电力系统继电保护与自动装置.ppt

,电力系统继电保护与自动装置 电力工程系,本课程主要内容,一、继电保护基础知识二、 发电机保护三、 变压器保护四、输电线路保护五、母线、断路器保护六、微机保护概述七、备用电源自动投入装置八、自动并列装置九、自动调节励磁装置十、 输电线路自动重合闸装置十一、 综合自动化概述,第一讲 继电保护基础知识,本节应掌握的内容： 1、一次设备与二次设备的概念 2、电力系统的运行状态 3、短路、事故、不正常工作状态的概念（重点） 4、继电保护装置的概念及基本任务（重点） 5、自动装置的任务 6、对继电保护装置的四个基本要求（重点与难点） 7、继电保护装置的组成,第一讲,第一节 电力系统继电保护的作用,一、电力系统继电保护及自动装置的作用与任务一）一次设备与二次设备的基本概念 一次设备：是指直接参与生产、输送和分配电能的生产过程的高压电气设备。 它包括发电机（发电）、变压器（变换）、断路器、隔离开关、自动开关、接触器、刀开关、母线（汇集、重新分配电能） 、输电线路（输送电） 、电力电缆、电抗器、电动机（用电）等。 一次设备的特点：所施加的电压等级很高、通过的电流很大，所以其体积一般较大。,电力生产过程,电力生产过程实质上是电能的生产、分配和销售过程。电力生产的主要特点是生产、流通和消费同时进行，并由此决定了电力生产过程是一个不可分割的有机整体。它可以概括为电能的产生(发电)、电能的传输(送电)、电压的变换(变电)、电能的分配(配电)和电能的销售(营业)等五个环节，构成了完整的电力生产过程。,图1.1电力传输过程,从发电厂到用户的发、输、配电过程,电力系统示意图,电力系统接线图,发电厂类型,发电厂：将一次能源转换为电能，是电能生产的核心 火力发电厂（煤、石油、天然气等） 火力发电厂生产过程：它是一个能量转换的过程，这一转换过程主要是通过锅炉、汽轮机和发电机三大主要设备来完成的。,二次设备：是指对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备是为一次设备服务的 它包括熔断器、控制开关、继电器、控制电缆、各种仪表等。 二次设备的特点：所施加的电压低、通过的电流小，因此体积也较小。,发电厂变电站二次系统的主要内容： 、控制系统 2、信号系统 3、测量与监测系统 4、继电保护与自动装置系统 5、调节系统 6、操作电源系统 7、综合自动化系统,主变保护屏,图6-6 端子排表示方法示意图,二）电力系统的运行状态 1、定义：电力系统在不同运行条件（如负荷水平、出力配置、系统接线、故障等）下的系统与设备的工作状况。 2、类型：有正常运行状态、不正常运行状态、故障状态三种。 正常运行状态在此状态下，电力系统的有功功率和无功功率处于平衡，各发电、输电和用电设备均在规定的长期安全工作限额内运行，电压、频率均在规定的范围内变化，电能质量合格。,不正常运行状态在此状态下，电力系统中的电气元件的正常工作遭到了破坏，但还没有发生故障的情况，其电气参数偏离了额定值。 如负荷上升超过了规定值，形成了过负荷表现为电流上升。 中性点不直接接地系统发生单相接地时，非故障相对地电压上升形成了过电压大小为原来相电压的 倍； 系统发生振荡表现为电流、电压幅值作周期性变化，全盘波动等。,故障状态电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、误操作、设计制造缺陷等原因而形成的。包括各种形式的短路和断线。 最常见同时也是最危险的故障是发生了各种类型的短路。 带负荷拉隔离开关引起电弧 单相接地 人工短路实验 人工短路实验（线路） 变压器短路(6),大量的现场统计数据说明：在高压电网中，单相接地短路次数占所有短路次数的85%以上。 表格1 2002年我国220KV电网输电线路故障统计表,短路的后果:短路点流过很大的短路电流，可以达到额定电流的几十倍（几十甚至上百KA），产生热量，使故障设备发热损坏；, 在短路点处还会产生强烈的电弧（开关电器在断开的瞬间，触头处由于强电场导致空气被击穿，形成电子发射，在电子运动过程中和气体分子相碰撞，形成高温，温度可达上千到上万摄氏度），使故障元件发热损坏； 短路电流流过导体，产生很大的电动力，使非故障元件受到机械性损坏； 短路时电压还会下降，破坏用户工作的稳定性或导致产品质量下降；短路时还会破坏系统并列运行的稳定性，使系统发生振荡，甚至使系统瓦解。,事故：指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。 引发事故的可能原因如下：,故障状态,不正常状态,切除迟缓或错误切除设备,自然因素（如雷击、架空线倒杆等）设备制造缺陷设计和安装错误检修质量不良运行维护不当,事故,二）继电保护的作用,电力系统继电保护,技术,装置,原理设计,整定,配置,调试,获取电量信息的电流电压互感器的二次回路,经过继电保护装置直到开关跳闸的一整套具体设备,通信设备,三)电力系统继电保护装置的基本任务是： 自动、迅速、有选择性地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，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。（故障时，跳闸） 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求迅速动作,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,以免短暂的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。（异状时，发信号）,四)电力系统自动装置的基本任务是： 配合继电保护提高供电的可靠性（如备用电源自动投入装置、自动重合闸等）。 保证电能质量、提高系统经济运行水平、减轻运行人员的劳动强度（如自动励磁调节装置、按频率自动减负荷装置、自动并列等）。 自动记录故障过程，以便于分析处理事故（如故障录波装置等）,第二节 继电保护的基本原理和保护 装置的组成,一、 继电保护的基本原理 利用正常运行与区内外短路故障电气参数变化的特征构成保护的判据，根据不同的判据就构成不同原理的继电保护。 如图0-1(a)所示的网络接线,电力系统正常运行时的特点： 每条线路上的电流负荷电流 各母线上电压在额定电压的±5%±10%范围内变化线路始端电压与电流之间的相位角决定于由它供电的负荷的功率因数角和线路的参数。,当系统发生故障时，如图0-1(b)所示。假定在线路L(BC）上发生了三相短路，其特点： 电流短路电流（从电源出发，流向短路点） 各母线上电压降低，短路点处降低到零 短路点到变电站B母线之间的阻抗ZK下降。,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。 在按照上述原理构成各种继电保护装置时，可以使它们的参数反应于每相中的电流和电压，也可以仅反应其中的某一个对称分量的电流和电压。 还有根据电气设备的特点实现反应非电量的保护。如瓦斯保护、过热保护等。,二、继电保护装置的组成,二、继电保护的基本原理及组成1、基本原理 利用故障时电气量的变化与正常时不同来构成保护，以区分正常或故障状态。2、基本组成 主要由三大部分组成。（1）    测量元件：测量输入信号，并与已给定的整定值进行比较，从而判断保护是否应该启动。（2）    逻辑元件：根据测量部分输出量的大小、性质等，确定保护是否动作或如何动作，即应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。（3）    执行元件：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。,三、继电保护装置的类型1、按被保护的对象分，有输电线路的保护、发电机的保护、变压器的保护、母线保护、电动机的保护等；2、按保护原理分，有电流保护、电压保护、距离保护、高频保护、差动保护、方向保护等；3、按保护所反应的故障类型分，有相间短路保护、接地保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护等；,4、按继电保护装置实现的技术分，有 机电型保护（电磁型和感应型）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护和微机保护等；2、按保护所起的作用分，有 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性地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护当被保护元件的主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护叫后备保护。后备保护分近后备和远后备。,近后备当主保护拒动时，由本设备或线路的另一套保护来实现的后备保护。当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现的后备保护。远后备当主保护或断路器拒动时，由相邻设备或线路的保护来实现的后备保护。辅助保护为补充主保护某种性能的不足（如方向元件的电压死区）或加速切除某部分故障而装设的简单保护。,四、对继电保护装置的基本要求 对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性、迅速性、选择性、灵敏性。 一)可靠性 1、定义：是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它能可靠动作,即它不应该拒绝动作(简称拒动)，而不在该保护范围内故障或在其保护范围内发生的故障类型不属于它所保护的职责时,它不应该动作(简称为误动)。,2、动作不可靠的主要原因：继电器及元件质量差；安装调试质量不高；运行维护不当以及设计和整定计算的错误等。3、提高可靠性的措施： 选用最简单的保护方式、质量高、动作可靠的继电器或元件和简单的回路来构成，并采取必要的检测闭锁和双重化等措施； 保护装置要便于整定、调试和运行维护； 要正确地进行设计和整定计算，保证安装、调试质量，提高运行维护水平。,二）迅速性指继电保护装置动作尽可能快 凡是作用于断路器跳闸的保护均要求动作要迅速。 要求快速动作的主要理由和必要性： 可以提高电力系统并列运行的稳定性。,例：K点发生了三相短路故障时，A母线电压将大大下降到接近于零，使A厂送不出负荷，发电机转速迅速升高。而B厂母线B 母线，则由于远离短路点，还有较高残压。如果保护动作时间较长，A、B两厂的发电机转差增大，使系统发生振荡甚至解列。,可以加速系统电压的恢复，改善用户电动机的自起动条件，使用户的工作尽可能少受故障影响。 电力部要求：在发电厂母线的引出线上发生短路故障，机端母线电压下降到额定电压的60以下时，必须无时限地切除故障。 可以减轻电弧对故障设备的破坏，以及电流对故障支路元件的损坏程度。 可以防止故障进一步的扩大和发展，提高自动重合闸的成功率。 切除故障的时间 = 继保动作时间 + QF跳闸时间,因此要减少故障切除时间，就必须采用快速动作的保护和断路器。 一般的快速保护的动作时间为0.040.08s，最快的可达0.010.02s， 一般的断路器的动作时间为0.060.15s，最快的可达0.020.06s。 必须指出：不是在任何情况下都要求这样快速地切除故障。保护的速动性要求是相对的。 比如作用于信号的保护装置，其动作可以带一定的延时。,须快速切除的故障： 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生的故障； 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； 大容量的发电机、变压器以及电动机内部发生的故障； 110kV线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障等； 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。,三）选择性 定义：电力系统故障时，继电保护装置动作，切除故障部分，使停电范围尽可能最小，保证非故障的部分能继续运行。 保护装置的起动:指该保护装置的输入量(如电流)超过了其整定值时,该保护的测量元件动作了。但此保护不一定会动作于出口（例如后备保护一般都有计时过程），如保护区的主保护动作了，则起动了的后备保护会返回。 保护装置的动作：指保护装置的测量部分动作了，并且还作用于出口了，即执行部分也动作了。,选择性,四)灵敏性 定义：是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。 要求：满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时,不论短路点的位置与短路的类型如何,都能灵敏地正确地反应出来。 灵敏性的表示：通常用灵敏系数来衡量。 反应故障时参数上升的灵敏度（即过量保护）,1.22.0反应故障时参数下降时的灵敏度：,反应故障时参数下降的灵敏度（即欠量保护）：,其中故障时的最小、最大计算值取决于被保护元件和电力系统的参数和运行方式。灵敏系数应根据常见的不利方式和不利的短路类型来计算。 而电力系统的运行方式分为：最大运行方式、最小运行方式、正常运行方式三种。,最大运行方式：指投入运行的机组的容量最大（三台发电机全投入），系统的等值阻抗最小（线路L1、L2均投入），当在K点短路时，短路电流最大的运行方式。最小运行方式：投入运行的机组的容量最小（只投入一台发电机），系统的等值阻抗最大（线路L1、L2只运行一条），当在K点短路时，短路电流最小的运行方式。,介于最大运行方式与最小运行方式之间的一切常见的运行方式，如发电机投入了两台，线路L1、L2均投入；发电机投入了两台，线路L1或L2只投入一条发电机投入了一台，线路L1、L2均投入等；它们均为正常运行方式。但应指出：最小运行方式的确定较为复杂，受所带负荷等因素影响，必须由调度统一给定。,从以上的介绍可以看出：这四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，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。 如定时限过电流保护，因它是一个后备保护，所以它满足了选择性，但不满足快速性。,第四节 继电器的分类及其图形符号,继电器指具有“继电特性”的电器元件。定义：当作为控制它的物理量(如电流)达到一定数值(超过整定值)或进入某一定的物理量时，它能够使被控制的物理量(如继电器的触点)发生突然的变化(如触点闭合)。继电器的分类： 按接入的方法分：,继电特性,所有继电器都具有继电特性，即永远处于动作或返回状态，无中间状态；动作值不等于返回值，使接点无抖动。,继电器的起动和返回特性称为“继电特性”。返回系数：,一般为0.850.9,返回系数小于1的原因：有剩余力矩和摩擦力矩存在。,继电器分类 有各种分类方法。继电器按功能常分为两类：测量继电器（交流）和辅助继电器（直流）。（1）电磁式继电器1）结构原理 电磁型继电器主要有三种不同的结构型式，即螺管线圈式、吸引衔铁式和转动舌片式，如下图所示。不论哪种结构型式的继电器，都是由电磁铁1、可动衔铁2、线圈3、触点4、反作用弹簧5和止挡6所组成。,见王中广核, 按作用于断路器的跳闸方法分, 按工作原理分,继电器的表示方法： 用一个方框上面带有触点的图形，继电器所反应的参数在方框里用一个在电工中通用的字母表示，如电流I ，电压用U ，时间用t,阻抗用Z等。常用继电器和接点的表示方法见表0-1。 动合触点:也叫常开触点。指线圈不带电或带电不足时触点处于断开状态的这一类触点。反之带上足够大电时该触点就闭合。 动断触点:也叫常闭触点。指线圈不带电或带电不足时触点处于闭合状态的这一类触点。反之带上足够大电时该触点就断开。,五、继电保护的发展简史 熔断器就是最早的、最简单的过电流保护。这种保护方式至今仍广泛应用于低压线路和用电设备。 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。,