电力系统继电保护原理及应用1

一、基本概念
9 对继电保护的基本要求
灵敏性
灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障 时，保护装置具有的正确动作能力的裕度，它反映了 保护对故障的反应能力，一般以灵敏系数来描述。灵 敏度系数指在被保护对象末段发生金属性短路时，故 障量与整定值（反映故障量上升的保护，如电流保护） 或整定值与故障量之比（反映故障量下降的保护，如 阻抗保护）。
短路时
Zm
U m Im
ZK
z1l K
r1
jx1 lK
其中，z1的角度一般在700～850，视线路而定。
在R-X复平面，可以看出测量阻抗与动作范围的关系。
K3 M 1
K2
Zm z1lK1
K1
2
Zm z1lK 3 jX
Zm z1lK 2
ZK1
直线区域
Z set
ZK2
L
ZL
M
R
ZK3
K3 M 1
计算它们的比值，反应故障点到保护安装处的距离。该比值称
之为测量阻抗:
Z
Zm Um Im
－Zm3
Zm1 Zm2
依据测量阻抗在不同情况下的“差异”，保护就能够区分
出系统是否发生故障，以及故障发生的范围——正向及范围， 或反向。
二、距离保护
1 基本原理
测量阻抗
Zm
Zm
U m Im
U m Im
Z
通常为复数，可表示为：
母线电压降低
电压/电流为负荷阻抗， 电压/电流为母线至故
很大
障点的线路阻抗，很小
3 短路故障
一、基本概念
短路特征实现的保护类型
电流增大—— 过电流保护 电压降低—— 低电压保护 阻抗减小—— 阻抗（距离）保护 两侧电流大小和相位的差别——纵联差动保护 不对称分量出现——零序或负序分量保护
一、基本概念
9 对继电保护的基本要求
选择性
选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除 故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时， 才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切 除故障
为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同 一保护内有配合要求的两元件(如起动与跳闸元件、闭锁与 动作元件)，其灵敏系数及动作时间应相互配合。
一、基本概念
7 继电保护的工作配合
预设范围，保护范围重叠，无死区
变压器保护区
线路保护区
发电机 保护区
低压母线 保护区
高压母线 保护区1
高压母线 保护区
一、基本概念
8 继电保护分类
电力系统中的电力设备和线路，应装设短路故障和异常运 行的保护装置。电力设备和线路短路故障的保护应有主保 护和后备保护，必要时可增设辅助保护。
一、基本概念
2 电力系统运行状态
正常状态、不正常状态、故障状态。
正常状态
电力系统在规定的限度内可以长期安全稳定运行。
最关键的指标：Ue±10%,△f≤±0.2Hz 。
不正常状态
正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。
故障状态
一次设备运行中由于外力、绝缘老化、过电压、误操 作，以及自然灾害等各种，导致原因发生短路、断线。
后备保护分为远后备和近后备两种方式。
远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或 线路的保护实现后备。
近后备保护：当主保护拒动时，由该电力设备或线路的另一 套保护实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护 来实现的后备保护。
一、基本概念
8 继电保护分类
辅助保护
辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备 保护退出运行而增设的简单保护。如零序电流保护。
m m Rm jXm
Zm 测量阻抗的幅值
m 测量阻抗角
Rm 测量电阻
X m 测量电抗
二、距离保护
1 基本原理
测量阻抗具有以下的“差异”：
系统正常运行时
UImm为近负似荷等电于流额定额电定压电；流；
m 一般小于30 。
负荷阻抗Z m
U m Im
U L IL
— 用Z L表示。
二、距离保护
1 基本原理
测量电压 U m
测量电流 Im
二、距离保护
2 距离保护的接线方式
经过分析、研究、比较，目前，常用的接线方式有2种：
（1）相间距离 0°接线方式。 K z0 z1 — —零序补偿系数 3z1
测量电压 测量电流
Z AB U AB IA IB
Z BC U BC IB IC
ZCA U CA IC IA
9 对继电保护的基本要求
可靠性
可靠性是指保护该动作时应动作，不该动作时不动 作，即不误动、不拒动。为保证可靠性，在装置选择 上应选用硬件和软件可靠的装置，在保护配置上， 220kV及以上电压等级电网的线路保护一般采用近后 备保护方式，110kV及以下电压等级电网一般采用远后 备保护方式。
安全性：区外故障可靠不动作 可信赖性：区内故障可靠动作
sen
0
R
方向特性
整定阻抗是圆的直径（绝对值 最大——保护范围最大）
sen — 最大灵敏角
希望：线路阻抗角等于最大灵 敏角。
二、距离保护
3 距离保护的动作特性
在距离保护的各种动作区域中，常用的一种形式是：圆 特性。典型的圆特性如下：
jX Z set
sen
0
R
方向特性
方向圆特性可以判断： 短路范围和方向。
远后备保护动作阶段
一、基本概念
9 对继电保护的基本要求
选择性 速动性 灵敏性 可靠性
简称为：继电保护“四性要求”。 “四性”是分析和研 究继电保护的基础。对四性中的每一项要求都应当有度， 应以满足电力系统的安全运行为准则，不应片面强调某一 项而忽视另一项，否则会带来不良的影响。
一、基本概念
1
25
6
C 8
A3
4 B7
一、基本概念
10 常用的称谓
讨论保护1——>就以保护1为基准
1
8 A3
相邻线末端短路
25
6
C
4 B7
一、基本概念
10 常用的称谓
讨论保护1——>就以保护1为基准
反方向短路
1
25
6
C 8
A3
4 B7
二、距离保护
1 基本原理
距离保护通过测量输电线路一端的电压 U m 、电流 Im ,
一、基本概念
3 短路故障
雷击、台风、地震、绝缘老化、人为等因素造成。伴随短
路故障出现电流增大、电压降低。
故障类型
对称性短路 不对称性短路
纵向故障：指各种类型的断线故障，包括单相断线、两 相断线和三相断线。
横向故障：指各种类型的短路，包括三相短路、两相短 路、单相接地短路及两相接地短路。单相短路，约为总短 路故障数的65%，三相短路只占5～10%。三相短路故障发 生的几率虽然最小，但故障产生的后果最为严重。
K2
Zm z1lK1
K1
2
Zm z1lK 3 jX
Zm z1lK 2
ZK1
Z set
ZK2
M ZK3
Z L 设计为
L
一个“面”的区域
R
二、距离保护
1 基本原理
设计为一个“面（区域）”
考虑到二次侧的测量阻抗受下列因素影响： 1）电流、电压互感器误差； 2）输电线路阻抗角的角度差； 3）过渡电阻的影响等
但是，出口短路时需要 “记忆”。
最常用动作特性之一
二、距离保护
3 距离保护的动作特性
jX
Z set
sen
0
偏移特性可以判断：短路范围， 没有出口死区。
但是，反方向出口短路会误动。
R
偏移特性
二、距离保护
3 距离保护的动作特性
jX Z set
0
全阻抗特性可以判断：短
路范围。
但是，没有方向性。
较少采用。
（不对称短路） 非电气量—— 瓦斯保护、过热保护等
一、基本概念 5 继电保护装置的构成
测量部分
测量有关电气量，与整定值比较，给出“是”或“非”， “0” 或 “1”， “大于”、“不大于”、“等于” 等 性质的一组逻辑信号，判断保护是否应该启动。
一、基本概念 5 继电保护装置的构成
逻辑部分
能力容易兼顾。
常用特性之一
Rset
R
三、纵联保护
1 概述
单端电气量保护：
仅利用被保护元件的一侧电气量，无法区分线路末端和相邻线路的 出口短路，可以作为后备保护或出口故障的第二种保护。
（通常设计为：三段式）。
B9
B8
B7
L7
L6
L8
Bk10
L3
Bk4 Bk5
Bk3
L2
Bk9
B5
B1
B3
Bk1
L10
L1
Bk2
B6
B2
Bk11
L4
Bk6 Bk8
Bk7
L9
B4
L5
Bk12
L13 B12
L12 B11
L11 B10
纵联速动主保护 相间距离保护 接地距离保护 零序电流保护 断路器失灵保护
注：
主保护动作阶段
近后备保护动作阶段
主保护
主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度 有选择性地切除被保护设备和线路故障的保护。如线路 的纵连保护。
线路主保护：纵联电流差动保护、纵联距离保护、纵联方向保护 变压器主保护：电流差动保护、瓦斯保护 母线保护：电流差动保护
一、基本概念
8 继电保护分类
后备保护
后备保护是主保护或断路器拒动时，用以切除故障 的保护。
一、基本概念
9 对继电保护的基本要求
速动性
速动性是指保护装置应能尽快切除短路故障，以提 高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩 小故障波及范围。继电保护在满足选择性的前提下， 应尽可能的加快保护动作时间。
在保护配置上，通过配置全线速动主保护、相间和接地故 障的速动段保护来快速切除故障。整定计算中，可通过合 理的缩小后备保护的动作时间级差来提高快速性。对于系 统稳定及设备安全有重要影响对动作时间有要求的保护应 保证其速动性，必要时可牺牲选择性。
因此，通常将阻抗继电器的保护范围扩大为一个面或圆的 形式。当测量阻抗落在这个范围内时，阻抗元件动作；否则 不动作。
这个保护范围的边界叫做：整定阻抗。用 Z set 表示。
二、距离保护
2 距离保护的接线方式wk.baidu.com
接线方式 —— 即采用何种测量电压和测量电流 最优： 1）能够反映短路点到保护安装处的正序阻抗； 2）适合于任何的短路类型。
R
没有最大灵敏角的概念。
全阻抗特性
二、距离保护
3 距离保护的动作特性
另外，两个或多个的圆特性可构成“与”、“或”的 关系，组合出其它特性。
橄榄型特性 （两圆“与”）
苹果型特性 （两圆“或” ）
二、距离保护
3 距离保护的动作特性
多边形特性——淡化了最大灵敏角的概念
jX X set
0
与圆特性比较， 多边形特性的保护 范围、耐过渡电阻
3 短路故障
短路危害
一、基本概念
短路电流大，燃弧，易使元件损坏；
电压降低，电力用户正常的生产、生活受到影响；
破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡， 甚至系统崩溃。 美加大停电、巴西大停电！！
3 短路故障
一、基本概念
短路特征
正常运行
短路故障
线路流过负荷电流
线路流过短路电流
母线电压接近额定
根据测量部分输出信号的大小、性质、先后顺序等，使 保护按一定的逻辑关系判定故障类型和范围，确定是否 应该使断路器跳闸或发出告警信号，并将有关指令传达 给执行部分。
一、基本概念 5 继电保护装置的构成
执行部分
根据逻辑部分的输出结果，发出跳闸脉冲及相应动作信 息，或发出告警信号。 控制跳闸、调整，或通知值班人员
一、基本概念
9 对继电保护的基本要求
速动性和可靠性主要通过加强主保护配置、选择 技术成熟原理先进硬件可靠的保护装置来保证； 灵敏性和选择性主要通过选择合理的运行方式、 正确的配合关系以及准确的计算公式来保证。
一、基本概念
10 常用的称谓
讨论保护1——>就以保护1为基准
本线路
1
25
6
C 8
A3
4 B7
一、基本概念
10 常用的称谓
讨论保护1——>就以保护1为基准
1
8 A3
下一条线路(相邻线路)
25
6
C
4 B7
一、基本概念
10 常用的称谓
讨论保护1——>就以保护1为基准
背后线路
1
25
6
C 8
A3
4 B7
一、基本概念
10 常用的称谓
讨论保护1——>就以保护1为基准
(本线)末端短路
相邻线出口短路
一、基本概念
1 电力系统
一次设备+二次设备。
电力系统一次设备
发电机、变压器、母线、输电线路、电动机、电抗器、 电容器等组成的电能传输设备（属于高压设备）。
电力系统二次设备
对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制与保护 的设备（从TA、TV获得成正比的“小信号”——>相额定 电压57.7V，额定电流1A或5A）。
单相接 地
B
C
AB
两相接 地
BC
CA
AB
两相相
间
BC
CA
三相 ABC
相间距离接线方式
AB相 BC相
CA相
U AB IA IB
U BC IB IC
U CA IC IA
二、距离保护
3 距离保护的动作特性
在距离保护的各种动作区域中，常用的一种形式是：圆 特性。典型的圆特性如下：
jX Z set
圆内动作！
（2）带零序补偿的接地距离0°接线方式。
测量电压 测量电流
ZA U A IA K 3I0
ZB U B IB K 3I0
ZC U C IC K 3I0
测 量
接线方 式
接地距离接线方式
A相
B相
C相
阻 故障类 抗
型
U A
U B
U C
IA k 3I0 IB k 3I0 IC k 3I0
A