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2020 2 25 第五章供电系统的保护及二次接线 5 1继电保护装置的概念5 2继电保护装置的操作电源5 3变配电所的二次接线5 4供电系统单端供电网络的保护5 5电力变压器的保护5 6低压配电系统的保护5 7供电系统的常用自动装置 2020 2 25 第一节继电保护装置的概念 1 在电气元件发生故障时 有选择性地作用于断路器跳闸 将故障元件从供电系统中快速切除 一 继电保护装置的任务及要求 2 在电气元件出现异常运行工况时 及时发出报警信号 继电保护装置的基本任务 大多数情况下 不管反应哪种物理量 继电保护装置一般由测量部分 逻辑部分 执行部分构成 如下图所示 输入信号 电流或电压输出信号 报警或跳闸 续上页 对继电保护装置的基本要求 1 选择性2 速动性3 可靠性4 灵敏度 当供电系统发生故障时 只离故障最近的保护装置动作 切除故障 而供电系统的其它部分仍然正常运行 在系统发生故障时 保护装置应尽快地动作 切除故障 保护装置在应该动作时 不应拒动 而在不应该动作时 不应误动 表征保护装置对其保护区内故障和不正常工作状态反应能力的一个参数 过电流保护装置的灵敏度用保护装置的保护区内在电力系统为最小运行方式 指电力系统处于短路阻抗为最大而短路电流为最小的状态的运行方式 时的最小短路电流Ik min与保护装置一次动作电流 即保护装置动作电流换算到一次电路的值 Iop 1的比值来表示 这一比值就称为保护装置的灵敏系数或灵敏度 即 在GB50062 92 电力装置的继电保护和自动装置设计规范 中 对继电保护装置的灵敏度都有一个最小值的规定 二 保护继电器 继电器是一种在其输入的物理量 电量或非电量 达到规定值时 其电气输出电路被接通 导通 或分断 阻断 关断 的自动电器 续上页 又称静态继电器 用模拟电子电路及部分数字电子电路构成 具有动作灵敏 体积小 能耗低 耐震动 无机械惯性等优点 结构原理有电磁式 感应式等 具有简单可靠 便于维修等优点 又称数字式继电器 是以微处理器 缩写MPU 为核心组成的新型继电保护装置 与传统的继电保护装置相比 具有可靠性高 功能齐全 调试维护方便 性能价格比优等优点 已成为电力系统继电保护的更新换代产品 在供电系统中 电流继电器是保护装置中重要的起动元件 常用的机电式电流继电器分电磁式和感应式两种 续上页 1 电磁式电流继电器 KC 动作电流Iop 过电流继电器线圈中的使继电器动作的最小电流 这种电流继电器是一种瞬时继电器 用电磁式电流继电器构成定时限过电流保护装置时 还要用到电磁式时间继电器 KT 信号继电器 KS 以及中间继电器 KA 电磁式电流继电器的其动作特性如图所示 返回电流Ire 过电流继电器线圈中的使继电器由动作状态返回到起始位置的最大电流 因为这种保护装置的动作时限 由时间继电器预先调整 与故障电流的大小无关 是固定的 所以其保护特性称为 定时限特性 如右图所示 续上页 2 感应式电流继电器 KC 感应式电流继电器的电流时间特性曲线如图所示 当继电器线圈中的电流大到一定数值时 其动作时间与通入电流的平方成反比 通入的电流越大 动作时间越短 这也就是感应式电流继电器的 反时限特性 如下图所示曲线abc 这一特性是其感应元件所产生的 当继电器线圈电流进一步增大到整定的速断电流Iqb时 电磁元件动作 使触点发生切换 同时也使信号牌掉下 很明显 电磁元件的作用又使感应式继电器兼有 电流速断特性 如图所示bb d曲线 因此这种电磁元件又称为电流速断元件 速断电流Iqb是指继电器线圈中的使电流速断元件动作的最小电流 速断电流与感应元件的动作电流之比称速断电流倍数nqb 三 继电保护装置的接线形式 继电保护装置的接线形式是指互感器与电流继电器之间的连接方式 目前常用的有三相三继电器和两相两继电器两种 如图所示 三相三继电器式 两相两继电器式 为了表述继电器线圈电流Ik与电流互感器二次电流I2的关系 引入一个接线系数KW 2020 2 25 第二节变配电所的操作电源 操作电源对变配电所的安全可靠运行起着极为重要的作用 正常运行时应能保证断路器的合闸和跳闸 事故状态下 在母线电压降低甚至消失时 应能保证继电保护系统可靠地工作 所以要求充分可靠 容量足够并具有独立性 操作电源按其性质分 有直流操作电源和交流操作电源两大类 变配电所的操作电源是供高压断路器控制回路 继电保护回路 信号回路 监测装置及自动化装置等二次回路所需的工作电源 目前在较重要的中 大型变配电所选用的直流操作电源大多为带免维护铅酸蓄电池或镉镍电池组储能的硅整流电源或高频开关电源成套装置 由于蓄电池组本身是独立的化学能源 因而具有较高的可靠性 一 直流操作电源 续上页 续上页 小型10kV配变电所一般采用弹簧操动机构 且继电保护也较简单 则可以选用交流操作电源 可以从所用变压器或电压互感器取得220V电压源 从电流互感器取得电流源 二 交流操作电源 续上页 当一次系统发生故障时 交流电压可能会大大降低或消失 电压互感器二次侧电压也随之降低或消失 因此 用电压互感器作交流操作电源只能作为断路器正常跳合闸以及油浸式变压器瓦斯保护或干式变压器温度保护的工作电源 相反 电流互感器对于短路故障 过负荷都非常有效 可以它为操作电源来实现过电流保护 作用于断路器操动机构上的电流脱扣器动作 使断路器自动跳闸 通常变电所都采用这种操作方式 去分流跳闸方式 目前 也有配变电所采用不间断电源UPS作为交流操作电源的方案 由于提高了电压源的可靠性 可采用分励脱扣器跳闸的保护方式 而省去用电流脱扣器跳闸的方式 从而免去交流操作继电保护中特有的电流脱扣器可靠性校验和强力切换接点的容量校验 使继电保护趋于简单 2020 2 25 第三节变配电所的二次接线 供电系统的二次接线是指用来对一次接线的运行进行控制 监测 指示和保护的电路 亦称二次回路 二次接线常用二次接线图表示 二次接线图是指用国家标准规定的电气设备图形符号与文字符号绘制的表示二次回路元件相互连接关系及其工作原理的电气简图 包括原理电路图和安装接线图 一 概述 二次回路按其功能分 有操作电源回路 电气测量回路与绝缘监视装置 高压断路器的控制和信号回路 中央信号装置 继电保护回路以及自动化装置等 二 电气测量回路与绝缘监视 目的 为了监视供电系统的运行状态和计量一次系统消耗的电能 保证供电系统安全 可靠 优质和经济合理地运行 10kV线路电气测量仪表电路图 要求 对电气测量仪表 要保证其测量范围和准确度满足变配电设备运行监视和计量的要求 并力求外形美观 便于观测 经济耐用等 续上页 下图是380V电源进线回路上装设的电气测量仪表展开式原理电路图 续上页 基于先进的数字信号处理和单片机技术的新型数字式智能表 集测量 显示 报警输出 参数设置和数据存储为一体 已逐步在重要的变配电所及其自动化工程中得到应用 下图是多功能综合数字式智能表的测量原理电路图 续上页 绝缘监视装置是利用系统接地后出现的零序电压给出信号 当任一回线路发生单相接地故障时 开口三角形处将出现近100V的零序电压 KV动作发出预告信号 三 高压断路器的控制和信号回路 高压断路器的控制回路是指用控制开关或遥控命令操作断路器跳 合闸的回路 它主要取决于断路器操动机构的型式和操作电源的类别 信号回路是用来指示一次系统设备运行状态的二次回路 用来显示断路器正常工作的位置状态 用来显示断路器在事故情况下的工作状态 在系统出现不正常状态时或在故障初期发出的报警信号 1 应能监视控制回路保护装置及其跳 合闸回路的完好性 2 合闸或跳闸动作完成后 应能使命令脉冲解除 即能切断合闸或跳闸回路 3 应能指示断路器正常合闸和跳闸的位置信号以及断路器自动合闸和跳闸的指示信号 4 应有防止断路器连续多次跳 合闸的防跳回路 对断路器的控制和信号回路主要有下列基本要求 续上页 LW12型万能转换开关 控制开关是开关柜就地控制断路器跳 合闸的操作元件 常用的控制开关是用手柄操作的 在手柄转轴上装有彼此绝缘的系列铜片触点 动触点 绝缘外壳的内壁上装有固定不动的静触点 当手柄转动时 每个触点盒内动 静触点的通断状态发生相应变化 目前用户变配电所多采用LW12型万能转换开关作为控制开关 这种控制开关有六个位置 两个预备操作位置 预备合闸 和 预备跳闸 两个操作位置 合闸 和 跳闸 两个固定位置 合闸后 和 跳闸后 合闸操作的程序为 预备合闸 合闸 合闸后 跳闸操作的程序为 预备跳闸 跳闸 跳闸后 LW2型万能转换开关 续上页 下面介绍一种采用灯光监视就地控制的断路器控制与信号回路 此电路多用于中小型变配电所中 断路器配用弹簧操动机构 交流操作电源 1 手动储能合闸 采用弹簧操动机构的断路器在首次合闸前需先储足能量 储能过程为 将主令开关SAR合上 储能电机M通电运行 拉伸或压缩弹簧储能 到位后 锁扣扣住弹簧 同时行程开关SQT常闭触点断开 电机停车 SQT常开触点闭合 储能位置指示灯HW亮 表示合闸弹簧已储足能量 可以进行合闸操作 续上页 将控制开关SA手柄旋转至 合闸 位置 触点SA5 6接通 因SQT3触点闭合 合闸弹簧储足能量时此触点闭合 接通合闸回路 且断路器辅助触点QF1接通 故合闸线圈YC通电 全电压 动作 使合闸弹簧释放能量 断路器克服分闸弹簧的反作用力而合闸 合闸动作完成后 QF常闭触点断开 切断合闸回路 绿灯HG熄灭 QF常开触点闭合 红灯HR亮 续上页 将控制开关旋转至 跳闸 位置 触点SA7 8接通 因断路器常开辅助触点QF闭合 故跳闸线圈YT通电 全电压 动作 使断路器在分闸弹簧的作用下跳闸 松手后 SA又自动回转到 跳闸后 位置 断路器跳闸动作完成后 QF常开触点返回断开 红灯HR熄灭 QF常闭触点返回闭合 绿灯HG亮 表示断路器处于跳闸状态 同时表明合闸回路完好 2 手动跳闸 续上页 当一次系统发生故障时 继电保护装置动作 出口触点KA闭合 接通跳闸回路 使跳闸线圈YT通电 全电压 动作 断路器自动跳闸 随后QF常开触点断开 红灯HR熄灭 QF常闭触点闭合 绿灯HG亮 为简化电路 这里未采用闪光信号表示断路器自动跳闸 3 自动跳闸 续上页 断路器自动跳闸后 而控制开关SA仍处于 合闸后 位置 这种情况称为 不对应 关系 在此情况下 事故跳闸信号回路中的QF常闭触点闭合 而触点SA1 2和SA15 16闭合 故事故跳闸信号回路接通 使中央信号装置发出事故音响信号 运行人员得知事故跳闸信号后 可将控制开关SA的手柄位置旋转至 预备跳闸 跳闸 跳闸后 位置 使控制开关SA与断路器恢复对应关系 事故信号立即解除 图中WDS WFS为事故信号小母线 2020 2 25 第四节供电系统单端供电网络的保护 按GB50062 92 电力装置的继电保护和自动装置设计规范 对3 66kV电力线路装设 相间短路保护 单相接地保护 过负荷保护 一 带时限过电流保护 1 定时限过电流保护 组成 由电磁式继电器KC KT KS构成 要求操作电源在动作过程中电压稳定可靠 定时限就是保护装置的动作时间是按整定的动作时间固定不变的 与故障电流大小无关 反时限就是保护装置的动作时间与故障电流大小的平方成反比关系 故障电流越大 动作时间越短 一 带时限过电流保护装置的构成与动作原理 续上页 原理分析 一次线路AB相间短路 KC1 2起动 BC相间短路 KC2 3起动 AC相间短路 KC1 3起动 ABC相间短路KC1 2 3同时起动 续上页 原理分析 KC起动 KT得电延时 KT常开闭合 KS得电发信号 同时YT得电动作 QF自动跳闸 续上页 2 反时限过电流保护 由GL型电流继电器组成 原理分析 一次线路ABC相间短路 KC1 2 3同时起动 经过一定延时后 KC常开闭合 KC常闭断开 因去分流YCT得电动作 QF自动跳闸 续上页 二 动作电流的整定 带时限的过电流保护 包括定时限和反时限 的动作电流IOP的整定原则是 1 动作电流IOP 1应躲过线路的最大负荷电流 包括正常过负荷电流和尖峰电流 IL max 以免保护装置在线路正常运行时误动作 IOP 1 IL max 2 保护装置的返回电流Ire 1也应躲过IL max 否则 保护装置还可能发生误动作 Ire 1 IL max 续上页 因保护装置的返回系数Kre Ire Iop Ire 1 Iop 1 所以上式又可写成 继电保护的整定最终要在继电器上调节出动作值 所以要将一次动作电流Iop 1换算到继电器的动作电流Iop 设电流继电器所接的电流互感器的变流比为Ki 保护装置的接线系数为KW 则有Iop Iop 1 Ki KW Iop 1 IL max Kre 引入可靠系数Krel 将上式写成等式 则得到带时限过电流保护装置动作电流的整定计算公式为 则有Iop IL maxKW KiKre 式中 Krel为可靠系数 对DL型继电器取1 2 对GL型继电器取1 3 Kre为继电器返回系数 用DL型继电器取0 85 用GL型继电器取0 8 IL max为线路上的最大负荷电流 可取为计算电流IC的 1 5 3 倍 续上页 三 动作时间的整定 t 0 5s t 0 7s 按 阶梯原则 t1 t2 t 续上页 四 过电流保护的灵敏度校验 过电流保护的保护灵敏度Sp Ik min Iop 1 对于线路过电流保护 Ik min应取被保护线路末端在系统最小运行方式下的两相短路电流 而 因此按规定过电流保护的灵敏度必须满足的条件为 定时限过电流保护动作时间比较精确 整定简便 而且不论短路电流大小 动作时间都是一定的 不会出现因短路电流小动作时间长而延长了故障时间的问题 但缺点是 所需继电器多 接线复杂 对操作电源的可靠性要求高 而反时限过电流保护的优点是 继电器数量大为减少 而且可同时实现电流速断保护 加之可采用交流操作 因此简单经济 故它在中小型用户供电系统 6 10kV 中得到广泛应用 缺点是 动作时间的整定比较麻烦 而且误差较大 二 电流速断保护 GB50062一92规定 在过电流保护动作时间超过0 5 0 7s时 还应装设瞬动的电流速断保护装置 一 电流速断保护的构成 电流速断保护就是一种瞬时动作的过电流保护 也称瞬时电流速断保护 对于采用DL系列电流继电器的速断保护来说 就相当于定时限过电流保护中抽去时间继电器 续上页 续上页 二 速断电流的整定 由于电流速断保护是瞬时动作的 无法通过动作时限的配合来实现前后两级保护的选择性动作 因此只有依靠动作电流 速断电流 的特殊整定来实现选择性配合 因此 电流速断保护的动作电流 速断电流 Iqb应躲过它所保护的线路末端的三相短路电流 其整定计算公式是 式中 Krel为可靠系数 对DL型继电器取1 2 1 3 对GL型继电器取1 4 1 5 续上页 电流速断保护不可能保护线路的全长 存在保护 死区 三 电流速断保护的 死区 问题 在电流速断保护的 死区 内 一般由带时限的过电流保护实现保护 续上页 四 电流速断保护的灵敏度 电流速断保护的灵敏度按其安装处 即线路首端 在系统最小运行方式下的两相短路电流作为最小短路电流Ik min来检验 因此电流速断保护的灵敏度必须满足的条件为 对于较短的10kV配电线路 则上级线路速断保护的灵敏度往往不够 此时应采用带有一定时限 0 5s 的延时电流速断保护来代替瞬时电流速断保护 由于有了0 5s的延时 因此其动作电流不需躲过它所保护的线路末端的三相短路电流 而只需大于下级线路的瞬时电流速断保护动作电流 即可获得保护的选择性 由于动作电流的减小 因而延时电流速断保护能保护线路全长 延时电流速断保护的原理电路与定时限过电流保护相同 只是 时间继电器的整定值为0 5s 某10kV配电所的进出线如图所示 进线WL1和馈线WL2均配有定时限过电流保护和电流速断保护 其中WL1所配为延时电流速断保护 均采用三相三继电器式接线 其电流继电器均为DL 31 10型 直流操作 已知TA1的变流比为100 5A TA2的变流比为50 5A KC1已经整定 其动作电流为7A 动作时间为1 0s WL2的计算电流为28A WL2首端k 1点的三相短路电流为500A 其末端k 2点的三相短路电流为200A 试整定馈线WL2的定时限过电流保护和电流速断保护 并检验其灵敏度 例题1 续上页 解 1 整定KC2的保护动作电流 选用DL 31 10型继电器 动作电流整定为8A 取IL max 2Ic 2 28A 56A Krel 1 2 Kre 0 85 Ki 50 5 10 故 2 整定KC2的保护动作时间 3 检验KC2的保护灵敏度 KC1 KC2均为定时限过电流保护 而KC1的动作时间已整定为1 0s 故KC2的动作时间可整定为0 5s WL2末端k 2点的两相短路电流为其最小短路电流 即 因此 KC2的保护灵敏度为 满足要求 续上页 4 整定KC2的速断电流Iqb 5 KA2电流速断保护灵敏度的检验 故KC2的电流速断保护灵敏度为 满足要求 Ik min取WL2首端k 1点的两相短路电流 即 电流速断保护的动作电流 速断电流 Iqb应躲过它所保护的线路末端的三相短路电流 即 三 单相接地保护 一 小电流接地系统的特点简述 在小接地电流的电力系统中 若发生单相接地故障时 只有很小的接地电容电流 也称零序电流 而线电压不变 因此可暂时继续运行 但是 由于非故障相的对地电压要升高为正常时对地电压的倍 因此对线路绝缘是一种威胁 如果长此下去 可能引起非故障相的对地绝缘击穿而导致两相接地短路 这将引起开关跳闸 线路停电 单相接地保护有零序电压保护和零序电流保护两种 二 零序电压保护 这种保护装置是利用系统接地后出现的零序电压而动作的 它是在变配电所的母线上安装绝缘监视装置来监视电力线路的对地绝缘 其基本原理已讲过 零序电压保护简单经济 但没有选择性 值班人员想判别出故障发生在哪一条线路上 就要依次断开各条线路来寻找 续上页 零序电流保护是利用单相接地故障线路的零序电流较非故障线路大的特点 实现有选择性地跳闸或发出信号 对架空线路采用图a的零序电流过滤器 它是由三个同型号规格的电流互感器同极性并联所组成的 对电缆线路采用图b的零序电流互感器 零序电流互感器的结构特点是 在其环形铁心上绕二次绕组 采用环氧浇注绝缘 三 零序电流保护 1 零序电流保护的基本原理 续上页 流经非故障线路WL2 WL3的零序电流为其对地电容电流 其方向均为由母线指向线路 而流经故障线路WL1的零序电流则是接地故障电流 即为非故障线路对地电容电流之和 其方向均为由线路指向母线 续上页 2 零序电流保护的整定 当供电系统某一线路发生单相接地故障时 其它线路上都会出现不平衡的电容电流 而这些线路因本身是正常的 其接地保护装置不应该动作 因此单相接地保护的动作电流Iop E 应该躲过在其它线路上发生单相接地时在本线路上引起的电容电流IC 即单相接地保护动作电流的整定计算公式为 式中 Krel为可靠系数 保护装置不带时限时 取为4 5 以躲过被保护线路发生两相短路时所出现的不平衡电流 保护装置带时限时 取为1 5 2 这时接地保护的动作时间应比相间短路的过电流保护动作时间大一个 t 以保证选择性 单相接地的零序电流保护的灵敏度 应按被保护线路末端发生单相接地故障时流过接地线的不平衡电流作为最小故障电流来检验 2020 2 25 第五节电力变压器的继电保护 一 电力变压器常见故障与保护设置 根据变压器的故障种类及不正常运行状态 变压器一般应装设下列保护 1 电流速断保护或差动保护它能反应变压器内部故障和引出线的相间短路 瞬时动作于跳闸 2 过电流保护它能反应变压器外部短路而引起的过电流 带时限动作于跳闸 可作为上述保护的后备保护 3 中性点直接接地侧的单相接地保护它能反应变压器中性点直接接地侧的单相接地短路 带时限动作于跳闸 4 过负荷保护它能反应过负荷而引起的过电流 一般作用于信号 6 温度信号它能反应变压器温度升高和油冷却系统的故障 5 瓦斯保护它能反应油浸式变压器油箱内部故障和油面降低 瞬时动作于信号或跳闸 一 电力变压器故障分析与保护设置原则 续上页 二 电力变压器二次侧故障在一次侧引起的故障电流分布 Yyn0联结K 变压器变比 相电压比 K 续上页 Dyn11联结K 变压器变比 相电压比 二 过电流保护与电流速断保护 一 过电流保护 变压器过电流保护的组成 原理与线路过电流保护的组成 原理完全相同 其动作时间亦按 阶梯原则 整定 与线路过电流保护完全相同 但是对6 10kV降压变电所 电力系统的终端变电所 其动作时间可整定为最小值 0 5s 变压器过电流保护的灵敏度 按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路的高压侧穿越电流值来检验 要求Sp 1 5 二 电流速断保护 变压器的电流速断保护的组成 原理与线路的电流速断保护完全相同 变压器电流速断保护的速断电流按躲过低压母线三相短路电流周期分量有效值来整定 变压器电流速断保护的灵敏度 按保护装置装设处 高压侧 在系统最小运行方式下发生两相短路的短路电流来检验 要求Sp 1 5 对Dyn11联结的变压器 由于其低压侧单相短路电流较大 可利用高压侧的过电流保护装置兼作低压侧的单相接地保护 但须校验其动作灵敏度 而对Yyn0变压器 由于其低压侧单相接地短路电流较小 高压侧的过电流保护装置的灵敏度达不到要求 需要在变压器低压侧中性点引出线上装设零序电流保护 如右图所示 零序电流保护的动作电流Iop 0 按躲过变压器低压侧最大不平衡电流来整定 零序电流保护的动作时问一般取0 5 0 7s 三 变压器低压侧的单相接地保护 一台10 0 4kV Dyn11联结的S9 1000型配电变压器配置有由GL 15型电流继电器组成的反时限过电流保护 电流速断保护 采用三相三继电器式接线和交流去分流跳闸操作 保护所连接的电流互感器变流比为150 5A 变压器高压侧的三相短路电流 低压母线的三相短路电流 单相短路电流 试整定反时限过电流保护和电流速断保护的动作电流 并检验其灵敏度 并问能否兼作低压侧的单相接地保护 变压器的IL max可取为2INT1 例题2 解 1 反时限过电流保护 1 整定动作电流 取Krel 1 3 Kre 0 8 Ki 150 5 30 故动作电流 选用GL 15 10型继电器 动作电流整定为7A 变压器的最大负荷电流 续上页 2 检验灵敏度 反时限过电流保护的灵敏度为 满足要求 变压器低压母线两相短路电流反映到高压侧的电流值为 3 校验能否兼作低压侧的单相接地保护 保护灵敏度为 由此可见 Dyn11联结变压器反时限过电流保护能满足低压侧单相接地保护灵敏度的要求 变压器低压母线单相短路电流反映到高压侧的电流值为 续上页 2 电流速断保护 1 整定速断电流 电流速断保护的动作电流 速断电流 为 2 检验灵敏度 满足要求 速断电流倍数 变压器高压侧的两相短路电流 保护灵敏度为 变压器低压母线三相短路电流反映到高压侧的电流值为 四 变压器的过负荷保护 一 油浸式变压器的瓦斯保护与温度保护 瓦斯保护又称气体继电保护 是保护油浸式电力变压器内部故障的一种基本的保护装置 按GB50062 92规定 800kVA及以上的一般油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器 均应装设瓦斯保护 五 瓦斯保护与温度保护 瓦斯保护的主要元件是气体继电器 它装设在变压器的油箱与油枕之间的联通管上 利用油浸式电力变压器内部故障时产生的气体进行工作 它有两个触点 一个是 轻瓦斯触点 另一个是 重瓦斯触点 在变压器正常运行时 气体继电器两对触点都是断开的 当变压器油箱内部发生轻微故障时 轻瓦斯触点 接通 当变压器油箱内部发生严重故障时 重瓦斯触点 接通 如果变压器油箱漏油 轻瓦斯触点 与 重瓦斯触点 会先后接通 规范还规定容量在1000kVA及以上的油浸式变压器应装设温度保护 通常采用一个温度继电器安装在变压器的油箱壁上来测量油箱温度 当油箱温度超过允许值时 温度继电器的触点接通 去触发信号装置发出预告信号 续上页 变压器瓦斯保护与温度保护的接线图 续上页 二 干式变压器的温度保护 温度保护是保护干式变压器内部故障的一种基本保护装置 干式变压器的温度保护分为温度显示和温度控制两部分 温显系统通过预埋在低压绕组只的热敏电阻 如pt100 测取温度信号 直观显示各相绕组温度 并可带计算机接口 实现远程温度监控 温控系统通过预埋在低压绕组中的测温元件 如PTC 测取温度信号 并根据绕组温度 控制冷却风机的运行 若为强迫风冷变压器 发出超温报警信号 直至发出超高温跳闸信号 续上页 干式变压器温度保护的接线图 六 差动保护 差动保护利用故障时产生的不平衡电流来动作 保护灵敏度很高 而且动作迅速 一 差动保护的基本原理 变压器的差动保护区在变压器一 二次侧所装电流互感器之间 如右图所示 变压器差动保护是利用保护区内发生短路故障时变压器两侧电流在差动回路 即差动保护中连接继电器的回路 中引起的不平衡电流Idsq I1 I2 动作的一种保护 续上页 二 变压器差动保护中的不平衡电流及其减小措施 1 由变压器接线而引起的不平衡电流及其消除措施 续上页 2 由两侧电流互感器变流比选择而引起的不平衡电流及其消除措施 为消除这一不平衡电流 可以在互感器二次回路接入自耦电流互感器来进行平衡 或利用速饱和电流互感器中的或专门的差动继电器中的平衡线圈来实现平衡 消除不平衡电流 3 由变压器励磁涌流引起的不平衡电流及其减小措施 正常运行时 变压器的励磁电流很小 一般不超过额定电流的2 10 当变压器空载投人时 其电源侧将流过数值很大的励磁电流 即励磁涌流 其变化曲线如下图所示 此外 在变压器正常运行和外部短路时 由于变压器两侧电流互感器的型式和特性不同 因而也在差动回路中产生不平衡电流 变压器分接头电压的改变 改变了变压器的电压比 而电流互感器的变流比不可能相应改变 从而破坏了差动回路中原有的电流平衡状态 也会产生新的不平衡电流 总之 产生不平衡电流的因素很多 不可能完全消除 而只能设法使之减小到最小值 续上页 励磁涌流有下列特点 1 含有的非周期分量幅值很大 常使励磁涌流偏于时间轴的一侧 2 含有大量的高次谐波 尤其是二次谐波可达到15 以上 3 波形间有明显的间断 2020 2 25 第六节低压配电系统的保护 为在发生电气故障时 防止人身间接电击 电气线路损坏和电气火灾 低压配电线路应按要求装设短路保护 过负载保护和接地故障保护 保护电器应能在故障造成危害之前切断供电电源 配电线路采用的上下级保护电器 其动作应具有选择性 各级之间应能协调配合 但对于非重要负荷的保护电器 可采用无选择性切断 1 对短路保护电器动作特性的要求 1 保护电器的动作应及时可靠 以保证绝缘导线或电缆的热稳定满足要求 2 保护电器一般采用断路器或熔断器 其分断能力应大于安装处的预期最大短路电流 一 短路保护 一 低压配电线路的保护设置及要求 3 保护电器应有足够的灵敏度 应能切除线路末端发生的最小形式的短路故障 续上页 2 短路保护电器的装设 1 保护电器应装设在每回线路的电源侧 线路的分支处和线路载流量减小处 包括导线截面减小或导体类型 敷设方式和环境条件改变等导致的载流量减小 2 保护电器应装设在低压配电线路的各相上 当N线的截面与相线相同 或虽小于相线但已能为相线上的保护电器所保护时 不需为N线设置保护 当N线不能被相线保护电器所保护时 则应为N线设置保护 对N线的保护要求如下 一般不需将N线断开 若需要断开N线时 则应装设能同时切断相线和N线的保护电器 装设剩余电流动作的保护电器时 应将其所保护回路的所有带电导线断开 在TN系统中 严禁断开PEN线 不得装设断开PEN线的任何电器 当需要为PEN线设置保护时 只能断开有关的相线回路 续上页 二 过负载保护 配电线路短时间的过负载 如电动机起动 并不对线路造成损害 长时间不大的过负载将对线路的绝缘 接头 端子造成损坏 严重的过负载 例如过负载100 将使绝缘在短时间内软化变形 介质损耗增大 耐压水平下降 最后导致短路 过负载保护的目的在于防止后一种情况的发生 1 对过负载保护电器动作特性的要求 1 过负载保护电器应采用反时限特性的保护电器 如g类熔断器 断路器的长延时脱扣器等 2 如果过负载保护电器不用于切断短路故障 而电源侧已有短路保护电器时 则分断能力可低于电器安装处的预期短路电流值 但短时耐受电流应大于预期短路电流 即应具有足够的热稳定性 3 突然断电将导致比因过载而造成的损失更大的线路时 如消防水泵 消防电梯等线路 其过负载保护应作用于信号 而不应作用于切断电路 续上页 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 2 过负载保护电器的装设 一般配电线路均应装设过负载保护电器 装设位置与要求与短路保护电器相同 但对不可能发生过负载的线路 可不装设过负载保护 三 接地故障保护 接地故障是指低压配电系统中的相线对地或与地有联系的导电体之间的短路 包括相线与大地 PE线 PEN线 电气装置的外露可导电部分 装置外可导电部分 如建筑物金属构件 金属管道 结构钢筋等 之间的短路 接地故障的危害很大 接地故障会产生故障电流 且其大小又与低压配电系统的接地型式和故障回路的阻抗有关 比较复杂 不仅如此 故障设备的外露可导电部分对地和装置外可导电部分之间存在故障电压 此电压可使人身遭受电击 也可因对地的电弧或火花引起火灾或爆炸 造成严重生命财产损失 因此 配电线路应设置接地故障保护电器 同时还应采取保护接地和等电位联结等措施 续上页 TN系统配电线路接地故障保护电器的动作特性应符合下式要求 ZsIa U0式中 Zs是接地故障回路的阻抗 Ia是保证保护电器在规定的时间内 见下表 自动切断故障回路的电流 A U0是相线对地标称电压 V 表TN系统允许最大切断接地故障回路时间 注 1 5s的切断时间考虑了防电气火灾以及电气设备和线路的热稳定要求 也考虑了躲开大电动机起动时间和故障电流小时保护电器动作时间长等因素 2 0 4s的切断时间考虑了总等电位联结的作用 相线与保护线不同截面以及电源电压 10 偏差变化等因素 TN系统配电线路的接地故障电流一般较大 有时接近单相短路电流 因此宜先采用过电流保护电器 如熔断器 断路器 兼作接地故障保护 但其动作特性及动作时间必须符合上述要求 二 低压熔断器的选择 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 一 熔体额定电流的确定 熔体额定电流的选择应保证在正常工作电流和起动尖峰电流下不误动作 并按故障电流校验灵敏度 1 按正常工作电流选择一般配电线路的熔体额定电流In应不小于线路的计算电流IC 即In IC 2 按起动尖峰电流选择 一般配电线路的熔体电流按下式选取 In Kr INM1 IC n 1 式中 Kr是配电线路熔体电流选择计算系数 取决于线路上最大一台电动机的起动情况 最大一台电动机的额定电流INM1与除这台电动机以外的线路计算电流IC n 1 的比值及熔断器的时间电流特性 其值见下表 续上页 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 3 保护灵敏度的检验为了保证熔断器在其保护范围内发生最轻微的短路故障时能可靠地熔断 熔断器保护的灵敏度必须满足下列条件 二 熔断器 支持件 额定电流的确定熔断器的额定电流IN应不小于它所安装的熔体额定电流In 即IN In 三 熔断器分断能力校验低压限流熔断器由于能在短路电流达到冲击值之前灭弧 因此应满足下列条件 Ioc I 3 式中 Ioc为熔断器的最大分断电流 I 3 为熔断器安装地点的三相次暂态短路电流 有效值 续上页 四 熔断器保护与线路的配合为了不致发生因线路过负荷或短路而引起绝缘导线或电缆过热甚至起燃而熔断器熔体不熔断的事故 熔断器保护必须与线路相配合 1 过负荷保护配合条件In Ial 2 短路保护配合条件熔断器应能在短路电流对绝缘导体产生的热作用造成危害之前切断短路电流 可通过校验绝缘导体的热稳定来确定是否配合 短路持续时间t可根据已知短路电流有效值Ik的大小查熔断器的时间电流特性曲线得到 当短路持续时间小于0 1s时 应按式C2A2 I2t校验 I2t值可从熔断器的技术参数中查到 C为导体的热稳定系数 有一台异步电动机 其额定电压为380V 额定容量为55kW 额定电流为103A 起动电流倍数为7 起动时间小于3s 现拟采用BV 3 50型绝缘导线穿钢管敷设 环境温度为25 采用NT1型熔断器作短路保护 已知三相短路电流最大可达8kA 单相短路电流可达1 5kA 试选择熔断器及其熔体额定电流 并校验其与导线的配合 例题3 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 解 1 选择熔体及熔断器的额定电流 2 校验熔断器的分断能力查附录表得NT1 250型熔断器的Ioc 120kA I 3 8kA 故此熔断器满足断流要求 按满足In Ic 103A条件 由起动电流7 103A 721A和起动时间小于3s查附录表 得NT1型熔断器In 160A的熔体最大允许通过1000A的起动电流 In 125A的熔体最大允许通过680A的起动电流 故应选用In 160A的熔体 熔断器型号为NT1 250 熔断器额定电流IN 250A 续上页 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 3 校验熔断器的保护灵敏度 该熔断器也满足5s内切断故障电路的保护灵敏度要求 4 校验熔断器保护与导线的配合根据NT1 250型熔断器的时间电流曲线 当Ik 1500A t 0 6s 聚氯乙稀绝缘热稳定系数C 115 得 满足短路热稳定配合条件 续上页 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 NT系列高分断熔断器的时间电流曲线 三 低压断路器的选择 一 断路器额定电流的确定 断路器的额定电流Inm应不小于它所安装的脱扣器额定电流In 即Inm In 二 长延时脱扣动作电流和动作时间的整定 长延时过电流脱扣器主要用来作过负荷保护 因此其动作电流Ir1 应躲过线路的最大负荷电流Ic 即满足下列条件 Ir1 K1Ic式中 K1是计及脱扣器动作误差后的可靠系数 一般取1 1 对单台电动机回路取1 2 过电流脱扣器的额定电流In应不小于线路的计算电流Ic 即In Ic 长延时过电流脱扣器的动作时间 应躲过允许过负荷的持续时间 其动作特性通常为反时限 即过负荷电流越大 其动作时间越短 一般动作时间可达1 2h 对电动机回路 应选用电动机保护用断路器 以使其与电动机的起动特性相匹配 续上页 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 三 短延时过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定短延时过电流脱扣器的动作电流Ir2应躲过线路短时出现的尖峰电流Ipk 即Ir2 K2Ipk式中 K2是可靠系数 一般取1 2 短延时过电流脱扣器的动作时间有0 1s 0 2s 0 3s和0 4s等级 应按前后保护装置保护选择性要求来确定 具有短延时保护功能的断路器采用电子式或智能式脱扣器 其动作电流与动作时间均可根据整定计算值进行现场调整 四 瞬时过电流脱扣器动作电流的整定 断路器瞬时过电流脱扣器的动作时间通常在0 02s以内 因此其动作电流Ir3应躲过线路中包含有最大一台电动机全起动电流的尖峰电流 即Ir3 K3 I stm1 Ic n 1 式中 K3是可靠系数 一般取1 2 I stm1是线路中最大一台电动机全起动电流 包括起动电流周期分量与非周期分量 起动后第一个周期出现的 其值为该电动机起动电流周期分量有效值的2倍 续上页 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 五 断路器保护灵敏度校验 为了保证低压断路器的瞬时或短延时过电流脱扣器在系统最小运行方式下在其保护区内发生最轻微的短路故障时能可靠地动作 低压断路器保护灵敏度必须满足条件 六 断路器分断能力校验 当断路器动作时间在0 02s以上时 其额定运行分断电流Ics应不小于通过它的最大三相短路电流周期分量有效值 即 当断路器动作时间在0 02s及以下时 其额定运行分断电流Ics应不小于通过它的最大三相短路冲击电流 即 续上页 七 断路器保护与线路配合 1 过负荷保护配合条件Ir1 Ial 为了不致发生因过负荷或短路引起导线或电缆过热起燃而低压断路器的脱扣器不动作的事故 低压断路器保护必须与线路配合 2 短路保护配合条件配合条件是否满足也是通过校验绝缘导体的热稳定来确定 采用公式 当采用瞬时过电流脱扣器作短路保护时 由于断路器瞬时脱扣全分断时间一般在0 03s以下 因此 应按式C2A2 I2t校验 I2t值可从断路器的特性曲线中查到 如果不满足以上配合要求 则应改选脱扣器的动作电流 或者适当加大绝缘导线和电缆的芯线截面 例题4 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 解 1 选择低压断路器及其过电流脱扣器 由下表可知 CM1 225 3型配电用低压断路器的过电流脱扣器额定电流Ir有225A 200A 180A 160A 140A等级供选用 根据In Ic 160A 故初步选CM1 225 3型低压断路器 其In 180A 有一条380V配电线路 计算电流Ic 160A 线路中接有一台22kW的电动机 额定电流Ir 42A 直接起动电流倍数kst 7 此线路首端的 8kA 末端 1 5kA 当地环境温度为 35 该线路拟用YJV 0 6 1 3 95 1 50型电缆桥架敷设 试选择此线路上装设的低压断路器及其过电流脱扣器 并校验其与电缆的配合 续上页 3 检验低压断路器保护的灵敏度 满足保护灵敏度要求 由附表可知 所选CM1 225 3型断路器的额定运行分断能力有L型25kA M型35kA H型50kA 选L型Ics 25kA 8kA 满足分断要求 2 校验低压断路器的断流能力 该断路器作为配电线路的过负载保护 短路保护并兼作接地故障保护 其长延时脱扣器动作电流Ir1 In 180A Ic 160A 满足正常工作条件 瞬时脱扣器动作电流Ir3 5In或10In 按躲过线路中包含有最大一台电动机全起动电流的尖峰电流整定 即Ir3 K3 I stm1 Ic n 1 1 2 2 7 42 160 42 847 2A故整定Ir3 5In 5 180A 900A 847 2A 满足电动机起动条件 续上页 附录表38配电用低压断路器过电流脱扣器的反时限动作特性 4 校验断路器