电力系统继电保护原理及应用1

1、一、基本概念一、基本概念l 电力系统一次设备电力系统一次设备 发电机、变压器、母线、输电线路、电动机、电抗器、发电机、变压器、母线、输电线路、电动机、电抗器、电容器等组成的电能传输设备（属于高压设备）。电容器等组成的电能传输设备（属于高压设备）。l 电力系统二次设备电力系统二次设备 对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制与保护对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制与保护的设备（从的设备（从TATA、TVTV获得成正比的获得成正比的“小信号小信号”相额定相额定电压电压57.7V57.7V，额定电流，额定电流1A1A或或5A5A）。）。1 1 电力系统电力系统一次设备一次设备+ +二次设备。二

2、次设备。一、基本概念一、基本概念2 2 电力系统运行状态电力系统运行状态 正常状态、不正常状态、故障状态。正常状态、不正常状态、故障状态。 l 正常状态正常状态 电力系统在规定的限度内可以长期安全稳定运行。电力系统在规定的限度内可以长期安全稳定运行。 最关键的指标：最关键的指标：UeUe10%,10%,ff0.2Hz0.2Hz 。l 不正常状态不正常状态 正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。l 故障状态故障状态 一次设备运行中由于外力、绝缘老化、过电压、误操一次设备运行中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作，以及自然灾害等各种，导致原因发生短路、断线。作，

3、以及自然灾害等各种，导致原因发生短路、断线。一、基本概念一、基本概念3 3 短路故障短路故障 雷击、台风、地震、绝缘老化、人为等因素造成。伴随短雷击、台风、地震、绝缘老化、人为等因素造成。伴随短 路故障出现电流增大、电压降低。路故障出现电流增大、电压降低。 l 故障类型故障类型n 纵向故障：指各种类型的断线故障，包括单相断线、两纵向故障：指各种类型的断线故障，包括单相断线、两相断线和三相断线。相断线和三相断线。n 横向故障：指各种类型的短路，包括三相短路、两相短横向故障：指各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、单相接地短路及两相接地短路。单相短路，约为总短路、单相接地短路及两相接地短路。单相

4、短路，约为总短路故障数的路故障数的65%65%，三相短路只占，三相短路只占5 510%10%。三相短路故障发生三相短路故障发生的几率虽然最小，但故障产生的后果最为严重。的几率虽然最小，但故障产生的后果最为严重。 不对称性短路对称性短路一、基本概念一、基本概念3 3 短路故障短路故障l 短路危害短路危害n 短路电流大，燃弧，易使元件损坏；短路电流大，燃弧，易使元件损坏；n 电压降低，电力用户正常的生产、生活受到影响；电压降低，电力用户正常的生产、生活受到影响；n 破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡， 甚至系统崩溃。甚至系统崩溃。美加大停电、巴西

5、大停电！美加大停电、巴西大停电！一、基本概念一、基本概念3 3 短路故障短路故障l 短路特征短路特征正常运行正常运行短路故障短路故障线路流过负荷电流线路流过负荷电流线路流过短路电流线路流过短路电流母线电压接近额定母线电压接近额定母线电压降低母线电压降低电压电压/ /电流为负荷阻抗，电流为负荷阻抗，很大很大电压电压/ /电流为母线至故电流为母线至故障点的线路阻抗，很小障点的线路阻抗，很小一、基本概念一、基本概念3 3 短路故障短路故障l 短路特征实现的保护类型短路特征实现的保护类型n电流增大电流增大 过电流保护过电流保护n电压降低电压降低 低电压保护低电压保护n阻抗减小阻抗减小 阻抗（距离）保护

6、阻抗（距离）保护n两侧电流大小和相位的差别两侧电流大小和相位的差别纵联差动保护纵联差动保护n不对称分量出现不对称分量出现零序或负序分量保护零序或负序分量保护 （不对称短路）（不对称短路）n非电气量非电气量 瓦斯保护、过热保护等瓦斯保护、过热保护等一、基本概念一、基本概念l 继电保护装置继电保护装置 就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状就是指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。态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。4 4 继电保护装置的任务继电保护装置的任务 当某一设备发生短路、断线等故障时，切除故障的时间要求当某一

7、设备发生短路、断线等故障时，切除故障的时间要求为为几十到几百毫秒几十到几百毫秒。l 基本任务基本任务n 发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。n 对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。重合闸

8、相配合。一、一、基本基本概念概念l 测量部分测量部分5 5 继电保护装置的构成继电保护装置的构成 测量有关电气量，与整定值比较，给出测量有关电气量，与整定值比较，给出“是是”或或“非非”，“0” 0” 或或 “ “1”1”， “ “大于大于”、“不大于不大于”、“等于等于” ” 等等性质的一组逻辑信号，判断保护是否应该启动。性质的一组逻辑信号，判断保护是否应该启动。一、基本概念一、基本概念l 逻辑部分逻辑部分5 5 继电保护装置的构成继电保护装置的构成 根据测量部分输出信号的大小、性质、先后顺序等，使根据测量部分输出信号的大小、性质、先后顺序等，使保护按一定的逻辑关系判定故障类型和范围，确定是

9、否保护按一定的逻辑关系判定故障类型和范围，确定是否应该使断路器跳闸或发出告警信号，并将有关指令传达应该使断路器跳闸或发出告警信号，并将有关指令传达给执行部分。给执行部分。l 执行部分执行部分一、基本概念一、基本概念根据逻辑部分的输出结果，发出跳闸脉冲及相应动作信根据逻辑部分的输出结果，发出跳闸脉冲及相应动作信息，或发出告警信号。息，或发出告警信号。控制跳闸、调整，或通知值班人员控制跳闸、调整，或通知值班人员5 5 继电保护装置的构成继电保护装置的构成 包括包括 TV TV 、 TATA、二次电缆、保护装置、信号设备、工作、二次电缆、保护装置、信号设备、工作电源等。电源等。 断路器断路器 电流互

10、感器电流互感器电流继电器电流继电器中间继电器中间继电器信号继电器信号继电器时间继电器时间继电器一、基本概念一、基本概念6 6 继电保护二次回路继电保护二次回路 7 7 继电保护的工作配合继电保护的工作配合 预设范围，保护范围重叠，无死区预设范围，保护范围重叠，无死区发电机发电机保护区保护区变压器保护区变压器保护区线路保护区线路保护区低压母线低压母线保护区保护区高压母线高压母线保护区保护区1 1高压母线高压母线保护区保护区一、基本概念一、基本概念8 8 继电保护分类继电保护分类l 主保护主保护 主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择

11、性地切除被保护设备和线路故障的保护。如线路有选择性地切除被保护设备和线路故障的保护。如线路的纵连保护。的纵连保护。电力系统中的电力设备和线路，应装设短路故障和异常运电力系统中的电力设备和线路，应装设短路故障和异常运行的保护装置。电力设备和线路短路故障的保护应有主保行的保护装置。电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。护和后备保护，必要时可增设辅助保护。 n 线路主保护：纵联电流差动保护、纵联距离保护、纵联方向保护线路主保护：纵联电流差动保护、纵联距离保护、纵联方向保护n 变压器主保护：电流差动保护、瓦斯保护变压器主保护：电流差动保护、瓦斯保护n 母线保护：电流差

12、动保护母线保护：电流差动保护一、基本概念一、基本概念n 远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护实现后备。线路的保护实现后备。n 近后备保护：当主保护拒动时，由该电力设备或线路的另一近后备保护：当主保护拒动时，由该电力设备或线路的另一套保护实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护套保护实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现的后备保护。来实现的后备保护。l 后备保护后备保护 后备保护是主保护或断路器拒动时，用以切除故障后备保护是主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护。的保护。 后备保护分为远后备和

13、近后备两种方式。后备保护分为远后备和近后备两种方式。一、基本概念一、基本概念8 8 继电保护分类继电保护分类l 辅助保护辅助保护 辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。保护退出运行而增设的简单保护。如零序电流保护。纵联速动主保护纵联速动主保护 相间距离保护相间距离保护接地距离保护接地距离保护零序电流保护零序电流保护断路器失灵保护断路器失灵保护 一、基本概念一、基本概念8 8 继电保护分类继电保护分类9 9 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求l 选择性选择性l 速动性速动性l 灵敏性灵敏性l

14、 可靠性可靠性一、基本概念一、基本概念简称为：继电保护简称为：继电保护“四性要求四性要求”。 “ “四性四性”是分析和研是分析和研究继电保护的基础。对四性中的每一项要求都应当有度，究继电保护的基础。对四性中的每一项要求都应当有度，应以满足电力系统的安全运行为准则，不应片面强调某一应以满足电力系统的安全运行为准则，不应片面强调某一项而忽视另一项，否则会带来不良的影响。项而忽视另一项，否则会带来不良的影响。一、基本概念一、基本概念l 可靠性可靠性 可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动作，即不误动、不拒动。为保证可靠性，在装置选择作，即不误动、不拒

15、动。为保证可靠性，在装置选择上应选用硬件和软件可靠的装置，在保护配置上，上应选用硬件和软件可靠的装置，在保护配置上，220kV及以上电压等级电网的线路保护一般采用近后及以上电压等级电网的线路保护一般采用近后备保护方式，备保护方式，110kV及以下电压等级电网一般采用远后及以下电压等级电网一般采用远后备保护方式。备保护方式。n 安全性：区外故障可靠不动作安全性：区外故障可靠不动作n 可信赖性：区内故障可靠动作可信赖性：区内故障可靠动作9 9 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求一、基本概念一、基本概念l 选择性选择性 选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除选择性是指首先由故障设备或线路

16、本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障除故障 为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件一保护内有配合要求的两元件(如起动与跳闸元件、闭锁与如起动与跳闸元件、闭锁与动作元件动作元件)，其灵敏系数及动作时间应相互配合。，其灵敏系数及动作时间应相互配合。 9 9 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求一、基本概念一、基本概念l 灵敏性灵敏性 灵敏

17、性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，它反映了时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，它反映了保护对故障的反应能力，一般以灵敏系数来描述。灵保护对故障的反应能力，一般以灵敏系数来描述。灵敏度系数指在被保护对象末段发生金属性短路时，故敏度系数指在被保护对象末段发生金属性短路时，故障量与整定值（反映故障量上升的保护，如电流保护）障量与整定值（反映故障量上升的保护，如电流保护）或整定值与故障量之比（反映故障量下降的保护，如或整定值与故障量之比（反映故障量下降的保护，如阻抗保护）。阻抗保护）。9 9 对继电保护的基本要求

18、对继电保护的基本要求一、基本概念一、基本概念l 速动性速动性 速动性是指保护装置应能尽快切除短路故障，以提速动性是指保护装置应能尽快切除短路故障，以提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围。继电保护在满足选择性的前提下，小故障波及范围。继电保护在满足选择性的前提下，应尽可能的加快保护动作时间。应尽可能的加快保护动作时间。在保护配置上，通过配置全线速动主保护、相间和接地故在保护配置上，通过配置全线速动主保护、相间和接地故障的速动段保护来快速切除故障。整定计算中，可通过合障的速动段保护来快速切除故障。整定计算中，可通过合理的缩小后

19、备保护的动作时间级差来提高快速性。对于系理的缩小后备保护的动作时间级差来提高快速性。对于系统稳定及设备安全有重要影响对动作时间有要求的保护应统稳定及设备安全有重要影响对动作时间有要求的保护应保证其速动性，必要时可牺牲选择性。保证其速动性，必要时可牺牲选择性。9 9 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求一、基本概念一、基本概念9 9 对继电保护的基本要求对继电保护的基本要求速动性和可靠性速动性和可靠性主要通过加强主保护配置、选择主要通过加强主保护配置、选择技术成熟原理先进硬件可靠的保护装置来保证；技术成熟原理先进硬件可靠的保护装置来保证；灵敏性和选择性灵敏性和选择性主要通过选择合理的运行方式

20、、主要通过选择合理的运行方式、正确的配合关系以及准确的计算公式来保证。正确的配合关系以及准确的计算公式来保证。l 讨论保护讨论保护1 1就以就以保护保护1 1为基准为基准 本线路本线路 一、基本概念一、基本概念10 10 常用的称谓常用的称谓下一条线路下一条线路( (相邻线路相邻线路) ) 一、基本概念一、基本概念10 10 常用的称谓常用的称谓l 讨论保护讨论保护1 1就以就以保护保护1 1为基准为基准 10 10 常用的称谓常用的称谓10 10 常用的称谓常用的称谓背后线路背后线路 一、基本概念一、基本概念10 10 常用的称谓常用的称谓l 讨论保护讨论保护1 1就以就以保护保护1 1为基

21、准为基准 一、基本概念一、基本概念10 10 常用的称谓常用的称谓l 讨论保护讨论保护1 1就以就以保护保护1 1为基准为基准 ( (本线本线) )末端短路末端短路 相邻线出口短路相邻线出口短路 l 讨论保护讨论保护1 1就以就以保护保护1 1为基准为基准 相邻线末端短路相邻线末端短路 一、基本概念一、基本概念10 10 常用的称谓常用的称谓l 讨论保护讨论保护1 1就以就以保护保护1 1为基准为基准 10 10 常用的称谓常用的称谓l 讨论保护讨论保护1 1就以就以保护保护1 1为基准为基准 反方向短路反方向短路 一、基本概念一、基本概念10 10 常用的称谓常用的称谓l 讨论保护讨论保护1

22、 1就以就以保护保护1 1为基准为基准 Zm1Zm2Zm3mmmZUI 依据测量阻抗在不同情况下的依据测量阻抗在不同情况下的“差异差异”，保护就能够区分，保护就能够区分出系统是否发生故障，以及故障发生的范围出系统是否发生故障，以及故障发生的范围正向及范围，正向及范围，或反向或反向。mI 距离保护通过测量输电线路一端的电压距离保护通过测量输电线路一端的电压 、电流、电流 , ,计算它们的比值，反应故障点到保护安装处的距离。该比值称计算它们的比值，反应故障点到保护安装处的距离。该比值称之为之为测量阻抗测量阻抗: :mU二、距离保护二、距离保护Zm1Zm2Zm1Zm2Zm3Zm1Zm21 1 基本原

23、理基本原理二、距离保护二、距离保护1 1 基本原理基本原理测量阻抗测量阻抗 通常为复数，可表示为：通常为复数，可表示为：mmmIUZmmmmmmmjXRZIUZmZmmRmX测量阻抗的幅值测量阻抗的幅值测量阻抗角测量阻抗角测量电阻测量电阻测量电抗测量电抗l 测量阻抗具有以下的测量阻抗具有以下的“差异差异”：。一般小于额定电流；为负荷电流近似等于额定电压；30mmmIU表示。用负荷阻抗LLLmmmZIUIUZ二、距离保护二、距离保护1 1 基本原理基本原理n 系统正常运行时系统正常运行时l 短路时短路时 KKKmmmljxrlzZIUZ111 ，视线路而定。的角度一般在其中，0018570z 在

24、在R-XR-X复平面复平面，可以看出测量阻抗与动作范围的关系。，可以看出测量阻抗与动作范围的关系。二、距离保护二、距离保护1 1 基本原理基本原理112200120110101103()3(3)KKKZZUUI ZI ZI ZUIIIZZIZUIKIZ 相电压相电压：线电压：线电压：1KUUIZ零序电流补偿系数二、距离保护二、距离保护1 1 基本原理基本原理l 金属性接地故障金属性接地故障0kU 故障相相电压故障相相电压 013UIKIZ 103mmmUUZZIIKI 测量阻抗测量阻抗故障相相间电压故障相相间电压l 相间直接短路故障时相间直接短路故障时0kU 1UIZ 测量阻抗测量阻抗1mmm

25、UUZZII 接地距离保护相间距离保护二、距离保护二、距离保护1 1 基本原理基本原理11 KmlzZ 21 KmlzZ 31 KmlzZ LZ3KZMMRjXL 直线区域直线区域setZ1KZ2KZ11 KmlzZ 21 KmlzZ 31 KmlzZ LZ3KZMMRjXL setZ设计为设计为一个一个“面面”的区域的区域1KZ2KZ 因此，通常将阻抗继电器的保护范围因此，通常将阻抗继电器的保护范围扩大为一个面或圆的扩大为一个面或圆的形式。形式。当测量阻抗落在这个范围内时，阻抗元件动作；否则当测量阻抗落在这个范围内时，阻抗元件动作；否则不动作。不动作。 这个保护范围的边界叫做：整定阻抗。用这

26、个保护范围的边界叫做：整定阻抗。用 表示。表示。考虑到二次侧的测量阻抗受下列因素影响：考虑到二次侧的测量阻抗受下列因素影响：1 1）电流、电压互感器误差；）电流、电压互感器误差；2 2）输电线路阻抗角的角度差；）输电线路阻抗角的角度差；3 3）过渡电阻的影响等）过渡电阻的影响等setZ二、距离保护二、距离保护1 1 基本原理基本原理l 设计为一个设计为一个“面（区域）面（区域）”接线方式接线方式 即采用何种测量电压和测量电流即采用何种测量电压和测量电流 最优：最优： 1 1）能够反映短路点到保护安装处的正序阻抗；）能够反映短路点到保护安装处的正序阻抗； 2 2）适合于任何的短路类型。）适合于任

27、何的短路类型。n测量电压测量电压mUmIn 测量电流测量电流二、距离保护二、距离保护2 2 距离保护的接线方式距离保护的接线方式 经过分析、研究、比较，目前，常用的接线方式有经过分析、研究、比较，目前，常用的接线方式有2 2种：种： （1 1）相间距离相间距离 0 0接线方式接线方式。 （2 2）带零序补偿的）带零序补偿的接地距离接地距离0 0接线方式接线方式。ABZCAZBCZABUBAII BCUCBII CAUACII AZCZBZAU0AI3KI BUCU0BI3KI 0CI3KI 零序补偿系数1103zzzK二、距离保护二、距离保护2 2 距离保护的接线方式距离保护的接线方式03Ik

28、IUAA 03IkIUBB 03IkIUCC BAABIIU CBBCIIU ACCAIIU 接地阻抗的接地阻抗的0 0接线方式接线方式相间阻抗的相间阻抗的0 0接线方式接线方式),(K11)3(K)(K1)2(Kl 接线方式可以反映的故障类型接线方式可以反映的故障类型二、距离保护二、距离保护2 2 距离保护的接线方式距离保护的接线方式二、距离保护二、距离保护3 3 距离保护的基本组成距离保护的基本组成I I段：无延时，保护本线路的一部分段：无延时，保护本线路的一部分IIII段段: : t tIIII延时，可靠保护线路的全长，保护范围延伸至相延时，可靠保护线路的全长，保护范围延伸至相邻线路，邻

29、线路，IIIIII段：段：t tIIIIII延时，作为本线路延时，作为本线路I I、IIII段的后备，躲过最小负段的后备，躲过最小负荷阻抗即可。荷阻抗即可。二、距离保护二、距离保护3 3 距离保护的保护范围距离保护的保护范围n分支电流（助增与外汲）n交流失压及PT断线闭锁n系统振荡及振荡闭锁n线路串联补偿电容二、距离保护二、距离保护3 3 影响距离保护的因素影响距离保护的因素 在在距离保护的各种动作区域中，常用的一种形式是：距离保护的各种动作区域中，常用的一种形式是：圆圆特性特性。典型的圆特性如下：。典型的圆特性如下：方向特性方向特性setZjXRsen 最大灵敏角sen整定阻抗是圆的直径（绝

30、对值整定阻抗是圆的直径（绝对值最大最大保护范围最大）保护范围最大）希望：希望：线路阻抗角等于最大灵线路阻抗角等于最大灵敏角。敏角。二、距离保护二、距离保护3 3 距离保护的动作特性距离保护的动作特性圆内动作！圆内动作！ 在在距离保护的各种动作区域中，常用的一种形式是：距离保护的各种动作区域中，常用的一种形式是：圆圆特性特性。典型的圆特性如下：。典型的圆特性如下： 方向圆特性可以判断：方向圆特性可以判断：短路范围和方向。短路范围和方向。 但是，出口短路时需要但是，出口短路时需要“记忆记忆”。最常用动作特性之一最常用动作特性之一方向特性方向特性setZjXRsen 二、距离保护二、距离保护3 3

31、距离保护的动作特性距离保护的动作特性 偏移特性可以判断：短路范围，偏移特性可以判断：短路范围，没有出口死区。没有出口死区。 但是，反方向出口短路会误动。但是，反方向出口短路会误动。偏移特性偏移特性setZjXRsen 二、距离保护二、距离保护3 3 距离保护的动作特性距离保护的动作特性 全阻抗特性可以判断：短全阻抗特性可以判断：短路范围。路范围。 但是，没有方向性。但是，没有方向性。 较少采用。较少采用。 没有最大灵敏角的概念。没有最大灵敏角的概念。全阻抗特性全阻抗特性setZjXR二、距离保护二、距离保护3 3 距离保护的动作特性距离保护的动作特性 另外，两个或多个的圆特性可构成另外，两个或多个的圆特性可构成“与与”、“或或”的的关系，组合出其它特性。关系，组合出其它特性。 橄榄型特性橄榄型特性 苹果型特性苹果型特性 （两圆（两圆“与与”） （两圆（两圆“或或” ）二、距离保护二、距离保护3 3 距离保护的动作特性距离保护的动作特性多边形特性多边形特性淡化了最大灵敏角的概念淡化了最大灵敏角的概念setR0RjXsetX 与圆特性比较，与圆特性比较，多边形特性的保护多边形特性的保护范围、耐过渡电阻范围、耐过渡电阻能力容易兼顾能力容易兼顾。常用特性之一常用特性之一二、距离保护二、距离保护3 3