电力系统基本概念

继电保护基本原理及应用主讲人：杨爱宏上海连际自动化控制系统有限公司培训内容•继电保护的作用；•继电保护的四性及相互关系；•继电保护的发展历程；•线路保护的基本原理；•变压器保护的基本原理；•电动机保护的基本原理；继电保护的作用系统发生短路时可能产生的后果1、通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；2、短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短使用寿命；3、电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品的质量；4、破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至瓦解整个系统。继电保护的概念当系统一旦发生故障时，保证系统能有选择性的、快速的切除故障的装置，称为继电保护装置；原来实现此功能的装置是由继电器组合来实现的，故称为继电保护装置，而目前继电器已被电子元件及计算机替代，但仍沿用此名称。在电力部门常用继电保护一词泛指机电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护的基本任务1、自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；2、反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，动作于发信号、减负荷或跳闸。继电保护的四性及相互关系一、继电保护的4个基本要求：1、选择性：即保护装动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量减少，让无故障部分仍能继续安全运行。1）图片2）d1、d2、d3短路的切除范围。3）考虑拒动的可能：远后备、近后备。继电保护的四性及相互关系2、速动性：快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。3、灵敏性：指对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反映能力。在保护范围内，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐的正确反映。灵敏系数：检验保护装置所保护的范围发生故障时，继电保护装置的反映能力。对于过量保护装置，灵敏系数的含义：Klm=保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值/保护装置的动作参数故障参数的计算值根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定。4、可靠性：该动作时，不拒动；不该动作时，不误动。继电保护的四性及相互关系二、四性的相互关系：1、选择性与速动性存在矛盾解决矛盾的方法是：1）切除故障允许有一定的延时；2）对于维持系统稳定的、重要的、可能危及人生安全的故障必须保证快速切除。2、灵敏性与可靠性存在矛盾，保护设置太灵敏，容易引起“误动”，不可靠；保护设置过分的考虑“稳妥性”，增加了“拒动”的可能性。为了解决这个矛盾，我们一般根据电力系统的结构和负荷性质的不同，误动和拒动的危害程度有所不同来进行考虑：1）系统中有充足的备用容量、输电线路很多、各系统之间和电源与负荷之间联系很紧密时，提高继电保护“不拒动”的可靠性比提高“不误动”的可靠性更为重要；2）系统中备用容量很少，各系统之间和电源与负荷之间联系比较薄弱的情况下，提高继电保护“不误动”的可靠性比提高“不拒动”的可靠性更为重要。继电保护的发展历程一、继电保护原理发展史：1、19世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式的电磁型过电流继电器；2、1901年出现了感应型过电流继电器；3、1908年提出比较被保护元件两端电流的差动保护原理；4、1910年方向保护得到运用；5、1920年前后距离保护出现；6、1927年前后出现了利用高压输电线路上高频载波电流传送和比较输电线路两端功率方向或电流相位的高频保护装置；7、1950年前后出现了利用微波传送电量的微波保护；8、1970年前后诞生了行波保护装置。继电保护的发展历程二、继电保护装置发展史：1、机电式继电器：上世纪50年代以前，以电磁型、感应型、电动型继电器为主，都具有机械转动部分。优点：运用广，积累了丰富的运行经验，技术比较成熟。缺点:体积大，功耗大，动作速度慢，机械转动部分和触点易磨损或粘连，调试维护复杂。2、晶体管式机电保护装置（第一代电子式静态保护装置）：50年代开始发展，70年代得到广泛应用。优点：解决了机电式继电器存在的缺点缺点：易受外界电磁干扰，在初期经常出现“误动”的情况，可靠性稍差。3、集中电路继电保护装置（第二代电子式静态保护装置）：80年代后期出现，将数十个甚至更多的晶体管集中在一个半导体芯片上。优点：体积更小，工作更可靠。继电保护的发展历程4、微机保护：90年代后，已大量投入使用，成为机电保护装置的主要形势。可以说微机保护代表着电力系统机电保护的未来，目前已成为电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分。优点：1）具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可以实现任何性能完善且复杂的保护原理；2）微机保护可以自检，可靠性高；3）可用同一的硬件实现不同的保护功能，制造相对简化，易进行标准化；4）功能强大：故障录波，故障测距，事件顺序记录，调度通讯等功能。电网线路保护的基本原理一、阶段式电流保护1、电流速断保护：1）说明：该保护简单可靠、动作迅速，得到广泛应用；但缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围受系统运行方式的影响，一般对于系统运行方式变化很大或线路很短的情况下使用速断保护，效果不佳。2）图片：3）分析：a）整定原则：按照躲过最大运行方式下本线路尾端三相短路时电流整定。b）为何不能保护线路的全长：保证选择性；c）保护范围怎样受系统运行方式的影响：最大运行方式时，保护范围最大；最小运行方式时，保护范围最小，甚至失灵。电网线路保护的基本原理电网线路保护的基本原理2、限时电流速断保护1）说明：有选择性的电流速断不能保护线路全长，故需增加一段新的保护，用以切除本线路上速断范围以外的故障，同时也作为速断的后备，这就引出了限时电流速断保护。对于该保护的要求是：a）在任何情况下，能保护线路的全长，并具有足够的灵敏性；b）在较小的时限快速切除全线路范围以内的故障。3）分析：a）整定原则：按照保护范围不超出下一条线路速断保护的范围，动作时限比下一条线路速断保护高出一个时间阶段Δt，通常取0.5秒。b）限时速断保护灵敏性的要求：为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，对限时电流速断保护要求Klm1.3～1.5，以防止当线路末端短路时，出现一些不利于保护动作启动的因素（如非金属性短路、计算误差、互感器误差、保护装置误差等），使保护拒动。c）速断与限时速断保护配合的评价：两个保护的联合工作保证了全线路范围内的故障都能在0.5秒的时间范围内切除，在一般的情况下都能够满足速动性的要求，能够构成一条线路的主保护。电网线路保护的基本原理3、定时限过电流保护1）说明：由于速断保护不能保护线路的全长，故通过限时速断保护既可作为主保护保护本线路尾端速断所不能保护的范围，又能作为本线路速断的后备保护，但限时速断保护不能作为相邻下一条线路的后备保护，故为了保证整个系统的可靠性，引入了定时限过电流保护。该保护通常按照躲开最大负荷电流来整定，在正常运行情况下不应启动，而在电网发生故障时，则能反映于电流的增大而动作，在一般情况下，它不仅能保护线路的全长，也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。电网线路保护的基本原理4、阶段式电流保护的评价：其主要优点就是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求，因此在电网中特别是在35kV及以下的较低电压网络中获得了广泛应用。但其缺点是受电网的接线以及电力系统运行方式变化的影响。变压器保护的基本原理概述•一、变压器的故障：•1、油箱内部故障：•1）各项绕组之间的相间短路•2）单项绕组部分线匝之间的匝间短路•3）单项绕组或引出线通过外壳发生的单相接地故障。•2、油箱外部故障•1）引出线的相间短路•2）绝缘套管闪烁或破坏引出线通过外壳发生的单相接地短路。变压器保护的基本原理•二、变压器不正常工作状态：•1、油箱漏油造成油面降低•2、外部接地引起的中性点过压•3、外部短路或过负荷•4、外加电压过高或频率降低•三、应装设的继电保护装置•1）瓦斯保护防御变压器油箱内各种短路故障和油面降低•重瓦斯跳闸•轻瓦斯信号•2）纵差动保护和电流速断保护防御变压器绕组和引出线的多相短路、大接地电流系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路变压器保护的基本原理•3）相间短路的后备保护,作为（1）(2)的后备•a过电流保护•b复合电压起动的过电流保护•c负序过电流•4)零序电流保护：防御大接地电流系统中变压器外部接地短路•5)过负荷保护：防御变压器对称过负荷•6)过励磁保护：防御变压器过励磁变压器保护的基本原理变压器纵差动保护•一、构成变压器纵差动保护的基本原则....I-J1'I双绕组变压器纵差动保护单相原理图二．不平衡电流产生的原因和消除方法：理论上，正常运行和区外故障时，Ij=I1-I2=0。实际上，很多因素使Ij=Ibp≠0。（Ibp为不平衡电流）下面讨论不平衡电流产生的原因和消除方法：变压器保护的基本原理•1、由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流：•（Υ/Δ-11）Y.d11接线方式——两侧电流的相位差30°。•消除方法：相位校正。•变压器Y侧CT（二次侧）：Δ形。Y.d11•变压器Δ侧CT（二次侧）：Y形。Y.Y12•从下图可以看出差动臂中的幅值相差•1.732倍，对常规保护来说，通过CT变比进行调整，微•机保护通过平衡系数进行调整。变压器保护的基本原理变压器保护的基本原理2、由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流:CT的变比是标准化的,如:600/5,800/5,1000/5,1200/5,所以,很难完全满足计算的要求，即Ij≠0,产生Ibp.消除方法:常规保护利用差动继电器的平衡线圈进行磁补偿，微机保护不存在此问题，对CT变比没有要求，通过平衡系数设置即可。变压器保护的基本原理3、由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流:(CT变换误差)Ibp.CT=Ktx∙Ker∙Id.max/nl1其中Ktx=1此不平衡电流在整定计算中应予以考虑.4、由变压器带负荷调整分接头而产生的不平衡电流:改变分接头→改变nB→破坏nl2/nl1=nB或的关系.产生新的不平衡电流.(CT二次侧不允许开路,即nl2,nl1不能改变),Ibp.ΔU=±ΔU∙Id.max/nl1无法消除.此不平衡电流在整定计算中应予以考虑.5、暂态情况下的不平衡电流:⑴非周期分量的影响:比稳态Ibp大,且含有很大的非周期分量,持续时间比较长(几十周波).变压器保护的基本原理•⑵由ILy产生的不平衡电流:•当变压器电压突然增加的情况下(如:空载投入,区外短路切除后).•IL↑→励磁涌流，可达(6-8)Ie.•特点:•a有很大的直流分量.(80%基波)•b有很大的谐波分量,尤以二次谐波为主.(20%基波)•c波形间出现间断.(削去负波后)•措施:•a采用具有速饱和铁芯的差动继电器;•b间断角原理的差动保护;•c利用二次谐波制动;•d利用波形对称原理的差动保护。变压器保护的基本原理•二、微机型差动保护原理（以SEL-587装置为例）•1、差动速断保护•差动速断保护实质上是反映差动电流的过电流保护，该保护不经任何闭锁回路，直接快速动作于出口。•2、差动保护•装置采用比率差动、二次谐波制动的原理。•1）为何差动保护需采取比率差动的原理：防止在变压器区外故障（穿越性故障）时，高低压侧CT传变特性不一致，导致差流的产生，并且超过定值而动作，当采用了带比率制动的差动保护后，随着穿越电流的增大，差动启动的门槛将会抬高，保证穿越性故障不误动。•2）差动保护动作特性•差动保护动作特性曲线如下图所示：变压器保护的基本原理图中Icd为差动电流、Izd为制动电流、Idz0为最小动作电流，Izd0为最小制动电流，Isd为差流速断动作电流，Kl为比率制动系数。动作电流高低压侧电流相减；制动电流为高低压侧电流取平均值。比率差动动作方程如下：Icd≥Idz0并且Icd≥Idz0+k1(Izd-Izd0