繼電保護教案

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課題一繼電保護和自動裝置概述

一、繼電保護和自動裝置的作用、任務(wù)

繼電保護及自動裝置是電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運行的可靠保證。電力系統(tǒng)是發(fā)、供、用電的總稱，在運行中不可避免地會發(fā)生各種形式的短路故障和不正常工作狀態(tài)，將在電力系統(tǒng)中引起事故。

繼電保護的任務(wù)是：當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，給控制設(shè)備的斷路器發(fā)出跳閘信號，將故障設(shè)備切除；當系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運行狀態(tài)時，應(yīng)發(fā)出報警信號，通知運行人員及時處理，以防止發(fā)展成故障而引起事故的產(chǎn)生。

電能的生產(chǎn)、輸送、分派、使用是同時進行的，隨著發(fā)電機單機容量及電力系統(tǒng)容量的不斷擴大，對運行水平的要求越來越高。因此自動裝置的任務(wù)是：協(xié)同繼電保護提高供電的可靠性；保證電能質(zhì)量、提高系統(tǒng)經(jīng)濟運行水平、減輕運行人員的勞動強度；自動記錄故障過程，以利于分析處理事故。

二、基本原理和基本要求

繼電保護的功能，就是將檢測到的電氣量與整定值進行比較，在越過整定值或邊界時就動作。繼電器由測量元件、規(guī)律元件和執(zhí)行元件組成的一種自動電器。繼電保護裝置工作的好壞用以下四項基本要求來衡量：

可靠性。電力系統(tǒng)正常運行時，繼電保護裝置應(yīng)可靠地不動作（稱為安全性）；當被保護設(shè)備發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)時，繼電保護裝置應(yīng)可靠動作（稱為可依靠性）。

迅速性。是指繼電保護裝置的動作速度要快。理論上，動作速度越快越好，但實際應(yīng)用中，為防止干擾信號造成保護裝置誤動及保證保護間的相互協(xié)同，繼電保護不得不人為地設(shè)置一定的動作時限。

選擇性。是指當電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，繼電保護裝置發(fā)出跳閘命令僅將故障設(shè)備切除，使停電范圍盡可能減小，應(yīng)保證無故障部分繼續(xù)運行。

靈敏性。是指繼電保護裝置反應(yīng)故障的能力。靈敏性一般用靈敏系數(shù)來衡量。

以上四項基本要求，貫穿整個繼電保護內(nèi)容的始終，在滿足上述要求的同時還要考慮經(jīng)濟指標。應(yīng)當注意的是四個要求有時會相互矛盾。

三、題庫講解

電機(Lb2A3163).對繼電保護的基本要求包括可靠性、選擇性、靈敏性和速動性。其中，當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，只跳開離故障點最近的斷路器，使停電范圍最小，是指繼電保護的（）。(A)可靠性；（B）選擇性；（C）靈敏性；（D）速動性。答案:B

變電(La2A5036).繼電保護對發(fā)生在本線路故障的反應(yīng)能力叫()。(A)快速性；(B)選擇性；(C)靈敏性；(D)可靠性。答案:C5034

電機(Lb2C4059).什么是選擇性？畫圖舉例說明什么是有選擇性動作，什么是非選擇性動作？

答案:如圖C-1所示，只切除離故障點最近的斷路器，使停電范圍盡量減小，這稱為有選擇性動作。

當k2短路時,由保護2動作斷開2QF,稱為有選擇性動作;若保護1動作，斷開1QF,則稱為無選擇性動作。當k1短路時，若保護1拒動或1QF失靈，由保護2動作，斷開2QF,仍稱為有選擇性動作。

圖C-1

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課題二線路保護

一、電流、電壓保護

線路短路故障的顯著特點是電流增大、電壓降低，利用電流與電壓的變化，即可構(gòu)成反應(yīng)相間故障的電流、電壓保護，就可保證系統(tǒng)非故障部分的正常運行。

1、反應(yīng)相間故障的三段式電流保護裝置

三段式電流保護裝置由瞬時電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護組合構(gòu)成三段式電流保護裝置。瞬時電流速斷保護和限時電流速斷保護能保護線路全長，為線路的主保護。

瞬時電流速斷保護（又稱第Ⅰ段保護）可瞬時動作，但不能保護線路的全長。限時電流速斷保護（又稱第Ⅱ段保護）用以反應(yīng)瞬時電流速斷保護區(qū)外的故障，應(yīng)能保護線路的全長，還應(yīng)有盡可能短的動作時限。定時限過電流保護（又稱第Ⅲ段保護）作為本線路的近后備保護和下一線路的遠后備保護。附加判別功率方向的電流保護，稱為方向電流保護。判別短路功率的方向，是解決電流保護用于雙側(cè)電源或單電源環(huán)網(wǎng)輸電線路選擇性問題的有效方法。功率方向繼電器的作用就是判別功率的方向：正方向故障，功率從母線流向線路時就動作；反方向故障，功率從線路流向母線時不動作。

方向電流保護必需采用按相起動接線，否則可能引起保護裝置誤動作。2、電網(wǎng)的接地保護

電力系統(tǒng)按中性點接地方式可分為中性點直接接地系統(tǒng)、中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)三種。從原理上講，接地故障的保護可以與三相星形接線的相間短路電流保護共用一套設(shè)備，但該保護靈敏度低、動作時間長，所以應(yīng)采用專門的接地保護裝置。接地故障將產(chǎn)生零序分量是其最顯著的特點。

中性點直接接地系統(tǒng)發(fā)生接地故障時產(chǎn)生很大的零序電流，反應(yīng)零序電流增大而構(gòu)成的保護稱為零序電流保護。零序電流保護也采用階段式，即瞬時零序電流保護（零序電流Ⅰ段）瞬時動作，限時零序電流速斷保護（零序電流Ⅱ段）帶一個時間階梯動作，它們構(gòu)成了線路接地短路的主保護，定時限零序過電流保護（零序電流Ⅲ段）作為接地主保護的后備保護。在雙側(cè)或多側(cè)電源的網(wǎng)絡(luò)中，零序電流保護需增加方向元件，就組成了三段式零序方向電流保護。

在中性點非直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生單相金屬接地故障時，故障相對地電位為零，零序電壓值的大小等于相電壓，合成后的零序電流為故障前容性電流的三倍。不直接接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地時的保護方式有：絕緣監(jiān)視裝置、零序電流保護。

二、距離保護

由于電流保護的保護范圍受系統(tǒng)運行方式變化的影響很大，而距離保護裝置受系統(tǒng)運行方式的影響小，因此在高壓電網(wǎng)中得到廣泛應(yīng)用。

距離保護裝置是反應(yīng)故障點至保護裝置安裝處的距離，并根據(jù)距離遠近而確定動作時間的一種保護裝置。由于故障點至保護安裝處的距離與線路的阻抗成正比，故可通過測量線路的阻抗來反應(yīng)距離，它又被稱為阻抗保護。

為了滿足距離保護速動性、選擇性和靈敏性的要求，目前廣泛應(yīng)用具有三段動作范圍的時限特性。保護Ⅰ段瞬時動作，保護范圍為線路全長的80～85%。保護Ⅱ段帶一階梯時限（約0.5秒），保護范圍為本線路的未端及下一條線路的一部分。保護Ⅲ段作為本線路保護和相鄰線路保護的后備。三段式距離保護裝置，可由以下四個元件組成：保護起動和閉鎖元件、方向元件、測量元件、時間元件。

阻抗繼電器是距離保護的核心元件。阻抗繼電器要測量阻抗幅值的變化和相位的變化，其動作特性為復平面上的“幾何面積〞（稱為動作區(qū)）。當測量阻抗落入動作區(qū)時，繼電器動作；當落在動作區(qū)外，繼電器不動作。影響阻抗繼電器正確工作的因素好多，最主要的影響因素有：故障點的過渡電阻。故障點與保護安裝處之間的分支電流。斷線閉鎖。系統(tǒng)振蕩閉鎖。

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三、高頻保護

1、縱聯(lián)差動保護

縱聯(lián)差動保護是用輔助導線（或稱導引線）將被保護線路兩側(cè)的電量連接起來，通過比較被保護的線路始端與末端電流的大小及相位構(gòu)成的保護?？v差保護普遍采用環(huán)流法的接線方式。

在線路正常運行和外部故障時，由于線路兩側(cè)的電流基本相等，保護不動作；而在內(nèi)部故障時，兩側(cè)電流相差很大，差動繼電器可動作跳閘，從而可正確區(qū)分區(qū)內(nèi)與區(qū)外故障。

縱差動保護可保護線路全長，并全線快速切除故障，無需與相鄰線路保護在整定值上進行協(xié)同。2、橫聯(lián)差動保護

電力系統(tǒng)中常采用雙回線供電。橫聯(lián)差動保護的差動繼電器并接在相鄰兩線路電流互感器二次側(cè)的差回路上，利用平行線路內(nèi)部故障時兩線路阻抗不等而形成的電流差使繼電器動作。

當兩線路的阻抗不完全相等，或電流互感器的特性不一致時，繼電器中將流過不平衡電流，需采取以下方法來減小不平衡電流：采用具有D級鐵芯的電流互感器；減小和均衡電流互感器二次回路的負擔；應(yīng)用速飽和中間變流器。

橫聯(lián)方向差動保護是在橫差保護的基礎(chǔ)上，加裝方向元件構(gòu)成的，用功率方向繼電器來選擇故障線路。橫聯(lián)方向差動保護可反應(yīng)兩回線路電流之差的大小和方向，從而有選擇地切除故障線路。在單回運行時保護應(yīng)自動退出，以防保護誤動作。同時還需加裝一套保護（尋常采用反應(yīng)雙回線電流之和的三段式電流保護或距離保護），作為本線路和相鄰線路的后備保護和單回線路運行時的主保護。

3、高頻保護

為快速切除高壓輸電線路上任一點的短路故障，將線路兩端的電氣量轉(zhuǎn)化為高頻信號，然后利用高頻通道將此信號送到對端進行比較，決定保護是否動作，這種保護稱為高頻保護。繼電保護的高頻通道就是指高頻電流流通的路徑，目前使用的有：輸電線載波通道、微波通道、光纖通道等。

縱聯(lián)高頻閉鎖方向保護的基本工作原理是是比較被保護線路兩端的短路功率方向，保護采用故障時發(fā)信方式。發(fā)生區(qū)外故障時，接收反向短路功率的那一側(cè)發(fā)高頻信號，收信機受到高頻信號閉鎖，保護不跳閘。只有區(qū)內(nèi)故障時，被保護線路兩側(cè)的短路功率方向都是正方向，即由母線指向被保護線路時，兩側(cè)均不發(fā)閉鎖信號，保護才動作于斷路器跳閘。

高頻閉鎖方向保護的繼電部分由兩種主要元件組成，一是起動元件，用于故障起動發(fā)信機，發(fā)出高頻閉鎖信號；二是方向元件，用于測量故障方向，在保護的正方向故障時準備好跳閘回路。

高頻閉鎖方向保護可以快速地切除保護范圍內(nèi)的各種故障，但不能作為下一條線路的后備保護。而距離保護可作為外部故障時的后備保護。高頻閉鎖距離保護能正確反應(yīng)并快速切除各種短路故障，且有足夠的靈敏度，其中的距離保護還可兼作相鄰線路和元件的遠后備保護。當高頻部分故障時，距離保護仍可繼續(xù)工作，對線路進行保護。如將高頻閉鎖距離保護與零序電流方向保護的有關(guān)部分相連，則可構(gòu)成高頻閉鎖零序電流方向保護。

相差高頻保護的基本工作原理是通過比較被保護線路兩端短路電流的相位，來決定保護是否動作。我國廣泛采用故障時起動發(fā)信的相差調(diào)頻保護，在工頻電流的正半周發(fā)高頻信號，而負半周中止發(fā)信。相差高頻保護裝置由繼電部分、收發(fā)信機、通道設(shè)備三部分組成，每側(cè)的繼電保護部分包括起動元件、操作元件和電流相位比較元件。

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四、題目講解

變電(Lc2A2109).電力網(wǎng)發(fā)生三相對稱短路時，短路電流中包含有()分量。(A)直流；(B)零序；(C)正序；(D)負序。答案:C2112

變電(Lc2A2110).電力系統(tǒng)發(fā)生短路時，電網(wǎng)總阻抗會()。(A)減?。?B)增大；(C)不變；(D)忽大忽小。答案:A2113

電試(Jf2A3312).超高壓系統(tǒng)三相并聯(lián)電抗器的中性點經(jīng)小電抗器接地，是為了()。

A.提高并聯(lián)補償效果；B.限制并聯(lián)電抗器故障電流；C.提高電網(wǎng)電壓水平；D.限制“潛供電流〞和防止諧振過電壓。答案:D3351

電機(Lb2B4155).反應(yīng)故障點至保護安裝處阻抗，且動作的保護，稱為距離保護。（）答案:√

變電(Lc2B5134).小電流接地系統(tǒng)中的并聯(lián)電容器可采用中性點不接地的星形接線。()答案:√5150變電(Lc2B5138).無時限電流速斷保護的保護范圍是線路的70%。()答案:×

電試(Lb2B3120).在中性點不直接接地的電網(wǎng)中，發(fā)生單相接地時，健全相對地電壓有時會超過線電壓。()答案:√3122

電試(Je2B3300).電力系統(tǒng)在高壓線路進站串阻波器，防止載波信號衰減，利用的是阻波器并聯(lián)諧振，使其阻抗對載波頻率為無窮大。()答案:√3354

電試(Jf2B3320).能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定及設(shè)備安全要求，能以最快速度有選擇地切除被保護設(shè)備和線路故障的繼電保護，稱為主保護。()答案:√3375

電試(Je2C4144).怎樣測量輸電線路的零序阻抗?4150

答案:輸電線路零序阻抗測量的接線如圖C-12所示，測量時將線路末端三相短路接地，始端三相短路接單相交流電源。根據(jù)測得電流、電壓及功率，按下式計算出每相每公里的零序參數(shù)：

Z0＝3UI·1L

R0＝3PI2·1LX0＝Z0－R022

L0＝X02?f

式中P--所測功率，W；U--試驗電壓，V；

Z0--零序阻抗，Ω／(km·?)；R0--零序電阻，Ω／(km·?)；X0--零序電抗，Ω／(km·?)；L0--零序電感，H／(km·?)；

I--試驗電流，A；L--線路長度，km；f--試驗電源的頻率，Hz。變電(Lc2E3021).變電(Lc2E3021)說明圖E-32中電流互感器的接線方式。答案:此圖為零序接線。1025

電試(La2E1025).圖E-23中三相五柱電壓互感器的接線屬于何種接線?答案:屬于YN，yn,△接線。1024

圖E-23圖E-32圖C-12

變電(Je2F4058).斷路器為什么要進行三一致時接觸差(同期)的確定?JE1F4073

答案:原因有：(1)假使斷路器三相分、合閘不同期，會引起系統(tǒng)異常運行。(2)中性點接地的系統(tǒng)中，如斷路器分、合閘不同期，會產(chǎn)生零序電流，可能使線路的零序保護誤動作。(3)不接地系統(tǒng)中，兩相運行會產(chǎn)生負序電流，使三相電流不平衡，個別相的電流超過額定電流值時會引起電機設(shè)備的繞組發(fā)熱。(4)消弧線圈接地的系統(tǒng)中，斷路器分、合閘不同期時所產(chǎn)生的零序電壓、電流和負荷電壓、電流會引起中性點位移，使各相對地電壓不平衡，個別相對地電壓很高，易產(chǎn)生絕緣擊穿事故。同時零序電流在系統(tǒng)中產(chǎn)生電磁干擾，要挾通信和系統(tǒng)的安全，所以斷路器必需進行三一致期測定。

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課題三發(fā)電廠繼電保護

一、發(fā)電機保護

針對發(fā)電機可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài)，必需裝設(shè)專門的、性能完善的保護裝置。發(fā)電機的保護方式有：縱聯(lián)差動保護。反應(yīng)發(fā)電機定子繞組及引出線的相間故障。定子繞組匝間短路保護。定子接地保護。大容量的發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)100%的定子接地保護。過電流保護。對稱過負荷保護。勵磁回路接地保護。反應(yīng)發(fā)電機勵磁消失的失磁保護。轉(zhuǎn)子回路過負荷保護。大容量機組的逆功率保護。反應(yīng)水輪發(fā)電機和大型汽輪發(fā)電機定子繞組過電壓的過電壓保護。為了快速切除故障，保護裝置在跳開發(fā)電機出口斷路器的同時，應(yīng)作用于自動滅磁開關(guān)，切斷發(fā)電機勵磁電流。

1、發(fā)電機的縱差動保護

發(fā)電機的縱差保護能快速而靈敏地切除發(fā)電機定子繞組及引出線之間的故障，是發(fā)電機的內(nèi)部相間短路故障的主保護。發(fā)電機縱差動保護裝置采用環(huán)流法接線，電流互感器之間的定子繞組及其引出線即為縱差保護的保護區(qū)。

差動繼電器在流過穿越性電流時有不平衡電流，在二次回路斷線時流過負荷電流，因此差動保護的動作電流應(yīng)按躲過這兩個電流來整定。由于機端短路電流較大，一般能滿足靈敏度要求，但在中性點附近短路時，保護存在死區(qū)。死區(qū)的大小與動作電流有關(guān)，降低動作電流，可減小死區(qū)。

大型機組尋常采用比率制動式縱差動保護。適選中擇制動特性的轉(zhuǎn)折點，一方面保證外部短路故障時能可靠躲過最大不平衡電流，另一方面內(nèi)部故障時保護具有足夠的靈敏度。因此利用比率制動特性可有效地防止穿越性故障時的誤動作。

2、發(fā)電機的匝間短路保護

容量在25MW以上并且定子繞組為雙星形接線的發(fā)電機，才裝設(shè)發(fā)電機橫差保護，其作用是消除定子繞組匝間、分支間短路或分支開焊等故