第七章 电力系统继电保护

执行 输出 元件
跳闸 OR 信号
逻辑判断元件：根据测量比较元件输出逻辑信号 性质、顺序等信息，判定故障类型和范围，向执 行元件发出相应信号。
执行输出元件：向断路器发出跳闸脉冲及相应动 作信息、发出警报或不动作。
7-1概述
电气工程基础
3.继电保护装置的基本要求
根据继电保护在电力系统中所担负的任务，继 电保护装置必须满足四个基本要求，即
继电保护“四性”相互关联、相互制约。 全局着眼、综合考虑。
7-1概述
¾ 电力系统继电保护工作配合
电气工程基础
¾ 各元件必须在有保护的情况下才能投入运行； ¾ 不可避免的有保护区域的重叠，力求重叠区小； ¾ 重要元件两套保护：主保护、后备保护(远、近后备)。
7-1概述
电气工程基础
选择性、快速性、灵敏性、可靠性
过量继电器，Sk > Sth
欠量继电器，Sk < Sth
方向继电器， Smin < Sk < Smax
• 整定值：继电保护装置中预先设定的门槛值。测量量与其进 行比较，以决定保护是否动作。确定保护装置的整定值，通 常称为对保护进行整定计算。
7-1概述
电气工程基础
输入信号 测量 比较 元件
逻辑 判断 元件
评价：满足速动性、选择性；不满足灵敏性
7-2电流保护
电气工程基础
② 限时电流速断保护整定
与下一条线路的电流速断配合(定值、时间)
⎧⎪⎨⎪⎩tI1ΙsΙΙeΙt=.1
= t2Ι
K ΙΙ rel
+ ∆t
⋅
I
Ι set
.2
= ∆t
A1
B2
可靠系数选择 动作时限选择
K ΙΙ rel
= 1.1 ~ 1.2
∆t = 0.3 − 0.5s
工 频 变 行暂 化 波态 量 保保 保 护护 护
1901 1908 1910 1920 1927 50年代
70年代 80年代
装
置
机电型
电磁型、感应型、电动型
电子型 晶体管、集成电路
微机型
7-1概述
¾
电力系统继电保护发展
方
电向
原
过 电
流性 差电
距
高
微
理 流 动流 离 频
波wenku.baidu.com
保 保保 保 保
保
护 护护 护 护
Ui min ≤ Ui ≤ Ui max 母线电压及其上、下限
Iij ≤ Iij max
输、配电线路中的电流及其上限
fmin ≤ f ≤ fmax
系统频率及其上、下限
7-1概述 2. 继电保护基本原理与组成
基本 区分电力系统运行状态 任务 甄别故障和异常的元件
电气工程基础
可测参量 差异(故障特征)
电流
降低整定值（降低到什么程度？依据是什么？）
¾ 如何保证过电流保护的选择性？
增加延时(增加多少？依据是什么？)
7-2电流保护
电气工程基础
④ 灵敏度校验
1）近后备：
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电气工程基础
第七章电力系统继电保护
7-1概述
电气工程基础
¾电力系统约束条件
1)等式约束
∑ ∑ ∑ ∑ ∑ ∑ PGi −
P Lj −
∆Ps = 0
QGi − Q Lj − ∆Qs = 0
i
j
s
i
j
s
2)不等式约束
Sk ≤ Sk max
发电机、变压器或用电设备的功率及其上限
化，最小保护范围在_最__小__运__行__方__式__两__相__短__路___ 时出现
保护范围校验是最小运行方式、两相短路时 最小保护范围计算校验，最小保护范围应大于 保护线路全长的15-20%
7-2电流保护
④ 电流速断保护评价
优点：原理简单、动作迅速可靠。
电气工程基础
缺点：不可能保护本线路全长！ 最大运行方式下的三相短路保护范围最大； 最小运行方式下的两相短路保护范围最小。
II set
7-2电流保护
⑤ 限时电流速断保护评价
电气工程基础
选择性: 靠定值和延时配合来满足 灵敏性: 满足 快速性: 不满足
7-2电流保护
电气工程基础
② 定时限过电流速断保护(过电流保护)原理
¾ 设置过电流保护的目的
后备作用（包括近后备、远后备）
¾ 如何扩大过电流保护的保护范围 （即如何提高灵敏度）？
电流增加
电压
电压降低
温度
温度升高
……
……
保护原理
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电气工程基础
7-1 概述
7-1概述
¾运行状态划分
电气工程基础
正常状态 不正常状态
故障状态
继
0告警
电 保
护
1跳闸 装 置
7-1概述
¾ 继电保护基本原理
电气工程基础
电力系统故障特征
继电保护原理
电流明显增加 电压明显降低 电压/电流幅值降低 电压/电流相角增大 流入流出电流不等 出现零序、负序分量 油受热分解气体
电气工程基础
C
7-2电流保护
电气工程基础
1.过电流继电器的工作原理
¾ 继电器
继电器是各种继电保护装置的基本组成元件。 一般来说，按输入量与预先整定值比较产生由初 时状态向动作状态变化，并输出信号实现电路控 制功能的元件称为继电器。
起动：初始位置下功能产生变化 状 动作：继电器完成所规定的任务 态
返回：失去动作状态下的功能
护
电气工程基础
工 频 变 行暂 化 波态 量 保保 保 护护 护
1901 1908 1910 1920 1927 50年代
70年代 80年代
装
置
机电型
电磁型、感应型、电动型
电子型 晶体管、集成电路
微机型
7-1概述
电气工程基础
选择性、快速性、灵敏性、可靠性 灵敏性：保护装置对其保护范围内发生故障 和不正常工作状态时的反应能力。
3 2
Eϕ IΙ
set .1
− Zs.max
z1
IΙ set .1
lmin
II set 2
最小保护范围要求：lmin / l ≥ 15 ~ 20%
7-2电流保护
电气工程基础
思考：
1) 如何扩大保护1
A1
保护范围？
降低动作门坎（整定值）
2)如何保证保护1的选择性？
与保护2的电流速断(I段) 配合，延时动作
快速性：作用于断路器跳闸的保护动作迅 速。 提高系统运行稳定性 减少用户低电压运行时间 减小电气设备损坏程度 避免故障进一步扩大
作用于信号的保护装置其动作可有一定延时。
7-1概述
¾ 电力系统继电保护发展
方
电向
原
过 电
流性 差电
距
高
微
理 流 动流 离 频
波
保 保保 保 保
保
护 护护 护 护
护
电气工程基础
如何保证选择性？
7-2电流保护
电气工程基础
¾ 过电流继电器
Ik > I set
输出变化
电流变换 整定环节 比较环节 延时环节 输出环节
7-2电流保护
¾ 短路电流特征 A
B
电气工程基础
C
短路电流周期分量
Id
=
Eϕ Z∑
=
Kϕ
Eϕ ZS + z1 ⋅ l
Kϕ
=
⎧⎪ ⎨ ⎪⎩
1 三相短路 f（3） 3 2 两相短路 f（2）
发信，通知值班人员即时处理；或由装置自动进 行调整；对继续运行会造成损坏或导致故障发生 的设备予以切除。
7-1概述
¾ 保护装置构成
电气工程基础
输入信号 测量 比较 元件
逻辑 判断 元件
执行 输出 元件
跳闸 OR 信号
测量计算的物理参量Sk与整定值Sth比较，给出 “是”“非” 等逻辑信号，判断保护装置是否启动。
复归：从动作状态回到初始位置
输入量
7-2电流保护
2.电流速断保护
① 基本原理
电气工程基础
反应于电流幅值增大而瞬时动作的电流保护
A
B
C
Ik
动作判据： Ik > Iset
7-2电流保护
¾ 电流速断保护整定
A
B
Ik > Iset
1
2
电气工程基础
C 3
灵敏性 保护1:切除AB段故障 保护2:切除BC段故障
问题 同一运行方式下，AB末端短路电 流与BC首端短路电流相近 不同运行方式下，BC首端短路电 流可能大于AB末端短路电流 无法同时兼顾灵敏性和选择性
短路电流影响因素 短路位置l
短路类型 系统阻抗Zs
7-2电流保护
电气工程基础
¾ 电流速断保护整定原则
为了保证选择性，整定原则为：躲过下一段线路出
口短路所能够出现的最大短路电流
A
B
C
1
2
IΙ set .1
=
KΙ rel
⋅
I
f
.B.max
IΙ set .2
=
KΙ rel
⋅
I
f .C .max
IΙ set .1
……
过电流保护 低电压保护 距离(阻抗)保护 方向保护 差动保护 序分量/故障分量保护 瓦斯保护 ……
7-1概述
电气工程基础
1.电力系统继电保护任务
¾继电保护基本概念
继电保护技术和继电保护装置的统称。
电
电力系统故障分析
力 系 统
继电 保护 技术
继电保护原理及实现 继电保护配置与设计 继电保护运行与维护
选择性、快速性、灵敏性、可靠性
选择性是指保护装置动作时，在可能的最小区 间内将故障设备与电力系统隔离，最大限度地保证 系统中无故障部分继续安全运行。
d1
d2
d3
选择性是保证系统安全运行和供电可靠性的基本条件。
7-1概述
电气工程基础
选择性、快速性、灵敏性、可靠性
可靠性：属于它动作的范围可靠动作，不拒 动；不属于其动作范围可靠不动作，不误 动。
继 电 保 护
继电 完成继电保护功能的核心，反
保护 装置
应电力系统中电力元件故障或 不正常运行状态，并动作于跳 闸或发出信号的自动装置。
7-1概述
¾ 继电保护的任务
电气工程基础
n识别故障，动作于跳闸
隔离故障元件，缩小停电范围，尽快恢复到正常 运行状态。
o反应电气设备不正常工作状态，
动作于信号或跳闸。
小电流接地
地短路电流小，线电压保
信
不接地 经消弧线圈接地
持对称，非故障相电压升 高，对负荷供电影响小，
号
可继续运行1-2h
3-35kV系统
7-2电流保护
¾ 过电流继电器继电特性
比较环节的稳定性 Ik > Iop，输出量变化 输出在Iop附近输出抖动问题如何解决
继电特性：只有两个状
E0
态、能防抖动，不可能停
set .1
IΙ set .1
I I ΙI
I
set .1
set 2
¾保证选择性
保护1 II段整定值小于保护2I段整定值
I > I ΙI
I
set .1
set .2
保护1 II段动作时间大于保护2I段动作时间
7-2电流保护
④ 限时电流速断保护原理接线
电流保护原理接线
电气工程基础
电流限时速断保护
延时 t1ΙΙ
B2 IΙ
set .1
C II
set 2
限时电流速断保护(II段)
7-2电流保护
电气工程基础
③ 限时电流速断灵敏度校验
线路末端最小运行方式下两相短路具有反应能力
K sen
=
I f .B.min
/
I ΙΙ set .1
要求：Ksen ≥ 1.3 ~ 1.5
问题：保护1II段灵敏度
不满足如何处理？ ¾延伸至下一条线路II段 保护范围，保护1II段与 保护2II段相配合 ¾降低速动性满足灵敏性 ¾仍然不满足……
留在中间位置。
电气工程基础
返回系数：
K re
=
I re Iop
E1
Ire
Iop
Ik
7-2电流保护
¾ 短路电流特征
系统阻抗
A
B
ZSmin ≤ ZS ≤ ZSmax
系统运行方式 最大方式：系统阻抗最小 最小方式：系统阻抗最大
短路电流 最大短路电流：最大运行方式下三相短路电流 最小短路电流：最小运行方式下两相短路电流
满足灵敏度要求的保护装置应在保护区内 故障时无论故障地点、类型均可灵敏反应。
过量保护灵敏度定义
保护区内金属性短路故障参数的最小计算值
Ksen =
保护装置的动作参数（整定值）
欠量保护灵敏度
保护装置的动作参数（整定值） Ksen = 保护区内金属性短路故障参数的最大计算值
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电气工程基础
7-2 电流保护
7-2电流保护
电气工程基础
电力系统中性点接地方式与短路电流特征
接地方式
短路电流特征
¾随短路点与电源距离增
相间 加而减小
直接接地 短路 ¾三相短路电流最大
跳
110及以上电
闸
压等级系统
1kV以下低压
非直接接地
接地 短路
¾直接接地系统：单相接地 短路电流大，有零序电流
¾非直接接地系统：单相接
t1I
t1II t2I
t1I
t t1II I 2
t2II l
t2II
7-2电流保护
③ 电流速断保护原理接线
电流保护原理接线
电流速断保护t=0
II set
电气工程基础
7-2电流保护
3.限时电流速断保护(II段)
① 基本原理
A1
电气工程基础
B2
C
¾保护范围扩大，延伸
至下一条线路
I < I ΙI
I
set .1
II set 2
KΙ rel
= 1.2
~ 1.3
为了保证选择性，缩短了保护范围，无法保 护整个线路，灵敏性降低了
7-2电流保护
电气工程基础
② 电流速断保护灵敏度校验
无法保护线路全长，灵敏度用保护范围来衡 量
在已知保护的动作电流后，大于动作电流的 短路点区域就是保护范围
保护范围随_运__行__方__式__和__故__障__类_型___而变
I ΙI set .1
UI段：保护范围内快速切除故障
II段：I段范围以外延时切除
DI段+II段：保护线路全长，最长0.5s切除
C II
set 2
主保护：保证全范围任意点故障快速切除
7-2电流保护
电气工程基础
¾ 保护范围校验
A1
B2
C
IΙ set .1
=
3
Eϕ
2 Zs.max + z1lmin
lmin =