电力系统继电保护复习课程课件.ppt

电力系统继电保护原理复习,电流保护,继电特性 继电器的动作明确干脆，不可能停留在某一个中间位置,保证其动作确切可靠,一、电流速断保护(I段)反应于电流增大而瞬时动作的电流保护，满足 快速性要求整定动作值选择性条件实际整定（引入可靠系数）,2.短路电流变化规律(1)短路距离 故障离电源越远,短路电流越小(2)故障类型 根据电力系统故障分析,相间短路时(3)系统运行方式最大方式:通过保护的短路电流为最大的方式(ZS.min)最小方式:通过保护的短路电流为最小的方式(ZS.max),最大运行方式下三相短路通过保护的短路电流为最大最小运行方式下两相短路时通过保护的短路电流最小 两种方式下分别有最大最小保护范围,(4)最大/最小短路电流曲线,2.校验保护范围对保护A要求:解法析令解得最小保护范围越长，电流速断保护动作越灵敏单位线路长度的阻抗：Z10.4/km（简化计算时）,二、电流定时限速断保护(II段)切除本线路速断范围以外的故障，保护本线路的全长作为速断的后备 1.动作原理保护范围延伸到下一条线路为保证选择性，必须使保护的动作带有一定的时限为了使动作时限尽量缩短，考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围其动作时限比下一条线路的速断高出一个时间阶段,2.整定动作值选择性条件实际整定（引入可靠系数),3.保护装置灵敏性的校验 校验条件:系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路(即最不利情况下，动作最不灵敏)灵敏性不能满足要求时,考虑进一步延伸限时电流速断的保护范围，使之与下一条线路的限时电流速断相配合,三、定时限过电流保护（III段）保护本线路及相邻下条线路的全长 本线路I、II段保护的近后备（装置故障）相邻线路的保护的远后备（装置故障及开关失灵）1.工作原理起动电流大于（躲开）最大负荷电流 起动电流大于（躲开）最大自起动电流 保护定值不能保证选择性为保证选择性，必须使保护的动作带有一定的时限相邻线路动作时限配合关系：阶梯时限特性,2.整定动作值（1）自起动电流 故障切除后电压恢复时，电动机有一个自起动的过程，且自起动电流大于正常工作电流（2）动作值整定（引入可靠系)整定条件：返回电流大于最大自起动电流,Kfh越小，则保护的起动电流越大，其灵敏性就越差，因此要求电流继电器应有较高的返回系数。(3)动作时间整定保护动作值不能保证选择性：（故障电流流过保护时过电流继电器均起动）按阶梯时限特性整定动作时间：,单侧电源网络中过电流保护动作时限的选择说明,3.保护装置灵敏度的校验 校验条件:系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路(即最不利情况下，动作最不灵敏)（1）近后备（校验点取本线路末端）（2）远后备（校验点取相邻线路末端）,四、电流保护的接线方式1、接线方式（LJ与LH二次绕组连接关系）,2、不同接线方式性能比较,中性点直接接地、非直接接地电网 各种接线方式均能正确反应各种相间故障中性点非直接接地电网（35KV以下）（1）单相接地故障特点故障相电压为零，非故障相电压升高 倍只存在很小对地电容电流，无短路故障电流保持三相相间电压对称，允许继续短时运行要求：不同点两点接地短路 时，只切除一个短路点以减少停电范围,（2）不完全星形接线两继电器方式AB、BC异地 两点接地故障：B相无LH、LJ，只切除A或C相故障（2/3 几率）AC异地 两点接地故障：同时切除A、C相故障（1/3 几率）,（3）变压器后两相短路故障分析AB相故障三角形侧故障相量分析 故障特殊相为C相，有 可作三角形侧电流向量图 变压器高、低压侧序分量相位关系：可作星形侧电流向量图,（4）不完全星形接线三继电器方式根据降压变压器后两相短路故障分析，变压器高压侧B相电流是其它两相电流的2倍在电流保护接于降压变压器的高压侧以作为低压侧线路故障的后备保护时，如果保护是采用三相星形接线，保护灵敏系数增大一倍实际系统中多采用不完全星形接线三继电器方式,五、三段式电流保护整定计算举例例题 如图所示网络中中，对保护A进行三段式电流保护整 定计算，并计算继电器的动作电流。线路AB的负荷 电流为230A,Z1=0.4(欧姆/公里),Kk1=1.25;Kk2=1.1；Kk3=1.2;Kzq=1.5;Kh=0.85。nCT=300/5。,1.线路AB的保护A速断保护求动作电流为保证选择性，按躲开线路BC末端的最大短路电流Id(3).B.max整定速断不完全星形接线两继电器方式时继电器的动作电流,动作时间(固有动作时间)：灵敏度校验：满足要求,2.线路AB的保护A的II段保护求动作电流与下条线路电流速断动作值配合：不完全星形接线两继电器方式时继电器的动作电流,动作时间：灵敏度校验：系统最小运行方式下，本线路末端发生两相短路(最不利情况下，动作最不灵敏)满足要求,3.线路AB的保护A的III段保护求动作电流躲过本线路最大负荷电：不完全星形接线两继电器方式时继电器的动作电流,动作时间（阶梯时限特性）：灵敏度校验（1）：近后备：系统最小运行方式下，本线路末端发生两相短路(最不利情况下，动作最不灵敏)满足要求,灵敏度校验（2）：远后备：系统最小运行方式下，相邻线路末端发生两相短路(最不利情况下，动作最不灵敏)满足要求,六、功率方向继电器的900接线方式按相接线时存在动作的电压死区保护出口故障 时例如：故障类型为 时，A相功率方向继电器 工作电压为零，出现动作死区改进：使用非故障相间电压参与比相，即采用900 接线方式（另以电压记忆消除三相出口短路电压死区）,接线方式：纯有功时，以上电压 电流间相位差为最大灵敏角为（电流滞后电压为正角度）为GJ内角,多电源网络中方向电流III段保护按单侧电源电流III段整定方式计算动作时间不能完全保证其选择性一般应配置GJ保证其选择性以下情况可不设GJ（1）同一母线上动作时间最长的电流III段，其动作时间可保证其选择性（2）负载线路的保护。因无电源，其反向故 障时无短路电流,对方向性电流保护的评价多电源网络中，必须采用方向性保护才有可能保证各保护的选择性应用方向元件以后将使接线复杂，投资增加，同时保护出口附近正方向发生三相短路时，出现方向保护的“死区”只在必需时使用方向元件，如：电流速断保护定值不能保证选择性 过电流保护动作时限不能保证选择性,方向电流II段保护按单侧电源电流II段整定方式计算,但需考虑:分支系数有助增电流时，方向II段保护的整定分支电路中有电源时,故障线路中的短路电流增大的现象，称为助增。如果前一级II段保护仍按原方式整定,则保护范围将大大缩短需考虑分支系数以保证II段保护足够的灵敏度,实际整定 保护A II段与保护B I段的保护范围配合(消除 助增电流的影响)其中 对应保护B I段的保护范围末端故障时流过保护A 的故障电流分支系数（减小了保护A II段定值）整定得:,有助增电流时，分支系数的计算,U=I1*Z1/ZS2I2=U/Z1Kfz=I1/I2=(Z1+ZS2)/ZS2=1+Z1/ZS2=1+(ZS1+ZAB)/ZS2,七、例题：在双电源系统中，负荷潮流方向、馈电线路过电流保护动作时限如图所示。问:(1)输电线路过电流保护动作时间;(2)哪些线路过电流保护必须安装功率方向元件?(3)在给定潮流方向的情况下,线路Lab,Lbc上功率方向元件的动作行为如何？,解：(1)按阶梯时间特性计算保护14的过电流保护动作时限。考虑电源EM 单独作用:保护8为其末端线路保护，以其为基准进行计算：t3=t8+t=1.5+0.5=2s t1=maxt3,t6,t7+t=t3+t=2.5,考虑电源EN 单独作用时保护5为其末端线路保护，以其为基准进行计算：t2=t5+t=1+0.5=1.5s t4=maxt2,t6,t7+t=t7+t=2.5s,(2)必须安装功率方向元件的过电流保护a.母线A出线的保护：保护5为负载线路保护，则保护1不需设置功率方向元件。b.母线C出线的保护：保护8为负载线路保护，则保护4不需设置功率方向元件。,c.母线B出线的保护：保护3，7的动作时间相等，均为最大动作时间:tmax=t3=t7=2s则保护2，3均需设置功率方向元件（方向标于图中，与保护正方向相同）保护6，7为负载线路保护，则保护6，7不需设置功率方向元件。,(3)给定潮流方向下功率方向元件动作行为分析a.线路Lab上潮流方向与保护2动作正方向相反：保护2功率方向元件不动作。b.线路Lbc上潮流方向与保护3动作正方向相同：保护3功率方向元件动作。（但此时保护3电流元件不动作，因此方向性电流保护不动作。）,八、(方向性)零序电流保护,零序电流的分布:取决于变压器中性点接地的位置与数量要点：零序方向电流保护的主要特点灵敏I段和不灵敏I段保护的差别与使用条件限时零序电流速断保护的灵敏系数不满足要求时所采取的措施（四段式零序电流保护）,零序方向电流保护的主要特点(1)零序方向电流保护的灵敏度高，动作时限短，无电压死区。(2)零序电流保护受运行方式变化的影响较小。(3)零序保护不受三相对称的系统振荡、短时过负荷等的影响。(4)在110kV及以上的高压系统中，单相接地故障约占全部故障的7090，采用专门的零序保护具有显著的优越性。,灵敏I段和不灵敏I段保护的差别与应用区别:零序电流灵敏I段与零序电流不灵敏I段的定值整定原则不同，动作灵敏度不同应用：零序电流灵敏I段动作灵敏度高，作为全相运行、发生接地故障时的接地保护，非全相运行时需退出运行；零序电流不灵敏I段的动作灵敏度低，作为非全相运行、发生接地故障时的接地保护,越靠近故障点的零序电压越高，因此零序方向元件没有电压死区 当故障点距保护安装地点很远时，由于保护安装处的零序电压较低，零序电流较小，可能存在动作死区作为相邻元件的后备保护时，必须校验方向元件的灵敏系数:采用相邻元件末端短路时，保护安装处的最小零序功率与GJ的最小起动功率之比来计算，并要求 Klm2,零序电流速断保护,(灵敏I段和不灵敏I段保护)采用单相自动重合闸时，若不能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，则：（a)设置灵敏一段：用于切除全相运行时接地故障；非全相运行状态时退出运行（闭锁灵敏一段）（b)设置不灵敏一段：用于切除非全相运行状态下又发生接地故障,距离保护,距离保护要点,圆特性阻抗继电器的动作方程、动作特性、交流接线 圆特性阻抗继电器性能分析比较（允许Rg、躲Zf.min、躲振荡能力）三段式距离保护的整定计算原则和整定计算方法 系统振荡及其影响,一、阻抗继电器的动作特性分析 与实现方法接线方式：相间/接地（零序补偿）阻抗继电器00 接线方式 ZJAB(UJAB,IJAB)/ZJA(UJA,IJA+k3I0)1.全阻抗继电器动作特性(1)幅值比较方式阻抗比幅方程|ZJ|Zzd|电压比幅方程|UJ|=|ZJIJ|ZzdIJ|,(2)相位比较方式阻抗比相方程 电压比相方程 比相电压 D 为工作电压，比相电压 C 为极化电压（即比相参考电压）,2.方向阻抗继电器动作特性(最大特点：动作具有方向性)以整定阻抗 Zzd 为直径的过原点的圆(1)幅值比较方式阻抗比幅方程 电压比幅方程,(2)相位比较方式阻抗比相方程 电压比相方程 比相电压 D 为工作电压，比相电压C 为极化电压（即比相参考电压）,出口故障时存在电压死区，需使用电压记忆回路消除死区,正方向故障时，继电器的起动阻抗随测量阻抗角变化当 J=d 时，继电器的起动阻抗最大，为整定阻抗Zzd，对应的阻抗角为最大灵敏角lmlm d 时，允许Rg 能力增强改变电抗变换器DKB副边线圈中的电阻大小，可以改变最大灵敏角lm方向阻抗继电器方向性明确，要求电流、电压线圈接入电流电压时不要接错极性；否则方向阻抗继电器正向故障拒动或反向故障误动,3.偏移阻抗继电器动作特性偏移阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗(1+)Zzd为直径的过原点(保护安装点)的圆其正向整定阻抗(I相限)为Zzd 其反向整定阻抗(III相限)为Zzd(=0.10.2)继电器的圆心向量为 Z0=(1)Zzd/2 继电器的半径为 Zr=(1+)Zzd/2,(1)幅值比较方式阻抗比幅方程电压比幅方程,(2)相位比较方式阻抗比相方程 电压比相方程（3）=0 时，为方向阻抗继电器=1 时，为全阻抗继电器,+R轴方向动作区域越大，受过渡电阻影响越小；但同时躲负荷能力越小，受振荡影响越大。单侧电源时，过渡电阻使得测量阻抗增大，区内故障可能拒动双侧电源时，过渡电阻使得测量阻抗增大/减小，区内/区外故障可能拒动/误动,交流接线与动作方程的关系,二、分支系数的影响与 分支系数的考虑1.助增电流的影响有助增电流时的测量阻抗,有助增电流时分支系数 使测量阻抗大于实际短路阻抗距离保护II段区内故障可能被反应为区外故障，使实际保护范围缩短保护灵敏度校验时取可能的最大分支系数，对应实际保护范围最小的最不利情况,Kfz=IBC/IAB=IBC/IBCZ/(Zs1+ZAB)Kfz=1+(Zs1+ZAB)/Zs2;Kfz.min=1+(Zs1.min+ZAB)/Zs2.maxKfz.max=1+(Zs1.max+ZAB)/Zs2.min,有助增电流时分支系数,2.有外吸电流的影响有外吸电流时的测量阻抗,有外吸电流时分支系数 使测量阻抗小于实际短路阻抗距离保护II段区外故障可能被反应为区内故障，使实际保护范围延伸保护整定时取可能的最小分支系数，对应实际保护范围最大的情况，以保证其选择性（不延伸进入下条线路II段保护范围）,Kfz=IBC/IAB=IAB(Zd/Zd)/Zd/IAB=Zd/(Zd+Zd)=ZBC+(1-K1)ZBC/2ZBC=1-K1/2,有外吸电流时分支系数,三、距离保护的整定计算,（一）、距离保护I段（速断）反应于阻抗降低而瞬时动作；不能保护本线路的全长对线路AB的距离保护I段，有保护范围为线路全长的8085%，不受系统运行方式变化的影响动作时间:,(二)、距离保护II段（限时速断）与相间电流保护类似,需考虑分支系数的影响1.与相邻线路I段配合,2.躲开线路末端变压器低压侧出口短路实际整定值取 1，2计算值中的最小值3.动作时间:,4.灵敏度校验距离保护II段保护本线路全长,则校验点为本线路末端:5.不满足要求时,与相邻线路II段配合动作时间为:,(三)、距离保护III段1.按躲开最小负荷阻抗整定与相间电流保护III段类似,在考虑电机自启动时保证距离III段可靠返回注意整定,2.灵敏度的校验(1）近后备（校验点取本线路末端）（2）远后备（校验点取相邻线路末端）在校验灵敏度时,取 Kfz=max(使灵敏系数减小的最不利情况),变压器容量很小时,ZT 很大,难以满足远后备灵敏度要求,允许 KLM f整定:,4.动作时间:保护动作值不能保证选择性；需按阶梯时限特性整定动作时间5.一次测量阻抗与二次测量阻抗ZJ=UJ/IJZj=Uj/Ij=(UJ/ny)/(IJ/nl)=(UJ/IJ)(nl/ny),四、系统振荡时电流电压的变化规律 以双侧电源网络为例分析:振荡中心 Z/2考虑全相运行振荡三相对称，只需分析单相系统,（1）M母线处测量阻抗为,（2）任意点保护安装处测量阻抗的变化规律保护安装处背侧阻抗为 ZM 时，有保护安装处测量阻抗为 m=1/2，测量阻抗轨迹过原点 m 1/2，测量阻抗轨迹在保护反方向,系统振荡对阻抗继电器的影响振荡中心位于保护范围的正方向(m 0.5)，阻抗继电器不受振荡影响一般距离保护III段动作时间大于振荡周期，因此不受振荡影响,反应测量阻抗变化速度的振荡闭锁振荡时，如果振荡中心在保护I 段范围内，测量阻抗沿振荡中心周期性移动；测量阻抗按 Z,Z,Z 顺序进入动作区；短路初瞬，测量阻抗突变为为短路阻抗，Z,Z,Z 同时动作(短路点在 I 段范围内)可根据 Z,Z,Z 动作时间的差别识别振荡,五、例题：如图所示，在一百一十千伏输电线路中，线路AB的负荷电流为335A,Kzq=1.5;Kfh=1.15,Kk=0.85;Kk=1.25。负荷电流功率因数为cos=0.8,其余参数见附图。,110KV 25KM 36KM 18KM,计算：线路AB零度接线相间方向阻抗距离保护一段、三段动作值。其中：阻抗继电器最大动作灵敏角为:75度；短路阻抗角为:75度；系统阻抗为:Xs=9.5欧姆；单位线路长度的阻抗为:X1=0.4(欧姆/公里)；电流互感变比为NLH=1200/5。,解：（1）距离保护一段动作值整定 Zdz.A=Kk ZAB=0.850.4 25=8.5Zdz.A.J=Zdz.A.NLH/NYH=1.86（2）距离保护三段动作值 ZfA.max=0.9UN/IfA.max=170.62 全阻抗动作值：Zdz.A=ZfA.max/(KkKzqKh)=79.13,方向阻抗动作值：f=arccos(0.8)=36.870Zdz.A*=Zdz.A/cos(d-f)=79.13/cos(750-36.870)=100.6 Zdz.A*J=Zdz.A*.NLH/NYH=21.95,高频保护,高频（载波保护）保护要点,高频保护保护范围为线路全长，动作时间为0秒（不考虑装置固有动作时间），用于220KV 及以上超高压输电线路主保护高频通道的工作方式(故障时发信、长期发信和移频(混合)方式)及其特点高频信号(闭锁、允许和跳闸信号)的性质及其特点高频闭锁方向保护相差高频保护,高频通道工作方式短时发讯方式正常不发讯，仅线路故障时发讯优点：减少干扰，延长发讯机寿命缺点：需定时手动发讯，检查通道完好性长时发讯方式正常发讯,优点：加快保护动作速度；可实时检测通道完好性缺点：对其它通讯干扰强；对发讯机性能要求高,混合方式正常时只发小功率监频讯号，实现对通道完 好性的检测线路故障时增大发讯功率，发出跳频信号应用广泛的复用载波机均采用混合方式工作优点：减少干扰，延长发讯机寿命 自动检查通道完好性,讯号的作用方式保护动作：P=1；收讯动作：GSX=1保护动作跳闸：L=1（1）跳闸讯号常以一端的电流速断、零序速断、距离I段启动发讯，则收讯即可跳闸收讯为跳闸的充分必要条件：L=P+GSX,（2）允许讯号常以一端的电流、零序、距离II段配合允许讯号工作，收讯为跳闸的必要条件：L=PGSX（3）闭锁讯号常以一端的方向零序、距离III段配合闭锁讯号工作，停讯为跳闸的必要条件：,高频闭锁方向保护（一）基本原理保护区内故障：两侧保护方向元件S+动作，均不发讯，保护动作跳闸保护区外故障：近故障侧保护方向元件S+不动作，启动发讯，闭锁对侧保护,（二）电流启动方式的高频闭锁方向保护1.原理框图,2.元件功能说明故障起动元件I，I灵敏度不同I为灵敏电流元件，起动发讯I为不灵敏电流元件，开放功率方向元件区外故障时，远故障侧 I 动作时，近故障侧I 必然动作，可靠起动发讯闭锁对侧（考虑CT误差的影响）S+：保护正方向故障时动作的功率方向元件区内故障：两侧S+，I 动作后停讯，经t2延时后出口跳闸区外故障：近故障侧S+不动作，I 动作后起动发讯闭锁对侧,延时 t1 作用：区外故障切除后，近故障端保护继续发讯 t1 以闭锁对端保护用于防止近故障端保护I 先返回（停止发讯）、远故障端S+，I 后返回时引起的误动延时 t2 作用：通道配合延时 区外故障时，远故障端S+，I动作，需经t2延时才能出口，以保证可靠收到对侧闭锁信号,（三）功率方向元件启动方式 的高频闭锁方向保护1.原理框图（S：保护反方向故障时动作的功率方向元件）,2.动作过程说明区内故障：两侧S+元件动作，S不动作，经t2延时后出口跳闸区外故障：近故障侧 S+不动作，S 动作后起动发讯闭锁对侧要求：S 动作灵敏度高于 S+，保证区外故障时近故障侧S可靠发讯,3.高频闭锁方向的功率方向元件（1）基本要求 1)可反应所有类型的故障 2)没有电压死区 3)振荡时不误动分析900接线功率方向元件有电压死区，振荡时可能误动零序功率方向元件只能反应K(1),K(1,1)都不能满足要求,（2）负序功率方向元件的特点1)可反应所有不对称故障;增加电压记忆后,也可反应三相对称故障;2)没有电压死区;保护区外故障时,近故障侧负序电压(功率)高于远故障侧负序电压(功率),容易实现灵敏度配合3)振荡时三相对称,不存在负序分量,负序功率方向元件不误动 因此,负序功率方向元件在高频闭锁保护中得到了广泛的应用,相差高频保护基本原理,原理框图,元件功能说明故障起动元件(I2+KI0)低定值元件为灵敏电流元件，起动发讯高定值元件为不灵敏电流元件，开放相差保护比相元件区外故障时，远故障侧高定值元件动作时，近故障侧低定值元件必然动作，可靠起动发讯闭锁对侧，防止单侧发讯导致保护误动(I2+KI0)可反应各种不对称故障；对于三相对称故障，故障初瞬(I2+KI0)短暂动作后以记忆回路保持其动作状态，或以电流、阻抗元件辅助起动,操作电流元件(I1+KI2)相差高频保护中，将三相电流综合为复合电流(I1+KI2)比相，可正确反映各种不同类型的故障(I1+KI2)控制高频发讯机发讯（对高频电流进行调制），称为操作电流K=68，保证了各种区内各种不对称故障的灵敏性；I1 保证了在区内三相对称故障时操作元件的可靠工作,相差保护相继动作区区内故障最不利情况：K(3),max=arg(EM/EN)=700M侧考虑线路阻抗角：d=600N侧考虑电机、变压器阻抗角：d=900 max=arg(IM/IN)=1000考虑LH误差角(电流互感器容量满足10%误差曲线时，二次电流角度误差小于70)、信号传输延迟产生的误差角度，有 max=1220 60 l/100,N侧保护高频信号相位差为 max=1220 60 l/100 高频信号间断角=1800 max b,保护动作M侧保护高频信号相位差为 max=1220+60 l/100 高频信号间断角=1800 max b,保护拒动 注意：此时M侧高频信号相位差大于(1800-b)N侧保护动作跳闸后停止发讯，M侧保护单侧发讯，高频信号间断角为1800，可靠跳闸：称为：相继动作,元件保护,差动保护只能在被保护元件的内部故障时动作，而不反应外部故障，具有绝对选择性。变压器差动保护最主要的问题：考虑稳态不平衡电流的影响考虑变压器暂态不平衡电流的影响，特别是空载合闸涌流的影响,变压器差动保护,空载合闸涌流的主要特点(1)包含有很大成分的非周期分量（对称涌流除外）(2)包含有大量的高次谐波，而以二次谐波为主(3)波形之间出现间断在变压器纵差保护中防止涌流影响的方法(1)采用速饱和BLH（但变压器内部故障时，也会存在非周期分量，使纵差保护的动作速度延迟）(2)鉴别短路电流和励磁涌流波形的差别（间断角）(3)利用二次谐波制动等,发电机单元件横差保护将一半绕组与另一半绕组的三相电流和比较各种单相匝间短路 时，通过两组绕组 的中性点连接线构 成短路环流通路也可反应定子绕组 相间不对称短路：一般两组绕组三相不 对称，可形成环流，纵、横差保护均动作,失磁保护方式自动灭磁开关跳闸时联锁跳开发电机用于带直流励磁机的水轮发电机及不允许失磁运行的汽轮发电机对励磁系统故障无保护作用 反应定子参数变化的失磁保护（多种保护方案）ZJ沿等有功圆进入等无功圆无功功率改变方向机端电压下降，功角增大 一般均以等无功圆为失磁判据,