继电保护、安自、调度自动化

注册电气工程师复习辅导

继电保护、安全自动装置及调度自动化华北电力设计院钟德明

一．电力系统继电保护1.1继电保护和安全自动装置：1.1.1继电保护和安全自动装置的范围：1)保护电力元件的成套装置一般统称继电保护装置；保护电力系统的装置一般统称安全自动装置。2)继电保护又分元件保护和系统保护，元件保护指电力系统中的发电机、变压器、电抗器等电气设备的保护装置，系统保护主要指线路和变电所母线等。保护装置保护各自保护范围内的电气设备和线路或母线。3)继电保护是保证电力系统安全稳定运行的重要技术手段之一。任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行。

4)安全自动装置是防止电力系统失去稳定和避免发生大面积停电事故。1.1.2电力系统对继电保护基本要求1)电力系统对继电保护的基本要求继电保护应满足四性要求：可靠性：指保护该动时动，不该动时不动。选择性：首先有故障元件本身保护切除故障，当本身保护或断路器拒动时才允许相邻元件的保护动作切除故障。灵敏性：保护装置具有的正确动作的裕度。以灵敏系数表示。快速性：保护装置应尽快切除故障。提高系统稳定，减轻设备损坏程度。1.1.3.电网结构要求和安全稳定标准：1.结构合理的电网应满足以下5条基本要求：1)适应系统发展和运行的灵活性2)电网中任何一元件无故障断开，保持系统稳定运行。3)满足规定的安全稳定标准：电力系统承受大扰动能力的三级稳定标准。第一级标准：在发生第一类故障（单一故障，概率较高）扰动后，能保持系统稳定运行和电网正常供电。第二级标准：在发生第二类故障（单一严重故障，概率较低）扰动后，能保持系统稳定运行但允许损失部分负荷。第三级标准：在发生第三类故障（多重故障，概率很低）扰动后，当不能保持系统稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。4)满足分层和分区要求。网架结构简明、层次清晰。5)合理控制系统短路电流。1.1.4.继电保护用电流互感器及电压互感器：１）保护用电流互感器：P类、（PR、PX）（正确限值规定为稳态对称一次电流的复合误差）

TPS类、低漏磁适应于对复归时间要求严格的断路器失灵保护TPX类、TPY类、TPZ类。具有暂态特性的电流互感器。２）330kV及以上线路和300ＭＷ及以上发电机变压器组差动保护用电流互感器宜选用TPY。220kV及以下系统保护和100MW－200MW发电机变压器组差动保护用电流互感器宜选用Ｐ类、ＰＲ类或ＰＸ类。110kV及以下可用Ｐ类。CT的接线要防止死区和CT本身故障。３）互感器的安全接地。ＣＴ，二次回路必须有且只能有一点接地。一般在CT端子箱。几组并联CT也只能一点接地，在保护屏接地。（双断路器、母线保护、其他差动保护）ＰＴ，只允许一点接地，接地点在控制室，N600。ＰＴ二次中性线与开三角的中性线必须分开不能共用。1.1.5.电力系统（由各级电压等级组成的电网）。

1)电力系统的中性点接地方式：

有效接地系统或称大电流接地系统、非有效接地系统或称小电流接地系统。目前我国220kV及以上电网均为直接接地方式，66kV以下采用不直接接地方式，有经电阻或消弧线圈接地。110kV大多是直接接地。2)常见短路故障种类及特性三相短路、不对称短路（单相接地短路、两相短路、两相接地短路）、一相断开。电力系统故障时电气量的变化a）在直接接地系统中，三相短路、两相不接地短路：有正序分量、负序分量，无零序分量。b）只有接地短路故障时才产生零序电流。

3)电力系统同步振荡与失步

电力系统稳定运行

电力系统稳定包括；同步运行稳定、频率稳定、电压稳定。电力系统发生扰动，如短路故障，保护切除故障线路，使发电机功角变化，并列运行的机组之间相对角度发生摇摆。失去同步运行稳定，引起系统振荡。线路电流、电压大幅度地周期性波动。如果处理不当可能导致系统瓦解，大面积停电。电力系统振荡时电气量的变化

a)振荡或失步时，各点电压和电流均做往复性摆动，（短路时电气量是突变的）b)振荡或失步时，不同地点的电流和电压的相角可以有不同的，而短路时是相同的c)振荡或失步不破坏三相的对称性，所有电气量是对称的，从保护原理上说反应负序、零序分量的保护及电流差动保护在振荡时是不会误动的。相间电流保护和某些距离保护会误动1.1.6.高压输电线路常用继电保护装置的应用。1.电流保护：电流保护的工作原理：以通过保护安装处的电流为作用量的继电保护，有相电流保护和零序电流保护等。

△t－0.5s零序电流保护：由于电力系统接地故障几率高，占总故障的70％－90％，因此接地保护十分重要，而零序电流保护除保护简单外，对高电阻接地故障有较好的保护能力。（220kV－要求100欧姆、330kV－150欧姆、500kV－300欧姆2.距离保护（阻抗保护）原理：以测量线路阻抗为判据的保护装置。k1

JXZJXZRR

距离保护的动作特性：有园特性、四边形。全阻抗形等

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距离保护的阶梯特性

70-80%距离保护一般有三段或四段，一般都带方向性，也有第三、四段不带方向的。一段只能整定70-80%，不能保护全线。二段作后备，三段作相邻线后备。3.线路纵联保护：

线路故障时使两侧开关同时跳闸的一种保护。以线路两侧某种电量间的特定关系作为判据，要借助通道传输保护动作的判别量。a)电流差动式纵联保护、比较同一时间线路各端的电流相位或电流瞬时值：分电流相位差动和电流差动保护两类。b)方向比较保护：比较线路两侧电气量的方向为判据的纵联保护。（功率方向元件）。

方向比较保护有欠范围和超范围两种。纵联保护信号有闭锁信号、允许信号、跳闸信号。

4.纵联电流差动保护：

以线路两端电流瞬时值的和为动作判据。（母线流向线路为正方向，线路流向母线为反方向）。由于比较两侧电流的瞬时值，所以对通道要求很高，只有导引线和光纤通道能实现电流差动保护。保护定值只需躲外部故障时的不平衡电流，所以有较高的灵敏度。纵联电流差动保护，有综合式和分相式两种。分相式纵联电流差动保护的特点：有选相功能、可实现单相重合闸、同塔双回线还可实现按相重合闸。5.高频闭锁方向保护：

保护以比较线路两侧功率方向为判据，区内故障，两侧正方向功率元件均动作，跳闸。区外故障一侧正向元件动作，另一侧反向元件动作，后者向对侧发闭锁信号，两侧保护均不动作。

发闭锁信号传送的闭锁信号与工频电气量无关，对通道要求不高。且闭锁信号是在非故障线路发送，所以可靠性高。

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1.2电力系统继电保护的配置1.2.1.对继电保护的基本要求

1)电力系统中所有线路、母线等电力设备都不允许在无继电保护状态下运行，继电保护必须符合技术规程要求、符合四性的要求。2）在确定电网结构、厂站主接线和运行方式时必须与继电保护和安自配置统一考虑，合理安排。3)保护装置对各种故障要正确动作，切除故障时间要能保证系统稳定。（如220kV以上线路保护整组动作时间：近端≦20ms，远端≦30ms）。

4)保护装置能适应重合闸的要求。单相故障跳闸后，健全相再故障应能快速跳开三相。5)系统发生振荡时保护装置不应误动。等

1.2.2影响电网继电保护配置的主要因素。1)电网电压等级，不同电压等级对保护四性要求不同。2)中心点接地方式，影响接地保护的配置，3)电网结构形式：环、串、T（分支）4)选择性切除故障时间的要求。按实际情况允许切除故障的最长时间，如500kV线路要求主保护近端故障≤20ms，远端故障≤30ms。5)故障类型及概率、（介绍单相接地短路和瞬时故障）6)事故教训及经验、（提出反事故措施）等。1.2.3主保护、后备保护、辅助保护。1)主保护：在电力系统中，能满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除故障的保护装置2)后备保护：主保护动作失败或断路器拒动时起作用的保护，具有相对选择性。分远后备和近后备。

远后备：对相邻线路故障有一定灵敏度，可作为相邻线路主保护的后备保护。

近后备：依靠线路本侧另一套保护起后备作用，或断路器失灵保护。

220kV及以上采用近后备、110kV及以下采用远后备。3)辅助保护（补充主、后备保护性能或主、后备保护退出时的简单保护）1.2.4电网继电保护配置原则

1．110kV线路保护：⑴双侧电源如符合下列之一，应装设一套全线速动保护

1)系统电网要求必要时；（延时段动作有稳定问题）2)三相短路，使发电厂厂用母线电压低于允许60％以下；3)如采用全线速动保护，不仅能改善本线路保护性能，且能改善整个电网保护性能。

一般110kV线路只在电源侧装设一套保护装置⑵110kV的后备保护宜采用远后备。⑶110kV线路单侧电源可配置阶段式相电流和零序电流保护，如不能满足要求可装设阶段式相间距离和接地距离，并配有一段零序电流保护，切除经电阻接地短路故障，⑷双侧电源线路：可装设阶段式相间距离和接地距离，并配有一段零序电流保护，切除经电阻接地短路故障。

2．220kV线路保护⑴加强主保护，简化后备保护的基本配置原则。加强主保护:速动保护双重化，功能完整（对各种故障均能快速切除），由于220kV及以上线路均采用分相操作，可实现单相重合闸，因此保护装置必须具备选相功能。简化后备保护：主保护双重化配置，每套主保护还应带有相间和接地距离保护、零序电流保护（主要为切除不大于100欧姆电阻内的接地故障）作为后备保护。220kV以上线路采用近后备方式两套主保护互为近后备，线路第II段保护是全线速动保护的近后备保护。

第III段保护是本线路的延时近后备保护，同时也是相邻线路的远后备保护。

220kV线路保护（2）对两套主保护的要求：a)在旁路带路时，至少保留一套全线速动保护。微机保护装置用于旁路或其他定值需要经常改变时，宜设置多套定值，一般不少于8套。b)两套主保护接线要求完全独立：电流、电压、直流的接线要求独立；通道独立、；两套主保护均能快速切除全线各种故障、c)具有选相功能；具有全线速动保护，整组动作时间：近端≦20ms，远端≦30ms。（不包括通道时间）。（3）采用近后备：对220kV线路接地短路故障：接地电阻不大于100欧姆应能可靠切除故障。宜装设阶段式接地距离和零序电流保护。（4）相间短路：宜装设阶段式相间距离保护。（5）全线速动保护宜采用光纤电流差动保护（具有光纤通道的线路应优先采用）中长线路再配以接地和相间的后备保护。3．330-500kV线路保护：

3.1对保护装置的技术性能要满足超高压电网的特殊问题：输电功率大，电网稳定问题严重；采用分裂导线；长线路重负荷，二次电流小；同杆双回线；时间常数大；线路分布电容电流大；短路电流的直流分量；带气隙CT；长线通道的衰耗；串补、直流，交流混网。等因素。

3.2330-500kV线路，应按以下原则配置主保护

a)

应配置两套完整、独立的全线速动的主保护（包括220kV保护的要求。

b)主保护实现双重化配置（两套保护在组屏、交、直流回路、控制电缆、保护通道、跳闸线圈、组屏方式、等均相互独立）

接地电阻在不大于以下值时，保护有尽可能强的选相能力，能正确动作。330kV线路不大于150欧姆，500kV线路不大于300欧姆。

c)

双重化主保护都具有完善的后备保护时，可不再另设后备保护，如其中一套主保护不具有完善的后备保护，必须再设一套完整、独立的后备保护。

d)

设过电压保护。

e)如有串补等，保护必须满足一次接线要求3．330-500kV线路保护：3.3330-500kV线路应按以下要求配置后备保护

1)采用近后备方式

2)后备保护能反应各种故障类型

3)在接地电阻不大于下列数值时能正确动作跳闸：

330kV线路：150欧姆（220kV线路：100欧姆）

500kV线路：300欧姆

4)为快速切除中长线路出口故障，在保护配置中宜有专门反应近端故障的辅助保护功能3.4宜选用分相电流差动保护

能全线速动、跨线故障有选择性等3.5暂态稳定计算的故障切除时间（电力系统设计技术规程）

暂态稳定计算的故障切除时间应与继电保护动作时间和断路器全断开时间相适应：对220kV及以上电压的系统近故障点采用0.1s，远故障点采用0.1~0.15s；对500kV系统若暂态稳定要求时，可采用快速继电保护和快速断路器时近故障点可采用0.08s。

3.6一个半接线保护的特点1.保护按线路单元装设，重合闸和失灵保护按断路器为单元装设。

2.母线保护的重要性降低，所以母线保护不设电压闭锁，

3.母线保护动作不能跳对侧断路器。

4.要配置短引线保护（有线路刀闸）。

5.失灵保护动作应跳对侧断路器。1.3母线保护和断路器失灵保护1.3.1

对母线保护的要求：1)220-500kV母线，应装设快速有选择地切除故障的母线保护。2)区内各种故障应正确动作，区外故障不应CT饱和而误动。3)能自动适应双母线接线，倒闸切换过程不应误动，双母线接线应能有选择性切除故障。4)母线保护应设电压闭锁。（一个半接线母线不设电压闭锁）关于电压闭锁接点的接线：非微机型母线保护装置要在出口回路一一对应闭锁接线。微机型母线保护：可在装置启动出口继电器的逻辑中设置电压闭锁5)应允许使用不同变比的CT。

6)母线保护动作对有纵联保护的线路应采取措施使对端断路器快速跳闸。但一个半接线的母线保护动作不能跳对端断路器。7)母线保护仅跳三相，且应闭锁各元件的重合闸。1.3.2母线保护配置

1)110kV及以下母线，一般配一套母线保护，如对端保护能快速切除或后备保护切除稳定允许也可不设母线保护。2)重要的220kV母线应配置双套母线保护3)一个半断路器接线，每组母线配置2套母线保护。4)330-500kV母线配置双套母线保护。1.3.3母线保护其他要求

1).500kV母线保护在区外故障穿越电流为30倍一次额定电流时不应误动

2).500kV母线保护整组动作时间，2In下不大于20ms3)旁路带路的要求：可留一套纵联保护。

4)母线保护要适应各种运行方式，有可靠的电压切换回路。

1.3.4断路器失灵保护1.作用；属于近后备保护、死区保护（断路器与互感器之间故障）。2.失灵保护的判据：保护动作＋有电流（线路或设备能瞬时复归的出口继电器动作后不复归＋有电流。3.220kV以上为分相操作的断路器，失灵保护仅考虑单相拒动。4.失灵保护动作时间：一般整定0.35s，对失灵保护的判别元件的动作时间和返回时间均不应大于20ms5.失灵保护的动作，双母，可先跳开母联，也可同时跳开。变压器还要跳开低压电源。6.失灵保护的闭锁：单、双母线设电压闭锁；发电机、变压器、电抗器的断路器因采取措施或不设闭锁；一个半接线，不设闭锁。7.一个半接线，失灵保护动作还应跳开对端断路器

8.变压器非电气量保护动作不启动失灵保护。1.3.5母线保护与失灵保护共组一个装置。

可以共用电流回路、出口跳闸回路、电压切换与闭锁回路，可省去各线路的失灵启动回路。简化二次回路。1.4远方跳闸保护1.4.1需要传送远方跳闸命令的保护：

1)一个半接线失灵保护动作（目的是断开故障线路）。2)高压侧无断路器的并联电抗器保护动作（见上图）。远方跳闸保护3)线路过电压保护动作（如果不断开对侧断路器，则电压升高更高）。

4)线路－变压器组的变压器保护动作。

5)串补线路电容器保护动作，且电容器旁路断路器拒动等1.4.2远方跳闸保护的要求1)通道，一般采用线路保护通道，2)为了可靠，对非数字通道执行端应设故障判别元件3)对采用近后备方式的远方跳闸保护应双重化4)出口跳闸回路要独立于线路保护的出口回路5)闭锁重合闸。1.5继电保护的整定计算

1.整定计算的一般规定1)逐级配合；A上下级配合，在灵敏度与动作时间上均相互配合以保证故障时能有选择的动作B相邻线保护之间一般主保护和主保护配合，后备与后备配合，C按阶段配合，相间保护与相间保护配合，接地保护与接地保护配合。2.

整定计算时，短路电流计算原则：

不计发电机、变压器、线路等阻抗参数的电阻部分。发电机的正序阻抗可采用t＝0时的初瞬值Xd”的饱和值。不考虑短路电流的衰减，及强励作用。不计算故障点的电阻和接地电阻不计线路的电容电流和负荷电流的影响。不计短路暂态短路中的非周期分量

继电保护的整定计算

3.整定计算时

变压器中性点接地运行方式的安排，应尽量保持变电所零序阻抗基本不变。保证各种运行方式下零序电流和电压分布大致不变，使使接地保护具有必要的灵敏度和可靠性。所以在同一厂站实行部分变压器直接接地，部分变压器不接地。检修时可改接接地变压器。

如果变电所有2台及以上110kV或220kV变压器，一般只将一台变压器中心点接地运行。

对有3台及以上110kV或220kV变压器的双母线运行的发电厂，一般正常按2台变压器中心点直接接地运行，把2台变压器分别接在两段母线上。继电保护的整定计算

4.整定计算常用系数：

可靠系数：电流保护K＞1、距离保护K＜1；返回系数：Kf＝返回量/动作量，过量动作继电器Kf＜1，欠量动作继电器Kf＞11.6关于继电保护四统一设计

高压线路继电保护装置的统一设计工作（四统一内容）：统一技术标准；统一原理接线；统一符号；统一端子排布置。原综合重合闸装置的统一设计技术性能要求中的五个接线端子N端：接本线非全相运行不会误动的保护；M端：接本线非全相运行会误动而邻线非全相运行不会误动的保护；P端：接邻线非全相运行会误动的保护；Q端：接三跳允许重合闸的保护（现在在操作箱内）；R端：接三跳后不允许重合闸的保护（现在在操作箱内）。二、安全自动装置2.1安全自动装置的一般规定1.在电力系统发生故障时，防系统紧急破坏或事故扩大，造成大面积停电，对重要用户供电长时间中断，实施紧急控制。2自动装置有：重合闸、备自投（低压系统）、自动切负荷、低频低压减载、自动解列、失步解列等等。3.安全自动装置同样要满足四性要求。

电力系统暂态稳定：电力系统受到大扰动后，各同步电机保持同步运行并过渡到新的或恢复到原来稳定状态的能力，通常指保持一或二个振荡周期不失步的功角稳定。2.1.1安稳的配置原则

合理电网结构合理、电力设施完善、配置完善的继电保护和适当的安稳控制措施，组成完整的防御系统，通常分为三道防线：1.正常状态及受第一类大扰动，应有一次系统设施、继电保护、及安稳控制组成第一道防线。系统防御性控制包括：发电机功率预防性控制、发电机励磁附加控制、并联和串联电容补偿控制、高压直流（HVDC）功率调制。2.紧急状态下的安稳控制：受第二类大扰动，应有防止破坏和参数严重越限的紧急控制。实现的第二道防线。包括发电机汽轮机快速控制汽门、、发电机励磁紧急控制、动态电阻制动、并联和串联电容器强行补偿、HVDC功率紧急调制和集中切负荷。3.极端紧急状态下的安稳控制：受第三类大扰动，应配备防止事故扩大避免系统崩溃的紧急控制。如系统解列、再同步、频率和电压紧急控制，同时避免线路和机组保护在振荡时误动，防止线路和机组连锁跳闸。实现安稳的第三道防线。

当系统受扰动后，功率过剩频率上升的一侧：发电机减出力、切除部分发电机、短时投入电气制动等

当系统受扰动后，功率缺额频率下降的一侧：发电机快速加出力、切除部分负荷、快速启动备用机组、调相改发电等

在