电力系统继电保护 全套课件

1、 主 编 马永翔 副主编 蓝 蔚 兰 琴 吴耀华 电力系统继电保护 目 录 第1章 绪 论 1.1 电力系统继电保护的作用 1.2 继电保护的基本原理 1.3 继电保护的组成及分类 1.4 对继电保护装置的基本要求 1.4.1 选择性 1.4.2 速动性 1.4.3 灵敏性 1.4.4 可靠性 1.5 继电保护的发展概况 第2章 电网的电流保护和方向性电流保护 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护 2.1.1 反应单一电气量的继电器 2.1.2 无时限电流速断保护 2.1.3 限时电流速断保护 2.1.4 定时限过电流保护 2.1.5 阶段式电流保护的应用及评价 2.1.6 电流保护的接线方

2、式 2.2 电网相间短路的方向性电流保护 2.2.1 方向性电流保护的工作原理 2.2.2 功率方向继电器 2.2.3 功率方向继电器的90接线方式 2.2.4 方向性电流保护的整定举例 2.2.5 对方向性电流保护的评价 2.3 大电流接地系统的零序电流保护 2.3.1 接地故障时零序电流、零序电压及零 序功率的特点 2.3.2 零序分量滤序器 2.3.3 零序电流速断保护 2.3.4 限时零序电流速断保护 2.3.5 零序过电流保护 2.3.6 方向性零序电流保护 2.3.7 零序电流保护整定计算举例 2.3.8 对零序电流保护的评价 2.4 小电流接地系统的接地保护 2.4.1 中性点不

3、接地系统单相接地的特点 2.4.2 中性点不接地系统的接地保护 2.4.3 中性点经消弧线圈接地系统中单相接地 的特点 2.4.4 中性点经消弧线圈接地系统的接地保护 第3章 电网的距离保护 3.1 距离保护的作用原理 3.1.1 距离保护的基本原理 3.1.2 距离保护的时限特性 3.1.3 距离保护的主要组成元件 3.2 阻抗继电器 3.2.1 用复数阻抗平面分析阻抗继电器的特性 3.2.2 比幅原理和比相原理 3.2.3 全阻抗继电器 3.2.4 方向阻抗继电器 3.2.5 偏移特性阻抗继电器 3.3 单相阻抗继电器的接线方式 3.3.1 阻抗继电器接线方式的要求及分类 3.3.2 相间

4、短路的0接线方式 3.3.3 中性点直接接地系统中两相接地短路 3.3.4 阻抗继电器的主要技术指标和参数 3.4 影响距离保护正确工作的因素 3.4.1 概述 3.4.2 过渡电阻对距离保护的影响 3.4.3 分支电路对距离保护的影响 3.4.4 电力系统振荡对距离保护的影响及振 荡闭锁 3.5 距离保护的整定原则和计算方法 3.5.1 距离保护的整定原则 3.5.2 距离保护的整定计算 3.5.3 阻抗继电器的精确工作电流校验 3.5.4 距离保护整定计算举例 第4章 高频保护 4.1 高频保护的工作原理和分类 4.1.1 高频保护的作用原理及分类 4.1.2 高频通道的构成 4.1.3

5、高频通道的工作方式和高频信号的作用 4.2 方向高频保护 4.2.1 高频闭锁方向保护 4.2.2 高频闭锁负序方向保护 4.2.3 高频闭锁距离保护 4.2.4 高频闭锁零序保护 4.3 相差动高频保护 4.3.1 相差动高频保护的工作原理 4.3.2 相差动高频保护的构成 4.4 高频保护的反事故措施及运行维护中的 注意事项 4.4.1 相差动高频保护 4.4.2 高频闭锁距离保护 4.5 光纤保护简介 第5章 输电线路的自动重合闸 5.1 自动重合闸的作用及其基本要求 5.1.1 自动重合闸在电力系统中的作用 5.1.2 自动重合闸装置的基本要求 5.2 单侧电源线路的三相一次自动重合闸

6、 5.2.1 电磁型三相一次自动重合闸装置 5.2.2 工作原理 5.3 双侧电源线路的三相一次自动重合闸 5.3.1 双侧电源线路重合闸的特点 5.3.2 双侧电源线路重合闸的主要方式 5.4 自动重合闸与继电保护的配合 5.4.1 自动重合闸前加速 5.4.2 自动重合闸后加速 5.5 单相自动重合闸与综合自动重合闸 5.5.1 单相重合闸的特点 5.5.2 综合重合闸 第6章 电力变压器保护 6.1 电力变压器的故障、异常工作状态及其 保护方式 6.2 变压器的励磁涌流 6.3 变压器的差动保护 6.3.1 变压器差动保护的基本原理 6.3.2 不平衡电流产生的原因 6.3.3 减小不平

7、衡电流的措施 6.4 变压器的瓦斯保护 6.5 变压器相间短路的后备保护及过负荷保护 6.5.1 过电流保护 6.5.2 低电压起动的过电流保护 6.5.3 复合电压起动的过电流保护 6.5.4 负序过电流保护 6.5.5 过负荷保护 6.6 变压器零序电流、电压保护 6.6.1 中性点直接接地变压器的零序电流 保护 6.6.2 中性点可能接地或不接地运行时变压 器的零序电流、电压保护 6.7 整定计算实例 第7章 发电机保护 7.1 发电机的故障类型、不正常运行状态及 其保护方式 7.1.1 发电机的故障和异常运行状态 7.1.2 大型发电机组的特点及对继电保护的 要求 7.1.3 发电机保

8、护装设的原则 7.2 发电机的纵差动保护 7.2.1 发电机纵差动保护的基本原理 7.2.2 采用BCH-2型差动继电器的纵差动 保护 7.3 发电机定子匝间短路保护 7.3.1 匝间短路的特点 7.3.2 横差动保护的构成及工作原理 7.3.3 保护装置的整定计算及其他有关问题 7.3.4 定子绕组零序电压原理的匝间短路 保护 7.4 发电机定子绕组单相接地保护 7.4.1 发电机定子绕组单相接地的特点 7.4.2 定子绕组单相接地的零序电流保护 7.5 发电机励磁回路接地保护 7.5.1 励磁回路接地故障的危害及保护装设 原则 7.5.2 励磁回路一点接地保护 7.5.3 励磁回路两点接地

9、保护 7.6 发电机失磁保护 7.6.1 发电机失磁的物理过程及特点 7.6.2 发电机失磁时的机端测量阻抗 7.6.3 发电机失磁保护的构成方式 7.7 整定计算举例 第8章 母线保护 8.1 母线的故障及装设母线保护的原则 8.2 母线的完全电流差动保护 8.2.1 完全的电流差动保护原理 8.2.2 保护的整定计算 8.3 电流相位比较式母线保护 8.3.1 电流相位比较式母线保护的基本原则 8.3.2 保护的构成 8.4 双母线保护 8.4.1 双母线同时运行时，元件固定连接的 电流差动保护 8.4.2 双母线同时运行时，元件非固定连接 的母联电流相位比较式母线保护 8.5 整定计算举

10、例 第9章 微机保护 9.1 概述 9.1.1 微机保护的基本构成 9.1.2 微机保护的特点 9.2 微机保护的硬件组成原理 9.2.1 微机保护系统的硬件组成 9.2.2 电压形成回路 9.2.3 采样保持电路与模拟低通滤波器 9.2.4 多路转换开关(MUX) 9.2.5 模数转换器(A/D) 9.2.6 高度集成的数据采集系统DAS 9.2.7 CPU主系统 9.2.8 开关量输入、输出系统 9.2.9 与综合自动化系统的接口部分 9.3 微机保护的软件基础 9.3.1 数字滤波 9.3.2 微机保护的算法 9.4 微机保护举例 9.4.1 概述 9.4.2 微机差动保护的动作判据和算

11、法 9.4.3 微机变压器差动保护的软件流程 9.5 提高微机保护可靠性的措施 9.5.1 抗电磁干扰的措施 9.5.2 模拟量的自纠错 9.5.3 故障自诊断 1.1 电力系统继电保护的作用 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。 第1章 绪论 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

12、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。 继电保护装置就是指能反应电力系统中电 气元件发生故障或不正常的运行状态，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，以便值班员及时处理，或由装 置自动进行调整，或将那些继续运行就会 引起损坏或发展成为事故的电气设备切除。 此时一般不要求保护动作迅速，而是根据 对电力系统及其元件的危害程度规定一

13、定 的延时，以免不必要的动作和由于干扰而 引起的误动作。 1.2 继电保护的基本原理 为了完成上述第一个任务，继电保护装置 必须具有正确区分被保护元件是处于正常 运行状态还是发生了故障，是保护区内故 障还是区外故障的功能。保护装置要实现 这一功能，需要根据电力系统发生故障前 后电气物理量变化的特征为基础来构成。 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

14、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6085；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+(6085)。 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

15、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；高频保护则是利用高频 通道来传递线路两端电流相位、大小和短 路功率方向信号的一种保护。 1.3 继电保护的组成及分类 模拟型继电保护又可分为机电型继电保护 和静态型继电保护两类。 机电型继电保护由若干个不同功能的继电 器所组成。继电器是一种能自动动作的电 器，只要加入某种物理量(如电流或电压等)， 或者加入的物理量达到一定数值时，它就 会动作，其常开触点闭合，常闭触点断开， 输出电信号。 静态型继电保护是

16、应用晶体管或集成电路 等电子元件来实现的，它由若干个不同功 能的回路，如测量、比较或比相、触发、 延时、逻辑和输出等回路组成。具有体积 小、重量轻、功耗小、灵敏度高、动作快 和不怕震动、可以实现无触点等一系列的 优点。 1.4 对继电保护装置的基本要求 1.4.1 选择性 1.4.2 速动性 图1.1 电网有选择性地切除故障的说明图 图1.2 电力系统并列运行示意图 1.4.3 灵敏性 保护装置的灵敏性用灵敏系数来衡量。灵 敏系数表示式为： 1)对于反应故障参数量增加(如过电流)的保 护装置： 2)对于反应故障参数量降低(如低电压)的保 护装置： 1.4.4 可靠性 1.5 继电保护的发展概况

17、 随着电力系统的高速发展和计算机技术、 通信技术的进步，继电保护技术将朝着计 算机化，网络化，保护、控制、测量、数 据通信一体化和人工智能化的方向发展， 这对继电保护工作者提出了艰巨的任务， 也开辟了活动的广阔天地。可以说微机保 护代表着电力系统继电保护的未来，必将 成为未来电力系统的重要组成部分。 第2章 电网的电流保护和方向性 电流保护 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护 2.1.1 反应单一电气量的继电器 (1)电磁型继电器 电磁型继电器在35 kV及以下电网的电气线 路和电气设备继电保护装置中大量地被采 用。电磁型继电器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

18、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。电磁型继电器是利用电磁原理工作的， 现以吸引衔铁式继电器为例进行分析，如图 2.2所示。 图2.1 电磁型继电器的原理结构 (a)螺管线圈式；(b)吸引衔铁式；(c)转动舌片式 1线圈；2可动衔铁；3电磁铁；4止挡；5接点；6反作用弹簧 图2.2 电磁型电流继电器的原理结构和转矩曲线 (a)原理结构图；(b)电磁转矩与反作用转矩与舌片行程的关系 1线圈；2铁心；3空气隙；4固定触点；5可动触点；6止挡； 7弹簧；8被吸引的可动舌片；9起动电磁转矩；10起动时的反 作用转矩；11返回时的反作用转矩

19、；12返回时的电磁转矩 首先分析使继电器触点闭合的力矩(即动作 力矩)。在线圈1中通以电流IJ，则产生与其 成正比的磁通,即 ，通 过由铁心、空气隙和可动舌片而成的磁路， 使舌片磁化与铁心的磁极产生电磁吸力，其 大小与2成正比，这样由电磁吸引力作用到 舌片上的电磁转矩Mdc可表示为 式中 K1、K2比例常数； 电磁铁与可动铁心之间的气隙。 其次分析使继电器触点闭合的阻力矩。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 长度1产生一初始力矩Mth1。由于弹簧的 张力与伸长量成正比，因此，当空气隙长 度由1减小到2时，弹簧产生的反作用力 矩为 Mth=Mth1+K

20、3(1-2) 式中 K3比例常数。 1)继电器动作的条件。 MdcMth+Mm 2)动作电流。 3)继电器的返回条件。 MthMdc+Mm或MdcMth-Mm 4)返回电流。 5)返回系数。 6)动作电流的调整方法： 改善继电器线圈的匝数； 改变弹簧的张力； 改变初始空气隙长度。 7)剩余力矩。 (2)晶体管型继电器 1)晶体管过电流继电器的组成 2)工作过程 正常工作时：电流变换器的输入电流小于 继电器的动作电流,UR30,晶体管VT1因正向 偏置而导通,VT2完全截止,输出电压Usc接 图2.3 继电器的“继电特性” 近于+E1,对应于继电器不动作状态。 起动时：当输入继电器的电流大于继电

21、器 的动作电流时，UR3增大，a点电位降低， 图2.4 晶体管型过电流继电器的原理接线图 致使VD5导通，VT1截止，其集电极电位升 高，使晶体管VT2导通，输出电压Usc降至 0.10.3 V，继电器处于动作状态。当继电 器的输入电流减小至返回电流时，UR3减小， a点电位增高使VD5截止，VT1重新导通，触 发器翻转，继电器返回，继电器的返回电 流小于继电器的动作电流，其返回系数小 于1。 触发器翻转过程中正反馈的存在将使继 电器具有良好的“继电特性”，同时继电 器的返回系数主要由I2和VT1的饱和深度决 定。 3)时间继电器 式中 UCD电容器C上的起始电压； Ec电源电势； UVS稳压

22、管反向击穿电压。 图2.5 晶体管型时间 继电器原理接线图 2.1.2 无时限电流速断保护 (1)几个基本概念 1)系统最大运行方式 2)最小运行方式 3)最小短路电流与最大短路电流 4)保护装置的起动值 5)保护装置的整定 (2)工作原理 对于单侧电源供电线路，在每回线路的电源 侧均装有电流速断保护。在输电线路上发生 短路时，流过保护安装地点的短路电流可用 下式计算 图2.6 电流速断保护的动作特性分析 最大运行方式下三相短路电流；最小运行方式下两相短路电流 式中 I (3)dmax最大三相短路电流； I (2)dmin最小两相短路电流； EX电源等值计算相电势； Xsmin从保护安装地点到

23、电源的最小等 值电抗； Xsmax从保护安装地点到电源的最大等 值电抗； Xl输电线路单位长度的正序电抗； L短路点至保护安装地点的距离。 (3)整定计算 1)动作电流 2)保护范围(灵敏度Klm)计算(校验) 式中 Ue输电线路的额定线电压。 3)动作时限 (4)电流速断保护的接线图 1)单相原理接线图 2)展开图 (5)对电流速断保护的评价 2.1.3 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，因此，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，在满足这个前提下具有较小的动 作时限。 (2)工作原理 图2.7 单

24、相原理接线图 图2.8 速断保护装置展开接线图 (a)交流回路；(b)直流回路 图2.9 系统运行方式变化较大的情况 图2.10 短路时保护范围较小的情况 1)为了保护本条线路全长，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，时限应尽量缩短。时限 的大小与延伸的范围有关，为使时限量小， 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t比下一条线路的速断保护时限t高出 一个时间阶段t。即限时电流速断在时间上 躲过电流

25、速断的动作，这样当下一条线路 出口处短路时，它就能切除故障。 (3)整定计算 1)动作电流。 式中 Idz下一线下一条相邻线路无时限电 流速断保护的动作电流； Kk可靠系数，一般取1.11.2； Idz本条线路限时电流速断保护的动作 电流。 2)动作时限。 t1=t2+t (2.10) 式中 t1线路L-1限时电流速断保护的动 作时限； t2线路L-2无时限电流速断保护的动作 时限，一般人为延时为0； t时限阶段。 3)灵敏度校验。 式中 I (2)dmin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； I dz限时电流速断保护的动作电流。 (4)限时电流速断保护的接线图 1)

26、单相原理接线 2)展开图 (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。 2.1.4 定时限过电流保护 (1)工作原理 (2)整定计算 图2.11 限时电流速断 保护单相原理接线图 图2.12 展开图 (a)交流回路；(b)直流回路 1)动作电流。 式中 可靠系数，取1.151.25； Kzq自起动系数，取13； Kh继电器的返回系数，对于电磁型继 电器，取0.85； Ifmax被保护线路的最大负荷电流。 2)灵敏校验。 3)时间

27、整定。 式中 下一条线路电流段的动作 延时。 图2.13 定时限过电流保护原理分析图 (3)灵敏系数和动作时限的配合 (4)接线图 电流段保护的原理接线、展开图与电流 段保护相同。 (5)对定时限过电流保护的评价 定时限过电流保护结构简单，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 为主保护)，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应用，一般 在35 kV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。 图2.14 电流三段式保护特性及时限特性分析图 2.1.5

28、阶段式电流保护的应用及评价 (1)阶段式电流保护的应用 (2)阶段式电流保护的时限特性 图2.15 具有电流、段保护的单相原理接线图 (3)阶段式电流保护的选择性 (4)对阶段式电流保护的评价 三段式电流保护的主要优点是简单、可靠， 并且一般情况下都能较快切除故障，一般用 于35 kV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直接受系统运 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。 2.1.6 电流保护的接线方式 (1)相间短路电流保护的主要接线形式 1)三相完全星形接线方式 2)两相不完全星形接线方式 3)两相电流差接线方式 (2)各种接线方式在不同

29、故障时的性能分析 图2.16 展开图 (a)交流回路；(b)直流回路 图2.17 完全星形接线图 图2.18 不完全星形接线图 图2.19 两相电流差接线图 1)中性点直接接地或非直接接地电网中的 各种相间短路。 2)中性点非直接接地电网中的两点接地 短路。 图2.20 串联线路上两点接地的示意图 图2.21 放射性线路上两点接地的示意图 图2.22 Y/-11变压器后面的两相短路示意图 (3)各种接线方式的应用范围 图2.23 Y/-11接线降压变压器两相短路时的电流分析及过电流保护的接线 (a)接线图；(b)侧电流相量图；(c)Y侧电流相量图 三相星形接线方式能反应各种类型的故障， 保护装

30、置的灵敏度不因故障相别的不同而 变化。主要应用于如下方面： 1)广泛应用于发电机、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)在采用其他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的保护。在 10 kV及以上，特别在35 kV非直接接地电网 中得到广泛的应用。 2)在分布很广的中性点非直

31、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两相)。如在 610 kV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 10 kV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。 2.2 电网相间短路的方向性电流保护 2.2.1 方向性电流保护的工作原理 (1)问题的提出 (2)几个概念 1)短路功率 2)故障方向 3)功率方向继电器 4)方向性电流保护 (3)解决措施 (4)方向过电流保护的原理接线图 2.2.2 功率方向继电器 (1)功率

32、方向继电器的分类 图2.24 双侧电源网络保护动作方向的分析和规定 在常规保护中，方向元件有电磁型、感应型、 整流型、晶体管型、集成电路型等，常用的 是整流型和晶体管型。两者的区别在于 图2.25 方向过电流保护的原理接线图 (a)原理图；(b)相量图 整流型方向元件的执行元件是极化继电器， 而晶体管型方向元件的执行元件则是灵敏度 较高的零指示器。此外，也可采用相应的集 成电路或直接测量电压电流间的夹角，以判 别故障方向。 (2)功率方向继电器的构成和工作原理 1)构成 整流型方向继电器的基本环节包括：电压形 成回路、整流滤波回路、比较回路和执行元 件等几部分。这几部分的作用是：将输入电 流、

33、电压经过中间变压器或电抗变换器转换 成适合于测量的电压，然后将该电压经过 整流滤波回路变换成与之成正比的直流电 压，再送到比较回路进行比较，以决定执 行元件是否动作。 图2.26 LLG-3型功率方向继电器原理接线图 2)工作原理 2.2.3 功率方向继电器的90接线方式 (1)功率方向继电器的接线方式 (2)方向过电流保护装置的接线图 2.2.4 方向性电流保护的整定举例 (1)方向性电流保护的整定计算 1)动作电流的整定 躲过最大负荷电流。 图2.27 两相式方向过电流保护的原理接线图与展开图 (a)原理接线图；(b)交流回路；(c)直流回路 躲过非故障相电流。 Idz=KkIfg 式中

34、Kk可靠系数，一般取1.21.3。 与相邻线路保护装置灵敏度的配合。 Idz4Idz3Idz2 Idz8Idz7Idz6 Idz7=KphIdz6 2)保护装置的灵敏度校验 方向过电流保护电流元件的灵敏度校验方 法与不带方向的过电流保护相同。作为本 线路的近后备保护时，其灵敏系数Klm要求 为1.251.5；作为下一相邻线路的远后备 保护，其灵敏系数要求Klm1.2。 3)保护装置的动作时限 图2.28 方向过电流保护的时限特性 t2t3t4 t6t7t8 (2)方向过电流保护的三相原理接线图 图2.29 方向过电流保护的三相原理接线图 2.2.5 对方向性电流保护的评价 方向过电流保护，常用

35、于35 kV以下的两侧 电源辐射型电网和单电源环型电网中作为 主要保护，在电压为35 kV及110 kV辐射型 电网，常常与电流速断保护配合使用，构 成三段式方向电流保护，作为线路相间短 路的整套保护。 2.3 大电流接地系统的零序电流保护 2.3.1 接地故障时零序电流、零序电压及零 序功率的特点 1)故障点的零序电压最高，离故障点越远， 零序电压越低。如图2.30(c)所示。 2)零序电流的分布，决定于线路的零序阻抗 和中性点接地变压器的零序阻抗及变压器接 地中性点的数目和位置，而与电源的数量和 位置无关。 图2.30 接地短路时的零序等效网络 (a)系统接线；(b)零序网络；(c)零序电

36、压分布 3)故障线路零序功率的方向与正序功率的方 向相反，是由线路流向母线的。 4)某一保护(如保护1)安装地点处的零序电压 与零序电流之间(如UA0与I0)的相位差取决于 背后元件(如变压器)的阻抗角，而与被保护 线路的零序阻抗及故障点的位置无关。 5)在系统运行方式变化时，正、负序阻抗的 变化，引起Ud1、Ud2、Ud0之间电压分配的 改变，因而间接地影响零序分量的大小。 2.3.2 零序分量滤序器 (1)零序电流滤过器 (2)零序电流互感器 对于采用电缆引出的送电线路,还广泛采用 零序电流互感器接线以获得3I0,如图2.31(b) 所示。它和零序电流滤过器相比，主要是 没有不平衡电流，同

37、时接线也更简单。 (3)零序电压互感器 图2.31取得零序电流的方式 (a)由三个电流互感器构成的零序电流 滤过器； (b)由一个电流互感器构成的零序电流 互感器 2.3.3 零序电流速断保护 (1)整定计算 1)躲开下一条线路出口处单相接地或两相接 地短路时可能出现的最大零序电流3I0max,即 图2.32几种取得零序电压的方式 (a)用三个单相电压互感器；(b)用三相五柱式电压互感器 I0dz=Kk3I0max (2.17) 式中 Kk可靠系数，一般取1.21.3； I0max单相接地短路时的零序电流I (1)0和 两相接地短路时的零序电流I (1,1)0的最大值。 2)躲过断路器三相触头

38、不同期合闸时出现的 零序电流3I0bt，即 I0dz=Kk3I0bt (2.18) 式中 Kk可靠系数，取1.11.2； I0bt断路器不同期接通所引起的最大零 序电流。 先合一相，相当于断开两相，最严重情况 下(系统两侧电源电势相差180)流过断路 器的零序电流为 先合两相，相当于断开一相，最严重情况 下通过断路器的零序电流为 (2)几点说明 1)如果保护装置的动作时间大于断路器三相 不同期合闸的时间，则可不考虑式(2.18)所 决定的整定值。 2)采用非全相退出措施。此时可不考虑非全 相振荡时出现的最大零序电流。 2.3.4 限时零序电流速断保护 (1)整定计算 1)动作电流 零序段的起动

39、电流应与下一段线路的 零序段保护相配合。 当该保护与下一段线路保护之间无中性点 接地变压器时，该保护的起动电流I0dz为 I0dz=KkI0dz下一线 (2.21) 式中 Kk可靠系数，取1.11.2； I0dz下一线下一段线路零序段保护的起 动值。 当该保护与下一段线路保护之间有中性点 接地变压器时，该保护的起动电流I0dz为 I0dz=KkId0js (2.22) 式中 Kk可靠系数，取1.11.2； Id0js在下一段相邻线路保护零序段保 护范围末端发生接地短路时，流过本保护装 置的零序电流计算值。 2)动作时限 零序段的动作时限与相邻线路零序段 相配合，动作时限一般取0.5 s。 (2

40、)灵敏度校验 零序段的灵敏系数，应按照本线路末端 接地短路时的最小零序电流来校验，并满 足Klm1.5的要求，即 式中 I0min本线路末端接地短路时的最 小零序电流。 2.3.5 零序过电流保护 (1)整定计算 躲开在下一条线路出口处相间短路时所 出现的最大不平衡电流Ibpmax,即 式中 可靠系数，取1.11.2； Ibpmax下一条线路出口处相间短路时的 最大不平衡电流。 与下一线路零序段相配合就是本保护 零序段的保护范围，不能超出相邻线路 上零序段的保护范围。当两个保护之间 具有分支电路时(有中性点接地变压器时)， 起动电流整定为 式中 可靠系数，取1.11.2； Id0js在相邻线路

41、的零序段保护范围末 端发生接地短路时，流过本保护范围的最大 零序电流计算值。如与相邻线路保护间有分 支电路时，则Id0js取下一条相邻线路零序 段的起动值。起动值取、中最大者。 (2)灵敏度校验 1)作为本条线路近后备保护时，按本线路末 端发生接地故障时的最小零序电流3I0min来 校验，要求Klm2，即 2)作为相邻线路的远后备保护时，按相邻线 路保护范围末端发生接地故障时，流过本保 护的最小零序电流3I0min来校验，要求Klm 1.5，即 (3)动作时限 2.3.6 方向性零序电流保护 (1)构成方向性零序电流保护时应注意的问题 1)在多电源大接地电流系统中，每个变电站 至少有一台变压器

42、中性点直接接地，以防止 单相接地短路时，非故障相产生危险的过 电压。 图2.33 零序过电流保护的动作时限 2)在图2.34所示双侧电源供电系统中，它的 两侧电源处的变压器中性点均直接接地。 图2.34 零序方向保护工作原理分析 (a)网络接线；(b)D1点短路的零序网络； (c)D2点短路的零序网络 (2)动作特性 仍以图2.34为例，在D1点接地短路时，一部 分零序电流要经过TM-2变压器构成回路， 一部分零序电流要经过TM-1变压器构成回 路。断路器1QF4QF处的零序电流保护均可 能动作，为保证动作的选择性，2QF、3QF 的动作时间应为 t02t03 同理，在D2点发生接地故障时，要

43、求 t03t02 显然，零序电流保护的动作时限同时满足这 两个条件是不可能的，必须加装功率方向元 件，构成方向性零序电流保护。 (3)解决措施 1)假设母线零序电压为正，零序电流由母线 流向线路方向为正。 2)接地故障时的相量图 (4)零序功率方向继电器 1)构成 零序功率方向继电器LG-12原理接线图如图 2.36所示，它由幅值比较的电压形成回路及 相应的执行回路组成。 2)动作特性 图2.35 零序电 流在保护安装 地点的相量图 整流型功率方向继电器，相位比较的电压 量为 式中 kd零序功率方向继电器整定阻 抗角，使接地短路时动作最灵敏。 相位比较继电器的动作和边界条件为 幅值比较电量为

44、幅值比较的零序功率方向继电器的动作和边 界条件为 图2.36 整流型零序功率方向继电器LG-12的原理接线图 (a)电压形成回路；(b)幅值比较回路；(c)执行回路 (5)三段式方向性零序电流举例 具有方向性零序电流三段保护的原理接线 图如图2.37所示。 图2.37 方向性零序电流三段保护 的原理接线图 2.3.7 零序电流保护整定计算举例 图2.38 大电流接地系统零序电流保 护整定例图 (a)系统图；(b)(d)不同运行方式时 的正序(负序)、零序等值序网图 2.3.8 对零序电流保护的评价 零序电流保护有下述优点： 1)零序电流保护比相间短路的电流保护有较 高的灵敏度。对零序段，由于线

45、路的零 序阻抗大于正序阻抗。使线路始末两端电 流变化较大，因此使零序段的保护范围 增大，即提高了灵敏度；对零序段，由 于起动值是按不平衡电流来整定的，所以 比相间短路的电流保护的起动值小，即灵 敏度高。 2)零序过电流保护的动作时限较相间电流保 护短，如图2.33所示。 3)零序电流保护不受系统振荡和过负荷等不 正常运行状态的影响。相间短路电流保护 均将受它们的影响而可能误动作，因而需 要采取必要的措施予以防止。 4)零序功率方向元件无死区。 5)结构与工作原理简单。零序电流保护以单 一的电流量作为动作量，而且每段只用一 个继电器就可对三相中任一相接地故障作 出反应，使用继电器数量少，接线简单

46、， 试验维护方便，所以其正确动作率高于其 他复杂保护。 零序保护的缺点是不能反映相间短路。 2.4 小电流接地系统的接地保护 2.4.1 中性点不接地系统单相接地的特点 (1)单电源单线路系统的单相接地 (2)单电源多线路系统的单相接地 图2.39 单电源单线路系统单相接地示意图 图2.40 A相接地时的相量图 2.4.2 中性点不接地系统的接地保护 (1)零序电流保护 图2.41 单电源多线路系统单相接地时的电流分布图 (2)方向性零序电流保护 2.4.3 中性点经消弧线圈接地系统中单相接 地的特点 (1)完全补偿法 (2)欠补偿法 图2.42 零序电流保护原理接线图 (3)过补偿法 2.4

47、.4 中性点经消弧线圈接地系统的接地 保护 图2.43 消弧线圈接地系统单相接地时的电流分布 (1)绝缘监视装置 (2)采用反应五次谐波电流的接地保护 图2.44 绝缘监视装置原理接线图 第3章 电网的距离保护 3.1 距离保护的作用原理 3.1.1 距离保护的基本原理 距离保护是反应保护安装处至故障点的距 离，并根据距离的远近而确定动作时限的 一种保护装置。测量保护安装处至故障点 的距离，实际上是测量保护安装处至故障 点之间的阻抗大小，故有时又称阻抗保护。 正常运行时，保护安装处测量到的线路阻 抗为负荷阻抗Zfh，即 当发生线路故障时,母线测量电压为 , 输电线路上测量电流为 ,这时的测量

48、阻抗为保护安装处到短路点的短路阻抗Zd， 即 在短路以后，母线电压下降,而流经保护安 装处的电流增大,这样短路阻抗Zd比正常时 测量到的Zfh大大降低，所以距离保护反应 的信息量Zcl在故障前后变化比电流变化要 大，因而比反应单一物理量的电流保护灵 敏度高。 3.1.2 距离保护的时限特性 3.1.3 距离保护的主要组成元件 1)起动元件 2)测量元件 3)时间元件 4)振荡闭锁元件 5)电压回路断线失压闭锁元件 图3.1 三段式距离保护时 限特性 3.2 阻抗继电器 3.2.1 用复数阻抗平面分析 阻抗继电器的特性 运行中的阻抗器是接入电流 互感器TA和电压互感器TV 的二次侧，其测量阻抗与

49、系 统一次侧阻抗之间的关系为 图3.2 阻抗相量在复 平面上的表示 式中 Ucl、Icl阻抗继电器的测量电压和 电流； U1、I1系统一次侧电压和电流； KTV电压互感器的变比； KTA电流互感器的变比； Zcl系统一次侧的测量阻抗。 3.2.2 比幅原理和比相原理 图3.3 系统图 图3.4 任意网络阻抗在复平面上的表示 当| | |时，继电器动作；当| | |时， 继电器不动作。 (2)比相原理 图3.5 过渡电阻对测量 阻抗的影响 (1)比幅原理 相量 和 的绝对值分别 用| |和| |表示。比幅器 的动作边界条件为 按比相原理构成的继电器的动作条件一般 可写为 式中,符号arg 表示取

50、复数 的相角，当相 图3.6 比幅式继电器的实现方框图 量 超前 时，相arg 为正，反之为负。 (3)比幅与比相之间的转换关系 图3.7 余弦型比相器的动作范围 图3.8 比相式继电器的实现方框图 图3.9 两种比较原理两比较量之间的关系 3.2.3 全阻抗继电器 (1)全阻抗继电器的动作特性 Zdz=Zzd (3.7) (2)比幅式全阻抗继电器 1)动作方程 由图3.10全阻抗继电器的动作特性(比幅式), 可知其动作条件可用阻抗的幅值来表示,即 图3.10 比幅式全阻抗继 电器动作特性图 阻抗继电器的测量阻抗 整定阻抗是一常数，是人为给定的一个定 数，可看作两个常数之比，即 式中 KI电抗

51、互感器TAV的变化(即TAV 的转移阻抗)，为一复系数，它的量纲是阻 抗量纲； KU整定变压器TAV的变比，为一实系 数，无量纲。 将式(3.9)、(3.10)的关系带入式(3.8)，且两 侧均乘以KUIcl，可得到用电压幅值比较的全 阻抗继电器的动作方程为 这样,就将两个阻抗的比较转换成两个电压 的比较。 2)整流型全阻抗继电器 (3)相位比较的全阻抗继电器 1)动作方程 图3.11 整流型全阻抗继电器原理图 2)两电气量的电压形成回路 图3.13为比相式全阻抗继电器的两电气量的 电压形成回路。 图3.12 全阻抗继电器的相位比较量及动作特性分析 图3.13 比相式全阻抗继电器两电气量的电压

52、形成回路 3.2.4 方向阻抗继电器 (1)方向阻抗继电器的动作特性 (2)比幅式方向阻抗继电器 1)动作方程 方向阻抗继电器的动作方程为 图3.14 具有方向性的圆特性 图3.15 比幅式方向阻抗继电器的特性圆 2)电压形成回路 (3)比相式方向阻抗继电器 图3.16 比相式方向阻 抗继电器的动作特性 1)动作方程 2)方向阻抗继电器相位比较电气量的电压形 成回路 根据式(3.17)，可以设计出比相式方向阻抗 继电器的电压形成回路，此略。 3.2.5 偏移特性阻抗继电器 (1)偏移特性阻抗继电器的特性圆 偏移度的定义是：在最大灵敏角方向上 反向动作阻抗与正方向动作阻抗之比的百 分数，即 (2

53、)比幅式偏移特性阻抗继电器特性分析 图3.17 偏移特性阻抗继 电器的特性圆 图3.18 比幅式偏移特性 阻抗继电器的动作特性 图3.18为比幅式偏移特性阻抗继电器动作特 性的示意图，由图中的几何关系可以看出， 偏移特性阻抗继电器由比幅方式构成时的 动作阻抗方程为 继电器比幅方式的动作电压方程为 (3)比相式偏移特性阻抗继电器特性分析 比相式偏移特性阻抗继电器动作阻抗方程为 其动作电压方程为 式中相位比较的两个电气量分别为 图3.19 比相式 偏移特性阻抗继 电器的动作特性 3.3 单相阻抗继电器的接线方式 3.3.1 阻抗继电器接线方式的要求及分类 3.3.2 相间短路的0接线方式 (1)三

54、相短路 设每1 km的正序电抗为Z1，当在距保护安装 处l点发生故障时,因三相对称短路中三相继 电器的工作情况完全相同,故以AB相继电器 为例进行分析,加入继电器中的电压、电流 分别为 (2)AB两相短路 在距保护安装处l km点发生故障时,以1kZ分 析，IA=-IB，继电器测量到的 (3)AB两相接地短路 当在距保护安装处l km点发生AB两相接地 短路故障时，电流IA和IB以输电线路、大地、 中性点形成回路。设每1 km自感阻抗为ZL, 互感阻抗为ZM，则故障相电压为 3.3.3 中性点直接接地系统中两相接地短路 设每1 km的自感阻抗为ZL,互感阻抗为ZM， 且ZL-ZM=Z1,两相短

55、路电流分别为IdB、IdC， 则保护安装处B相、C相对地电压为 由表3.1可知,故障相(BC)阻抗继电器的测量 电压为 故继电器的测量电流为 阻抗继电器的测量阻抗为 3.3.4 阻抗继电器的主要技术指标和参数 (1)最小动作电流Idzmin (2)精确工作电流 其临界动作方程 或写成阻抗形式 式中 1.1有效值转换为平均值的系数。 在临界状态下，测量阻抗即动作阻抗，即 ZclZdz 将上述关系式代入式(3.29)，则有 由式(3.30)可见： 1)由于U0的存在，使继电器的动作阻抗实际 上小于整定阻抗，使保护范围减小; 2)等式右边第二项1.1U0/KUIcl与流过继 电器电流Icl大小有关，

56、因此动作阻抗的减小 与Icl有关。在其他参数一定的条件下，当Icl 较小时，动作阻抗减小较多，只有Icl足够大 (或U0足够小)时，动作阻抗才近似等于整定 阻抗; 3)由于Icl是通过电抗互感 器起作用的，当Icl过小或 过大时，电抗互感器均 工作在非线性区域，转 移阻抗下降，所以整定 阻抗Zzd均随之下降。 图3.20 全阻抗继电器Zdz与Icl 的关系曲线 1理想特性；2实际特性 3.4 影响距离保护正确工作的因素 3.4.1 概述 3.4.2 过渡电阻对距离保护的影响 (1)短路点过渡电阻的特性 电弧电阻的数值为 Raclac/Iac (3.31) 图3.21 短路时产生的电弧 (a)电

57、弧电阻随时间变化的曲线; (b)经电弧短路时电流、电压的波形图 (2)过渡电阻对距离保护的影响 1)单侧电源网络 过渡电阻的存在，给距离保护的性能带来较大的 影响，但对不同地点的保护装置影响是 不一样的。例如，在图3.22(a)的单侧电源网络中， 当线路L2的出口通过Rgd短路时，L1、L2两条线路 上的距离保护装置的测量阻抗分别是： KZ2：Zcl2Rgd (3.32) KZ1：Zcl1ZL1Rgd (3.33) 图3.22 经过过渡电阻Rgd短路示意图 2)双侧电源的网络 当由双侧电源供电，在线路L2出口经过渡电 阻Rgd短路时，两侧电源均向短路点供给短路 电流Id和Id，流经过渡电阻的电

58、流为Id+Id， 此时，过渡电阻Rgd上的电压降为 图3.23 单侧电源网络过渡电阻对不同安装 地点距离保护影响情况分析 UR=(Id+Id)Rgd (3.34) M侧阻抗继电器KZ1的测量阻抗为 图3.24 双侧电源网络经过渡电阻短路时对测量阻抗的影响 3)过渡电阻对不同动作特性阻抗继电器的 影响 在图3.25的网络中，假定在保护1处的距离 段采用不同特性的阻抗继电器，它们的 整定值选择都一样,即Z1bh10.85ZAB。如果 在距离段保护范围内阻抗为Zf处，通过电 阻Rgd发生短路，则保护KZ1的测量阻抗为 Zk1=Zf+Rgd (3.36) (3)防止过渡电阻影响的措施 1)采用带偏移特

59、性的阻抗继电器 2)采用瞬时测量装置 图3.25 过渡电阻对不同特性阻抗继电器影响的比较 3.4.3 分支电路对距离保护的影响 (1)助增电流的影响 阻抗继电器KZA的测量阻抗为 图3.26 瞬时测量电路框图 图3.27 有接点的瞬时测量电路 式中,Kfz称为分支系数(助增系数)，其定义为 (2)汲出电流的影响 距离保护KZA第段的测量阻抗为 图3.28 助增电流对阻抗继电器工作的影响 电力系统未受扰动处于正常运行状态时， 系统中所有发电机处于同步运行状态，发 电机电势间的相位差较小并且保持恒定 不变，此时系统中各处的电压、电流有效 值都是常数。当电力系统受到大的扰动或 小的干扰而失去运行稳定

60、时，机组间的相 图3.29 外汲电流对阻抗继电器工作的影响 3.4.4 电力系统振荡 对距离保护的影响及 振荡闭锁 (1)电力系统振荡的 基本概念 对角度随时间不断增大，线路中的电流亦 产生较大的波动。在继电保护范围内，把 这种并列运行的电力系统或发电厂失去同 步的现象称为振荡。 (2)系统振荡时电气量的变化特点 图3.30 系统振荡时的等效电路 取A侧电源电势EA为参考相量，即EA=EA或 EA=EA0，两侧电源电势EA和EB之间的 夹角为，在系统振荡时可以认为是EB围绕 E A 旋转，因此E B 落后于E A 的角度在 0360范围内变化，即EB=EAe-j,它们之 间的相量关系如图3.3