继电保护原理基础-线路保护

继电保护原理基础继电保护原理—线路保护用电变输电发电电一次设备：包括发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、电动机等。二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备。

根据电力系统在不同运行条件下的系统与 设备的工作状况，电力系统的运行状态分为正常工作状态、不正常工作状态和故障状态。1.正常工作状态电力系统正常运行的约束条件等式约束条件：−∑PLj−∑ΔPS=0∑PGi=0∑QGi−∑QLj−∑ΔQS发电机或其他电源设备发出的有功和无功功率1.正常工作状态电力系统正常运行的约束条件等式约束条件：−∑PLj−∑ΔPS=0∑PGi=0∑QGi−∑QLj−∑ΔQS负荷使用的有功功率和无功功率1.正常工作状态电力系统正常运行的约束条件等式约束条件：−∑PLj−∑ΔPS=0∑PGi=0∑QGi−∑QLj−∑ΔQS电力系统中各种有功功率和无功功率损耗1.正常工作状态电力系统正常运行的约束条件不等式约束条件：k.maxkS≤S用电设备的功率及其上限；母线电压及其上、下限； 线路电流及其上限；Ui.min≤Ui≤Ui.max

Iijj≤Iijj.maxfmin≤f≤fmax系统频率及其上、下限；2不正常工作状态及其危害

所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常运行状态。常见的不正常状态及其危害：过负荷：因负荷超过电气设备的额定值造成的电流增大；危害：造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏从而导致故障；频率降低：系统中出现有功功率缺额而引起；危害：1）影响产品质量；2）降到47～48HZ以下会引起频率崩溃；3）使电压下降可能引发电压崩溃。2不正常工作状态及其危害

所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常运行状态。常见的不正常状态及其危害：过电压：发电机突然甩负荷而产生；危害：造成绝缘击穿导致短路。系统振荡：因系统受到扰动而失去功率平衡。危害：系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影响系统的正常运行；3.故障状态和故障类型(2)ab(2)ca(1)a(2,0)ab(2,0)caabc(2)bcabc

(1)b(1)cabc(2,0) bc

两相短路Phase-to-phase

单相接地短路Phase-to-ground

两相接地短路Phase-to-phase-

tto-groundd常见的十种短路类型aabc

b c一相断开两相断开

纵向不对称故障（断线）复杂故障：在电力系统的不同地点（两处或两处以上）同时发生不对称故障的情况最常见且最危险的故障是各种类型的短路短路的后果数值很大的短路电流通过短路点将燃起电弧，使故障设备损坏；短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或使设备缩短使用寿命；电力系统中大部分地区的电压下降，使大量电能用户的正常工作遭到破坏或产生废品；破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至造成整个电力系统瓦解。继电保护的概念及作用一、继电保护的概念是继电保护技术与继电保护装置的总称。继电保护技术包括电力系统故障分析、继电保护原理及设计、配置整定、运行维护及调试等技术。继电保护装置能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护的概念及作用二、继电保护的作用自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证无故障部分迅速恢复正常运行。反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳闸。继电保护的基本原理、构成和分类1继电保护的基本原理基本原则：找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征

1电流增大电压降低继电保护的基本原理

过电流保护 低电压保护电流电压间的相位角会发生变化≈20°正常运行时：arg方向保护U I线路正方向三相短路：≈60°~85°argU I1继电保护的基本原理测量阻抗发生变化阻抗保护U IZ=

正常运行时：负荷阻抗 短路时：短路阻抗测量阻抗变小1继电保护的基本原理电流差动保护元件流入电流与流出的关系发生变化正常运行时：流入电流＝流出电流内部故障时：流入电流≠流出电流正常：∑I=0短路：∑I=Id1继电保护的基本原理序分量保护出现负序和零序分量正常运行时：只有正序分量发生不对称故障时：有负序、零序分量出现两相短路时有负序分量出现接地短路时有零序分量出现2继电保护的分类按被保护的对象分类

输电线路保护、 发电机保护、 变压器保护、 母线保护、 电动机保护等。按保护原理分类：电流保护、 电压保护、 距离保护、 差动保护、 方向保护、 零序保护等。2继电保护的分类按保护所反应故障类型分类

相间短路保护、 接地短路保护、 匝间短路保护、 断线保护、 失步保护、 失磁保护及过励磁保护等

继电保护测量值与整定 值的关系分类：

过量保护：（测量值﹥整定值） 欠量保护：（测量值﹤整定值）2继电保护的分类

按保护所起的作用分类：

主保护、后备保护、辅助保护等。＊主保护：反映被保护元件本身的故障，并以尽可能短的时限切除故障的保护；2继电保护的分类

按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。

＊后备保护：

主保护或断路器拒动时用来切除故 障的保护。又分为近后备保护和远 后备保护。2继电保护的分类

按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。

＊近后备保护：

在本元件处装设两套保护，当主保护拒 动时，由本元件的另一套保护动作；

＊远后备保护：

当主保护或断路器拒动时，由上一级相邻电 力设备或线路的保护来实现的后备保护。2继电保护的分类

按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等。

辅助保护：

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。

电力系统继电保护的工作配合发电机保护区变压器保护区高压母线II保护区

线路保护区低压母线保护区高压母线I保护区高压母线保护区对电力系统继电保护的基本要求选择性、速动性、灵敏性、可靠性选择性

选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。例：当k1点短路时，保护1、2动→跳1QF、2QF有选择性

选择性

选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。12AB例：34568C7Dk2当k2点短路时，保护5、6动→跳5QF、6QF

有选择性选择性

选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。例：k3当k3点短路时，保护7、8动→跳7QF、8QF有选择性

选择性

选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。例：

k3

当k3点短路时，若保护7拒动或7QF拒动，保有选择性护5动（远后备）→跳5QF

选择性

选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。例：停电

k3当k3点短路时，若保护7正确动作和7DL跳 闸，保护5动→跳5DL，则越级跳闸 （非选择性）选择性小结：

选择性就是故障点在区内就动作，区外就不动作。当主保护未动作时，由近后备或远后备切除故障，使停电面积最小。速动性速动性是指尽可能快地切除故障。其主要原因如下：①提高系统暂态稳定性；②减少用户在低电压下运行的时间；③降低设备的损坏程度；④避免故障进一步扩大。速动性故障切除时间：t=tPR+tQFtPR保护动作时间；一般为0.06～0.12s，最快0.01～0.04s。断路器动作时间；tQF最快0一般为0为0.06～0.15s，快0.02～0.06s。灵敏性灵敏性是指在规定的保护范围内，对故障情况的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出来。

灵敏性

灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Ksen。

对反应于数值上升而动作的过量保护（如过电流保护）Ksen= =保护区内金属性短路时故障参数的最小计算值 保护的动作参数Ik.min

Iset

灵敏性

灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Ksen。

对反应于数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）Ksen= =

保护的动作参数 保护区内金属性短路时故障参数的最大计算值

UsetUk.max可靠性可靠性是对继电保护性能的最根本要求。包括安全性和信赖性。安全性：在不该动作时，可靠不动作，即不发生误动作。信赖性：当发生了属于它该动作的故障时，可靠动作，即不发生拒动；

上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础。在它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。例如强调快速性时，有时会影响可靠性、选择性和灵敏性，强调选择性时又会影响快速性和灵敏性。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的绝大部分工作是围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辨证统一关系而进行的。5070192727192020191010190808190101方继电保护的发展过电流差动向电流距离高频微波行波保护保护保护保护保护保护保护微机化网络化智能化年年年年年年年保护、控制、 测量、通信 一体化装置发展年代年代60年代50年代70年代80年代90年代整流型晶体管型集成电路型微机型

机电型(电磁型、感应型）线路电流保护三段式电流保护的配置与整定主保护三

第Ⅰ段：电流速断保护第Ⅱ段：限时电流速断保护段式第III段：定时限过电流保护

后备保护（一）瞬时电流速断保护1.动作电流2.动作时间3.灵敏度校验=KI式中：Krel=1.2~1.3Iset.11、动作电流的整定原则

躲本线路末端短路时的最大短路电流整定；k2k1QF1QF2QF3IkI12

Irelk.B.max

Iset.1IIlIk.B.max2Iset.12、最小保护范围校验k2k1QF1QF2QF3(%=3Eϕ

IIk−ZS.max)

1ZABlmin

l12alminb要求≥（15~20%）Ilmaxl

Iset.1Ik.B.max（一）瞬时电流速断保护优点：动作速度快，接线简单；缺点：不能保护线路全长，保护范围受运行方式的影响。=KIIset.1Krel=1.1~1.2Iset.1Iset.2

（二）限时电流速断保护1.动作电流的整定整定原则：整定值与相邻线路第Ⅰ段保护配合QF1QF2QF3

IIset.1

IIIrelset.2IIk式中：IIIIIIlt1t2（二）限时电流速断保护

2.动作时限的选择+Δt=IIIΔt通常取为0.5sIset.1

（二）限时电流速断保护3.灵敏度校验

按系统最小运行方式下，本线路末端发生两相短路时的短路电流进行校验Ik.B.min IIKsesen=要求≥1.3~1.5（三）过电流保护过电流保护是指其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护。它是三段式电流保护的第Ⅲ段。该保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。可作为本线路主保护的近后备保护以及相邻下一线路保护的远后备保护。也作为过负荷时的保护。动作电流：IKKssIL.max

1.动作电流的整定整定原则:按流过该线路的最大负荷电流整定；

IIIrelKre

IreKre==

III set2.动作时限的选择tΔtt5III

Δtt3IIIt4IIIt2IIIΔtΔt

l

IIIrelK

1.动作电流的整定整定原则:按流过该线路的最大负荷电流整定；动作电流：L.maxIsetIIIKssI Kre

IreKre==2.动作时限的选择tΔtt5III

Δtt3IIIt4IIIt2IIIΔtΔt

lIsetIset3.灵敏性的校验

（1）作为近后备时

采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流来校验；

（2）作为远后备时

采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流来校验；≥11.33Ik.B.min IIIKsen=≥11.22Ik.C.min IIIKsen=三段式电流保护的功能逻辑框图阶段式电流保护的配合及应用IIIIIIIIIIIIII或IIIIII或IIIIII方向性电流保护1.问题的提出及解决办法Ik1B

Ik1A对电流速断保护护:

Iset2

Ik1A>Ik1点短路时若I时,护2保护误动；1.问题的提出及解决办法Ik1AIk1B对过电流保护:k1点短路时要求t2>t3才能保证选择性1.问题的提出及解决办法

Ik1A对过电流保护:Ik1B

矛盾才能保证选择性k1点短路时要求t2>t3k2点短路时要求t3>t2才能保证选择性

1.问题的提出及解决办法规定：短路功率的正方向为从母线流向线路S+S−S+S−S+S+误动Ik2AIk2B结论：误动的保护其短路电流的方向总是为反方向。1.问题的提出及解决办法解决方法：加装方向元件，规定S为正方向时保护动作；而S为反方向时保护不动作。可以利用功率方向继电器来判别方向。1.问题的提出及解决办法+=ϕk1≤90UN0≤arg2.功率方向继电器1）工作原理:

流过保护的电流IrIk1

UN短路电流

Ir=Ik1ϕk1o正方向故障：

o

IrP=UNIrcosϕk1>0=180o+ϕk2≤270oUN180≤arg2.功率方向继电器

1）工作原理:

2

Ir

Ik2Ik2

UN

ϕk2180o+ϕk2

反方向故障：

o

IrP=UNIrcos(180o+ϕk2)<0

Ir=−Ik2继电器IrUrKWAIAUBCKWBIBUCAKWCICUAB

3.相间短路功率方向继电器接线方式90°接线方式

UA

IA(Ir)ICUBUCIBUBC(Ur)小结:90°接线方式的优缺点优点：

对各种两相短路都没有死区，因为继电器 加入的是非故障的相间电压，其值很高；缺点：

三相短路时仍有死区。Iset1=KIKIk1.maxIset2=KIKIk1.maxIset1=Iset2Iset2(带方向)Iset2=KIKIk2.max

4.方向性电流保护整定计算特点(一)电流速断保护的整定计算EIId

①②III

EII

I不带方向时

I

带方向时Il

4.方向性电流保护整定计算特点

电流速断保护方向元件的装设原则同一线路两侧，定值小者加方向元件，定值大者可不加方向元件。EIEIIIset2Iset1I>I保护1可不加方向远件(二)限时电流速断保护的整定计算 仍然是与下一级保护的第一段配合，但需考虑保护安装点与短路点之间有分支电路的影响。IAB′′IBI′BC

IBC助增电源助增电流外汲电流(二)限时电流速断保护的整定计算IABI′BCIB引入分支系数=

故障线路流过的短路电流被保护线路流过的短路电流Kb=当仅有助增时I′BCIAB∴Kb>1∵I′BC>IAB(二)限时电流速断保护的整定计算IABI′BC′′

IBC引入分支系数I′BCIAB=

故障线路流过的短路电流被保护线路流过的短路电流Kb=当仅有外汲时∴Kb<1∵I′BC<IAB(二)限时电流速断保护的整定计算IABIBI′BC

IBC′′引入分支系数I′BCIAB=

故障线路流过的短路电流被保护线路流过的短路电流Kb=当既有助增又有外汲时，Kb可能大于1，也可能小于1I(二)限时电流速断保护的整定计算I=KIIrelIIset1

I set2Kb.min远后备：KKb.max⋅Iset.1

(三)过电流保护的整定计算

整定原则与单侧电源网络中过电流保护的整定原则相同，但校验远后备灵敏度时需考虑分支系数的影响：=IdC.min IIIIIIsen(三)过电流保护方向元件的装设原则对同一变电站的电源出线，动作延时长的可不加方向元件，动作延时小的或相等时要加方向元件。保护2和保护3要加方向元件5.对方向性电流保护的评价在多电源网络及单电源环网中能保证选择性；快速性和灵敏性同前述单侧电源网络的电流保护；接线较复杂，可靠性稍差，且增加投资；出口三相短路时，功率方向继电器有死区；应用范围方向电流保护主要用于35KV及以下的双端电源辐射网和单电源环形网。零序电流及方向保护一、零序分量的特点BXXk′0Xk′′0XT10AT20I′0I′0′

Uk0Uk0UA0UB011.零序电压：故障点零序电压最高，离故障点越远零序电压越低，变压器中性点接地处U0=0。一、零序分量的特点BXXT10AT20

Xk′′0Uk0

Xk′0I′0I′0′22.零序电流分布与变压器中性点接地有关（多少和位置）大小与线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关一、零序分量的特点BXXT10AT20

Xk′′0Uk0

Xk′0I′0I′0′

3.零序功率S0分布：短路点零序功率最大；方向：对于发生故障的线路，两端的零序功率方向与正序功率相反，从线路→母线。一、零序分量的特点BXXT10AT20

Xk′′0Uk0

Xk′0I′0I′0′4.保护安装处零序电压与电流的相位关系：

UA0UA0=−I0′ZT10ϕk0=80−100I′0二、零序电压、电流滤过器

1.零序电压滤过器Umn=Ua+Ub+Uc=3U0UaUbUc

(a)用三个单相式电压互感器二、零序电压、电流滤过器1.零序电压滤过器Umn=Ua+Ub+Uc=3U0(b)用三相五柱式电压互感器二、零序电压、电流滤过器

1.零序电压滤过器加法器3U0UaUbUc

(d)内部合成零序电压

(c)用接于发电机中性点 的电压互感器二、零序电压、电流滤过器2.零序电流滤过器IBIbIAIaIμBIμAICIcIr

IμA

1

nTA

1nTA二、零序电压、电流滤过器

2.零序电流滤过器0优点： 没有不平衡电流 接线简单电缆头TA0电缆II0set=Krel3I00.max3max(Krel=1.2~1.3)I0set

三、多段式零序电流保护

（一）零序电流速断（零序I段）保护（1）躲过下一个线路出口接地短路的最大三倍零序电流3I0max3I0III3I0max

l3I0max的计算：

①故障点：本线路末端②故障类型：（假设X1∑=X2∑）3I=3×(1)0

Eφ2Z1Σ+

Z0Σ=3××=3×3I(02,0)

EΦZ1Σ+2Z0Σ

Z2ΣZ2Σ+

Z0Σ

EΦ

Z2Σ⋅Z0ΣZ2Σ+Z0ΣZ1Σ

+3I(01)>3I0(2,0)3I(01)<3I0(2,0)当X0∑>X1∑当X0∑<X1∑Z2Σ⋅Z0ΣZ2Σ

+Z0Σ

三、多段式零序电流保护

（一）零序电流速断（零序I段）保护（2）躲断路器三相触头不同时合闸而出现的最大三倍零序电流3I0unb

I

3I0.unb的计算： ①两相先合：3I0.unb

EM−ENZ1Σ+2Z0Σ=3×

Z2ΣZ2Σ+

Z0Σ×=3×

EM−ENZ1Σ+②一相先合：3I0.unb=3×

EM－EN2Z1Σ+Z0Σ取两者较大者三、多段式零序电流保护（一）零序电流速断（零序I段）保护整定值应选取（1）和（2）中较大者。原则（2）所得定值一般较大，保护范围缩小，灵敏度降低，此时可考虑使Ⅰ段带一小的延时（0.1s）躲开不同时合闸时间。灵敏性：要求最小保护范围≥（15%～20%）l三、多段式零序电流保护（一）零序电流速断（零序I段）保护（3）当线路采用单相自动重合闸时，按能躲开在非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流整定；按（3）整定值较高，保护范围缩小；设置两个零序I段保护：1、按（1）或（2）整定，定值小，保护范围大，为灵敏I段。主要对全相运行状态下的接地故障起保护作用；2、按（3）整定，为不灵敏I段，用于在单相重合闸过程中其他两相又发生接地故障的保护。III0set1=KrelII0set2/K0b.mint=t+Δt

三、多段式零序电流保护（二）零序电流限时速断（零序II段）保护 与相邻线路零序电流Ⅰ段配合。I0ABIIII

I0BC(Krel=1.1~1.2)3I0.min

III0set

III 0102灵敏性校验：Ksen=（要求≥1.5）若不满足要求：与相邻线Ⅱ段配合或改为接地距离保护。IIII=KrelIunb.max(Krel=1.1~1.2)

三、多段式零序电流保护

（三）零序过电流（零序III段）保护 躲线路末端三相短路时流过保护装置的最大不平衡电流Iunb.maxIII0setIII(3)Iunb.max=KnpKstKwcIk.max其中Kk.max--非周期分量系数，同时时，取、不相同时取电流时取1I(3)stnpwc--同电型流互感器型的号10%t误时=差0s，过取0.1的最大～2；t=10.5s线路末端三相短相路流0.51.5保护短路

灵敏性校验：

3I0mini11.作为近后备时：应按被保护线路末端接地短路时，流过保护的最小三倍零序电流来校验，要求Ksen≥1.5III3I0B.min

I01setKsen==2.作为远后备时：应按相邻线路末端接地短路时，流过保护的最小三倍零序电流来校验，要求Ksen≥1.2IIIKsen3I0C.min

I01sett4

动作时间：按阶梯时限原则来选择t t5t2t3t05lt1

t04

t03零序过电流保护的时限特性

在同一线路上的零序过电流保护与相间短路的过电流保护相比，将具有较小的时限，这是零序过电流保护的一大优点。四、方向性零序电流保护1.零序功率方向继电器的接线3U0−110YHIr=3I0

ϕsen=70LH3I0−3U0Ur=−3U0Ir=3I0,Ur=−3U0五、对零序电流保护的评价1.零序过电流保护的灵敏度高2.受系统运行方式的影响要小3.不受系统振荡和过负荷的影响4.方向性零序电流保护出口短路时没有电压死区5.简单、可靠线路距离保护一、距离保护的作用原理

Ik

ZkAϕLjX

Zk

ϕk

Ue

ILUk

Ik=ZL

=Zk正常：Zm=短路：Zm=ZL

R发

三、距离保护的主要组成元件1、起动元件（ΔI2+Δ3I0）—判断系统是否生故障；2、测量元件—阻抗继电器；3、时间元件—时间继电器；4、振荡闭锁回路—故障时短时开放距离保护I、II段，振荡时立即闭锁I、II段；5、断线闭锁元件—电压互感器二次断线时闭锁距离保护；6、出口执行元件；四、阻抗继电器的测量阻抗

I1ImU1

Um一次阻抗与继电器测量阻抗之间的关系

U1nTAnTVU1nTA

I1nTVnTV

I1Um

Im=Z1==Zm=nTA

阻抗继电器的动作特性1、全阻抗继电器C

ZsetR

jXBZm全阻抗特性圆：以保护安装点(坐标原点)为圆心，Zset为半径的圆,圆内为动作区；

反方向故障时会误动，没有方向性；

A2、方向阻抗继电器jXCZset方向阻抗特性圆：过坐标原点，以

Zset为直径的圆,圆内为动作区；RB反方向故障时不会误动，本身具有方向性；Zm

AZm−(1−α)Zset≤(1+α)ZsetZm−(1−α)Zsetr=(1+α)Zset3、偏移阻抗继电器jX比幅式动作方程：ZsetC11221212(1−α)ZsetZm

B R−αZsetA124、多边形特性

继电器接线方式123UmImUmImUmIm0°接线UABIA−IBUBCIB−ICUCAIC−IA+30°接线UABIAUBCIBUCAIC-30°接线UAB−IBUBC−ICUCA−IA具有零序电流补偿的

0°接线UAIA+K3I0UBIB+K3I0UCIC+K3I0阻抗继电器的接线方式结论（1）0°接线方式可以正确反应三相短路、两相短路、两相接地短路，不能正确反应单相接地短路。（2）带零序电流补偿的接线方式，可以正确反应单相接地短路、两相接地短路和三相短路时。不能正确反应两相短路。

距离保护的整定计算1.距离保护I段

按躲过线路末端短路整定。IrelIset1Z⋅ZAB=K其中KIrel=0.8~0.85Z=K(ZAB+Kb.minZ

2.距离保护II段(1)定值计算：

①与相邻线路的距离I段配合)IIIrelset2IIset1其中KIIrel=0.8=K(ZAB+Kb.minZT)

2.距离保护II段②