继电保护基础知识.ppt

继电保护及二次回路 电力系统由于受到自然环境的影响 以及设备在制造 安装 检修 运行过程中各种主 客观因素的影响 难免会发生故障和不正常运行状态 常见的故障 相间短路 接地短路和断线 故障的危害性极大 过大的短路电流流过电器设备 将损坏甚至烧坏设备 造成大面积停电 常见的不正常运行状态 过负荷 设备长期运行 可能使载流部分过热 损坏绝缘 缩短设备使用寿命 甚至发展成为故障 中性点非直接接地系统当发生单相接地时 使未接地相对地电压提高至原对地电压的根号3倍 它往往是导致短路故障的一个原因 为防止事故扩大 尽可能缩小停电范围 保证非故障设备的继续运行 必须迅速切除故障 这一任务就是由继电保护装置来完成的 变配电所的电气设备连接回路分为一次回路和二次回路 一次回路 由一次设备组成的生产 输送和分配电能的电气回路 也称一次接线或主接线 一次设备 墙壁进出线套管 母线 所用变压器 电容器 高压柜 电压互感器 电流互感器 断路器 隔离开关 熔断器 二次回路 由二次设备所连接所组成的电气连接回路 二次设备 控制台 交流柜 直流柜 计量柜 保护柜 二次设备的任务 通过对一次回路的监察 测量来反应一次回路的工作状态 并控制一次系统 当一次回路发生故障时 继电保护能将故障部分迅速切除 并发出信号 以保证一次设备安全 可靠 经济 合理地运行 二次回路设备通常为低压设备 1 1继电保护的基本知识一 继电保护的定义能正确判断故障点并迅速 自动跳闸切除故障点的装置 称为继电保护装置 即能够反应电力系统元件故障及不正常运行状态 并能使断路器跳闸或发出信号的一种自动装置 二 继电保护装置的主要作用1 当线路或电器元件发生短路故障时 能有选择地 迅速地 自动地切除故障元件防止事故范围扩大 并保护非故障元件的继续运行 2 对于电气元件的过负荷和小接地电流系统的单相接地等不正常工作状态及时发出预告信号 引起值班人员的注意 并及时采取措施 消除不正常工作状态 三 对继电保护装置的基本要求选择性 速动性 灵敏性 可靠性 1 选择性 当电力系统发生故障时 保护装置应只切除故障元件 而保持其他非故障元件的继续运行 称为保护装置的选择性 主保护 按照电力系统的安全性要求 以最短的时限和最小的停电范围动作切除故障 保证电力系统和设备的安全 后备保护 一般动作延时较长 是当主保护拒动或断路器拒动时 以大于主保护的动作时限动作切除故障 近后备保护 主保护拒动时 由本设备的另一保护实现远后备保护 保护拒动或断路器拒动时 由上一级设备或线路保护实现 2 速动性为了限制短路电流的破坏范围和对电气设备的损坏程度 减小用户处电压下降的时间 提高自动重合闸的成功率 要求保护装置应尽可能快地切除短路故障 控制故障影响程度 减少设备损伤 避免造成设备无法修复的损坏 减小故障影响时间 减少用户在低电压情况下的工作时间 避免用户电动机转速严重下降 甚至自启动失败 防止系统稳定性破坏 提高电力系统运行的稳定性 故障切除时间等于保护装臵动作时间和断路器动作时间之和 3 灵敏性继电保护装置的灵敏度是指对保护范围内发生故障和不正常工作状态的反应能力 在保护装置保护范围内 不管故障点的位置和性质如何 保护装置都应该迅速 正确地运作 灵敏系数必须大于1 4 可靠性是指当电力系统发生故障时 保护装置准确 可靠地动作的程度 它有两个含义 即该动作时不拒动 不该动作时不误动 四个基本要求是分析研究继电保护的基础 设计评价继电保护的依据 对反映异常运行状态 作用于信号的继电保护 快速性要求可以降低 四 继电保护的基本原理1 继电保护可以按原理 使用的继电器元件 用途分类 反映电气量的保护 1 电流保护 反应电流增大动作 2 低电压保护 反应电压降低动作 3 距离保护 反应保护安装处至短路点的距离 4 方向保护 电流保护增加功率方向判别条件 5 差动保护 反应被保护对象两端电流相量差 6 序分量保护 反应零序分量或负序分量动作反映非电气量的保护 1 瓦斯保护 2 温度保护等 电磁型 感应型 整流型 晶体管型 线路保护 母线保护 变压器保护 2 继电保护的基本原理如图 正常情况时 线路上只流过负荷电流IL 因而电流互感器TA二次侧的电流亦即继电器KA的线圈中电流Ik小于电流继电器KA的起动电流Iop k KA不动作 当线路发生短路故障 线路上流过很大的短路电流IK 则TA二次侧电流IK增大 当IK等于或大于Iop k时 KA起动 其常开接点闭合 使得跳闸线圈YT受电 铁芯向上吸动 使断路器QF在弹簧FT作用下跳闸 QF跳闸后 它的辅助接点QFF断开 YT断电 在以上的过程中 继电器KA是关键 它由TA二次侧供电 经过测量IK电流的数值 并与整定值比较 一旦超过整定值就动作 向断路器发出跳闸命令 有的继电器 例如采用晶体管继电保护时 不能直接与电流互感器连接 需要经过变换电路 因而继电保护装置可概括成如下方框图 变换电路将电流互感器及电压互感器二次侧的电流 电压变换为测量比较元件所需要的形式 测量比较元件就是电流 电压等继电器 当被测值符合事先规定的整定值要求时 测量比较元件动作 操作电路是实现一定控制要求的直流操作电路 经过它去接通所需的跳闸电路及信号电路 若测量比较元件反应的是电流I 当短路时电流超过整定值保护动作 这就是过电流保护 若测量比较元件反应的是电压U 当短路时U低于整定值保护动作 这就是低电压保护 若测量比较元件反应的是变压器或线路两端的电流之差 当电流增大保护动作 这就是差动保护 1 2电磁型继电器一 电磁型继电器的工作原理电磁型继电器是利用电磁力使其可动的机械部分动作 并通过它的接点接通或者断开来实现输出信号的改变 即接通或断开外电路 电磁型继电器是目前广泛应用的一种 当在继电器线圈中有电流IK时 铁芯中产生磁通 磁通经空气隙 及衔铁而成回路 因而在铁芯与衔铁间产生电磁吸力Fem Fem的大小与 的平方成正比 而 又与磁动势成正比即 式中WK 继电器线圈的匝数 Rm 磁通 所经过磁路的磁阻 与空气隙 近似成正比 因为铁芯磁阻与空气隙磁阻相比可忽略不计 K1 K2 比例系数 当磁路不饱和时为常数 当电流IK较小时 电磁力在衔铁上产生的吸合转矩还不足以克服弹簧拉力及摩擦力所产生的阻力矩 继电器仍然不动作 继续增大IK 当IK Iop k时 吸合转矩等于阻力矩 于是衔铁被吸动 空气隙 减少 因而吸力增大 一下子就把衔铁吸过去 继电器的常开接点立刻闭合 把输出电路接通 可见继电器具有跳变特性 能使电流继电器动作的最小电流值Iop k叫做该继电器的动作电流 或启动电流 令吸合转矩Mdc等于阻力矩Mz 并以Iop k代替前式中的 IK 可得 即根据上式 要改变继电器的动作电流 可采取以下方法 改变继电器线圈的匝数WK 改变弹簧的阻力矩 改变空气隙 继电器动作之后 IK继续增大 减小对输出电路并无影响 因为动作之后 较小 只要较小的电流就能维持继电器的动作状态 IK Ire k时 吸合转矩小于弹簧的作用力矩 衔铁被弹簧拉回原来的位置 因为只要被拉开一点 增大 Fem减小 衔铁更易于返回 能使电流继电器返回的最大电流值Ire k 返回电流返回电流与动作电流之比Kre 返回系数即 Kre Ier k Iop k 动作电流与返回电流的差别主要是由空气隙 的变化及衔铁转动时的摩擦阻力所引起的 动作前的 大于动作之后的 另外 动作过程中摩擦力的作用方向与电磁吸力相反 而返回过程中摩擦力的作用方向与电磁吸力一致 所以 动作电流总比返回电流更大 即 Ier k Iop k继电保护在满足可靠性的基础上要求Kre尽可能接近于1 这样可使保护装置获得较高的灵敏度 方法 改善磁路系统的结构 以减小 的变化 采用坚硬的轴承减小摩擦力 采用图5 4的结构型式 图5 6的结构型式主要用于返回系数要求不高的中间继电器 信号继电器中 二 电流及电压继电器 1 电流继电器图5 4是DL 10系列电流继电器结构图 为了提高返回系数 继电器的衔铁采用旋转的Z形舌片 这样动作前后空气隙的变化较小 而且由于铁片薄 易于饱和 动作后磁通的增加不会太大 因此返回系数较高 一般在0 85以上 另外动作快 消耗功率小 缺点是接点容量小 不能直接作用于断路器跳闸 目前广泛采用DL 20系列电流继电器的结构形式基本上与DL 10系列相似 而Kre更高 继电器有上下两个线圈 可以根据需要并联或串联 并联时从外部所需的动作电流是串联时的2倍 动作电流可以用调整把手改变弹簧的拉力来平滑调节 在接法不变时 调整把手在最大刻度值时的动作电流为最小刻度值的2倍 如DL 11 10继电器 11指接点方式为有一对常开接点 10指最大动作电流为10A 当两线圈并联时 动作电流在5 10A之间调节 2 电压继电器我国广泛采用DJ 100系列 结构同DL 10系列流继 区别在于线圈匝数多而导体细 阻抗大 电压继电器 直接接在电压互感器副边 动作取决于电压互感器电压的大小 电流继电器 接到电流互感器副边 动作取决于电流互感器电流的大小 电压继电器常用于当母线电压降低时启动保护装置 这种继电器叫低电压继电器 用常闭接点启动保护装置 动作原理 当母线电压为正常值时 继电器接受着较高电压 100V左右 它的衔铁处于被吸状态 常闭接点是打开的 当有短路故障时 母线电压下降 衔铁返回 常闭接点闭合 将保护装置启动 短路切除后母线电压升高 常闭接点又打开 保护装置返回 所以保护的启动电压低于返回电压 返回系数 Kre I式中 Ure k 继电器的返回电压 Uop k 继电器的动作电压 起动电压 一般低电压继电器的Kre应不小于1 2 三 时间继电器图5 6为DS 110型时间继电器的结构图 线圈1通电流后继电器的衔铁3瞬时被吸入 曲柄9失去支持 瞬时接点7打开 8闭合 扇形齿轮10 在弹簧11的作用下顺时针转动 并传给齿轮13 使它与同轴的摩擦离合器14逆时针方向转动 摩擦离合器转动后使外层的套圈14d紧卡主传动轮15 因此传动轮就随着转动 此轮传动钟表机构的周轮16与17经中间轮18使摆轮19与摆卡20的齿接触 使之停止转动 但在摆轮的压力下摆卡偏转而离开摆轮 所在摆轮就转过一个吃齿 如此往复进行就限制了动接点的轴为一定速度 当线圈中的电流消失后 在弹簧4的作用下 继电器的衔铁和杠杆又返回到原始位置 同时扇形齿轮也立即复原 因顺时针旋转时摩擦离合器14已与转动轮脱开 故钟表机构不起作用 这就保证了继电器返回是瞬时的 改变定接点23的位置 即改变22走到23之间的距离 就可以调节时间继电器的动作时限 当时限较长时 为了避免继电器线圈由于通电时间长而产生过热 在动作后给线圈串入一个附加电阻 四 信号继电器与中间继电器1 信号继电器信号继电器是当继电保护装置动作时给出保护动作的信号 图5 8为DX 11型电磁信号继电器 当电流通过线圈2时 衔铁3被电磁铁1吸引 信号牌6因一端失去支持而落下 同时 与信号牌相联的固定轴随着旋转90 角 使固定在转轴上的可动接点4与固定接点5接触 因而接通灯光或音响信号回路 值班员查看信号牌的位置可确认是哪一套保护装置动作 随后用手转动复位手柄8 将继电器复归 2 中间继电器中间继电器是扩大接点数量和容量的一种辅助继电器 结构如图5 10所示 接点较多 当同时需要控制多个回路时可借助中间继电器完成 电流 电压继电器的接点容量较小 不能直接接通跳闸回路 经过中间继电器来扩大接点容量 利用中间继电器本身的动作时间获得短时的延时 而避免采用专门的时间继电器 图5 11为DZ 10系列中间继电器的内部接线和图形符号 3 重合闸装置 由时间继电器 中间继电器信号继电器与电容器电阻组合而成 它利用了电容器的充放电来实现一次重合 1 3电力线路的继电保护一 电流保护在电力系统中 输电线路发生相间短路故障的特点是 线路中的电流突然增大 电压突然下降 由于电流突然增大 超过整定值 而引起电流继电器动作的保护 就是线路电流保护 按工作原理电流保护分为 定时限过电流反时限过电流电流速断延时电流速断 一 定时限过电流1 工作原理在单侧电源供电的辐射网络中 每一线路始端均装设断路器和保护装置 图5 12所示为单侧电源辐射形电网的定时限过电流保护 当线路x 3的D1点发生短路故障时 短路电流ID1将流过电源至短路点之间所有的保护装置1 2 3 切当ID1大于保护装置1 2 3的整定电流值时 各保护装置均将启动 但按选择性的要求 只应有距故障点D1最近的保护装置3动作 跳开断路器3DL 当3DL跳闸后 短路电流消失 保护装置1及2的电流继电器都应立即返回 为获得选择性 各套保护装置应有不同的动作时间 t1 t2 t3可得 t1 t2 tt2 t3 t t称为时限级差 一般取0 5 图5 12b为过电流保护的动作时限特性 阶梯时限特性除保护本线路外 还应作为其相邻的下一段线路的后备保护 即 若3故障不动作 则2动作 2 过电流保护的原理接线图 1 电磁式电流继电器1LJ 2LJ 3LJ 担负保护装置的测量任务 当线路故障 二次侧的电流超过任一只的动作电流时 其相应的继电器起动 2 时间继电器SJ 建立保护装置所需要的动作延时 3 信号继电器XJ 动作后 接点闭合发出信号 动作掉牌 4 保护出口继电器BCJ 一路装有2套以上保护时 均起动BCJ发出断路器跳闸脉冲 只1套保护时 如SJ接点容量足够 SJ直接接通跳闸回路 可不设BCJ 5 电流互感器LH 变一次大电为5A 与一次高压系统隔离 二次必须接地 6 断路器常开辅助触点 DL1 DL跳后 DL1断开 切断跳闸线圈TQ的电流 防止CJ的常开接点切断TQ时 烧坏其接点 以上为三相三继电器接线方式应用于110KV及以上的中性点直接接地系统中 反应相间短路和单相接地短路 在6 10KV和35KV小电流接地系统中 采用两相两继电器的接线方式来反应各种相间短路 当被保护新路发生相间短路时 1LJ 2LJ同时起动或一只启动 通路由 1LJ 或2LJ 常开接点 SJ线圈 SJ起动 其接点延时闭合 SJ延时常开接点 XJ DL1 跳闸线圈TQ 断路器跳闸 在接通TQ的同时 信号继电器掉牌 并发出信号 此种接线 要求整个电网的LH装设在相同的相别上 一般为A C相 在非直接接地系统中 当两条线路上的不同地点不同相别发生两点接地时 对于故障相可能出现的各种组合方式 可以保证有2 3的机会只切除一条线路 如表5 1所示 另一条线路带单相接地可继续运行 如各线路的LH不装在同名相上 当二条线路分别发生不同相别的两点接地时 保护装置可能不会动作 如5 15 结果只能让上级保护无选择性动作 在35KV系统中还采用两相三继电器的接线方式 即在两相继电器接线方式的中性线上在接入一电流继电器 在这种接线方式下 当Y 接线的变压器后面发生两相短路时 其灵敏度可比两相两继电器接线方式的提高一倍 3 定时限过电流保护的定值和灵敏度在电动机的启动或自启动 用户负荷突变和其他原因引起短时间的冲击电流等情况下不应动作 整定原则 按躲过被保护线路的最大负荷电流整定 保护装设目的 后备保护 近后备 远后备 1 过流保护装置的二次动作电流 式中Idz j 电流继电器的起动电流 Ifh max 正常工作时被保护线路的最大负荷电流 Kz 电动机的自启动系数 1 5 3 Kk 可靠系数 1 15 1 25 Kf 返回系数 电磁式继电器为0 85 nLH 电流互感器变比 Kj 电流互感器的接线系数 Y 取1 取根号3 2 过电流保护装置的灵敏度 保护装置能否对保护区内的短路故障有灵敏地反应 即短路电流是否能确保比动作电流大一定的倍数 通常用灵敏度Klm来表示 式中Klm 灵敏系数 IDmin 2 最小运行方式下 线路末端或下一线路末端两相短路时 流过保护的电流 Idz 一次侧的动作电流 在被保护线路末端短路时Klm要求为1 5 作后备保护时 Klm要求为1 2 二 电流速断保护根据短路电流越靠近电源侧越大的特点 可采取提高电流继电器的动作电流值来获得保护的选择性 瞬时电流速断限时电流速断保护 带有较短时限 1 瞬时电流速断保护工作原理 整定原则 按躲过被保护线路末端 如D1点 短路时的最大短路电流来整定 保护范围 本段线路一部分 不能保护线路全长 如 D2点 短路时 保护不动作 不考虑返回系数Kf 动作时间 0S保护装设目的 主保护任务 线路始端短路时能迅速切除故障 系统在各种运行方式下 对应线路不同地点短路时的三相短路电流曲线如图5 16 为保证选择性 应使Idz KkIDW max式中Idz 瞬时电流速断保护的一次侧动作电流 IDW max 线路外部 B母线处 短路时 流过过流保护装置的最大短路电流 Kk 可靠系数 电磁式电流继电器取1 2 1 3 感应式电流继电器取1 5 1 6 当ID Idz时 保护动作 一般保护范围Lgd max能达到保护线路全长的50 最小运行方式下能保护线路全长的15 20 即可装设 保护范围以外的区域成为死区 判断 在线路始端 二侧电源线路 若两侧保护同时动作或同时均不动作 判断故障点在线路中间部分 2 接线图在接线图中 一般都与一只DZ型中间继电器CJ 它的作用有两个 1 LJ接点容量下 不能直接接通跳闸线圈 用BCJ扩大接点容量 2 若被保护线路上装有管形避雷器 当两相或三相同时放电时 造成短时相间短路 放点后马上线路立即恢复正常 此时保护不应动作 利用中间继电器的固有动作时间 来躲开避雷器的放电时间 三 延时电流速断保护装置保护范围 保护线路全长 延伸到下一线路始端 动作时限 比下一线路的瞬时电流速断大一个时限级差 t 保护装设目的 瞬时电流速断保护的后备保护 消除瞬时保护动作的死区 继电器的固有动作时间0 06 0 1S 延时速断保护作为被保护线路末端故障的主要保护 以线路末端短路时最小短路电流校验灵敏度 四 三段式过电流保护装置采用瞬时电流速断保护只能保护本线路的一部分 延时电流速断保护虽能保护线路全长 但仍不能保护下一段线路的全长 所以必须装设定时限过电流保护 以作本段和下段线路的后备保护 在单侧电源供电线路上采用三段式过流保护装置 任何一段保护动作时 相应的继电器掉牌从而可分析故障的大概范围 有些线路装设两段保护就可以满足要求 如线路变压器组的接线 不装设延时电流速断 距离较短的线路 只装设延时电流速断和定时限过电流 二 电流闭锁电压速断保护电压速断保护的动作原理 是根据输电线路发生短路时其母线电压将下降的特点构成的 当母线残压下降至某一数值时 低电压继电器动作而使短路器跳闸 铁路变配电所以速断为主保护 以定时限过流为后备保护 在电压保护中 为配合铁路两所备用电源自动投入和闭塞线不向自线反送电的要求 及两路电源单母线断路器分段自动投入的要求 一般都设有失压保护 即在母线失压的情况下开关跳闸断开无压一侧的开关 1 4变配电所保护举例一 1 受电盘 由两路电源同时供电的变 配电所 即 单母线分段供电处所 必须投入的保护条件为 过流 速断 无压失放 绝缘监视保护 其中母联盘应投入备用电源自动投入条件当其中一路受电电源发生异常情况或突然停电时 为确保母联盘投入成功 所以受电盘应投入无压失放条件 我段管内属于单母线分段供电的变 配电所为 山海关变电所 山海关 葫芦岛 大虎山 辽中 台安 盘锦北 锦州南 绥中北配电所 其它变配电所均为单母线集中供电方式 由二路电源一主一备供电或仅一路电源为全所供电 即 单母线集中供电处所 投入的保护条件为 过流 速断 绝缘监视保护 两路电源一主一备供电的配电所 应投入备用电源自动投入条件 同时运行受电盘投入无压失放条件 单一受盘为全所供电的配电所的受盘退出无压失放保护条件 如不取消该保护 当上级变电所发生瞬间故障或电压质量发生问题时 将造成受盘无压失放分闸 段管内的所有变 配电所受电盘电压互感器的一次中性点开关均在合闸位置 2 调压盘调压盘时自闭 贯通盘的二级受电电源盘 该盘无馈出回路 所以发生短路故障机率很少 所以应投入过流保护条件 退出速断保护 3 自闭 贯通盘变 配电所的贯通盘所带负荷为行车重点负荷 所以应具备下述保护及运行条件 并确保其动作的灵敏性 快速性和可靠性 自闭 贯通盘无论是室内 室外有施工作业 配电值班员在恢复送电时必须对检同期装置进行检查 发现异常不得进行强送 立即向车间或调度报告 投入保护 过流保护 速断保护 失压保护 一次重合保证 备用电源自动投入 同期检查 绝缘监视 4 馈出盘过流保护 速断保护 取消一次自动重合闸保护 因为各馈出盘一般线路比较短 发生瞬间短路故障的机率很小 如发生瞬间短路故障 强送一次可以躲过故障 投入自动重合闸将会扩大故障范围 5 电容盘速断保护 失压保护 过压保护 二 失压保护的作用 1 后备保护 当线路发生短路故障时 其特点是电流增大 电压降低 当速断保护拒动时 失压保护可作为后备保护动作 切除故障 2 与其它电源有联系的盘 现我段具备无压失放保护的有自闭 受电 电容等回路 其中电容盘如无失压装置 系统断电后电容器不能从回路中断开 突然送电很有可能造成电容器爆炸或电容损坏等现象 另外自闭 贯通盘如无失放装置 对所自动投入时将送电到本所母线上 造成过载使对所跳闸 扩大事故范围 3 自闭 贯通盘设低压保护 当电压降低到一定值时跳闸 由对所投入 保证行车电源电压质量 三 66KV变压器保护简介差动速断 比例差动 CT断线闭锁 后备保护 延时速断 定时限过流 过负荷报警 主变油温超限报警 轻瓦斯报警 重瓦斯跳闸保护 1 差动保护 作为变压器内部以及套管引出线相间短路的保护 以及中性点直接接地系统侧的单相接地短路保护 对变压器内部绕组间的匝间短路也能反应 匝数少时差动不反应 2 比例差动 1 全电流比例差动 灵敏性低 绝对值 2 故障分量电流比例差动 相对值 3 瓦斯保护 作为变压器套管引出线相间短路的保护 以及中性点直接接地系统侧的单相接地短路保护 绕组间相间短路 及铁芯其他部件过热或漏油等故障 瓦斯反应油箱内各种故障 对套管引出线的故障无法反应 4 CT断线闭锁 对CT断线的检测要求 实际在差动中的CT断线有2种看法 一种是不检测 反正断线时差动会动作 跳开主变各侧 防止了在CT断线时变压器发生内部故障 差动不能正确动作 导致事故扩大 另一种看法就是进行检测了 CT断线就报警 检修 不跳主变 因为主变跳闸影响范围大 所以采用CT断线报警闭锁差动的 5 后备 相对主保护而言 过流 按躲过变压器负荷侧母线上三相短路时流过保护时最大的短路电流来整定 同时也躲过变压器空载投入时的励磁涌流 2 1二次回路的接线图和安装图在变 配电所中 用于监视测量仪表 控制操作信号 继电保护及自动装置等全部低压回路 统称为二次接线 绘制二次接线图的基本原则 是将所有的二次设备元件用国家统一规定的相应图形 文字或数字符号表示出 其间的接线按照实际联结顺序绘出 二次接线图按其用途可分为以下几种 原理图 展开图 盘面布置图 安装接线图 一 原理图原理图是表示二次回路构成原理的最基本的图 概念 将所有图上所有的二次设备都用