现代电力系统继电保护原理与技术.ppt

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电力系统继电保护原理与技术山东大学电气工程学院潘贞存2006.10.19主要内容v线路的继电保护原理与技术v变压器的继电保护原理与技术v母线的继电保护原理与技术v继电保护的发展与展望主要内容v线路的继电保护原理与技术v变压器的继电保护原理与技术v母线的继电保护原理与技术v继电保护的发展与展望线路的继电保护原理与技术线路的分类v在电力系统中，线路包括高压、超高压及特高压的输电线路和中低压的配电线路，从继电保护的角度出发，主要分为以下三类：

1.666kV的中低压配电线路；2.110kV的输配电线路；3.220kV及以上电压等级的高压输电线路。

配电线路的继电保护v这三种类型线路的继电保护在原理上和构成上有很大的差异：

1.666kV的中低压配电线路一般为单电源、辐射状的小电流接地系统线路，故障形式只有三相故障和两相故障两种形式（ABC三相故障或AB、BC、CA两相故障）。

保护一般为电流电压保护，特殊情况下为方向性电流电压保护、距离保护或纵联保护。

主要问题是速断保护区短，线路大部分的故障需要经过延时切除。

配电线路的继电保护带来的危害：

（1）设备烧毁的程度严重；

（2）引发电压稳定性问题；（3）电压跌落持续时间长；（4）重合闸成功率低等。

配电线路的继电保护解决问题的思路：

（1）微机保护采用后，简单、经济、可靠不再是电流电压保护的独特优点；

（2）配电系统全面推广应用距离保护；（技术上没有困难，不增加复杂程度，除应该考虑TV断线闭锁外，基本没有负面影响）

（2）纵联保护原理应用于配电线路保护。

（主要考虑用低成本的通信手段传输继电保护的信息，可用的手段包括：

导引线、复用光纤、无线电台、移动通信、无线宽带技术等）110kV输配电线路的继电保护v110kV的输配电线路一般为大电流接地系统的单电源辐射状网络，部分线路末端可能接有小的分散电源；v故障的形式包括：

三相故障、两相故障、两相接地故障、单相接地故障共有不同相别的十种故障类型；v采用的保护一般为三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、多段式（方向）零序电流保护；110kV输配电线路的继电保护v末端带有分散电源时，或线路接于较为重要的母线时，可采用纵联保护。

v该电压等级线路的继电保护原理和技术都比较成熟，性能基本满足要求。

v主要问题成套保护后，只有原理上的后备保护，没有设备上的近后备保护。

v集成式后备保护的概念：

全站共用一套后备保护220kV及以上输电线路的继电保护v220kV及以上电压等级的输电线路一般按双侧具有电源考虑，所接电网为大电流接地系统，断路器一般采用分相操作，通常采用综合重合闸方式；v故障的形式包括：

三相故障、两相故障、两相接地故障、单相接地故障共有不同相别的十种故障类型，同时要考虑非全相运行的问题、同杆并架双回线的跨线故障问题等；220kV及以上输电线路的继电保护v220kV及以上电压等级输电线路在电力系统中占据着十分重要的地位，对其继电保护有较高的要求，微机保护后，线路保护一般均设计为成套保护，即一套保护完成所有的主保护和原理上的后备保护功能，为了实现设备上的后备，通常采用双重化配置或多重化配置。

220kV及以上输电线路的继电保护v每套保护的配置方式一般为：

（1）主保护：

能够全线速切的纵联差动或纵联比较式保护、快速跳闸的独立段保护（如工频变化量距离保护等）

（2）后备保护：

三段式相间距离保护、三段式接地距离保护、多段式（方向）零序电流保护；（3）综合重合闸。

本次讲课主要讨论220kV及以上电压等级的线路保护。

220kV及以上输电线路的继电保护v主要包括以下的几项内容：

（1）输电线路的距离保护；

（2）输电线路的纵联电流差动保护；（3）输电线路的纵联比较式保护；（4）输电线路的综合重合闸。

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220kV及以上输电线路的继电保护

（1）输电线路的距离保护；

（2）输电线路的纵联电流差动保护；（3）输电线路的纵联比较式保护；（4）输电线路的综合重合闸。

输电线路的距离保护v距离保护是通过反映故障点到保护安装处的距离而动作的继电保护装置，通常应用于110kV及以上电压等级的输电线路，其原理也可以应用于35kV及以下电压等级的配电线路；v构成距离保护的核心就是测量故障点到保护安装处的距离，并与一个事先整定的距离相比较，测量距离小于整定距离时保护动作；v测量故障距离的方法包括阻抗法、行波法和雷达法，其中应用最多的是阻抗法，此处重点介绍阻抗法。

测量阻抗及其与故障距离之间的关系测量阻抗定义为保护安装处测量电压与测量电流之比：

测量阻抗及其与故障距离之间的关系v在电力系统正常运行时，近似为额定电压，为负荷电流，为负荷阻抗。

负荷阻抗的量值较大，其阻抗角为数值较小的功率因数角（一般功率因数为不低于0.9，对应的阻抗角不大于25.80），阻抗性质以阻性为主，如下图中的所示。

测量阻抗及其与故障距离之间的关系v电力系统发生金属性短路时，降低，增大，变为短路点与保护安装处之间短路阻抗，对于具有均匀分布参数的输电线路来说，与短路距离成线性正比关系，即：

测量阻抗及其与故障距离之间的关系v短路阻抗的阻抗角就等于输电线路的阻抗角，数值较大（对于220kV及以上电压等级的线路，阻抗角一般不低于750），阻抗性质以感性为主。

当短路点分别位于图1中的k1、k2和k3点时，对应的短路阻抗分别如图2中的、和所示。

图2负荷阻抗与短路阻抗RjXZLZk2Zk1ZsetZk3KZk1Lsetk2Lk1Lk2Gk3Lk3GQFQFMN测量阻抗及其与故障距离之间的关系v依据测量阻抗在上述不同情况下的“差异”，保护就能够“区分”出系统是否出现故障，在发现有故障的情况下，可以进一步地“区分”出是区内故障还是区外故障。

v继电保护：

依据“差异”，实现“区分”三相系统中测量电压和测量电流的选取上面的讨论是以单相系统为基础的。

在这种单相系统中，测量电压就是保护安装处的电压，测量电流就是线路中的电流，系统金属性短路时两者之间的关系为：

（5）三相系统中测量电压和测量电流的选取v该式是距离保护能够用测量阻抗来正确表示故障距离的前提和基础，即只有测量电压、测量电流之间满足该式时，测量阻抗才能正确地反应故障的距离。

v在实际三相系统的情况下，由于存在多种不同的短路类型，而在各种不对称短路时，各相的电压电流都不再简单地满足式（5），所以无法直接用各相的电压、电流构成距离保护的测量电压和电流。

三相系统中测量电压和测量电流的选取v现以图3所示网络中k点发生短路故障时的情况为例，对此问题进行分析讨论。

按照对称分量法，可以求出M母线上各相的电压：

Lk（Z1,Z2,Z0）LkGMKZGNk三相系统中测量电压和测量电流的选取（6a）（6b）（6c）三相系统中测量电压和测量电流的选取v（6）式的成立与故障类型无关，即对任何类型的故障都成立；v对于不同类型和相别的故障，故障点的边界条件是不同的，即（6）式中、和的取值是不同的，下面以单相接地故障情况为例进行讨论。

三相系统中测量电压和测量电流的选取以A相单相接地短路故障为例进行分析。

在A相金属性接地短路的情况下，式3-6a变为：

（7）（8）得到：

三相系统中测量电压和测量电流的选取v式（8）与式（5）具有相同的形式，因而由、算出的测量阻抗能够正确反应故障的距离，从而可以实现对故障区段的比较和判断。

三相系统中测量电压和测量电流的选取v由于A相接地时、均不等于零，式（6b）和（6c）无法变成式（5）的形式，即若、或、，则、或、之间都不满足式（5），所以两非故障相的测量电压、电流不能准确地反应故障的距离。

三相系统中测量电压和测量电流的选取v在另一方面，由于、均接近正常电压，而、均接近正常负荷电流，B、C两相的工作状态与正常负荷状态相差不大，所以在A相故障时，由B、C两相电压电流算出的测量阻抗都会比较大，算出的距离一般都大于整定距离，由它们构成的距离保护一般都不会动作，但在某些特殊的情况下（比如保护安装处零序电流很大时），也有可能动作。

三相系统中测量电压和测量电流的选取v同理可以分析B相和C相单相接地故障时的情况，分析表明，只有故障相电压与带零序电流补偿的故障相电流之间满足（5）式，能够正确测量故障距离，非故障相测出的阻抗接近负荷阻抗，一般不会动作。

三相系统中测量电压和测量电流的选取v其他类型（两相接地、两相短路、三相故障）的故障的情况也类似，只有用故障相的电压和电流（带零序补偿）进行运算时，才能准确地算出故障距离，计算量中含有非故障相电压、电流时，算出的测量阻抗不能准确地反映故障距离，并且一般情况下都大于实际的故障距离，所以不会动作。

故障环的概念故障电流可能流通的通路称为故障环。

在单相接地故障的情况下，存在一个故障相与大地之间的故障环（相地故障环）；两相接地故障的情况下，存在两个故障相与大地之间的相地故障环和一个两故障相之间的故障环（相相故障环）；两相不接地故障的情况下，存在一个两故障相之间的相相故障环；三相故障的情况下，存在三个相地故障环和三个相相故障环。

故障环的概念v分析表明，距离保护的测量电压、电流取为故障环上的电压、电流时，计算出的测量阻抗能够正确的反映故障距离，非故障环上的电压、电流之间算出的测量阻抗不能准确地反映故障距离，一般情况下大于故障距离，不会动作。

所以距离保护的动作行为应以故障环上电压、电流计算的结果为准，非故障环上电压、电流计算的结果不予考虑。

故障环的概念v在传统的距离保护中，故障环的选取是靠冗余接线来实现的，即距离保护的每一段都有三个相间阻抗继电器和三个接地阻抗继电器组成，三段式保护中需要18个独立的阻抗继电器。

对于任何一种类型和相别的故障，每一段的6个继电器中，至少有一个是在故障环上，它能够正确测量故障距离，其他不在故障环上的继电器不能正确测量，但一般不动作。

v不能正确测量有两个方面的含义，一方面是把测量阻抗测大，反映出故障距离变远，即不动作；另一方面是把测量阻抗测小，反映出故障距离变近，可能导致在区外故障情况下误动作。

此处，非故障环上的电压、电流算出的阻抗一般是第一种情况，通常不会动作故障环的概念v微机保护中，距离保护的硬件接线只有一套，故障环的选取是由软件实现的，分两种情况：

第一种情况是发生故障后先进行选相，找出故障类型和故障相别后，仅用故障相（即故障环上）的电压、电流进行计算，非故障相环上的电压、电流根本不参与运算；（先选相，再计算）第二种情况是针对每一个故障，用故障环和非故障环上的电压、电流都进行计算，但仅以故障环上电压、电流计算的结果作为判断故障距离的依据。

（先计算，后用选相的结果进行复核）早期的微机保护普遍采用第一种方式，新型微机保护倾向于采用第二种。

直接计算与间接判断v距离保护的核心，就是对故障距离进行测量，并与整定的距离相比较，以判断是否有故障，在有故障的情况下，判断出故障的范围。

v在应用测量阻抗法判断故障距离时，又有两种有两种不同的方式，即直接计算方式和间接判断方式。

v直接计算方式是利用采集到的故障环上的电压和电流，代入测量阻抗的计算式，直接计算出测量阻抗，然后将其与整定阻抗相比较，判断是否有区内故障；v间接判断方式不需要确切地算出测量阻抗，只是通过对测量电压和测量电流的计算分析，间接地判断测量阻抗是否在保护的范围之内。

v在理想情况下，在金属性短路的时候，测量阻抗是与整定阻抗同方向的，在这种情况下，算出测量阻抗后直接与整定阻抗比较大小，就能够判断出故障的范围。

v实际情况下，由于各种误差因素的存在，以及过渡电阻的影响，测量阻抗可能与整定阻抗之间有一定的角度，这时用直接比较大小的方法就不行了。

v为了保证区内故障的情况下保护可靠动作，区外故障时可靠不动作，一般将阻抗继电器的动作范围设定为一个包括整定阻抗对应的线段在内，但在整定阻抗方向上不超出整定阻抗的一个区域，最常用的区域有圆形区域和四边形区域。

测量阻抗与整定阻抗的比较v圆形区域又包括方向特性圆、全阻抗圆、偏移特性圆和上抛特性圆等几种，如下图。

测量阻抗与整定阻抗的比较|Zset/2|Zset/2ZsetRjXo图3-7方向阻抗特性圆Zm图3-5偏移阻抗特性圆Zset2Zse