第八章继电保护及自动装置.doc

第八章 继电保护及自动装置第一节 继电保护的作用及原理所谓继电保护，就是指能反映电力系统中电气设备所发生的故障或不正常状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。在电力系统中，由于电气设备的绝缘老化或损坏、雷击、鸟害、设备缺陷或误操作等原因，可能发生各种故障和不正常运行状态。其中最常见也是最危险的故障是各种类型的短路，包括三相短路、两相短路、两相接地短路以及中性点直接接地中的单相接地短路，此外，还可能发生输电线路的一相断线、两相断线以及发电机、变压器一相绕组的匝间短路。一 继电保护的作用电力系统发生故障或出现不正常运行状态时，可能引起系统全部或部分正常工作受到破坏，使电能质量变坏到不能允许的程度，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。所以，在电力系统中应采取各种措施消除或减少发生各种故障的可能性，另外，故障一旦发生，必须迅速而有选择性地将故障设备从系统中切除，以保证无故障设备的继续运行。要想完成上述任务，只能通过继电保护装置才能实现，继电保护的作用就是：当电力系统发生故障时，能自动地、迅速地、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，以保证系统其余部分迅速恢复正常运行，并使故障设备不再继续遭受损坏。当系统发生不正常工作情况时，能自动地、及时地、有选择性地发出信号通知运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。由此可见，继电保护装置是电力系统必不可少的重要组成部分，对保障系统安全运行，保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。二 继电保护的基本原理电气设备从正常工作到故障或不正常运行，其电气量往往会发生显著的变化，主要特征是：电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流，将由负荷电流变为短路电流。电压降低。当发生相间短路或接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点的电压越低，短路点的电压为零。电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压之间的相位角是负荷的功率因数角，一般为20o30o。在保护装置的正方向发生短路时，典雅与电流之间的相位角一般为60o85o；而在保护的反方向短路时，电压与电流之间的相位角则为180o+（60o-85o）。不对称短路时，出现负序分量的电流和电压；接地短路时，出现零序分量的电流和电压。在正常对称运行时，既无零序分量也无负序分量。因此，利用短路时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。列如，根据短路故障时电流的增大，可构成过电流保护；根据电压的降低，可构成低电压保护；根据电流与电压之间相位角的变化，可构成功率方向保护；根据电压与电流的比值，可构成距离保护；根据部对称时出现的零序和负序分量，可构成零序保护等。另外，还有一些反应非电量的保护，如变压器的瓦斯保护，过负荷保护等。一般一套继电保护装置由以下三部分组成，如图81所示。1测量部分。测量部分从被保护设备输入有关信号，并与已给定的整定值进行比较，从而判断保护是否应该动作。2逻辑部分。逻辑部分是根据测量部分输出的信号大小、性质、出现的顺序，经过逻辑部分的判断，最后确定是否应该使短路器跳闸或发出信号。3执行部分。执行部分接受逻辑部分传送来的信号，最后发出使保护跳闸的命令或在不正常运行时，发出相应的信号。第二节 继电保护的基本要求根据继电保护在电力系统中所担负的任务，继电保护必须满足以下四个要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。一 选择性所谓继电保护装置动作的选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护装置仅将故障设备或线路从系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒绝动作时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。如图82所示电网，当在线路L1的d1点故障时，应有故障线路上的保护1和2动作，使断路器1DL和2DL跳闸，将故障线路L1切除。这时变电站B仍可由线路继续L2供电。当线路L3的d2点发生故障时，应由该线路的保护5动作，使断路器5DL跳闸，将线路L3切除。这样，在发生故障时，只有故障设备被切除，停电范围限制在最小，保护装置的上述动作，称为有选择性。如当线路L4上d3发生故障时，如果该处的保护6或断路器6DL拒动，则应有线路L3的保护5动作，使5DL跳闸，从而达到切除故障的目的。可见保护5对线路L4起到后备保护的作用。这种由上一级元件的保护实现对下一级元件故障时的后备保护，通常称为远后备保护。有时，为了防止一套保护（主保护）拒动时，造成扩大事故，可在同一处另外再装设一套后备保护，当主保护拒动时，可由后备保护动作跳闸。这种在就地实现的后备保护称为近后备保护。远后备保护对相邻元件的保护装置，断路器、二次回路和直流电源引起的拒动，均能实现后备作用。而近后备保护只能对保护装置的拒动起到后备作用，对断路器拒动实现近后备的保护装置称为断路器失灵保护。二 速动性快速切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在低电压下的工作时间，以及减轻设备的损坏程度。 如图83中，如K点发生短路，A厂母线电压降到几乎接近于零而甩负荷，汽轮机调速系统来不及作相应的调整，发电厂A的机组转速必然升高。此时，发电厂B甩去的负荷不多(有较高的残压)，发电机转速增加不少，这样A、B两厂的发电机就产生转速差。如果短路持续的时间较长，两厂的发电机将失去同步，使系统发生振荡甚至瓦解。如果能迅速切除故障，因两厂发电机的转差尚小，则故障切除后，很容易被拉入同步，恢复系统稳定运行。因此，快速切除故障是提高系统并列运行的稳定性、防止事故进一步扩大的重要措施。另外，系统发生短路时，电压大幅度降低，用户的电动机受到制动而转速减慢，若迟缓切除故障，电动机将停止转动，用户的正常运行遭到破坏。若快速切除故障，电压很快恢复，电动机就容易自启动并迅速恢复正常运行，从而大大减小对用户正常生产的影响。另外，短路时，故障设备本身将通过很大的短路电流，由于电动力和热效应的作用，设备也将遭到严重破坏，短路时间越长，设备损坏越严重，所以快速切除故障，便能减轻电气设备的损坏程度，防止故障的进一步扩大。再则，快速切除故障，短路点易于去游离，从而可以提高自动重合闸的成功率。切除故障的总时间等于保护装置的动作时间与断路器跳闸时间之和。一般快速保护的动作时间为0.080.12S，最快可达0.020.04；断路器的跳闸时间一般为0.10.15S，最快可达0.040.05S。所以，最快的故障切除时间为0.060.09S。三 灵敏性保护装置对在保护范围内发生的故障和不正常运行状态的反应称为保护装置的灵敏度。为使保护装置确实起到保护作用，要求其在各种运行方式下都应具有足够的灵敏性。对相间短路保护来说，不但在最大运行性方式下三相金属性短路时能够灵敏动作，而且在最小运行方式下也应有足够的灵敏度。所谓最小运行方式，是指故障时，流过保护装置的电流为最小的运行方式。最大运行方式是指故障时流过保护装置的电流为最大的运行方式。保护装置的灵敏度用灵敏系数KS来表示。对反应故障时参数上升的保护装置，其灵敏系数为：KS=保护区末端金属性短路时故障参数的最小计算值保护装置的动作值对反应故障时参数降低的保护装置，其灵敏系数为：KS=保护装置的动作值保护区末端金属性短路对故障参数的最大计算值各种不同的保护装置的灵敏系数是不同的，一般对主保护的灵敏系数要求不小于1.52；对后备保护的灵敏系数要求不小于1.21.5。四 可靠性保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它应可靠动作，而不应该拒动。而在其他任何不属于它的保护范围内故障时，它应可靠地不动作，而不应该误动。保护装置的拒动或误动都会造成严重的后果，使事故扩大。保护装置不能正确动作的原因主要有：继电器及元件质量差，安装调试质量不高，运行维护不当或设计整定计算错误。因此，为保证保护的可靠性，应选用质量高、动作可靠的继电器和元器件，保护接线应尽量简单，减少继电器及串联接点，提高安装和调试质量，加强维护与管理。保护装置的四个基本要求即相互联系，有时又相互矛盾，所以在装设保护时要从全局考虑。一般来说，在保证可靠性的前提下，首先要满足选择性，对于非选择性动作是绝对不允许的。第三节 输电线路的保护一 高频保护1高频保护的构成及分类高频保护可分为三个主要部分：即保护部分，收发信机部分，通道部分。如图84所示。 保护部分是反映故障时的电气量的变化；收发信机是发出高频信号和接受高频信号的装置；通道是传送高频信号的路径。高频保护按测量元件的实现原理分为：测量元件为方向元件的高频方向保护；测量元件为方向阻抗元件的高频距离保护；测量元件为相位比较元件的高频相差动保护。2相差动高频保护的基本原理相差动高频保护是基于利用高频电流信号比较被保护线路两端电流相位的原理构成的。 如图85所示，设电流从母线流向线路为正，由线路流向母线为负。当保护线路内部故障时，如图85（a）两端的电流İM与İN都从母线流向线路，同时为正方向，两个电流同相，相位差=00，两端保护动作，跳开断路器。而当外部短路时，如图85（b）电流İM从母线流向线路为正，电流İN从线路流向母线为负，相位差=1800，两端保护不动作。相差动高频保护的高频信号可以按允许信号和闭锁信号两种方式工作，我国目前广泛采用按闭锁方式工作的相差动高频保护。在工频电流的正半波，操作发信机发高频信号；在工频电流的负半波，使发信机停止发信。如图86所示，当线路外部故障时，两端工频操作电流相位相反，如图中a、b所示。各端发信机均于工频操作电流正半周时发信，于负半周时停信，如图中c、d所示，因而两端收信机均收到连接不断的信号，如图中e所示。由于高频信号在传输过程中有衰耗，故收信机收到对侧发来信号的幅值要小一些。此时收信机输出的电流为零，如图中f所示。因两侧继电器线圈中无电流通过，如图中g所示，故保护不动作。当线路内部故障时，两端工频操作电流相位相同，如图中a和b所示。两端发信机均于工频操作电流正半波时发信，于负半波时停信。如图中c和d所示。两端收信机收到断续信号，如图中e所示。此时收信机输出断续的电流方波，如图中f所示，该方波电流经加工后使两侧继电器线圈中有电流通过，如图中g所示，故保护动作。 3高频方向保护工作原理 图87是高频闭锁方向保护的原理框图。该图只表示线路一侧的高频闭锁方向保护装置，线路另一侧与其完全相同。图中P-为反方向功率方向元件，P+为正方向功率方向元件。当P-动作时，一方面起动发信机发信，另一方面闭锁P+控制的停信回路。当P+动作时，延时t2停止发信。当P+动作，且收不到高频信号时可发出跳闸命令。以图88双侧电源系统说明该保护的工作原理。 当D点短路时，在AB线路上，A侧P+动作，B侧P+动作，而两侧的P-均不动作。所以两侧保护满足跳闸条件，短路器1、2跳闸，切除故障点。如果是在BC线路上故障，短路器3、4跳闸。而短路器1、2由于B侧P-动作，发信机发信，所以短路器1、2不动作。图89为一个多电源环网，当D点故障时，线路MN和MP上的功率流向如图中实线所示，而当6DL跳闸后，MN线路上的功率流向为从N向M，如图中虚线所示。 6DL跳闸前，MN线路上N侧P-动作，发出闭所信号，1DL、2DL均不跳闸，当6DL跳开后MN线路上的功率方向发生变化，即N侧P-返回，P+动作，而M侧P+返回，P-动作。如果N侧P+动作快，而M侧P+返回慢，就会有一小段时间，两侧均为P+动作，从而停止发信，1DL、2DL保护误动。解决的方法有两种，其一是加延时，即先感受为区外故障，之后若感受为区内故障，连续停信时间必须大于60ms才能跳闸。其二是让P-动作优先于P+，一旦P-动作则闭锁P+动作回路。这样，在上述情况下，一开始MN线路上N侧P-动作，由于P-先动作，闭锁N侧P+动作回路，这样在功率倒向后，仍能可靠发出闭锁信号。二 距离保护所谓距离保护，就是反应故障点到保护安装处的距离，并根据该距离的远近确定动作时间的一种保护装置。当故障点距保护安装处越近时，保护感受到的距离越小，动作时间就越短；反之，当故障点离保护越远，保护感受到的距离越大，动作时间就越长。这样，故障将总是由距故障点近的保护首先切除，从而保证在任何形状电网中，故障线路都能有选择地切除。1距离保护的组成测量元件。作用是测量故障点至保护安装处的阻抗（距离），并与整定阻抗进行比较，以确定保护是否动作。测量元件通常采用阻抗继电器，是保护中的关键元件。起动元件。它的主要作用是当发生故障时，立即起动整套保护，并可兼作距离短的测量元件。起动元件可采用电流继电器或阻抗继电器，也可采用反应负序、零序电流或其他增量的电流元件。方向元件。它是判别故障时短路功率的方向，防止在保护安装处反方向故障时误动。一般采用功率方向继电器，也可采用具有方向性的阻抗继电器，兼作测量元件。时间元件。它的作用是建立距离段和段的动作时限，以保证保护动作的选择性。通常采用时间继电器或时间电路作时间元件。2距离保护的基本原理距离保护的测量元件应能测量故障点到保护安装处的距离。而测量故障点到保护安装处的距离，实际上是测量故障点至保护安装处的线路阻抗。故障时，保护安装处的母线电压与母线流向线路的电流İ的比值即为故障点至保护安装处的线路阻抗ZK。若假设保护用电流互感器和电压互感器变比均为1，则测量元件的阻抗Zm=m/İm=/İ=ZK。测量元件将侧得的阻抗Zm与整定阻抗ZS进行比较，当ZmZS时，表明故障在保护范围内，保护动作；当ZmZS时，表明故障在保护范围外，保护不动作。所以距离保护又叫低阻抗保护。由于ZK只与故障点到保护安装处的距离有关，基本上不受运行方式的影响。 距离保护的动作时限t与故障点至保护安装处的距离l的关系，称为距离保护的时限特性。目前广泛采用的是三段式阶梯时限特性，如图810所示。距离保护的第、段与电流保护的第、段相似，其根本不同之处是距离保护各段的保护范围基本上不随运行方式而改变。为了保证选择性，瞬时动作的距离段保护范围应限制在本线路内，如图810中保护段的测量元件的整定阻抗Z/zd1应小于线路阻抗ZAB,通常距离段的保护范围为被保护线路全长的8085%，其动作时间为元件的固有动作时间。距离段整定阻抗相似带时限电流速段，即其保护范围不超过相邻下一线路距离段的保护范围，同时在时限上与相邻的下一线路距离段的动作时限t/2进行配合，即 t/1 = t/1 + t距离段和段可共同作为线路的主保护。距离段作为本线路距离段、段的近后备及作相邻下一线路得远后备保护，其整定阻抗的选择与过电流保护相似，应躲过正常运行时的最小负荷阻抗来整定，动作时限也按阶梯原则整定。3阻抗继电器全阻抗继电器。全阻抗继电器的特性圆是以坐标原点为圆心、以整定阻抗Zzd为半径所作的一个圆，如图811所示。圆内为动作区，当测量阻抗Zj落在圆上时继电器刚好动作，对应此时的阻抗叫继电器的动作阻抗，以Zdz.j表示。当采用绝对值比较方式是，这种阻抗继电器的动作阻抗条件是：ZjZzd不论j与İj间相位差，此时总是成立的，因此全阻抗继电器无方向性。将式两边同乘以电流İj，则得动作电压条件为İjZjİjZzd电压İjZj可通过中间变压器TV取得，当TV的输入电压为j时，使输出电压KUj=İjZj。而İjZj可以通过电抗变压器TL取得，当输入电流为İj时，使输出电压KIİj=İjZj。故上式可写成KUjKIİj 移相得 j/İjKI/KU由此可知，采用绝对值比较的全阻抗继电器可按图812接线。这里有三个参数需分辨清楚：测量阻抗Zj（继电器端子上的感受电抗），即/İ随故障点与保护安装处之间的距离而变。动作阻抗Zdz.j（继电器刚好动作时的测量阻抗），即保护范围边界短路时的测量阻抗。整定阻抗Zzd(根据动作阻抗选择继电器参数KUKI所决定的阻抗),其值应与动作阻抗相近，整定阻抗预定了保护范围。 方向阻抗继电器上述全阻抗继电器无方向性，不能判别短路故障的方向，若采用它作测量元件，有时尚需另加一个方向元件与之配合。而方向阻抗继电器可满足这一要求，其特性圆是一个以整定阻抗Zzd为直径，圆周过坐标原点的圆，如图813所示。园内为动作区。当保护正方向故障时，测量阻抗Zj位于第象限，只要Zj落在园内，继电器就动作。而保护反方向短路时，Zj位于第象限，不可能落在园内，继电器就不会动作，故该继电器的动作具有方向性。三 电流速断保护第四节 发电机保护一 发电机的纵差保护发电机的纵差保护反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路，是发电机的主要保护。1带断线监视的发电机纵差保护 图814为带断线监视的发电机纵差保护原理接线图，保护采用三相式接线，1KD3KD为差动继电器。在差动回路的中性线上接有断线监视电流继电器KMD，KPO为出口中间继电器，其线圈上并联的电阻Rf是为了提高信号继电器KS的可靠性。保护的动作电流应按在正常情况下，电流互感器二次断线时保护不动作的条件整定。即 IPU=KrelILG断线监视继电器的动作电流IPUK应按躲过正常运行时的不平衡电流整定，一般为 IPUK=0.2ILG/nT整定之后还应按保护范围内的最小短路电流来校验灵敏度，一般要求不小于2。在靠近中性点发生相间短路时，短路电流非常小，保护可能不动作，即为纵差动保护的死区。2采用BCH2型差动继电器的发电机纵差保护如图815为BCH2型差动继电器构成的发电机纵差保护原理图。当电流互感器二次回路断线时，断线相差动继电器的差动线圈及其三个平衡线圈中均通过数值相等的负荷电流，由于每相继电器的差动线圈与平衡线圈反极性串联，因此，断线相差动继电器铁心中的工作磁通相互抵消，该继电器不会动作。在非断线相的差动继电器中，只有平衡线圈通过负荷电流，只要适当的选择平衡线圈的匝数，就可以使非断线继电器不动作。一般经过选择有： IPUK=0.55ILG2可见动作电流小，故内部短路时灵敏度高，以称之为高灵敏度的纵差保护。二发电机定子绕组匝间短路保护发电机绕组发生匝间短路时，纵差动保护不能反应，所以装设了发电机匝间短路保护。1横差电流保护 对于定子绕组的每一支路中性点侧都有引出端的发电机，可以采用定子绕组单继电器的横差电流保护，其保护的接线原理如图816所示。一般根据运行经验，保护的动作电流通常取为发电机额定电流的2030%，即 IPU=(0.20.3)Ie当短路的匝数非常少时，中性连线的电流很小，因此保护将不动作，出现死区。2反应零序电压的匝间短路保护发电机正常运行及相间短路时，无零序电压。定子绕组单相接地时，故障相对地电压等于零，中相点对地电压上升为相电压，此时三相定子绕组对中性点的电压仍然对称，不出现零序电压。若定子绕组发生匝间短路，则机端三相对中性点电压不对称，因而出现零序电压，因此可利用此零序电压来构成定子绕组的匝间短路保护。其原理接线如图817所示。此种保护仍存在死区。3反应转子回路二次谐波电流的匝间短路保护发电机定子绕组发生匝间短路时，定子绕组电流中有负序分量，负序分量建立的负序磁场，以同步转速沿与转子旋转方向相反的方向旋转。因此，负序磁场在转子绕组中感应出二次谐波电势，转子回路中出现了二次谐波电流，利用该二次谐波电流，可以实现匝间短路保护。图818示出了该保护的原理图。采用负序功率方向继电器后，保护的整定值只需按躲开与发电机正常运行时允许的最大不对称度相对应的在转子回路感应的二次谐波电流来整定，其灵敏度较高。三发电机定子绕组单相接地保护发电机定子外壳是接地的，当某相绝缘损坏发生对外壳短路时就是单相接地，单相接地发生的机会比匝间或相间短路多。一般规定，发生单相接地时，接地电流小于5A时，一般装设作用于信号的接地保护；当接地电流大于5A时，应装设作用于跳闸的单相接地保护。1反应零序电流的定子绕组单相接地保护反应零序电流的发电机定子绕组单相接地保护，通常用于并联在发电机电压母线上运行的发电机。利用发电机内、外部接地时，流过零序电流互感器的零序电流差别较大的特点，保护将有足够的灵敏型，如图819所示。保护的动作电流可只按躲开外部单相接地时流过零序电流互感器的零序电流和正常情况下零序电流互感器二次侧出现的不平衡电流来整定。保护一般带有12S的时限，以躲开外部单相接地时暂态电容电流的影响。2反应零序电压的发电机定子绕组单相接地保护对于发电机变压器组，接地电容电流较少，所以一般装设反应零序电压的接地保护，如图820所示。从机端电压互感器开口三角侧取得30，过电压继电器KV通过三次谐波滤过器接于开口三角形的两端。电压继电器的动作电压可整定为10V左右。3具有100%保护范围的发电机定子绕组接地保护上面两种发电机定子单相接地保护都存在着死区，利用3次谐波电压和基波零序电压可构成的双频式100%定子接地保护，如图821所示。图中，N和S分别表示由中性点和机端取得的交流电压，由电抗变压器1TL的一次绕组与电容C1组成对3次谐波串联谐振电路，由电感L1和电容C3组成基波串联谐振电路，因此加于整流桥ZL1的交流电压基本上是3次谐波电压，该电压与机端3次谐波电压成比例。ZL1的整流电压经C5滤波后作为动作量加入执行元件。电抗变压器2TL的一次绕组与电容C2组成3次谐波串联谐振电路，电感L2与电容C4组成基波串联谐振电路，因此加于整流桥ZL2的交流电压基本上也是3次谐波电压，该电压与中性点3次谐波电压成比例。ZL2的整流电压经C6滤波后作为制动量加入执行元件。执行元件两端电压为： Uab = |S3| |N3|正常情况下，|S3|N3|，Uab0，执行元件不动作；而在50%处发生单相接地故障时，|S3|N3|，Uab0，执行元件动作。调节电位器RW1便可改变保护的整定值。中间变压器TV的一次侧接至机端电压互感器1TV的开口三角形侧，反应机端基波零序电压。经整流桥ZL3整流和型滤波器滤波后的直流电压加于电位器RW2，调节其滑动端，可以改变基波零序部分的启动电压。当接地靠近机端时，基波零序电压较高，执行元件动作。由上述可见，3次谐波电压部分用于反应50%范围内的接地故障，故障点越靠近中性点，该部分保护的灵敏性越高；基波零序电压部分用于反应15%范围内的接地故障，故障点越接近机端，该保护部分的灵敏性越高。这样，双频式保护构成了有100%保护区的定子绕组单相接地保护。四 发电机失磁保护1失磁保护的判据发电机失磁保护的主要判据都是依据失磁后发电机定子回路的参数变化来判断的。一般主要判据有以下三种：监测发电机无功功率方向的变化。监测机端测量阻抗是否落入静态边界圆内。监测机端测量阻抗是否落入异步阻抗圆内。为了防止失磁保护在其它非失磁情况下误动，还应在主判据的基础上再加入一些闭锁措施。通常称这些措施为辅助判据。在失磁保护中，常用辅助判据主要有以下五种：转子励磁电压UL降低。负序分量出现。因失磁过程中，定子三相电路仍然是对称的，无负序分量出现，而在发生各种短路时，总是伴随有负序分量出现，即使是三相短路，在短路初期也会短时出现负序分量。利用延时躲过系统振荡。因为发生振荡时，失磁阻抗继电器总是周期性地动作，而失磁失步后，测量阻抗则稳定地落在异步阻抗圆内。电压回路断线闭锁。以防止电压互感器二次断线时阻抗元件动作。利用操作闭锁。例如当发电机并列时，为防止失磁阻抗继电器的误动，可采用操作闭锁的方法将失磁保护闭锁，并列完成后再自动投入失磁保护。2失磁保护的构成及原理 图822是一种以静稳边界圆为主判据，转子低电压为辅助判据的失磁保护原理方框图。图中Z为失磁阻抗继电器，其动作特性为静稳边界阻抗圆。U为低电压元件，UL为转子低电压元件。当发生失磁故障时，如母线电压降低到保证系统安全运行的允许电压一下，同时，转子低电压元件动作，则Y1有输出，经延时t1跳闸。延时t1用以躲开振荡过程中短时的电压降低，一般取0.51S。如果失磁后机端测量阻抗进入静稳边界圆内，Z元件动作，同时转子低电压元件动作，Y2有输出，经时间元件t2延时跳闸。Y2动作后立即发出失磁信号，说明发电机已与系统失去同步。延时t2躲过系统振荡与自同期并列的影响，一般取11.5S。在发电机外部短路或电压互感器二次回路断线时，由于UL元件不会动作，因而失磁保护不会误动。当电压互感器断线时，可由U元件经延时，t3发出失压信号。第五节 变压器保护一 变压器瓦斯保护在油浸式变压器油箱内发生故障时，由于故障点电弧的作用，变压器油及其它绝缘材料分解，产生气体，利用这种气体实现的保护称为瓦斯保护。瓦斯保护的测量元件是气体继电器，它安装在变压器油箱与油枕间的连接管道上。为便于气流顺利通过气体继电器，变压器的顶盖与水平面间应有11.5%的坡度，连接管道应有24%的坡度。瓦斯继电器的型式较多，这里以性能较好的开口杯挡板式瓦斯继电器的结构和工作原理进行介绍。开口杯挡板式气体继电器的结构如图823所示。上部有一个附带永久磁铁4的开口杯5，下部有一面附带永久磁铁11的挡板10。正常情况下，继电器内充满油，开口杯在油的浮力与重锤6的作用下，处于上翘位置，永久磁铁4远离干簧接点15，干簧接点15断开。挡板10在弹簧9的保持下，处于正常位置，其附带的永久磁铁11远离干簧接点13，干簧接点13可靠断开。当变压器内部发生轻微故障时，产生少量气体，汇集在瓦斯继电器的上部，迫使瓦斯继电器内油面下降，使开口杯露出油面。物体在气体中所受浮力比在油中受到的浮力小，因而开口杯失去平衡，绕轴落下，永久磁铁4随之落下，接通干簧触点，发生轻瓦斯动作信号。当变压器严重漏油时，同样会发生“轻瓦斯动作”信号。当变压器内部发生严重故障时，油箱内产生大量的气体，形成强烈油流，油流从油箱通过瓦斯继电器冲向油枕，该油流速度将超过重瓦斯（下挡板）整定的油流速度，油流对挡板的冲击力将克服弹簧的作用力，挡板被冲动，永久磁铁靠近干簧接点，使干簧接点闭合，发出跳闸脉冲，断开变压器各电源侧的断路器。瓦斯保护的原理接线如图824所示，瓦斯继电器KG的轻瓦斯触点（上触点）闭合，延时发出“轻瓦斯动作”信号。重瓦斯触点（下触点）闭合后，经信号继电器KS、切换压板，起动出口中间继电器KPO，作用于跳开变压器断路器。出口中间继电器是自保持中间继电器。切换压板的作用是改变重瓦斯的出口方式，当变压器换油或气体继电器实验时，通过切换压板，将保护换接于电阻R回路，以防止重瓦斯误动跳闸。二 变压器纵差动保护变压器纵差动保护主要用来反应变压器油箱内部、套管及引出线上的各种短路故障。其原理接线如图825所示。变压器两侧装设的电流互感器按循环电流法接线，两电流互感器之间为纵差动保护的保护范围。由于变压器两侧电流的大小和相位都不相同，两侧互感器的型式、变比和接线方式也不相同，并且在靠近电源侧有励磁电流存在，特别是在空载合闸时，将有很大的励磁涌流出现。这些特点都将导致差动回路中的不平衡电流大大增加，使变压器的纵差动保护处于不利的工作条件下，这就构成了变压器纵差保护的特殊性。所以为保证保护的可靠性，应采取措施减小或消除不平衡电流对保护的影响。一般采取的措施有：当变压器采用Y/接线时，变压器两侧的电流互感器应采用/Y接线，以实现相位补偿。当变压器两侧的电流互感器的变比不能理想匹配时，应增设平衡线圈，实现数值补偿。对于空载合闸时出现的励磁涌流，可采用带短路线圈的速饱和型差动继电器来消除这种影响。对于外部短路时所产生的不平衡电流，可通过提高保护的整定值躲开这种影响。变压器纵差动保护的整定原则按躲过变压器空载合闸和外部短路故障后，电压恢复时的励磁涌流整定。Idz = KKIN式中：KK可靠系数，取1.3； IN变压器额定电流。按躲过外部短路时的最大不平衡电流整定。Idz = KKIbp.max = KK (0.2Ik.max)式中：KK可靠系数，取1.3；Ibp.max最大不平衡电流；Ik.max外部故障时最大短路电流的周期分量。考虑电流互感器二次回路断线，按躲过变压器正常运行的最大负荷电流整定。 Idz = KKIfh.max式中：KK可靠系数，取1.3； Ifh.max变压器正常运行时的最大负荷电流，在最大负荷电流不能确定时，可用变压器的额定电流。可根据以上三个条件算出的结果，选用其中最大者作为整定值。三 变压器的接地保护1中性点直接接地变压器的零序电流保护图826示出了中性点直接接地双绕组变压器的零序电流保护原理图。保护用电流互感器接于中性点引出线上，其额定电压可选择低一级的，其变比根据接地短路电流引起的热稳定和电动力稳定条件来选择。保护的动作电流按与被保护侧母线零序电流保护后备段在灵敏系数上配合的条件整定。保护的灵敏度按后备保护范围末端接地短路校验，灵敏度不小于1.2。保护的动作时限应比引出线零序电流后备段的最大动作时限大一个阶梯时限。2中性点可能接地或不接地变压器的接地短路保护分级绝缘变压器分级绝缘变压器，其中性点的耐压强度较低，若中性点未装放电保护，为防止中性点绝缘在工频过电压作用下损坏，不允许在无接地中性点的情况下带接地故障点运行，因此，当发生接地故障时，应先切除中性点不接地变压器，然后切除中性点接地变压器。图827示出了这种变压器（无放电间隙）接地保护的原理接线图，其中t1t2。 全绝缘变压器全绝缘变压器的接地故障保护原理框图如图828所示。变压器除装设零序电流保护外，还增设零序电压保护，作为变压器中性点不接地运行时的保护。零序电压元件的动作值应躲开部分中性点接地系统中发生接地短路时，保护安装处可能出现的最大零序电压，一般可取UPUO=180V。由于零序电压保护仅在系统中发生接地短路，且中性点接地的变压器已全部断开后才动作，因此保护的动作时限无需与电网中其它接地保护的动作时限相配合，可以整定的很小。为躲开电网单相接地短路时的暂态过程的影响，保护通常带0.30.5S的延时。 第六节 微机型线路保护本节以WXH11型系列微机型线路保护为列说明其结构。一 硬件原理该装置配置有高频、距离、零序和综合重合闸的四个CPU插件，管理人机对话、打印、多CPU之间通信的接口插件，变换插件，以VFC为原理的两个模数转换插件，开关量输出、开关量输入、逻辑、跳闸、信号，告警及逆变电源插件。接口插件面板上装有复位键、液晶显示器、键盘、打印机插座，主要电路作用如下：1与各CPU进行串行通信的接口电路接口插件主要完成人机对话及巡检等功能，而这些功能依赖于各单片机的串行接口、该插件单片机内串行接口与各保护插件的串行口按辐射状相连，每个保护插件都可以同接口进行双向的串行通信，而各保护插件之间不能互相通信，如图829所示。图中CPU0、CPU1、CPU2、CPU3、CPU4分别代表接口、高频、距离、零序电流和综合插件。正常运行状态，接口插件不断地通过串行口向各CPU插件发出巡检令，当各CPU均正常时，应分别作出回答。如果某一CPU插件自检出硬件故障，一方面驱动该CPU告警继电器，一方面收到巡检令后向接口插件传送故障信息及出错码，接口插件收到错码后，驱动总告警继电器，并显示（或打印）出故障信息。如果接口插件发巡检令，某一CPU未作回答，则接口插件通过外部复位开关量输出强制使该CPU复位，然后再发巡检令，如果仍得不到回答，则驱动总告警开关量输出，并显示（或打印）出该CPU出错信息。采用先复位后报警是为了防止某一保护插件因干扰造成程序出错但无硬件损坏时，可在复位后使其恢复正常工作，不必告警。如果人机对话插件发生故障而不能执行循环检测程序时，其它CPU插件在规定的时间内收不到巡检命令，就驱动巡检中断继电器告警。2键盘输入电路通过键盘并借助于液晶显示可以输入命令、地址和数据。3液晶显示电路正常运行时，可通过显示器显示装置的工作状态，调试时，可显示命令、数据。4硬件时钟电路正常时可自动、手动设置年、月、日、时、分、秒，并自动辨别月结束。其电源由直流供电，直流电消失时，由电池供电，以保持时钟继续运行。5硬件自复位电路如图830所示，每隔500ms由MC146818的SQW端发送一标准脉冲，给74LS393计数器的输入端，8031单片机定时对74LS393计数器进行检测并清零。如果接口插件由于程序出错不能对计数器进行检测并清零，那么经过一定的时间，74LS393计数器将通过其2QD端向8031发复位信号，使接口插件重新投入正常工作。另外，接口插件设有两路开入量，即启动反馈开入量与外部P键开入量，通过启动反馈来完成整理总报告的功能，通过外部P键开入量来完成复制总报告功能。第七节 厂用电源快速切换装置一 厂用电源切换方式在发电厂中，保证厂用电连续可靠供电是保证发电机组安全运行的基本条件，厂用工作电源和备用电源之间的快速切换是实现厂用电连续可靠供电的重要手段，按工作电源和备用电源之间的切换方式不同，分为以下几种类型。1按开关动作顺序分类并联切换。先合上备用电源，两电源短时并联，再跳开工作电源，这种方式多用于正常切换。并联切换方式又分为并联自动切换和并联半自动切换两种。串联切换。先跳开工作电源，再合上备用电源，母线断电时间至少为备用开关合闸时间，此中方式多用于事故切换。同时切换。这种方式介于并联切换和串联切换之间。合备用电源命令在跳工作电源命令发出之后、工作电源开关跳开之前发出。母线断电时间大于0而小于备用电源开关合闸时间，可设置延时来调整。这种方式既可用于正常切换，也可用于事故切换。2按启动原因分类正常切换。由运行人员手动启动，快切装置按事先设定的手动切换方式（并联、同时）进行分合闸操作。事故切换。由保护启动，发变组、厂用变和其他保护出口跳工作进线开关的同时，启动快切装置进行切换，快切装置按事先设定的自动切换方式（串联、同时）进行分合闸操作。不正常切换。有两种情况，一是母线失压，母线电压低于整定电压达到整定时间后，装置自行启动，并按自动方式进行切换。二是工作开关误跳，由工作开关辅助接点启动装置，在切换条件满足时合上备用电源。3按切换速度分类按切换速度可分为：快速切换、短延时切换、同期捕朴