17第十七章 继电保护及安全自动装置刘海峰.docx

1、17第十七章 继电保护及安全自动装置刘海峰第十七章 继电保护及安全自动装置【模块描述】本模块包含了继电保护及安全自动装置的基本原理，继电保护通道知识、变电站继电保护典型配置、重要二次回路图及智能变电站二次部分的基础知识；结合二次专业巡视介绍了二次设备的运维巡视的重点内容；介绍了保护装置常见故障的分析及处理方法，并介绍了其中的工作风险点及控制措施。第一节 基础概念及原理 一、电力系统继电保护基本概念（一）电力系统与继电保护关系电力系统：由发电电厂中的电气部分、变电站、输、配电线路、用电设备等组成的统一体，它包括发电机、变压器、线路、用电设备以及相应的通信、安全自动装置、继电保护、调度自动化设备等

2、。1.电力系统运行有如下特点（1）电能的生产，输送和使用必须同时进行。（2）与生产及人们的生活密切相关。（3）暂态过程非常短，一个正常进行的系统可能在几分钟，甚致几秒钟内瓦解。2.电力系统短路故障的后果（1）短路电流在故障点引起电弧烧坏电气设备。（2）造成部分地区电压下降。（3）使系统电气设备，通过短路电流造成热效应和电动力。（4）电力系统稳定性被破坏，可能引起振荡，甚至解列。3.电力系统的不正常工作状态指电力系统中电气设备的正常工作遭到破坏，但未发展成故障。电力系统不正常工作状态：（1）电力设备过负荷，如：发电机、变压器 、线路过负荷。（2）电力系统过电压。（3）电力系统振荡。（4）电力系统

3、低频、低压。4.电力系统事故电力系统中，故障和不正常工作状态均可能引起系统事故，即系统全部或部分设备正常运行遭到破坏，对用户造成非计划停电、少送电、电能质量达不到标准（频率，电压 、波形）、设备损坏等。5.继电保护的作用检测电力系统中各电气设备的故障和不正常工作状态的信息，并作相应故障隔离处理。6.继电保护的基本任务（1）将故障设备从系统中切除，保证非故障设备正常运行。（2）发出告警信号通知运行监控人员，系统发生不正常工作状态或自动调整使系统恢复正常工作状态。7.电力系统对继电保护的基本要求（1）选择性：电力系统故障时，使停电范围最小的故障切除方式。（2）快速性：指继电保护应以允许的可能最快速

4、度动作于断路器跳闸，以断开故障或中止异常状态发展。电力系统故障对设备、人身、系统稳定的影响与故障的持续时间密切相关，故障持续时间越长，设备损坏越严重，对系统影响也越大。因此，要求继电保护快速的切除故障，提高重合闸成功率，有利于故障后的电力系统同步运行的稳定性。（3）灵敏性：继电保护的灵敏性是指继电保护对设计规定要求动作的故障及异常状态能够可靠地动作的能力。故障时通入装置的故障量和给定的装置起动值之比，称为继电保护的灵敏系数。（4）可靠性：A保护范围内发生故障时，保护装置可靠动作切除故障,不拒动。B保护范围外发生故障和正常运行时，保护可靠闭锁,不误动。8.常用的名词解释（1）主保护：满足系统稳定

5、和设备安全的要求，能以最快的速度有选择性的切除电力设备及输电线路故障的保护。它的定义根据系统稳定和安全要求而决定。如：对于220kV及以上线路,要求主保护全线速动，则其主保护为高频保护、光纤差动等；而对于110kV线路，通常距离I、II段是主保护；对于35KV线路，电流保护I、II段是主保护（2）后备保护：当主保护或断路器拒动时，用来切除故障的保护,后备保护可分为远后备保护和近后备保护。A近后备：当主保护或断路器拒动时，由本线路其它保护或本电力设备其它保护切除故障，当开关失灵时，由开关失灵保护切除故障。B远后备：当主保护或断路器拒动时，由相邻线路保护切除故障。如距离保护段。C辅助保护：为补充主

6、保护和后备保护的性能，或当主保护，后备保护退出运行时而增设的保护。如：一个半开关接线的短引线保护，远方跳闸保护，过电压保护。异常运行保护：反应被保护线路和设备异常运行状态的保护。如：过负荷、过励磁等。（二）继电保护的基本原理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，当突变量达到一定定值时，启动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。1利用基本电气参数的变化构成的电量保护（1）发生短路后，利用电流，电压，线路测量阻抗等的变化，构成过流保护，低电压保护，距离保护。（2）利用内部故障与外部故障时被保护线路两侧电流（功率）相量的差别构成差动原理保护。（3）利用对称分量变化构成负序保护和零序

7、保护。2利用非电气量变化构成的非电量保护,如变压器的瓦斯保护、冷却器全停保护、压力突变保护、压力释放保护、油温高保护、油位异常等。3.继电保护装置组成：一般由测量、逻辑和执行三个部分组成。二、电力系统的基本保护及配置（一）线路保护1概念（1）电流保护电流保护以通过保护安装处的电流为作用量的继电保护方式。当通过的电流大于某一预定值（整定值）而动作的电流保护称过电流保护，它可以依相电流或相序电流（负序或零序）工作。A线路相间过电流保护：用于保护各种电压等级电力网的线路相间故障。分为无时限（瞬时）和带时限过电流保护，带时限又可分为定时限和反时限。B线路零序过电流保护：用于保护各种电压等级的有效接地系

8、统中线路接地短路故障。其特点如下：只能用以保护有效接地系统中发生的单相及两相接地短路故障；因线路零序阻抗是正序阻抗的3倍以上，所以首、末端故障时零序电流幅值变化大，容易获得动作快、保护范围相对稳定和实现相邻段配合等优点；正常运行时无零序电流，所以可以有较低的启动电流值；为防止三相合闸过程中三相触头不同期或单相重合过程非全相运行时发生振荡时零序电流保护误动，常采用两个一段保护：灵敏一段按躲被保护线路末端接地出现的最大零序电流整定，非全相运行时被闭锁，不灵敏一段按躲非全相运行又发生振荡时出现的最大零序电流整定，两者均瞬时动作。由于在短线或复杂的环网中，速动段保护范围很小，零序电流受系统方式影响大，

9、整定起来复杂，另外，系统短时不对称运行时可能误动，所以在220KV及以上系统中现在一般将零序、段退出，只投入最末一段零序第IV保护，动作时限较长。（2）距离保护以距离测量元件为基础构成的保护装置，其动作和选择性取决于测量参数与整定的被保护区段参数的比较结果，且测量值与线路成正比，而与系统运行方式无关，所以能获得稳定的保护区。距离保护的第段是瞬时动作的，它的保护范围为本线路全长的8085%;第段与限时电流速断相似,它的保护范围应不超出下一条线路距离第段的保护范围，并带有高出一个t的时限以保证动作的选择性;第段与过电流保护相似，其启动阻抗按躲开正常运行时的负荷参量来选择，动作时限比保护范围内其他各

10、保护的最大动作时限高出一个t。保护主要由以下部分组成A测量部分，用于对短路点的距离测量和判别短路故障的方向。B启动部分，用来判别系统是否处于故障状态。当短路故障发生时，瞬时启动保护装置。有的距离保护装置的启动部分兼启动后备保护的作用。C振荡闭锁部分，用来防止系统振荡时距离保护误动作。D二次电压回路断线失压闭锁部分，当电压互感器（TV）二次回路断线失压时，它可防止由于阻抗继电器动作而引起的保护误动作。但当TV断线时保护可以选择投/退“TV断线线过流保护”。E逻辑部分，用来实现保护装置应有的性能和建立各段保护的时限。F出口部分，包括跳闸出口和信号出口，在保护动作时接通跳闸回路并发出相应的信号。（3

11、）线路纵联保护线路纵联保护是当线路发生故障时使两侧（或多侧）同时快速跳闸的一种保护装置。它的工作原理是线路各侧均将判别量借助通道传送到对侧，然后每侧分别按两侧判别量之间的关系来判断区内或区外故障。A电流相位比较式纵联保护：也称为相差高频保护，是以比较本线路两端规定的工频电流相位差为动作判据的一种线路纵联保护，现已淘汰。B高频闭锁方向保护：它的基本原理是比较被保护线路两侧的功率方向，当两侧的短路功率方向都是由母线流向线路时，保护就动作跳闸。目前广泛用负序功率方向元件来判别故障方向。C高频闭锁距离（零序）保护：它的基本原理类似于上述高闭方向保护，不同的是它利用两侧的方向距离（或零序功率方向）II段

12、或III段保护元件作为判别元件来判别故障的方向，两侧都动作则表明均为正方向，保护就动作跳闸。以上三种都是闭锁式纵联保护，它一般借助于相-地高频通道和收发讯机来实现保护信号的联系。它的动作过程是： 正常运行时，收发讯机不工作；（因此值班人员要经常交讯检查通道是否正常） 系统故障，两侧（或一侧）启动发讯，两侧收讯后均同时发讯（闭锁信号）； 保护判正方向则停讯，判反方向则继续发讯，通道有闭锁信号，两侧保护均不动作； 两侧保护均判正方向则两侧均停讯，通道无闭锁信号，两侧保护动作跳闸。D高频允许式纵联保护： 高频允许式纵联保护一般借助于相-相高频通道和载波机来实现保护信号的联系。它的动作过程是：正常运行

13、时，载波机发导频信号；（因此值班人员只要检查载波机是否告警）系统故障，一侧保护动作后，启动载波机发跳频信号；另一侧保护收到允许信号后，再根据自身的一些判别决定是否动作跳闸；另一侧保护未收到允许信号，该高频保护不动作；E电流差动式纵联保护：它是以同一时刻的本线路各端规定的同一电流量瞬时值相量和为动作判据的线路纵联差动保护（有综合式电流差动和分相式电流差动）。它的特点有：它以各侧电流“相量和”为动作判据，可靠、灵敏；利用制动特性，使差动元件动作值大于区外故障产生的不平衡差电流，能可靠防误动作；电压二次回路故障不会影响保护；它要求采用具有较高传输速度的通道，因此一般采用光纤通道；2. 线路保护配置情

14、况（1） 10-35kV线路保护配置10-35kV为中性点非有效接地电力网的线路，一般配置如下：A相间短路保护：一般由电流继电器构成，接于两相（不完全星形）或三相（完全星形）电流互感器上，但须注意同一网路所有线路均接入相同的两相上；保护采用远后备；单侧电源可设两段过流，保护装置仅装在电源端； 双侧电源可设带方向过流保护。B单相接地保护：一般装设单相接地监视装置，反映零序电压，动作于信号；有条件也可安装零序电流接地选线装置。C三相重合闸：单侧电源可设为无检定，双侧电源可设为检定无压重合闸。（2） 110kV线路保护配置110kV为中性点直接接地电力网的线路，一般配置如下：A 110kV的后备保护

15、一般采用远后备方式；B单侧电源线路可设阶段式相电流和零序电流保护，不能满足要求则用阶段式相间和接地距离保护并辅之一段零序电流保护；C双侧电源线路一般用阶段式相间和接地距离保护并辅之一段零序电流保护；D多级串联的单侧电源为满足快速和选择性要求，可以装设一套全线速动保护；E双电源线路为满足稳定要求，应装设一套全线速动保护；F长线与短线配合的保护，在短线上应装设一套全线速动保护。（3）220kV线路保护配置220kV也为中性点直接接地电力网的线路，一般配置如下：A遵循220kV应加强主保护简化后备保护的原则配置：加强主保护是指全线速动保护的双重化配置，每套全线速动保护应有选相功能并正确动作，功能完整

16、能反应各种类型故障；简化后备保护是指主保护双重化配置的同时，每套都有延时的相间和接地、段保护；两套全线速动保护既都是主保护，能快速切除区内各种故障，同时又可以互为近后备（一套拒动时，应由另一套切除故障）；B装设两套全线速动保护在旁代时至少保留一套，同时有如下要求：两套保护的交流电流、交流电压、直流电源彼此独立； 每套保护均能快速动作切除全线内各种类型故障；每套保护均具有选相功能；两套保护应分别动作于断路器的一组跳闸线圈；两套保护应分别使用独立的远方信号传输设备；C保护采用近后备方式；D对相间短路和接地短路应装设相应的后备保护；（4）330-500kV线路保护配置 A保护要求双重化配置； B同时

17、要考虑超高压系统输送电时的各种影响； C根据一次系统过电压要求需装设过电压保护并通过发送远跳信号跳对侧断路器；（二）母线保护1概念母线保护是重要变电站一次母线的主保护，能够快速切除母线上任何故障。一般情况下只有在220kV及以上的变电站才配置母线保护。母线保护的基本理论依据是KCL原理，即把母线看做一个广义的KCL节点，在任何情况下流入和流出该节点的电流的向量和等于零，只有当母线上出现故障时由于故障电流均流向故障点而出现差电流，母线保护会动作切除故障，图17-1为母差保护电流示意图。 图17-1 差动保护电流回路原理图2.母线保护的一般配置（1）对于500kV系统的3/2接线，每组母线应装设两

18、套母差保护；（2）对于220kV系统的双母线、双母线分段接线，宜装设两套母差保护；220kV变电站110kV母线单套配置；（3）对于110kV及以下的变电站一般不配置母差保护，部分重要变电站，装设一套母差保护；3.专用母线保护的要求（1）保护能正确反应母线保护区内各种类型故障并动作于跳闸；（2）对于各种类型区外故障，保护不应因TA饱和而误动作；（3）保护不应因母线故障时流出短路电流影响而拒动，并能适应母线各种运行方式；（4）双母线接线的母差保护应设有电压闭锁装置；（5）母线保护仅实现三相跳闸出口；（6）母线保护动作后，除3/2接线外，对于不带分支且有纵联保护的线路，应采取措施使对侧断路器能速动

19、跳闸；（7）交流电流回路不正常后断线时应闭锁母差保护动作，并发告警信号；（三）断路器失灵保护1.概念失灵保护由电压闭锁元件、保护动作与电流判别构成的启动回路、时间元件及跳闸出口回路组成，其原理如图17-2所示。 图 17-2 失灵保护原理图2.断路器失灵保护的一般配置（1）220-500kV电力网，应装设一套断路器失灵保护；220kV系统按“六统一”要求设双套断路器失灵保护，并与母差保护共屏。（2）断路器失灵保护即实现了近后备方式，又能防止断路器与TA间故障形成保护死区引起停电范围扩大；（3）220-500kV分相操作的断路器可仅考虑断路器单相拒动的情况；3.断路器失灵保护启动的要求（1）故障

20、线路或设备能瞬时复归的出口继电器动作后不返回；（2）断路器未断开的判别元件动作后不返回；（3）失灵保护的判别元件一般为相电流元件，动作和返回时间均不应大于20ms;4.断路器失灵保护时间的整定（1）3/2接线的失灵保护应瞬时再次动作于本断路器的两组跳闸线圈跳闸，再经一时限动作于断开其他相邻的断路器；（2）单、双母线的失灵保护应较短时限断开与拒动断路器相关的母联和分段断路器，再经一时限断开与拒动断路器同母线的断路器； （3）变压器断路器失灵还应断开变压器其它侧的断路器；5.断路器失灵保护闭锁元件（1）3/2接线的失灵保护不装设闭锁元件；（2）单、双母线的失灵保护应装设闭锁元件；（3）与母差保护共

21、出口的失灵保护不必设独立的闭锁元件（共用），但灵敏度要保证要求；（4）变压器等断路器失灵保护，为防止闭锁元件灵敏度不够应采取解除闭锁措施或不设；6.断路器失灵保护其他要求（1）双母线的失灵保护应能自动适应连接元件运行位置的切换；（2）对具有双跳圈的断路器，应同时动作于两组跳闸回路；双重化配置时应分别动作于两组跳闸回路；（3）对远方跳对侧断路器的，宜利用两个传输通道传送跳闸命令；（4）失灵保护动作于跳闸后应闭锁重合闸；（四）三相不一致保护采用分相操作机构的断路器在运行中会出现三相不同时合闸（即三相不一致）的异常状况，因三相不一致引起的零序、负序电流，将对系统产生不利影响，甚至引起保护及自动装置误

22、动。为减少断路器三相不一致对系统的影响，需对断路器加装三相不一致保护。根据继电保护六统一原则，断路器本体三相不一致应采用断路器本体内部三相不一致回路，每相断路器分闸位置辅助常闭触点并联及合闸位置辅助常开触点并联，之后再串联启动时间继电器，经时间继电器延时启动三相不一致保护继电器，经三相不一致保护继电器接点接通三相跳闸线圈，以断开仍在运行的其它相断路器。如果现场未改造或一次设备无法达到要求，也可采用保护装置内三相不一致回路，保护装置内的三相不一致回路，还多引入了负序或零序电流作为判据。根据继电保护双重化配置的反措要求，三相不一致保护也应实现双重化配置。三相不一致保护的动作时间应按大于断路器单相跳

23、开后等待单相重合闸的时间来整定。图17-3 为保护装置内三相不一致原理图，断路器三相不一致不要负序和零序过流条件。三相不一致保护不启动失灵。在断路器本体内部三相不一致回路，必须有警示标识，出口中间继电器必须加防护罩。 图17-3 保护装置内三相不一致原理图（五）变压器保护1.瓦斯保护及非电量保护（1）0.4MVA及以上户内油浸式变压器和0.8MVA及以上油浸式变压器均应装设瓦斯保护；（2）轻瓦斯瞬时动作于信号，重瓦斯瞬时动作于断开各侧断路器；（3）带负荷调压变压器的调压开关也应装设瓦斯保护，调压重瓦斯瞬时动作于断开各侧断路器；（4）对于变压器油温、绕温及压力升高超过允许值和冷却器系统故障，应设

24、动作跳闸或信号的保护；2.电量主保护（1）电压在10kV及以下，容量在10MVA及以下的变压器，采用电流速断保护；（2）电压在10kV及以上，容量在10MVA及以上的变压器，采用纵差保护；（3）220kV及以上变压器保护应双重化配置；目前新建智能变电站站的110kV变压器也多采用双重化保护；（4）纵差保护应满足的要求：A能躲过励磁涌流和外部短路产生的不平衡电流；B在变压器过励磁时不误动作；C在电流断线时应发出断线信号，电流回路断线闭锁差动保护动作跳闸；D纵差保护的保护范围应包括变压器套管及引线；3.后备保护（1）采用过流、复压闭锁（方向）过流等保护防止外部相间短路引起的变压器过电流；（2）11

25、0kV及以上中性点直接接地电网，应装设接地短路后备保护防止外部单相接地短路引起的过电流；（3）110kV、220kV中性点直接接地电网，低压侧有电源的主变压器中性点可能接地或不接地运行时，应装设防止失去接地中性点引起中性点电压升高的后备保护；A全绝缘变压器：装设零序过电流保护，再增设零序过电压保护；B分级绝缘变压器：装设放电间隙，装设直接接地和经放电间隙接地的两套零序过电流保护，再增设零序过电压保护；（4）10-66kV系统专用接地变压器应配置主保护和相间后备保护；（5）0.4MVA及以上并列运行变压器应根据实际可能出现的过负荷增设过负荷保护动作于信号，无人值班站可以动作跳闸；（6）高压侧33

26、0KV及以上变压器，为防止频率降低和电压升高引起变压器磁密过高而损坏，应装设过激磁保护；（六）电容器组保护1.针对电容器组和断路器之间连接线的短路，装设带短时限的电流速断和过流保护；2.针对电容器内部故障及其引出线的短路，装设专用的保护熔断器；3.防止故障电容器被切除一定数量后引起的端电压超过110%额定电压，采用下列保护将整组电容器断开：（1）中性点不接地单星形接线电容器组，可装设中性点电压不平衡保护；（2）中性点接地单星形接线电容器组，可装设中性点电流不平衡保护；（3）中性点不接地双星形接线电容器组，可装设中性点间电流或电压不平衡保护；（4）中性点接地双星形接线电容器组，可装设反映中性点回

27、路电流差的不平衡保护；（5）电压差动保护；（6）单星形接线电容器组，可采用开口三角电压保护；4.防止电容器组的单相接地故障，与10kV线路保护配置相同；5.对电容器组，应装设过电压保护，带时限动作于跳闸或信号；6.对电容器应装设失压保护，带时限切除所有母线上的电容器；7.对高压并联电容器，宜装设过负荷保护，带时限动作于跳闸或信号；（七）并联电抗器保护1.对油浸式并联电抗器，应设置轻、重瓦斯保护防止油箱产生大量瓦斯；2.对油浸式并联电抗器内部及其引线的相间和单相接地短路，应设置相应保护：（1）66kV及以下并联电抗器，应装设电流速断保护，瞬时动作于跳闸；（2）220-500kV并联电抗器，除非电

28、量保护，保护应双重化配置；（3）纵联差动保护瞬时动作于跳闸；（4）应装设过电流保护作为后备保护；（5）220-500kV并联电抗器应装设匝间保护；3.对220-500kV并联电抗器应装设过负荷保护，带时限动作于信号；4.对于并联电抗器油温、绕温升高超过允许值和冷却器系统故障，应设动作跳闸的保护；5.对于并联电抗器中性点的接地电抗器，应装设瓦斯保护；6.对330-500kV并联电抗器的保护在无专用断路器时，其动作后还应起动远方跳闸装置，断开线路对侧断路器；7.66kV及以下干式并联电抗器：（1）电流速断作为电抗器绕组及引线相间短路的主保护；（2）过电流作为电抗器绕组及引线相间短路的后备保护；（3

29、）零序过电压保护作为单相接地保护，动作于信号；（八）备自投装置备自投的方式与变电站主接线形式有关，一般分为为桥备投、进线备投、分段备投等几种类型1. 基本要求（1）工作电源断开后，备用电源才允许投入；（2）投入备用电源断路器必须经过延时，延时时限应大于最长的外部故障切除时间；（3）手动跳开工作电源时，备自投装置不应动作；（4）应有闭锁逻辑，以防止备用电源投到故障的元件上，造成事故扩大的严重后果；（5）备用电源不满足有压条件，装置不应动作；（6）防止工作母线TV二次三相断线造成误动；（7）只允许动作一次。2. 动作逻辑：如图17-4，只有当启动条件和闭锁条件都没有发生且备自投装置没有处于动作时，

30、备自投装置才能充电，备自投充电时间T1大于10S这样可以保证备自投装置动作失败或备投于有故障的备用线路时不会再动作，即只动作一次。当启动条件满足，没有闭锁条件，备自投装置充满电后，经T2时限备自投装置动作。当备自投装置动作跳开主供开关后，只有确认主供开关在分位后，才会合上备用电源开关，防止备用电源开关投到故障元件上。 图17-4 备自投动作逻辑图图17-5 一次接线图3. 备自投的三个重要条件如图17-5所示，桥备投、进线备投、分段备投、主变备投就动作后合开关结果而言，其实可以看成备用电源开关备投和母联开关备投，下面的条件就讲这两种方式。（1）充电条件：A备用电源开关备投：各段母线均有压，备用

31、电源有压，主供电源开关在合位，母联开关在合位（无母联开关，则取分段刀闸位置）备用电源开关在分位，以上条件需同时满足。B母联开关备投：各段母线均有压，两个电源开关均在合位，母联开关在分位，以上条件需同时满足。（2）闭锁条件（放电条件）:A备用电源开关备投：各段母线不是同时有压，备用电源无压，母联开关在分位（无母联开关，则取分段刀闸位置），备用电源在合位，手跳主供电源开关，有外部开入的闭锁信号，以上条件有一即可。B母联开关备投：各段母线不是同时有压，两个电源开关和母联开关均在合位，手跳任一电源开关，有外部开入闭锁信号，以上条件有一即可。（3）启动条件：A备用电源开关备投：各段母线均无压，主供电源无流（防止工作母线TV二次三相断线造成误动），以上条件需同时满足。B母联开关备投：有一段母线无压，无压段母线供电电源无流（防止工作母线TV二次三相断线造成误动），以上条件需同时满足。（九）低频低压减载装置