继电保护教案

    课题一  继电保护和自动装置概述

    一、继电保护和自动装置的作用、任务

    继电保护及自动装置是电力系统安全、稳定运行的可靠保证。电力系统是发、供、用电的总称，在运行中不可避免地会发生各种形式的短路故障和不正常工作状态，将在电力系统中引起事故。

    继电保护的任务是：当电力系统出现故障时，给控制设备的断路器发出跳闸信号，将故障设备切除；当系统出现不正常运行状态时，应发出报警信号，通知运行人员及时处理，以防止发展成故障而引起事故的产生。

    电能的生产、输送、分配、使用是同时进行的，随着发电机单机容量及电力系统容量的不断扩大，对运行水平的要求越来越高。因此自动装置的任务是：配合继电保护提高供电的可靠性；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；自动记录故障过程，以利于分析处理事故。

    二、基本原理和基本要求

    继电保护的功能，就是将检测到的电气量与整定值进行比较，在越过整定值或边界时就动作。 继电器由测量元件、逻辑元件和执行元件组成的一种自动电器。继电保护装置工作的好坏用以下四项基本要求来衡量：

    可靠性。电力系统正常运行时，继电保护装置应可靠地不动作（称为安全性）；当被保护设备发生故障或不正常工作状态时，继电保护装置应可靠动作（称为可依赖性）。

    迅速性。是指继电保护装置的动作速度要快。理论上，动作速度越快越好，但实际应用中，为防止干扰信号造成保护装置误动及保证保护间的相互配合，继电保护不得不人为地设置一定的动作时限。

    选择性。是指当电力系统出现故障时，继电保护装置发出跳闸命令仅将故障设备切除，使停电范围尽可能减小，应保证无故障部分继续运行。

    灵敏性。是指继电保护装置反应故障的能力。灵敏性一般用灵敏系数来衡量。

    以上四项基本要求，贯穿整个继电保护内容的始终，在满足上述要求的同时还要考虑经济指标。应当注意的是四个要求有时会相互矛盾。

    三、题库讲解

    电机(Lb2A3163).对继电保护的基本要求包括可靠性、选择性、灵敏性和速动性。其中，当电力系统发生故障时，只跳开离故障点最近的断路器，使停电范围最小，是指继电保护的（     ）。 (A)可靠性；（B）选择性；（C）灵敏性；（D）速动性。答案:B

    变电(La2A5036).继电保护对发生在本线路故障的反应能力叫(     )。(A)快速性；(B)选择性；(C)灵敏性；(D)可靠性。答案:C             5034

    电机(Lb2C4059).什么是选择性？画图举例说明什么是有选择性动作，什么是非选择性动作？

    答案:如图C-1所示，只切除离故障点最近的断路器，使停电范围尽量减小，这称为有选择性动作。

    当k2短路时,由保护2动作断开2QF,称为有选择性动作;若保护1动作，断开1QF,则称为无选择性动作。当k1短路时，若保护1拒动或1QF失灵，由保护2动作，断开2QF,仍称为有选择性动作。

    图C-1

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    课题二  线路保护

    一、电流、电压保护

    线路短路故障的显著特点是电流增大、电压降低，利用电流与电压的变化，即可构成反应相间故障的电流、电压保护，就可保证系统非故障部分的正常运行。

    1、反应相间故障的三段式电流保护装置

    三段式电流保护装置由瞬时电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护组合构成三段式电流保护装置。瞬时电流速断保护和限时电流速断保护能保护线路全长，为线路的主保护。

    瞬时电流速断保护（又称第Ⅰ段保护）可瞬时动作，但不能保护线路的全长。限时电流速断保护（又称第Ⅱ段保护）用以反应瞬时电流速断保护区外的故障，应能保护线路的全长，还应有尽可能短的动作时限。定时限过电流保护（又称第Ⅲ段保护）作为本线路的近后备保护和下一线路的远后备保护。 附加判别功率方向的电流保护，称为方向电流保护。判别短路功率的方向，是解决电流保护用于双侧电源或单电源环网输电线路选择性问题的有效方法。功率方向继电器的作用就是判别功率的方向：正方向故障，功率从母线流向线路时就动作；反方向故障，功率从线路流向母线时不动作。

    方向电流保护必须采用按相起动接线，否则可能引起保护装置误动作。 2、电网的接地保护

    电力系统按中性点接地方式可分为中性点直接接地系统、中性点不接地或经消弧线圈接地系统三种。 从原理上讲，接地故障的保护可以与三相星形接线的相间短路电流保护共用一套设备，但该保护灵敏度低、动作时间长，所以应采用专门的接地保护装置。接地故障将产生零序分量是其最显著的特点。

    中性点直接接地系统发生接地故障时产生很大的零序电流，反应零序电流增大而构成的保护称为零序电流保护。零序电流保护也采用阶段式，即瞬时零序电流保护（零序电流Ⅰ段）瞬时动作，限时零序电流速断保护（零序电流Ⅱ段）带一个时间阶梯动作，它们构成了线路接地短路的主保护，定时限零序过电流保护（零序电流Ⅲ段）作为接地主保护的后备保护。在双侧或多侧电源的网络中，零序电流保护需增加方向元件，就组成了三段式零序方向电流保护。

    在中性点非直接接地系统中，发生单相金属接地故障时，故障相对地电位为零，零序电压值的大小等于相电压，合成后的零序电流为故障前容性电流的三倍。不直接接地系统发生单相接地时的保护方式有：绝缘监视装置、零序电流保护。

    二、距离保护

    由于电流保护的保护范围受系统运行方式变化的影响很大，而距离保护装置受系统运行方式的影响小，因此在高压电网中得到广泛应用。

    距离保护装置是反应故障点至保护装置安装处的距离，并根据距离远近而确定动作时间的一种保护装置。由于故障点至保护安装处的距离与线路的阻抗成正比，故可通过测量线路的阻抗来反应距离，它又被称为阻抗保护。

    为了满足距离保护速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛应用具有三段动作范围的时限特性。保护Ⅰ段瞬时动作，保护范围为线路全长的80～85%。保护Ⅱ段带一阶梯时限（约0.5秒），保护范围为本线路的未端及下一条线路的一部分。保护Ⅲ段作为本线路保护和相邻线路保护的后备。三段式距离保护装置，可由以下四个元件组成：保护起动和闭锁元件、方向元件、测量元件、时间元件。

    阻抗继电器是距离保护的核心元件。阻抗继电器要测量阻抗幅值的变化和相位的变化，其动作特性为复平面上的“几何面积”（称为动作区）。当测量阻抗落入动作区时，继电器动作；当落在动作区外，继电器不动作。影响阻抗继电器正确工作的因素很多，最主要的影响因素有：故障点的过渡电阻。故障点与保护安装处之间的分支电流。断线闭锁。系统振荡闭锁。

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    三、高频保护

    1、纵联差动保护

    纵联差动保护是用辅助导线（或称导引线）将被保护线路两侧的电量连接起来，通过比较被保护的线路始端与末端电流的大小及相位构成的保护。纵差保护普遍采用环流法的接线方式。

    在线路正常运行和外部故障时，由于线路两侧的电流基本相等，保护不动作；而在内部故障时，两侧电流相差很大，差动继电器可动作跳闸，从而可正确区分区内与区外故障。

    纵差动保护可保护线路全长，并全线快速切除故障，无需与相邻线路保护在整定值上进行配合。 2、横联差动保护

    电力系统中常采用双回线供电。横联差动保护的差动继电器并接在相邻两线路电流互感器二次侧的差回路上，利用平行线路内部故障时两线路阻抗不等而形成的电流差使继电器动作。

    当两线路的阻抗不完全相等，或电流互感器的特性不一致时，继电器中将流过不平衡电流，需采取下列方法来减小不平衡电流：采用具有D级铁芯的电流互感器；减小和均衡电流互感器二次回路的负担；应用速饱和中间变流器。

    横联方向差动保护是在横差保护的基础上，加装方向元件构成的，用功率方向继电器来选择故障线路。横联方向差动保护可反应两回线路电流之差的大小和方向，从而有选择地切除故障线路。在单回运行时保护应自动退出，以防保护误动作。同时还需加装一套保护（通常采用反应双回线电流之和的三段式电流保护或距离保护），作为本线路和相邻线路的后备保护和单回线路运行时的主保护。

    3、高频保护

    为快速切除高压输电线路上任一点的短路故障，将线路两端的电气量转化为高频信号，然后利用高频通道将此信号送到对端进行比较，决定保护是否动作，这种保护称为高频保护。继电保护的高频通道就是指高频电流流通的路径，目前使用的有：输电线载波通道、微波通道、光纤通道等。

    纵联高频闭锁方向保护的基本工作原理是是比较被保护线路两端的短路功率方向，保护采用故障时发信方式。发生区外故障时，接收反向短路功率的那一侧发高频信号，收信机受到高频信号闭锁，保护不跳闸。只有区内故障时，被保护线路两侧的短路功率方向都是正方向，即由母线指向被保护线路时，两侧均不发闭锁信号，保护才动作于断路器跳闸。

    高频闭锁方向保护的继电部分由两种主要元件组成，一是起动元件，用于故障起动发信机，发出高频闭锁信号；二是方向元件，用于测量故障方向，在保护的正方向故障时准备好跳闸回路。

    高频闭锁方向保护可以快速地切除保护范围内的各种故障，但不能作为下一条线路的后备保护。而距离保护可作为外部故障时的后备保护。高频闭锁距离保护能正确反应并快速切除各种短路故障，且有足够的灵敏度，其中的距离保护还可兼作相邻线路和元件的远后备保护。当高频部分故障时，距离保护仍可继续工作，对线路进行保护。如将高频闭锁距离保护与零序电流方向保护的有关部分相连，则可构成高频闭锁零序电流方向保护。

    相差高频保护的基本工作原理是通过比较被保护线路两端短路电流的相位，来决定保护是否动作。我国广泛采用故障时起动发信的相差调频保护，在工频电流的正半周发高频信号，而负半周停止发信。 相差高频保护装置由继电部分、收发信机、通道设备三部分组成，每侧的继电保护部分包括起动元件、操作元件和电流相位比较元件。

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    四、题目讲解

    变电(Lc2A2109).电力网发生三相对称短路时，短路电流中包含有(     )分量。 (A)直流；(B)零序；(C)正序；(D)负序。答案:C       2112

    变电(Lc2A2110).电力系统发生短路时，电网总阻抗会(     )。 (A)减小；(B)增大；(C)不变；(D)忽大忽小。答案:A      2113

    电试(Jf2A3312).超高压系统三相并联电抗器的中性点经小电抗器接地，是为了(     )。

    A.提高并联补偿效果； B.并联电抗器故障电流； C.提高电网电压水平； D.“潜供电流”和防止谐振过电压。答案:D      3351

    电机(Lb2B4155).反应故障点至保护安装处阻抗，且动作的保护，称为距离保护。（     ）答案:√

    变电(Lc2B5134).小电流接地系统中的并联电容器可采用中性点不接地的星形接线。(     )答案:√5150 变电(Lc2B5138).无时限电流速断保护的保护范围是线路的70%。(     )答案:×

    电试(Lb2B3120).在中性点不直接接地的电网中，发生单相接地时，健全相对地电压有时会超过线电压。(    )答案:√   3122

    电试(Je2B3300).电力系统在高压线路进站串阻波器，防止载波信号衰减，利用的是阻波器并联谐振，使其阻抗对载波频率为无穷大。(     )答案:√   3354

    电试(Jf2B3320).能满足系统稳定及设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的继电保护，称为主保护。(     )答案:√   3375

    电试(Je2C4144).怎样测量输电线路的零序阻抗?  4150

    答案:输电线路零序阻抗测量的接线如图C-12所示，测量时将线路末端三相短路接地，始端三相短路接单相交流电源。根据测得电流、电压及功率，按下式计算出每相每公里的零序参数：

    Z0＝3UI・1L

    R0＝3PI2・1L   X0＝Z0－R022

    L0＝X02?f

    式中  P--所测功率，W；      U--试验电压，V；

    Z0--零序阻抗，Ω／(km・?)；     R0--零序电阻，Ω／(km・?)；      X0--零序电抗，Ω／(km・?)；     L0--零序电感，H／(km・?)；

    I--试验电流，A；      L--线路长度，km；      f--试验电源的频率，Hz。变电(Lc2E3021).变电(Lc2E3021)说明图E-32中电流互感器的接线方式。  答案:此图为零序接线。1025

    电试(La2E1025).图E-23中三相五柱电压互感器的接线属于何种接线? 答案:属于YN，yn,△接线。1024

    图E-23                      图E-32              图C-12

    变电(Je2F4058).断路器为什么要进行三相同时接触差(同期)的确定?    JE1F4073

    答案:原因有：    (1)如果断路器三相分、合闸不同期，会引起系统异常运行。    (2)中性点接地的系统中，如断路器分、合闸不同期，会产生零序电流，可能使线路的零序保护误动作。    (3)不接地系统中，两相运行会产生负序电流，使三相电流不平衡，个别相的电流超过额定电流值时会引起电机设备的绕组发热。    (4)消弧线圈接地的系统中，断路器分、合闸不同期时所产生的零序电压、电流和负荷电压、电流会引起中性点位移，使各相对地电压不平衡，个别相对地电压很高，易产生绝缘击穿事故。同时零序电流在系统中产生电磁干扰，威胁通信和系统的安全，所以断路器必须进行三相同期测定。

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    课题三   发电厂继电保护

    一、发电机保护

    针对发电机可能发生的故障和不正常工作状态，必须装设专门的、性能完善的保护装置。发电机的保护方式有：纵联差动保护。反应发电机定子绕组及引出线的相间故障。定子绕组匝间短路保护。定子接地保护。大容量的发电机应装设100%的定子接地保护。过电流保护。对称过负荷保护。励磁回路接地保护。反应发电机励磁消失的失磁保护。转子回路过负荷保护。大容量机组的逆功率保护。反应水轮发电机和大型汽轮发电机定子绕组过电压的过电压保护。为了快速切除故障，保护装置在跳开发电机出口断路器的同时，应作用于自动灭磁开关，切断发电机励磁电流。

    1、发电机的纵差动保护

    发电机的纵差保护能快速而灵敏地切除发电机定子绕组及引出线之间的故障，是发电机的内部相间短路故障的主保护。发电机纵差动保护装置采用环流法接线，电流互感器之间的定子绕组及其引出线即为纵差保护的保护区。

    差动继电器在流过穿越性电流时有不平衡电流，在二次回路断线时流过负荷电流，因此差动保护的动作电流应按躲过这两个电流来整定。由于机端短路电流较大，一般能满足灵敏度要求，但在中性点附近短路时，保护存在死区。死区的大小与动作电流有关，降低动作电流，可减小死区。

    大型机组通常采用比率制动式纵差动保护。适当选择制动特性的转折点，一方面保证外部短路故障时能可靠躲过最大不平衡电流，另一方面内部故障时保护具有足够的灵敏度。因此利用比率制动特性可有效地防止穿越性故障时的误动作。

    2、发电机的匝间短路保护

    容量在25MW以上并且定子绕组为双星形接线的发电机，才装设发电机横差保护，其作用是消除定子绕组匝间、分支间短路或分支开焊等故障。

    大容量的发电机，由于其结构紧凑，无法装设横差保护，因此通常采用反应零序电压的匝间短路保护或反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护。为了正确反应三相对中性点的零序电压，此保护用电压互感器的中性点不可接地，而必须与发电机的中性点相连。

    3、发电机定子绕组单相接地保护

    定子绕组与铁芯之间绝缘破坏而造成的定子绕组单相接地故障，是发电机常见的故障。50MW及以上的发电机，都要求装设100%定子接地保护，使保护无死区。 定子绕组单相接地时，零序电压与故障点至中性点的距离成正比，根据这个原理即可构成定子接地保护。零序电压可取自机端三相电压互感器的开口三角绕组，也可取自发电机中性点单相电压互感器或消弧线圈的二次电压。保护的动作电压应按躲过正常运行时的不平衡电压（包括三次谐波电压）整定，该定值较高，因此中性点附近故障时，死区较大。为了减小死区，可在电压继电器前加装三次谐波滤过器，可提高保护的灵敏度，保护区可达85~95%。

    正常运行时，机端三次谐波电压总是小于中性点三次谐波电压。而定子绕组发生一点接地时，不管中性点是否经消弧线圈接地，机端三次谐波电压随故障点至中性点的距离增加而减小到零，而中性点三次谐波电压则从零开始线性增加，因此在中性点附近，它将小于机端三次谐波电压。根据这个特性，即可构成用于保护中性点附近的定子接地保护，它的保护区为中性点到机端的50%。

    双频式定子接地保护由两部分组成：采用反应机端零序电压原理构成的接地保护装置，它保护定子绕组机端的85~95%；采用三次谐波电压原理构成的保护装置，它的保护区为中性点至机端的50%。两保护区加起来构成100%的保护区。

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