1、电力系统继电保护电力系统继电保护 陈生贵 主 编卢继平 王维庆 副主编 施怀瑾 主 审 出版社电力系统继电保护相关资料第1页目目 录录第1篇 继电保护原理绪论0.1 继电保护作用0.2 对电力系统继电保护基本要求0.3 继电保护基本原理及保护装置组成第1章 电网电流电压保护1.1 单侧电源网络相间短路电流电压 保护电力系统继电保护相关资料第2页1.2 电网相间短路方向性电流保护1.3 大接地电流系统零序保护1.4 小接地电流系统零序保护第2章 电网距离保护2.1 距离保护基本原理2.2 阻抗继电器2.3 阻抗继电器接线方式2.4 距离保护整定计算2.5 影响距离保护正确动作原因及其对策第3章
2、输电线路高频保护电力系统继电保护相关资料第3页3.1 高频保护基本原理3.2 高频闭锁方向保护3.3 高频闭锁负序方向保护3.4 高频闭锁距离保护和零序保护3.5 高频相差动保护第4章 反应故障分量线路保护4.1 反应故障分量继电保护基本原理4.2 工频改变量方向元件4.3 工频改变量距离保护第5章 自动重合闸电力系统继电保护相关资料第4页5.1 三相自动重合闸5.2 综合自动重合闸第 6章 发电机保护6.1 发电机故障和不正常运行状态及其保护方式6.2 发电机相间短路纵联差动保护6.3 发电机定子绕组匝间短路保护6.4 发电机定子绕组单相接地保护6.5 发电机低励失磁保护6.6 发电机励磁回
3、路一点接地保护电力系统继电保护相关资料第5页6.7 发电机励磁回路两点接地保护6.8 发电机转子表层过热（负序电流）保护6.9 发电机逆功率保护6.10 发电机失步运行保护6.11 发电机定子绕组对称过负荷保护第7章 电力变压器保护7.1 概述7.2 大型变压器内部故障差动保护7.3 大型变压器零序保护7.4 大型变压器瓦斯保护电力系统继电保护相关资料第6页7.5 中小型变压器保护第8章 发电机变压器组公用继电保护8.1 概述8.2 发电机变压器组内部故障纵差保护8.3 发电机变压器组反时限过激磁保护8.4 发电机变压器组后备阻抗保护8.5 发电机变压器组辅助性保护第9章 母线继电保护9.1
4、母线故障及其保护9.2 带制动特征母线差动保护电力系统继电保护相关资料第7页9.3 JMH1型母线差动保护装置基本原理9.4 电流相位比较式母线保护第2篇 微机保护基础 绪论 0.1 微机保护发展概况 0.2 微机保护特点第1章 微机保护硬件组成原理1.1 微机保护装置结构1.2 模拟量输入部分1.3 开关量输入回路电力系统继电保护相关资料第8页1.4 开关量输出回路第2章 数字滤波器2.1 概述2.2 数字滤波器基本概念2.3 几个基本数字滤波器第3章 微机保护算法3.1 两采样值积算法3.2 半周积分算法3.3 Mann-Morrison导数算法3.4 Prodar-70算法电力系统继电保
5、护相关资料第9页3.5 傅立叶算法3.6 衰减直流分量影响3.7 移相器算法3.8 序分量滤过器算法3.9 相位比较器算法3.10 增量元件算法第4章 微机保护抗干扰办法4.1 概述4.2 干扰和干扰源4.3 干扰对微机保护装置影响电力系统继电保护相关资料第10页4.4 预防干扰进入微机保护装置对策4.5 抑制窜入干扰影响软、硬件对策第5章 WXB11型线路保护装置5.1 概述5.2 高频保护软件说明5.3 距离保护软件说明5.4 零序保护软件说明5.5 重合闸软件说明参考文件电力系统继电保护相关资料第11页第第1篇篇 继电保护原理继电保护原理电力系统继电保护相关资料第12页绪 论0.1 继电
6、保护作用电力最常见、危害最大故障是各种形式短路。故障造成很大短路电流产生电弧使设备损坏。从电源到短路点间流过短路电流引发发烧和电动力将造成在该路径中非故障元件损坏。电力系统继电保护相关资料第13页靠近故障点部分地域电压大幅度下降，使用户正常工作遭到破坏或影响产品 质量。破坏电力系统并列运行稳定性，引发系统振荡，甚至使该系统瓦解和瓦解。0.2 对电力系统继电保护基本要求(1)选择性选择性基本含义是保护装置动作时仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽可能减小，以确保系统中非故障部分继续安全运行。电力系统继电保护相关资料第14页图0.1 保护选择性说明图图0.2 电力系统并列运行示意图(2)速动
7、性速动性是指继电保护装置应以尽可能快速度断开故障元件。这么就能降低故障设电力系统继电保护相关资料第15页 备损坏程度，降低用户在低电压情况下工作时间，提升电力系统运行稳定性。(3)灵敏性保护装置对其保护范围内故障或不正常运行状态反应能力称为灵敏性(灵敏度)。(4)可靠性可靠性是指在保护装置要求保护范围内发生了它应该反应故障时，保护装置应可靠地动作(即不拒动)。0.3 继电保护基本原理及保护装置组成电力系统继电保护相关资料第16页依据反应物理量不一样，保护装置能够组成下述各种原理保护：(1)反应电气量保护(2)反应非电气量保护图0.3 继电保护装置组成方框图电力系统继电保护相关资料第17页第1章
8、 电网电流电压保护1.1 单侧电源网络相间短路电流电压保护1.1.1 电流继电器动作电流(Iop.r)：能使继电器动作最小电流值。当继电器输入电流Irt1，引入t，则保护2动作时限为：(1.20)图1.12 单侧电源串联线路中各过电流保护动作时限确定电力系统继电保护相关资料第33页保护2动作时限确定以后，当K2点短路时，它将以t2时限切除故障，此时，为了确保保护3动作选择性，又必须整定t3t2，引入t后，得：依这类推，保护4、5动作时限分别为：普通说来，任一过电流保护动作时限，应选择比下一级线途经电流保护动作时限最少 高 出 一 个t，只 有 这 么 才 能 充 分 保(1.21)(1.22)
9、电力系统继电保护相关资料第34页 证动作选择性。如在图1.10中，对保护4而言应同时满足以下要求：(3)过电流保护灵敏系数校验当K1点短路时，应要求各保护灵敏系数之间有以下关系：1.1.5 三段式电流保护应用电流速断、限时电流速断和过电流保护都(1.23)电力系统继电保护相关资料第35页 是反应电流升高而动作保护装置。它们之间区分主要在于按照不一样标准来选择开启电流。图1.13 阶段式电流保护配合和实际动作时间示意图电力系统继电保护相关资料第36页图1.14 含有电流速断、限时电流速断和过电流保护单相原理接线图图1.15 三相完全星形接线方式原理接线图电力系统继电保护相关资料第37页1.1.6
10、 电流保护接线方式电流保护接线方式是指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间连接方式。基本接线方式有3种：三相三继电器完全星形接线方式、两相两继电器不完全星形接线方式、两相一继电器两相电流差接线方式。(1)对中性点直接接地电网中单相接地 短路电力系统继电保护相关资料第38页图1.16 两相不完全星形接线方式原理接线图图1.17 串联线路上两点接地示意图电力系统继电保护相关资料第39页(2)对中性点非直接接地电网中两点接地短路(3)对Y、接线变压器后面两相短路在故障点，设侧各相绕组中电流分别为 、和 ，并设变压器比nT=1，则：(1.24)电力系统继电保护相关资料第40页图1.18 两点异地接
11、地示意图图1.19 Y/11接线降压变压器短路时电流分布及过电流保护接线(a)接线图；(b)电流分布图；(c)三角形侧电流相量图；(d)星形侧电流相量图电力系统继电保护相关资料第41页依据变压器工作原理，即可求得Y侧电流关系为：1.1.7 两种接线方式应用普通广泛应用于发电机、变压器等大型主要电气设备保护中，因为它能提升保护动作 可 靠 性 和 灵 敏 性。另 外，它 也 可(1.25)(1.26)电力系统继电保护相关资料第42页 以用在中性点直接接地电网中，作为相间短路和单相接地短路保护。1.1.8 三段式电流保护接线图图1.20 三段式电流保护接线图电力系统继电保护相关资料第43页图1.2
12、1 双侧电源供电网络(a)K1点短路时电流分布；(b)K2点短路时电流分布；(c)各保护动作方向要求；(d)方向过电流保护阶梯形时限特征电力系统继电保护相关资料第44页1.2 电网相间短路方向性电流保护1.2.1 方向性电流保护基本原理1.2.2 功率方向继电器工作原理图1.22 方向过电流保护单相原理接线图电力系统继电保护相关资料第45页图1.23 方向继电器工作原理分析(a)系统网络接线图；(b)K1点短路；(c)K2点短路电力系统继电保护相关资料第46页当K1、K2点短路时，保护1所反应短路功率分别为：K1点短路：K2点短路：对继电保护中方向继电器基本要求是：应含有明确方向性，即在正方向
13、发生各种故障时，能可靠动作；而在反方向故障时，可靠不动作；电力系统继电保护相关资料第47页故障时继电器动作有足够灵敏度。对 于A相 功 率 方 向 继 电 器，加 入 电 压 和电流 ，则当正方向短路时，继电器中电压、电流之间相角为：反方向短路时，如图1.23(c)所表示，继电器中电压、电流之间相角为：(1.27)(1.28)电力系统继电保护相关资料第48页普通地，当功率方向继电器输入电压和电流幅值不变时，其输出值随二者间相位差大小而改变，输出为最大时相位差称为继电器最大灵敏角 。假如用 表示 超前于 角度，并用功率形式表示，则：(1.29)(1.30)电力系统继电保护相关资料第49页图1.2
14、4 功率方向继电器工作原理图1.25 三相短路相量图电力系统继电保护相关资料第50页引入 ，于是有：习惯上采取 ，称为功率方向继电器内角，则上式变为：如用功率形式表示，则为：对A相功率方向继电器而言,可详细表示为：(1.31)(1.32)电力系统继电保护相关资料第51页1.2.3 相间短路功率方向继电器接线方式功率方向继电器接线方式,是指它与电流互感器和电压互感器连接方式,即加入继电器电压Ur和电流Ir是线(相间)还是相一定组合方式。图1.26 90接线相量图(1.33)电力系统继电保护相关资料第52页(1)三相短路图1.27 功率方向继电器90接线电力系统继电保护相关资料第53页图1.28
15、三相短路90接线分析图图1.29 B、C两相短路系统接线图电力系统继电保护相关资料第54页(2)两相短路图1.30 保护安装地点出口处B、C两相短路时相量图电力系统继电保护相关资料第55页对于B相继电器，则动作条件应为：对于C相继电器，则动作条件应为：对于三相短路时分析，为了确保在 范围内，继电器均能动作，就要选择内角为 。(1.35)(1.36)电力系统继电保护相关资料第56页对于B相继电器，因为电压 ，较出口处短路时相位滞后30,所以，则动作条件应为：图1.31 远离保护安装地点B、C两相短路时相量图(1.37)电力系统继电保护相关资料第57页对于C相继电器，因为电压UABEAB，较出口处
16、短路时相位超前30，所以，则动作条件应为：(3)按相开启当电网中发生不对称故障时,在非故障相中依然有电流流过,这个电流就称为非故障相电流，它可能使非故障相方向元件误动作。(4)90接线方式评价(1.38)电力系统继电保护相关资料第58页90接线优点是：适当选择继电器内角，对线路上发生各种相间短路都能确保正确地判断短路功率方向，而不致误动作；各种两相短路均无电压死区，因为继电器接 入 非 故 障 相 间 电 压，其 值 很图1.32 两相短路电流对非故障相电流影响电力系统继电保护相关资料第59页高；因为接入继电器相间电压，故对三相短路电压死区有一定改进；假如再采取电压记忆回路。普通能够消除三相短
17、路电压死区。其缺点是：连接在非故障相电流上功率方向继电器，可能在两相短路或单相接地短路时误动作。1.2.4 对方向性电流保护评价1)助增电流影响(1.39)(1.40)电力系统继电保护相关资料第60页图1.33 双侧电源线路上电流速断保护整定(1.41)(1.42)电力系统继电保护相关资料第61页图1.34 有助增电流时限时电流速断保护整定(1.43)电力系统继电保护相关资料第62页2)外汲电流影响1.3 大接地电流系统零序保护电力系统中性点工作方式有:中性点直接接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。图1.35 有外汲电流时限时电流速断保护整定电力系统继电保护相关资料第63页零序分量参数含
18、有以下特点：故障点零序电压最高，系统中距离故障点越远处零序电压越低，零序电压分布如图1.36(c)所表示，在变电所A母线上零序电压为UA0，变电所B母线上零序电压为UB0等。因为零序电流是UK0产生，当忽略回路电阻时，按照要求正方向画出零序电流和电压相量图，如图1.36(d)所表示，和 将超前 ；而考虑回路电阻时，比如，取零序阻抗角为 ，如图1.36(e)所表示，电力系统继电保护相关资料第64页 和 将超前 。对于发生故障线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线。从任一保护(比如保护1)安装处零序电压与电流之间关系看，因为A母线上零序电压 实际上是从该点到
19、零序网络中性点之间零序阻抗上电压降，所以，可表示为：式中，XT1.0为变压器T1零序阻抗。电力系统继电保护相关资料第65页图1.36 接地短路时零序等效网络(a)系统接线；(b)零序网络；(c)零序电压分布；(d)忽略电阻时相量图；(e)考虑电阻时相量图(设 =80)电力系统继电保护相关资料第66页在电力系统运行方式改变时，假如送电线路和中性点接地变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变。1.3.1 零序电压过滤器1.3.2 零序电流过滤器为了取得零序电流，通常采取三相电流互感器，按图1.38(a)方式连接，此时流入继电器回路中电流为：(1.44)电力系统继电保护相关资料第67页图1.
20、37 取得零序电压接线图(a)用三个单相式电压互感器；(b)用三相五柱式电压互感器；(c)用接于发电机中性点电压互感器；(d)在集成电路保护装置内部合成零序电力系统继电保护相关资料第68页图1.38 零序电流过滤器(a)原理接线；(b)等效电路图1.39 电流互感器等效电路图1.40 零序电流互感器接线示意图电力系统继电保护相关资料第69页在正常运行和不接地相间短路时，三个电流互感器一次侧电流相量和必定为零，所以，流入继电器中电流为：1.3.3 零序电流速断(零序段)保护零序电流速断保护整定标准以下：(1.45)(1.46)(1.47)电力系统继电保护相关资料第70页躲开下一条线路出口处单相或
21、两相接地短路时可能出现最大零序电流3I0.max，引入可靠系数 (普通取为1.21.3)，即为：躲开断路器三相触头不一样期合闸时所出现最大零序电流3I0.bt，引入可靠系数 即为：假如保护装置动作时间大于断路器三相不一样期合闸时间，则能够不考虑这一 条件。(1.48)(1.49)电力系统继电保护相关资料第71页图1.41 有分支线路时零序段动作特征分析(a)网络接线图；(b)零序等效网络；(c)零序电流改变曲线电力系统继电保护相关资料第72页1.3.4 零序电流限时速断(零序段)保护1.3.5 零序过电流(零序段)保护零序段作用相当于相间短路过电流保护，普通情况下作为后备保护使用。在中性点直接
22、接地电网中终端线路上，它也能够作为主保护使用。在零序过电流保护中，对继电器开启电流，可按照躲开在下一条线路出口处相间短路时 所 出 现 最 大 不 平 衡 电 流Iunb.max来 整(1.50)电力系统继电保护相关资料第73页 定，引入可靠系数Krel，即为：(1.51)(1.52)图1.42 零序过电流保护时限特征电力系统继电保护相关资料第74页1.3.6 方向性零序电流保护在双侧或多侧电源网络中，电源处变压器中性点普通最少有一台要接地。因为零序电流实际流向是由故障点流向各个中性点接地变压器，所以，在变压器接地数目较多复杂网络中，就需要考虑零序电流保护动作方向性问题。1.3.7 对零序电流
23、保护评价采取专门零序电流保护含有以下优点：相间短路过电流保护是按照躲开最大负荷电流整定，继电器开启电流普通为5电力系统继电保护相关资料第75页 7A，而零序过电流保护则按照躲开不平衡电流标准整定，其值普通为23A。图1.43 零序方向保护工作原理分析(a)网络接线；(b)K1点短路零序电流；(c)K2点短路零序电流电力系统继电保护相关资料第76页相间短路电流速断和限时电流速断保护直接收系统运行方式改变影响很大，图1.44 三段式零序方向电流保护原理接线图电力系统继电保护相关资料第77页 而零序电流保护受系统运行方式改变影响要小得多。当系统中发生一些不正常运行状态时(比如，系统振荡、短时过负荷等
24、)三相是对称，相间短路电流保护均受它们影响而可能误动作，因而需要采取必要办法给予预防，而零序保护则不受它们影响。在110kV及以上高压和超高压系统中，单相接地故障约占全部故障70%90%，而且其它故障也往往是由单相接地发展起来，所 以，采 取 专 门 零 序 保 护 就 具电力系统继电保护相关资料第78页 有显著优越性。零序电流保护缺点是：对于短线路或运行方式改变很大情况，保护往往不能满足系统运行所提出要求。伴随单相重合闸广泛应用，在重合闸动作过程中将出现非全相运行状态，再考虑系统两侧电机发生摇摆，则可能出现较大零序电流，因而影响零序电流保护正确地工作，此时应从整定值上给予考虑，或在单相重合闸
25、动作过程中使之短时退出运行。电力系统继电保护相关资料第79页当采取自耦变压器联络两个不一样电压等级网络时，则任一网络接地短路都将在另一网络中产生零序电流，这将使零序保护配合整定复杂化，并将增大段保护动作时限。1.4 小接地电流系统零序保护1.4.1 中性点不直接接地电网中单相接地故障特点(1.53)电力系统继电保护相关资料第80页图1.45 简单网络接线示意图图1.46 A相接地时相量图电力系统继电保护相关资料第81页故障点K零序电压为：在非故障相中流向故障点电容电流为：(1.54)(1.55)(1.56)(1.57)电力系统继电保护相关资料第82页对于故障线路，在B相和C相上与非故障线路一样
26、，不但有它本身电容电流IB图1.47 单相接地故障时三相系统电容电流分布图电力系统继电保护相关资料第83页和IC，而且在接地点要流回全系统B相和C相对地电容电流总和，其值为：有效值为：在线路始端所流过零序电流就为：有效值为：(1.58)(1.59)电力系统继电保护相关资料第84页图1.48 单相接地故障时零序等效网络(a)等效网络；(b)相量图电力系统继电保护相关资料第85页对于中性点不直接接地电网中单相接地故障，利用零序等效网络来帮助分析就轻易计算出零序电流大小，现总结以下：发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。在非故障线路上有零序电流，其数值等于本身对地电容电流，电容性无功功率实际方向为
27、由母线流向线路。在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值普通较大，电容性无功功率实际方向为由线路电力系统继电保护相关资料第86页 流向母线。1.4.2 中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障特点当系统出现零序电压时，消弧线圈中有一感应电流IL流过，流过接地点电流变成电感电流和电容电流相量和，即(1)完全赔偿(IL=IC)因为 ，实质上组成了串联谐振条件，假如三相对地电容不相等，则在正常(1.60)电力系统继电保护相关资料第87页 情况下系统中因为中性点电压偏移或者在断路器三相不一样期合闸而出现零序电压U0时，会在串联谐振回路中产生很大电流及异常高电压，造成系统破坏，所以
28、，普通不采取完全赔偿方式。(2)欠赔偿(IL0，仍是一个容性状态，当系统运行方式改变(比如，切除部分线路)时，伴随C0降低，系统又可能陷入上述完全赔偿状态，这也不宜采取。(3)过赔偿(ILIC)电力系统继电保护相关资料第88页实际上，惯用是过赔偿方式，即此时接地电流将呈感性，这种方式不会造成串联谐振情况发生。对电容电流赔偿程度通惯用赔偿度P来表示：1.4.3 中性点不接地电网中单相接地保护(1)无选择性绝缘监视装置(2)零序电流保护(1.61)电力系统继电保护相关资料第89页图1.49 消弧线圈接地电网中单相接地时电流分布(a)用三相系统表示；(b)零序等效网络电力系统继电保护相关资料第90页(3)零序功率方向保护图1.50 中性点不接地电网中绝缘监视装置(1.62)(1.63)电力系统继电保护相关资料第91页
