繼電保護及自動裝置課件

繼電保護及自動裝置課件第1頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四概述：

繼電保護與自動裝置購任務(wù)

電力系統(tǒng)遠行中，由于風、雨、雷電的影響、設(shè)備的缺陷和絕緣老化、運行維護不當和操作錯誤等原因，致使組成電力系統(tǒng)的電氣元件(發(fā)電機、變壓器、母線．輸電線路、電動機等)可能發(fā)生各種故障和不正常工作狀態(tài)。電力系統(tǒng)發(fā)生的故障主要是各種類型的短路，包括三相短路、兩相短路、兩相接地短路、單相接地短路。以及發(fā)電機、變壓器同一相繞組的匝間短路。此外，還有輸電線路的斷線．以及短路與斷線組合的復(fù)故障等。常見的不正常工作狀態(tài)主要是過負荷、系統(tǒng)振蕩和頻率降低等。故障的危害是：

(1)故障點的電弧可能燒壞故障設(shè)備。(2)故障回路中的設(shè)備。由于短路電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)和電動力的作用會遭受破壞或損傷。(3)電力系統(tǒng)部分地區(qū)的電壓大幅度下降，影響用戶的正常生產(chǎn)。(4)破壞電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，引起系統(tǒng)振蕩。甚至使整個系統(tǒng)瓦解．造成大面積停電。因此、任何電力系統(tǒng)在設(shè)計和運行時．必須考慮到系統(tǒng)中可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài)，并利用繼電保護裝置予以消除、以保證電力系統(tǒng)正常運行。第2頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四繼電保護裝置的任務(wù)是：

(1)當被保護的電氣元件發(fā)生故障時，保護裝置迅速動作，使斷路器跳閘、將故障的電氣元件從電力系統(tǒng)中切除，使其損壞程度減至最小，并保證無故障部分繼續(xù)正常運行；

(2)當被保護的電氣元件出現(xiàn)不正常工作狀態(tài)時，保護裝置發(fā)出信號、告訴運行人員予以處理。在無人值班的變電所，保護可作用于減負荷或延時跳閘。

電力系統(tǒng)的安全自動裝置一方面配合繼電保護裝置提高供電的可靠性(如自動重合閘、備用電源自動投入裝置)；另一方面不斷調(diào)整系統(tǒng)電壓與頻率，以保證供電質(zhì)量及并列運行機組間功率的合理分配。

為了使繼電保護裝置能及時、正確地完成它所擔負的任務(wù)，對反應(yīng)短路故障的保護裝置有以下四個基本要求；選擇性、快速性、靈敏性和可靠性。第3頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四目錄第一章發(fā)電機保護第二章變壓器保護第三章線路保護第四章電動機保護第4頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)電機保護第一節(jié)發(fā)電機可能發(fā)生的故障和異常運行方式第二節(jié)發(fā)電機定子繞組的縱聯(lián)差動保護第三節(jié)發(fā)電機定子繞組的匝間短路保護第四節(jié)發(fā)電機定子繞組接地保護第五節(jié)發(fā)電機勵磁回路的接地保護第六節(jié)發(fā)電機的失磁保護第5頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)發(fā)電機可能發(fā)生的故障和異常運行方式

發(fā)電機的內(nèi)部故障主要是由定子繞組和轉(zhuǎn)子勵磁繞組絕緣損壞所引起的，其具體故障形式有以下幾種。

1．定子繞組的相問短路定子繞組的相問短路是危害發(fā)電機安全運行最嚴重的一種故障，短路點產(chǎn)生的電弧不但會損壞絕緣，而且可能燒壞定干鐵芯和繞組，甚至引起火災(zāi)，給發(fā)電機的修復(fù)工作帶來巨大的困難。

2．定子繞組一相匝間短路大型發(fā)電機組的定子繞組多為雙分支或多分支并聯(lián)，同槽同相的線數(shù)占相當大比例。在運行中這種故障發(fā)生的機會較少，但由于電磁力引起的振動使絕緣損壞，發(fā)生一相匝間短路的可能性仍存在。一旦發(fā)生一相匝間短路，則由于故障點的電流較大，將導(dǎo)致絕緣近一步損壞，因而伴隨產(chǎn)生單相接地故障，并可能發(fā)展成相間短路故障，使發(fā)電機遭受嚴重損傷。第6頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四

3．定子繞組的單相接地故障接地點的故障電流是發(fā)電機及發(fā)電機電壓網(wǎng)絡(luò)連接元件的對地電容電流，當其大到一定程度并持續(xù)一定時間時，將損壞鐵芯和繞組絕緣．甚至進一步引起匝問短路或相問短路。故應(yīng)采取措施限制接地點的電流，并及時檢測出定子繞組的接地障。4．勵成回路一點接地或兩點接地故障大型發(fā)電機組的勵磁電壓較高，水內(nèi)冷勵磁繞組對地絕緣水平較低，則當勵磁繞組和外部回路一點接地時，由于一側(cè)軸承對地絕緣，沒有電流通過故障點，故可以繼續(xù)運行。從安全方面慮，帶接地點運行的時間應(yīng)盡量縮短，并盡快轉(zhuǎn)移負荷，積極安排停機。如果冉出現(xiàn)另一點接地時，將造成勵磁回路短路，可能撓壞繞組和轉(zhuǎn)子。兩點接地時，由于轉(zhuǎn)于的磁通對稱性遭到破壞，發(fā)電機組將劇烈地振動，其故障性質(zhì)是嚴重的，不宜繼續(xù)運行，故要求勵磁回路一點接地時發(fā)信號，兩點接地時停機。第7頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)發(fā)電機定子繞組的縱聯(lián)差動保護第8頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第9頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第10頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第11頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第12頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)發(fā)電機定子繞組的匝間短路保護

第13頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四二發(fā)電機零序電壓原理的定子匝間短路保護1工作原理第14頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第15頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)發(fā)電機定子繞組接地保護一發(fā)電機定子繞組接地故障的分祈下面講述：100％保護區(qū)的發(fā)電機定子接地保護第16頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第17頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第18頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第19頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第20頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第五節(jié)發(fā)電機勵磁回路的接地保護第21頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第22頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四1．電橋式勵磁回路一點接地保護裝置第23頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第24頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四2、按電橋原理構(gòu)成的發(fā)電機勵磁回路兩點接地保護第25頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第26頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第六節(jié)發(fā)電機的失磁保護

一發(fā)電機失去勵磁的原因和影響第27頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四發(fā)電機失去勵磁后，將出現(xiàn)下述的情況和影響。第28頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第29頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第30頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四失磁保護可以根據(jù)多種原理來構(gòu)成，在這里僅介紹一種根據(jù)機端測量阻抗的變化，用阻抗繼電器構(gòu)成的失磁保護。上圖給出了一種失磁保護的原理接線圖。圖中，KZ為失磁保護的阻抗繼電器。KBB為電壓回路斷線閉鎖繼電器，其作用是防止電壓回路斷線時阻抗繼電器誤動作。KBB的動斷觸點和阻抗繼電器的動合觸點相串聯(lián)，當電壓回路斷線時，動斷觸點打開，斷開保護的正電源，從而起斷線閉鎖作用。K1為時間繼電器，時限為1~2s是為了防止保護在系統(tǒng)振蕩或自同步并列時誤動作。第31頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第32頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第二章變壓器保護第一節(jié)差動保護第二節(jié)瓦斯保護第三節(jié)零序保護第33頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)差動保護

大型變壓器必需裝設(shè)單獨的變壓器差動保護。變壓器差動保護通常為三側(cè)電流差動，即高壓側(cè)電流引自高壓斷路器處的電流互感器，而中低壓側(cè)電流分別引自變壓器中壓側(cè)電流互感器和低壓側(cè)電流互感器。差動保護范圍為三組電流互感器所限定的區(qū)域（即變壓器本體，高壓側(cè)引線和中低壓側(cè)的引線），可以反應(yīng)在這個區(qū)域內(nèi)相間短路，高壓側(cè)接地短路以及主變繞組匝間短路故障。因此，變壓器差動保護是最重要的保護之一。一變壓器差動保護的基本原理變壓器差動保護的基本原理與發(fā)電機縱聯(lián)差動保護相同。但由于變壓器內(nèi)部結(jié)構(gòu)，隕運行方式，電量特征均各有特點，產(chǎn)生了一系列特有的技術(shù)問題，因此，其差動保護在構(gòu)成上與發(fā)電機縱差保護有較大的不同。例如：需要根據(jù)變壓器各側(cè)繞組的連接組別的不同來確定多側(cè)差動接線方式，又如必須妥善處理大勵磁涌流引起差動保護誤動的問題等。第34頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四理論上，正常運行和區(qū)外故障時，Ir=I1+I2=0。實際上，很多因素使Ir=Ibp≠0。（Ibp為不平衡電流）第35頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四二變壓器差動保護在構(gòu)成上與發(fā)電機縱差保護的不同之處：第36頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第37頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第38頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第39頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)瓦斯保護大型變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重漏由或匝數(shù)很少的匝間短路故障以及繞組斷線故障時，差動保護及其他反映電量的保護均不能動作，而瓦斯保護卻能動作，因此，瓦斯保護式變壓器內(nèi)部故障的重要的保護裝置。瓦斯保護有輕，重瓦斯保護之分，裝于油箱與油枕之間的連接導(dǎo)管上。當變壓器嚴重漏油或輕微故障時，在所產(chǎn)生的氣體壓力作用下，引起輕瓦斯保護動作，延時作用與信號；當變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時，變壓器油和絕緣材料分解產(chǎn)生大量氣體，油箱內(nèi)氣體經(jīng)導(dǎo)管沖向油枕，沖動重瓦斯保護動作，瞬時作用與跳閘。輕瓦斯保護動作值采用氣體容積大小表示。整定范圍通常為：250－－300立方厘米。重瓦斯保護動作值采用油流速度大小表示。整定范圍通常為：0.6－－1.5立方厘米。需要說明的是：瓦斯保護雖然簡單靈敏經(jīng)濟，但它動作速度較慢，且僅能反映變壓器油箱內(nèi)部的故障，因此，瓦斯保護需要與差動保護共同使用。第40頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第41頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)零序保護一、中性點直接接地變壓器的零序電流保護

當變壓器的中性點采用直接接地的運行方式時，其接地保護一般采用零序電流保護。保護用電流互感器接于中性點引出線上。保護的原理接線圖如圖4—18所示。零序電流保護的動作電流應(yīng)大于被保護側(cè)母線引出線零序過電流保護的動作電流，即按靈敏性相配合的條件整定。保護的動作時限應(yīng)比引出線零序過電流保護的最大動作時限大一個時限級差△t。第42頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四二、并列運行變壓器部分中性點接地時的零序保護在中性點直接接地電網(wǎng)發(fā)生接地短路時，零序電流的大小和分布與變壓器中性點接地的數(shù)目和位置有關(guān)。因此，當變電所中有兩臺及以上變壓器并列運行時，僅將部分變壓器的中性點接地，另一部分變壓器的中性點不接地，以使零序電流的大小和分布少受系統(tǒng)運行方式的影響。

正常運行時，系統(tǒng)無零序電流和零序電壓，電流繼電器KA。和電壓繼電器Kv。均不起動．保護不動作。

系統(tǒng)發(fā)生接地故障時，中性點接地線中出現(xiàn)3I。KA。起動，其常開觸點接通，起動時間繼電器KT1。KTl的瞬動觸點接通，立即將操作電源送到中性點不接地變歷器的接地保護，中性點不接地變壓器的接地保護在KAo不起動和KV0起動的條件下，時間繼電器KT2起動，以較短的延時，將中性點不接地變壓器切除。若故障仍存在，則中性點接地變壓器的KA。不返回．待KTl到達整定延時，其觸點接通．將中性點接地變壓器切除。第43頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第44頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第45頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第三章線路保護

第一節(jié)反應(yīng)相間短路的電流電壓保護第二節(jié)反應(yīng)相間短路的方向過電流保護第三節(jié)輸電線路的接地保護第四節(jié)輸電線路的距離保護第46頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)反應(yīng)相間短路的電流電壓保護在電力系統(tǒng)中,輸電線路發(fā)生相間短路故障時,線路中的電流增大.母線電壓降低。利用電流增大這一特征，構(gòu)成當電流超過某—預(yù)定值使電流繼電器動作的保護。稱為線路的電流保護。根據(jù)保護的工作原理，電流保護又分為定時限過電流保護、反時限過電流保護、電流速斷保護及電流電壓聯(lián)鎖速斷保護等一、定時限過電流保護工作原理:

對于圖2—1所示單側(cè)電源輻射形電網(wǎng)。為切除故障只需在各線WL1、WL2、WL3電源側(cè)裝設(shè)斷路器QFl、QF2、QF3及保護裝置1、2、3。為使保護在正常運行時不動作，各保護的動作電流大干被保護線路的最大負荷電流。第47頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四當線路WL3上K1點發(fā)生短路故障時，短路電流Isc由電源經(jīng)線路WL1、WL2及WL3流至短路點；由于短路電流Isc經(jīng)過保護裝置l、2及3，且Isc大于保護裝置1、2及3的電流繼電器的動作電流．所以上述各保護裝置的電流繼電器均起動。但根據(jù)選擇性要求，應(yīng)由裝于故障線路WL3上的保護裝置3動作。使斷路器QF3跳閘。QF3跳開后，短路電流消失，保護裝置1及2的電流繼電器都應(yīng)立即返回。可見，過電流保護的選擇性要靠各保護裝置具有不同的延時動作時間來保證.第48頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四為此必須使各保護的動作時限有如下關(guān)系:式中t1、t2、t3分別為保護裝置1、2、3的動作時限?！鱰稱為時限級差．根據(jù)斷路器及繼電器類型不同，△t為o．35一0.7s一般常取o．5s。為獲得一定的動作時限，各保護裝置都裝設(shè)有時間繼電器。時間繼電器觸點延時接通的時間，應(yīng)根據(jù)選擇性要求所決定的保護裝置動作時間來整定。圖2—1給出了各保護裝置的動作時限。從圖中可知，各保護裝置動作時限是從用戶到電源逐級增長的，越靠近電源的線路，過電流保護裝置的動作時限越長，似一個階梯，故稱為階梯形時限特性。由于各保護裝置的動作時限都分別是固定的，與短路電流大小無關(guān)．所以稱為定時限過電流保護，通常用符號表示。

第49頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四每一線路的過電流保護裝置除保護本線路外，還應(yīng)起相鄰下一線路的后備保護作用。如圖2—1中，保護裝置2對保護裝置3起后備保護作用，即當線路WL3故隨時，若因某種原因保護3拒動或斷路器QF3失靈時，保護裝置2應(yīng)動作、使斷路器QF2跳閘、切除故障。同理保護裝置1起保護裝置2的后備保護作用。第50頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第51頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四

二、反時限過電流保護第52頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第53頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四三、瞬時電流速斷保護定時限過電流保護簡單可靠，保護范圍大，靈敏性好．但它最大的缺點是動作不迅速．尤其靠近電源的線路保護動作時限很長，在很多情況下滿足不了快速件的要求。為了快速切除線路故障，可裝設(shè)瞬時電流速斷保護。第54頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四工作原理：第55頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第56頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第57頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第二節(jié)反應(yīng)相間短路的方向過電流保護第58頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第59頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第60頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第61頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第62頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第63頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第64頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四方向過電流保護的接線圖：第65頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第66頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第67頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第三節(jié)輸電線路的接地保護第68頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第69頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第70頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第71頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第72頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第73頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第74頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第75頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第76頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第77頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第78頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第79頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第四節(jié)輸電線路的距離保護距離保護的作用和工作原理：第80頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第81頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第82頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四三段式距離保護的主要組成元件：第83頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第84頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第85頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第四章電動機保護第一節(jié)反應(yīng)電動機相間故障、接地及過負荷的保護第二節(jié)電動機的低電壓保護第86頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四概述

電動機的主要故障形式是單相接地、相間短路及一相繞組的匝間短路。定于繞組相間短路是電動機最嚴重的故障，它不僅會使電動機本身嚴重損壞。還會使供電網(wǎng)絡(luò)的電壓顯著降低，破壞其它用電設(shè)備的正常工作。因此．對于大容量的電動機，有條件時應(yīng)裝設(shè)縱差動保護，對于一般高壓電動機則應(yīng)裝設(shè)電流速斷保護，以便盡快將障電動機切除。單相接地故障對電動機的危害程度，取決于供電電網(wǎng)的中件點接地方式．對于工作在3—10kv中性點非直接接地電網(wǎng)的高壓電動機．當接地電容電流大于5—10A時，可能燒壞電動機的繞組和鐵心。應(yīng)裝設(shè)接地保護．并作用于跳閘。在380／220v三相四線制電網(wǎng)中．電源變壓器中性點是直接接地的．故電動機單相接地是一種短路故障．它可借助電動機的具有三相式接線的相間短路保護裝置無時限作用于跳閘。第87頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四

—相繞組的匝間短路會破壞電動機的對稱運行，最嚴重的情況是一相繞組全部短接，此時非故障的兩相繞組均承受線電壓、電動機可能被損壞。但是目前尚無簡單、完善的方法反應(yīng)匝間短路，故一般電動機上不裝設(shè)匝間短路保護。電動機的不正常工作狀態(tài)主要是過負荷。引起過負荷的原因一股是：電動機所帶機械負荷過大；電動機端電壓降低或消失引起其轉(zhuǎn)速降低；供電回路一相斷線，及電動機所帶機械部分發(fā)生故障等。過負荷會使電動機溫度超過允許值，使繞組絕緣老化，甚至將電動機燒壞。因此對易產(chǎn)生過負荷的電動機應(yīng)裝設(shè)過負荷保護，一般作用于信號，以便運行人員及時處理。電動機供電網(wǎng)絡(luò)的電壓因某種原因而降低時，電動機的轉(zhuǎn)速將下降。當電壓恢復(fù)時，由于電動機自起動將從電網(wǎng)吸收很大的無功功率，致使電源電壓難以恢復(fù)。為保證重要電動機自起動．應(yīng)裝設(shè)低電壓保護，切除一部分不重要的電動機，并使不允許或不可能自起動的電動機跳閘。第88頁，共101頁，2023年，2月20日，星期四第一節(jié)反應(yīng)電動機相間故障、接地及過負荷的保護

一、反應(yīng)相間故障的保護發(fā)電廠廠用電動機較多的是中、小容量的電動機，從經(jīng)濟觀點及運行方便要求，其保護應(yīng)盡量簡單、可靠。因此，在低電壓小容量電動機上廣泛采用熔斷器及自動空氣開關(guān)的短路脫扣器作為其相間短路保護，瞬時作用于跳閘。容量在2000kw以上．且有六個引出線的重要電動機可裝設(shè)縱差動保護.下面分別介紹：(一)用自動