電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù),陳 平山東理工大學(xué)電氣學(xué)院2007.1,1,內(nèi) 容,第一部分：繼電保護(hù)原理第二部分：微機(jī)繼電保護(hù)第三部分：變電站綜合自動(dòng)化,2,參考書(shū)目,1 賀家李，宋從矩. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理（第三版）. 北京：中國(guó)電力出版社，19942 張保會(huì)，尹項(xiàng)根. 電力系統(tǒng)繼電保護(hù). 北京：中國(guó)電力出版社，20053 高友權(quán). 配電系統(tǒng)繼電保護(hù). 北京：中國(guó)電力出版社，2005 4 楊奇遜，黃少鋒. 微型機(jī)繼電保護(hù)基礎(chǔ)（第二版）. 北京：中國(guó)電力出版社，20055 張舉. 微型機(jī)繼電保護(hù)原理. 北京：中國(guó)水利水電出版社，20046 丁書(shū)文. 變電站綜合自動(dòng)化技術(shù). 北京：中國(guó)電力出版社，20057 張惠剛. 變電站綜合自動(dòng)化原理與系統(tǒng). 北京：中國(guó)電力出版社，2004,3,第一部分,繼電保護(hù)原理,4,內(nèi) 容,繼電保護(hù)基礎(chǔ)知識(shí)繼電保護(hù)基本原理利用故障分量的繼電保護(hù)原理小電流接地系統(tǒng)單相接地故障保護(hù)小結(jié),5,1. 繼電保護(hù)基礎(chǔ)知識(shí),1.1 繼電保護(hù)的基本概念1.2 繼電保護(hù)研究的內(nèi)容1.3 繼電保護(hù)分類1.4 繼電保護(hù)的工作回路1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求1.6 繼電保護(hù)發(fā)展概況,6,1.1 繼電保護(hù)的基本概念,“繼電”源于繼電器（Relay）。最早誕生的繼電器是電磁型過(guò)電流繼電器。在正常情況下，其觸點(diǎn)是打開(kāi)的。當(dāng)輸入電流大于預(yù)先設(shè)定的動(dòng)作電流（稱為整定值）時(shí)，其觸點(diǎn)將閉合（啟動(dòng)）。只有當(dāng)輸入電流減小到小于返回電流時(shí)，繼電器觸點(diǎn)才重新打開(kāi)（返回）。返回電流小于啟動(dòng)電流。 無(wú)論啟動(dòng)和返回，繼電器的動(dòng)作都是明確干脆的，不可能停留在某一個(gè)中間位置，這種特性稱為“繼電特性”。,7,1.1 繼電保護(hù)的基本概念,繼電特性曲線,8,1.1 繼電保護(hù)的基本概念,繼電保護(hù)（Relay Protection）泛指能反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生的故障（如短路、斷線）或不正常運(yùn)行狀態(tài)（如過(guò)負(fù)荷），并動(dòng)作于相應(yīng)斷路器跳閘或發(fā)出告警信號(hào)的一種自動(dòng)化技術(shù)和裝置。 繼電保護(hù)裝置是保證電力元件安全運(yùn)行的基本裝備，任何電力元件不得在無(wú)繼電保護(hù)的狀態(tài)下運(yùn)行。,9,1.2 繼電保護(hù)研究的內(nèi)容,提出保護(hù)原理 在分析電網(wǎng)發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)下各種電氣量或其他特征物理量（如變壓器油箱內(nèi)的瓦斯）的變化規(guī)律的基礎(chǔ)上，找出它們與正常運(yùn)行狀態(tài)的之間的差別，然后制定出合理的保護(hù)動(dòng)作判據(jù)。研制保護(hù)裝置 根據(jù)已經(jīng)提出的保護(hù)原理，設(shè)計(jì)實(shí)際裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能。,10,1.3 繼電保護(hù)分類,按反應(yīng)的電網(wǎng)運(yùn)行狀態(tài)分類 1）反應(yīng)故障（包括短路和斷線）狀態(tài)，保護(hù)動(dòng)作于相應(yīng)斷路器跳閘； 2）反應(yīng)不正常運(yùn)行狀態(tài)（如過(guò)負(fù)荷、小電流接地系統(tǒng)發(fā)生單相接地故障等），保護(hù)動(dòng)作于告警信號(hào)。按保護(hù)對(duì)象分類 如：變壓器保護(hù)、線路保護(hù)、電容器保護(hù)等。,11,1.3 繼電保護(hù)分類,按保護(hù)所起的作用分類 可分為主保護(hù)、后備保護(hù)和輔助保護(hù)。 主保護(hù)滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和設(shè)備安全要求，能以最快速度有選擇地切除所保護(hù)范圍內(nèi)的故障。,12,1.3 繼電保護(hù)分類,按保護(hù)所起的作用分類 可分為主保護(hù)、后備保護(hù)和輔助保護(hù)。 后備保護(hù)指主保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)用來(lái)切除所保護(hù)范圍內(nèi)故障的保護(hù)原理或裝置，可分為遠(yuǎn)后備保護(hù)和近后備保護(hù)。遠(yuǎn)后備保護(hù)由相鄰電力設(shè)備或線路的保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)。近后備保護(hù)由本電力設(shè)備或線路的另一套保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)（當(dāng)主保護(hù)拒動(dòng)時(shí)），或者由斷路器失靈保護(hù)來(lái)實(shí)現(xiàn)（當(dāng)斷路器拒動(dòng)時(shí)，只動(dòng)作于母聯(lián)斷路器和母線分段斷路器）。,13,1.3 繼電保護(hù)分類,按保護(hù)所起的作用分類 可分為主保護(hù)、后備保護(hù)和輔助保護(hù)。 輔助保護(hù)是為補(bǔ)充主保護(hù)和后備保護(hù)的性能或當(dāng)主保護(hù)和后備保護(hù)退出運(yùn)行時(shí)所增設(shè)的簡(jiǎn)單保護(hù)。,14,1.3 繼電保護(hù)分類,按構(gòu)成保護(hù)判據(jù)的特征物理量分類 如：電流保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)等。按利用的故障信號(hào)頻譜特征分類 1）工頻分量；2）暫態(tài)分量 常規(guī)保護(hù)原理只反應(yīng)工頻分量。利用暫態(tài)分量可以構(gòu)成各種超高速保護(hù)，如行波保護(hù)、暫態(tài)保護(hù)等。,15,1.3 繼電保護(hù)分類,按通信通道分類 主要針對(duì)線路保護(hù)而言?？煞譃橛型ǖ辣Ｗo(hù)和無(wú)通道保護(hù)。前者包括高頻保護(hù)、微波保護(hù)、光纖保護(hù)等，后者包括所有只利用本端測(cè)量信號(hào)的保護(hù)原理。按保護(hù)裝置結(jié)構(gòu)型式分類 可分為機(jī)電型、靜態(tài)型和微機(jī)型。,16,1.4 繼電保護(hù)的工作回路,總體構(gòu)成:,17,1.4 繼電保護(hù)的工作回路,繼電保護(hù)裝置的構(gòu)成:測(cè)量比較環(huán)節(jié)：測(cè)量特征量，并與整定值比較，以判斷是否應(yīng)該啟動(dòng)。邏輯判斷環(huán)節(jié)：按一定邏輯關(guān)系判斷是否發(fā)生區(qū)內(nèi)故障。執(zhí)行輸出環(huán)節(jié)：負(fù)責(zé)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作脈沖信號(hào)。,18,1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求,對(duì)動(dòng)作于跳閘的繼電保護(hù)，在技術(shù)上一般應(yīng)滿足四個(gè)基本要求，即可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性。 可靠性 包括安全性和信賴性，是對(duì)繼電保護(hù)性能最根本的要求。安全性要求繼電保護(hù)在不需要它動(dòng)作時(shí)可靠不動(dòng)作，即不發(fā)生誤動(dòng)作。信賴性要求繼電保護(hù)在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)可靠動(dòng)作，即不發(fā)生拒絕動(dòng)作。,19,1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求,選擇性 指保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)，在可能最小的區(qū)間內(nèi)將故障部分從電力系統(tǒng)中斷開(kāi)，最大限度地保證系統(tǒng)中無(wú)故障部分仍能繼續(xù)安全運(yùn)行。它包含兩層意思： 1）只應(yīng)由裝在故障元件上的保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障； 2）力爭(zhēng)相鄰元件的保護(hù)裝置對(duì)它起后備保護(hù)的作用。,20,1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求,選擇性,21,1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求,速動(dòng)性 故障發(fā)生時(shí)，應(yīng)力求保護(hù)裝置能迅速動(dòng)作切除故障元件，以提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減少用戶經(jīng)受電壓驟降的時(shí)間以及故障元件的損壞程度。 故障切除時(shí)間等于保護(hù)裝置和斷路器動(dòng)作時(shí)間的總和。一般快速保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為0.06s0.12s，最快的可達(dá)0.01s0.04s。一般斷路器的動(dòng)作時(shí)間為0.06s0.15s，最快的可達(dá)0.02s0.06s。 保護(hù)動(dòng)作速度越快，為防止保護(hù)誤動(dòng)采取的措施越復(fù)雜，成本也相應(yīng)提高。因此，配電網(wǎng)保護(hù)裝置在切除故障時(shí)往往允許帶有一定延時(shí)。,22,1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求,靈敏性 指對(duì)于保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)的反應(yīng)能力。在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，不論短路點(diǎn)的位置、短路的類型如何，以及短路點(diǎn)是否有過(guò)渡電阻，保護(hù)裝置都應(yīng)能靈敏反應(yīng)，沒(méi)有似動(dòng)非動(dòng)的模糊狀態(tài)。保護(hù)裝置的靈敏性通常用靈敏系數(shù)來(lái)衡量。根據(jù)規(guī)程規(guī)定，要求靈敏系數(shù)在1.22之間。,23,1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求,實(shí)際工作中，在確定被保護(hù)元件的保護(hù)方式時(shí)，還要考慮其經(jīng)濟(jì)性要求，即在滿足基本保護(hù)功能要求的前提下，應(yīng)盡可能減少投資。隨著電力市場(chǎng)化進(jìn)程的深入，對(duì)經(jīng)濟(jì)性要求越來(lái)越重視，甚至把它和前面介紹的四個(gè)基本要求合在一起，稱為保護(hù)的五個(gè)基本要求。 考慮經(jīng)濟(jì)性時(shí)，不能僅僅局限于保護(hù)裝置本身投資的大小，還應(yīng)從電網(wǎng)的整體安全及社會(huì)利益出發(fā)，按被保護(hù)元件在電網(wǎng)中的作用和地位來(lái)確定保護(hù)方式，因?yàn)楸Ｗo(hù)不完善或不可靠造成的損失，一般都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)即使是最復(fù)雜的保護(hù)裝置的投資。,24,1.5 對(duì)繼電保護(hù)的基本要求,對(duì)繼電保護(hù)裝置的各項(xiàng)基本要求是研究分析繼電保護(hù)性能的基礎(chǔ)。這些要求之間往往是相互制約的，例如提高保護(hù)裝置動(dòng)作可靠性的措施，一般會(huì)造成動(dòng)作速度及動(dòng)作靈敏性下降，并增加保護(hù)成本。因此，繼電保護(hù)的研究、設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的絕大部分工作就是圍繞著如何處理好這些基本要求之間關(guān)系進(jìn)行的。 實(shí)際工作中，要根據(jù)具體情況以及要解決的主要矛盾，統(tǒng)籌兼顧，尋求一個(gè)適當(dāng)?shù)慕鉀Q方案。,25,1.6 繼電保護(hù)發(fā)展概況,繼電保護(hù)原理隨著對(duì)電網(wǎng)故障特性認(rèn)識(shí)的不斷深入而呈現(xiàn)出低速、高速到超高速的發(fā)展趨勢(shì)。,26,1.6 繼電保護(hù)發(fā)展概況,繼電保護(hù)裝置隨著元器件技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展?？梢愿爬槿齻€(gè)階段、兩次飛躍。,27,1.6 繼電保護(hù)發(fā)展概況,配電網(wǎng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)與發(fā)展：1）傳統(tǒng)配電網(wǎng)一般采用輻射性供電方式，因而其保護(hù)不需要像輸電網(wǎng)保護(hù)那樣判別故障方向。 2）配電網(wǎng)故障對(duì)電網(wǎng)整體運(yùn)行的影響相對(duì)較小，因此并不嚴(yán)格要求配電網(wǎng)保護(hù)像輸電網(wǎng)保護(hù)那樣超高速動(dòng)作。 3）近年來(lái)，隨著我國(guó)電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨合理，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的配置越來(lái)越強(qiáng)調(diào)簡(jiǎn)單、實(shí)用，對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)來(lái)說(shuō)，這一趨勢(shì)更加明顯。,28,1.6 繼電保護(hù)發(fā)展概況,配電網(wǎng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)與發(fā)展：4）隨著用戶對(duì)電能質(zhì)量（尤其是電壓驟降 ）要求的提高以及分散發(fā)電、配電自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展，對(duì)配電網(wǎng)保護(hù)也提出了新要求。,短路故障引起的電壓驟降,29,1.6 繼電保護(hù)發(fā)展概況,配電網(wǎng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)與發(fā)展：5）隨著嵌入式系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展及其在變電所自動(dòng)化系統(tǒng)和配電網(wǎng)自動(dòng)化系統(tǒng)中的廣泛應(yīng)用，配電網(wǎng)的保護(hù)裝置可以融合數(shù)據(jù)采集與監(jiān)控（SCADA）、自動(dòng)控制（包括自動(dòng)重合閘、自動(dòng)無(wú)功補(bǔ)償、備用電源自投、自動(dòng)減載等）、饋線自動(dòng)化（FA）等功能，并且能夠?qū)崿F(xiàn)分散、就地安裝，甚至直接嵌入到開(kāi)關(guān)設(shè)備內(nèi)部，形成智能化開(kāi)關(guān)設(shè)備的控制內(nèi)核。6）隨著對(duì)故障暫態(tài)現(xiàn)象認(rèn)識(shí)的不斷深入，在小電流接地系統(tǒng)的繼電保護(hù)方面取得了重大突破。,30,1.6 繼電保護(hù)發(fā)展概況,全數(shù)字式繼電保護(hù)裝置： 隨著電子傳感器及高速數(shù)據(jù)（光纖）通信技術(shù)的發(fā)展，微機(jī)保護(hù)裝置可以通過(guò)通信接口獲取來(lái)自現(xiàn)場(chǎng)的數(shù)字化后的電壓、電流信號(hào)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)全數(shù)字式繼電保護(hù)，使微機(jī)保護(hù)裝置的構(gòu)成出現(xiàn)革命性的變化。,31,內(nèi) 容,繼電保護(hù)基礎(chǔ)知識(shí)繼電保護(hù)基本原理利用故障分量的繼電保護(hù)原理小電流接地系統(tǒng)單相接地故障保護(hù)小結(jié),32,2. 繼電保護(hù)基本原理,2.1 電流保護(hù) 2.2 距離保護(hù)2.3 電壓保護(hù)2.4 縱聯(lián)電流差動(dòng)保護(hù),33,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)（2）反時(shí)限過(guò)電流保護(hù)（3）方向電流保護(hù)（4）零序電流保護(hù),34,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù) 包括: 1）無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)（ I段保護(hù)） 2）帶時(shí)限電流速斷保護(hù)（ II段保護(hù)） 3）定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)（III段保護(hù)） 它們可組合成兩段或三段電流保護(hù)。 這三種電流保護(hù)都是反應(yīng)電流增大而動(dòng)作，區(qū)別主要在于按照不同的原則來(lái)整定動(dòng)作電流及動(dòng)作時(shí)限。,35,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)I段保護(hù) 工作原理： 反應(yīng)于短路電流幅值增大而瞬時(shí)動(dòng)作。 為了保證選擇性，被保護(hù)線路的保護(hù)動(dòng)作電流要躲過(guò)（即大于）下級(jí)線路出口處（可等同于被保護(hù)線路末端母線處）短路時(shí)可能出現(xiàn)的最大短路電流。,36,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)I段保護(hù) 動(dòng)作電流的整定：,引入可靠系數(shù)的原因是消除整定值的計(jì)算和設(shè)置誤差、短路電流中非周期分量等因素的影響，使保護(hù)動(dòng)作具有選擇性，以確保在被保護(hù)線路以外出現(xiàn)故障時(shí)不會(huì)誤動(dòng)作。,37,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)I段保護(hù) 動(dòng)作時(shí)限的整定： t I 取決于保護(hù)裝置本身固有的動(dòng)作時(shí)間，一般小于10 ms?？紤]到躲過(guò)線路中避雷器的放電時(shí)間為（4060）ms，一般人為地加入（6080）ms的動(dòng)作延時(shí)，以防止保護(hù)誤動(dòng)作。,38,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)I段保護(hù) 靈敏性校驗(yàn)： 有選擇性的I段保護(hù)不可能保護(hù)線路的全長(zhǎng)。因此，其靈敏性只能用保護(hù)范圍的大小來(lái)衡量，通常用線路全長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。當(dāng)出現(xiàn)電網(wǎng)最小運(yùn)行方式下的兩相短路時(shí)，I段保護(hù)范圍最小。一般情況下，應(yīng)按這種運(yùn)行方式和故障類型來(lái)校驗(yàn)其保護(hù)范圍，要求大于被保護(hù)線路全長(zhǎng)的（1520）。 保護(hù)的最小范圍計(jì)算：,39,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù) I段保護(hù) 評(píng)價(jià)： 主要優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速，缺點(diǎn)是不可能保護(hù)線路的全長(zhǎng)，并且保護(hù)范圍受電網(wǎng)運(yùn)行方式變化及短路型式的影響。,40,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)II段保護(hù) 工作原理： 從選擇性出發(fā)，通過(guò)與下級(jí)線路保護(hù)在動(dòng)作電流與動(dòng)作時(shí)限上的配合，將保護(hù)范圍延伸到下級(jí)線路中去，從而能夠以較小的時(shí)限快速切除被保護(hù)線路全線范圍內(nèi)的故障。 動(dòng)作電流配合表示要躲過(guò)下級(jí)保護(hù)的動(dòng)作電流。 動(dòng)作時(shí)限配合表示在下級(jí)保護(hù)動(dòng)作時(shí)限的基礎(chǔ)上，增加一定的動(dòng)作延時(shí)。,41,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)II段保護(hù) 動(dòng)作電流的整定：,考慮II段保護(hù)動(dòng)作時(shí)，非周期分量已經(jīng)衰減，因而可靠性配合系數(shù)比I段保護(hù)整定時(shí)所取的可靠系數(shù)要小。,42,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)II段保護(hù) 動(dòng)作時(shí)限的整定：,t 通常取為0.5s。隨著技術(shù)的發(fā)展，保護(hù)和斷路器動(dòng)作速度以及定時(shí)精度有了很大的提高。為了縮短故障持續(xù)時(shí)間，減少故障引起的電壓驟降對(duì)用電設(shè)備的影響，人們開(kāi)始傾向于將t 選得更小一些，如選為 0.3s甚至更短。,43,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)II段保護(hù) 靈敏性校驗(yàn)： 保護(hù)2的II段應(yīng)采用系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下線路A-B末端（B母線）發(fā)生兩相短路時(shí)的短路電流計(jì)算靈敏系數(shù)，具體可以表示為：,為了保證在線路末端短路時(shí)，保護(hù)一定能夠動(dòng)作，要求Ksen 1.31.5。,44,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù)II段保護(hù) 靈敏性校驗(yàn)： 當(dāng)靈敏系數(shù)不能滿足要求時(shí)，通?？紤]降低II段的整定值，使之與下級(jí)線路II段保護(hù)相配合。在這種情況下的動(dòng)作時(shí)限應(yīng)取為：,45,2.1 電流保護(hù),（1）三段式電流保護(hù) II段保護(hù) 評(píng)價(jià)： 主要優(yōu)點(diǎn)是能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)，動(dòng)作比較迅速(僅當(dāng)與下級(jí)線路I段配合時(shí))，缺點(diǎn)是保護(hù)范圍受電網(wǎng)運(yùn)行方式變化及短路型式的影響。 當(dāng)被保護(hù)線路同時(shí)配備了I段和II段保護(hù)時(shí)，它們的聯(lián)合工作就可以保證全線路范圍內(nèi)的故障都能夠在設(shè)定的時(shí)限（0；對(duì)非故障線路，qk(t)0。判別qk(t)極性可以識(shí)別故障線路。,94,4.