继电保护基本理论知识

目录一、继电保护基础知识二、继电保护基本原理三、微机继电保护四、自动重合闸五、继电保护展望六、结语一、继电保护基础知识1.1继电保护（RelayProtection）定义•泛指能反应电力系统中电气设备发生的故障（如短路、断线）或不正常运行状态（如过负荷、三相不平衡），并动作于相应断路器跳闸或发出告警信号的一种自动化技术和装置。•继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本装备，任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行。一、继电保护基础知识1.2继电保护基本要求•对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性、选择性、速动性和灵敏性。1.2.1可靠性•包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。安全性要求继电保护在不需要它动作时不动作，即不发生误动作。信赖性要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不发生拒绝动作。一、继电保护基础知识1.2.2选择性•指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障部分从电力系统中断开，最大限度地保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。1.2.3速动性•故障发生时，要求保护装置能迅速动作切除故障元件，以提高系统稳定性，减少用户经受电压骤降的时间以及故障元件的损坏程度。一、继电保护基础知识•故障切除时间等于保护装置和断路器动作时间的总和。一般快速保护的动作时间为0.06s~0.12s，最快的可达0.01s~0.04s。一般断路器的动作时间为0.06s~0.15s，最快的可达0.02s~0.06s。1.2.4灵敏性•指对于保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。在规定的保护范围内发生故障时，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，保护装置都应能灵敏反应，没有似动非动的模糊状态。保护装置的灵敏性通常用灵敏系数来衡量。根据规程规定，要求灵敏系数在1.2~2之间。一、继电保护基础知识1.3继电保护分类1.3.1按反应的电网运行状态分类•反应故障（包括短路和断线）状态，保护动作于相应断路器跳闸；•反应不正常运行状态（如过负荷等），保护动作于告警信号。1.3.2按保护对象分类：变压器保护、线路保护、发电机保护、母线保护等。1.3.3按判据特征物理量分类：电流保护、距离保护、差动保护等。一、继电保护基础知识1.3.4按故障信号频谱特征分类•工频分量与暂态分量•常规保护原理只反应工频分量。利用暂态分量可以构成各种超高速保护，如行波保护、暂态保护等。1.3.5按通信通道分类•主要针对线路保护而言，包括引导性保护、微波保护、高频保护、光纤保护。1.3.6按保护装置结构型式分类•可分为机电型、静态型和微机型。一、继电保护基础知识1.3.7按保护的作用分类可分为主保护、后备保护和辅助保护。•主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除所保护范围内的故障。•后备保护指主保护或断路器拒动时用来切除所保护范围内故障的保护装置，可分为远后备保护和近后备保护。远后备保护由相邻电力设备或线路的保护来实现。近后备保护由本电力设备或线路的另一套保护来实现（当主保护拒动时），或者由断路器失灵保护来实现（当断路器拒动时，只动作于母联断路器和母线分段断路器）。•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时所增设的简单保护。一、继电保护基础知识1.4继电保护发展史•继电保护原理随着对电网故障特性认识的不断深入而呈现出由低速→高速→超高速的发展趋势。一、继电保护基础知识•继电保护装置随着元器件技术的发展而发展。可以概括为三个阶段、两次飞跃。1970s后期以来1940s~1990s1890s~1960s数字化、智能化无触点化、小型化低功耗电动型整流型晶体管型微机型1123静态型电磁型感应型机电型12微机型2微机型3微机型集成电路型一、继电保护基础知识1.5继电保护名词解析•系统最小运行方式：系统在该方式下运行时，具有最大的短路阻抗，发生短路后产生的短路电流最小的一种运行方式。•系统最大运行方式：系统在该方式下运行时，具有最小的短路阻抗值，发生短路后产生的短路电流最大的一种运行方式。•小电流接地系统：中性点不接地或不直接接地系统。•大电流接地系统：中性点直接接地系统。一、继电保护基础知识•正序分量：A相的不动，B相逆时针转120度，C相顺时针转120度而得到的向量图。•负序分量：A相的不动，B相顺时针转120度，C相逆时针转120度而得到的向量图。•零序分量：把三个向量相加求和。正序、负序、零序的出现是为了把三相的不对称分量分解成对称分量（正、负序）及同向的零序分量。中性点直接接地系统中发生接地短路，将出现很大的零序电流。中性点不直接接地系统中当发生单相接地，也会产生零序电压。零序电源在故障点，故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压就越低，取决于测量点到大地间阻抗的大小。（思考：有零序电压就一定有零序电流？）一、继电保护基础知识•助增电流：在复杂网络中由除被保护线路电源外的其他电源提供给故障点短路电流，导致测量阻抗增加，进而可能影响距离保护正确动作。•重合闸前加速：当线路故障时，保护无选择性瞬时跳闸，然后由重合闸恢复供电，如果故障是永久性的，再由保护带延时切除故障。•重合闸后加速：当线路故障时，保护有选择性动作跳闸，然后由重合闸恢复供电，如果重合于永久性故障，再由保护加速动作，瞬时切除故障。（第一次动作可能有延时）重合闸后加速广泛应用于35kV及以上的重要输电线路。一、继电保护基础知识•工频变化量继电器：电力系统发生短路故障时，其短路电流、电压可以分解成故障前负荷状态的电流、电压分量和故障分量，工频变化量继电器只考虑故障分量，不受负荷状态的影响。•故障分量：仅在故障时出现，与负荷电流无关，仅由施加于故障点的一个电动势产生，所以故障点电压最大，系统中性点处为零。•过电压：由于雷击或电力系统中的操作、事故等原因，危及设备和线路绝缘的电压升高称为过电压。•沟通三跳：由于重合闸装置的原因不允许保护装置选相跳闸时，由重合闸输出沟通三相跳闸空触点，连至各保护装置相应开入端，实现任何故障跳三相。二、继电保护基本原理2.1电流保护2.1.1三段式电流保护2.1.2反时限过电流保护2.1.3方向电流保护2.1.4零序电流保护2.2距离保护2.2.1阻抗继电器2.2.2阻抗整定原则2.2.3三段式距离保护2.2.4距离保护评价2.3电压保护2.3.1过电压保护2.3.2失压保护2.3.3零序电压保护2.4差动保护2.4.1纵联电流差动保护2.4.2稳态比率差动保护2.4.3工频变化量差动保护2.4.4零序差动保护二、继电保护基本原理2.1电流保护2.1.1三段式电流保护1）无时限电流速断保护（I段保护）2）带时限电流速断保护（II段保护）3）定时限过电流保护（III段保护）它们可组合成两段或三段电流保护。这三种电流保护都是反应电流增大而动作，区别主要在于按照不同的原则来整定动作电流及动作时限。三段式电流保护的I段与II段保护作为主保护时广泛应用于35kV及以下电网。二、继电保护基本原理I段保护——工作原理：反应于短路电流幅值增大而瞬时动作。为了保证选择性，被保护线路的保护动作电流要躲过（即大于）下级线路出口处（可等同于被保护线路末端母线处）短路时可能出现的最大短路电流。二、继电保护基本原理I段保护——灵敏性校验：有选择性的I段保护不可能保护线路的全长。因此其灵敏性只能用保护范围的大小来衡量，通常用线路全长的百分数来表示。当出现电网最小运行方式下的两相短路时，I段保护范围最小。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验其保护范围，要求大于被保护线路全长的（15~20）％。保护的最小范围计算：min1s.max23IsetLzZEI)%20~15(%100minLL被保护线路全长——抗；线路单位长度的正序阻——段最小保护范围长度；－－抗；系统等效电源之间的阻装处到最小运行方式下保护安—势；系统等效电源的相电动——IZ1mins.maxLzLE二、继电保护基本原理I段保护——评价：主要优点是动作迅速，缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围受电网运行方式变化及短路型式的影响。当系统为最大运行方式时，保护范围最大；当系统为最小运行方式时，保护范围最小。二、继电保护基本原理II段保护——工作原理：从选择性出发，通过与下级线路保护在动作电流与动作时限上的配合，将保护范围延伸到下级线路中去，从而能够以较小的时限（约0.5S）快速切除被保护线路全线范围内的故障。动作电流要躲过下级线路电流速断保护的动作电流。动作时限配合表示在下级保护动作时限的基础上，增加一定的动作延时△t。二、继电保护基本原理•△t通常取为0.5s。随着技术的发展，保护和断路器动作速度以及定时精度有了很大的提高。为了缩短故障持续时间，减少故障引起的电压骤降对用电设备的影响，人们开始倾向于将△t选得更小一些，如选为0.3s甚至更短。tttI1II2二、继电保护基本原理II段保护——评价：主要优点是能够保护线路全长，动作比较迅速(仅当与下级线路I段配合时)，缺点是保护范围受电网运行方式变化及短路型式的影响。当被保护线路同时配备了I段和II段保护时，它们的联合工作就可以保证全线路范围内的故障都能够在设定的时限（0.5s）内予以切除，在一般情况下都能够满足速动性要求。具有这种性能的保护称为该线路“主保护”。二、继电保护基本原理III段保护——工作原理：是一种过负荷保护，其动作电流按照躲开最大负荷电流来整定。其动作时限按选择性要求来整定，是固定的（与电流的大小无关）。它在正常运行时不启动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作。二、继电保护基本原理III段保护——评价：1）主要优点是不仅能够保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，从而起到远后备保护的作用。缺点是动作速度较慢。另外，由于要躲过电动机的自启动电流，因而降低了反应故障的灵敏性。2）对于靠近电源端的定时限过电流保护来说，不管短路电流多大，其动作延时都是很长的。因此，定时限过电流保护仅用作本线路和相邻元件的后备保护。由于它作为相邻元件后备保护的作用是在远处实现的，因此是属于远后备保护。3）对于电网终端的过电流保护来说，动作延时并不长。因此可以作为主保护兼后备保护，而无需再装设无时限和带时限速断保护。二、继电保护基本原理2.1.2反时限过电流保护•是动作时限与被保护线路中电流大小有关的一种保护，其动作时限与电流呈反时限特性，即当电流大时，保护的动作时限短，而电流小时动作时限长。•主要用于单侧电源供电的终端线路和较小容量的电动机上，作为主保护和后备保护使用。瞬时动作时间。——瞬时动作电流；——启动电流；——bIopoptII二、继电保护基本原理2.1.3方向电流保护•在双侧电源供电情况下，仅靠电流保护无法保证选择性，需要增加故障方向判别元件，构成方向电流保护。•当K1点短路时，对A侧电源来说，如果保证保护的选择性，要求保护3动作时间大于保护4的动作的时间。•当K2点故障时，却要求保护3的动作时间小于保护4的动作时间。•解决方案是给电流保护加装一个短路电流方向闭锁元件，并将动作方向规定为短路电流由母线流向线路。二、继电保护基本原理2.1.4零序电流保护1）无时限零序电流速断保护（I段保护）2）带时限零序电流速断保护（II段保护）3）定时限零序过电流保护（III段保护）•三段式零序电流保护的基本工作原理，与一般的三段式电流保护工作原理基本相同。•在多电源电网中，一般有多台变压器中性点接地运行，零序电流保护往往需要加装方向元件才能满足线路保护选择性要求。•（思考：500kV系统中，会设置零序电流I段保护吗？）二、继电保护基本原理零序分量示意图二、继电保护基本原理•在中性点直接接地（如500kV系统）或经小电阻接地的电网中，当线路发生单相或两相接地故障时，中性点将出现很大的零序电流。•在正常运行情况下，电网中并不存在零序电流。因此，可以利用零序电流构成继电保护。•零序电流保护具有灵敏度高、动作速度快、不受负荷