继电保护讲义课件

继电保护讲义

电力系统电力系统是由电力生产的5个环节：发电、输电、变电、配电和用电组成的整体。输电网和配电网统称为电网。完成一次能源转换成电能并输送和分配到用户的统一系统称为一次系统；对一次系统进行保护、控制、测量、调节、监视、通信等相应的辅助系统称为二次系统。

继电保护当电力系统中的电力元件发生故障时，向运行值班人员及时发出警告信号，或者向所控制的断路器发出跳闸命令，以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。实现这种自动化措施的成套硬件设备，用于保护电力元件的一般称为继电保护装置。功率瞬时功率：电阻、电感和电容的瞬时功率。有功功率：用电设备真实消耗掉的功率称为有功功率。有功与频率相关；无功功率：在完成电能转换为机械能的过程中，建立电、磁场需要的功率称为无功功率，无功与电压相关。频率、电压和谐波是反映电能质量的三大指标，频率和电压又是保持电网稳定最重要的电气量。现在有人加供电的可靠性。视在功率：瞬时功率：功率一次，以母线流向线路为电流正方向；母线对地为电压正方向。二次，极性端流入继电保护装置为电流正方向；极性端对地为电压正方向。只有这样规定，才有：当接入R时，发电机发出P，P>0；负荷受入P。Q=0。电压电流同相。当接入L时，发电机发出Q，Q>0；负荷受入Q。P=0。电压超前电流900。当接入C时，发电机受入Q，Q<0；负荷发出Q。P=0。电压滞后电流900。功率UIP>0Q>0P>0Q<0P<0Q>0P<0Q<0

功率功率功率从上可见，虽然储能元件电感、电容的瞬时功率可正、可负，它在一段时间内（t1至t2时刻）吸收的能量可正、可负，但是，在零状态响应时，吸收的能量恒大于零。零状态响应吸收的能量恒大于零的物理意义是：耗能元件功率为正，u（t）i（t）永远同极性；储能元件初始无储存能量，初始阶段吸收能量功率为正，u（t）i（t）同极性，开始储存能量。随后，进行能量交换，吸收、释放。释放能量的前提是储存有能量，所以储存能量永远为正。

同步稳定振荡及振荡闭锁无故障全相振荡的电压轨迹和阻抗轨迹静稳破坏——突变量电流不启动，电流缓慢增加，当超过静稳电流时闭锁距离保护。暂稳破坏——突变量电流启动，静稳电流不动作，开放距离保护160ms左右，之后闭锁距离保护。时间上躲振荡周期（1.5s）。振荡时测量阻抗周期性动作、返回。振荡及振荡闭锁不对称开放——δ与Z协同工作。δ大时，闭锁Z；δ小时，开放Z。利用电流不对称度开放Z，无故障时，电流对称闭锁Z。振中附近故障，δ大时电流不对称度低；δ小时电流不对称度高。远离振中故障，电流不对称度对δ敏感度降低。但是利用分支系数，远端故障，电流不对称度低；近端故障，电流不对称度高；躲负荷抗振荡及过渡电阻线路保护避开最大事故过负荷、系统振荡不误动和可切除振荡中故障是线路保护一个原则。对超高压线路主要针对的是距离保护，避开最大事故过负荷和耐过渡电阻能力是一对矛盾，一致认为相间距离耐过渡电阻的能力不低于20Ω/相（相间40Ω）便可，恰当地整定容易避开最大事故过负荷。接地短路可能有大的接地电阻，但接地距离也只能对付不太大的过渡电阻（如小于80Ω/相），对于大接地过渡电阻（如300Ω/相）只有靠零序电流切除。

躲负荷抗振荡及过渡电阻以500kVLGJQ-400×4的导线为例，比较最小事故过负荷阻抗、热稳定阻抗和线路阻抗之间的大小1.87+j28.5(Ω/100km)IR=845×4(A)躲负荷抗振荡及过渡电阻500kVLGJQ-400×4的导线的热稳定阻抗、2500MW的阻抗负荷和它的300KM线路阻抗都是85Ω，基本上决定了接地距离耐过渡电阻的能力。系统振荡负荷按周期性变化，某一瞬间（δ=180）完全具有振荡中心三相短路特征，对于反映系统振荡阻抗变化规律原理构成的振荡闭锁如大圆套小圆，整定计算大圆必须躲过最小事故过负荷阻抗，大圆和小圆的半径差由最小振荡周期和鉴别时间决定，小圆大大削弱了距离保护耐过渡电阻的能力。对重负荷长线路不能使用这种原理的振荡闭锁。接地距离保护经零序电流监控也是重要的辅助手段。电压稳定三道防线1常见的普通故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行和正常供电；2为出现概率较低的较严重的故障，要求系统在承受此类故障时能保持稳定运行，但允许损失部分负荷；3为罕见的严重复杂故障，电力系统在承受此类故障时，如不能保持系统稳定运行，则必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。1合理的电网结构和电源布局，保护重合闸和开关正确动作，必须保持稳定和正常供电；2保护重合闸和开关正确动作，必须保持稳定，但允许损失部分负荷（切机、切负荷、解列）；3振荡解列、低周低压减载等。符号法正弦量三要素，振幅、频率和初相角，在研究稳态工频量时，频率是常数，由欧拉公式，可以将同频率的正弦量转换为复数运算。对称分量法其中：

三相量可分解为。

可以用三相线路电压方程引入概念。

对称分量法对称分量法αβ0分量

主要特征是所有变换系数是实数。在实现上运算速度快。叠加原理（略）。突变量保护。

电力系统对继电保护的要求“四性”：可靠性（可信赖性和安全性）选择性快速性灵敏性“四性”可靠性（可信赖性和安全性）可信赖性：要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下，能准确地完成动作，即要求不拒动。安全性：要求继电保护在非设计要求它动作的其他所有情况下，能够可靠不动作，即要求不误动。可信赖性与安全性是一对矛盾。实际应用中它与接线方式与电网结构有关。对于220kV电网以可信赖性为主，重点防止保护拒动。对于500kV电网以安全性为主，重点防止保护误动。

“四性”继电保护选择性选择性是指期望能在电力元件发生故障时，由最靠近故障元件的继电保护装置动作断开故障。继电保护选择性是通过合理的动作值整定来完成。选择性整定原则：越靠近故障点的保护装置的动作灵敏度越大，动作时间应越短。

“四性”继电保护快速性继电保护快速性是指继电保护装置应以允许的可能最快速度动作切除故障。继电保护快速跳闸，一方面可以减轻故障设备的损坏程度，另一方面是提高电力系统暂态稳定的重要手段。

“四性”注意两点：1）快速性与可靠性之间存在矛盾—只有在继电保护装置可靠动作前提下的快速性才有实际意义。2）快速性并不是愈快愈好---只有在系统暂态稳定需要的前提下才是合理的。继电保护快速性对通道传输时间有规定要求。华中电网500kV线路保护切除故障时间变化：110ms→90ms→70ms，对电网稳定贡献巨大！

“四性”继电保护灵敏性继电保护灵敏性是指继电保护装置对设计规定要求动作的故障及异常状态能够可靠地动作能力。在规程中规定每种保护元件的具体灵敏系数。继电保护对动作的灵敏性是出于保护装置可靠动作需要。

“四性”注意：正确处理灵敏性与选择性之间矛盾。愈灵敏愈能可靠反应要求动作的故障或异常状态，但同时愈易于在非要求动作的其他情况下产生误动。

继电保护系统作用1）断开电力故障元件，最大限度地减少对电力元件本身的损坏。2）反应电力元件不正常工作状态，便于监视与调整。3）支持电力系统安全运行。特别是保护快速动作对提高电网暂态稳定的特殊作用，其他稳定措施是不能与其相比拟。继电保护的配置原则超高压（220kV及以上），双重化原则，近后备+断路器失灵。高压（220kV以下），主、备独立，远后备。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性地切除被保护设备和线路故障的保护。继电保护的配置原则后备保护是主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护。远后备保护是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。继电保护的配置原则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。异常运行的保护是反应被保护电力设备或线路异常运行状态的保护。

超高压线路保护保护的范围由PT和CT的安装位置（PT确定纵向故障；CT确定横向故障）及原理和通道信号决定。主保护（纵联保护）——分相电流纵差、高频方向、高频距离。

分相电流纵差利用基尔霍夫电流定律，需要线路两侧电流进行运算，判别线路内部、外部短路，决定是否跳闸。因此，要求通道传送对侧电流（模拟量）。特点是容量大、同步要求高（同时刻两侧电流进行运算），通常只能通过光纤或微波通道传送（64k或2M）。高频方向、高频距离方向或距离只是原理不同，都是判别正、反向故障。方向只是超范围；距离又分超范围或欠范围。高频方向、高频距离的通道命令分为闭锁命令或允许命令。无论如何，都是接受对侧命令加上本侧的方向元件一并判别线路内部、外部短路，决定是否跳闸。

当然，对侧是否发送命令是由对侧的方向元件判别后决策的。这种命令我们称为快速命令，对允许式保护10~15ms，对闭锁式保护小于10ms。速度快安全性差，复用载波机多采用移频键控。对允许式保护存在线路内部偶合相故障，载波通道阻塞的特殊问题，要求载波机给出载波通道阻塞信息即UNBLOCK，来替代允许信号。高频方向、高频距离由于复用载波机通常采用相相偶合，保护中只有相间故障才采用该措施，即使采用也是短时间窗70ms左右。华中网多次发生误动，主要是由于区外故障时，信噪比降低，载波机收不到导频信号又无跳频信号误给出UNBLOCK命令，导致保护误动。华中网现在已取消该措施（退出UNBLOCK）。闭锁式保护无此问题。直跳命令这是保护原理上的叫法，主要应用过电压、失灵和电抗器保护，从原理上讲接受命令就可以跳闸，但对通道的安全性要求极高，为防误动对载波命令要加就地闭锁，有些地区对光纤命令取消就地闭锁。直跳命令把安全性放在重要位置，复用载波机多采用编码命令，因而牺牲速度称为慢速命令25~35ms。突变量（零序、负序）保护突变量保护分析按无源网络，外加源在故障点。以TV、TA为界，正向故障（横向或纵向）电压和电流的关系（欧姆定律）决定于反向阻抗；反向故障（横向或纵向）电压和电流的关系（欧姆定律）决定于正向阻抗。TV、TA的安装位置与保护范围的关系

一般横向故障由TA的安装位置决定保护范围，这是因为TA两边故障的电流方向不同，而TV两边故障的电压相同；纵向故障由TV的安装位置决定保护范围，这是因为TV两边故障的电压方向不同，而TA两边故障的电流相同。利用突变量构成的行波方向，突变量方向，能量方向的演变过程

行波方向原理是，利用反向故障初始阶段功率为正，Δu（t）Δi（t）同极性；反之，正向故障初始阶段功率为负，Δu（t）Δi（t）异极性。初始阶段的长短取决于短路角，随后，极性的异同交替出现。所以安全性极差。突变量方向原理是利用欧姆定律。反向故障：；正向故障：。克服了行波方向交替改变的缺点。所以安全强。能量方向原理是，利用反向故障储存能量永远为正；反之，正向故障储存能量永远为负。显然，必须是t0时刻为故障时刻，这一点至关重要。另外，为了防止大电源背侧阻抗太小，突变量电压太小，通常加补偿。补偿电压已知TV安装点的电压和TV安装点至补偿点（如：整定点Y）间流过的电流，只要这两点间无分支（流过同一电流），就可以计算出补偿点电压，我们把这个电压称为补偿电压。显然，外部故障，补偿电压等于整定点电压。内部故障，补偿电压不等于整定点电压，其实它也不等于任意点电压，是一个计算出来的虚拟电压。它的值分析如下：补偿电压UFU’ZFIΔZIΔU’ΔUFZFΔIΔZΔIΔUZY=ZF+ΔZ=kZFk>1

极化电压极化电压（参考电压）。距离保护通常是补偿电压落在电压平面的某区域内动作，极化电压就是用来划分动作区域的。例如：方向阻抗继电器，测量电压就是极化电压。当然也可以用电流作极化量。对距离保护的研究归根结底是对极化量的研究。极化电压电压极化为圆特性电流极化为直线特性记忆消除死区将极化电压改为故障前的电压（通过记忆得到）。根据负荷分析故障前的电压和电势的关系。用故障后电压、电流用补偿的办法表示电势（认为电势故障前后不变），这样正、反向故障的表示式不同，所以动作特性也就不同。正向消除了死区，反向又不失方向性。计算机故障计算

基尔霍夫电压定理回路中一支路电压等于支路两端节点电压之差。基尔霍夫电流定理，接入节点的支路流出电流的代数和等于节点的注入电流。

计算机故障计算显然，的物理意义是基尔霍夫电流定理。只要网络是连通的，有非零元素，就无零元素。但是只要是无源节点对应的零元素，有源节点对应的非零元素。在实际电网中，可以把（电源）看成激励，看成响应。必须求解方程。计算机故障计算利用叠加原理，将激励分为两部分，一部分是电网电源（正常运行），一部分是外部注入电流（故障点电流）。因此，，其物理意义是戴维南定理，—开路电压，—入端阻抗。当然，也可以表示为诺顿定理。计算机故障计算

计算机故障计算故障点非故障相电流为零

非故障相故障电流分量

电压相量图1.

戴维南定理将故障点断开，从故障点往系统看，根据戴维南定理，总可以把系统等值成一个发电机和一个阻抗电压相量图1.

相似比串联阻抗上的电压比等于阻抗比。例如：2.

电源电势不变，已知电源电势和故障点电压轨迹，便知这两点间任意点电压轨迹，它通过电压比等于阻抗比求得的。

线路保护整定计算中的一些概念

继电保护装置是通过安装处采集的电压、电流，根据动作判据认定是否动作、何时动作。整定计算就是计算动作判据的整定值和动作时间，以保证故障发生在保护范围内，按配合时间的要求可靠地动作（灵敏性）；在保护范围外可靠地不动作（选择性）。为此目的，必须划分保护范围、设置故障点、设置故障类型、选择运行方式。

划分保护范围保护范围分为两类：一类是保护范围固定不受运行方式影响，如：被保护的线路、被配合的相邻线路的纵联保护和距离保护Ⅰ段、相邻变压器的差动保护、变压器另一侧出线的纵联保护和距离保护Ⅰ段。另一类是保护范围不固定受运行方式影响，如：被配合的电流保护、距离保护高段。这类保护要找到保护范围很不容易，尤其当保护范围伸出本线路，对侧母线接有多分支，对每一个分支都存在一个保护范围。但是，这些保护范围是由一个保护定值决定的。因此，同原理保护配合往往是定值上的配合，即用配合定值乘以助增系数或分支系数。不同原理保护配合就不能在定值上取得配合，这是因为各序网络独立，存在不同的电流分配系数，两类保护定值没有固定的关系。设置故障点在计算灵敏性时，故障点设在保护范围内灵敏度最低处；在计算选择性时，故障点设在保护范围外灵敏度最高处。对无零序互感线路，离保护安装点愈近故障灵敏度愈高，因此故障点设在保护范围末端。它是保护范围内灵敏度最低处，又是保护范围外灵敏度最高处。对零序互感线路则不然，由于互感的取磁作用，零序电流随故障点远去有可能单调减后又单调升，但不会单调升后又单调减。故障点可设在非故障线路的出口或末端。对于环网的助增系数或分支系数，也随故障点不同而不同，但容易失去配合点往往在保护范围末端。故障点可设在保护范围末端。

设置故障类型由被保护的故障对象（相间、接地）决定。

设置故障类型由计算目的（最大、最小）电压、电流、分支系数等决定。值得注意的是，环网中的解环线路、相继动作、零序互感等问题。后备保护配置的意义和目的后备保护是主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护。超高压线路按近后备原则，断路器拒动由失灵保护切除故障。主保护拒动由本线路后备保护切除故障，因此，对近后备保护提出两点基本要求：1硬件——主保护硬件损坏（包括通道故障）时，后备保护能保持正常工作；2软件——主保护原理上存在缺陷或灵敏度不足。两点中任何一点都是后备保护存在的理由。

逐级配合的定义阶段式保护逐级配合是指，在两维平面（横坐标保护范围，纵坐标动作时间）上，整定定值多折线与配合定值多折线不相交，其间的空隙是配合系数。即定值和时间均取得配合，否则失配。

后备保护的整定理想原则主保护拒动是后备保护整定计算的前提被配合保护正确动作是后备保护整定计算的基础主保护拒动应由故障线路的后备保护切除故障，不应由相邻线路的后备保护切除故障。前者讲的是灵敏度，后者讲的是选择性。

后备保护的整定理想原则选择性——根据前提条件，后备保护应该与相邻线路的后备保护配合，不应与相邻线路的主保护配合。灵敏性——根据基本要求，后备保护对本线路有足够的灵敏度。速动性——在满足配合的条件下，缩短动作时间。在整定计算中，常常遇到选择性与灵敏性的矛盾，整定计算的多数工作是协调该矛盾作取舍。因此，上述理想原则，实际很难做到。

后备保护的整定实际原则本着加强主保护、简化后备保护的思想。整定计算也允许作相应的简化，简化整定计算就是默认某些失配。距离保护不带时延的一段将选择性放在首位、灵敏度次位。带时延的二段将灵敏度放在首位、速动性次位、选择性末位。带时延的三段将灵敏度放在首位、选择性次位、速动性末位。零序电流保护它用作距离保护的补充，仅用作切除高电阻接地故障。起始时间长于距离三段，可以用反时限或定时限。

最小负荷阻抗的确定相间短路电阻只有弧光电阻，其弧光电压5%，可按10~15Ω/相，相间20~30Ω/相。相间距离电阻分量可按50Ω整定。5002×0.8/4000=50；2202×0.8/770=50。其功率都在自然功率的4倍以上。接地距离电阻分量按80Ω整定，5002×0.8/2500=80；2202×0.8/484=80。其功率都在自然功率的两倍以上。

接地距离也可以精确计算最小事故负荷阻抗，它是一个相量，在阻抗平面上相量末端是一个点，动作特性必须可靠躲过该点，可靠系数为0.7。

500kV与220kV线路的运行参数定时限零序电流保护整定只使用最末段和次末端，最末段整定300A/4s；次末端500A/3.5s。线路零序电流保护定位于切高电阻接地故障，最高灵敏度要求是，按无穷大系统经RF短路流经RF的电流1kA对应的电阻：500kV/300Ω；330kV/150Ω；220kV/100Ω。电流整定（1000/2）/1.6=300A。考虑纵续动作，后跳侧电流为短路点电流1000/500=2两倍灵敏度。实际上出口短路接地距离耐过渡电阻的能力会大大增强。

整定计算中的感受量通常用两种方法作整定计算，一种是同原理保护作配合整定，即用配合定值乘以助增系数或分支系数。另一种是设置故障点计算保护安装点的感受量。前一种方法适应单一助增系数或分支系数的同原理保护作配合整定。如：零序电流保护间的配合整定、相间距离保护间的配合整定。后一种方法适应保护范围固定的保护整定计算和配合整定。如：独立Ⅰ段、与相邻线路的纵联保护和距离保护Ⅰ段配合、与相邻变压器的差动保护、变压器另一侧出线的纵联保护和距离保护Ⅰ段配合。整定计算中的感受量如：接地距离保护与相邻线路的纵联保护配合，故障点设在相邻线路对端母线，改变运行方式，计算保护安装点的感受阻抗，选取最小阻抗值乘以可靠系数便得到整定值。这样做是科学的，可提高保护的灵敏度，编制程序也简单、统一。以往选用正序助增系数与零序助增系数两者中的较小者，第一，正序助增系数与零序助增系数两者中的较小者不在同一方式，第二，选用正序助增系数与零序助增系数两者中的较小者是一种保选择性的近似计算方法。这样计算有时灵敏度不能满足。

测量阻抗整定线路的距离保护与配合设备的保护作配合计算时，通常采用下列公式

——整定阻抗——保护安装处至配合设备首端母线间的测量阻抗——配合阻抗——助增系数——可靠系数1，2（1）测量阻抗整定阻抗的物理意义是，在配合保护范围末端发生金属性短路，保护安装处的测量阻抗乘以可靠系数。 假设在配合保护范围末端设置金属性短路，则保护安装处的测量阻抗；；其中：（2）测量阻抗配合阻抗就是配合设备的测量阻抗。比较（1）式和（2）式仅相差可靠系数。 得出（2）式的前提条件是在配合保护范围末端设置金属性短路。许多情况不易确定配合保护范围末端，为了避免此问题，作如下假设：保护范围末端短路与配合设备末端母线短路的助增系数相同。这个假设对放射型网络是成立的，对环网存在误差，这个误差在工程上普遍被接受。因此，将故障点由配合保护范围末端移至配合设备末端母线，计算

测量阻抗

（3）其中——配合设备阻抗。此时的配合阻抗就是配合设备阻抗。将（3）式代入（1）式若令则（4）测量阻抗对（4）式进行讨论：

1）当与配合设备主保护（纵联或差动）配合时，；2）当与配合设备Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段配合时，3）是配合设备末端母线短路的计算值4）若配合设备是线路就是配合线路正序阻抗；是变压器就是配合变压器正序阻抗，通常与变压器配合时采用1的方法测量阻抗5）

零序补偿系数，整定线路整定的零序补偿系数和配合线路整定的零序补偿系数或变压器的零序补偿系数（通常为0）6）

公式（4）里不含整定设备阻抗，意味着可以是整定线路，也可以是部分网络。因而适用于配合设备是相邻设备，同样适用于配合设备是非相邻设备。测量阻抗7）

零序互感问题，接地距离保护一般不引入其他互感线路电流，因而按互感线路挂地线检修的情况计算零序补偿系数K，才有了58）

相间距离计算三相短路，只有正序可简化公式（4）9）

多回互感线路零序补偿系数K的计算多回互感线路零序补偿系数K的计算

整定计算中标幺值折算标幺值折算的平衡方程是同电压等级或同侧的有名值相等。标幺值无相、线；无侧（高低压，一二次）的概念，标幺值乘什么基准值就是什么的有名值。主设备标幺值折算至TV、TA的标幺值

整定计算中标幺值折算以发电机为例（注意：发电机和TV、TA基准值的一致性：相、线和侧的一致性）

整定计算中标幺值折算TV、TA的标幺值乘一、二次基准值就是一、二次的有名值。系统标幺值折算至TV、YA的标幺值，方法同上，只是系统的基准值给出的S和U。在整定计算时完全可以全部用标幺值计算，只是需要用有名值是作换算。方法是：视计算的方便程度选择某一基准值，计算完毕后转换为TV、TA的标幺值，如有必要计算TV、TA的二次值。

整定计算中标幺值折算举例计算阻抗二次值整定计算中标幺值折算为了使主设备标幺值与TV、YA的标幺值相等，制造商可以在主TV、TA二次侧乘以系数等效于改变TV、TA变比。值得注意的是：以TA为例《整定规程》接地距离中公式推导

《整定规程》接地距离中公式推导

《整定规程》接地距离中公式推导双变比电流互感器这种互感器有两个一次绕组。一次绕组并联，一次绕组匝数少，变比大，容量小。一次绕组串联，一次绕组匝数多，变比小，容量大。两台变比相同的电流互感器单台接线，变比为K，容量为S。两台串联，变比为K，容量为2S。两台并联，变比为K/2，容量为S/2。微机保护基础硬件——物质软件——思想硬件数据采集系统（模拟量输入系统）主机系统开关量（数字量）输入/输出系统微机保护基础电抗变换器与电流变换器比较电抗变换器：阻止直流、放大高频、不易饱和、移相。电流变换器：不饱和不失真、易饱和、动态范围小。A/D与VFC比较A/D较贵，通常多个模拟通道共一个A/DVFC实现多微机共享。每个微机设置各自的计数器，从公共一套VFC获得脉冲数。由于各微机独立读数，便可独立运行。开关量输入用于识别运行方式、条件等，以便控制程序流程。如：重合闸方式、同期方式、收信状态和