《电力系统继电保护》《电力系统继电保护》第一章绪论一,电力系统的正常工作状态,不正常工作状态和故障状态电力系统在运行中可能发生各种故障和不正常运行状态,最常见同时也是最危险的故障是各种类型的短路.发生短路时可能产生以下后果:1)通过故障点的短路电流和所燃起的电弧使故障设备或线路损坏.2)短路电流通过非故障设备时,由于发热和电动力的作用,引起电气设备损伤或损坏,导致使用寿命大大缩减.3)电力系统中部分地区的电压大大降低,破坏用户工作的稳定性或影响产品的质量.4)破坏电力系统并列运行的稳定性,引起系统振荡,甚至导致整个系统瓦解.继电保护装置的基本任务是:1)自动地,迅速地和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(如有无经常值班人员)而动作于信号的装置. 二, 继电保护的基本原理及其组成1,继电保护的基本原理电力系统发生故障后,工频电气量变化的主要特征是:1)电流增大. 短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流.2)电压降低. 当发生相间短路和接地短路故障时,系统各点的相间电压或相电压值下降,且越靠近短路点,电压越低.3)电流与电压之间的相位角改变. 正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角,一般约为20°;三相短路时,电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定,一般为60°～85°;而在保护反方向三相短路时,电流与电压之间的限额将则是180°+(60°～85°).4)不对称短路时,出现相序分量, 如单相接地短路及两相接地短路时,出现负序和零序电流和电压分量.这些分量在正常运行时是不出现的.利用短路故障时电气量的变化,便可构成各种原理的继电保护.例如,据短路故障时电流的增大,可构成过电流保护;据短路故障时电压的降低,可构成电压保护;据短路故障时电流与电压之间相角的变化,可构成功率方向保护;据电压与电流比值的变化,可构成距离保护;据故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化,可构成差动保护; 据不对称短路故障时出现的电流,电压相序分量,可构成零序电流保护,负序电流保护和负序功率方向保护等.2, 继电保护的组成及分类模拟型继电保护装置的种类很多,它们都由测量回路,逻辑回路和执行回路三个主要部分组成.3,对继电保护装置的基本要求(l) , 选择性选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时,其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除,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.(2),速动性速动性就是指继电保护装置应能尽快地切除故障.对于反应短路故障的继电保护,要求快速动作的主要理由和必要性在于1 )快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性.2 )快速切除故障可以减少发电厂厂用电及用户电压降低的时间,加速恢复正常运行的过程.保证厂用电及用户工作的稳定性.3 )快速切除故障可以减轻电气设备和线路的损坏程度.4 )快速切除故障可以防止故障的扩大,提高自动重合问和备用电源或设备自动投人的成功率.对于反应不正常运行情况的继电保护装置,一般不要求快速动作,而应按照选择性的条件,带延时地发出信号.3 , 灵敏性灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时,保护装置的反应能力.所谓系统最大运行方式,就是在被保护线路末端短路时,系统等效阻抗最小,通过保护装置的短路电流为最大的运行方式;系统最小运行方式,就是在同样的短路故障情况下,系统等效阻抗为最大,通过保护装置的短路电流为最小的运行方式.保护装置的灵敏性用灵敏系数来衡量.灵敏系数表示式为:l )对于反应故障参数量增加(如过电流)的保护装置:保护区末端金属性短路时故障参数的最小计算值2 )对于反应故障参数量降低(如低电压)的保护装置:保护区末端金属性短路时故障参数的最小计算值4,可靠性可靠性是指在保护范围内发生了故障该保护应动作时,不应由于它本身的缺陷而拒动作;而在不属于它动作的任何情况下,则应可靠地不动作.以上四个基本要求是设计,配置和维护继电器保护的依据,又是分析评价继电保护的基础.这四个基本要求之间,是相互联系的,但往往又存在着矛盾.因此,在实际工作中,要根据电网的结构和用户的性质,辩证地进行统一.第二章,电网的电流保护一, 单侧电源网络相间短路的电流保护输电线路发生相间短路时,电流会突然增大,故障相间的电压会降低.利用电流会这一特征,就可以构成电流保护.电流保护装置的中心环节是反应于电流增大而动作的电流继电器.电流继电器是反应于一个电器量而电阻的简单继电器的典型.1,继电器(1)电磁型继电器电磁继电器的基本结构形式有螺管线圈式, 吸引衔铁式和转动舌片式三种,如图2.1 所示. 电流继电器在电流保护中用作测量和起动元件, 它是反应电流超过一整定值而动作的继电器. 电磁继电器是利用电磁原理工作的,以吸引衔铁式继电器例进行分析,在线圈1 中通以电流,则产生与其成正比的磁通,通过由铁心,空气隙和可动舌片而成的磁路,使舌片磁化于铁心的磁极产生电磁吸力,其大小于成正比,这样由电磁吸引力作用到舌片上的电磁转距可表示为( 2.1 )式中比例常数;电磁铁与可动铁心之间的气隙.( a )螺管线圈式; (b) 吸引衔铁式; (c) 转动舌片式图2.1 电磁型继电器的结构原理1 —线圈;2 —可动衔铁;3 —电磁铁;4 —止挡;5 —接点;6 —反作用弹簧正常工作情况下,线圈中流入负荷电流,继电器不工作,这是由于弹簧对应于空气隙产生一个初始力矩 .由于弹簧的张力与伸长量成正比,因此,当空气长度由减小到时,弹簧产生的反作用力矩为式中比例常数.另外,在可动舌片转动的过程中,还必须克服摩擦力力矩 .因此1 )继电器动作的条件.为使继电器动作,必须增大电流,通过增大电流来增大电磁电磁转矩,使其满足关系式:2 ) 动作电流 .能够满足上述条件,使继电器动作的最小电流值称为继电器的动作电流(起动电流),记作 .3 )继电器的返回条件.继电器动作后,当减小时,继电器在弹簧的作用下将返回.为使继电器返回,弹簧的作用力矩必须大于电磁力矩及摩擦力矩之和,即或4 ) 返回电流. 满足上述条件,使继电器返回原位的最大值电流称为继电器的返回电流,记为,5 )返回系数. 返回电流和起动电流的比值成为继电器的返回系数,可表示为6 ) 动作电流的调整方法:①改善继电器线圈的匝数;②改变弹簧的张力;③改变初始空气隙的长度.7 ) 剩余力矩 .在继电器的动作过程和返回过程中,随着气隙的变化,都将出现一个剩余力矩,从而使继电器的动作过程和返回过程都雪崩式的进行,继电器要么动作,要么返回,它不可能停留在某一个中间状态,具有明显的"继电特性".同时,该力矩还有利于继电器的触点可靠的接触与断开.2,几个基本概念1 )系统最大运行方式在被保护线末端发生短路时,系统等值阻抗最小,而通过保护装置的短路电流为最大的运行方式.2 )最小运行方式在同样短路条件下,系统等值阻抗最大,而通过保护装置的电流为最小的运行方式.系统等值阻抗的大小与投入运行的电气设备及线路的多少等有关.3 )最小短路电流与最大短路电流在最大运行方式下三相短路时通过保护装置的电流为最大,称之为最大短路电流.而在最小运行方式下两相短路时,通过保护装置的短路电流为最小,称之为最小短路电流.4 )保护装置的起动值对因电流升高而动作的电流保护来讲,使起动保护装置的最小电流值称为保护装置的起动电流,记作 .保护装置的起动值是用电力系统的一次侧参数表示的,当一次侧的短路电流达到这个数值时,安装在该处的这套保护装置就能够起动.5 )保护装置的整定所谓整定就是根据对继电保护的基本要求,确定保护装置的起动值(一般情况下是指电力系统一次侧的参数),灵敏性,动作时限等过程.3,无时限电流速断保护根据对保护速动性的要求,在满足可靠性和保护选择性的前提下,保护装置的动作时间,原则上总是越快越好.因此,各种电气元件应力求装设快速动作的继电保护.仅反应电流增大而能瞬时动作切除故障的保护,称为电流速断保护,也称为无时限流速断保护.(1),工作原理无时限速断保护是为了保证其动作的选择性,一般情况下速断保护只保护被保护线路的一部分,具体工作原来如图2.6 所示.对于单侧电源供电线路,在每回电源侧均装有电流速断保护.在输电线上发生短路时,流过保护安装地点的短路电流可用下式计算( 2.4 )图2.06 电流速断保护的动作特性分析Ⅰ—最大运行方式下三相短路电流;Ⅱ—最小运行方式下两相短路电流由式( 2.4 )和( 2.5 )可看出,流过保护安装地点的短路电流值随短路点的位置而变化,且与系统的运行方式和短路类型有关. 和与的关系如图2.6 中的曲线Ⅰ和Ⅱ所示.从图可看出,短路点距保护安装点愈远,流过保护安装地点的短路电流愈小.(2),整定计算1 )动作电流为了保证选择性,保护装置的起动电流应按躲开下一条线路出口处(如点即B 变电所短路时,通过保护的最大保护电流(最大运行下的三相短路电流)来整定.即可靠系数对保护1 ( 2.6 )把起动电流标于图2.6 中,可见在交点M 与保护 2 安装处的一段线路上短路对2 能够动作.在交点M 以后的线路上的短路时,保护2 不动作.因此,一般情况下,电流速断保护只能保护本条线路的一部分,而不能保护全线路.2 )保护范围(灵敏度)计算(校验)规程规定,在最小运行方式下,速断保护范围的相对值为15%~20% ,即式中——最小保护范围;当系统为最大运行方式时,三相短路时保护范围最大;当系统为最小运行方式时,两相短路时保护范围最小.求保护范围时考虑后者.由图2.6 可知( 2.7 )其中, 代入式( 2.7 )整理得( 2.8 )(3)动作时限无时限电流速断保护没有人为延时,只考虑继电保护固有动作时间.考虑到线路中管型避雷器放电时间为0. 04~0.06s ,在避雷器放电时速断保护不应该动作,为此在速断保护装置中加装一个保护出口中间继电器,一方面扩大接点的容量和数量,另一方面躲过管型避雷器的放电时间,防止误动作.由于动作时间较小,可认为t=0 .( 4 )电流速断保护的接线图1 )单相原理接线图电流继电器接于电流互感器TA 的二次侧,它动作后起动中间继电器,其触点闭合后,经信号继电器发出信号和接通断路器跳闸线圈.(5),对电流速断保护的评价优点:简单可靠,动作迅速.缺点:①不能保护线路全长.②运行方式变化较大时,可能无保护范围.如图2.9 所示,在最大运行方式整定后,在最小运行方式下无保护范围.③在线路较短时,可能无保护范围.4, 限时电流速断保护由于电流速断保护不能保护本线路的全长,因此必须增设一套新的保护,用来切除本线路电流速断保护范围以外的故障,作为无时限速断保护的后备保护,这就是限时电流速断保护.( 1 )对限时电流速断保护的要求增设限时电流速断保护的主要目的是为了保护线路全长,,对它的要求是在任何情况下都能保护线路全长并具有足够的灵敏性,在满足这个全体下具有较小的动作时限.( 2 )工作原理1 ) 为了保护本线路全长,限时电流速断保护的保护范围必须延伸到下一条线线路去,这样当下一条线路出口短路时,它就能切除故障.2 ) 为了保证选择性,必须使限时电流速断保护的动作带有一定的时限.3 ) 为了保证速动性,时限尽量缩短.时限的大小与延伸的范围有关,为使时限较小,使限时电流速断的保护范围不超出下一条线路无时限电流速断保护的范围.因而动作时限比下一条线路的速断保护时限高出一个时间阶段 .( 3 )整定计算1 )动作电流动作电流按躲开下一条线路无时限电流速断保护的电流进行整定( 2.9 )2 )动作时限 .为了保证选择性,时限速断电流保护比下一条线路无时限电流速断保护的动作时限高出一个时间阶段,即( 2.10 )当线路上装设了电流速断和限时电流速断保护以后,它们联合工作就可以0.5s 内切除全线路范围的故障,且能满足速动性的要求,无时限电流速断和限时速断构成线路的"主保护".3 )灵敏度校验. 保护装置的灵敏度(灵敏性),是只在它的保护范围内发生故障和不正常运行状态时,保护装置的反应能力.灵敏度的高低用灵敏系数来衡量, 限时电流速断保护灵敏度为( 2.11 )式中——被保护线路末端两相短路时流过限时电流速断保护的最小短路电流;当时,保护在故障时可能不动,就不能保护线路全长,故应采取以下措施:①为了满足灵敏性,就要降低该保护的起动电流,进一步延伸限时电流一条线路限时电流速断保护的保护范围).②为了满足保护选择性,动作限时应比下一条线路的限时电流速断的时限高一个,即速断保护的保护范围,使之与下一条线路的限时电流速断相配合(但不超过下( 4 )限时电流速断保护的接线图1 )单相原理接线如图2.11 所示,( 5 )对限时电流速断保护的评价限时电流速断保护结构简单,动作可靠,能保护本条线路全长,但不能作为相邻元件(下一条线路)的后备保护(有时只能对相邻元件的一部分起后备保护作用).因此,必须寻求新的保护形式.5,定时限过电流保护( 1 )工作原理过电流保护通常是指其动作电流按躲过最大负荷电流来整定,而时限按阶梯性原则来整定的一种电流保护.在系统正常运行时它不起动,而在电网发生故障时,则能反应电流的增大而动作,它不仅能保护本线路的全长,而且也能保护下一条线路的全长.作为本线路主保护拒动的近后备保护,也作为下一条线路保护和断路器拒动的远后备保护.如图2.13 所示,( 2 )整定计算1 )动作电流.按躲过被保护线路的最大负荷电流,且在自起动电流下继电器能可靠返回进行整定( 2.12 )2 )灵敏系数校验.要求对本线路及下一条线路或设备相间故障都有反应能力,反应能力用灵敏系数衡量.本线路后备保护(近后备)的灵敏系数有关规程中规定为( 2.13 )作为下一条线路后备保护的灵敏系数(远后备),〈〈规程〉〉中规定( 2.14 )当灵敏度不满足要求时,可以采用电压闭锁的过流保护,这时过流保护自起动系数可以取13 )时间整定.由于电流Ⅲ段的动作保护的范围很大,为保证保护动作的选择性,其保护延时应比下一条线路的电流Ⅲ段的电阻时间长一个时限阶段为( 2.15 )( 3 )灵敏系数和动作时限的配合过电流保护是一种常用的后备保护,实际中使用非常广泛.但是,由于过电流保护仅是依靠选择动作时限来保证选择性的,因此在负责电网的后备保护之间,除要求各后备保护动作时限相互配合外,还必须进行灵敏系数的配合(即对同一故障点而言越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数).( 4 )对定时限过电流的评价定时限过电流结构简单,工作可靠,对单侧电源的放射型电网能保证有选择性的动作.不仅能作本线路的近后备(有时作主保护),而且能作为下一条线路的远后备.在放射型电网中获得广泛的应用,一般在35kv 及以下网络中作为主保护.定时限过电流保护的主要缺点是越靠近电源端其动作时限越大,对靠近电源端的故障不能快速切除.6, 阶段式电流保护的应用及评价电流速断保护只能保护线路的一部分,限时电流速断保护能保护线路全长,但却不能作为下一相相邻的后备保护,因此必须采用定时限过电流保护作为本条线路和下一段相邻线路的后备保护.由电流速断保护,限时电流速断保护及定时限过电流保护相配合构成一整套保护,叫做三段电流保护.实际上,供配电线路并不一定都要装设三段式电流保护.比如,处于电网末端附近的保护装置,,当定时限过电流保护的时限不大于0.5~0.7s 时,而且没有防止导线烧损及保护配合上的要求的情况下,就可以不装设电流速断保护和限时电流速断保护,而将过电流保护为主要保护.在某些情况下,常采用两段组成一套保护, ( 2 )阶段式电流保护的时限阶段式电流保护的时限特性是指各段电流保护的保护范围与动作时限的关系曲线.电流三段式保护的保护特性及时限特性如图2.14 所示.图2.14 电流三段式保护特性及时限特性分析图继电保护的接线图一般可以用原理图和展开图形式来表示.电流三段式保护单相原理接线图如图2.15 所示,( 3 )阶段式保护的选择性电流速断保护是通过选择动作电流保证选择性的,定时限过电流保护通过选择动作时限来保证选择性的,而限时电流速断保护则是通过同时选择动作电流和动作时限来保证选择性的.这是应当重点理解的环节. ( 4 )对阶段式电流保护的评价三段式电流保护的优点是简单,可靠,并且一般情况下都能较快切除故障,一般用于35kv 及以下电压等级的单侧电源电网中.缺点是它的灵敏度和保护范围受系统运行方式和短路类型的影响,此外,它只在单侧电源的网络中才有选择性.7,电流保护接线方式电流保护的接线方式就是指保护中电流继电器与电流互感器二次绕组之间的连接方式.( 1 )三相完全星型接线主要接线方式1 )三相完全星型接线方式如图2.17 所示,三个电流互感器与三个电流继电器分别按相连接在一起,形成星型.三个继电器触点并联连接,相当于"或"回路.三相星型接线方式的保护对各种故障,如三相,两相短路,单相接地短路都能动作.图2.17 完全星型接线图图 2.18 不完全星形接线图2 )相不完全星型接线方式两相不完全星型接线方式如图 2.18 所示.它与三相星形的保护的区别是能反应各种相间短路,但B 相发生单相短路时,保护装置不会动作.( 2 )各种接线方式在不同故障时的性能分析1 )中性点直接接地或非直接接地电网中的各种相间短路.前述三种接线方式均能反应这些故障(除两相电流接线不能保护变压器外),不同之处在于动作的继电器数目不同,对不同类型和相别的相间短路,各种接线的保护装置灵敏度有所不同.2 )中性点非直接接地电网中的两点接地短路图2.20 串联内线路上两点接地的示意图在中性点非直接接地电网(小接地电流)中,某点发生单相接地时,只有不大的对地电容电流流经故障点,一般不需要跳闸,而只要给出信号,由值班人员在不停电的情况下找出接地点并消除之,这样就能提高供电的可靠性.因此,对于这种系统中的两点接地故障,希望只切除一个故障.①串联线路上两点接地情况,如图2.20 所示,在和点发生接地短路,希望切除距电源远的线路.若保护1 和保护2 均采用三相星形接线时,如果它们的整定值和时限满足选择性,那么,就能保证100%地只切除BC 段线路故障.如采用两相星形接线,则保护就不能切除B 相接地故障,只能由保护2 切除BC 线路,使停电范围扩大.这种接线方式在不同相别的两点接地组合中,只能有2/3 的机会有选择地后面的一个线路.②放射性线路上两点接地情况如图2.21 所示,图2.21 放射性线路上两点接地的示意图在点发生接地短路时,希望任意切除一条线路即可.当采用三相星型接线时,两套保护(若时限整定相同)均将起动.如采用两相星型接线,则保护有2/3 的机会只切除任一线路.因此,在放射性的线路中,两相星型比三相星型应用更广泛.( 3 )各种接线方式的应用三相星形接线方式能反应各种类型的故障,保护装置的灵敏度不因故障相别的不同而变化.主要应用如下方面:1 )广泛用于发电机,变压器,大型贵重电气设备的保护中.2 )用在中性点直接接地电网中(大接地电流系统中),作为相同短路的保护,同时也可保护单相接地(对此一般都采用专门的零序电流保护).3) 在采用其它更简单和经济的接线方式不能满足灵敏度的要求时,可采用这种接线方式.两相星形接线方式较为经济简单,能反应各种类型的相同短路.主要应用于如下方面:1 )在中性点直接接地电网和非直接接地电网中,广泛地采用它作为相间短路保护在10kv 以上,特别在3 5kv非直接接地电网中得到广泛应用.2 )在分布很广的中性点非直接接地电网中,两点接地短路常发生在放射型线路上.在这种情况下,采用两相星形接线以保证有2/3 的机会只切除一条线路(要使保护装置均安装在相同的两相上,一般为AC 相).如在6 ~ 10kv 中性点不接地系统中对单相接地可不立即跳闸,允许运行2 小时,因此在6~10kv 中性点不接地系统中的过流保护装置广泛应用两相星形接线方式.两相电流差接线方式具有接线简单,投资较少等优点,但是灵敏性较差,又不能保护Y/ -11 接线变压器后面的短路,故在实际应用中很少作为配电线路的保护.这种接线主要用在6 ~ 10kv 中性点不接地系统中,作为馈电线和较小容量高压电动机的保护.二,双侧电源网络相间短路的方向性电流保护1,方向性电流保护的工作原理在单侧电源网络中,各个电流保护线路靠近电源的一侧,在发生故障时,它们都是在短路功率的方向从母线流向线路的情况下,有选择性地动作,但在双侧电源网络中,如只装过电流保护是不能满足选择性要求.( 2 )几个概念1 ) 短路功率:指系统短路时某点电压与电流相乘所得到的感性功率.。
