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1、电力系统继电保护原理,第1章 绪 论,一、电力系统继电保护的作用,通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命；电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量；破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态。,电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路。在发生短路时可能产生以下的后果：,在电力系统中，除应采取各项积极措施消
2、除或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有在每个电气元件上装设保护装置才有可能满足这个要求。这种保护装置直到目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备的组合构成的，故称为继电保护装置。在电子式静态保护装置和微机保护装置出现以后，虽然继电器已被电子元件或计算机所代替，但仍沿用此名称。在电力部门常用“继电保护”一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。继电保护装置一词则指各种具体的装置。,继电保护的基本任务,自动、迅速、有选择性地将故障
3、元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员），而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。,二、继电保护的基本原理和保护装置的组成,为完成继电保护所担负的任务，显然应该要求它能够正确地区分系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，以实现保护。,图 1-1 单侧电源网络接线(a)正常运行情况；(b)k点三相短路情况,在一般的情况下，发生短路之后，总是伴随有电流的增大
4、、电压的降低、线路始端测量阻抗的减小，以及电压与电流之间相位角的变化。因此，利用正常运行与故障时这些基本参数的区别，便可以构成各种不同原理的继电保护，例如：反应于电流增大而动作的过电流保护；反应于电压降低而动作的低电压保护；反应于短路点到保护安装地点之间的距离（或测量阻抗的减小）而动作的距离保护（或低阻抗保护）等。,在某一瞬间，负荷电流总是从一侧流入而从另一侧流出，如图1一2（a）所示。如果我们统一规定电流的正方向都是从母线流向线路，（图l2中所示电流方向是实际的方向，不是假定的正方向）那么，按照规定的正方向，AB两侧电流的大小相等，而相位相差180o。当在线路AB的范围以外的k1点短路时，如
5、图1一2（b）所示，由电源所供给的短路电流ik1将流过线路AB，此时AB 两侧的电流仍然是大小相等相位相反，其特征与正常运行时一样。如果短路发生在线路AB的范围以内（k2），如图12（c）所示，由于两侧电源均分别向短路点k2 供给短路电流，因此，在线路AB 两侧的电流都是由母线流向线路，此时两个电流的大小一般都不相等，在理想情况下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等），两个电流同相位。,继电保护的结构,1 测量部分 输入测量部分是测量从被保护对象输人的信号有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等于“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判
6、断保护是否应该起动。2 逻辑部分 逻辑部分是根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。继电保护中常用的逻辑回路有“或”、“与”、“否”、“延时起动”、“延时返回”以及“记忆”等回路。3 执行部分 执行部分是根据逻辑部分输出的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如故障时，动作于跳闸；不正常运行时，发出信号；正常运行时，不动作等。,就一般情况而言，整套继电保护装置是由测量部分、逻辑部分和执行部分组成的，其原理结构如图13所示，现分述如下。,三、对电力系统继电保护的基本要
7、求,1 选择性 继电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。,在要求继电保护动作有选择性的同时，还必须考虑继电保护或断路器有拒绝动作的可能性，因而就需要考虑后备保护的问题。如图1 一4 所示，当k3 点短路时，距短路点最近的保护6 本应动作切除故障，但由于某种原因，该处的继电保护或断路器拒绝动作，故障便不能消除，此时如其前面一条线路（靠近电源侧）的保护5 能动作，故障也可消除。能起保护5 这种作用的保护称为相邻元件的后备保护。同理，保护1 和3 又应该作为保护5 和7 的后备保护。按以上方式构成的后备保护是
8、在远处实现的，因此又称为远后备保护。一般情况下，远后备保护动作切除故障将使供电中断的范围扩大。,在复杂的高压电网中，当实现远后备保护在技术上有困难时，也可以采用近后备保护的方式。即当本元件的主保护拒绝动作时，由本元件的另一套保护作为后备保护；当断路器拒绝动作时，由同一发电厂或变电站内的有关断路器动作，实现后备。为此，在每一元件上应装设单独的主保护和后备保护，并装设必要的断路器失灵保护。由于这种后备作用是在主保护安装处实现，因此，称它为近后备保护。,应当指出，远后备的性能是比较完善的，它对相邻元件的保护装置、断路器、二次回路和直流电源所引起的拒绝动作，均能起到后备作用，同时它的实现简单、经济，因
9、此，在电压较低的线路上应优先采用，只有当远后备不能满足灵敏度和速动性的要求时，才考虑采用近后备的方式。,2 速动性 快速地切除故障可以提高电力系统并联运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。动作迅速而同时又能满足选择性要求的保护装置，一般都结构比较复杂，价格比较昂贵。电力系统在一些情况下，允许保护装置带有一定的延时切除故障。因此，对继电保护速动性的具体要求，应根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况来确定。下面列举一些必须快速切除的故障：,（l）根据维持系统稳定的要求，必须快速切除的高压输电线路上发
10、生的故障；（2）使发电厂或重要用户的母线电压低于允许值（一般为0.7倍额定电压）的故障；（3）大容量的发电机、变压器以及电动机内部发生的故障；（4）11OkV 线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障等；（5）可能危及人身安全、对通讯系统或铁道号志系统有强烈干扰的故障等。故障切除的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。一般的快速保护的动作时间为，最快的可达。一般断路器的动作时间为，最快的可达。,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）。灵敏性常用灵敏系数来衡量。它是在保护装置的测量元件确定了动作值后，按最不利的运行方式、故障类型、保护范围
11、内的指定点校验，并满足有关规定的标准。,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）。而在不属于该保护动作的其他任何情况下，则不应该动作（即不误动）。可靠性取决于保护装置本身的设计、制造、安装、运行维护等因素。一般来说，保护装置的组成元件质量越好、接线越简单、回路继电器的触点和接插件数越少，保护装置就越可靠。同时保护装置恰当的配置与选用、正确的安装与调试、良好的运行维护，对于提高保护的可靠性也具有重要的作用。,四、继电保护的主要特点及对保护工作者的要求,（1）电力系统是由很多复杂的一次主设备和二次保护、控制、调节、信号等辅助设备组成
12、的一个有机的整体。每个设备都有其特有的运行特征和故障时的工况。任一设备的故障都将立即引起系统正常运行状态的改变或破坏，给其他设备以及整个系统造成不同程度的影响。因此，继电保护的工作牵涉到每个电气主设备和二次辅助设备。这就要求继电保护工作者对所有这些设备的工作原理、性能、参数计算和故障状态的分析等有深刻地理解，还要有厂泛的生产运行知识。此外对于整个电力系统的规划设计原则、运行方式制订的依据、电压及频率调节的理论、潮流及稳定计算的方法以及经济调度、安全控制原理和方法等都要有清楚的概念。,（2）电力系统继电保护是一门综合性的科学，它奠基于理论电工，电机学和电力系统分析等基础理论，还与电子技术、通信技
13、术、计算机技术和信息科学等新理论、新技术有着密切的关系。纵观继电保护技术的发展史，可以看到电力系统通信技术上的每一个重大进展都导致了一种新保护原理的出现，例如高频保护、微波保护和光纤保护等；每一种新电子元件的出现也都引起了继电保护装置的革命。由机电式继电器发展到晶体管保护装置、集成电路式保护装置和微机保护，就充分说明了这个问题。目前微机保护的普及及光纤通信和信息网络的实现正在使继电保护技术的面貌发生根本的变化。在继电保护的设计、制造和运行方面都将出现一些新的理论、新的概念和新的方法。由此可见，继电保护工作者应密切注意相邻学科中新理论、新技术、新材料的发展情况，积极而慎重地运用各种新技术成果，不
14、断发展继电保护的理论、提高其技术水平和可靠性指标，改善保护装置的性能，以保证电力系统的安全运行。,（3）继电保护是一门理论和实践并重的学科。为掌握继电保护装置的性能及其在电力系统故障时的动作行为，既需运用所学课程的理论知识对系统故障情况和保护装置动作行为进行分析，还需对继电保护装置进行实验室试验、数字仿真分析、在电力系统动态模型上试验、现场人工故障试验以及在现场条件下的试运行。仅有理论分析不能认为对保护性能的了解是充分的。只有经过各种严格的试验，试验结果和理论分析基本一致，并满足预定的要求，才能在实践中采用。因此，要搞好继电保护工作不仅要善于对复杂的系统运行和保护性能问题进行理论分析，还必须掌
15、握科学的实验技术，尤其是在现场条件下进行调试和实验的技术。,（4）继电保护的工作稍有差错，就可能对电力系统的运行造成严重的影响，给国民经济和人民生活带来不可估量的损失。国内、外几次电力系统瓦解，进而导致广大地区工、农业生产瘫痪和社会秩序混乱的严重事故，常常是一个继电保护装置不正确动作引起的。因此继电保护工作者对电力系统的安全运行肩负着重大的责任。这就要求继电保护工作者具有高度的责任感，严谨细致的工作作风，在工作中树立可靠性第一的思想。,五、继电保护的发展简史,继电保护原理的发展过程,熔断器就是最早的、最简单的过电流保护。这种保护方式时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。熔断器的特点是融保护装
16、置与切断电流的装置于一体，因而最为简单。19世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式（直接反应于一次短路电流）的电磁型过电流继电器。20世纪初随着电力系统的发展，继电器才开始广泛应用于电力系统的保护。这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。1901年出现了感应型过电流继电器。1908年提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理。1910年方向性电流保护开始得到应用，在此时期也出现了将电流与电压相比较的保护原理，并导致了20世纪20年代初距离保护装置的出现。随着电力系统载波通信的发展，在1927年前后，出现了利用高压输电线上高频载波电流传送和比较输电线两端功率方向或电流相位的
17、高频保护装置。,在20世纪50年代，微波中继通信开始应用于电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线两端故障电气量的微波保护。早在20世纪50年代就出现了利用故障点产生的行波实现快速继电保护的设想，经过20余年的研究，终于诞生了行波保护装置。显然，随着光纤通信将在电力系统中的大量采用，利用光纤通道的继电保护必将得到广泛的应用。继电保护是电力学科中最活跃的分支，在20世纪50至90年代的40年时间走过了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式和微机式五个发展阶段。电力系统的快速发展为继电保护技术提出艰巨的任务，电子技术、计算机技术、通信技术又为继电保护技术的发展不断注人新的活力，因此可以预计，继电保护学科必将不断发展，达到更高的理论和技术高度。,
