大学课件 电力系统继电保护 第一章 绪论

电力系统继电保护教材及参考教材教材：《电力系统继电保护》西安交通大学张保会华中科技大学尹项根主编中国电力出版社参考书目《电力系统继电保护原理》第三版天津大学贺家李宋从矩编著中国电力出版社《电力系统继电保护原理》增订版教材及参考教材参考书目《电力系统继电保护原理与应用》尹项根曾克娥编著华中科技大学出版社内容绪论电网的电流保护电网距离保护输电线路纵联保护自动重合闸电力变压器保护发电机保护母线保护数字式继电保护技术基础学时分配与考核学时分配理论授课：56实验：8考核方法平时考勤10%，作业10%，实验10%期末考试70%1.1电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态一次设备：一般将电能通过的设备。如:发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、补偿电容器、电动机及其它用电设备等。电力系统：二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备。如:电流互感器、电压互感器、各类保护装置等。电力系统运行状态：指电力系统在不同运行条件（负荷水平、出力配置、系统接线、故障等）下的系统与设备的工作状况。电力系统运行条件：一般可用三组方程式描述，一组微分方程式用来描述系统元件及其控制的动态规律，两组代数方程式则分别构成电力系统正常运行的等式和不等式约束条件等式约束条件是由电能性质本身决定的，即系统发出的有功和无功应在任一时刻与系统中随机变化的负荷（包括传输损耗）相等。0GiDjSPPP0GiDjSQQQ发电机或其它电源设备(i)发出的有功和无功功率；GiGiPQDjDjPQSSPQ电力系统中各种有功、无功功率损耗。各种负荷（j）使用的有功和无功功率；有功平衡无功平衡不等式约束条件是涉及供电质量和电力设备安全运行的某些参数，它们应处于安全运行的范围内（上限及下限），例如:maxkkSS发电机、变压器或用电设备的功率潮流及其上限maxminiiiUUU母线电压及其上、下限maxijijII输配电线路中的电流及其上限maxminfff系统频率及其上、下限maxminmaxmaxminmaxkkiiiijijSSUUUIIfff▲根据不同的运行条件，可以将电力系统的运行状态分为正常状态、不正常状态和故障状态。▲电力系统运行控制的目的就是通过自动的和人工的控制，使电力系统尽快摆脱不正常状态和故障状态，能够长时间运行在正常状态下。▲在正常状态下运行的电力系统，所有的等式和不等式约束条件均满足，表明电力系统以足够的电功率满足负荷对电能的需求；电力系统中各发电、输电和用电设备均在规定的长期安全工作限额内运行；电力系统中各母线电压和频率均在允许的偏差范围内，提供合格的电能。电力系统中电气元件正常工作遭到破坏，但未发生故障，这种情况属于不正常运行状态。1.1.2电力系统不正常工作状态在电力系统运行条件中，所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的电力系统工作状态称为不正常运行状态。例：负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（过负荷）系统中出现功率缺额而引起的频率降低（频率降低）电力系统发生振荡等小电流接地系统的单相接地引起非故障相电压升高过电压（发电机突然甩负荷）必须识别电力系统的不正常工作状态，通过自动和人工的方式消除这种不正常现象，使系统尽快恢复到正常运行状态。由于不正常工作状态对电力系统和电力设备造成的经济损失与运行时间长短有关，加之引起不正常工作状态的原因复杂，一般由继电保护装置检测到不正常状态后发出信号，或延时切除不正常工作的元件。1.1.3故障状态及其危害电力系统的所有一次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故障，使部分等式和部分不等式约束条件遭到破坏。例如：短路、断线、复杂故障等。最常见也是最危险的故障是发生各种形式的短路故障。发生短路以后可能产生以下后果：（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——故障点、故障元件；（2）短路电流通过非故障元件，发电机、变压器由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命——非故障元件；（3）系统中部分地区母线电压大大下降，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量——母线电压；（4）破坏电力系统各发电厂并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使系统瓦解——并列运行。故障类型三相短路k（3）两相短路两相接地短路单相接地短路其它故障故障次数133557164437故障概率0.73%1.96%3.19%92.05%2.06%2001年我国220kV电网输电线路故障统计表2001年我国220kV电网共有输电线路3543条，线路总长度141945公里，共发生故障1786次，故障率为1.25次/百公里年事故：指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏至不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。故障和不正常运行状态，均可能在电力系统中引发事故。事故引发事故的原因故障状态不正常状态自然因素（雷击、架空线倒杆）设备制造缺陷设计和安装的错误检修质量不高运行维护不当切除迟缓或错误切除设备事故电力系统继电保护与安全自动装置1.1.4继电保护的作用电力系统控制操作的技术与装备电力系统自动化（控制）电网安全自动装置继电保护装置保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备，主要进行电能生产过程的连续自动调节，动作相对迟缓，调节稳定性高为了在故障后迅速恢复电力系统的正常运行，或尽快消除运行中的异常情况，以防止大面积的停电和保证对重要用户的连续供电常采用的措施，自动重合闸，备用电源自动投入、低电压、低频率切负荷、解列等是指能反应电力系统中电气元件发生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泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。电力系统继电保护技术装置原理设计保护配置整定调试获取电量信息的电压、电流互感器二次回路继保装置到开关跳闸线圈的一整套具体设备如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备继电保护装置的基本任务a.自动、迅速、有选择性地将故障元件从系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，恢复无故障部分正常工作。b.反应电力设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号，减负荷或跳闸。1.2继电保护的基本原理及其组成1.2.1继电保护的基本原理提取和利用电力元件在三种运行状态下的“差异”“区分”出三种运行状态：正常、不正常、故障“甄别”出发生故障或出现异常的元件完成继电保护任务目前已经发现不同状态下具有明显差异的电气量有：流过电力元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件运行相电压幅值、序电压幅值；元件的电压与电流比值即“测量阻抗”等我们以上图为例分析一下利用不同的电气量特征分别能构成哪种保护：1线路电流幅值2母线的相间或对地电压幅值3线路始端电压与电流之比（即测量阻抗）正常时：负荷电流短路时：短路电流lIdI短路时电流幅值增大过电流保护差异构成正常时：在额定电压附近变化（5%-10%）短路时：短路点的相间或对地电压降低到零短路时电压幅值降低低电压保护差异构成正常时：反映该线路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角（功率因数角）短路时：反映该测量点到短路点之间线路段的阻抗短路测量阻抗幅值降低，阻抗角增大距离保护（低阻抗保护）差异构成(a)正常运行——如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差180°，两侧电流的矢量和为零。(b)外部短路——同上图，如果规定电流的正方向是从母线流向线路，那么，A-B两侧电流的大小相等，相位相差180°，两侧电流的矢量和为零。(c)内部短路——两侧电源分别向短路点供给短路电流，都是由母线流向线路，此时两个电流一般不相等，在理想条件下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等），两个电流同相位，两个电流的矢量和等于短路点的总电流，其值较大。其他类型的保护：电流差动保护纵联保护电流相位差动保护方向比较式纵联保护反应非电气量特征的保护气体保护过热保护纵联保护常被用做220kV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电力元件的主保护。纵联保护：利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护。电流差动保护：利用内部与外部短路时两侧电流矢量的差别构成。电流相位差动保护：利用内部与外部短路时两侧电流相位的差别构成。方向比较式纵联保护：利用内部与外部短路时两侧功率方向的差别构成。气体保护：当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器油受热分解所产生的气体而构成的保护。过热保护：当变压器油箱内部的绕组短路时，反应于变压器绕组温度的升高而构成的保护。1.2.2保护装置的构成输入信号执行部分逻辑部分测量部分输出信号测量部分:从被保护对象输入有关的电气量作为保护动作的判据,并与已给的整定值进行比较.判断保护是否动作。逻辑部分:使保护装置按一定的逻辑关系工作.确定是否应该使断路器跳闸或发出信号,是否延时等。执行部分:完成保护装置所担负的任务。a.故障时动作于跳闸b.不正常运行时发出信号c.正常运行时不动作1.3继电保护的基本要求可靠性指对于该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时它不拒动，而在任何其它该保护不应动作的情况下，则不应误动。选择性仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小。保证系统中非故障部分的正常工作。速动性保护装置能迅速动作切除故障。灵敏性指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。1可靠性保护在它应动作时,即在保护范围内发生了它应该动作的故障时不拒动,而在它不应动作时,即正常运行或区外故障时不误动的性能.可靠性包含两个方面：安全性：要求继电保护再不需要它动作时可靠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动。2选择性选择性——保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中断开，最大限度地保证系统中无故障部分仍能继续安全运行。它包含两层意思：其一：只应由装在故障元件上的保护装置动作切出故障。其二：要力争相邻元件的保护装置对它起后备保护的作用。保证选择性应注意做到：一使本线路近后备保护与主保护正确配合。二相邻元件远后备保护的正确配合：1上级元件后备保护的灵敏度低于下级后备保护的灵敏度。2上级元件后备保护的动作时间大于下级元件后备保护动作时间。以下图举例简单说明保护的选择性。k1短路由线路A-B的保护动作跳开断路器QF1和QF2故障被切除d3短路由线路C-D的保护动作跳开断路器QF6只有变电所D停电由于种种原因造成断路器QF6跳不开线路B-C的保护动作跳开断路器QF5线路B-C的保护本来能动作跳开断路器QF5线路A-B的保护抢先跳开断路器QF1和QF3有选择性无选择性以下图举例简单说明保护选择性3速动性保护装置能迅速动作切除故障切除故障的时间:包括继电保护的动作时间和断路器跳闸的时间•快速切除故障:a.可以减小故障元件的损坏程度.b.可以迅速恢复非故障部分的正常工作,缩短用户在低电压下的工作时间.c.提高系统并列运行的稳定性.d.故障点易于去游离,提高重合闸可靠性.•速动而有选择性的保护装置,一般都较复杂,且价格高.可根据实际情况提出适当要求.一般情况高压电网发电厂或重要用户的母线电压低于0.7Ve大容量的发电机,变压器以及电动机的内部故障等要求快速切除.T切除故障=t保护动作+t断路器跳闸下图给出某电网同一点发生不同类型的短路时，暂态稳定极限随故障故障切除时间的变化曲线4灵敏性指保护对其保护范围内发生的故障或不正常工作状态的反应能力.•通常用灵敏系数Ksen衡量.对于反应故障时参数增大而动作继电保护.继电保护的动作参数的整定值不灵敏，拒动大灵敏，误动小主保护后备保护Ksen1.5-1.7Ksen1.2-1.31.4继电保护发展继电保护技术是随电力系统的发展