输电线路三段式保护方法的改进措施

电力系统继电保护课程设计 设计题目：输电线路三段式保护方法的改进措施 目录 摘要    2 关键词    2 第一章、绪论    3 1.1电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果    3 1.2、继电保护的任务    3 1.3、继电保护的基本原理    4 1.4继电保护装置的组成    4 第二章、电流三段式保护    5 2.1继电器    5 2.1.1继电器的分类    5 2.1.2继电器的继电特性    6 2.1.3继电器的返回系数    6 2.1.4对继电器的基本要求    7 2.2电流三段式保护    7 2.2.1电流速断保护    7 2.2.2 限时电流速断保护    9 2.2.3 定时限过电流保护    11 第三章、10kV输电线路电流三段式保护整定    14 3.1电流Ⅰ段保护（电流速断保护）    14 3.2电流Ⅱ段保护（带时限电流速断保护）    15 3.3电流Ⅲ段保护（定时限过电流保护）    15 第四章、阶段式电流保护的评价    17 4.1选择性    17 4.2速动性    17 4.3灵敏性    17 4.4可靠性    18 结束语：    18 参考文献:    18 输电线路三段式保护方法的改进措施 摘要：继电保护装置是一种反应电力系统故障和不正常运行状态，并动作于断路器跳闸和发出信号的设备。随着电力工业的发展，低压配电网络的结构和用户性质都发生了很大的变化，对继电保护装置也提出了更高的要求。 在我国中低压配电系统中，普遍采用三段式电流保护作为线路主保护。电流速断保护只能保护线路全长的一部分，其保护范围以外的区内故障需要通过延时由限时电流速断保护甚至定时限过电流保护来切除。故障切除延时过长导致电气设备变形甚至烧毁、同一母线大量甩负荷、长时间电压跌落、用电设备毁坏、瞬时故障发展成永久故障等问题。复杂的电网结构和多变的运行方式给电网继电保护整定计算及其可靠动作带来了新的挑战。研究继电保护整定计算、提高继电保护可靠性及协调动作的能力，对及时切除故障、避免恶性事故的发生具有重要的意义。本文致力于线路继电保护整定计算及协调问题的研究，内容涉及整定计算原则与方法研究。 为了更好的发挥继电保护装置的作用，对输电线路接地故障后备保护的功能进行了研究。指出了三段式电流保护，提出了三段式电流保护整定计算原则。该研究使得接地故障各后备保护的功能更加清晰和具有层次性。 关键词：电力系统 电流  三段式  保护  整定计算 第一章、绪论 1.1电力系统的故障和不正常运行状态及引起的后果 电力系统由发电机、变压器、母线、输配电线路及用电设备组成。电力系统中，最常见同时也是最危险的故障是相与相或相与地之间的非正常连接，即短路。其中以单相接地短路最为常见，而三相短路是比较少见的。与其他电气元件比较，输电线路所处的条件决定了它是电力系统中最容易发生故障的一环。在输电线路上，还可能发生断线及几种故障同时发生的复合故障。 短路总要伴随产生很大的短路电流，同时使系统中电压大大降低。短路点的短路电流及短路电流的热效应和机械效应会直接损坏电气设备。电压下降影响用户的正常工作，影响产品质量。短路更严重的后果，是因电压下降可能导致电力系统发电厂之间并列运行的稳定性遭受破坏，引起系统振荡，直至使整个系统瓦解。故障和异常运行状态都可能发展成系统中的事故。所谓事故，是指整个系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，以致造成对用户少送电、停止送电或电能质量降低到不能容许的地步，甚至造成设备损坏和人身伤亡。 电力系统各元件之间是通过电或磁的联系，任一元件发生故障时，都可能立即在不同程度上影响到系统的正常运行。因此，切除故障元件的时间常常要求短到十分之几秒甚至百分之几秒。显然，在这样短的时间内，由运行人员来发现故障元件并将它切除是不可能的。要完成这样的任务，必须在每一电气元件上装设具有保护作用的自动装置。 1.2、继电保护的任务 继电保护是一种重要的反事故措施，它的基本任务是： （１）当电力系统的被保护元件发生故障时，继电保护装置应能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，以保证无故障部分迅速恢复正常运行，并使故障元件免于继续遭受损害。 （２）当电力系统被保护元件出现异常运行状态时，继电保护应能及时反应，并根据运行维护条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，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，以免不必要动作和由于干扰而引起的误动作。 1.3、继电保护的基本原理 为了完成继电保护所担负的任务，显然应该要求它能够正确地区分系统正常运行与发生故障或异常运行状态之间的差别，以实现保护。 继电保护的基本原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护： （１）过电流保护。过电流保护是反应电流的增大而动作，如图１ １所示，若在单侧电源线路ＢＣ段上发生短路，则从电源到短路点Ｋ之间将流过短路电流爤ｋ，使保护２反应短路电流而动作于跳闸。 图1.1单侧电源线路过电流保护示意图 （２）低电压保护。反应电压降低而动作，如图1.1所示，若在短路点Ｋ发生三相金属性短路，则短路点的电压爺ｋ降到零，各变电所母线上的电压均有所降低，可使保护 ２反应电压降低而动作。 1.4继电保护装置的组成 继电保护装置一般情况下，都是由三个部分组成，即测量部分、逻辑部分和执行部分，其原理结构图如图1.2所示。 图1.2继电保护装置的原理结构图 （１）测量部分 测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出 “是”、“非”；“大于”、“不大于”；等于 “０”或 “１”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该起动。 （２）逻辑部分 逻辑部分是根据测量部分各输出量的大小、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逻辑关系工作，然后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分。继电保护中常用的逻辑回路有 “或”、“与”、“否”、“延时起动”、“延时返回”以及 “记忆”等回路。 （３）执行部分 执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如故障时，动作于跳闸，异常运行时，发出信号；正常运行时，不动作等。 第二章、电流三段式保护 对于单侧电源网络的相间短路保护主要采用三段式电流保护，即第一段为电流速断保护，第二段为限时电流速断保护，第三段为定时限过电流保护。其中第一段、第二段共同构成线路的主保护，第三段作为后备保护。 2.1继电器 2.1.1继电器的分类 继电器是根据某种输入信号来实现自动切换电路的自动控制电器。当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合或电平由高变低、由低变高等，具有对被控制电路实现“通”、“断”控制的作用，所以它“类似于开关”。 继电器的基本原理是：当输入信号达到某一定值或由某一定值突跳到零时，继电器就动作，使被控制电路通断。它的功能是反应输入信号的变化以实现自动控制和保护。所以，继电器也可以这样定义：能自动地使被控制量发生跳跃变化的控制元件称为继电器。 在电力系统继电保护回路中，常用继电器的实现原理随着相关技术的发展而变化。目前仍在使用的继电器按输入信号的性质可分为电气继电器(如电流继电器、电压继电器、功率继电器、阻抗继电器等)和非电气继电器(如温度继电器、压力继电器、速度继电器、瓦斯继电器等)两类；按工作原理可分为电磁式、感应式、电动式、电子式(如晶体管型)、整流式、热式(利用电流热效应的原理)、数字式等；按输出形式可分为有触点式和无触点式；按用途可分为控制继电器(用于自动控制电路中)和保护继电器(用于继电保护电路中)。 保护继电器按其在继电保护装置中的功能，可分为主继电器(如电流继电器、电压继电器、阻抗继电器等)和辅助继电器(如时间继电器、信号继电器、中间继电器等)。 2.1.2继电器的继电特性 继电器的继电特性(也称控制特性)是指继电器的输入量和输出量在整个变化过程中的相互关系。对于电磁式电流继电器，其继电特性如图2.1 所示。 图 2.1  继电器的继电特性 2.1.3继电器的返回系数 继电器的返回系数是指返回电流与动作电流的比值，即 Kre是一个重要的参数，在实际应用中要求继电器有较高的返回系数。对于电磁式电流继电器来说，可以采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩M ，或改善磁路系统的结构以适当减小剩余转矩等方法来提高返回系数。 一般情况下，反应电气量增加而动作的继电器，称过量继电器。其返回系数小于 1，但要求其不小于 0.85。反应电气量降低而动作的继电器，称欠量继电器。其返回系数大于1,但要求其不大于1.2。 2.1.4对继电器的基本要求 对继电器的基本要求是工作可靠，动作过程具有“继电特性”。继电器的工作可靠是最重要的，主要是通过各部分结构设计合理、制造工艺先进、经过高质量检测等来保证。其次要求继电器动作值误差小、功率损耗小、动作迅速、动稳定性和热稳定性好以及抗干扰能力强。另外，还要求继电器安装、整定方便，运行维护少，价格便宜等。 2.2电流三段式保护 2.2.1电流速断保护 在保证选择性和可靠性要求的前提下，根据对继电保护快速性的要求，原则上应装设快速动作的保护装置，使切除故障的时间尽可能短。反应电流增加，且不带时限(瞬时)动作的电流保护称为无时限电流速断保护，简称电流速断保护。 （1）工作原理 对于图 2.2 所示的单侧电源辐射形电网，为切除故障线路，需在每条线路的电源侧装设断路器和相应的保护装置，即无时限电流速断保护分别装设在线路L1、L2的电源侧(也称为线路的首端)。当线路上任一点发生三相短路时，通过被保护元件(即线路)的电流为 图 2.2  单侧电源辐射形电网电流速断保护工作原理图 （2）电流速断保护的构成 电流速断保护的单相原理接线如图2.3 所示。电流继电器KA接于电流互感器TA的二次侧，当流过它的电流大于它的动作电流后，电流继电器KA动作，启动中间继电器KM，KM触点闭合后，经信号继电器KS线圈、断路器辅助触点QF接通跳闸线圈YR，使断路器跳闸。 接入中间继电器KM的作用： 1) 增大触点容量，防止由KA触点直接接通跳闸回路时因容量过小而被破坏； 2)  当线路上装有管型避雷器时，利用中间继电器来增大保护装置的固有动作时间，以防止管型避雷器放电时引起电流速断保护误动作。 信号继电器 KS 的作用是，在整套保护装置动作后，指示并记录该保护的动作，供运行人员查找和分析故障。跳闸回路中接入断路器QF的辅助触点QF，在断路器跳闸时，其辅助触点随之打开，切断跳闸回路电流。否则，由中间继电器的触点切断跳闸回路，将会烧坏中间继电器的触点。 电流速断保护的主要优点是动作迅速、简单可靠。缺点是不能保护线路的全长，且保护范围受系统运行方式和线路结构的影响。当系统运行方式变化很大或被保护线路很短时，甚至没有保护范围。 图 2.3  电流速断保护原理接线图 （3）优点：不反映下一线路故障，动作迅速。 （4）缺点：保护范围受系统运行方式、故障形式变化的影响较大，不能保护线路全长。 2.2.2 限时电流速断保护 （1）工作原理与动作电流 由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，为快速切除本线路其余部分的短路，应增设第二套保护。为保证选择性和快速性，该保护应与下一线路的电流速断保护在保护范围和动作时限上相配合，即保护范围不超过下一线路电流速断保护的保护范围，动作时限比下一线路电流速断保护高出一个时限级差Δt。这种带有一定延时的电流速断保护称为限时电流速断保护。 现以图 2.4 中的保护1为例，来说明限时电流速断保护的整定计算。假设保护2 装有电流速断保护，其动作电流整定为              ，它与最大短路电流变化曲线1的交点为 P，这就是它的保护范围。而保护1 限时电流速断保护的保护范围不能超过保护2 电流速断保护的保护范围，即P点所对应的短路点k2之前，所以在单侧电源供电的情况下，保护 1 的限时电流速断保护的保护范围应在k1点和 k2点之间。为什么？因为：若在k1点之前，则不能保护本线路的全长；若在k2点之后，则失去与保护2电流速断保护的选择性。所以保护 1 限时电流速断保护的动作电流应整定为            ，考虑到各种误差的影响，则有 图 2.4  限时电流速度保护工作原理及时限特性 （2）动作时限的整定 由图 2.4 可知，保护 1 限时电流速断保护的保护范围已延伸至下一线路电流速断保护的保护范围，为保证选择性，要求限时电流速断保护的动作时限 要高于下一线路电流速断保护的动作时限 一个时限级差Δt ，即 图 2.5  限时电流速断保护单相原理接线 2.2.3 定时限过电流保护 过电流保护通常是指其动作电流按躲过最大负荷电流来整定的保护，它分为两种类型：一种是保护启动后出口的动作时间是固定的整定时间，称为定时限过电流保护；另一种是出口动作时间与过电流的倍数有关，电流越大，出口动作越快，称为反时限过电流保护。本节只介绍定时限过电流保护。 定时限过电流保护在正常运行时，不会动作。当电网短路时，则能反应于电流的增大而动作。由于短路电流一般比最大负荷电流大得多，所以保护的灵敏性较高，不仅能保护本线路的全长，作本线路的近后备保护，而且还能保护相邻线路全长，作相邻线路的远后备保护。 (1) 工作原理和动作电流 为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对不动作，过电流保护的动作电流应大于该线路上可能出现且通过保护装置的最大负荷电流；同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复时负荷自启动电流作用下保护装置必须能够可靠返回，即返回电流应大于负荷自启动电流。 如图 2.6 所示，当k点短路时，保护1和保护2的过电流保护将同时启动，但根据选择性要求，应由保护2动作切除故障，此时保护1由于电流已减小应立即返回。而这时通过保护1的可能的最大电流不再是正常运行时的最大负荷电流 了，这是因为短路时，变电所B母线电压降低，接在该母线上的电动机的转速会降低或停转，在故障切除后电压恢复时，电动机将自启动，而电动机的自启动电流要大于它正常工作时的电流。 图 2.6  过电流保护动作电流整定说明图 电动机最大自启动电流 与正常运行时最大负荷电流 的关系为 引入可靠系数则有 （2）动作时限的整定 如图 2.7 所示的网络，假设各条线路都装有过电流保护，且均按躲过各自的最大负荷电流来整定动作电流。当k点短路时，保护1～4在短路电流的作用下，都可能启动，为满足选择性要求，应该只有保护4动作切除故障，而保护1～3在故障切除后应立即返回。过电流保护的动作时限是按阶梯原则来选择的。从离电源最远的保护开始，如图 2.7中保护 4 处于电网的末端，只要发生故障，它不需要任何选择性方面的配合，可以瞬时动作切除故障，所以 只是保护装置本身的固有动作时间，即 ≈0s 。为保证选择性，保护3的动作时间 应比 高一个时间级差 Δt ，即 依次类推，可以得到 、 。可以看出，保护的动作时间向电源侧逐级增加至少一个Δt ，只有这样才能充分保证动作的选择性。 图 2.7  单侧电源辐射形电网过电流保护动作时限选择说明图 第三章、10kV输电线路电流三段式保护整定 图3.1保护整定图 3.1电流Ⅰ段保护（电流速断保护） 整定原则：保护装置的起动电流按躲开下一条线路出口处通过保护装置的最大短路电流（最大运行方式下的三相短路电流）来整定。一般保护30%左右 1）动作电流值： =1.2*1*10/(30*0.4)=1.0KA 式中  — 可靠系数，取1.2～1.3 — 最大运行方式下的三相短路电流 — 接线系数，均为1 — 电流互感器变比 动作时限t＝0s 2）电流速断保护范围的校验 L＝ × 式中L— 被保护线路动作范围对应长度 —被保护线路末端最小三相短路电流 —被保护线路始端最小三相短路电流 3.2电流Ⅱ段保护（带时限电流速断保护） 整定原则：保护装置的起动电流应按躲过下一线路电流速断保护范围末端发生短路时最大短路电流（或躲过下一线路电流Ⅰ段的整定值）来整定。 1）动作电流值： =1.2*1*10/(80*0.4)=0.375 式中  — 可靠系数，取1.1～1.2 — 相邻元件末端最大三相短路电流 — 接线系数，均为1 — 电流互感器变比 动作时限t＝0.5s 2）灵敏系数校验 Ksen= ≥1.3～1.5 3.3电流Ⅲ段保护（定时限过电流保护） 整定原则：按躲过本线路最大负荷电流来整定。同时保证在外部故障切除后，保护装置能够返回。 1）动作电流值： =5*1*10/(100*0.4)=0.125KA 式中 — 可靠系数，取2～5 — 最大运行方式下的三相短路电流 — 接线系数，均为1 — 电流互感器变比 — 被保护线路最大计算负荷电流 — 返回系数，电子式保护器取0.95 2）灵敏系数校验 Ksen= ≥1.15～1.25 式中 —被保护线路末端最小三相短路电流 第四章、阶段式电流保护的评价 电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护都是反应于电流增大而动作的保护，它们之间的区别主要在于按照不同的原则来整定动作电流。电流速断保护是按照躲开本线路末端的最大短路电流来整定，它虽能无延时动作，但却不能保护本线路全长；限时电流速断保护是按照躲开下级线路各相邻元件电流速断保护的最大动作范围来整定，它虽能保护本线路的全长，却不能作为相邻线路的后备保护；而定时限过电流保护则是按照躲开本线路最大负荷电流来整定，可作为本线路及相邻线路的后备保护，但动作时间较长。 为保证迅速、可靠而有选择性地切除故障，可将这三种电流保护，根据需要组合在一起构成一整套保护，称为阶段式电流保护。对继电保护的评价，主要是从选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个方面出发，看其是否满足电力系统安全运行的要求，是否符合有关规程的规定。 4.1选择性 在三段式电流保护中，电流速断保护的选择性是靠动作电流来实现的；限时电流速断保护和过电流保护则是靠动作电流和动作时限来实现的。它们在 35kV 及以下的单侧电源辐射形电网中具有明显的选择性，但在多电源网络或单电源环网中，则只有在某些特殊情况下才能满足选择性要求。 4.2速动性 电流速断保护以保护固有动作时限动作于跳闸；限时电流速断保护动作时限一般在0.5s 以内，因而动作迅速是这两种保护的优点。过电流保护动作时限较长，特别是靠近电源侧的保护动作时限可能长达几秒，这是过电流保护的主要缺点。 4.3灵敏性 电流速断保护不能保护本线路全长，且保护范围受系统运行方式的影响较大；限时电流速断保护虽能保护本线路全长，但灵敏性依然要受系统运行方式的影响；过电流保护因按最大负荷电流整定，灵敏性一般能满足要求，但在长距离重负荷线路上，由于负荷电流几乎与短路电流相当，则往往难以满足要求。受系统运行方式影响大、灵敏性差是三段式电流保护的主要缺点。 4.4可靠性 由于三段式电流保护中继电器简单，数量少，接线、调试和整定计算都较简便，不易出错，因此可靠性较高。 总之，使用一段、二段或三段而组成的阶段式电流保护，其最主要的优点就是简单、可靠，并且在一般情况下能满足快速切除故障的要求，因此在电网中特别是在 35kV 及以下的单侧电源辐射形电网中得到广泛的应用。其缺点是受电网的接线及电力系统运行方式变化的影响，使其灵敏性和保护范围不能满足要求。 结束语： 继电保护装置是电力系统安全保障体系的重要组成部分,同时也是电力系统的安全重要保障,是保证电力系统安全、稳定运行的有效手段。准确的整定计算是提高继电保护运行可靠性、保障电网安全运行的基础,提高不拒动和误动作,是继电保护可靠性的核心。要确保供电系统的正常运行,必须正确地设置继电保护装置并准确整定各项相关定值,此外还要对继电保护系统进行定期检查和维护,按时巡检其运行状况,处理好发现的故障,以保证系统无故障设备正常运行,提高供电可靠性。 参考文献: [1] 王翠平.继电保护装置的维护及试验[J].黑龙江科技信息,2007(14). 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