第一章 绪论第一节 电力系统的正常工作状态、不正常工作状态和故障状态一、基本概念1、电力系统 电力系统：是电能生产、变换、输送、分配和使用的各种电气设备按照一定的技术与经济要求有机组成的一个联合体。

技术要求：比如变压器的容量能够负担相应的负荷，断路器在出现故障时能够跳闸等，双电源互投装置在一回电源故障时，另一回能够自动投入等。

经济要求：比如某项目附近有35kV 和110kV 电源，究竟采用那个等级的电源，应进行经济性比较，采用综合费用较低的方案。

（电力系统中包含一次设备、二次设备、调度通讯设备）2、一次设备一次设备：一般将电能通过的设备称为电力系统的一次设备。

比如发电机、变压器、断路器、母线、输电线路、补偿电容器、电动机、消弧线圈等。

3、二次设备二次设备：对一次设备的运行状态进行监视、测量、控制和保护的设备。

比如电流互感器、电压互感器、监察测量仪表、继电保护装置、自动装置等。

电能的生产、传输和消费是同一时间内完成的。

因此任意时刻都要保证电能的生产和消耗量保持平衡，并满足质量要求，比如电压、频率等。

这就需要我们及时掌握电力系统中各个设备的运行状态，并能及时调整发输电设备的运行状态，从而满足而实际的电能消耗量是不断的变化的，电力系统运行中也会出现各种不正常状态|、故障状态，系统运行中，应及时切除故障部分的电路，避免故障范围扩大，保证其他线路能够正常运行。

4、电力系统运行状态电力系统运行状态：是指电力系统在不同运行条件下（如负荷水平、出力配置、系统接线、故障等）的系统与设备的工作状况。

电力系统的运行条件可用三组方程描述，一组微分方程式和两组代数方程。

微分方程式用来描述系统元件及其控制的动态规律（略）。

两组代数方程分别构成电力系统正常运行的等式和不等式约束条件（1）等式约束条件：系统发出的有功功率和无功功率应在任意时刻与系统中随机变化的负荷功率（包括传输损耗）相等，数学表达式 0Gi Lj S P P P ∑-∑∆-∑∆=0Gi Lj S Q Q Q ∑-∑∆-∑∆=（2）不等式约束条件：供电质量和电气设备安全运行的某些参数，他们应处于安全运行的范围内max .k k S S ≤max .min .i i i U U U ≤≤max .ij ij I I ≤max min f f f ≤≤（根据不同的运行条件，电力系统的运行状态分为正常状态、不正常状态、故障状态）二、正常运行状态及其特点正常运行状态：正常状态下运行的电力系统，所有的等式和不等式约束条件均满足。

也就是说电力系统以足够电功率满足负荷对电能的需求（等式约束条件）；电力系统中各发输电和用电设备均在规定的长期安全工作限额内运行；电力系统中各母线电压和频率均在允许的偏差范围内等。

正常状态下的电力系统，其发电、输电和变电设备保持一定的备用容量，能满足负荷随时变化的需要，同时在保证安全的条件下，可以实现经济运行，能承受常见的干扰，从一个正常状态和不正常状态、故障状态通过预定的控制连续变化到另一个正常状态。

三、不正常运行状态及其危害1、不正常运行状态：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状态的电力系统工作状态。

常见的不正常运行状态有：① 负荷潮流超过电气设备的额定上线造成的电流升高（过负荷）；② 系统中出现功率缺额而引起的频率降低；③ 发电机突然甩负荷引起的发电机频率升高；④ 中性点不接地系统和非有效接地系统中的单相接地引起的非接地相对地电压的升高；⑤ 电力系统发生的震荡等。

都属于不正常运行状态。

2、不正常运行状态的危害：① 电流超过额定值：使得电气设备的载流部分和绝缘材料的温度超过散热条件的允许值而不断升高，在成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏，可能发展成故障状态；② 电压升高：有可能超过绝缘介质的耐压水平，造成绝缘击穿，酿成短路故障；照明设备的寿命将明显缩短，白炽灯在电压长期升高10%时寿命缩短一半；变压器和电动机由于铁芯饱和，损耗和温升都将增加。

③ 电压过低：对于占负荷比重最大的异步电动机转差率增大，转速降低，绕组中电流增大。

温升增加，寿命缩短；转速的降低致使其拖动的的发电厂用机械出力减少，硬性到锅炉、汽轮机和发电机的出力；用户的电热设备将因电压的降低而减少发热量，使产品质量下井④ 电压过大偏移：会引起电力系统无功潮流的改变，增加有功损耗。

不利于系统的经济、安全运行。

⑤ 频率变化：频率变化引起电动机转速变化（n=60f/p ），由此驱动的机械制造的产品质量受到影响；电动机转速和功率的降低，导致传动机械出力降低。

频率偏离额定值会导致测量控制等电子设备的准确性和工作性能，甚至无法工作。

对发电厂和电力系统：频率下降时，汽轮机叶片的震动变大；由异步电动机驱动的活力发电厂厂用机械的出力降低，导致发电机出力下降，使得系统的频率进一步下降，从而引发频率崩溃；频率降低时，一部电动机和变压器的励磁电流增加，所消耗的无功功率增加，引起电压下降，（供电设备和用电设备在设计时，都考虑了一定的安全系数，处于不正常运行状态时，不会马上损坏，我们通常允许系统继续运行，但如果电气设备长期工作在这种状态下，设备长期处于危险编辑，随着时间的积累将缩短设备的使用寿命或发展成故障状态，直接损坏设备，因此应当尽快排除不正常状态，是系统进入正常运行状态，从而避免造成系统事故。

因此必须识别电力系统的不正常运行状态，通过自动和人工的方式消除不正常状态。

在继电保护中，检测到不正常状态一般是发出信号，或延时切除不正常工作的元件）四、故障状态及其危害1.故障状态：电力系统的一次设备在运行过程中，由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生断线、短路等故障。

（所谓短路就是电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的短接。

电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的，如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成了通路，就称电力系统发生了短路。

）短路故障是最危险也是最常见的故障，在发生短路时可能产生以下后果：① 通过短路点的很大的短路电流和所燃起的电弧使元件损坏。

② 短路电流通过非故障元件，由于发热和点动力的作用，会使其损坏或缩短其使用寿命；任何一台设备都有电阻存在，当电流流过时，将做功产生热量（W=I2Rt）,短路电流很大，较短的时间内产生巨大的热量使设备温度迅速升高，而损坏或缩短使用寿命。

通电导体的周围产生磁场，通过强大的短路电流在导体周围产生很大的磁场，磁场中有导体时，两导体将产生作用力，作用力的大小与导体的电流和磁场强度成正比，强大的短路电流在绕组间产生强大的机械力，电气设备受损。

③ 非常大的短路电流流过，会使电力系统中部分地区的电压大大降低，在短路点周围地区的电网电压严重低于正常值，使大量电力用户的正常工作遭到破坏；④ 破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性，引起系统震荡，甚至使系统瓦解。

电能的生产、输送、消费之间必须保持平衡和连续，发生短路时，就打破的这种平衡，局部地区功率过剩，另一局部地区功率不足，过剩地区的发电机转子将加速，功率不足的地区发电机转子减速，硬气发电机失步，处理不快速将造成整个电力系统的瓦解。

⑤不对称接地短路所造成的不平衡电流将可能产生零序不平衡磁通，会在临近的平行线路内（如通信线路、铁道信号系统等）感应出很大的电动势，这将造成对通信的干扰。

2.短路故障类型：三相短路、两相短路、两相短路接地、单相接地短路。

不同类型的短路发生概率不同，短路电流大小也不同，一般为额定电流的几倍到几十倍。

据统计单相接地故障发生概率最高。

而相间短路较少，但是不能由此就轻视相间短路的保护，特别是三相短路，虽然它发生的机会较少，但情况较严重，又是研究其他短路的基础，所以要重视。

单项接地短路如果不及时切除，可能发展为两相接地短路，设置三相短路（故障状态和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故，事故是指系统或其中一部分正常工作遭到破坏，并造成对用户少送点电或电能质量变坏到不能允许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏事件。

自然因素可导致事故，如雷击、线路倒塌，另外如果故障切除迟缓或设备被错误的切除，也可致使故障发展成为事故。

通过合理配置继电保护系统，可避免故障发展成事故。

）五、继电保护的作用1.继电保护的定义继电保护：就是指能够反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作与断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

继电保护也就是通常所理解的电力系统继电保护与安全自动装置。

我们了解的电力系统的运行状态，以及不正常运行状态和故障状态有可能造成事故，在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生事故的可能性以外，故障一旦发生必须迅速有选择的切除故障部分，这项功能就是通过继电保护装置来实现的。

电力系统自动控制：继电保护只是二次设备的一部分，把整个电力系统或其中的一部分作为调节对象，完成电能生产过程的连续自动调节的功能，这一部分称作电力系统自动控制，其动作相对迟缓，调节稳定性高。

2.电力系统继电保护的基本任务：（1）故障状态：自动、快速、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遭受破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常为了在故障后迅速恢复电力系统的正常运行，或尽快消除运行中的异常情况，以防止大面积停电和保证对重要用户的连续供电，常采用以下自动化措施，如输电线路自动重合闸、备用电源自动投入、低电压切负荷、按频率自动减负荷、电气制动、震荡解列等措施。

（2）不正常运行状态：反应电气设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作于发出信号或跳闸。

此时一般不要求迅速动作，二是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的演示，以免短暂的运行波动造成不必要的动作和干扰引自误动。

第二节继电保护的基本原理及其组成一、继电保护的基本原理1.故障状态和不正常状态识别途径目的：只有分辨出不正常运行状态和故障状态，才能在电力系统处于不正常运行状态和故障状态使进行报警或切除故障元件。

识别方法：电力系统在不同的运行状态下，通过各个元件的电量会发生变化，通过对这些发生变化的电量的识别，就可以分辨不同的运行状态。

单线图1.1说明不同状态下个电量的变化：可识别电气量（不同运行状态下具有明显差异的电气量）：①流过元件的相电流、序电流②功率及其方向；③相电压、序电压的幅值④元件的电压与电流的比值，即“测量阻抗等”。

继电保护的基本原理就是通过对各电量的实时监测，发现电量的变化，从而及时识别出当电网出现的不正常运行状态或故障状态，并分别进行报警或切除等操作。

下面我们本图为单电源供电网络，在正常运行时，每条线路上都流过正常的负荷电流，若BC段发生三相短路，1.过流保护：若BC段发生三相短路，则短路点至电源之间的线路上将流过很大的短路电流，这个电流我们标为Ik，Ik会使我们装设的电流保护继电器动作，这就形成了过流保护2.低电压保护：正常运行时，各母线上的电压一般都在额定电压的±5%~±10%范围内，发生短路后各母线电压有不同程度的降低，离短路点越近，电压降低程度越严重，，这样，利用短路点电压的降低，就可以构成低电压保护。