电力系统继电保护的基本原理、构成与分类

1、 电力系统继电保护电力系统继电保护Power System Protective Relaying 电气工程及其自动化专业课程电气工程及其自动化专业课程华中科技大学文华学院机电学部华中科技大学文华学院机电学部主讲主讲:唐萃唐萃2008.9联系方式联系方式v唐唐 萃萃vTelQQ:283407482vEmail:v注：请本班班长或者学习委员课后留下联系方式注：请本班班长或者学习委员课后留下联系方式教材及参考书籍教材及参考书籍教材教材 ：尹项根，曾克娥尹项根，曾克娥. 电力系统继电保护原理与应用电力系统继电保护原理与应用(上册上册)华中科技大学出版社，华中科技大学出版社，

2、2001年年参考书：参考书：张保会，尹项根主编张保会，尹项根主编.电力系统继电保护电力系统继电保护北京：中北京：中国电力出版社，国电力出版社，2005贺家李，宋从矩编贺家李，宋从矩编.电力系统继电保护原理电力系统继电保护原理第三第三版版北京：中国电力出版社，北京：中国电力出版社，1994陈德树陈德树.计算机继电保护原理与技术计算机继电保护原理与技术.华中理工大学华中理工大学 继电保护的主要特点继电保护的主要特点继电保护工作涉及到每个电气主设备和二次辅继电保护工作涉及到每个电气主设备和二次辅助设备。助设备。继电保护是一门综合性的科学，它奠基于理论继电保护是一门综合性的科学，它奠基于理论电工、电机

3、学和电力系统等基础理论，还与电子电工、电机学和电力系统等基础理论，还与电子技术、通信技术、计算机技术和信息科学等新理技术、通信技术、计算机技术和信息科学等新理论新技术有着密切的关系。论新技术有着密切的关系。继电保护是一门理论和实践并重的学科。继电保护是一门理论和实践并重的学科。继电保护工作稍有差错，即可能对电力系统的继电保护工作稍有差错，即可能对电力系统的运行造成严重的影响，给国民经济和人民生活带运行造成严重的影响，给国民经济和人民生活带来不可估量的损失。来不可估量的损失。课程教学目标课程教学目标 通过本课程学习：通过本课程学习：v掌握电流保护、方向性电流保护、距离保护和差掌握电流保护、方向性

4、电流保护、距离保护和差动保护等几种常用保护的基本工作原理、实现方动保护等几种常用保护的基本工作原理、实现方法和应用范围、整定计算的基本原则；法和应用范围、整定计算的基本原则；v深刻地认识到深刻地认识到,电力系统继电保护在保证电力系统电力系统继电保护在保证电力系统的安全稳定运行中所起的重要作用；的安全稳定运行中所起的重要作用；v掌握电力系统继电保护的基本原理、基本概念、掌握电力系统继电保护的基本原理、基本概念、基本实验技能，毕业后为从事本专业范围内的实基本实验技能，毕业后为从事本专业范围内的实际工作奠定基础。际工作奠定基础。 课程内容安排第一章第一章 电力系统继电保护概述电力系统继电保护概述第二

5、章第二章 继电保护的基础知识继电保护的基础知识 第三章第三章 输电线路的电流电压保护输电线路的电流电压保护第四章第四章 输电线路的距离保护输电线路的距离保护第五章第五章 输电线路的纵联保护保护输电线路的纵联保护保护 第六章第六章 输电线路的自动重合闸输电线路的自动重合闸第七章第七章 电力变压器的继电保护电力变压器的继电保护习题课习题课实验实验 6学时学时总计总计 48学时学时总学时：总学时：42（理论课）（理论课）6（实验）（实验） 学分：学分：3平时成绩：作业平时成绩：作业+考勤考勤+提问提问考核方式考核方式 ： 笔试笔试 Chapter 1 电力系统继电保护概论电力系统继电保护概论内容提要

6、：内容提要：1.1 继电保护的概念与作用继电保护的概念与作用1.2对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求1.3继电保护的基本原理、构成与分类继电保护的基本原理、构成与分类1.4继电保护技术的发展继电保护技术的发展教学要求教学要求重点：继电保护的基本原理，对电力系统重点：继电保护的基本原理，对电力系统继电保护的基本要求。继电保护的基本要求。难点：对电力系统继电保护的基本要求。难点：对电力系统继电保护的基本要求。了解电力系统的故障和不正常运行状态及引起了解电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果；的后果；掌握继电保护装置概念、继电保护的任务（作掌握继电保护装置概念、继电保护的任务（作用）、原理

7、及组成；用）、原理及组成；熟练掌握对继电保护的基本要求。熟练掌握对继电保护的基本要求。1.1 继电保护的概念与作用继电保护的概念与作用 1.1.1 继电保护的基本概念与作用继电保护的基本概念与作用1. 继电保护基本概念继电保护基本概念 电力系统安全保障体系中最重要的专门技术之电力系统安全保障体系中最重要的专门技术之一。一。 电力系统继电保护一词泛指继电保护技术电力系统继电保护一词泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试等技术，也包括由获取电量信息的电压、电流等

8、技术，也包括由获取电量信息的电压、电流互感器二次回路，经过继电保护装置到断路器互感器二次回路，经过继电保护装置到断路器跳闸线圈的一整套具体设备，如果利用通讯手跳闸线圈的一整套具体设备，如果利用通讯手段传送信息，还包括通讯设备。段传送信息，还包括通讯设备。 2. 继电保护的基本作用继电保护的基本作用 在电力系统范围内，按指定分区实时地检测在电力系统范围内，按指定分区实时地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度地维持系统障隔离或告警等措施，以求最大限度地维持系统稳定、保持供电连续性、保障人生安全、防止或稳定、保持供电

9、连续性、保障人生安全、防止或减轻设备损坏。减轻设备损坏。 1.1.2 电力系统的故障状态和不正常运行状态电力系统的故障状态和不正常运行状态v运行状态的定义运行状态的定义:v 电力系统在不同运行条件下的系统与电力系统在不同运行条件下的系统与设备的工作状态。设备的工作状态。v正常运行状态正常运行状态 v故障状态故障状态v不正常运行状态不正常运行状态系统正常工作状态下的约束系统正常工作状态下的约束有功平衡：有功平衡：无功平衡：无功平衡：功率、电流上限约束：功率、电流上限约束：电压、频率约束：电压、频率约束：1.1.2 电力系统的故障状态和不正常运行状态电力系统的故障状态和不正常运行状态v（1）系统正

10、常工作状态）系统正常工作状态v 能够满足上述相关等式约束、不等能够满足上述相关等式约束、不等式约束；能够提供合格的电能，满足负式约束；能够提供合格的电能，满足负荷的供电需求；能够保证系统中的相关荷的供电需求；能够保证系统中的相关设备均在规定的长期安全工作限额内运设备均在规定的长期安全工作限额内运行，并保持一定的备用容量。行，并保持一定的备用容量。1.1.2 电力系统的故障状态和不正常运行状态电力系统的故障状态和不正常运行状态v（2）电力系统的故障状态）电力系统的故障状态v 由于各种原因，系统中发生的各种形式的由于各种原因，系统中发生的各种形式的短路故障和断线故障。其中最危险的是各种类短路故障和

11、断线故障。其中最危险的是各种类型的短路。型的短路。 故障特征量：故障特征量： 电流增大、电压降低、测量阻抗减小、功电流增大、电压降低、测量阻抗减小、功率方向发生变化、各物理量之间的相位变化。率方向发生变化、各物理量之间的相位变化。1.1.2 电力系统的故障状态和不正常运行状态电力系统的故障状态和不正常运行状态v短路可能产生的后果：短路可能产生的后果：v1.很大短路电流和所燃起的电弧，危害故障设备和很大短路电流和所燃起的电弧，危害故障设备和非故障设备；非故障设备； 2引起元件的发热和电动力的作用，损坏或缩短引起元件的发热和电动力的作用，损坏或缩短其使用寿命；其使用寿命； 3电力系统部分地区电压大

12、大降低，影响用户的电力系统部分地区电压大大降低，影响用户的正常工作；正常工作； 4破坏系统稳定性，使事故进一步扩大（引起系破坏系统稳定性，使事故进一步扩大（引起系统振荡，甚至使系统瓦解）统振荡，甚至使系统瓦解）1.1.2 电力系统的故障状态和不正常运行状态电力系统的故障状态和不正常运行状态v（3）不正常运行状态）不正常运行状态 电气元件的运行状态一定限度的超出正常电气元件的运行状态一定限度的超出正常运行时的任一等式或不等式约束。运行时的任一等式或不等式约束。 包括：电流偏大、电压偏低、频率偏低、系统包括：电流偏大、电压偏低、频率偏低、系统振荡等等。振荡等等。a、其性质、后果及危害性有别于故障、

13、其性质、后果及危害性有别于故障b、长时间的不正常运行有可能造成故障、长时间的不正常运行有可能造成故障 如长期过负荷如长期过负荷温度升高温度升高绝缘老化绝缘老化故障故障1.1.2 电力系统的故障状态和不正常运行状态电力系统的故障状态和不正常运行状态（4）电力系统的事故）电力系统的事故 事故是指系统或其中一部分的正常工作遭事故是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到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能允许的地步，甚至造成人身伤亡和电气到不能允许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备损坏的事件。设备损坏的事件。 故障状态和不正常运行状态都可能在电力系故障状态和不

14、正常运行状态都可能在电力系统中引起事故。统中引起事故。1.1.2 电力系统的故障状态和不正常运行状态电力系统的故障状态和不正常运行状态面对故障或异常运行该如何处理？面对故障或异常运行该如何处理？v减少人为因素引起的事故及异常运行减少人为因素引起的事故及异常运行v电力系统安全紧急控制的三道防线：电力系统安全紧急控制的三道防线： 第一道防线：继电保护装置；第一道防线：继电保护装置； 第二道防线：切机切负荷，低频低压减第二道防线：切机切负荷，低频低压减载；载； 第三道防线：系统解列等。第三道防线：系统解列等。 发生故障时，自动、迅速、有选择地将故发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电

15、力系统中切除，使非障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。故障部分继续运行。 反映电气元件的不正常运行状态，并根据反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员）运行维护的条件（例如有无经常值班人员）而动作于发出信号、减负荷或跳闸。而动作于发出信号、减负荷或跳闸。 采取预定措施，尽快恢复故障元件供电。采取预定措施，尽快恢复故障元件供电。1.1.3 继电保护装置的基本任务继电保护装置的基本任务 1.2继电保护的基本原理及其组成继电保护的基本原理及其组成1.2.1 继电保护构成的基本原理继电保护构成的基本原理 继电保护基本原理继电保护基本原理是利用被保护线是

16、利用被保护线路或设备故障前后某些变化的物理量为路或设备故障前后某些变化的物理量为信息量，当信息量达到一定值时，起动信息量，当信息量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。信号。 利用正常运行与故障时系统中电气量或非电气利用正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征量的变化特征（1 1）电流明显增大）电流明显增大过电流保护过电流保护（2 2）电压明显降低）电压明显降低低电压保护低电压保护 （3 3）电压与电流间的相位角会发生变化）电压与电流间的相位角会发生变化方向保护。方向保护。 （4 4）测量阻抗会发生变化）测量阻抗会发生变化阻抗保护阻

17、抗保护 （5 5）电气元件流入与流出）电气元件流入与流出 电流的关系发生变化电流的关系发生变化电电流差动保护流差动保护 （6 6）出现负序和零序分量）出现负序和零序分量零序保护和负序保护零序保护和负序保护1.2.1 继电保护构成的基本原理继电保护构成的基本原理 1.2.2 继电保护装置的构成继电保护装置的构成图图2.3 2.3 继电保护装置构成示意图继电保护装置构成示意图 继电保护一般由三个部分组成继电保护一般由三个部分组成: :测量部分、逻辑测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如下图所示。部分和执行部分，其原理结构如下图所示。测量被保护元件测量被保护元件工作状态的物理工作状态的物理量，并

18、和已给的量，并和已给的整定值进行比较，整定值进行比较，从而判断保护是从而判断保护是否应该启动。否应该启动。根据测量部分各输根据测量部分各输出量的大小，性质，出量的大小，性质，出现的顺序等，使出现的顺序等，使保护装置按一定的保护装置按一定的逻辑程序工作，最逻辑程序工作，最后传到执行部分。后传到执行部分。根据逻辑部分送根据逻辑部分送的信号，最后完的信号，最后完成保护装置所担成保护装置所担负的任务。如发负的任务。如发出信号，跳闸或出信号，跳闸或不动作等。不动作等。1.2.2 继电保护装置的构成继电保护装置的构成v以过电流保护装置为例,来说明继电保护的组成和基本工作原理.It+_+_LH信信号号YRQ

19、F1.2.3 继电保护的分类继电保护的分类v按被保护对象的类别：分为线路保护和设备保护。按被保护对象的类别：分为线路保护和设备保护。v按保护原理，继电保护可分为电流保护，电压保护，按保护原理，继电保护可分为电流保护，电压保护，距离保护，差动保护，纵联保护等。距离保护，差动保护，纵联保护等。v按故障和不正常运行状态的类型，可分为相间短路按故障和不正常运行状态的类型，可分为相间短路保护，接地故障保护，匝间短路保护等。保护，接地故障保护，匝间短路保护等。v按继电保护装置的实现技术，继电保护可分为机电按继电保护装置的实现技术，继电保护可分为机电型保护，整流型保护，晶体管保护等。型保护，整流型保护，晶体

20、管保护等。v按故障继电保护的职责和重要性，分为主保护和后按故障继电保护的职责和重要性，分为主保护和后备保护。备保护。v按继电保护测量值和整定值的动作关系，可分为过按继电保护测量值和整定值的动作关系，可分为过量继电保护装置和欠量继电保护装置。量继电保护装置和欠量继电保护装置。1.3 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求 术语：主保护 远后备保护 近后备保护 对于继电保护，在技术上一般应满足四个基对于继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。即保护的四性。即保护的四性。1.3.1 选择性选择性 ( Selectivity

21、)选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。1.3.1 选择性选择性 ( Selectivity )v保护的配合保护的配合v主保护：主保护：能以最短的速度切除被保护元件范围能以最短的速度切除被保护元件范围内的故障的保护。内的故障的保护。v后备保护：当故障线路的主保护或断路器拒动后备保护：当故障线路的主保护或断路器拒动时用以切除故障的保护。分为时用以切除故障的保护。分为近后备保护和远近后备保护和远后备保护

22、。后备保护。v近后备保护：作为本线路主保护的后备保护。近后备保护：作为本线路主保护的后备保护。v远后备保护：作为下一条相邻线路主保护或开远后备保护：作为下一条相邻线路主保护或开关拒跳的后备保护。关拒跳的后备保护。k3点短路：保护6动作，6QF跳闸； 若保护6或6QF拒动， 5QF跳闸；k2点短路：保护5动作，5QF跳闸； 若保护5或5QF拒动，保护1和保护3动作于1QF、3QF跳闸；k1点短路：保护1和保护2动作，1QF、2QF跳闸； 若保护2或2QF拒动，保护3动作于3QF跳闸；上下级保护之间的配合上下级保护之间的配合上一级保护的灵敏度要低于下一级；上一级保护的灵敏度要低于下一级；上一级保护

23、的动作时限要高于下一级。上一级保护的动作时限要高于下一级。后备保护之间保护的配合后备保护之间保护的配合上下级电力元件的保护范围必须交叉重叠。以上下级电力元件的保护范围必须交叉重叠。以保证系统中任意一点故障保护都能动作。保证系统中任意一点故障保护都能动作。1.3.2 速动性速动性 ( Speediness ) 在允许范围内，尽可能快速动作。在允许范围内，尽可能快速动作。（1 1）需要快速切除的故障）需要快速切除的故障 如大容量的发电机、如大容量的发电机、变压器和电动机内部发生的故障。变压器和电动机内部发生的故障。（2 2）故障切除时间）故障切除时间 ：保护装置动作时间：保护装置动作时间+ +断路

24、断路器跳闸时间，即器跳闸时间，即t=tt=tbhbh+t+tDLDL t t故障总切除时间；故障总切除时间；t tbhbh- -保护动作时间；保护动作时间；t tDLDL- -断断路器动作时间；路器动作时间；保护的动作时间：保护的固有动作时间保护的动作时间：保护的固有动作时间+ +保护的保护的整定时间整定时间1.3.2 速动性速动性 ( Speediness ) 一般的快速保护装置动作时间为一般的快速保护装置动作时间为0.060.060.12s0.12s，最快的可达，最快的可达0.010.010.04s0.04s。 一般的断路器的动作时间为一般的断路器的动作时间为0.060.060.15s0.

25、15s，最快的可达最快的可达0.020.020.06s0.06s。1.3.3 灵敏性灵敏性 ( Sensitivity ) 对故障或不正常运行状态的反应能力。对故障或不正常运行状态的反应能力。在其保护范围内，对各种性质的故障都能在其保护范围内，对各种性质的故障都能敏锐感觉、正确反应。敏锐感觉、正确反应。保护的灵敏度要求：参照保护的灵敏度要求：参照GB14285-1993继电保护和安全自动装置技术规程继电保护和安全自动装置技术规程取值范围：主保护：取值范围：主保护：1.5-2.01.5-2.0 近后备：近后备：1.3-1.51.3-1.5； 远后备：远后备：1.21.2v灵敏系数灵敏系数1.3.

26、3 灵敏性灵敏性 ( Sensitivity ) 反应过量的保护：反应过量的保护：保护整定值故障参数的最小计算值时保护安装处测量到的保护区末端金属性短路senKopksenIIKmin.对于过电流的保护：对于过电流的保护：反应欠量的保护：反应欠量的保护：算值到的故障参数的最大计故障时保护安装处测量保护区末端金属性短路保护整定值senKmax.kopsenUUK对于低电压的保护：对于低电压的保护：由于多数短路故障是非金属性短路，计算或测量由于多数短路故障是非金属性短路，计算或测量参数有误差等，要求灵敏度要大于参数有误差等，要求灵敏度要大于1。1.3.4 可靠性可靠性 (Reliability )

27、 保护装置既不拒动、又不误动。保护装置既不拒动、又不误动。（1 1）从两个方面考核：从两个方面考核： 保护范围内保护范围内不应拒动不应拒动 保护范围外保护范围外不应误动不应误动 （2 2）使保护装置不误动与不拒动的技术措施）使保护装置不误动与不拒动的技术措施常互相矛盾，需要折中或侧重。常互相矛盾，需要折中或侧重。v此四个基本要求是分析研究继电保护的基础，也是此四个基本要求是分析研究继电保护的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。根据被保护元件在电贯穿全课程的一个基本线索。根据被保护元件在电力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式，使力系统中的地位和作用来确定具体的保护方式，使以上四个基本要求在所

28、配置的保护中得到统一。以上四个基本要求在所配置的保护中得到统一。以上四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相以上四个基本要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。协调。如：选择性、速动性如：选择性、速动性可靠性可靠性 灵敏性灵敏性可靠性可靠性、选择性、选择性 选择性选择性速动性速动性1.4 继电保护技术的发展继电保护技术的发展 1.4.1 继电保护技术的发展简况继电保护技术的发展简况v从构成保护装置的元件看：从构成保护装置的元件看：v机电型机电型 (电磁型、感应型、电动型电磁型、感应型、电动型)电子型电子型(晶晶体管、

29、集成电路）体管、集成电路）微机型（微机型（90年代初）年代初）v从保护原理看：过电流保护（最早熔断器从保护原理看：过电流保护（最早熔断器1901年）年） 电流差动保护（电流差动保护（1908年）年）方向性电流方向性电流保护（保护（1910年）年） 距离保护距离保护 （1920年）年） 高高频保护（频保护（1927年）年） 微波保护（微波保护（20世纪世纪50年年代）代） 行波保护（行波保护（20世纪世纪70年代诞生、年代诞生、50年年代有设想）代有设想） 光纤保护光纤保护1.4.2 行业发展情况行业发展情况v国外主流继电保护厂商：国外主流继电保护厂商：vABB vSIMENSvGEvAREVAvSEL：只做保护：只做保护vTOSHIBAv国内继电保护厂家：国内继电保护厂家：v原机械工业部下属：原机械工业部下属： 阿城继电器厂，许继集团，上海继电器厂阿城继电器厂，许继集团，上海继电器厂v南自系南自系：（南京电力自动化设备总厂）：（南京电力自动化设备总厂） 国电南自，南自科技，南自自控国电南自，南自科技，南自自控v南瑞系：（国电南瑞，南瑞集团，南京电力自动南瑞系：（国电南瑞，南瑞集团，南京电力自动化研究院）化研究院） 南瑞继保南瑞继保，深圳南瑞，南瑞城乡电网，深圳南瑞，南瑞城乡电网北京四方北京四方烟台东方烟台东方武汉本土：武汉国测，华工电气，中原华电武汉本土