电力系统

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主主要内容要内容第一章绪论1.1电力系统的各种运行状态1.2继电保护的基本原理、构成和分类主讲教师：徐岩1.3对电力系统继电保护的基本要求华北电力大学电力工程系.电自教研室1.4继电保护发展简史继电保护与安全控制技术研究所电力系统概况用电配电输变电发电1.1电力系统的各种运行状态特点：（1）电能不能大量存贮；（2）电磁过程快速；（3）与国民经济和人民的日常生活等密切相关。电力系统概况1.1.1正常工作状态用电配电¢电力系统正常运行的约束条件输变电电力系统的运行条件一般可用3组方程式发电描述，一组微分方程式用来描述系统元件及其控制的动态规律，两组代数方程式则分别构成电力系统正常运行的等式和不等式约束条件。设备分类：一次设备、二次设备。1

11.1.1正常工作状态1.1.1正常工作状态¢微分方程式约束条件：¢等式约束条件：⎧di1dψm⎪u1=i1r1+L1dt+dt⎨didψ∑PGi−∑PLj−∑∆PS=0⎪u2=i2r2+L22+m⎩dtdt∑QGi−∑QLj−∑∆QS=0didi发电机或其他电源设备发出的有功和无功功率双绕组单相变压器u1−u2=i1r1−i2r2+L11−L22dtdt1.1.1正常工作状态1.1.1正常工作状态¢等式约束条件：¢等式约束条件：∑PGi−∑∑PLj−∆PS=0∑PGi−∑PLj−∑∆PS=0∑∑∑QGi−QLj−∆QS=0∑QGi−∑QLj−∑∆QS=0负荷使用的有功功率和无功功率电力系统中各种有功功率和无功功率损耗1.1.1正常工作状态1.1.2不正常工作状态及其危害¢不等式约束条件：所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常运行状态。S≤S用电设备的功率及其上限;kk.max常见的不正常状态及其危害：U≤U≤U母线电压及其上、下限；i.minii.max过负荷：因负荷超过电气设备的额定值造成的电流Iij≤Iij.max线路电流及其上限；增大；危害：造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老fmin≤f≤fmax系统频率及其上、下限；化和损坏从而导致故障。2

21.1.2不正常工作状态及其危害1.1.2不正常工作状态及其危害所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常运行状态。运行状态。常见的不正常状态及其危害：常见的不正常状态及其危害：频率降低：由于系统中出现有功功率缺额而引起的；危害：1）影响产品质量；过电压：发电机突然甩负荷而产生；2）降到47Hz～48Hz以下会引起频率崩溃；危害：造成绝缘击穿导致短路。3）使电压下降可能引发电压崩溃。1.1.2不正常工作状态及其危害1.1.3故障状态及其危害(2)(2)(1)(2,0)(2,0)dabdcadadabdcaaaa所有的等式约束条件均满足，部分的不等式约d(2)d(1)d(2,0)bcbbcbbb(1)束条件不满足但又不是故障的工作状态称为不正常dcccc运行状态。两相短路单相接地短路两相接地短路Phase-to-phasePhase-to-groundPhase-to-phase-常见的不正常状态及其危害：to-ground常见的十种短路类型系统振荡：因系统受到扰动而失去功率平衡。ab复杂故障：在电力系危害：系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影统的不同地点（两处c响系统的正常运行。一相断开或两处以上）同时发生不对称故障的情况纵向不对称故障最常见且最危险的是各种类型的短路短路的后果2002年220kV电网输电线路故障统计表¢数值很大的短路电流通过短路点将燃起电弧，使故障设备烧坏甚至烧毁；故障类型三相短路两相短路两相接地短路单相接地短路其他¢短路电流通过故障设备和非故障设备时，产生热和电动力的作用，致使其绝缘遭到损坏或使设备故障次数172891131932缩短使用寿命；¢电力系统中大部分地区的电压下降，使大量电能百分数1.14%1.88%6.12%88.7%2.16%用户的正常工作遭到破坏或产生废品；¢破坏电力系统并列运行的稳定性，而使事故扩大，甚至造成整个电力系统瓦解。3

3事故2006年国外停电事故国家发生时间事故后果系统或其中的一部分的正常工作遭到破坏，并造俄罗斯2006.圣彼得堡部分地区交通和电力供应中断，近百万居民遭受断成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，部分地区10.28水之苦，核电站被迫停止运转。美国2006.肆虐的狂风将很多社区的树木和电线杆连根拔起，造成美国甚至造成人员伤亡和电气设备的损坏。东北地区10.28东北部成千上万的居民生活断电。加拿大2006.每小时100千米的狂风过后，两省出现大面积停电，波及多伦部分省10.28多、蒙特利尔和魁北克城等大中城市，共有约8万人受灾。一旦故障发生，要求在十分之几甚至百分之几秒内切欧洲电网2006.法国和德国人口最密集的地区以及比利时、意大利、西班除故障设备。11.4牙、奥地利的部分地区发生停电，其中包括法国首都巴黎部分地区。大多数地区在半小时内恢复供电，最严重的地区停电达1个半小时。运行人员继电保护装置美国纽约2006.天气过热，造成地下输电线路损伤。纽约市在赖克斯岛的监7.17狱群不得不启用自备发电机，受此次停电事故影响的用户人数可能高达10万人。某些地区停电时间长达一周。国外03年发生的大停电事故－特大停电事故是现代社会的灾难美国发生的其它大停电事故－预防特大停电事故是对现代科学技术的挑战国家发生时间事故名事故后果称事故名称时间事故后果美国2003.8.北美东损失负荷61.8GW，停电8州1省5000万人，停电面积美国东北部大停电1965.11.9最长停电时间达13h，影响居民3000万14部网24000平方公里，最长停电29小时，损失300亿美人，直接经济损失达1亿美元。元。纽约大停电事故1977.7.13停电时间达25h，停电引起贫民区纵火瑞典丹2003.9.瑞典－停电1800MW，影响500万人用电，停6.5小时与抢劫，华尔街计算机停电，损失价值麦23丹麦超过百万人小时。美国西部网大停电1994.12.14系统解列成东西南北四个大岛，事故影意大利2003.9.意大利6,400MW的功率缺额，最后导致频率崩溃，停电19小响到14个州200万人的用电。28时。美国西部网大停电1996.7.2系统解列成五个孤岛，事故影响14个州英国2003.8.伦敦地停电724MW，影响41万用户，50万乘客被困，停电200万用户28铁37分钟～1小时美国西部网大停电1996.8.10系统解列成四个孤岛，事故影响9个州马来西2003.9.马来西马来西亚北方5个州发生大停电事故，停电持续约4个750万用户亚1亚小时。AnExample:August14,2003BlackoutintheUnitedAnExample:August14,2003BlackoutintheUnitedStatesandCanadaStatesandCanada4

4第一道防线：高速、准确地切除故障元件的继电保护和反应被保护设备运行异常的保护被我国超高压电网普遍采用的装备我国保障电网安全运行的ò利用被保护元件两端的尽可能简单的信息；ò超高压系统主保护动作速度10－25毫秒；“三道防线”ò超高压系统主保护动作正确率99.82%。正在研究、未来可能装备电网的保护ò利用被保护元件单端或两端故障暂态信息的继电保护；ò主保护动作速度2－5毫秒。以尽可能快的速度、在尽可能小的范围内切除故障，减少系统产生的不平衡能量第二道防线：保障电网安全运行的安全自动装置第三道防线：失步解列与频率、电压控制¾自动重合闸装置：除减少重合于永久故障时系统不平衡能量外，尽量减少网络拓扑的变化，尽快恢复网络输电能力；失步解列：在互联电网失去同步后，在预定的地点解列，¾备自投、事故减出力、自动切负荷、抽水改发电等：快速保以各子网能独立满足供电需求。持稳态发输电能力与用电需求的平衡。频率控制：通过低周减载、开启备用机组等满足频率要¾过负荷控制：连锁切机、切负荷，远方切机、切负荷等。保求，通过高周切机保证频率稳定、机组安全。持稳态输电能力与输电需求的平衡。电压和无功控制：通过低压减载和增发无功维持电压水¾暂态稳定控制：逻辑式连锁切机、切负荷；利用局部量的稳平，防止电压崩溃。定性预测与紧急控制装置；基于离线或在线计算的区域性稳争取各自平衡，尽量减少对用户的损失，维持各子网的安定控制系统；用于保持动态输电能力和输电需求的平衡。全，创造并网条件。1.1.4继电保护的概念及作用¢电力系统是由各种电气元件组成的，由于自然环境、制造质量、运行维护水平等多方面的原因，各电气元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此一、继电保护的概念就要有专门的技术来为电力系统建立一个安全保障体系。其中最重要的专门技术之一就是继电保护技继电保护技术+继电保护装置术。¢继电保护技术¢继电保护装置用于实时检测电力系统各元件的运行状态。一旦系统发生故障或异常，继电保护装置迅包括电力系统故障分析、继电保护原理速动作实现故障隔离或告警，保证电力系统的安全及实现、继电保护配置设计、继电保护运行和稳定。及维护等技术。5

51.1.4继电保护的概念及作用1.1.4继电保护的概念及作用一、继电保护的概念二、继电保护的作用继电保护技术+继电保护装置¢自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保¢继电保护装置证无故障部分迅速恢复正常运行。(故障)继电保护装置就是能反应电力系统中电¢反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行气元件发生故障或不正常运行状态，并动作维护条件（例如有无经常值班人员），而动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。于发出信号、减负荷或跳闸。（不正常运行）1.2.1基本原理找差别实现保护电流增大过电流保护电压降低低电压保护原则上说：只要找出正常运行1.2继电保护的基本原理电流电压间的相位角会发生变化与故障时系统中电气量或非电方向保护气量的变化特征（差别），即&U&构成和分类Z正常运行时=U：arg≈20°-----负荷功率因数角会发生变化I&阻抗保护可找出一种原理，且差别越明&IU&线路正方向发生显，保护性能越好。arg≈60°→85°-----线路阻抗角三相短路：正常：∑I=0∑∑I=0；短路I&：∑I=Id∑∑I=Id电流差动保护U&出现出现I反方向发生I2、、II0arg≈180°+(60°→85°)序分量保护三相短路：I&非电气量：瓦斯保护，过热保护等。1.2.2继电保护装置的构成相应输入量测量逻辑执行跳闸或信号比较判断输出元件元件元件根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进负的任务。如：故障时,动作于跳闸并发出信号；不的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸正常运行时,发出信号；正常运行时,不动作等。行比较，根据比较结果给出或发信号，并将有关命令传给执行元件。“是”、“非”、“大于”、“常用逻辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从继电保护系统的构成而判断保护是否应该启动。回、记忆等。6

61.2.3继电保护的工作回路1.2.4继电保护的分类YRQF¢按被保护的对象分类信号输电线路保护、发电机保护、变压器保护、发电机保护、母线保护等KAKTKSIt¢按保护原理分类TA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1.2.4继电保护的分类1.2.4继电保护的分类¢按保护所反应故障类型分类¢按继电保护测量值与整定值的关系分相间短路保护、接地故障保护、匝间短路类保护、失步保护、失磁保护等过量保护（测量值≥整定值时动作）¢按继电保护装置的实现技术分类欠量保护（测量值≤整定值时动作）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1.2.4继电保护的分类1.2.4继电保护的分类¢按保护所起的作用分类¢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、后备保护、辅助保护等主保护：反映被保护元件本身的故障，并以后备保护：主保护或断路器拒动时用来切除尽可能短的时限切除故障的保护故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护。7

71.2.4继电保护的分类1.2.4继电保护的分类¢按保护所起的作用分类¢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、后备保护、辅助保护等近后备保护：在本元件处装设两套保护，当辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能主保护拒动时，由本元件的另一套保护动作或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护远后备保护：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1.2.5电力系统继电保护的工作配合1.2.5电力系统继电保护的工作配合发电机保护区变压器保护区高压母线II保护区保护范围划分的基本原则是任一个元件的故障都能可靠地被切除且造成的停电范围最小。保护区间的重叠是为了保证任意处的故障都置于保护区内，同时重叠区越小越线路保护区好。低压母线保护区高压母线I保护区高压母线保护区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：1.3对继电保护的基本要求选择性、速动性、灵敏性、可靠性，即保护的“四性”。8

81.3.1可靠性1.3.1可靠性影响可靠性的因素可靠性是指发生了属于它该动作的故内在的：障，它能可靠动作，即不发生拒绝动作•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（简称拒动）；而在不该动作时，它能可•内外接线简明靠不动，即不发生错误动作（简称误•触点多少等动）。外在的：•运行维护水平•调试是否正确•正确安装等1.3.1可靠性1.3.2选择性提高可靠性的办法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1.选用适当的保护原理，在尽可能的情况下尽量量缩小停电范围。简化接线，减少元器件的数量和触点的数量。例：ABd12.提高保护装置所选用的器件质量和工艺水平，12CD并有必要的抗干扰措施。56783.提高保护装置安装和调试的质量，并加强维护34和管理。4.采取保护装置多重化。当d1点短路时，保护1、2动→跳1DL、2DL有选择性1.3.2选择性1.3.2选择性选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将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。量缩小停电范围。例：例：ABAB1212d2CDCDd3567856783434当d2点短路时，保护5、6动→跳5DL、6DL当d3点短路时，保护7、8动→跳7DL、8DL有选择性有选择性9

91.3.2选择性1.3.2选择性选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将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。量缩小停电范围。例：例：停电AB12CDd3567834当d3点短路时，若保护7拒动或7DL拒动，保护5动（远后备）→跳5DL有选择性当d3点短路时，若保护7正确动作和7DL跳闸，保护5动→跳5DL，则越级跳闸（非选择性）1.3.2选择性1.3.3速动性作用于断路器跳闸的保护都要求动作迅速。小结：其主要原因如下：选择性就是故障点在区内就动作，区外就不动作。当主保护未动作时，由近后备或远后①可以提高系统稳定性；备切除故障，使停电面积最小。因远后备保护②减少用户在低电压下工作的时间；比较完善（对保护装置、DL、二次回路和直流③减少故障元件的损坏程度；电源等故障所引起的拒绝动作均起后备作用）④避免故障进一步扩大。且实现简单、经济，应优先采用。1.3.3速动性1.3.4灵敏性灵敏性是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，故障切除时间：不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确t=t+t地反应出来。prQF通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Ksen。tpr-保护动作时间tQF-断路器动作时间①对反应于数值上升而动作的过量保护（如电流保护）快速保护：tpr=0.06~0.12s最快tpr=0.01~0.04sK=保护区内金属性短路时故障参数的最小计算值＝Ik.minsen保护的动作参数Iset断路器：t=0.06~0.15s最快t=0.02~0.06sQFQF其中故障参数的最小、最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式、故障类型和短路点来计算的。10

101.3.4灵敏性1.3.4灵敏性灵敏性是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，都能灵敏地正确在GB14285-1993《继电保护和安全自动地反应出来。装置技术规程》中，对各类保护的灵敏系数通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为Ksen。的要求都作出了具体规定，一般要求灵敏系②对反应数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）数在1.2～2之间。保护的动作参数UK=＝setsen保护区内金属性短路时故障参数的最大计算值Uk.max其中故障参数的最小、最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式、故障类型和短路点来计算的。上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。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。例如强调快速性时，1.4继电保护发展简史有时会影响可靠性、选择性和灵敏性，强调选择性时又会影响快速性和灵敏性。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的绝大部分工作是围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辨证统一关系而进行的。继电保护的发展简史方向电流保护原理发展过电流保护差动保护距离保护高频保护微波保护行波保护¢继电保护原理——随电力系统的发展而不断微机化发展。网络化智能化¢继电保护装置——随着构成继电器的元器件190119081910192019275070保护、控制、年代年代制造技术发展而变化。年年年年年测量、通信一体化构成继电保护原理的两个基本要求：装置发展1.正确区分正常运行和事故运行态；50年代60年代70年代80年代90年代2.正确判断故障地点或发生不正常运行的设备;机电型整流型晶体管型集成电路型微机型(电磁型、感应型）11

11本章学习重点本章学习重点¾继电保护的作用¾继电保护的基本原理和继电保护装置在学习时要了解电力系统中常见的故的组成障类型和不正常运行状态，以及发生短路学习时应了解和认识电力系统在正常时对电力系统的危害。认识继电保护、继运行与发生故障或不正常运行状态时电气电保护装置的概念，及继电保护在电力系量参数的差别。它们是实现继电保护的理统中的任务。论依据。本章学习重点¾对电力系统继电保护的基本要求它们是设计、分析与评价继电保护装TheEndTheEnd置是否先进、实用和完善的出发点和依据，应熟练掌握并应用于今后的学习中。12