继电保护讲义.docx
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继电保护讲义
基础知识
一、电力系统继电保护的概念与作用
1.继电保护包括继电保护技术和继电保护装置。
﹡继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等技术构成。
﹡继电保护装置是完成继电保护功能的核心。
继电保护装置就是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
2.电力系统的故障和不正常运行状态：
（三相交流系统）
*故障：
各种短路（d（3）、d
（2）、d
（1）、d（1-1）））和断线（单相、两相），其中最常见且最危险的是各种类型的短路。
其后果：
1I增加危害故障设备和非故障设备；
2U增加影响用户正常工作；
3破坏系统稳定性，使事故进一步扩大（系统震荡，互解）
4I2（I0）旋转电机产生附加发热I0—相邻通讯系统
*不正常运行状态：
电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。
如：
过负荷、过电压、频率降低、系统震荡等。
3．继电保护的作用：
当被保护元件发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障从电力系统切除，以保证其余部分恢复正常运行，并使故障元件免于继续受损害。
当被保护元件发生异常运行状态时，经一定延时动作于信号，以使值班人员采取措施。
二、继电保护的基本原理、构成与分类：
基本原理：
继电保护装置要起到反事故的自动装置的作用，必须正确地区分“正常”与“不正常”运行状态、被保护元件的“外部故障”与“内部故障”，以实现继电保护的功能。
因此，通过检测各种状态下被保护元件所反映的各种物理量的变化并予以鉴别。
依据反映的物理量的不同，保护装置可以构成下述各种原理的保护：
（1）反映电气量的保护
电力系统发生故障时，通常伴有电流增大、电压降低以及电流与电压的比值（阻抗）和它们之间的相位角改变等现象。
因此，在被保护元件的一端装没的种种变换器可以检测、比较并鉴别出发生故障时这些基本参数与正常运行时的差别．就可以构成各种不同原理的继电保护装置。
例如，反映电流增大构成过电流保护；反映电压降低（或升高）构成低电压（或过电压）保护；反映电流与电压间的相位角变化构成方向保护；反映电压与电流的比值的变化构成距离保护。
除此以外．还可根据在被保护元件内部和外部短路时，被保护元件两端电流相位或功率方向的差别，分别构成差动保护、高频保护等。
同理，由于序分量保护灵敏度高，也得到广泛应用。
新出现的反映故障分量、突变量以及自适应原理的保护也在应用中。
（2）反映非电气量的保护
如反应温度、压力、流量等非电气量变化的可以构成电力变压器的瓦斯保护、温度保护等。
继电保护相当于一种在线的开环的自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，可以分模拟型（它又分为机电型和静态型）和数字型两大类。
对于常规的模拟继电保护装置，一般包括测量部分、逻辑部分和执行部分。
测量部分从被保护对象输入有关信号，再与给定的整定值比较，以判断是否发生故障或不正常运行状态；逻辑部分依据测量部分输出量的性质、出现的顺序或其组合，进行逻辑判断，以确定保护是否应该动作；执行部分依据前面环节判断得出的结果子以执行：
跳闸或发信号。
1．构成
一般由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。
（1）测量元件
作用：
测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。
（2）逻辑元件
作用：
根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。
逻辑回路有：
或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。
（3）执行元件：
作用；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。
3.分类：
几种方法如下：
（1）按被保护的对象分类：
输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、母线保护等；
（2）按保护原理分类：
电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等；
（3）按保护所反应故障类型分类：
相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；
（4）按继电保护装置的实现技术分类：
机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；
（5）按保护所起的作用分类：
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地切除被保护设备和线路故障的保护。
后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。
又分为远后备保护和近后备保护两种。
①远后备保护：
当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。
②近后备保护：
当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。
辅助保护：
为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。
三、对继电保护的基本要求：
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：
选择性、速动性、灵敏性、可靠性即保护四性。
（一）选择性：
选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。
就是故障点在区内就动作，区外不动作。
当主保护未动作时，由近后备或远后备切除故障，使停电面积最小。
因远后备保护比较完善（对保护装置DL、二次回路和直流电源等故障所引起的拒绝动作均起后备作用）且实现简单、经济，应优先采用。
（二）速动性：
快速切除故障。
1.提高系统稳定性；2.减少用户在低电压下的动作时间；3.减少故障元件的损坏程度，避免故障进一步扩大。
（三）灵敏性：
指在规定的保护范围内，对故障情况的反应能力。
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。
通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Klm。
（四）可靠性
指发生了属于它改动作的故障，它能可靠动作，即不发生拒绝动作（拒动）；而在不改动作时，他能可靠不动，即不发生错误动作（简称误动）。
影响可靠性有内在的和外在的因素：
内在的：
装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平、内外接线简明，触点多少等；
外在的：
运行维护水平、调试是否正确、正确安装
上述四个基本要求是继电保护的基础，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。
四、发电机保护：
发电机的安全运行对保证电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用，同时发电机本身也是一个十分贵重的电器元件，因此，应该针对各种不同的故障和不正常运行状态，装设性能完善的继电保护装置。
（一）、故障类型及不正常运行状态：
1．故障类型
1）定子绕组相间短路：
危害最大
2）定子绕组一相的匝间短路：
可能发展为单相接地短路和相间短路
3）定子绕组单相接地：
较常见，可造成铁芯烧伤或局部融化
4）转子绕组一点接地或两点接地：
一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损。
5）转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：
从系统吸收无功功率，造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。
2．不正常运行状态
1）由于外部短路引起的定子绕组过电流：
温度升高，绝缘老化
2）由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：
温度升高，绝缘老化
3）由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：
在转子中感应出100hz的倍频电流，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，而导致发电机重大事故。
此外，引起发电机的100hz的振动。
4）由于突然甩负荷引起定子绕组过电压：
调速系统惯性较大发电机，在突然甩负荷时，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。
5）由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷：
6）由于水轮机导叶突然关闭而引起的发电机逆功率：
当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。
（二）、保护类型：
1．发电机纵差动保护：
定子绕组及其引出线的相间短路保护
2．横差动保护：
定子绕组一相匝间短路的保护
3．单相接地保护：
对发电机定子绕组单相接地短路的保护
4．发电机的失磁保护：
反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失
5．过电流保护：
反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护
6．负序电流保护：
反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出现的负序电流
7．过负荷保护：
发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护
8．过电压保护：
反应突然甩负荷而出现的过电压
9．转子一点接地保护和两点接地保护：
励磁回路的接地故障保护
10．转子过负荷保护：
11．逆功率保护：
当汽轮机主汽门误关闭而发电机出口断路器未跳闸，发电机失去原动力而变为电动机运行，从电力系统中吸收有功功率。
危害：
汽轮机尾部叶片有可能过热而造成事故。
大峡发变组保护
一、大峡发变组保护配置及动作后果（合同标书）
（一）发电机及励磁变压器保护配置
配置RCS-985RS和RCS-985SS来共同完成发电机的保护功能：
1.发电机保护
发电机纵差保护：
作为发电机定子绕组及其引出线相间短路故障的主保护。
保护出口无延时动作于停机、灭磁、解列，同时发信号。
带电流记忆的低电压过电流保护：
作为发电机的后备保护，保护装置带两段时限以较短的时限（t1）跳220kV母线分段断路器，以较长时限（t2）动作于停机、灭磁、解列，同时发信号。
c）过电压保护
动作电压取1.3Ue，以t延时动作于解列灭磁，同时发信号。
d）过负荷保护
采用定时限过负荷保护反映发电机定子绕组过负荷情况。
保护出口带时限动作于发信号。
e）转子一点接地保护
保护出口带时限动作于发信号。
f）失磁保护
由发电机机端测量阻抗判据、转子低电压判据、系统低电压判据构成。
并具备TV断线闭锁功能。
保护出口无延时动作于发信号，带时限动作于解列，同时发信号。
g）定子绕组单相接地
应能反应定子100％绕组接地短路。
保护装置应能对发电机接地故障提供保护。
保护出口动作于停机、灭磁、解列，同时发信号。
h）轴电流保护
保护反映发电机轴电流大小，轴电流信号取自发电机轴电流信号装置。
保护出口动作于发信号或停机、灭磁、解列，同时发信号。
保护出口应有切换片可切换到停机、灭磁、跳发电机出口断路器。
k）过励磁保护
保护出口应有切换片可切换到解列灭磁。
2.励磁变压器保护配置
励磁变压器时限电流速断保护
作为励磁变压器主保护，保护出口带时限动作于停机、灭磁、解列，同时发信号。
励磁变压器过电流保护
作为励磁变压器后备保护。
保护出口动作于停机、灭磁、解列，同时发信号。
c）励磁变压器温度过高保护
保护出口动作于发信号或停机、灭磁、解列，同时发信号。
（二）主变压器保护配置
主保护配置RCS-9671C变压器保护装置；配置RCS-9681C作为主变后备保护装置，完成复压过流、零序过压过流、过负荷等保护功能；非电量保护装置采用RCS-9661C，双跳操作箱采用CJX-21；厂用变保护采用单独的保护装置，型号为RCS-9624CN。
1.瓦斯保护
由重瓦斯保护和轻瓦斯保护构成。
重瓦斯保护出口无延时动作于跳主变各侧断路器，同时发信号。
轻瓦斯保护瞬时动作于发信号。
2.主变纵差保护
a）作为主变压器主保护。
b）保护出口瞬时动作于跳主变各侧断路器，同时发信号。
c）保护配置TA断线检测功能，并延时发TA断线信号。
3.复合电压启动的过电流保护
作为主变压器及220kV线路外部相间短路的后备保护。
保护出口带两段时限，以较短时限t1动作于跳220kV母线分段断路器，以较长时限t2动作于跳主变压器各侧断路器，同时发信号。
4.主变零序电流电压保护
由两段零序电流保护和一段零序电压保护构成。
反映主变压器高压侧和220kV线路接地故障，并作为220kV线路零序保护的后备保护。
零序电流保护作为中性点接地运行的主变压器的单相接地保护，保护出口带两段时限，保护以较短时限t1动作于跳220kV母线分段断路器；保护以较长时限t2动作于跳主变各侧断路器。
零序电压保护与主变中性点放电间隙回路电流组成零序电流、电压保护作为中性点不接地运行时的主变压器的单相接地保护，保护出口带时限t3动作于跳主变各侧断路器。
5.主变压器过负荷保护
a）保护装置电流取自变压器高压侧电流互感器。
b）保护动作于延时发信号。
6.主变压器温度过高保护
由主变压器引入温度接点，保护出口动作于发信号或跳主变各侧断路器。
7.主变压器油位异常保护
由主变压器引入油位接点，保护出口动作于发信号。
8.主变压器压力释放保护
由主变压器引入压力释放接点，保护出口动作于发信号或跳主变各侧断路器。
9.主变压器冷却系统故障
主变压器冷却系统失去全部电源或冷却器全停时无延时发信号。
当冷却器全停时，若主变压器上层油温达到规定值，则保护出口跳开主变压器各侧断路器；若未达到规定值，则延时1～60min保护出口跳开主变压器各侧断路器。
（三）保护事故信号（但不限于此）
1.发电机保护事故信号
1）发电机差动保护
2）发电机低电压保持过电流保护
3）发电机过电压保护
4）发电机定子单相接地
5）发电机失磁保护（t2）
6）励磁变压器时限速断保护
7）励磁变压器过流保护
8）轴电流保护
9）过励磁保护
2.变压器保护事故信号
1）主变压器差动保护
2）主变压器重瓦斯保护
3）主变压器复合电压启动过电流保护（t1，t2）
4）主变压器零序保护（t1，t2,t3）
5）主变冷却系统故障2
6）主变压器压力释放
7）主变启动失灵的考虑
跳闸接点
所有跳闸接点均分别经连接片引出，每个出口继电器应按下述要求引出足够的无源常开接点，并应分别引出作为备用的二对常开接点。
1）发电机保护
停机：
引出四对常开接点：
一对跳发电机出口断路器；
一对跳发电机灭磁开关；
一对启动机组LCU事故停机流程；
一对启动机组常规事故停机回路。
发电机解列灭磁：
引出二对常开接点：
一对跳发电机出口断路器；
一对跳发电机灭磁开关。
发电机解列：
引出一对常开接点：
跳发电机出口断路器。
2）变压器保护
跳主变各侧断路器：
引出五对常开接点：
一对跳主变高压侧断路器；
二对分别跳二台发电机出口断路器；
一对跳厂用变高压侧断路器。
3）220kV母线分段断路器充电保护
引出二对常开接点：
一对跳220kV分段断路器；
一对启动断路器失灵保护。
4）220kV母线保护：
跳与故障母线相连的所有断路器；
启动相关断路器的失灵保护。
二、发电机RCS-985RS/SS保护系列介绍：
1．概述
RCS-985RS/SS采用了高性能数字信号处理器DSP芯片为基础的双CPU硬件系统，装置有独立的启动CPU作为整机起动元件，该起动元件在电子电路上（包括数据采集系统）与保护CPU完全独立，动作后开放保护装置出口继电器正电源。
RCS-985RS/SS适用于中小型汽轮发电机、水轮发电机、燃气轮发电机等发电机机组，并能满足电厂自动化系统的要求。
RCS-985RS/SS发电机保护根据相似保护功能分开，相对独立的原则，将主保护、后备保护、异常运行保护合理分配到两个装置中，共同提供一台发电机所需要的全部电量保护。
2.保护功能对照表
表2.1～2.2为RCS-985RS/SS装置保护功能一览表。
表2.1RCS-985RS保护功能
序号
保护功能
备注
1
变斜率比率差动保护
2
差动速断保护
3
转子一点接地保护
4
转子两点接地保护
5
定子定时限过负荷保护
6
定、反时限负序过负荷保护
7
励磁过流保护
8
轴电流保护
9
大电流选跳功能
10
非电量保护（3路）
11
TA断线判别
12
其他功能
序号
保护功能
备注
1
纵向零序电压匝间保护
2
横差保护
3
工频变化量负序方向匝间保护
4
复合电压闭锁过流保护
5
基波零序电压定子接地保护
6
零序电流定子接地保护
7
三次谐波比率定子接地保护
8
失磁保护
9
（程序）逆功率保护
10
电压异常保护
11
频率异常保护
12
TV断线判别
13
TA断线判别
14
大电流选跳功能
15
操作回路
16
其他功能
表2.2RCS-985SS保护功能
3．装置性能特征
3.1高性能硬件
3.1.1DSP硬件平台
RCS-985RS/SS保护装置采用高性能数字信号处理器DSP芯片作为保护装置的硬件平台，为真正的数字式保护。
3.1.2双CPU系统结构
RCS-985RS/SS保护装置包含两个独立的CPU系统，分别称为启动CPU和保护CPU，两个CPU系统的低通、AD采样、保护计算、逻辑输出完全独立，启动CPU作用于启动继电器，保护CPU作用于跳闸矩阵。
任一CPU板故障，装置闭锁并报警，杜绝硬件故障引起的误动。
3.1.3独立的起动元件
启动CPU中设置了独立的总起动元件，动作后开放保护装置的出口继电器正电源；同时针对不同的保护采用不同的起动元件，保护CPU中各保护动作元件只有在其相应的起动元件动作后同时启动CPU对应的起动元件动作后才能跳闸出口。
正常情况下保护装置任一元件损坏均不会引起装置误出口。
3.1.4高速采样及并行计算
装置采样率为每周24点，且在每个采样间隔内对所有继电器进行并行实时计算，使得装置具有很高的可靠性及动作速度。
3.1.5强电磁兼容性
整体面板、全封闭机箱，强弱电严格分开，取消传统背板配线方式，同时在软件设计上也采取相应的抗干扰措施，装置的抗干扰能力大大提高，对外的电磁辐射也满足相关标准。
3.2主要保护原理性能
3.2.1变斜率比率差动保护性能
比率差动的动作特性采用变斜率比率制动曲线（如图6.1.1）。
合理整定比率差动起始斜率kbl1和比率差动最大斜率kbl2的定值，在区内故障时保证最大的灵敏度，在区外故障时可以躲过暂态不平衡电流。
为防止在TA饱和时差动保护的误动，增加了利用各侧相电流波形判断TA饱和的措施。
3.2.2高灵敏横差保护性能
采用频率跟踪、数字滤波、全周傅氏算法，三次谐波滤过比大于100。
相电流比率制动的功能：
（1）外部故障时故障相电流增加很大，而横差电流增加较少，因此能可靠制动。
（2）定子绕组轻微匝间故障时横差电流增加较大，而相电流变化不大，有很高的动作灵敏度。
（3）定子绕组发生严重匝间故障时，横差电流保护高定值段可靠动作。
（4）定子绕组相间故障时横差电流增加很大，而相电流增加也较大，仅以小比率相电流增量作制动，保证了横差保护可靠动作。
（5）对于其他正常运行情况下横差不平衡电流的增大，横差电流保护动作值具有浮动门槛的功能。
3.2.3比率制动纵向零序电压匝间保护性能
采用了频率跟踪、数字滤波、全周傅氏算法，三次谐波滤过比大于100。
发电机电流比率制动的新判据:
（1）外部三相故障时故障电流增加很大,而纵向零序电压增加较少,取电流增加量作制动量，保护能可靠制动。
（2）外部不对称故障时电流增加，同时出现负序电流，而纵向零序电压稍有增加，取电流增加量及负序电流作制动量，保护能可靠制动，
（3）定子绕组轻微匝间故障时纵向零序电压增加较大，而电流几乎没有变化，有很高的动作灵敏度。
（4）定子绕组严重匝间故障时，纵向零序电压高定值段可靠动作。
（5）对于其他正常运行情况下纵向零序电压不平衡值的增大，纵向零序电压保护动作值具有浮动门槛的功能。
3.2.4异步法TA饱和判据性能
根据差动保护制动电流工频变化量与差电流工频变化量的关系，明确判断出区内故障还是区外故障，如判出区外故障，投入相电流、差电流的波形识别判据，在TA正确传变时间不小于5ms时，区外故障TA饱和不误动，区内故障TA饱和，装置快速动作。
3.2.5定子接地保护性能
（1）采用了频率跟踪、数字滤波、全周傅氏算法，三次谐波滤过比大于100；
（2）三次谐波比率判据，采用频率跟踪及频率制动，保证发电机起停过程中，三次谐波电压判据不误发信号。
3.2.6转子接地保护性能
转子接地保护采用切换采样（乒乓式）原理，直流输入采用高性能的隔离放大器，通过切换两个不同的电子开关，求解四个不同的接地回路方程，实时计算转子绕组电压、转子接地电阻和接地位置，并在管理机液晶屏幕上显示出来。
若转子一点接地后仅发报警信号，而不跳闸，则转子两点接地保护延时手动投入运行,并在转子发生两点接地时动作于跳闸。
3.2.7失磁保护性能
失磁保护采用开放式保护方案，定子阻抗判据、无功判据、低电压判据、定子减出力有功判据、转子低电压判据，可以灵活组合，满足不同机组运行的需要。
3.2.8TA断线判别
采用可靠的TA断线闭锁功能，保证装置在TA断线及交流采样回路故障时不误动。
3.2.9TV断线判别
与电压相关的保护，由控制字“TV断线投退原则”选择TV断线时是否闭锁相应的
保护。
3.3智能化操作
3.3.1人机对话
正常时，液晶显示当前时间、发电机电流、电压以及差流大小、定值区号以及装置地址。
键盘操作简单，采用菜单工作方式，仅有+、-、▲、▼、◄、►、“复位”、“取消”、“确认”等九个按键，易于学习掌握。
人机对话中所有的菜单均为简体汉字，打印的报告也为简体汉字，以方便使用。
3.3.2装置的全透明
运行时，保护装置可显示保护CPU和启动CPU的各种采样值以及所有保护开入量状态，实现了保护装置的全透明。
3.3.3大容量录波功能
保护启动后，装置同时记录下全部模拟采样量、差流及保护动作情况，最多可记录8次故障录波报告，每次最长时间可达15秒。
4.装置起动元件
RCS-985RS/SS针对不同的保护用不同的起动元件来起动，并且只有该种保护投入时，相应的起动元件才能起动。
当各起动元件动作后展宽500ms，开放出口正电源。
各保护动作元件只有在其相应的起动元件动作后，同时启动CPU对应的起动元件动作后才能跳闸出口。
4.1发电机纵差保护起动
发电机纵差起动：
当三相差动电流大于差动电流起动整定值时，起动元件动作
4.2发电机匝间保护起动
单元件横差起动：
当横差电流大于横差保护整定值时，起动元件动作。
零序电压匝间保护起动：
当纵向零序电压大于纵向零序电压整定值时，起动元件动作。
工频变化量方向匝间保护起动：
负序功率工频变化量大于整定值时，起动元件动作。
4.3发电机定子接地保护起动
零序电压起动：
当发电机中性点零序电压大于零序电压整定值时，起动元件动作。
零序电流起动：
当发电机零序电流大
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