电力工程电力系统继电保护教学PPT.ppt

第6章电力系统继电保护 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电力变压器的保护6 8电动机保护6 9电力电容器的保护6 10微机保护简介 6 1继电保护的基本知识 电力系统继电保护装置是一种能反应电力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自动装置 一 继电保护的作用 自动 迅速 有选择地将故障元件从电力系统中切除 使非故障部分迅速恢复正常运行 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 减负荷或延时跳闸 它的基本任务是 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 二 继电保护的基本原理 图6 1继电保护装置组成方框图 三 对继电保护的基本要求 选择性 保护装置动作时 仅将故障元件从电力系统中切除 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电网中切除 图6 2电力系统继电保护选择性说明图 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ks来衡量 对于反应故障时参数量增加的保护 如过电流保护 对于反应故障时参数量降低的保护 如低电压保护 可靠性 指保护装置该动时不能拒动 不该动时不能误动 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ik时 电磁铁产生的电磁转矩克服弹簧的反作用转矩和摩擦转矩时 继电器动作 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 反作用弹簧10 转轴 6 2常用保护继电器 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ire k表示 返回系数 是指继电器的返回电流与动作电流的比值 用kre表示 即 继电器动作后 减小ik就能使继电器返回原位 说明 过电流继电器的返回系数kre 1 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 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uop k表示 返回电压 能使继电器返回到原始位置的最低电压 称为继电器的返回电压 用ure k表示 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kre 1 4 电磁型中间继电器作用 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 为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量 使触点闭合或断开时带有不大的延时 0 4 0 8s 通过继电器的自保持 以适应保护装置的需要 3 电磁型时间继电器作用 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 是由电磁起动机构和一个钟表延时机构组成 6 3线路的电流电压保护 一 保护装置的接线方式 接线系数 在继电保护回路中 流入继电器中的电流ik与对应电流互感器的二次电流i2的比值 称为接线系数 即 设电流互感器的变比为 保护装置的动作电流为iop 则相应的电流继电器的动作电流为 1 三相完全星形接线方式 图6 7 特点 可以反映各种形式的故障 其接线系数kw 1 2 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kw 1 图6 7三相完全星形接线方式 图6 8两相不完全星形接线方式 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 发生a c两相短路时 a b或b c两相短路时 图6 9两相电流差接线方式 图6 9两相电流差接线方式在不同短路形式下的电流相量图 一般情况下 保护整定时取 灵敏度校验时取kw 1 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6 11 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 反时限过电流保护的动作原理和组成 图6 12 图6 12反时限过电流保护的原理图和展开图a 原理图b 展开图 2 过电流保护装置的整定计算 动作电流 iop il max 保护装置的动作电流iop应躲过线路的最大负荷电流il max 即 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 为此 要求装置保护的返回电流ire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kstil max 即 ire kstil max 考虑ire iop 引入一个可靠系数krel后 上式可改写为 则继电器的动作电流为 式中 krel为可靠系数 dl型继电器取1 2 gl型继电器取1 3 kw为接线系数 由保护的接线方式决定 kre为继电器的返回系数 dl型继电器取0 85 gl型继电器取0 8 ki为电流互感器变比 动作时限 应按 阶梯原则 整定 见图6 14 定时限过电流保护 反时限过电流保护 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 即 设图6 14a中 ka2的10倍动作电流的动作时间已整定为t2 则ka1的10倍动作电流的动作时间t1的整定方法步骤如下 见图6 15 计算wl2首端的三相短路电流ik反应到ka2中去的电流值 计算对ka2的动作电流的倍数 即 图6 15反时限过电流保护的动作时间整定 确定ka2的实际动作时间 由n2点 a点 计算wl1首端的三相短路电流ik反应到ka1中去的电流值 计算对ka2的动作电流的倍数 即 确定ka2的10倍动作时间 由n1点和找到交点b点 从过点b所在的曲线上找出n 10时对应的时间t1即为所求 计算ka1的实际动作时间 取 灵敏度校验 式中 为系统最小运行方式下本线路末端的两相短路电流 作主保护时 要求ks 1 5 作后备保护时 要求ks 1 25 过电流保护的评价 优点 既可作本级主保护 又可作下级后备保护 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 反时限过电流保护的接线简单 但动作时限整定复杂 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 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 式中 uw min为母线的最小工作电压 取0 9un kre取1 25 kre1取1 1 1 2 过电流继电器的动作电流 低电压继电器的动作电压 图6 16低电压闭锁的过电流保护单相原理接线图 例6 1 试整定图所示线路1wl的定时限过电流保护 已知1ta的变比为750 5a 线路最大负荷电流 含自启动电流670a 保护采用两相两继电器接线 线路2wl定时限过电流保护的动作时限0 7s 最大运行方式时k1点三相短路电流4ka k2点三相短路电流2 5ka 最小运行方式时k1和k2点三相短路电流分别为3 2ka和2ka 解 1 整定动作电流 过电流保护一次侧动作电流为 2 整定动作时限线路1wl定时限过电流保护的动作时限应较线路2wl定时限过电流保护动作时限大一个时限级差 t 选dl 11 10电流继电器 线圈并联 整定动作电流7a 3 校验保护灵敏度保护线路1wl灵敏度按线路1wl末端最小两相短路电流校验 线路2wl后备保护灵敏度 用线路2wl末端最小两相短路电流校验 由此可见 保护整定满足灵敏度要求 四 电流速断保护的接线和工作原理 2 电流速断保护的整定 1 动作电流整定为了保证速断保护动作的选择性 在下一级线路首端发生最大短路电流时电流速断保护不应动作 即速断保护动作电流iop1 ik max 速断保护动作电流整定值为 式中 ik max为线路末端最大三相短路电流 kre1为可靠系数 dl型继电器取1 3 gl型继电器取1 5 kw为接线系数 ki为电流互感器变比 需要注意的是 电流速断保护的动作电流大于线路末端的最大三相短路电流 电流速断保护存在保护死区 只能保护线路的一部分 线路不能被保护的部分称为保护死区 线路能被保护的部分称为保护区 四 单相接地保护单相接地保护装置有 零序电流保护及绝缘监察装置 原理图 示意图 2 灵敏度校验用线路首端最小两相短路电流校验 即 1 5 架空线路用三只电流互感器构成零序电流互感器 电缆线路用一只零序电流互感器 实现有选择性的单相接地保护 又称零序电流保护 发生单相接地时 有接地电容电流通过 此电流在二次侧感应出零序电流 继电器动作 3 绝缘监视装置系统正常运行时 三相电压对称 三只相电压表读数近似相等 开口三角形绕组两端电压近似为零 电压继电器不动作 系统发生单相接地故障时 接地相对地电压近似为零 该相电压表读数近似为零 非故障相对地电压近似为线电压 同时 开口三角形绕组两端电压也升高 近似为100v 电压继电器动作 发出单相接地信号 以便运行人员及时处理 因此 绝缘监视装置又称为零序电压保护 运行人员可根据接地信号和电压表读数 判断哪一段母线 哪一相发生单相接地 但不能判断哪一条线路发生单相接地 因此绝缘监视装置是无选择性的 只能采用依次拉合的方法 判断接地故障线路 1 接线和工作原理 2 保护整定 1 过负荷保护的动作电流按线路的计算电流ic整定 即 式中 krel为可靠系数 取1 2 1 3 ki为电流互感器之比 2 动作时间一般整定10s 15s 五 过负荷保护 6 4电力变压器的继电保护电力变压器的常见故障和保护配置1 常见故障常见故障分短路故障和不正常运行状态 1 变压器的短路故障按发生在变压器油箱的内外 分内部故障和外部故障 内部故障有匝间短路 相间短路和单相碰壳故障 外部故障有套管及其引出线的相间短路 单相接地故障 2 变压器的不正常运行状态有过负荷 油面降低和变压器温度升高等 2 保护配置 1 装设过电流保护和电流速断保护装置用于保护相间短路 2 800kva以上油浸式变压器和400kva及以上车间内油浸式变压器应装设气体保护装置用于保护变压器的内部故障和油面降低 3 单台运行的变压器容量在10000kva及以上和并列运行的变压器每台容量在6300kva及以上或电流速断保护的灵敏度不满足要求时应装设差动保护装置用于保护内部故障和引出线相间短路 4 装设过负荷保护和温度保护装置分别用于保护变压器的过负荷和温度升高 变压器的气体保护气体保护是保护油浸式电力变压器内部故障的一种主要保护装置 按gb50062 92规定 800kva及以上的油浸式变压器和400kva及以上的车间内油浸式变压器均应装气体保护 1 气体继电器的结构和工作原理fj3 80型开口杯挡板式气体继电器的结构示意图 当变压器油箱内部故障时 电弧的高温使变压器油分解为大量的油气体 气体保护就是利用这种气体来实现保护的装置 变压器正常运行 气体继电器容器内充满油 上 下两对干簧触点处于断开位置 轻瓦斯动作 变压器油箱内部发生轻微故障时 产生的气体较少 气体缓慢上升 上干簧触点闭合 发出报警信号 重瓦斯动作 变压器油箱内部发生严重故障时 产生大量的气体 油汽混合物迅猛地从油箱通过联通管冲向油枕 下干簧触点闭合 发出跳闸信号 使断路器跳闸 变压器油箱严重漏油 随着气体继电器内的油面逐渐下降 首先上触点闭合 发出报警信号 接着下触点闭合 发出跳闸信号 使断路器跳闸 2 气体保护的接线 3 气体保护的安装和运行气体继电器安装在变压器的油箱与油枕之间的联通管上 要求变压器安装时应有1 1 5 的倾斜度 变压器在制造时 联通管对油箱上盖也应有2 4 倾斜度 五 变压器的差动保护1 差动保护的工作原理 变压器差动保护的保护范围是变压器两侧电流互感器安装地点之间的区域 它可以保护变压器内部及两侧绝缘套管和引出线上的相间短路 保护反应灵敏 动作无限时 2 变压器差动保护中不平衡电流产生的原因和减小措施 1 变压器联结组引起的不平衡电流 2 电流互感器变比引起的不平衡电流 3 变压器励磁涌流引起的不平衡电流此外 变压器两侧电流互感器的型号不同 有载调压变压器分接头电压的改变也会在差动回路中产生不平衡电流 综上所述 产生不平衡电流的原因很多 可以采取措施最大程度地减小不平衡电流 但不能完全消除 习题 1 由于采用的继电器不同 过电流保护可以分为和 2 电流保护的接线方式有 和 3 电流保护主要有和 4 供配电系统中常用的继电器主要是和 5 电力线路的保护主要有 和 答案 1 定时限过电流保护 反时限过电流保护2 三相三继电器式 两相两继电器式 两相三继电器式 两相一继电器式3 过电流保护 电流速断保护4 电磁式继电器 感应式继电器5 过电流保护 电流速断保护 单相接地保护 零序功率方向继电器的灵敏度校验 式中 为保护区末端接地短路时 保护安装处的最小零序功率 为零序功率方向继电器的动作功率 说明 由于接地故障点的零序电压最高 所以当接地故障位于保护安装处附近时 不会出现零序方向继电器的电压死区 根据规程要求 作近后备时 本线路末端接地短路 ks 1 5 作远后备时 相邻线路末端接地短路 ks 2 三 小接地电流系统的接地保护 1 小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布 图6 39 图6 39小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布 由图6 39可知 电容电流分布的特点如下 发生单相接地 全系统都会出现零序电压 非故障线路的c相对地电容电流为零 只有a相和b相有电容电流 而故障线路的c相对地电容电流不为零 非故障线路的零序电流为该线路本身对地的电容电流 其方向由母线指向线路 对故障线路wl3而言 c相中有从线路流向母线 b c相中有从母线流向线路 所以 故障线路始端所反应的零序电流为 上式说明 故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和 其方向是从由线路流向母线 2 小接地电流系统的单相接地保护 绝缘监视装置 发生单相接地故障时 利用母线电压互感器二次侧开口三角形端子上零序电压来起动过电压继电器 动作于信号 零序电流保护 根据故障线路零序电流大于非故障线路零序电流这一特点 可以构成有选择性的零序电流保护 并可动作于信号或跳闸 对于架空线路 采用零序电流滤过器 动作电流为 特点 保护比较简单 但给出的信号没有选择性 为正常负荷电流产生的不平衡电流 说明 按上式确定的动作电流 一般不能躲开本线路外部三相短路时所出现的不平衡电流 因此应加装时限元件来保证选择性 其动作时限应比相间短路的过电流保护大一个 动作电流 对于电缆线路 采用零序电流互感器 其动作电流为 电缆线路正常运行时的不平衡电流很小 可忽略 灵敏度校验 式中 为本线路单相接地时 非故障线路对地电容电流的总和 应取最小值 对架空线路 要求ks 1 5 对电缆线路 要求ks 1 25 零序功率方向保护 利用故障线路和非故障线路的保护安装处零序功率方向相反的特点来实现有选择性的保护 动作于信号或跳闸 适用于零序电流保护的灵敏度不满足要求和接线复杂的网络中 6 6距离保护简介 一 距离保护的基本概念 距离保护是反应保护安装处至故障点的距离 或阻抗 并根据距离的远近而确定是否动作的一种保护装置 正常工作时 保护安装处测量到的电压为 电流为负荷电流 比值基本上是负荷阻抗 其值较大 当系统短路时 保护安装处测量到的电压为残余电压 电流为短路电流 比值为短路阻抗 其值较小 距离保护的工作原理 距离保护的优点 由于只与短路点到保护安装处的距离有关 因此 用构成的距离保护 其保护范围基本上不受运行方式变化的影响 距离保护的保护范围 距离保护的保护范围用整定阻抗zset值的大小来表示 当线路发生短路时 若距离保护的测量阻抗zm小于整定阻抗 即zm zset 保护动作 若zm zset 则保护不动作 因此 距离保护实质上是一种低量动作保护 二 距离保护的时限特性 采用三段式阶梯延时特性 如图6 40所示 第i段 保护范围为本线路全长的80 85 动作时限为继电器本身的固有时间 第ii段 保护范围为本线路全长的125 其动作时限应比下一线的第i段保护动作时限大 第iii段 保护范围较长 包括本线路和下一线路全长乃至更远 其动作时限应比下一线路第iii段的动作时限大 图6 40距离保护的时限特性 三 距离保护的主要组成元件 三段式距离保护装置的简化逻辑框图如图6 41所示 图6 41三段式距离保护的组成元件框图 起动元件 采用过电流继电器或阻抗继电器 测量元件 采用带方向性的阻抗继电器 时间元件 采用时间继电器或延时电路 四 阻抗继电器的基本构成原理与动作特性 图6 42中 设bc线路距离 段的整定阻抗zset 0 85zbc 并设 则阻抗继电器的动作特性应是在zset范围内的一条线段 由于受短路点过渡电阻和互感器角误差的影响 通常用包含该线段在内的一个圆来表示 图6 42阻抗继电器的动作特性1 全阻抗继电器特性圆2 方向阻抗继电器特性圆 全阻抗继电器 以b点为圆心 以zset为半径得到的圆1 称为全阻抗继电器的特性圆 方向阻抗继电器 以b点为圆心 以zset为直径得到的圆2 称为方向抗继电器的特性圆 由特性圆2可以看出 当方向阻抗继电器的整定阻抗角与线路的阻抗角相等 即时 继电器的动作阻抗zop最大 等于圆的直径 保护范围最长 继电器最灵敏 此时的整定阻抗角称为阻抗继电器的最大灵敏角 用表示 注意 全阻抗继电器在线路反方向短路时也动作 即继电器没有方向性 因此 必须和方向元件配合使用使以其反方向短路时不动作 五 阻抗继电器的接线方式 要求 输入到阻抗继电器的电压和电流应使其比值正比于故障点至保护安装处的距离 且与故障类型无关 经分析知 在不同短路情况下 不同接线方式的阻抗继电器的测量阻抗是不同的 0 接线 只在 和时 测量阻抗为z1l 因此 这种接线多用于相间距离保护 接线只在 和时 测量阻抗为z1l 因此 这种接线多用于接地距离保护 30 和 接线方式的阻抗继电器在不同故障类型时 其测量阻抗的数值与相位均不相同 因此 这种接线方式可应用于圆特性方向阻抗继电器 6 7电力变压器的保护 一 电力变压器的故障类型和应装设的保护 故障类型 内部故障 绕组的匝间短路绕组的相间短路单相接地短路 外部故障 相间短路单相接地短路 异常运行状态 变压器过负荷外部短路引起的过电流油箱漏油引起的油面过低外部接地故障引起的中性点过电压变压器油温升高 应装设的保护 主保护 瓦斯保护 轻瓦斯 动作于信号重瓦斯 动作于跳闸 纵联差动保护或电流速断保护 后备保护 辅助保护 过电流保护复合电压起动的过电流保护低电压起动的过电流保护负序过电流保护 单相接地保护过负荷保护过励磁保护温度保护 二 瓦斯保护 瓦斯继电器的结构和工作原理 瓦斯继电器安装在油箱与油枕之间的连接管道上 如图6 43所示 一对触点在变压器油箱内发生轻微故障时动作 作用于信号 轻瓦斯动作 另一对触点在变压器油箱内发生严重故障时动作 作用于跳闸 重瓦斯动作 瓦斯继电器有两对灵敏的触点 图6 43瓦斯继电器安装示意图1 变压器油箱2 连接管3 瓦斯继电器4 油枕 图6 44为目前在我国电力系统中推广应用的是开口杯挡板式瓦斯继电器的内部结构 图6 44fj3 80型瓦斯继电器的结构示意图1 盖2 容器3 上油杯4 永久磁铁5 上动触点6 上静触点7 下油杯8 永久磁铁9 下动触点10 下静触点11 支架12 下油杯平衡锤13 下油杯转轴14 挡板15 上油杯平衡锤16 上油杯转轴17 放气阀18 接线盒 正常运行 上 下触点均断开 油箱内部发生轻微故障 上触点合 发出信号 轻瓦斯动作 油箱内部发生严重故障 下触点闭合 发出跳闸脉冲 重瓦斯动作 变压器漏油使油面降低 首先是上触点闭合发出报警信号 然后下触点闭合发出跳闸脉冲 变压器瓦斯保护的接线图 图6 45 优点 动作迅速 灵敏度高 能反应油箱内部发生的各种故障 缺点 不能反应变压器外部端子上的故障 图6 45瓦斯保护原理接线图 注意 由于重瓦斯保护是靠油流的冲击而动作的 而油流速度的不稳定可能造成触点的抖动 为使断路器能可靠跳闸 出口中间继电器km必须有自保持回路 三 电流速断保护 对于容量较小的变压器 应在电源侧装设电流速断保护 动作电流 躲过变压器二次侧母线短路时的最大短路电流 即 式中 krel取1 2 1 3 躲过变压器空载合闸时的最大励磁涌流 即 说明 当变压器电源侧为小接地电流系统时 保护可采用两相式接线 当电源侧为大接地电流系统时 可采用三相式或两相三继电器式接线 灵敏度校验 按保护装置安装处 一次侧 的最小两相短路电流来校验 即 2 0 式中 为变压器一次侧的最小两相短路电流 四 变压器的纵联差动保护 1 纵联差动保护的基本原理 双绕组变压器差动保护的原理接线如图6 46所示 若灵敏度不满足要求 可改用差动保护 正常运行或外部短路时 k1点 继电器不动作 内部短路时 k2点 或 继电器动作 图6 46变压器差动保护原理接线图 双侧电源 单侧电源 2 差动保护的不平衡电流 由变压器两侧绕组接线不同而产生的不平衡电流 补偿方法为 将变压器星形侧的电流互感器接成三角形 而将变压器三角形侧的电流互感器接成星形 见图6 47 星形侧电流互感器的变比为 三角形侧电流互感器的变比为 由于yd11接线变压器两侧线电流之间有30 的相位差 如果两侧的电流互感器采用相同的接线方式 将会在差动回路中产生很大的不平衡电流 图6 47y d11接线变压器差动保护接线和相量图a 接线图b 相量图 由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生的不平衡电流 由两侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流 解决办法 利用具有速饱和铁心的差动继电器中的平衡线圈来进行补偿 解决办法 在整定计算时引入一个同型系数ksam 若两侧ta型号不同取1 两侧ta型号相同取0 5 由于电流互感器变比的标准化 使各侧电流互感器的实际变比大于计算变比 因此 正常运行时差动回路中将会有不平衡有电流流过 两侧的电流互感器的型号不同 它们的磁化特性也就不同 因此 在差动回路中将产生不平衡电流 由带负荷调整变压器的分接头而产生的不平衡电流 由变压器励磁涌流所产生的不平衡电流 励磁涌流波形中含有很大的非周期分量 它偏于时间轴的一侧 并迅速衰减 涌流波形中含有大量的高次谐波 其中以二次谐波为主 波形之间出现间断 改变分接头的位置 实际上就是改变变压器的变比 因此 电流互感器二次侧电流将会改变 从而将就会产生一个新的不平衡电流流入差动回路 当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时 就可能产生很大的励磁电流 励磁涌流 在差动保护中 减小励磁涌流影响的方法有 采用具有速饱和铁心的差动继电器 bch 2型 采用比较波形间断角来鉴别内部故障和励磁涌流的差动保护 利用二次谐波制动而躲开励磁涌流 3 带速饱和中间变流器的差动保护 bch 2型 速饱和变流器的工作原理 结论 变压器差动保护中的不平衡电流要完全消除是不可能的 但采取措施减小其影响 用以提高差动保护的灵敏度是完全可以的 速饱和变流器是一个铁心截面很小 易于饱和的中间变流器 当速饱和变流器的一次线圈中流过只有周期分量电流时 在二次线圈中感应的电势很大 故周期分量容易变换到二次侧 图6 48a 当一次线圈中流过暂态不平衡电流时 由于它含有很大的非周期分量 电流偏于时间轴的一侧 在二次侧感应的电势很小 故非周期分量不易变换到二次侧 图6 48b 图6 48速饱和变流器的工作原理说明图a 通过周期分量电流b 通过非周期分量电流 bch 2型差动继电器 图6 49 b柱截面是a c柱截面的2倍 nb1 nb2为两个完全相同的平衡线圈 用来平衡差动回路中的不平衡电流 nd为差动线圈 和为短路线圈 且 两线圈反极性串联 用来增强躲过励磁涌流的能力 n2为二次线圈 图6 49bch 2型差动继电器结构简图 令 工作原理 当在差动线圈nd中流过差动电流id时 在铁心中产生磁通 使线圈和均感应电势 并在两个短路线圈中产生环流ik 同时产生感应磁通 则 则 将ik归算到一次侧 并以表示 即 则 当短路线圈开路时 则 此时的bch 2型差动继电器与普通带速饱和变流器的差动继电器相同 当变压器外部短路 或空载投入变压器 时 流入差动线圈中的暂态电流电流中含有大量非周期分量 它不易传变到二次侧 而是作为励磁电流使铁心速饱和 从而增大磁阻ra rb rc 使和都减小 但由于二次传变作用使减小更显著 综合看来减小了 由n2产生的感应电势随之减小 继电器不易动作 若同时增加和 但仍保持 短路线圈和产生的磁通增大 使b柱的综合磁通减少 即减少了b柱进入c柱的份额 而增大了a柱进入c柱的份额 相应减小 更有利于躲开励磁涌流的影响 双绕组变压器差动保护单相接线图 图6 50 图6 50双绕组变压器差动保护原理接线图 两个短路线圈同名端的匝数比保持为2 大变压器可选用较少匝数 中小型变压器选用较多匝数 bch 2型差动保护整定计算 确定基本侧 按额定电压和变压器的额定容量计算出各侧一次额定电流in1 并按kwin1选择各侧电流互感器变比 则各侧二次回路额定电流为 确定保护的一次动作电流 躲过变压器的励磁涌流 即 式中 krel取1 3 int为变压器基本侧的额定电流 取in2最大侧为基本侧 该侧电流即为基本侧电流iba 躲过变压器外部短路时的最大不平衡电流 即 式中 krel取1 3 ik max为外部短路时 流过变压器基本侧的最大短路电流 knp为非周期分量影响系数 取1 ksam为电流互感器的同型系数 两侧ta型号不同时取1 型号相同时取0 5 fi为电流互感器的10 误差 取0 1 为变压器调压分接头改变引起的相对误差 取调压范围的一半 为由于平衡线圈的整定匝数与计算匝数不相等而产生的相对误差 其值为 初步整定计算时 可暂取0 05 躲过变压器正常运行时的最大负荷电流 即 式中 krel取1 3 则基本侧继电器的动作电流为 确定基本侧差动线圈匝数 取以上三个条件计算结果的最大值作为基本侧的一次动作电流 选择比nd c稍小而又相接近的匝数作为差动线圈的整定匝数nd set 因此 继电器和保护装置的实际动作电流分别为 确定非基本侧平衡线圈匝数 或 选择与nb c相接近的匝数作为平衡线圈的整定匝数nb set 校验相对误差 即 若 0 05 则以上结果均有效 若 0 05 则需将此计算值代入重新计算差动保护的动作电流和各线圈的匝数 确定短路线圈抽头的位置 对中小型变压器 由于励磁涌流倍数大 内部故障电流中的非周期性分量衰减较快 对保护的动作时间要求较低 故一般选用较多的匝数 对大型变压器 由于励磁涌流倍数小 非周期性分量衰减较慢 切除故障又要求快 故一般选用较少的匝数 灵敏度校验 2 式中 为保护范围内部短路时 归算倒基本侧的最小两相短路电流 若灵敏度达不到要求 应选择带制动特性的差动保护 bch 1型 五 变压器相间短路的后备保护 1 过电流保护 过电流保护应装在变压器的电源侧 采用完全星形接线 其单相原理接线如图6 51所示 动作电流 应躲过变压器可能出现的最大负荷电流 但具体问题应作如下考虑 图6 51变压器过电流保护单相原理接图 对并列运行的变压器 应考虑切除一台时所出现的过负荷 当各台变压器容量相同时 可按下式计算 对于降压变压器 应考虑低压侧负荷电动机自起动时的最大电流 即 式中 krel取1 2 1 3 kre取1 25 kst取1 5 2 5 动作时限 应比出线过流保护的动作时限大 灵敏度校验 作近后备时 要求ks 1 5 作远后备时 要求ks 1 2 若灵敏度达不到要求 可采用低电压起动的过电流保护或复合电压起动的过电流保护 2 低电压起动的过电流保护 图6 52 图6 52低电压起动的过电流保护原理接线图 电流元件的动作电流 应躲过变压器的额定电流 即 低电压元件的动作电压 应躲过正常情况下母线上可能出现的最低工作电压 通常取 低电压元件灵敏度校验 1 2 式中 为最大运行方式下 相邻元件末端三相短路时 保护安装处的最大线电压 若电压元件的灵敏度达不到要求 可采用复合电压起动的过电流保护 3 复合电压起动的过电流保护 图6 53 图6 53复合电压起动的过电流保护原理接线图 电流元件和低电压元件的整定原则与低电压起动的过电流保护相同 负序电压继电器的动作电压 躲过正常运行方式下负序滤过器出现的最大不平衡电压 通常取 灵敏度校验 与上述两种过电流保护相同 对大容量变压器 当采用复合电压起动的过电流保护灵敏度不能满足要求时 可采用负序电流保护 4 三绕组变压器过流保护的装设原则 对单侧电源的三绕组变压器 一般应装设两套过电流保护 如图6 54所示 一套装在负荷侧 如ii侧 该侧外部短路时 保护以时限跳开qf2 另一套装在电源侧 i侧 它有两个动作时限和 当iii侧外部故障时 保护以时限 跳开qf2 使i ii侧继续运行 当变压器内部故障而主保护拒动时 保护以时限 跳开三侧断路器 图6 54三绕组变压器过流保护配置说明图 对多侧均有电源的三绕组变压器 应在三侧都装设独立的过电流保护 并且应在时限最短的电源侧加装方向元件 以保证动作的选择性 六 过负荷保护 过负荷保护安装侧的选择 对双绕组变压器 过负荷保护应装设在电源侧 升压变压器装在低压侧 降压变压器装在高压侧 对三绕组升压变压器 一侧无电源时 应装在发电机侧和无电源侧 三侧都有电源时 各侧均应装设过负荷保护 过负荷一般情况下都是对称的 因此只装一相 延时动作于预告信号 对单电源的三绕组降压变压器 若三侧绕组容量相同 过负荷保护仅装在电源侧 若三侧绕组容量不同 则在电源侧和容量最小侧分别装设过负荷保护 对双侧电源的三绕组降压变压器或联络变压器 三侧均应装设过负荷保护 动作电流 躲过变压器额定电流 即 式中 krel取1 05 kre取0 85 动作时限 应比变压器后备保护的最大时限再增大一个 一般取10 15s 对三绕组降压变压器 七 变压器的接地保护 大接地电流系统的电力变压器 一般应装设接地 零序 保护 作为变压器和相邻元件接地短路的后备保护 大接地电流系统发生接地短路时 零序电流的大小和分布与系统中变压器中性点接地数目和位置有关 对于只有一台变压器的变电所 采用变压器中性点直接接地的运行方式 对于有两台及以上变压器并列运行的变电所 采用部分变压器中性点接地运行方式 1 只有一台变压器的变电所 图6 55 动作电流 应与被保护侧母线引出线零序电流保护后备段在灵敏度上相配合 即 图6 55变压器零序电流保护原理图 式中 kcon为配合系数 取1 1 1 2 kb为零序电流分支系数 iop 0 l为出线零序电流保护后备段的动作电流 动作时限 比出线零序电流保护后备段大一个 灵敏度校验 按零序电流后备保护范围末端接地短路校验 要求ks 1 2 2 两台变压器并联运行的变电所 在图6 56所示的两台变压器并联运行的变电所中 一般采用部分变压器中性点接地运行方式 变压器t1的中性点接地 t2的中性点不接地 图6 56两台并列运行变压器装设接地保护的说明图 在构成接地保护时 应考虑以下两个问题 发生故障时 应能切除所有与接地短路系统相连接的变压器 接地故障后 应首先跳开中性点不接地运行的变压器 以防止过电压造成的危害 然后再跳开中性点接地运行的变压器 图6 57为部分变压器接地运行的变电所常用的零序接地保护原理图 保护由零序电流元件和零序电压元件两部分组成 零序电流保护的整定时间 kt1 要比零序电压保护的整定时间 kt2 大一个 图6 57部分变压器中性点接地运行的零序保护 6 8电动机保护 一 电动机的故障类型和应装设的保护 故障类型 故障 定子绕组的相间短路一相绕组的匝间短路单相接地短路 异常运行状态 过负荷 低电压 同步电机失步和失磁等 应装设的保护 相间短路保护 对2000kw以下的电动机 应装设电流速断保护 对2000kw以上和2000kw以下速断保护灵敏度不满足的电动机 应装设差动保护 接地短路保护 用于接地电容电流大于5a的情况 单相接地电流为10a及以下时动作于信号或跳闸 单相接地电流大于10a时动作于跳闸 过负荷保护 对易发生过负荷的电动机应装设过负荷保护 延时动作于信号 跳闸或减负荷 低电压保护 为保证重要电动机的自起动 对不重要的电动机应装设低电压保护 对不需要自起动的电动机 应装设低电压保护 对需要参加自起动 但在电源电压长时间消失后自起动有困难的电动机 也要装设低电压保护 二 电动机的相间短路保护 1 电流速断保护 动作电流 躲过电动机的起动电流 即 式中 krel取1 4 1 6 dl型 或1 8 2 gl型 灵敏度校验 2 式中 为电动机出口最小两相短路电流 在小接地电流系统中 可采用两相不完全星形接线 若灵敏度能够满足要求 也可采用两相电流差接线方式 2 纵联差动保护 在小接地电流系统中 可采用两相式接线 选用两个bch 2型或dl 11型继电器构成差动保护 如图6 58所示 动作电流 躲过电动机的额定电流 即 式中 krel取0 5 1 bch 2型 或1 2 1 5 dl 11 型 灵敏度校验 同上 要求ks 2 图6 58电动机纵联差动保护原理接线图a 由dl 11型电流继电器构成的差动保护b 由bch 2型差动继电器构成的差动保护 三 电动机的单相接地保护 当小接地电流系统中接地电容电流大于5a时 应装设单相接地保护 电动机的单相接地保护一般采用零序电流保护 如图6 59所示 图6 59电动机零序电流保护原理图 动作电流 躲过电动机本身的故障电容电流 即 式中 krel取4 5 为电动机外部单相接地故障时 流经被保护电动机的最大接地电容电流 灵敏度校验 1 25 1 5 式中 为电动机外部单相接地故障时 流经被保护电动机的最小接地电容电流 四 电动机的过负荷保护 动作电流 躲过电动机额定电流 即 式中 krel取1 05 1 1 保护动作于信号时 或1 2 1 25 保护动作于减负荷或跳闸时 kre取0 85 动作时间 一般取15 20s 五 电动机的低电压保护 低电压保护的动作电压和动作时限整定 当电源电压短时降低或中断后又恢复时 为保证重要电动机的自起动 需要对次要电动机装设0 5s时限的低电压保护 电压整定值一般为电动机额定电压的60 70 对不允许或不需要参加自起动的电动机 应装设0 5 1 5s时限的低电压保护 电压整定值一般为电动机额定电压的50 55 对需要自起动的电动机 应装设5 10s时限的低电压保护 电压整定值一般为电动机额定电压的40 50 低电压保护的接线 图6 60 正常工作时 低电压继电器kv1 kv5的常闭触点打开 kv1 kv3的常开触点闭合 低电压保护不动作 图6 60电动机低电压保护接线图 当电压下降至额定电压的60 70 时 kv1 kv3的常闭触点闭合 起动时间继电器kt1 经0 5s延时后发出次要电动机跳闸脉冲及信号 当电压继续下降至额定电压的50 55 时 kv4 kv5的常闭触点闭合 起动时间继电器kt2 经10s延时后发出重要电动机跳闸脉冲及信号 如果a相上熔体熔断 kv1的常闭触点闭合 常开触点打开 但因经常开触点kv2 kv3使km1通电 使km1的常闭触点断开 切断kt1 kt2的时限回路 防止了误动作 如果三相熔体全部熔断 这时尽管kv1 kv2都误动 但因kv3接于分路熔体而不动作 使km1同样有电 起到了闭锁作用 6 9电力电容器的保护 一 电容器组的故障类型和应装设的保护 故障类型 电容器组和断路器之间连线上的短路 电容器组内部故障及其引出线上的短路 电容器组回路内的单相接地短路 个别电容器的切除而引起的过电压等 应装设的保护 每台电容器应装设熔断器进行保护 对于多台电容器连接而成的电容器组 应根据连接方式的不同装设过电流保护 过电压保护 横差保护等 二 电容器组的过电流保护 动作电流 躲过电容器投运时的冲击电流 即 式中 krel取2 2 5 灵敏度校验 1 5 式中 为最小运行方式下 电容器组首端两相短路时 流过保护安装处的短路电流 动作时限 保护装置可不带时限或带0 1 0 2s的短时限 三 电容器组的横差保护 横差保护的接线 图6 61电容器中性线电流平衡保护原理接线图 中性线电流平衡保护 主要用于保护双星形接线电容器组的内部故障 其原理接线图如图6 61所示 横联差动保护 用于保护双三角形接线电容器组的内部故障 其原理接线图如图6 62所示 图6 62电容器组横联差动保护原理接线图 横差保护的动作电流 为了防止误动作 保护装置的动作电流应躲过正常运行时电流互感器二次侧差动回路中的最大不平衡电流 即 单台电容器内部有50 75 的串联元件击穿时 保护装置应有足够的灵敏度 即 式中 krel取2 式中 ks为横差保护的灵敏系数 取1 5 idsq为一台电容器内部50 75 串联元件击穿时二次回路中的不平衡电流 四 电容器组的过电压保护 当电容器组所接母线电压升高时 为保护电容器组不致损坏 应装设过电压保护 延时动作于信号或跳闸 过电压继电器的动作电压按母线电压不超过110 额定电压整定 即 式中 ku为为电压互感器的变比 unc为电容器的额定电压 6 10微机保护简介 一 概述 70年代初期 微机保护进入理论研究阶段 主要是采样技术 保护算法和数字滤波等方面的研究 70年代中期 随着计算机性能的增强和价格的下降 促使微机保护的研究出现了热潮 70年代后期 我国开始研究微机保护 1984年初 华北电力大学研制的第一套微机距离保护样机投入试运行 进入90年代 微机保护技术已趋于成熟并得到广泛应用 传统的继电保护都是反映模拟量的保护 保护的功能完全由硬件电路来实现 而微机保护是反映数字量的保护 二 微机保护的特点 保护性能好 灵活性大 可靠性高 调试维护方便 易于获取附加功能 三 微机保护装置的硬件构成 微机保护装置的硬件构成可分为以下六部分 数据采集系统 将模拟量输入量准确地转换为所需的数字量 它由电压形成 模拟滤波 采样保持 多路转换 模数转换等功能模块组成 微型计算机系统 由微处理器 程序存储器 数据存储器 接口芯片及定时器等组成 输入输出接口电路 将各种开关量通过光电耦合电路 并行接口电路输入到微机保护 并将处理结果通过开关量输出电路驱动中间继电器以完成各种保护的出口跳闸 信号警报等功能 通信接口电路 微机保护的通信接口是实现变电站综合自动化的必要条件 因此 每个保护装置都带有相对标准的通信接口电路 人机接口电路 包括显示 键盘 各种面板开关 打印与报警等 其主要功能用于调试 整定定值与变比等 供电电源 通常采用逆变稳压电源 即将直流逆变为交流 再把交流整流为微机保护所需的直流工作电压 微机保护装置硬件组成的基本框图如图6 63所示 图6 63微机保护装置的硬件组成框图 四 微机保护的数据采集系统 比较式数据采集系统框图如图6 64所示 交流变换器 交流变换器的作用有二 将从tv ta上获得的二次电流 电压信号变换成与a d变换芯片电平相匹配的电压信号 实现互感器二次回路与微机保护a d变换系统完全电隔离 以提高抗干扰能力 图6 64比较式数据采集系统的方框图 前置模拟低通滤波器 alf 由r c元件组成 其作用是阻止频率高于某一数值的信号进入a d变换系统 采样保持器 s h 其作用是在一个极短的时间内测量模拟输入量在该时刻的瞬时值 并在a d转换器进行转换的期间内保持其输出不变 以保证有较高的转换精度 采样保持的过程如图6 65所示 图6 65采样保持过程示意图 对双极性模拟量的模数转换 需要设置一个直流偏移量 其值为最大允许输入量的一半 将此直流偏移量同交变的输入量相加变成单极性模拟量后再接到此比较器上 如图6 67所示 图6 67a d转换器的双极性连接及波形图 五 微机保护的算法 根据输入电气量的若干采样点通过一定的数学式或方程式计算出保护所反映的量值 然后与整定值进行比较 不计算具体量值 而是根据若干采样点值与整定值相结合 直接建立保护动作方程来判断是否在保护动作区内 精度 指保护根据输入量判断电力系统故障或不正常运行状态的准确程度 速度 包括算法所要求的采样点数 或数据窗长度 和运算工作量 衡量一个算法优劣的标准有 1 输入量为正弦函数的算法 两点乘积算法 利用两个采样值的乘积来计算电流 电压 阻抗的幅值和相位等参数 为计算方便 一般取相隔的两点 设u1 u2分别为相隔时刻电压的采样值 且 即 则 说明 这种算法所用数据窗长度为1 4周期 5ms 算法本身对频率无特殊要求 但对于有暂态分量的电气量应先经过数字滤波 半周积分算法 利用正弦量在任意半个周期内绝对值的积分为一常数来计算 以电压为例 如图6 68所示 任意半个周期的积分值为 说明 这种算法需要的数据窗长度为10ms 该算法本身有一定的滤波作用 但它不能抑制直流分量 也不能全部滤除谐波分量 仍需与数字滤波器配合使用 积分值 面积 可