电气设备与继电保护

k
+
+
It
-
+
+
It
-
发电机定子绕组 过电流保护
对降压变电所，其低压母线采用单母线分段，正常时分开运
行，低压母线上的故障可以由相应变压器的过电流保护使变
压器的断路器跳闸予以切除。 电源
高压母线
+
I
+
t
-
+
+
I
t
-
变压器的过 电流保护
单母线分段
低压母线
k
对双侧电源网络（或环形网络）当变电所Ｂ母线故障时可 由保护１和４的Ⅱ段动作于以切除。
汇流箱的电气原理框图如下图所示
光伏阵列防雷汇流箱
电池串列1(+) 电池串列2(+) 电池串列3(+) 电池串列4(+) 电池串列5(+) 电池串列6(+)
电池串列1(-) 电池串列2(-) 电池串列3(-) 电池串列4(-) 电池串列5(-) 电池串列6(-)
高压熔丝
+ 断路器
-
-
-
-
-
-
-
防雷器
直流输出(+)
电力系统运行状态
1.正常运行状态
2.故障
短路 断线
3.不正常运行
过负荷、 过电压、频率 降低 、系统振荡等
三相短路、 两相短路、单相 接地短路、两相接地短路、 发电机和电动机以及变压器
绕组间的匝间短路等
单相断线 两相断线
保护装置构成、基本原理和组成
被测物理量
整定值
跳闸或信号
测量从被保护对象输入的 有关物理量（如电流、电 压、阻抗、功率方向等）， 并与已给定的整定值进行 比较，根据比较结果给出 “是”、“非”、“大 于”、“不大于”等具有 “0”或“1”性质的一 组逻辑信号，从而判断保 护是否应该启动
电气设备与继电保护
讲课人：刘涛
光伏电站的设备组成
1、太阳能电池组件
太阳能电池组件作为光伏变电站的 发电单元，它是由一片一片的电池 片串联而成，太阳能光伏发电是利 用太阳电池的光伏效应 （photovoltai effect）原理把太 阳辐射能直接转变为电能的发电方 式
1、太阳能电池组件
目前光伏电站常用的电池组件有以下三种：
箱变主要采用电磁感应原理 来改变电力系统内的电压和 电流实现能量的传输；如有 图所示，我们的光伏箱变是 将逆变器出口的315V交流电 升压到35kV然后并入电网。
它主要由高压室、低压室、 变压器室及箱体组成
4、高压开关 高、低压配电装置主要用于控制站内电能的通、断，分配及 交换，一般有380V、10KV、35KV等电压等级。
当电力系统发生故障时，自动地，迅速地，有选择地将故 障设备从电力系统中切除，保证系统的其余部分迅速恢复 正常运行，并使故障设备不再继续遭到损坏
当发生不正常工作情况时，自动地，及时地，有选择地发 出信号由运行人员进行处理，或者切除哪些继续运行会引 起故障的电气设备
继电保护装置基本要求
电力系统发生故障 时，保护装置仅将 故障元件切除，而 使非故障元件仍能 正常运行，以尽量 缩小停电范围的一 种性能。
QF 5
KD2
KD3
起动元件
由TA1、TA2、TA3 、TA4与KD3组成 ，反映是否出现 故障
选择元件
由TA1、TA2、TA5、 KD1和TA3、TA4、 TA5、KD2组成，反 映Ⅰ或Ⅱ母线故障
断路器失灵保护
在电力系统发生故障时，继电保护装置已经起动，但因断路 器失灵而不能跳闸，故障不能切除，在这种情况下，利用已 起动的继电保护装置，通过一定的逻辑回路，使发生故障的 线路（或变压器等元件）所在母线上的其他元件（包括母联 断路器全部跳开，）切除故障。此种保护全称为断路器失灵 保护，或叫做断路器操作失灵保护。
变压器保护
电力变压器的故障和异常
变压器的故障：
油箱内故障与油箱外故障。
油箱内故障：
绕组的相间短路、接地短路、 匝间短路; 铁芯的烧 损等。
油箱外故障：
套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。
电力变压器的主保护
气体保护 纵联差动保护 电流速断保护
（1）气体保护
反应变压器油箱内的各种故障及异常的一种保护。
继电保 护技术
继电保 护装置
继电保护技术是一个完整体 系，它主要包括电力系统故障分 析、各种继电保护原理及实现方 法、继电保护的设计、继电保护 的运行及维护等技术。
继电保护装置是完成继电保护 功能的核心，继电保护装置就是能 反应电力系统中各种电气元件发生 故障或不正常运行状态，并作用于 跳闸或发出信号的一种自动装置。
利用上一级电源侧的 保护切除母线故障
A
1
2
C
4
k
3
B
5
Ｂ变电所母线
电源
装设专用母线保护的原因：
（1）利用供电元件的保护 装置 切除母线故障的时间较 长。（速动性）
k
（2）当双母同时运行或单母 不分段时，保护不能保证有 选择性地切除故障母线。 （选择性）
双母同时运行
母线保护的分类：
在不同原理实现的各种类型母线保护中就其对母线接线方式、电 网运行方式、故障类型以及故障点过渡电阻等方面的适用性来说， 以电流差动原理构成的母线保护为佳，一般俗称母线保护为母差 保护，母线保护的母线电流差动保护的分类为：
直流输出(-) 接地
3、逆变器
光伏并网逆变器（下称逆变器）是光 伏发电系统中的核心设备。逆变器将 光伏方阵产生的直流电（DC）逆变为 三相正弦交流电（AC），输出符合电 网要求的电能。逆变器是进行能量转 换的关键设备，其效率指标、电气性 能参数等，将直接影响电站系统发电 量。
逆变器主电路结构图
3、箱变
1）过电流保护； 2）复合电压起动的过电流保护； 3）负序电流及单相式低电压起动的过电流保护 4）阻抗保护。
（2）对于外部接地短路引起的变压器过电流保护
1）零序电流保护； 2）零序方向保护； 3）专用的保护装置。例如零序过电压保护，中性点装放电 间隙及零序电流保护等。 （3）过负荷保护 （4）过励磁保护
• 近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的 另一套保护来实现后备的保护。
• 远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设 备或线路的保护来实现的后备保护。
主保护、后备保护示例
19
电流互感器
电流互感器的作用
1)把大电流变换为小电流扩大仪表和继电器的 量程。 2)使仪表电器与主电路绝缘，起隔离作用。
保护快速切除故障 的性能。故障切除 时间包括继电保护 动作时间和断路器 的跳闸时间
在规定的保护范围 内，保护对故障情 况的反应能力。要 求保护装置应在区 内故障时，不论短 路点的位置与短路 的类型如何，都能 灵敏地正确地反应 出来
发生了属于它该动 作的故障，它能可 靠动作，即不发生 拒绝动作；而在不 该动作时，它能可 靠不动，即不发生 错误动作。该动则 动，不该动则不动
B
造成大面积停电事故
C
破坏系统稳定运行
D
损坏设备，使故障进一步扩大
什么是母线保护？
用通俗的讲，就是有选 择的快速、可靠、灵敏 进行判断和动作，切除 母线故障的装置
就是母线的保护
母线的保护范围
I
II
1Байду номын сангаас
2
3
4 母 线 保 护
母线保护范围
母线的保护范围 母差保护范围（差区）示意图
母线保护的方式
利用供电元件的保护装置切除母线故障
护
机 电 型 保 护
整 流 型 保 护
晶 体 管 型 保 护
集 成 电 路 型 保 护
微 机 保 护
主 保 护
后 备 保 护
辅 助 保 护
主保护、后备保护
• 主保护：反应被保护元件自身的故障并以尽可能短的延 时，有选择性地切除故障的保护称为主保护。
• 后备保护：当主保护拒动时起作用，从而动作于相应断 路器以切除故障元件。
单晶硅电池组件：光电转换效率为19.8-21%左右，是 目前所有种类的太阳能电池中光电转换效率最高的， 坚固耐用，使用寿实验室命最高可达25年，但制作成 本高。 多晶硅电池组件：制作工艺与单晶硅电池相近，光电 转换效率约16-18％左右 ，制作成本比单晶硅电池低， 制作成本比单晶硅电池低，但寿命比单晶硅电池短。
5、升压设备
变压器是一种静止的电器，它利用电磁感应原理 把交流电压转换成相同频率的另一种交流电压。 变压器按相数区分可以分为三相变压器和单相变 压器；按绕组数目来区分，可以分为两绕组和三 绕组变压器；按冷却介质分，可以分为油浸式变 压器、干式变压器（空气冷却式）以及水冷式变 压器。
继电保护
继电 保护
继电保护装置
输 电 线 路 保 护
发 电 机 保 护
变 压 器 保 护
电 动 机 保 护
母 线 保 护
失
磁
相接匝
保
电 电 距 差 方 零 间 地 间 断失 护
流 压 离 动 向 序 短 故 短 线步 及
保 保 保 保 保 保 路 障 路 保保 过
护 护 护 护 护 护 保 保 保 护护 激
护护护
磁
保
装设原则： 容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以 上的车间内油浸式变压器，应装设气体保护。
（2）纵联差动保护或电流速断保护
反应变压器绕组、套管及引出线上的各种故障。 装设原则：根据变压器容量的不同装设。
电流速断保护用于： 用于10000kVA以下，其过电流保护的动作时限大于 0.5s的变压器
1、采用比较电流是否平衡
2、采用比较电流相位是否一致
3、采用比率制动配合
三种类型
一
二
比较电流平衡否： 母线完全/不完全 电流差动保护、双 母线固定分配式电 流差动保护（元件 固定连接的双母线 电流差动保护）
比较电流相位是 否一致： 母联/全电流相 位比较式母线差 动保护
三
全电流比较原理 （比率式）: 比率制动式母线 差动保护。
..
.
.
I I1 I 2 I3

I K
此时，保护动作n
.
.
I1
I2
K
L1
L2
L3
保 发生外部故障时：
护 流入差动继电器的电流为：
装 置
.
.
.
.
I I1 I 2 I3 0
此时，保护不动作
双母线电流差动保护原理
Kw
TA
TA
1
2
KD1
QF
QF
Ⅰ
1
2
Ⅱ
QF
QF
3
4
TA
TA
3
4
TA 5
S1
和S2为同名端(用*表示)。如果一次电流从
P1流入，P2流出；二次电流从S1流出，
S2
S2流入；则该电流互感器为减极性（即一 P2
次电流从P1流入，二次电流从S1流出即为
减极性)
为什么采用减极性接法
因为减极性接线二次电流和一次电流相位一致。
。
电压互感器
电压互感器的作用 1)把高电压变换为低电压，扩大电压表和继电 器的使用范围。 2)使二次仪表和主电路隔离。 3)使仪表和继电器规格统一，易于实现标准化。 电压互感器在线路中二次侧是绝对不允许短路 电流互感器的特点（PT二次不能短路，二次必 须有一点直接接地） 电流互感器的极性（减极性接法）
3)使仪表和继电器规格统一 。
电流互感器在线路中二次侧是绝对不允许开路
电流互感器的特点（CT二次不能开路，二次 必须有一点直接接地）
电流互感器
电流互感器的极性（减极性接法）
电流互感器一次绕组的头尾出线端分别用
P1和P2表示；二次绕组的头尾出线端分别 P1
用S1和S2表示。则P1和S1为同名端；P2
非晶硅电池组件：薄膜光伏电池具有轻薄、质轻、柔 性好等优势，应用范围非常广泛，尤其适合用在光伏 建筑一体化之中。但光电转换效率偏低9%。
2、汇流箱
光伏防雷汇流箱安装于太阳能电池方阵阵 列内，它的主要作用是将太阳能电池组件 串的直流电缆，接入后进行汇流，再与并 网逆变器或直流防雷配电柜连接，以方便 维修和操作。
根据测量部分输出量的 大小、性质、输出的逻 辑状态、出现的顺序或 它们的组合，使保护装 置按一定逻辑关系工作， 最后确定是否应跳闸或 发信号，并将有关命令 传给执行元件。
根据逻辑元件传送的 信号，最后完成保护 装置所担负的任务。 如：故障时跳闸；不 正常运行时发信号； 正常运行时不动作。
继电保护装置的分类
按被保护设备分类
线路保护 发变组保护 变压器保护 母线保护 断路器失灵保护 电动机保护等
按保护原理分类
过电流保护 低电压保护 过电压保护 功率方向保护 距离保护 差动保护 暂态分量保护 非电气量保护
按故障类型分类
相间故障保护 接地故障保护 匝间短路保护 非全相运行保护等
母线故障的危害
A
跳开故障母线上的所有元件
纵联差动保护用于:
1）容量为10000kVA及以上单独运行的变压器； 2）容量为6300kVA及以上并列运行的变压器或厂用变压 器及企业中的重要变压器； 3）容量为2000kVA及以上的变压器，且其电流速断保护 的灵敏性不能满足要求时。
电力变压器的后备保护
（1）对于外部相间短路引起的变压器过电流，应采用下列保 护
（三）比较电流是否平衡母线保护
（1）母线完全差动保护： 在母线的所有连接元件上装设具有相同变比和特性的电流互感 器,按同名相、同极性连接到差动回路。
母线完全电流差动保护原理接线图 (a)外部故障时的电流分布；(b)内部故障时的电流分布
单母线完全电流差动保护的工作原理
K
发生内部故障时：
流入差动继电器.的电流为：