第八章继电保护及自动装置.docx

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第八章继电保护及自动装置

第八章继电保护及自动装置

第一节继电保护的作用及原理

所谓继电保护，就是指能反映电力系统中电气设备所发生的故障或不正常状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

在电力系统中，由于电气设备的绝缘老化或损坏、雷击、鸟害、设备缺陷或误操作等原因，可能发生各种故障和不正常运行状态。

其中最常见也是最危险的故障是各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、两相接地短路以及中性点直接接地中的单相接地短路，此外，还可能发生输电线路的一相断线、两相断线以及发电机、变压器一相绕组的匝间短路。

一．继电保护的作用

电力系统发生故障或出现不正常运行状态时，可能引起系统全部或部分正常工作受到破坏，使电能质量变坏到不能允许的程度，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。

所以，在电力系统中应采取各种措施消除或减少发生各种故障的可能性，另外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地将故障设备从系统中切除，以保证无故障设备的继续运行。

要想完成上述任务，只能通过继电保护装置才能实现，继电保护的作用就是：

⑴当电力系统发生故障时，能自动地、迅速地、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，以保证系统其余部分迅速恢复正常运行，并使故障设备不再继续遭受损坏。

⑵当系统发生不正常工作情况时，能自动地、及时地、有选择性地发出信号通知运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。

由此可见，继电保护装置是电力系统必不可少的重要组成部分，对保障系统安全运行，保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。

二．继电保护的基本原理

电气设备从正常工作到故障或不正常运行，其电气量往往会发生显著的变化，主要特征是：

⑴电流增大。

短路时故障点和电源之间的电气设备和输电线路上的电流，将由负荷电流变为短路电流。

⑵电压降低。

当发生相间短路或接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点的电压越低，短路点的电压为零。

⑶电流和电压之间的相位角改变。

正常运行时电流和电压之间的相位角是负荷的功率因数角，一般为20o—30o。

在保护装置的正方向发生短路时，典雅和电流之间的相位角一般为60o—85o；而在保护的反方向短路时，电压和电流之间的相位角则为180o+（60o-85o）。

⑷不对称短路时，出现负序分量的电流和电压；接地短路时，出现零序分量的电流和电压。

在正常对称运行时，既无零序分量也无负序分量。

因此，利用短路时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。

列如，根据短路故障时电流的增大，可构成过电流保护；根据电压的降低，可构成低电压保护；根据电流和电压之间相位角的变化，可构成功率方向保护；根据电压和电流的比值，可构成距离保护；根据部对称时出现的零序和负序分量，可构成零序保护等。

另外，还有一些反应非电量的保护，如变压器的瓦斯保护，过负荷保护等。

一般一套继电保护装置由以下三部分组成，如图8—1所示。

1．测量部分。

测量部分从被保护设备输入有关信号，并和已给定的整定值进行比较，从而判断保护是否应该动作。

2．逻辑部分。

逻辑部分是根据测量部分输出的信号大小、性质、出现的顺序，经过逻辑部分的判断，最后确定是否应该使短路器跳闸或发出信号。

3．执行部分。

执行部分接受逻辑部分传送来的信号，最后发出使保护跳闸的命令或在不正常运行时，发出相应的信号。

第二节继电保护的基本要求

根据继电保护在电力系统中所担负的任务，继电保护必须满足以下四个要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

一．选择性

所谓继电保护装置动作的选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护装置仅将故障设备或线路从系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒绝动作时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

如图8—2所示电网，当在线路L1的d1点故障时，应有故障线路上的保护1和2动作，使断路器1DL和2DL跳闸，将故障线路L1切除。

这时变电站B仍可由线路继续L2供电。

当线路L3的d2点发生故障时，应由该线路的保护5动作，使断路器5DL跳闸，将线路L3切除。

这样，在发生故障时，只有故障设备被切除，停电范围限制在最小，保护装置的上述动作，称为有选择性。

如当线路L4上d3发生故障时，如果该处的保护6或断路器6DL拒动，则应有线路L3的保护5动作，使5DL跳闸，从而达到切除故障的目的。

可见保护5对线路L4起到后备保护的作用。

这种由上一级元件的保护实现对下一级元件故障时的后备保护，通常称为远后备保护。

有时，为了防止一套保护（主保护）拒动时，造成扩大事故，可在同一处另外再装设一套后备保护，当主保护拒动时，可由后备保护动作跳闸。

这种在就地实现的后备保护称为近后备保护。

远后备保护对相邻元件的保护装置，断路器、二次回路和直流电源引起的拒动，均能实现后备作用。

而近后备保护只能对保护装置的拒动起到后备作用，对断路器拒动实现近后备的保护装置称为断路器失灵保护。

二．速动性

快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在低电压下的工作时间，以及减轻设备的损坏程度。

如图8—3中，如K点发生短路，A厂母线电压降到几乎接近于零而甩负荷，汽轮机调速系统来不及作相应的调整，发电厂A的机组转速必然升高。

此时，发电厂B甩去的负荷不多（有较高的残压），发电机转速增加不少，这样A、B两厂的发电机就产生转速差。

如果短路持续的时间较长，两厂的发电机将失去同步，使系统发生振荡甚至瓦解。

如果能迅速切除故障，因两厂发电机的转差尚小，则故障切除后，很容易被拉入同步，恢复系统稳定运行。

因此，快速切除故障是提高系统并列运行的稳定性、防止事故进一步扩大的重要措施。

另外，系统发生短路时，电压大幅度降低，用户的电动机受到制动而转速减慢，若迟缓切除故障，电动机将停止转动，用户的正常运行遭到破坏。

若快速切除故障，电压很快恢复，电动机就容易自启动并迅速恢复正常运行，从而大大减小对用户正常生产的影响。

另外，短路时，故障设备本身将通过很大的短路电流，由于电动力和热效应的作用，设备也将遭到严重破坏，短路时间越长，设备损坏越严重，所以快速切除故障，便能减轻电气设备的损坏程度，防止故障的进一步扩大。

再则，快速切除故障，短路点易于去游离，从而可以提高自动重合闸的成功率。

切除故障的总时间等于保护装置的动作时间和断路器跳闸时间之和。

一般快速保护的动作时间为0.08—0.12S，最快可达0.02—0.04；断路器的跳闸时间一般为0.1—0.15S，最快可达0.04—0.05S。

所以，最快的故障切除时间为0.06—0.09S。

三．灵敏性

保护装置对在保护范围内发生的故障和不正常运行状态的反应称为保护装置的灵敏度。

为使保护装置确实起到保护作用，要求其在各种运行方式下都应具有足够的灵敏性。

对相间短路保护来说，不但在最大运行性方式下三相金属性短路时能够灵敏动作，而且在最小运行方式下也应有足够的灵敏度。

所谓最小运行方式，是指故障时，流过保护装置的电流为最小的运行方式。

最大运行方式是指故障时流过保护装置的电流为最大的运行方式。

保护装置的灵敏度用灵敏系数KS来表示。

对反应故障时参数上升的保护装置，其灵敏系数为：

KS=

保护区末端金属性短路时故障参数的最小计算值

保护装置的动作值

对反应故障时参数降低的保护装置，其灵敏系数为：

KS=

保护装置的动作值

保护区末端金属性短路对故障参数的最大计算值

各种不同的保护装置的灵敏系数是不同的，一般对主保护的灵敏系数要求不小于1.5—2；对后备保护的灵敏系数要求不小于1.2—1.5。

四．可靠性

保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它应可靠动作，而不应该拒动。

而在其他任何不属于它的保护范围内故障时，它应可靠地不动作，而不应该误动。

保护装置的拒动或误动都会造成严重的后果，使事故扩大。

保护装置不能正确动作的原因主要有：

继电器及元件质量差，安装调试质量不高，运行维护不当或设计整定计算错误。

因此，为保证保护的可靠性，应选用质量高、动作可靠的继电器和元器件，保护接线应尽量简单，减少继电器及串联接点，提高安装和调试质量，加强维护和管理。

保护装置的四个基本要求即相互联系，有时又相互矛盾，所以在装设保护时要从全局考虑。

一般来说，在保证可靠性的前提下，首先要满足选择性，对于非选择性动作是绝对不允许的。

第三节输电线路的保护

一．高频保护

1．高频保护的构成及分类

高频保护可分为三个主要部分：

即保护部分，收发信机部分，通道部分。

如图8—4所示。

保护部分是反映故障时的电气量的变化；收发信机是发出高频信号和接受高频信号的装置；通道是传送高频信号的路径。

高频保护按测量元件的实现原理分为：

测量元件为方向元件的高频方向保护；测量元件为方向阻抗元件的高频距离保护；测量元件为相位比较元件的高频相差动保护。

2．相差动高频保护的基本原理

相差动高频保护是基于利用高频电流信号比较被保护线路两端电流相位的原理构成的。

如图8—5所示，设电流从母线流向线路为正，由线路流向母线为负。

当保护线路内部故障时，如图8—5（a）两端的电流İM和İN都从母线流向线路，同时为正方向，两个电流同相，相位差φ=00，两端保护动作，跳开断路器。

而当外部短路时，如图8—5（b）电流İM从母线流向线路为正，电流İN从线路流向母线为负，相位差φ=1800，两端保护不动作。

相差动高频保护的高频信号可以按允许信号和闭锁信号两种方式工作，我国目前广泛采用按闭锁方式工作的相差动高频保护。

在工频电流的正半波，操作发信机发高频信号；在工频电流的负半波，使发信机停止发信。

如图8—6所示，当线路外部故障时，两端工频操作电流相位相反，如图中a、b所示。

各端发信机均于工频操作电流正半周时发信，于负半周时停信，如图中c、d所示，因而两端收信机均收到连接不断的信号，如图中e所示。

由于高频信号在传输过程中有衰耗，故收信机收到对侧发来信号的幅值要小一些。

此时收信机输出的电流为零，如图中f所示。

因两侧继电器线圈中无电流通过，如图中g所示，故保护不动作。

当线路内部故障时，两端工频操作电流相位相同，如图中aˊ和bˊ所示。

两端发信机均于工频操作电流正半波时发信，于负半波时停信。

如图中cˊ和dˊ所示。

两端收信机收到断续信号，如图中eˊ所示。

此时收信机输出断续的电流方波，如图中fˊ所示，该方波电流经加工后使两侧继电器线圈中有电流通过，如图中gˊ所示，故保护动作。

3．高频方向保护工作原理

图8—7是高频闭锁方向保护的原理框图。

该图只表示线路一侧的高频闭锁方向保护装置，线路另一侧和其完全相同。

图中P-为反方向功率方向元件，P+为正方向功率方向元件。

当P-动作时，一方面起动发信机发信，另一方面闭锁P+控制的停信回路。

当P+动作时，延时t2停止发信。

当P+动作，且收不到高频信号时可发出跳闸命令。

以图8—8双侧电源系统说明该保护的工作原理。

当D点短路时，在AB线路上，A侧P+动作，B侧P+动作，而两侧的P-均不动作。

所以两侧保护满足跳闸条件，短路器1、2跳闸，切除故障点。

如果是在BC线路上故障，短路器3、4跳闸。

而短路器1、2由于B侧P-动作，发信机发信，所以短路器1、2不动作。

图8—9为一个多电源环网，当D点故障时，线路MN和MP上的功率流向如图中实线所示，

而当6DL跳闸后，MN线路上的功率流向为从N向M，如图中虚线所示。

6DL跳闸前，MN线路上N侧P-动作，发出闭所信号，1DL、2DL均不跳闸，当6DL跳开后MN线路上的功率方向发生变化，即N侧P-返回，P+动作，而M侧P+返回，P-动作。

如果N侧P+动作快，而M侧P+返回慢，就会有一小段时间，两侧均为P+动作，从而停止发信，1DL、2DL保护误动。

解决的方法有两种，其一是加延时，即先感受为区外故障，之后若感受为区内故障，连续停信时间必须大于60ms才能跳闸。

其二是让P-动作优先于P