继电保护基础

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摘要

__继电保护基本原理__及力____识__答电知问____第一篇继电保护基本原理__第一章概述__一.什么是电力系统?__有两种说法:__1.由生产和输送电能的设备所组成的系统叫电力系统,例如发电机、变压器、母线、输电线路、配电线路等,或者简单说由发、变、输、配、用所组成的系统叫电力系统。__2.有的情况下把一次设备和二次设备统一叫做电力系统。__一次设备:直接生产电能和输送电能的设备,例如发电机、变压器、母线、输电线路、断路器、电抗器、电流互感器、电压互感器等。__二次设备:对一次设备的运行进行监视、测量、控制、信息处理及保护的设备,例如仪表、继电器、自动装置、控制设备、通信及控制电缆等。__二.电力系统最关注的问题是什么?__由于电力系统故障的后果是十分严重的,它可能直接造成设备损坏,人身伤亡和破坏电力系统安全稳定运行,从而直接或间接地给国民经济带来难以估计的巨大损失,因此电力系统最为关注的是:安全可靠、稳定运行。__三.电力系统的三种工况__正常运行状态;故障状态;不正常运行状态。而继电保护主要是在故障状态和不正常运行状态起作用。__四.继电保护装置__就是指能反应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。它的基本任务简单说是:故障时跳闸,不正常运行时发信号。__五.继电保护的基本原理和保护装置的组成__为完成继电保护所担负的任务,显然应该要求它正确地区分系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别,以实现保护。如图1-1(a)、(b)所示的单侧电源网络接线图,(这是一种最简单的系统),图1-1a为正常运行情况,每条线路上都流过由它供电的负荷电流İf(一般比较小),各变电所母线上的电压,一般都在额定电压(二次线电压100V)附近变化,由电压和电流之比所代表的“测量阻抗”Zf称之为负荷阻抗,其值一般很大。图1-1b表示当系统发生__故障时的情况,例如在线路B-C上发生了三相短路,则短路点的__电压Ud降低到零,从电源到短路点之间__将流过很大的短路电2流İd_各变电所母线__上的电压也将在不同__程度上有很大的降低__(称之为残压)。设以__Zd表示短路点到变__电所B母线之间的阻__抗,根据欧姆定律很__显然Zd要大大小于__Zf。即短路阻抗要大__大小于负荷阻抗。____图1-1单侧电源网络接线__六.继电保护分类__在一般情况下,发生短路之后,总是伴随有电流的增大、电压的降低、线路__始端测量阻抗的减少,以及电压与电流之间相位角的变化。因此,利用正常运行与故障时这些基本参数的区别,就可以构成各种不同原理的保护。__一般继电保护可以分为两类:__第一类—利用比较正常运行与故障时电气参量(U、I、Z、f)的区别,便可__以构成各种不同原理的继电保护,例如反应于电流增大而动作的过电流保护;反应于电压降低而动作的低电压保护;反应于阻抗降低而动作的距离保护,反应于频率降低而动作的低(或欠)频保护等。__第二类—首先规定两个前提:一个规定电流的正方向是从母线指向线路;第__二个一定是双端电源。例如图1-2(a)、(b)所示的双端电源网络接线。分析1-2(a)、(b)图中BC__BC线路靠近B母线侧电流的情A况,我们发现在正常运行的负荷电流和故障时的短路电流__的相位发生了180°的变化。__因此利用比较正常运行(包括外部故障)与内部故障时,两a侧电流相位或功率方向的差__别,就可以构成各种差动原理__的保护。例如纵联差动保护、__相差高频保护、方向高频保护b等。差动原理的保护只反应内__部故障、不反应外部故障,因__而被认为具有绝对的选择性。____图1-2双侧电源网络接线__七.对电力系统继电保护的基本要求__动作于跳闸的继电保护,在技术上一般应满足四个基本要求,即选择性、速__动性、灵敏性和可靠性。__a选择性__定义:继电保护动作的选择性是指保护装置动作时,仅将故障元件从电力系__统中切除,__使停电范围尽量缩小,以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。如图1-3所示单侧电源网络中,当d1点短路时,应由距短路点最近的保护1和2动作跳闸,将故障线路切除,变电所B__路3-4继续供电。__原则:就近原则,即系统短路时,__应由距离故障点最近的保护切除相应__的断路器。__相关链接:__主保护—能在全线范围速动的保护。后备保护—作为主保护的后备,不__能在全线范围速动,要带一定的延时,图1-3单侧电源网络中,又分为远后备和近后备。有选择性动作的说明__b速动性__所谓速动性,就是发生故障时,保护装置能迅速动作切除故障。对不同的电__压等级要求不一样,对110KV及以上的系统,保护装置和断路器总的切故障时间为01秒,因此保护动作时间只有几十个毫秒(一般30毫秒左右),而对于35KV及以下的系统,保护动作时间可以为05秒。__c)灵敏性__继电保护的灵敏性,是指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。其灵敏性有的保护是用保护范围来衡量,有的保护是用灵敏系数来衡量。__d)可靠性__保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作__的故障时,它不应该拒绝动作,而在任何其他该保护不应该动作的情况下,则不应该误动作。简单说就是:该动的时候动,不该动的时候不动。该动的时候不动是属于拒动,不该动的时候动了是属于误动。不管是拒动还是误动,都是不可靠。__以上四个基本要求不仅要牢牢记住,而且要理解它们的内涵,其中可靠性是__最重要的,选择性是关键,灵敏性必须足够,速动性则应达到必要的程度。我们所有的继电保护装置都是围绕这四个要求做文章,当然不同的保护,对这些要求的侧重点是不一样的,有的侧重于选择性,有的侧重于速动性,有时候为了保证主要的属性可能会牺牲一些其他的属性。这些我们在以后讲到具体的保护时会提到。__八.继电保护的发展过程__继电保护技术是随着电力系统的发展以及技术水平的进步而发展起来的,最__早的熔断器就是最简单的过电流保护,以后经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型五个阶段,而现在微机型的继电保护又进入第三代和第四代。__九.本章总结__本章尽管没有讲具体的保护,但是对本书的主要内容作了简要的概述,是非常重要的,读者应掌握以下几个主要的重点:__1要能正确描述什么是电力系统、一次设备、二次设备。__2电力系统故障有哪些严重后果?__3电力系统有哪三种工况?继电保护在哪些工况下起作用?起什么样的作用?__4继电保护可以分为几大类?它们是按什么原则划分的?__5对电力系统继电保护有哪些基本要求?读者不仅要牢记四个基本要求,更重要的是要理解其中的内涵以及它们之间的关系。__6什么是主保护,什么是后备保护,远后备和近后备有何区别?____第二章电网的电流保护和方向性电流保护__第一节单侧电源网络相间短路的电流保护__一.电流继电器__1.定义:电流继电器是实现电流保护最基本的元件,也是反应于一个电气量(单激励量)而动作的简单继电器的典型。它的工作原理是非常简单的,就是电磁感应原理,因此不准备多讲,下面讲四个基本概念。__2四个基本概念:__(1)起动电流—能使电流继电器动作的最小电流值,称为继电器的起动电流。这里要特别关注最小两个字,因为电流继电器是反应电流增加而动作的,是增量动作的继电器。如果是低电压继电器,是欠量动作的继电器,应该是能使电压继电器动作的最大电压值,称为起动电压。__(2)返回电流—能使继电器返回原位的最大电流称为继电器的返回电流。这里特要别关注最大两个字,理由同前。如果是低电压继电器的返回电压,应该是继电器返回原位的最小电压值,称为返回电压。__(3)继电特性—无论起动和返回,继电器的动作都是明确干脆的,它不可能停留在某一个中间位置,这种特性我们称之为“继电特性”。__(4)返回系数—返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数,可表__示为Kh=Ihj__Idzj。增量动作的继电器其返回系数小于1,欠量动作的继电器其返回__系数大于1。__以上这四个基本概念不仅是适合于电流继电器和电压继电器,对所有的继电__器或保护装置都是适用的,但首先要搞清楚是增量动作的还是欠量动作的。如果是增量动作的,就按照电流继电器的原则去套,如果是欠量动作的,就按照低电压继电器的原则去套。__二.电流速断保护__1.定义:反应于电流增大而瞬时动作的电流保护,称为电流速断保护。顾名思义电流速断保护应该侧重于速动性。__2.动作特性分析:İd__以图2-1来分析电流速断保护的动作特性。假定在每条线路上均装有电流速断保护,则当线路A—B上发生故障时,希望保护2__能瞬时动作,而当B—C上发生故障时,希__望保护1能瞬时动作,它们的保护范围最好__能达到本线路全长的100。但是这种愿望0L是否能实现,需要作具体分析。以保护2为图2-1电流速断动作特性分析__例,当本线路末端d1点短路时,希望速断保护__2能够瞬时动作切除故障,而当相邻线路B—C的始端(习惯上又称为出口处)d2点短路时,按照选择性的要求,速断保护2就不应该动作,因为该处的故障应由保护1动作切除。但是实际上,d1和d2点短路时,保护2所流过短路电流的数值几乎是一样的,很难区分开来(特别对于长线路)。因此,希望d1点短路时速断保护2能动作,而d2短路时又不动作的要求就不可能同时得到满足。__3整定原则:__为了解决这个矛盾可以有两种办法,通常都是优先保证动作的选择性,即从__保护装置起动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不起动,即整定原则是:按躲开下一条线路出口处短路的条件整定,或者简单说躲相邻线路出口短路的最大短路电流。所谓躲就是电流速断保护的整定电流要大于相邻线路出口短路的最大短路电流(因为电流速断是增量动作的)。另一种办法就是在个别情况下,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的动作。现在大多数是采用第一种方法。__4最大运行方式和最小运行方式__最大运行方式—对每套保护装置来讲,通过该保护装置的短路电流为最大的__方式,称之为最大运行方式。__最小运行方式—通过该保护装置的短路电流为最小的方式,称之为最小运行__方式。__在最大运行方式下,保护安装处附近发生三相短路时流过保护装置的短路电__流最大。在最小运行方式下,保护范围末端发生两相短路时流过保护装置的短路电流最小。__在图2-1所示的电流速断保护动作特性分析中,可以看到有两条曲线I和II,它们分别为最大运行方式和最小运行方式下短路电流随着输电线路的分布曲线,还有一条平行于横轴的直线İ’dz2,它为保护2的电流速断的定值,很显然它分别与I和II有两个交点,这两个交点在横轴上所对应的L即为两种运行方式下的保护范围,可以看出无论在最大运行方式还是最小运行方式都不能保护线路的全长,而且在不同的运行方式下,其保护范围是不一样的,最大运行方式下的保护范围大,最小运行方式下的保护范围小,这就有可能出现按最大运行方式的整定电流在最小运行方式下的保护范围不满足要求(电流速断的灵敏度是用保护范围来衡量),当最大运行方式和最小运行方式相差很大时,在最小运行方式下有可能没有保护范围。此外,当保护线路长短不一样时,对于短线路的保护范围可能很小或者不满足要求。__5.结论:电流速断保护尽管简单、经济、可靠、而且快速,但是它不能保__护线路的全长,因此它不能作主保护,而且受系统运行方式和接线方式的影响很大,但总的来说,综合评价的结果,还是很好的一种保护,因此应用很普遍。__三.限时电流速断保护__1.定义:由于有选择性的电流速断不能保护本线路的全长,因此可以考虑__增加一段新的保护,用来切除本线路上速断范围以外的故障,同时也能作为速断保护的后备,这就是限时电流速断保护。__2.整定原则:与相邻线路的电流速断保护相配合。具体来说,保护范围除了保护本线路全长以外,还要伸到相邻线路一部分,但是不能超过相邻线路电流速断的保护范围,动作时间比相邻线路的电流速断高05S。__a保护的配合:保护配合含两个方面的涵义,第一个是灵敏度或(定值)的配合,另一个是时间的配合。限时电流速断是保护配合最典型的例子,既有定__值的配合,又有时间的配合。__b线路上装设了电流速断和限时电流速断保护以后,它们的联合工作可以保证全线范围内的故障都能在05S的时间以内予以切除,在一般情况下都能满足速动性的要求,因此可以做主保护。当然这种主保护只能在35KV及以下要求不是很高的系统。__c限时电流速断保护的灵敏性校验__为了能够保护本线路全长,限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下,线路末端发生两相短路时,具有足够的反应能力,这个能力通常用灵敏系数Klm来衡量,对反应增量动作的保护装置,灵敏系数的含义是__保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值Klm保护装置的动作参数__式中故障参数(如电流、电压等)的计算值,应根据实际情况合理地采用最__不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定,保护装置的动作参数,是电流整定值或电压整定值。为了保证在线路末端短路时,保护装置一定能够动作,限时电流速断保护的灵敏系数Klm要求为13~15。__四.定时限过电流保护__1.整定原则:起动电流按照躲开最大负荷电流来整定。动作时间比限时电流速断再高05S。__2.动作时限特性是一个从负载端到电源端逐级升高的阶梯特性。这是为了保证动作的选择性,因为整定值上配合不了,只好用时间来配合,很显然这个时间特性曲线并不理想,因为越靠近电源侧的动作时间越长。__五.阶段式电流保护的应用及对它的评价__电流速断、限时电流速断和过电流都是反应于电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于按照不同的整定原则来选择起动电流。即电流速断是按照躲开相邻线路出口处的最大短路电流来整定,限时电流速断是按照躲开前方各相邻元件电流速断保护的动作电流整定,(或者说与相邻线路的电流速断保护相配合),而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。这三种电流保护,速断和限时电流速断是复杂保护(因为要计算短路电流),而过电流保护是简单保护(因为只要看负荷电流),速断的定值最大,过电流的定值最小。__六.保护的配置__1.总的原则:能用简单的绝对不用复杂的(适用于所有的保护配置)。__2.具体的配置原则是:我们用一个35KV系统的情况来加以说明,如图2-2所示。____图2-2阶段式电流保护的配置__从负载端开始,例如对于保护1,我们首先考虑采用过电流保护,因为在用户端发生短路故障时,从电源流过来的短路电流已经很小,几乎和负荷电流差不多,用过电流保护应该是可以的;对于保护2,首选还是过电流保护,只有当过电流保护不满足要求时,再考虑加一级电流速断或者限时电流速断;对于保护3也是一样;但是对于靠近电源侧的保护4,速断、限时电流速断、过电流三种保护都要配,这个道理应该很简单,因为靠近电源侧的短路电流大,因此希望可靠切除故障。__七.电流保护的接线方式__电流保护的接线方式,就是指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。对相间短路的电流保护,目前广泛使用的是三相星形接线和两相星形接线这两种方式。__三相星形接线是将三个电流互感器与三个电流继电器分别按相连接在一起,互感器和继电器均接成星形,在中线上流回的电流为İa+İb+İc,正常时此电流约为零,在发生接地短路时则为三倍零序电流3İ0。__两相星形接线是用装设在A、C相上的两个电流互感器与两个电流继电器分别按相连接在一起,B相既不接电流互感器也不接电流继电器,它不能反应B相中所流过的电流,中线上流过的电流是İa+İc。__第二节电网相间短路的方向性电流保护__一.问题的提出__在第一节中我们讨论了单侧电源网络电流保护的配置情况,而实际上电力系统是由多个电源组成的,在多电源系统中(双侧电源系统是多电源系统中最简单的,因此我们只考虑双侧电源系统),如果我们还是配电流保护的话,按照单侧电源网络的原则来配置,有没有问题?__为了回答这个问题,我们用图2-3的双侧电源网络接线来进行分析。____43526178__ABİ’d1İ’’d1CD__图2-3双侧电源网络接线及保护动作方向的规定__二.几个前提__1我们规定电流的正方向(包括功率的正方向)是由母线流向线路,以后如果没有特别的说明,都按这个规定。__2在系统中任何地方发生短路故障,凡是有电源的地方,都要向故障点提供短路电流。__3在图2-3所示的双侧电源接线中,由于两侧都有电源,因此,在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。假设断路器8断开,电源EII不存在,则发生短路时保护1、2、3、4的动作情况和由电源EI单独供电时一样,它们之间的选择性是能够保证的。如果断路器4断开,电源EI不存在,则保护5、6、7、8由电源EII单独供电,此时它们之间也同样能够保证动作的选择性。如果两个电源同时存在,如图2-3所示,当在BC段的d1点短路时,按照选择性的要求,应该由距故障点最近的保护2和6动作切除故障,而其它的保护则不要动作切除其它的断路器。下面我们进行分析,以离故障较近的保护1为例,显然,由电源EII提供的短路电流İ″d1也将通过保护1,如果保护1采用电流速断且İ″d1大于保护装置的起动电流İ′dz1,则保护1的电流速断就要误动作;如果保护1采用过电流保护且动作时限t1≤t6,则保护1的过电流保护也将误动。同样道理对于保护5也会由电源EI提供的短路电流İ′d1而误动。如果在AB段或CD段发生短路,也会有类似的结果。__分析双侧电源供电情况下所出现的这一新矛盾,可以发现有下面三个特点或规律:一是误动作的保护都是在自己所保护的线路反方向发生故障;二是误动的保护都是由对侧电源供给的短路电流所引起的;三是对误动的保护而言,实际短路功率的方向照例都是由线路流向母线,显然与其应保护的线路故障时的短路功率方向相反。因此为了消除这种无选择的动作,就需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件,该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作,而当短路功率方向由线路流向母线时不动作,从而使继电保护的动作具有一定的方向性。这样由电流元件和功率方向元件所组成的保护我们叫它为方向电流保护。很显然功率方向元件是方向电流保护中的另一个关键元件,下面我们来研究功率方向继电器。三.功率方向继电器的工作原理__在图2-4(a)所示的网络接线中,对保护1而言,当正方向d1点三相短路时,如果短路电流İd1的给定正方向是从母线流向线路,则它滞后于该母线电压U一个相角Φd1(Φd1为从母线至d1点之间的线路阻抗角,输电线路是一种感性负载),其值为0°﹤Φd1﹤90°,如图2-4(b)所示。____当反方向d2点短路时,通Ⅱ的短路电流是由电源EII供给__的。此时对保护1如果仍按规Id2定的电流正方向观察,则İd2滞__Id2d1d2__后于母线电压U的相角将是__180°+Φd2。如图2-4(c)所示。__因此,利用判别Φd1短路功率__方向或者电流、电压之间的相__位关系,就可以判别发生故障__的方向。__图2-4方向继电器工作原理分析__1定义:用以判别功率方向或测定电流、电压相位角的继电器称为功率方向继电器。__2基本要求:__(1)应具有明确的方向性,即正方向发生各种故障时可靠动作,而在反__方向故障时,可靠不动作;__(2)故障时继电器的动作有足够的灵敏度。__3动作判据:功率方向继电器既要输入电压,又要输入电流,因此是一种多激励量继电器,很显然它要比单激励量继电器的动作原理复杂。__(a)用相位比较方式表示的动作判据__90°≤argUj__Ij≤-90°__(b)用三角函数表示的动作判据__Ujİjcos(Φj-Φlm)≥0__式中Φlm为最大灵敏角。所谓最大灵敏角,是指功率方向继电器当输入电压Uj和输入电流İj幅值确定了以后,那么功率方向继电器输出功率就与电压与电流之间的相角差有关,输出功率最大所对应的那个角度叫做最大灵敏角。__4动作特性__功率方向继电器的动作特性在复数平面上是一条直线,如图2-5所示。__其动作特性是这样做出来的__在复数阻抗平面内作一__敏角相垂直且过坐标原点的__线与最大灵敏角相对应的半作区,另外半个平面是制动__区,从动作__0R特性图可以看出,功率方向继__电器的动__作角度范围在理论上应该是__180°,当然__实际情况一般小于180°。__图2-5功率方向继电器的动作特性__

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