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继电保护说明书

摘要

继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。

保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。

最早的继电保护装置是熔断器。

以后出现了以断路器为核心的电磁式继电保护装置、电子式静态继电保护装置，发展迅速的以远动技术信息技术和计算机技术为基础的微机型继电保护装置；

（1）继电保护装置必须满足的四个基本要求：

1选择性：

当系统发生故障时，继电保护装置只将故障设备切除，使停电范围尽量缩小，保证无故障部分继续运行。

2速动性：

电力系统发生故障时，要求能快速切除故障以提高电力系统并列运行的稳定性；减少用户在电压降低的异常情况下的运行时间，使电动机不致因电压降低时间过长而处于停止转动状态，并利于电压恢复时电动机的自起动，以加速恢复正常运行的进程；此外，还可避免扩大事故，减轻故障元件的损坏程度。

3灵敏性：

是指保护对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反应能力，对于保护范围内故障，不论短路点的位置在哪里，短路类型如何，运行方式怎样变化，保护均应灵敏正确地反应。

4可靠性：

就是在保护范围以内发生属于它应该动作的故障时，不应该由于它本身的缺陷而拒绝动作；而在其它任何不属于它动作的情况下，不应该误动作。

（2）继电保护的基本概念

在电力系统运行中，外界因素（如雷击、鸟害等）、内部因素（绝缘老化，损坏等）及操作等，都可能引起各种故障及不正常运行的状态出现，常见的故障有：

单相接地；三相短路；两相短路；两相接地短路；断线等。

电力系统非正常运行状态有：

过负荷，过电压，非全相运行，振荡，次同步谐振，同步发电机短时失磁异步运行等。

电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障和不正常运行情况时，用于快速切除故障，消除不正常状况的重要自动化技术和设备。

电力系统发生故障或危及其安全运行的事件时，他们能及时发出告警信号，或直接发出跳闸命令以终止事件。

（3）.继电保护的基本任务

1自动迅速，有选择的跳开特定的断路器

2反映电气元件的不正常运行状态

（4）电力系统对继电保护的基本要求

速动性，选择性，灵敏性，可靠性。

一、选题背景

继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。

对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。

1）选择性

选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

2）速动性

速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

一般必须快速切除的故障有：

（1）使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值（一般为0.7倍额定电压）。

（2）大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。

（3）中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。

（4）可能危及人身安全、对通信系统造成强烈干扰的故障。

故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为0.04s～0.08s，最快的可达0.01s～0.04s，一般断路器的跳闸时间为0.06s～0.15s，最快的可达0.02s～0.06s。

对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。

3）灵敏性

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。

能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。

系统最大运行方式：

被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；

系统最小运行方式：

在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。

保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。

4）可靠性

可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。

安全性：

要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。

信赖性：

要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。

继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。

即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。

以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。

这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。

因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。

二、原始资料：

线路MN侧（M侧）和NP均装有三段式电流保护，它们的最大负荷电流分别为120A和100A，负荷的自启动系数均为1.8；

线路MN第II段保护的延时允许大于1s；

I段可靠系数为1.25，II段可靠系数为1.15，III段可靠系数1.2，躲开最大振荡电流时可靠系数为1.15，返回系数为0.85；

M侧电源的XsM.min=15欧，XsM.max=20欧；

N侧电源的XsN.min=20欧，XsN.max=25欧

三、方案论证

3.1三段式电流保护原理

电流速断、限时电流速断和过电流保护都是反应电流增大而动作的保护，它们相互配合构成一整套保护，称做三段式电流保护。

三段的区别主要在于起动电流的选择原则不同。

其中速断和限时速断保护是按照躲开某一点的最大短路电流来整定的，而过电流保护是按照躲开最大负荷电流来整定的。

3.1.1.无时限电流速断保护

无时限电流速断保护（又称Ⅰ段电流保护）它是反应电流升高而不带时限动作的一种电流保护。

其工作原理可用图3-1所示单侧电源线路的无时限电流保护为例来说明。

图4-1单侧电源线路无时限电流保护作用原理

当线路上发生三相短路时，流过保护1的短路电流为

（4—1）

式中

——系统等效电源的相电动势；

——系统等效电源到保护安装处之间的正序阻抗；

——保护安装处至短路点之间的正序阻抗。

由式（3-1）可见，当系统运行方式一定时，

和

是常数，则流过保护的三相短路电流，是短路点至保护安装处间距离L的函数。

短路点距电源越远流过保护的三相短路电流越小。

图3-1中曲线1表示，系统在最大运行方式下三相短路时，流过保护的最大三相短路电流

随L的变化曲线。

曲线2，是系统在最小运行方式下两相短路时，流过保护的最小两相短路电流

随L的变化曲线。

对于反应电流升高而动作的电流保护装置而言，能使保护装置起动的最小电流称为保护装置的动作电流，以

表示。

当流过保护装置的电流达到这个值时，保护装置就能起动。

显然，仅当通过被保护线路的电流

≥

时，保护装置才会起动。

在图3-1中，以M处保护为例，当本线路（LMN）末端发生短路故障时，希望M处无时限电流速断保护能瞬时动作切除故障，而当相邻线路首端（或称出口处）发生短路故障时，按照选择性要求，M处保护不应动作，应由N处保护动作切除故障。

但实际上，本线路末端和相邻线路首端发生短路故障时，流经M处保护的短路电流是一样的，M侧保护无法区分这两处的短路故障。

为了保证选择性，电流速断保护的动作电流应躲过下一线路首端（或本线路末端）短路故障时流过本保护的短路电流，即取

﹥

写成等式，则有

=

（4—2）

式中

——最大运行方式下，被保护线路末端N发生金属性三相短路时，流过保护装置的最大短路电流。

——可靠系数，它是考虑短路电流计算误差、继电器动作电流误差、短路电流中非周期分量的影响和必要的裕度而引入的大于1的系数，一般取

=1.2~1.3

在图3-1中，通过动作电流画一平行于横坐标的直线3，此直线3与曲线1和2各有一个交点，在交点至保护安装处的线路上发生短路故障时，由于流经保护的短路电流均大于动作电流，所以保护装置处于动作状态，而在两交点以后短路时，流经保护的短路电流小于动作值，保护不动作。

对应这两点，保护有最大和最小保护范围，即

和

。

这说明无时限电流速断保护，不能保护线路全长，且保护范围受运行方式的影响。

无时限电流速断保护的选择性是靠动作电流来保证的，灵敏性是用其最小保护范围来衡量的，最小保护范围不应小于线路全长的15%~20%。

无时限电流速断保护的保护范围可以用解析法求得。

忽略系统各元件阻抗的电阻分量，按式（3-2）计算出保护的动作电流为：

=

解得最小保护范围为

（4—3）

式中X1——被保护线路单位长度的正序电抗；

——M侧系统等值的最大系统电抗。

图4-2无时限电流速断保护单相原理接线

无时限电流速断保护单相原理接线，如图3—2所示，它是由电流继电器KA、中间继电器KC和信号继电器KS组成。

正常运行时，负荷电流流过线路，反应到电流继电器中的电流小于KA的动作电流，KA不动作，其常开触点是断开的，KC常开触点也是断开的，信号继电器线圈和跳闸线圈TQ中无电流，断路器主触头闭合处于正常送电状态。

当线路短路时，短路电流超过保护动作电流，KA常开触点闭合起动中间继电器，中间继电器常开触点闭合将正电源接入KS线圈，并通过断路器的常开辅助触点QF1，接到跳闸线圈TQ构成通路，断路器跳闸后切除故障线路。

中间继电器的作用，一方面是利用中间继电器的常开触点代替电流继电器小容量触点，接通TQ线圈；另一方面是利用带有0.06—0.08s延时的中间继电器，以增大保护的固有动作时间，躲过管型避雷器放电引起保护误动作。

信号继电器KS的作用是用以指示该保护动作，以便运行人员处理和分析故障。

QF1用以代替中间继电器常开触点，断开跳闸线圈TQ中的电流，以防KC触点断弧而烧坏。

3.1.2.限时电流速断保护

保护原理：

靠整定电流和动作时间来实现选择性

为保证能保护整个线路，必须延伸到下一线路。

为了使t最小，以保护范围不超过下一线路Ⅰ段

保护的范围，即与下一线路的速断保护相配

合。

（动作整定值和动作时间）

（1）动作电流值整定计算

按与下一级所有线路或元件的速断保护配合

例如下图:

然后取最大值作为整定值。

（非周期分量已衰减）

（2）时限

通常取0.5s。

（1）断路器1跳闸时间

（2）时间继电器1实际动作时间比整定值大时才动作的情况

（3）时间继电器2实际动作时间比整定值小时才动作的情况

（4）保护2测量元件（电流继电器）的惯性时间，晶体管保护中滤波回路时间

（5）考虑一定的裕度

3.1.3.定时限过电流保护

原理:

其起动电流按躲过最大负荷

电流来整定的一种保护。

靠时间来保证保护的选择性

假设d1点发生短路定时限过电流保护的保护3、2、1都可能动作，为保护选择性以时间来实现；即：

t1>t2>t3同理：

d2、d3发生故障可得。

说明：

a.越靠近电源t越长——缺点；

b.属于后备保护；

c.t与整定电流无关。

4.整定计算

（1）动作值整定计算：

▪原则一：

按最大负荷电流整定

▪原则二：

最大负荷电流时能够返回

———可靠系数1.15～1.25

———自起动系数>1由具体接线和负荷性质决定

———电流继电器返回系数0.85

说明：

为何不能太低？

因为整定电流与电流继电器返回系数成反比

所以当返回系数越大整定电流越大，则灵敏度降低，所以返回系数不能太小。

而为了保证继电器的可靠性、返回系数又不能太高。

（2）时限整定

5.灵敏度校验

近后备：

按本线路末端最小两相短路电流校验

应满足：

保护1的近后备情况

远后备：

按相邻线路末端最小两相短路电流校验

应满足：

保护1的远后备情况

6.特点：

（1）按时间来保证选择性

（2）t太长，越靠近电源越长

（3）灵敏度好

（4）可靠性高

7.原理接线

四、线路MN（M侧）三段式电流保护动作电流及灵敏度

1.一段电流速断保护

短路电流最大值：

I.k.max=E/（Xsmin+Xmn）=209A

一段电流保护整定值：

I.1set.m=K1rel*I.k.max=261A

动作时限：

t=0;

2.二段保护电流整定

I.1set.n=E/（Xs1min+Xmn+Xnp）+E/（Xs2min+Xnp）=408A

Kb=I.1set.n/I.k.max.

I.2set.m=K2rel*I.1set.n/Kb=241A

t=t1+&t=0.5

3.三段保护电流整定

I.3.set.m=K3rel*Kss*Ilmax/Kre;

4.灵敏度计算

Ik.n.min=E/（Xsman+Xmn）=192A

Ksen=Ik.n.min/I.2.set.m=0.797.

五、分析阶段式电流保护，易受到什么因素的影响？

易系统运行方式的影响,不能保护线路全长。

当系统运行方式变化很大，或者被保护的线路长度很短时，速断保护就可能没有保护保护范围，因而不能采用。

六、分析在本电力系统中，采用距离保护，会有什么改善和提高？

（1）由于同时利用了短路时电压、电流的变化特征，通过测量故障阻抗来确定故障所处的范围，保护区稳定，灵敏度高，动作情况受电网运行方式变化的影响小。

（2）由于只利用了线路一侧短路时电压、电流变化特征，距离保护1段的整定范围为全长的80%~85%，这样在双侧电源网络中，有30%~40%的区域故障时，只有一侧的保护能无延时动作，另一侧保护需经0.5s延时跳闸。

（3）距离保护的阻抗测量原理，出可以用于输电线路的保护外，还可以应用于发电机、变压器保护中，作为后备保护。

七、总结

通过这次课程设计，我了解到继电保护课程的重要性，更深刻的学习到了三段式电流保护的原理及整定计算，在将来的学习生活中应该更加深刻的理解继电保护的原理。

使我对继电保护思想基本要求，即可靠性、准确性、选择性、快速性、灵敏性有了更深的理解。

通过应用理论解决实际问题，巩固了书本知识。

而且通过这次设计的完成，了解到自己对书本理论知识的理解不足。

以后应更注重这方面的学习。

参考文献资料

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中国电力出版社，1998.06.

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中国水利水电出版社,2003.08.

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[5]何仰赞.电力系统分析.第二版.华中理工大学出版社，1996.

[6]吴希再.电力工程[M].华中科技大学出版社，2004.