电气工程基础(第十三章)

主讲:吴军

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第13章电力系统继电保护

13.1继电保护的基本原理

13.2输电线路的继电保护

13.3电力变压器的继电保护13电力系统继电保护主要内容及重难点主要内容：了解继电保护的任务、作用、基本原理和组成，熟悉对电力系统继电保护的基本要求；了解电磁型电流继电器的基本原理；掌握相间短路的三段式电流保护的整定计算方法和电流保护的接线方式；掌握相间短路的方向性电流保护的工作原理；了解中性点直接接地电网接地短路的特点及其零序电流保护的构成；了解中性点不接地电网单相接地故障的特点及其接地保护；了解变压器常见故障及相应的保护方式；掌握纵差动保护的基本原理及变压器纵差动保护的特点；13电力系统继电保护主要内容及重难点重点：继电保护的基本原理及对电力系统继电保护的基本要求；相间短路的三段式电流保护的整定计算方法（包括动作电流及动作时限的整定，灵敏度的校验等）；电流保护的接线方式；相间短路的方向性电流保护的工作原理；中性点直接接地电网接地短路的特点及中性点不接地电网单相接地故障的特点；纵差动保护的基本原理；变压器纵差动保护的特点；难点：相间短路的三段式电流保护的整定计算方法；功率方向继电器的工作原理；中性点不接地电网单相接地故障的特点分析；纵差动保护的基本原理。一次设备:直接用于生产、输送和分配电能二次设备:对一次设备进行监视、控制、测量和保护二次电气设备一般包括控制和信号设备、测量表计、继电保护装置及各种自动装置等,它们构成了发电厂和变电所的二次系统。13.1继电保护的基本原理一次系统与二次系统二次接线:将二次设备按照工作要求，互相连接组合在一起所形成的电路二次回路(二次接线)操作控制回路测量回路信号回路保护回路操作电源回路自动装置回路13.1继电保护的基本原理二次接线三峡水电站13.1继电保护的基本原理实例500kV变电站(一次设备)13.1继电保护的基本原理实例龙泉换流站(宜昌)13.1继电保护的基本原理实例葛--上线(500kV)13.1继电保护的基本原理实例500kV输电线(一次设备)13.1继电保护的基本原理实例上海南桥换流站13.1继电保护的基本原理实例220kV变电站(一次设备)13.1继电保护的基本原理实例牧区输电线路(一次设备)13.1继电保护的基本原理实例30万机组集控室13.1继电保护的基本原理实例变电站综合自动化13.1继电保护的基本原理实例线路保护屏(二次设备)13.1继电保护的基本原理实例13.1继电保护的基本原理故障分类及影响相间短路：横向故障接地短路：纵向故障：各种断线故障造成影响：（1）形成短路电流及电弧，烧坏故障设备；（2）短路电流造成设备过热，损坏设备或降低设备寿命；（3）造成电压下降，破坏用户工作；（4）破坏系统同步，造成连锁故障甚至系统崩溃。继电保护装置：能迅速反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于跳闸或发信号的一种装置。继电保护的任务：（1）有选择性地从系统切除故障元件（2）反应电气元件的不正常工作状态（3）支持电力系统安全运行13.1继电保护的基本原理继电保护任务及作用13.1继电保护的基本原理基本原理和组成继电保护的基本原理母线电压U：下降线路电流I：增大测量阻抗Z：减小正常运行与故障的区别：由特征量的变化可构成以下原理的保护：测量短路电流—过电流保护测量电压下降—低电压保护测量阻抗下降——距离保护（阻抗保护）根据故障两侧电流相位和功率方向的差别—纵联保护（纵差动保护、高频保护、微波保护、分相电流差动保护等）根据相电压电流或零序及负序分量—负序与零序保护气体保护、行波保护、能量方向保护等13.1继电保护的基本原理基本原理和组成组成：测量部分、逻辑部分、执行部分特征量：电流、电压、测量阻抗,零序或负序分量,电流或电压的突变量等。13.1继电保护的基本原理基本原理和组成对电力系统继电保护的基本要求：选择性、快速性灵敏性、可靠性继电保护的四性13.1继电保护的基本原理基本要求继电保护的几个概念：

主保护：满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择性地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护：当主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护。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来实现的后备保护。近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现的后备保护。当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。(1)选择性:仅将故障元件切除f1短路，保护1、2跳闸，B不中断供电f3短路，保护6跳闸，C不中断供电如6QF拒动，由＃5动作，5QF跳闸——远后备13.1继电保护的基本原理基本要求(2)速动性：也称快速性，指快速切除故障设备。一般应满足稳定需要。最快:500kV线路12ms出口(3)灵敏性：指反应故障的能力，用灵敏系数Ks来表示。反应数字上升而动作的保护装置，其灵敏系数可表示为Ks＝灵敏系数的计算需考虑最不利的计算条件。13.1继电保护的基本原理基本要求(4)可靠性：该动作时不拒动（可依赖性），不该动作时不误动（安全性）保护范围内金属性短路时故障参数的最小计算值/保护装置的动作参数继电保护技术的发展概况：(1)机电式继电器：电磁型、感应型和电动型。(2)电子式静态保护装置：晶体管式、集成电路式。(3)微机保护：自80年代以来已得到广泛应用。13.1继电保护的基本原理继电保护发展概况继电保护研究方面输电保护电流保护距离保护纵联原理的保护纵联差动保护高频保护微波保护线路保护元件保护13.1继电保护的基本原理继电保护发展概况

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（一）电磁型电流继电器1.组成返回系数一般为0.85微机保护为0.95继电器返回继电器的常开触点4闭合，继电器动作电流继电器的继电特性动作状态不动作电流增加方向

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护2.电气设备常用图形及文字符号参见第14章表14-1及表14-2

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（二）瞬时电流速断保护电流I段保护1.单相原理接线图中间继电器作用：容量大，可接通跳闸线圈YT增大保护固有动作时间，防止误动：0.06~0.08s延时，防止管式避雷器放电（0.04~0.065s）引起的保护误动。

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护KA:电流继电器TA:电流互感器KM:中间继电器KS：信号继电器YT：跳闸线圈QF：断路器（二）瞬时电流速断保护电流I段保护2.瞬时电流速断保护的作用原理最大运行方式最小运行方式x1.2

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护忽略电阻R为系统等效电源的相电势注意一定的运行方式下，If=f(l)

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护1).整定：

原则：在保证选择性的基础上，校验灵敏性引入一个大于1的可靠系数（＝1.2~1.3）最大运行方式下被保护线路末端三相短路时，流过保护的最大短路电流

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护瞬时电流速断保护不能保护线路全长，且保护范围受系统运行方式和故障类型的影响最大运行方式最小运行方式x1.2

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护2)灵敏度可用其最小保护范围来衡量

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护3)动作时限优缺点优点：简单、快速、可靠缺点：保护范围直接受运行方式影响（三）限时电流速断保护电流II段保护整定原则：躲过相邻线路电流速断保护的动作电流限时电流速断保护的可靠系数1.1～1.2相邻线路瞬时电流速断的动作电流

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（三）限时电流速断保护电流II段保护时限：为保证选择性，应与相邻线路电流I段时限相配合一个时限阶段一般取0.5s

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（三）限时电流速断保护电流II段保护灵敏性：用灵敏系数Ks表示为最小运行方式下，被保护线路末端两相金属性短路时的短路电流注意

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护限时电流速断的单相原理接线与电流速断不同之处：用时间继电器KT代替了中间继电器KM

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（三）限时电流速断保护电流II段保护（四）定时限过电流保护电流III段保护1.单相原理接线：与限时电流速断保护相同2.整定原理：躲过无故障时最大负荷电流能保护本线路的全长，能保护相邻线路的全长起远后备的作用主保护电流I段保护电流II保护后备保护电流III保护

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（四）定时限过电流保护电流III段保护3.动作时限：按阶梯原则点发生短路故障时，保护1、3、5都可能启动，最后由5切除（选择性）

时间阶段

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（四）定时限过电流保护电流III段保护4.灵敏度

可作本线路全长的主保护或作近后备外，还要作为相邻线路的远后备保护#1作近后备#1作远后备

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（五）电流保护的接线方式1.指电流保护中电流继电器线圈与电流互感器二次绕组间的连接方式2.两种接线方式（1）完全接线方式：

三相星形接线（2）不完全接线方式：

两相星形接线用于35kV及以下线路保护图用于发动机、变压器母线及110kV以上线路保护

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（五）电流保护的接线方式中性点非有效接地电网中发生两相接地,采用二相星型接线可保证有2/3的机会只切除一个故障点缺点：串接故障，优点：并接故障，节省投资

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（五）电流保护的接线方式3.Y,d11接线变压器一侧两相短路以降压变压器△侧ab两相短路为例，设k=1

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（五）电流保护的接线方式结论：在Y,d11接线变压器后面发生两相短路时，总有一相电流是其他两相的两倍两相Y型接线时，总有有一种两相短路情况灵敏度降为一半，解决方法：两相三继电器接线

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（六）阶段式电流保护三段式电流保护主保护后备保护瞬时电流速断保护（I段）限时电流速断保护（II段）定时限过电流保护（III段）本线路相间短路的近后备和相邻线路的远后备保护

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（六）阶段式电流保护

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（六）阶段式电流保护电网末端：可用二段式主保护后备保护瞬时电流速断保护（I段）定时限过电流保护（III段）

13.2输电线路的继电保护相间短路的电流保护（一）方向性电流保护的工作原理

13.2输电线路的继电保护方向性电流保护#1，#2切除如：

则#3的I段误动，#3，#4切除如：

则#2的I段误动则#2的II段误动电流保护对双侧电源不适用，应增设一个方向闭锁元件，构成方向电源保护点接地故障点接地故障则#3的II段误动

（一）方向性电流保护的工作原理线路功率正方向的规定：功率从母线流向线路，为正方向功率从线路流向母线，为负方向

13.2输电线路的继电保护方向性电流保护组成方向元件KP电流元件KA时间元件KT方向过电流保护接线（一）方向性电流保护的工作原理1、3、5

由供给2、4、6由供给

13.2输电线路的继电保护方向性电流保护（二）功率方向继电器的工作原理

反方向短路工作原理判断功率方向正方向短路

13.2输电线路的继电保护方向性电流保护（二）功率方向继电器的工作原理实际应用中，和要经电压、电流形成回路变换为和动作条件：继电器的内角

13.2输电线路的继电保护方向性电流保护（二）功率方向继电器的工作原理当母线出口附近发生三相短路时，母线电压将大幅度下降，功率方向继电器就不能动作——“死区”（最小动作电压）（母线电压）消除“死区”的方法①记忆回路（R、L、C）②引入第三相电压注意并不是所有的保护都必须装设方向元件

13.2输电线路的继电保护方向性电流保护特点：出现零序电压和零序电流△中性点直接接地电网：接地电流较大，需装设动作于跳闸的接地保护△中性点非直接接地的电网单相接地时电流较小，零序电压作用于信号的零序保护，防止故障进一步扩大

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护(一)中性点直接接地电网接地短路时的特点①故障点零序电压零序电位最高；②零序电流正方向：母线流向故障点为正。零序电流的分布与电源的数目和位置无关，只要决定于中性点接地变压器的数目和分布③零序功率正方向规定：母线流向线路为正；但实际方向正相反，是由线路指向母线

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（二）零序电压和零序电流的获取

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（二）零序电压和零序电流的获取1.零序电压的获取：三个单相式电压互感器或一台三相五柱式电压互感器中接成开口三角形的第3绕组侧的开口处获得2.零序电流的获取：三相电流互感器电缆线：专用零序电流互感器

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（三）中性点直接接地电网的零序电流保护(了解)三段式电流保护主保护后备保护瞬时电流速断保护（I段）限时电流速断保护（II段）零序过电流保护

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（三）中性点直接接地电网的零序电流保护1．瞬时零序电流速断保护整定原则（1）躲过下一条线路出口处单相或两相接地短路时，流过保护的最大零序电流（2）躲过断路器三相触头不同期合闸时，流过保护的最大零序电流（3）当线路采用单相自动重合闸时，保护应躲过在非全相运行过程中出现振荡时的零序电流

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护2．限时零序电流速断保护整定原则：与下一条线路的零序I段相配合分支系数（三）中性点直接接地电网的零序电流保护

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护3．零序过电流保护整定原则：①躲过相邻线路出口处发生三相短路时，流过保护的最大不平衡电流②与下一条线段的III段配合（三）中性点直接接地电网的零序电流保护

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（三）中性点直接接地电网的零序电流保护3．零序过电流保护时限设定：阶梯原则同一线路上，零序III段动作时限小于相间III段的动作时限

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（三）中性点直接接地电网的零序电流保护对零序电流保护的评价①灵敏度高，保护范围稳定②动作时限短

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（四）中性点不接地电网单相接地故障的特点及接地保护1.特点

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护1.特点故障相对地电容电流故障点零序电压升高倍（四）中性点不接地电网单相接地故障的特点及接地保护

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护流向故障点的电流，即为零序电容电流A相接地后，非故障相对地电压升高倍，对地电流也升高倍

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护（四）中性点不接地电网单相接地故障的特点及接地保护

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护非故障线路l1发电机端故障线路有效值方向母线线路

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护结论（1）发生单相接地时，全系统均会出现（2）非故障元件上为其本身的对地电容电流,容性无功方向:母线流向线路（3）故障线路上的等于全系统非故障元件对地电容电流的总和，容性无功方向:线路流向母线

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护2.中性点不接地电网单相接地保护（1）绝缘监视装置正常运行无,单相接地全系统均出现（3）零序功率方向保护灵敏度较高（2）零序电流保护动作电流：躲过单相接地时流过保护所在线路本身的电容电流延时动作瞬时动作

13.2输电线路的继电保护接地故障的电流保护一、变压器的常见故障和不正常工作状态二、纵差动保护的基本原理三、变压器的纵差动保护四、变压器纵差动保护的整定计算13.3变压器的继电保护主要内容1.油箱内部故障

绕组的相间短路绕组的接地短路绕组的匝间短路3.不正常工作状态

外部短路引起的过电流中性点过电压三相过负荷油面降低及过励磁13.3变压器的继电保护常见故障及不正常工作状态2.油箱外部故障

套管及引线上产生的相间及接地短路

4.主要变压器保护

瓦斯保护（内部故障）

纵差动及电流速断保护

过电流保护（后备保护）

零序保护（外部接地）

单相过负荷保护（对称过负荷）

过励磁保护

纵差动保护：1.忽略互感器励磁电流（1）正常运行及外部故障比较被保护元件各端电流的幅值和相位构成（2）内部故障不动作动作跳闸13.3变压器的继电保护

纵差动保护基本原理2.考虑互感器励磁电流TA二次电流为不平衡电流反映了两侧电流互感器的励磁电流之差差动继电器的动作电流必须躲过外部短路时出现的最大不平衡电流13.3变压器的继电保护

纵差动保护基本原理特点：正常运行时，低压侧的额定电流不同13.3变压器的继电保护

变压器纵差动保护两侧互感器变比的比值等于变压器变比不平衡电流产生的原因：励磁电流只流经电源侧绕组防止其对差动保护影响的方法1．变压器励磁涌流造成的不平衡电流正常运行时当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时励磁电流励磁涌流原因：由于磁链守恒定律，铁心的磁通不能突变13.3变压器的继电保护

变压器纵差动保护不平衡电流产生的原因防止其对差动保护影响的方法励磁涌流的大小和衰减时间，与外加电压的相位、铁心中的剩磁φres，电源容量及变压器的容量大小等都有关系13.3变压器的继电保护

变压器纵差动保护励磁涌流特点：（1）含大量非周期分量,电流偏于时间轴的一侧（2）含大量的高次谐波，以二次谐波为主30％（3）波形之间出现明显的间断防止措施：（1）采用具有速饱和变流器的差动继电器（2）利用二次谐波制动原理构成差动保护（3）鉴别短路电流和励磁涌流波形之间的差别13.3变压器的继电保护

变压器纵差动保护2.变压器两侧电流相位不同引起的不平衡电流变压器Y,d11接线，两侧电流的相位相差30°

13.3变压器的继电保护

变压器纵差动保护2.变压器两侧电流相位不同引起的不平衡电流相位补偿的方法：

将变压器星形侧的TA接成▲而将变压器▲侧的TA接成星形TA接成▲一侧电流扩大倍3.电流互感器变比标准化引起的不平衡电流可将差动继电器的平衡线圈接入互感器二次电流较小的一侧，以平衡差电流产生的磁势13.3变压器的继电保护

变压器纵差动保护4.两侧TA型号不同产生的不平衡电流纵差动保护整定时应按相对误差为10%来计算其不平衡电流

5.变压器带负荷调整分接头产生的不平衡电流分接头的改变实际上就改变了变压器的变比在纵差动保护的整定时予以考虑13.3变压器的继电保护

变压器纵差动保护综上所述，