继电保护基础培训.docx

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继电保护基础培训

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1.继电保护技术的发展

电力系统继电保护是一门相当古老而充满青春活力的综合性科学，既与电力系统的发展紧密相关；同时又不断地吸取相关科学技术中出现的新成就作为发展的手段。

电力系统继电保护技术的发展过程充分地说明了这一论点。

1.1.继电保护基本原理的发展

19世纪末已开始利用熔断器防止在发生短路时损坏电力设备，建立了过电流保护原理。

1905～1908年研制出电流差动保护。

1910年起随着电力系统多电源化而开始采用方向电流保护。

19世纪20年代初出现了距离保护。

19世纪30年代初研制成功了快速动作的高频保护。

由此可见，从继电保护基本原理上看，到上一个世纪30年代初，现在普遍应用的继电保护原理基本上都已建立起来，此后在保护原理方面没有出现突破性的进展，而只是在硬件结构方面，或者说在吸取相关科学技术新成就中，继电保护的构成的发展，令人振奋，令人耳目一新，充满着青春活力。

1.2.继电保护装置硬件的发展

1901年出现了感应型继电器，经历了机电式、整流型、晶体管型、集成电路式、微型计算机式等发展阶段。

纵观继电保护一百年的技术发展史可以看出，虽然继电保护的基本原理早已提出，但它总是根据电力系统发展的需要，不断地从相关科学技术取得的最新成果中发展和完善自己。

继电保护技术的发展，大体可概括为三个阶段，即机电式、半导体式和微型计算机式。

从机电式到半导体式是第一次飞跃，主要特点是无触点化、小型化、低功耗。

从半导体式到微机式是第二次飞跃，主要特点是数字化、智能化。

第二次飞跃意义更为重大，它为继电保护技术的发展开辟了前所未有的广阔前景。

1.3.计算机继电保护的发展

早在1965年就已提出用计算机构成继电保护装置，早期发表的关于计算机保护的研究报告揭示了它的巨大潜力，引起世界各地继电保护工作者的兴趣。

在20世纪70年代，计算机继电保护的研究工作主要是作理论探索，只有个别部门作了一些现场试验，限于计算机硬件的制造水平和价格，当时还不具备规模性地生产计算机继电保护装置的条件。

到了20世纪70年代末，由于大规模集成电路技术飞速发展，出现了一批功能强的微型计算机，价格大幅度减低，因而无论在技术上，还是经济上，已具备一台微型计算机来完成一个电气设备保护功能的条件。

为了增加可靠性，还可以设置多重化的硬件，用几台微机互为备用地构成一个电气设备的保护装置，从而大大提高了可靠性。

发展最快的是日本，在1987年的定货可能达到继电保护设备总产值的70％。

我国在计算机继电保护方面的研究工作起步较晚，但进展很快。

1984年华北电力学院研究制成的第一台距离保护样机，在经过试运行后，通过了科研鉴定，标志着我国计算机保护的开发工作进入了重要的发展阶段。

目前全国已投入运行的微机高压线路保护达万台。

微机保护动作正确率逐年提高，已从1991年的90.6％提高到1997年的98.58％。

2.概述

2.1.电力系统的故障及不正常工作状态

由于设备构造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高、运行维护不当、操作错误、设备绝缘老化、风雨雷电及鸟兽灾害等原因，致使电力系统在运行过程中发生故障。

最常见的故障是各种类型的短路：

三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路及发电机和变压器的绕组匝间短路。

输电线路的断线也属于故障。

短路类型

示意图

符号

概率

三相短路

d（3）

5%

两相短路

d

（2）

10%

两相接地短路

d（1-1）

20%

单相接地短路

d

（1）

65%

故障造成的后果：

✧电力系统电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏。

✧故障处短路电流很大，形成电弧，烧坏电气设备。

✧短路电流的热效应和电动力，使故障电路中电气设备遭到破坏或影响其使用寿命。

✧破坏发电机并列运行的稳定性，使系统振荡或瓦解。

另外电力系统还可能出现各种不正常工作状态，如过负荷、过电压、电力系统振荡等。

故障和不正常工作状态都能引起人身伤亡和设备的损坏，甚至使系统瓦解。

故在电力系统中，除应采取各项措施消除或减少发生故障的可能性外，一旦发生故障，必须迅速而又有选择性的切除故障设备，这是保证电力系统安全运行的最有效方法。

这一切的实现均倚赖于继电保护装置。

2.2.继电保护装置定义

继电保护装置是指能反映电力系统中的故障和不正常工作状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的自动装置，由于其从前大多由继电器组合而成，故称为继电保护装置。

2.3.继电保护装置原理

继电保护装置利用正常与故障或异常状况下电气量的变化来鉴别：

✧反应电气量增加：

过电流、过电压。

✧反应电气量减少：

低电压保护。

✧反应U/I变化：

距离保护。

✧反应电气元件两端相位或功率的变化：

差动保护

2.4.对继电保护装置的基本要求

✧选择性：

保护动作时仅将故障元件切除，使停电范围尽量缩小。

✧速动性：

快速切除故障以提高系统并列运行的稳定性，

✧灵敏性：

要求保护装置对其保护范围内的任何故障和不正常工作状态都能正确反应。

✧可靠性：

2.5.继电保护装置的分类

继电保护装置由最初的熔丝保护发展到机电型再到晶体管型再到集成电路型，发展到今天，微机型继电保护正得到越来越广泛的应用。

按构成原理分类：

电流电压保护、差动保护、距离保护等。

按被保护对象分类：

发电机保护、变压器保护、母线保护、线路保护和电动机保护等。

3.输电线路保护

输电线路主要是架空线路的故障最多，线路必须架设完备的保护。

按其作用对象不同可分为：

中低压线路保护，高压超高压线路保护。

3.1.大接地短路电流系统与小接地短路电流系统

3.1.1.大接地短路电流系统

110KV及以上电压系统中，中性点直接接地，单相接地短路时，接地电流很大，一般500A以上，因此叫做大接地短路电流系统。

当有一相发生接地时，继电保护装置动作使断路器跳闸，切除故障线路。

3.1.2.小接地短路电流系统

35KV及以上电压系统中，中性点不接地或经消弧线圈接地，单相接地短路时，故障点流过很小的电容电流，因此叫做小接地短路电流系统。

当有一相发生接地故障时，线电压仍三相对称，不影响正常供电，允许运行12小时而不必跳闸，由运行人员采取措施，切除故障。

当发生两点接地短路时，短路电流会很大，相间短路保护可动作于断路器跳闸。

3.2.中低压线路保护

主要包括相间短路保护（过电流保护与方向过电流保护）与接地保护（零序过流保护与接地选线）。

3.2.1.三段式过电流保护

用于单侧电源网络线路的相间短路。

3.2.1.1.电流速断保护

反应电流增大而瞬时动作的电流保护称为电流速断保护。

不能保护线路全长，但要求保护范围不能小于15%~20%。

3.2.1.2.限时电流速断保护

作用：

解决电流速断保护不能保护线路全长，作电流速断保护的后备保护。

任何情况下都能保护线路全长，并具有足够的灵敏性，力求最小的动作时限。

正是因为它能以较小的时限快速切除全线路范围内的故障，因此称之为限时电流速断保护。

3.2.1.3.定时限过电流保护

作用：

作本线路和相邻线路的后备保护。

3.2.1.4.反时限过电流保护

定时限过电流的动作时间与电流的大小无关，只要达到动作电流值，就以一定的时限动作。

一般用在首末端短路电流变化较小的情况下。

而反时限过电流保护则是保护的动作时间与短路电流成反比，短路电流大，动作时间小，短路电流小，动作时间长。

3.2.2.低压闭锁的三段式过电流保护

为了弥补过电流保护灵敏度不够的情况，增加了低电压闭锁元件。

3.2.3.方向过电流保护

用于双侧电源网络线路的相间短路保护。

3.2.4.三段式或四段式零序方向过流保护

用于中性点直接接地系统中的线路单相接地保护。

3.2.5.小电流接地选线

用于中性点不接地或经消弧线圈接地的系统中查找单相接地的线路（注意：

不是选相）。

对中性点不接地系统，接地选线的方法之一是反应工频电容电流方向的零序功率方向保护：

根据中性点不接地系统单相接地时的特点：

非故障线路的零序电流超前于零序电压90；故障线路的零序电流滞后于零序电压90的特点，构成保护。

对中性点经消弧线圈接地的系统，不能利用零序功率方向保护作为接地选线的方法。

3.3.高压超高压线路保护

3.3.1.距离保护

简单的电流电压保护的灵敏性受系统运行方式影响大，在重负荷长距离输电线路上，其灵敏性往不能满足要求；另外在超高压多电源的复杂网络中，往往不能满足选择性要求。

距离保护是反应被保护线路始端电压和线路电流的比值的一种保护，该比值称为测量阻抗Zj。

正常运行时，测量阻抗称为负荷阻抗，其值较大。

当系统发生短路时，测量阻抗等于保护安装处（如变电站内）到短路点的线路阻抗，其值较小，

距离保护根据测量阻抗的大小，反应故障点的远近，故称距离保护。

有时又称为阻抗保护。

3.3.2.纵联差动保护

基于比较被保护线路两端电流的大小和相位的原理。

多用于长度较短的线路及发电机、变压器、母线。

4.变压器保护

4.1.概述

作为电力系统中重要的电气设备，变压器在运行中的故障将给供电和系统带来严重的后果。

4.1.1.变压器的故障

变压器可能发生的故障有：

各相绕组之间发生的相间短路；单相绕组部分线匝之间发生的匝间短路；单相绕组和铁芯间绝缘损坏而引起的接地短路；引出线的相间短路；引出线通过外壳发生的单相接地短路等。

变压器发生故障时，必须将其从电力系统中切除。

4.1.2.变压器的不正常运行状态

变压器的不正常工作状态主要包括：

由于外部短路或过负荷引起的过电流；油箱漏油造成的油面降低；变压器中性点电压升高；由于外加电压过高或频率降低引起的过励磁等。

变压器处于不正常运行状态时，应发出信号。

为保证电力变压器的安全运行，按规程规定，变压器一般应装设以下继电保护装置：

4.2.变压器的瓦斯保护

瓦斯保护防御变压器油箱内部各种短路故障和油面降低。

当变压器油箱内发生各种短路故障时，由于短路电流和短路点电弧的作用，变压器油和绝缘材料受热分解，产生大量气体，从油箱流向油枕上部。

故障越严重，产生气体越多，流向油枕的气流和油流速度也越快，利用这种气体来实现的保护称瓦斯保护。

轻瓦斯保护反应于气体容积，动作于信号。

重瓦斯保护反应于油流流速，动作于跳闸。

瓦斯保护可作为变压器内部故障的一种主保护，但不能作为防御各种故障的唯一保护。

4.3.变压器的纵联差动保护

纵联差动保护用来防御变压器绕组和引出线多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路。

可用作变压器的一种主保护。

4.3.1.原理

纵联差动保护是通过比较流入和流出变压器的电流大小而构成的一种保护。

其差值就是差动电流。

正常运行或区外故障时，差流（经过某些补偿措施后）很小，甚至接近于零。

变压器区内故障时，差流较大，可达到几倍到几十倍的额定电流，此时，应立即将变压器从系统中切除。

目前，变压器普遍采用的差动保护包括差动速断和比率差动，二者同时使用。

4.3.2.励磁涌流的影响及消除

正常运行时，励磁电流仅为变压器额定电流的3%~6%。

在电压突然增加的特殊情况下，例如空载投入变压器或外部短路故障切除后恢复供电等情况下，就可能产生很大的励磁电流。

这种暂态过程中出现的变压器励磁电流通常称为励磁涌流。

励磁涌流的存在，常导致差动保护的误动作。

为此，必须采取相应措施克服励磁涌流对差动保护的影响。

目前，广泛采用的方法是利用涌流中的二次谐波制动。

变压器空载合闸时，励磁涌流中含有较大成分的二次谐波分量（一般超过20%），但在变压器内部故障或外部故障的短路电流中，二次谐波含量较小。

因此，采用二次谐波制动是防止变压器差动保护误动的有效办法。

应注意的是，二次谐波制动的只是比率差动保护，而对差动速断保护没有影响。

4.4.变压器的后备保护

除了瓦斯保护和差动保护以外，变压器还应装设后备保护。

4.4.1.复合电压启动的过电流保护

包括低电压启动和负序电压启动。

灵敏度高，接线简单，应用广泛。

4.4.2.零序电流保护

防御大接地电流系统中变压器外部接地短路。

4.4.3.过负荷保护

防御变压器对称过负荷。

5.其他保护

母线保护、电动机保护等其他种类的保护，这里不再祥述。

6.安全自动装置

6.1.重合闸（ZCH）

输电线路的故障中，瞬时性故障约占总次数的80%~90%以上。

瞬时性故障使线路被继电保护动作断开后，故障自行消除。

如果此时把断路器合上，即可恢复供电，避免了不必要的停电，提高了系统供电可靠性。

为此，在电力系统中采用自动重合闸，即当断路器自动跳闸后，自动将断路器重新合闸。

但对于某些永久性故障，重合闸后，由于故障仍然存在，线路会被继电保护再次跳开。

重合闸的成功率一般在60%~90%。

重合闸在线路发生瞬时性故障时，可迅速恢复供电从而提高供电可靠性；可以提高双侧电源输电线路构成的系统并列运行的稳定性；可以纠正断路器机构不良或继电保护误动作引起的误跳闸。

自动重合闸主要用于架空线路。

对电缆线路，由于故障几率较少，同时其故障常为绝缘破损造成的永久性故障，故不采用自动重合闸。

对于包括有架空线与电缆的混合输电线路，只有在装设有能判别电缆区段或架空线区段故障的装置的条件下，采用自动重合闸才是适宜的。

6.1.1.对重合闸的基本要求：

✧手动或遥控跳闸，不应重合闸。

✧手动或遥控合闸于故障线路，继电保护动作跳开，不应重合闸。

✧自动重合闸的动作次数应符合规定的次数：

我国大部分选用一次重合闸，二次重合闸应用较少。

✧自动重合闸在动作后，应能自动复归，准备好下次再动作。

✧当断路器处于不正常状态而不允许重合闸时，应将重合闸闭锁。

✧重合闸后应加速继电保护的动作。

6.1.2.重合闸有单相重合闸、三相重合闸及综合重合闸

6.1.3.普通35KV、10KV线路采用检无压三相一次（或二次）重合闸

6.1.4.双侧电源线路采用检无压检同期三相一次重合闸

6.2.自动按频率减负荷（ZPJH）

又称低频减载、低周减载。

6.2.1.频率降低的原因及危害

在正常情况下，系统频率应保持在500.5HZ（小系统），500.2HZ（大系统）。

✧对用户危害：

：

频率变化将引起电动机转速的变化，影响产品质量（纺织、造纸）；

影响电子设备的运行（国防、科工）。

✧对系统危害：

汽轮机叶片断裂（<48.5~49.5HZ，易产生裂纹；<45HZ，断裂）

频率雪崩

电压雪崩

6.3.备用电源自投（BZT）

6.3.1.原因（优点）

✧提高了供电可靠性。

✧限制了短路电流。

✧简化了继电保护。

6.3.2.几种常用的BZT

6.3.2.1.分段备自投

正常运行时，两台变压器同时投入运行，分段断路器3DL断开。

当任一故障使I母线失压时，在1DL确实断开且II母线有压的情况下，3DL自动投入，恢复I母线的供电。

6.3.2.2.变压器备自投

正常运行时，1台变压器投入运行，另一台变压器备用。

当任一故障母线失压时，在1DL、3DL确实断开且#2变压器进线有压的情况下，2DL、4DL自动投入，恢复母线的供电。

6.3.2.3.桥备自投

正常运行时，两条线路和两台变压器同时投入运行，内桥断路器3DL断开。

当任一故障使I母线失压时，在1DL确实断开且II母线有压的情况下，3DL自动投入，恢复I母线的供电。

6.3.2.4.进线备自投

正常运行时，1条线路投入运行，另一条线路投备用。

当任一故障使母线失压时，在1DL确实断开且#2DL进线有压的情况下，2DL自动投入，恢复母线的供电。

6.4.电压并列和切换

6.4.1.电压并列

用于单母线分段相同电压等级的两个PT之间负荷切换

6.4.2.电压切换

用于变电站双母线接线方式

6.5.电压无功综合控制

6.5.1.电压超限的危害

电压偏移过大时，会影响工农业生产产品的质量和产量，甚至引起系统性的电压崩溃，造成大面积停电。

6.5.2.基本原理：

为了保证电压的稳定，可采取以下方法：

（1）调整变压器变比K。

由于U2=U1/K，所以当负荷PL增大时，应降低K以提高U2；反之，当负荷PL减轻时，应降低K以降低U2。

这可通过调节变压器分接头（档位）来达到。

（2）改变电容器发出的无功功率QC。

增大QC相当于减轻用户无功负载QL，可提高U2；反之，减少QC相当于增加用户无功负载QL，可降低U2。

变电站改变电容器发出的无功功率QC，主要通过控制投入的电容器组数实现。