电力系统线路保护基础知识讲座

电力系统线路保护基础知识讲座§1绪论§1-1继电保护的作用一、故障及不正常运行状态┌Id↑危害┌故障元件故障│U↓——→│非故障元件(各种短路)└f│用户└电力系统┌过负荷│过电压危害┌元件不能正常工作不正常运行状态│f↓—→│长时间将损坏设备└系统振荡└发展成故障二、继电保护的任务┌故障时：自动、快速、有选择性地切除故障元件系统事故│保证非故障部分恢复正常运行└不正常运行时：自动、及时、有选择地动作于信号、减负荷或跳闸§1-2继保的基本原理和保护装置的组成一、反应系统正常运行与故障时基本参数的区别而构成的原理（单端测量）运行参数：I、U、Z∠φ反应I↑→过电流保护反应U↓→低电压保护反应Z↓→低阻抗保护(距离保护)二、反应电气元件内部故障与外部故障及正常运行时两端电流相位和功率方向的差别而构成的原理（双端测量）以A-B线路为例：规定电流正方向：由保护安装处母线→被保护线路1、外部短路时(及正常运行时)d1点短路:Id1B(-)UB(+)PB(-)┐│→θ＝180°Id1A(+)UA(+)PA(+)┘2、内部短路时d2点短路：Id2B(+)UB(+)PB(+)┐│→θ＝0°Id2A(+)UA(+)PA(+)┘3、利用以上差别，构成差动原理保护纵联差动保护相差高频动保护方向高频保护等三、保护装置的组成部分┌───┐┌───┐┌───┐输入信号─→│测量│─→│逻辑│─→│执行│─→输出信号└───┘└───┘└───┘↑└整定值§1-3对电力系统继电保护的基本要求一、选择性：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，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。d3点短路：6动作：有选择性5再动作：无选择性如果6拒动，5再动作：有选择性(5作为6的远后备保护)d1点短路：1、2动作：有选择性3、4动作：无选择性┌本元件主保护拒动时，由前一级保护作为后备叫远后备.后备保护│└本元件主保护拒动时，由本元件的另一套保护作为后备叫近后备.二、速动性：故障后,为防止并列运行的系统失步,减少用户在电压降低的情况下工作的时间及故障元件损坏程度，应尽量地快速切除故障。(快速保护:几个工频周期，微机保护：30ms以下)三、灵敏性：保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。灵敏系数Km用以反应灵敏度四、可靠性：不拒动、不误动。§1-4继电保护工作特点及其发展史（略）§2电网的电流保护和方向性电流保护（主要用于35KV及以下线路）§2-1单侧电源网络相间短路的电流保护一、继电器介绍1、继电器基本概念继电器表示符号：（以过电流继电器为例）继电器的返回系数：Kh=返回量动作量=IhjIdzj..动作量：使继电器刚好动作的电气量的值返回量：使继电器刚好返回的电气量的值继电特性：无论起动或返回，继电器的动作都是明确干脆的，不会停留在某个中间位置，这种特性称为“继电特性”过量继电器：反映电气量上升而动作的继电器（例如过电流继电器），其Kh1低量继电器：反映电气量下降而动作的继电器(例如低电压继电器)，其kh12、集成电路型过电流继电器（晶体管型：略）3ms延时：防止干扰信号引起的误动(保证3ms的稳定持续时间)12ms展宽：使输出动作信号展成连续高电平。3、软继电器在微机保护中已不存在物理继电器的概念，完全是由软件（算法）构成的逻辑继电器。二、电流速断保护（电流I段）电流速断保护：瞬时动作的电流保护1、整定计算原则(1)、短路特性分析：三相短路时d(3),流过保护安装处的短路电流：Id=EZ=EZsZdZd()↑→Id↓曲线max：系统最大运行方式下发生三相短路情况曲线min：系统最小运行方式下发生两相短路情况（线路上某点的两相短路电流为该点三相短路电流的32倍）(2)、动作电流整定原则：按躲开下一条线路出口（始端）短路时流过本保护的最大短路电流来整定。（以保证选择性）I'dz.1I(3)d.B.maxI'dz.1=Kk'·I(3)d.B.maxI'dz.2I(3)d.c.maxI'dz.2=Kk'·I(3)d.c.max可靠系数Kk'=1.2～1.3(3)、灵敏性校验该保护不能保护本线路全长，故用保护范围来衡量max：最大保护范围；min：最小保护范围校验保护范围：（min/L）·100%15%～20%当保护范围不满足要求时，可采用电压电流联锁速断2、电流速断保护的评价优点：简单可靠，动作迅速缺点：不能保护本线路全长，直接受系统运行方式的影响，受线路长度的影响。三、限时电流速断保护（电流II段）限时电流速断保护：以较小的动作时限切除本线路全线范围内的故障。1、动作电流的整定保护范围延伸到下一条线路，但不超出下一条线路速断保护最大保护范围的末端。(与下条线路的速断保护配合）原则：躲开下条线路速断的最大保护范围末端短路时，流过本保护的最大短路电流。Idz.1=Kk·I'dz.2可靠系数Kk=1.1～1.22、动作时限的选择为保证本线路限时速断与下条线路速断的保护范围重叠区内发生故障时的动作选择性，动作时限按下式配合：t1=t'2+t时差t：0.35s～0.6s一般取0.5s3、保护装置灵敏性的校验对于过量保护：保护范围内发生金属性短路时的故障参数的计算值灵敏系数：Klm=———————————————————————保护装置的动作参数电流保护的故障参数计算值：系统最小运行方式下被保护线路末端发生两相短路时，流过保护安装处的最小短路电流。对保护2的限时电流速断：Km=IIdBdz()..min..''22要求：Km1.3～1.5若Km不满足要求，可继续延伸保护范围使得：Idz.1=Kk·Idz.2(与下条线路的限时速断保护配合）同时进一步提高时限：t1=t2+t（保证重叠区内故障的动作选择性）四、定时限过流保护（电流III段）1、动作电流的整定原则按躲开流过保护的最大负荷电流来整定：I'dzIf.max实际整定原则：考虑到外部故障切除后，电压恢复时电动机的自启动过程中，保护要能可靠地返回。则：I'hIzq.max=Kzq·If.max(自启动系数Kzq1)又：I'h=Kh·I'dz（返回系数Kh1）I'dzKzqIfKh.max取可靠系数Kk:1.15～1.25I'dz=KkKzqIfKh.max2、按选择性要求确定过流保护动作时限为保证动作选择性，动作时限按阶梯原则整定t'1=MAX(t'2,t'3,t'4)+t对定时限过流保护，当故障越靠近电源端时，此时短路电流Id越大,但过流保护的动作时限反而越长———缺点定时限过流保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以作为主保护。3、过流保护灵敏系数的校验(1)、作为本线路主保护或近后备时按本线路末端的最小短路电流来校验Km=IIdbmdz()..min'''21.3～1.5(2)、作为远后备时（相邻线路的后备）按相邻线路末端的最小短路电流来校验Km=IIdxmdz()..min'''21.2(3)、要求各保护之间Km互相配合对同一故障点，越靠近故障点的保护，其Klm要求越大Km.1Km.2Km.3Km.4···(单侧电源辐射网，有I'dz.1I'dz.2I'dz.3...,自然满足此条件)五、阶段式电流保护的应用及评价电流速断：由动作电流的整定来保证动作选择性，按躲开某点的短路电流整定，动作迅速（无时限），但不能保护本线路全长，作为主保护的一部分。限时电流速断：由动作电流的整定与时限的确定来保证动作选择性，动作电流按躲开某点的短路电流整定，能保护本线路全长，动作时限较小，作为主保护的另一部分（速断的补充）定时限过流保护：由动作时限的确定来保证动作的选择性，动作电流按躲开负荷电流整定，其值较小，灵敏度较高，然而动作时限较长，且越靠近电源短路，动作时限反而越长，一般作为后备保护，但是在电网终端可作为主保护。六、电流保护的接线方式接线LJ———LH1、两种常用的接线方式(1)、三相星形接线(2)、两相星形接线继电器动作电流Idz.j=Idz/n2、两种接线方式的性能分析比较(1)、对中性点接地或不接地电网中各种相间短路两种接线方式均能正确放映这些故障(2)、对中性点非直接接地电网中的两点接地短路（不同线路上两点）这种电网允许带一个接地点继续运行，只需任切除一接地点并联线路上两点接地时，只需切除后一接地点串联线路上两点接地时串联线路上两点接地时：三相星形接线能保证只切除后一接地点两相星形接线只能保证2/3的机会切除后一接地点并联线路上两点接地时：三相星形接线：若保护1，2时限相同，则两接地点将同时被切除，扩大了停电范围。两相星形接线：即使保护1，2时限相同，也能保证有2/3的机会只切除任一条线路。(3)、对Y/接线变压器后面的两相短路现以Y/-11接线的降压变压器为例：假设低压侧（侧）发生AB两相短路IA()=-IB()IC()=0侧Y侧正序落后负序超前II123030（Y/-11接线）IA(Y)=IC(Y)IB(Y)=2IA(Y)三相星形接线：能反映IB，灵敏系数Klm大两相星形接线：不能反映IB，只能反映IA和IC，Klm降低一半提高两相星形接线Km的方法：在两相星形的中线上再接一个继电器LJ3两相短路时有：IA+IB+IC=0LJ3中的电流Ij3=|(IA+IC)/n|=IB/nIj3反映了IBKm↑3、两种接线方式的应用(1)、三相星形接线：接线复杂，不经济，但是可提高保护动作的可靠性与灵敏性，广泛用于发电机、变压器等大型贵重元件的保护中。(2)、两相星形接线：接线简单、经济，广泛用于各种电网中线路的反映相间短路的电流保护中。（对于电网中所有采用两相星形接线的保护都应装在相同的两相上）七、三段式电流保护的接线图1、原理图:以二次元件为整体绘制2、展开图（交流回路、直流回路）：以二次回路为整体绘制§2-2电网相间短路的方向性电流保护一、方向性电流保护的工作原理对于双侧电源电网E1单独供电：由保护1、3、5起线路保护作用E2单独供电：由保护6、4、2起线路保护作用E1、E2同时供电：（以B母线两侧保护2,3为例）d1点短路时，要求：2动作，3不动。假设：┌速断保护：Ｉ'dz.3Ｉ'dz.2└过流保护：t'3t'2虽然此时能满足选择性，但若出现d2点短路，则：2误动→非选择性动作分析可知：被保护线路的反方向发生短路时，由对侧电源供给的短路电流可能造成该保护误动作。此时的功率方向：线路→母线为防止保护误动作,增设功率方向闭锁元件GJ(装于误动保护上)┌母线→线路（正方向）：GJ动作启动保护功率方向│└线路→母线（反方向）：GJ不动闭锁保护增设GJ后,双侧电源网可以按单侧电源网的三段电流保护进行配合二、GJ的工作原理保护1上装设GJ假设：GJ的接线方式为：加入GJ的电压Uj为相电压U；电流Ij为相电流I则：d1点三相短路时：U=I·Zd1Uj超前Ij：φd（正方向）d2点三相短路时：U=(－I)·Zd2Uj超前Ij：－(180°－φd)（反方向）设计一个直线动作边界：当正方向短路时位于动作区，GJ动作当反方向短路时位于非动作区，GJ闭锁（注：若GJ的接线方式或短路类型变化，则正向短路时Uj与Ij的相位差将变化）1、相位比较式GJ相位比较器：两输入量：C、D┌————┐C—→│相位│输出D—→│比较器│—→└————┘动作条件：－90°≤argCD≤90°锐角型（或：270°≥argCD≥90°钝角型）相位比较式GJ：两输入量：Uj、Ij┌————┐Ku·Uj┌————┐Uj—→│变换器│———→│相位│输出Ij—→││———→│比较器│—→└————┘Ki·Ij└————┘（其中Ku＝Ku∠90°，Ki＝Ki∠90°－）动作条件：－90°≤argKuUjKiIj≤90°即：－90°－≤argUjIj≤90°－Ij其功率表示形式为：UjUj·Ijcos(j+)0：GJ的内角(即Ku超前Ki的角度)