继电保护原理复习提纲改.docx

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继电保护原理复习提纲改

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继电保护原理

第1章绪论

1.1继电保护装置，就是指能反应电力系统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。

它的基本任务：

①自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；

②反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。

1.2继电保护的基本原理：

利用系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，以实现保护。

（差动原理）

1.3继电保护装置是由测量部分、逻辑部分和执行部分组成的。

1.4电力系统继电保护的基本要求：

选择性、速动性、灵敏性、可靠性。

①选择性指电力系统中有故障时，应由距离故障点最近的保护装置动作，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量减小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行

②速动性在发生故障时，保护装置能迅速动作切除故障

③灵敏性指对于其保护范围内发生任何故障或不正常运行状态的反应能力

④可靠性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，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护装置不应该动作的情况下，则不应该误动作

第2章继电保护的硬件构成——继电器

2.1继电器是一种能反应一个弱信号的变化而突然动作，闭合或断开其接点以控制一个较大功率的电路或设备的器件。

发展阶段：

电磁式、感应式→晶体管式→集成电路式→数字式

2.2继电特性：

①继电器的动作都是明确干脆的

②继电器的返回系数是返回值与动作值的比值

2.3感应型继电器具有反时限特性（方向继电器、阻抗继电器、差动继电器、平衡继电器）

2.4微机保护装置硬件的核心是微处理器。

微处理器是数字式保护的核心。

2.5微机保护装置硬件

①数据采集单元：

将模拟输入量尽可能准确地转换为数字量（电气量变换）

a.电压变换电流变换器、电压变换器电量变换、隔离

频率高于fmax的分量出现频率混叠的问题，

可用前置低通滤波器消除影响

b.采样保持采样定律：

fs≥2fmax

c.模拟低通滤波器有源滤波器、无源滤波器

d.模拟量多路转换开关

e.数模转换器（直接、间接）A/D转换技术指标：

分辨率，量程，精度，转换时间和转换速率

②数据处理单元：

对由数据采集系统输入至随机存取存储器中的数据进行分析处理

开关量输出回路的与非门：

①提高带负载能力；②提高抗干扰能力

③开关量输入/输出接口：

完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入及人机对话

光电隔离防止继电器的误动作

④通信接口：

实现多机通信或联网

⑤电源：

供给微处理器、数字电路、A/D转换芯片及继电器所需的电源。

（逆变电源）

2.6微机保护的软件（监控程序、运行程序）分为两个模块：

a.主程序：

包括初始化，全面自检、开放及等待中断

b.中断服务程序：

包括采样中断

串行口中断

第3章电网的相间电流、电压保护和方向性相间电流、电压保护

3.1电流增大和电压降低是电力系统中发生短路故障的基本特征。

3.2短路电流大小的影响因素：

故障类型、系统阻抗（运行方式）和短路地点

3.3阶段式相间电流保护定值的整定原则

Ⅰ段按照躲过线路末端最大短路电流整定（用保护范围衡量其灵敏性）

Ⅱ段按照躲过下一级各相邻元件Ⅰ段（Ⅱ段）保护范围末端的最大短路电流整定

Ⅲ段按照躲过本线路最大负荷电流（及负荷自启动过程中产生的自启动电流、考虑返回电流）整定

瞬时速断不能保护线路全长辅助保护

限时速断不能作为下级线路后备主保护

过电流范围延伸至下级线路末端后备保护

3.4引入可靠系数的原因：

①实际短路电流可能大于计算值；②非周期分量使总电流增大；

③装置中继电器的实际动作电流可能小于整定值；④考虑裕度。

3.5反时限过电流保护

①动作特性：

电流越大，动作时限越短；电流越小，动作时限越长

②保护功能：

近处故障时，动作时限短；远处故障时，动作时限长

③实现方式：

传统保护采用感应型圆盘式继电器；微机保护采用反时限特性方程

④优点：

靠近电源端故障具有较短的切除时间缺点：

系统最小运行方式下短路时，动作时间较长

3.6电流保护的接线方式

①三相星形接线（完全星接）110kV及以上（中性点有效接地—零序保护）

a.优点：

可反应各种相间短路和中性点直接接地系统的单相短路

降压变高压侧加装过流保护作为低压侧线路故障的后备保护，完全星接有更高灵敏性

b.缺点：

接线复杂，不经济

c.适用范围：

中性点直接接地系统，作为相间短路和单相短路的保护

②两相星形接线（不完全星接）（统一装在A相和C相上）35kV及以下

a.优点：

中性点不直接接地系统并联的不同线路发生单相接地短路时，有2/3的机会只切除一条线路

b.缺点：

不可反应直接接地系统的B相单相短路故障（以及并联线路均发生B相短路）

中性点不直接接地系统串联的不同线路发生单相接地短路时，只有2/3的选择性

c.适用范围：

中性点非直接接地系统，作为相间短路的保护

3.7低电压保护的特点

①电压保护反应于电压降低而动作，返回电压高于起动电压，返回系数大于1

②瞬时电压速断保护总有一定的保护范围，最小运行方式下灵敏度高，与电流保护相反

③电压保护没有方向性，必须配以过电流闭锁或监视元件

3.8功率方向元件

①基本概念

φk阻抗角φ实际电流与电压的夹角φsen.max最灵敏角α功率方向继电器内角α＝90°－φk

②0°接线（同名相电压和相电流UA、IA）

a.动作方程

b.若短路发生在保护出口处，母线残压约为0，方向继电器无法判断正方向，出现“电压死区”

③90°接线（非故障相电压作为参考量判别电流相位UBC、IA）

a.动作方程

b.除正方向出口处附近发生三相短路，继电器具有电压死区外，其他任何包含A相的不对称短路都没有死区，且动作灵敏性很高

c.正常运行情况下，方向继电器在负荷电流作用下处于动作状态，若电流继电器误动，保护可能误动

④消除电压死区的方法

a.将短路电流与故障前的母线电压进行比较

b.传统保护——加设记忆元件获得故障前电压

c.微机保护——保留故障前的电压信息

⑤力求少用方向元件：

a.电流速断保护，尽可能从整定值上躲开反方向短路

（与同一母线相联的时限短的须要装，时限相同的则都装）

b.过电流保护，尽可能从动作时限的大小决定是否装设方向元件

3.9双侧电源网络电流保护整定

①不装设方向元件——整定原则：

按躲开被保护线路末端和保护背侧母线的最大短路电流整定

②装设方向元件——装设原则：

动作电流较大的瞬时速断保护不需要装设方向元件）

3.10

半周积分算法

误差的引起：

①梯形法近似求面积（采样频率越高，精度越高）

②第一个采样点的初相角

3.11

傅里叶算法

①全波傅里叶算法

②全波差分傅里叶算法减小直流分量对基波计算精度的影响，抑止低于50Hz低频，对非整次谐波效果差③半波傅里叶算法仅采用半个周波的数据窗进行DFT

3.12

保护的起动判定：

①相电流差瞬时值突变量起动元件

相电流差—抑止共模干扰；突变量—消除频率偏移影响

②相电流差有效值突变量起动元件

③零序电流辅助起动元件

第4章

中性点采用哪种接地方式主要取决于

供电可靠性和限制过电压

电网接地故障的电流、电压保护

4.1中性点接地方式

保护动作于跳闸

大电流接地方式

小电流接地方式

中性点直接接地110kV及以上

中性点经小电阻接地城市电流供电网络

保护动作于警报

短时不予以切除故障

中性点不接地35kV及以下

中性点经消弧线圈接地35kV及以下

4.2中性点有效接地系统的接地保护

4.2.1

（取较大值）灵敏Ⅰ段

三段式零序保护定值的整定原则

重合闸后加速?

不灵敏Ⅰ段

Ⅰ段按照躲开下一条线路出口处最大零序电流整定

当线路上采用单相自动重合闸时，按照躲开非全相运行状态下又发生系统振荡时的最大零序电流

按照躲开断路器三相触头不同期合闸时的最大零序电流整定

Ⅱ段按照躲开下一级各相邻元件Ⅰ段（Ⅱ段）保护范围末端的最大零序电流整定

Ⅲ段按照躲开线路末端相间短路时出现的最大不平衡电流整定

本保护零序Ⅲ段的保护范围，不能超出相邻线路零序Ⅲ段的保护范围

4.2.2中性点有效接地系统的故障特征

a.故障点的零序电压最高，距离故障点越远零序电压越低

（经小电阻接地>90°）

b.忽略回路电阻，以母线流向线路方向为正方向，零序电流超前零序电压90°

零序电流的分布，主要取决于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗

c.对于发生故障的线路，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的

d.零序电流与零序电压的相位差由背侧阻抗的阻抗角决定

中性点电阻的接入不影响零序电压的分布规律，只影响零序电流大小和电压、电流相位关系

4.2.3零序功率方向元件的特点

①零序功率方向继电器接于零序电压和零序电流，当区内故障时，零序电流超前零序电压95°~110°（对应于保护背侧的零序阻抗角为85°~70°的情况），继电器应正确动作，最灵敏角为钝角

②零序方向元件没有死区，因为越靠近故障点的零序电压越高

③当作为相邻元件的后备保护时，应采用相邻元件末端短路时在本保护安装处的最小零序电流、电压或功率（经TA、TV转换到二次侧的数值）与功率方向继电器的最小起动电流、电压或起动功率之比计算灵敏系数，并要求Ksen≥2。

不管是否双侧电源网，若线路两侧存在中性点接地的变压器时，两侧保护都必须加设功率方向元件

4.2.4

（本侧零序Ⅰ段先动作跳闸，对侧零序电流增大，提高对侧零序Ⅰ段灵敏性）

零序电流保护的评价

优点：

①灵敏度高，故障切除时间短

②受系统运行方式变化的影响小（零序Ⅰ段保护范围大、稳定，Ⅱ段灵敏系数易满足）

③不受系统振荡、过负荷等不正常运行状态影响

缺点：

①短线路或运行方式变化较大时，灵敏性低

②单相重合闸后，灵敏Ⅰ段闭锁，不灵敏Ⅰ段灵敏性低

③自耦变联系的两个电压等级网咯，任一网络接地短路都会在另一网络产生零序电流，使零序电流保护的整定配合复杂化

4.3中性点经小电阻接地系统

①高阻接地故障指电力线路通过非金属性导电介质所发生的接地故障，呈电弧性、间歇性、瞬时性特点

②针对高阻接地故障的保护

a.零序反时限过电流保护：

起动电流整定得小，通过长动作时间保证选择性和可靠性

b.基于三次谐波电流或者三次谐波电流对系统电压相位所构成的保护：

过渡电阻、电弧引入谐波

c.利用采样值突变量的保护：

高阻故障电弧产生高频分量

4.4

故障相电压为零非故障相电容电流升高1.732倍

非故障相电压升高1.732倍故障相电容电流升高（3倍）

三相间电压保持不变故障相电容电流与正常方向相反

中性点不接地系统中的接地保护

①单相接地故障的特征

a.在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压

b.在非故障相的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的实际方向为由母线流向线路

c.故障线路的零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，电容性无功功率的实际方向由线路流向母线

②单相接地保护

a.绝缘监视装置没有选择性，带延时动作于信号

b.零序电流保护为保证动作的选择性，保护装置的起动电流按照躲开本线路的对地电容电流整定

c.零序功率方向保护只有发生接地故障时才将方向元件投入工作，动作延时，稳定性高

零序电流元件的起动电流按照躲开相间短路时零序电流互感器的不平衡电流整定

4.5中性点经消弧线圈接地系统中的接地保护

①消弧线圈在中性点产生感性电流，与接地点的容性电流相抵消；减轻流经故障点的短路电流

②根据消弧线圈对电容电流的补偿程度，分为三种补偿方式

a.完全（欠）补偿：

无法判断故障线路；出现串联谐振，使电源中性点对地电压严重升高，

b.过补偿：

线路电流方向相同，无法利用功率方向判断；过补偿度不大，无法利用零序电流判断

③单相接地故障的暂态分析

由于故障相电压突然降低而引起的放电电容电流振荡频率较高

由非故障相电压突然升高而引起的充电电容电流振荡频率较低

第5章电网的距离保护

5.1距离继电器按构成方式可分为单相补偿式和多相补偿式

5.2距离保护的基本任务

①短路时准确测量出短路点到保护安装点的距离（阻抗）

②按照预定的保护动作范围和动作特性判断短路点是否在其动作范围内

③决定是否应该跳闸和确定跳闸时间

5.3距离继电器的接线方式

①加入继电器的电压电流应满足的要求

a.测量阻抗应正比于短路点和保护安装地点之间的距离，对长距离特高压输电线路应消除分布电容的影响

b.测量阻抗应与故障类型无关，即保护范围不随故障类型而变化

继电器

接线方式

K1

K2

K3

0°接线

30°接线

－30°接线

带零序补偿接线

②0°接线反应相间短路不能反应中性点直接接地系统单相接地故障

③带零序补偿接线反应接地短路不能反应两相短路

5.4阻抗继电器的阻抗概念

①测量阻抗Zk由加入继电器的电压和电流比值和相位差确定

②整定阻抗Zset取值为继电器安装点到保护范围末端的线路阻抗

a.全阻抗继电器，圆的半径b.方向阻抗继电器，最大灵敏角方向上圆的直径

c.偏移特性阻抗继电器，在最大灵敏角方向上由原点到圆周上的矢量

特性圆周上任一点都代表一个起动阻抗

③起动阻抗ZK.act表示当继电器刚好能起动时的测量阻抗，

5.5

多边形特性的阻抗继电器

①AOC是动作范围小于180°的功率方向继电器

②DB是电抗型继电器特性，以防区外经过渡电阻短路时出现的稳态超越，5°~8°

③BR是电阻型继电器特性，描述过渡电阻影响和躲过正常运行的负荷阻抗

5.6补偿电压与极化电压

在保护安装处通过电流补偿的方法获得正常运行或区外故障时电网中任意点的电压

①补偿电压：

只有补偿范围以外故障或正常时，补偿电压才等于补偿点的真实电压

当发生补偿范围内故障时，补偿电压不等于真实电压

②极化电压：

作为补偿电压的参考量

5.7多相补偿式距离继电器

①主要特点：

以另外一相（或相间）的补偿电压作为极化电压来判断故障相（或相间）补偿电压的相位变化

②过负荷与系统振荡时时不会误动作；不能反应三相短路故障

5.8

影响距离保护的因素

①短路点过渡电阻；②电力系统振荡；③电压回路断线

5.10.1短路点过渡电阻对距离保护的影响及减小其影响的方法

短路点过渡电阻可引起测量阻抗减小或增大，可能引起某些保护的无选择性动作。

①采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器（扩大在R轴正方向的面积）

②利用所谓瞬时测量回路来固定阻抗继电器的动作（将短路瞬间的测量阻抗值固定下来，使过渡阻抗的影响减至最小，只能用于反应相间短路的阻抗继电器）

5.10.2电力系统振荡与振荡闭锁回路

①振荡与短路的区别：

a.振荡时，电流和各点电压的幅值均作周期性变化；而短路后，短路电流和电压的幅值不计及衰减时不变。

振荡时，电流和各点电压幅值的变化速度较慢；而短路时短路电流突变增大，电压也突然降低，变化速度快。

b.振荡时，任一点电流和电压之间得到相位关系都随δ的变化而改变；而短路后，电流和电压之间的相位是不变的。

c.振荡时，三相完全对称，电力系统中没有负序分量出现；而当短路时，总要长期（在不对称短路过程中）或瞬间（在三相短路开始时）出现负序分量。

②实现对保护振荡闭锁的原理

5.10.3电压回路断线

对断线闭锁提出的要求

a.当电压回路发生各种可能使保护误动作的故障情况时应该可靠地将保护闭锁

b.当被保护线路故障时不因故障电压的畸变错误地将保护闭锁

5.9故障选相元件特点

①可用整定值保证，在单相接地时，反应两非故障相电流差的突变量选相元件不动作，而对于多相短路的情况，三个选相元件都动作；因而在单相接地时可以准确选出故障相，而在多相故障时又能可靠给出允许跳开三相的信号

②该选相方法只反映故障电流量，不需要躲开负荷电流，因此动作灵敏，并且具有较大的承受故障点经过渡电阻接地的能力

③该选相方法仅在故障刚发生时可靠识别故障类型，因此还必须配以其他稳态量选相原理

5.10三段式距离保护定值的整定原则

Ⅰ段按照躲开下一条线路出口处短路的原则确定

Ⅱ段按照躲开相邻线路距离保护Ⅰ段的保护范围末端发生短路时的阻抗值整定

按照躲开线路末端变电站变压器低压侧出口处短路时的阻抗值整定

Ⅲ段按照躲开正常运行时的最小负荷阻抗整定

5.11三段式距离保护的评价

优点：

①在多电源的复杂网络中可以保证动作的选择性

②阻抗继电器同时反应于电压的降低和电流的增大而动作，故距离保护有较高的灵敏度

③Ⅰ段不受系统运行方式影响；Ⅱ段和Ⅲ段由于有分支，受系统方式影响，但相对较小

④可以实现方向保护，如方向阻抗继电器

不能作为主保护

缺点：

①不能瞬时保护线路全长，在220kV及以上电网有时不能满足电网稳定要求，

②受系统振荡和电压回路断线影响，装置相对复杂

第6章输电线路的纵联保护

6.1纵联保护的分类

按所利用信号的性质：

按通信通道：

按所用的原理：

a.闭锁式a.导引线a.纵联差动保护（相位比较式、全电流差动）

b.允许式b.高频（载波）通道b.方向比较式纵联保护

c.直接跳闸式c.微波通道c.距离纵联保护

d.解除闭锁式d.光纤通道

6.2纵联保护传送的信号

①闭锁信号：

收不到这种信号是保护动作跳闸的必要条件

②允许信号：

收到这种信号是保护动作跳闸的必要条件

③跳闸信号：

收到这种信号是保护动作于跳闸的充要条件

6.3高频（载波）通道只能传输信号，不能传递电流幅值、相位

应用高频（载波）通道时最好传递闭锁信号

①区内故障且通道失效时，保护能正常动作

②区外故障且通道失效时，保护可能误动（概率低）

③可检测通信通道故障

6.4电流纵联差动保护反应从被保护元件各对外端口流入该元件的电流之和的保护绝对选择性

①利用导引线（三相电流合成单相电流）构成：

环流法接线、均压法接线

②影响输电线路纵联差动保护的主要因素有：

a.电流互感器的误差和不平衡电流

b.输电线路的分布电容电流

c.通道传输电流数据的误差

d.通道的工作方式和可靠性

不平衡电流：

稳态不平衡电流实际上是两个TA励磁电流之差（正常运行/外部故障），TA饱和

暂态不平衡电流外部故障最大不平衡电流

6.5分相电流纵联差动保护

①常用的制动量

a.以两侧电流矢量差为制动量（常用）K≤1

b.以两侧电流幅值之和为制动量

②优点：

分相电流差动保护为有制动的差动保护，可以躲开外部短路可能引起的最大不平衡电流，保证保护不误动，更加适用于长距离高压输电线路。

此外，它还具有自然选相优势。

6.6方向比较式纵联保护

①原理

不论采用何种通信通道，都是基于被保护线路各端根据对故障方向的判断结果向其他各端发出相应信息。

各端根据本端和其他各端对故障方向判断的结果综合判断出故障的位置，然后独立做出跳闸或不跳闸的决定。

②接线原理

③逻辑框图

④几种方向比较式高频保护

不受系统振荡影响

a.高频闭锁负序方向保护不对称短路有负序，三相短路开始瞬间总有一个不对称的过程，

b.长期发信的闭锁式方向高频保护长期连续发出闭锁信号，提高保护动作速度，对通信产生干扰

c.移频解除闭锁式方向高频保护监视通道是否完整，内部故障时偏移到允许频率的信号，增强信号功率

6.7

距离纵联保护输电线路保护原理之终极版

①原理（以超范围闭锁式为例）

a.故障时，KS起动发信机，发出闭锁信号，KM2收到闭锁信号动作，断开瞬时跳闸回路。

b.内部故障时ZⅡ、ZⅡ

均起动，ZⅡ

起动KM1，停止高频发信机。

故障点在Ⅰ段保护范围内，由ZⅠ动作于跳闸；故障点在Ⅰ段保护范围外，KM2返回，接通瞬时跳闸回路，距离Ⅱ段可以瞬时动作跳闸，可以瞬时保护线路全长。

c.外部故障时，距离故障点较近的ZⅡ

不起动，不停发高频闭锁信号，KM2闭锁瞬时跳闸回路，距离Ⅱ段只能通过Ⅱ段延时动作，保证了选择性。

若为正方向故障，且收不到对端闭锁信号则动作。

②距离纵联保护的评价

a.距离元件带有方向性，动作范围稳定，受系统运行方式影响小，可实现多种不同保护逻辑

b.可兼作本线路与下一级线路的后备

c.距离元件易受系统振荡等因素影响（已解决，但使保护接线或保护程序复杂化）

d.高压和超高压线路要求主保护双重化，距离纵联保护是高压、超高压和特高压线路的基本保护原理之一

③距离保护的分类

按发信类型：

按发信距离继电器的整定范围：

a.闭锁式a.欠范围整定—Ⅰ段

b.解除闭锁式（长期发信）b.超范围整定—Ⅱ段

c.允许式

d.直接跳闸式

超范围闭锁式距离Ⅱ段不起动发送闭锁信号

超范围解除闭锁式距离Ⅱ段起动停发闭锁信号

欠范围直接跳闸式距离Ⅰ段起动发送跳闸信号

欠范围允许跳闸式距离Ⅰ段起动发送允许信号

超范围允许跳闸式距离Ⅱ段起动发送允许信号

6.8输电线纵联保护的总结和评价

①对于各种纵联保护最好都设置相间电流速断和零序电流速断作为辅助保护，以避免在保护安装处附近短路时方向元件和距离元件出现电压死区使保护拒动问题，也为了保证在线路出口处短路时能够快速切除，以缩短电压降低的时间。

（纵联保护必须与通信通道配合工作，受通信通道可靠性的影响，正确动作率低于其他保护）

②纵联保护是高压输电线路的主要保护方式，到目前为止也是解决输电线路继电保护难题的最后手段

第7章自动重合闸

7.1自动重合闸：

当断路器跳闸后（继电保护控制）能够自动将断路器重新合闸

7.2重合闸的起动方式

①断路器控制开关的位置与断路器实际位置不对应起动方式（基本起动方式）

②保护起动方式（便于保护动作后需要闭锁重合闸的功能，补充起动方式）

7.3自动重合闸的分类

①单相重合闸：

单相故障，跳单相，重合单相，重合于永久性故障时再跳三相；相间故障跳三相后不重合

②三相重合闸：

任何故障都跳三相，重合三相，重合于永久性故障时再跳三相

③综合重合闸：

单相故障，跳单相，重合单相，重合于永久性故障时再跳三相；相间故障跳三相，重合三相，重合于永久性故障时再跳三相。

7.4三相一次自动重合闸

①单侧电源自动重合闸动作时间整定考虑的因素

a.断路器跳闸后，故障点的电弧熄灭和弧道介质绝缘强度的恢复需要一定的时间

b.断路器的电弧熄灭和灭弧介质绝缘强度的回复也需要一定的时间

c.如果重合闸是利用继电保护起动时，则其动作时限还应该加上断路器的跳闸时间

②双侧电源线路自动重合闸动作时间整定考虑的因素（在满足①中的要求外）

a.时间的配合。

为了保证故障点电弧的熄灭