继电保护整定计算基础知识及实际应用

继电保护整定计算基础知识及实际应用湖北电力调度控制中心2016.7目录继电保护整定的基本概念1继电保护整定的基本原则34继电保护整定的一般规定继电保护整定的整定原则56继电保护整定的关键技术继电保护整定的故障计算2目录继电保护整定的基本概念11继电保护整定的基本概念1.1整定计算的目的整定计算是针对具体的电力系统，通过网络计算工具进行分析计算、确定配置的各种保护系统的保护方式、得到保护装置的定值以满足系统的运行要求。继电保护装置是通过安装处采集的电压、电流，根据动作判据认定是否动作、何时动作。整定计算就是计算动作判据的整定值和动作时间，以保证故障发生在保护范围内，按配合时间的要求可靠地动作（灵敏性）；在保护范围外可靠地不动作（选择性）。1继电保护整定的基本概念1.2保护范围电网或电力主设备发生故障时，保护装置可以可靠动作的区域。一类固定不受运行方式影响，如：线路的纵联保护、变压器的差动保护、距离保护Ⅰ段。一类不固定受运行方式影响，如：零序电流保护、距离保护II、III段。保护范围由一个保护定值决定的。因此，同原理保护配合往往是定值上的配合，即用配合定值乘以助增系数或分支系数。不同原理保护配合就不能在定值上取得配合，这是因为各序网络独立，存在不同的电流分配系数，两类保护定值没有固定的关系。1继电保护整定的基本概念1.3保护分类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。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。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1继电保护整定的基本概念1.3保护分类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。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。后备保护分为远后备和近后备两种方式。1继电保护整定的基本概念1.3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。B1B2B3B4B5B6B7B8B9B10B11B12L1L2L3L4L5L6L7L8L9L10L11L12L13Bk1Bk2Bk3Bk4Bk5Bk6Bk7Bk8Bk9Bk10Bk11Bk12主保护动作阶段近后备保护动作阶段远后备保护动作阶段注：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1继电保护整定的基本概念1.4保护“四性”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。整定计算中，主要通过制定简单、合理的保护方案来保证。另外在运行方式变化时应对定值进行调整以保证保护系统可靠动作。安全性：区外故障可靠不动作可信赖性：区内故障可靠动作1继电保护整定的基本概念1.4保护“四性”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。1继电保护整定的基本概念1.4保护“四性”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）。灵敏度系数的计算：过流保护：Ksen=Imin/Iset距离保护：Ksen=Zset/Zline式中：Ksen为灵敏度系数，Imin为线末故障的最小电流，Iset电流保护定值，对于零序电流保护均为3I0，Zset为距离保护定值，Zline为线路阻抗定值。1继电保护整定的基本概念1.4保护“四性”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。1继电保护整定的基本概念1.4保护“四性”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。1继电保护整定的基本概念1.5逐级配合阶段式保护逐级配合是指，在两维平面（横坐标保护范围，纵坐标动作时间）上，整定定值多折线与配合定值多折线不相交，其间的空隙是配合系数。即定值和时间均取得配合，否则失配。以一个整定设备的M段与N个配合设备配合为例：整定范围定值配合整定设备的M段分别与N个配合设备配合，由范围小逐级范围大直至满足灵敏度，得到N个整定范围定值。它们都满足灵敏度，不一定都满足选择性，如：第I个配合设备配合的范围最大，第J个配合设备配合的范围最小，显然，取范围最大的作为整定值，必然，与范围最小配合设备配合时失配。因此，最终的整定范围定值=MIN{得到的N个整定范围定值}1继电保护整定的基本概念1.5逐级配合整定时间定值配合在整定范围定值的同时，也得到N个整定时间定值。显然，如果最终的整定时间定值=MAX{得到的N个整定时间定值}，肯定满足选择性。降低最终的整定时间定值肯定不满足选择性。如：第I个配合设备配合的时间最大，无论与之配合范围定值如何，要降低配合时间定值，必然要缩小配合范围定值，否则失配。在整定配合范围定值时，已经计算出不能缩小配合范围定值，否则灵敏度不足。因此，两者不能兼顾。1继电保护整定的基本概念1.5逐级配合•完全配合：定值和时间均有配合•不完全配合：定值不配合，时间有配合•完全不配合：定值有配合，时间无配合；定值、时间均无配合ABIAtIBtIIAtIIBttABIAtIBtIIAtIIBtt1继电保护整定的基本概念1.6助增系数•助增系数：•分支系数：电流：助增：AIBIABII配合线路电流/整定线路电流整定线路电流/配合线路电流BAII配合线路整定线路注入助增汲取外吸注入、汲取助增、外吸1继电保护整定的基本概念1.7故障点设置•计算灵敏性时，故障点设在保护范围内灵敏度最低处；计算选择性时，故障点设在保护范围外灵敏度最高处。•对无零序互感线路，离保护安装点愈近故障灵敏度愈高，因此故障点设在保护范围末端。它是保护范围内灵敏度最低处，又是保护范围外灵敏度最高处。对零序互感线路，由于互感的取磁作用，零序电流随故障点远去有可能单调减后又单调升，但不会单调升后又单调减。故障点可设在非故障线路的出口或末端。•对于环网的助增系数或分支系数，也随故障点不同而不同，但容易失去配合点往往在保护范围末端。故障点可设在保护范围末端。根据被保护的故障对象（相间、接地）设置故障类型！1继电保护整定的基本概念1.8运行方式组合根据计算目的（最大、最小）电压、电流、分支系数等要求，通过合理安排线路的投运和停运、变电站内变压器的投运和停运及中性点接地方式变化、电厂内机组的投运和停运，构造出电力系统在实际运行中可能出现的运行方式，从而保证离线整定计算所得的保护定值在常见系统运行方式下不会误动或拒动。AIBI注入汲取助增外吸运行方式组合是整定计算的重要环节，决定了保护定值的适用性！1继电保护整定的基本概念1.9阶段式保护（定时限保护）将保护分为若干段，各段保护动作时间固定，随着保护范围的扩大，动作时间逐渐延长。通过动作时间来保证选择性。如三段式距离保护、两段式零序电流保护。123tlⅠ1tⅡ1t4tⅠ2tⅡ2tttlⅠ1tⅡ1ttⅠ2tⅡ2t(a)(b)(c)Ⅰ3tⅠ3t•阶段式零序电流保护主要用于电网联系不够紧密的地区。电流受系统运行方式较大。•阶段式距离保护可以用于各种电网。1继电保护整定的基本概念1.10反时限电流保护动作时间是故障电流的函数，电流越大动作时间越短，通过选取适当的函数和参数，自然满足选择性。国内应用较少1)(14.002.0ppIItttp为时间常数，Ip为电流基准值，I为流过保护的电流反时限（零序）电流保护主要用于电网联系紧密的地区。电流受系统运行方式较小，元件停运不会影响其选择性。装置定值项拆分：原理级定值和装置级定值1继电保护整定的基本概念1.11原理级整定和装置级整定原理级整定：分段整定，逐级配合。后备保护可以不完全配合，即时间上配合，定值上不配合。装置级整定：分装置类型，在制定装置模板时需定义定值项整定计算原则原理级定值：后备保护定值，需要相互配合，与具体的保护装置型号无关装置级定值：不需配合的定值项和控制字1继电保护整定的基本概念1.12整定计算中常用的术语ABCS1S2S3R1R2背侧母线对侧母线整定保护相邻厂站目录继电保护整定的故障计算22.1概述2继电保护整定的故障计算故障计算是继电保护整定计算和故障分析的基础。故障计算的基本模型：基于节点导纳矩阵故障计算基于节点阻抗矩阵故障计算现代电网的特点网络规模越来越庞大和复杂；线路间零序互感越来越复杂。2.2基于节点导纳矩阵故障计算2继电保护整定的故障计算电力系统网络方程三相导纳型网络方程：Y(abc)V(abc)=I(abc)三序导纳型网络方程：Y(120)V(120)=I(120)设网络节点数为n，则I(120)、V(120)为n维向量，Y(120)为3n*3n维矩阵写成矩阵形式，并假设网络元件参数三相对称得：2.2基于节点导纳矩阵故障计算2继电保护整定的故障计算故障计算网络方程电网正常运行状态下的网络方程简写为：Y(0)V(0)=I(0)(4)电网发生故障瞬间，设其网络方程为：Y(f)V(f)=I(f)(5)故障瞬间电流不能突变，故有：I(f)=I(0)导纳矩阵具有可迭加性，Y(f)可由Y(0)和故障修改导纳矩阵迭加而成，即：（6）其中nf为故障重数，每一重故障都对应一个修改导纳矩阵△Y(f)，△Y(f)取决于故障地点和故障类型，反映该故障对三序网络结构和参数的影响。2.2基于节点导纳矩阵故障计算2继电保护整定的故障计算Y(f)的求取将（6）式中的Y(0)重新记为Y(f0)。根据故障位置增设节点(母线上短路，不新增节点；线路中间短路，新增一个节点；线路中间断线，新增两个节点；断路器开断，新增一个节点)，形成Y(f0)。根据故障类型和参数将相应的故障修改导纳矩阵△Y(f)迭加到Y(f0)中对应于该故障的新增节点上形成故障时的三序节点导纳矩阵Y(f)。设网络节点数为n，故障时需要增设的节点数为m，则Y(f)和Y(f0)的维数为3(n+m)×3(n+m)。Y(f)的形成可以分为两个阶段：2.2基于节点导纳矩阵故障计算2继电保护整定的故障计算△Y(f)的求取2.2基于节点导纳矩阵故障计算2继电保护整定的故障计算解线性方程组(5)可以求得网络节点三序电压列向量，由各网络元件的阻抗参数即可求得待求元件的三序电流，进而组合得到其三相电压及三相电流。特点导纳矩阵的元素很容易根据网络接线图和支路参数直观地求取，形成节点导纳矩阵比较简单；导纳矩阵是稀疏阵；故障模型全面，可以处理各种类型的简