12.1线路、母线和断路器继电保护

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1、l 12.1线路、母线和断路器继电保护的原理、配置及整定计算l 12.1.1 电力系统继电保护原理 l 12.1.1.1 电力系统对继电保护的基本要求l (1)电力系统继电保护和安全自动装置。电力系统继电保护和安全自动装置是当电力系统本身发生了故障或发生危及其安全运行的事件时，向运行值班人员及时发出警告信号或直接向所控制的断路器发出跳闸命令，以终止故障或事件的发展的一种自动化措施和设备。用于保护电力元件的成套设备，一般通称为继电保护装置;用于保护电力系统的一般通称为安全自动装置。l 继电保护装置是保证电力系统中的电力元件安全运行的基本装备，任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行，当发电机、变

2、压器、输电线路、母线及用电设备等发生故障时，要求继电保护装置用可能最短的时限和在可能最小的范围内，按预先设定的方式，自动把故障设备从运行系统中断开，以减轻故障设备的损坏程度和对临近地区供电的影响。l 安全自动装置是为了防止电力系统失去稳定性和避免电力系统发生大面积停电事故的自动保护装置。例如输电线路自动重合闸装置、电力系统稳定控制装置、电力系统自动解列装置、按频率自动减负荷装置和按电压降低自动减负荷装置等。l 电力系统继电保护和安全自动装置作用综合图解见图12-1-1。l (2)电力系统对继电保护的基本要求。按照国家标准GB14285-1993继电保护和安全自动装置技术规程的规定，继电保护和安

3、全自动装置应符合可靠性 (可信赖性和安全性)、选择性、灵敏性和速动性的要求。当确定其配置和构成方案时，应综合考虑以下几个方面: l 1. 电力设备和电力网的结构特点和运行特点;l 2. 故障出现的概率和可能造成的后果;l 3. 电力系统的近期发展情况;l 4. 经济上的合理性;l 5. 国内和国外的经验。l 1) 可靠性 (可信赖性和安全性)。l 可信赖性-该动作时动作是可靠性的可信赖性l 安全性-不该动作时不动作是可靠性的安全性l 继电保护可靠性是对电力系统继电保护的最基本的性能要求，它包含可信赖性和安全性两个方面:可信赖性要求继电保护在设计要求它动作的异常或故障状态下，能够正确地完成动作，

4、即不发生拒绝动作;安全性要求继电保护在非设计要求它动作的其他所有情况下，能够可靠地不动作，即不发生误动作。l 可信赖性和安全性都是继电保护的最基本的性能要求，但两者相互矛盾，在设计与选用继电保护时，需要依据被保护对象的具体情况，对这两方面的性能要求适当地予以协调。对于传输大功率的输电线路保护，一般宜于强调安全性，而对于其他输电线路保护，则往往强调可信赖性，按照不发生拒绝动作或误动作给电力系统带来后果的严重程度区分，对一些重要继电保护的可信赖性和安全性的要求可采用表12-1-1意见。 P.268l 为保证继电保护的可靠性，应采用符合国家标准的配置合理的保护方式，由可靠的元件和尽可能简单的回路构成

5、质量和技术性能优良的继电保护装置，并应具有必要的检测、闭锁和双重化等措施。保护装置应便于整定、调试和运行维护。表12-1-1对不同处所的继电保护的不同要求(可信赖性和安全性的关系)。l 图12-1-1l 表12-1-1 P.268l 注摘自SDl31(电力系统技术导则)的编制说明。l 2)选择性。按照IEC标准用语，保护系统的选择性，是指保护系统检出在电网某规定区域内的故障，使相应的断路器跳闸，以切除故障，使电网剩余部分的扰动为最小的能力。l 国家标准CB14285-1993对选择性做了具体化的规定:l 选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时

6、，才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。l 为保证选择性，对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件 (如起动元件和跳闸元件或闭锁元件与动作元件)，其灵敏系数及动作时间，在一般情况下应相互配合。l 当重合于本线路故障，或在非全相运行期间健全相又发生故障时，相邻元件的保护应保证选择性。在重合闸后加速时间内以及单相重合闸过程中，发生区外故障时，允许被加速的线路保护无选择性动作。l 在某些条件下必须加速切除短路时，可使保护无选择性动作。但必须采取补救措施。例如采用自动重合闸或备用电源自动投入来补救。l 在实际工程中，电力元件继电保护的选择性，除了决定于继电保护装置

7、本身的性能外，还要求满足:1.由电源算起，愈靠近故障点的继电保护的故障起动值相对愈小，动作时间愈短并在上下级之间，在灵敏度和时间上留有规定的裕度;2.要具有后备保护作用，如果最靠近故障点的继电保护装置或继路器因故拒动而不能切除故障时，能由紧邻的电源侧继电保护动作将故障断开。在110kV及以下电压的电力网，基本上实现的是 “远后备”，即当最邻近故障元件的断路器上配置的继电保护拒动或断路器本身拒动时，可以由电源侧上一级断路器处的继电保护装置动作切除故障。实现完整意义上的后备保护。l 对于220kV及以上电压的复杂电力网，因为电源侧上一级断路器上配置的继电保护装置往往不能相邻故障元件实现完全有效的保

8、护，因而，只能实现近后备，即每一个电力元件或线路郡配置了两套独立的继电保护装置，各自完全实现对本电力元件或线路的保护，即使其中一套继电保护装置因故拒绝动作，也必能有另一套继电保护装置动作切除故障;如果断路器拒绝动作，则在确认拒动出现后，由断路器失灵保护断开同一母线上其他带电源的所有线路或变压器的断路器，以最终切除故障。保护的双重化和断路器失灵保护是实现近后备的必要配置。l 3)灵敏性。GB14285-1993对灵敏性定义为在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数，灵敏系数应根据不利正常 (含正常检修)运行方式和不利的故障类型计算。GB14285-1993对各类短

9、路保护的最小灵敏系数有具体规定。l 动作的灵敏性要求，是出于保护装置可靠动作的需要，设计和配置的继电保护系统的动作性能，除了考虑各种金属性短路故障之外，还必须计及实际可能发生的较轻但不易与正常情况相区别的故障。例如，在大电流接地系统发生经高电阻接地的故障，目前，为保证灵敏度，对接地故障最末一段整定值都考虑短路点有适当的接地电阻 (GB14285-1993规定对 22OkV为100欧、5OOkV为30O欧,DL/T559-1994补充330kV为150欧)。l 4)速动性。速动性是指保护装置应能以允许的可能最快速度切除短路故障，减轻故障设备和线路的损害程度，减少故障波动范围、提高自动重合闸或备用

10、电源自动投入的效果，并特别有利于故障后电力系统的稳定性，快速切除线路和母线的短路故障，是提高电力系统暂态稳定的最重要手段。DL/T5147-2001电力系统安全自动装置设计技术规定对稳定计算故障切除时间规定为:500kV线路近故障端0.08s，远故障端0.1s;22OkV线路，其近故障点侧和远故障点侧的故障切除时间，应分别不大于0.1s和0.1-0.12S,以上数据都是设计规划阶段采用的，当以上计算不满足稳定要求时，应采用更加快速动作的保护，l 例如使300500kV主保护动作时间在近故障点侧和远故障点侧达到0.02s和0.03s，速动性是建立在可靠性的基础上，并且是系统暂态稳定确实需要的速动

11、性才是合理的。l 要完整认识对继电保护 “四性。要求，不仅针对继电保护具体装置，从电力系统安全运行观点，要保证任何一套继电保护装置能正确运行，都包括两个方面:一方面包括继电保护的设计、配置、整定和安装调试等;另一方面是包括由取得故障判据的电流和电压互感器二次回路，经过继电保护装置，信息传输设备及通道，直到断路器跳闸线圈。因此，继电保护 ”四性“要求是针对包括上述两方面内容的整个继电保护来说，这些要求是紧密联系的，既矛盾又统一，必须在保证电力系统安全的基础上统筹处理。 l 12.1.1.2 合理的电网结构应满足的基本要求l 电网的建设应满足电力系统经济性、可靠性与灵敏性的基本要求。合理的电网结构

12、是电力系统安全稳定运行的基础。一个结构合理的电网，DL755-2001电力系统安全稳定导则(以下简称导则)明确提出应该满足以下的5条基本要求:l (1)适应系统发展和运行的灵活性。能够满足各种运行方式下的潮流变化的需要，具备一定的灵活性。并能适应系统发展的要求。l (2)电网中任一元件无故障断开保持系统稳定运行。任一元件无故障断开，应能保持电力系统的稳定运行，并不致使其它元件超过规定的事故过负荷和电压允许偏差的要求。l (3)满足规定的安全稳定标准。应有较大的抗干扰能力，并满足导则中规定的有关各项安全稳定标准;l 导则规定了中国电力系统的安全稳定标准，包括电力系统静态稳定储备标准、电力系统承受

13、大扰动能力的安全稳定标准和某些特除情况的要求。导则将电力系统的扰动分为小扰动和大扰动两类:小扰动指由于负荷正常波动、功率及潮流控制、变压器分接头调整和联络线功率自然波动等引起的扰动;和继电保护和安全自动装置关系更密切是大扰动，大扰动指系统元件短路、切换操作和其他较大的功率或阻抗变化引起的扰动。l 大扰动可按扰动严重程度和出现概率分为三类:与之相对应是电力系统承受大扰动能力的三级稳定标准，也是在大扰动条件下衡量一个电网结构是否满足要求的符合我国国情的标准。l 1)第一级安全稳定标准:在发生第1类故障扰动后能保持系统稳定运行和电网正常供电，第1类是指单一故障 (出现概率较高的故障)，包括: l a

14、) 任何线路单相瞬时接地故障并重合成功; l b) 同级电压的双回或多回线和环网，任一回单相永久故障重合不成功及无故障三相断开不重合; l c) 同级电压的双回或多回线和环网，任一回三相故障不重合;l d) 任一台发电机组跳闸或失磁; l e) 受端系统任一台变压器故障退出运行; l f) 任一大负荷突然变化; l g)任一回交流联络线故障或无故障断开不重合; l h) 直流输电线路单极故障。l 2)第二级安全稳定标准:在发生第2类故障扰动后能保持系统稳定运行但允许损失部分负荷，第且类故障是指单一严重故障(出现概率较低的故障)，包括:l a) 单回线单相永久故障重合不成功及无故障三相断开不重合

15、; l b) 任一段母线故障; l c) 同杆并架双回线的异名两相同时发生单相接地故障重合不成功，双回线三相同时断开; l d) 直流输电线路双极故障。l 3)第三级安全稳定标准:在发生第3类故障扰动后，当系统不能保持系统稳定运行时，必须防止系统崩溃并尽量减少负荷损失。第3类故障是指多重严重故障(出现概率很低的故障)，包括: l a) 故障时断路器拒动; l b) 故障时继电保护及自动装置误动或拒动; l c) 自动调节装置失灵; l d) 多重故障; l e) 丧失大容量发电厂;l f) 其他偶然因素。l (4)满足分层和分区原则。实现电网合理的分层和分区，是建设一个安全稳定电网的基本要求。

16、l 所谓电网分层，是指按网络电压等级，即网络的传输能力大小，将电力系统划分为由上至下的若干结构层次。所谓电网分区，是指以受端系统为核心，将供应它电力和电源的远方发电厂连接在一起，形成一个供需 (用功和无功功率)基本平衡的区域，并经过联络线与相邻系统相连。这种区域的划分，是以电力和电能供应平衡为标准的电力系统概念，而不是一种行政的和地理的概念。l 电网无功功率基本上按输电电压分层补偿与控制，按电网分区就地平衡。l (4)满足分层和分区原则。实现电网合理的分层和分区，是建设一个安全稳定电网的基本要求。l 所谓电网分层，是指按网络电压等级，即网络的传输能力大小，将电力系统划分为由上至下的若干结构层次

17、。所谓电网分区，是指以受端系统为核心，将供应它电力和电源的远方发电厂连接在一起，形成一个供需 (用功和无功功率)基本平衡的区域，并经过联络线与相邻系统相连。这种区域的划分，是以电力和电能供应平衡为标准的电力系统概念，而不是一种行政的和地理的概念。l 电网无功功率基本上按输电电压分层补偿与控制，按电网分区就地平衡。l (5)合理控制系统短路电流。电力系统的应该从技术上和经济上协调选择一个合理的短路电流水平，一个合理的短路电流水平，需要着重考虑以下几方面的问题。l 1)短路电流水平上限值的选择决定了断路器的开断容量、送变电设备和设施的动、热稳定、对其他弱电线路的干扰及危险影响和接地网的接触和跨步电

18、压等。短路电流水平愈高，所需费用愈大。l 2)从保持电力系统稳定运行和抗扰动能力考虑，系统中各枢纽点必须维持一定的短路电流水平，保持系统电压有足够的稳定性，以保持短路故障后的电力系统稳定性和发电厂的安全稳定运行以及减小电网中大负荷波动对其他用户的影响。l 3)为了保证系统继电保护的可靠性和灵敏度，也必需保持适当的短路电流水平。 l 12.1.1.3电流互感器及电压互感器的特性及接线要求l (1)保护用电流互感器的特性及接线。 l 1) 保护用电流互感器的分类和特性。按照国际电工委员会 (IEC)的推荐标准 (我国国家标准GB1208、GB16847等同采用)，保护用电流互感器按工作性能可分为:

19、 l 图12-1-2 一般保护用的电流互感器在短路电流下的电流波形(ic为励磁电流) P.271 l a)P级，一般保护用的电流互感器，是按照额定准确限值一次电流 (即满足复合误差c 要求的最大稳态对称一次电流)设汁，对剩磁无要求。复合误差c包括由励磁电流ic和二次电流i2中的高次谐波分量 (见图12-1-2)影响所产生的误差。l GB1208附7A对复合误差的应用作了说明:l 1) 复合误差的数量值不会小于电流误差和相位差的相量相，因此复合误差表示电流误差和相位差的可能最大值;l 2) 在过电流继电器运行中，电流误差具有特殊意义，而相位差对相敏继电器 (如方向继电器)具有特殊意义;l 3)

20、在差动继电器中，则需考虑所用两台电流互感器复合误差的组合;l 4) 限制复合误差将限制二次电流的谐波分量。l 额定准确限值的一次电流是指电流互感器能够满足复合误差要求的最大一次电流，准确限值系数 (ALF)则指额定准确限值的一次电流与额定一次电流的比，用于核算P级电流互感器的复合误差，GBl208-1997规定的标准准确限值系数为:5、10、15、20与30。l 在保护用电流互感器的铭牌上应标有相应的数据，额定准确限值系数应在其额定输出及准确级后标出，l 例如:3OVA 5P1O,15VA 5P2O。l 具有暂态特性的电流互感器有下列四种型式: l)TPS型:为低漏磁闭路铁芯，其误差由励磁特性

21、和匝数比偏差值来确定，剩磁不限。电压差动 2)TPX型:为低漏磁闭路铁芯，在规定条件下峰值瞬间误差不超过10%，剩磁不限。电压差动 3)TPY型:为小气隙铁芯，剩磁不大于铁芯饱和磁通密度的01倍。瞬间最大误差不超过额定二次对称电流峰值的75%，电流过零误差不超过45%。线路重合闸 4)TPZ型:为气隙不超过平均磁路长度的10%，二次电流中不重现一次短路电流中的非周期分量。二次电流误差不超过10%额定值。母线差动l b)TP级暂态保护用电流互感器。在超高压大容量电力系统，为了防止电力系统稳定性破坏，要求继电保护快速动作，一般对330kV及以上线路主保护动作时间要求不大于305Oms，要求电流互感

22、器必须具有良好的过度过程响应特性，在稳态和暂态情况下均能真实准确地传变一次侧故障电流，以保证继电保护装置在短路暂态过程尚未结束前能够正确测量，不应因电流互感器的暂态过程引起保护装置误动或拒动。l 暂态保护用电流互感器 (TP级)按照变换暂态一次短路电流设计 (参见GB16847-1997)，其分类见表12-1-3。 l 表12-1-3 P.272l 各准确级在额定电流和额定负荷下的误差限值见表12-1-4。l 表12-1-4 P.273l 铁芯无气隙的TPS、TPX一般适宜在高阻抗继电器 (例如电压差动保护)采用，由于它剩磁很大，不适用于有磁累积效应的C-O-C-O工作循环。我国500kV系统

23、继电保护多采用铁芯有具有小气隙的TPY电流互感器。能适应采用自动重合闸C一O一C一O工作循环。l 2) 保护用电流互感器的配置和接线要求。GB14285-93要求，在各类保护装置接于电流互感器二次时，应考虑既要消除保护死区，同时又要尽可能减轻电流互感器本身故障时所产生的影响，l 因此l a)保护用电流互感器的配置必须保证相邻元件的保护区相互搭接，有一个重叠区，为了避免出现保护空白区，母线保护和线路 (或其他元件)保护所用电流互感器必须互相交错。同时，两套独立的主保护必须各自米用独立的二次绕组。l b)线路保护用电流互感器的常用接线方式有:1.完全 (三相)星形接线;2.不完全 (两相)星形接线

24、;3.三角形接线;4.三相并联以获得零序电流接线;5.两相差接线等。l c)保护用电流互感器的连接导线的截面不应小于2.5mm2。二次负荷应满足电流互感器10%误差的要求，对超高压系统的快速保护，还应检验电流互感器的暂态误差是否满足保护要求。l 3)电流互感器的10%误差特性。电流互感器的测量误差主要由励磁电流引起，励磁电流不能传变到二次，励磁电流经过的励磁回路是电感性的，因此又产生相位误差。电流互感器的一次电流增加到一定数值后铁芯开始饱和，励磁阻抗减小，励磁电流增加，二次电流误差增大，GB14285-1993继电保护和安全自动装置技术规程规定:保护用电流互感器的比误差不应大于10%，必要时还

25、应考虑暂态误差。电流互感器的10%误差特性通常以10%误差曲线形式表示 (见图12-1-3)，纵坐标m10=I1/I1N为电流互感器的一次电流对其一次额定电流的倍数，该曲线表明，电流互感器的误差不超过10%和所能容许的最大二次负荷阻抗的对应关系。P.274l 己知电流互感器二次负荷阻抗可以从该曲线求出m10，可以和流过电流互感器的一次短路电流作比较;当然，已知电流互感器m10，也可以从该曲线求出容许的二次负荷阻抗，如果它大于或等于实际的负荷阻抗，误差就满足要求，否则，应采取措施，例如。增加二次电缆截面，降低实际负荷阻抗，或有条件时将同一相中变比及容量相同的电流互感器二次串联，在容量不变条件下，

26、使允许负荷增加一倍等办法，直到满足要求为止。l (2)保护用电压互感器标准和特性。l 1)保护用电压互感器标准。保护用电压互感器标准准确级及其误差见表12-1-5接地型电压互感器的剩余电压绕组的准确级为6P。l 图12-1-3电流互感器的10%误差曲线 P.274l (a)二次电流与一次电流或二次屯流与一次电流倍数的关系曲线;l （B）电流互感器的10%误差曲线l 2)GB14285-1993规定电压互感器在其负荷最大时，电压互感器到继电保护和安全自动装置的电压降不应超过额定电压的3%。l 12.1.1.4电力系统在不同状态下电磁和机电变化规律l (1)常见短路故障类型及特性。l 1)电力系统

27、的中性点接地方式。中性点接地方式有不接地(绝缘)、经电阻接地、经电抗接地、经消弧线圈接地(谐振接地)、直接接地等。但就主要运行特性而言，可将它们归纳为两大类:l a)有效接地系统或大接地电流系统，它的(X0/X1)3，用(R0/X1)1，一般110500kV采用中性点直接接地或小阻抗接地，都是有效接地系统；b）非有效接地系统或小接地电流系统，它的(X0/X1)3，且(R0/X1)1。l 一般366kV采用中性点不接地或经消弧线圈接地，属于非有效接地系统。国内通常采用中性点直接接地、不直接接地或经消弧线圈接地三类接地方式。22OkV及以上电压系统采用中性点直接接地方式。l 2)三相短路。电力系统

28、正常运行方式的破坏多半是由短路故障引起的。在中性点直接接地的电网中，绝大多数的短路故障是一相对地短路，一般占全部短路故障7090%左右，其次是两相对地短路、两相短路和三相短路。在中性点非直接接地的电网中，短路故障主要是各种相间短路，包括不同相两点接地短路，在中性点非直接接地的电网中一相接地不会造成短路，仅有不大的电容电流流过故障点，使电网的中性点产生位移，而线电压保持不变。l 3)不对称短路。有关短路电流计算可参考有关书籍或资料。本节介绍线路不对称短路的几个主要特征，这些特征在继电保护中得到应用。l a)在A相单相短路接地时，若电力系统中各元件的正、负序阻抗相等，在短路点故障相电流中的正序、负

29、序和零序分量大小相等，方向相同。短路点故障相电压等于零，两个非故障相电压幅值相等，相位差决定于零序阻抗与负序阻抗之比，当Z0/Z2在零到无穷大的范围内变化时，相位差在60180。故障点的零序电压最高，变压器中性点接地处的电压为零，在故障线路上，零序功率由线路流向母线。零序电流3I0超前零序电压3U0角度180-。为阻抗角7085。l b)两相短路时，短路电流及电压不存在零序分量;两故障相短路电流大小相等，方向相反;两个故障相电压大小相等，相位相同。l c)两相接地短路时，两个故障相电流幅值相等，相位差决定了零序阻抗与负序阻抗之比，当Z0/Z2在零到无穷大的范围内变化时，相位差在60-180。l

30、 d)两相接地短路和单相短路接地时都存在零序电流，其相对大小和Z0/Z2的比值有关:公式见 P.275l e)一相断开，是超高压电网输电线路采用单相重合闸和非全相 (指两相运行)时产生一种纵向不对称短路方式。此时出现以下特征:l 1）一相断开时，系统中出现负序和零序分量电流。正序分量电流小于断相前的负荷电流，而非故障相电流一般较断相前的负荷电流有所增加;l 2）一相断开时，线路中通过的负序电流与Z2/Z0的比值有关，该比值越小，负序电流越大，系统中允许负序电流的数值，影响到单相重合闸和非全相运行的使用; l 3）一相断开后，零序电流的数值随Z2/Z0的比值的增大而增大，零序电流的增大对反应零序

31、分量的继电保护和对有线通信线路都有影响。l f）当线路出现不对称断相时，由于负荷电流的影响，将出现零序电流。当断相点纵向零序阻抗大于纵向正序阻抗时，单相断相零序电流小于两相断相零序电流。l g)系统振荡时，接地故障点的零序电流巧将随振荡角的变化而变化。当两侧电势角摆开的180时，电流最小，故障点越靠近振荡中心，零序电流变化的幅度越大。l h)在小电流接地系统发生单相接地时，发生中性点位移，中性点电压上升至相电压，非故障相电压升高，母线电压互感器开口三角形的在系统任一点，不管距离远近，基本上电压是一样高。l (2)电力系统同步振荡与失步。当电力系统遭受扰动，例如，发生短路故障继电保护动作后切除双

32、回线路之一，发电机将由正常运行功角特性转到新的功角特性， (见图12-1-4。 P.276)l 由于机械功率与电磁功率不平衡，系统可能发生振荡，并列运行的发电机之间相对角度发生摇摆，各电力元件的电流和电压都发生脉动，在振荡中心，电压可能跌落到零。如果电力系统有足够的稳定储备能力，振荡时最大相对角度m不超过稳定极限角度，振荡通常在一个或几个周期内结束，稳定在小于90的新角度0，这称为同步振荡，此时并不破坏系统稳定运行，见图12-1-4(a)。l 如果振荡具有不衰减的性质，例如，功角特性上制动面积小于加速面积，则相角度将超过稳定临界角c。，导致失步，见图12-1-4(b)，这时系统失去稳定，如果处

33、理不当，可能导致电力系统瓦解，产生大面积停电事故。l 按照前水利电力部电力系统暂态稳定计算暂行规定中暂态稳定的判据，多机复杂系统在摇摆过程中，任两机组间的相对角度达到200。或更大，但仍能恢复作同步衰减，而逐渐稳定时，应认为主系统是稳定的。l 在电力系统暂态稳定计算暂行规定长沙会议补充意见中，对电压稳定的判据规定为:暂态稳定计算中出现中枢点或某一地区电压持续低于额定电压75%时，应判为电压不稳定。l 图12-1-4同步振荡与失步 P.276l (3)电力系统振荡时电气量的变化。l 1)振荡与短路的主要区别。l (a)失步或振荡或失步过程中，电气量由并列运行的发电机之间相位差的变化决定，各点电压

34、和电流均作往复性摆动，一般变化较为平滑，而短路时电气量是突然变化的。l b)振荡或失步过程中，电力网上不同地点的电流与电压之间的相位角可以有不同的数值，而在短路状态下则是相同的。l c)振荡和失步不破坏三相系统的对称性，所有电气量都是对称的，而短路伴随出现三相不对称，即使是三相短路，在暂态起始瞬间也是不对称的。l 2)振荡时电气量变化情况。复杂系统振荡时的电气量可通过稳定计算求得。以两机系统为例，振荡时线路上电流、电压及阻抗继电器感受的阻抗等电气参数变化情况如图12-1-5所示。l 图12-1-5振荡时电气量的变化 P.276l 电力系统振荡不破坏三相系统的对称性，所有电气量都是对称的，感受振

35、荡线路两侧的电流量是相等的，所以，从原理上说，反应负序、零序分量的保护及纵联电流差动保护在振荡时不会误动作，而相间电流保护及某些距离保护有可能误动作。在采取防止误动作措施时，系统最大振荡周期D/T584-1994规定按不大于1.5s计算。l 12.1.1.5 高压输电线路常用继电保护装置的工作原理及应用l (1)电流保护。以通过保护安装处的电流为作用量的继电保护方式。当通过的电流大于某一预定值 (整定值)而动作的电流保护称过电流保护。通常由电流、时间、中间、信号等继电器按一定的逻辑综合组成，用以实现对输电线路和发电机、变压器、电动机等电力设备的保护。它可以依相电流或相序 (负序或零序)电流工作

36、。除直接作用的过电流保护外，还有经故障方向判别元件和经低电压或复合电压元件控制的过电流保护。主要有:无时限 (瞬时)过电流保护和带时限过电流保护两种。对于线路，则有线路相间过电流保护和线路零序过电流保护。l 1)线路相间过电流保护。用于各种电压等级电力网的输电线路相间故障的过电流保护。l a)无时限 (瞬时)线路过电流保护，瞬时动作的线路过电流保护。分为有选择性和无选择性两种。l 1.有选择性无时限 (瞬时)线路过电流保护。保护范围不超过本线路的线路相间短路故障瞬动过电流保护。它在各级电压电力网中得到广泛采用。电流继电器动作电流必须大于被保护线路两端母线相间短路时通过本线路的最大可能短路电流，

37、因而只能在本线路一定范围内故障时才能动作。它对被保护线路内部短路故障的反应能力 (灵敏度)可用被保护线路全长百分数表示，该值恒小于1。l 电源阻抗比(电源阻抗对线路阻抗之比)愈小，它可以保护的范围愈长。该保护仅以电流继电器或者和出口中间继电器本身固有时间动作，通常为104Oms。在超高压电力网中，由于它能快速切除线路近端短路故障，对保护电力系统稳定运行往往发挥极为关键的特殊作用。l 2.无选择性无时限(瞬时)线路过电流保护，能保护线路全长的瞬动过电流保护。当相邻线路或相邻电力设备 (如变压器)发生相间短路故障时，有可能发生无选择性动作跳闸，用以换得全线路故障的快速切除。该保护方式常常用于线路变

38、压器组及低压电力网的线路保护。对后一种情况，无选择性跳闸通常借助线路自动重合闸纠正。l b)带时限线路过电流保护，延时动作的线路过电流保护。有定时限线路过电流保护和反时限线路过电流保护两种。l 1.定时限线路过电流保护。动作时限与通过的电流水平 (大于过电流元件的起动值)无关的能保护线路全长的延时过电流保护。实际应用中常常由几个定时限 (包括无时限)过电流保护段组成带阶段时限特性的多段式线路过电流保护。各保护段的起动电流、动作时限及灵敏度均不相同。它们中有的快速动作，有的能保护线路全长，有的还能保持到相邻电力设备的全部。它们的中、低压电力网中一种主要线路保护方式。l 对于两侧电源的情况，有的保

39、护段需经故障功率方向判别元件控制。特别情况下，为了满足电力系统运行方式变化较大的需要，有的保护段需依靠电流元件与电压元件协同动作，统称电流电压保护。以取得比较稳定的保护范围。l 2.反时限线路过电流保护。利用反时限电流继电器构成的线路延时过电流保护。故障点离保护装置安装处愈近，通过的电流愈大，其运作时间也愈短。恰当地选择所需要的动作反时限特性，可以同时获得本线路短路故障时有较短的动作时间，而当相邻电力设备故障时又可以与后者的保护选择配合。有的还设有速动过电流部件，可根据需要实现无时限过电流保护功能。它是幅射形简单电力网中最常见的一种线路保护方式。l 2）线路零序过电流保护，用于各种电压等级的有

40、效接地系统中输电线路接地短路故障的过电流保护。保护的类别和功能与保护相间短路故障的线路过电流保护基本相同。但具有如下特点:l a)只能用以保护有效接地系统中发生的单相及两相接地短路故障，因为只有这两种短路故障(不考虑继线故障)才在电力网中出现零序电流。l b)由于线路的零序阻抗是正序阻抗的3倍以上，而电源侧的零序阻抗一般均较正序阻抗小，因而在线路首、末端发生接地短路故障时通过线路的零序电流幅值变化很大，远远大于相间短路时相应相电流的变化。因此，利用零序电流保护比较容易获得动作时间快、保护范围相对稳定且易于实现相邻保护间的选择配合等优点。l c)因为正常运行时线路不通过零序电流，因而零序电流保护

41、 (或者它的某一段)可以有较低的起动电流值，从而实现对线路发生高电阻接地电阻故障 (例如对树放电等，对5OOkV线路可高达300欧)时的保护，这是任何其他保护方式所不及的。l 线路零序电流保护也有条件地用于非有效接地系统的情况，依靠内外部发生单相接地短路故障时通过的零序电流幅值的大小不同，而实现内外部故障的判别，用以发出警报或跳闸。l (2)距离保护。以距离测量元件为基础构成的保护装置，其动作和选择性取决于本地测量参数 (阻抗、电抗、方向)与设定的被保护区段参数的比较结果，而阻抗、电抗又与输电线的长度成正比，故名。距离保护是主要用于输电线的保护，一般是三段式或四段式。第一、二段带方向性，作本线

42、段的主保护，其中第一段保护线路的80%-90%。第二段保护。余下的10%-20%并作相邻母线的后备保护。第三段带方向或不带方向，有的还设有不带方向的第四段，作本线及相邻线路的后备保护。l 整套距离保护包括故障起动、故障距离测量、相应的时间逻辑回路与电压回路断线闭锁，有的还配有振荡闭锁等基本环节以及对整套保护的连续监视和自动闭锁等装置。l 有的接地距离保护还配备单独的选用元件。l 图12-1-6 三段式距离保护框图 P.278l l 图12-1-6是中国通用的模拟式距离保护典型结构简化框图，包括故障起动元件，第一、二段及第三段距离继电器、振荡闭锁、电压回路断线闭锁等基本环节。l (3)电流相位比

43、较式纵联保护。电流相位比较式纵联保护也称相差动高频保护，是以比较本线路两端规定的工频电流的相位差为动作判据的一种线路纵联保护，该保护的最大优点主要是利用电流量，结构简单，工作可靠性高，在系统发生振荡时不会误动作。它是超高压电力网中的中、短距离输电线路常用的一种全线快速动作的主保护，其基本原理如下:l 超高压电力网中的中、短距离输电线路的分布电容电流较小，本线路正常运行和外部故障时两端相应工的频电流的相位差反相 (规定以由母线流向线路的电流为正方向)，而当内部故障时两端相应的工频电流的相位差接近同期，所以，可以用两端相应的工频电流的相位差的大小来判断线路区内外故障，当相位差小于一定值时判定为区内

44、故障，相差动高频保护动作切除故障:否则，判定为区外故障。相位差定值的选择按考虑大于本线路两端电流互感器与保护装置间及高频信号电流传输延时等在区外故障时可能出现的最大角误差 (例如为60)选定。l 以规定的两端同一工频电流的同一半波 (正或负)相互重叠时间表示两工频电流间的相位差，对于同一半波的两工频电流，在5OHz系统，当重叠时间为10ms时，表示两端电流同相位，0ms时，表示两端电流相位差180，在相差动高频保护中，将规定的半波整形为方波，经过通道检测本端与对端两方波的重叠时间，做出动作与否的判据。图12-1-7表示相差动高频保护的基本动作原理。l 图12-1-7相差动高频保护的基本动作原理

45、 P.279l (a)原理接线示意图;(b)内部故障时两侧电流的相位;l 相差动高频保护的优点是:保护可以在电力系统振荡和非全相运行时继续运行，不会误动作;线路的串补电容对保护工作无影响;保护在电压二次回路断线时不会误动作。保护的缺点是:当被保护线路一相断线接地或非全相运行发生保护区内故障时，保护的灵敏度会变坏，甚至可能拒动;线路的分布电容影响线路两端电流相位，长线影响更严重，因而保护不能用在太长的线路上，重负荷线路的负荷电流也会改变线路两端电流的相位，不利于线路内部故障时保护动作。高频相差保护是22OkV高压输电线路常用主保护之一，为了保证高值起动元件和操作元件的灵敏度，四统一设计的高频相差

46、保护，要求线路末端三相短路电流一次值不小于360A。22OkV线路长度不大于25Okm。l (4)高频闭锁方向保护。高频闭锁方向保护的基本原理是基于比较被保护线路两侧的功率方向。当两侧的短路功率方向都是由母线流向线路时，保护就动作跳闸。由于它是以高频通道经常无电流，而当外部故障时由功率方向为负的一侧发送高频闭锁信号去闭锁两侧保护，因此称为高频闭锁方向保护。l 图12-1-8高频闭锁方向保护的动作原理 P.279l 现以图12-1-8说明高频闭锁方向保护的动作原理。假定功率正方向为从母线流向线路。图中的K点发生短路，对BC线路来说，保护启动元件动作发闭锁信号，因为内部短路。此时B、C两侧功率方向

47、皆为正方向，使收发信机停止发信，因而都发不出高频闭锁信号，两侧保护都动作跳闸。而对AB线路来说，则为外部短路。l 此时A侧功率方向虽为正，但由于B侧功率方向为负，故B侧发高频闭锁信号，此闭锁信号一方面被本侧收信机所接收，另一方面通过高频通道送到A侧，将A侧保护闭锁，因而A、B侧保护均不能动作跳闸。l 目前广泛用负序功率方向元件来判别故障方向，高频闭锁负序方向保护的原理比较简单。在全相运行条件下能够正确反应各种不对称短路，在三相短路时，只要不对称时间大于57ms，保护可以动作“在两相运行条件下 (包括单相重合闸过程中)发生故障，保护可能拒动。在电压互感器二次回路断线时，保护应退出工作。l 高频闭

48、锁方向保护的主要优点在于:利用非故障线路发送高频闭锁信号。这样，当线路内部故障并伴随着通道的损坏时 (例如通道所在相接地或断线)，不会影响高频闭锁信号的传输，因而保护仍能正确动作，切除故障。l 1212 电力系统继电保护配置l 12121 继电保护配置和构成方案设计要求l (1)电力系统对继电保护配置的基本要求。l 1)继电保护是电力系统的重要组成部分，电力系统中所有的线路、母线等电力设备都不允许在无继电保护状态下运行，所配置的继电保护必须符合GB14285继电保护和安全自动装置技术规程，符合可靠性 (可信赖性和安全性)、选择性、灵敏性和速动性的要求当这些电力设备发生各种类型故障时，所配置的继

49、电保护应以可能最短的时限、在可能最小的区间内将故障设备从电网中断开，以保证电力系统的安全运行和减轻故障设备的损害程度。l 2)继电保护的配置方式，要满足电力网结构、厂站主接线的要求，并考虑电力网和厂站运行方式的灵活性。但是，对导致继电保护和安全自动装置不能保证电力系统安全运行的电力网接线方式、变压器接线和运行方式，应限制使用 (例如，不宜在大型电厂一向电力网送电的主干线上接入分支线;尽量避免出现短线路成串成环的接线方式;应避免和消除严重影响电网安全稳定运行的不同电压等级的电磁环网，发电厂不宜装设构成电磁环网的联络变压器，等等)。l 3)被保护线路在各种运行方式下 (线路空载、轻载、满载等)发生

50、各种类型的金属性短路故障时，保护应能可靠地快速动作;当发生非金属性接地故障或相间短路时，应保证有保护装置能可靠地动作于切除故障线路，非故障线路的保护保证不会误动作。切除故障时间满足超高压电力网运行稳定性的要求。l 4)继电保护性能应能适应自动重合闸的要求，在单相接地故障时，只跳开故障相，对瞬间性故障，应重合成功;对重合于永久性故障或重合闸过程只又发生故障，应能瞬间断开三相，切除故障。l 5)被保护线路在各种运行条件下进行各种正常倒闸操作时，保护不得误动作。在系统发生振荡的全过程中线路发生故障时，保护不会非计划性误断开被保护线路;而在振荡过程中线路发生故障时，能有选择性切除故障。在发生暂态稳定破

51、坏时，非故障线路的保护不会由于失去稳定而非计划误发跳闸命令。l 6)连接到保护装置的交、直流二次回路故障与二次回路干扰以及纵联保护的通道发生故障或异常情况时，均不会引起继电保护误动作。l (2)影响电力网继电保护配置的主要因素。电力网继电保护配置方案应满足电力系统对继电保护 “四性”的要求，其中可靠性是四性的前提。l 整个电力系统是非常复杂的有机联系的整体，任一电力设备和线路的故障如不能及时切除，都将影响电力系统的安全运行，影响的程度主要视电力设备和线路在电力系统中所处地位而定。因此，不同电压等级的电力网中，各电力设备和线路对继电保护的“四性”要求，特别是对可靠性与速动性的要求是有区别的，这是

52、影响电力网继电保护配置水平的主要因素。在确定电力网继电保护配置时，一般要考虑以下问题:l 1)电力网电压等级。一定的电压等级一般对应着一定的电力网容量、供电负荷大小与供电范围电压等级是电力网重要性的主要标志之一，同时，不同的电压等级的电力网具有不同的机电和电磁特征。例如，330kV以上的电力网，输送功率大，稳定问题突出系统暂态过程严重。要求保护装置的可靠性高，动作快。而11OkV及以下电力网，这类问题一般影响不大。l 2)中性点接地方式。中性点接地方式影响电力网中接地保护的选型与配置。中性点直接接地电力网的接地保护，反应单相接地电流与电压，动作于跳闸;中性点非直接接地电力网的接地保护，一般反应

53、单相接地电容电流或暂态电流，通常作用于信号。l 3)电力网结构型式。在电力网电压、中性点接地方式确定后，电力网结构型式是影响继电保护配置方式的主要因素。目前，由于技术或经济上原因，继电保护还不能保证对任何结构形式的电力网都可满足 “四性”的耍求。因此，要求进行电力网规划及安排运行方式时，耍同时考虑使继电保护简单可靠、协调配合。下列一些电力网的接线方式一般要严重恶化继电保护运行性能，设计及运行中均宜适当限制:l a)成串或成环的短线路;l b)主干线上 T接分支线或在大型电厂出口附近接变电所;l c)在超高压电力网中，不适当地选用全星型变压器或过多使用自藕变压器;l d)同杆并架双 (多)回线及

54、架空和电缆混合线路等。l 4)选择性切除故障时间。电力网切除故障时间主要由系统稳定性、发电厂厂用电或重要用户供电电压及电力网保护配合的要求等许多因素决定。按实际情况下允许切除故障最长时间的考虑，5OOkV线路近故障端0.08s，远故障端0.1s;22OkV线路，其近故障点侧和远故障点侧的故障切除时间，应分别不大于0.1s和0.10.12s，母线故障切除时间一般为0.080.1s，对具体工程稳定可能要求更严格。这涉及到保护选型及配置。l 5)故障类型及概率。在拟制保护装置和设计保护配置方案时，对电力网中常见运行方式及故障类型，继电保护应保证快速可靠动作，并具有选择性，对稀有故障，可根据对电力网影

55、响程度或后果，采取相应措施，使保护能正确动作。对两种稀有故障同时出现的情况可不考虑。但不允许电力网内任一运行元件在无继电保护状态下工作。l 6)电力网内事故教训和运行经验。应强调采用国内和国外的成熟运行经验的保护装置，特别对5OOkV及以上超高压电力网，在其在发展初期一般比较薄弱，应当配置能满足系统要求成熟的继电保护装置。l 7)其他因素。包括保护配置具有灵活性，以适应运行方式的变化及电力网的发展，保护装置的产品性能、工艺水平及供货条件等。l (3)主保护、后备保护、辅助保护。电力系统中电力设备和线路，应装设短路故障和异常运行保护装置。电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，必要时可

56、再增设辅助保护。l 1)主保护。主保护是指在电力系统申，预定优先切除故障或结束异常情况的保护装置，只切除距故障点最近的断路器。从动作时限上划分，主保护有全线瞬时动作及按阶梯时间动作两类。根据电力系统暂态稳定或发电厂安全运行要求，必须对被保护线路全线任何地点及任何故障形态均能瞬时有选择地切除，应采用具有选择性保护各种类型的短路的继电保护装置作主保护，这主要由各类性能完善的纵联保护担任，是具有绝对选择性的主保护系统。l 对11OkV及以下一些不太重要线路，当电力系统允许线路一侧由保护第一或第二段切除时，则可以采用有阶梯时限特性的距离或零序保护第一、二段作主保护。l 2)后备保护。后备保护是指当主保

57、护动作失败或断路器拒绝动作时起作用的保护，具有相对选择性，按其构成分为远后备及近后备两种。l a)远后备。当被保护元件内部故障时，依靠相邻线路对侧断路器上对此故障有一定灵敏度的后备保护装置动作切除故障，其后备范围广，包括相邻变电所直流消失保护与断路器均不能动作时也起后备作用。但动作时间长，在复杂电力网中往往因灵敏度或选择性不足而不能采用，故多用于11OkV及以下输电线路。l b)近后备。当被保护元件内部故障时，依靠本厂站保护实现后备保护。一种是继电器后备方式，由相邻线路近故障侧的保护切除故障，或由本侧另一组保护起后备作用;另一种是断路器后备方式，当故障线路保护动作而断路器拒动时，由故障线路的断

58、路器失灵保护经延时切除同一母线上相邻有电源线路的断路器，这种近后备方式动作相对速度快，灵敏度及选择性均较好，主要用于22OkV及以上线路。l 按照GB14285-1993规定:断路器后备在2205OOkV电力网中，以及11OkV电力网的个别重要部分，按下列规定装设断路器失灵保护:1.线路保护采用近后备方式。对220-5OOkV分相操作的断路器，可以只考虑断路器单相拒动的情况。2.线路保护采用远后备方式，如果由其他线路和变压器的后备保护切除故障将扩大停电范围，并引起严重后果。3.如断路器与电流互感器之间发生故障，不能由该回路主保护切除，如果由其他线路和变压器的后备保护切除故障将扩大停电范围，并引

59、起严重后果。l c)辅助保护，是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护推出运行而增设的简单保护，例如，对22OkV线路除主保护之外，在正常运行方式下，保护安装处短路时，电流速断保护的灵敏度在1.2以上时，可以安装电流速断保护作为辅助保护。l 从原则上来说，电力设备和线路短路故障的保护应有主保护和后备保护，是满足电力系统中所有线路、母线等电力设备都不允许在无继电保护状态下运行的基本要求，保证任何电力设备和线路在运行中，都具有由两套完全独立的继电保护装置分别控制两台 (或两台以上)断路器实现保护。完全独立是为了可靠地实现备用，目的是为了当任一台保护装置或任一台断路器拒绝动作时，能够由另一

60、台保护装置或另一台断路器动作切除故障。l 对于11OkV及以下电力网，基本上实现的是 “远后备”，即当最邻近故障元件的断路器上配置的保护或断路器拒动时，可以由电源侧上一级断路器处的继电保护动作切除故障。实现完整意义上后备。l 对于22OkV及以上电压的复杂电力网，因为电源侧上一级断路器配置的继电保护装置，往往不能对相邻故障元件实现有效的保护，因而，只能实现 “近后备”，即每一个电力元件或线路都配置两套独立的继电保护，各自完全实现对本电力元件或线路的保护，其中一套继电保护因故拒绝动作，出另一套继电保护动作切除故障;如果断路器拒绝动作，则由“断路器失灵保护”动作，断开同一母线是其他带电源的所有线路

61、、变压器的断路器，以最终断开故障。所以保护双重化和断路器失灵保护是实现“近后备”的必要条件。l 12122 31lOkV电力网线路保护配置原则l （1)363kV中性点非直接接地电力网线路保护配置原则。3-6,V电力网为中性点非直接接地系统，相间短路保护必须动作于断路器跳闸，单相接地时，由于接地电流小，虽然中性点位移，但三相电压仍能保持平衡，对用户没有很大影响，因此，单相接地保护一般动作于信号，但单相接地对人身和设备的安全产生危害时，就应动作于跳闸(如在有爆炸危险或容易引起火灾的车间、矿井)。对容易出现过负荷的电缆线路或电缆与架空混合线路，应装设过负荷保护，宜带时限动作于信号，当危及设备安全时

62、，可动作于跳闸。l 1)相间短路保护的配置原则。l a)电流保护的电流回路的电流互感器采用不完全星形接线，各线路保护的电流互感器均装设在相同的两相上 (通常为A、C两相)，以保证在大多数两点接地情况下，有2/3几率只切除一个故障点。相邻线路l b)后备保护应采用远后备方式。l c)线路上发生相间短路时，如发电厂或重要用户的母线电压低于50-60额定电压，以及线路导线截面过小，不允许带时限切除短路时，应快速切除故障。l d)如果过电流保护的时限不大于0.50.6s，且没有上述c)条情况，或没有配合上的要求时，可不装设瞬动的电流速断保护。l 2)相间短路保护的配置规定。l a)单侧电源线路。31O

63、kV单回线路可装设两段式过电流保护，第一段为无时限电流速断，第二段为带时限的过电流保护;对带电抗器的线路，如其断路器不能切断电抗器前的短路电流，则不应装设无时限电流速断保护，电抗器前的短路应由母线保护或其他保护切除;如果是发电厂引出不带电抗器的线路，应装设无时限电流速断保护，其保护范围应保证切除所有使发电厂或重要用户的母线电压低于5060%额定电压的短路，必要时允许无时限电流速断保护无选择性动作，并以自动重合闸或备用电源自动投入来补救。对35-63kV单回线路可装设一段或两段式电流电压速断保护和过电流保护。l b)双侧电源线路。31OkV线路，一般可装设带方向或不带方向的电流速断保护和过电流保护，当不能满足要求时，对短线路以导引线保护作主保护，带方向或不带方向的过电流保护作后备保护，导引线保护如需专用辅助导线时，其长度不宜超过1-2km。对35-63kV线路，如电流电压保护不能满足要求，宜采用距离保护;对短线路，宜采用导引线或光纤通道的纵联保护作主保护，带方向或不带方向的过电流保护作后备保护