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电力系统基本概念及继电保护基本原理2006年6月电力系统的基本概念一、电力系统的组成电力系统：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。电网：电力系统中输送和分配电能的部分称为电力网。元件、输电线、终端馈线的概念输电线路发电机降压升压负荷原动机水库锅炉风力电力网电力系统电力系统示意图二、电力系统运行的基本要求运行基本特点：1）电能不能大量存储：生产、输送和使用同时进行；电容器是否用来储存电能的？抽水蓄能电站?2）电力系统的暂态（故障）过程非常短暂；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。4）故障的发生具有偶然性的，如果处理不当，会迅速扩大。运行基本要求1）安全可靠供电A实时监控设备的运行状态；B及时认真维修设备以减少故障的发生；C不断提高运行人员的技术水平，减少误操作；（电力系统大部分事故是因为误操作）D系统具备有足够的电源容量；（美加大停电据说就是因为系统备用容量不足）E完善电力系统的结构；（双（多）电源、双回（多回））F划分负荷等级。（变压器过负荷分轮次自动减载）2）电能质量（电压、频率、谐波）；（钢铁行业产生大量的谐波，严重污染电网）3）经济运行：降低耗煤率，降低线损等。（潮流分析、负荷预测）无备用网络有备用网络三、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：单母线接线双母线接线单母线分段接线外桥接线内桥接线3、常见的一次系统接线方式四、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（强电）；2、二次设备：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电气设备，如熔断器、控制开关、保护装置、控制电缆等。（弱电）继电保护的基本原理一、系统发生短路时可能产生的严重后果1、数值较大的短路电流通过故障点时，引燃电弧，使故障设备损坏或烧毁；2、短路电流通过非故障设备时，产生发热和电动力，使其绝缘遭受到破坏或缩短使用寿命；3、电力系统中部分地区的电压大幅度下降，破坏电能用户正常工作或影响产品的质量；4、破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性，使系统发生振荡，甚至使整个电力系统瓦解。（频率稳定和电压稳定）二、继电保护装置继电保护装置是指安装在被保护设备上，反应被保护设备故障或不正常运行状态并作用于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护装置最初是以机电式继电器为主构成的，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。三、继电保护装置的基本任务1、自动、迅速、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，使故障设备免于继续遭到破坏，保证其他无故障设备迅速恢复正常运行；(在最短的时间内，切除故障，把事故限制在最小的范围内)2、反应电气设备的不正常运行情况，并根据运行维护的条件，动作于发信号，由运行人员进行处理或自动进行调整或将继续运行会引起事故的电气设备切除，此类装置允许带有一定的延时。3、继电保护装置还可以和电力系统中其它自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间。（养兵千日，用兵一时，国境线不可一日无兵，电力系统不可一刻无保护）四、继电保护的基本特性4个基本要求：1、选择性：即保护装动作时，仅将故障设备从电力系统中切除，尽量缩小停电范围，保证无故障部分仍能继续安全运行。保护装置或断路器可能拒动，需考虑后备保护问题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，以及缩小故障设备的损坏程度。常识：快速保护动作时间一般30ms，最快10ms断路器动作时间一般60～150ms，最快20～60ms3、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应能力。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：4、可靠性：保护范围内发生了应该动作的故障时，必须可靠动作；不该动作时，必须可靠不动。四性的相互关系：1、选择性与速动性存在矛盾，二者兼顾，结构复杂，成本过高有些情况必须保证快速动作：1）维持系统稳定，快速切除高压输电线路故障；2）使发电厂或重要用户母线电压低于允许值（一般0.7以下）3）大容量发电机、变压器、及电动机内部故障4）危及人身安全或公共安全的故障等（差动保护可解决矛盾）2、灵敏性与可靠性存在矛盾，太灵敏，易“误动”；过分的考虑“稳妥性”，增加了“拒动”的可能性。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。3、快速性与可靠性五、继电保护装置发展史1、机电式继电器：以电磁型、感应型、电动型继电器为主，都具有机械转动部分。2、晶体管继电保护装置（第一代电子式静态保护装置）3、集成电路继电保护装置（第二代电子式静态保护装置）。4、微机保护装置（采用单片机、DSP、嵌入式微机等）线路保护的基本原理一、三段式电流保护1、电流速断保护（第I段电流保护、瞬动I段电流保护)：1）简单可靠、广泛应用；缺点是不可能保护线路的全长，且保护范围受系统运行方式的和短路类型变化的影响；对于短线路很可能保护范围为零（首末端短路电流相差不大）。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。2、时限电流速断保护（第II段电流保护）1）切除本线路上速断保护范围以外的故障，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相邻线路I段或II段电流保护的范围，动作时限比相邻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（第III段电流保护）能保护本线路的全长，也能保护相邻线路的全长，作为本级线路的近后备保护，还作为相邻线路的远后备保护，以时限保证选择性。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，而在电网发生短路故障时，则能反映于电流的增大而动作。4、三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。当两条并行线路发生异地两相接地时只有2/3机会切除一条线路，而采用三相星形接线时100％同时切除两条线路（直接接地），不利于小电流接地系统运行。串联线路发生此情况时则有1/3机会误动，切除近电源故障点，扩大停电范围。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）。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、电网相间短路的方向电流保护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，使保护不能判别方向，通常指保护存在“电压死区”，可能引起保护拒动，故为了减少或消除“死区”，采用90度接线，即进行方向判断时，A相电流对BC相间电压进行判断，B相电流对CA相间电压进行判断，C相电流对AB相间电压进行判断。2）采用记忆功能：采用90度接线仍然不能减小和消除三相短路时的死区，因此采用记忆回路，即保护装置记录故障前的几个电压波形，当故障发生时，将故障电流与记录的电压相角进行比较。3）调整功率方向元件内角，可以使功率方向元件测量功率最大，具有最好的灵敏性，取决于线路的短路阻抗，一般为30或45度DCAP-3000装置方向保护动作区示意图内角不动作区动作区90UCUBUBCUA45三、中性点直接接地电网的零序保护1、中性点直接接地电网发生接地时零序分量的特点：1）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越低。2）零序电流的分布，主要决定于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，与电源数目和位置无关。3）对于发生故障的线路，两端零序功率的方向与正序功率的方向相反，由线路流向母线。4）任一保护安装处的零序电压与零序电流之间的关系，与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关，保护安装处的零序电压实际上是该点到零序网络中性点之间零序阻抗上的电压降。5）在电力系统运行方式变化时，如果送电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络也不变。运行方式发生变化时，正序阻抗和负序阻抗改变引起零序电压分量改变间接影响零序电流。(a)电网接线；(b)零序网络；(c)零序电压的分布；(d)不计电阻时的向量图；(e)计及电阻时的向量图接地短路时的零序等效网络2、三段式零序电流保护与三段式电流保护类似，但只反应接地短路，以I段零序为例1）零序I段（零序电流速断）整定原则：A躲过被保护线路末端单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流。B躲过断路器三相触头不同时接通时所出现的最大零序电流。C当线路采用单相自动重合闸时，应躲开在非全相运行状态下又发生系统振荡时，所出现的最大零序电流。2)分析：A在有些情况下，如果按照原则2）整定使启动电流过大，而使保护范围缩小，可以考虑在手动合闸以及三相重合闸时，将该保护带有一定的延时（0.1秒），以躲过断路器三相不同期合闸。B对于线路采用单相自动重合闸时，如果按照原则1）、2）进行整定，一般躲不过非全相运行状态下又发生系统震荡时的最大零序电流，在这种情况下，一般设置两个零序速断保护：灵敏一段：按照原则a、b整定，故定值较小，保护范围较大，主要任务是全相运行情况下的保护，而当单相重合闸启动时闭锁，恢复时投入。不灵敏一段：按照原