电力系统继电保护与自动装置.ppt

电力系统继电保护与自动装置,电厂及变电站电气运行专业,主编李火元,中国电力出版社,目录绪论第一单元电网的电流保护第二单元电网的距离保护第三单元输电线路的全线速动保护第四单元输电线路的自动重合闸ARC第五单元电力变压器的继电保护第六单元发电机的继电保护,第七单元母线保护第八单元微机型继电保护第九单元备用电源自动投入装置AAT第十单元按频率自动减负荷装置AFL第十一单元同步发电机自动并列装置第十二单元同步发电机自动调节励磁装置第十二单元故障录波装置,绪论,一电力系统继电保护及自动装置的作用与任务继电保护的任务当电力系统出现故障时，给控制主设备的断路器发出跳闸信号。将发生故障的主设备从系统中切除，保证无故障部分继续进行；当电力系统出现不正常工作状态时继电保护发出信号，运行人员根据继电保护发出的信号对不正常工作状态进行处理，防止不正常工作状态发展成故障而造成事故。自动装置的任务①配合继电保护提高装置的可靠性。②保证电能的质量、提高系统经济运行水平、减轻运行人员的劳动强度。③自动记录故障过程，以利于分析处理事故。,二对继电保护的四项基本要求1.可靠性指电力系统正常运行时，继电保护装置应可靠的不动作；当被保护设备发生故障或不正常工作状态时，继电保护装置应该可靠的动作。2.速动性速动性又称快速行，是指继电保护装置的动作速度要快。3.选择性指电力系统出现故障时，继电保护装置发出跳闸命令仅将故障设备切除，使停电的范围尽可能减小，应保证无故障部分继续运行。4.灵敏性指继电保护装置反映故障的能力。习题1对继电保护的基本要求包括哪些内容。,第二单元电网的电流保护,1.1线路相间故障的三段式电流保护一、常用的继电器1.电磁型电流继电器电流继电器的作用是测量电流的大小。电磁型电流继电器由铁芯线圈、固定在转轴上的Z形舌片和螺旋弹簧及动、静触点等构成。其线圈导线较粗、匝数少，串接在电流互感器的二次侧，作为电流保护的起动元件。继电器动作的条件电磁力矩弹簧力矩,即MeMs。动作电流使继电器动作的最小电流，用Iact表示。继电器返回的条件电磁力矩｜ZZd｜时继电器不动。当短路点在保护范围内，即｜Zcl｜Ig时，就可以保证起动阻抗的误差在10以内，而这个误差在选择可靠系数时，已被考虑进去了。三影响阻抗继电器正确工作的因素很多，主要有①故障点的过渡电阻。②故障点与保护安装处之间的分支电流。,③电压互感器二次回路断线。④系统震荡等。2.5阶段式距离保护阶段式距离保护的整定计算以下图为例，说明三段式距离保护的整定计算。一距离保护Ⅰ段1.动作阻抗对输电线路来说，按躲过本线路末端短路来整定既Z’dz.1＝K’KZAB,式中Ｋ’Ｋ－可靠系数，取0.8-0.85。2.动作时限距离保护Ⅰ段的动作时限是由保护装置的继电器固有动作时限决定，人为延时为零，既t’0S。二距离保护Ⅱ段1.动作阻抗①与下一线路Ⅰ段保护范围配合，并用分支系数考虑助增及外汲电流对测量阻抗的影响，既Z’’dz.1k’’kZABKfzk’ZBC；式中k’’k－可靠系数，取0.8；Kfz分支系数，取相邻线路距离保护Ⅰ段保护范围末端短路时，流过相邻线路的短路电流与流过被保护线路的短路电流实际可能的最小比值。即Kfz（IBC/IABmin；②与相邻变压器的快速保护配合，既Z’’dz.1k’’kZABKfzZB）式中，ZB变压器的短路阻抗考虑到ZB的数值由较大偏差，所以取k’’k＝0.7;Kfz也取实际可能的最小值。,2.动作时限保护第Ⅲ段的动作时限，应比下一线路保护Ⅰ段的动作时限大一个时限阶段。既t’’1t2△t≈△t；3.灵敏度校验KlmZ’’dz/ZAB≥1.5;如果灵敏度不能满足要求,可按照与下一线路保护第Ⅱ段相配合的原则选择动作阻抗,既Z’’dzk’’kZABKfzZB；这时，第Ⅱ段的动作时限应比下一线路第Ⅱ段的动作时限大一个时限阶段，既t’’1t’’2△t；三距离保护的Ⅲ段1.动作阻抗按躲开最小负荷阻抗来计算,若第Ⅲ段采用全阻抗继电器,其动作阻抗为Z’’’dzZfh.min/k’’’KKhKzq；式中k’’’K可靠系数，取1.21.3；,Kh继电器返回系数，Kh取1.1-1.5；Kzq考虑电动机自起动系数，其值大于1；Zfh.min最小负荷阻抗。2.动作时限保护第Ⅲ段的动作时限较相邻与之配合的元件保护的动作时限大一个时限阶段，既t’’’1t’’’2△t；3.灵敏度校验作近后备保护时Klm.近Z’’’dz.1/ZAB≥1.5；作远后备保护时Klm.远〔Z’’’dz/ZABKfzZBC〕≥1.2；式中Kfz分支系数，取最大可能值。四对距离保护的评价1.优点①能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求。②阻抗继电器时同时反映电压的降低和电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有有高的灵敏度。,2.缺点①不能实现全线速动。②阻抗继电器本身较复杂，还增设了震荡闭锁装置，电压断线闭锁装置，因此。距离保护装置调试比较麻烦，可靠性也相对较低。复习思考题1.简述距离保护的基本工作原理。2.为什么方向阻抗继电器有死区采用什么方法克服方向继电器的死区3.设网络图如下所示，计算QF1上三段距离保护的整定阻抗，并校验第Ⅱ、Ⅲ段的灵敏度。,第三单元电网的距离保护,3.1线路的差动保护一输电线路纵联差动保护1.工作原理纵联差动保护是用辅助导线将被保护线路两侧的电量连接起来，通过比较被保护线路始端和末端电流的大小及相位构成的保护。如右图所示，在线路两侧装设有性能和变比完全相同得电流互感器，两侧电流互感器一次回路得正极性均置于靠近母线一侧，二次回路用电缆将同极性连接，差动继电器则并联接在电流互感器二次侧得环路上。在正常情,况下，导引线中形成环流，成为环流法纵连差动保护。2.纵联差动保护得不平衡电流由于被保护线路两侧电流互感器二次负载阻抗及互感器本身励磁特性不一样，在正常运行及保护范围外部发生故障时，差回路中得电流不为零，这个电流叫差动保护不平衡电流。3.纵联差动保护得应用纵联差动保护的优点是全线速动，不受过负荷和系统震荡的影响，灵敏度较高，但用于保护线路还存在以下问题①需敷设与被保护线路等长的导线，且要求电流互感器的二次负载阻抗满足电流互感器10的误差。②需要敷设辅助导线断线与短路的监视装置，辅助导线断线应将纵联差动保护闭锁。由于纵联差动保护存在问题，所在输电线路中，只用于保护不能满足要求的短线路,二平行线路横联差动保护1.工作原理横联方向保护用于平行线路的保护装置，他装设于平行线路的两侧。其保护线路为双回线的全长。横联方向保护的动作原理是反映双回线路的电流及功率方向，有选择性的瞬时切除故障线路。2.横联差动方向保护的相继动作和死区①线路两侧保护装置先后动作切除故障的方式称为相继动作。产生相继动作的范围叫相继动作区。②死区功率方向继电器采用90接线但当出口发生三相短路时，母线残压为零，功率方向继电器不动作，这种不动作的范围称为死区。3.对横联保护的评价优点能迅速而有选择性的切除平行线路的故障,实现起来简单、经济，不受系统震荡的影响。,缺点存在相继动作区，当故障发生在相继动作区时，切除故障的时间增加一倍。由于采用了功率方向继电器，保护装置还存在死区。在单回线路运行时，横差保护要退出工作，为此需要加装单回线运行时线路的主保护和后备保护。横联差动电流方向保护适用于66KV及以下的平行线路。3.2高频保护的基本原理1.高频保护的基本原理和接线高频保护时用高频载波代替二次导线，传送线路两侧信号，所以高频保护的原理是反映被保护线路首末两端电流的差或功率方向信号，用高频载波将信号传输到对侧加以比较而决定保护是否动作。高频保护与线路的纵联差动保护类似，正常运行及区外故障时，保护不动，区内故障全线速动。,目前广泛应用的高频保护有高频闭锁方向保护、高频闭锁距离保护、高频闭锁零序电流保护及电流相位差动高频保护。2.高频通道的构成原理继电器的高频通道有电力输电电路的载波通道、微波通道和光纤通道三种。目前广泛应用的是“导线大地”制，其主要由以下元件构成①高频阻波器②结合电容器③连接滤波器④高频电缆⑤保护间隙⑥接地刀闸⑦高频收、发信机。3.高频闭锁方向保护的基本原理高频闭锁方向保护的基本原理是比较线路两端的短路功率方向，保护采用故障时发信号方式。在继电保护中规定，从母线流向线路的短路功率为正，反之为负。在保护区外故障时，接受反向功率的那以侧发高频信号，收信机受到高频信号保护不动作，故称高频闭锁方向保护。4.相差高频保护的基本原理利用高频信号将电流的相位传到对侧进行比较决定是否动作的保护称为相差高频保护。,相差高频保护的组成包括①起动元件、②操作元件、③比相元件。复习思考题1.说明纵差保护的工作原理及不平衡电流产生的因数。2.“相地”制高频通道有哪些元件组成各元件作用如何3。说明闭锁方向保护的基本工作原理。,一自动重合闸在电力系统中的作用①大大提高供电的可靠性，减少线路停电的次数，特别是对单侧电源的单回路尤为明显。②在高压输电线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的可靠性。③在架空线路上采用重合闸，可以暂缓架设双回线路，以节约投资。④对断路器本身由于机构不良或继电保护误动作而引起的跳闸，也能起纠正的作用。由于重合闸装置本身投资很低，工作可靠，因此在电力系统中得到广泛应用。,第四单元输电线路的自动重合闸ARC,二对自动重合闸装置得基本要求①在正常运行时，当断路器由继电保护动作或其他原因而跳闸后，自动重合闸装置均应动作，使断路器重新合上。②由运行人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时，自动重合闸不应起动，不能将断路器从新合上。③继电保护动作切除故障后，在满足故障点绝缘恢复及断路器消弧室合传动机构准备好再次动作所必需时间得条件下，自动重合闸装置应能尽快得发出重合闸脉冲，以缩短停电时间，减少因停电而造成得损失。④自动重合闸装置的动作次数应符合预先的规定。⑤自动重合闸装置有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电器的动作，以便更好的合继电保护配合，加速故障的切除。⑥在双侧电源的线路上实现重合闸时，重合闸应满足同期合闸条件。,⑦当断路器处于不正常状态而不允许实现重合闸使时，应将自动重合闸闭锁。小结输电线路的故障可以分为瞬时性故障合永久性故障，而绝大多数时瞬时性故障。对瞬时性故障，保护动作切除后如果重合闸装置动作成功，就能恢复线路供电，提高供电可靠性。复习思考题１.简述对自动重合闸装置有哪些要求。,一变压器的故障、不正常工作状态及保护配置变压器的故障可以分为油箱内合油箱外两种。油箱内的故障主要有绕组的相间短路，绕组的匝间短路和绕组的接地短路。变压器油箱外部的故障常见的有绝缘套管和引出线上发生的相间短路与接地短路。变压器不正常工作状态主要包括由于外部短路引起的过电流；由于电动机自起动或并联工作的变压器被断开及尖峰负荷等原因引起的过负荷，油箱漏油造成的油面降低；变压器中性点电压升高；由于外加电压过高引起或频率降低引起的过励磁等。,第五单元电力变压器的继电保护,针对上述故障和不正常运行状态，变压器一般应配备如下继电保护装置①纵联差动保护或电流速断保护对变压器绕组、引出线及套管的故障，可装设纵联差动保护或电流速断保护。②瓦斯保护瓦斯保护是防御油箱内部故障的主保护，重瓦斯保护作用于跳闸，轻瓦斯保护作用于发信号。③相间故障的后备保护防止外部相间短路引起的过电流及作为变压器内部故障的后备保护，应采用下列保护１）对于降压变压器，宜采用过电流保护。２）对于升压变压器和系统联络变压器及过电流保护不满足灵,敏性要求的降压变压器，可采用复合电压引起的过电流保护。３）对于63000MV及以上的升压变压器．可采用负序电流保护及单相式低电压起动的过电流保护。４）对于升压变压器和系统联络变压器，当采用上述２）和３）保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。④接地短路的后备保护110KV及以上中性点直接接地电网中，应装设零序保护作为变压器主保护的后备保护及相邻元件接地保护的后备保护。⑤过负荷保护对于4000KVA及以上的变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应装设过负荷保护。⑥过励磁保护大容量变压器，采用过励磁保护，动作于信号或断开变压器。,二变压器的瓦斯保护在油浸式变压器油箱内发生故障时，短路点电弧使变压器油及其他绝缘材料分解，产生气体，从邮箱向油枕流动，反映这种气流与油流而动作的保护成为瓦斯保护。瓦斯保护的测量继电器为气体继电器。评价瓦斯保护的阻要优点使动作迅速，灵敏度高、安装接线简单，能反映油箱内部发生的各种故障。缺点就是反映油箱以外套管及引出线等部位发生的故障。三变压器的电流速断保护变压器的电流速断保护使反映电流增大而瞬时动作的保护。装与变压器的电源侧，对变压器极其引出线上各种形式的短路进行保护。为保证选择性，速断保护只能保护变压器的部分，一般能保护变压器的原绕组，它适用于容量10MVA在以下容量的变压器。当过电流保护时限大于0.5S时，可在电源侧装设电流速断保护．,四变压器的纵联差动保护①纵联差动保护使反映被保护变压器各端流入和流出电流的相量差。②变压器纵联差动保护在稳态情况下的不平衡电流。在正常运行及保护范围外部短路的情况下流入纵联差动保护差回路的电流叫稳态不平衡电流。差动保护的电流应大于最大不平衡电流，以保证保护线路外部故障时差动保护不动作。不平衡电流增大，将使保护的灵敏度降低。产生不平衡电流的原因主要有如下几个方面1由变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流。2由两侧电流互感器的误差引起的不平衡电流。3由计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流。,4带负荷调变压器的分接头产生的不平衡电流。五变压器的接地保护①变压器中性点直接接地的零序电流保护在正常情况下，电流互感器中没有电流，当发生接地故障时。有3I0通过，零序保护动作。②仅部分变压器中性点接地系统中的分级绝缘变压器的零序电流和零序电压保护。１）中性点未装放电间隙发生接地故障后，中性点接地处出现零序电流，中性点接地运行变压器的零序电流继电器动作，将操作电源送到中性点不接地运行变压器的零序电压保护。２）中性点装设放电间隙中性点装设放电间隙的分级绝缘变压器的接地保护，除装设两段式零序电流保护外，还增设反映零序电压和间隙放电电流的零序电流保护。,六变压器的过电流保护为了反映外部短路引起的变压器过电流和作为变压器主保护的后备保护，变压器需装设过电流保护。根据变压器容量的不同和系统短路电流水平的不同，可采用的保护方式有1过电流保护2低电压起动的过电流保护3复合电压起动的过电流保护4负序过电流保护。复习思考题１.变压器可能出现的故障和不正常运行状态有哪些应分别装设什么保护２.瓦斯保护和差动保护都是变压器内部故障的主保护，二者为什么不能相互替代,一发电机的故障、不正常运行状态及其保护方式１.发电机的故障主要有1定子绕组的相间短路。2定子绕组的匝间短路。3定子绕组的单相接地短路。4励磁回路的一点或两点接地。5转子回路失去励磁。２.发电机不正常的工作状态主要有1外部故障引起的定子绕组过电流和超过额定容量运行的定子过负荷。2外部不对称短路和不对称负荷引起的发电机负序过电流和负序过负荷3调速系统惯性较大的发电机突然甩负荷引起的过电压4由于主气门突然关闭引起的发电机逆功率。5由于励磁贿赂故障或强行励磁时间过长引起的转子过负荷。6发电机频率上升或下降。,第六单元发电机的继电保护,３.针对发电机可能发生的故障和不正常运行状态，必须装设专门的、设备完善的保护。发电机的主要保如下1纵联差动保护。2定子绕组匝间短路保护。3定子接地保护。4过电流保护。5对称过负荷保护。6励磁回路接地保护。7反映发电机励磁消失的失磁保护。8转子回路过负荷保护。9大容量机组的逆功率保护。10反映水轮发电机和大型气轮发电机定子绕组过电压的过的电压保护。二发电机的差动保护发电机的差动保护能快速而灵敏的切除发电机定子绕组及引出线之间发生的故障，是发电机的内部相间短路的主保护。其原理和前面讲的纵联差动保护相同。三发电机定子绕组接地保护1反映基波零序电压的定子绕组接地保护。2100保护区的定子接地保护。,四发电机的电流、电压保护与变压器的后备保护相似，发电机后备保护也可采用低电压起动的过电流保护，复合电压起动的过电流保护或负序电流加单相式电压起动的过电流保护。当对灵敏度和时限配合的要求较高时，还可以采用阻抗保护作为后备保护。五发电机励磁回路接地保护发电机励磁绕组由于绝缘损坏较易发生一点接地故障，在发生一点接地后，若发电机仍继续运行，而其他点绝缘水平降低时，则可能发生转子回路的第二点接地。其后果严重。针对上述情况，当现在广泛采用转子一点接地保护。当发生一点接地后，发出信号，以便尽快停机。一点接地保护动作后，投入两点接地保护，动作于停机。,六发电机的失磁保护１.发电机的失磁失指发电机的励磁电流突然全部消失或部分消失。会造成如下影响①由于发电机转速出现偏差，转子表面产生差频电流。该电流产生附加损耗，使转子过热。转差越大，发热现象越严重。②发电机进入异步运行后，发电机转差越大，其等效阻抗就越小，从系统吸取的无功功率就越大，从而使发电机定子过电流，定子温度升高。③发电机失磁进入异步运行后，发电机的转距，有功功率剧烈的周期性摆动，使定子、转子和整个机组受到很大冲击。④发电机失磁后，从系统吸取接近额定容量的无功功率，使系统电压降低，影响系统的稳定运行，甚至导致系统因电压崩溃而瓦解。２.发电机的失磁保护应满足系统和发电机两方面的要求。,七发电机的逆功率保护由于机炉保护动作或其他原因使气轮机主汽门误关闭而断路器未跳闸时，发电机将变成电动机运行，从系统吸收的有功功率稳态值为发电机额定功率的4-5.5。实现逆功率保护，要求有高灵敏度的逆功率继电器。复习思考题１.发电机可能发现哪些故障和不正常运行状态应配置的相应保护有哪些,一母线保护母线是电能集中和分配的重要设备，是电力系统的重要元件之一。母线的保护方式通常分为两种①利用供电元件的保护兼作母线故障的保护。②采用专门的保护。二母线保护方式①利用供电元件的保护兼作母线故障的保护，不需要另装设保护、简单、经济，但切除故障的时间长，切对于双母线不能选择故障母线，使事故扩大。②在以下情况应采用专门的保护对220-500KV母线，应装设能快速有选择地切除故障的母线保护。,第七单元母线的继电保护,2110KV双母线，110KV单母线、重要发电厂或110KV以上重要变电所地35-66KV母线，需要尽快切除母线上的故障。335-66KV电网中，主要变电所的35-66KV双母线或分段单母线需快速而有选择的切除一段或一组母线上的故障，以保证系统安全稳定运行和可靠供电．4对于发电厂和变电所的3-10KV分段母线并列运行的双母线，需要快速而有选择性的切除一段或一组母线上的故障，以保证可靠供电。5线路断路器不允许切除线路电抗器前的短路时，需装设专用的母线保护切除线路电抗器前的短路故障。专用的母线保护多采用差动保护，以实现保护的快速性和选择性。,三母线的差动保护①单母线完全电流差动母线上通常连接多个供电和受电元件。在正常运行和外部故障时，流入母线的电流和流出母线的电流相等。而母线故障时，所有与电源相连的元件均向故障点供短路电流。根据这个特点，可构成母线的完全电流差动保护。②元件固定连接的母线完全电流差动保护保护由起动元件和选择元件组成。起动元件是双母线的完全电流差动，用来判别在母线上是否出现故障，且改变固定连接方式不会改变其完全电流差动的性质。选择元件分别是个母线的完全电流差动，用来选择故障母线。③相位比较式母线差动保护电流相位比较式母线差动保护，采用双母线完全差动保护判别母线是否故障，采用方向元件判别式哪一组母线故障。无论母线运行方式如何改变，只要保证每组母线上由一个电源支路,母线短路时由短路电流流过母线回路，保护就不会失去选择性。④比率制动式母线差动保护当发生区域外故障时，故障支路的短路电流相当大，其电流互感器往往饱和严重，造成差回路瞬时不平衡电流很大，导致误动作。比率制动式的母线差动保护针对这一情况，利用强制制动解决电流互感器饱和对母线保护带来的问题。复习思考题１引起母线故障的原因是什么２母线保护的方式有哪些,第八单元微机型继电保护,一微机型保护的构成微机保护的基本构成可以看成是硬件和软件两部分组成。其整套硬件是用单独的专用机箱组装，包括数据采集系统，ＣＰＵ主系统，开关量输出、输入系统及外围设备等。软件由初始化模块，数据采集管理模块、故障检出模块、故障计算模块与自检模块等组成。二微机保护的特点①易于获得附加功能。②微机保护具有灵活性。③微机保护具有高可靠性。,三微机保护的原理微机保护的输入量仍与传统保护相同，从电压互感器和电流互感器引入二次电压和电流，经变换器变为适合于保护所要求的再由输入滤波器滤去支流分量、低次及高次谐波分量和各种干扰信号，进入模／数（Ａ／Ｄ）转换器变成数字量，微处理机既对输入的数字量进行运算和判别，然后决定是否跳开断路器。四微机保护的基本算法和数字滤波1微机保护的基本算法是保护的数学模型，是微机保护工作原理的数学表达式，是编制微机保护计算程序的依据。衡量算法的好坏由三个指标既计算精度、响应时间和运算量。而三者往往是相互矛盾