电力系统继电保护教案.docx

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电力系统继电保护教案

继电保护教案

前言2页

1----------电力系统典型故障分析2页

1.1--------单相接地短路故障分析7页

1.2--------两相短路故障分析8页

1.3--------两相接地短路故障分析10页

1.4--------三相短路故障分析12页

小结13页

2----------继电保护原理14页

2.1--------距离保护原理14页

2.2--------方向保护原理19页

2.3--------纵联保护原理23页

3----------继电保护检验27页

3.1--------新投验收检验的项目及要求27页

3.1.1------检验前准备工作27页

3.1.2------二次回路检验28页

3.1.3------保护装置检验31页

3.1.4------装置与通道设备的联调检验33页

3.1.5------装置间的联调检验33页

3.1.6------保护整组试验34页

3.1.7------带负荷向量检查34页

3.2--------保护检验的根据及方法35页

3.2.1------电压、电流保护的检验35页

3.2.2------保护启动元件的检验36页

3.2.3------距离保护的检验37页

3.2.4------零序方向保护的检验38页

3.2.5------复合电压闭锁方向过电保护的检验40页

3.2.6------差动保护的检验41页

4----------录波图分析45页

4.1--------单相接地短路录波图分析45页

4.2--------两相短路录波图分析46页

4.3--------两相接地短路录波图分析48页

4.4--------三相短路录波图故障分析49页

4.5--------变压器低压侧两相短路故障录波图分析50页

4.6--------故障实例分析52页

前言

首先我谈一下我从事继电保护的几点体会：

第一点：

我们的继电保护专业在电力系统中是一个很重要的专业，直接关系到电力设备的安全和电力系统的稳定运行；同时继电保护的采集量来自一次系统、最终服务于一次系统。

所以说我们首先应该站在系统的高度来考虑我们的专业工作；从一次系统的角度出发来考虑我们的继电保护装置、安全自动装置、二次回路接线等等。

例如下图所示系统接线；

变电站二次接线：

PT开口三角电压极性端接N600，非极性端接L630；线路CT以母线为正极性；变压器零序CT以变压器为极性。

那么，如果进行变压器零序方向保护试验该如何进行呢？

该通入什么角度的测试量？

大家都知道现在的微机变压器零序方向保护都有两项定值：

“方向指向母线”和“方向指向变压器”。

到底该如何设置这两项定值呢？

大家看上面系统图，当线路上发生单相接地短路故障时，故障电流由母线流向大地，再从变压器中性点返回，同时线路阻抗角一般为75度左右，那么由向量图可看出对于母线一次电气量来说3I0超前3U0约110度左右，到了二次回路，由于线路保护CT以母线为正极性抽取，所以线路保护的零序方向也是3I0超前3U0约110度左右；再看变压器中性点零序CT，故障电流由大地从CT非极性端流入，使中性点零序二次电流反了180度，也就是说变压器保护的零序方向是3U0超前3I0约75度左右。

（如向量图示）

通过上述事例，大家可以看出我的着眼点首先从一次系统出发，结合变电站二次回路实际接线，再去测试保护装置的动作行为。

象上面这个事例，我通入装置的测试量电压超前电流75度，保护应该动作，否则就不对。

如果我把变压器中性点零序CT以大地为极性抽取，那么我通入装置的测试量电流超前电压110度，此时保护应该动作。

第二点：

在我们的工作中，有的同志重装置轻回路，有的同志重回路轻装置，这两点都是不对的。

继电保护专业，装置和回路是一个相互关联、密不可分的整体，像上面的事例，变压器的中性点零序CT的极性端的抽取方式不同，将会得出截然相反的两种结果，如果我只测试装置的动作行为，而不管实际二次回路接线，那免不了会发生继电保护误动、拒动事故；反过来说如果装置要求只能采取该种接线，而你又轻装置，认为都由厂家保证了，不了解该套装置的原理，那免不了也会发生继电保护误动、拒动事故，影响系统稳定运行。

所以说一定要树立一个整体观念。

第三点：

安全与专业技术水平的关系。

首先树立安全意识是必须的，但继电保护是一个技术性较强专业，光有安全意识是不够的，还必须不断提高自身的专业技术水平，只有这样才能全面把握现场工作中的各个环节，充分考虑各种危险因素，才能彻底杜绝事故的发生，保证安全供电。

像我们继电保护专业曾经发生过的许多人为事故，大多数属于此类，认为这样做没事，结果却发生了事故。

这就是因为受专业技术水平的限制没有考虑到它的危险性。

所以说不断提高自身的专业技术水平是继电保护专业保证安全的先决条件。

第一章电力系统典型故障分析

学习典型故障分析的目的：

继电保护按采集量划分，大致分为两类：

一类是电量保护，如电流保护、电压保护、距离保护、纵联保护等；另一类是非电量保护，如非全相保护、变压器瓦斯保护等。

对于电量保护直接反映一次电气量的变化，并最终作用于一次设备，以实现对电力系统一次设备的控制与保护。

所以说必须掌握典型故障的分析方法以及各种故障情况下电气量的变化规律；这对我们今后工作中分析故障、分析继电保护动作行为（是正确动作、拒动还是误动）都是非常重要的。

电力系统典型故障的类型：

1）单相接地短路故障用K

（1）表示

2）两相短路故障用K

（2）表示

3）三相短路故障用K（3）表示

4）两相接地短路故障用K（1.1）表示

5）单相断线故障（两相运行）用F（1.1）表示

6）两相断线故障（单相运行）用F

（1）表示

其中短路故障称之为横向故障，断线故障称之为纵向故障。

电力系统典型故障分析的一般方法：

1）选取特殊相进行分析。

也就是说选取三相中与其他两相特征不一样的相别进行分析。

例如：

A相接地短路故障，A相有故障电流，B、C两相没有，则A相为特殊相，所以用A相进行分析；AB两相短路故障及AB两相接地短路故障，A、B两相有故障电流，C相没有，则C相为特殊相，所以用C相进行分析；A相断线故障，A相有没电流，B、C两相有负荷，则A相为特殊相，所以用A相进行分析；AB两相断线故障，A、B两相没有电流，C相有负荷电流，则C相为特殊相，所以用C相进行分析。

其他相别同理。

2）由故障特征确定故障边界条件。

例如：

A相接地短路故障，A相有故障电流，A相电压为零，B、C两相没有故障电流，则边界条件为：

IKB=IKC=0；UKA=0。

3）由故障边界条件，通过对称分量法求取特殊相各序分量。

首先介绍一下对称分量法的基本公式：

如下图所示：

当系统发生不对称故障时，通过对称分量都可以将不对称的故障量转换为三个对称分量的叠加。

这样做的目的是便于我们分析、计算。

其互换公式如下：

FA1=1/3（FA+aFB+a2FC）

FA2=1/3（FA+a2FB+aFC）

FA0=1/3（FA+FB+FC）

FA=FA1+FA2+FA0

FB=FB1+FB2+FB0=a2FA1+aFA2+FA0）

FC=FC1+FC2+FC0=aFA1+a2FA2+FA0）

式中a表示逆时针旋转120o也即向超前方向旋转120o,a2表示逆时针旋转240o也即向超前方向旋转240o

这六个公式在我们的短路故障分析中经常用到的，首先需要通过它将全电压、全电流分解成三个对称的相序分量进行分析、计算；然后需要通过它将计算结果还原为全电压、全电流。

因此必须熟练掌握。

下面以A相接地短路故障为例，介绍序分量的求取方法

边界条件为：

IKB=IKC=0；UKA=0。

则：

IKA1=1/3（IKA+aIKB+a2IKC）

IKA2=1/3（IKA+a2IKB+aIKC）

IKAo=1/3（IKA+IKB+IKC）

又因IKB=IKC=0

所以IKA1=IKA2=IKAo=1/3IKA

UKA=UKA1+UKA2+UKAo=0

4）由各序分量关系，绘制特殊相序网图。

首先介绍一下序网图的绘制方法：

A在序网图中，只有正序网络图包含电源电势，负、零序网络图中没有电源电势。

这是因为系统正常运行时只有正序分量，当发生不对称故障时才产生负、零序电压电流，也就是说负、零序电压电流是由故障点产生的。

B在序网图中，正、负序阻抗画到短路点结束，负荷侧阻抗不画；这是因为正、负序的短路通路由短路点到电源构成闭合回路；而零序阻抗要画到变压器接地点结束，这是因为零序的短路通路由短路接地点到变压器接地点构成闭合回路；变压器三角侧以后零序阻抗不画，因为三角形接线方式将零序分量滤去了使它不能往下级传变，FA-FB=（FA1+FA2+FA0）-（FB1+FB2+FB0）=（FA1+FA2）-（FB1+FB2）；变压器星型侧中性点不接地，其以后零序阻抗不画，因为星型侧中性点不接地对零序来说相当于无群大阻抗。

（如下图示）

接下来以A相接地短路故障为例，介绍序分量的求取方法由第三步各序分量关系可看出，A相各序电流相等，各序电压相加为零；由于各序分量由故障量中分解所得，所以网络最终要合成一个闭和回路，通过上述条件可得只有各序网络头尾串联可实现。

如下图示：

5）由序网图计算短路点各序分量向量值及保护安装处各序分量向量值。

例如A相接地短路故障，短路点各序分量计算：

IKA1=IKA2=IKAo=E/（X∑1+X∑2+X∑0）

UKA1=IKA1*（X∑2+X∑0）

UKA2=—IKA2*X∑2=—IKA1*X∑2

UKA0=—IKA0*X∑0=—IKA1*X∑2

保护安装处各序分量计算：

对于单端电源网络保护安装处各序分量电流与故障点各序分量电流相等

IKA1M=IKA1

IKA2M=IKA2

IKAoM=IKA0

对于双端电源网络保护安装处各序分量电流等于故障点各序分量电流乘以M、N两侧的阻抗分配系数

IKA1M=IKA1*X1N/（X1M+X1N）

IKA2M=IKA2*X2N/（X2M+X2N）

IKAoM=IKA0*X0N/（X0M+X0N）

IKA1N=IKA1-IKA1M

IKA2N=IKA2-IKA2M

IKAoN=IKA0-IKA0M

保护安装处各序分量电压等于故障点各序分量电压加上各序保护安装处至故障点的电压降。

UKA1M=UKA1+IKA1M*XLM1

UKA2M=UKA2+IKA1M*XLM2

UKA0M=UKA0+IKA0M*XLM0

UKA1N=UKA1+IKA1N*XLN1

UKA2N=UKA2+IKA1N*XLN2

UKA0N=UKA2+IKA0N*XLN0

6）由各序分量，通过对称分量法计算各相故障点故障电流、故障电压及保护安装处故障电流、故障电压。

各相故障点故障电流、故障电压：

IKA=IKA1+IKA2+IKA0=3E/（X∑1+X∑2+X∑0）

IKB=a2IKA1+aIKA2+IKA0=0

IKC=aIKA1+a2IKA2+IKA0=0

UKA=0

UKB=a2UKA1+aUKA2+UKA0

=a2IKA1*（X∑2+X∑0）—IKA1（X∑0+aX∑2）

=IKA1*（a2X∑2-aX∑2+a2X∑0-X∑0）

=√3*IKA1*（X∑2ej-90+X∑0ej-150）

UKC=aUKA1+a2UKA2+UKA0

=aIKA1*（X∑2+X∑0）—IKA1（X∑0+a2X∑2）

=IKA1*（aX∑2-a2X∑2+aX∑0-X∑0）

=√3*IKA1*（X∑2ej90+X∑0ej150）

各相保护安装处故障电流、故障电压：

UKAM=UKA1M+UKA2M+UKA0M

=IKA1（X∑2+X∑0+XLM1）+IKA1（XLM2-X∑2）+IKA1（XLM0-X∑0）

=IKA1（XLM1+XLM2+XLM0）

=IKA1*XLM1+IKA2*XLM2+IKA0*XLM0

UKBM=a2UKA1M+aUKA2M+UKA0M

=a2IKA1（X∑2+X∑0+XLM1）+aIKA1（XLM2-X∑2）+IKA1（XLM0-X∑0）

=√3*IKA1*（X∑2ej-90+X∑0ej-150）+IKA1（a2XLM1+aXLM2+XLM0）

=√3*IKA1*（X∑2ej-90+X∑0ej-150）+IKB1*XLM1+IKB2*XLM2+IKB0*XLM0

UKBM=aUKA1M+a2UKA2M+UKA0M

=aIKA1（X∑2+X∑0+XLM1）+a2IKA1（XLM2-X∑2）+IKA1（XLM0-X∑0）

=√3*IKA1*（X∑2ej90+X∑0ej150）+IKA1（aXLM1+a2XLM2+XLM0）

=√3*IKA1*（X∑2ej90+X∑0ej150）+IKC1*XLM1+IKC2*XLM2+IKC0*XLM0

请大家留意一下我在计算式中标示红色的部分，由前面的计算可知道，母线残压等于短路点电压加上线路阻抗压降。

标示红色的部分实际上就是线路压降。

这在讲距离保护时将详细介绍。

请大家再看一下我在计算式中标示兰色的部分：

对于正序分量电压UKA1M=UKA1+IKA1*XLM1

=IKA1（X∑2+X∑0+XLM1）

可得出：

线路压降与短路点电压同方向，也就是说短路点正序电压最低，越往电源端走正序电压越高，电源点正序电压最高等于电源电势。

对于负序分量电压UKA2M=UKA2+IKA2*XLM2

=IKA1（XLM2-X∑2）

可得出：

线路压降与短路点电压反方向，也就是说短路点负序电压最高，越往电源端走负序电压越低，电源点负序电压最低等于零。

对于零序分量电压UKA0M=UKA0+IKA0*XLM0

=IKA1（XLM0-X∑0）

可得出：

线路压降与短路点电压反方向，也就是说短路点零序电压最高，越往主变接地点走零序电压越低，主变接地点零序电压最低等于零。

通过上述计算还可看出UKAM=IKA1（XLM1+XLM2+XLM0），IKAM=3IKA1；一般各序阻抗角相等，则故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。

7）通过计算结果绘制向量图以供分析。

第一节单相接地短路K

（1）故障分析

单相接地短路故障在上面介绍分析方法时已详细介绍，在此不在重复，现在着重介绍一下单相接地短路故障的特点：

1、出现负、零序分量；

2、序网构成中正、负、零序分量串联，也即在正序的基础上串入了X∑2+X∑0阻抗；

3、接地故障必然产生零序分量；

4、不对称故障必然产生负序分量；

5、短路点非故障相电流为零，对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零，对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数

X1N/（X1M+X1N）=X2N/（X2M+X2N）=X0N/（X0M+X0N）

时保护安装处非故障相电流为零；不等时不为零。

（此处所说的是故障分量，不包括故障前的负荷电流）

6、故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。

7、负、零序电流超前负、零序电压（180度减一个线路阻抗角）约105度。

第二节两相短路K

（2）故障分析

以AB两相短路进行分析：

1、特殊相为C相

2、短路故障边界条件：

IKC=0；IKA=-IKB；UKA=UKB。

3、各序分量：

IKC1=1/3（aIKA+a2IKB+IKC）=1/√3IKAej90

IKC2=1/3（a2IKA+aIKB+IKC）=1/√3IKAej-90

IKC0=1/3（IKA+IKB+IKC）=0

所以IKC1=-IKC2

UKC1=1/3（aUKA+a2UKB+UKC）=1/3（UKC+√3UKAej180）

UKC2=1/3（a2UKA+aUKB+UKC）=1/3（UKC+√3UKAej180）

UKC0=1/3（UKA+UKB+UKC）=1/3（UKC+2UKA）

所以UKC1=UKC2

4、绘制序网图：

由上步计算结果可看出，零序分量电流等于零，也即没有零序分量；正、负序电压相等、方向相同，即正、负序网络只能是同相并联；正、负序电流大小相等、方向相反，且全电流为零，即同一节点电流为零符合同相并联要求。

（如下图示）

5、计算各序分量向量值：

IKC1=-IKC2=E/（X∑1+X∑2）

UKC1=UKC2=-IKC2*X∑2

6、计算故障点各相全电压、全电流

IKC=0

IKB=aIKC1+a2IKC2+IKC0=√3IKC1ej90

IKA=a2IKC1+aIKC2+IKC0=√3IKC1ej-90

UKC=2UKC1

UKB=aUKC1+a2UKC2+UKC0=UKC1ej180

UKA=a2UKC1+aUKC2+UKC0=UKC1ej180

以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流

通过前面的分析大家已经知道：

单端系统保护安装处电流等于故障点电流；双端系统保护安装处各序电流等于故障点各序电流乘各序阻抗分配系数；保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。

IKCM=0

IKBM=√3IKC1ej90

IKAM=√3IKC1ej-90

UKCM=2UKC1+IKC1*XLM1+IKC2*XLM2

=2UKC1+IKC1（XLM1-XLM2）因线路X1=X2

=2UKC1

UKBM=UKC1ej180+aIKC1*XLM1+a2IKC2*XLM2因线路X1=X2

=UKC1ej180+√3IKC1ej90*XLM1

UKAM=UKC1ej180+a2IKC1*XLM1+aIKC2*XLM2因线路X1=X2

=UKC1ej180+√3IKC1ej-90*XLM1

保护安装处AB故障相间故障电流、电压

IKABM=IKAM-IKBM=√3IKC1ej-90-√3IKC1ej90

=2√3IKC1ej-90=2IKAM

UKABM=UKAM-UKBM

=UKC1ej180+√3IKC1ej-90*X1M-UKC1ej180-√3IKC1ej90*XLM1

=√3IKC1ej-90*XLM1-√3IKC1ej90*XLM1

=2√3IKC1ej-90*X1M

=2IKAM*X1M

通过上述计算可看出故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。

7、绘制向量图以供分析。

两相短路故障的特点：

1、出现负序分量；没有零序分量。

2、序网构成中正、负序分量同相并联，也即在正序的基础上串入了X∑2阻抗；

3、不对称故障必然产生负序分量；

4、短路点非故障相电流为零，对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零，对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数

X1N/（X1M+X1N）=X2N/（X2M+X2N）

时保护安装处非故障相电流为零；不等时不为零。

（此处所说的是故障分量，不包括故障前的负荷电流）

通常认为正、负序阻抗相等X1=X2，所以对于两相短路故障来说可以认为保护安装处非故障相电流为零。

5、故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。

第三节两相接地短路K（1.1）故障分析

以AB两相接地短路进行分析：

1、特殊相为C相

2、短路故障边界条件：

IKC=0；UKA=UKB=0。

3、各序分量：

IKC1=1/3（aIKA+a2IKB+IKC）=1/3（aIKA+a2IKB）

IKC2=1/3（a2IKA+aIKB+IKC）=1/3（a2IKA+aIKB）

IKC0=1/3（IKA+IKB+IKC）=1/3（IKA+IKB）

IKC=IKC1+IKC2+IKC0=0

UKC1=1/3（aUKA+a2UKB+UKC）=1/3UKC

UKC2=1/3（a2UKA+aUKB+UKC）=1/3UKC

UKC0=1/3（UKA+UKB+UKC）=1/3UKC

所以UKC1=UKC2=UKC0

4、绘制序网图：

由上步计算结果可看出，正、负、零序电压相等、方向相同，即正、负、零序网络只能是同相并联；又因全电流为零，即同一节点电流为零符合同相并联要求。

（如下图示）

5、计算各序分量向量值：

IKC1=E/（X∑1+X∑2∥X∑0）

IKC2=-IKC1*X∑0/（X∑2+X∑0）

IKC0=-IKC1*X∑2/（X∑2+X∑0）

UKC1=E-IKC1*X∑1

UKC2=-IKC2*X∑2

UKC0=-IKC0*X∑0

UKC1=UKC2=UKC0

6、计算故障点各相全电压、全电流

IKC=0

IKB=aIKC1+a2IKC2+IKC0

=aIKC1-a2IKC1*X∑0/（X∑2+X∑0）-IKC1*X∑2/（X∑2+X∑0）

IKA=a2IKC1+aIKC2+IKC0

=a2IKC1-aIKC1*X∑0/（X∑2+X∑0）-IKC1*X∑2/（X∑2+X∑0）

UKC=3UKC1

UKB=aUKC1+a2UKC2+UKC0=0

UKA=a2UKC1+aUKC2+UKC0=0

以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流

单端系统保护安装处电流等于故障点电流；双端系统保护安装处各序电流等于故障点各序电流乘各序阻抗分配系数；保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。

IKCM=IKC

IKBM=IKB

IKAM=IKA

UKCM=3UKC1+IKC1*XLM1+IKC2*XLM2+IKC0*XLM0

UKBM=aIKC1*XLM1+a2IKC2*XLM2+IKC0*XLM0

UKAM=a2IKC1*XLM1+aIKC2*XLM2+IKC0*XLM0

保护安装处AB故障相间故障电流、电压

IKABM=IKAM-IKBM

=√3IKC1ej-90+√3IKC1ej-90*X∑0/（X∑2+X∑0）

=[1+X∑0/（X∑2+X∑0）]√3IKC1ej-90

UKABM=UKAM-UKBM

=√3IKC1ej-90*XLM1+√3IKC2ej90*XLM1

=√3IKC1ej-90*XLM1-√3IKC1ej90*X∑0/（X∑2+X∑0）*XLM1

=√3IKC1ej-90*XLM1+√3IKC1ej-90*X∑0/（X∑2+X∑0）*XLM1

=[1+X∑0/（X∑2+X∑0）]√3IKC1ej-90*X1M

通过上述计算可看出故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。

7、绘制向量图以供分析。

两相接地短路故障的特点：

1、出现负、零序分量；

2、序网构成中正、负、零序分量同相并联，也即在正序的基础上串入了X∑2∥X∑0阻抗；

3、接地故障必然产生零序分量；

4、不对称故障必然产生负序分量；

5、短路点非故障相电流为零，对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零，对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数

X1N/（X1M+X1N）=X2N/（X2M+X2N）=X0N/（X0M+X0N）

时保护安装处非故障相电流为零；不等时不为零。