电力系统继电保护原理全套课程课件教学文案.ppt

电力系统继电保护原理教案电力系统继电保护原理教案 1 绪论绪论 1-1 1-1 继电保护的作用继电保护的作用一、故障及不正常运行状态 Id 危害 故障元件 故 障 U -非故障元件(各种短路)f 用户 电力系统 过负荷 不正常运行状态过电压 危害 元件不能正常工作 f -长时间将损坏设备 系统振荡 发展成故障二、继电保护的任务 故障时：自动、快速、有选择性地切除故障元件,保证非故障系统事故 部分恢复正常运行。不正常运行时：自动、及时、有选择地动作于信号、减负荷或跳闸1-2 1-2 继保的基本原理和保护装置的组成继保的基本原理和保护装置的组成一、反应系统正常运行与故障时电气元件（设备）一端所测基本参数的变化而构成的原理（单端测量原理，也称阶段式原理）运行参数：I、U、Z 反应 I过电流保护 反应 U低电压保护 反应 Z低阻抗保护(距离保护)二、反应电气元件内部故障与外部故障（及正常运行）时两端所测电流相位和功率方向的差别而构成的原理（双端测量原理，也称差动式原理）以A-B线路为例：规定电流正方向：保护处母线被保护线路规定电压正方向：母线高于中性点1、外部d1点短路时：2、内部d2点短路时：(包括正常运行时)利用以上差别，可构成差动原理保护。如：纵联差动保护；方向高频保护；相差高频保护 光纤差动保护等。三、保护装置的组成部分 输入测量逻辑执行 输出信号 信号 整定值 1-3 1-3 对电力系统继电保护的基本要求对电力系统继电保护的基本要求一、选择性：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。d3点短路：6动作：有选择性；5动作：无选择性 如果6拒动，5再动作：有选择性(5作为6的远后备保护)d1点短路：1、2动作：有选择性；3、4动作：无选择性后备保护（本元件主保护拒动时）：(1)由前一级保护作为后备叫远后备.(2)由本元件的另一套保护作为后备叫近后备.二、速动性：故障后,为防止并列运行的系统失步,减少用户在电压降低情况下工作的时间及故障元件损坏程度，应尽量地快速切除故障。(快速保护:几个工频周期，微机保护：30ms以下)三、灵敏性：保护装置对于其应保护的范围内发生故障的反应能力。（保护不该动作情况与应该动作情况所测电气量相差越大灵敏度）一般用灵敏系数Klm来衡量灵敏度四、可靠性：不拒动、不误动。（主保护对动作快速性要求相对较高；后备保护对灵敏性要求相对较高）2 2 电网的电流保护和方向性电流保护电网的电流保护和方向性电流保护2-1 2-1 单侧电源网络反映相间短路的电流保护单侧电源网络反映相间短路的电流保护一、过电流继电器1、基本符号及特性参数 动作过程：IJMdcMdcMth+Mm 舌片开始动作 Mdc动作过程中：舌片加速动作(Mdc=K(IJ/)2)Mth 动作终止时出现剩余力矩：M=Mdc-Mth（有利于接点可靠闭合）（主要用于（主要用于35KV35KV及以下线路）及以下线路）动作电流Idz.J：能使继电器刚好动作的最小电流值。返回过程：IJ Idz.J时，由于剩余力矩M 的存在，暂时还不能返回；IJMdc Mdc Mth-Mm 舌片开始返回 Mdc返回过程中：舌片加速返回 Mth 返回终止时出现剩余力矩：M=Mth-Mdc （有利于接点可靠断开）返回电流Ih.J：能使继电器刚好返回的最大电流值。过电流继电器 表示符号：继电器的返回系数：继电特性：无论起动或返回，继电器J的动作都是明确干脆的，不会停留在某个中间位置，这种特性称为“继电特性”。过量继电器（保护）：反映电气量上升而使保护动作 的继电器(保护)，Kh12、集成电路型过电流继电器（晶体管型：略）3ms延时：防止干扰信号引起的误动(干扰持续时间一般 I(3)d.B.max IIdz.2 I(3)d.c.max 取：IIdz.1=KkII(3)d.B.max IIdz.2=KkII(3)d.C.max（可靠系数：KkI=1.21.3）(3)灵敏性校验该保护不能保护本线路全长，故用保护范围来衡量：max：最大保护范围.min：最小保护范围.校验保护范围：（min/L）100%15%20%2、电流速断保护的评价 优点：动作迅速(主要优点),简单可靠。缺点：不能保护本线路全长（主要缺点），直接受系统运行方式的影响，受线路长度的影响。三、限时电流速断保护（电流II段）限时电流速断保护：以较小的动作时限切除本线路全线范围内的故障1、动作电流的整定：与下条线路的电流I段配合。即：保护范围延伸到下条线路，但不超出下条线路电流I段保护范围的末端。即：躲开下条线路电流I段保护范围末端短路时（即流过下条线路的短路电流刚好为其电流I段整定值时），流过本保护的最大短路电流。IIIdz.1=KkIIIIdz.2 =KkIIKkII(3)d.C.max 可靠系数：KkII=1.11.2（Id中非周期分量已 衰减，故比KkI稍小）2、动作时限的配合 为保证本线路电流II段与下条线路电流I段的保护范围重叠区内短路时的动作选择性，动作时限按下式配合：tII1=tI2+tt（t:0.35s0.6s,一般取0.5s）3、保护装置灵敏性的校验 对于过量保护,灵敏系数：（电流保护的故障参数计算值：系统最小运行方式下被保护线路末端发生两相短路时，流过本保护的最小短路电流）对保护1的电流II段：Klm=要求：Klm 1.31.5 若Klm不满足要求，可继续延伸保护范围使得：IIIdz.1=KkIIIIIdz.2(与下条线路的电流II段保护配合）同时进一步提高时限：tII1=tII2+t2t（保证重叠区内故障的动作选择性）四、定时限过流保护（电流III段，主要作为后备保护，对灵敏性要求高）1、动作电流的整定原则 按躲开流过保护的最大负荷电流来整定：IIIIdz Ifh.max 实际整定原则：考虑到外部故障切除后，电压恢复时电动机的自启动过程中，保护要能可靠地返回，则要求：IIIIh Izq.max=KzqIfh.max(电动机负荷自启动系数Kzq 1)又：IIIIh=KhIIIIdz （继电器返回系数Kh 1）（可靠系数KkIII取：1.151.25）2、按选择性要求确定过流保护动作时限 为保证动作选择性，动作时限按“阶梯原则”整定:tIII1=MaxtIII2,tIII3,tIII4+t 对定时限过流保护，当故障越靠近电源端时，此时短路电流Id越大,但过流保护的动作时限反而越长 缺点 定时限过流保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以作为主保护。3、定时限过流保护灵敏系数的校验(1)作为本线路主保护或近后备时，按本线路末端短路流过本保护的最小短路电流来校验：要求 Klm 1.31.5(2)作为远后备时（相邻线路的后备），按相邻线路末端 短路流过本保护的最小短路电流来校验：要求Klm 1.2(3)要求各保护之间Klm互相配合对同一故障点，越靠近故障点的保护，其Klm要求越大 Klm.1 Klm.2 Klm.3 Klm.4 IIIIdz.2 IIIIdz.3 (单侧电源辐射网，此条件自然满足)五、阶段式电流保护的应用及评价(1)电流I段：由动作电流的整定来保证动作选择性，按躲开某点的短路电流整定，动作迅速（无时限），但不能保护本线路全长，作为主保护的一部分。(2)电流II段：由动作电流整定与时限配合来保证动作选择性，动作电流按躲开某点的短路电流整定，能保护本线路全长，动作时限较小，作为主保护的另一部分（电流I段的补充）(3)电流III段：由动作时限的配合来保证动作的选择性，动作电流按躲开负荷电流整定，其值较小，灵敏度较高，然而动作时限较长，且越靠近电源短路，动作时限反而越长，一般作为后备保护，但是在电网终端可作为主保护。六、电流保护的接线方式 LJ(接线)TA1、两种常用的接线方式(1)三相星形 (2)两相星形各相LJ出口采用“或”逻辑。继电器动作电流 Idz.J=Idz/nTA 2、两种接线方式的性能分析比较(1)对中性点接地或不接地网中各种相间短路两种接线方式 均能正确反映这些故障.(2)对中性点非直接接地网中的异地两点接地短路 （不同线路上两点接地）这种电网允许带一个接地点继续运行 串联线路上两点接地时：三相星形接线能保证只切除后一接地点两相星形接线只能保证2/3的机会切除后一接地点 并联线路上两点接地时：三相星形接线：若保护1，2时限相同，则两接地点将同时被切除，扩大了停电范围。两相星形接线：即使保护1，2时限相同（例如皆由I段动作，或皆由II段动作），也能保证有2/3的机会只切除任一条线路。(3)作为Y/接线变压器后面短路的远后备保护的接线方式 Y/-11接线T：正序：正序：侧超前侧超前Y Y侧侧3030 负序：负序：侧落后侧落后Y Y侧侧3030 现以Y/-11接线的降压变压器为例：假设低压侧（侧）发生AB两相短路：两相星形的Klm比三相星形降低一半 提高两相星形接线Klm的方法：在两相星形的中线上再接一个继电器3LJ.两相短路时有：3LJ中的电流:I3LJ反映了IB Klm 3、两种接线方式的应用(1)三相星形：接线复杂，不经济，但可提高保护动作的可靠性与灵敏性，广泛用于发电机、变压器等大型贵重元件以及110kV以上高压线路的保护中。(2)两相星形：接线简单、经济，广泛用于各种电网中反映相间短路的110kV以下中、低压线路的电流保护中。（电网中所有采用两相星形接线的保护都应装在相同的两相上，一般为A、C相）七、三段式电流保护接线图1、原理图 以二次元件为 整体绘制。2、展开图 以二次回路为 整体绘制。交流回路 直流回路2-2 2-2 电网相间短路的方向性电流保护电网相间短路的方向性电流保护一、方向性问题的提出（以双侧电源电网为例）E1单独供电：由保护1、3、5起线路保护作用E2单独供电：由保护6、4、2起线路保护作用E1、E2同时供电：（以B母线两侧保护2,3为例）假设：电流I段保护：IIdz.3IIdz.2 电流III段保护：tIII3tIII2 d1点短路时（要求：2动作，3不动），虽然此时可能满足选择性（3不误动）；但若出现d2点短路，则：2误动 非选择性动作。规定保护正方向：保护安装处母线 被保护线路分析可知：被保护线路正方向短路时：保护不会出现误动；反方向短路时：由对侧电源供给的短路电流可能造成该保护误动作，此时的功率方向：线路 母线 为防止保护误动,增设功率方向闭锁元件GJ(装于误动保护上)正方向（母线 线路）：GJ动作启动保护 短路点位于 反方向（线路 母线）：GJ不动闭锁保护 增设GJ后,双侧电源网可以按单侧电源网的三段电流保护进行配合。二、GJ的工作原理 保护1上装设GJ 假设GJ接线方式为：加入GJ的电压：相电压（以相应相母线高于中性点N为正极性）电流 相电流（以母线流向线路为正极性）。则：d1点三相短路时：d2点三相短路时：设计一个直线动作边界：当正方向短路时位于动作区，GJ动作 当反方向短路时位于非动作区，GJ闭锁（注：若GJ的接线方式或短路类型变化，则正向短路时 与 的相位差将变化，因此GJ的动作边界应可调整）1、相位比较式GJ相位比较器：两输入量：动作条件：（锐角型）或 （钝角型）相位比较式GJ：两输入量：（其中 GJ的内角）动作条件：其功率表示形式为：调 调GJ的动作边界 当 超前 的角度：时：垂直于动作边界，位于动作范围的正中央，GJ动作最为灵敏可靠，此时的 称为GJ的最灵敏角 ，可见 2、幅值比较式GJ幅值比较器：两输入量：动作条件：幅值比较器与锐角型相位比较器的关系（互换条件）：若取：则：当相位比较器位于动作区，即：即幅值比较器也位于动作区 当相位比较器位于非动作区，即：即幅值比较器也位于非动作区当满足：时（为任意相量），幅值比较器与锐角型相位比较器具有相同的动作特性。（幅值比较器与钝角型相位比较器的互换关系为：)幅值比较式GJ：两输入量：则两比较量：其特性与相位比较式GJ完全相同。三、集成电路型GJ 1、相位比较式原理分析：相位比较 时间比较 当 时：的持续时间5ms。（当夹角为钝角时，相应持续时间5ms）2、集成电路型GJ 具体构成:3、GJ的动作特性 理想GJ动作条件:90J0实际GJ:起动电压Udz.J.min：电压回路形成方波电压U3所需最小电压。起动电流Idz.J.min：电流回路形成方波电压U4所需最小电流。当线路正向出口附近故障使：UJ Udz.J.min时，GJ拒作，出现电压死区 （由于故障时电流IJ较大，不存在电流死区）。GJ的“潜动”问题：在只加电压UJ或只电流加IJ时，GJ就能动作。（零点飘移造成，是不利因素）集成电路GJ采用“同为正”及“同为负”的持续时间皆大于5ms的“与”门输出来消除“潜动”，但同时也就增大了死区。四、相间短路GJ的接线方式 要求：(1)正方向任何相间故障:GJ动作 反方向任何相间故障:GJ不动 (2)加入GJ的UJ、IJ应尽量大,且使正向故障的J lm 90接线方式:线路正方向各种相间短路时,90接线方式的工作情况分析：1、正方向三相短路三相完全对称以GJA为例分析(GJB、GJC相同):（d：线路阻抗角）当Zd 0时，UJ 0 Udz.J.min，GJ拒动，存在死区。为使GJ动作灵敏，应尽量使lm-(90-d),即:(90-d)2、正方向两相短路以BC两相短路为例分析：A相为非故障相，Ifh方向不定，故GJA动作情况不定（但由于IAIfh很小，A相电流元件LJA不起动，则不需考虑GJA）分析故障相方向元件GJB、GJC的情况：(1)d(2)点位于保护安装处附近（ZdZS）同理可分析AB、CA两相短路的情况 3、结论：在线路正方向各种相间故障情况下,故障相GJ的J是在以-(90-d)为中心左右偏离不超过30的范围内。（反方向各种相间故障时,故障相GJ的J是在以180-(90-d)=90+d为中心左右偏离不超过30的范围内）对三相短路存在死区（保护安装处正向出口附近），但对各种两相短路不存在死区（UJ中包含非故障相电压，其值较大）。若线路阻抗角为d，为降低死区，应尽量使：lm -(90-d)即：(90-d)功率方向元件GJ与电流元件LJ应采用按相启动原则(即相应相的GJ与相应相的LJ相“与”后作为该相出口，然后各相出口再相“或”输出）。只需采用两个方向元件（一般接于A，C相）即可反映各种相间短路的正、反方向。三相短路的死区，对于动作速度要求不高的线路可由前级线路的保护作为远后备来切除；对动作速度要求高的线路可利用记忆作用来消除死区（由于故障前的电压UJ0与故障后的电压UJ同相，故可用UJ0代替UJ与电流IJ比相，而UJ0的值较大，无死区）4、方向性电流保护原理接线图 五、多电源网中电流保护整定的特点1、电流I段的特殊整定方法由电流I段保护整定原则：IIdz.1I(3)d1.max；IIdz.2I(3)d2.max若取：IIdz.1=IIdz.2=KkIMaxI(3)d1.max，I(3)d2.max则d1点及d2点短路，保护1、2皆不会动作。即保护的反方向短路皆不误动，故保护1、2皆不需装设GJ。但这样整定后，原整定值较小的保护由于其整定值提高保护范围（灵敏度），所以必须在最小保护范围满足要求的前提下，才可采用这种整定方法。2、分支电路对电流II段整定的影响分支系数：(1)助增电流的影响 保护2的电流I段的保护范围末端M短路（即IBC=IIdz.2时），流过保护1的电流：IAB=IBC/Kfz=IIdz.2/Kfz IIIdz.1=KkIIIAB=KkIIIIdz.2/KfzKfz的求取：(2)外汲电流的影响 IIIdz.1=KkIIIAB=KkIIIIdz.2/Kfz(3)根据实际可能的多种运行方式，在电流II段整定时Kfz应按可能的最小值考虑。六、方向元件GJ的装设原则 GJ存在死区，一般只在必须装GJ的保护上装设GJ。GJ装设原则：(1)所有负荷支路（对侧无电源的支路）上不装设GJ。(2)电流I段：在保护反方向短路时，若流过保护的短路电流大于保护整定值，则该保护上必须装GJ。在双端电源的某线路两端的保护中，整定值较小的保护上必须装GJ，整定值较大的保护上可不装GJ。例如IIdz.1IIdz.2，则IIdz.1I(3)d2.max,则保护1反方向短路不会误动。若电流I段采用特殊整定方法（线路两端保护整定值相同），则两端保护皆可不装GJ。(3)电流II段：在该保护反方向线路的电流I段保护范围末端以外发生短路时，若流过该保护的短路电流大于保护整定值，则该保护上必须装GJ。在双端电源的某线路两端的保护中，整定值较小的保护上必须装GJ，整定值较大的保护上可不装GJ。例如IIIdz.1IIIdz.2,则有IIIdz.1IIdz.3,即保护1电流II段反方向保护范围不超过保护3电流I段保护范围，即保护1反方向保护范围内短路将由保护3的电流I段动作，而保护1的电流II段不会误动）。(4)电流III段：在某一母线各侧有源支路的保护中，动作时限唯一最长的保护上可不装GJ，其余的必须装GJ（考虑到误差，一般要求比其他保护动作时限长t以上）。例如保护1动作时限唯一最长，则其反方向短路时皆由其他保护先动作跳闸，而保护1不会误动。3-1 3-1 中性点接地方式及特点中性点接地方式及特点 1、中性点接地方式 2、单相接地故障时，不同中性点接地方式的特点(1)中性点不接地系统*无短路回路，无Id，只有经等效对地C形成的大容抗回路，故障点只有较小的IC，允许系统继续运行12h，保护不需跳闸，因此供电可靠性相对较高。*故障相对地电压降低，但非故障相对地电压升高（若为金属性接地故障，非故障相对地电压将由正常时的相电压升高为线电压），因此对系统中设备的对地绝缘要求高。3 3 电网接地故障的零序保护电网接地故障的零序保护(2)中性点直接接地系统*有短路回路，有很大的Id，不允许系统继续运行，保护必须立即切除故障，供电可靠性相对较低。*由于中性点对地电压被钳制为0，则各相对地电压不会超过相电压(或超过不多)，因此系统中设备的对地绝缘要求不高。3、不同中性点接地方式的应用特点由于110kV以上系统，其设备费用将随着对地绝缘要求的提高而大幅增加，因此我国规定110kV及以上系统采用中性点直接接地系统（其供电可靠性可通过其他措施来保证，例如采用双回线供电、环网供电等）；110kV以下系统采用中性点非直接接地系统（不接地系统）。当中性点不接地系统中发生单相接地故障时，若故障点对地电容电流IC大到一定程度，要求采取措施降低IC，则可在中性点增设消弧线（或高阻）来降低IC。3-2 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护 一、电网中发生接地短路时零序分量的特点 规定正方向：零序电流：母线线路；零序电压：线路高于大地）(1)故障点零序电压最高，距故障点越远，零序电压越低；零序电流分布取决于零序网。(2)某点零序电压U0取决于该点至接地中性点的零序阻抗，零序电流I0超前零序电压U0：(180-d0)，零序功率实际方向：线路母线（与正序相反）。(3)零序分量受系统运行方式变化的影响小（零序网基本不变）二、零序过滤器 1、零序电压过滤器:系统正常及相间短路时：2、零序电流过滤器系统正常及相间短路时：三、零序电流速断保护（零序电流I段）1、动作电流整定原则：(1)躲开下条线路出口 处(即本线末端)接地短路时,本保护所测的最大零序电流：IIdzKkI3Id0.bm.max （KkI：取1.21.3）(2)躲开QF三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流：IIdzKkI3I0.btq 若保护动作时限ttQF，可不考虑此条件(例如在手动合闸或自动重合闸时，使保护带0.1s的小延时)(3)当线路具有单相重合闸ZCH时（例如220kV及以上线路），躲开非全相运行状态下系统又发生振荡时所出现的最大零序电流：IIdzKkI3I0.fqx （其值较大Klm）对具有单相ZCH的线路可设置两个零序电流I段：*灵敏I段：按条件(1)或(2)整定 （动作值小，灵敏度高）*不灵敏I段：按条件(3)整定 （动作值大，灵敏度低）系统全相运行时：灵敏I段起作用 （单相故障时保护首次动作由灵敏I段切除）。系统非全相运行时（保护已首次动作跳开故障相QF）：灵敏I段退出（即被闭锁），不灵敏I段起作用（若ZCH重合于永久故障上，保护由不灵敏I段再次切除；若不灵敏I段动不了，则只能由带延时的II段或后备保护切除）2、保护范围：零序电流I段也不能保护本线路全长，但保护范围比相间短路电流I段大3、动作时限：tI0s四、零序电流限时速断保护（零序电流II段）1、整定原则：与下条线路的零序电流I段配合。动作电流整定：躲开下条线路零序电流I段保护范围末端接地短路时（即流过下条线路的零序电流刚好为其零序电流I段整定值时）流过本保护的最大零序电流。IIIdz.1KkII3Id0.AB.maxKkIIIIdz.2/Kfz.min KkII：取1.11.2；分支系数Kfz3Id0.BC/3Id0.AB，Kfz.min：Kfz可能的最小值。动作时限：tII1tI2+tt0.5s 2、校验灵敏度：要求：Klm1.5（3Id0.bm.min：本线路末端接地短路时所出现的最小零序电流）若Klm不满足要求，采用以下方式解决：(1)本线路零序电流II段与下条线路的零序电流II段相配合：IIIdz.1KkIIIIIdz.2/Kfz.min；tII1tII2+t2t1.0s(2)保留0.5s的零序II段，并增加按(1)整定的零序电流II段(3)改用接地距离保护 五、零序过电流保护（零序电流III段）1、整定原则：躲开下条线路出口处相间短路时所测的最大不平衡电流：IIIIdzKkIII3I0.bp.max 实际整定：应考虑满足各级线路灵敏系数按逐级配合的原则，即本保护零序电流III段的保护范围不超出下条线路零序电流III段的保护范围，即本线路零序电流III段与下条线路的零序电流III段配合：IIIIdz.1KkIIIIIIIdz.2/Kfz.min （KkIII1.11.2）动作时限按“阶梯原则”配合.（保证各级线路保护的动作选择性）由于零序电流不会穿越Y/接线的变压器T，因此安装在受端T上的零序电流III段保护可以瞬动，即零序电流III段是以受端T为时限配合起点（相间短路电流III段是以整个电网终端负荷支路为时限配合起点）。零序网范围 正序网范围 零序电流III段动作时限 IIdz.3,保护3的I段会误动 若 tIII2 tIII3，保护3的III段会误动 d2短路：若 IIdz.3 IIdz.2,保护2的I段会误动 若 tIII3 tIII2，保护2的III段会误动 为防止误动，在可能误动的保护上增设零序功率方向元件GJ0 （规定保护正方向：安装处母线被保护线路）通常加入GJ0的 以高于大地为正极性；以母线线路为正极性。保护正方向接地短路时：超前 ：(180-d0)则GJ0的最灵敏角应为：lm=(180-d0)例如d0=70，则lm取为110（LG-11整流型GJ0：其lm只能设为锐角，此时取lm=d0，为确保正方向接地短路时正确动作，只需将加入GJ0的 或 任意一个反极性接入即可）保护越靠近接地短路点，3U0越大，则零序电流保护的零序电流保护的GJGJ0 0不存在死区。不存在死区。若保护越远离接地短路点，3U0、3I0，则对于长线路，零序电流保护的GJ0需校验Klm：近后备：Klm 要求：Klm 2 远后备：Klm 要求：Klm 1.5 （Sdz.0：GJ0的启动功率）2、三段式方向性 零序电流保护的 原理接线：七、对零序电流保护的评价1、优点：(1)相间短路的电流III段：IIIIdz Ifh.max(大)零序电流III段：IIIIdz Ibp.max(小)故：零序电流III段Klm 零序网 正序网 零序电流III段的t III (2)零序电流I段及零序电流II段受系统运行方式影响小，较稳定，且保护范围，Klm （3Id0曲线陡；曲线max与曲线min相差小）(3)零序电流保护不受过负荷及系统振荡的影响 2、尚有不足：(1)对短线路或运行方式变化很大的情况，往往不能满足系统运行要求。(2)由于单相重合闸的使用将出现非全相运行，再考虑系统两侧电机发生摇摆，则可能出现较大零序电流，影响零序电流保护的正确工作。(3)当采用自耦变压器联系两个不同电压等级网络时，任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流，使零序电流保护的整定配合复杂化。3-3 3-3 中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电压、中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电压、电流及方向保护电流及方向保护一、中性点不接地电网中单相接地故障的特点 以线路II上A相金属性接地故障为例(忽略线路上阻抗压降)1、零序电压：2、零序电流：各元件对地电容电流：各元件出口处所 测零序电流：*非故障元件：*故障元件：（C：系统所有元件对地电容的总和）3、结论：(1)系统单相接地时(A相),全系统都出现零序电压 (2)流过非故障元件的零序电流等于其本身对地电容电流。方向：母线 元件（：90）(3)流过故障元件的零序电流等于全系统所有非故障元件对地电容电流的总和。方向：元件 母线（：90）二、中性点不接地电网中单相接地的保护 1、绝缘监视装置(1)系统正常及相间短路时：UJUbp Udz.J 装置延时动作于发信号。*此装置可确定故障相别，（UA0，UBUC EX）*但无法确定故障线路，无选择性。需由运行人员手动依次短时拉开各线路QF加以判断（或按接地检查按钮，短时跳开QF，再由重合闸重合），若接地信号短时消失，则接地故障点位于本线路上。（适用于要求不高，且出线少的变电所）2、零序电流保护（有选择性保护）系统正常及相间短路时：3I00 其他线路单相接地时：3I0Cb3EX (小)本线路单相接地时：3I0(CCb)3EX (大)保护整定动作电流：IdzKKCb3EX 灵敏系数：(出线越少CKlm)3、零序功率方向保护（有选择性保护）系统正常及相间短路：3U00 3I00 GJ0不动 单相接地时的非故障元件：90GJ0不动 单相接地时的故障元件：90 GJ0动作 保护中只有方向元件GJ0，无电流启动元件LJKlm 三、中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障的特点 1、零序电压：同中性点不接地电网 系统单相接地时(A相),全系统都出现零序电压2、零序电流：消弧线圈L的作用：降低单相接地时故障点的接地电流。故障点总电流：三种补偿方式：完全补偿：3C=1/(L)IC.=IL Id0.0 但是在系统正常运行时，若线路三相对地电容不对称或断路器三相触头不同时闭合将出现一个零序分量电压源串在回路中串联谐振很大的谐振电流 中性点过电压。故不能采用完全补偿。欠补偿：3C1/(L)IC.IL 当系统运行方式变化时（例如某元件退出或被切除）C 3C=1/(L)谐振过电压，不宜采用。过补偿：3C1/(L)IC.IL,相当于L不起作用（同中性点不接地电网）。因此，可构成反映高次谐波（一般为5次）的零序电流及零序方向保护。高次谐波接地保护的不足：谐波分量较小，不易测量；谐波分量大小与许多因素有关，不易确定，使整定困难；出线较少时，Klm低。(3)反映暂态电流的保护 设线路II上A相接地：暂态过程中：*消弧线圈中iL0 (电感中电流不能突变)*A相对地电容直接放电，放电电流不经电源，回路中阻抗小，时间常数小，放电电流振荡频率高（几千Hz），衰减快。*B、C相对地电容经电源回路充电。充电电流经过电源，回路中阻抗大，时间常数大，充电电流振荡频率低（几百Hz），衰减慢。因此，在暂态过程中（首半波），主要是B、C相电容的充电电流，而A相电容的放电电流和消弧线圈的电感电流基本不起作用，类似于中性点不接地电网。故可构成反映暂态分量的零序电流及零序方向保护。不足：暂态分量不易测量，且需要自保持；当相电压瞬时值过零点附近发生该相接地故障时，暂态分量不能区分故障元件与非故障元件；出线较少时，Klm低。(4)其他方法：注入法；有功分量法；负序分量法；相间工频变化量比较法；零序导纳法；能量法；小波变换法等。4 4 电网的距离保护电网的距离保护 4-1 4-1 距离保护的作用原理距离保护的作用原理 一、距离保护基本概念（低量保护）距离保护：反应映故障点至保护安装处之间的距离（阻抗），并根据距离的远近（阻抗的大小）而确定动作时间的一种保护装置。测量阻抗：ZJ Zdz 保护不动作；ZJ Zdz 保护动作 特点：*故障时：即反映U,又反映IKlm *系统运行方式变化时，ZJ不变，故不受运行方式 变化的影响（主要用于（主要用于110KV110KV及以上线路）及以上线路）二、三段式距离保护基本配置原则I段：ZIdz.1=KIkZAB ；ZIdz.2=KIkZBC （KIk取0.80.85）tI 0s II段：ZIIdz.1=KIIk(ZAB+ZIdz.2)(KIIk取0.8)tII1=tI2+t 0.5s III段：ZIIIdz Zfh.min tIII按阶梯原则配合 三、三段式距离保护基本逻辑框图 4-2 4-2 阻抗测量元件（阻抗继电器）阻抗测量元件（阻抗继电器）ZKJZKJ 一、ZKJ基本概念 一次阻抗与二次阻抗的折算：为消除过渡电阻Rg及TA、TV角误差的影响，尽量简化继电器接线，通常把动作特性设计为一个圆（或透镜形、苹果形、多边形）。圆内为动作区，圆外为非动作区。三种常用的圆特性ZKJ：3个阻抗概念：*测量阻抗ZJ：加入继电器的电压 与电流 的比。*动作阻抗Zdz.J：在某个角度方向上刚好使ZKJ动作时，加入ZKJ的电压 与电流 的比。*整定阻抗Zzd：在最大灵敏角lm方向（特性圆直径正方向）上的动作阻抗。二、圆特性ZKJ的动作特性分析 1、全阻抗ZKJ 以阻抗平面的坐标原点为圆心，以整定阻抗Zzd为半径的一个圆。ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与测量阻抗角J无关，无方向性。(1)幅值比较式 动作条件：|ZJ|Zzd|即：动作条件为 的幅值比较 器的两比较量：(2)相位比较式 动作条件：即：（或：）动作条件为 的钝角 型相位比较器的两比较量：（当 时，幅值比较器与钝角型相位比较器具有相同的动作特性）2、方向阻抗ZKJ 以整定阻抗Zzd为直径，且过坐标原点的一个圆。ZKJ的动作阻抗|Zdz.J|与J有关，具有完全方向性。(1)幅值比较式 动作条件：即：动作条件为 的 幅值比较器的两比较量：(2)相位比较式 动作条件：3、偏移特性ZKJ 正方向整定阻抗为Zzd时，向反方向偏移一个Zzd(0 0 J动作 2、环流式：，IaIb 0 J动作 3、执行元件J：(1)极化继电器；(2)晶体管零指示器；(3)集成电路比较器 五、相位比较器异或门比相电路:时：UI、UII瞬时值相异（一正一负）的时间5ms6端7端：相“或”输出：不拒动为主时采用。6端8端：相“与”输出：不误动为主时采用。（例如穿越功率较大的弱联络线，误跳闸将会造成两侧系统的严重振荡）12ms延时：将零点飘移造成的周期为20ms，宽度已展为10ms左右的误动方波消除。4-3 ZKJ4-3 ZKJ的接线方式的接线方式 一、对接线方式的基本要求 (1)ZJ 短路点到保护安装处间的距离 (2)ZJ应与故障类型无关（保护范围不随故障类型变化）二、反映相间短路ZKJ的0接线方式 0接线方式 1、三相短路 由于三相对称，三个ZKJ情况相同，以ZKJ1为例：ZJ1能反映 l 而正确动作。（z1：线路单位正序阻抗；l：短路点至保护安装处距离）2、两相短路 以AB两相短路为例 ZKJ1：ZKJ1能反映 l 而正确动作 ZKJ2：（包含非故障相电压）ZJ2 ZJ1，不能正确反映z1l，ZKJ2可能出现拒动。ZKJ3：情况同ZKJ2 为确保保护正确动作，三个ZKJ出口采用“或”逻辑。3、中性点直接接地电网中的两相接地短路 以AB两相接地短路为例 ZKJ1：ZKJ1能反映 l 而正确动作 ZKJ2：ZJ.2 ZJ.1，不能正确反映z1l，ZKJ2可能拒动。ZKJ3：情况同ZKJ2 因为保护区内两相或两相接地故障时，只有一个相应的ZKJ能正确动作。为了反映各种相间故障必须采用三个ZKJ（分别接于不同的相间），且三个ZKJ的出口采用“或”逻辑。三、反映接地短路ZKJ的零序电流补偿接线方式 单相接地短路时（A相接地）：故障相电压UA,故障相电流IA 对ZKJ1：假设：可行性分析：将故障点电压 与流过保护的故障相电流 分解为对称分量：保护安装处A相电压的各序分量：（z1：线路单位正序(负序)阻抗；z0：线路单位零序阻抗）保护安装处A相电压：不能正确反映z1l正确的接线方式（零序电流补偿接线方式）：其中零序电流补偿系数：（K为常数，取决于线路参数）由于单相接地故障时，只有一个ZKJ可正确动作，因此必须采用三个ZKJ（分别接于不同相），且三个ZKJ的出口采用“或”逻辑。4-4 4-4 方向阻抗方向阻抗ZKJZKJ应用特点及集成电路型构成应用特点及集成电路型构成一、方向阻抗ZKJ的死区及消除死区的方法 保护安装处正方向出口各种短路时：残余电压：Ucy0 UJ0 ZJ0,ZKJ拒动，出现死区。减小和消除死区的方法：1、谐振记忆回路 对于相间短路的两故障相间电压或单相接地短路的故障相电压，由于故障前电压UJ0与故障后电压UJ同相位，可用记忆住的UJ0取代UJ，而UJ0较大，则不再有死区。在电压回路中利用电容C、电感L形成工频串联谐振电路。系统稳态时，UR反映UJ0（同相位）当保护出口短路时，UJ0，回路谐振谐振电流IR UR=IRR 0（记忆作用）一般按回路自由振荡频率经几个周波才衰减为0 利用此电压的记忆作用可消除死区。回路自由振荡频率：0=谐振回路中参数R、L、C的选择：(1)为了使系统稳态时，UR与UJ0同相位 则需：L=1/C 即：=（：工频角频率）如此选择后，0,故障后暂态过程中不能完全谐振，UR与故障前电压UJ0的相位逐渐拉开，时间越长，UR越不能反映故障前UJ0(2)为了使故障后暂态过程中达到完全谐振 则需：=0=即：如此选择后，系统稳态时回路呈容性，故系统稳态时，UR与UJ0不同相（UR超前UJ0：58，有误差）综合考虑 2、采用高Q（品质因数）值50HZ有源带通滤波器 高Q值50Hz有源带通滤波器具有记忆作用。Q=5，可记忆45个工频周波。3、引入非故障相电压 两相短路时，故障相电压，非故障相电压仍很高，故引入非故障相电压可消除两相短路的死区。方向阻抗ZKJ原动作条件（以接于BC相间的ZKJ为例）：引入非故障相电压后动作条件：*引入量不应改变原相量的相位，即引入量在各种情况下都应与 同相*该方法不能消除三相短路时的死区。4、装设辅助保护 （如：按同时躲过下条线路出口短路和反方向出口短路的短路电流的特殊整定方法整定的电流速断）二、极化回路记忆作用对ZKJ特性的影响 方向阻抗ZKJ动作条件：相位比较的两个比较量分别称为：极化电压 ；补偿电压 采用记忆回路后，极化电压:（故障前母线电压）动作条件：(1)保护正方向短路时的暂态特性 动作条件：基本同相位（若短路前为空载:）动作条件：此动作特性为向第三象限扩大 且包含原点的圆（相当于偏移特性）可消除正方向短路时的死区，且容许过渡电阻Rg的能力提高。(2)保护反方向短路时的暂态特性 动作条件：动作条件：此动作特性向上移至第一象限内部 的一个圆（相当于抛圆特性）,而此时ZJ=Zd,位于第三象限（特性圆外），故ZKJ不会误动。三、集成电路型方向阻抗ZKJ构成框图 四、ZKJ的精确工作电流 以方向阻抗ZKJ为例.幅比式理想动作条件：实际动作条件：（Uz：门槛电压）设在最灵敏角lm方向的实际动作阻抗为：Zdz.J.lm 则有：可见：实际上在最灵敏角方向的动作阻抗：Zdz.J.lm Ijg 误差相间短路的Rg 接地短路Rg：基本不随时间t变化 相间短路Rg：t Rg（主要是电弧电阻）2、双侧电源线路上Rg的影响 若BC线路出口经Rg短路：尤其当角为负时，保护可能出现：保护1，2的I段皆不动作，而由保护1的II段动作，失去了选择性。*保护距短路点越近，受Rg影响越大。*保护整定值越小(如短