《电力系统继电保护(第二版)》读书笔记

《电力系统继电保护》读书笔记1.绪论1.1电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态一般将电能通过的设备称为电力系统的一次设备，对一次备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备称为二次设备。一般正常状态下的电力系统，其发电、输电和变电设备还保持一定的备用容量，能满足负荷随机变化的需要，同时在保证安全的条件下，可以实现经济运行；能承受常见的干挠，从一个正常状态和不正常状态、故障状态通过预定的控制连续变化到另一个正常状态，而不致于进一步产生有害的后果。不正常运行状态指部分参量超过安全工作限额但又不是故障的工作状态，如因负荷潮流超过电气设备的额定上限造成的电流升高（又称为过负荷），系统中出现功率缺额而引起的频率降低，发电机突然甩负荷引起的发电机频率升高，中性点不接地系统和非有效接地系统中的单相接地引起的非接地相对地电压的升高，以及电力系统发生振荡等。电力系统的故障状态最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路，其中以单相接地短路为主，其次为两相短路。电力系统自动化（控制）：为保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备，主要进行电能生产过程的连续自动调节，动作速度相对缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中的一部分作为调节对象。为了在故障后迅速恢复电力系统的正常运行，消除故障，保证持续供电，常采用以下的自动化措施：输电线路自动重合闸，备用电源自动投入，低电压切负荷，按频率自动减负荷，电气制动、振荡解列以及为维持系统的暂态稳定而配备的稳定性紧急控制系统，完成这些任务的自动装置统称为电网安全自动装置。继电保护装置就是指能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发生信号的一种自动装置。1.2继电保护的基本原理及构成实现继电保护需区分电力系统在不同运行状态下的差异，具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即“测量阻抗”等。线路短路后，从电源端至短路点，离短路点越近，电压降得越低，短路点的相间或对地电压降低到零。而对短路电流，不同的短路点随距电源端的距离变化，短路电流相应连续变化，短路点越远电流越小。在正常运行时，线路始端的电压与电流之比反映的是该线路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角（即功率因数角，电流与电压之间的相位角，正常运行时一般小于30°），阻抗值一般较大，阻抗角较小。短路后，线路始端的电压与电流之比反映的是该测量点到短路点之间线路段的阻抗，其值较小，如不考虑分布电容时，一般正比于该线路段的距离（长度），阻抗角为线路阻抗角，较大。利用测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离（低阻抗）保护。如果电力系统发生的不是三相对称短路，而是不对称短路，则在供电网络中会出现某些不对称分量，如负序或零序电流和电压等，并且其幅值较大，利用这些序分量构成的保护，一般都有良好的选择性和灵敏性。保护装置的动作整定值，常用的方法是预先给定各电力元件保护的保护范围，求出保护范围末端发生短路时的电气量，并考虑适当的可靠性裕度后作出值。阶段式保护特性：为单端电气量的保护，需要上、下级保护（离电源的近、远）动作整定值和动作时间的配合来切除不同点的短路。电力元件的主保护，只在被保护元件内部故障时动作，可以快速切除被保护元件内部任意点的故障，被认为具有绝对的选择性。常见主保护有：利用每个电力元件在内部与外部短路时两侧电流相量的差别可以构成电流差动保护，利用两侧电流相位的差别可以构成电流相位差动保护，利用两侧功率方向的差别可以构成方向比较式纵联保护，利用两侧测量阻抗的大小和方向等还可以构成其他原理的纵联保护。利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护，称为纵联保护。保护装置的构成：相应输入量→测量比较元件→逻辑判断元件→执行输出元件→跳闸或信号。测量比较元件：测量值与给定值比较并给出0、1逻辑信号，有被测电气量超过给定值动作的过量继电器，如过流继电器、过压继电器、高周波继电器等；低于给定值动作的欠量继电器，如低电压继电器、阻抗继电器、低周波继电器；被测电压、电流之间相位角满足一定值而动作的功率方向继电器等。每一套保护都有预先严格划定的保护范围，一般借助于断路器实现保护范围的划分。近后备保护与主保护安装在同一断路器处，远后备保护安装在上级（近电源侧）元件的断路器处。断路器失灵保护：当断路器失灵时，由失灵保护启动跳开所有与故障元件相连的电源侧断路器。1.3对继电保护的基本要求继电保护基本要求：（1）可靠性，即安全性（不误动），和信赖性（不拒动）；（2）选择性；（3）速动性；（4）灵敏性。对220KV及以上电压的超高压电网，更强调保护不拒动的信赖性，要求装设两套完全不同的保护，各自独立跳闸。对母线保护，更强调不误动的安全性，一般以两套保护出口触点串联后跳闸的方式。2．电网的电流保护2.1继电器继电器分类：按动作原理分电磁型、感应型、整流型、电子型和数字型；按反应的物理量分电流继电器、电压～、功率方向～、阻抗～、频率～和气体（瓦斯）～等；按在保护回路中所起的作用分启动继电器、量度～、时间～、中间～、信号～、出口～。防止当输入量在整定值附近波动时输出不停地跳变，继电器有一个返回值，返回值与启动值的比值称为继电器的返回系数，继电器的启动和返回动作明确、迅速、不可能停留在某一中间位置，这种特性称之为“继电特性”。2.2单侧电源网络相间短路的电流保护110KV及以上电网主要承担输电任务，形成多电源环网，采用中性点直接接地方式，其主保护一般为纵联保护；110KV以下电网主要承担供配电任务，发生单相接地后为保证继续供电，中性点采用非直接接地方式，其主保护一般为阶段式电流保护。单侧电源网络相间短路的电流保护：电流速断保护，限时电流速断保护，定时限过电流保护，反时限过电流保护。负荷电流与供电电压之间的相位角就是通常所说的功率因数角，一般小于30°。当供电网络中任意点发生三相和两相短路时，流过短路点与电源间线路中的短路电流包括短路工频周期分量、暂态高频分量和衰减直流分量。其短路工频周期分量近似计算式为Ik＝Eφ∕ZΣ＝Kφ×(Eφ∕Zs＋Zk)，式中Eφ为系统等效电源的相电动势，对应于电力系统运行状态，Zk为短路点至保护安装处之间的阻抗，对应于两者的距离，Zs为保护安装处到系统等效电源之间的阻抗，对应于电力系统运行方式，Kφ为短路类型系数，三相短路取1，两相短路取√3/2。随整个电力系统开机方式、保护安装处到电源之间电网的网络拓扑、负荷水平的变化，Eφ和Zs都会变化，造成短路电流Ik的变化。随短路点距等值电源的距离（阻抗ZΣ）变化，短路电流连续变化，越远电流越小，并且在本线路末端和下级线路出口短路，电流没有差别。在相同地点发生相同类型的短路时，当流过保护安装处的电流IK最大时，对继电而言称为系统最大运行方式，此时对应的系统等值阻抗最小；当IK最小时，称为系统最小运行方式，对应的系统等值阻抗最大。取最大方式下的三相短路和最小运行方式两相短路，则系统所有运行方式下，相同地点发生不同类型的短路时的电流介于这两个短路电流之间。阶段式电流保护的整定值需按系统最大运行方式来先择，而灵敏性需用系统最小运行方式来校验。电流速断保护通常是优先保证动作的选择性，动作值的整定大于下一条线路出口处（即本线路末端）短路时可以出现的最大短路电流，即在最大运行方式下的三相短路电流。动作电流为IⅠset.1＝KⅠrelIk.max，引入可靠性配合系数KⅠrel＝1.2～1.3是考虑非周期分量的影响、实际的短路电流可能大于计算值、保护装置的实际动作值可能小于整定值和一定的裕度等因素。动作的整定值以一次值计算，二次值与一次值关系式为IⅠOP＝Kcon×IⅠset∕nTA，nTA为CT变比，Kcon为CT接线系数（接线方式），当CT二次侧为三相＊形或两相＊形接线时为1，当为△接线时为√3，速断保护动作时间要躲过线路中避雷器的放电时间，一般为60—80ms。电流速断保护在个别情况下，当快速切除故障是首要条件时，就采用无选择性的速断保护，而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。当电网的终端线路上采用线路—变压器组的接线方式，由于线路和变压器可以看成是一个元件，因此速断保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处的短路来整定，由于变压器的阻抗一般较大，因此低压侧线路出口处的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断就可以保护线路的全长，并能保护变压器的一部分。限时电流速断保护要求保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下级线路中去，按躲开下一级线路电流速断保护的最大保护范围来整定，IⅡset.2＝KⅡrelIⅠset.1，可靠系数KⅡrel＝1.1～1.2，时间通常取0.5s。当为与下一级线路的限时电流速断相配合时取1—1.2s。能快速切除全线路各种故障能力的保护称为该线路的“主保护”。对反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是K=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值，要求大于1，故障参数如电流、电压等的计算值，应根据实际情况合理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。过电流保护作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时的近后备保护，也作为过负荷时的保护。分定时限和反时限两种。保护范围为本线路的全长和相邻线路全长。定时限过流保护启动电流按躲开本元件最大负荷电流来整定，同时还需考虑外部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流作用下保护装置返回，返回电流应大于该负荷自启动电流（Iss.max＝KssIL.max），而负荷自启动电流大于正常运行时的最大负荷电流（Ire＇＝KⅢrelIss.max）。定时限过流保护启动电流为返回电流除以继电器返回系数（IⅢset＝1∕Kre×Ire＇）。上述表达式中KⅢrel为可靠系数1.15～1.25，Kss为自启动系数，Kre为继电器的返回系数0.85～0.95。保护装置过电流保护的启动和返回是通过电流继电器来实现的，因此继电器返回电流与启动电流之间的关系也就代表着保护装置返回电流与启动电流之间的关系。各个过电流保护之间需要灵敏系数的配合，对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数。反时限过电流继电器电流元件和时间元件的职能由同一个继电器来完成，在一定程度上具有三段式电流保护的功能。反时限过电流保护主要用于单侧电源供电的终端线路和较小容量的电动机上。电流保护的接线方式是指保护中的电流继电器与电流互感器之间的连接方式，目前广泛采用的是三相星形和两相星形接线方式。两相星形接线用装设在A、C相上的两相电流互感器与两个电流继电器分别按相连接在一起，B相未装设保护，B相接地时，保护不能动作，AB和BC相间短路时只有A相或C相一个继电器动作。变压器三角形侧绕组中Īa＋Īb＋Īc＝0，各相出线电流ĪA、ĪB、ĪC与各相绕组中的电流Īa、Īb、Īc关系为ĪA＝Īa－Īb，ĪB＝Īb－Īc，ĪC＝Īc－Īa。CT三相星形接线或两相星形接线的电流保护可以反应中性点直接接地系统和非直接接地系统中的各种相间短路和中性点直接接地系统中的单相接地短路（CT两相星形接线时不能反应B相接地）。中性点非直接接地系统中，允许单相接地时短时运行。因此在多级网络中，发生多处的接地故障点时，希望只切除一个故障点，以最大限度缩小停电范围。中性点接地系统中，发生接地短路时，故障相电压为0，故障相电流与零序电流3Io相等；发生相间短路时，短路两相电压大小和方向都相同，而电流则大小相同，方向相反；中性点接地系统中发生任何接地或相间短路时所有非故障相电流为0。Yd11接线的变压器，某侧A—B或B—C短路时，在另一侧有ĪA＝ĪC，ĪB＝－2ĪA，即接于B相上的继电器有较其他两相大1倍的电流，因此灵敏系数增大1倍，但如保护采用两相星形接线，则需在两相星形接线的中性线上再接入一个继电器才能提高灵敏系数。2.3双侧电源网络相间短路的方向性电流保