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继电保护系统

第一节绪论

一．继电保护概念

电力系统由发电机、变压器、母线、线路及各种负载等设备组成。

各个电力设备出现故障和不正常运行状态时，产生各种过电流、过电压、系统振荡等现象，这对系统负荷的正常运行带来影响，甚至遭到严重破坏。

继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本装备，任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行。

继电保护装置，就是指能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。

其主要任务：

（1）自动、迅速、有选择性地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，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行；

（2）反应电气元件的不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，

并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。

二．对电力系统继电保护的基本要求

1．选择性

指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。

2．速动性

指在发生故障时，保护装置能迅速动作切除故障，从而缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程度，减小对用户工作的影响，提高系统的稳定性。

3．灵敏性

指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。

4．可靠性

指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝

动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。

这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调，最终达到“四统一”（统一产品技术条件、统一产品原理图、统一文字符号、统一端子排数量和位置）。

三.继电保护的基本原理

是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。

四．继电保护装置的组成

整套继电保护装置是由测量部分、逻辑部分和执行部分组成。

结构如下：

1．测量部分：

是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，从而判断保护是否应该起动。

2．逻辑部分：

根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号传给执行部分。

3．执行部分：

根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。

如动作于跳闸或发信号等。

五.继电保护装置元件

一套完整的继电保护装置一般由负责采集一次设备电气量的测量元件、反应一个或多个故障量而动作的继电器元件，组成逻辑回路的时间元件和输入输出回路的中间元件等组成。

主要有以下元件组成：

1.互感器：

是电流互感器和电压互感器的统称。

能将高电压变成低电压、大电流变成小电流，用于量测或保护系统。

其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或1A），以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型化。

同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。

1.1电压互感器（PT）：

在正常运行时，可将其看成是一个内阻极小的电压源，正常运行时负载阻抗很大，相当于开路状态，二次侧仅有很小的负载电流；当二次侧短路时，负载阻抗为零，则产生很大的短路电流，会将电压互感器烧坏。

在实际中，运行中的PT二次侧严禁短路！

PT的二次回路中应该装设熔断器或空气开关。

1.2电流互感器：

在正常运行时，二次电流产生的磁通势对一次电流产生的磁通势起去磁作用，励滋电流很小，铁芯中的总磁通很小，二次绕组的感应电动势不超过几十伏。

如果二次侧开路，二次电流的去磁作用消失，其一次电流完全变为励磁电流，引起铁芯内磁通剧增。

铁芯处于高度饱和状态，加之二次绕组的匝数很多，根据电磁感应定律E=4.44fNBS，就会使二次绕组两端产生很高（甚至可达数干伏）的电压，不但可能损坏二次绕组的绝缘，而且将严重危及人身安全；再者，由于磁感应强度剧增，使铁芯损耗增大，严重发热，甚至烧坏绝缘。

在实际中，运行中的CT二次侧严禁开路！

CT的二次回路中不能装设熔断器。

2.继电器：

在继电保护中的作用，可分为测量继电器和辅助继电器两大类。

1）测量继电器能直接反应电气量的变化。

按所反应电气量的不同，又可分为电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器、频率继电器以及差动继电器等。

2）辅助继电器可用来改进和完善保护的功能。

按其作用的不同，可分为中间继电器间继电器以及信号继电器。

2.1继电器按结构型式分类

目前主要有电磁型、感应型、整流型以及静态型。

常见的继电器：

图1：

继电器的符号表示

1）电磁型电流继电器；

2）电磁型电压继电器；

3）电磁型时间继电器；

4）电磁型中间继电器；

5）电磁型信号继电器；

6）瓦斯继电器。

2.2继电器的符号表示，见图1

第二节微机继电保护装置

一、概述

发电机、变压器微机继电保护装置是采用了阿尔斯通输变电保护及控制公司的数字式紧凑型保护系统。

红花电厂有6台38MW灯泡贯流式机组，三台容量为100000KVA的双绕组变压器，主接线采用扩大单元接线方式。

主接线图见附图。

1.发电机保护的配置

保护名称

保护型号

保护名称

保护出口

发电机保护

P343

纵联差动保护

出口开关、灭磁开关

发电机后备保护

P343

失磁保护

出口开关、灭磁开关

过电压保护

出口开关、灭磁开关

逆功率保护

出口开关、灭磁开关

定子接地保护

出口开关、灭磁开关

过负荷

告警

复合电压过流保护

出口开关、灭磁开关

PT断线告警

告警

跳闸回路监视告警

告警

励磁变保护

P123

电流速断保护

出口开关、灭磁开关

过流保护

出口开关、灭磁开关

过负荷保护

告警

横差保护（哈电）

P120

横向差动保护

出口开关、灭磁开关

转子一点接地

MX3IPG2A

转子一点接地

告警，延时动作解列。

轴电流保护

告警，延时动作解列。

2.主变压器保护的配置

保护名称

保护型号

保护名称

保护出口

变压器保护

P632

差动保护

全跳

过电流保护

全跳

变压器保护

P632

启动失灵保护

全跳

差动速断保护

全跳

后备保护

P141

复合过流

全跳

过负荷

告警

间隙保护

P127

间隙过压

全跳

间隙过流

全跳

零流Ⅰ段

全跳

零流Ⅱ段

全跳

非电量保护

KVTL1000171SAEJ

轻瓦斯保护

告警

重瓦斯保护

全跳

温度高（80℃）

告警

温度过高（100℃）

全跳

压力释放

全跳

油位异常

告警

注：

全跳指跳变高开关、机组出口开关和隔离变开关。

3.母线保护的配置

保护名称

保护型号

保护名称

保护出口

母线保护

RCS-915

母联保护

2012

母差保护

2012、2001、2002、2003、2051、2052

失灵保护

2012、2001、2002、2003、2051、2052

非全相保护

2012、2001、2002、2003、2051、2052

充电保护

2012

过流保护

2012、2001、2002、2003、2051、2052

PT断线告警

告警

刀闸位置告警

告警

4.线路保护的配置

保护名称

保护型号

保护名称

保护出口

线路保护

RCS-931

差动保护

全跳

TV断线保护

告警

重合闸保护

告警

通道异常

告警

RCS-923

过流保护

全跳

失灵保护

全跳

非全相保护

全跳

距离保护

全跳

勾通三跳

全跳

零序保护

全跳

5.厂用系统

保护名称

保护型号

保护名称

保护出口

隔离变保护

P631

过电流

911/941、921/951、931/961

过负荷

告警

温控仪

温度高（80℃）

告警

温度过高

911/941、921/951、931/961

厂用变保护

P631

纵联差动保护

943/421、962/931

过电流保护

943/421、962/931

零序电流保护

943/421、962/931

过负荷保护

告警

温控仪

温度高（80℃）

告警

温度过高

943、962

泄水闸变保护

P123

电流速断保护

946、964

过电流保护

946、964

零序过流保护

946、964

过负荷保护

告警

船闸变

生活变

P123

电流速断保护

944/963、947

过电流保护

944/963、947

过负荷保护

告警

二、保护类型及原理

1．发电机

1.1纵差动保护

发电机纵差保护是发电机定子绕组及其引出线的相间短路的主保护。

它是利用比较发电机中性点侧和引出线侧电流幅值和相位的原理构成。

原理图见附图1。

纵差保护在原理上不反应负荷电流和外部短路电流，只反应发电机两侧电流互感器之间的保护区内的故障电流，故纵差保护在时限上不必和其它保护配合，可瞬时动作跳闸。

采样：

CT变比：

机端3000/1；尾端3000/1

定值：

差动功能：

比率制动式

差动启动值：

0.25A

第一段斜率：

差动拐点：

1.0A

第二段斜率：

50%

动作时限：

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.2横差动保护（仅哈电机组装置）

适用于定子绕组为多分支的发电机，当某一分支发生匝间短路或某相两分支之间在不同匝数处发生短路时，横差保护应立即动作切除发电机。

纵联差动保护与横差的区别：

在定子引出线或中性点附近相间短路时，两中性点连线中的电流较小，横差保护不能动作，出现死区，而纵差保护就能取代

采样：

中性点CT变比：

机端800/1

定值：

差动功能：

比率制动式

差动启动值：

0.95In

动作时限：

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.3定子接地保护

指发电机定子绕组回路及与定子绕组回路直接相连的一次系统发生的单相接地短路。

根据安全要求，发电机的外壳必须接地，因此定子绕组绝缘损坏而碰接外壳的故障就成为单相接地故障。

现代发电机的中性点都是不接地或经消弧线圈接地的,通过消弧线圈的电感电流与接地电容电流的相互抵消，把定子单相接地故障电流限制在规定的允许值之内。

定子接地按接地时间长短可分为瞬时接地、断续接地和永久接地；

按接地范围可分为内部接地和外部接地；

按接地性质可分为金属性接地、电弧接地和电阻接地；

按接地原因可分为真接地和假接地。

采样：

中性点配电变压器：

10.5/0.1（3U0定子接地及100%定子接地采集处）

发电机母线PT：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）

CT变比：

3000/1

3U0定子接地保护定值：

零序电压：

延时：

6.7S

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

100%定子接地保护定值：

低电压闭锁值：

70V

低有功率锁值：

19W

三次谐波延时：

6.7S

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.4过压保护

水轮发电机在突然甩负荷时，由于调速器不灵敏，转子惯性大，原动机供合发电机的功率将大于发电机的输出功率而使发电机加速。

再加上定子绕组去磁电枢反应的消失，将使发电机的端电压升高，水轮机发电机过电压的数值可能高达发电机额定电压的1.8～2倍。

为了防止过电压损坏定子绕组绝缘，故装设了过电压保护。

采样：

PT变比：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）

尾端CT变比：

3000/1

定值：

测量模式：

线电压（380V）

动作模式：

任一相

过电压定值：

130V

动作时限：

0.3S

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.5转子接地保护

发电机正常运行时，转子的转速很高，离心力极大，承受的电负荷重，因此励磁绕组绝缘容易损坏。

绕组导线碰触铁芯，就会造成转子一点接地故障。

当转子发生一点接地后，如果发电机仍继续运行，遇上励磁绕组其它点绝缘水平降低时，就会造成转子两点接地。

两点接地故障破坏磁场的对称性，造成力矩不平衡，将使发电机发生强烈的振动。

规程规定：

当发电机发生转子一点接地时，可继续运行两小时，期间如未消除故障时，需停机检查。

当发生电机转子两点接地时，必须马上解列停机检查。

未查明原因前禁止开机并网运行。

采样：

回路电阻

定值：

电阻定值：

4000Ω

动作时限：

出口方式：

告警

1.6失磁保护

发电机正常运行时，可能由于灭磁开关误跳、励磁系统发生故障、转子回路开路及短路等原因，使发电机全部或部分失去励磁。

发电机失去励磁时，励磁电流将按指数规律减少至零，使得定子感应电势相应地减少，导致发电机输出功率减少。

而由于原动机调速器的惯性，其输入功率跟不上输出功率的变化，输入输出功率的不平衡，意味着力矩的不平衡。

在过剩力矩的作用下，发电机加速，功角将增大，当功角增大到超过静态稳定极限角后，发电机就和系统失去同步，进入异步运行状态。

采样：

PT变比：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）

尾端CT变比：

3000/1

定值：

失磁告警角：

15deg

失磁告警时限：

1.5S

失磁一段-Xa1定值：

14ohm

失磁一段-Xb1定值：

77ohm

失磁一段延时：

1.5S

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.7轴电流保护

灯泡贯流式机组为卧式结构，大轴承受整个机组的重量，轴瓦装在大轴上，起动支撑、润滑、和密封等作用，但其是一种特殊性材料，当大轴有电流流过时会使轴瓦发热烧坏。

故利用一个轴电流保护继电器来监视轴电流，或在大轴上装置接地碳刷，引轴电流直接引入大地。

1.8负序保护

当电力系统发生不对称短路或非全相运行时，发电机定绕组将流过过负序电流，此电流产生负序旋转磁场，由于该磁场的旋转方向和转子运行方向相反，它相对转子的速度为两倍同步转速，因而会在转铁芯表面、槽楔、转子绕组、阻尼绕组和其他金属结构部件中感应出两倍工频的电流。

将使转子损耗增大，引起转子过热。

负序电流保护是发电机外部短路故障时的后备保护和定子绕组内部相间短路时的后备保护。

本站采用定时限负序电流保护功能。

采样：

PT变比：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）

尾端CT变比：

3000/1

定值：

失磁告警角：

15deg

失磁告警时限：

1.5S

失磁一段-Xa1定值：

14ohm

失磁一段-Xb1定值：

77ohm

失磁一段延时：

1.5S

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.9逆功率保护

发电机逆功率保护又称功率方向保护。

正常运行中的发电机的功率方向应该为由发电机流向母线，但是当发电机失磁或其他某种原因造成发电机有可能变为电动机运行，即从系统中吸取有功功率。

当逆功率达到一定值时，发电机的保护动作，或动作于发信号或动作于跳闸。

采样：

PT变比：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）

尾端CT变比：

3000/1

定值：

逆功率值：

19W

动作时限：

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.10复合电压闭锁过电流保护

该保护通常作为发电机的后备保护，它是由一个负序电压继电器和一个接在相间电压上的低电压继电器共同组成的电压复合元件，两个继电器只要有一个动作，同时过电流继电器也动作，整套装置即能启动。

功能是解决发电机在最大（或最小运行方式下）时两相短路（负序闭锁）或三相短路（低电压闭锁）时，故障电流达不到速断整定值，过流延时时间又太长，而引入复合电压回路，来降低过流的动作值。

复合电压是由相间低电压和负序电压构成，一般组成闭锁元件，防止保护误动。

采样：

PT变比：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）

尾端CT变比：

3000/1

定值：

负序电压定值：

过流定值：

1.12A

过流带记忆延时：

动作时限：

3.3S

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.11过负荷保护

发电机组输入功率超过了额定的出力，引起设备过载。

由于短时过负荷不会引起系统，但长时间会发电机组设备本身的安全或稳定问题，或用电设备的安全，故过负荷一般保护延时作用于信号和跳闸。

采样：

PT变比：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）

尾端CT变比：

3000/1

定值：

过流Ⅱ段：

0.91A

动作时限：

出口方式：

告警

1.12PT断线监视

指保护装置感受的母线电压异常如电压空开跳开，电压缺相等电压异常情况时，保护会闭锁有关电压的保护如距离保护，零序方向等，此时保护会自动投入PT断线保护，在系统有故障，主保护不能动作时靠它来切除故障。

采样：

PT变比：

（10/√3）/（0.1/√3）/（0.1/3）

尾端CT变比：

3000/1

定值：

过流解闭锁锭值：

1.0A

负序过流解闭锁定值：

100mA

动作时限：

出口方式：

闭锁相关保护、告警

1.13励磁变速断保护

保护双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障，同时也可以用来保护变压器单相匝间短路故障。

采样：

CT变比：

75/1

定值：

过流Ⅰ段：

21In

动作时限：

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.14励磁变过电流保护

当流过被保护原件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号。

采样：

CT变比：

75/1

定值：

过流Ⅱ段：

2.5In

动作时限：

1.5S

出口方式：

跳闸出口断路器、灭磁断路器、停机

1.15励磁变过负荷保护

励磁变输入功率超过了额定的出力，引起设备过载。

由于短时过负荷不会引起系统，但长时间会发电机组设备本身的安全或稳定问题，或用电设备的安全，故过负荷一般保护延时作用于信号和跳闸。

采样：

CT变比：

75/1

定值：

过流Ⅰ段：

1.1In

动作时限：

2.变压器

电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常带来严重影响。

变压器的内部故障可以分为油箱内和油箱外故障两种，油箱内部故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等，这些油箱内故障时产生电弧，将引起绝缘物质的剧烈气化，从而可能引起爆炸。

油箱外的故障，主要是套管和引出上扫生相间短路和接地短路。

变压器不正运行状态主要有：

由于变压器外部上间短路引起过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因因而引起的油面降低。

2．1纵差动保护

保护原理与发电机组相同。

采样：

PT变比：

（220/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/0.1

CT变比：

高压侧开关CT：

300/1；

#1、#2发电机机端、#1隔离变高压侧CT：

3000/1

定值：

差动起动值>：

0.5Iref

差动速断>>：

5Iref

差动速断>>>：

6Iref

动作时限：

出口方式：

跳主变220kV侧开关、#1发电机出口开关、#1机停机、#1机灭磁、#2发电机出口开关、#2机停机、#2机灭磁、#1隔离变高压侧开关、启动失灵。

2.2定时限过流保护

保护原理与速断保护相同，但速断保护无时限，而该保护带时限。

采样：

PT变比：

（220/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/0.1

CT变比：

高压侧开关CT：

300/1；

#1、#2发电机机端、#1隔离变高压侧CT：

3000/1

定值：

过流>>：

1.0In

动作时限：

出口方式：

跳主变220kV侧开关、#1发电机出口开关、#1机停机、#1机灭磁、#2发电机出口开关、#2机停机、#2机灭磁、#1隔离变高压侧开关、启动失灵。

2.3失灵起动保护

指故障电气设备的继电保护动作发出跳闸命令而断路器拒动时，利用故障设备的保护动作信息与拒动断路器的电流信息构成对断路器失灵的判别，能够以较短的时限切除同一厂站内其他有关的断路器，使停电范围限制在最小，从而保证整个电网的稳定运行，避免造成发电机、变压器等故障元件的严重烧损和电网的崩溃瓦解事故。

采样：

PT变比：

（220/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/0.1

CT变比：

高压侧开关CT：

300/1；

#1、#2发电机机端、#1隔离变高压侧CT：

3000/1

定值：

过流>>：

1.0In

动作时限：

出口方式：

失灵条件满足后解除失灵电压闭锁、起动断路器失灵保护。

2.4零序过流保护

大电流接地系统中，防御变压器相邻元件（母线）接地时的零序电流保护。

采样：

PT变比：

（220/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/（0.1/√3）/0.1

CT变比：

高压侧中性点CT：

100/1；间隔CT：

100/1。

定值：

过流>>：

1.0In

动作时限：

出口方式：

跳主变220kV侧开关、#1发电机出口开关、#1机停机、#1机灭磁、#2发电机出口开关、#2机停机、#2机灭磁、#1隔离变高压侧开关、启动失灵。

2.5间隙零序过流、零序过压保护

变压器正常情况下，三相线电压的向量和为0，当系统发生单相接地后，三相线电压的向量和不为0，形成零序电压。

通过检测该零序电压能够反映系统是否发生单相接地故障，这就是零序过电压保护。

2.6重瓦斯保护

由于变压器油箱内部发生故障时，产生电流和电弧，将使变压器油及其它绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因气体比较轻，它们将从油箱流向油枕的上部。

当故障严重时，油会迅速膨胀并产生大量的气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流冲向油枕的上部。

瓦斯保护的主要优点是动作迅速、灵敏度高、安装接线简单、能反应油箱内部发生的各种故障。

其缺点则是不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上发生的故障。

如何采集瓦斯气体：

取气时可将专用的玻璃倒置，瓶口靠近瓦斯继电器的放气阀，然后打开放气阀收集气体。

将收集到的气体拿到安全的地方进行点燃试验。

取气试验应立即进行，气体颜色和可燃性与变压器故障性质的关系如下：

当气体为无色味不能燃烧时，估计为变压器油内排出之空气；当气体为黄色不易燃时，估计是木质部分故障；当气体为淡黄色带有强烈臭味并可燃时，估计是纸及纸板部分故障；当气体为灰色或黑色易燃时，则为绝缘油故障。

我厂无专用轻瓦斯保护压板，当退出重瓦斯保护压板时，即认为轻瓦斯保护投入。

3.220kV母线

3.1母联保护

母线上只有进出线路，正常运行情况，进出电流的大小相等，相位相同。

如果母线发生故障，这一平衡就会破坏。

有的保护采用比较电流是否平衡，有的保护采用比较电流相位是否一致，有的二者兼有，一旦判别出母线故障，立即启动保护动作元件，跳开母线上的所有断路器。

如果是双母线并列运行，有的保护会有选择地跳开母联开关和有故障母线的所有进出线路断路器，以缩小停电范围。

3.2母差保护

采用被保护母线各支路（含母联）电流的矢量和作为动作量，以各分路电流的绝对值之和附以小于1的制动系数作为制动量。

在区外故障时可靠不动，区内故障时则具有相当的灵敏度。

算法简单但自适应能力差，二次负载大，易受回路的复杂程度的影响。

双母线接线差动回路包括母线大差回路和各段母线小差回路。

大差是除母联开关和分段开关外所有支路电流所构成的差回路，某段母线的小差指该段所连接

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