电力系统基本概念及继电保护基本原理

员工培训手册0电力系统基本概念及继电保护基本原理电力系统基本概念一、电力系统的组成1、电能在现代社会中的地位及优点：1)、电能在现代社会中是最重要、也是最方便的能源；2)、它可以方便地转化为别的形式的能，如机械能、热能、光能、化学能等；3)、易于实现输送和分配；4)、应用规模也很灵活。2、几个基本概念：电力系统－－生产、输送、分配和消费电能的各种电气设备连接在一起而组成的整体称为电力系统。动力系统－－如果把火电厂的汽轮机、锅炉、供热管道和热用户，水电厂的水轮机和水库等动力部分与电力系统包括在一起，称为动力系统。电力网－－电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网。二、对电力系统运行的基本要求1、电力系统运行的基本特点：1）电能不能大量存储：生产、输送、分配和消费同时进行；2）电力系统的暂态过程非常短促；3）与国民经济的各部门及人民日常生活有着极为密切的关系，供电的突然中断会带来严重的后果。2、根据以上电力系统的特点，对其的基本要求是：1）保证安全可靠供电；具体做法为：A严密监视设备的运行状态和认真维修设备以减少其事故的发生；B不断提高运行员的技术水平，减少误操作的次数；员工培训手册1C系统具备有足够的有功及无功电源；D完善电力系统的结构，提高抗干扰能力；E利用现代的高科技实现对系统的控制和监视；F根据对用电可靠性的要求，降负荷按等级划分。2）要有符合要求的电能质量（电压和频率）；3）要有良好的经济性：降低耗媒率，降低线损等。三、电力系统的接线方式1、无备用接线方式：2、有备用接线方式：四、电压，电流，有功功率，无功功率，功率因数，频率的基本概念及相互关系U：电压有效值I：电流有效值F：频率CosǾ：功率因数P：有功功率Q：无功功率S:视在功率关系：S＝P＋jQP＝UICosǾQ＝UISinǾ五、一次设备与二次设备的概念1、一次设备：指直接用于生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备，它包括发电机、变压器、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线、输电线路、电力电缆、电抗器、电动机等；2、二次设备：员工培训手册2指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备，如熔断器、控制开关、保护装置、控制电缆等。六、发电机，变压器，线路，电容器，断路器，刀闸，电流互感器（CT），电压互感器（PT）等在电力系统中的作用1、发电机：把各种形式的能量转化为电能的设备。2、变压器：电能需要传送，变压器将电压升高进行长距离传输，这样可以降低损耗；当使用电能时，为了满足电气设备的要求，变压器将电压降低。3、线路：传输电能。4、电容器：给系统补偿无功。5、断路器：切断大电流的设备，具有灭弧的功能。6、刀闸：为了检修设备时，有可靠的断点。7、电流互感器：（一次）大电流→（二次）小电流（额定值为5A或1A）；隔离作用。8、电压互感器：一次高电压二次低电压（额定值100V）。继电保护基本原理一、继电保护的作用继电保护的概念：当系统一旦发生故障时，保证系统能有选择性的、快速的切除故障的装置，称为继电保护装置；原来实现此功能的装置是由继电器组合来实现的，故称为继电保护装置，而目前继电器已被电子元件及计算机替代，但仍沿用此名称。在电力部门常用继电保护一词泛指机电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。系统发生短路时可能产生的后果1、通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；2、短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短使用寿命；3、电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品的质量；4、破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至瓦解整个系统。继电保护的基本任务：1、自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；2、反映电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，动作于发信号、减负荷或跳闸。继电保护的发展历程一、继电保护原理发展史：1、19世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式的电磁型过电流继电器；2、1901年出现了感应型过电流继电器；3、1908年提出比较被保护元件两端电流的差动保护原理；4、1910年方向保护得到运用；5、1920年前后距离保护出现；6、1927年前后出现了利用高压输电线路上高频载波电流传送和比较输电线路两端功率方向或电流相位的高频保护装置；7、1950年前后出现了利用微波传送电量的微波保护；8、1970年前后诞生了行波保护装置。二、继电保护装置发展史：员工培训手册31、机电式继电器：上世纪50年代以前，以电磁型、感应型、电动型继电器为主，都具有机械转动部分。优点：运用广，积累了丰富的运行经验，技术比较成熟。缺点:体积大，功耗大，动作速度慢，机械转动部分和触点易磨损或粘连，调试维护复杂。2、晶体管式机电保护装置（第一代电子式静态保护装置）：50年代开始发展，70年代得到广泛应用。优点：解决了机电式继电器存在的缺点缺点：易受外界电磁干扰，在初期经常出现“误动”的情况，可靠性稍差。3、集中电路继电保护装置（第二代电子式静态保护装置）：80年代后期出现，将数十个甚至更多的晶体管集中在一个半导体芯片上。优点：体积更小，工作更可靠。4、微机保护：90年代后，已大量投入使用，成为机电保护装置的主要形势。可以说微机保护代表着电力系统机电保护的未来，目前已成为电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分。优点：1）具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，有存储记忆功能，因而可以实现任何性能完善且复杂的保护原理；2）微机保护可以自检，可靠性高；3）可用同一的硬件实现不同的保护功能，制造相对简化，易进行标准化；4）功能强大：故障录波，故障测距，事件顺序记录，调度通讯等功能。继电保护的四性及相互关系一、继电保护的4个基本要求：1、选择性：即保护装动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量减少，让无故障部分仍能继续安全运行。1）图片2）d1、d2、d3短路的切除范围。3）考虑拒动的可能：远后备、近后备。2、速动性：快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。3、灵敏性：指对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反映能力。在保护范围内，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐的正确反映。灵敏系数：检验保护装置所保护的范围发生故障时，继电保护装置的反映能力。对于过量保护装置，灵敏系数的含义：Klm=保护范围内发生金属性短路时故障参数的计算值/保护装置的动作参数故障参数的计算值根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定。员工培训手册44、可靠性：该动作时，不拒动；不该动作时，不误动。二、四性的相互关系：1、选择性与速动性存在矛盾，解决矛盾的方法是：1）切除故障允许有一定的延时；2）对于维持系统稳定的、重要的、可能危及人生安全的故障必须保证快速切除。2、灵敏性与可靠性存在矛盾，保护设置太灵敏，容易引起“误动”，不可靠；保护设置过分的考虑“稳妥性”，增加了“拒动”的可能性。为了解决这个矛盾，我们一般根据电力系统的结构和负荷性质的不同，误动和拒动的危害程度有所不同来进行考虑：1）系统中有充足的备用容量、输电线路很多、各系统之间和电源与负荷之间联系很紧密时，提高继电保护“不拒动”的可靠性比提高“不误动”的可靠性更为重要；2）系统中备用容量很少，各系统之间和电源与负荷之间联系比较薄弱的情况下，提高继电保护“不误动”的可靠性比提高“不拒动”的可靠性更为重要。电网线路保护的基本原理一、阶段式电流保护1、电流速断保护：1）说明：该保护简单可靠、动作迅速，得到广泛应用；但缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围受系统运行方式的影响，一般对于系统运行方式变化很大或线路很短的情况下使用速断保护，效果不佳。2）图片：3）分析：a）整定原则：按照躲过最大运行方式下本线路尾端三相短路时电流整定。b）为何不能保护线路的全长：保证选择性；c）保护范围怎样受系统运行方式的影响：最大运行方式时，保护范围最大；最小运行方式时，保护范围最小，甚至失灵。员工培训手册52、限时电流速断保护1）说明：有选择性的电流速断不能保护线路全长，故需增加一段新的保护，用以切除本线路上速断范围以外的故障，同时也作为速断的后备，这就引出了限时电流速断保护。对于该保护的要求是：a）在任何情况下，能保护线路的全长，并具有足够的灵敏性；b）在较小的时限快速切除全线路范围以内的故障。3）分析：a）整定原则：按照保护范围不超出下一条线路速断保护的范围，动作时限比下一条线路速断保护高出一个时间阶段Δt，通常取0.5秒。b）限时速断保护灵敏性的要求：为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，对限时电流速断保护要求Klm1.3～1.5，以防止当线路末端短路时，出现一些不利于保护动作启动的因素（如非金属性短路、计算误差、互感器误差、保护装置误差等），使保护拒动。c）速断与限时速断保护配合的评价：两个保护的联合工作保证了全线路范围内的故障都能在0.5秒的时间范围内切除，在一般的情况下都能够满足速动性的要求，能够构成一条线路的主保护。3、定时限过电流保护1）说明：由于速断保护不能保护线路的全长，故通过限时速断保护既可作为主保护保护本线路尾端速断所不能保护的范围，又能作为本线路速断的后备保护，但限时速断保护不能作为相邻下一条线路的后备保护，故为了保证整个系统的可靠性，引入了定时限过电流保护。该保护通常按照躲开最大负荷电流来整定，在正常运行情况下不应启动，而在电网发生故障时，则能反映于电流的增大而动作，在一般情况下，它不仅能保护线路的全长，也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。员工培训手册64、阶段式电流保护的评价：其主要优点就是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求，因此在电网中特别是在35kV及以下的较低电压网络中获得了广泛应用。但其缺点是受电网的接线以及电力系统运行方式变化的影响。5、电流保护的接线方式：三相星形接线、两相星形接线1）两相星形接线较为简单经济，因此在中性点直接接地电网和非直接接地电网中，都广泛采用作为相间保护。并且经过分析，在分布很广的中性点非直接接地电网中，放射性接线网络居多，在此情况下，采用两相星形接线可以保证有2/3的机会只切除一条线路，而采用三相星形接线是100％的同时切除两条线路，不利于系统运行。2）三相星形接线广泛用于发电机、变压器等大型贵重电气设备的保护中，能提高保护的可靠性及灵敏性（分析当过电流保护接于降压变压器的高压侧作为低压侧线路故障的后备保护时，如果保护采用三相星形接线，则有一相由于流有较其他两相大一倍的电流，故灵敏系数增加了一倍。所以一般采用高后备作为线路的后备保护为好）。员工培训手册7如上图所示，降压变压器低压侧发生AB两相短路时，在故障点有，IA2=-IB2，IC2=0，设低压侧每相绕组中的电流为别为Ia2，Ib2，Ic2，则：Ia2－Ib2＝IA2，Ib2－Ic2＝IB2，Ic2－Ia2＝IC2。由此可得：Ia2＝Ic2＝IA2/3，Ib2＝2IA2/3。根据变压器的工作原理，即可求得高压侧电流的关系为：IA1＝IC1，IB1＝－2IA1。由此可以看出，如果变压器高后备采用三相保护，其B相较其他两相大一倍的电流，因此，灵敏系数增加一倍。二、电网的方向性电流保护1、工作原理：1）对于单侧电源网络，断路器及保护都安装在被保护线路靠近电源的一侧；而对于双侧电源网络，每条线路的两侧均装有断路器和保护装置。（为什么）2）方向元件应保证正方向可靠动作，反方向可靠不动作，才能保证保护有选择性动作。定义：电流从母线流向线路为正方向。3）图例说明：2、关于方向保护几个问题的说明：1）90度接线：主要防止在正方向出口附近发生三相短路、相间接地短路以及单相接地短路时，由于单相电压数值很小，甚至为0