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

目录 • 第1篇继电保护原理 • 绪论 • 0.1 继电保护的作用 • 0.2 对电力系统继电保护的基本要求 • 0.3 继电保护的基本原理及保护装置的组成 • 第1章电网的电流电压保护 • 1.1 单侧电源网络的相间短路的电流电压保护

1.2 电网相间短路的方向性电流保护 • 1.3 大接地电流系统的零序保护 • 1.4 小接地电流系统的零序保护 • 第2章电网的距离保护 • 2.1 距离保护的基本原理 • 2.2 阻抗继电器 • 2.3 阻抗继电器的接线方式 • 2.4 距离保护的整定计算 • 2.5 影响距离保护正确动作的因素及其对策 • 第3章输电线路的高频保护

3.1 高频保护的基本原理 • 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章反映故障分量的线路保护 • 4.1 反映故障分量的继电保护基本原理 • 4.2 工频变化量方向元件 • 4.3 工频变化量距离保护 • 第5章自动重合闸

5.1 三相自动重合闸 • 5.2 综合自动重合闸 • 第 6章发电机的保护 • 6.1 发电机的故障和不正常运行状态及其保护方式 • 6.2 发电机相间短路的纵联差动保护 • 6.3 发电机定子绕组匝间短路保护 • 6.4 发电机定子绕组的单相接地保护 • 6.5 发电机低励失磁保护 • 6.6 发电机励磁回路一点接地保护

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章电力变压器的保护 • 7.1 概述 • 7.2 大型变压器内部故障的差动保护 • 7.3 大型变压器零序保护 • 7.4 大型变压器瓦斯保护

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章母线的继电保护 • 9.1 母线故障及其保护 • 9.2 带制动特性的母线差动保护

9.3 JMH—1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 微机保护的发展概况 • 0.2 微机保护的特点 • 第1章微机保护的硬件构成原理 • 1.1 微机保护装置的结构 • 1.2 模拟量输入部分 • 1.3 开关量输入回路

1.4 开关量输出回路 • 第2章数字滤波器 • 2.1 概述 • 2.2 数字滤波器的基本概念 • 2.3 几种基本的数字滤波器 • 第3章微机保护的算法 • 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

3.5 傅立叶算法 • 3.6 衰减直流分量的影响 • 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章微机保护的抗干扰措施 • 4.1 概述 • 4.2 干扰和干扰源 • 4.3 干扰对微机保护装置的影响

4.4 防止干扰进入微机保护装置的对策 • 4.5 抑制窜入干扰影响的软、硬件对策 • 第5章 WXB—11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 • 参考文献

第1篇继电保护原理

绪论 • 0.1 继电保护的作用 • 电力最常见、危害最大的故障是各种形式的短路。 • ①故障造成的很大的短路电流产生的电弧使设备损坏。 • ②从电源到短路点间流过的短路电流引起的发热和电动力将造成在该路径中非故障元件的损坏。

③靠近故障点的部分地区电压大幅度下降，使用户的正常工作遭到破坏或影响产品 质量。 • ④破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使该系统瓦解和崩溃。 • 0.2 对电力系统继电保护的基本要求 • (1)选择性 • 选择性的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，使停电范围尽量减小，以保证系统中非故障部分继续安全运行。

(2)速动性 • 速动性是指继电保护装置应以尽可能快的速度断开故障元件。这样就能降低故障设图0.1 保护选择性说明图图0.2 电力系统并列运行示意图

备的损坏程度，减少用户在低电压情况下工作的时间，提高电力系统运行的稳定性。备的损坏程度，减少用户在低电压情况下工作的时间，提高电力系统运行的稳定性。 • (3)灵敏性 • 保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反映能力称为灵敏性(灵敏度)。 • (4)可靠性 • 可靠性是指在保护装置规定的保护范围内发生了它应该反应的故障时，保护装置应可靠地动作(即不拒动)。 • 0.3 继电保护的基本原理及保护装置的组成

依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护：依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护： • (1)反映电气量的保护 • (2)反映非电气量的保护图0.3 继电保护装置组成方框图

第1章电网的电流电压保护 • 1.1 单侧电源网络的相间短路的电流电压保护 • 1.1.1 电流继电器 • 动作电流(Iop.r)：能使继电器动作的最小电流值。当继电器的输入电流Ir<Iop.r时,继电器根本不动作；而当Ir≥Iop.r时，继电器能够突然迅速地动作。 • 返回电流(Ire.r)：能使继电器返回原位的最大电流值。在继电器动作以后，当电流减小到Ir≤Ire.r时，继电器能立即突然地返回原位。

返回系数：即继电器的返回电流与动作电流的比值。可表示为：返回系数：即继电器的返回电流与动作电流的比值。可表示为： • 1.1.2 无时限电流速断保护 • 无时限电流速断保护又称为Ⅰ段电流保护或瞬时电流速断保护。 • 三相短路电流可表示为： (1.1) (1.2)

最大运行方式下变电所C母线上三相短路时的电流IK.C.max，也即最大运行方式下变电所C母线上三相短路时的电流IK.C.max，也即图1.1 电流速断保护动作特性的分析 (1.3)

(1.4) • 引入可靠系数 =1.2~1.3，则上式可写为： • 对于保护2，按照同样的原则，其启动电流应整定得大于K2点短路时的最大短路电流IK.B.max，即 • 中间继电器2一方面是利用2的常开触点(大容量)代替电流继电器1。 (1.5) (1.6)

图1.2 无时限电流速断保护的单相原理接线图 图1.3 系统运行方式的变化对电流速断保护的影响

图1.4 被保护线路长短不同对电流速断保护的影响图1.5 线路—变压器组的电流速断保护

图1.6 电流电压联锁速断保护的单相原理接线图图1.7 电流电压联锁速断保护的动作特性分析

(1.7) • 低电压继电器的动作电压应取为： • 1.1.3 限时电流速断保护 • (1)工作原理和整定计算的基本原则 • 启动电流就应该整定为： • 引入可靠系数 ,则得： • (2)动作时限的计算 (1.8) (1.9)

由图1.8，保护2限时电流速断保护的动作时限 ，应选择得比下一条线路电流速断保护的动作时限高出一个Δt，即图1.8 单侧电源线路限时电流速断保护的配合整定图 (1.10)

从尽快切除故障的观点看，Δt应越小越好，但是，为了保证两个保护之间动作的选择性，其值又不能选择得太小，现以线路Ｂ—Ｃ上发生故障时，保护2与保护1的配合关系为例，说明确定Δt的原则：从尽快切除故障的观点看，Δt应越小越好，但是，为了保证两个保护之间动作的选择性，其值又不能选择得太小，现以线路Ｂ—Ｃ上发生故障时，保护2与保护1的配合关系为例，说明确定Δt的原则： • (3)保护装置灵敏性的校验 • 对保护2限时电流速断而言，Ksen的计算公式为： (1.11) (1.12)

为解决此问题，通常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保护相配合，这样其动作时限就应该选择得比下一条线路限时速断的时限再高出一个Δt，一般取为1～1.2 s。这就是限时电流速断保护的整定原则之二，按此原则的整定计算公式为： • (4)限时电流速断保护的单相原理接线图 (1.13) (1.14)

图1.9 限时电流速断保护的单相原理接线图 图1.10 定时限过电流保护启动电流和动作时限的配合

1.1.4 定时限过电流保护 • (1)工作原理和整定计算的基本原则 • 引入一个自启动系数Kst来表示自启动时最大电流Ist.max与正常运行时最大负荷电流IL.max之比，即 • 为保证过电流保护在正常运行时不动作，其启动电流Iop应大于最大负荷电流IL.max，即： (1.15) (1.16)

为保证在相邻线路故障切除后保护能可靠返回，其返回电流应大于外部短路故障切除后流过保护的最大自启动电流，即为保证在相邻线路故障切除后保护能可靠返回，其返回电流应大于外部短路故障切除后流过保护的最大自启动电流，即 • 在上式中引入可靠系数Krel，并代入式(1.15)，即 • 由式(1.1)，引入返回系数，得： (1.17) (1.18)

(1.19) • 即得： • (2)按选择性的要求整定定时限过电流保护的动作时限图1.11 最大负荷说明图

为了保证K1点短路时动作的选择性，则应整定其动作时限t2>t1，引入Δt，则保护2的动作时限为：为了保证K1点短路时动作的选择性，则应整定其动作时限t2>t1，引入Δt，则保护2的动作时限为： (1.20) 图1.12 单侧电源串联线路中各过电流保护动作时限的确定

保护2的动作时限确定以后，当K2点短路时，它将以t2的时限切除故障，此时，为了保证保护3动作的选择性，又必须整定t3>t2，引入Δt后，得：保护2的动作时限确定以后，当K2点短路时，它将以t2的时限切除故障，此时，为了保证保护3动作的选择性，又必须整定t3>t2，引入Δt后，得： • 依此类推，保护4、5的动作时限分别为： • 一般说来，任一过电流保护的动作时限，应选择比下一级线路过电流保护的动作时限至少高出一个Δt，只有这样才能充分保 (1.21) (1.22)

证动作的选择性。如在图1.10中，对保护4而言应同时满足以下要求：证动作的选择性。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的校验 • 当K1点短路时，应要求各保护的灵敏系数之间有下列关系： • 1.1.5 三段式电流保护的应用 • 电流速断、限时电流速断和过电流保护都 (1.23)

是反映电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择启动电流。是反映电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择启动电流。图1.13 阶段式电流保护的配合和实际动作时间的示意图

图1.14 具有电流速断、限时电流速断和过电流保护的单相原理接线图图1.15 三相完全星形接线方式的原理接线图

1.1.6 电流保护的接线方式 • 电流保护的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的连接方式。基本接线方式有3种：三相三继电器的完全星形接线方式、两相两继电器的不完全星形接线方式、两相一继电器的两相电流差接线方式。 • (1)对中性点直接接地电网中的单相接地短路

图1.16 两相不完全星形接线方式的原理接线图 图1.17 串联线路上两点接地的示意图

(2)对中性点非直接接地电网中的两点接地短路 • (3)对Y、△接线变压器后面的两相短路 • 在故障点，，设△侧各相绕组中的电流分别为、和，并设变压器比nT=1，则： (1.24)

图1.18 两点异地接地示意图 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的接线 (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

(1.25) • 根据变压器的工作原理，即可求得Y侧电流的关系为： • 1.1.7 两种接线方式的应用 • 一般广泛应用于发电机、变压器等大型重要的电气设备的保护中，因为它能提高保护动作的可靠性和灵敏性。此外，它也可 (1.26)

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的保护。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的保护。 • 1.1.8 三段式电流保护的接线图图1.20 三段式电流保护的接线图

图1.21 双侧电源供电网络 (a)K1点短路时的电流分布；(b)K2点短路时的电流分布； (c)各保护动作方向的规定；(d)方向过电流保护的阶梯形时限特性

1.2 电网相间短路的方向性电流保护 • 1.2.1 方向性电流保护的基本原理 • 1.2.2 功率方向继电器的工作原理图1.22 方向过电流保护的单相原理接线图

图1.23 方向继电器工作原理的分析 (a)系统网络接线图；(b)K1点短路；(c)K2点短路

当K1、K2点短路时，保护1所反映的短路功率分别为：当K1、K2点短路时，保护1所反映的短路功率分别为： • ①K1点短路： • ②K2点短路： • 对继电保护中方向继电器的基本要求是： • ①应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障时，能可靠动作；而在反方向故障时，可靠不动作；

②故障时继电器的动作有足够的灵敏度。 • 对于A相的功率方向继电器，加入电压和电流，则当正方向短路时，继电器中电压、电流之间的相角为： • 反方向短路时，如图1.23(c)所示，继电器中电压、电流之间的相角为： (1.27) (1.28)

一般地，当功率方向继电器的输入电压和电流的幅值不变时，其输出值随两者间相位差的大小而改变，输出为最大时的相位差称为继电器的最大灵敏角 。 • 如果用表示超前于的角度，并用功率的形式表示，则： (1.29) (1.30)

图1.24 功率方向继电器的工作原理 图1.25 三相短路的相量图

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