电力培训2.docx

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电力培训2

第二篇继电保护原理

———长沙理工大学，穆大庆

（保护的四个基本要求：

选择性、速动性、灵敏性、可靠性）

§1中、低压线路的三段式电流保护（35KV及以下线路）

§1.1单侧电源网络相间短路的电流保护

一、电流速断保护（电流I段）：

瞬时动作的电流保护

1、动作电流的确定

（1）、短路特性分析：

三相短路时d（3）,流过保护安装处的短路电流：

Id=

=

Zd（）↑→Id↓

曲线max：

系统最大运行方式下发生三相短路情况

曲线min：

系统最小运行方式下发生两相短路情况

（线路上某点的两相短路电流为该点三相短路电流的

倍）

（2）、动作电流确定原则：

按躲开下一条线路出口（始端）短路时流过本保护的最大短路电流来整定。

（以保证选择性）

I'dz.1>I（3）d.B.maxI'dz.1=Kk'·I（3）d.B.max

I'dz.2>I（3）d.C.maxI'dz.2=Kk'·I（3）d.C.max

可靠系数Kk'=1.2～1.3

2、对I段保护范围要求

该保护不能保护本线路全长，故用保护范围来衡量灵敏性

max：

最大保护范围；min：

最小保护范围

要求保护范围：

（min/L）·100%15%～20%

3、对I段保护的评价

优点：

简单可靠，动作迅速

缺点：

不能保护本线路全长

（为提高电流速断的保护范围，可采用电压、电流联锁速断）

电流I段一般作为线路主保护的一部分。

二、限时电流速断保护（电流II段）：

以较小的动作时限切除本线路全线范围内的故障。

作为I段的补充（线路主保护的另一部分）

1、动作电流的确定

保护范围延伸到下一条线路，但不超出下一条线路速断保护最大保护范围的末端。

（与下条线路的速断保护配合）

原则：

躲开下条线路速断的最大保护范围末端短路时，流过本保护的最大短路电流。

I"dz.1=Kk"·I'dz.2可靠系数Kk"=1.1～1.2

2、动作时限的选择

为保证本线路限时速断与下条线路速断的保护范围重叠区内发生故障时的动作选择性，动作时限按下式配合：

t"1=t'2+t时差t：

0.35s～0.6s，一般取0.5s

3、II保护的灵敏性

对于过量保护（反映电气量上升而动作的保护）：

被保护线路内短路时流过保护的短路电流

灵敏系数：

Klm=————————————————————

保护的动作电流

被保护线路内短路时，系统最小运行方式下被保护线路末端发生两相短路情况，流过保护的短路电流最小，此时的Klm最小。

要求被保护线路内短路时的最小Klm1.3～1.5

例如对保护2要求最小Klm=

1.3～1.5

若Klm不满足要求，可继续延伸保护范围使得：

I"dz.1=Kk"·I"dz.2（与下条线路的限时速断保护配合）

同时进一步提高时限：

t"1=t"2+t（保证重叠区内故障的动作选择性）

三、定时限过流保护（电流III段）：

以较高的灵敏度切除被保护线路全线范围内故障

1、动作电流的整定原则

按躲开流过保护的最大负荷电流来整定：

I"'dz>If.max

实际整定原则：

考虑到外部故障切除后，电压恢复时电动机的自启动过程中，保护要能可靠地返回。

则：

I"'dz>

（自启动系数Kzq>1；返回系数Kh<1）

取可靠系数Kk:

1.15～1.25，则：

I"'dz=

2、按选择性要求确定过流保护动作时限

为保证动作选择性，动作时限按阶梯原则整定

t"'1=MAX（t"'2,t"'3,t"'4）+t

对定时限过流保护，当故障越靠近电源端时，此时短路电流Id越大,但过流保护的动作时限反而越长———缺点

定时限过流保护一般作后备保护，但在电网终端可作主保护。

3、III保护的灵敏性

III保护定值小→灵敏性较高

（1）、作为本线路主保护或近后备时

要求本线路末端两相短路时的最小Klm=

1.3～1.5

（2）、作为远后备时（相邻线路的后备）

要求相邻线路末端两相短路时的最小Klm=

1.2

§1.2电网相间短路的方向性电流保护

一、方向性电流保护的工作原理

对于双侧电源电网

E1单独供电：

由保护1、3、5起线路保护作用

E2单独供电：

由保护6、4、2起线路保护作用

E1、E2同时供电：

（以B母线两侧保护2,3为例）

d1点短路时，要求：

2动作，3不动。

假设：

┌I段保护：

I'dz.3>I'dz.2

└III段保护：

t"'3>t"'2

虽然此时能满足选择性，但若出现d2点短路，则：

2误动→非选择性动作

可见：

被保护线路的反方向发生短路时，可能造成该保护误动作。

此时的功率方向：

被保护线路→保护安装处母线

为防止保护误动作,增设功率方向闭锁元件GJ（装于误动保护上）

┌母线→线路（正方向）：

GJ动作启动保护

功率方向│

└线路→母线（反方向）：

GJ不动闭锁保护

增设GJ后,双侧电源网可按单侧电源网的三段电流保护进行配合

二、GJ动作特性

特性：

－90°－≤arg

≤90°－

（：

GJ内角，由GJ内部参数决定）

当正向出口附近故障时UJ很小→0，GJ拒作，出现电压死区。

（由于故障时电流IJ较大，不存在电流死区）

消除死区的方法：

*增加“记忆”作用（记忆住故障前电压，其值较大且与故障后电压基本同相位）

*引入非故障相电压等。

三、相间短路保护中GJ的接线方式

┌A相GJ:

IJ＝IA,UJ＝UBC（可反映A相为故障相的相间短路）

90°接线方式│B相GJ:

IJ＝IB,UJ＝UCA（可反映B相为故障相的相间短路）

└C相GJ:

IJ＝IC,UJ＝UAB（可反映C相为故障相的相间短路）

（90°接线对两相短路无死区，对三相短路仍存在死区）

§2高压线路的保护（110KV及以上线路）

§2.1三段式零序电流保护（反映接地短路）

三段式零序电流保护构成及整定原理与中、低压线路的三段式电流保护类似，仅仅是所测量的电流为零序电流（三相电流和）。

§2.2距离保护（阻抗保护）（用于110KV线路主保护或220KV线路后备保护）

一、距离保护基本概念（低量保护：

反映电气量降低而动作）

距离保护（阻抗保护）：

反应映故障点至保护安装处之间的距离，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。

测量阻抗Zj=

。

Zj>Zdz时，保护不动作；Zj

特点：

故障时：

即反映U,又反映IKlm

系统运行方式变化时，Zj不变，故不受运行方式变化的影响

二、三段式距离保护（每条线路上皆装设三段距离保护）

I段：

Z'dz.1＝Kk'·ZAB，Z'dz.2＝Kk'·ZBC（Kk'取0.8～0.85）；t'

0s

II段：

Z"dz.1＝Kk"（ZAB+Z'dz.2）（Kk"取0.8）；t"1＝t'2＋Δt

0.5s

III段：

Z"'

三、三段式距离保护中阻抗元件的动作特性

由于测量阻抗Zj不但有大小，还有阻抗角，为消除过渡电阻Rg及TA误差造成Zj角度变化对距离保护的影响，并为了简化阻抗元件结构，通常把阻抗元件的动作特性扩大为一个圆（如方向阻抗圆，全阻抗圆，偏移阻抗圆等）或多边性形（如方向四边形，带小偏移小矩形的方向四边形，六边形等）。

以方向阻抗圆特性为例，圆内为动作区，圆外为非动作区（即当测量阻抗Zj落在圆内则方向阻抗元件动作）

四、三段式距离保护基本逻辑框图

（启动元件一般可采用：

相电流元件；负序、零序电流增量元件；相电流突变量元件；III段阻抗元件等。

）

五、距离保护中阻抗元件的接线方式

1、反映相间短路的距离保护中阻抗元件的0接线

┌ZKJ1Uj=UAB,Ij=IA-IB（反映AB两相及ABC三相短路）

0接线方式：

│ZKJ2Uj=UBC,Ij=IB-IC（反映BC两相及ABC三相短路）

└ZKJ3Uj=UCA,Ij=IC-IA（反映CA两相及ABC三相短路）

2、反映单相接地短路的距离保护中阻抗元件的零序电流补偿接线

ZKJ1：

Uj=UA,Ij=IA+K·3I0（反映A相接地短路）

ZKJ2：

Uj=UB,Ij=IB+K·3I0（反映B相接地短路）

ZKJ3：

Uj=UC,Ij=IC+K·3I0（反映C相接地短路）

其中：

K=

（Z0、Z1:

线路单位零序、正序阻抗）

六、方向阻抗元件的死区问题及处理方法

1、死区问题

保护安装处正方向出口短路时：

残余电压：

Ucy≈0Uj≈0测量阻抗Zj≈0，位于阻抗平面的原点上，对于方向阻抗元件ZKJ正好在动作圆特性的边界上（临界状态），实际ZKJ会拒动（该动作而不动作），出现死区。

（注：

对于0接线方式的方向阻抗元件在线路出口发生两相短路时，若在Uj中引入非故障相电压，其值较大，故不存在死区，但在出口三相短路时仍存在死区）

2、死区的处理方法：

在方向四边形特性的基础上再叠加一个偏移小矩形的动作特性区域（或由原来的方向阻抗圆特性变为偏移特性），即动作特性扩大了一个包含原点的小区域，确保正向出口短路时可以动作。

但这样就造成在该小区域内失去了方向性（即线路出口附近正向及反向故障皆会动作），为防止这种出口反向误动，再增加一个具有记忆作用的方向判别元件。

由分析（略）可知，在相应的接线方式下，故障后电压Uj相位与故障前电压Uj[0]相位是一致的，尽管出口故障时Uj0，但故障前电压Uj[0]的值很大且方向与Uj一致,故完全可以用记忆下来的故障前电压Uj[0]进行方向判别。

（本人认为可用距离取代三段电流，仅在TV断线时切换到三段电流）

§2.3线路纵联差动保护基本原理（主要用于重要的短线路主保护）

1、正常运行及外部故障时：

Ij=Im－In=0，CJ不动作

2、内部短路时：

Ij=Im＋In=Id/n>Idz.j，CJ动作

为了减少二次敷设电缆，输电线路纵差保护一般采用电流综合器（∑I），将三相电流综合成一个电流。

§2.4高频保护的作用原理（主要用于220KV以上线路主保护）

一、高频保护基本概念

高频保护：

利用输电线路本身作为保护信号的传输通道，在输送50Hz工频信号的同时叠加传送50~300KHz的高频讯号（保护测量信号），通过比较线路两端测量的电气量特点来判断是否在本线路内发生故障而决定保护是否动作。

高频保护分类：

*方向高频保护：

比较线路两端的功率方向

*相差高频保护：

比较线路两端的电流相位

高频通道的构成

1、阻波器（L、C组成的并联电路，通低阻高）

2、结合电容器（通高阻低）

3、连接滤波器（与结合电容器一起形成带通滤波器，提取所需高频）

4、高频电缆

5、高频收、发讯机

*发讯机：

由保护控制。

两种发讯方式：

故障发讯；长期发讯。

*收讯机：

可收到本端和对端发讯机所发高频讯号

按所收高频信号的性质可分为：

闭锁信号（收到信号则闭锁本端保护）

允许信号（收到信号则开放本端保护）

跳闸信号（收到信号则使本端保护跳闸）

按通道传送方式分：

相地耦合单频制：

两侧传送信号是某相对地回路，单一频率，每侧收信机即可收对侧信号也可收本侧信号（一般为闭锁式采用）。

相相耦合双频制：

两侧传送信号是相对相回路，双频率，每侧收信机只可收对侧信号（一般为允许式采用）。

二、高频方向闭锁保护基本原理

规定正向：

母线→线路

*无方向性的高频起讯元件（系统故障时启动闭锁讯号）

*高频保护的方向判别元件（正向停讯，反向不停讯）。

1、外部故障时：

首先两端起讯元件启动，发闭锁讯号

近故障点端反向，不停讯；远故障点端正向，停讯

两端皆可收到反向端发出的闭锁讯号→两端的高频保护不动

2、内部故障时：

首先两端起讯元件启动，发闭锁讯号

两端皆为正向，两端皆停讯

两端皆收不到闭锁讯号→两端的高频保护出口动作→瞬时跳闸。

三、高频保护配置特点

220KV以上线路一般装设两套原理不同的高频保护，一套闭锁式采用专用高频通道，另一套允许式采用复用高频通道（与运动载波信号，载波电话等公用）。

四、工频变化量快速方向高频保护

快速方向保护采用工频变化量快速方向元件，并配有独立的工频变化量快速阻抗元件。

1、工频变化量快速方向元件

正向工频变化量方向元件∆Fφφ+的动作条件：

270°>φ+>90°，φ+=arg

（C：

补偿系数；下标φφ：

代表AB、BC、CA）

反向工频变化量方向元件∆Fφφ－的动作条件：

270°>φ－>90°，φ－=arg

正方向k点短路时：

∆UM.φφ=－∆IM.φφ·ZM，φ+=180°，∆Fφφ+动作；φ－=0°，∆Fφφ－不动作。

反方向k点短路时：

∆UM.φφ=∆IM.φφ·（ZMN+ZN），φ+=0°，∆Fφφ+不动作；φ－=180°，∆Fφφ－动作。

2、工频变化量快速阻抗元件∆Zφ

动作条件：

|∆UM.φ－∆IM.φ·2CZset|>1.2UN

（UN：

额定电压，下标φ：

代表A、B、C）

正向短路时：

∆UM.φ=－∆IM.φ·ZM；UN=－∆Uk=∆IM.φ·（ZM+Zkk）

设补偿系数C=1，当Zkk

反向短路时：

∆UM.φ=∆IM.φ·（ZMN+ZN）；

UN=－∆Uk=－∆IM.φ·（ZMN+ZN+Zkk）

不满足动作条件

§2.5输电线的光纤差动保护

由于高频通道的传输衰耗大，抗干扰能力较低，使高频通道难以正确传送电流的幅值（或瞬时值）大小，因此高频保护只是比较两端电流的相位（相差高频）或功率方向（方向高频），而不进行两端电流大小的比较，从而没有充分利用电流的全部信息，造成在某些特殊情况下高频保护的性能较差，甚至拒动。

光纤传输的特点：

衰耗小、干扰小、传输容量大。

光纤差动保护：

利用光纤通道传送两端电流的全信息（大小及相位，或瞬时值），通过比较两端电流的全信息来确定保护的动作行为。

一般采用分相电流纵联差动。

分相电流纵联差动基本原理：

将线路两端的A相、B相、C相、零序4组电流分别进行纵联差动比较。

纵联差动比较基本判据：

|im+in|－K|im－in|≥Id

动作量制动量

im、in：

本端及对端电流;K：

制动系数（0

电流定值

§3变压器保护

§3.1变压器的纵差动保护

一、变压器纵差保护概述

基本原则同线路纵差保护，但由于变压器高、低压侧的额定电流不同（磁路联系，不是直接电路联系），故需适当选择高、低压侧TA的变比。

二、变压器纵差保护的特点

1、励磁涌流Iy→Ibp（不平衡电流）

变压器励磁电流I→原、副边电流折算到同侧后不等→Ibp

当变压器空载投入或外部故障切除电压恢复时，

I↑↑→Iy→Ibp↑↑

Iy的特点：

*包含很大成分的非周期分量

*包含大量的高次谐波（以二次谐波为主）

*波形之间出线间断（间断角为）

防止Iy影响的措施

*采用具有速饱和铁心的CJ

*利用二次谐波制动

*利用波形间断制动

2、变压器两侧电流相位差→Ibp

Y/-11接线的变压器：

正序：

侧超前侧：

30（负序：

侧落后侧：

30）

相位校正措施：

变压器侧的三个TA接成形（二次超前一次30）

变压器侧的三个TA接成形（二次与一次同相位）

要使二次侧大小相等，则应满足变比配合关系：

nl1：

变压器侧TA变比；nl2：

变压器侧TA变比

（微机保护可在内部进行相位校正）

3、TA计算变比与实际变比不同→Ibp

计算变比≠实际变比→变比配合关系

不满足→Ibp

措施：

采用平衡线圈Wph或自耦变流器TAA来平衡（微机保护采用内部系数平衡校准）。

4、两侧电流互感器型号不同→Ibp

整定时考虑，引入同型系数Ktx：

同型Ktx=0.5；不同型Ktx=1.0

5、变压器带负载调压→Ibp

调压（调分接头）→nB变化→变比配合条件

不满足→Ibp

整定时考虑躲过。

6、变压器纵差保护的最大不平衡电流（采取各种措施后）

Ibp.max=（Ktx·10%＋U＋fza）·Id.max/n

U：

带负载调压引起的相对误差，取调压范围的一半

fza：

Wph计算匝数与实际匝数不符引起的相对误差（或自耦变流器TAA的相对误差），初步计算时取0.05

Id.max/n：

外部故障的最大短路电流折算到二次侧的值

三、具有比例制动和二次谐波制动的CJ

Idz.J.0：

最小动作电流（一般取0.2~0.5Ie.B/nTA）

Izh.0：

拐点电流（一般取1.0~1.2Ie.B/nTA）

K：

制动特性斜率（保证特性曲线在外部短路坐标点以上）

1、比例制动回路：

DKB1（W1分接于两差动臂）

*正常运行或外部短路时：

DKB1的W1中I2’，I2”同向→磁势叠加→W2中电势↑→制动电压Uzh1↑（调整电位器R1→调比例制动系数）

*内部短路时：

DKB1的W1中I2’，I2”反向→磁势相抵→制动电压Uzh1↓→0

2、二次谐波制动回路：

DKB2（W1接于差动回路）

DKB2的二次绕组、C2组成对二次谐波的并联谐振回路

励磁涌流（含较大二次谐波）→较大制动电压Uzh2

3、工作回路：

DKB3（W1接于差动回路）

内部短路时差动回路中工频分量（L1，C1形成串联谐振）→较大工作电压Ug（调R3→调CJ的初始启动电流Idz.j0）

§3.2变压器的过电流保护

过流保护作用：

┌作为内部短路时的近后备

└作为外部短路时的远后备

一、变压器过流保护概述

Idz=

Ifh.max;由于Ifh.max较大→Idz较大→Klm↓（需采取措施）

二、低电压启动的过流保护

同时启动→整套保护启动

电流元件整定时，不考虑变压器过载情况，而按额定值整定：

Idz=

Ie.B↓→电流元件Klm↑

变压器内部或外部短路出现过流时，I↑，U↓

→整套保护动作

变压器出现过载Ifh.max时，I↑，U仍较大（额定电压）

→整套保护不误动

*低电压元件接于变压器某侧，而另一侧短路时，所测残压大→Klm↓

若Klm不满足要求，可采用两套低电压元件（接点并联）分别接变压器两侧。

*若YH二次断线：

低电压元件启动→延时发出断线信号

电流元件不启动，整套保护不会误动

*TA装在变压器的电源侧（保证能起到近后备作用）

三、复合电压启动的过流保护

电压元件

1、工作情况分析：

（1）系统正常时：

Ifh小，且无U2，整套保护不动

（2）发生不对称短路时：

整套保护动作

（3）发生三相对称短路时：

保护启动

稳态后U2消失→5接于Uac上，而Uac↓，5接点仍闭合→6仍启动→保护仍动作

（4）变压器过载Ifh.max时：

I↑→电流元件误启动

但无U2，5接于较大电压Uac（额定电压）上，6不会动作（电压元件不动）,故整套保护不会误动

2、复合电压启动过流保护特点

（1）对于不对称短路，电压元件的Klm↑↑

（电压元件的Klm取决于负序电压元件，而U2.dz↓↓→Klm↑↑）

（2）对于三相对称短路，电压元件的Klm提高了返回系数Kh（1.15~1.2）倍。

（3）当经过变压器另一侧不对称短路时，电压元件的工作情况（Klm）与变压器接线方式无关。

（4）接线简单

（该保护作为远后备时，若不对称短路时Klm仍不够，可采用负序过流保护）

4、过流保护装设原则：

双绕组升压变：

装设于发电机电压一侧

两侧电源的三绕组升压变：

装设于发电机电压侧和无电源侧

三侧电源的三绕组变：

装设于三侧

§3.3变压器接地保护

一、高压侧为小电流接地系统（中性点非直接接地系统）

采用反映零序电压的绝缘监视装置（全系统公用一套）或接地选线保护装置，一般用于发信号。

二、高压侧为大电流接地系统（中性点直接接地系统）

作用：

作为内部接地故障的近后备；作为外部接地故障的远后备。

1、中性点长期直接接地变压器

采用两段式零序过流保护。

零序过流I段：

动作电流与相邻线路的零序I段或II段配合（即保护范围不超出相邻线路的零序I段或II段保护范围末端）

零序过流II段：

动作电流与相邻线路的零序后备保护（零序III段）配合

每段皆设置两个时限，以较短时限（t1，t3）先断开母联或分段QF，以较长时限（t2，t4）断开变压器两侧断路器1QF、2QF。

为防止变压器投入系统前（1QF合闸前），变压器高压侧接地故障造成母联或分段QF误跳，则在QF跳闸回路中串入1QF的辅助接点。

2、中性点可能接地或不接地运行的变压器

多台并联运行变压器T，为减小接地短路时的短路电流，采用部分T中性点接地，另一部分T中性点不接地，并定期倒换。

（1）中性点无放电间隙的分级绝缘变压器

若多台分级绝缘T并运：

（中性点套管绝缘等级<<引出线套管绝缘等级）

对任一台T装设一套零序过电流保护和一套零序电压保护：

┌中性点可能接地运行，由零序过电流保护反映

└中性点可能不接地运行，由零序电压保护反映

假设系统中发生单相接地时，零序过电流保护先动，先切除中性点接地T，若故障点不在被切除的T中，则单相接地故障仍存在，形成中性点不接地网带接地点运行→中性点零序过压（分级绝缘T不允许）。

故必需保证：

接地故障时，零序电压保护先动，先切除中性点不接地T。

即：

零序电压保护时限<零序过电流保护时限

接地保护工作情况：

1对中性点接地运行的T

单相接地短路时：

┌→瞬时接点闭合→小母线A带上正电源

3I0→KA启动→1KT启动→延时启动KS，KCO→1,2QF跳闸切除本台T

└→常闭接点断开→闭锁本台T的零序电压保护

2对中性点不接地运行的T

由于中性点不接地，零序过电流保护退出

单相接地短路时：

其他中性点接地T零流保护动（说明确实发生了接地故障）→小母线A带正电

┌──────────←───────────┘

3U0→KV启动→经KA常闭接点→2KT启动→延时启动KS，KCO→1,2QF跳闸，切除本台T。

1KT时限t1>2KT时限t2

（小型水电站中的升压变可只接一套零序电流保护。

当单相接地短路时，由中性点接地运行T的零序电流保护动作，以较小的时限先切除其他中性点不接地T，再以较大时限切除本台T。

俗称：

先人后己）

（2）中性点有放电间隙的分级绝缘变压器

对任一台T装设一套零序过流和一套间隙电流及一套零序电压：

┌中性点可能接地运行，由零序过电流3I0保护反映（可采用两段式）

└中性点可能不接地运行，由间隙电流保护3I’0及零序电压保护3U0反映

由于变压器中性点过电压时，间隙放电可以保护中性点绝缘，所以当系统发生接地故障时中性点接地T首先由其零序电流保护3I0切除。

如果故障依然存在，若中性点不接地T的放电间隙击穿，则间隙电流保护3I’0立即动作切除中性点不接地T，若放电间隙未击穿，则由其零序电压保护3U0动作，经