建筑供配电第7章供电系统的保护.ppt

第7章 供电系统的保护,7.1 继电保护基础,供电系统中的继电保护是系统安全运行的重要保证，是自动、迅速、准确切除故障的指令环节，也是电站二次回路的主要组成。7.1.1 继电保护任务 正常运行状态中，除系统全部设备投入运行的状态之外，也包括部分设备的计划检修状态与紧急检修状态。事故运行状态主要指运行过负荷、故障丢负荷、单相接地及变压器轻瓦斯动作等事故状态。故障状态主要指各类系统短路以及变压器重瓦斯动作等系统故障分闸前的状态。,系统保护的任务主要包括以下内容：（1）当系统发生故障时，自动、迅速、准确地切除系统中的短路故障元件，以保证非故障部分系统的正常供电。（2）当系统发生事故时，正确反映电气设备的事故运行状态，便于操作人员采取措施，以及时恢复电气设备的正常运行。（3）与系统中的故障线路自动重合闸或备用电源自动投入等自动装置相配合，提高系统的供电可靠性。,7.1.2 继电保护装置,继电保护装置是保护系统的基本功能单元，经历了电磁式、感应式、晶体管、集成电路及微型计算机等几个发展阶段，其中前两者称为机电式保护，后三者称为电子式保护。保护装置一般由测量、逻辑与执行三个部分组成，各组成部分的联系如图7-1所示。,7.1.3 系统保护性能,供配电系统中的保护概念存在保护装置与保护系统两层含义，各个局部位置上的各个保护装置合成为一个完整的保护系统。为达到对一次系统有效保护的目的，继电保护的动作应具备选择性、可靠性、速动性及灵敏性等四项基本性能。保护装置除正常动作之外，也存在非正常动作的可能；不应动作而动作的称为“保护误动”，应该动作而不动的称为“保护拒动”。,（1）选择性 系统发生故障时，继电保护应有选择的动作，即只切除故障元件，使停电范围减到最小范围，以保证非故障部分仍能正常运行。（2）可靠性 保护可靠性存在设备可靠与定值可靠两个概念。设备可靠系指保护装置自身的设备质量指标；定值可靠系指保护动作定值与运行参数量值之间的关系。,（3）速动性 保护速动性系指保护装置在故障发生后尽快切除故障，以防设备的损伤与故障的扩大。（4）灵敏性 保护灵敏性也存在设备灵敏与定值灵敏两个概念。设备灵敏系指保护装置自身的机械灵敏；例如，过流继电器的返回系数越大，则保护装置的设备灵敏性越强。定值灵敏为保护动作定值与故障参数量值之间的关系。例如，最小故障参数大于保护定值，则为定值灵敏。,7.1.4 保护系统特点,保护系统应具有如下的特点：不同元件的不同保护 系统中的变压器、线路、母线及电容器等元件具有不同特质，需要采用不同的保护方式。如母线的电气距离极短，只有用电流差动保护；线路的电气距离最长，可用三段电流保护及零序电流保护。不同故障的不同保护 针对不同特点的系统故障，存在不同的保护种类。例如，线路的相间短路电流较大，可用三段电流保护；对地短路电流较小，并具有零序电流特点，可用零序电流保护。对于小接地电流系统的接地事故，系统保护分为零序电流保护与零序电压保护。,保护对象与范围不同 任何保护品种总是具有一定的局限性，总是针对特定的保护对象与特定的保护范围。保护对象可以是相间短路或接地短路，保护范围可以是针对本级线路或本级与后一级线路。系统的主备保护配合 对于系统中某一故障点的某种故障形式，均应存在最近距离与最快速度的主保护。为防止主保护的拒动，应具备防拒动后备保护。最近距离的较慢后备保护称为近后备保护，较远距离的较慢后备保护称为远后备保护。近后备保护用有限延长故障时间，远后备保护用有限扩大停电范围，避免了系统故障的扩大。,定值计算与定值设置 保护定值需要通过特定的“定值计算”获得具体数值，并需要通过特定的“定值设置”将其固化在具体装置上以便执行。保护定值的计算与设置过程统称为保护的“定值整定”。防止误动与防止拒动 防止保护误动只能依靠保护的设备可靠性与定值可靠性，而不存在防误动后备保护的概念。防止保护拒动除了依靠保护的设备可靠性与定值可靠性之外，还可以依靠近后备及远后备保护。系统保护的基本概念之一就是：宁可误动，不可拒动。,7.2 保护用继电器,电磁式继电器按照其动作的物理量性质可分为电流型与电压型；按照驱动电源性质可分为交流型与直流型；按照反映的量值变化可分为过量型与欠量型（如过流继电器与欠压继电器）；按照其功能可分为启动型、时间型、信号型及中间型等。7.2.1 电磁式交流继电器1电磁式电流继电器 电流继电器在保护装置中受电流互感器二次侧电流驱动，属于交流电流启动元件，文字符号为KA，其内部结构、内部接线与图形符号如图7-3所示。,能够使电流继电器动作即使动合触点闭合所需的最小电流称为继电器的动作电流 维持触点8与触点7闭合状态的最大电流称为继电器的返回电流 电流继电器的返回电流与动作电流的比值称为返回系数,电流继电器的返回系数越大，继电器越灵敏。返回系数过高时，容易引起继电保护的误动作。电磁式电流继电器动作电流的整定有两种方法：无级调节，即旋动转杆9以改变弹簧5的反作用力矩。有级调节，即改变线圈连接方式，线圈并联时动作电流是串联时动作电流的两倍。,2电磁式电压继电器 电压继电器在保护装置中受电压互感器二次侧电压驱动，属于交流电压启动元件，文字符号为KV，又分为欠电压与过电压继电器两类。欠电压继电器的图形符号为；过电压继电器的图形符号为。使欠电压继电器动作的最高电压称为动作电压，使欠电压继电器返回的最低电压称为返回电压。欠电压继电器的返回系数为：,7.2.2 电磁式直流继电器,1电磁式时间继电器 电磁式时间继电器是保护装置中直流电源驱动的时间元件，用于设置必要的保护动作时限设定，文字符号为KT。2电磁式信号继电器 电磁式信号继电器是保护装置中直流电源驱动的信号元件，具有电流型与电压型两类，文字符号均为KS。,3电磁式中间继电器 电磁式中间继电器是保护装置中直流电源驱动的中间元件，用于放大触点容量及增加触点数量，文字符号为KM。图7-4（c）所示中间继电器回路中，当继电器线圈通电时，可有多对常开触点闭合，且有多对常闭触点断开；因其触点的通断容量达110V及5A，可用于驱动较大功率电器。,7.3 保护接线方式,电流保护的接线方式系指电流保护装置中电流继电器与电流互感器二次绕组间的连接方式。为了便于保护功能分析与保护整定计算，这里引入接线系数的概念。所谓接线系数系指流入继电器的电流与电流互感器二次侧电流的比值：,1相线电流接线方式 相线电流接线方式系指图4-31（a）、（b）与（c）中给出的一相一继电器、两相两继电器及三相三继电器等接线方式。此三种接线方式下，流入继电器线圈的电流与电流互感器二次绕组电流相等，接线系数均等于1。图4-31（a）所示接线可用于线路过流保护。图4-31（b）所示的不完全星形接线，可用于线路的相间短路保护，但不能反映小接地电流系统中的单相接地事故及大接地电流系统中的单相接地短路故障。图4-31（c）所示的完全星形接线，可用于各类差动保护。,2零序电流接线方式 零序电流接线方式系指图4-31（d）与（e）中给出的线式或缆式两类接线形式，两类形式中流入继电器的电流均为三倍的零序电流，可以认为接线系数均为3。,7.4 供电线路保护,由于各类短路电流差异较大，无法用统一保护方式及保护定值分辨线路中发生的故障电流、事故电流及负荷电流，而只有根据线路中可能发生的各类电流的差异及特点，赋予不同保护方式加以应对。,7.4.1 定时限的过电流保护,定时限过电流保护（简称过流保护）的保护对象是大小接地电流系统中的线路相间短路（包括三相短路与两相直接短路），保护范围是本级线路与后一级各条线路，本级线路为其“主保护区”，后一级各条线路为其“后备保护区”。过流保护的基本思想是：线路电流大于可能出现的最大负荷电流时，视为线路短路故障，需要保护装置动作以切除故障线路。,1.定时限过流保护原理,2.定时限过流保护定值,定时限过流保护的定值计算包括动作电流、动作时限及灵敏度校验等三项内容。动作电流定值计算 过流保护的动作电流设置具有两项原则。首先，必须保证线路正常运行时保护装置不得动作，即保护装置的一次侧动作电流应大于包括正常过负荷与尖峰负荷在内的线路最大负荷电流，即 IopIL.max。其次，在后一级某条线路发生短路故障并被切除后，本级线路已经启动的保护装置状态必须复位，而不得继续动作于分闸。,保护2的一次侧返回电流I2re应大于线路2WL的最大负荷电流I2L.max，即 I2re I2L.max。由于动作电流I2op自然大于返回电流，故I2re I2L.max成为保护装置中动作电流的实际设置原则。,据此，定时限过流保护的动作电流定值应按照下式计算：Iop.KA为电流继电器动作电流；Iop.为保护装置一次侧动作电流；Krel为可靠系数，电磁式继电器取1.2；Kw为接线系数，决定于保护装置的接线方式；Kre为继电器的返回系数，电磁式继电器取0.85；Ki为电流互感器的变流比。定时限过流保护装置的动作电流由启动元件实现，故保护动作电流整定要落实于电磁式交流电流继电器KA的动作电流Iop.KA设置。,动作时限定值计算,为实现保护的选择性，电源侧前一级线路的过流保护动作时间应比负荷侧后一级线路的保护动作时间增加一个0.5s的时限级差t，即 定时限过流保护装置的动作时限由时间元件实现，故保护动作时限整定要落实于电磁式直流时间继电器KT的动作时间tKT设置。,保护的灵敏度校验,定时限过流保护是根据大于本级线路“最大负荷电流”原则设置动作电流，但能否涵盖保护范围内全部相间短路电流，还必须以本级和后级线路末端发生“最小两相短路”进行动作电流校验。因此，过流保护的灵敏度采用系统中最大阻抗方向、最小运行方式、后级线路末端的两相直接短路电流 进行校验，即保护灵敏度系数 为：,从参数可靠性出发，设定Iop IL.max.，防止了各负荷电流水平下的保护误动；从参数灵敏性出发,Iop I(2)k.min要求，防止了保护范围内发生各类相间短路电流时的保护拒动。定时限过流保护中各电流之间的关系可用图7-5（c）表征。前后级保护定值的电流差异与时限差异分别从保护范围与动作时限两方面实现了过流保护的选择性。如果能够满足灵敏度的要求，定时限过流保护的实际保护区间已经超过后一级线路全境，并深入到后两级线路的部分区间。如果不能达到灵敏度的要求，可以采用低压闭锁的过流保护。,例7-1 图7-8所示两级线路中，1TA的变比为750/5A，线路1WL的最大负荷电流为820A，线路2WL定时限过流保护的动作时限为0.6s。最小阻抗方向及最大运行方式下k1点及k2点三相短路电流分别为3.8kA及2.5kA，最大阻抗方向及最小运行方式下k1点及k2点三相短路电流分别为3.2kA及2.0kA。试设置线路1WL的定时限过流保护定值。,解：动作电流整定计算 根据（7-4）式及相关参数，可得继电器动作电流 可选用电磁式电流继电器，动作电流向上取整为8A。同样根据（7-4）式及相关参数，可得过流保护的一次侧动作电流,动作时间整定计算 考虑前后级保护的时限级差 保护的灵敏度校验 保护线路1WL的主保护灵敏度应按照线路1WL末端最小两相短路电流进行校验 保护线路2WL的后备保护灵敏度应按照线路2WL末端最小两相短路电流进行校验 即计算的保护定值满足灵敏度要求。,1.5,1.25,7.4.2 无时限电流速断保护,在过流保护动作时限超过0.50.7s时，应该增设无时限电流速断（简称电流速断）保护。无时限电流速断保护的对象仍然是大小接地电流系统中的线路相间短路。,动作电流整定 为保证后级线路首端故障时本级保护不产生误动，电流速断的动作电流Iop整定要避开本级线路末端最大三相短路电流I(3)kmax，即,电流速断保护不可能保护本级线路全境，而只能保护本级线路的电源侧一部分。不被保护的线路部分称为“保护死区”，能被保护的线路部分称为“被保护区”。,灵敏度校验 由于电流速断尚不能保护本线路全境的最大三相短路，就更不能保护本线路全境的最小两相短路。因此，电流速断保护灵敏度只能退至对本线路首端最小两相短路电流进行校验。,电流速断仅能可靠保护本级线路被保护区内的最大三相短路，不能保护被保护区内的全部较小三相短路，更不能保护被保护区内的两相短路，而保护死区内的各类相间短路自然不被保护。因此，电流速断的保护动作快速性与保护范围不完整性均十分突出。当电流速断仍无法满足其灵敏度要求时，需采用线路纵联差动等保护形式。,例7-2 已知例7-1中线路1WL的首端最小三相短路电流为9.0kA，试整定线路1WL的电流速断保护。解：动作电流整定 可以选用电磁式电流继电器，线圈并联时动作电流设置为33A。电流速断保护的一次侧动作电流为 灵敏度校验 以线路1WL首端最小两相短路电流进行校验 1.5 即电流速断保护定值可以满足灵敏度要求。,7.4.3 短时限电流速断保护,为弥补无时限电流速断不能保护线路全境的缺陷，可采用短时限电流速断保护，作为其近后备保护。短时限电流速断保护的对象仍然是大小接地电流系统中的线路相间短路。如图7-10（b）所示，为保护本线路全境，短时限电流保护范围必须延伸至后级线路中去。为不干扰后级短时限电流速断保护，本级短时限电流保护范围又不能长于后级线路无时限电流速断保护范围，即,本级短时限电流保护动作时限，仅需比后级无时限电流速断的零时限增加一个时限级差（一般取值0.5s）,短时限电流速断保护灵敏度校验的对象为本级线路末端最小两相短路电流 I(2)kmin,短时限电流速断可保护本级线路中各类相间短路。,7.4.4 三段式电流保护装置,在供电线路的无时限速断、短时限速断及定时限过流构成的一整套完整的“三段式电流保护”系统；无时限速断称为第I段，短时限速断称为第II段，定时限过流称为第III段。对于三相短路而言，本级无时限速断是本级线路被保护区的主保护；本级短时限速断是本级线路无时限速断保护死区的主保护，也是本级线路无时限速断被保护区的近后备保护；定时限过流保护是本级线路无时限及短时限的近后备保护，也是后级线路三段保护的远后备保护。,对于三相短路而言，本级的无时限是区与区的主保护，短时限是区的主保护。本级的短时限及定时限是区与区的近后备保护，定时限是区的近后备保护。前级的短时限是区的远后备保护，定时限是区、区及区的远后备保护。对于两相短路而言，本级的短时限是、区的主保护，本级的定时限是、区的近后备保护（灵敏度系数为1.5），前级的定时限是、区的远后备保护（灵敏度系数为1.25）。在线路保护定值计算过程中，动作电流决定了三相短路的保护范围，灵敏度校验明确了两相直接短路的保护范围。,7.4.5 线路的纵联差动保护,三段式电流保护是供电线路相间短路保护的主要形式，具有设备简单及整定方便等优点，但三段式电流保护无法实现线路全境的瞬时动作。1纵差保护的工作原理 线路纵联差动保护根据线路首末两端电流幅度与相位的差异，保护线路全境内各类短路（包括相间短路与大接地电流系统的单相接地短路）故障并可实现全线速动，其保护原理接线示于图7-12。,线路两端电流互感器变比相等，互感器极性如图所示，且互感器二次回路中并接差动电流继电器KA，差动电流继电器回路称为“差流回路”。,当线路处于正常运行状态时，流入差流回路的电流为 被保护线路外部短路时，流入差流回路的电流为 当被保护线路内部短路时，流入差流回路的电流为,2纵差保护不平衡电流 由于线路电容电流的存在及线路两端电流互感器的励磁特性不一致，线路负荷电流或线路外部短路电流工况下的差流回路电流也不绝对为零，该电流称为差动保护的不平衡电流。Ikmax为被保护线路外部短路时，流过保护线路的最大短路电流；KTA为电流互感器的误差系数，取值0.1；Kty为电流互感器的同型系数，两端互感器同型号时取0.5，否则取1.0；Knp为短路电流暂态非周期分量的影响系数，采用速饱和电流互感器时取为1.0，否则取为1.52.0。,3纵联差动的保护定值 为了防止外部短路时的差动保护误动，要求继电器的启动电流大于外部短路时差流回路的不平衡电流，故差动保护动作电流应为 为防止电流互感器二次回路断线造成的保护误动，差动保护动作电流还应为 实际的差动保护动作电流应为此两者的较大值，即,由于纵联差动的保护灵敏度较高，保护范围包括相间短路与单相接地短路，故图7-12中的电流互感器必须是三相式接线，而不能是两相式接线，电流继电器也只能是三相式接线方式。,7.4.6 单相接地故障的保护,110220kV系统中性点直接接地及1035kV系统中性点经小电阻接地时属于大接地电流系统范畴，本节讨论的保护特指该类系统的单相接地短路保护。大接地电流系统中发生的单相短路，属于接地短路。由于接触电阻的存在，单相短路电流明显小于相间短路电流，将其并入三段电流保护范畴时，会大幅降低保护的灵敏度。由于单相接地短路电流具有零序特征，将单相接地短路与相间短路相区别，转而采用零序电流保护更为有效。,大接地电流系统零序保护的特点包括：根据序网的概念，短路接地点的零序电压最高，距离故障点越远，零序电压越低。零序网络中，各分支线路的终端变压器中性点不接地则不形成零序电流的分支。采用Yd11与Yy0接线变压器以及接地变压器的供电网络，零序回路一般仅限于同一电压等级网络之内，零序回路的长度远较相应的正序及负序回路为短。与相间短路电流保护相似，为进行各段线路零序保护的有效配合，仍存在三段式零序电流保护的概念。,1无时限零序电流速断保护（零序I段）本级线路零序段保护的动作电流应大于本级线路末端单相接地短路时出现的最大零序电流。可靠系数取值1.21.3。2短时限零序电流速断保护（零序II段）动作电流 本级线路零序II段保护的动作电流应与后一级线路的零序I段保护相配合，即本级零序II段保护的动作电流应大于后级线路零序I段保护动作电流，即,动作时限 零序II段的动作时限应与相邻线路零序I段相配合，动作时限一般取0.5s。灵敏度分析 零序II段的灵敏度应按本级线路末端单相接地短路时最小零序电流 进行校验，即 3定时限零序过流保护（零序III段）零序III段保护可作本级线路零序I段及零序II段的近后备保护，也可作后级线路零序各段的远后备保护。,动作电流 首先，零序III段保护的动作电流 应大于本级线路末端相间短路时出现的最大不平衡电流（该不平衡电流原于电流互感器铁心的不同饱和度），即 其次，III段保护的动作电流应大于后级线路的零序III段保护动作电流，即,灵敏度校验作为本级线路近后备保护时，按本级线路末端发生单相接地短路时的最小零序电流 进行校验，即 作为后级线路的远后备保护时，按后级线路末端单相接地短路时最小零序电流进行校验，即,动作时限 各级线路的零序III段电流保护的动作时限也应按照阶梯形式选取，其时限级差为0.5s。,7.5 变压器的保护,7.5.3 变压器气体保护,7.5.4 变压器差动保护,1差动保护的工作原理,2差动保护不平衡电流,变压器接线组别引起的不平衡电流 互感器变比差异引起的不平衡电流 变压器励磁涌流引起的不平衡电流,7.6 母线差动保护,7.7 电容器的保护,