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继电保护专业理论复习资料

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第一章电力系统基础知识

第一节电力系统基本概念

一、电力系统构成

电力系统由发电厂、变电站（所）、送电线路、配电线路、电力用户组成的整体。

输电网是通过高压、超高压输电线路将发电厂与变电站、变电站与变电站连接起来，完成电能传输的电力网络，又称电力网中的主网架。

配电网是从输电网或地区发电厂接受电能，通过配电设施将电能分配给用户的电力网。

我国配电网电压等级划分为，高压配电网：

35kV、66kV、110kV；中压配电网：

10（20）kV；低压配电网：

380/220kV。

二、电力系统中性点运行

电力系统中性点运行方式及中性点接地方式，是指电力系统中发电机或变压器的中性点的接地方式，是一种工作接地。

1.中性点直接接地方式

中性点直接接地是指电力系统中至少有一个中性点直接与接地设施相连接，如图1-2中的N点接地，通常应用于500KV、330KV、220KV、110KV电网。

2.中性点不接地方式

中性点不接地方式系统指电力系统中性点不接地。

中性点不接地方式具有跳闸次数少的优点，因此普遍应用于接地电容电流不大的系统，例如66KV、35KV电网。

3.中性点经消弧线圈接地方式

规程规定：

35KV电网中接地电流大于10A、6～10KV电网中接地电流大于30A、发电机直配网络中接地电流大于5A时，中性点经消弧线圈接地。

4.中性点经电阻接地方式

6～35KV的配电网中使用，结构复杂，架空线路与电缆线路并存，且电缆线路较长，当发生单相接地故障时，系统对地的电容电流较大，可采用中性点经低值电阻（小电阻）接地方式。

目前，10kV电网采用的中性点接地低值电阻一般为10Ω。

5.低压配电网接地方式

低压配电网指220/380V网络,采用中性点直接接地方式,并且引出中性线（代号N）、保护线（代号PE）或保护中性线（代号PEN）。

其中保护线是保障人身安全，防止发生触电事故用的中性线；保护中性线则兼有中性线和保护线的功能，通常称为“零线”或“地线”。

按照保护接地形式，低压配电网分为TN系统、TT系统和IT系统。

TN系统，所有用电设备的外露可导部分均接公共保护线，或接公共保护中性线PEN。

其中，整个系统的中性线N与保护线PE全部分开，称为TN-S系统；整个系统的中性线N与保护线PE合一为保护中性线PEN，称为TN-C系统；系统的部分中性线N与保护线PE合一，称为TN-C-S系统。

TT系统所有设备外露可导电部分均各自经保护线PE单独接地。

IT系统，所有设备的外露可导部分也各自经保护线PE单独接地，与TT系统不同的是电源中性点不接地或经电抗接地，且通常不引出中性线。

第二节电力系统短路故障

一、短路的一般概念

“短路”是指电力系统中相与相之间或相与地之间，通过电弧或其他较小阻抗的一种非正常连接。

电力系统短路的基本类型有：

三相短路、两相短路、单相接地短路、两相接地短路等。

各种故障示意图和代表符号如表1-1所示。

其中三相短路为对称短路，其余为不对称短路。

表1-1各种短路故障示意图和代表符号

运行经验和统计数据表明，电力系统中各种短路故障发生的几率是不同的，其中发生三相短路的几率最少，发生单相接地短路的几率最大。

在电力系统的各种短路故障中，虽然三相短路发生的几率最小，但其对电力系统的影响和危害最大。

无限大容量电力系统指，容量相对于被供电系统容量大得多的系统，其特征是，当被供电系统中负荷变动甚至发生短路故障，电力系统母线电压和频率基本维持不变。

电力系统中等值电源阻抗不超过短路电流阻抗的5%～10%，或电力系统容量超过被供电系统容量的50倍时，可是为无限大容量电力系统，简称无限大系统或无穷大系统。

短路全电流中的最大瞬时值称为短路冲击电流，其数值约为短路分量的

倍。

二、三相对称短路

三相短路时，三相仍然对称，三相的短路回路完全相同，短路电流相等，相位互差1200，因此只计算一相即可。

根据电路计算原理，采用有名值计算三相短路电流周期分量如下：

式中

---------三相短路电流周期分量有效值；

等值电源线线电动势，实际计算时可以采用平均额定电压；

-------短路回路总电抗，通常计算时不考虑回路的电阻。

三、不对称短路

电力系统不对称短路包括两相短路、两相接地短路和单相接地短路。

（1）序分量的概念

当电力系统发生不对称短路时，三相不再对称，三相的电流和电压数值也不再相等。

如果我们将此不对称的电流或电压进行分解，可分解出正序分量、负序分量，对于接地短路还有零序分量，分别用下标1、2、0表示。

对于工频50HZ，正序电流，正序电流三相对称，即大小相等，相位互差120°；负序电流三相相等，即大小相等，相位互差120°，当相序与正序电流相反；零序电流三相大小相等，相位相同。

电力系统正常运行时仅有正序分量。

（二）短路电流

1.两相短路

电力系统发生两相短路，经故障相和短路点构成短路回路，由故障相电源的线电动势产生短路电流，流过故障线路，非故障线路没有短路电流，因此出现三相不对称。

两相短路的特点是，三相不对称，出现负序电流；只有故障相存在短路电流，且两相的短路电流数值相等，相位相反。

两相短路电流数值为同一地点三相短路电流的0.866倍，在实际计算中，常常求出三相短路电流后，直接用以上关系得到两相短路电流。

2.单相接地短路

（1）中性点直接接地系统

中性点直接接地电力系统发生单相接地时，经直接接地的中性点、故障相和短路点构成短路回路，由故障相电源电动势产生短路电流，流过故障线路，非故障线路没有短路电流，因此出现三相不对称。

单相接地短路的特点是,三相不对称,出现负序电流和零序电流;故障相存在短路电流,数值为3

。

（2）中性点不接地系统

中性点不接地的无穷大供电，发生单相接地短路时的特点和短路电流分布见第三章的第三节。

（三）、短路特征

根据以上分析，归纳不对称短路的部分特征如表1-2。

表1-2不对称短路部分特征

短路类型

两相短路

单相接地短路（中性点直接接地系统）

两相接地短路

对称性

三相不对称

三相不对称

三相不对称

负序电流

有负序电流

有负序电流

有负序电流

零序电流

无负序电流

有零序电流

有零序电流

第二章电力系统概述

第一节继电保护、自动装置、二次回路

一、继电保护

电力系统在运行中会发生故障，最常见的故障是各种类型的短路。

当短路故障发生时，将伴随出现很大的短路电流和部分地区电压下降，对电力系统可能产生以下后果：

（1）破坏电力系统并联运行的稳定性，引发电力系统振荡，甚至造成系统瓦解、崩溃；

（2）故障点通过很大的短路电流和燃烧电弧，损坏或烧毁故障设备；

（3）在电源到断路点之间，短路电流流过非故障设备，产生发热和电动力，造成非故障设备损坏或缩短使用寿命；

（4）故障点附近部分区域电压大幅下降，用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。

继电保护的任务是：

（1）反映电力系统元件和电气设备故障，自动、有选择性、迅速地将故障元件或设备切除，保证非故障部分继续运行，将故障影响限制在最小范围；

（2）反映电力系统的异常运行状态，根据运行维护条件和设备的承受能力，自动发出信号，减负荷或延时跳闸。

二、自动装置

电力系统自动装置可分为自动调节装置和自动操作装置。

自动调节装置一般是为了保证电能质量、消除系统异常运行状态等对某些电量实施自动地调节，例如同步发电机励磁自动调节、电力系统频率自动调节等。

自动操作装置的作用对象往往是某些断路器，自动操作的目的是提高电力系统的供电可靠性和保证安全运行，例如备用电源自动投入装置、线路自动重合闸装置、低频减载装置等；还有某些自动操作装置用来提高电力系统的自动化程度，例如发电机自动并列装置。

三、二次回路

发电厂、变电站的电气系统，按作用分为一次系统和二次系统。

一次系统是指直接生产、传输和分配电能的设备及相互连接的电路。

在电能生产和使用的过程中，对一次系统的发电、输配电以及用电的全过程进行监视、控制、调节、调度，以及必要时的保护等作用的设备称为二次设备。

二次设备及其相互间的连接电路称为二次系统或二次回路。

二次系统或二次回路主要包括继电保护、自动装置、测量仪表、信号和操作电源等子系统。

第二节对继电保护自动装置的基本要求

电力系统对反映故障、动作于跳闸的继电保护有选择性、快速性、灵敏性、可靠性四个基本要求。

一、选择性

选择性是指继电保护装置动作时，仅将故障元件或设备故障切除，使非故障

部分继续运行，停电范围尽可能小。

选择性有两个含义：

第一，应由装设在故障元件或设备上的继电保护动作切除故障；第二，考虑继电保护或断路器存在拒动的可能，由后备保护切除故障时，也应保证停电范围尽可能小。

按照电力系统安全性要求，故障发生后首先动作的继电保护是主保护。

这种按照电力系统安全性要求，故障发生后首先动作的继电保护是主保护。

故障元件的主保护正确动作的结果，将故障范围限制在最小，甚至可以保证所有母线都不停电，这是选择性的第一个含义。

当故障时主保护拒动或断路器拒动，由后备保护动作切除故障，也是具有选择性的，即选择性的第二含义。

二、快速性

快速性是指继电保护装置应以尽可能快的速度动作切除故障元件或设备。

故障切除时间等于保护装置动作时间和断路器动作时间之和。

三、灵敏性

灵敏性是指继电保护装置对保护范围内的故障的反应能力，通常用灵敏系数Ksen来衡量，也称为灵敏度。

①对于反应故障参数上升而动作的过量保护装置，灵敏系数计算式为

例如反应故障时电流增大动作的过电流保护，要使保护动作，流过保护的短路电流必须大于保护的动作电流，即灵敏系数必须大于1。

对于反应故障参数降低而动作的欠量保护装置，灵敏系数计算式为

例如反应故障时电压降低的低电压保护，要使保护动作，保护安装处的母线残压必须小于保护的动作电压，同样灵敏系数必须大于1。

另外，对上、下级保护之间的灵敏性和动作时限还有配合的要求，一般用在后备保护（例如过电流保护）。

指下一级保护的灵敏度应高于上一级的动作延时，各保护的灵敏度之间应满足关系

；动作时限之间应满足关系

。

四、可靠性

可靠性是指继电保护装置在需要它动作时可靠动作（不拒动），不需要它动作时可靠不动作（不误动）。

将继电保护装置应该动作时不拒动称为继电保护的可依赖性，不应该动作时不误动也称为继电保护的安全性。

电力系统常用继电保护的正确率衡量其可靠性，表示如下：

式中，保护实际动作次数包括保护正确动作次数和误动作次数。

第三节继电保护和自动装置的基本构成及发展

一、继电保护和自动装置的基本构成

整套装置总是由测量部分、逻辑部分和执行部分构成。

二、继电保护和制动装置的发展

经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型和微机保护型等阶段，目前在电力系统中运行着大量的微机继电保护。

第三章线路保护

第一节常用继电器

一、电流继电器

电流继电器在继电保护装置中作为测量和启动元件，反映电流增大超过某一整定数值时动作。

电流继电器反应电流增大而动作，能够使继电器开始动作的最小电流称为电流继电器的动作电流。

继电器动作后，再减小电流，使继电器返回到原始状态的最大电流称为电流继电器的返回电流。

返回电流与动作电流之比称为电流继电器的返回系数。

式中

--------电流继电器的动作电流；

----------电流继电器的返回电流；

----------电流继电器的返回系数。

由电流继电器的动作原理可知，电流继电器的动作电流动作恒大于返回电流，显然电流继电器的返回系数恒小于1，一般不小于0.85。

电流继电器的文字符号是KA。

二、电压继电器

电压继电器反映电压变化而动作，分过电压继电器和低电压继电器两种。

过电压继电器反应电压增大而动作，动作电压、返回电压和返回系数的概念与电流继电器类似。

其返回系数也恒小于1。

低电压继电器反应电压降低而动作，能够使继电器开始动作的最大电压称为低电压继电器的返回电压。

其返回系数恒大于1。

同样返回电压与动作电压之比称为返回系数，即

式中

--------低电压继电器的动作电流；

---------低电压继电器的返回电流；

----------低电压继电器的返回系数。

电压继电器的文字符号是KV。

对于低电压继电器，当加入继电器线圈的电压降低到继电器的动作电压时，继电器动作，动断触点闭合；当电压升高达到继电器的返回电压时，继电器返回，动断触头打开。

低电压继电器的动作、返回过程与电流继电器或过电压继电器正好相反。

三、时间继电器

时间继电器在继电保护中用作时间元件，用于建立继电保护需要的动作延时。

因此对时间继电器的要求是动作时间必须准确。

时间继电器的文字符号是KT。

四、中间继电器

在继电保护中，中间继电器用于增加触点数量和触点容量。

中间继电器的文字符号是KM。

信号继电器用于发出继电保护动作信号，便于值班人员发现事故和统计继电保护动作次数。

信号继电器的文字符号是KS。

根据需要将信号继电器串联或并联接入二次回路，分别选择电流串联型信号继电器、并联电压型信号继电器。

第二节相间短路的阶段式电流保护

相间短路通常仅考虑两相短路和三相短路的情况。

电力系统发生相间短路的主要特征是电流明显增大，利用这一点可以构成反应电流增大的阶段式电流保护。

一、瞬时电流速断保护

1.瞬时电流速断保护的工作原理

从故障切除时间考虑，原则上继电保护的动作时间越短越好，即在被保护元件或设备上装设快速保护，瞬时电流保护就是怎样的快速保护。

瞬时电流速断保护反应线路故障时电流增大动作，而且没有动作延时，所以必须保证只有在被保护线路发生短路时才动作。

2.整定计算

一般把对继电保护装置动作值、动作时间的计算和灵敏度的校验称为继电保护整定计算，将计算条件称为整定原则。

对于线路L1的瞬时电流速断保护动作电流的整定原则为：

躲过线路末端的可能出现的最大短路电流

由于短路电流与系统的运行方式和短路类型有关，在系统运行方式变化或短路类型不同时，保护范围随之发生变化，因此有最小保护范围Lmin和最大保护范围Lmax。

瞬时电流速断保护的灵敏度用最小保护范围衡量。

规程规定：

瞬时电流速断保护的最小保护范围Lmin不小于本线路全长的15%～20%。

3.原理接线图

电磁继电器构成的瞬时电流速断保护的原理接线如图所示。

中间继电器的作用有二，其一，增加触电容量、接通断路器的跳闸回路；其二，增大保护的固有动作时间，避免避雷器放电造成保护误动。

瞬时电流速断保护的主要优点是动作迅速、简单可靠，缺点是不能保护线路的全长，并且保护范围手系统运行方式影响。

在最小运行方式下，其保护范围可能很小，严重时可能没有保护区。

二、限时电流速断保护

1.限时电流速断保护的工作原理

瞬时电流保护的保护范围不能达到线路的全长，在本线路末端附近发生短路时不会动作，因此需要增加另一套保护，用于反应本线路瞬时电流速断保护范围以外的故障，同时作为瞬时电流速断保护的后备，这就是限时电流速断保护。

对限时电流速断保护的要求是，其保护范围在任何情况下必须包括本线路的全长，并具有规定的灵敏度；同时，在保证选择性的前提下，动作时间最短。

2.整定计算

（1）动作电流。

线路时限电流速断保护动作电流的整定原则为：

与相邻线路的瞬时电流速断保护配合，计算如下：

式中

---------线路L1的限时电流速断保护的一次动作电流；

----------限时电流速断保护的可靠系数，考虑短路电流的计算误差，测量误差等因素对保护的影响，一般去

=1.1.～1.2；

---------相邻线路L2瞬时电流速断保护的一次动作电流。

（2）动作时间。

线路L1限时电流速断保护动作时间，应与线路L2的瞬时瞬时电流速断动作时间配合，整定如下：

式中

-----------线路L1的限时电流速断保护的动作时间；`

-----------线路L2的瞬时电流速断保护的动作时间，一般取0s；

------------时限极差，一般取0.5s。

（3）灵敏度。

限时电流速断保护的保护范围是本线路的全长，则灵敏度应该考虑系统的各种运行方式下，保护对全线路范围内容各种故障的反应能力，选择对保护动作最不利的情况进行校验。

限时电流速断保护的灵敏度检验条件为，以本线路末端两相短路时，流过保护的最小短路进行校验。

保护1限时电流速断保护的灵敏度系数计算如下：

如果灵敏度不足时，限时电流速断保护的动作电流与动作时间与相邻的限时电流速断保护配合。

例如保护1的具体整定如下：

三、定时限过电流保护

1.定时限过电流保护的工作原理

综合瞬时电流速断保护和限时电流速断保护的作用，可以多全线路范围内的任何故障实现瞬时或较短延时地切除故障。

为了防止由于继电保护拒动或断路器拒动无法切除故障的情况，还需要装设具有近后备和远后备保护，定时过流保护就是这样的后备保护。

2.整定计算

定时限过电流保护的动作电流整定为

式中

---------定时限过电流保护的一次动作电流；

----------定时限过电流保护的可靠系数，一般取

=1.15～1.25；

----------电流继电器的返回系数，一般取0.85；

---------流过被保护线路的最大负荷电流。

确定最大负荷电流，需要根据具体电网的实际情况，考虑最严重情况下，可能出现的最大负荷电流。

考虑上、下级电流保护灵敏度配合要求，图3-6定时限电流保护的动作电流，应满足

。

（2）动作时间。

实际中，电流保护的动作时限有定时限和反时限两种实现方法。

电流保护的动作时间一经整定，则不随保护的电流变化，保护起动后按照预先整定值延时动作，因此称为定时限过电流保护。

如果电流保护的动作时间与通入保护的电流有关，保护起动后，当电流大时动作时间短，电流小时动作时间长，则称为反时限电流保护。

即定时限过电流保护的动作时限一经整定则固定不变，而反时限过电流保护的动作时间则随通入保护的电流呈反时限变化。

（3）灵敏度。

定时限过电流保护的灵敏度校验需考虑近后备和远后备两种情况，灵敏度系数计算如下：

式中

--------定时限电流保护的一次动作电流；

--------系统最小运行方式下，保护范围末端两相短路流过保护的短路电流，作为近后备保护，故障点为本线路末端母线短路，作为远后备保护，故障点为相邻线路末端母线短路；

----------定时限过电流保护的灵敏度系数。

规程要求：

作为近后备保护，

≥1.3～1.5；作为远后备保护，

≥1.2。

四、三段式电流保护

在工程应用中，三段式电流保护不一定三段全部投入。

例如，但系统运行方式变化很大，I段保护范围太小或没有保护区时，则不投入I段；对于线路-变压器接线，I段可以保护线路全长时，则可以不投入II段；在末端线路，可能II段和III段的动作时间相同，则也可以不投入II段。

五、方向电流保护

故障时，流过保护的功率方向是母线到线路（称为正功率），流过保护的功率方向是线路到母线（称为负功率方向）。

三段式电流保护加装功率方向元件后，即可构成三段式方向电流保护。

功率方向继电器多电压应有“记忆”作用，从而消除电压死区。

第三节接地保护

一、中性点直接接地系统的零序电流保护

（一）接地短路特点及零序电流测量

1.接地短路特点

电力系统发生接地故障，包括单相接地故障和两相接地故障，在三相中出现大小相等、相位相同的零序电压和零序电流。

对于中性点直接接地系统，零序电流具有以下特点：

（1）零序电流通过系统接地中性点和短路点形成短路通路，因此零序电流通过变压器接地中性点构成回路；

（2）零序电流的大小不仅与中性点接地变压器的多少、分布有关，而且与运行方式有关；

（3）线路零序电流的大小与短路故障位置有关，短路点越靠近保护安装地点，零序电流数值越大，另外注意，接地故障点的零序电压最高。

2.变压器中性点接地考虑

考录变压器中性点接地的多少、分布时，应使电网对应零序电流的网络尽可能保持不变或变化较小，以保证零序电流保护有较稳定的保护区和灵敏度，同时防止单相接地故障时出现危险过电压。

3.零序电压和零序电流测量

接地短路时三相的零序电压大小相等、相位相同，根据序分量的概念有

。

通常采用三个单相式电压互感器或三相五柱式电压互感器取得零序电压。

图中m、n端子输出为零序电压

式中

-----电压互感器一相变比.

流入电流继电器的电流为

式中

------电流互感器变比。

对于电缆地线路，零序电流还可以通过零序电流互感器获得，TA0为零序电流互感器。

（二）阶段式零序电流保护

三段式零序电流保护组成包括，零序电流I段，即瞬时零序电流速断保护；零序电流II段，即限时零序电流保护；零序电流III段，即零序过电流保护。

1.瞬时零序电流速断保护（零序电流I段）

零序电流I段为无延时动作，因此，为了保证选择性，保护范围不能超过本线路的末端母线，只能保护本线路的一部分，

是保护线路末端母线接地短路时流过保护的最大零序电流。

计算

时按系统最大运行方式，并需要考虑短路类型，计算单相接地短路和两相接地短路的零序电流，取最大者。

2.限时零序电流速断保护（零序电流II段）

零序电流II段需要与相邻线路的零序电流I段配合，一般有0.5S的动作延时。

需要指出的是，在整定零序电流II段动作时间时，为了保证范围不超过相邻线路的零序电流I段的保护范围，必须考虑分支电路的影响。

零序电流I段和零序电流II段共同构成接线短路的主保护。

3.零序过电流保护（零序电流II段）

零序过电流保护作为线路接地故障时的近后备和远后备保护，应该在系统正常运行和相间短路时不动作。

系统正常运行时三相对称，3I0=0；相间短路时，短路电流只含有正序分量和负序分量，同样有3I0=0,根据零序电流的测量方法，此时流入电流元件的电流只是不平衡电流。

因此，零序电流III段的动作电流只需躲过最大不平衡电流即可，一般数值不大，保护的灵敏度较高。

零序过电流保护的动作时限同样是按照阶梯时限原则整定。

保护1、保护2、保护3零序过电流保护的动作时限。

同时图中画出相应的反应相间短路的定时限过电流保护动作时限，可见，同一处的零序过电流保护动作时限小于相间过电流保护时限。

为保证零序过电流保护的选择性，保护1、2、3之间的零序动作电流，还应满足灵敏度配合要求，及

。

阶段式零序电流保护灵敏度高，延时小，保护范围受系统运行方式影响小，用于中性点直接接地系统的接地短路的专门保护，具有明显的优越性。

在多电源系统，要求电源至少有一台变压器中性点接地运行。

三段式零序电流保护加装零序功率方向元件后，构成三段式零序方向保护。

由于接地短路时，故障点零序电压最高，零序功率方向元件不存在电压死区问题。

二、中性点非直接接地系统的零序保护

（一）中性点不接地系统的零序保护

1.单相接地故障的特点

中性点不接地系统，正常运行时三相对称，中性点对地电压等于零，全系统没有零序电压和电流。

当系统发生单相接地时，系统各处故障的对地电压等于零，三相对地电压不平衡，出现零序电压。

中性点不接地系统发生单相接