14 第六章 电力系统继电保护(5-6)

1电力工程基础魏佳丹Tel:84892313(o)13913861813Email:[e-mail]南京航空航天大学自动化学院电气工程系（智能楼403房间）南京航空航天大学《电力工程基础》2第六章电力系统继电保护§6-1继电保护的基本知识§6-2常用保护继电器§6-3线路的电流电压保护§6-5输电线路的接地保护§6-6距离保护简介§6-7电力变压器的保护§6-9电力电容器的保护§6-4电网的方向电流保护36.5输电线路的接地保护一、概述大接地电流系统中的单相接地短路保护：采用完全星形接线的相间电流电压保护——灵敏度常常不能满足要求；装设专门的接地短路保护——反映零序电流、零序电压和零序功率的保护。小接地电流系统中的单相接地短路保护：当单相接地电流较大时，应装设单相接地保护，使之动作于信号，以便让运行人员及时采取措施消除故障。4二、大接地电流系统中的接地保护1.零序电流、零序电压和零序功率的分布（图6-32）图6-32接地短路时的零序等效网络6.5输电线路的接地保护5由图6-32可见，零序分量具有以下特点：故障点的零序电压最高，变压器中性点接地处的零序电压为0。保护安装处设母线A、B的零序电压分别为和;10010TAZIU20020TBZIU零序电流的分布与中性点接地的位置和数目有关。在图6-32所示网络中发生单相接地短路时，有0210ZZZEI200210012002001TTTZZZZZZII）（和01I若发电厂A的中性点接地变压器台数增多，将减小，从而使和增大，减小；若变电所B内的变压器中性点不接地，则，也将增大且等于。10TZ0I01I02I20TX0I6.5输电线路的接地保护6零序功率。由于故障点的零序电压最高，所以故障点的零序功率也最大。000IUS注意：由于在故障线路上，零序功率的方向是由线路指向母线（与正序功率相反），因此，零序功率方向继电器都是在负值零序功率下动作的。2.零序分量的获取方法零序电流的获取架空线路：用零序电流滤过器（图6-33a）。电缆线路：用零序电流互感器（图6-33b）。图6-33零序电流的获取a）零序电流滤过器b）零序电流互感器6.5输电线路的接地保护7零序电压的获取：通过电压互感器获得。将三个单相电压互感器的副边绕组接成开口三角形绕组来获取（图6-34a）从三相五柱式电压互感器二次侧的开口三角形绕组来获取（图6-34b）图6-34零序电压互感器a）三单相式b）三相五柱式6.5输电线路的接地保护83.大接地电流系统的零序电流保护通常采用三段式零序电流保护。第Ⅰ段为瞬时零序电流速断保护，第Ⅱ段为带时限零序电流速断保护，第Ⅲ段为定时限零序过电流保护，其原理接线图如图6-35所示。图6-35三段式零序电流保护原理接线图6.5输电线路的接地保护9动作电流：躲过下一级相邻线路首端发生短路时，流过保护安装处的最大零序电流，即瞬时零序电流速断保护max.03IKIrelop式中，Krel取1.2~1.3。灵敏度校验：零序电流I段的保护范围也应不小于本线路全长的15%～20%。注意：由于线路的零序阻抗比正序阻抗大，故的曲线较陡，因此，零序电流I段的保护范围比一般的电流I段大得多，且保护范围也比较稳定。)(30lfI计算3I0.max的运行方式是：故障点的最小，保护安装侧变压器中性点接地最多，线路末端变压器不接地。当＞时，采用单相接地短路，反之则采用两相接地短路1Z1Z0Z6.5输电线路的接地保护10带时限零序电流速断保护动作电流：应与下一级线路的零序I段相配合。但是，当两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器时，如图6-36所示，应考虑该变压器的影响。2.1.opbrelopIKKI因此式中，Krel取1.1~1.2；Kb为分支系数。图6-36带时限零序电流速断保护的作用原理等于下一级线路零序电流速断保护范围末端接地短路时，流过故障线路和被保护线路的零序电流之比，即，应取最小值。00IIKb6.5输电线路的接地保护11零序过电流保护动作时间：与下一级线路零序I段相配合，一般取0.5s。min.03I灵敏度校验：按最小运行方式下被保护线路末端发生接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流来校验，要求Ks≥1.3～1.5。若灵敏度不满足要求，可与下一级线路的零序电流II段相配合。动作电流：躲过下一线路首端三相短路时，流过保护装置的最大零序不平衡电流，即max.dsqrelopIKI式中，Krel取1.2~1.3。6.5输电线路的接地保护12min.03I灵敏度校验：按被保护范围末端发生接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流来校验，作近后备时（本线路末端短路），要求Ks≥1.3～1.5；作远后备时（相邻线路末端短路），要求Ks≥1.2。动作时间：按阶梯原则整定，如图6-37所示。图6-37零序过电流保护的动作时限由图可知，同一线路上零序过电流保护的动作时限比相间短路过电流保护的动作时限小。6.5输电线路的接地保护134.方向性零序电流保护在双电源和多电源的大接地电流系统中，为了保证接地故障时零序电流保护动作的选择性，要加装零序功率方向继电器，以构成零序功率方向保护。零序功率方向继电器的接线（图6-38a）03IIK03UUK而电力系统中实际使用的零序功率方向继电器最大最灵敏角为70º～85º，由于在规定的电流、电压正方向下，当被保护线路正方向发生接地短路时，超前约90º～110º，03I03U因此，在使用零序功率方向继电器时，若以正极性端接入继电器电流线圈的极性端，则必须以负极性端接入继电器电压线圈的极性端，这时接入继电器的电流和电压分别为：即继电器的最大灵敏角为–90°～–110°6.5输电线路的接地保护14由图6-38b的相量图可以看出，此时滞后70º，即，则正方向发生接地故障时继电器最灵敏。KIKU70sK03I03U图6-38零序功率方向继电器的接线a）接线原理图b）接入和的相量图03I03U6.5输电线路的接地保护15零序功率方向继电器的灵敏度校验min00)33(1IUSKopSmin00)33(IU式中，为保护区末端接地短路时，保护安装处的最小零序功率；为零序功率方向继电器的动作功率。opS说明：由于接地故障点的零序电压最高，所以当接地故障位于保护安装处附近时，不会出现零序方向继电器的电压死区。根据规程要求，作近后备时（本线路末端接地短路），Ks≥1.5；作远后备时（相邻线路末端接地短路），Ks≥2。6.5输电线路的接地保护16三、小接地电流系统的接地保护1.小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布（图6-39）图6-39小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布6.5输电线路的接地保护17由图6-39可知，电容电流分布的特点如下：发生单相接地，全系统都会出现零序电压。非故障线路的C相对地电容电流为零，只有A相和B相有电容电流；而故障线路的C相对地电容电流不为零。非故障线路的零序电流为该线路本身对地的电容电流，其方向由母线指向线路。对故障线路WL3而言，C相中有从线路流向母线，A、B相中有从母线流向线路，所以，故障线路始端所反应的零序电流为：CI3CI2133213)(CCCCCCCCIIIIIIII上式说明，故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向是从由线路流向母线。6.5输电线路的接地保护182.小接地电流系统的单相接地保护绝缘监视装置：发生单相接地故障时，利用母线电压互感器二次侧开口三角形端子上零序电压来起动过电压继电器，动作于信号。零序电流保护：根据故障线路零序电流大于非故障线路零序电流这一特点，可以构成有选择性的零序电流保护，并可动作于信号或跳闸。对于架空线路：采用零序电流滤过器，动作电流为：iCdsqrelKopKIIKI.特点：保护比较简单，但给出的信号没有选择性。为正常负荷电流产生的不平衡电流dspI说明：按上式确定的动作电流，一般不能躲开本线路外部三相短路时所出现的不平衡电流，因此应加装时限元件来保证选择性，其动作时限应比相间短路的过电流保护大一个。t动作电流6.5输电线路的接地保护19对于电缆线路：采用零序电流互感器，其动作电流为：iCrelKopKIKI.电缆线路正常运行时的不平衡电流很小，可忽略灵敏度校验：KopiCCIKIIK.S式中，为本线路单相接地时，非故障线路对地电容电流的总和，应取最小值。对架空线路，要求Ks≥1.5；对电缆线路，要求Ks≥1.25。CCII零序功率方向保护：利用故障线路和非故障线路的保护安装处零序功率方向相反的特点来实现有选择性的保护，动作于信号或跳闸。适用于零序电流保护的灵敏度不满足要求和接线复杂的网络中。6.5输电线路的接地保护20第六章电力系统继电保护§6-1继电保护的基本知识§6-2常用保护继电器§6-3线路的电流电压保护§6-5输电线路的接地保护§6-6距离保护简介§6-7电力变压器的保护§6-9电力电容器的保护§6-4电网的方向电流保护216.6距离保护简介一、距离保护的基本概念距离保护是反应保护安装处至故障点的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定是否动作的一种保护装置。正常工作时，保护安装处测量到的电压为，电流为负荷电流，比值基本上是负荷阻抗，其值较大。当系统短路时，保护安装处测量到的电压为残余电压，电流为短路电流，比值为短路阻抗，其值较小。wULILLwZIUkUkIkkkZIU距离保护的工作原理距离保护的优点：由于只与短路点到保护安装处的距离有关，因此，用构成的距离保护，其保护范围基本上不受运行方式变化的影响。ZIUkZ22距离保护的保护范围距离保护的保护范围用整定阻抗Zset值的大小来表示。当线路发生短路时，若距离保护的测量阻抗Zm小于整定阻抗，即Zm＜Zset，保护动作；若Zm＞Zset，则保护不动作。因此，距离保护实质上是一种低量动作保护。二、距离保护的时限特性采用三段式阶梯延时特性，如图6-40所示。第I段：保护范围为本线路全长的80%～85%，动作时限为继电器本身的固有时间。t第II段：保护范围为本线路全长的125%，其动作时限应比下一线的第I段保护动作时限大。6.6距离保护简介23第III段：保护范围较长，包括本线路和下一线路全长乃至更远，其动作时限应比下一线路第III段的动作时限大。t图6-40距离保护的时限特性6.6距离保护简介24三、距离保护的主要组成元件三段式距离保护装置的简化逻辑框图如图6-41所示。起动元件：采用过电流继电器或阻抗继电器。图6-41三段式距离保护的组成元件框图6.6距离保护简介方向元件：可采用单独的功率方向继电器，但更多的是采用方向阻抗继电器，既作为方向元件，又作为阻抗元件。测量元件：采用带方向性的阻抗继电器。时间元件：采用时间继电器或延时电路。256.6距离保护简介四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性图6-42中，设BC线路距离Ⅰ段的整定阻抗Zset=0.85ZBC，并设，则阻抗继电器的动作特性应是在Zset范围内的一条线段，由于受短路点过渡电阻和互感器角误差的影响，通常用包含该线段在内的一个圆来表示。lset图6-42阻抗继电器的动作特性1—全阻抗继电器特性圆2—方向阻抗继电器特性圆26全阻抗继电器：以B点为圆心，以Zset为半径得到的圆1，称为全阻抗继电器的特性圆。方向阻抗继电器：以Zset为直径，圆周通过B点得到的圆2，称为方向抗继电器的特性圆。lset由特性圆2可以看出，当方向阻抗继电器的整定阻抗角与线路的阻抗角相等，即时，继电器的动作阻抗Zop最大（等于圆的直径），保护范围最长，继电器最灵敏。此时的整定阻抗角称为阻抗继电器的最大灵敏角，用表示。s注意：全阻抗继电器在线路反方向短路时也动作