电力系统基本概要跟继电保护基本原理Word文档下载推荐.docx
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电压有效值I：
电流有效值
F：
频率CosǾ：
功率因数
P：
有功功率Q：
无功功率
S:
视在功率
关系：
S＝P＋jQ
P＝UICosǾ
Q＝UISinǾ
五、一次设备与二次设备的概念
1、一次设备：
指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备，它包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线、输电线路、电力电缆、电抗器、电动机等；
2、二次设备：
指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备，如熔断器、控制开关、保护装置、控制电缆等。
六、发电机，变压器，线路，电容器，断路器，刀闸，电流互感器（CT），电压互感器（PT）等在电力系统中的作用
1、发电机：
把各种形式的能量转化为电能的设备。
2、变压器：
电能需要传送，变压器将电压升高进行长距离传输，这样可以降低损耗；
当使用电能时，为了满足电气设备的要求，变压器将电压降低。
3、线路：
传输电能。
4、电容器：
给系统补偿无功。
5、断路器：
切断大电流的设备，具有灭弧的功能。
6、刀闸：
为了检修设备时，有可靠的断点。
7、电流互感器：
（一次）大电流→（二次）小电流（额定值为5A或1A）；
隔离作用。
8、电压互感器：
一次高电压二次低电压（额定值100V）。
继电保护基本原理
一、继电保护的作用
继电保护的概念：
当系统一旦发生故障时，保证系统能有选择性的、快速的切除故障的装置，称为继电保护装置；
原来实现此功能的装置是由继电器组合来实现的，故称为继电保护装置，而目前继电器已被电子元件及计算机替代，但仍沿用此名称。
在电力部门常用继电保护一词泛指机电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。
系统发生短路时可能产生的后果
1、通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；
2、短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短使用寿命；
3、电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品的质量；
4、破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至瓦解整个系统。
继电保护的基本任务：
1、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，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；
2、反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，动作于发信号、减负荷或跳闸。
继电保护的发展历程
一、继电保护原理发展史：
1、19世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式的电磁型过电流继电器；
2、1901年出现了感应型过电流继电器；
3、1908年提出比较被保护元件两端电流的差动保护原理；
4、1910年方向保护得到运用；
5、1920年前后距离保护出现；
6、1927年前后出现了利用高压输电线路上高频载波电流传送和比较输电线路两端功率方向或电流相位的高频保护装置；
7、1950年前后出现了利用微波传送电量的微波保护；
8、1970年前后诞生了行波保护装置。
二、继电保护装置发展史：
1、机电式继电器：
上世纪50年代以前，以电磁型、感应型、电动型继电器为主，都具有机械转动部分。
优点：
运用广，积累了丰富的运行经验，技术比较成熟。
缺点:
体积大，功耗大，动作速度慢，机械转动部分和触点易磨损或粘连，调试维护复杂。
2、晶体管式机电保护装置（第一代电子式静态保护装置）：
50年代开始发展，70年代得到广泛应用。
解决了机电式继电器存在的缺点
缺点：
易受外界电磁干扰，在初期经常出现“误动”的情况，可靠性稍差。
3、集中电路继电保护装置（第二代电子式静态保护装置）：
80年代后期出现，将数十个甚至更多的晶体管集中在一个半导体芯片上。
体积更小，工作更可靠。
4、微机保护：
90年代后，已大量投入使用，成为机电保护装置的主要形势。
可以说微机保护代表着电力系统机电保护的未来，目前已成为电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分。
1）具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可以实现任何性能完善且复杂的保护原理；
2）微机保护可以自检，可靠性高；
3）可用同一的硬件实现不同的保护功能，制造相对简化，易进行标准化；
4）功能强大：
故障录波，故障测距，事件顺序记录，调度通讯等功能。
继电保护的四性及相互关系
一、继电保护的4个基本要求：
1、选择性：
即保护装动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量减少，让无故障部分仍能继续安全运行。
1）图片
2）d1、d2、d3短路的切除范围。
3）考虑拒动的可能：
远后备、近后备。
2、速动性：
快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。
3、灵敏性：
指对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反映能力。
在保护范围内，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐的正确反映。
灵敏系数：
检验保护装置所保护的范围发生故障时，继电保护装置的反映能力。
对于过量保护装置，灵敏系数的含义：
Klm=保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值/保护装置的动作参数
故障参数的计算值根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定。
4、可靠性：
该动作时，不拒动；
不该动作时，不误动。
二、四性的相互关系：
1、选择性与速动性存在矛盾，解决矛盾的方法是：
1）切除故障允许有一定的延时；
2）对于维持系统稳定的、重要的、可能危及人生安全的故障必须保证快速切除。
2、灵敏性与可靠性存在矛盾，保护设置太灵敏，容易引起“误动”，不可靠；
保护设置过分的考虑“稳妥性”，增加了“拒动”的可能性。
为了解决这个矛盾，我们一般根据电力系统的结构和负荷性质的不同，误动和拒动的危害程度有所不同来进行考虑：
1）系统中有充足的备用容量、输电线路很多、各系统之间和电源与负荷之间联系很紧密时，提高继电保护“不拒动”的可靠性比提高“不误动”的可靠性更为重要；
2）系统中备用容量很少，各系统之间和电源与负荷之间联系比较薄弱的情况下，提高继电保护“不误动”的可靠性比提高“不拒动”的可靠性更为重要。
电网线路保护的基本原理
一、阶段式电流保护
1、电流速断保护：
1）说明：
该保护简单可靠、动作迅速，得到广泛应用；
但缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围受系统运行方式的影响，一般对于系统运行方式变化很大或线路很短的情况下使用速断保护，效果不佳。
2）图片：
3）分析：
a）整定原则：
按照躲过最大运行方式下本线路尾端三相短路时电流整定。
b）为何不能保护线路的全长：
保证选择性；
c）保护范围怎样受系统运行方式的影响：
最大运行方式时，保护范围最大；
最小运行方式时，保护范围最小，甚至失灵。
2、限时电流速断保护
有选择性的电流速断不能保护线路全长，故需增加一段新的保护，用以切除本线路上速断范围以外的故障，同时也作为速断的后备，这就引出了限时电流速断保护。
对于该保护的要求是：
a）在任何情况下，能保护线路的全长，并具有足够的灵敏性；
b）在较小的时限快速切除全线路范围以内的故障。
按照保护范围不超出下一条线路速断保护的范围，动作时限比下一条线路速断保护高出一个时间阶段Δt，通常取0.5秒。
b）限时速断保护灵敏性的要求：
为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，对限时电流速断保护要求Klm>
1.3～1.5，以防止当线路末端短路时，出现一些不利于保护动作启动的因素（如非金属性短路、计算误差、互感器误差、保护装置误差等），使保护拒动。
c）速断与限时速断保护配合的评价：
两个保护的联合工作保证了全线路范围内的故障都能在0.5秒的时间范围内切除，在一般的情况下都能够满足速动性的要求，能够构成一条线路的主保护。
3、定时限过电流保护
由于速断保护不能保护线路的全长，故通过限时速断保护既可作为主保护保护本线路尾端速断所不能保护的范围，又能作为本线路速断的后备保护，但限时速断保护不能作为相邻下一条线路的后备保护，故为了保证整个系统的可靠性，引入了定时限过电流保护。
该保护通常按照躲开最大负荷电流来整定，在正常运行情况下不应启动，而在电网发生故障时，则能反映于电流的增大而动作，在一般情况下，它不仅能保护线路的全长，也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。
4、阶段式电流保护的评价：
其主要优点就是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求，因此在电网中特别是在35kV及以下的较低电压网络中获得了广泛应用。
但其缺点是受电网的接线以及电力系统运行方式变化的影响。
5、电流保护的接线方式：
三相星形接线、两相星形接线
1）两相星形接线较为简单经济，因此在中性点直接接地电网和非直接接地电网中，都广泛采用作为相间保护。
并且经过分析，在分布很广的中性点非直接接地电网中，放射性接线网络居多，在此情况下，采用两相星形接线可以保证有2/3的机会只切除一条线路，而采用三相星形接线是100％的同时切除两条线路，不利于系统运行。
2）三相星形接线广泛用于发电机、变压器等大型贵重电气设备的保护中，能提高保护的可靠性及灵敏性（分析当过电流保护接于降压变压器的高压侧作为低压侧线路故障的后备保护时，如果保护采用三相星形接线，则有一相由于流有较其他两相大一倍的电流，故灵敏系数增加了一倍。
所以一般采用高后备作为线路的后备保护为好）。
如上图所示，降压变压器低压侧发生AB两相短路时，在故障点有，
IA2=-IB2，IC2=0，设低压侧每相绕组中的电流为别为Ia2，Ib2，Ic2，则：
Ia2－Ib2＝IA2，Ib2－Ic2＝IB2，Ic2－Ia2＝IC2。
由此可得：
Ia2＝Ic2＝IA2/3，Ib2＝2IA2/3。
根据变压器的工作原理，即可求得高压侧电流的关系为：
IA1＝IC1，IB1＝－2IA1。
由此可以看出，如果变压器高后备采用三相保护，
其B相较其他两相大一倍的电流，因此，灵敏系数增加一倍。
二、电网的方向性电流保护
1、工作原理：
1）对于单侧电源网络，断路器及保护都安装在被保护线路靠近电源的一侧；
而对于双侧电源网络，每条线路的两侧均装有断路器和保护装置。
（为什么）
2）方向元件应保证正方向可靠动作，反方向可靠不动作，才能保证保护有选择性动作。
定义：
电流从母线流向线路为正方向。
3）图例说明：
2、关于方向保护几个问题的说明：
1）90度接线：
主要防止在正方向出口附近发生三相短路、相间接地短路以及单相接地短路时，由于单相电压数值很小，甚至为0，使保护不能判别方向，通常指保护存在“电压死区”，可能引起保护拒动，故为了减少或消除“死区”，采用90度接线，即进行方向判断时，A相电流对BC相间电压进行判断，B相电流对CA相间电压进行判断，C相电流对AB相间电压进行判断。
2）采用记忆功能：
采用90度接线仍然不能减小和消除三相短路时的死区，因此采用记忆回路，即保护装置记录故障前的几个电压波形，当故障发生时，将故障电流与记录的电压相角进行比较。
三、中性点直接接地电网的零序保护
1、中性1点直接接地电网发生接地时零序分量的特点：
1）故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低。
2）零序电流的分布，主要决定于送电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目及位置无关。
3）对于发生故障的线路，两端零序功率的方向与正序功率的方向相反，由线路流向母线。
4）任一保护安装处的零序电压与零序电流之间的关系，与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关，保护安装处的零序电压实际上是该点到零序网络中性点之间零序阻抗上的电压降。
5）在电力系统运行方式变化时，如果送电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络也不变。
2、三段式零序电流保护（与阶段式保护类似，这里主要谈一下1段零序。
）
1）零序一段（零序电路速断）整定原则：
A躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流。
B躲开断路器三相触头不同期合闸时所出现的最大零序电流。
C当线路采用单相自动重合闸时，应躲开在非全相运行状态下又发生系统震荡时，所处现的最大零序电流。
2）分析：
A在有些情况下，如果按照原则2）整定使启动电流过大，而使保护范围缩小，可以考虑在手动合闸以及三相重合闸时，将该保护带有一定的延时（0.1秒），以躲过断路器三相不同期合闸。
B对于线路采用单相自动重合闸时，如果按照原则1）、2）进行整定，一般躲不开非全相运行状态下又发生系统震荡时的最大零序电流，在这种情况下，一般设置两个零序速断保护：
灵敏一段：
按照原则a、b整定，故定值较小，保护范围较大，主要任务是全相运行情况下的保护，而当单相重合闸启动时闭锁，恢复时投入。
不灵敏一段：
按照原则3）整定，故定值较大，保护范围较小，目的是在单相重合闸过程中起到保护作用。
3、为何110kV及以上系统一般采用零序电流保护，而不采用三相电流保护作为单相接地故障的保护。
两者比较，零序保护具有如下优点：
A灵敏度高：
零序过流保护按照躲开不平衡电流的原则整定，其值一般为2－3安，而过流保护至少按照躲过最大负荷电流整定。
发生单相接地短路时，故障相的电流与3I0相等。
B受系统运行方式变化的影响小，而电流速断与限时电流速断直接受系统运行方式的变化大。
C不受某些不正常运行状态的影响：
如发生系统震荡、短时过负荷时，三相是对称的，不会产生零序电流而动作，而电流保护则有可能误动。
D在超高压系统中，单相接地故障约占70％－90%，其他的故障也往往是由其引起，因此，采用专门的零序保护具有显著的优越性。
四、中性点非直接接地电网的零序保护
1、中心点不接地电网单相接地故障的特点：
1）三相之间的线电压仍然对称，对负荷的供电没有影响，可以继续运行1－2个小时；
2）单相接地后，其他俩相对地电压升高1.732倍，对系统的绝缘造成影响，故应该及时发信号，以便运行人员采取措施排除故障；
3）在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压，并且整个系统零序电压相等；
4）在非故障相的元件上流有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的实际方向为母线流向线路；
5）在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，方向由线路流向母线。
2、中性点经消弧线圈接地电网相关问题：
1）消弧线圈的作用：
中性点不接地系统发生单相接地故障时，在接地点流过全系统的对地电容电流，如果该电流够大，就会在接地点燃起电弧，导致两点或多点的接地短路，造成停电事故。
为了解决这个问题，在系统的中性点接入一个电感线圈，当系统发生接地时，给系统补偿一个电感电流，该电感电流也流过接地点，对电容电流进行补偿，消除接地弧光，故这个电感线圈叫消弧线圈。
2）加入消弧线圈接地电网的零序等效网络如下：
3、消弧线圈的补偿方式：
1）全补偿：
IL=IC，接地点的电流近似为0，从补偿效果来说，应该是最好的，但其存在很大的缺点，因为完全补偿时，感抗与容抗相等，满足串联谐振的条件，故在正常情况下，如果架空线路对地电容的不平衡或负荷不平衡，并且在断路器非全相合闸时，都将会在中性点产生不平衡电压，该电压在回路中发生电流谐振，在中性点上感应出很高的电压，威胁中心点的绝缘。
利用戴维南定理（什么是戴维南定理），中心点位移电压计算公式（不计负荷的影响）：
U0=（Ea*jωCa+Eb*jωCb+Ec*jωCc）/（jωCa+jωCb+jωCc）
＝（EaCa+EbCb+EcCc）/（Ca+Cb+Cc）
2）欠补偿：
IL<
IC，补偿后的接地电流仍然为容性，仍不能避免全补偿存在的缺点，因为当线路运行方式发生变化时，如线路跳闸，有可能出现全补偿的情况。
3）过补偿：
补偿最佳方式。
4、单相接地暂态过程：
线路在发生单相接地故障时，接地电容电流在接地瞬间较稳态值大很多倍，可以将暂态电流看成如下两个电流的叠加：
1）故障相电压的突然降低，引起的放电电容电流；
2）非故障相电压的突然升高，引起的充电电容电流。
5、中性点不接地电网的单相接地保护
1）零序电压保护：
利用不接地系统单相接地时，在本网络的所有变电所及发电厂母线上都将产生零序电压的原理，进行报警，提示运行管理员及时处理故障，但不能区分哪条线路接地，必须靠人为拉闸进行选线。
2）零序基波电流保护：
根据不接地系统单相接地时，在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之和，也即故障线路上零序电流最大的特点设置保护区分哪条线路接地。
3）零序五次谐波电流保护：
在带有消弧线圈的不接地系统中，电容基波电流被补偿，装置很难保证零序基波电流保护的灵敏度，此时，可利用发生接地所产生的零序五次谐波电流进行保护。
4）零序电流功率方向保护：
利用发生接地时，在故障线路上零序电流方向由线路流向母线，非故障线路零序电流方向由母线流向线路的原理进行保护。
五、电网距离保护
1、基本概念
电流保护的优点：
简单﹑可靠﹑经济；
缺点：
选择性﹑灵敏性﹑快速性很难满足要求（尤其35kv以上的系统）。
距离保护的性能比电流保护更加完善。
反映故障点到保护安装处的距离——距离保护，它基本上不受系统的运行方式的影响。
2、对距离保护的评价
1.选择性
在多电源的复杂网络中能保证动作的选择性。
2.快速性
距离保护的第一段能保护线路全长的85%，对双侧电源的线路，至少有30%的范围保护要以II段时间切除故障。
3.灵敏性
由于距离保护同时反应电压和电流，比单一反应电流的保护灵敏度高。
距离保护第一段的保护范围不受运行方式变化的影响。
保护范围比较稳定。
第二、第三段的保护范围受运行方式变化影响。
（分支系数变化）
4.可靠性
由于阻抗继电器构成复杂，距离保护的直流回路多，振荡闭锁、断线闭锁等使接线复杂，可靠性较电流保护低。
六、输电线纵联保护
1、纵联保护在电网中的优势：
纵联保护在电网中可实现全线速动，因此它可保证电力系统并列运行的稳定性和提高输送功率、缩小故障造成的损坏程度、改善与后备保护的配合性能。
2、保护原理：
1）利用外部故障，两侧电流叠加为0，而内部故障时，两侧电流叠加后形成差流的原理进行保护；
2）利用外部故障，两侧故障电流方向为（正、负），而内部故障时，两侧电流的方向全为正实现保护；
3）利用外部故障，两侧故障电流相位相差180度，而内部故障时，两侧电流相位相差0度原理进行保护。
3、信号传输通道：
1）导引线保护；
2）电力线载波（高频保护）；
3）微波保护；
4）光纤保护。
七、自动重合闸
1、自动重合闸的意义：
电力系统运行经验表明，架空线路故障大都是“瞬时性”的（如雷击线路、大风引起的碰线、通过鸟类或树枝在导线上引起短路等），故利用重合闸可以保证系统继续供电，大大提高了供电的可靠性，缩短了停电的时间。
其技术经济效果归纳如下：
1）提高供电的可靠性，减少停电次数；
2）提高并列系统的稳定性；
3）节约投资，可以暂缓架设双回线路；
4）对于断路器偷跳或继保误动起到纠正作用。
2、对自动重合闸的基本要求
3、
1）自动重合闸的闭锁条件：
A人为的操作应该闭锁重合闸（手合、遥合）；
B人为合闸在故障上闭锁重合闸；
C当断路器处于不正常状态（操作机构中气压、油压、液压降低等）时应闭锁重合闸。
2）除上述条件外，当继电保护动作跳闸或其他情况引起的开关跳闸，应启动重合闸；
3）启动重合闸的原则：
开关位置不对应启动；
保护启动；
4）需合理设置重合闸次数：
一般设置一次；
5）重合闸应该与保护配合，具有前加速或后加速的功能；
6）在双侧电源网络中，应考虑重合检同期、检无压的问题；
3、自动重合闸动作时限的要求
原则上越短越好，但应力争重合成功，保证：
1）故障点电弧熄灭、绝缘恢复；
2）断路器触头周围绝缘强度的恢复及消弧室重新充满油，准备好重合于永久性故障时能再次跳闸，否则可能发生DL爆炸，如果采用保护装置起动方式，还应加上DL跳闸时间。
根据运行经验，采用1s左右。
4、自动重合闸与继电保护的配合
两者关系极为密切，保护可利用重合闸提供的便利条件，加速切出故障，一般有如下两种配合方式：
1）重合闸前加速保护（简称“前加速”）
L1、L2、L3上任一点故障，保护1速断动，跳1DL——>
ZCH重合，若成功，恢复正常供电；
若不成功，按选择性动作。
快速切出故障，设备少。
永久性故障，再次切除故障的时间可能很长；
装ZCH的DL动作次数多，若DL拒动，将扩大停电范围。
主要用于35KV以下的网络。
2、重合闸后加速保护（简称“后加速”）
每条线路上均装有选择性的保护和ZCH。
第一次故障时，保护按有选择性的方式动作跳闸，若是永久性故障，重合后则加速保护动作，切除故障。
例：
第一次短路时，保护1II段动，ZCH重合，之后保护1瞬时动。
优点：
第一次跳闸时有选择性的，再次切除故障的时间加快，有利于系统并联运行的稳定性。
第一次动作时间可能带时限。
应用于35KV以上的高压网络中。
八、变压器保护的基本原理
一、变压器的故障：
1、油箱内部故障：
1）各项绕组之间的相间短路
2）单项绕组部分线匝之间的匝间短路
3）单项绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障。
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