第六章发电厂的继电保护.docx

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第六章发电厂的继电保护

第六章发电厂的继电保护

第一节继电保护的基本知识

一、继电保护的作用

电力系统在运行中，由于电气设备的绝缘老化或损坏、雷击、鸟害、设备缺陷或误操作等原因，可能发生各种故障和不正常运行状态。

最常见的而且也是最危险的故障是各种类型的短路。

最常见的不正常运行状态是过负荷。

这些故障和不正常运行状态严重危及电力系统的安全可靠运行。

除了应采取提高设计水平、提高设备的制造质量、加强设备的维护检修、提高运行管理质量、严格遵守和执行电业规章制度等项措施，尽可能消除和减小发生故障的可能性之外，还必须做到一旦发生故障，能够迅速、准确、有选择性地切除故障设备，防止事故的扩大，迅速恢复非故障部分的正常运行。

以减小对用户的影响。

当电力系统出现不正常运行状态时，应能及时发现并尽快处理，以免引起设备故障。

要在极短的时间内完成上述任务，只能借助于继电保护装置才能实现。

继电保护装置是指能反应电力系统中电气设备所发生的故障或不正常状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

它的基本作用是：

（1）当电力系统发生故障时，能自动地、迅速地、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，以保证系统其余部分迅速恢复正常运行，并使故障设备不再继续遭受损坏。

（2）当系统发生不正常工作情况时，能自动地、及时地、有选择性地发出信号通知运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。

可见，继电保护装置是电力系统必不可少的重要组成部分，对保障系统安全运行，保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。

二、继电保护的基本组成

继电保护装置一般由测量部分、逻辑部分、执行部分、信号部分及操作电源等组成，其方框图如图6-1所示。

测量部分是用来监察被保护对象（电气设备或输电线路）的运行状态，将被保护对象的运行状态信息（如电流、电压等）通过测量、变换、滤波等加工处理后送入逻辑部分；逻辑部分将测量部分送来的信息与基准整定值进行比较，判断保护装置是否该动作于跳闸或动作于信号，是否需要延时等，输出相应的信息。

执行元件根据逻辑元件输出的信息，送出跳闸信息至断路器控制回路或发出报警信息至报警信号回路。

一般的继电保护装置，其逻辑部分、执行部分和信号部分都需要操作电源。

在个别情况下，采用直接作用式继电器作保护装置，附在断路器操作机构中的继电器本身，即可实现测量、逻辑及信号元件的作用。

通常所说的继电保护系统，应该理解为即包括保护装置本身，也包括断路器，二者要协同动作。

图6-1继电保护装置的基本组成

三、继电保护的基本原理

如图6-2所示为最简单的输电线路的电流保护，其基本工作原理如下：

图6-2继电保护原理示意图

线路在正常工作时通过负荷电流，电流互感器TA的二次侧连接电磁型电流继电器KA的线圈，它所产生的电磁力小于继电器弹簧的反作用力，因而继电器不动作，它的常开触点处于断开位置。

当线路的K处发生短路时流过短路电流，它比负荷电流大得多，通过继电器线圈的电流和它所产生的电磁力都相应显著地增大，衔铁被吸合，使继电器的常开触点闭合，接通了断路器QF的跳闸线圈YR，铁心被吸上，撞开锁扣机构（LO），断路器跳闸，切断了线路和电源的联系，故障即被切除。

短路电流消失后，继电器线圈中的电流也随即消失，继电器的触点在弹簧力的作用下返回断开位置。

由上述继电保护基本原理可知，电气设备从正常工作状态到故障或不正常工作状态，它的电气量（如电流、电压的大小和它们这之间的相位角等）往往会发生显著的变化，继电保护装置就是利用这种变化来鉴别有、无故障或不正常工作情况，以电气量的测量值或它们之间的相位关系来检测故障地点，有选择性地切除故障或显示电气设备的不正常工作状态。

尽管实际应用的继电保护装置比上述示例复杂的多，但其基本工作原理是相同的。

四、对继电保护的基本要求

为完成继电保护的基本任务，对于动作于断路跳闸的继电保护装置，必须满足以下四项基本要求：

1．选择性

选择性是指电力系统发生故障时，继电保护仅将故障部分切除，保障其它无故障部分继续运行，以尽量缩小停电范围。

例如，图6-3中线路WL4上K1点短路时，应跳开断路器QF4，而其它非故障线路仍继续运行。

仅将故障线路WL4切除，这就是有选择性，而不能因为变压器T也有短路电流通过而将断路器QF2跳开。

此时，如果QF2跳闸了，就称为“误动作”，将造成母线W3失电，扩大了停电范围。

但是，由于某种原因导致QF4“拒动”时，再跳开断路器QF2切除故障是正确的，仍属于有选择性，继电保护的这种功能称为后备保护，即变压器T的保护装置起到了对相邻元件（此处为WL3、WL4、WL5线路）后备保护的作用。

当后备保护动作时，停电范围虽有所扩大，但仍是必要的，否则当保护装置或断路器拒动时，故障无法消除，后果将极其严重。

如果在K2点发生短路，应当只跳开断路器QF2，切除故障，让线路WL1及母线W2继续运行。

继电保护装置的选择性，是依靠采用适当类型的继电保护装置和正确选择其整定值，使各级保扩相互配合而实一的。

图6-3继电保护选择性说明图

2．快速性

为了保证电力系统运行的稳定性和对用户可靠供电，以及避免和减轻电气设备在事故时所遭受的损害，要求继电保护装置尽快地动作，尽快地切除故障部分。

但是，并不是对所有的故障情况，都要求快速切除故障。

因为提高快速性会使继电保护装置较复杂，增加投资，有时也可能影响选择性。

因此，应根据被保护对象在电力系统中的地位和作用，来确定其保护的动作速度。

例如：

对大容量的发电机和变压器要求保护装置的动作时间在工频几个周期之内；对高压和超高压输电线路，要求保护装置的动作时间在工频1~2个周期之内，但对于某些电压等级较低的线路，则允许1~2s，甚至更长些。

对于后备保护的动作时间，要求大于主保护的动作时间。

3．灵敏性

灵敏性是继电保护装置对其保护范围内发生的故障或不正常工作状态的反应能力，一般以灵敏系数Ks表示。

例如：

某线路电流保护的电流继电器的整值为6A，短路时输入电流为12A，那么它的灵敏系数就为2。

灵敏系数Ks愈大，说明保护的灵敏度愈高。

当然应有一个最低要求指标。

对于故障状态下保护输入量增大动作的继电保护，其灵敏系数为：

Ks=（保护区内故障时反应量的最小值）/（保护动作量的整定值）

对于故障状态下保护输入量降低时动作的继电保护，其灵敏系数为：

Ks=（保护动作量的整定值）/（保护区内故障时反应量的最大值）

每种继电保护均有特定的保护区（发电机、变压器、母线、线路等），各保护区的范围是通过设计计算后人为确定的，保护区的边界值称为该保护的整定值。

显然，保护的整定值与保护区域大小和保护装置动作的灵敏度紧密相关，必须通过严格的计算和调整试验才能确定。

4．可靠性

可靠性是指当保护范围内发生故障或不正常工作状态时，保护装置能够可靠动作而不致拒绝动作；而在电气设备无故障或在保护范围以外发生故障时，保护装置不发生误动。

保护装置拒绝动作或误动作，都将使保护装置成为扩大事故或直接产生事故的根源。

因此，提高保护装置的可靠性是非常重要的。

继电保护装置的可靠性，主要取决于接线的合理性、继电器的制造质量、安装维护水平、保护的整定计算和调整试验的准确度等。

以上对继电保护装置所提出的四项基本要求是互相紧密联系的，有时是相互矛盾的。

例如：

为了满足选择性，有时就要求保护动作必须具有一定的延时；为了保证灵敏度，有时就允许保护装置无选择地动作，再采用自动重合闸装置进行纠正；为了保证快速性和灵敏性，有时就采用比较复杂和可靠性稍差的保护。

总之，要根据具体情况（被保护对象、电力系统条件、运行经验等），分清主要矛盾和次要矛盾，统筹兼顾，力求相对最优。

五、继电器分类

反应某些参数的变化，并自动闭合或断开电路的电器，统称为继电器。

继电器是继电保护装置的基本组成元件，按继电器的结构、反应的物理量和作用不同，继电器分为以下几种类型：

1．按结构型式分类

按结构型式分类，继电器主要有机电型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型等五大类。

（1）机电型继电器是以电磁原理为基础，具有机械可动部分的继电器，按其构成原理又可分为电磁型继电器、感应型继电器、极化继电器、干簧继电器等。

（2）整流型继电器是以二极管原理和比较电路原理为基础构成的，以极化继电器为执行元件。

（3）晶体管型继电器是以晶体管的放大和开关原理为基础，由晶体管、二极管、电阻、电容、变换器等元件构成的继电器。

（4）集成电路型继电器是由线性集成电路（运算放大器）构成启动和测量元件，由CMOS等数字电路构成逻辑电路的继电保护装置。

（5）微机型继电器是以微处理器为核心，根据数据采集系统所采集到的电力系统的实时状态数据，按照给定算法来检测电力系统是否发生故障以及故障性质、范围等，并由此做出是否需要跳闸或报警等判断的一种安全自动装置。

2．按反应的物理量分类

按反应的物理量分类，继电器主要有电量和非电量两大类。

（1）反应电量的继电器有电流继电器、电压继电器、功率继电器、阻抗继电器等。

（2）反应非电量的继电器有瓦斯继电器、温度继电器、压力继电器等。

3．按在保护中的作用分类

按在保护中的作用分类，继电器可分为测量继电器和辅助继电器两大类。

（1）测量继电器直接反应电气量的变化，按所反应电量的不同，可分为电流继电器、电压继电器、频率继电器、功率方向继电器、差动继电器等。

（2）辅助继电器用来改进和完善继电保护的功能，一般作为保护中的逻辑、执行元件。

按其作用不同可分为中间继电器、时间继电器、信号继电器等。

六、继电保护分类

1．按保护对象分类

继电保护按保护对象不同可分为：

元件保护和线路保护。

元件保护又分为：

发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等。

线路保护又分为：

高压和超高压输电线路保护、高压和低压配电线路保护等。

2．按继电器结构形式分类

继电保护按采用的继电器结构形式不同可分为：

机电式继电保护、晶体管式继电保护、大规模集成电路式继电保护和微机数字式继电保护等。

3．按所反应的物理量分类

继电保护按所反应的物理量不同可分为：

电流保护、电压保护、方向保护、距离保护、差动保护和纵联保护等。

4．按采集的信号方式分类

继电保护按采集的信号方式不同可分为：

反应单端电气量的保护和反应两端电气量的保护。

5．按信号的通讯方式分类

对于反应两端电气量的纵联保护，按信号的通讯方式不同可分为：

高频保护、光纤保护和微波保护等。

6．按保护的作用分类

当某一电气设备配置两种及以上的保护时，按保护的作用不同可分为：

主保护（反应被保护元件自身的故障并以尽可能短的延时，有选择性地切除故障的保护）、后备保护（当主保护拒动时起作用，从而动作于相应断路器以切除故障元件，后备保护分近后备和远后备两种）和辅助保护（为补充主保护和后备保护的不足，而增设的较简单的保护）。

实际上，电气设备或输电线路所配置的各种保护是上述分类中的某些组合，但有时为了强调保护的某一特点，在描述中会将其它功能或结构省略。

如：

某输电线路采用的是光纤差动保护（只强调通讯方式和保护原理）、某电气设备采用的是微机保护（强调的是继电器的结构）等。

七、大型发电机组继电保护的总体配置

大型发电机的造价昂贵、结构复杂，一旦发生故障遭到破坏，其检修难度大，检修时间长，要造成很大的经济损失。

大机组在电力系统中占有重要地位，大机组的突然切除，会给电力系统造成较大的扰动。

因此，在考虑大机组继电保护的总体配置时，比较强调最大限度地保证机组安全和最大限度地缩小故障破坏范围，尽可能避免不必要的突然停机，对某些异常工况采用自动处理装置，特别要避免保护装置的误动和拒动。

这样，不仅要求有可靠性、灵敏性、选择性和快速性好的继电保护装置，还要求在继电保护的总体配置上尽量做到完善、合理，并力求避免繁锁、复杂。

下面以图6-4所示的汽轮发电机—变压器组为例，来介绍大型机组继电保护的总体配置情况。

大型机组的继电保护装置可分为短路保护