继电保护 第一章 绪论

1、 电力系统是电能电力系统是电能生产生产、变换变换、输送输送、分配分配和使用和使用的各种电力设备按照一定的技术与经济的各种电力设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合系统。要求有机组成的一个联合系统。1.1 电力系统继电保护的作用电力系统继电保护的作用 一般将电能通过的设备称为电力系统的一般将电能通过的设备称为电力系统的一一次设备次设备，如发电机，如发电机、变压器变压器、断、断路器路器、母线母线、输电线路输电线路、补偿电容器补偿电容器、电动机及其它用电设电动机及其它用电设备等。备等。 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、测量测量、控制控制和和保护的设备称为电力系统的保

2、护的设备称为电力系统的二次设备二次设备 电力系统运行状态电力系统运行状态指电力系统在不同运行条件指电力系统在不同运行条件（负荷水平（负荷水平、出力配置出力配置、系统接线系统接线、故障等）故障等）下的系统与设备的工作状况。下的系统与设备的工作状况。电力系统的运行条件电力系统的运行条件一般可用三组方程式描述，一般可用三组方程式描述，一组微分方程式用来描述系统元件及其控制的一组微分方程式用来描述系统元件及其控制的动态规律，两组代数方程式则分别构成电力系动态规律，两组代数方程式则分别构成电力系统正常运行的等式和不等式约束条件统正常运行的等式和不等式约束条件 Riu dtdiLu dtduCi 1.1.

3、1 电力系统的运行状态 根据不同的运行条件，可以将电力系根据不同的运行条件，可以将电力系统的运行状态分为统的运行状态分为正常状态正常状态、不正常状态不正常状态和故障状态和故障状态。 电力系统运行控制的目的就是电力系统运行控制的目的就是通过自通过自动的和人工的控制动的和人工的控制，使电力系统尽快摆脱，使电力系统尽快摆脱不正常状态和故障状态，长时间在正常状不正常状态和故障状态，长时间在正常状态下运行态下运行 在正常状态下运行的电力系统，以足够的电功率满足负荷对电能的需求，电力系统中各发电、输电和用电设备均在规定的长期安全工作限额内运行；电力系统中各电压和频率均在允许的偏差范围内，提供合格的电能。（

4、P1） 电力系统中电气元件正常工作遭到破坏，但未发电力系统中电气元件正常工作遭到破坏，但未发生故障，这种情况属于不正常运行状态生故障，这种情况属于不正常运行状态。例：q负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（过负荷）负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（过负荷）q系统中出现功率缺额而引起的频率降低（频率降低）系统中出现功率缺额而引起的频率降低（频率降低）q电力系统发生振荡等电力系统发生振荡等q小电流接地系统的单相接地（所谓小电流接地系统是指：小电流接地系统的单相接地（所谓小电流接地系统是指：中性点不接地或经消弧线圈接地的系统）中性点不接地或经消弧线圈接地的系统）q过电压（发电机突然甩负荷

5、）过电压（发电机突然甩负荷）三相短路三相短路二相短路二相短路两相接地短路两相接地短路单相接地短路单相接地短路电机和变压器同一绕组不电机和变压器同一绕组不同线匝之间的匣间短路同线匝之间的匣间短路故障类型故障类型三相短路三相短路两相短路两相短路两相短路接地两相短路接地单相短路接地单相短路接地其它故障其它故障故障次数故障次数133557164437故障概率故障概率0.73%1.96%3.19%92.05%2.06%2001年我国220kV电网输电线路故障统计表 2001年我国年我国220kV电网共有输电线路电网共有输电线路3543条，线条，线路总长度路总长度141945公里，共发生故障公里，共发生故

6、障1786次，故障次，故障率为率为1.25次次/百公里年百公里年 发生短路以后可能产生以下后果：发生短路以后可能产生以下后果：（1） 通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏弧，使故障元件损坏故障点、故障元件故障点、故障元件；（2） 短路电流通过非故障元件，发电机、变压器短路电流通过非故障元件，发电机、变压器由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命它们的使用寿命非故障元件非故障元件；（3） 系统中部分地区母线电压大大下降，破坏用系统中部分地区母线电压大大下降，破坏用户工作的稳定性

7、或影响工厂产品质量户工作的稳定性或影响工厂产品质量母线电压；母线电压；（4） 破坏电力系统各发电厂并列运行的稳定性，破坏电力系统各发电厂并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使系统瓦解引起系统振荡，甚至使系统瓦解并列运行并列运行。 事故：指系统或其中一部分的正常工作遭事故：指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏至到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏至不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。的损坏。 故障和不正常运行状态，均可能在电力系统故障和不正常运行状态，均可能在电力系统中引发事故。中引发事故。4 事故事故

8、 在电力系统中，除采取各种措施清除或减少在电力系统中，除采取各种措施清除或减少发生故障可能性外，一旦发生故障必须迅速而有发生故障可能性外，一旦发生故障必须迅速而有选择性的切除故障元件，选择性的切除故障元件，切除故障时间要求小到切除故障时间要求小到几百几百ms至几十至几十ms（越短越好）越短越好） 继电保护的作用主要有两点：一是继电保护的作用主要有两点：一是电力系统电力系统自动化自动化；即为保证电力系统运行的经济性和电能；即为保证电力系统运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备，需进行电能生产过程质量的自动化技术与装备，需进行电能生产过程的连续自动调节，把整个电力系统或其中的一部的连续自动调节，

9、把整个电力系统或其中的一部分作为调节对象，这种调节动作速度较慢，但稳分作为调节对象，这种调节动作速度较慢，但稳定性高；二是定性高；二是电力系统继电保护与安全自动装置电力系统继电保护与安全自动装置，即当电网或电力设备发生故障，或出现影响安全即当电网或电力设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切出故障设备和消除异运行的异常情况时，自动切出故障设备和消除异常情况的技术与装备，其特点是动作速度快，其常情况的技术与装备，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的。性质是非调节性的。 泛指继电保护技术或由各种继电保护装置泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。组成的继电保护系统。

10、是指能反应电力系统中电气元件发生故障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。大多由单个继电器或出信号的一种自动装置。大多由单个继电器或继电器与其附属设备组合构成。继电器与其附属设备组合构成。 继电保护装置的基本任务继电保护装置的基本任务 自动、迅速、有选择性地将故障自动、迅速、有选择性地将故障元件从系统中切除，使故障元件元件从系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，恢复无故障免于继续遭到破坏，恢复无故障部分正常工作。部分正常工作。 反应电气元件的不正常运行状态，反应电气元件的不正常运行状态，并根据

11、运行维护条件，而动作于并根据运行维护条件，而动作于发出信号，减负荷或跳闸。发出信号，减负荷或跳闸。BAfI1CfICBfI2CfIABCE 为了实现继电保护的功能，该种设备必须能够区分系统三种运行状态之间的差别，因此，必须找出电气元件在三种运行状态下的可测参量的差异，并提取和利用这些差异，实现三种运行状态的快速区分。v 系统正常运行时，每条线路上均流过由它供系统正常运行时，每条线路上均流过由它供给的负荷电流给的负荷电流If，越靠近电源端越靠近电源端If越大，各变电所越大，各变电所母线上的电压，均在其额定电压正负母线上的电压，均在其额定电压正负5%10%的的范围内变化，且靠近于电源端母线上的电压

12、比较范围内变化，且靠近于电源端母线上的电压比较高，线路始端电压与电流之间的相角决定于它供高，线路始端电压与电流之间的相角决定于它供电的负荷的功率因素角和线路的参数电的负荷的功率因素角和线路的参数。1、以电气量大小差异区分dI ddBZIU dBIU与I=0dZdABCI=0dIdIUd=0 如果发生的不是三相短路，而是不对称短路，则在供电网络中会出现某些不对称分量，如负序或零序等的电流和电压，并且幅值较大。而在正常运行时系统对称，负序或零序分量不会出现。利用这些序分量的幅值构成的保护，一般都具有良好的选择性和灵敏性，获得了广泛的应用。 上述利用单端电气量的保护，需要上、下级保护动作整定值和动作

13、时间配合，才能完成切除任意一点短路的保护任务，被称为阶段是保护特性。sEsE BAfICBfI1I2I12（a）双侧电源网络接线双侧电源网络接线按规定的正方向,正常运行时图中AB两侧电流的大小相等而相位相差180o3.以电气量方向变化区分 当在线路当在线路AB以外短路时，此时以外短路时，此时AB两侧两侧的电流仍然是大小相等，相位相反其特的电流仍然是大小相等，相位相反其特征与正常运行时一样征与正常运行时一样 在线路两侧的电流均是由母线流向线在线路两侧的电流均是由母线流向线路此时，两个电流的大小不一定相路此时，两个电流的大小不一定相等但两个电流同相位等但两个电流同相位 当短路发生在当短路发生在AB

14、范围以内时，由于两侧范围以内时，由于两侧电源均分别向短路点供给短路流电源均分别向短路点供给短路流 22.ddII sEsE 12双侧电源网络接线双侧电源网络接线d11dI1dI d22dI2dI 纵联差动纵联差动保护保护相差高频相差高频保护保护方向高频方向高频闭锁保护闭锁保护理论上具有绝对的选择性理论上具有绝对的选择性范围外故障，两侧电流相位范围外故障，两侧电流相位相差相差1800；范围内故障，两侧电流同相范围内故障，两侧电流同相由于在正常情况下负序和零序分量不会出现而在由于在正常情况下负序和零序分量不会出现而在发生不对称接地短路时，均具有较大的数值在发发生不对称接地短路时，均具有较大的数值在

15、发生不接地的不对称短路时，虽然没有零序，但负序生不接地的不对称短路时，虽然没有零序，但负序的分量很大，可利用这些分量来构成的分量很大，可利用这些分量来构成保护装置保护装置零序电流负序电流此外，还有反应非电量的保此外，还有反应非电量的保护：护：瓦斯保护瓦斯保护，过热保护过热保护输入信号执行部分逻辑部分测量部分输出信号故障时动作于跳闸故障时动作于跳闸不正常运行时发出信号不正常运行时发出信号正常运行时不动作正常运行时不动作126DL5DL4DL3DL2DL1DLL1L3L2L4d3d1d2q若在保护安装处装设两套保护若在保护安装处装设两套保护.一套作为一套作为主保护主保护,而另一套作为后备保护而另一

16、套作为后备保护.当主保护拒动时当主保护拒动时,由后备由后备保护动作切除故障保护动作切除故障.这就是这就是近后备保护近后备保护.对被保护范围内的故障对被保护范围内的故障.能迅速的有选能迅速的有选择性择性加以切除加以切除,以保证系统中其它非故以保证系统中其它非故障部分继续运行障部分继续运行.q如如:当线路当线路L3的的d3点故障点故障,而保护而保护5的主保护拒动的主保护拒动时时,则由保护则由保护5的另一套保护动作于跳开的另一套保护动作于跳开5DL,将故将故障切除障切除.快速切除故障快速切除故障: :可以减小故障元件的损坏程度可以减小故障元件的损坏程度. .可以迅速恢复非故障部分的正常工作可以迅速恢

17、复非故障部分的正常工作, ,缩短用户在低电缩短用户在低电压下的工作时间压下的工作时间. .提高系统并列运行的稳定性提高系统并列运行的稳定性. .故障点易于去游离故障点易于去游离, ,提高重合闸可靠性提高重合闸可靠性. . 速动而有选择性的保速动而有选择性的保护装置护装置,一般都较复杂一般都较复杂,且价格高且价格高.可根据实际情可根据实际情况提出适当要求况提出适当要求.一般情况高压电网高压电网发电厂或重要用户的发电厂或重要用户的母线电压低于母线电压低于0.70.7VeVe大容量的发电机大容量的发电机, ,变压变压器以及电动机的内部故器以及电动机的内部故障等要求快速切除障等要求快速切除. .vT切

18、除故障=t保护动作+t断路器跳闸v对于反应故障时参数增大而动作继电保护对于反应故障时参数增大而动作继电保护.保护区末端发生金属性短路时故障参数的最保护区末端发生金属性短路时故障参数的最计算值计算值继电保护的动作参数的整定值继电保护的动作参数的整定值v对于反应故障时参数降低而动作继电保护对于反应故障时参数降低而动作继电保护.继电保护的动作参数的整定值继电保护的动作参数的整定值保护区末端发生金属性短路时故障参数的最保护区末端发生金属性短路时故障参数的最计算值计算值例例:过电流保护过电流保护:反应于相间短路的电流保护反应于相间短路的电流保护例例:距离保护距离保护继电保护的动作继电保护的动作参数的整定

19、值参数的整定值灵敏误动灵敏误动大拒动不灵敏拒动不灵敏小主保护主保护后备保护后备保护1.4 继电保护发展继电保护发展 继电保护技术是随电力系统的发展而发展起来继电保护技术是随电力系统的发展而发展起来的。电力系统发生短路是不可避免的，伴随着短路的。电力系统发生短路是不可避免的，伴随着短路电流增大。为避免发电机被烧坏，最早采用熔断器电流增大。为避免发电机被烧坏，最早采用熔断器串联于供电线路中，当发生短路时，短路电流首先串联于供电线路中，当发生短路时，短路电流首先熔断熔断器，断开短路的设备，保护发电机。这种熔断熔断器，断开短路的设备，保护发电机。这种保护方式，由于简单，时至今日仍广泛应用于低压保护方式

20、，由于简单，时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备的功率、发电机的容量增大，电力网的接线日益复的功率、发电机的容量增大，电力网的接线日益复杂，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求。于杂，熔断器已不能满足选择性和快速性的要求。于1890年后出现了直接装于断路器上反应一次电流的年后出现了直接装于断路器上反应一次电流的电磁型过电流继电器。十九世纪初，继电器才广泛电磁型过电流继电器。十九世纪初，继电器才广泛用于电力系统的保护，被认为是继电保护技术发展用于电力系统的保护，被认为是继电保护技术发展的开端。的开端。 1901年出现了感

21、应型过电流继电器年出现了感应型过电流继电器 1908年提出了比较被保护元件两端电流的年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理电流差动保护原理 1910年方向性电流保护开始应用年方向性电流保护开始应用 1920年后年后出现了出现了距离保护装置距离保护装置 , 它是将它是将电流与电压相比较的保护原理电流与电压相比较的保护原理 1927年前后，出现了利用高压输电线载波年前后，出现了利用高压输电线载波传送输电线两端功率方向或电流相位的高传送输电线两端功率方向或电流相位的高频保护装置。频保护装置。 1950年稍后年稍后，就提出了利用故障点产生的，就提出了利用故障点产生的行波实现快速保护的设想，在

22、行波实现快速保护的设想，在1975年前后年前后诞生了诞生了行波保护装置行波保护装置 1980年左右年左右反应工频故障分量反应工频故障分量（或称工频（或称工频突变量）原理的保护被大量研究，突变量）原理的保护被大量研究，1990年年后该原理的保护装置被广泛应用后该原理的保护装置被广泛应用 与此同时，随着材料、器件、制造技术等与此同时，随着材料、器件、制造技术等相关学科的发展，继电保护装置的结构、相关学科的发展，继电保护装置的结构、型式和制造工艺也发生着巨大的变化，经型式和制造工艺也发生着巨大的变化，经历了机电式保护装置、静态继电保护装置历了机电式保护装置、静态继电保护装置和数字继电保护装置三大发展

23、阶段。和数字继电保护装置三大发展阶段。 机电式保护装置是由具有机械转动部件带机电式保护装置是由具有机械转动部件带动触点开、合的机电式继电器所组成，如动触点开、合的机电式继电器所组成，如电磁型、感应型和电动型继电器电磁型、感应型和电动型继电器 上世纪上世纪50年代年代，随着晶体管的发展，出，随着晶体管的发展，出现了晶体管式继电保护装置。这种保护现了晶体管式继电保护装置。这种保护装置体积小、动作速度快、无机械转动装置体积小、动作速度快、无机械转动部分、无触点，被称为晶体管式保护装部分、无触点，被称为晶体管式保护装置置 .上世纪上世纪80年代后期年代后期，静态继电保护装，静态继电保护装置由晶体管式向

24、集成电路式过渡，成为置由晶体管式向集成电路式过渡，成为静态继电保护的主要形式静态继电保护的主要形式 在上世纪在上世纪60年代末，已有了用小型计算年代末，已有了用小型计算机实现继电保护的设想，但由于小型计算机机实现继电保护的设想，但由于小型计算机当时价格昂贵，难于实际采用。由此开始了当时价格昂贵，难于实际采用。由此开始了对继电保护计算机算法的大量研究，为后来对继电保护计算机算法的大量研究，为后来微型计算机式保护的发展奠定了理论基础微型计算机式保护的发展奠定了理论基础 70年代后期，出现了性能比较完善的微机保护样机并投入年代后期，出现了性能比较完善的微机保护样机并投入系统试运行系统试运行8080年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟 9090年代，微机保护已在我国大量应用，主运算器由年代，微机保护已在我国大量