电力系统继电保护

主讲人：徐振宇电气与电子工程学院四方研究所Office:教五B309NorthChinaElectricPowerUniversity电力系统继电保护第一章绪论一、电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态二、继电保护的基本原理及其组成三、对继电保护的基本要求四、继电保护的发展简史五、继电保护学习的特点1.1正常工作状态、不正常工作状态和故障状态（1）电力系统的正常工作状态：电力系统的电压和频率都在允许的范围以内，能够保持长期安全工作的状态。0SLiGiPPP0SLiGiQQQmax.kkSSmax.min.iiiUUUmax.ijijIImaxminfff功率平衡方程式：不等式约束方程式：有功平衡无功平衡在最大容量范围以内在最大工作电流范围以内在允许工作电压范围以内在允许工作频率范围以内正常工作状态时以上等式和不等式都满足。电力系统的三种状态：故障、不正常运行、正常状态（2）不正常运行状态：正常运行条件受到破坏，但还未发生故障。等约束条件满足，部分不等约束条件不满足。①负荷潮流越限致使电流升高（过负荷）；②发电机突然甩负荷引起发电机频率升高；系统出现有功功率缺额引起的频率降低；③中性点不接地系统发生单相接地引起的非接地相电压升高；④电力系统发生振荡；不正常运行状态产生的后果：电力设备的电流过大会使设备载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，可能发展成短路故障。不正常运行状态产生的对策：一旦电力系统设备发生不正常运行状态，应该发出告警信号、减负荷或跳闸。电力系统的三种状态：故障、不正常运行、正常状态（3）故障状态：电力系统的一次电气设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因而发生短路、断线等故障。故障的原因：（1）自然因素的影响①大风的影响：风力过大，使空气绝缘间隙变小。②雨的影响：毛毛细雨将使脏污绝缘子闪络、放电。③雷电影响④大雾影响：大雾天气，空气湿度较大，绝缘子沿面闪络放电。⑤覆冰影响：线路上发生严重覆冰时，使导线发生断线事故。（2）人为、周围环境及外物的影响电力系统的三种状态：故障、不正常运行、正常状态故障产生的后果：①通过故障点的很大的短路电流使故障元件进一步损坏；②短路电流流过相邻非故障元件，可能损坏或缩短其使用寿命；③故障附近地区电压大大降低，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，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。故障的对策：一旦故障发生，必须迅速而准确地切除故障设备，保证电力系统的安全。切除故障的时间要求小到十分之几甚至百分之几秒。QF表示断路器，它的作用是接收跳闸命令后，迅速切断短路电流。当线路L1上发生短路故障时，继电保护迅速反应这个短路故障，发出跳闸命令给断路器QF1，断路器QF1接收了命令后，打开触头，切断短路电流。由于要求切除故障的速度要很快，只能通过自动的继电保护装置来完成。（4）电力系统继电保护的作用继电保护装置（Relayprotection）：能够反应电力系统中电气元件发生的故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护装置的基本任务(1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行。即内部故障时发出跳闸命令。(2)反应电气元件的不正常运行状态，根据运行维护的具体条件（例如有无经常值班人员）和设备的承受能力，发出警报信号、减负荷或延时跳闸。即不正常工作时发出告警信号。1.2基本原理和保护装置的组成继电保护的基本原理：正确区分正常运行和故障或不正常运行状态，当确认被保护设备发生内部故障或不正常运行状态时，发出跳闸命令或告警信号。继电保护的基本原理的核心：区分正常运行和故障或不正常运行状态。如何区分正常运行和故障或不正常运行状态？必须利用电力系统在正常运行和故障或不正常运行状态时，其电气量（如电流、电压、阻抗等）的不同来加以区分。正常运行状态：电流：负荷电流，电源侧负荷电流大；电压：±5％内，靠近电源侧的母线电压较高；测量阻抗：负荷阻抗，阻抗模值很大短路故障状态：电流：Id剧增过电流保护电压：Ud降低低电压保护测量阻抗：阻抗模值减小距离保护1.继电保护的基本原理正常运行：电流：为负荷电流，两侧电流大小相等，方向相反（即相位相差180）。内部d1短路：电流：线路BC两侧电流大小一般不等，方向相同（即相位相同）；差动保护原理确定线路两侧电流参考正方向：母线→线路（如绿色箭头）基本原理的总结电流I：故障时增大-过电流保护正常状态时两侧电流相位相反内部故障时两侧电流相位相同－差动保护电压U：故障时降低－低电压保护阻抗Z：Z模值减小－阻抗（距离）保护非电气量：温度升高－瓦斯保护2.继电保护装置的原理结构测量部分：测量有关电气量,与整定值比较,给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”、“等于”、“0”、“1”性质的一组逻辑信号,判断保护是否应该启动。逻辑部分：根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的逻辑组合，确定是否应该使断路器跳闸或发出报警信号，并将有关命令传达给执行部分。执行部分：根据逻辑部分的结果，立即或延时发出报警信号和跳闸信号（故障、不正常运行时）。3.继电保护的工作回路继电保护与一次侧电力系统设备之间的联接简图。继电保护就是通过二次侧弱电系统来控制（如跳开、闭合）一次侧强电系统设备。继电保护的工作回路示意图：包括TV、TA、二次电缆、保护装置、信号设备、工作电源等。断路器电流互感器电流继电器中间继电器信号继电器时间继电器4.继电保护的工作配合保护范围（保护区）：每套保护都有预先划分的保护范围，只有在保护范围内发生故障，该保护才动作。保护范围划分的基本原则是任一个元件的故障都能可靠的被切除并且造成的停电范围最小。保护范围相互重叠，保证任意点的故障都置于保护区内。1.3、对继电保护的基本要求1、选择性2、速动性3、灵敏性4、可靠性1、选择性保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小。即跳开离故障位置最近的断路器。短路点短路电流主保护后备K11～4跳1、2/K21～5跳5跳1、3K31～6跳6跳5主保护:反映元件严重故障，快速动作于跳闸的保护后备保护：主保护不动作时备用的保护，由相邻设备的保护来完成。为了保证可靠性，选择性包含2种意思：（1）正常情况下只应由装在故障元件上的保护装置动作切除故障；（2）当电气设备的主保护不能切除故障时，力争相邻设备的保护装置对它起到后备保护的作用。短路点短路电流主保护远后备近后备K21～5跳5跳1、3跳2、4K31～6跳6跳5/远后备保护：位于其它变电站、发电厂中的后备保护；近后备保护：位于本变电站、发电厂中的的后备保护；2、速动性（迅速性）定义：继电保护装置要以尽可能短的时间将故障从电网中切除。优点：（1）提高电网的稳定性；（2）加快非故障部分的恢复供电；（3）减轻故障设备的损坏程度。故障切除时间＝保护装置动作时间＋断路器动作时间保护装置的动作时间为：微机保护最快：0.01～0.04秒，即0.5～2个周期就动作；电磁式保护：0.06～0.12秒，即3～6个周期就动作断路器的动作时间为：最快：0.02～0.06秒，即1～3个周期断开电流；一般：0.06～0.15秒，即3～7个周期断开电流3、灵敏性指对于其保护范围内发生故障的反应能力。任何运行方式下，被保护设备范围内发生故障，不论短路点的位置、类型、是否有过渡电阻，都能动作于跳闸或发出信号。保护的灵敏度通常用灵敏系数来衡量。灵敏系数：常见不利运行方式和不利故障类型下通入装置的故障量和整定动作值之比。反应数值上升的保护：反应数值下降的保护：lmK设定范围反应范围灵敏系数4、可靠性定义：当保护范围内部故障时必须动作（不拒动），当外部故障时不动作（不误动）。包括两个方面：（1）不拒动，即可信赖性（2）不误动，即安全性影响可靠性的因素：内在：装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平、内外接线简明，触点多少等；外在：运行维护水平、调试是否正确、正确安装“四性”之间的关系：矛盾、统一经济性考虑：选择并配置继电保护装置时，应考虑经济条件，按被保护元件在电力系统中的地位和作用来确定保护方式。对于重要的系统元件，如果选用简单价廉的保护装置，由于技术性能不佳，出现拒动或误动所带来的损失是惊人的。而对较为次要的数量很多的电气元件，则不应装设过于复杂昂贵的保护装置。需要根据电力系统和负荷的具体情况，对这4个方面的要求适当地予以协调。四、继电保护的发展简史1、继电保护硬件发展晶体管型电磁型感应型电动型集成电路型第一代静态保护第二代静态保护电磁型机电型晶体管型保护集成电路型保护1901年发明70年代80年代后微机保护1960年发明1970年发明1972年发明90后大量应用电磁型：体积大，消耗功率大，动作慢，机械转动部分、触点部分容易磨损或粘连，调试维护比较复杂。晶体管型：动作快,无机械转动部分，易发生特性变化。集成电路型：体积更小,工作更可靠，抗干扰能力差。微机保护：（1）计算、分析、逻辑判断能力强，有存储记忆功能，可实现复杂原理的保护；（2）维护调试方便，可靠性高；（3）统一硬件，保护装置硬件易标准化；（4）有强大辅助功能，简化调试、事故分析和事故后处理。各种硬件继电保护的特点：电磁型继电保护（现在已很少应用）微机型继电保护（现在被大量应用）过电流保护原理，1901年电流差动保护原理，1908年方向性电流保护，1910年距离保护，1920年高频保护，1927年行波保护，1950年工频变化量保护，1980年，由我国专家提出。继电保护硬件装置不断变化，但保护原理不变。2、继电保护原理发展五、继电保护学习的特点1、理论要求高各设备的原理、性能、参数计算、故障状态的分析。电工原理、电机学、电力系统稳态/暂态分析、经济调度、安全控制、电力系统规划设计原则、运行方式制定的依据等等。2、综合性科学电工、电机、电子、电力系统、数学、计算机、通讯新理论、新技术、新材料的引用都基于以上各学科的发展3、理论和实践并重实验室实验、动模实验、现场人工故障实验、试运行4、继电保护工作责任重大