华中科技大学-电气工程基础课件(熊银信)-第10章-电力系统继电保护

HUST_CEEE第十章电力系统继电保护第一节继电保护的作用和原理第二节继电保护装置的构成第三节对继电保护的基本要求第四节输电线路的电流保护第五节输电线路的自动重合闸第六节主要电气设备的保护配置HUST_CEEE第一节继电保护的作用和原理一、继电保护的作用电力系统继电保护是一门研究自动识别故障并排除故障元件的自动装置的技术学科。继电保护自动装置：能反应电力系统中电气元件故障或不正常运行状态并动作于断路器跳闸或发出指示信号的一种自动装置。~BkAC1QF2QF3QF4QF5QF6QF7QF基本任务自动、迅速、有选择地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并保证非故障元件迅速恢复正常运行；反应电气元件不正常工作状态并根据实际运行条件作出不同反应，如在无人值班的变电所，一般动作于故障元件的断路器跳闸；若发生过负荷而有自动减负荷装置时，可动作于自动减负荷装置；在有人值班变电所或控制室，一般动作于发信号，提示值班人员哪个元件出现了不正常工作状态。HUST_CEEE二、继电保护的基本原理利用电力系统发生故障和处于不正常运行状态时一些物理量的特征和特征分量，可以构成各种原理的保护。~Bk2AC1QF2QF3QF4QF5QF6QFk1~1．电流保护原理2．低电压保护原理3．低阻抗保护原理4．方向保护原理5．纵联保护原理6．序分量保护原理当电力系统中发生不对称短路时，故障电流和电压中含有负序分量。若为不对称接地故障时，故障电流、电压中还包括零序分量。7．其他保护原理瓦斯保护、行波保护HUST_CEEE一、继电保护装置的构成输入电路：将电力系统中的强电量变换成为满足继电保护二次电路需要的各种弱电量。包括：各种互感器、变换器、序滤过器、滤波回路、整流电路、模数变换等部件。测量元件。包括：电磁型：电流、电压、时间、中间等继电器；晶体管型：电流、电压、方向元件等；微机型：通过软件实现。逻辑元件：由各种门电路、时间电路、相位或幅值比较电路、加法器、减法器、积分器及移相电路等中一个或几个部份组成。输出电路：通常指开关量的输出。执行元件：当接到逻辑回路或输出回路的跳闸或发信号等命令后，执行其命令以完成继电保护所担负的任务。12345给定第二节继电保护装置的构成HUST_CEEE第三节对继电保护的基本要求~Bk1AC1QF5QF3QF7QF8QFk22QFk3III6QF4QF9QF1.有选择性：指电力系统故障时，保护装置仅切除故障元件，尽可能地缩小停电范围，保证电力系统中非故障部份继续运行。2.动作迅速：对用户来说，快速切除故障可以减少非故障用户元件在低电压下运行的时间，利于电动机自启动，保持用户电气设备的不间断运行；对于系统中的电气设备而言，保护动作越快，对通过故障电流的电气设备损坏越小；对电力系统中并列运行的发电机而言，保护动作太慢，可能将使发电机之间失去同步。若短路时，相关保护迅速动作切除故障，电源间功角不至拉开太大，系统能较容易地使失去同步的电源进入再同步，恢复电力系统的正常运行。HUST_CEEE3.灵敏度好：灵敏度是指继电保护对其保护范围内故障或不正常运行状态的反应能力。保护的灵敏度一般用灵敏系数(Ksen)来衡量。对于反应物理量上升而动作的保护，其灵敏系数为：Ksen＝保护范围内金属短路时故障参数的最小计算值÷保护的整定值（动作值）对于反应物理量下降而动作的保护，其灵敏系数为：Ksen＝保护的整定值（动作值）÷保护范围内金属短路时故障参数的最大计算值4.可靠性高：保护的可靠性高是指属于保护范围内的短路故障，保护应动作，对于保护范围外的故障则应不动作。该动作的而不动作称为保护拒动作。不该动作的而动作称为保护误动作。HUST_CEEE第四节输电线路的电流保护一、电力系统继电保护的配置原则二、线路相间短路的电流保护*三、相间短路方向电流保护四、相间短路电流保护整定计算举例五、接地短路的电流保护HUST_CEEE一、电力系统继电保护的配置原则《技术规程》对电力系统中的保护配置有十分详细和具体的规定：对于电力系统中的电力设备和线路，应装设反应各种短路故障和异常运行的保护装置：反应电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可再增设辅助保护；主保护：指满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护：在主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护。在主保护拒动时用以切除故障的保护称近后备保护。在断路器拒动时用以切除故障的保护则称为远后备保护。辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能不足或在主、后备保护退出运行时而增设的简单保护。各个相邻元件的保护范围必须有重叠区；对于电力设备和线路的异常运行状态（如过负荷等）应有反应异常运行的异常运行保护。HUST_CEEE二、相间短路的电流保护1.无时限电流速断保护（电流保护I段）动作原理与整定计算：无时限电流速断保护在任何情况下只切除本线路上的故障。以AB线路断路器1QF处的无时限电流速断保护为例，则必须首先计算AB线路各处三相和两相短路时的短路电流以确定如何计算该保护的动作电流和如何校验该保护的灵敏度。1)1QF处无时限电流速断保护的动作电流IIop1：IIop1＝KIrelIK.Bmax可靠系数KIrel可取1.2~1.3。Ak11QF2QFB~xsmaxxsminIIOP1IkBmaxlLminLmax3120231max)2(min1min)3(maxlxXEIlxXEIssksskHUST_CEEE2)动作时间：tIop1=0s3)灵敏度：用保护范围即它所保护的线路的长度的百分数来表示。无时限电流保护不能保护线路全长，应采用最不利情况下的保护范围来校验保护的灵敏度，一般要求保护范围不少于线路长度的15%。IIOP1IkBmaxlLminLmax3120Ak11QF2QFB~xsmaxxsmin)23(123max11minmin1max1SIopSSSIopXIExllxXEI按最小运行方式下二相短路求lmin灵敏度：lmin15%lABHUST_CEEE4)无时限电流速断保护构成：&KTAIOP.r1234跳闸IKSIrIKA图10-8无时限电流速断保护单相原理框图1-电流测量元件；2-否门；3-信号元件；4-闭锁元件当上述无时限电流速断保护灵敏度不满足要求时，即保护范围lmin＜15%lAB时，不宜采用该保护，此时可采用无时限电流电压联锁速断保护，以提高电流保护第I段的灵敏度。HUST_CEEE2.带时限电流速断保护（电流保护II段）为什么要配置带时限电流速断保护？带时限电流速断保护的主要作用：在任何情况下，带时限电流速断保护均能保护本线路的全长（包括本线路的末端）。为此，保护范围必须延伸至相邻的下一线路，以保证在有各种误差的情况下仍能保护线路的全长；为了保证在相邻下一线路出口处短路时保护的选择性，本线路的带时限电流速断保护在动作时间和动作电流两个方面均必须和相邻线的无时限电流速断保护配合。IIOP1IkBmaxIIIop1IIop2IkCmaxl0Ak11QF2QFB~3QF~C1)任何整定电流保护II段？IIIop1IIop2且IIIop1IkBmaxtIIop1tIop2则：IIIop1＝KIIrelIIop2/KbmintIIop1＝tIop2＋△t＝△t可靠系数KIIrel一般取1.1~1.2。HUST_CEEE分支系数Kb定义：在相邻线路第I段保护范围末端即k1点短路时，流过故障线的短路电流与流过被保护线短路电流的比值。即：Kb＝IBC/IABAk11QF2QFB~3QF~C“技术规程”规定：当线路长度小于50km时，大于等于1.5；当线路长度在50km~200km时，大于等于1.4；当长度大于200km时，大于等于1.3。当该保护灵敏度不满足要求时，动作电流可采用和相邻线路电流保护第II段整定值配合，以降低本线路电流保护第II段的整定值而提高其灵敏度，即整定值为：IIIop1＝KIIrelIIIop2/KbmintIIop1＝tIIop2＋△t2)电流保护第II段的灵敏度：5.1~3.11minIIopKBIIsenIIKHUST_CEEE3.定时限过电流保护（电流保护III段）作用：作本线路主保护的后备保护（近后备保护）；作相邻下一线路（或元件）的后备保护（远后备保护）。可靠系数KIIIrel一般取1.15~1.25电流测量元件的返回系数Kre一般取0.85。如何整定动作电流？正常运行并伴有电动机自启动而流过保护的最大负荷电流为KssILmax时该电流保护不动作，即：IIIIop1KssILmax外部故障切除后，非故障线的定时限过流保护在下一母线有电动机启动且流过最大负荷电流时应能可靠返回，即：Ire=KIIIrelKssILmax且IIIIop1Ire故动作电流IⅢop1：max1LressIIIrelIIIopIKKKIAk11QF2QFB~3QF~CHUST_CEEE任何保证电流保护III段动作的选择性？问题：IIIIop1IIIop1IIop1动作时间整定：阶梯原则tIIIop1tIIIop2tIIIop3tIIIop4即：tIIIop3＝tIIIop4＋△ttIIIop2＝tIIIop3＋△ttIIIop1＝tIIIop2＋△t灵敏度校验2.13.11min11min1IIIopKCIIIsenIIIopKBIIIsenIIKIIK远后备：近后备：0tIIIop0tIIIop1tIIIop2tIIIop3tIIIop4l~0QF1QF2QF3QF4QFM5QFHUST_CEEE4.电流保护的接线方式接线方式：指电流互感器和电流测量元件间的连接方式。分类：完全星形接线：一般用于大接地电流系统。不完全星形接线：一般用于小接地电流系统。特点：投资不同；均能反应所有的相间短路；在大接地电流系统中，完全星形接线能反应所有单相接地故障，不完全星形接线不能反应B相接地故障；在小接地电流系统中，当在不同线路上发生两点接地时，一般情况下只要求切除一个接地点而允许带一个接地点继续运行一段时间。对在保护动作时间相同的并行线路，不完全星形接线的可靠性高；对串联运行的两相邻线路，完全星形接线百分之百有选择性。ABCIII1逻辑元件KAKAKAiaibicinABCII1逻辑元件KAKAiaicinHUST_CEEE5.三段式电流保护的原理图及延时特性三段式电流保护的功能框图ABC1QFAIIIIIIIIIt2t3KCO16跳1QF15141311126KA5KA4KA1KA2KA3KA7KA8KA9KA2KT3KT1KS2KS3KSiaibic图10-12三段式电流保护的功能框图~Ak2M1QFB2QFC3QFk1HUST_CEEE电磁型三段式电流保护原理电路图举例图10-14三段式电流保护电路的原理展开图(a)交流回路展开图；(b)直流回路展开图；(c)信号回路TAABC1kA2kA3kA4kA5kA6kA7kA8kA9kA(a)1KS2KS3KSWS信号(c)WC-WC1kA4kA7kA2kA5kA8kA3kA6kA9kA2KTKCO3KTQF12KT3KT2KS3KS1KSKCOYRFUFU(b)HUST_CEEE三段式电流保护的配置和延时特性电流保护配置：每一处都必须配置三段式电流保护吗？~A1B2C34DMIII段：定时限过电流tIII4＝0sI段：无时限电流速断tI3＝0sIII段：tIII3＝0.5sI段：tI2＝0sII段：带时限电流速断tII2＝0.5sIII段：tIII2＝1sI段：tI1＝0sII段：tII1＝0.5sIII段：tIII1＝1.5s延时特性：0ltI1tII1tIII1tI2t