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1、电力系统继电保护 讲 义 电力系统继电保护的基本知识 一、继电保护的基本任务: 1、当被保护的电力系统元件发生故障时,应该由该元件 的继电保护装置迅速准确地给距离故障元件最近的断路 器发出跳闸命令,使故障元件及时从电力系统中断开, 以最大限度地减少对电力元件本身的损坏,降低对电力 系统安全供电的影响,并满足电力系统的某些特定要求 (如保持电力系统的暂态稳定性等)。 2、反应电气设备的不正常工作情况,并根据不正常工作 情况和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人 员)发出信号,以便值班人员进行处理,或由装置自动 地进行调整,或将那些继续运行而会引起事故的电气设 备予以切除。反应不正常工作情况
2、的继电保护装置容许 带一定的延时动作。 继电保护的基本原理: 1、电力系统发生短路故障时,通常伴有电流增大、电 压降低以及电流与电压间相位角改变等特征。利用这些 基本参数在故障与正常运行时的差别,就可以构成各种 不同原理的继电保护装置。 例如:反应电流增大构成的过电流保护;反应电压降低 构成的低电压保护;反应电压与电流的比值变化构成的 距离保护;同时反应被保护元件两端电气量的快速保护 ,如差动保护、高频保护等;反应不对称或异常运行时 出现的判据,如负序或零序分量的保护启动元件;反应 非电气量的保护,如瓦斯保护和压力及温度保护等。 2、继电保护装置一般有三大部分组成:测量部分、逻 辑部分、执行部
3、分 。 一是测量部分,其作用是测量被保护对象的工 作状态的一个或几个电气量;二是逻辑部分,其作 用是根据测量元件输出量的大小、性质、组合方式 或出现次序,判断被保护对象的工作状态,以决定 保护装置是否应该动作;三是执行部分,其作用是 根据逻辑部分所在出的判断,执行保护装置任务( 给出信号、跳闸或不动作)。 以过流保护的原理图为例说明如下: 在图的过电流保护中,电流继电器的线圈回路是 测量部分,它监察被保护设备的工作情况,反应相 应的电气量(如电流的大小)只当被保护设备发生 故障(或不正常工作情况)时它才动作。因此,测 量部分可处于动作或不动作的两种状态,并根据这 两种状态确定是否给逻辑部分发出
4、信号。继电器的 接点回路是逻辑部分,它接到测量部分送来的信号 后,即根据信号的组合和顺序,确定起动或不起动 整套保护。起动保护时,即给执行部分发出信号。 执行部分一般是出口中间继电器,它接到逻辑部分 送来的信号后,发出使断路器跳闸或动作于信号的 脉冲,完成整套的保护动作。但在简单的保护回路 中,执行部分和逻辑部分实际上是结合在一起的, 难以区分 。 三、对继电保护的基本要求 对电力系统继电保护的基本性能要求有可靠性、选 择性、快速性、灵敏性。这些要求之间,有的相辅 相成,有的是相互制约,需要针对不同的使用条件 ,分别地进行协调。 1、选择性。当系统发生故障时,继电保护装置只 将故障设备切除,使
5、停电范围尽量缩小,保证无故 障设备继续运行,保护装置这样动作就叫做有选择 性。如图所示: K3点故障,6QF断路器因故拒绝动作时,则应由保 护装置5动作,作用于5QF开关跳闸,将故障线路L4 连同L3一起切除。这种情况仍然可以认为有选择性 ,即保护装置5是保护装置6的后备保护。 2、快速性。继电保护快速性是指继电保护应以允许的 可能最快速度动作于断路器跳闸,以断开故障或中 止异常状态发展。继电保护快速动作可以减轻故障 元件的损坏程度,提高线路故障后自动重合闸的成 功率,并特别有利于故障后的电力系统同步运行的 稳定性。快速切除线路与母线的短路故障,是提高 电力系统暂态稳定的最重要手段。 3、灵敏
6、性。继电保护灵敏性是指继电保护对设计规定 要求动作的故障及异常状态能够可靠地动作的能力。 故障时通人装置的故障量和给定的装置起动值之比, 称为继电保护的灵敏系数。它要求不但在最大运行方 式下三相短路时能可靠动作,而且在最小运行方式下 和经过较大的过渡电阻的两相短路时也能可靠动作。 继电保护愈灵敏,愈能可靠地反应于要求动作的故障 或异常状态;但同时,也愈易于在非要求动作的其他 情况下产生误动,因而与选择性有矛盾。 4、可靠性。所谓保护装置的可靠性,就是在它的保 护范围内发生属于它应该动作的故障时,不应该由于 它本身有缺陷而拒绝动作;而在发生其它任何不应由 它动作的情况下,则不应该误动作。一般来说
7、工作原 理和结构都简单的保护装置,可靠性都比较高。 现代的继电保护装置,一般能同时满足选择性和快 速性的要求,但有时这两个要求不能同时满足,可保 证选择性,牺牲一点快速性对整个系统有利。 常用继电器的作用 、电流继电器 电磁型电流继电器广泛用作电流保护的起动元件 和测量元件;它反应电流的增加而动作,当通过继 电器的电流增加到一定数值时,继电器动作。其动 合触点闭合(旧称常开接点)、动断触点(常闭接 点)断开。使继电器动作的最小电流叫继电器的动 作电流。继电器运作后,减小电流,使电流继电器 恢复到起始位置,即继电器返回。继电器的动合触 点断开,动断触点闭合,继电器返回时的最大电流 叫继电器的返回
8、电流。继电器返回电流与动作电流 之比叫返回系数。返回系数一般不小于0.85。 改变电流继电器线圈的连接和改变调整把手的位置 ,可调节电流继电器的动作电流。 、电压继电器 电压继电器是反应电压变化而动作。电压继电器 可分为过电压继电器和低电压继电器。过电压继电 器是反应电压上升而动作的,其动作与返回的概念 与电流继电器相同。低电压继电器是反应电压下降 而动作的,其动作与返回的概念正好与过电压继电 器相反。电压继电器的调整方法与电流继电器相同 。 、时间继电器 时间继电器在保护装置中作为时间元件,用来 建立必要的动作延时。时间继电器除了延时触点外 ,有的还有一对瞬时切换触点,或一对滑动延时触 点。
9、时间继电器断电时,继电器瞬时返回,触点全 部恢复原始态。 、中间继电器 中间继电器是保护装置不可缺少的,它的作用是: 增加触点数量,以便控制不同的回路; 增加触点 容量,以便断开或接通较大电流的回路; 提供必 要的延时,以便满足保护及自动装置的要求。 、信号继电器 信号继电器在继电保护及自动装置中作为动作指示器 。信号继电器动作时,一方面有掉牌指示或灯光指 示,另一方面又闭合其机械自保持触点,接通灯光 或音响回路,这些信号均由运行人员手动加以复归 。 输电线的继电保护 一、反应相间短路故障的电流(或经低电压闭锁)保 护 1、定时限过电流保护动作原理 过电流保护通常是指其动作电流按躲开此线路 最
10、大负荷电流来整定的一种保护。它在正常运行时 不应起动,而在电网发生故障时,由于电流的增大 而动作,在一般情况下,它不仅能保护本线路的全 长,而且也能保护相邻线路的全长,以起到后备保 护的作用。如图所示: 、工作原理 以单侧电源供电的辐射形网络为例说明其工作原理 。在每一线路的电源端均装设断路器和保护装置, 如图所示。在正常运行全线路最大负荷电流情况下 ,此电流小于保护的动作电流,定时限过电流保护 不动作。 当线路L3上D1点发生短路故障时,短路电流ID由 电源经线路L1、L2至L3短路点。由于短路电流ID经 过保护装置1、2、3,且ID大于各保护电流继电器的 动作电流,所以上述各保护装置的电流
11、继电器均起 动。按选择性的要求,此时只应由保护装置3动作, 使断路器3DL跳闸。3DL跳开后,短路电流消失,于 是保护装置1和2的电流继电器还来不及使断路器1DL 和2DL跳闸,就都返回到原来位置。过电流保护的选 择性是由各保护装置具有不同的动作时间来保证的 。 为此,必须保证: tl t2 t3或tl = t2+t = t3+2t、t2 = t3+t 式中的t1、 t2、t3分别为保护装置1、2、3的动作时间 ,t称为时间级差,一般取0.5s; 图还给出了各保护装置动作时间特性图。由图可 见,各保护装置的动作时间大小是从用户到电源逐 级增加的,越靠近电源侧,过电流保护的动作时间 越长,好似一
12、个阶梯,故称选择时间的阶梯时限特 性,由于各保护装置动作时间都是分别固定的,而 与短路电流的大小无关,所以这样的电流保护装置 称为定时限过电流保护 。 、过电流保护的动作电流整定 为保证在正常运行情况下过电流保护不动作,保护装置的起 动电流IQD必须大于该线路上可能出现的最大负荷电流Imax 。 如图所示,当外部短路时如电流继电器已起动,则在外部切除 后电流降到最大负荷电流时应能可靠返回。图中线路L2上K 点短路,保护1、2都将起动,由于保护2的时限短,所以保 护2先动作,使断路器2QF跳闸。这时短路电流消失,但在 变电所B母线上仍接有负荷,并且由于故障切除后电压恢复 ,负荷中的电动机自起动,
13、可能出现最大负荷电流,为使保 护1的电流继电器返回,它的返回电流应大于故障切除后的 最大负荷电流。确定最大负荷电流时,必须考虑到实际可能 的最严重情况,例如平行线供电、双回线备自投等情况。 在整定保护1的动作电流时,还要考虑与保护2灵敏 度的配合问题。如图所示,当D2点短路时,流过保 护2的短路电流可能接近于它的动作电流,而流过保 护1的电流为短路电流与变电站的负荷电流之和, 比保护2中流过的电流还大,可能越级动作,故必须 考虑增加一个配合系数。可能会使保护1的保护范围 缩小。 在变压器高压侧过流保护上CT二次应采用三相星 形接线,防止在按Y/或/Y接线的变压器低压侧 出口上发生两相短路时,流
14、过高压侧CT二次V型接 线的故障电流减小,而使远后备保护拒动。 2、无时限电流速断保护 、由于过流保护的动作电流是按最大负荷电流整定 的,它的保护范围总是伸长到相邻的下一段线路。 为了获得选择性,保护的动作时间必须按阶梯原则 来整定。这样,如果线路段较多,则越靠近电源的 保护,动作时间越长,这是过流保护在原理上存在 的缺点,为了克服这个缺点,可以提高电流整定值 的方法,即将动作电流按躲过被保护线路外部短路 时最大可能的短路电流来整定,使保护范围预先限 制在线路的一定区域上,也就是保护范围不超过被 保护线路之外,因而在时间上就不需要与下一段线 路相配合,这样就可以作成瞬动保护。这种按躲过 被保护
15、线路外部短路的最大短路电流来整定,以保 证保护有选择的动作,就叫做电流速断保护。 、为了保证选择性,在相邻线路出口时短路时,电 流速断保护不应该起动,为此电流速断保护的动作 电流应大于h1点的短路电流,但由于是h1点的短路 电流与线路末端h13点短路电流相同,因此电流速断 保护的动作电流可按大于本线路未端短路时流过保 护的最大短路电流来整定,如图所示: 曲线1表示当短路点沿线路移动时,在系统最大 运行下三相短路电流的变化曲线;将电流速断动作 电流的整定值IDZ画在图中如直线3所示,可以看出 ,曲线1与直线3交与一点M,在交点至保护安装处的 一段线路上断路时,IDIDZ,保护能够动作;在交 点以
16、后的线路上断路时,短路电流小于动作电流, 保护不动作,因而,瞬时电流速断保护只能保护线 路的一部分,而不能保护线路全长。当运行方式改 变时,如最小运行方式(或两相断路)时,在线路 同一点上发生,短路流必然比三相短路电流小,见 上图可知,保护范围进一步缩小,电流速断保护范 围一般不用保护线路的长度来表示,而是用保护线 路长度与被保护线路全长的百分比来表示。即:最 大运行方式下为50%60% 最小运行方式下15% 20%即可。 3、限时电流速断(带时电流速断)及三段式过电流保护 、由于无时限电流速断不能保护线路的全长,其 保护范围以外的故障必须由另外上午保护来切除。为 此,考虑增设第二套电流速断保护,它的动作范围应 包括线路全长,而且必须伸长到下一段线路。为获得 动作的选择性,第二套速断必须带有一定的