供配电系统的继电保护.ppt

2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 1 第七章供配电系统的继电保护 一 为什么要设保护 1 故障原因 绝缘破坏 误操作 雷击等 2 故障危害 二 保障对象 线路 变压器 电机等 三 保护措施 根据对象工况确定保护装置执行机构 断路器或熔断器 低压系统 保护装置常用低压断路器和熔断器 继电保护 变电所二次回路的重要组成部分 作用 故障 跳闸 切除故障 不正常运行状态 发出报警信号 同时 可避免电气设备或供配电系统损坏 提高供电可靠性 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 2 第一节继电保护的基本知识第二节常用的保护继电器第三节电力线路的继电保护第四节电力变压器的继电保护第五节高压电动机的继电保护第六节6 10kV电容器的继电保护第七节配电系统微机保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 3 第一节继电保护的基本知识 继电保护装置 能反应供配电系统中电气设备发生故障或不正常运行状态 并能动作于断路器跳闸或启动信号装置发出预告信号的一种装置 属二次接线 一 继电保护的要求1 选择性 挑选故障元件的能力 系统发生故障 保护装置动作 离故障点最近的保护装置先动作 切除故障设备 使停电范围最小 系统中无故障部分仍正常工作 如何实现 失去选择性 供电系统发生故障时 靠近故障点的保护装置完好而不动作 而距离故障点较远的前一级保护装置动作 也叫越级跳闸 QF5是WL4的远后备保护 QF6是WL4的近后备保护 远后备保护 近后备保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 4 2 可靠性 不拒动 不误动在保护范围内 发生故障或异常 保护装置要可靠动作 不该拒动 在不应该动作时 不能误动作 为满足可靠性 保护装置接线应尽可能简单 避免保护装置断线 短路 接地及错误接线 辅助元件及安装施工应当可靠 整定合理 目标 技术上安全可靠 经济上合理 如图所示K点短路 保护3不应该拒动作 保护1和保护2不应该误动作 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 5 3 速动性 尽快动作切除故障 减小故障造成的损失 减少对用电设备的影响 如在0 2s切除 电动设备则不停转 从而提高系统运行的稳定性 故障切除时间等于保护装置的动作时间和断路器动作时间之和 注意 必须在满足选择性的基础上 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 6 4 灵敏性 保护装置对在其保护范围内发生故障或不正常工作状态的反应能力 在保护区内 不论系统的运行方式 短路的性质和短路的位置如何 故障的轻重 保护都应正确动作 灵敏性用灵敏度KS来衡量 灵敏度愈高 反应故障的能力愈强 保护装置就越复杂 价格越贵 且可靠性降低 灵敏度Ks计算 国家对灵敏度有相关的规定 在设计各种保护装置时 其灵敏系数应满足有关规定的标准 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 7 1 对于故障时参数量增加的保护装置 2 对于故障时参数量降低的保护装置 例如 过电流保护的灵敏系数为KS IK min IopIK min 保护区内故障的最小短路电流值 例如 低电压保护的灵敏系数为KS Uop UK maxUK max 保护区内故障的最大残压值 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 8 二 继电保护的基本原理 供配电系统发生故障时 会引起电流增大 电压降低 电压和电流间相位角改变等现象 利用上述物理量故障时与正常时的差别 可构成各种不同工作原理的继电保护装置 如 1 电流保护 定时限过流保护 电流速断保护 零序电流保护 2 电压保护 欠压 失压及过压保护 3 方向保护 方向过电流保护 4 电压与电流比值保护 距离保护 5 输入电流与输出电流之差 变压器横差 纵差保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 9 1 测量部分测量被保护设备的某物理量 与保护装置的整定值进行比较 判断被保护设备是否发生故障 保护装置是否应该起动 继电保护种类很多 但其工作原理基本相同 它主要由测量 逻辑和执行三部分组成 2 逻辑部分根据测量部分输出量的大小 性质 出现的顺序 使保护装置按一定的逻辑关系工作 输出信号到执行部分 3 执行部分根据逻辑部分输出信号驱动保护装置动作 使断路器跳闸或发出信号 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 10 1 常规继电保护各种不同功能的继电器按一定方式连接 组合 构成继电保护装置 当前继电保护的主要形式 2 晶体管继电保护由不同功能的晶体管电路组成 动作快 灵敏度高 功耗小 体积小 重量轻等特点 但是抗干扰差 元件易损坏以及由此带来的误操作等缺点 目前应用的不多 3 微机继电保护装置 仅属于一种概念因为微机保护中 除执行结构外 一般不设继电器 三 当前继电保护的形式 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 11 四 工厂继电保护的配置 1 继电器保护 可靠性高 操作灵活 适于高压供电系统 2 熔断器保护 用于高低压供电系统 简单经济 但断流能力较小 选择性差 更换不便 适于可靠性要求不高的场合 3 低压断路器保护 由于脱扣器多 可进行过流 过压 失压 欠压保护 还可作为控制开关使用 适于可靠性要求高 操作频繁的低压供电系统中 五 电流保护的接线方式和接线系数 接线方式 电流保护中电流继电器与电流互感器二次绕组的连接方式 为便于分析和整定计算 引入接线系数Kw Kw 流入继电器KA线圈的电流IKA与电流互感器二次绕组电流I2的比值 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 12 1 三相三继电器接线 完全星形接线 能反应各种短路故障 流入继电器的电流与电流互感器二次绕组电流相等 其接线系数始终等于1 主要用于高压直接接地系统 做相间短路和单相短路保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 13 2 两相两继电器接线 不完全星形接线 不能反应单相短路 只能反应相间短路 其接线系数为1 用于中性点不接地6 10KV系统 作相间短路保护用 A C装 B相不装 省一只电流互感器及电流继电器 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 14 3 两相一继电器接线 两相电流差接线 流入继电器的电流为两个CT二次绕组电流之差 正常工作时 通过继电器的电流为 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 15 因而灵敏系数也不一样 一般情况下 保护整定时 取KW 灵敏度校验时 取KW 1 可反应各种相间短路 但接线系数随短路种类不同而不同 保护灵敏度也不同 主要用于10KV及以下电压等级和高压电动机的保护 不同的相间短路时 接线系数是不一样的 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 16 三种接线方式性能比较 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 17 第二节常用的保护继电器 保护继电器的分类 继电器 其输入的物理量达到规定值时 其电气输出电路被接通或者被分断的自动电器 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 18 一 电磁式继电器 串联 1 电磁式电流继电器 1 文字符号和图形符号 文字符号 KA 起动元件 2 结构和工作原理 1 线圈2 铁心3 可动舌片4 静触点5 可动触点6 调整杆7 刻度盘9 反作用弹簧 特点 流过其线圈电流的大小改变触点状态 功耗小 灵敏度高 动作快 缺点 触点容量小 功耗小 不能直接动作于断路器跳闸 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 19 动作电流 过电流继电器动作的最小电流用Iop kA表示 返回电流 继电器由动作状态返回到起始位置的最大电流 用Ire KA表示 返回系数 继电器的返回电流与动作电流之比称为返回系数Kre 值越大 反应越灵敏 显然 过量继电器的返回系数小于1 电磁式电流继电器的返回系数通常为0 85 吸合值 释放值 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 20 3 动作电流的调节 细调 改变调整杆6的位置来改变弹簧的反作用力 可实现力矩的平滑调节 粗调 改变继电器线圈的连接 当线圈由串联改为并联时 相当与线圈闸数减少一半 由于继电器动作所需的电磁力是一定的 即所需磁动势一定 因此其动作电流增大一倍 反之 则减小一倍 可进行级进调节 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 21 1 文字符号和图形符号 KV 起动元件 2 结构和工作原理与DL型电磁式电流继电器基本相同 3 区别 线圈为电压线圈 匝数多 导线细 与电压互感器的二次绕组并联 分为 过电压和欠电压继电器 过电压继电器的返回系数通常为0 8 欠电压继电器的返回电压大于起动电压 其返回系数Kre大于1 通常为1 25 2 电磁式电压继电器 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 22 3 电磁式时间继电器 保护装置可得到需要的延时 1 文字符号 KT从得到输入信号 线圈的通电或断电 开始 到产生相应的输出信号 触点闭合和断开 有一个符合一定准确度的延时过程的继电器 分 通电延时型 断电延时型 2 结构和工作原理由电磁系统 传动系统 钟表机构 触头系统和时间调整系统等组成 3 动作时限调整 通过改变主静触头与主动触头之间的相对位置 即改变主动触头的行程获得 注意 不能长时间通电 否则应串接电阻 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 23 1 线圈2 电磁铁3 可动铁心4 返回弹簧5 6 瞬时静触头7 绝缘件8 瞬时动触头9 压杆10 平衡锤11 摆动卡板12 扇形齿轮13 传动齿轮14 主动触头15 主静触头16 标度盘17 拉引弹簧18 弹簧拉力调节器19 磨擦离合器20 主齿轮21 小齿轮22 掣轮23 24 钟表机构传动齿轮 2 内部接线与图形符号 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 24 4 电磁式信号继电器 指示继电器作用 发出指示信号 表示保护动作 同时接通信号回路 发出灯光或者音响信号 文字符号 KS 1 线圈2 电磁铁3 弹簧4 衔铁5 信号牌6 玻璃窗孔7 复位旋钮8 动触头9 静触头10 接线端子 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 25 5 电磁式中间继电器 auxiliaryrelay作用 增加触头数量 增加触头的容量 用作辅助继电器 1 线圈2 电磁铁3 弹簧4 衔铁5 动触头6 7 静触头8 连接线9 接线端子10 底座 文字符号 KM 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 26 二 感应式电流继电器 GL型 1 文字符号和图形符号 文字符号 KA 组成 感应系统和电磁系统 1 线圈2 电磁铁3 短路环4 铝盘5 钢片6 铝框架7 调节弹簧8 永久磁铁9 扇形齿轮10 蜗杆11 扁杆12 触头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 优点 触点容量大 兼有电磁式电流继电器 时间继电器的作用 利于简化接线 缺点 机械机构复杂 动作精度不高 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 27 二 工作原理 速断与过流保护合二为一 1 感应系统 动作电流 蜗杆与扇形齿片相咬合时 线圈所需要通入的最小电流 返回电流 使扇形齿片脱离蜗杆回到原来位置时的最大电流 动作时间 从轴上蜗杆与扇形齿片相咬合起到触点闭合这一段时间 反时限特性 流入继电器的电流越大 铝盘转速越快 动作时间就越短 1 线圈2 电磁铁3 短路环4 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 扇形齿轮10 蜗杆11 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 28 速断电流 当通入继电器线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 触点立即闭合 时限特性 如图所示 ab段 反时限特性 此时继电器铁心尚未饱和 bc段 定时限 铁心已达到饱和 de段 速断特性 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 2 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 29 动作电流与动作时限调节方法 感应系统的动作电流调节 改变线圈的匝数 级进调节 改变弹簧的拉力 平滑调节 电磁系统动作电流调节 改变衔铁与电磁铁之间的气隙 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 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 其速断动作电流调整范围是感应系统整定电流值的2 8倍 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 30 第三节电力线路的继电保护 一 电力线路的常见故障 供配电线路特点 用户内部的高压电力线路的电压等级为6 35KV 线路短 通常为单端供电 1 常见故障 相间短路 单相接地 过负荷 2 保护配置 1 相间短路保护 装设带时限的过电流保护 满足选择性 和电流速断保护 保护动作于断路器跳闸 2 单相接地保护 装设绝缘监视装置 零序电压保护 或单相接地 零序电流保护 保护动作于信号 作为单相接地故障保护 3 过负荷保护 经常过负荷的电缆线路 装设过负荷保护 动作于信号 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 31 二 过电流保护 over currentprotection 过电流保护 当线路电流大于继电器的动作电流时 保护装置起动 并用时限保证动作的选择性的保护装置 反时限过电流保护 inversetimeover currentprotection 由感应式电流继电器构成 保护装置动作时间与故障电流大小成反比关系 故障电流越大 动作时间越短 定时限过电流保护 Speciffiedtimeover currentprotection 由电磁式电流继电器 时间继电器等构成 保护装置的动作时间按照整定的动作时间固定不变 与故障电流大小无关 根据保护采用的继电器不同 可分为 不仅可以保护本线路全长 作为本线路的近后备保护 还可保护相邻线路 作为线路的远后备保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 32 1 过电流保护的接线和工作原理一 定时限过电流保护装置的接线和工作原理 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 33 二 反时限过电流保护装置的接线和工作原理 反时限过电流保护的原理图和展开图a 原理图b 展开图 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 34 通过反时限继电器 感应式 的时限特性 实现动作延时 KA1 KA2为GL型感应式带有瞬时动作元件的反时限过电流继电器 继电器本身动作有时限 并有动作指示掉牌信号 因此不需要接时间继电器和信号继电器 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 35 正常时 跳闸线圈被继电器的常闭触点短路 电流互感器二次侧电流经继电器线圈和常闭触点构成回路 保护不动作 当线路有故障时 继电器1KA 2KA动作 经过一定时限后 其常开触点闭合 常闭触点断开 这时断路器的交流操作跳闸线圈1YR 2YR 去掉了短接分流支路 通电动作 断路器跳闸 切除故障部分 在继电器去分流的同时 其信号牌自动掉下 指示保护装置已经动作 当故障切除后 继电器返回 但其信号牌却需手动复位 工作原理 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 36 2 整定计算内容 动作电流整定 动作时限整定和灵敏度校验等 1 动作电流整定动作电流须满足下列两个条件 正常运行时 保护装置不动作 即保护装置一次侧的动作电流Iop1应大于线路的最大负荷电流IL max即Iop1 IL max 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 37 故障切除 保护装置可靠返回到原始位置保护装置一次侧的返回电流Ire1大于线路的最大负荷电流IL max 应包含电动机的自起动电流 即Ire1 IL max 由于Iop1大于Ire1 故以Ire1 IL max整定动作电流 引入可靠系数Krel 则继电器的动作电流Iop KA Krel 可靠系数 DL型继电器取1 2 GL型继电器取1 3 Kw 接线系数 由接线方式决定 Ki为电流互感器变比 Kre 继电器的返回系数 DL型取0 85 GL型取0 8 IL max 1 5 3 0 Ic 保护装置一次侧动作电流 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 38 2 动作时限整定 t1 t2 t 为保证选择性 过电流保护装置的动作时限按阶梯原则进行整定 即从负荷侧到电源端 各保护的动作时间应逐级增加 t 应确保不误动作 反时限过电流保护 t为时限级差 包含跳闸时间 前一级时间继电器提前动作的负误差 后一级时间继电器滞后动作的正误差及时间裕度 定时限过电流保护 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 39 定时限过电流保护动作时限整定 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 t1 t2 t 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 40 反时限过电流保护的动作时间整定 反时限过电流保护的时限整定 由于GL型电流继电器的时限调节结构是按10倍动作电流的动作时限整定的 故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 反时限过电流保护动作时限整定 点配合 按 阶梯原则 来确定时限整定 时限级差为 t 0 7s 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 41 已知曲线2 K点三相短路时 流经保护2继电器的电流 a 计算WL2首端K点三相短路时保护2的动作电流倍数n2 Kw 2 Ki 2 保护2的接线系数 保护2的电流互感器变比 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 42 b 从曲线2求K点短路时保护2的动作时限t2 c 计算K点三相短路时保护1的实际动作时限t1 t1应较t2大一个 t 以保证动作的选择性 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 43 d 计算K点三相短路时 保护1的实际动作电流倍数n1 K点三相短路时 流经保护1继电器的电流 Kw 1 Ki 1 保护1的接线系数 保护1的电流互感器变比 e 由n1和t1确定点p 找出保护1的特性曲线 并确定10倍动作电流下的动作时限 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 44 3 保护装置灵敏度校验灵敏度用系统最小运行方式下线路末端两相短路电流进行校验 Iop1为保护装置一次侧动作电流 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 45 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 低电压闭锁的过电流保护单相原理接线图 三 低电压闭锁的过电流保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 46 1 定时限过流保护 优点 动作准确 整定简单 既可作本级近后备 又可作下级远后备 缺点 继电器数目多 接线复杂 需直流操作电源 投资大 越靠近电源端 动作时限越长 因此不能作为主保护 当处于负荷终端 时限短 可作为主保护 如电动机的保护 定时限与反时限过流保护比较 2 反时限过流保护优点 继电器数目少 接线简单 投资少 缺点 整定配合复杂 动作时限误差较大 距离保护装置远 动作时间长 故障持续时间长 两种保护的范围 本线路和下级线路的全长 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 47 例7 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 48 解 1 整定动作电流 由附表A 16 1知 选DL 11 10电流继电器 线圈并联 整定动作电流7A 过电流保护一次侧动作电流 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 49 2 整定动作时限线路1WL定时限过电流保护的动作时限应比线路2WL定时限过电流保护动作时限大一个时限级差 t 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 可见 保护整定满足灵敏度要求 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 50 定时限保护 可以保证保护动作的选择性 但越靠近电源侧 短路电流越大 保护时间越长 而电气设备则承受更大的短路电流时间 危害很大 一般情况下 动作时限大于0 5 0 7s时 应设置电流速断保护 以保证本段线路的短路故障能迅速地被切除 三 电流速断保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 51 1 电流速断保护的接线和工作原理 不带时限 瞬时动作 的过电流保护 相当于在定时限过电流保护中的将时间继电器去掉 即起动的电流继电器直接连接信号继电器和中间继电器 从而发出信号以及执行跳闸 实际中 电流速断保护常与过电流保护配合使用 速断保护动作电流整定值 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 52 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 53 2 电流速断保护的整定 1 动作电流整定为保证速断保护的选择性 在下一级线路首端 也即本级线路的末端 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 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 由此计算值 整定继电器的动作电流 速断保护动作电流整定值 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 54 对GL型电流继电器 整定速断动作电流倍数 电流速断保护继电器动作电流整定值 过电流保护继电器动作电流整定值 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 55 曲线1 曲线2 直线3 电流速断保护的动作电流 无时限电流速断保护的工作原理图 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 所以电流速断保护不能保护线路全长 只能保护线路的一部分 电流速断保护存在保护死区 保护死区 线路不能被保护的部分 保护区 线路能被保护的部分 优点 简单可靠 动作迅速 缺点 不能保护线路全长 有保护死区 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 56 弥补措施 为弥补死区得不到保护的缺陷 凡是装设电流速断保护的线路 必须配备带时限的过电流保护 过电流保护的动作时间比电流速断保护至少长一个时间级差 注意 1 保证前后的过电流保护动作时间符合 阶梯原则 从而保证选择性 2 在电流速断保护区域内 速断保护是主保护 过电流保护是后备保护 而在电流速断保护死区内 过电流保护是主保护 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 57 2 灵敏度校验 由于电流速断保护有死区 因此灵敏度校验不能用线路末端最小两相短路电流进行校验 应用线路首端最小两相短路电流校验 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 58 例7 2试整定例7 1中线路1WL的电流速断保护 已知线路1WL首端最小三相短路电流为9 2kA 解 电流速断保护和过电流保护共用电流互感器和出口中间继电器 电流速断保护需整定动作电流和校验灵敏度 1 动作电流整定 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 2020 2 6 第七章供配电系统的继电保护 59 选DL 11 50电流继电器 线圈并联 整定动作电流35A 速断保护一次侧动作电流为 2 灵敏度校验 以线路1WL首端最小两相短路电流校验 电流