电力工程基础-高压绝缘和继电保护课件.ppt

1、鞠平 主编ELECTRIC POWER ENGINEERING ELECTRIC POWER ENGINEERING 电力工程电力工程第六章第六章 高压绝缘与继电保护高压绝缘与继电保护第六章第六章 高压绝缘与继电保护高压绝缘与继电保护6.1 高压绝缘与接地6.2 继电保护6.3 互感器6.1 高压绝缘与接地高压绝缘与接地 6.1.1 高电压与绝缘的成因6.1.2 过电压保护6.1.3 接地6.1.1 高电压与绝缘的成因高电压与绝缘的成因高电压的形成：电力系统中，1220kV称为高压，220800kV称为超高压，1000kV称为特高压。绝缘介质：把电位不等的导体分开，使其保持各自的电位，没有电气

2、联系。高电压靠绝缘支撑，电压过高使绝缘破坏，绝缘的破坏性放电使高电压消失。物理现象自然形成人为产生6.1.2 过电压保护过电压保护电力系统过电压：正常运行中的电力系统，由于雷击、倒闸操作、故障或电力系统参数配合不当等原因，会使电力系统中某些部分的电压突然升高，成倍地超过其额定电压，这种电压升高现象称为电力系统过电压。电力系统过电压大气过电压内部过电压6.1.2 大气过电压大气过电压1、大气过电压 由于直击雷或雷电感应而引起的过电压称为大气过电压或外部过电压。v 雷电：自然界中的大气火花放电现象。v 直击雷过电压：直接击中电气设备上的雷电，被击电气设备上产生很大的过电压或通过很大的过电流，损坏电

3、气设备或送电线路的绝缘。v 感应过电压：在电气设备附近发生对地雷击时，电气设备上有可能感应出很高的电压，其幅值可达500600kV，对电器设备的绝缘破坏性很大。6.1.2 大气过电压大气过电压2、防雷设备（1）避雷针和避雷线 防止直接雷击的设备，主要将雷吸引到自身，使雷电流导入地中，保护电气设备及建筑物避免遭雷击。v 单支避雷针v 双支避雷针6.1.2 大气过电压大气过电压v 避雷线6.1.2 大气过电压大气过电压（2）保护间隙和避雷器 与被保护的电气设备并联连接，用来保护电气设备免遭入侵雷电波损坏。保护间隙管型避雷器阀型避雷器6.1.2 过电压保护过电压保护v 操作过电压：当系统内开关操作、

4、故障或其他原因，电力系统将由一种稳定状态过渡到另一种稳定状态，在暂态过程中，由于系统内部电磁能量的转换振荡，在某些设备上，甚至在整个系统中出现很高的电压，称为操作过电压v 谐振过电压 电力系统中有许多电感元件和电容元件，这些电感和电容元件均为储能元件，可形成各种不同的谐振回路，在一定条件下，可能产生不同类型的谐振现象，引起谐振过电压。6.1.3 接地接地接地：电力系统中，为了工作和安全的需要，将电力系统及其电气设备的某些部分与大地相连接。1、接地方式工作接地：为了保证电力系统正常运行或事故情况下能可靠工作，有利于快速切除故障而采用的接地。如发电机、变压器及电压互感器的中性点接地。防雷接地：为了

5、导泄雷电流，避免雷电危害的接地。兼具防止操作过电压的作用。保护接地：为确保人身安全，将一切正常时不带电而由于绝缘损坏有可能带电的金属部分接地，降低人体的接触电压。6.1.3 保护接地保护接地2、保护接地跨步电压：人在分布电位区域行走时，两脚之间的电位差。接触电压：电气设备绝缘损坏，当人体接触电气设备时，手脚之间形成接触电压。6.2 继电保护继电保护6.2.1 继电保护概述6.2.2 线路的继电保护6.2.3 电力变压器保护6.2.1 继电保护概述继电保护概述1、继电保护的作用及构成基本作用：在全系统范围内，按指定分区实时地检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或警告等措施，以求最

6、大限度的维持系统的稳定、保持供电的连续性、保障人身的安全、防止或减轻设备的损害。6.2.1 继电保护概述继电保护概述保护装置的基本任务：v 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续受到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。v 反映电气元件的不正常运行状态、发出信号。继电保护的基本构成：6.2.1继电保护概述继电保护概述2、继电保护装置的基本要求v 选择性v 速动性v 灵敏性v 可靠性6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护1、单侧电源网络相间短路的电流保护 单侧电源网络：仅在线路一端接电源的网络。（1）电流速断保护 仅反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，

7、称为电流速断保护。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护运行方式v 最大运行方式，通过保护装置的短路电流Ik的最大方式（机组最多，短路容量最大）；v 最小运行方式，通过保护装置的短路电流Ik的最大方式（机组最小，短路容量最小）。选择性 对保护2，其动作电流 ，必须整定得大于k1点可能出现的最大短路电流2,setImax.1.kImax.1.2,ksetII6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护可靠性v 保证选择性无法保护线路全长；v 保护范围不得小于线路全长的15%20%；v 一般采用最小运行方式下的两相短路时的速断保护范围（为最小）来校验。max.1.2,krelsetIKI 为可靠系数

8、，relK3.12.1relK6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护（2）限时电流速断保护 切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备。要求：v 在任何情况下能保护本线路的全长，并具有足够的灵敏性；v 在满足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限；v 在下级线路短路时，保证下级保护优先切除故障，满足选择性要求。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护 对于保护2，原有段保护，整定2 的段保护为保护范围延伸到相邻的下一条线路。选择性 保护2的段保护动作时间比保护1的段保护晚一个时间级差。,2,setrelsetIKI2.11.1relKst6.03.06.2.2 线路的继

9、电保护线路的继电保护 为了保证段保护能保护线路全长，需校验其灵敏度是否满足技术规程的要求5.13.12,min.setBksenIIKmin.BkI为母线B两相短路的最小短路电流（最小方式的两相短路电流）。5.13.1senK为合格，能保护线路全长。senK不满足要求时，可减小动作电流，同时延长动作延时（与下一级的段保护配合），达到提高灵敏度的问题。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护（3）定时限过电流保护后备保护 保护范围超过临近线路（或元件）的末端。按躲开最大负荷电流整定 max.max.lrelsetlsetIKIIImax.2.max.2.2.maxmax.2.2.lssrelss

10、relreLssreIKKIKIIKI外部故障切除后，非故障线的定时限过电流保护在下一母线有电动机启动，且流过最大负荷电流时应能可靠返回6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护引入继电器的返回系数因此 为可靠系数，一般采用1.151.25 自起动系数，数值大于1，由网络接线和负荷性质决定 一般取0.85ssrereIIKmax.2.2.lressrelreresetIKKKKII返回电流与启动电流的比值relKssKreK6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护 电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护 的整定值 若开关为最末一级，可不装三段保护，只需段保护，保护的动作电流按第段原则整

11、定，时限为0s。setsetsetIII6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护（4）对三段式电流保护的评论 电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护总称为三段式电流保护。v、段保护根据短路电流整定，段根据负荷电流整定。v、段，t=0s，t=0s 或1s。段时限不定。、段电流保护之间有时限配合关系，也有整定关系，、与之间关系不大。v 电流速断和限时电流速断为本线路主保护，以快速切出故障；过电流保护作为本线路和相邻线路的后备保护。v 对于同一个故障，要求越靠近故障点，灵敏度越高（Ksen越大）。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护2、双侧电源网络相间短路的方向性电流保护（1）双侧电源网络和

12、方向性电流保护 双侧电源网络，每条线路两侧均装设断路器和电流保护装置。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护 若k1点发生短路，保护5，6动作切除故障，但保护4上也有短路电流。若保护4采用电流速断，且通过的短路电流大于其启动电流4误动作若k1点短路保护5误动作若保护4采用过电流保护 54tt 保护4可能误动作若保护5采用过电流保护 54tt 6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护实现双侧电网的保护 每个断路器的电流保护中增加一个 功率方向测量元件。功率方向测量元件在短路功率从母线流向线路时动作，而线路流向母线时不动作。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护（2）方向性电流保护的应用特点

13、电流速断保护可以取消方向与案件的情况v 在电流速断保护中，能用电流整定值保证选择性的，尽量不加方向元件；v 电路两端的保护，能在一端保护中加方向元件后满足选择性要求的，不在两端保护中加方向元件。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护 限时电流速断保护整定时分支电路的影响 助增电流的影响 k点短路时 保护2限时电流 引入分支系数ABBACBIIIMBArelsetIKI.2.流过的短路电流前一级保护所在线路上流故障线路流过的短路电bK6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护整定配合点M处的分支系数则外汲电流的影响分支系数Kb1MBAsetMBAMCBbIIIIK.1.1.2.setbrelse

14、tIKKI6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护3、输电线纵联电流差动保护（1）纵联电流差动保护原理 将线路一侧电气量信息传到另一侧去，两侧点电气量同时比较、联合工作，即在线路两侧之间发生纵向联系。区内故障正常运行和区外故障 1kNMIIII0NMIII6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护 由于受电流互感器误差、线路分布电容等因素的影响，实际电流差动保护的动作判据为（2）影响纵联电流差动保护正确动作的原因v 电流互感器的误差和不平衡电流v 输电线路的分布电容电流及其补偿措施v 负荷电流对纵联差动保护的影响setNMIII6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护4、线路的距离保护（1）距离

15、保护的概念 利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反映故障点到保护安装处的距离而工作的保护。通过判断故障方向，测量并比较故障距离，判断出故障位于保护区内还是位于保护区外，从而决定是否需要跳闸，实现保护。6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护（2）测量阻抗与故障距离的关系 距离保护中，通常用Zm来表示测量阻抗，正常运行时：近似为额定电压，为负荷电流，为负荷阻抗；系统发生金属性短路时：降低，增大，为短路点与保护安装处之间的线路阻抗。忽略分布电容和电导mmmIUZmUmImZmUmImZkmlzZ16.2.2 线路的继电保护线路的继电保护整定长度lset对应的阻抗为 在线路阻抗

16、方向上，比较Zm和Zset的大小，可判断故障是否在保护区域内。setsetlzZ1负荷阻抗与短路阻抗6.2.2 线路的继电保护线路的继电保护（3）距离保护中的问题分析短路点过渡电阻对距离保护的影响 过渡电阻的存在，将使距离保护的测量阻抗、测量电压等发生变化，可能造成距离保护的不正确工作。线路串连补偿电容器对距离保护的影响 串联补偿电容后，短路阻抗与短路距离之间不再成线性正比关系，距离保护无法正确测量故障距离。短路电压、电流中的非工频分量对距离保护影响 使用暂态过程中的电压、电流进行计算，导致错误的比较结果，造成距离保护的不正确工作。6.2.3 电力变压器保护电力变压器保护1、电力变压器的纵差动

17、保护 电力变压器的纵差动保护的工作原理相似于输电线路的纵联保护的工作原理。正常工作及外部故障时：两侧电流相差180内部短路时：两侧电流相位接近同相正常运行及外部故障内部故障6.2.3 电力变压器保护电力变压器保护2、电力变压器的瓦斯保护 当变压器油箱内部故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器油和其他绝缘材料会受热分解，产生大量气体，利用这种气体实现保护的装置，称为瓦斯保护。3、电力变压器的电流、电压保护v 对已设置了差动保护的变压器，安装定时限过电流保护，作为变压器的后备保护；v 对不设置差动保护的变压器，配置电流速断保护为变压器主保护，配置定时限过电流保护作为后备保护；v 若单纯的电

18、流保护的灵敏性不能满足要求，依短路时电压下降的特点，增加一个以电压下降为附加判别条件的欠电压闭锁过电流保护。6.2.3 电力变压器保护电力变压器保护4、电力变压器保护配置原则v 瓦斯保护v 纵差动保护或电流速断保护v 过负荷保护v 过励磁保护v 其他非电量保护6.3 互感器互感器6.3.1 互感器概述6.3.2 电流互感器6.3.3 电压互感器6.3.1 互感器概述互感器概述互感器在电力系统中的应用：v 将一次电路的高电压和大电流变为二次电路的标准值，使测量仪表和继电器标准化和小型化，使二次设备的绝缘水平可按低电压设计，从而降低造价。电压互感器二次绕组额定电压为100V或1003V 电流互感器

19、二次绕组额定电流为5A或1Av 使低压的二次系统与高压的一次系统实施电气隔离，且互感器二次侧接地，保证人身和设备的安全。v 取得零序电流，零序电压分量，供反映接地故障的继电保护装置使用。6.3.2 电流互感器电流互感器1、电流互感器的工作原理与工作特性组成：一次绕组、二次绕组及铁心v一次绕组线径较粗而匝数很少v二次绕组线径较细而匝数很多6.3.2 电流互感器电流互感器（1）电流互感器的工作原理v 一次绕组串联接入一次电路v 二次绕组与负载（电流表、功率表的电流线圈等）串联 理想电流互感器中 也可写为 为电流互感器的电流比iKNNII12210012211INININiK6.3.2 电流互感器电

20、流互感器（2）电流互感器的工作特性v 一次电流的大小决定于一次侧负载；v 正常运行时，二次绕组近似于短路工作状态；v 二次电路不允许开路；v 二次电流变化范围很大；v 结构应满足热稳定和动稳定的要求。6.3.2 电流互感器电流互感器2、电流互感器的分类、型号及结构（1）电流互感器的分类v 按安装地点可分为户内和户外式。20kV及以下制成户内式；35kV及以上多制成户外式。v 按安装方式可分为穿墙式、支持式和装入式。v 按绝缘可分为干式、浇注式、油浸式等。v 按一次绕组匝数可分为单匝式和多匝式。v 按电流互感器的工作原理，可分为电磁式、电容式、光电式和无线电式。6.3.2 电流互感器电流互感器（

21、2）电流互感器的型号 6.3.2 电流互感器电流互感器3、电流互感器测量误差等效电路向量图空载电流不能完全忽略012211)(INININ2012201IINNIII6.3.2 电流互感器电流互感器（1）电流误差 fi（又称比值差）：电流互感器测量出来的 电流KiI2与实际一次电流I1差的百分数，即（2）角误差 （又称角差）：二次电流旋转180与一次电流之间的相位角称为电流互感器的角差，并规定若 超前于，角差为正值，反之为负值。%100%100111122112INININIIIKfii2I1I%100)sin(10IIfi101110)cos()cos(sinIININIii6.3.2 电流

22、互感器电流互感器4、电流互感器运行工况对误差的影响（1）一次电流的影响 电流互感器的一次电流I1（铁心中磁感应强度B正比于I1）对铁心磁导率有很大影响，铁心的磁场强度H（H正比于励磁电流I0）和磁感应强度之间为非线性关系。设计电流互感器时，通常使铁心在额定条件下工作时的磁感应强度较低，此时值较高，故励磁电流I0较小，误差也小。6.3.2 电流互感器电流互感器v 互感器一次侧电流减小，磁导率减小，误差增大；v 一次电流数倍于其额定值时，由于铁心开始饱和，磁导率下降，误差增大。电流互感器正常工作范围的误差特性曲线1额定负荷225%额定负荷6.3.2 电流互感器电流互感器（2）二次负荷阻抗对误差的影

23、响 当I1不变时，I2随二次负荷阻抗的增大而减小，因而使励磁电流I0增大，误差也随之增大。减小因二次负荷阻抗变化引起的误差：v 铁心采用高磁导率材料v 人工补偿法 无源补偿：匝数补偿（二次绕组减少若干匝），并联电容法（提高二次侧功率因数）；适合精度要求不高的情况下。有源补偿：磁动势补偿和电动势补偿，又称为跟踪补偿，精度高，但二次侧承载能力差。6.3.2 电流互感器电流互感器（3）电流互感器二次绕组开路v 二次回路开路时，一次电流全部变成励磁电流，二次绕组中产生很高的电动势，其峰值可达几千伏甚至上万伏；v 由于磁路高度饱和，铁心中磁滞和涡流损耗急剧上升，会引起铁心过热甚至烧毁电流互感器。6.3.

24、2 电流互感器电流互感器5、电流互感器的额定容量 因电流互感器的误差和二次负荷有关，同一台电流互感器使用在不同准确级时，会有不同的额定容量。NNNZIS22226.3.2 电流互感器电流互感器6、电流互感器的接线方式及注意事项（1）电流互感器的极性 “减极性”标号法：21UUU 用“减极性”法确定“同名端”，即在同一瞬间，两个同名端同为高电位或同为低电位。6.3.2 电流互感器电流互感器（2）电流互感器的接线方式一相式接线：反映一次电路相应相 的电流。两相V形接线（两相不完全星形接线）6.3.2 电流互感器电流互感器两相电流差接线（两相交叉接线、两相一继电器接线）三相星形接线：用于负荷不平衡

25、系统中6.3.2 电流互感器电流互感器（3）电流互感器使用注意点v 电流互感器工作时，二次侧不得开路v 电流互感器二次侧有一端必须接地v 在连接电流互感器时，要注意其端子的极性6.3.3 电压互感器电压互感器1、电压互感器的工作原理与工作特性（1）电磁式电压互感器的工作原理v 一次绕组匝数很多v 二次绕组匝数少v 二次绕组所接负载阻抗较大，正常运行时，近似空载状态。v 一次电压与二次电压之间的 关系22211)(UKUNNUu6.3.3 电压互感器电压互感器（2）电压互感器的工作特性v 与电路并联连接v 一次侧电压不受电压互感器二次负载的影响v 二次绕组近似工作在开路状态v 二次侧绕组不允许短

26、路6.3.3 电压互感器电压互感器（3）电压互感器的型号互感器代号：J电压互感器（旧型号用Y表示）结构特点：C串级结构；D单相；S三相绝缘方式：C磁绝缘；G干式；J油浸绝缘；Z环氧树脂浇注绝缘；R电容分压额定电压（kV）使用环境使用条件：J有接地保护用辅助线圈；W五柱式；B有补偿线圈（提高准确级）设计序号6.3.3 电压互感器电压互感器2、电磁式电压互感器的测量误差及影响误差的运行因素（1）电磁式电压互感器的误差等效电路相量图6.3.3 电压互感器电压互感器v 电压误差（比值差）：二次电压折算到一次侧的值（KuU1）与实际一次电压U1之差，以百分数表示v 角差（相角差）：二次电压相量旋转180

27、后与一次电压相量之间的夹角。超前于时，角差为正值 ；反之，则为负值。%100112UUUKfuu2U1U6.3.3 电压互感器电压互感器（2）电压互感器运行工况对误差的影响v 一次电压的影响 若互感器用于高或低的电压等级中，或运行电压偏离额定电压太远，励磁电流和铁耗角都会随之发生变化，电压互感器误差就会增大。应使一次额定电压与电网额定电压相适应。v 二次负荷及功率因数的影响 当接带的负载过多时，二次负载阻抗下降，二次电流增大，在电压互感器绕组上的压降增大，误差增大。二次负荷功率因数过大或过小时，除影响电压误差外，角误差也会相应增大。应将其二次负载阻抗和功率因数限制在相应范围。6.3.3 电压互

28、感器电压互感器3、电容分压式电压互感器优点：结构简单、重量轻、体积小、占地少、成本低，且电压越高效果越显著。分压电容可兼作载波通信的耦合电容。缺点：输出容量越小误差越大，暂态特性不如电磁式电压互感器。6.3.3 电压互感器电压互感器4、电压互感器接线 单相式接线（测线电压）仅用于小接地电流系统 单相式接线（测相电压）仅用于大接地电流系统6.3.3 电压互感器电压互感器 两台单相电压互感器Vv联结 只能测量线电压 一台三相三柱式电压互感器 Yyn联结，只能用来测量线电压6.3.3 电压互感器电压互感器 一台三相五柱式电压互感器接成Yy 联结 三台三相三绕组电压互感器构成Y0Y0 联结，可用于小接地电流系统、大接地电流系统。6.3.3 电压互感器电压互感器电压互感器使用注意点v 电压互感器工作时，二次侧不得短路v 电压互感器二次侧有一端必须接地v 在连接电压互感器时，要注意其端子的极性