電氣工程基礎(第十三章)

主講:吳軍

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第13章電力系統(tǒng)繼電保護

13.1繼電保護的基本原理

13.2輸電線路的繼電保護

13.3電力變壓器的繼電保護13電力系統(tǒng)繼電保護主要內(nèi)容及重難點主要內(nèi)容：了解繼電保護的任務、作用、基本原理和組成，熟悉對電力系統(tǒng)繼電保護的基本要求；了解電磁型電流繼電器的基本原理；掌握相間短路的三段式電流保護的整定計算方法和電流保護的接線方式；掌握相間短路的方向性電流保護的工作原理；了解中性點直接接地電網(wǎng)接地短路的特點及其零序電流保護的構(gòu)成；了解中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點及其接地保護；了解變壓器常見故障及相應的保護方式；掌握縱差動保護的基本原理及變壓器縱差動保護的特點；13電力系統(tǒng)繼電保護主要內(nèi)容及重難點重點：繼電保護的基本原理及對電力系統(tǒng)繼電保護的基本要求；相間短路的三段式電流保護的整定計算方法（包括動作電流及動作時限的整定，靈敏度的校驗等）；電流保護的接線方式；相間短路的方向性電流保護的工作原理；中性點直接接地電網(wǎng)接地短路的特點及中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點；縱差動保護的基本原理；變壓器縱差動保護的特點；難點：相間短路的三段式電流保護的整定計算方法；功率方向繼電器的工作原理；中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點分析；縱差動保護的基本原理。一次設備:直接用于生產(chǎn)、輸送和分配電能二次設備:對一次設備進行監(jiān)視、控制、測量和保護二次電氣設備一般包括控制和信號設備、測量表計、繼電保護裝置及各種自動裝置等,它們構(gòu)成了發(fā)電廠和變電所的二次系統(tǒng)。13.1繼電保護的基本原理一次系統(tǒng)與二次系統(tǒng)二次接線:將二次設備按照工作要求，互相連接組合在一起所形成的電路二次回路(二次接線)操作控制回路測量回路信號回路保護回路操作電源回路自動裝置回路13.1繼電保護的基本原理二次接線三峽水電站13.1繼電保護的基本原理實例500kV變電站(一次設備)13.1繼電保護的基本原理實例龍泉換流站(宜昌)13.1繼電保護的基本原理實例葛--上線(500kV)13.1繼電保護的基本原理實例500kV輸電線(一次設備)13.1繼電保護的基本原理實例上海南橋換流站13.1繼電保護的基本原理實例220kV變電站(一次設備)13.1繼電保護的基本原理實例牧區(qū)輸電線路(一次設備)13.1繼電保護的基本原理實例30萬機組集控室13.1繼電保護的基本原理實例變電站綜合自動化13.1繼電保護的基本原理實例線路保護屏(二次設備)13.1繼電保護的基本原理實例13.1繼電保護的基本原理故障分類及影響相間短路：橫向故障接地短路：縱向故障：各種斷線故障造成影響：（1）形成短路電流及電弧，燒壞故障設備；（2）短路電流造成設備過熱，損壞設備或降低設備壽命；（3）造成電壓下降，破壞用戶工作；（4）破壞系統(tǒng)同步，造成連鎖故障甚至系統(tǒng)崩潰。繼電保護裝置：能迅速反應電力系統(tǒng)中電氣設備發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于跳閘或發(fā)信號的一種裝置。繼電保護的任務：（1）有選擇性地從系統(tǒng)切除故障元件（2）反應電氣元件的不正常工作狀態(tài)（3）支持電力系統(tǒng)安全運行13.1繼電保護的基本原理繼電保護任務及作用13.1繼電保護的基本原理基本原理和組成繼電保護的基本原理母線電壓U：下降線路電流I：增大測量阻抗Z：減小正常運行與故障的區(qū)別：由特征量的變化可構(gòu)成以下原理的保護：測量短路電流—過電流保護測量電壓下降—低電壓保護測量阻抗下降——距離保護（阻抗保護）根據(jù)故障兩側(cè)電流相位和功率方向的差別—縱聯(lián)保護（縱差動保護、高頻保護、微波保護、分相電流差動保護等）根據(jù)相電壓電流或零序及負序分量—負序與零序保護氣體保護、行波保護、能量方向保護等13.1繼電保護的基本原理基本原理和組成組成：測量部分、邏輯部分、執(zhí)行部分特征量：電流、電壓、測量阻抗,零序或負序分量,電流或電壓的突變量等。13.1繼電保護的基本原理基本原理和組成對電力系統(tǒng)繼電保護的基本要求：選擇性、快速性靈敏性、可靠性繼電保護的四性13.1繼電保護的基本原理基本要求繼電保護的幾個概念：

主保護：滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設備安全要求，能以最快速度有選擇性地切除被保護設備和線路故障的保護。后備保護：當主保護或斷路器拒動時，用來切除故障的保護。遠后備保護：當主保護或斷路器拒動時，由相鄰電力設備或線路的保護來實現(xiàn)的后備保護。近后備保護：當主保護拒動時，由本電力設備或線路的另一套保護來實現(xiàn)的后備保護。當斷路器拒動時，由斷路器失靈保護來實現(xiàn)后備保護。(1)選擇性:僅將故障元件切除f1短路，保護1、2跳閘，B不中斷供電f3短路，保護6跳閘，C不中斷供電如6QF拒動，由＃5動作，5QF跳閘——遠后備13.1繼電保護的基本原理基本要求(2)速動性：也稱快速性，指快速切除故障設備。一般應滿足穩(wěn)定需要。最快:500kV線路12ms出口(3)靈敏性：指反應故障的能力，用靈敏系數(shù)Ks來表示。反應數(shù)字上升而動作的保護裝置，其靈敏系數(shù)可表示為Ks＝靈敏系數(shù)的計算需考慮最不利的計算條件。13.1繼電保護的基本原理基本要求(4)可靠性：該動作時不拒動（可依賴性），不該動作時不誤動（安全性）保護范圍內(nèi)金屬性短路時故障參數(shù)的最小計算值/保護裝置的動作參數(shù)繼電保護技術(shù)的發(fā)展概況：(1)機電式繼電器：電磁型、感應型和電動型。(2)電子式靜態(tài)保護裝置：晶體管式、集成電路式。(3)微機保護：自80年代以來已得到廣泛應用。13.1繼電保護的基本原理繼電保護發(fā)展概況繼電保護研究方面輸電保護電流保護距離保護縱聯(lián)原理的保護縱聯(lián)差動保護高頻保護微波保護線路保護元件保護13.1繼電保護的基本原理繼電保護發(fā)展概況

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（一）電磁型電流繼電器1.組成返回系數(shù)一般為0.85微機保護為0.95繼電器返回繼電器的常開觸點4閉合，繼電器動作電流繼電器的繼電特性動作狀態(tài)不動作電流增加方向

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護2.電氣設備常用圖形及文字符號參見第14章表14-1及表14-2

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（二）瞬時電流速斷保護電流I段保護1.單相原理接線圖中間繼電器作用：容量大，可接通跳閘線圈YT增大保護固有動作時間，防止誤動：0.06~0.08s延時，防止管式避雷器放電（0.04~0.065s）引起的保護誤動。

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護KA:電流繼電器TA:電流互感器KM:中間繼電器KS：信號繼電器YT：跳閘線圈QF：斷路器（二）瞬時電流速斷保護電流I段保護2.瞬時電流速斷保護的作用原理最大運行方式最小運行方式x1.2

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護忽略電阻R為系統(tǒng)等效電源的相電勢注意一定的運行方式下，If=f(l)

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護1).整定：

原則：在保證選擇性的基礎上，校驗靈敏性引入一個大于1的可靠系數(shù)（＝1.2~1.3）最大運行方式下被保護線路末端三相短路時，流過保護的最大短路電流

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護瞬時電流速斷保護不能保護線路全長，且保護范圍受系統(tǒng)運行方式和故障類型的影響最大運行方式最小運行方式x1.2

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護2)靈敏度可用其最小保護范圍來衡量

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護3)動作時限優(yōu)缺點優(yōu)點：簡單、快速、可靠缺點：保護范圍直接受運行方式影響（三）限時電流速斷保護電流II段保護整定原則：躲過相鄰線路電流速斷保護的動作電流限時電流速斷保護的可靠系數(shù)1.1～1.2相鄰線路瞬時電流速斷的動作電流

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（三）限時電流速斷保護電流II段保護時限：為保證選擇性，應與相鄰線路電流I段時限相配合一個時限階段一般取0.5s

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（三）限時電流速斷保護電流II段保護靈敏性：用靈敏系數(shù)Ks表示為最小運行方式下，被保護線路末端兩相金屬性短路時的短路電流注意

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護限時電流速斷的單相原理接線與電流速斷不同之處：用時間繼電器KT代替了中間繼電器KM

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（三）限時電流速斷保護電流II段保護（四）定時限過電流保護電流III段保護1.單相原理接線：與限時電流速斷保護相同2.整定原理：躲過無故障時最大負荷電流能保護本線路的全長，能保護相鄰線路的全長起遠后備的作用主保護電流I段保護電流II保護后備保護電流III保護

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（四）定時限過電流保護電流III段保護3.動作時限：按階梯原則點發(fā)生短路故障時，保護1、3、5都可能啟動，最后由5切除（選擇性）

時間階段

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（四）定時限過電流保護電流III段保護4.靈敏度

可作本線路全長的主保護或作近后備外，還要作為相鄰線路的遠后備保護#1作近后備#1作遠后備

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（五）電流保護的接線方式1.指電流保護中電流繼電器線圈與電流互感器二次繞組間的連接方式2.兩種接線方式（1）完全接線方式：

三相星形接線（2）不完全接線方式：

兩相星形接線用于35kV及以下線路保護圖用于發(fā)動機、變壓器母線及110kV以上線路保護

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（五）電流保護的接線方式中性點非有效接地電網(wǎng)中發(fā)生兩相接地,采用二相星型接線可保證有2/3的機會只切除一個故障點缺點：串接故障，優(yōu)點：并接故障，節(jié)省投資

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（五）電流保護的接線方式3.Y,d11接線變壓器一側(cè)兩相短路以降壓變壓器△側(cè)ab兩相短路為例，設k=1

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（五）電流保護的接線方式結(jié)論：在Y,d11接線變壓器后面發(fā)生兩相短路時，總有一相電流是其他兩相的兩倍兩相Y型接線時，總有有一種兩相短路情況靈敏度降為一半，解決方法：兩相三繼電器接線

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（六）階段式電流保護三段式電流保護主保護后備保護瞬時電流速斷保護（I段）限時電流速斷保護（II段）定時限過電流保護（III段）本線路相間短路的近后備和相鄰線路的遠后備保護

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（六）階段式電流保護

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（六）階段式電流保護電網(wǎng)末端：可用二段式主保護后備保護瞬時電流速斷保護（I段）定時限過電流保護（III段）

13.2輸電線路的繼電保護相間短路的電流保護（一）方向性電流保護的工作原理

13.2輸電線路的繼電保護方向性電流保護#1，#2切除如：

則#3的I段誤動，#3，#4切除如：

則#2的I段誤動則#2的II段誤動電流保護對雙側(cè)電源不適用，應增設一個方向閉鎖元件，構(gòu)成方向電源保護點接地故障點接地故障則#3的II段誤動

（一）方向性電流保護的工作原理線路功率正方向的規(guī)定：功率從母線流向線路，為正方向功率從線路流向母線，為負方向

13.2輸電線路的繼電保護方向性電流保護組成方向元件KP電流元件KA時間元件KT方向過電流保護接線（一）方向性電流保護的工作原理1、3、5

由供給2、4、6由供給

13.2輸電線路的繼電保護方向性電流保護（二）功率方向繼電器的工作原理

反方向短路工作原理判斷功率方向正方向短路

13.2輸電線路的繼電保護方向性電流保護（二）功率方向繼電器的工作原理實際應用中，和要經(jīng)電壓、電流形成回路變換為和動作條件：繼電器的內(nèi)角

13.2輸電線路的繼電保護方向性電流保護（二）功率方向繼電器的工作原理當母線出口附近發(fā)生三相短路時，母線電壓將大幅度下降，功率方向繼電器就不能動作——“死區(qū)”（最小動作電壓）（母線電壓）消除“死區(qū)”的方法①記憶回路（R、L、C）②引入第三相電壓注意并不是所有的保護都必須裝設方向元件

13.2輸電線路的繼電保護方向性電流保護特點：出現(xiàn)零序電壓和零序電流△中性點直接接地電網(wǎng)：接地電流較大，需裝設動作于跳閘的接地保護△中性點非直接接地的電網(wǎng)單相接地時電流較小，零序電壓作用于信號的零序保護，防止故障進一步擴大

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護(一)中性點直接接地電網(wǎng)接地短路時的特點①故障點零序電壓零序電位最高；②零序電流正方向：母線流向故障點為正。零序電流的分布與電源的數(shù)目和位置無關(guān)，只要決定于中性點接地變壓器的數(shù)目和分布③零序功率正方向規(guī)定：母線流向線路為正；但實際方向正相反，是由線路指向母線

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（二）零序電壓和零序電流的獲取

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（二）零序電壓和零序電流的獲取1.零序電壓的獲?。喝齻€單相式電壓互感器或一臺三相五柱式電壓互感器中接成開口三角形的第3繞組側(cè)的開口處獲得2.零序電流的獲取：三相電流互感器電纜線：專用零序電流互感器

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（三）中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護(了解)三段式電流保護主保護后備保護瞬時電流速斷保護（I段）限時電流速斷保護（II段）零序過電流保護

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（三）中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護1．瞬時零序電流速斷保護整定原則（1）躲過下一條線路出口處單相或兩相接地短路時，流過保護的最大零序電流（2）躲過斷路器三相觸頭不同期合閘時，流過保護的最大零序電流（3）當線路采用單相自動重合閘時，保護應躲過在非全相運行過程中出現(xiàn)振蕩時的零序電流

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護2．限時零序電流速斷保護整定原則：與下一條線路的零序I段相配合分支系數(shù)（三）中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護3．零序過電流保護整定原則：①躲過相鄰線路出口處發(fā)生三相短路時，流過保護的最大不平衡電流②與下一條線段的III段配合（三）中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（三）中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護3．零序過電流保護時限設定：階梯原則同一線路上，零序III段動作時限小于相間III段的動作時限

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（三）中性點直接接地電網(wǎng)的零序電流保護對零序電流保護的評價①靈敏度高，保護范圍穩(wěn)定②動作時限短

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（四）中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點及接地保護1.特點

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護1.特點故障相對地電容電流故障點零序電壓升高倍（四）中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點及接地保護

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護流向故障點的電流，即為零序電容電流A相接地后，非故障相對地電壓升高倍，對地電流也升高倍

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護（四）中性點不接地電網(wǎng)單相接地故障的特點及接地保護

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護非故障線路l1發(fā)電機端故障線路有效值方向母線線路

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護結(jié)論（1）發(fā)生單相接地時，全系統(tǒng)均會出現(xiàn)（2）非故障元件上為其本身的對地電容電流,容性無功方向:母線流向線路（3）故障線路上的等于全系統(tǒng)非故障元件對地電容電流的總和，容性無功方向:線路流向母線

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護2.中性點不接地電網(wǎng)單相接地保護（1）絕緣監(jiān)視裝置正常運行無,單相接地全系統(tǒng)均出現(xiàn)（3）零序功率方向保護靈敏度較高（2）零序電流保護動作電流：躲過單相接地時流過保護所在線路本身的電容電流延時動作瞬時動作

13.2輸電線路的繼電保護接地故障的電流保護一、變壓器的常見故障和不正常工作狀態(tài)二、縱差動保護的基本原理三、變壓器的縱差動保護四、變壓器縱差動保護的整定計算13.3變壓器的繼電保護主要內(nèi)容1.油箱內(nèi)部故障

繞組的相間短路繞組的接地短路繞組的匝間短路3.不正常工作狀態(tài)

外部短路引起的過電流中性點過電壓三相過負荷油面降低及過勵磁13.3變壓器的繼電保護常見故障及不正常工作狀態(tài)2.油箱外部故障

套管及引線上產(chǎn)生的相間及接地短路

4.主要變壓器保護

瓦斯保護（內(nèi)部故障）

縱差動及電流速斷保護

過電流保護（后備保護）

零序保護（外部接地）

單相過負荷保護（對稱過負荷）

過勵磁保護

縱差動保護：1.忽略互感器勵磁電流（1）正常運行及外部故障比較被保護元件各端電流的幅值和相位構(gòu)成（2）內(nèi)部故障不動作動作跳閘13.3變壓器的繼電保護

縱差動保護基本原理2.考慮互感器勵磁電流TA二次電流為不平衡電流反映了兩側(cè)電流互感器的勵磁電流之差差動繼電器的動作電流必須躲過外部短路時出現(xiàn)的最大不平衡電流13.3變壓器的繼電保護

縱差動保護基本原理特點：正常運行時，低壓側(cè)的額定電流不同13.3變壓器的繼電保護

變壓器縱差動保護兩側(cè)互感器變比的比值等于變壓器變比不平衡電流產(chǎn)生的原因：勵磁電流只流經(jīng)電源側(cè)繞組防止其對差動保護影響的方法1．變壓器勵磁涌流造成的不平衡電流正常運行時當變壓器空載投入和外部故障切除后電壓恢復時勵磁電流勵磁涌流原因：由于磁鏈守恒定律，鐵心的磁通不能突變13.3變壓器的繼電保護

變壓器縱差動保護不平衡電流產(chǎn)生的原因防止其對差動保護影響的方法勵磁涌流的大小和衰減時間，與外加電壓的相位、鐵心中的剩磁φres，電源容量及變壓器的容量大小等都有關(guān)系13.3變壓器的繼電保護

變壓器縱差動保護勵磁涌流特點：（1）含大量非周期分量,電流偏于時間軸的一側(cè)（2）含大量的高次諧波，以二次諧波為主30％（3）波形之間出現(xiàn)明顯的間斷防止措施：（1）采用具有速飽和變流器的差動繼電器（2）利用二次諧波制動原理構(gòu)成差動保護（3）鑒別短路電流和勵磁涌流波形之間的差別13.3變壓器的繼電保護

變壓器縱差動保護2.變壓器兩側(cè)電流相位不同引起的不平衡電流變壓器Y,d11接線，兩側(cè)電流的相位相差30°

13.3變壓器的繼電保護

變壓器縱差動保護2.變壓器兩側(cè)電流相位不同引起的不平衡電流相位補償?shù)姆椒ǎ?/p>

將變壓器星形側(cè)的TA接成▲而將變壓器▲側(cè)的TA接成星形TA接成▲一側(cè)電流擴大倍3.電流互感器變比標準化引起的不平衡電流可將差動繼電器的平衡線圈接入互感器二次電流較小的一側(cè)，以平衡差電流產(chǎn)生的磁勢13.3變壓器的繼電保護

變壓器縱差動保護4.兩側(cè)TA型號不同產(chǎn)生的不平衡電流縱差動保護整定時應按相對誤差為10%來計算其不平衡電流

5.變壓器帶負荷調(diào)整分接頭產(chǎn)生的不平衡電流分接頭的改變實際上就改變了變壓器的變比在縱差動保護的整定時予以考慮13.3變壓器的繼電保護

變壓器縱差動保護綜上所述，