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电力装置及器件的 电子保护技术 凌志斌13701854895 1 电力装置及器件的 电子保护技术 1、电气设备安全 2、人身安全 电气设备和人身安全的电子保护 2 引言 电子保护：泛指采用各种电子元器件构成 电子线路来完成保护的功能。 电子保护是伴随着半导体电子技术的产生 ，随着半导体电子技术的发展而发展的。 电子技术、电子元器件的制造技术飞速发 展，因此，电子保护技术也不断地发展， 功能日益增强、融合。 包括早期的晶体管保护、集成电路保护和 近二十年发展起来的微机保护（如单片机 、DSP、80x86等）。 3 为什么需要保护？ 对于设备： 设备运行过程中的一些外部因素（如雷击过电压 、操作过电压、短路）和内部因素（如设备的 绝缘老化、内部的设计或者制造缺陷）会造成 设备的损坏。 对于人身： 1）设备的一些不正常情况可能会导致设备带电， 人接触后可能发生触电。 2）设备在某些故障情况下可能严重发热、产生火 花，引起火灾，危及人身安全。 3）设备在短路的情况下，机械结构可能损坏，造 成零部件的移动、脱落，危及人身安全。 “以人为本”就要求我们十分注意人身的安全。 4 电气设备损坏的原因： 1）受到电能质量的影响。 a）雷击过电压、操作过电压、系统故障时引起的过电 压可能造成设备的绝缘击穿或者烧毁。 b）欠压，会造成电动机输出功率降低，可能无法正常 运转，形成过电流而损坏电机。 c）断相，会造成设备三相严重不平衡，可能损坏设备 。 d）频率，频率过低会造成电力变压器和电动机励磁电 流加大，出现过励磁，铜损加大。频率过高会造成铁 磁材料的涡流损耗增加，铁损加大。对于电动机而言 ，可能使得转速超过额定转速，损坏机械强度。 e）谐波，谐波电压叠加在基波电压上，产生的峰值电 压可能会破坏设备的绝缘。谐波电流可能与电力电容 器产生谐振，使得电机损耗加大，发热严重。发生谐 波放大时可能会使电力电容器烧毁。 5 电气设备损坏的原因： 2）使用条件恶劣。如矿山、煤矿。潮湿、 粉尘、振动、冲击性负荷。 3）使用方法不当，甚至是野蛮操作。 4）设备自身的缺陷和设备的老化。 6 设备的损坏轻则造成不同程度的经济损失 ，重则可能会引发各种安全事故，造成恶 劣的社会影响。据我国相关部门的统计， 电气事故引起的火灾已经占火灾总数的30 ，而造成的损失则占到了55。一些重 大火灾大多由电气事故引起。随着经济的 发展，人民生活水平的提高，用电量日益 增加，因电气设备引发的事故也逐年增加 。 据统计，我国近年因电气事故造成的人身 伤亡事故为法国的400倍。（法国人口约 6000万）人均为法国的20倍。 7 保护有两大任务 保证故障状态下和不正常工作状态下的设 备安全。设备安全。 保证故障状态下和不正常工作状态下的人 身安全。人身安全。 8 实现保护功能的元件、装置 熔断器、断路器、脱扣器、各种保护继电 器和漏电保护开关。 其中，漏电保护开关既起保证人身安全也 起保证设备安全的作用。 9 保护装置的发展 一）熔断器、电磁式保护器、热保护器。 熔断器应该是最早出现的保护元件。自 从最早的电力系统建立就开始应用了。 特点： 缺点：不能整定或者整定的范围小、灵 敏度低、不能实现复杂的保护， 优点：原理简单、动作可靠。 10 保护装置的发展 二）晶体管保护、集成电路保护 （七十年代发展起来）由三个部分组成 11 保护装置的发展 缺点：功能单一。 优点：灵敏度较高，可以实现的保护类型 较多。 12 保护装置的发展 三）微机保护（从八十年代开始发展） 硬件结构框图： 13 保护装置的发展 特点： 优点： 1）可以实现完善复杂的保护要求（通过 软件算法实现） 2）灵敏度高。 3）一套电路可以多种保护功能。 缺点：如何保证可靠性是个关键的问题。 14 保护装置的发展 需要指出的是： 1）直流稳压电源的可靠性是保护装置可靠 性的一个关键环节。 2）保护装置实现保护功能的最终手段也只 是把设备从电路中断开，这一般都需要靠 断路器机械结构的动作来实现。其动作时 间多为10几十ms。所以电子保护动作 最少也有ms级的延时。 15 电流引起设备损坏 很多情况下，设备损坏的最直接的原因就 是电流过大。 电流过大的原因分为2类： 1）雷击电流和短路电流。 2）过负荷引起的过电流。 它们都能引起设备的损坏，但是损害机理 并不相同。 16 电流引起设备损坏的原因 电流的2个效应： 热效应。 力效应。 这2个效应都可能引起设备的损坏。 我们首先讨论短路电流的特点（见PDF）， 然后讨论一下短路时设备的温升问题。 17 短路时设备的温升计算 电气设备在运行的过程中，总会因为功率的损耗而引起 发热，这些功率损耗主要是： 在载流导体、线圈的电阻损耗。 损耗与电流I的大小、频率f相关。 接触处（触头等）的接触电阻引起的损耗。 损耗与电流I的大小相关。 载流导体周围的金属部件（特别是铁磁材料）处于交变 磁场中时所产生的磁滞、涡流损耗。 损耗与电流I的大小、频率f相关。 绝缘材料内部的介质损耗（主要是极化损）。 损耗与电压U的大小、频率f相关。 18 短路时设备的温升计算 因此，严格来讲，电气设备的功率损耗是电压U、电流I 、频率f的函数，即： 实际上，由于电压U、频率f的变化不大，而且在总的功 率损耗中，电阻性损耗占的比重最大，所以在大多数的 情况下，可以认为总的损耗与电流的平方成正比。 短路时，短路电流比正常电流要大许多倍（十几、几十 甚至上百倍），而设备上的损耗是基本与通过它的电流 的平方成正比，因此设备发热将急剧增加。 因此，虽然短路的持续时间一般较短，但是仍然可能使 得导体的温度上升到一个危险的数值。 19 短路时设备的温升计算 导体短路时发热的容许温度（条件：裸导体、空气中 散热、正常工作温度70） 实际上容许值是由材料温度系数、强度与温度的关系 共同决定的。 导体材料容许温度（）容许温升（） 铜300230 铝200130 钢（不与电器连）400330 钢（与电器连）300230 20 短路时设备的温升计算 短路时导体温升曲线如下图所示 21 短路时设备的温升计算 短路时导体温升有如下特点： 1）由于一般来说短路持续时间很短，发 热导体还来不及向周围物体（环境）散热 ，因此可以认为导体内部产生的热量全部 用来使导体温度升高。换句话说，短路时 发热计算可以作为“绝热过程”来考虑。 2）由于短路时导体温升一般很高，即温 度变化幅度大，因此需要考虑导体的电阻 和比热随温度变化的函数关系。 22 短路时设备的温升计算 短路的温升计算 23 电气设备的热稳定性 通常，把载流导体和电气设备耐受短路电 流的热效应而不致损坏的能力称为热 稳定性。 要求：最高温度18 0 36 电气设备的过负荷特性 有关部门的研究结果表明，温度每升高 6，变压器的寿命就会减少一半，即绝 缘老化的“六度法则”。根据材料的不同也 有“八度法则”、“十度法则”。 总之，就是“温度与寿命呈指数关系”。具 体多少度的温升使材料热老化寿命减少一 半，应该随具体的材料不同而不同，但一 般都在610之间。 37 电气设备的过负荷特性 二）对导体接触部分的影响。 当发热温度超过一定的值时，将使接触 部分的弹性元件退火而压力降低，并且使 接触面上形成电阻率很高的氧化膜（镀银 触头除外），这样将使接触电阻增大，引 起接触电阻消耗的功率增加，接触部分的 温度继续升高，当温度超过一定值后，将 会产生恶性循环，危及正常工作。 38 电气设备的过负荷特性 三）对机械强度的影响。 对于金属导体而言，当温度超过一定容许值后，由于 退火，机械强度将显著下降。铜、铝的抗拉强度与温度 的关系曲线。（圆导体，d13mm） 39 电气设备的过负荷特性 可见金属导体的机械强度，不仅与加热温 度有关，而且与加热时间有关。 长期发热时，铝的温度超过100，铜的 温度超过150；短期发热时，铝的温度 超过200，铜的温度超过2