第四章线路保护.docx

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第四章线路保护

继电保护专业实现对继电保护系统的运行维护，是保障电力系统安全稳定运行的主要防线之一，继电保护系统的任务是通过电流互感器、电压互感器及相应的状态量采集装置（开关量输入等），对一次系统的运行状态（正常运行、系统故障、设备异常、系统振荡等）进行正确的分析与反应，并根据实现制定的控制策略（定值、元件特性）进行相应的处理（信号、调节、跳闸等）。

要了解继电保护系统运行特性，重点就要完成上述内容中各环节的分析与理解，并且正确把握运行维护方法。

一、向量分析方法

不同电器元件电流与电压的相位关系，正是由于这一特性在电力系统的分析中的综合电流、电压向量分析才变得异常复杂。

（1）向量的超前与滞后

提及A向量超前B向量，指以B向量为参考，A向量逆时针旋转相应的角度；A向量滞后B向量，指以B向量为参考，A向量顺时针旋转相应的角度；

（2）电阻性元件

电阻元件的电流与其两端电压同相位，从波形上来讲电流与电压具有相同的变化方向，仅在幅值上有所差异。

在向量图中分析，电流向量与电压向量方向相同，仅有幅值的差异。

（3）电感性元件

电感元件的电流滞后其两端电压90°，从波形上来讲以电压从负到正的过零点为参考向后看，电流从负到正的过零点滞后电压90°（π/2）。

在向量图中分析，以电压向量为参考，电流向量顺时针旋转90°。

（4）电容性元件

电容元件的电流超前其两端电压90°，从波形上来讲以电压从负到正的过零点为参考向后看，电流从负到正的过零点滞后电压270°（3π/2）。

在向量图中分析，以电压向量为参考，电流向量逆时针旋转90°（顺时针旋转270°）。

（5）电阻电感性元件

以电压为参考向量，电流滞后电压的角度在0°--90°之间；夹角大小取决于电阻分量与电感分量的比值；

（6）电阻电容性元件

以电压为参考向量，电流超前电压的角度在0—90°之间；夹角大小取决与电阻分量与电容分量的比值；

（7）电容与电感串联

根据容性分量与感性分量的大小不同，综合电抗呈现容性或感性；在这种配合中，系统中最为典型的应用是串联谐振和并联谐振（所谓串联谐振是指回路中LC串联，两者阻抗之和刚好为零，所以整个回路呈纯电阻性，整个回路阻抗最小，电流将最大。

在电力系统中可能会造成过电压，所以在电力系统中也叫电压谐振。

所谓并联谐振是指回路中LC并联，且两者的阻抗相等，所以当谐振时LC的阻抗将是无穷大，电压将直接加在LC上，所以在LC上会出现很大的电流，所以也较电流谐振）比如专用闭锁式通道中的阻波器是并联谐振的应用、耦合电容器与结合滤波器是串联谐振的典型应用，另外在抗干扰技术中谐振的应用也非常广泛，用于短路或阻断需要消除的信号。

另外需要指出的是，在系统中谐振的发生也是有很大危害的，如小接地电流系统中有消弧线圈接地补偿电容电流时，发生全补偿就是并联谐振，会产生很高的谐振过电压；还有铁磁谐振过电压易造成电压互感器的爆炸。

二、故障分析

继电保护的任务就是反应系统的不正常工作状态并进行相应的处理，所以在分析继电保护动作状况时必须要正确分析系统中故障发生时产生的电气特性。

所以在了解向量的基础上需要进行故障分析的简单回顾。

（1）学习典型故障分析的目的：

继电保护按采集量划分，大致分为两类：

一类是电量保护，如电流保护、电压保护、距离保护、纵联保护等；另一类是非电量保护，如非全相保护、变压器瓦斯保护等。

对于电量保护直接反映一次电气量的变化，并最终作用于一次设备，以实现对电力系统一次设备的控制与保护。

所以说必须掌握典型故障的分析方法以及各种故障情况下电气量的变化规律；这对我们今后工作中分析故障、分析继电保护动作行为（是正确动作、拒动还是误动）都是非常重要的。

（2）电力系统典型故障的类型：

1）单相接地短路故障用K

（1）表示

2）两相短路故障用K

（2）表示

3）三相短路故障用K（3）表示

4）两相接地短路故障用K（1.1）表示

5）单相断线故障（两相运行）用F（1.1）表示

6）两相断线故障（单相运行）用F

（1）表示

其中短路故障称之为横向故障，断线故障称之为纵向故障。

（3）电力系统典型故障分析的一般方法：

1）选取特殊相进行分析。

也就是说选取三相中与其他两相特征不一样的相别进行分析。

例如：

A相接地短路故障，A相有故障电流，B、C两相没有，则A相为特殊相，所以用A相进行分析；AB两相短路故障及AB两相接地短路故障，A、B两相有故障电流，C相没有，则C相为特殊相，所以用C相进行分析；A相断线故障，A相有没电流，B、C两相有负荷，则A相为特殊相，所以用A相进行分析；AB两相断线故障，A、B两相没有电流，C相有负荷电流，则C相为特殊相，所以用C相进行分析。

其他相别同理。

2）由故障特征确定故障边界条件，其实边界条件就是等式或者为零的量，找边界条件就是根据故障的类型判断相等的电量和为零的电量。

例如：

A相接地短路故障，A相有故障电流，A相电压为零，B、C两相没有故障电流，则边界条件为：

IKB=IKC=0；UKA=0。

3）由故障边界条件，通过对称分量法求取特殊相各序分量。

首先介绍一下对称分量法的基本公式：

如下图所示：

当系统发生不对称故障时，通过对称分量都可以将不对称的故障量转换为三个对称分量的叠加。

这样做的目的是便于我们分析、计算，将不对称量的分析转换成对称系统的分析，这样可以用一相进行分析后通过移向因子进行旋转后得到三相的分量。

其互换公式如下：

FA1=1/3（FA+aFB+a2FC）

FA2=1/3（FA+a2FB+aFC））

FA0=1/3（FA+FB+FC））

FA=FA1+FA2+FA0

FB=FB1+FB2+FB0=a2FA1+aFA2+FA0）

FC=FC1+FC2+FC0=aFA1+a2FA2+FA0）

式中a表示逆时针旋转120o也即向超前方向旋转120o,a2表示逆时针旋转240o也即向超前方向旋转240o

这六个公式在我们的短路故障分析中经常用到的，首先需要通过它将全电压、全电流分解成三个对称的相序分量进行分析、计算；然后需要通过它将计算结果还原为全电压、全电流。

因此必须熟练掌握。

下面以A相接地短路故障为例，介绍序分量的求取方法

边界条件为：

IKB=IKC=0；UKA=0。

则：

IKA1=1/3（IKA+aIKB+a2IKC）

IKA2=1/3（IKA+a2IKB+aIKC）

IKAo=1/3（IKA+IKB+IKC）

又因IKB=IKC=0

所以IKA1=IKA2=IKAo=1/3IKA

UKA=UKA1+UKA2+UKAo=0

4）由各序分量关系，绘制特殊相序网图。

首先介绍一下序网图的绘制方法：

A在序网图中，只有正序网络图包含电源电势，负、零序网络图中没有电源电势。

这是因为系统正常运行时只有正序分量，当发生不对称故障时才产生负、零序电压电流，也就是说负、零序电压电流是由故障点产生的。

B在序网图中，正、负序阻抗画到短路点结束，负荷侧阻抗不画；这是因为正、负序的短路通路由短路点到电源构成闭合回路；而零序阻抗要画到变压器接地点结束，这是因为零序的短路通路由短路接地点到变压器接地点构成闭合回路；变压器三角侧以后零序阻抗不画，因为三角形接线方式将零序分量滤去了使它不能往下级传变，FA-FB=（FA1+FA2+FA0）-（FB1+FB2+FB0）=（FA1+FA2）-（FB1+FB2）；变压器星型侧中性点不接地，其以后零序阻抗不画，因为星型侧中性点不接地对零序来说相当于无群大阻抗。

（如下图示）

以A相接地短路故障为例，介绍序分量的求取方法由第三步各序分量关系可看出，A相各序电流相等，各序电压相加为零；由于各序分量由故障量中分解所得，所以网络最终要合成一个闭和回路，通过上述条件可得只有各序网络头尾串联可实现。

如下图示：

5）由序网图计算短路点各序分量向量值及保护安装处各序分量向量值。

例如A相接地短路故障，短路点各序分量计算：

IKA1=IKA2=IKAo=E/（X∑1+X∑2+X∑0）

UKA1=IKA1*（X∑2+X∑0）

UKA2=—IKA2*X∑2=—IKA1*X∑2

UKA0=—IKA0*X∑0=—IKA1*X∑2

保护安装处各序分量计算：

对于单端电源网络保护安装处各序分量电流与故障点各序分量电流相等

IKA1M=IKA1

IKA2M=IKA2

IKAoM=IKA0

对于双端电源网络保护安装处各序分量电流等于故障点各序分量电流乘以M、N两侧的阻抗分配系数

IKA1M=IKA1*X1N/（X1M+X1N）

IKA2M=IKA2*X2N/（X2M+X2N）

IKAoM=IKA0*X0N/（X0M+X0N）

IKA1N=IKA1-IKA1M

IKA2N=IKA2-IKA2M

IKAoN=IKA0-IKA0M

保护安装处各序分量电压等于故障点各序分量电压加上各序保护安装处至故障点的电压降（请注意，保护安装处各序电压等于故障点各序电压加上各序电流在相应序阻抗上的压降这是成立的，但保护安装处的电压并不等于故障点的电压加上电流在线路上的压降，见后续分析）。

UKA1M=UKA1+IKA1M*XLM1

UKA2M=UKA2+IKA1M*XLM2

UKA0M=UKA0+IKA0M*XLM0

UKA1N=UKA1+IKA1N*XLN1

UKA2N=UKA2+IKA1N*XLN2

UKA0N=UKA2+IKA0N*XLN0

6）由各序分量，通过对称分量法计算各相故障点故障电流、故障电压及保护安装处故障电流、故障电压。

采用对称分量法分析可以可出结论：

短路点正序电压最低，越往电源端走正序电压越高，电源点正序电压最高等于电源电势。

短路点负序电压最高，越往电源端走负序电压越低，电源点负序电压最低等于零。

短路点零序电压最高，越往主变接地点走零序电压越低，主变接地点零序电压最低等于零。

具体的分析方法是：

在通过序网图分析可以看出，负序分量电流与零序分量电流与正序电流的方向是相反的，从宏观的角度来讲，电流的流向总是从高电位点流向低电位点的，故而直观的判断必然是故障点的零序电压、负序电压最高。

从复合序网图也可以看出，负序和零序分量仅在故障点存在。

7）通过计算结果绘制向量图以供分析。

单相接地短路K

（1）故障分析

单相接地短路故障在上面介绍分析方法时已详细介绍，在此不在重复，现在着重介绍一下单相接地短路故障的特点：

1、出现负、零序分量；

2、序网构成中正、负、零序分量串联，也即在正序的基础上串入了X∑2+X∑0阻抗；

3、接地故障必然产生零序分量；

4、不对称故障必然产生负序分量；

5、短路点非故障相电流为零，对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零，对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数

X1N/（X1M+X1N）=X2N/（X2M+X2N）=X0N/（X0M+X0N）

时保护安装处非故障相电流为零；不等时不为零。

（此处所说的是故障分量，不包括故障前的负荷电流）

6、故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。

7、负、零序电流超前负、零序电压（180度减一个线路阻抗角）约105度。

两相短路K

（2）故障分析

以AB两相短路进行分析：

1、特殊相为C相

2、短路故障边界条件：

IKC=0；IKA=-IKB；UKA=UKB。

3、各序分量：

IKC1=1/3（aIKA+a2IKB+IKC）=1/√3IKAej90

IKC2=1/3（a2IKA+aIKB+IKC）=1/√3IKAej-90

IKC0=1/3（IKA+IKB+IKC）=0

所以IKC1=-IKC2

UKC1=1/3（aUKA+a2UKB+UKC）=1/3（UKC+√3UKAej180）

UKC2=1/3（a2UKA+aUKB+UKC）=1/3（UKC+√3UKAej180）

UKC0=1/3（UKA+UKB+UKC）=1/3（UKC+2UKA）

所以UKC1=UKC2

4、绘制序网图：

由上步计算结果可看出，零序分量电流等于零，也即没有零序分量；正、负序电压相等、方向相同，即正、负序网络只能是同相并联；正、负序电流大小相等、方向相反，且全电流为零，即同一节点电流为零符合同相并联要求。

（如下图示）

5、计算各序分量向量值：

IKC1=-IKC2=E/（X∑1+X∑2）

UKC1=UKC2=-IKC2*X∑2

6、计算故障点各相全电压、全电流

IKC=0

IKB=aIKC1+a2IKC2+IKC0=√3IKC1ej90

IKA=a2IKC1+aIKC2+IKC0=√3IKC1ej-90

UKC=2UKC1

UKB=aUKC1+a2UKC2+UKC0=UKC1ej180

UKA=a2UKC1+aUKC2+UKC0=UKC1ej180

以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流

通过前面的分析大家已经知道：

单端系统保护安装处电流等于故障点电流；双端系统保护安装处各序电流等于故障点各序电流乘各序阻抗分配系数；保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。

IKCM=0

IKBM=√3IKC1ej90

IKAM=√3IKC1ej-90

UKCM=2UKC1+IKC1*XLM1+IKC2*XLM2

=2UKC1+IKC1（XLM1-XLM2）因线路X1=X2

=2UKC1

UKBM=UKC1ej180+aIKC1*XLM1+a2IKC2*XLM2因线路X1=X2

=UKC1ej180+√3IKC1ej90*XLM1

UKAM=UKC1ej180+a2IKC1*XLM1+aIKC2*XLM2因线路X1=X2

=UKC1ej180+√3IKC1ej-90*XLM1

保护安装处AB故障相间故障电流、电压

IKABM=IKAM-IKBM=√3IKC1ej-90-√3IKC1ej90

=2√3IKC1ej-90=2IKAM

UKABM=UKAM-UKBM

=UKC1ej180+√3IKC1ej-90*X1M-UKC1ej180-√3IKC1ej90*XLM1

=√3IKC1ej-90*XLM1-√3IKC1ej90*XLM1

=2√3IKC1ej-90*X1M

=2IKAM*X1M

通过上述计算可看出故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。

7、绘制向量图以供分析。

两相短路故障的特点：

1、出现负序分量；没有零序分量。

2、序网构成中正、负序分量同相并联，也即在正序的基础上串入了X∑2阻抗；

3、不对称故障必然产生负序分量；

4、短路点非故障相电流为零，对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零，对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数

X1N/（X1M+X1N）=X2N/（X2M+X2N）

时保护安装处非故障相电流为零；不等时不为零。

（此处所说的是故障分量，不包括故障前的负荷电流）

通常认为正、负序阻抗相等X1=X2，所以对于两相短路故障来说可以认为保护安装处非故障相电流为零。

5、故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。

两相接地短路K（1.1）故障分析

以AB两相接地短路进行分析：

1、特殊相为C相

2、短路故障边界条件：

IKC=0；UKA=UKB=0。

3、各序分量：

IKC1=1/3（aIKA+a2IKB+IKC）=1/3（aIKA+a2IKB）

IKC2=1/3（a2IKA+aIKB+IKC）=1/3（a2IKA+aIKB）

IKC0=1/3（IKA+IKB+IKC）=1/3（IKA+IKB）

IKC=IKC1+IKC2+IKC0=0

UKC1=1/3（aUKA+a2UKB+UKC）=1/3UKC

UKC2=1/3（a2UKA+aUKB+UKC）=1/3UKC

UKC0=1/3（UKA+UKB+UKC）=1/3UKC

所以UKC1=UKC2=UKC0

4、绘制序网图：

由上步计算结果可看出，正、负、零序电压相等、方向相同，即正、负、零序网络只能是同相并联；又因全电流为零，即同一节点电流为零符合同相并联要求。

（如下图示）

5、计算各序分量向量值：

IKC1=E/（X∑1+X∑2∥X∑0）

IKC2=-IKC1*X∑0/（X∑2+X∑0）

IKC0=-IKC1*X∑2/（X∑2+X∑0）

UKC1=E-IKC1*X∑1

UKC2=-IKC2*X∑2

UKC0=-IKC0*X∑0

UKC1=UKC2=UKC0

6、计算故障点各相全电压、全电流

IKC=0

IKB=aIKC1+a2IKC2+IKC0

=aIKC1-a2IKC1*X∑0/（X∑2+X∑0）-IKC1*X∑2/（X∑2+X∑0）

IKA=a2IKC1+aIKC2+IKC0

=a2IKC1-aIKC1*X∑0/（X∑2+X∑0）-IKC1*X∑2/（X∑2+X∑0）

UKC=3UKC1

UKB=aUKC1+a2UKC2+UKC0=0

UKA=a2UKC1+aUKC2+UKC0=0

以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流

单端系统保护安装处电流等于故障点电流；双端系统保护安装处各序电流等于故障点各序电流乘各序阻抗分配系数；保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。

IKCM=IKC

IKBM=IKB

IKAM=IKA

UKCM=3UKC1+IKC1*XLM1+IKC2*XLM2+IKC0*XLM0

UKBM=aIKC1*XLM1+a2IKC2*XLM2+IKC0*XLM0

UKAM=a2IKC1*XLM1+aIKC2*XLM2+IKC0*XLM0

保护安装处AB故障相间故障电流、电压

IKABM=IKAM-IKBM

=√3IKC1ej-90+√3IKC1ej-90*X∑0/（X∑2+X∑0）

=[1+X∑0/（X∑2+X∑0）]√3IKC1ej-90

UKABM=UKAM-UKBM

=√3IKC1ej-90*XLM1+√3IKC2ej90*XLM1

=√3IKC1ej-90*XLM1-√3IKC1ej90*X∑0/（X∑2+X∑0）*XLM1

=√3IKC1ej-90*XLM1+√3IKC1ej-90*X∑0/（X∑2+X∑0）*XLM1

=[1+X∑0/（X∑2+X∑0）]√3IKC1ej-90*X1M

通过上述计算可看出故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。

7、绘制向量图以供分析。

两相接地短路故障的特点：

1、出现负、零序分量；

2、序网构成中正、负、零序分量同相并联，也即在正序的基础上串入了X∑2∥X∑0阻抗；

3、接地故障必然产生零序分量；

4、不对称故障必然产生负序分量；

5、短路点非故障相电流为零，对于单电源网络保护安装处非故障相电流也为零，对于双电源网络当各序分量阻抗分配系数

X1N/（X1M+X1N）=X2N/（X2M+X2N）=X0N/（X0M+X0N）

时保护安装处非故障相电流为零；不等时不为零。

（此处所说的是故障分量，不包括故障前的负荷电流）

6、故障相间电压超前故障相间电流一个线路阻抗角。

7、负、零序电流超前负、零序电压（180度减一个线路阻抗角）约105度。

三相短路K（3）故障分析

1、以A相为特殊相

2、短路路故障边界条件：

UKA=UKB=UKB=0。

|IKA|=|IKB|=IKC|

3、各序分量：

UKA1=1/3（aUKA+a2UKB+UKC）=0

UKA2=1/3（a2UKA+aUKB+UKC）=0

UKA0=1/3（UKA+UKB+UKC）=0

我们曾讨论过负、零序电压在短路点最高，而从上式看短路点负、零序分量电压均为零，也就是说负、零序网络中无任何电源，所以，三相短路只有正序分量。

可得：

IKA1=1/3（IKA+aIKB+a2IKC）=IKA

IKA2=1/3（IKA+a2IKB+aIKC）=0

IKA0=1/3（IKA+IKB+IKC）=0

4、绘制序网图：

由上步计算结果可看出，三相短路只有正序分量。

（如下图示）

5、计算各序分量向量值：

IKA1=E/X∑1

IKA2=IKA0=0

UKA1=UKA2=UKA0=0

6、计算故障点各相全电压、全电流

IKA=IKA1=E/X∑1

IKB=a2E/X∑1

IKC=aE/X∑1

UKA=UKB=UKB=0

以单端系统为例计算保护安装处各相全电压、全电流

单端系统保护安装处电流等于故障点电流；双端系统发生三相短路，保护安装处电流等于故障点电流乘正序阻抗分配系数；保护安装处电压等于故障点处电压加上线路压降。

IKAM=E/X∑1

IKBM=a2E/X∑1

IKCM=aE/X∑1

UKAM=IKA1*XLM1

=E*XLM1/X∑1

UKBM=IKB1*XLM1

=a2E*XLM1/X∑1

UKCM=IKC1*XLM1

=aE*XLM1/X∑1

通过上述计算可看出故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。

7、绘制向量图以供分析。

三相短路故障的特点：

1、只有正序分量；没有负、零序分量。

2、序网构成中同样只有正序分量，也可以说在正序的基础上串入了阻抗零；

3、故障相电压超前故障相电流一个线路阻抗角。

小结

因为两相断线故障（单相运行）分析方法同单相接地短路故障分析方法相同；单相断线故障（两相运行）分析方法同两相接地短路故障分析方法相同，在此就不作分析；

第一章继电保护原理

在电力系统中，继电保护的任务之一就是当一次系统设备故障时，由保护向距离故障元件最近的断路器发出跳闸命令，使之从系统中脱离，以保证系统其他部分的安全稳定运行，并最大限度的减少对电力设备的损坏。

因此保护应能区分正常运行与短路故障；应能区分短路点的远近。

结论：

如果零序电流不接或异常短接，则所有与零序电流相关的保护均不能动作，如零序差动、零序过流等。

第二章故障录波分析

在我们的日常生产中经常需要通过录波图来分析电力系统到底发生了什么样的故障？

保护装置的动作行为是否正确？

二次回路接线是否正确？

CT、PT极性是否正确等等问题。

接下来我就先讲一下分析录波图的基本方法：

1、当我们拿到一张录波图后，首先要通过前面所学的知识大致判断系统发生了什么故障，故障持续了多长时间。

2、以某一相电压或电流的过零点为相位基准，查看故障前电流电压相位关系是否正确，是否为正相序？

负荷角为多少度？

3、以故障相电压或电流的过零点为相位基准，确定故障态各相电流电压的相位关系。

（注意选取相位基准时应躲开故障初始及故障结束部分，因为这两个区间一是非周期分量较大，二是电压电流夹角由负荷角转换为线路阻抗角跳跃较大，容易造成错误分析）

4、绘制向量图，进行分析。

第一节单相接地短路故障录波图分析

分析单相接地故障录波图要点：

1、一相电流增大，一相电压降低；出现零序电流、零序电压。

2、电流增大、电压降低为同一相别。

3、零序电流相位与故障相电流同向，零序电压与故障相电压反向。

4、故障相电压超前故障相电流约80度左右；零序电流超前零序电压约110度左右。

当我们看到符合第1条的一张录波图时，基本上可以确定系统发生了单相接地短路故障；若符合第2条可以确定电压、电流相别没有接错；符合第3条、第4条可以确定保护装置、二次回路整体均没有问题（不考虑电压、电流同时接错的问题，对于同时接错的问题需要综合考虑，比如说