继电保护及自动装置基本知识.docx

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继电保护及自动装置基本知识

继电保护及自动装置基本知识

蔡鑫贵

第一章电力系统自动装置

发电厂、变电所电气主接线设备运行的控制与操作的自动装置，是直接为电力系统安全、经济和保证电能质量服务的基础自动化设备。

电气设备的操作分为正常操作和反事故操作两种类型：

例如按照运行计划发电机并网运行的操作为正常操作；电网突然发生事故，为防止事故扩大的紧急操作为反事故操作。

针对电力系统的系统性事故采取相应对策的自动操作装置称为电力系统安全自动装置。

在发电厂中，常见的自动装置为：

实现同步发电机并入电网的同期装置；实现对系统电压、无功功率分配的控制及提高同步发电机并联运行稳定性的励磁控制系统；实现对发电机有功功率及系统频率调整的调速器系统（一次调整）。

第二章电力系统继电保护

第一节继电保护的基本任务及基本要求

一、继电保护基本概念

在电力系统中，由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当等原因，往往发生各种事故；在电力系统运行的过程中，存在着如过负荷运行等的不正常运行状态。

无论是电力系统发生事故还是处于不正常运行状态，都将对电力系统的稳定运行、电力设备的安全以及电能质量产生不同程度的影响。

继电保护装置，就是指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。

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；电力系统安全自动装置则用以快速恢复电力系统的完整性，防止发生或中止已开始发生的足以引起电力系统长期大面积停电的重大系统事故，如电力系统失去稳定、频率崩溃或电压崩溃等。

二者是一种互相配合的关系。

二、继电保护的基本任务

1．发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。

2．发生不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。

三、电力系统对继电保护的基本要求

对电力系统继电保护的基本性能要求是：

选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

1.选择性是指保护装置动作时，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.速动性指的是在发生故障时，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.灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力；

4.可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时动作，其他不属于它应该动作的情况下，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”。

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

继电保护的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。

1、利用基本电气参数的区别

发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护：

图2－1单侧电源线路

1）过电流保护。

反映电流的增大而动作，如图2-1所示，若在BC段上发生三相短路，则从电源到短路点d之间均将流过很大的短路电流Id，可使保护2反映这个电流而动作于跳闸；

2）低电压保护。

反应于电压的降低而动作，如图2-1，短路点d的电压Ud降到零。

各变电所母线电压都有所下降，可以使保护2反应于这个下降的电压而动作；

3）距离保护（或低阻抗保护）。

反应于短路点到保护安装地之间距离（或测量阻抗的减小）而动作，在图2-1中，设以Zd表示短路点到保护2（即变电所B母线）之间的阻抗，则B母线上残留的电压为U（B）=ZdId即Zd就是在线路始端的测量阻抗，它的大小正比于短路点到保护2之间的距离。

2、

利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别

图2-2双侧电源网络

（a）正常运行情况；（b）线路AB外部短路情况；（c）线路AB内部短路情况

如图2-2所示双侧电源网络：

我们统一规定电流的正方向是从母线流向线路。

现在来分析被保护的元件线路AB的各种情况。

正常运行时，A、B两侧电流的大小相等相位相差180°；当线路AB外部故障时，A、B两侧电流仍大小相等，相位相差180°；当线路AB内部短路时，A、B两侧电流大小不相等，在理想情况下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等），两电流同相位。

从而可以利用电气元件在内部故障与外部故障（包括正常运行情况）时，两侧电流相位或功率方向的差别可以构成各种差动原理的保护（内部故障时保护动作），如纵联差动保护、相差高频保护、方向高频保护等。

3、不对称分量是否出现

电气元件在正常运行（或发生对称短路）时，负序分量和零序分量为零；在发生不对称短路时，一般零序和负序都较大。

因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。

此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏性。

4、反应非电气量的保护

反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护；反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护。

二、继电保护装置的组成

继电保护的种类虽然很多。

但是在一般情况下，都是由三个部分组成的，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构如图2-3所示。

图2-3继电保护装置的原理结构图

1、测量部分

测量部分是测量被保护元件工作状态（正常工作、非正常工作或故障状态）的—个或几个物理量，并和已给定的整定值进行比较，从而判断保护是否应该起动。

2、逻辑部分

逻辑部分的作用是根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执行部分。

3、执行部分

执行部分的作用是根据逻辑部分送来的信号，最后完成保护装置所担负的任务，如发出信号，跳闸或不动作等。

三、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。

1、测量元件

1）电压互感器（PotentialTransformer，PT）

电压互感器是一种能将高电压按比例转换为低电压的电力设备，可向监控、保护等系统提供所需的电压量。

它可以将一次设备与二次控制回路分开，从而更好地实现对一次设备的监视及控制。

实际中，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。

因此在实际中，运行中的PT二次侧严禁短路！

2）电流互感器（CurrentTransformer，CT）

电流互感器是将大电流按比例转换为小电流的电力设备，可向监控、保护等系统提供所需的电流量。

与PT一样，它也可将一次设备与二次控制回路分开。

实际中，可将CT看成一个电流源。

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。

因此，运行中的CT二次侧严禁开路！

鉴于以上原因，CT的二次回路中不能装设熔断器。

2、继电器

1）按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）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。

3）几种常见的继电器：

（1）电磁型电流继电器

对于定时限过电流保护和电流速断保护来说，电磁型电流继电器用得最多。

能使过电流继电器开始动作的最小电流称为过电流继电器的动作电流；在继电器动作之后，当电流均匀减小时，使继电器可动触点开始返回原位的最大电流称为过电流继电器的返回电流。

返回电流除以动作电流可得：

KFH=IFH/IDZ

式中KFH—一返回系数；

IFH——返回电流；

IDZ——动作电流。

过电流继电器的动作电流总是大于返回电流，因此返回系数总是小于1。

过电流继电器的返回系数要求在0.85一0.9之间，如低于0.85则认为不合格

（2）电磁型电压继电器

电压继电器有过电压继电器和低电压继电器之分；过电压继电器和过电流继电器一样，返回系数不低于0.85，一般情况下也不宜高于0.90。

低电压继电器的动作电压，是指在继电器线圈上施加额定电压后，逐渐降低电压至继电器开始动作时的最高电压；而其返回电压，是指继电器动作后，逐渐升高电压时，继电器可动触点开始返回原来位置的最低电压。

由于返回电压大于动作电压，因此返回系数

KFH=UFH/UDZ>1（低电压继电器的返回系数要求不大于1.2）

式中KFH—一返回系数；

UFH——返回电压；

UDZ—动作电压。

（3）电磁型时间继电器

电磁型时间继电器可在继电保护装置上建立所需要的时限。

（4）电磁型中间继电器

中间继电器在继电保护装置中，用以增加触点数量及触点容量，也可使触点闭合或断开时带有不大的延时（0.4－0.8s），或者通过继电器的自保持，以适应保护装置的需要。

中间继电器不仅应该在额定电压时能够可靠动作，而且在直流电源电压有可能比额定值低的情况下，也能够可靠动作，所以中间继电器动作电压约为额定电压的70％。

瞬时动作的中间继电器在额定电压下常开点闭合时间约为0.05一0.06s，返回时间约为0.01一0.02s。

中间继电器的返回系数较低，约为0.4，但不会影响它的动作可靠性，因为中间继电器返回时，它的线圈上的工作电压都是突然消失到零的。

（5）电磁型信号继电器

在继电保护装置中，信号继电器广泛用来发出整套保护装置或者保护装置中某一回路的动作信号。

根据信号继电器所发出的信号，值班人员就能够很方便地分析事故和统计保护装置正确动作的次数。

为了便于值班人员查明继电器发出的信号性质和种类，或者判断出导致断路器跳闸的原因，要求信号指示不能随电气量的消失而消失，应有机械的或电气的自保持。

因此，信号继电器应制成手动复归式的。

（6）瓦斯继电器

瓦斯继电器主要用于油浸变压器的保护装置中。

变压器油箱内气体的产生和油向油枕方向的流动都可以作为变压器内部故障的特征。

利用这些特征构成的变压器保护称瓦斯保护。

瓦斯保护反应这些特征的基本元件是瓦斯继电器。

4）继电器的符号表示（如表2－1所示）

继电器以K开头，后面的字母表示该继电器的作用。

第三节电力系统主要设备的保护配置

一、发电机保护配置

1、发电机可能发生的故障和不正常工作状态

电力系统中运行的发电机，小型的为6～12Mw，大型的为200～600Mw。

由于发电机的容量相差悬殊，在设计、结构、工艺、励磁乃至运行等方面都有很大差异。

这就使发电机及其励磁回路可能发生的故障、故障几率和不正常工作状态有所不同。

（1）可能发生的主要故障：

定子绕组相间短路；定子绕组一相匝间短路；定

子绕组对地绝缘破坏引起的单相接地；转子绕组（励磁回路）接地；转子励磁回路低励（励磁电流低，静稳极限所对应的励磁电流）、失去励磁。

（2）主要的不正常工作状态：

过负荷；定子绕组过电流；定子绕组过电压（水

轮发电机、大型汽轮发电机）；三相电流不对称；失步（大型发电机）；逆功率；过励磁；断路器断口闪络；非全相运行等。

2、发电机应装设的保护及其作用

对于发电机可能发生的故障和不正常工作状态，应根据发电机的容量有选择地装设以下保护：

（1）纵联差动保护：

为定子绕组及其引出线的相间短路保护。

（2）横联差动保护：

为定子绕组一相匝间短路保护，只有当一相定子绕组有两个及以上并联分文而构成两个或三个中性点引出端时，才装设该种保护。

（3）单相接地保护：

为发电机定子绕组的单相接地保护。

（4）励磁回路接地保护：

为励磁回路的接地故障保护，分为一点接地保护和两点接地保护两种。

水轮发电机都装设一点接地保护，动作于信号。

（5）低励、失磁保护：

为防止大型发电机低励（励磁电流低于静稳极限所对应的励磁电流）或失去励磁（励磁电流为零）后，从系统中吸收大量无功功率而对系统产生不利影响，100Mw及以上容量的发电机都装设这种保护。

（6）过负荷保护：

发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护。

（7）定子绕组过电流保护：

当发电机纵差保护范围外发生短路，而短路元件的保护或断路器拒绝动作时，为了可靠切除故障，则应装设反应外部短路的过电流保护：

这种保护兼作纵差保护的后备保护。

（8）定子绕组过电压保护：

中小型汽轮发电机通常不装设过电压保护；水轮发电机和大型汽轮发电机都装设过电压保护，以切除突然甩去全部负荷后引起定子绕组过电压。

（9）负序电流保护：

电力系统发生不对称短路或者三相负荷不对称（如电气机车、电弧炉等单相负荷的比重太大）时，发电机定子绕组中就有负序电流。

该负序电流产生反向旋转磁场，相对于转子为两倍同步转速，因此在转于中出现100Hz的倍频电流，它会使转子端部、扩环内表面等电流密度很大的部位过热，造成转子的局部灼伤，因此应装设负序电流保护，中小型发电机多装设负序定时限电流保护；大型发电机多装设负序反时限电流保护，其动作时限由发电机转子承受负序发热的能力决定，不考虑与系统保护配合。

（10）失步保护：

大型发电机应装设反应系统振荡过程的失步保护。

中小型发电机都不装设失步保护、当系统发生振荡时，由运行人员判断，根据情况用人工增加励磁电流、增加或减少原动机出力、局部解列等方法来处理。

二、变压器保护配置

变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。

内部故障主要是：

相间短路、绕组的匝间短路和单相接地短路。

发生内部故障是很危险的，因为短路电流产生的电弧不仅会破坏绕组的绝缘，烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和变压器油受热分解而产生的大量气体，还可能引起变压器油箱爆炸。

变压器最常见的外部故障是引出线上绝缘套管的故障，这种故障可能导致引出线的相间短路和接地（对变压格外壳）短路。

变压器的不正常工作情况主要有：

由于外部短路和过负荷引起的过电流，油面的极度降低和电压升高等。

根据上述故障情况，变压器一般应装设下列保护：

（1）防御变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。

（2）防御变压器绕组和引线的多相短路、中性点直接接地电网侧绕组和引出线的接地短路以及绕组匝间短路的纵差动保护或电流速断保护。

（3）防御外部相间短路并作瓦斯保护和纵差动保护（或电流速断保护）后备的过电流保护（或复合电压起动的过电流保护或保护或负序电流保护）。

（4）防御中性点直接接地系统中变压器外部接地短路的零序电流保护。

（5）防御对称过负荷的过负荷保护。

以上第

（2）、（3）、（4）项的保护及重瓦斯保护部动作于跳闸；第（5）项及第

（1）中轻瓦斯保护只动作于信号。

三、输电线路保护配置

线路保护的任务是有选择地、快速地、可靠地切除输、配电线路发生的各种故障，根据电网的形式及其发生故障的种类，线路保护有下述几种：

（1）过流保护。

输、配电线路在运行中往往会发生相间短路，其重要特征是线路中的电流剧烈地增加。

利用电流增加这一特点设计的保护装置称为过流保护。

（2）在多电源供电或单电源供电的环形网络中，当采用过流保护不能满足选择性要求时，可采用方向过流保护。

方向过流保护不但能反应电流的大小，而且能反应功率传递的方向。

（3）接地保护。

单相接地是输、配电线路常见的故障之一。

对中点直接接地的电网，发生单相接地，则为单相短路，短路电流很大，因此，通常在这种电网中利用单相接地电流的零序分量，构成零序电流保护。

对小电流接地的电网，发生单相接地时，接地电流为电容电流，由于其值较小，不会对电网造成很大的威胁，按运行规程要求，可以带故障运行2h。

在运行中查明并消除故障。

因此，小接地电流中利用单相接地电容电流构成的接地保护装置，常作用于信号，而不作用于跳闸。

（4）如果零序电流保护装置加入了方向元件。

则可构成零序方向保护。

（5）电流电压联锁速断保护。

当电网发生短路时，除了电流剧增外。

电网的电压也将显著下降，利用这两种持点构成的速断保护装置称为电流电压联锁速断保护。

（6）距离保护。

所谓距离保护，就是反映故障点距保护安装处的距离的一种保护装置。

距离越近，其动作时间越短；这样，就可以保证有选择地切除故障线路。

将测量阻抗与保护安装处至保护区末端之间的整定阻抗进行比较，当测量阻抗大于整定阻抗时，保护不动作，而小于整定阻抗时，保护动作。

所以距离保护也可叫做阻抗保护。

（7）高频保护：

所谓高频保护就是采用高频载波电流，以输电线路为通道，传送反映线路两端电气量的信号，比较线路两端电气量，以确定其动作与否的保护装置。

高频保护可保护线路全长，还可区别故障是发生在本线路末端，还是下—线路的首端。

（8）目前，我国采用的高频保护有两种类型：

a）高频相差动保护。

高频相差动保护是根据比较线路两端电流的相位而构成的。

规定电流由母线流向线路时为正，由线路流向母线时为负。

b）高频闭锁的方向保护。

高频闭锁方向保护是根据比较两端功率的方向构成的，只有短路功率由线路流向母线时，才发出高频信号去闭锁保护。

在线路的保护范围内部发生短路时，两端的功率方向均由母线流向线路，不发出闭锁信号，保护动作，使线路两端的断路器跳闸；当在线路的保护范围外部发生短路时，有一端的短路功率方向是由线路流向母线，这时该端保护就发出闭锁信号。

这个信号被本线路两端的保护装置接收，把保护闭锁起来，不能跳闸。

思考题：

1）运行中CT二次侧为何不能开路、PT为何不能短路？

实际工作中需要对CT、PT进行切换时应如何进行？

2）继电保护的基本原理是什么？

3）电力系统安全自动装置与继电保护装置有何关系？