KL触点闭合，使距离II段可瞬时动作于跳闸。

当保护范围外部故障时（如d2点），靠近故障点的B端距离II段不动作，不停止发信，A端II段动作停止发信，但A端收信机可收到B端送来的高频信号使闭锁继电器动作，2KL触点打开，因而断开了II段的瞬时跳闸回路，使它只能经过II段时间元件去跳闸，从而保证了动作的选择性。

高频闭锁距离保护的评价：

优点：

内部故障时可瞬时切除故障，在外部故障时可起到后备保护的作用。

缺点：

主保护（高频保护）和后备保护（距离保护）的接线互相连在一起，不便于运行和检修。

第四章 自动重合闸

第一节自动重合闸的作用及要求

一、自动重合闸在电力系统中的作用

架空线路故障大都是“瞬时性”的故障，在线路被继电保护迅速动作控制断路器断开后，故障点的绝缘水平可自行恢复，故障随即消失。

此时，如果把断开的线路断路器重新合上，就能够恢复正常的供电。

此外，也有“永久性故障”，“永久性故障”在线路被断开之后，它们仍然是存在的，即使合上电源，也不能恢复正常供电。

因此，在电力系统中采用了自动重合闸装置，即是当断路器由继电保护动作或其它非人工操作而跳闸后，能够自动控制断路器重新合上的一种装置。

二、重合闸在电力系统中的作用

∙大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数。

∙在高压输电线路上采用重合闸，可以提高电力系统并列运行的稳定性。

∙在架空线路上采用重合闸，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。

∙对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，也能起纠正的作用。

但是，当重合于永久性故障上时，它也将带来一些不利的影响，如：

（1）使电力系统又一次受到故障的冲击；

（2）由于断路器在很短的时间内，连续切断两次短路电流，而使其工作条件变得更加恶劣。

三、对自动重合闸装置的基本要求

∙正常运行时，当断路器由继电保护动作或其它原因而跳闸后，自动重合闸装置均应动作。

∙由运行人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时，自动重合闸不应起动。

∙继电保护动作切除故障后，自动重合闸装置应尽快发出重合闸脉冲。

∙自动重合闸装置动作次数应符合预先的规定。

∙自动重合闸装置应有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电保护的动作，以便加速故障的切除。

∙在双侧电源的线路上实现重合闸时，重合闸应满足同期合闸条件。

∙当断路器处于不正常状态而不允许实现重合闸时，应将自动重合闸装置闭锁。

第二节单侧电源线路的三相一次自动重合闸

三相一次自动重合闸就是在输电线路上发生任何故障，继电保护装置将三相断路器断开时，自动重合闸起动，经0．5～1s的延时，发出重合脉冲，将三相断路器一起合上。

若为瞬时性故障，则重合成功，线路继续运行；若为永久性故障，则继电保护再次动作将三相断路器断开，不再重合。

一、具有同步检定和无电压检定的重合闸

线路发生故障:

两侧断路器跳闸以后，检定线路无电压的M侧重合闸首先动作，使断路器投入。

若重合不成功：

断路器再次跳闸。

N侧同步检定继电器不动作，该侧重合闸不起动。

若重合成功：

N侧在检定同步之后，再投入断路器，线路即恢复正常工作。

思考：

在检定线路无电压一侧的断路器，如重合不成功，就要连续两次切断短路电流，因此，该断路器的工作条件就要比同步检定一侧断路器的工作条件恶劣。

如何解决这个问题呢？

解决方法：

通常在每一侧都装设无电压检定和同步检定的继电器，利用联接片进行切换，使两侧断路器轮换使用每种检定方式的重合闸，因而使两侧断路器工作的条件接近相同。

思考：

在使用检查线路无电压方式的重合闸的M侧，当其断路器在正常运行情况下由于某种原因而跳闸时，由于对侧并未动作，因此，线路上有电压，因而就不能实现重合。

如何解决这个问题呢？

解决方法：

通常都是在检定无电压的一侧也同时投入同步检定继电器，两者的触点并联工作。

此时如遇有上述情况，则同步检定继电器就能够起作用，当符合同步条件时，即可将误跳闸的断路器重新投入。

无电压检定继电器：

就是一般的低电压继电器，其整定值的选择应保证只当对侧断路器确实跳闸之后，才允许重合闸动作。

根据经验，通常都是整定为0.5倍额定电压。

 第三节自动重合闸与继电保护的配合

一、自动重合闸前加速

当线路发生故障时，继电保护加速电流保护的第III段，造成无选择性瞬时切除故障，然后重合闸进行一次重合。

若重合于瞬时性故障，则线路就恢复了供电。

若重合于永久性故障，则保护带时限有选择性地切除故障。

系统的每条线路都装设过电流保护，1QF处装设自动重合闸装置，变电站B和C没有装自动重合闸装置。

当d1点或d2点短路时，1QF的过电流保护动作，通过加速继电器3KM的常闭触点瞬时跳闸。

1QF跳开后，起动重合闸继电器进行重新合闸，与此同时，起动加速继电器3KM，加速继电器3KM的常闭触点断开。

若重合不成功，过电流保护再次动作，这时通过KT的延时接点有选择性地切除故障。

应用:

用于35kV以下由发电厂或重要变电所引出的直配线路上。

采用前加速保护的优点：

（1）能快速地切除瞬时性故障。

（2）使瞬时性故障不至于发展成永久性故障．从而提高重合闸的成功率。

（3）使用设备少，只需装设一套重合闸装置，简单、经济。

采用前加速保护的缺点：

（1）断路器1QF的工作条件恶劣，动作次数增多。

（2）对永久性故障，故障切除时间可能很长。

（3）如果重合闸或断路器1QF拒绝合闸，将扩大停电范围。

二、自动重合闸后加速

就是当线路发生故障时，首先保护有选择性