继电保护的基本原理讲解

继电保护的基本原理继电保护什么是继电保护？泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。什么是继电保护装置？指能反映电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护保护什么？继电保护装置的两大基本任务：1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭受破坏，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，而动作于发信号、减负荷或跳闸。继电保护的基本原理19世纪末：过电流保护原理（熔断器）1905～1908年：电流差动保护1910年：方向性电流保护20年代初：距离保护30年代：高频保护(纵联方向比较式保护)实现手段三个阶段，两次飞跃50年代：由机电式到半导体式80年代：由半导体式到数字式继电保护的基本概念保护：保险丝继电：由继电器来控制开关核心工作：判断信息来源：电流、电压等电气量及一些状态量理论工具：电力系统故障分析，信号处理方法相关技术：传感器技术、计算机技术、通讯技术电力系统对继电保护的基本要求选择性：指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小；速动性：发生故障时，继电保护装置能迅速动作，切除故障；灵敏性：是对于其保护的范围内，发生故障或不正常运行状态的反应能力；可靠性：发生故障的部分不应该拒动，没有发生故障的部分不能误动。(可依赖性、安全性)继电保护装置的作用在工厂供电系统中发生故障时，必须有相应的保护装置将故障部分及时地从系统中切除，以保证非故障部分的继续工作，或发出报警信号，以便值班人员检查并采取消除故障的措施。继电保护装置即各种不同类型的继电器，以一定的方式连接与组合，在系统发生故障时，继电保护动作，作用于断路器脱扣线圈或给出报警信号，以达到对系统进行保护的目的。常见的继电保护装置继电保护装置由若干个继电器组成，所以继电器是继电保护的主要元件。电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器、温度继电器、瓦斯继电器继电保护装置的基本构成测量：传感回路、信息采集、滤波和算法。判断：故障分析、逻辑判别、定值门槛。执行：控制开关行为的具体电路。信息记录：故障录波、事件记录、通讯。学科特点：理论与实践并重。电力系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流、电压间相位角的变化。因此，利用故障时参数与正常运行时的差别，就可以构成各种不同原理和类型的继电保护。测量部分逻辑部分执行部分故障参数量整定值跳闸或信号脉冲例如：1.反映电流改变的，有电流速断、定时限过电流、反时限过电流及零序电流等保护；2.反映电压改变的，有低电压或过电压保护；3.既反映电流又反映电流与电压间相角改变的，有方向过电流保护；4.反映电压与电流的比值，即反映短路点到保护安装处阻抗的，有距离保护等；5.反映输入电流与输出电流之差的，有变压器差动保护等。电力设备在运行中可能发生故障和不正常的状态。故障：最常见也是最危险的故障是各种形式的短路。不正常状态：电力系统中电气设备的正常工作遭到破坏，但并未发生短路故障，这种情况属于不正常运行状态，比如设备过负荷、温度过高、小电流接地系统中的单相接地等。电力系统发生短路可能产生的后果故障点所燃烧电弧使故障元件损坏。短路电流通过非故障元件，产生发热和电动力，使非故障元件损坏或降低使用寿命。电力系统部分地区电压降低，影响用户工作稳定性或影响工厂产品质量。破坏电力系统并列运行的稳定。短路：就是供电系统中一相或多相载流导体接地或相互接触并产生超出规定值的大电流。短路电流流过载流体产生的力效应和热效应是校验载流部分和电气设备能否稳定工作的主要依据之一。为了选择和检验电气设备、载流导体和整定供电系统的继电保护装置，需要计算三相短路电流短路故障的种类：单相接地故障：单相接地短路是最常见的故障，约占全部故障几率的80%以上；两相接地短路：两相接地短路故障一般不超过全部故障几率的10%；两相短路及三相短路：两相短路及三相短路故障相对较少，一般不超过全部故障几率的5%。但是这种故障比较严重，故障发生后要求迅速切除故障；断相：断相故障包括线路断线、断路器断相等。故障几率更小，约为1%；绕组匝间短路：这种故障发生在发电机、变压器、调相机、电动机等电机电器内部的绕组中，故障几率极小，但是能严重损坏设备。造成短路的主要原因造成短路的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏、误操作、雷击或过电压击穿等。由于误操作产生的故障约占全部短路故障的70%。短路电流数值通常是正常工作电流值的十几倍或几十倍。当它通过电气设备时，设备温度急剧上升，过热会使绝缘加速老化或损坏，同时产生很大的电动力，使设备的载流部分变形或损坏，选用设备时要考虑它们对短路电流的稳定。短路电流在线路上产生很大的压降，离短路点越近的母线，电压下降越厉害，从而影响与母线连接的电动机或其它设备的正常运行。短路电流和系统运行方式的关系供电系统的短路电流大小与系统的运行方式有很大的关系。系统的运行方式可分为最大运行方式和最小运行方式。最大运行方式下电源系统中发电机组投运多，双回输电线路及并联变压器均全部运行。此时，整个系统的总的短路阻抗最小，短路电流最大；反之，最小运行方式下由于电源中一部分发电机、变压器及输电线路解列，一些并联变压器为保证处于最佳运行状态也采用分列运行，这样使总的短路阻抗变大，短路电流也相应的减少。继电保护的整定计算一般是在同一电压等级上以一次值进行的，在整定方案选定后需换算至二次值按保护构成原理分为两种：第一种是以差动为基本原理的保护，包括发电机、变压器、母线等差动保护，各种纵联方式的线路保护，如高频保护。它们在原理上具备了区分内、外故障的能力，保护范围固定不变，而且它们的整定值与相邻保护没有配合关系，具有独立性，整定计算比较简单。第二种是阶段式保护，它们的整定值要求与相邻的上、下级保护之间有严格的配合关系，而它们的保护范围又随电力系统得运行方式的改变而变化。在工厂供电系统中，电流继电器是保护装置中重要的起动元件。常用的机电式电流继电器分电磁式和感应式两种。电磁式电流继电器的电流时间特性是定时限特性：只要通过继电器的电流超过某一预先整定的数值时，它就能动作，动作时限是固定的，与外加电流无关。感应式电流继电器的时间特性是反时限特性：当某一线圈通入一定数值得电流时，其动作时限与通入电流大小平方成反比，通入线圈的电流越大，则动作时限越短。反时限过电流保护的特点：动作电流与时限成反比，即动作电流愈大，动作的时限愈短。譬如在同一线路上，靠近电源侧的始端发生短路时，短路电流大，动作时限短；反之末端发生短路，短路电流较小，动作时限较长。选择定时限过电流保护动作电流的原则是应保证在被保护线路发生相间短路故障时能可靠的动作，在正常运行时的最大负荷电流和由于电动机的起动或自起动以及用户负荷突变和其他原因引起的短时间的冲击电流等情况下保护不应动作。互感器运行电压互感器可以将高电压变换为低电压；电力系统在运行中，需要测量运行电压和负荷电流，还需要具备完善的继电保护装置。但由于绝缘的要求，测量仪表和继电器制造工艺等方面的原因，用电气测量仪表无法直接测量高电压和大电流，继电器也无法直接接入系统。为此，在电力系统中采用了电压和电流变换装置，称之为互感器。电流互感器可以将大电流变换为小电流。由于采用了互感器，测量仪表和继电保护装置不用直接与高电压连接，从而保证了电气测量和继电保护工作的安全。互感器原理和标准化互感器与变压器都是利用电磁感应原理工作的。其结构亦是由铁；蘸、一次线圈、二次线圈及结构物组成。电压互感器工作原理与变压器相同；电流互感器工作原理与变压器不同的是，其铁芯内的交变主磁通是由一次线圈通过的电流产生的，交变主磁通在二次线圈内感应出相应的二次电流。电压互感器的二次侧标难额定电压为100V，电流互感器的二次侧标准额定电流为5A或1A，这使得仪表和继电器的制造可以实现标准化。电压互感器电压互感器的工作原理与变压器相同，但从工作应用的角度分析，电压互感器输出容量接近于空载运行，其本身的短路阻抗也很小。在允许负荷范围内，互感器的阻抗压降也较小，这样在使用时可以得到比较准确的电压比。根据工作原理，一次电压变换到二次电压时会产生相角差，相角差和负荷与短路阻抗形成的电压差，在使用中应子重视。电压互感器的准确度：国家标准规定，电压互感器的准确度等级分为5级。应用时应根据电压互感器的用途、负荷性质，选用适当准确度等级的电压互感器。①测量用电压互感器的标准准确级和误差限值见表1。②保护用电压互感器的标准准确级和误差限值见表2。电压互感器：用低量程的电压表测高电压被测电压=电压表读数N1/N2VRN1（匝数多）保险丝N2（匝数少）~u（被测电压）电压表使用注意：1.副边不能短路，以防产生过流；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损时，在副边出现高压。电流互感器电流互感器的工作原理与变压器相似，不同点是电流互感器是通过一次线圈的电流在铁芯中感应交变磁通，交变磁通穿过二次线圈产生感应电势，感应电势通过负载，取得相应的电流。一次电流与二次电流的比值称为电流互感器的电流比。电流互感器的电流比取决于一次线圈与二次线圈的匝数比，一次电流变换为二次电流时，也会产生电流误差和相位差，使用中应予重视。电流互感器的准确度：国家标准规定，电流互感器的准确级共分为6级。应用时应根据电流互感器的用途、负荷性质，选用适当准确度等级的电流互感器。①测量用电流互感器的标准准确级和误差限值见表l。②一般保护作用电流互感器标准准确级和误差限值见表2。电流互感器：用低量程的电流表测大电流（被测电流）N1（匝数少）N2（匝数多）ARi1i2电流表被测电流=电流表读数N2/N11.副边不能开路，以防产生高电压；2.铁心、低压绕组的一端接地，以防在绝缘损坏时，在副边出现过压。使用注意事项：零序电流互感器零序电流互感器主要是用来监测交流三相线路电流的平衡度。从变换电流出发，可将零序电流互感器视为单匝贯穿式电流互感器，其一次电流等于流过零序电流互感器的三相电流的向量和。在系统正常运行时，三相电流的向量和等于零，即零序电流互感器的一次电流为零，二次电流必须是零。当线路发生单相接地故障时(包括中性点不接地系统和中性点经小电阻接地系统)，三相电流必然会产生不平衡，即零序电流。零序电流穿过零序电流互感器会使互感器二次线圈有电流产生，二次线圈接入信号或保护装置，使信号或继电保护装置动作，便能及时发现故障，切断故障线路，保证人身和设备不致发生危险。什么是变压器的空载试验？变压器的空载试验指的是通过变压器的空载运行来测定变压器的空载电流和空载损耗。一般说来，空载试验可以在变压器的任何一侧进行。通常将额定频率的正弦电压加在低压线圈上而高压侧开路。为了测出空载电流和空载损耗随电压变化的曲线，外施电压要能在一定范围内进行调节。变压器空载时，铁芯中主磁通的大小是由绕组端电压决定的，当变压器施加额定电压时，铁芯中的主磁通达到了变压器额定工作时的数值，这时铁芯中的功率损耗也达到了变压器额定工作下的数值，因此变压器空载时输入功率可以认为全部是变压器的铁损。一般电力变压器在额定电压时，空载损耗约为额定容量的0.1%~1%。什么是变压器的短路试验？变压器的短路试验通常是将高压线圈接至电源，而将低压线圈直接短接。由于一般电力变压器的短路阻抗很小，为了避免过大的短路电流损坏变压器的线圈，短路试验应在降低电压的条件下进行。用自耦变压器调节外旋电压，使电流在0.1~1.3倍额定电流范围变化。原边电流达到额定值时，变压器的铜损相当于额定负载时的铜损，因外施电压较低，铁芯中的工作磁通比额定工作状态小得多，铁损可以忽略不计，所以短路试验的全部输入功率基本上都消耗在变压器绕组上，短路试验可测出铜损。通常电力变压器在额定电流下的短路损耗约为额定容量的0.4%~4%，其数值随变压器容量