继电保护 第一章.docx

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继电保护第一章

第一章概述

第一节继电保护装置的任务和对继电保护装置的要求

（一）继电保护装置的任务

电力系统运行中，可能出现各种故障和不正常运行状态，常见的故障有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路、线圈匝间短路、断线等。

不正常运行状态是指系统或电气设备的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，如过负荷、过电压等。

继电保护装置就是用来反应上述故障和不正常运行状态，而动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本任务是：

1.当发生故障时，能自动、迅速、有选择性地将故障部分从电力系统中切除，避免故障元件继续遭到破坏，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况，当出现不正常运行状态时，能自动、及时、有选择地发出信号，以便由值班员或由自动装置进行处理、调整，或切除不正常运行的设备。

（二）对继保护装置的基本要

根据继电保护的任务，作用于跳闸的继电保护应滿足以下四个基本要求：

选择性、速动性、灵敏性、可靠性。

1.选择性：

选择性是指电力系统当发生故障时，继电保护动作仅将故障元件切除，而使非故障部分仍能继续运行；若其保护或断路器拒绝动作时应由后备保护切除故障。

以使仃电范围尽量缩小。

如图1-1所示。

图1-1单侧电源网络中有选择性动作说明

当K点发生故障时，应由本线路的保护3动作切除故障，保护1、2、4不应动作保持继续运行；如果保护3或其断路器拒动时，应由保护2（远后备保护）动作切除故障。

这样仃电范围最小。

2.速动性：

速动性是指保护装置应尽可能快地切除故障。

保护动作快，可以缩短故障切除时间，减少故障元件的损坏程度，提高电力系统运行的稳定性。

避免故障进一步扩大。

目前，

保护动作速度最快约为0．02S即工频一个周波，故障切除时间（包括灭弧）最快约0．1S。

对220kV以上输电线路要求保护动作时间约0．02～0．04S；对大型发电机和变压器约0．03～0．05；而对某些较低电压的线路，则允许1～2S，甚至更长。

3.灵敏性：

灵敏性是指对其保护护范围内发生的故障或不正常运行状态的反应能力。

灵敏性通常用灵敏系数ksen（灵敏度）来衡量。

计算保护的灵敏系数ksen时，可按如下原则考虑：

（1）选择最不利保护的运行方式和故障类型进行计算，但不考虑可能性很小的情况；

（2）在保护护范围内选择最不利于保护动作的点（一般为保护护范围的末端）作为灵敏系数校验点。

灵敏系数表示方法可分为如下两类：

（1）对于故障时，反应参数上升的保护装置，如过电流保护。

灵敏系数

（1-1）

式中：

Ik.min--对多相短路保护取系统最小运行方式下，两相短路电流最小值

。

（2）对于故障时，反应参数下降的保护装置，如低电压保护。

灵敏系数

（1-2）

在“继电保护和安全自动装置技术规程“中，对各类保护灵敏系数的要求都作了具体规定见附录1。

4.可靠性：

可靠性是指在其保护范围内发生故障时，应可靠地动作，不应该拒绝动作；而在不属于它应该动作的情况下，应可靠地不动作，不应该误动作。

可靠性主要指保护装置本身的质量和运行维护水平而言。

保护装置的组成元件的质量越高、接线越简单、回路中继电器的触点数量越少，保护装置的工作就越可靠。

同时，精细的制造工艺、正确地调整试验、良好的运行维护以及丰富的运行经验，对于提高保护的可靠性也具有重要的作用。

目前可靠性评价指标有正确动作率、可靠度、故障率等多项指标。

但正确动作率是最主要的指标。

正确动作率。

即在一定的期限内（例如一年）被统计的继电保护装置的正确动作次数与总动作次数之比。

用公式表示为

正确动作率=（正确动作次数/总动作次数）×100%

第二节继电保护的基本原理和保护装置的组成

（一）继电保护的基本原理

为完成继电保护的基本任务，继电保护首先要区别电力系统是正常运行、非正常运行、故障。

电力系统发生故障或异常运行时通常伴有电流增大、电压降低、线路始端测量阻抗减小及电流与电压间相位角改变等。

利用故障时这些参数与正常运行时的差别,可构成各种不同的继电保护装置。

如：

利用电流增大的特点，可构成过电流保护；利用电压降低的特点，可构成低电压保护；利用电压与电流间的相位改变可构成方向保护；利用某种通道，同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量的差别构成纵联差动保护；利用同时反映电压降低和电流增加的的原理构成距离（阻抗）保护；利用非电量（气量）变化特征，构成保护如瓦斯保护、温度保护；利用频率降低构成低周减载装置等。

以上各种原理的保护，可以由一个或若干个继电器连接在一起组成保护装置来实现。

继电器是所有继电器装置的基本组成元件，按照继电器的工作原理分类可分为五种：

电磁型继电器；感应型继电器；电动型继电器；整流型继电器；静态型继电器是晶体管型、集成电路型和微机型继电器的统称。

（二）继电保护装置的构成

继电保护的种类很多一般由测量部分、逻辑部分和执行元件三部分组成。

如图1-2所示

图1-2继电保护装置基本组成框图

1.测量部分：

测量从被保护对象（输电线路或其它电气元件）输入的有关电气量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与事先给定的整定值进行比较，判断被保护元件有无故障或异常情况，并输出相应的逻辑信息，从而判断保护是否应该起动。

2.逻辑部分：

根据测量元件输出的逻辑信号，使保护装置按一定逻辑顺序工作，最后确定是否应发出瞬时或延时动作于跳闸或信号的命令，并将有关信息传给执行元件

3.执行元件：

根据逻辑部分传送来的信息，将跳闸或报警信号送至断路器的控制回路或报警信号回路，完成继电保护装置的任务。

继电保护装置可以由电磁型继电器构成，也可以由晶体管或集成电路组合的电子电路构成或由计算机及其接口来构成。

继电器按所反应的电气量的不同可分为电流、电压、功率方向、阻抗、频率继电器等。

继电保护按故障判据分类有过电流、低电压、低周波、零压、失磁、零电流；非电气量的有：

温度、瓦斯保护等。

第三节相关基础知识

（一）电流互感器及其接线

电流互感器是用来将大电流按一定比例变换成小电流的设备。

它的一次线圈匝数很少，串联在测量电路中；二次线圈匝数很多，与仪表及电流继电器的线圈相串联。

电流互感器一般是单相式，工作原理与变压器基本类似，只是二次负载阻抗很小，接近短路状态。

，

1.电流互感器的极性。

如图1-3所示，一二次线圈中感应电动势同时为高电位，称为同极性，一般用L1和K1上注以“·”号标示。

当一次线圈中的电流由“·”’流入时，二次线圈中的电流由“·”流出，称为减极性。

2.电流互感器的极性测试。

现场一般采用直流测试法如图1-3所示，

图1-3电流互感器的极性标示

将电池E的正极接一次线圈始端L1端（“·”端），负极接末端L2端，如二次线圈有极性标志，则直流电流表的（+）端与二次线圈的始端K1端（“·”端）連接，（-）端与末端K2连接，（如极性不明，可任意向二次线圈连接）当闸刀S合上瞬间，电流表指针向正方向偏转，拉开瞬间电流表指针向负方向偏转，则表明电流互感器为减极性，L1·、K1·为同极性标志正确。

3.电流互感器的误差及10%误差曲线。

励磁电流是引起电流互感器比值误差和相角误差的主要原因，对于继电保护用电流互感器，要求比值误差不超过10％，相角误差不超过80。

电流误差。

归算到二次绕组的一次电流

与二次绕组电流

的数量差，一般用百分数表示，即

（1-3）

电流互感器稳态运行时的电流误差实际是二次负载阻抗Zf与短路电流倍数m的函数，可表示为

（1-4）

式中m短路电流倍数，

；

Id流过电流互感器原边的短路电流；

IN.1电流互感器的一次额定电流。

按规定用于继电保护的电流互感器，其稳态电流误差不允许大于10%，角误差不得大于7°（角误差δ为电流互感器原副边电流的相位差），即

∫（Zf,m）≤10%

在滿足10%误差的条件下，m=∫（Zf）的关系曲线叫电流互感器的10%误差曲线，它由制造厂家提供。

4.电流互感器的接线方式。

由于电力系统本身的特点和对继电保护、仪表的要求各不相同，因此电流互感器的接线方式通常采用如图1-4所示六种。

图1-4电流互感器的接线方式

（1）一相式接线。

如图1-4a）只能反应一相电流，所以只适用于平衡的三相电路或单相电路。

（2）两相不完全星形接线（二相V形接线）。

如图1-4b）二次侧公共线上流过的电流与未接电流互感器一相的二次电流数值相等，方向相反。

即

这种结线能反应所有的相间短路故障，但不能反应大接地电流系统中无电流互感器一相（B相）的单相接地故障。

广泛用于中性点不接地系统中，在不同相别的两点接地组合中，只能保证2/3的动作机会。

（3）三相星形接线（完全星形接线或Y形接线）。

如图1-4（c）能反应各相电流和各种相间短路故障（至少两个继电器动）和接地短路。

广泛用于发电机、变压器等大型电气设备的保护中。

（4）两相电流差接线。

如图1-4（e）二次公共线中的电流值等于两相电流之差，

。

在对称运行和三相短路情况下，Ig=

Ia=

Ic；在相位上滞后30°。

在AC两相短路时，Ig=2Ia；在AB或BC两相短路时，Ig=Ia或Ig=Ic。

由此看出，在不同短路类型和短路相别下，通过继器电的电流Ig和电流互感器二次电流I2之比是不同的因此在整定计算中，引入一个接线系数KCON，定义为流入继电器的电流Ig与电流互感器二次电流I2之比，即KC=Ig/I2。

（在完全星形和不完全星形接线中，Kc=1。

）

一般两相电流差接线只用于3～10kV中性点不接地系统中，高压电动机保护装置。

（5）三相三角形接线。

如图1-4（d）反应三相线电流，在各种类型短路情况下，继电器都有电流流过，能反应所有的故障类型。

流入继电器线圈的电流为二次相邻两相电流矢量差，即线电流为相电流的

倍，相位上相差30°。

流入继电器线圈中的电流没有零序电流，零序电流只能在接成三角形的电流互感器的二次线圈内环流。

三角形接线方式主要用于Y，d接线的变压器的差动保护装置。

（6）零序电流接线。

如图1-4（f）二次侧公共线中流过的电流为三个相电流矢量和即

反应的是零序电流，这种结线用于零序电流保护。

（二）电压互感器及其接线

电压互感器是将电力系统的一次电压按一定比例变换成二次较小的电压，供给继电保护装置和测量表计用，同时还使二次设备与一次高压隔离，保证人身和设备的安全。

其工作原理与变压器基本相同，工作状态接近于变压器的空载情况。

常用电压互感器的结线方式如图1-5所示。

；

图1-5电压互感器结线

（a）两个单相式电压互感器构成V—V接线；

（b）三个单相式电压互感器构成星形接线；

（c）三相五柱式电压互感器接线方式.

1.两个单相电压互感器构成的V—V接线。

如图8-1-5（a）所示。

这种结线方式可以获得对称的三个线电压，但不能获得相电压，用于只需要线电压的继电保护装置和测量表计。

一般变比为U1N/100V（U1N为电压互感器一次额定电压）。

2.三个单相电压互感器构成的星形接线。

如图8-1-5（b）所示。

每个电压互感器二次侧一般都有一个主二次绕组，一个辅助二次绕组。

主二次绕组一般接成星形，供测量和保护用；辅助二次绕组接成开口三角形，供接地保护使用。

在大接地电流系统中电压互感器变比为

V；在小接地电流系统中电压互感器变比为

V。

3.三相五柱式电压互感器的接线方式。

如图8-1-5（c）所示。

是具有五个磁柱的铁芯，它的边柱铁芯做另序磁通的通路，这种结构在系统发生一相接地时，其铁芯发热情况将比三相三柱式电压互感器好得多。

它也有两个二次线圈，一个接成星形供测量和保护用，另一个接成开口三角形供接地保护用。

三相五柱式电压互感器一般用于小接地电流系统中，它的变比为：

一次绕组对二次主绕组，一次绕组对辅助二次主绕组分别为

。

如用于大接地电流系统中,它的变比为：

一次绕组对二次主绕组，一次绕组对辅助二次主绕组分别为

（三）无限容量系统短路电流周期分量的计算

1.短路电流计算。

无限容量系统网络发生短路时，短路电流周期分量在整个短路过程中不发生衰减，即IK=I″=I0.2=I∞，其大小决定于故障类型以及短路点和电源之间的总阻抗Z∑，一般可表示为：

（1-5）

式中：

----故障类型系数，对三相短路

=1，对两相短路；

Eφ----系统等效电源的相电势；

ZS----保护安装处到系统等效电源之间的正序阻抗，此阻抗随运行方式而改变；

Zk----保护安装处到短路点之间的正序阻抗。

对高压系统可忽略阻抗中的电阻分量，用正序电抗计算。

2.最大运行方式。

所谓最大运行方式是指，发生短路时，系统等值阻抗最小，而通过保护装置的短路电流最大的运行方式。

3.最小运行方式。

所谓最小运行方式是指，在同样短路条件下，系统等值阻抗最大，而通过保护装置的短路电流最小的运行方式。

系统等值阻抗的大小与投入运行的电气设备和线路的多少有关。

4.最小短路电流和最大短路电流。

由于在相同的条件下，两相短路电流

是三相短路电流

的

倍。

因此有

。

对某一保护而言，在最大运行方式下三相短路时通过保护装置的短路电流为最大，称之为最大短路电流。

而在最小运行方式下两相短路时通过保护装置的短路电流为最小，称之为最小短路电流。

（四）主保护和后备保护。

电力系统中的电气设备和线路，所装设的反应故障和异常运行状态的保护装置，分这主保护、后备保护和辅助保护。

1.主保护。

主保护是滿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全线路故障的保护。

2.后备保护。

后备保护是当主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护。

后备保护可分为远后备保护和近后备保护两种。

远后备保护是当主保护或断路器拒动时，由相邻上一级电气设备或线路的保护实现后备的保护。

近后备保护是当主保护拒动时，由本电气设备或线路的另一套保护实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护实现后备的保护。

3.辅助保护。

辅助保护是指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。

☆1P1~5第1-1、1-2、1-3、P9~14P21~25第2-1

☆

第四节微机型继电保护

（一）概述

微机保护是由微型计算机实现的新型保护，由硬件和软件（即程序）两大部分构成。

硬件的核心是微处理器。

微机保护的硬件是通用的，保护性能和功能由软件决定，所以一套硬件可完成多个保护功能。

它具有很强的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因此可实现任何完善且复杂的保护原理。

而且软件程序可以实现自适应性，依靠运行状态而自动改变定值和特性。

微机保护具有自检功能，抗干扰能力强。

与传统保护比具有可靠性高、灵活性大、动作迅速、易于获得附加功能和维护调试方便、可兼有故障录波等优点。

微机保护除了保护功能外，还具有较完善的通迅功能，可以很方便的实现微机保护与控制综合自动化（集电力系统保护、控制、监视、测量、故障分析、信号、数据通信为一体的自动化系统）。

可以同步完成电力系统的优化控制、经济运行和智能决策等功能，能够全面改善电力系统的性能。

综合自动化系统有数据识别单元、微机保护测控、变电站主机、中央计算机组成。

变电所综合自动化系统的结构模式有集中式、独立式、分布分散式、分布集中组合式四种。

（二）微机保护的硬件介紹

硬件系统按功能可分为以下五个部分：

（1）数据采集单元；

（2）数据处理单元；（3）开关量输入/输出接口；（4）通信接口；（5）电源。

微机保护硬件系统的示意框图如图1-6所示

图1-6微机保护硬件系统的示意框图

1.数据采集单元

继电保护的基本输入量是模拟性质的电信号，微机保护能够处理的信号是离散化的数字量，将模拟信号正确地变换成离散化的数字量的过程就是通常所说的数据采集，因此模拟量输入接口部件也称为模拟量数据采集部件或数据采集系统。

主要包括输入变换及电压形成回路（变换器U）、前置模拟低通滤波器（ALF）、采样保持电路（S/H）、多路转换器（MPX）、模数变换（A/D）电路等五个部分。

（1）输入变换及电压形成回路。

微机保护和晶体管保护是弱电元件构成的保护，电压、电流互感器的二次输出须经过电压形成回路接至这些弱电元件。

常用的电压形成回路主要有电压变换器、电流变换器和电抗变压器等如图1-7所示。

图中变换器一次侧所接的电容主要是为了吸收耦合到输入导线上的干扰信号。

电流互感器二次侧并联电阻的目的是通过电流在电阻上产生的电压来实现电流量到电压量的变换。

电压形成回路回路的作用是，变换电量，将电压、电流互感器二次输出的100V、5A的电气量转换成低电压、小电流，以适应弱电元件的需要，另外还起电气隔离和电磁屏蔽作用，以保证弱电元件的安全，减少来自高压设备对弱电元件的干扰。

常用的电流、电压变换器的结构如图1-7所示。

将电压互感器的二次侧电压（100V）和电流互感器的二次侧电流（5A）转换成A/D所需的±10V或±5V电压。

图中变换器一次侧所接的电容主要是为了吸收耦合到输入导线上的干扰信号。

电流互感器二次侧并联电阻的目的是通过电流在电阻上产生的电压来实现电流量到电压量的变换。

电流、电压变换回路除了起电气量变换作用外，还起到隔离作用。

它使微机保护装置在电路上与电力系统二次回路隔离。

因为了人身和设备的安全，电流、电压互感器二次侧安全接地，而弱电元件和直流电源相连不允许直接接地。

弱电元件易受干扰，在变换器一、二次侧间要加有接地的屏蔽绕组，防止来自高压系统的电磁干扰。

通过改变绕组的抽头，实现保护装置定值的调整。

另有电抗变压器，是将一次电流变换成正比的二次电压常用于模拟输电线路阻抗。

进行线路阻抗角的变换。

图1-7模拟量输入变换回路及低通滤波电路图

（2）前置模拟低通滤波器（ALF）

采样是将一个连续时间信号x（t）变成离散时间信号xs（t）。

这个过程称作采样过程由采样器来实现。

采样器是由定时器发出采样控制脉冲s（t）控制的的开关S，每隔Ts（采样周期）短时闭合一次，接通模拟量输入信号实现一次采样。

图1-8采样保持过程示意图

连续时间信号x（t）经采样后成为离散时间信号xs（t），能够复现原来的连续时间信号x（t）。

必须遵循的采样定理是∫s≥2∫0。

即采样频率∫s要大于二倍的被采的信号频率∫0。

模拟低通滤波器（ALF）是一种能使有用频率信号通过，同时抑制无用频率信号的电路。

系统故障电压、电流信号中含有高频分量，一般微机保护的原理都是基于工频量，在采样频率不太高时，为了防止频率混叠，要限止输入信号的高频分量。

为此在采样保持回路之前加模拟低通滤波器将高次频波分量滤掉。

见图1-7。

（3）采样保持（S/H）电路

模拟量经过低通滤波器送到采样保持器进行保持。

采样保持电路的作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值，并在模拟转换器（A/D）进行转换期间内保持其输出不变，即把随时间连续变化的电气量离散化。

图1-9采样保持器的基本组成电路

（4）模拟量多路转换器

微机保护通常需对多个模拟量同时采样，，由于每个模拟量通道用一个A/D转换器成本太高而且实现电路较复杂，所以一般采用各模拟量通道通过多路转换器共用一个A/D，采样保持信号通过模拟多路转换开关分别送到模拟转换器（A/D）进行转换，微机保护通常需要对多个模拟量同时采样，以获得各电气量之间的相位关系并使其经过采样后保护不变，数据采集系统采用多路转换器实现通道切换，轮流由公用的模拟转换器（A/D）将模拟量转换成数字量。

多个转换器原理框图图如图1-10所示。

图1-10多路转换开关原理图

（5）模数转换器（A/D）

实现模拟量转换成数字量的硬件芯片称为模数转换器，也称为A/D（Ana-log/Digital）转换器。

由于微机系统只能对数字量进行分析处理，A/D的任务就是将連续变化的模拟信号转换成离散的数字量，以便计算机进行处理、存储、控制和显示。

2.数据处理系统

数据处理系统是微机保护的核心，它主要由中央处理器（CPU）、存贮器、定时器/计时器及控制电路等组成。

存储器有只读存贮器EPROM主要存放监控、继电保护功能程序等；随机存取存贮器主要存放采样数据、中间运算结果和标志字；只读存贮器EEPRON主要存放定值，停电时不会丢失数据，在写入时自动将原有内容擦掉。

以上组件通过数据总线、地址总线、控制总线連成一个系统，实现数据交换和操作控制。

继电保护程序在数字核心部件内运行，完成数字信号处理任务，指挥各种外围接口部件运转，从而实现继电保护的原理和各项功能。

3.开关量输入/输出接口

微机保护所需要采集的信息分为模拟量和开关量，开关量是指断路器、隔离开关、转换开关和继电器的接点等，这些输入量的状态只有分、合两种状态，一般称为开关输入量。

保护装置动作后需发出跳闸命令和相应的信号等，这些输出量的状态同样具有动作与不动作两种状态，一般称为开关输出量。

开关输入、输出量正好对应二进制数字的”1“或”0“，所以开关量可作为数字量输入和输出。

（1）开关量输入回路。

开关量输入，是指开关触点接通或断开状态向微机保护的输入。

一般分为两种，一种是装置面板上开关量的输入，如定期检查装置用的鍵盘触点、装置的方式开关等。

另一种是装置外部的开关触点。

对于装置面板上的触点，可直接接至微机并行接口。

对于装置外部引入的触点，为防止干扰，需经光电隔离电路后再引至微机并行接口。

如图1-11所示。

图1-11开关量输入电路

图中虚线框内是一个光电耦合芯片，是由发光二极管和光敏三极管组成。

当外部开关K接通时有电流流过光电耦合器件的发光二极管回路，使光敏三极管导通，PA0点电位近似为0。

K打开时，光敏三极管截止，PAO点电位为+5V。

故光敏三极管的导通与截止反应了外部接点通、断状态。

光电耦合器是以光为媒介来传输信号的器件，因此其输入和输出回路在电气上是完全隔离的，所以具有较高的电气隔离和抗干扰能力。

PA0是微处理器的输入输出口或外扩并行口。

（2）开关量输出回路。

输出的开关量主要包括保护的跳闸出口以及反应保护工作情况的各种信号等，一般采用并行接口的输出口来控制有触点继电器（干簧或小型中间继电器），为提高抗干扰能力,也是经光电隔离电路接出，如图1-12所示。

只要由软件指令使并行口的PB0输出“0“，PB1输出”1“，便可使与非门“H”输出低电平，光电三极管导通。

继电器K接点被吸合，再经跳闸出口发出跳闸命令或相应的信号。

设置反相器和与非门的作用是为了提高保护的抗干扰能力，同时考虑并行口负载能力有限。

PB0接反相器而PB1不接反相器的目的，是为了防止拉合直流电源过程中继电器误动作。

图1-12开关量输出回路接线图

4.通信接口

为形成集微机保护、监控、远动和管理于一体的变电站综合自动化系统，微机保护除完成自身的独立功能之外，通过主机向本地或远方传送保护定值、故障报告等同时远方可通过主机对微机保护实行远方控制，如俢改定值、投切压板等，这些都需由通信接口来实现。

（三）微机保护装置软件介绍

微机保护的原理、特性及测控等性能由软件来实现，它按照保护原理的要求对硬件进行控制，有序地完成数据采集、外部信息交换、数字运算和逻辑判断、动作指令执行等各项操作。

软件通常可分为监控程序和运行程序两部分。

监控程序包括人机对话接口键盘命令处理程序及为插件调试、定值整定、报告显示等所配置的程序。

运行程序是指保护装置在运行状态下所需执行的程序。

运行程序软件一般分为主程序和中断服务程序两个模块：

主程序，包括初始化、全面自检、开放及等待中断等。

中断服务程序，通常有采样中断、串行口中断等。

前者包括数据采集与处理