继电保护、安全自动装置及调度自动化

2011.7.注册电气工程师复习辅导继电保护、安全自动装置及调度自动化华北电力设计院钟德明1•1.电力系统的组成：是由许多发、输、变、配电及用电的一次和二次设施所构成的电力生产运行系统。是一个庞大的多源、多节点、多输入、多输出，运行复杂的互连电网。•2.电力系统的特点：电能量的生产供应与消费在同一时间完成，不能存储，即用即发。电网运行环境非常复杂，而电气设备的故障是难免的，因此保证电网的安全稳定运行十分重要。•3.保证电网安全稳定运行的技术手段：电网中的任何扰动都会影响电网的稳定运行。电网发生故障时必须尽快切除故障，保证无故障系统的稳定运行。继电保护装置是在任何电气设备发生故障时快速切除故障，保证电网安全稳定运行；安全自动装置是在电网发生故障或异常运行时起控制作用的自动装置；调度自动化是指挥、协调电网运行操作、事故处理，保持电网的安全稳定运行。三者是当前控制电网的主要技术手段。前言：电力系统与继电保护、安全自动装置及调度自动化111–电力系统有三大特点•全网的电气设备是在同一个频率下同步运行（50周）。•电压问题是局部问题•电力设备事故是不可避免的–电力系统需要三大支柱•合理的电网结构是电网安全稳定的物质基础•需要安全自动装置协调配合•技术管理水平是安全稳定运行的保证–电网发生故障的三道防线•单一故障不损失负荷•单一严重故障，保证系统稳定，允许损失部分负荷。•多重严重故障，不能保证系统稳定时，采取一切措施，电网不能崩溃瓦解和大面积停电（设置解列点）31一．电力系统继电保护•1.1继电保护和安全自动装置：•1)继电保护是当电力系统发生故障时，能及时发出告警或使断路器跳闸，快速切除故障，终止故障发展，保证电网安全稳定运行；安全自动装置是防止电力系统发生故障情况时失去稳定和避免发生大面积停电事故的自动装置。•2)用于保护电力元件的成套装置一般统称继电保护装置；用于保护电力系统安全稳定的一般统称安全自动装置。•3)任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行。当电力元件发生故障时要求保护装置在最短时间、最小范围内，按预先设定的方式，将故障设备从运行系统中断开。•继电保护分主设备保护和系统保护。•发电机、变压器、等元件故障,由主设备保护来切除；线路故障（属系统保护）有线路保护切除。但相互间还有后备作用，需要配合。411.1.1电力系统对继电保护基本要求•继电保护应满足四性要求：•可靠性：（信赖性和安全性）指保护该动时动，不该动时不动。•选择性：首先由故障元件本身保护切除故障，当本身保护或断路器拒动时才允许相邻元件的保护动作切除故障。•灵敏性：保护装置具有的正确动作能力的裕度，一般以灵敏系数表示，不同类型保护的灵敏系数要求不同。•速动性：保护装置应尽快切除故障。提高系统稳定，减轻设备损坏程度，缩小故障波及范围，提高重合闸和自投的效果。•因此在继电保护研制、装置选型、整定计算、保护配置、回路接线及工程设计等方面，都要围绕四性的原则考虑。511.1.2.电网结构要求与安全稳定标准电网建设应满足电力系统安全可靠、运行灵活、经济合理的基本要求。合理的电网结构是电力系统安全稳定的基础。1.电力系统扰动：分小扰动和大扰动两类：小扰动指正常负荷波动、功率及潮流变化、变压器调分头等引起的扰动。大扰动指系统元件短路、切换操作和其他较大的功率或阻抗变化引起的扰动。后者与继电保护和安全自动装置关系密切。2.电力系统承受大扰动能力的三级稳定标准。第一级标准：在发生第一类故障（单一故障）扰动后，能保持系统稳定运行和电网正常供电。第二级标准：在发生第二类故障（单一严重故障，）扰动后，能保持系统稳定运行但允许损失部分负荷。第三级标准：在发生第三类故障（多重严重故障，）扰动后，当不能保持系统稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。61•单一故障：任何线路单相瞬时接地故障并重合成功。•双回以上线路，有一回线永久故障断开•任一台发电机跳闸。•任一回交流联络线跳开。•单一严重故障：•单回线单相永久故障重合不成功及无故障三相断开。•同塔双回线异名相故障重合不成功，双回线三相断开。•一段母线故障。•多重严重故障：故障时断路器拒动。•故障时继电保护及自动装置误动或拒动。•丧失大容量发电厂6－11：1.1.3.继电保护用电流互感器及电压互感器•１）保护用电流互感器：P类、•TPS类、低漏磁适应于对复归时间要求严格的断路器失灵保护•TPX类、TPY类、TPZ类。具有暂态特性的电流互感器。•２）330kV及以上线路保护用电流互感器宜选用TPY。•220kV及以下系统保护用电流互感器宜选用Ｐ类。•新型电子式电流互感器；•３）互感器的安全接地。•ＣＴ二次回路必须有且只能有一点接地。一般在CT端子箱。•几组并联CT也只能一点接地，在保护屏接地。（双断路器、母线保护差动及其他差动保护）•ＰＴ，只允许一点接地，接地点在控制室，N600。711.1.4.电力系统的故障1)电力系统的中性点接地方式：•有直接接地、不接地、经电阻接地、经电抗或消弧线圈接地。（大电流接地系统、小电流接地系统）•电网中性点接地方式，决定主变压器中性点接地方式。为降低设备的绝缘水平，目前我国110kV及以上电网均为直接接地方式（大电流接地系统），66kV以下采用小电流接地方式。•中性点接地与不接地在发生故障时的电气量是不同的，继电保护必须根据故障量来设计动作原理，分析保护动作行为。•2)常见故障类型及特性•故障种类分：三相短路（对称故障）、不对称故障（单相接地短路、两相短路、两相接地短路、线路不对称断相）、系统振荡等等。81•在高压和超高压电网中，绝大多数故障是单相接地短路，据统计占全部短路故障的70%-90%左右。随着电网电压的提高，这个比例还在升高。•其次是两相短路接地、两相短路和三相短路故障。•在中性点非直接接地的电网中，短路故障主要是两相短路，包括两相接地短路。在中性点非直接接地的电网中，一相接地不会造成短路，只产生不大的电容电流。•3)故障时的电气量序分量。•a）在直接接地系统中，三相短路、两相不接地短路：有正序分量、负序分量，无零序分量。•b）只有接地故障（单相或两相接地短路故障）时才产生零序电流。914)电力系统振荡与失步•当电力系统发生扰动时，如保护装置切除故障线路后，使发电机功角发生变化，并列运行的机组之间相对角度发生摇摆。失去同步运行稳定，引起系统振荡。使线路电流、电压大幅度地周期性波动。如果处理不当可能导致系统瓦解，大面积停电。101Pd1d2d312d12dixu'E当d=90时，功率极限达到最大值，Pmaxixu'Eixu'Eixu'E11112•4)电力系统振荡与短路时电气量的区别a)系统振荡时，各点电压和电流均做往复性摆动，（短路时电气量是突变的）.•b)系统振荡时，不同地点的电流和电压的相角可以有不同的，而短路时是相同的.•c)系统振荡时，不破坏三相的对称性，所有电气量是对称的。而短路伴随出现三不相对称.•从保护原理上说反应负序、零序分量的保护及电流差动保护在振荡时是不会误动的。相间电流保护和某些距离保护会误动.1211.1.5.高压输电线路常用继电保护装置的应用。1.电流保护：电流保护的工作原理：以通过保护安装处的电流为作用量的继电保护，当通过电流大于定值时保护动作，称过电流保护。△t－0.5s有相间过电流保护和零序过电流保护电流保护简单，应用范围广，可与电压、方向、时限等配合，效果将更好。可作成无时限和带时限的多端式电流保护。零序电流保护：由于电力系统接地故障几率高，占总故障的70％－90％，因此接地保护十分重要，而零序电流保护对高电阻接地故障有较好的保护能力。所以在高压电网也做为接地故障的后备保护。当故障接地电阻不大于220kV－100欧姆、330kV－150欧姆、500kV－300欧姆，保护应能正确动作1312.距离保护（阻抗保护）•1)距离保护原理：以测量线路阻抗为判据的保护装置。主要用于输电线保护。k1ZZRR距离保护的动作特性：有园特性、四边形、全阻抗形等。前两种是具方向性，实际应用目前以四边形和园形较多。带方向性可作纵联保护的方向元件。JXRJXJX141•2)距离保护的阶梯特性•80-90%距离保护最大的特点是：定值不受运行方式和负荷大小的影响。距离保护一般有三段或四段，一般都带方向性。保护一段只能整定线路的80-90%，不能保护全线。二段作后备，三段可作相邻线后备。为了增加装置的可靠性，一般采用启动元件和阻抗元件来组合。启动元件也可采用负序、零序、相电流突变量等。1513.线路纵联保护：•以线路两侧某种电量间的特定关系作为判据，即借助通道将判别量传送到对侧，按照两侧判别量之间的关系来判别区内或区外故障的保护称为线路纵联保护，线路故障时使两侧开关同时跳闸。判别量和通道是装置的主要组成部分•纵联保护能实现全线速动。Ak1Bk2161线路纵联保护的种类：•不同的判别量和传送方式，形成不同的纵联保护装置•a)电流差动式纵联保护、比较同一时间线路各端的电流相位或电流瞬时值：分电流相位比较和电流差动保护两类。（电流相位比较，用专用收发讯机传送载波信号的，如过去常见的高频差动保护。现在光纤通道，可传送数字信号，使电流差动保护得到了广泛应用）。•b)方向比较保护：比较线路两侧电气量的方向为判据的纵联保护。（用功率方向元件或阻抗方向元件）。•方向比较保护有欠范围和超范围两种。•纵联方向比较保护有闭锁式、允许式。•如纵联方向、纵联距离保护等1714.纵联电流差动保护：•以线路两端电流瞬时值的和为动作判据。（母线流向线路为正方向，线路流向母线为反方向）。•由于比较两侧电流的瞬时值，所以对通道要求很高，采用导引线和光纤通道实现电流差动保护。•保护定值只需躲外部故障时的不平衡电流，所以有较高的灵敏度。•纵联电流差动保护，有综合式和分相式两种。分相式纵联电流差动保护是分别比较每相电流的瞬时值，特点是：有选相功能、在分相操作的高压电网中可实现单相重合闸、同塔双回线还可实现按相重合闸。1815.高频闭锁方向保护：•保护以比较线路两侧功率方向为判据，区内故障，两侧正方向功率元件均动作，跳闸。••k1AB正方向正方向191•区外故障，一侧正向元件动作，另一侧反向元件动作，后者向对侧发闭锁信号，使两侧保护均不动作。发闭锁信号k1AB传送的闭锁信号是在非故障线路上，故对通道要求不高。且闭锁信号是在非故障线路发送，所以可靠性高。正方向反方向2011.2电力系统继电保护的配置1.2.1.对继电保护配置的基本要求•1)继电保护是电力系统的重要组成部分，电力系统中所有线路、母线等电力设备，都不允许在无继电保护状态下运行，配置继电保护必须符合继电保护技术规程要求、符合四性的要求。•2）继电保护和安自的配置，要满足电网结构、厂站主接线的要求，并考虑电网和厂站运行方式的灵活性。•3)保护装置对各种故障要能可靠地快速动作，切除故障时间要能满足系统稳定要求。•4)保护装置能适应重合闸的要求。分相操作的高压线路，可实现单相重合闸，单相故障跳单相，健全相再故障应能快速跳开三相。•5)系统正常操作、或发生振荡时保护装置不应误动。•6)保护装置的零序电流方向元件的电压应采用自产零序电压。•等27条。2111.2.2影响电网继电保护配置的主要因素。1)电网电压等级：电压等级是电网重要性的标志之一，高压电网的稳定问题突出，暂态过程严重，要求保护装置可靠高、动作快。2)中心点接地方式：影响电网接地保护的选型与配置。3)电网结构形式：要避免成串或成环短线、T接分支等。4)选择性切除故障时间的要求：按实际情况允许切除故障的最长时间，如220kV-500kV线路要求主保护近端故障≤20ms，远端故障≤30ms（不包括通道传送时间）。5)故障类型及概率：但任一元件不能无保护运行。6)事故教训及经验：采用有成熟运行经验的保护装置。等。2211.2.3主保护、后备保护、辅助保护。•1)主保护：在电力系统中，能满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除故障的保护装置。（有全线速动及按阶梯时间动作两类）当必须全线瞬时切除故障时，应