电力系统继电保护原理课程自学指导书参考模板范本.docx

1、电力系统继电保护原理课程自学进度表教材：电力系统继电保护 教材编者： 张保会、尹项根 出版社：中国电力出版社 出版时间：2005年周次学习内容习题作业测验作业学时自学重点、难点、基本要求1第一章 绪论11 电力系统的三种状态12 继电保护的基本原理及组成13 继电保护的基本要求14 继电保护的发展概况1-21-56第一章 重点：继电保护的任务、对继电保护的基本要求。难点：继电保护的选择性和灵敏性。第二章 重点：相间短路的三段式电流保护及方向电流保护的工作原理、整定计算原则、功率方向元件的工作原理及动作特性、方向元件的加装原则。难点：相间短路的三段式电流保护的工作原理、整定计算原则，功率方向元件

2、的性能分析、方向元件的加装原则。第三章 重点：距离保护的基本原理、阻抗继电器的动作特性、阻抗继电器的实现方法、距离保护的整定计算及影响距离保护正确动作的因素和防止办法。第四章 重点：输电线路纵联保护的工作原理、特点和通信方式，输电线路纵差保护、方向纵联保护的基本原理。难点：方向比较式纵联保护、纵联电流差动保护的工作原理。第五章 重点：重合闸与继电保护的配合，综合重合闸（单相重合闸）的特点。第六、七章 重点：变压器的纵差保护，不平衡电流的产生及消除办法。发电机的保护配置，各种保护的基本原理及其反映的故障类型。2第二章 电网的电流保护21 单侧电源网络相间短路的电流保护2.1.1 继电器； 2.1

3、.2 单侧电源网络相间短路时电流量特征； 2.1.3 电流速断保护2-32-42-51032.1.4 限时电流速断保护；2.1.5 定时限过电流保护； 2.1.6 阶段式电流保护的配合及应用； 2.1.8 电流保护的接线方式2-72-91042.2 双侧电源网络相间短路时的功率方向2.2.1 双侧电源网络相间短路时的功率方向； 2.2.2方向性电流保护的基本原理； 2.2.3 功率方向判别元件2-112-13652.2.4 方向判别元件的接线方式；2.2.5方向性电流保护的应用特点；2-122-146623 中性点直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护2.3.1 接地短路时零序电压、电流和

4、功率分布； 2.3.2 零序电压、零序电流滤过器； 2.3.3 零序电流段保护； 2.3.4 零序电流段保护； 2.3.5 零序电流段保护2-172-1910724 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护2.4.1 中性点不接地系统单相接地故障的特点； 2.4.2 中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的特点； 2.4.3 零序电压保护； 2.4.4 零序电流和方向保护2-222-2310目录第一章 绪论第二章 电网的电流保护和方向性电流保护第三章 电网的距离保护第四章 输电线纵联保护第五章 自动重合闸第六章 电力变压器的继电保护第七章 发电机的继电保护第八章 母线的继电保护31第一章 绪

5、论一、电力系统继电保护的作用1. 继电保护包括继电保护技术和继电保护装置。 继电保护技术是一个完整的体系，它主要包括电力系统故障分析、各种继电保护原理及实现方法、继电保护的设计、继电保护运行及维护等技术。 继电保护装置是完成继电保护功能的核心。P1继电保护装置就是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。2. 电力系统的故障和不正常运行状态：（三相交流系统）* 故障：各种短路（d(3)、 d(2) 、d(1) 、d(1-1)）)和断线（单相、两相），其中最常见且最危险的是各种类型的短路。其后果：1电流I增加 危害故障设备和非故障设备；2电压U

6、降低或增加 影响用户的正常工作；3破坏系统稳定性，使事故进一步扩大（系统振荡，电压崩溃）4发生不对称故障时，出现I2，使旋转电机产生附加发热；发生接地故障时出现 I0，对相邻通讯系统造成干扰* 不正常运行状态：电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如：过负荷、过电压、频率降低、系统振荡等。3继电保护的作用：（1）当电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障设备迅速恢复正常运行；（2）反映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。二、继电保护

7、的基本原理、构成与分类：1.基本原理：为区分系统正常运行状态与故障或不正常运行状态必须找出两种情况下的区别。 I增加 故障点与电源间 过电流保护 U降低 母线电压 低电压保护 相位变化，变化； 正常：为负荷的功率因数角一般为0-30左右 短路：为输电线路的阻抗角一般为6085方向保护. 测量阻抗降低，Z= 模值减少 阻抗保护 双侧电源线路外部故障： 内部故障： 电流差动保护。 反映I2 ，0 的 序分量保护等。非电气量：瓦斯保护，过热保护原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可找出一种原理，且差别越明显，保护性能越好。2.构成以过电流保护为例：正常运行：

8、 LJ不动故障时： LJ动SJ动（延时）XJ动信号 TQ动 跳闸（常用继电器及触点的表示方法参考 附录1 P230）保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。（1）测量元件作用：测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。（2）逻辑元件作用：根据测量部分输出量的大小、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布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。逻辑回路有：

9、或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。（3）执行元件：作用；根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时跳闸；不正常运行时发信号；正常运行时不动作。3.分类：几种方法如下：（1）按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；（2）按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；（3）按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；（4）按构成继电保护装置的继电器原理分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路

10、型保护及微机型保护等；（5）按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。近后备保护：当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现近后备保护。辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。三、对电力系统继电保护的基本要求：对动作于跳闸的继电保护，在技术上

11、一般应满足四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。 即保护的四性。（一）选择性：P4选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件从系统中切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。例：当d1点短路时，保护1、2动跳1DL、2DL，有选择性当d2点短路时，保护5、6动跳5DL、6DL，有选择性当d3点短路时，保护7、8动跳7DL、8DL，有选择性当d3点短路时，若保护7拒动或7DL拒动，保护5动跳5DL（有选择性）若保护7和7DL正确动作于跳闸，保护5动跳5DL，则保护5为误动，或称保护5越级跳闸（保护5失去选择性）小结：选择性就是故障点在区内就动作，在区外不动作。当主保护

12、未动作时，由近后备或远后备切除故障，使停电面积最小。因远后备保护比较完善（对保护装置拒动、DL拒动、二次回路和直流电源等故障所引起的拒绝动作均起后备作用）且实现简单、经济，应优先采用。但远后备保护切除故障的时间较长。在高压电网中，应加强主保护。（二）速动性：保护的动作速度应尽可能快速。快速切除故障的好处： 提高系统稳定性；减少用户在低电压下的动作时间；减少故障元件的损坏程度 ，避免故障进一步扩大。；t故障总切除时间；tbh-保护动作时间；tDL-断路器动作时间；一般的快速保护动作时间为0.060.12s，最快的可达0.010.04s。一般的断路器的动作时间为0.060.15s，最快的可达0.0

13、20.06s。所以，切除故障的最快时间为：0 。030。1s。（三）灵敏性：P5指在最不利的条件下，保护装置对故障的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在发生区内故障时，不论运行方式大小、短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地反应。通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Klm。对反应于数值上升而动作的过量保护（如电流保护）对反应于数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）其中故障参数的最小、最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式、故障类型和短路点位置来计算的。在继电保护和安全自动装置技术规程（DL40091）中，对各类保护的灵敏系数Klm的要求都作了具体规定（参见附录2，P231）。（四）可

14、靠性：P5指发生了属于某保护装置动作的故障，它应能可靠动作，即不发生拒绝动作（拒动）；而在发生不属于本保护动作的故障时，保护应可靠不动，即不发生错误动作（误动）。影响可靠性有内在的和外在的因素：内在的：装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平、内外接线简明，触点多少等；外在的：运行维护水平、安装调试是否正确。上述四个基本要求是设计、分析研究继电保护的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。在它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。四、发展：原理：随电力系统的发展和科学技术的进步而发展从保护原理看：过电流保护 （最早熔断器） 电流差动保护 方向性电流保护（1901年）

15、 （1908年） （1910年） 距离保护 高频保护 微波保护 行波保护、光纤保护 （1920年） （1927年） （50年代） （70年代诞生、50年代有设想）从构成保护装置的元件看：机电型 电子型 微机型（我校80年代）(电磁型、感应型、电动型) 晶体管 集成电路 20世纪50年代 60年代末提出 70年代后半期出样机继电保护的基本知识 一、互感器：（1）电流互感器：1、作用：（一次）大电流变换为（二次）小电流（额定值为5A或1A）；隔离作用。2、工作特点和要求：1）一次绕组与高压回路串联，I1只取决于所在高压回路电流，而与二次负荷大小无关。2）二次回路不允许开路，否则会产生危险的高电压，

16、危及人身及设备安全。3）CT二次回路必须有一点直接接地，防止一、二次绕组绝缘击穿后产生对地高电压，但仅一点接地。4）变换的准确性。3、极性：“减极性”原则：当同时从一、二次绕组的同极性端子通入相同方向电流时，它们在铁芯中产生磁通的方向相同。当从一次绕组“*”标端通入交流电时，则在二次侧感应电流从“*”标端流出。从两侧同极性端观察时，反方向，称为减极性标记。此时铁芯中的合成磁势为，则。这表明，同相位。4、误差：表现在两方面：幅值误差和相位误差。 ZL很小，Zu大。 （2）电压互感器：1、作用：一次高电压变换为二次低电压（额定线电压100V；相电压为57。7V）2、工作特点和要求：1）一次绕组与高

17、压电路并联。2）二次绕组不允许短路（短路电流会烧毁PT）,装有熔断器。3）二次绕组有一点直接接地。且只能有一点接地。4）变换的准确性。3、电磁式电压互感器其工作原理与变压器相同。 ZLZ1 ,Z2 , Zu大。幅值误差U,角度误差。二、各种小型变换器 （1）电压变换器 U U YB（2）电流变换器 I I LB 通常在二次接有电阻，将二次电流变为电压信号。（3）电抗变压器 I U DKB 铁芯带气隙。因带气隙，Zu很小，ZLZu, Z近似零。，ZM 模拟阻抗，阻抗角为KI 阻抗量纲变换系数，又称转移阻抗。R的作用：改变角，对幅值稍有影响。RIR , E2 三、对称分量滤过器 三相不对称电量可在

18、一定系统中分解成对称分量。 其中，1、零序电压滤过器：1）2） ，K为电容分压。2、零序电流滤过器：其中，为励磁电流，为不平衡电流。若CT型号相同，对称运行时，不平衡电流近似零，三相短路时，电流增加， 因铁芯饱和，Ibp增加，零序电流保护定值应躲过该不平衡电流。3、电阻电容式负序电压滤过器参数：1）加入零序电压时：因为 所以。2）加入正序电压时：3）通入负序电压时：，若改变输入电压的相序为A,C,B，则变为正序滤过器。4、负序电流滤过器电阻电感型滤过器图中C是作角度误差补偿用的。参数： ; ;.1）加入零序电流： 2）加入正序电流：要使则，即：LB有角度误差，DKB的转移阻抗不是纯电抗，故在L

19、B副边加一电容，以补偿角误差。3）加入负序电流：5、复合电流滤过器。选择，则正序分量不能消除。四、继电特性以过电流继电器为例：动作 ； 返回。继电器的动作电流：能使继电器动作的最小电流值。IdzJ继电器的返回电流：能使继电器返回的最大电流值。IhJ继电特性的两个要点：1）永远处于动作或返回状态，无中间状态。2）Idz不等于Ih，使接点无抖动。 返回系数。过量继电器，Kh小于1；欠量继电器，Kh大于1第二章 电网的电流保护和方向性电流保护第一节 单测电源网络相间短路的电流保护保护的配置：一般由三段式构成。三段式第段电流速断保护第段限时电流速断保护第段过电流保护主保护后备保护一、电流速断保护（第段

20、）：对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。1、短路电流的计算：图中、1最大运行方式下d(3) 2最小运行方式下d(2) 3保护1第一段动作电流 ； 可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。（Zs.min）最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Zs.max）2、整定值计算及灵敏性校验为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定 保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。（IdZ）在图中为直线3，与

21、曲线1、2分别交于a、b点可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长灵敏性：用保护范围的大小来衡量 lmax 、lmin一般用lmin来校验、 要求：（1520） 方法： 图解法，按比例作图，可求出最小保护范围。 解析法： 可得式中 ZL=Z1l被保护线路全长的阻抗值动作时间t=0s3、构成中间继电器的作用： 接点容量大，可直接接TQ去跳闸 当线路上装有管型避雷器时，利用其固有动作时间（60ms）防止避雷器放电时保护误动4、小结 仅靠动作电流值来保证其选择性 能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。二、限时电流速断保护（第段）1、要求 任何情况下能保护线路全长，并具有足够

22、的灵敏性 在满足要求的前提下，力求动作时限最小。因动作带有延时，故称限时电流速断保护。2、整定值的计算和灵敏性校验为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第段的保护范围。即整定值与相邻线路第段配合。动作电流： 动作时间： t取0.5，称时间阶梯，其确定原则参看P18.灵敏性： 要求：1.31.5若灵敏性不满足要求，与相邻线路第段配合。此时：动作电流：动作时间：3、构成：与第段类同：但须加一个时间继电器，由时间继电器的延时接点去起动出口中间继电器。4、小结： 限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长 依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性 与第段共同构成被保护线路的主保护

23、，兼作第段的后备保护。三、定时限过电流保护（第段）1、作用：作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。2、整定值的计算和灵敏性校验：1）、动作电流：躲最大负荷电流 （1）在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数KZq （2）式中， 显然，应按（2）式计算动作电流，且由（2）式可见，Kh越大，IdZ越小，Klm越大。因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.850.9）2）、动作时间

24、在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第段的测量元件均可能动作。例如：下图中d1短路时，保护14都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。即 、 、 这就是阶梯时间特性。注：当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的保护配合3）、灵敏性近后备： Id1.min本线路末端短路时的短路电流远后备： Id2min 相邻线路末端短路时的短路电流3、构成：与第段相同，只是电流继电器的定值与时间继电器定值不同。4、小结： 第段的IdZ比第、段的IdZ小得多，其灵敏度比第、段更高； 在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性； 保护范

25、围是本线路和相邻下一线路全长； 电网末端第段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（或II+III），越接近电源，t越长，应设三段式保护。四、电流保护的接线方式1、定义：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。2、常用的两种接线方式：三相星形接线和两相星形接线。1）、三相星形接线的特点： 每相上均装有CT和LJ、Y形接线 LJ的触点并联（或）2）、两相星行接线的特点： 仅在两相上装设CT和LJ、构成不完全Y形接线 LJ的触点并联（或）（通常接A、C相）上述两种接线方式中，流入电流继电器的电流IJ与电流互感器的二次

26、电流I2相等。接线系数： 3、IdZ与IdZ.J之间的关系： 或4、比较：对各种相间短路，两种接线方式均能正确反映。在小接地电流系统中，发生异地两点接地时，一般只要求切除一个接地点，而允许带一个接地点继续运行一段时间。异地两点接地发生在相互串联的两条线路上：a、三相星行接线：保护1和保护2之间有配合关系，100切除后一线路b、两相星行接线：2/3机会切除NP线。（即1/3机会无选择性动作）异地两点接地发生在同一母线的两条并行线路上：a、三相星行接线：当线路I和线路II的过流保护动作时间相同时，保护1和保护2同时动作，切除线路、。b、两相星行接线：2/3机会只切一条线路。Y接线变压器后d(2)以

27、Y11接线降压变为例 结论：当在Y/变压器的侧发生两相短路时，滞后相电流是其它两相电流的两倍并与它们反相位。当在Y/变压器的Y侧发生两相短路时：超前相电流是其它两相电流的两倍，并与它们反相位。（作业：推导此结果）经济性：两相不完全星形接线优于三相星形接线三相星形接线灵敏度是两相星形接线的两倍为提高电流保护对Y/变压器后两相短路的灵敏度，采取的措施：在两相星行接线的中线上再接入一个LJ，此种接线方式称为两相三继电器接线方式。其电流为：，以提高灵敏性。5、应用三相星形接线：发电机、变压器的后备保护，采用电流保护作为大电流接地系统的保护（要求较高的可靠性和灵敏性）。两相星形接线：中性点不接地电网或经

28、高阻接地电网中。（注：所有线路上的保护装置应安装在相同的两相上。A、C相）五、评价：1、选择性：在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠IdZ、t），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。2、灵敏性：受运行方式的影响大，往往满足不了要求。电流保护的缺点例：第段：运行方式变化较大且线路较短，可能使保护范围为零；第段：长线路重负荷（If增大，Id减小），灵敏性不满足要求。3、速动性：第、段满足；第段越靠近电源，t越长缺点4、可靠性：线路越简单，可靠性越高优点六、应用范围：35KV及以下的单电源辐射状网络中；第段：110KV等，辅助保护作业：习题集：P11,题1；预习实验一、二第二节

29、电网相间短路的方向性电流保护一、问题的提出为提高供电的可靠性，出现了单电源环形供电网络、双电源或多电源网络。但在这样的网络种简单的电流保护不能满足要求。针对以下双侧电源供电网络，分析如下：对电流速断保护：d1处短路，若，则保护3误动，d2处短路，若则保护2误动。对过电流保护：d1处短路，要求 d2处短路，要求 显然，这种要求是矛盾的。上述矛盾的要求不可能同时满足。原因分析：反方向故障时对侧电源提供的短路电流引起保护误动。解决办法：加装方向元件功率方向继电器。当方向元件和电流测量元件均动作时才启动逻辑元件。这样双侧电源系统保护系统变成针对两个单侧电源的子系统。由上图可见，保护1、3、5只反映由左

30、侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合。而保护2、4、6仅反映由右侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合，矛盾得以解决。二、功率方向继电器的工作原理电流规定方向：从母线流向线路为正方向。电流本身无法判定方向，需要一个基准母线电压。d1处短路 （对保护2为正方向） d2处短路（对保护2为反方向） 因此：利用判别短路功率方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。实现：1、最大灵敏角：在UJ、IJ幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者之间的相位差的大小而改变。当输出为最大时的相位差称最大灵敏角。2、动作范围： 动作方程： 或3、动作特性:当线路发生三相短路所以4、死区：当正方向

31、出口短路时，GJ不动电压死区。消除办法：采用90度接线方式，加记忆回路。三、幅值比较原理和相位比较原理及其互换关系对于比较两个电气量的继电器，可按幅值比较原理或相位比较原理来实现。幅值比较原理：相位比较原理：用四边形法则来分析它们之间的关系： 或 可见，幅值比较原理与相位比较原理之间具有互换性。注： 1 必须是同一频率的正弦交流量2 相位比较原理的动作边界为四、LG11整流型功率方向继电器它是按幅值比较原理来实现的：1、构成：电压形成回路：由DKB、YB组成：R1、R2消除潜动、调整平衡。C1与YB的励磁电抗形成谐振，使超前90o,其记忆作用用于消除死区，记忆时间为几十毫秒；比较回路：由半导体整流桥BZ1,BZ2组成的环流是比较回路。 执行元件极化继电器J,非常灵敏标记“”，当电流从端流入时，J动作，反之则不动。时，J动作；2、动作方程： 3、动作特性： 内角（由继电器决定）