变电站保护配置及基本原理2015

变电站保护配置及基本原理,运行调通教研室张红艳,发电,输电,变电,配电,用电,变电站在电力系统中的地位和作用,变电站是电网中一个个的节点，用以汇集电源、升降电压和分配电力,变电站主要设备,动力、加热照明电源,整流电源,计算机电源,UPS电源,控制保护测控电源,二次电压,二次电流,遥测,遥控,接通电路,线圈带电,传动机构,跳闸命令,告警,遥信,目录,内容提纲,一、什么是继电保护装置？,继电保护装置，就是指能反应电力系统中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。,保护对象,保护动作条件,保护动作结果,二、继电保护的基本原理,能够区分系统正常运行状态与故障或不正常运行状态，找出存在差别的特征量。,二、继电保护的基本原理,电流增大：在故障点与电源间直接连接的电气设备上的电流会增大。过电流保护电压降低：系统故障相的相电压或相间电压会下降，而且离故障点越近，电压降低越多，甚至降为零。低电压保护电压与电流的比值Z会发生变化：系统正常运行时，Z基本上是负荷阻抗，其值较大，系统短路时，Z是保护安装处到短路点的阻抗，其值较小。距离保护或阻抗保护,二、继电保护的基本原理,电压电流间的相位角会发生变化：正常20左右，短路时6080。方向保护出现序分量：接地故障时产生零序分量，非对称故障时产生负序分量。零序保护、负序保护有无差流：利用正常时流入电流和流出电流相等，I入=I出，差流近似为零，而短路时流入和流出不相等，I入I出，产生很大差流。线路差动、母线差动、主变差动,二、继电保护的基本原理,非电量信号：利用非电气量的变化接通继电器相应的接点动作，发信号或跳闸。瓦斯保护、压力释放、过热保护总之，只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征，即可找出一种原理构成保护，且差别越明显，保护性能越好。,三、继电保护的配置要求,继电保护系统的配置应满足两点基本要求：任何电力设备和线路，在任何时候不得处于无继电保护的状态下运行。任何电力设备和线路在运行中，必须在任何时候均由两套完全独立的继电保护装置分别控制两台完全独立的断路器实现保护。,三、继电保护的配置要求,继电保护配置两点基本要求的实现：对于110kV及以下的电力系统中，靠“远后备”原则实现。对于220kV及以上的电力系统中，保护配置采用“近后备”的原则。即保护双重化断路器失灵保护。,三、继电保护的配置要求,继电保护的双重化配置：220kV及以上线路、220kV及以上母线、110kV及以上主变保护采用双重化配置。每套完整、独立的保护装置应能处理可能发生的所有类型的故障。两套保护之间不应有任何电气联系，当一套保护退出时，不应影响另一套保护的运行。,三、继电保护的配置要求,继电保护的双重化配置：交流量采集：两套保护装置的交流电压宜分别取自电压互感器互相独立的绕组；交流电流应分别取自电流互感器互相独立的绕组。其保护范围应交叉重叠，避免死区。直流电源：两套保护装置的直流电源应取自不同蓄电池组供电的直流母线段。跳闸回路：两套保护装置的跳闸回路应与断路器的两个跳闸线圈分别一一对应。,四、继电保护保护范围的划分,大多数保护装置都是通过对接入的电压、电流量进行分析，判断设备是否正常运行，而电流量取自各间隔的电流互感器二次，所以保护范围的划分，通常是以电流互感器为分界点的。,四、继电保护保护范围的划分,线路间隔,线路保护范围,母线差动保护范围,四、继电保护保护范围的划分,母线及母联间隔,母线差动保护范围,母小差保护范围,母小差保护范围,四、继电保护保护范围的划分,主变间隔,主变差动保护范围,母线差动保护范围,五、保护死区分析,保护死区的概念：保护范围的划分，通常是以电流互感器为分界点的，而保护动作之后是通过跳开断路器切除故障，这样判断故障和切除故障的设备不同，在这两种设备之间就存在一个特殊的位置，也就是我们通常所说的死区。,五、保护死区分析,母联死区：,母小差保护范围,五、保护死区分析,线路死区：,图ZY1000506001-1线路死区,母差保护,线路保护,死区,五、保护死区分析,主变死区：,五、保护死区分析,死区故障的切除方式：在断路器两侧分别安装电流互感器设置专门的母联死区保护使用远跳功能利用后备保护切除死区故障,五、保护死区分析,死区故障与对应开关拒动时的现象类似，但死区故障没有开关拒动情况，应根据事故现象综合分析，做出正确判断，若能及时发现死区故障，可大大提高事故处理速度，尽快恢复无故障设备送电。,六、微机保护学习的要点,微机保护装置有哪些功能？哪些保护功能在使用？何时投退？各个保护功能的输入量及动作条件有哪些？各个保护功能动作后作用于哪些设备？常用压板的操作分析,一、线路保护配置,各电压等级的输配电线路，根据所在变电站的性质、电压等级、供电负荷的重要性等因素，所配置的保护也不相同。,一、线路保护配置,反应一端电气量的保护，如过流保护、零序保护、距离保护。,反应两端电气量的保护，如纵联保护。,保护分类：,一、线路保护配置,220kV线路保护采用双重化配置，每套保护装置包括纵联保护、相间距离、接地距离、零序电流、综合重合闸等功能。110kV线路保护装置包括三段式距离保护（相间距离和接地距离）、四段式零序方向过流保护、三相一次重合闸等功能。10kV、35kV线路配置两段或三段式（方向）过电流保护、三相一次重合闸。,二、过流保护,当线路发生短路故障时，会产生很大的短路电流，并且当故障点离保护安装处越近，短路电流也相对越大。,当短路电流超过整定值时电流元件动作，并通过动作时间与下一级线路保护配合，以保证动作的选择性。,二、过流保护,整定值最大，延时最短,整定值最小，延时最长,三段式过流保护,二、过流保护,三段式过流保护,当任一相电流大于定值，经相应段的延时，三段取或门，也就是任一段动作，保护均出口跳闸。,电流定值,动作时间,二、过流保护,过流保护主要用于1035kV线路。若线路对端有电源，需要在过流保护中加入方向元件，反方向故障不会动作。,三、距离保护,将输电线路一端的电压、电流引入保护装置中，求得电压和电流的比值，即测量阻抗。,三、距离保护,正常运行状态，为工作电压和负荷电流之比，为负荷阻抗，其值较大。,在故障情况下，母线电压下降，电流为短路电流，其比值为短路阻抗，反映短路点到保护安装处的阻抗，远小于负荷阻抗。其大小可反应故障点距线路首端的距离。,三段式距离保护,整定值最小，时间最短,整定值最大，时间最长,三、距离保护,三段式距离保护动作逻辑,三、距离保护,当任一测量阻抗小于定值，经相应段的延时出口跳闸，三段取或门，也就是任一段动作保护均出口。,阻抗定值,动作时间,三、距离保护,距离保护分类根据获取的电压、电流及计算公式的不同，距离保护分为接地距离保护反映各种接地故障。Z=U/（I+K3I0）相间距离保护反映各种相间故障。Z=U/I,三、距离保护,距离保护主要用于：110kV线路主保护220kV、500kV线路后备保护,四、零序过流保护,零序保护只反映接地故障零序电流、零序电压。,四、零序过流保护,跳闸逻辑：3I0整定值，跳开线路开关电气量获得：线路CT自产3I03I0=Ia+Ib+Ic,3I0,四段式零序过流保护,零序段：按躲过本线路末端单相短路时流经保护装置的电流整定，不能保护线路全长。零序段：与相邻线路灵敏段配合，不仅保护本线路全长，还延伸至相邻线路。零序段：与相邻线路段配合，是、段的后备保护。零序段：作为零序电流段后备保护。,四、零序过流保护,四、零序过流保护,零序方向过流保护：零序过流保护+零序方向元件零序方向元件比较零序电压和零序电流的相位来区分正反方向的接地故障。,正方向短路时，零序电流超前于零序电压。,反方向短路时，零序电流滞后于零序电压。,四、零序过流保护,零序过流保护可用于：110kV线路主保护220kV、500kV线路后备保护,五、纵联保护,反应一端电气量保护的缺陷,无法区分本线路末端（F1）点和相邻线路始端（F2）点的短路，不能瞬时切除本线路全长范围内的短路。,五、纵联保护,纵联保护的概念：就是用某种通信通道将输电线两端的保护装置纵向联结起来，将各端的电气量（电流、功率的方向等）传送到对端，将两端的电气量比较，以判断故障在本线路范围内还是在线路范围之外，从而决定是否切断被保护线路。纵联保护能瞬时切除本线路全长范围内的短路，但不能作为相邻线路的后备保护。,纵联差动保护分类,五、纵联保护,纵联保护分类,基本原理,纵联电流差动：两侧保护将CT输入的各相电流换算为数字数据，通过光纤数字通信系统的数据通道传送至对侧保护。两侧保护利用本侧和对侧电流数据按相进行差动电流计算，并进行相应判断，若为内部故障时保护动作跳闸，判断为外部故障时保护不动作。,五、纵联保护-电流差动,线路正常运行及外部故障时：,五、纵联保护-电流差动,线路内部故障时：,五、纵联保护-电流差动,差动保护的压板,电流差动保护只有在两侧差动压板均处于投入状态时才能动作，两侧压板互为闭锁。若两侧压板投入状态不一致，装置会报告“差动压板不一致”。,五、纵联保护-电流差动,远方跳闸压板,为了使断路器与电流互感器之间（死区）发生故障或者故障情况下线路开关拒动时对侧保护能快速动作跳闸，保护装置设有远方跳闸功能，当母差、失灵等保护动作后，通过纵联通道向对侧传送远跳信号，对侧保护收到此信号后跳开该侧开关。,五、纵联保护-电流差动,四、三相一次重合闸,线路中90%以上的故障属于瞬时故障，如雷击、鸟害等引起的故障。保护动作后，切断故障电流，则故障点电弧熄灭，故障消失。此时，只需要将开关重新合上即可恢复正常送电运行。,六、自动重合闸,四、三相一次重合闸,自动重合闸分为三相一次重合闸和综合重合闸。对于110kV及以下单电源线路采用普通的三相一次重合闸，而对于220kV双电源线路采用综合重合闸。,六、自动重合闸,四、三相一次重合闸,三相一次重合闸：不论线路上发生单相接地短路还是相间短路，继电保护装置动作均将线路断路器三相跳开，然后重合闸装置起动，将断路器三相一起合上。若故障为瞬时性，则重合成功；若故障为永久性，则保护再次将断路器三相断开，不再重合。,六、自动重合闸,六、综合重合闸,综合重合闸：分为单重、三重、综重、停用几种方式单重方式对于单相故障，跳单相，合单相，1）若瞬时故障，重合成功。2）若永久故障，跳三相。对于相间故障，跳三相，不重合。,保护能发单相跳闸命令（保护能判断出故障相）；各相控制回路相互独立（分相的跳闸出口压板及二次回路）；断路器三相机构及通断元件相互独立（分相的机构、通断元件、机械指示）。,六、自动重合闸,六、综合重合闸,三重方式发生任何故障，线路保护动作跳三相，三相重合，重合成功继续运行，重合于永久性故障上保护动作再次将断路器三相跳开。综重方式单相故障按单相重合闸方式处理；相间故障按三相重合闸方式处理。停用重合闸退出，重合闸长期不用时，应设置于该方式。,六、自动重合闸,母线保护配置,220kV变电站：220kV母线保护应按双重化配置；110kV母线保护单套配置。110kV变电站：一般不设专用母线保护。220kV双母线接线断路器失灵保护按单套配置（具备条件的投双套）。使用微机型母线保护装置时，由该装置实现失灵保护功能，不单独配置失灵保护。,一、母线保护配置,微机母线保护装置功能,母线差动保护母联充电保护母联过流保护母联死区保护母联失灵保护母联非全相保护（110kV无此功能）断路器失灵保护（110kV无此功能）,一、母线保护配置,用于双母线接线的微机母线保护装置功能,母联相关保护,差动回路,二、母线差动保护,用于双母线或单母线分段接线方式的微机型母差保护由母线大差和各段母线小差组成。,大差元件,母小差,母小差,由除了母联开关以外的母线所有其余支路的电流构成，作用是区分母线内和母线外故障。,由与该母线相连的各支路电流构成，作用是选择故障母线。,差动回路,二、母线差动保护,大差元件,母小差,母小差,母线正常运行时,差动回路,二、母线差动保护,母线发生故障时,大差元件,母小差,母小差,复合电压闭锁元件,复合电压闭锁元件作用：防止差动元件误动或其他原因误跳闸。,U最小的相电压3U0零序电压（自产）U2负序电压（自产）,二、母线差动保护,当低电压元件、零序过电压元件、负序电压元件中只要有一个或一个以上的元件动作，则立即开放母差保护。,二、母线差动保护,二、母线差动保护,母线运行方式识别：母线保护装置引入隔离刀闸辅助触点判别母线运行方式，同时对刀闸辅助触点进行自检。,LED指示目前的各元件刀闸位置状态S1、S2为强制开关的辅助触点强制开关有三种位置状态：自动、强制接通、强制断开。自动：S1打开，S2闭合，开入取决于刀闸辅助触点；强制接通：S1闭合，开入状态被强制为导通状态；强制断开：S1、S2均打开，开入状态被强制为断开状态,二、母线差动保护,母线运行方式识别,二、母线差动保护,母差“选择”方式：母差保护能够按照一次设备的运行方式选择故障母线，分别跳闸。也称“有选择”方式。母差“非选择”方式：母线故障时，母差保护不选择故障母线直接跳开各母线上的断路器，投入“母线互联”、“母联互联”、“单母方式”压板时均会使母差“非选择”跳闸。也称“无选择”方式。,下列情况应将母差保护投入“非选择”方式：采用隔离开关跨接母线运行时。不停电进行倒母线操作期间。其它需要投入“非选择”方式的情况。,考虑到操作的方便性及运行的安全性，一般不使用母差保护装置中的母联充电、过流保护功能，而是设置独立的母联保护装置，采用其中的充电、过流功能。,三、母联充电、过流保护,母联充电保护：当任一组母线检修后再投入之前，利用母联断路器对该母线进行充电时可投入母联充电保护，若母线存在故障时，则充电保护切除故障。,三、母联充电、过流保护,母联过流保护：利用母联断路器作为线路的临时保护时，当线路有故障时，由母联过流保护动作跳母联开关切除故障。,三、母联充电、过流保护,三、母联充电、过流保护,母联过流保护由相电流元件、零序电流元件、延时元件构成。若线路故障，任一相电流元件或零序电流元件动作经延时跳母联断路器。,Ia、Ib、Ic、3I0：母联CT相电流、零序电流XB：母联过流保护投退压板（或控制字）,四、母联死区保护,若母联开关和母联TA之间发生故障，断路器侧母线跳开后故障仍然存在，正好处于TA侧母线小差的死区，为提高保护动作速度，专设了母联死区保护。注意：母联死区保护经过两条母线的复合电压闭锁,四、母联死区保护,大差元件,母小差,母小差,母差保护判定为II母线故障,四、母联死区保护,考虑到母线分列运行的情况，防止造成两条母线全停。当两母线都有电压、母联在跳位且三相均无电流时，母联电流不再计入两条母线小差。,五、母联失灵保护,母联开关失灵判别及动作条件有保护曾给它发过跳闸命令在一定时间内母联仍存在电流两母线电压闭锁均动作母联失灵动作后切除两母线上所有连接元件,五、母联失灵保护,起动母联失灵的保护有母差保护、母联充电保护、母联过流保护及外部保护。其中，母联过流保护及外部保护需要经过控制字选择是否投入起动母联失灵保护。,启动失灵压板,双母线接线，断路器失灵保护与母线保护一体化，失灵保护动作后，跳开失灵开关所在母线上其他所有的开关。,六、断路器失灵保护,启动失灵压板,判断开关失灵2个条件：1.线路保护或变压器保护对该开关发过跳闸命令；（本条件判断在线路保护或主变保护装置中实现）2.开关在一段时间里仍有电流流过。（本条件判断在母线保护装置或线路辅助保护装置中实现）,启动失灵压板,通过引入刀闸位置接点，确定失灵断路器接于哪条母线，从而经过该母线的电压闭锁元件，去切除该条母线。（本部分在母线保护装置中实现。）,六、断路器失灵保护,各断路器出口压板,注意：失灵保护起动后经跟跳延时再次动作于该线路断路器，经失灵延时切除该元件所在母线的各个连接元件,启动失灵压板,六、断路器失灵保护,220kV母差保护动作，主变断路器失灵时：（1）双套装置配置的，每套装置的母差保护提供各自的动作接点，启动失灵保护的主变单元。（2）主变220kV侧断路器失灵，失灵保护出口除应跳开其所在母线的所有断路器外，还应跳开该主变其他侧的断路器。,启动失灵压板,六、断路器失灵保护,U最小的相电压3U0零序电压U2负序电压,思考：1.母差保护复压闭锁和失灵保护复压闭锁元件是否共用？2.主变保护屏“解除失灵电压闭锁”压板有什么作用？为什么设置该压板？,考虑到主变低压侧故障高压侧开关失灵时，高压侧母线的电压闭锁灵敏度有可能不够，因此可选择主变支路跳闸时失灵保护不经电压闭锁，这种情况下应同时将另一付跳闸接点接至解除失灵复压闭锁开入。,七、母差、失灵保护与其他保护的配合,闭锁线路重合闸。母差、失灵保护动作后，能启动线路光纤纵联电流差动保护中的“远跳”，使线路对侧断路器跳闸。,可以启动远跳的保护出口接点,（七）母差、失灵保护与其他保护的配合,远跳的目的：,1）断路器与TA之间发生短路故障2）母线上故障断路器失灵,M,N,七、母差、失灵保护与其他保护的配合,八、复合电压闭锁方式,双母线接线母线保护中，母线差动保护、断路器失灵保护、母联死区保护、母联失灵保护都要经过复合电压闭锁。母联充电保护、母联过流保护不经复合电压闭锁。,220kV、110kV主变保护按双套配置主后一体的电量保护（差动保护和后备保护），非电量保护按单套配置。,一、主变保护配置,非电量保护装设重瓦斯、压力释放、油温度高、绕组温度高、有载调压开关重瓦斯、冷却器全停等输入回路,其出口继电器不起动失灵保护；轻瓦斯则只发信号。,一、主变保护配置,220kV主变压器电量保护主保护为两套不同原理的纵差保护。后备保护配置：各侧装设复合电压闭锁的过流保护，复合电压闭锁元件取三侧电压的“或”逻辑。220kV和110kV侧装设零序方向过流保护。220kV和110kV侧装设间隙过流和间隙过压保护，经0.3-0.5S跳主变各侧。装设过负荷保护，发信号。装设过负荷闭锁有载调压；按负荷起动风扇回路。装设失灵起动回路（电量保护出口+电流）。,一、主变保护配置,110kV主变压器电量保护主保护为两套不同原理的纵差保护。后备保护配置各侧装设复合电压闭锁的过流保护，110kV侧复合电压闭锁元件取三侧电压的“或”逻辑，中低压侧复合电压闭锁元件取本侧电压。110kV侧装设零序过流保护。110kV侧装设间隙过流和间隙过压保护。中低压侧配置母线充电保护。中低压侧配置零序电压保护，延时发信号。装设过负荷保护，发信号。装设过负荷闭锁有载调压；按负荷起动风扇回路。,一、主变保护配置,一、主变保护配置,二、瓦斯保护,瓦斯保护用来反应变压器油箱内部故障。当变压器油箱内部发生故障产生电弧，会使变压器油以及绝缘物分解产生大量气体，根据产生气体的数量及油流速度而动作的保护即为瓦斯保护。,二、瓦斯保护,一般油箱内气体排出的多少与变压器故障的严重程度和性质有关当变压器内部发生轻微故障时，有少量气体产生，气体继电器的上触点闭合，作用于预告信号当发生严重故障时，产生大量气体，形成油气流沿连接管冲向油枕，冲击气体继电器挡板使其下触点闭合，发出报警信号，同时将断路器跳闸气体继电器的下触点闭合，也可以利用切换片切换位置，只给出报警信号。,三、差动保护,保护范围：各侧开关CT以内,三、差动保护,变压器差动保护是按照循环电流原理构成，即将变压器各侧电流互感器的二次电流进行相量相加。正常运行和区外故障时，若忽略励磁电流损耗及其他损耗，则流入变压器的电流等于流出变压器的电流，此时差动保护不应动作。当变压器内部故障时，若忽略负荷电流不计，则只有流进变压器的电流而没有流出变压器的电流，差动保护动作将变压器切除。,四、复压闭锁过流保