电力工程基础 电力系统继电保护.pdf
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1、电工程基砒电系统继电保护电系统继电保护 6.1继电保护的基本知识 6.2常用保护继电器 6.3线路的电流电压保护 6.4电网的方向电流保护 6.5输电线路的接地保护 6.6距离保护简介 6.7电变压器的保护 6.8电动机保护 6.9电电容器的保护 6.10微机保护简介6.1继电保护的基本知识、继电保护的作用电系统继电保护装置是种能反应电系统中电气 元件发生故障或不正常运行状态,并动作于断路器跳闸或 发出信号的一种反事故自动装置。它的基本任务是:A自动、迅速、有选择地将故障元件从电系统中切除,使 其他非故障部分迅速恢复正常运行。A能正确反应电气设备的不正常运行状态,并根据要求发出 报警信号、减负
2、荷或延时跳闸。36.1继电保护的基本知识二、继电保护的基本原理图6-1继电保护装置组成方框图测量部分:从被保护对象输入有关信号,并与给定的整定 值进行比较,决定保护是否动作;逻辑部分: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,进行逻辑判断,以确 定保护装置是否应该动作;执行部分:根据逻辑部分做出的判断,执行保护装置所担 负的任务(跳闸或发信号)。46.1继电保护的基本知识三、对继电保护的基本要求选择性:保护装置动作时,仅将故障元件从电系统中 切除,使停电范围尽量缩小,最大限度地保证系统中的 非故障部分继续运行。速动性:继电保护装置应以尽可能快的速度将故障元件从
3、电网中切除。56.1继电保护的基本知识灵敏性:指保护装置对其保护范围内的故障或不正常运 行状态的反映能力。保护装置的灵敏性,通常用灵敏系数反来衡量。A对于反应故障时参数量增加的保护(如过电流保护):二保护区内故障时反应量的最小值s 保护动作的整定值A对于反应故障时参数量降低的保护(如低电压保护):_ 保护动作的整定值/V-S保护区内故障时反应量的最大值可靠性:指保护装置该动时不能拒动;不该动时不能误动。6.2常用保护继电器一、电磁型继电器(DL型)1.电磁型电流继电器结构:如图6-3所示。工作原理:当在继电器线圈中 通入电流人时,电磁铁产生的电 磁力七为:I2 N2 F=K em d2 Km当
4、电磁力冗加大于弹簧的反 作用式卯和摩擦时,继电 器便产生动作。图6-3电磁式电流继电器结构图1 线圈2 电磁铁3 钢舌片4-静触点5-动触点6-起动电流调节转杆7标度盘(铭牌)8 轴承9一反作用弹簧10转轴76.2常用保护继电器因此,欲使继电器动作的必要条件是:冗/+FfrA动作电流:能使继电器产生动作的最小电流,称为继电器 的动作电流,用/%k表示。F Rem _ mK-op-K NkFjFfrK调整继电器动作电流的方法有:/改变继电器线圈匝数(级进调节);/调节反作用弹簧的松紧,即调节下卯(平滑调节);/调整衔铁与电磁铁之间的气隙长度,即调节A优86.2常用保护继电器继电器动作后,减小就能
5、使继电器返回原位。欲使继 电器返回的必要条件是:尺/+FfrA返回电流:能使继电器返回到原始位置的最大电流,称为 继电器的返回电流,用表示。A返回系数:是指继电器的返回电流与动作电流的比值,用 表示,即re.KKre一op.K/对于过电流继电器,凡1,一般要求七=0.8 0.9;,对于欠电流继电器,Kre 1,一般要求七=1.06 1.2。96.2常用保护继电器2.电磁型电压继电器其结构和原理与电磁型电流继电器相似,在供配电系统 中多用低电压(欠电压)继电器。A动作电压:能使继电器产生动作的最高电压,称为继电器 的动作电压,用。面表示。A返回电压:能使继电器返回到原始位置的最低电压,称为 继电
6、器的返回电压,用。Z灰表示。A返回系数:是指继电器的返回电压与动作电压的比值。说明:低电压继电器的返回系数一般为1.25。106.2常用保护继电器3.时间继电器的作用:使保护装置获得一定的延时,以保 证保护装置动作的选择性。4.中间继电器的作用:为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量;A使触点闭合或断开时带有不大的延时(0.4 0.8s);A通过继电器的自保持,以适应保护装置的需要。5.信号继电器的作用:用于各保护装置回路中,作为保护 动作的指示信号,以提醒运行人员注意。116.2常用保护继电器二、感应型继电器(GL型)结构:如图6-4所示。A感应系统:由线圈1、带短路环3的电磁铁2和铝盘
7、4组成,它的动作是有 时限的;A电磁系统:由线圈1、电磁铁2和衔铁15组成,它的动作是瞬时的。图64感应式电流继电器结构图1 一线圈2电磁铁3一短路环4一可转铝盘5钢片 6可偏铝框架7调节弹簧8制动永久磁铁9 一扇形齿轮10蜗杆11 一扁杆12继电器触点13时限调节螺杆14 速断电流调节螺钉15衔铁16动作电流调节插销126.2常用保护继电器工作原理:当在继电器线圈中通入电流时,在铁心中 产生主磁遨(分巍1 甑2 O 在短路环中产生感应 电源,它又产生磁鳳,因此有短路环的磁极穿过铝盘的磁通为:=必无短路环的磁极穿过铝盘的磁通为:2=飯2+可。在铝盘中感应电势产生涡流1,二者产生电磁力吋;2在铝
8、盘中感应电势产生涡流前 2,二者产生电磁力m2。因此,铝盘受到的合成电磁力为:Fem=Feml-Fem2=K鱼 00c则电磁转矩Mg 0136.2常用保护继电器铝盘在转矩弧作用下转动后,切割永久磁铁的磁通而在铝盘中产生涡流,产生制动力矩厶0c%当必=河2时,铝盘匀速旋转;当铝盘受到的合力克服弹 簧的阻时,蜗杆与扇形齿片相咬合,继电器动作。A感应系统的动作电流:指蜗杆与扇形齿轮相咬合时,线圈 所需要通入的最小电流。A返回电流:指使扇形齿轮脱离蜗杆返回到原来位置时的最 大电流。A动作时间:指从蜗杆与扇形齿片相咬合起到接点闭合这 段时间。146.2常用保护继电器A电磁系统的速断电流:指当通入继电器线
9、圈的电流大到整 定值的某个倍数时,未等感应系统动作,衔铁右端瞬时被吸 下,接点立即闭合。时限特性:如图6-5所示。小段“反时限特性”时继电器铁心尚未饱和)此段“定时限”(铁心已 达到饱和);0段“速断特性”。动作电流倍数图65感应型电流继电器的动作特性曲线说明:“速断电流倍数”是速断电流与感应元件动作电流之比156.2常用保护继电器动作电流与动作时限调节方法A感应系统的动作电流调节:改变线圈的匝数(级进调节);改变弹簧的拉(平滑调节)。动作电流的整定值通过插孔板拧入螺钉来改变线圈的匝数来调 整(2,2.5,3.4.5,5,6.9,10A)A电磁系统动作电流调节:改变衔铁与电磁铁之间的气隙。其速
10、断动作电流调整范围是感应系统整定电流值的2 8倍。A感应系统的动作时限:改变扇形齿轮顶杆行程的起点,使动 作特性上下移动。注意:继电器动作时限调节螺杆的标度尺,是以10倍动作电流 的动作时限来标度的。166.2常用保护继电器 GL型电流继电器的功能:兼有电磁型电流继电器、时 间继电器、信号继电器和中间继电器的功能。因此,可用 感应型电流继电器实现过电流保护和电流速断保护,从而 使保护接线大大简化。三、静态继电器静态继电器是指用模拟电子电路及部分数字电路构成的 电子型继电器,分为晶体管型和集成电路型继电器两类。静态继电器的“静态”是相对于电磁型继电器的“触点”动作而言的,它的信息传递是通过“、1
11、开关信息传递的。,静态继电器是用硅材料为主构成的继电器,因此又叫“固体”继电器。176.2常用保护继电器1.晶体管型电流继电器晶体管型电流继电器的组成:如图6-6所示。图6-6晶体管型过电流继电器原理接线图186.2常用保护继电器 晶体管型电流继电器的动作情况 当V,时,UR3Ud,a点电位由正变负,V6导通,VT1基极电流减小一VT1进入放大区 VT1集电极电压 升高 VT2基极电流增大一 VT2进入放大区。下降 一4减小 VT1基极电流进步减小一VT1截止,VT2 导通,触发器输出电压u0=o,继电器动。当心W时,VT1又变为导通,VT2又变为截止,触发器又翻转到起始状态,继电器也随之复位
12、。196.2常用保护继电器2.集成电路型电流继电器,由集成电路构成的静态继电器,也是由电压形成回路、整 流滤波回路、逻辑回路和执行回路四部分组成,但在具体 构成时也有些差别。电压形成回路与晶体管继电器相同,整流滤波回路由运算 放大器构成,逻辑回路由CMOS等数字电路构成。为了减小直流电压的脉动系数,减轻滤波负担,在整流电 路中采用的是由运算放大器构成的全波整流电路或裂相整 流电路。/为了消除暂态过程中非周期分量及各种谐波分量的影响,滤波回路一般都釆用高品质因数的带通有源滤波器。6.3线路的电流电压保护、保护装置的接线方式口接线系数:在继电保护回路中,流入继电器中的电流心与 对应电流互感器的二次
13、电流的比值,称为接线系数,即K=国2设电流互感器的变比为K1=2,保护装置的动作电流为/则相应的电流继电器的动作电流为KwT-匕/op.K 叱 op216.3线路的电流电压保护1.三相完全星形接线方式(图6,)特点:可以反映各种形式的故障,其接线系数K/L2.三相不完全星形接线方式(图6-8)特点:可以反映除B相单相接地短路以外的所有故障,其接线系数=1。图6-7三相完全星形接线方式226.3线路的电流电压保护3.两相电流差接线方式(图6-9)流入继电器中的电流等于A、C两相电流互感器二次电流 之差,即=特点:各种短路形式下的接线系 数不同,如图6-10所示。,正常运行或三相短路时:k=a/3
14、,发生A、C两相短路时:Kw=2,A、B或B、C两相短路时:K=1图69两相电流差接线方式236.3线路的电流电压保护保护整定时取K6,灵敏度校验时取(=!246.3线路的电流电压保护二、过电流保护1.过电流保护的原理和组成定时限过电流保护的动作原理和组成(图641)图6-11定时限过电流保护的原理图和展开图 a)原理图b)展开图256.3线路的电流电压保护反时限过电流保护的动作原理和组成(图6-12)YR1 YR2I_I I KAIL-L-TAI H 4 YR1 KA1图612反时限过电流保护的原理图和展开图 a)原理图b)展开图266.3线路的电流电压保护2.过电流保护装置的整定计算动作电
15、流:保护装置的动作电流/应躲过线路的最大负荷电流max,即 Z ILop Z.maxA保护装置在外部故障切除后应可靠返回到原始位置(见图6-13)图6-13 过电流保护的计算示意图276.3线路的电流电压保护为此,要求装置保护的返回电流必须躲过外部短路切 除后流过保护装置的最大自起动电流叫.max,即e *st【L皿ax考虑引入一个可靠系数(R后,上式可改写为:re K re/K sJ L.max因此,保护装置的动作电流为:因,二K3K、maxKre则继电器的动作电流为:,k=等=戶max Ki KreKi式中,用e黑1.151.25;K%取885;人声1.53。286.3线路的电流电压保护动
16、作时限:应按“阶梯原则”整定(见图6-14)即=+A/定时限过电流保护:A/=0.5s反时限过电流保护:At=0.7s说明:定时限过电流保护的动 作时间取决于时间继电器预先 整定的时间,与短路电流的大 小无关;反时限过电流保护的 动作时间需要根据前后两级保 护的GL型电流继电器的动作 特性曲线来整定。图6-14过电流保护整定说明图 a)电路b)定时限过电流保护的时限整定 c)反时限过电流保护的时限整定296.3线路的电流电压保护设图6-14a中,KA2的10倍动作电流的动作时间已整定为 则KA1的10倍动作电流的动作时间的整定方法步骤如下(见 图 645):,计算WL2首端的三相短路 电流反应
17、到KA2中去的 电流值:忆,_ Aw(2)(2)lk/计算对KA2的动作电 流/%K的倍数,即(2)n2=-厶.K(2)0 I 勺2 10动作电流倍数图6-15反时限过电流保护的动作时间整定306.3线路的电流电压保护/确定KA2的实际动作时间:由点一点一。,计算KA1的实际动作时间:t=%+A/(取A,=0.7s),计算WL1首端的三相短路电流反应到KA1中去的电流值:丁,_.T计算,对KA2的动作电流,上的倍数,即4/确定KA2的10倍动作时间:由“1点和“找到交点点,从过点所在的曲线上找出胃=10时对应的时间即为所求。316.3线路的电流电压保护灵敏度校验:K-min$Iop式中,/*i
18、n为系统最小运行方式下本线路末端(作近后备时),v 丄丄丄丄丄丄或相邻线路末端(作远后备时)的两相短路电流。作远后备时,要求.2;作近后备时,要求K之1.31.5。若灵敏度不满足要求,可采用低电压闭锁的过电流保护来提高其灵敏度。过电流保护的评价:优点:既可作本级近后备,又可作下级远后备。缺点:越靠近电源端,定时限过电流保护的动作时限反 而越长,因此不能作为主保护;反时限过电流保护的接线 简单,但动作时限整定复杂。326.3线路的电流电压保护三、低电压闭锁的过电流保护(图6-16)保护装置有两个测量元件:,过电流继电器KA欠电压继电器KV过电流继电器的动作电流 t K rei K wKreKi低
19、电压继电器的动作电压U t r _ w.mm re/八 u图616低电压闭锁的过电流保护单相原理接线图式中,/min为母线的最小工作电压,取。9厶;取1.25;承L11.2。336.3线路的电流电压保护四、瞬时电流速断保护1.瞬时电流速断保护的作用原理与整定计算(图6-17)曲线1/鼠=)曲线2/累m=70)直线3瞬时电流速 保护的动作电流。动作电流:躲过本保 护区末端B处的最大短 路电流,即 k.B.max/=K)op rel k.B.max式中,1.21.3。图617瞬时电流速断保护的工作原理图346.3线路的电流电压保护灵敏度校验:要求其最小保护范围不小于线路全长的15%20%。若灵敏度
20、不满足要求,可采用电也可以按本线路首端台 流电压联锁保护敏度,以保护1为例,其U2)心二4min私。,系数为:各电流来校验保护的灵op2.瞬时电流速断保护的原理接线图(图 6-18)瞬时电流速断保护的评价:优点:简单可靠,动作迅速;缺点:不能保护线路全长,有QSYR图618瞬时电流速断保护 的单相原理接线图保护死区。356.3线路的电流电压保护五、电流电压联锁速断保护(图6-19)整定原则:和瞬时电流速断 保护一样,按躲过线路末端故 障来整定。通常按经常运行方 式下电流元件和电压元件的保 护范围相等来进行整定计算。设经常运行方式下的保护 区为=0.75丄,则A电流继电器的动作电流为:T _ E
21、s opX+X/366.3线路的电流电压保护A电压继电器的动作 压继电器决定印沙保护范围由电 流继电器决定当下级线路首端发生短喀(施维里决疋最大运行方式下,KA可能动作,但K0不会动绢竝氏原、0 整套保护不动最小运行方式下,KV可能动作,但KA不会动9作可见,在这两种情况下都能保证选择性,且保护范围均比 正常情况下的保护范围小。由图-19知,电流电压联锁速断保护的最小保护范围比瞬时电流速断保护的保护范围大,即,所以灵敏度比 瞬时速断保护高。376.3线路的电流电压保护六、带时限电流速断保护(图6-20)动作电流:躲过相邻?闿 盅2 线路瞬时电流速断保护 十图620带时限电流速断保护的工作原理图
22、op386.3线路的电流电压保护七、三段式过电流保护由瞬时电流速断保护(第I段)、带时限电流速断保 护(第n段)和定时限过电流保护(第in段)配合构成的 一整套保护,称为三段式过电流保护。1.三段式过电流保护的保护范围及时限配合(图21):第I段:为本线路的辅助保护,动作电流为保护范 围为小 动作时间:为继电器的固有动作时间;:第n段:为本线路的辅助保护,动作电流为/工,保护范 围为,动作时间=.+加;:第in段:作为本线路的近后备和相邻线路保护的远后备,动作电流为,保护范围为/,动作时限=【+A/0396.3线路的电流电压保护406.3线路的电流电压保护2.三段式过电流保护的构成(图22)图
23、6-22三段式过电流保护的原理接线图和展开图 a)原理接线图b)展开图會第I段:由KAL KA2、KM和KS1组成;第II段:由KA3、KA4、KT1和KS2组成;會第III段:由KA5、KA6、KA7、KT2和KS3组成。例6-1(见教材194页)6.4电网的方向电流保护、方向电流保护的基本原理1.问题的提出(图23)图6-23 双侧电源供电网络/点短路时要求:t5 kZ点短路时要求:t5 Z4两者矛盾 装方向保护426.4电网的方向电流保护保护原理:A双电源系统中的过电流保护一定要装设方向保护。并规定:短路功率从母线线路(为正)时,=保护动作短路功率从线路母线(为负)时,保护不动作 A单方
24、向过电流保护的动作时间按阶梯原则进行配合。图6-23中,应满足厶 七和厶。A同一母线两侧的保护,时限长的可不装方向保护,时限相 同时都要装方向保护。436.4电网的方向电流保护2.方向过电流保护的单相原理接线图(图6-24)主要由方向元件、电流元件、时间元件和信号元件等组成。图中方向元件KP和 电流元件KA的触点 串联,只有当两个 元件都动作时,保 护才能动作跳闸。图6-24方向过电流保护的单相原理接线图446.4电网的方向电流保护二、功率方向继电器的工作原理1.相位比较式功率方向继电器对图6-25a所中的保护1而言:Ak1点短路时,短路电流从母线流向线路(为正),0(pKX功率方向继电器动作
25、。AkZ点短路时,短路电流从线路流向母线(为负),180 0k2功率方向继电器不动作。则功率方向继电器的动作方程为:C UK C-90 arg 七90。一 1一其动作特性可用图6-26a所示的相量图表示。456.4电网的方向电流保护图625功率方向继电器工作原理的分析a)网络接线 b)正方向点短路相量图c)反方向k2点短路相量图实际应用中,为使正方向短路时功率方向继电器的测量功 率最大,可以调整继电器应的内角(为30。或45。),此 时,功率方向继电器的动作方程为:466.4电网的方向电流保护uK-90-a arg了。2上式表明,继电器的动作特性需逆时针转动e角,如图6.26b所示。图中,化为
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