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1、第6章 继电保护6.1 概述u继电保护的概念：u电力系统中的发电设备、输变电设备以及用户的用电设备中的某个元件设备发生故障或处于不正常工作状态时，为了及时将该元件从系统中切除或者给值班人员发出信息，必须在系统中每一个元件装设继电保护装置。6.1 概述u继电保护装置的任务：u1触发断路器将故障设备与电力系统中其他非故障设备自动隔离，使故障所影响的范围限制到最小，并使系统无故障局部尽快恢复到正常运行状态；u2反映电气设备的不正常工作情况，并发出信号通知值班人员及时处理或由装置自动进行调整，切除危险运行的设备。6.1 概述u对继电保护装置的根本要求：u1选择性：只将故障设备切除；当d1点短路时，应由
2、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那么仍可由另一条无故障的线路继续供电。而当d3点短路时，保护6动作跳闸，切除线路CD，此时只有变电站D停电。由此可见，继电保护有选择性的动作可将停电范围限制到最小，甚至可以做到不中断向用户供电。2快速性：希望故障切除时间尽可能短，这样可以提高系统运行稳定性、保证用户电气设备不间断运行、减小设备的损坏程度、防止故障进一步扩大。从经济性上考虑，确定保护装置的动作时间时，应根据具体的保护对象及其地位和重要程度来确定。下面列举必须快速切除的故障：1高压输电线路上发生的故障；2使发电厂或重要用户的母线电压低于允许值0.7的故障；3大容量的发电机、
3、变压器以及电动机内部发生的故障；4110kV线路导线截面过小，为防止过热不允许延时切除的故障；5可能危及人身平安、对通讯系统等有强烈干扰的故障等。 故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。对继电保护装置的根本要求3灵敏性：保护装置对发生故障和不正常工作状态时反响能力的一种衡量指标。4可靠性：应该动作的故障不拒绝动作，不属于它动作范围的故障不发生误动作。对继电保护装置的根本要求u继电保护的根本原理：u 电力系统发生故障时，伴随有电流增大、电压降低、电压和电流相位角发生变化等现象。继电保护的工作原理就是检测其中某一电气量或多个电气量的变化，进而判断被保护对象处于何种状态。u1利用故障时电
4、流增大的特点构成电流保护；u2利用故障时电压降低的特点可构成低电压保护；u3利用电压和电流比值的变化可构成阻抗距离保护；u4利用电压和电流间相位角变化的特点可构成方向保护。6.1 概述6.1 概述继电保护的根本原理u继电保护的工作原理：1测量回路：作用有二。其一，测量能反映保护对象所处工作状态的物理量；其二，检测该物理量的变化与整定值进行比较，确定所保护对象是否发生了故障或出现了不正常工作情况，然后输出相应信号至逻辑回路；2逻辑回路：根据测量回路输出量的大小、性质、组合方式或出现的先后顺序，判断被保护对象所处的工作状态，向执行回路发出相应的信号；3执行回路：根据逻辑回路所作出的判断执行保护装置
5、的任务触发断路器，给值班人员发出警告或使保护装置不动作等电力系统继电保护技术的现状与开展自50年代末，晶体管继电保护开始研究。60年代中到80年代中是晶体管继电保护蓬勃开展和广泛采用的时代。在此期间，从70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用仍处于主导地位，这是集成电路保护时代。我国从70年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不
6、同原理、不同型式的微机保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化开展。 电网的电流保护u电网中任一元件发生短路故障时，流过该元件的电流将突然增大。电网的电流保护就是基于这一特点而构成的一种简单而有效的保护方式。根据短路类型的不同，分为了相间电流保护、零序电流保护。过电流继电器u原理框图：电网的电流保护电网的电流保护1正常状态；2动作过程；3返回过程。电流速断保护u定义：u 仅反响于电流增大而瞬时动作的电流保护，称为
7、电流速断保护。u 保护装置的起动电流：对反响于电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置起动的最小电流，以dz表示。u 显然必须当实际的短路电流Id= dz时，保护装置才能起动。保护装置的起动值dz，是用电力系统一次侧的参数表示的，它所代表的意义是：当在被保护线路的一次侧电流到达这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能够起动。u 系统最大运行方式：对每一套保护装置来说，通过该保护装置的短路电流为最大的方式 (电源的内阻最小u u 系统最小运行方式：短路电流为最小的方式 (电源的内阻最大u 电网的电流保护电网的电流保护电流速断保护的工作原理电网的电流保护电网的电流保护 根据电力系统短路的分
8、析，当电源电势一定时，短路电流的大小决定于短路点和电源之间的总阻抗Z。短路电流和线路长度L的关系可表示为：三相短路电流可表示为：二相短路电流可表示为： 由上面的两式可见：短路点距电源越远，即L越大，那么故障电流越小；假设系统运行方式愈小，即Zs愈大，那么If也愈小。对于相间短路而言： 最大方式下发生三相短路的电流为最大； 最小运行方式下发生短路的电流为最小。 也就是说，任何运行方式下发生相间短路的电流值都在这两个值之间。单侧电源线路为例：电流速断保护的工作原理图中1、2两条曲线为短路电流与短路距离L的关系曲线。曲线1：最大运行方式下发生三相短路的电流曲线2：最小运行方式下发生两相短路的电流任何
9、运行方式下发生相间短路的电流值都在这两条曲线之间 对于图6-7中的保护1，应要求它只切除线路AB上发生的故障。但在线路AB的末端和线路BC的首端发生故障时，流过保护1的电流几乎是没有差异的。而且对于不同的运行方式和不同的故障类型，完全有可能出现在线路BC首端的故障电流大于线路AB末端的故障电流的情况。如BC首端发生三相短路的故障电流将大于AB末端发生两相短路的故障电流。根据选择性的要求，保护1的起动电流必须整定到大于线路AB末端即B母线上发生故障时可能出现的最大电流在继电保护技术中，这又称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定，这样可以保证下一条线路出口处短路时不起动。因此其整定值为：电流速断
10、保护的工作原理 引入可靠系数的目的是为了保证任何情况下保护都不至于失去动作的选择性，即在线路BC的首端发生任何故障时保护1都不应动作。保护护1得I段整定值值；I段保护护整定时时得可靠系数， 一般取1.21.3；B点短路时时出现现的最大短路电电流 （6-6）电流速断保护的工作原理 同样的道理，对于保护2来说，其起动电流必须整定到大于线路BC末端即C母线上发生短路时可能出现的最大电流值，即：（6-7） 由式(6-6)和式(6-7)可见，在某个保护范围内无论哪一点发生故障，该保护电流速断的整定值是不变的。因此在图6-7中各为一直线，与曲线1和2各有一个交叉点。对应于每一条曲线，当故障点处于交叉点之前
11、时靠近电源侧为前，由于短路电流大于保护装置的整定值，因此保护装置可以反映在此范围内的故障。而当故障点处于交叉点之后时，由于短路电流小于保护装置的整定值，所以保护装置将无法反映此故障。 电流速断为了保证选择性，而使其保护范围缩短，也即在靠近保护线路末端的一局部范围内发生故障时，保护装置根本不启动。从另一个角度而言，电流速断不可能保护整条线路。 速断保护对被保护线路内部故障的反响能力即灵敏性，只能用保护范围的大小来衡量，此保护范围通常用线路全长的百分数来表示。从图6-7可见，当系统为最大运行方式时，电流速断的保护范围为最大，当出现系统最小运行方式下的两相短路时，电流速断的保护范围为最小。电流速断保
12、护的工作原理 电流速断保护的灵敏度电流速断保护的灵敏度是用系统最小运行方式下，保护装置所能保护的最小是用系统最小运行方式下，保护装置所能保护的最小范围占线路总长度的百分比来衡量的。范围占线路总长度的百分比来衡量的。 通常要求电流速断保护的最小保护范围不应小于被保护线路全长的1520。电流速断保护的原理接线 当发生保护范围内部故障时，流入继电器KA线圈的电流大于其启动电流，因此使KA的触点闭合，随之使中间继电器K的线圈带电。中间继电器K的线圈带电后，其触点闭合使信号继电器KS的线圈带电发出信号，同时接通断路器QF的跳闸线圈YR使断路器跳闸。采用电流互感器TA的原因：一是改变电流水平；二是将电力系
13、统一次回 路与二次回路相隔离。采用中间继电器K的原因：一是扩充接点容量；二是增加保护装置的固有 动作时间，防止在避雷器瞬时放电时发生误动作。信号继电器KS的作用：给出保护装置已经动作过的明显标志，保持到运行人 员手动复归为止，便于进行故障分析。电流速断保护的优缺点u优点：原理简单、采用元件少、动作可靠以及动作迅速。u缺点：不可能保护线路全长，并且在不同运行方式下，保护范围也是不同的。而且即使运行方式相同，发生不同类型的故障时其保护范围也是不同的，故其保护范围直接受到系统运行方式变化和故障类型的影响。u当系统运行方式变化很大，或者被保护线路的长度很短时，速断保护可能没有保护范围，因而不能采用u定
14、义：电流速断保护不可能保护线路全长，为此就必须增加一段新的保护，用来切除本线路上速断保护无法反映的故障，同时也能作为速断保护的后备保护，这新增的一段保护称之为限时电流速断保护，也叫电流保护的第II段或电流II段。限时电流速断保护u 工作原理：由于要求限时速断保护必须保护线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时，它就要启动。在这种情况下，为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，此时限的大小与其延伸的范围有关。为了使这一时限尽量缩短，照例都是首先考虑使它的保护范围不超过下一条线路速断保护的范围，而动作时限那么比下一条线路的速断保护高出
15、一个时间阶段，此时间阶段以t表示。限时电流速断保护的整定方法限时电流速断保护限时电流速断保护 设保护1装有电流速断，其启动电流为Idz.1，它与短路电流变化曲线的交点M为保护1电流速断的保护范围，当在此点发生短路时，短路电流即为Idz.1，速断保护刚好能动作。而保护2的限时电流速断不应超出保护1电流速断的范围，因此在单侧电源供电的情况下，它的启动电流应该整定为： Idz.2Idz.1KkIdz.1书中用ISP4表示其中， Kk取为1.11.2。u限时速断的动作时限t2，应选择的比下一条线路速断保护的动作时限t1高出一个时间阶段t。从保护动作快速性的要求出发， t应越小越好。但为确保两保护之间动
16、作的选择性，其值必须满足一定的要求，因此又不能选择得太小。对于常用的继电器和间接作用的二次式保护装置，一般取为0.5秒。u这样选取了限时电流速断的动作时限后，当故障发生在本线路上但超出本线路电流速断保护范围时，此故障将由限时电流速断保护动作切除。所以，当线路上装设了电流速断和限时电流速断后，它们的联合工作就可保证全线路上任何一点的故障都能够在0.5秒内予以切除。限时电流速断保护动作时限的选择限时电流速断保护限时电流速断保护u为了能够保护本线路的全长，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，具有足够的反响能力，这个能力通常用KSE来衡量。限时电流速断保护的灵敏度限时电流速断保护限时电流速断保护u对上图中的保护4而言，即应采用系统最小运行方式下线路AB末端即母线B上发生两相短路时的短路电流作为电气参数的计算值。假设此电流值为If Bmin，那么保护4限时电流速断保护的最小灵敏系数为(与限时电流速断保护的整定值有关) ： 为了确保在线路末端短路时，保护装置能够可靠动作，要求电流II段的最小灵敏度系数满足KSE=1.31.5定时限过电流保护u 电流速断保护和限时电流速
