继电保护原理

1、 继电保护定义 反映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 号或指示的自动装置。 故障故障：短路、断路、两者同时发生短路、断路、两者同时发生 不正常状态不正常状态 过负荷过负荷 功率缺额而引起的频率降低功率缺额而引起的频率降低 发电机突然甩负荷而产生的过电压发电机突然甩负荷而产生的过电压 振荡振荡 一、一、基本概念基本概念 继电保护作用 迅速切除故障，使停电范围缩小迅速切除故障，使停电范围缩小 指示不正常状态，并予以控制指示不正常状态，并予以控制 v一次系统、二次系统一次系统、二次系统 一次系统：一次系统：发电厂和变电所的电器主接线，发电厂和变电所的电器主接线，

2、 是由高压电器设备通过连接线组成的系统。是由高压电器设备通过连接线组成的系统。 主要包括生产和转换电能的设备，接通或断主要包括生产和转换电能的设备，接通或断 开电路的设备，限制故障电流和防御过电压开电路的设备，限制故障电流和防御过电压 的电器设备、接地装置和载流导体的电器设备、接地装置和载流导体5部分。部分。 二次系统：二次系统：由二次设备组成的系统。凡由二次设备组成的系统。凡 监视监视、控制、测量以及起保护作用的设、控制、测量以及起保护作用的设 备。备。 v一次设备、二次设备一次设备、二次设备 一次设备：一次设备：一般将电能通过的设备称为电力一般将电能通过的设备称为电力 系统的一次设备。如发

3、电机、变压器、断路系统的一次设备。如发电机、变压器、断路 器、母线、输电线路、补偿电容器、电动机器、母线、输电线路、补偿电容器、电动机 及其他用电设备等。及其他用电设备等。 二次设备：二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、对一次设备的运行状态进行监视、 测量、控制和保护的设备测量、控制和保护的设备 二、二、 继电保护的基本原理继电保护的基本原理 v基本原理基本原理 利用被保护线路或故障前后某些突变的利用被保护线路或故障前后某些突变的 物理量为信息量，当突变量达到一定值时，物理量为信息量，当突变量达到一定值时， 起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲 或信号。

4、或信号。 v利用基本电气参数的区别利用基本电气参数的区别 过电流保护过电流保护 原理：正常负荷时电流较小，而短路时电流较大。原理：正常负荷时电流较小，而短路时电流较大。 低电压保护低电压保护 原理原理：短路时线路上的电压降低。：短路时线路上的电压降低。 阻抗保护阻抗保护 原理：短路时线路电流上升，电压下降，故阻抗原理：短路时线路电流上升，电压下降，故阻抗 （U/I）变小。）变小。 v利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧 电流相位（或功率方向）的差别电流相位（或功率方向）的差别 纵联差动保护、相差高频保护、方向高频保纵联差动保护、相差高频保护、方向高频保

5、护等护等 v对称分量是否出现对称分量是否出现 零序保护和负序保护零序保护和负序保护 原理：电气元件在正常运行（或发生对称短路）原理：电气元件在正常运行（或发生对称短路） 时，负序分量和零序分量为零；在发生不对称时，负序分量和零序分量为零；在发生不对称 短路时，一般负序和零序都较大。短路时，一般负序和零序都较大。 v反应非电气量的保护反应非电气量的保护 瓦斯保护瓦斯保护 原理：反应变压器油箱内部故障时所产生的原理：反应变压器油箱内部故障时所产生的 气体气体 过热保护过热保护 原理：反应于电动机绕组的温度升高原理：反应于电动机绕组的温度升高 给出给出“是是”、“非非”、“大大 于于”等逻辑信号判断

6、保护是等逻辑信号判断保护是 否启动否启动 常用逻辑回路有常用逻辑回路有“或或”、“与与”、 “否否”、“延时起动延时起动”等，确定断等，确定断 路器跳闸或发出信号路器跳闸或发出信号 四性：选择性、速动性、灵敏性和可靠性四性：选择性、速动性、灵敏性和可靠性 v选择性选择性 保护装置动作时仅将故障元件从电力系保护装置动作时仅将故障元件从电力系 统中切除，使停电范围尽量减少。统中切除，使停电范围尽量减少。 AB d1d2d3 C 1234 1 1、2 2处保处保 护动作护动作 3 3处保护处保护 动作动作 4 4处保护处保护 动作动作 d补充概念 v后备保护方式后备保护方式 远后备远后备：后备保护与

7、主保护处于不同变电站后备保护与主保护处于不同变电站 近后备近后备：主保护与后备保护在同一个变电站，主保护与后备保护在同一个变电站， 但不共用同一个一次电路。但不共用同一个一次电路。 电路近后备电路近后备：主保护与后备保护在同一个变主保护与后备保护在同一个变 电站内，共用同一个互感器或同一个一次电电站内，共用同一个互感器或同一个一次电 路。路。 例：例： 4 4处过电流保护为电处过电流保护为电 路近后备保护路近后备保护; ; 2 2、3 3处保护为变电站处保护为变电站 近后备近后备 ； 1 1处保护为远后备处保护为远后备 v速动性速动性 继电保护装置应尽可能快的断开故障元继电保护装置应尽可能快的

8、断开故障元 件。故障的切除时间等于保护装置和断路器件。故障的切除时间等于保护装置和断路器 动作时间之和。动作时间之和。 保护动作时间保护动作时间 一般快速保护：一般快速保护：60ms60ms120ms120ms; ; 最快可达：最快可达：10ms10ms40ms40ms ( (如：超高压线路主保护如：超高压线路主保护) ) 断路器动作时间断路器动作时间 一般的断路器：一般的断路器：60ms60ms150 ms150 ms; ; 最快可达：最快可达：20ms20ms60 ms60 ms v灵敏性灵敏性 保护装置对其保护范围内的故障或不正保护装置对其保护范围内的故障或不正 常状态的反应能力，常用灵

9、敏系数来衡量常状态的反应能力，常用灵敏系数来衡量。 v可靠性可靠性 在保护装置规定的保护范围内发生了它在保护装置规定的保护范围内发生了它 应该反映的故障时，保护装置应可靠地动作应该反映的故障时，保护装置应可靠地动作 （即（即不拒动，称信赖性不拒动，称信赖性）而在不属于该保护）而在不属于该保护 装置动作的其他情况下，则不应该动作（即装置动作的其他情况下，则不应该动作（即 不误动，称安全性不误动，称安全性）。）。 静态继电保护 目前是综合自动化 熔断器 1890s电磁型 1901感应 型 1927高频载波保护 1950s晶体管保护 微波保护 1970s集成电路保护 1980s微机保护 1990s光

10、纤保护 过流 1908差流 1910方向比较 1920距离保护 1970s 行波保护 增量保护 2000s广域保护 牵引网保护原理分析 牵引网保护配置与整定计算 牵引变压器保护配置与整定计算 17 一、牵引供电系统的特点 单相、移动、冲击性负荷； 负荷电流变化范围大； 负荷电流中的谐波含量高（20%30% ），在再生 工况下更高（可达40%以上）； 空载投入机车牵引变压器、含有AT或BT的牵引网空 载投入时，将产生励磁涌流； 供电臂供电距离长，单位阻抗大； 牵引网结构复杂，接触网机械故障的机率增大。 因此，与电力系统中的线路保护相比，牵引网馈线保 护有其特殊性。 18 二、牵引网自适应距离保护

11、 1. 对距离保护的要求 躲故障过渡电阻能力 负荷特性对距离保护的影响 19 因此，在牵引网馈线保护中因此，在牵引网馈线保护中距离保护距离保护通常采用通常采用 偏移四边形特性。偏移四边形特性。 2. 自适应距离保护的基本思想 相控整流电力机车负荷电流中含有丰富的奇次谐波 分量； 电力机车通过电分相或空载投入AT，牵引网产生的 励磁涌流中含有较高的二次谐波分量。 20 基本思想：基本思想：根据负荷电流中综合谐波含量，自动调节 阻抗继电器的边界。 综合谐波抑制 综合谐波含量定义 21 2357 1 IIII K I 1 1 zdzd RR K 1 1 zdzd XX K 自适应调节动作边界自适应调

12、节动作边界 自适应阻抗继电器的动作特性图 二次谐波闭锁 目的 为了避免电力机车通过电分相或AT供电方式下空载投 入接触网产生的励磁涌流引起保护误动作。 判据 22 2 2 1 I K I 3.距离保护的整定 一、ab边的整定 ab边按线路阻抗整定，即： 23 二、bc边的整定 按基波最小负荷阻抗整定，即： max min max max )/sin(cos Fk F f Lfzd IK U Z tgZR LXKX kzd0 三、电流增量保护 1.目的 提高躲过渡电阻能力 2.基本思想 负荷电流在短时间（ms级）内增量不大； 短路电流在短时间（ms级）内增量很大。 3.电流增量定义 24 qh

13、III 时间间隔通常取一个或两个工频周波 4. 动作判 椐 25 1111 (1) AghqAhhhZD IIK KIIIK K IKI 2357 1 IIII K I 综合谐波含量： 谐波抑制系数： A K（通常取大于1的数） 二次谐波闭锁： 2 2 1 I K I 原理框图 5.动作分析 负荷故障 故障电流基本为纯正弦波，则 =0，显然，继电器的动 作量为基波电流增量。 负荷负荷 负荷电流中综合谐波含量越大，继电器的动作量也就越 小，继电器的动作门槛值也就越大，继电器越不容易动 作。可见改进后躲过渡电阻的能力大大增强。 K 26 1111 (1) AghqAhhhZD IIK KIIIK

14、K IKI 6.特点 可按一列机车起动电流整定 27 .maxzdkF IKI 机车起动电流，跟机车类型有关，一般在200A左右。 典型时限：常规保护最长时限(0.2 -0.4)s 躲过渡电阻能力强、灵敏度高 四、过电流保护 综合谐波抑制 二次谐波闭锁 28 五、反时限过负荷保护 常用的三种反时限特性 一般反时限 29 0.02 0.14 10 1 GF GF T t I I 甚反时限 1 3 .5 1 0 1 G F G F T t I I 极度时限 2 8 0 1 0 1 G F G F T t I I 特点：近处故障时动作时限短，远处故障时动作时间自动 加长。 一、单线单边供电方式 30

15、 1.保护配置 阻抗段 电流速断 电流增量（选配） 变电所 分区所 D L 2.保护整定 阻抗段 31 电抗边按线路全长整定： 0 XLKX kZD 电阻边按负荷阻抗整定： L F F Fk n ZD tgIK U R sin cos 9 . 0 max 负荷角 线路阻抗角 可靠系数 线路全长单位线路电抗 最大负荷电流 典型动作时限0.1s 32 电流速断 maxFkzd IKI 可靠系数 最大负荷电流 典型动作时限0.1s 灵敏度校验： .min 1.2 d SP m zd I K I 33 电流增量 maxFkzd IKI 可靠系数 一列车的启动电流 动作时限常规保护最长时限常规保护最长时

16、限(0.2 -0.4)s 二、单线越区供电方式 34 1.保护配置 阻抗段 阻抗段 电流速断 过电流过电流 电流增量（选配） SS SP L1 L2 D1 D2 2.保护整定 阻抗段 35 电抗边按线路全长L1的 85%整定： 电阻边按负荷阻抗整定： L F F Fk n ZD tgIK U R sin cos 9 . 0 max 负荷角 线路阻抗角 线路全长单位线路电抗 最大负荷电流 01 85. 0XLX ZD 阻抗段 电抗边整定按线路全 长（L1+L2）整定： 120 () ZDk XK LL X 电阻边按负荷阻抗整定 典型动作时限0.1s 典型动作时限0.2s 电流速断 电流速断按分区

17、所SP处最大短路电流整定。 36 max. 2 . 1 SPdzd II SP处短路时的最 大短路电流 典型动作时限0.1s 37 过电流 过电流定值按躲过最大负荷电流整定。过电流定值按躲过最大负荷电流整定。 maxFkzd IKI 可靠系数 最大负荷电流 典型动作时限0.2s 灵敏度校验： .min 1.2 d SP m zd I K I 38 电流增量 maxFkzd IKI 一列车的启动电流 动作时限常规保护最长时限常规保护最长时限(0.2 -0.4)s 三、复线单边供电方式 39 SS L SP D 1 D 2 D 3 1.保护配置 变电所SS处D1、D2 分区所SP处D3 阻抗段 正

18、向阻抗段 阻抗段 反向阻抗段 电流速断 电流速断 过电流过电流 电流增量（选配） 电流增量（选配） 2.变电所保护整定 阻抗段 40 电抗边按线路全长L的 85%整定，考虑上行互 感： 电阻边按负荷阻抗整定： L F F Fk n ZD tgIK U R sin cos 9 . 0 max 负荷角 线路阻抗角 线路全长 单位线路电抗 最大负荷电流 阻抗段 电抗边整定按线 路全长2L整定： 电阻边按负荷阻抗整定 ) 15. 1 85. 0 (85. 0 120 XXLXZD 单位上下行线 路互感 0 2 ZDk XKL X 典型动作时限0.1s 典型动作时限0.2s 电流速断 电流速断按躲过分区

19、所SP处最大短路电流整定。 41 过电流 max. 2 . 1 SPdzd II SP处短路时的最 大短路电流 典型动作时限0.1s 典型动作时限0.2s maxFkzd IKI 可靠系数 最大负荷电流 42 电流增量 maxFkzd IKI 一列车的启动电流 动作时限常规保护最长时限常规保护最长时限(0.2 -0.4)s 3.分区所保护整定 正反向阻抗段 43 电抗边按线路全长L整定： 电阻边按负荷阻抗整定： L F F Fk n ZD tgIK U R sin cos 9 . 0 max 负荷角 线路阻抗角 线路全长 单位线路电抗 最大负荷电流 0ZDk XKL X 典型动作时限0.1s

20、44 电流速断 按躲过1列机车最 大负荷电流整定： .max 1.2 ZDJC II 1列车最大负荷电流 电流增量 maxFkzd IKI 一列车的启动电流 典型动作时限0.1s 动作时限常规保护最长时限常规保护最长时限(0.2 -0.4)s 一、差动保护 1. 电流平衡方程 45 Y/-11变压器 2 1 10 3 01 11 10 1 01 11 AB CT BC TCT CA ph II In II n n I II I K I 单相变压器 46 2 1 2 1 AB CT TCT BA ph IIIn n n III I K I Vv变压器 47 2 1 10 01 11 10 1 0

21、1 11 A CT B TCT C ph I In I n n I I I K I 阻抗匹配平衡变压器 48 2 1 3131 22 23131 22 1 1 3131 22 13 AB CT BC TCT CA ph II In II n n I II K 131 22 1 1 I I SCOTT变压器 49 1 2 1 13 1 13 2 20 13 13 2 20 13 1 13 20 AB MtMf BC TCT TtTf CA CT TCT ph II II II n n II II In n n I I K I 50 二、低压启动过电流保护 电流按整定。 电压一般牵引网额定电压的60%70%整定。 1.高压侧低压启动过电流保护原理框图 Ke dz hCT KI I Kn 跳 两 侧 断 路 器 1 信 号 TG L 1 & U UD Y U UD Y IA IG L IB IG L IC IG L 51 2.2.相低压启动过电流保护原理框 3.相低压启动过电流保护