電力系統(tǒng)繼電保護

電力系統(tǒng)繼電保護第1頁/共68頁2關于繼電保護及安全自動裝置的定義“當電力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障或發(fā)生了危及其安全穩(wěn)定的事件時，向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令，以終止這些事件發(fā)展的一種自動化措施和設備。實現(xiàn)這種自動化措施的成套硬件設備，用于保護電力元件的，一般通稱為繼電保護裝置；而用于保護電力系統(tǒng)的則通稱為電力系統(tǒng)安全自動裝置。繼電保護裝置是保證電力元件安全運行的基本裝備，任何電力元件不得在無繼電保護的狀態(tài)下運行；電力系統(tǒng)安全自動裝置則用以快速恢復電力系統(tǒng)的完整性，防止發(fā)生和終止已開始發(fā)生的足以引起電力系統(tǒng)長期大面積停電的重大系統(tǒng)事故，如失去電力系統(tǒng)穩(wěn)定、頻率崩潰和電壓崩潰等?！?/p>

——摘自中國電力百科全書第2頁/共68頁3繼電保護與安全自動裝置的同異作用：保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行相同之處：對運行中的系統(tǒng)或電力設備進行實時的在線監(jiān)視，并依照預先設定的方案進行控制繼電保護：對應單個元件，當某一電力設備發(fā)生故障時，發(fā)出告警信號或作用于斷路器將其退出運行。安全自動裝置：對應全部或部分系統(tǒng)，在系統(tǒng)的運行狀態(tài)發(fā)生變化，且有可能造成大范圍的事故之前，將部分負荷、發(fā)電機、變壓器與系統(tǒng)解列，或將原運行的大系統(tǒng)接列為若干個獨立運行的系統(tǒng)，從而避免系統(tǒng)的失穩(wěn)或瓦解。第3頁/共68頁4繼電保護在電力系統(tǒng)中的重要作用電力系統(tǒng)的日常運行中較常見的故障和不正常運行工況：

短路、斷線、接地、過負荷、振蕩等上述故障和不正常運行工況的危害：如果處理不及時或處理不當，往往會引發(fā)更大范圍的系統(tǒng)事故，造成系統(tǒng)的全部或部分的正常運行狀態(tài)遭到破壞，用戶停電，電能質量破壞和設備損壞。出現(xiàn)上述故障或不正常運行工況后的處理措施：迅速地將故障部分與正常運行的系統(tǒng)相隔離，將故障造成的影響減少到最低限度。避免事故的擴大，保證電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運行。通常，在系統(tǒng)發(fā)生故障時，依靠人的判斷和處理是來不及的，這一任務須由繼電保護和安全自動裝置來完成。

第4頁/共68頁5故障特征(故障量）主要繼電保護裝置的基本原理用于繼電保護狀態(tài)判別的故障量，隨被保護對象而異，也隨所處電力系統(tǒng)的周圍條件而異。使用得最為普遍的是工頻電氣量。最基本的是通過電力元件的電流和所在母線的電壓，以及由這些量演繹出來的其他量，如功率、相序量、阻抗、頻率等，從而構成電流保護、電壓保護、阻抗保護、頻率保護等。有關規(guī)定第5頁/共68頁6繼電保護的分類按照保護原理分類按照故障類型分類按照保護的范圍分類按被保護設備分類按照保護的硬件結構分類第6頁/共68頁7繼電保護是一個系統(tǒng)繼電保護直流電源系統(tǒng)反映系統(tǒng)運行狀態(tài)的電氣量和非電氣量告警信號斷路器通信設備及通道調度自動化信息遠傳綜合自動化系統(tǒng)故障錄波安全自動裝置系統(tǒng)運行方式第7頁/共68頁8繼電保護投入運行前的準備工作保護裝置的選型配置保護定值的整定計算保護裝置的安裝、調試繼電保護系統(tǒng)的傳動檢查利用實際系統(tǒng)進行保護交流輸入回路正確性的檢查第8頁/共68頁9影響繼電保護正確動作主要因素直流電源異常交流電流、電壓回路異常繼電保護裝置本身異常繼電保護外部直流回路異常電磁干擾（電磁兼容）縱聯(lián)通道異常繼電保護設計考慮不周導致的原理缺陷人員行為失誤導致的繼電保護不正確動作一次系統(tǒng)方式不合理導致的繼電保護不正確動作其它第9頁/共68頁10繼電保護的事故分析簡單事故較容易判斷，根據(jù)保護動作情況、開關動作情況以及系統(tǒng)內其它廠站是否感受到故障沖擊便可確定。復雜事故的分析較為困難，特別是在一次事故中有多套保護動作、多臺開關跳閘時，事故分析便需要根據(jù)保護動作情況、開關動作順序、多個廠站的故障錄波圖以及其它事故追憶報告、經驗等綜合進行分析。繼電保護事故的分析應綜合考慮事故現(xiàn)場的環(huán)境，如現(xiàn)場是否有人工作、相鄰設備是否發(fā)生故障、天氣情況等。在做出繼電保護動作行為正確與否的判斷前千萬慎重。第10頁/共68頁11繼電保護裝置運行中的注意事項繼電保護必須按照經過計算的定值進行整定

繼電保護運行必須提前制訂現(xiàn)場運行規(guī)程繼電保護出現(xiàn)異常時，必須及時退出，并通知有關專業(yè)人員進行處理線路兩側的縱聯(lián)保護應同時投退，否則有在區(qū)外故障時誤動縱聯(lián)差動類保護非正常斷開一側電流或非正常停用單側保護裝置，可能會導致誤動第11頁/共68頁12謝謝第12頁/共68頁131)

過電流保護2)

低電壓保護3)

高（過）電壓保護4)

功率方向保護5)

阻抗（距離）保護6)

差動保護7)

暫態(tài)分量保護8）非電氣量保護

按照保護原理分類第13頁/共68頁14按照故障類型分類相間故障保護接地故障保護匝間短路保護非全相運行保護第14頁/共68頁15按照保護的范圍分類電力系統(tǒng)元件（發(fā)電機、變壓器、線路、母線、電動機等等）繼電保護的基本任務，也是對繼電保護配置的總體要求，是當被保護的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時，應該由該元件的繼電保護裝置迅速準確地給距離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令，使故障元件及時從電力系統(tǒng)中斷開，以最大限度地減少對電力元件本身地損壞，降低對電力系統(tǒng)安全供電的影響，并滿足電力系統(tǒng)的某些特定要求（如保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等）。充當這種第一線保護作用的繼電保護叫主保護；而當這個任務不能實現(xiàn)時，則應由其他的繼電保護或相鄰電力元件的繼電保護動作，將故障元件自電力系統(tǒng)中斷開。起后一種保護作用的繼電保護叫后備保護。第15頁/共68頁16按被保護設備分類線路保護發(fā)電機變壓器組保護變壓器保護母線保護斷路器失靈保護電動機保護電抗器保護第16頁/共68頁17按照保護的硬件結構分類電磁型保護晶體管型保護集成電路型保護微機型保護第17頁/共68頁18線路保護主保護：對于超高壓線路，一般將能夠瞬時切除本線路故障的縱聯(lián)保護稱之為主保護縱聯(lián)方向保護縱聯(lián)距離保護縱聯(lián)電流差動保護后備保護：能夠瞬時的切除本線路的部分故障，能夠經過預定的延時切除本線路和相鄰線路的故障，通常是用于主保護因故不能發(fā)揮作用時的備用措施階段式阻抗（距離）保護階段式零序電流保護電流保護過電壓保護

第18頁/共68頁19發(fā)電機變壓器組保護發(fā)變組大差動保護發(fā)電機差動保護定子接地保護轉子接地保護負序過電流保護發(fā)電機匝間短路保護逆功率保護變壓器差動保護阻抗保護過電流保護瓦斯保護第19頁/共68頁20變壓器保護變壓器差動保護阻抗保護復合電壓閉鎖過電流保護過激磁保護瓦斯保護第20頁/共68頁21母差保護比例制動式母差保護母聯(lián)電流相位比較式母差保護不完全差動式母差保護固定分配式母差保護第21頁/共68頁22斷路器失靈保護失靈作用是：當系統(tǒng)發(fā)生故障，相應的保護裝置動作，但與其對應的斷路器因故不能跳開切除故障，此時，失靈保護跳開與拒動斷路器相鄰的其它斷路器，以便將故障點與系統(tǒng)隔離。第22頁/共68頁23繼電保護配置選型原則兩點基本要求：任何電力設備和線路，在任何時候不得處于無繼電保護的狀態(tài)下運行。任何電力設備和線路在運行中，必須在任何時候均由兩套完全獨立的繼電保護裝置分別控制兩套完全獨立的斷路器跳閘回路實現(xiàn)保護。繼電保護的配置與選型應符合“四性”的要求：可靠性選擇性靈敏性速動性

第23頁/共68頁24繼電保護的整定計算目的：對電力系統(tǒng)中已經配置安裝好的各種繼電保護裝置，按照具體電力系統(tǒng)的參數(shù)和運行要求，通過計算分析給出所需的各項整定值，使全系統(tǒng)中各種繼電保護有機協(xié)調配合，使其正確地發(fā)揮作用。

基本任務：對各種繼電保護給出整定值；而對電力系統(tǒng)中的全部繼電保護來說，則需編制一個整定方案。整定方案通常按電力系統(tǒng)的電壓等級或設備來編制，按照繼電保護的功能劃分成小的方案分別進行。各種繼電保護適應電力系統(tǒng)運行變化的能力都是有限的，因而，繼電保護整定方案也不是一成不變的，當電力系統(tǒng)運行情況的變化超過其預定的適應范圍時，就需要對全部或部分繼電保護裝置重新進行整定，以滿足新的運行要求。

第24頁/共68頁25繼電保護整定配合的三個要點：保護的范圍要有配合，上一級的保護范圍比下一級的范圍小，末端發(fā)生短路時，本級保護的靈敏度要比上一級保護的靈敏度高。時間定值上要有配合，上下級保護的時限要有級差。保護整定時要考慮方向性。

第25頁/共68頁26干擾現(xiàn)代電力系統(tǒng)，尤其是發(fā)電廠與變電所內，是一個具有高強度電磁場環(huán)境的特殊地域。從電磁能量發(fā)送和接收的角度來看，站內的電氣設備在正常和異常運行狀態(tài)下都會產生或遭受到各種電磁干擾。例如高壓電氣設備的倒閘操作、低壓交直流回路的電氣設備操作、短路故障等所產生的瞬變過程，電氣設備周圍的靜電場和磁場、電暈、雷電、電磁波輻射、人體與物體的靜電放電等都會產生頻率、瞬間電壓較高的噪聲，因此，裝在高壓變電所內的繼電保護和自動裝置不斷受到正常運行情況下和某些特殊偶然情況下的強電磁場干擾。并使站內運行的二次設備，特別是繼電保護裝置，受到嚴重影響。第26頁/共68頁27干擾自從半導體技術引入繼電保護裝置，特別是近年來采用了微機型保護，高壓變電所的強電磁干擾影響成為一個突出的問題。造成高壓變電所強電磁干擾環(huán)境有多種因素，諸如雷擊、系統(tǒng)故障、變電所內高壓開關操作，以及來自二次回路的操作和電網(wǎng)諧波等等。如何與變電所的電磁干擾相協(xié)調，已成為一個突出的問題。第27頁/共68頁28為什么現(xiàn)在的保護抗干擾問題這么突出？60年代以前繼電保護裝置大多是由具有很高抗電磁干擾能力的電磁型元件構成時，變電所的電磁干擾問題并沒有提上議事日程。60年代中期以后電網(wǎng)最高電壓由230～345kV提高到400～735kV半導體器件、微電子器件開始應用于高壓變電所繼電保護與自動裝置無屏蔽的塑料控制電纜逐漸取代原來的鎧裝鉛包電纜二次回路設備的電磁干擾問題慢慢開始突顯出來。第28頁/共68頁29干擾的來源雷擊隔離開關操作步話機輻射干擾工頻干擾斷開直流回路電感線圈靜電放電中壓開關柜操作直流電源的中斷及恢復第29頁/共68頁30抗干擾的基本措施為保證控制與繼電保護裝置的正常運行，一方面是這些裝置本身應具有符合要求的抗干擾能力。另一方面應該采取相應措施使傳到這些二次設備的干擾水平降低到它們可以接受的水平。提高繼電保護的抗干擾能力可通過以下方法實現(xiàn)：降低干擾源的能量、電壓加強防護，減少干擾信號的侵入吸收干擾信號提高設備自身成受干擾的能力

以上四項措施相互結合，共同作用。第30頁/共68頁31階段式保護動作范圍及時序第31頁/共68頁32線路縱聯(lián)保護的介紹僅反應線路一側電氣量的保護裝置，由于計算誤差；互感器和保護裝置本身的誤差，以及系統(tǒng)運行方式；短路暫態(tài)過程等因素的影響，不能將本線路末端的故障與相鄰線路始端的故障區(qū)分開來，為保證選擇性，在線路末端發(fā)生故障時，這種保護只能帶一定延時動作。利用信號傳輸通道作為媒體將線路一側的電氣量或保護裝置對故障方向的判斷傳送到線路另一側，使保護裝置能同時根據(jù)線路兩側的電氣量或跳閘信息，區(qū)分本線路與相鄰線路的故障，便可無延時地切除本線路任意一點發(fā)生的故障。借助于通道構成全線速動的線路保護統(tǒng)稱為線路縱聯(lián)式保護。第32頁/共68頁33線路縱聯(lián)保護所使用的通信通道線路高頻相差保護閉鎖式高頻方向保護閉鎖式高頻距離保護導引線縱差保護——允許式縱聯(lián)方向保護允許式縱聯(lián)距離保護行波保護分相式線路縱差保護——}繼電保護專用高頻收發(fā)信機導引線}FSK音頻接口、電力載波機、微波、光纖等微波、光纖第33頁/共68頁34縱聯(lián)保護的基本構成第34頁/共68頁35高頻通道的構成第35頁/共68頁36繼電保護專用收發(fā)信機參數(shù)：額定頻率范圍：50～400kHz;額定中心頻率(f0):f0=(50+2n)kHz,n=0,1,2,3,…,175;額定帶寬：4kHz.額定輸出阻抗：

75Ω(100Ω)，不平衡額定輸出電平(功率)：40dBm(10W)43dBm(20W)46dBm(40W)調制方式：ON/OFF方式第36頁/共68頁37繼電保護專用收發(fā)信機第37頁/共68頁38繼電保護音頻接口第38頁/共68頁39關于電流方向的定義所有接在母線上的元件均以母線作為參考點，規(guī)定電流流出母線為正方向，流入母線為反方向。如果以母線線電壓為基準，當負載為純感性時，正方向的電流反映為：電流落后電壓90°；當負載為純阻性時，正方向的電流反映為：電流與電壓同相位。第39頁/共68頁40電流、電壓波形第40頁/共68頁41故障電流的方向第41頁/共68頁42相間故障錄波第42頁/共68頁43接地故障錄波武范線Ia武范線Ib武范線Ic武范線3I0第43頁/共68頁44以母線流向被保護線路方向為正方向。動作電流(差動電流)為：制動電流為：動作電流與制動電流對應的工作點位于比率制動特性曲線上方，繼電器動作。

輸電線路電流縱差保護原理第44頁/共68頁45線路內部短路動作電流：

制動電流：因為繼電器動作。凡是在線路內部有流出的電流，都成為動作電流。

輸電線路電流縱差保護原理第45頁/共68頁46線路外部短路

動作電流：制動電流：因為繼電器不動。凡是穿越性的電流不產生動作電流，只產生制動電流。輸電線路電流縱差保護原理第46頁/共68頁47⑴電容電流的影響電容電流是從線路內部流出的電流，因此它構成動作電流。由于負荷電流是穿越性的電流，它只產生制動電流。所以在空載或輕載下電容電流最容易造成保護誤動。

輸電線路電流縱差保護的主要問題解決方法：①用起動電流定值躲本線路電容電流。②起動電流定值躲不了電容電流時，進行電容電流補償。第47頁/共68頁48⑵重負荷情況下線路內部經高電阻接地短路，靈敏度可能不夠。負荷電流是穿越性的電流，它只產生制動電流而不產生動作電流。當經高電阻短路時，短路電流很小，因此動作電流很小，因而靈敏度可能不夠。

解決方法：采用工頻變化量比率差動繼電器和零序差動繼電器輸電線路電流縱差保護的主要問題第48頁/共68頁49⑶TA斷線，差動保護會誤動。為了在單側電源線路內部短路時電流縱差保護能夠動作，因此差動繼電器在動作電流等于制動電流時應能保證動作。這樣在一側TA斷線時差動保護會誤動。解決方法：采取措施防止TA斷線時差動繼電器誤動。輸電線路電流縱差保護的主要問題第49頁/共68頁50

⑷

由于兩側TA暫態(tài)特性和飽和程度的差異、二次回路時間常數(shù)的差異在區(qū)外故障或區(qū)外故障切除時出現(xiàn)差動電流（動作電流），容易造成差動繼電器誤動。解決方法：提高比率制動特性的起動電流和制動系數(shù)。在制動量上增加浮動門檻。輸電線路電流縱差保護的主要問題第50頁/共68頁51⑸兩側采樣不同步，造成不平衡電流的加大。線路縱差保護與主設備保護中用的縱差保護不同，線路縱差保護兩側電流是由不同裝置采樣的。兩側電流采樣時間不一致，使動作電流不是同一時刻的兩側電流的相量和，最大的誤差是相隔一個采樣周期。這將加大區(qū)外故障時的不平衡電流。解決方法：兩側同步采樣，或進行相位補償。如：采用小步幅調整采樣周期實現(xiàn)采樣同步。輸電線路電流縱差保護的主要問題第51頁/共68頁52工頻變化量（突變量）方向保護根據(jù)電力系統(tǒng)故障分析理論，輸電線上的短路故障可視為在故障點上突然疊加了一個與該點故障前電壓大小相等、幅值相反的電源EF，而故障電流及故障時母線上的電壓之間差值是由于該故障電源EF的作用所造成的，這樣，當將系統(tǒng)所有電勢均短接，僅保留在故障點上所加的故障電源EF，并規(guī)定了電流自母線流向線路為正時，便可根據(jù)電流方向確定出故障點是否在保護的正方向上?，F(xiàn)代電子技術的發(fā)展，使得欲想得到故障時電流及電壓的變化量成為一件較為容易的事情。反應工頻變化量的方向繼電器經通道控制可快速切除被保護線路全線范圍內的各種類型故障，保護的靈敏度較高，基本上不受過渡電阻的影響。第52頁/共68頁53工頻變化量（突變量）方向保護工頻變化量方向高頻保護中有三個正方向動作的工頻變化量方向繼電器F+及三個反方向動作的工頻變化量繼電器方向F-，正、反方向繼電器均按AB、BC、CA設置。其中正方向繼電器測量相角++=arg式中為AB、BC、CA，Zd為模擬阻抗，CZd0·5ZL，ZL為線路阻抗。反方向繼電器測量相角--=arg式中為AB、BC、CA，Zd為模擬阻抗。

第53頁/共68頁54工頻變化量（突變量）方向保護理論推導證明：無論發(fā)生何種類型的故障，當故障點在保護的正方向時，對于正方向動作的工頻變化量繼電器F+有：+=180對于反方向動作的工頻變化量繼電器F-有：-=0而當故障點在保護的反方向時，對于正方向動作的工頻變化量繼電器F+有：+=0對于反方向動作的工頻變化量繼電器F-有：-=180即反應工頻變化量的正、反方向繼電器具有非常明確的方向性。第54頁/共68頁55工頻變化量（突變量）方向保護第55頁/共68頁56RADSS母差保護簡介第56頁/共68頁57RADSS母差保護簡介正常運行：

1LH和2LH的一次電流大小相等方向相反.例如在1LH一次電流正半波時,其二次電流進入1LHf正極性端,經過變換后,1LHf二次電流從正極性端流出進入整流橋,經整流后變成直流電流IT進入兩制動電阻Rz/2,然后變?yōu)镮L,通過整流二極管回到2LH的正極性端.在負半周時,交流回路電流方向相反,但直流回路電流IT和IL方向不變.由于正常運行時IT=IL,Id=IT-IL=0,無差流,故J不動作.示意1示意2第57頁/共68頁58RADSS母差保護簡介區(qū)外故障（d1短路）：

1LH和2LH電流流通情況與上述相似,但由于CT飽和程度不同,各二次電流之和已不為0,IT≠IL,產生不平衡電流Id（Id=IT-IL）流入差回路,經變流器Tm變換整流后加于電阻Rd,只要參數(shù)選擇適當,完全可使Uz＞Ud,J不會誤動.故障示意第58頁/共68頁59RADSS母差保護簡介區(qū)內故障（d2短路）：

1LH和2LH的一次電流相位完全