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电气运行与维护 2 目录 1 电气二次回路2 控制回路和信号回路常用低压电器3 高压断路器的控制回路4 信号及测量回路5 发电厂变电所的操作电源6 继电保护基础输电线路的电流保护相间短路的方向性电流保护电力系统的主设备保护常用自动装置7 工厂供电系统概述8 发电机运行与事故处理 3 1 电气二次回路 一次设备 直接用于生产 输送和分配电能 二次设备 对一次设备进行监视 控制 测量和保护 二次电气设备一般包括 控制和信号设备 测量表计 继电保护装置及各种自动装置等 它们构成了发电厂和变电所的二次系统 4 二次回路 接线 将二次设备按照工作要求 互相连接组合在一起所形成的电路 二次回路 按用途 分类 操作控制回路 测量回路 信号回路 保护回路 操作电源回路 自动装置回路 按电源性质可分为交流回路和直流回路 5 将二次设备按照工作要求连接在一起的图称为二次接线图 按用途分 原理接线图 展开接线图 安装接线图 二次接线图应采用国家规定的图形符号和文字符号绘制 6 表1 1电气设备常用基本文字符号 7 表1 2展开图中常用的图形符号 8 注 规定元件不带电 或断路器未合闸 时的状态为 常 态 常闭触点 元件不带电时触点处于闭合状态 常开触点 元件不带电时触点处于断开状态 9 二次接线图的种类 原理接线图 用来表示二次接线各元件 仪表 继电器 信号装置 自动装置及控制开关等的辅助接点 的电气联系及工作原理的电气回路图 优点 图中元件设备以整体形式表示 一次设备和二次设备 交流和直流回路均绘在一起 便于了解设备的整体工作概况 给人以形象 明显 直观的感觉 缺点 没有标明元件内部接线 端子标号及回路编号 在较复杂的接线中 不适合用于施工和运行维护 不易查找错误 当元器件较多时电路的交叉多 交 直流回路 控制与信号回路均混合在一起 清晰度差 10 10kV线路的过流保护和测量回路原理接线图 图中的一次 二次设备有 电流互感器TA A C相 断路器QF 跳闸线圈YT 电流继电器KA A C相 时间继电器KT 信号继电器KS 是操作电源正负极 信号 是指连接到事故信号回路 11 10kV线路的过流保护和测量回路原理接线图 当线路中A或C相发生短路故障时 电流互感器TA二次侧流过很大的电流 若达到电流继电器KA的动作电流值IOP时 电流继电器KA动作 其动合触点闭合 起动时间继电器KT 经预先整定的延时后 KT的延时动合触点闭合 起动跳闸线圈YT 跳开断路器QF 切除故障 并起动KS发出信号 QF跳开后 短路电流消失 12 展开接线图 将二次回路有关设备解体 按供电电源不同分为交流电流回路 交流电压回路 直流操作回路和信号回路等几部分 各元件的线圈和触点则按动作顺序分别绘在不同回路中 特点 展开接线图接线简单 结构清晰 层次分明 阅图和查找错误方便 为了避免混淆 属于同一个元件的线圈和触点采用相同的文字符号 但各支路需标上不同的数字回路标号 10kV线路过流保护和测量展开接线图 13 安装接线图 是根据展开接线图绘制的表示出二次设备具体位置和布线方式的图形 安装接线图包括平面布置图 屏背面接线图 端子排图和电缆配置图等 是控制屏制作厂生产 加工和现场安装施工所用图 也是用户设备检修 试验等的主要参考图 高压线路测量及保护回路安装接线图 14 15 16 2 控制回路和信号回路常用低压电器 低压电器 配电电器 控制电器 低压断路器QA 低压熔断器FU 刀开关 接触器控制按钮控制开关指示灯行程开关 17 一 低压电器 又称自动空气开关 主要装在变电所变压器的低压侧和各种低压配电屏中 也常用来对控制回路供电 它既能带负荷通断电路 又能在失压 短路和过负荷时自动跳闸 其功能类似于高压断路器 特点 1 其操动部分可与开关本体结合为一体 不需设置专门的操动机构2 断路器本身具有一些保护功能 如过电流 过载 欠电压等 不需通过互感器和继电器来实现 1 低压断路器 18 用途 配电用 电动机保护用 照明用 漏电保护用 配电用断路器类型 塑壳式断路器和框架式 万能式 断路器 19 低压断路器工作原理图 20 万能式断路器与塑壳式断路器的区别 区别 万能式断路器比塑壳断路器的额定电流等级大 就是说他允许通过的电流大 比如 万能断路器一般为 630 6300A 塑壳的 一般在6 800A 目前有很多厂家做到1600A 使用场合 万能式断路器一般做总开关用 广泛应用于工矿企业变配电站 作为接通和断开正常工作电流以及不频繁的电路转换 塑料外壳式断路器广泛用于配电线路 作小容量发电机的保护和配电用 也被用于不频繁地启动和分断电动机 以及用于各种大型建筑 如宾馆 大楼 机场 车站 码头等 的照明电路 21 塑壳式断路器塑料外壳式低压断路器 原称装置式断路器 的主要特征是有一个采用聚酯绝缘材料模压而成的外壳 所有部件都装在这个封闭外壳中 仅在壳盖中央露出操作手柄 塑壳式断路器通常装设在低压配电装置之中 作为配电线路或电动机回路的控制与保护开关 模数化微型断路器 22 万能式断路器万能式断路器 又称框架式断路器 一般有一个有绝缘衬垫的钢制框架 所有部件均安装在这个框架底座内 万能式断路器主要安装在低压配电柜中作为进线开关 母联开关和大电流出线开关 用于控制和保护低压配电网络 23 原理 结构 保护特性类似于高压熔断器 2 低压熔断器 刀形触头熔断器 如NT RT16 RT17系列螺栓连接式熔断器 如RT12 RT15系列螺旋式熔断器 如RL6 RL7系列圆筒帽式熔断器 如RT14 RT30系列等 功能 主要对低压线路及电气设备进行短路保护 有的也具有过负荷保护功能 24 低压熔断器实物图片 螺旋式熔断器 功能 主要用来隔离低压电源 低压隔离开关实物图片 3 低压隔离开关 结构 触头装置 绝缘子 底座及传动机构等 低压隔离开关一般采用手力操动机构 26 低压熔断器组合电器实物图片 4 低压熔断器组合电器 熔断器组合电器包括 27 28 29 30 31 功能 用于供电系统的主电源与备用电源的自动转换或两台负载设备的自动转换 5 自动转换开关电器ATS 32 由一个或多个低压开关设备和相应的控制 测量 信号 保护 调节等电气元件或设备 以及所有内部的电气 机械的相互连接和结构部件组装成的一种组合体 称为低压成套开关设备 1 抽出式低压开关柜主要有GCL K GCS MNS型等可用作动力中心 PC 和电动机控制中心 MCC 2 固定分隔式开关柜有GLL K 型等 3 固定式开关柜有GGD JK型等 用户变配电所采用低压开关柜组合成低压配电系统 6 低压开关柜 33 34 二 控制电器 主令电器 用于发送和转换指令 控制容量不大的电路 主令电器 控制按钮 指示灯 控制开关 接触器 一种能频繁操作交直流电路及大容量控制电路的自动控制开关电器 可作远距离控制用 其中用得最多的是电磁接触器 原理与电磁继电器相同 只是接触器控制的负载功率较大 故体积也较大 35 控制按钮 S 自动控制回路中靠手动发出控制信号的电器 为标明各按钮的作用 避免误操作 通常按钮帽要做成红 绿 蓝 白等颜色以便区别 按钮按下时 常闭触点先断开 然后常开触点闭合 松开后 依靠复位弹簧使触点恢复到原来的位置 主要用于远距离操作继电器 接触器的接通或断开控制电路 36 2 指示灯 在控制回路和信号回路中用作电源工作状态 事故信号 预告信号 电器设备位置信号 指挥信号 联络信号和其它信号的指示 3 控制开关 SA 控制开关是对断路器 自动开关等进行控制的操作元件 常用的LW2系列的控制开关是用手柄操作的 操作手柄在不同的转换角度时 有不同的触头通断状态 能对多个回路进行控制 1 触头盒 2 面板 3 操动手柄 37 LW2系列的控制开关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 操作时 操作人员先把控制开关转到 预备合闸 或 预备跳闸 位置 再把控制开关手柄转至 合闸 或 跳闸 位置 并保持在此位置 在确定断路器已完成合闸 或跳闸 动作时 操作人员放开手柄 这时 控制开关在弹簧作用下会自动回转到 合闸后 或 跳闸后 位置 整个操作过程完成 38 4 接触器 接触器由电磁系统 铁芯 衔铁 上铁心 电磁线圈 触头系统 常开触头和常闭触头 和灭弧装置组成 原理是当接触器的电磁线圈通电后 会产生很强的磁场 使铁芯产生电磁吸力吸引衔铁 并带动触头动作 常闭触头断开 常开触头闭合 两者是联动的 当线圈断电时 电磁吸力消失 衔铁在释放弹簧的作用下释放 使触头复原 常闭触头闭合 常开触头断开 39 接触器应用 三相异步电动机的起停控制 1 起动过程 合上开关Q 按下起动按钮SB2 接触器KM线圈通电 与SB2并联的KM的辅助常开触点闭合 以保证松开按钮SB2后KM线圈持续通电 串联在电动机回路中的KM的主触点持续闭合 电动机连续运转 从而实现连续运转控制 2 停止过程 按下停止按钮SB1 接触器KM线圈断电 与SB2并联的KM的辅助常开触点断开 以保证松开按钮SB1后KM线圈持续失电 串联在电动机回路中的KM的主触点持续断开 电动机停转 40 3 高压断路器的控制回路 一 概述 1 控制方式 远方控制 集中 距离控制 通过相应的仪表及信号监视其执行 可靠性高 用途广 就地控制 由操作人员在开关柜上操作 一般用于不太重要的回路中的断路器或6 10kV配电装置 在发电厂和变电站中 电气设备的投入和退出是由断路器完成的 远方手动 远方自动 41 4 应能监视控制回路电源和断路器跳闸 合闸回路的完好性 5 应能实现闭锁要求 对于气动和液压操动机构 当压力不正常时 除有信号反应外 还应进行操作闭锁 6 控制回路接线应简单 可靠 使用电缆少 2 断路器控制回路应满足下述基本要求 1 断路器跳 合闸后 应能迅速自动切换对应的操作电路 以避免因跳 合闸线圈长时间通电而烧毁 2 应能指示断路器跳 合闸状态 3 应有防止断路器多次跳闸 合闸的防 跳跃 闭锁功能 42 1 断路器辅助触点的作用 当断路器合闸 或跳闸 后 断路器辅助触点QF1和QF2切换 合闸前 QF1断开 QF2闭合 合闸后 QF1闭合 QF2断开 跳闸前 QF1闭合 QF2断开 跳闸后 QF1断开 QF2闭合 很多情况下断路器的主触头电流很大 或电压很高 不能直接用于监测 必须通过辅助触头来代替 断路器辅助触点QF1和QF2 QF1 动合触点 与主触头状态一致 即主触头合则其合 反之亦然 QF2 动断触点 与主触头状态相反 即主触头合则其分 反之亦然 二 断路器的典型控制回路 43 步骤 控制开关S旋至 就地 位置 遥控压板XB2打开 预备合闸 1 就地手动合闸 2 合闸 2 按下控制开关 SA合 W S SA合 KCFV2 K3 QF2 合闸线圈YC W 接通 断路器合闸 3 此时QF1闭合 触点QF2断开 W K7 HR QF1 YT W 接通 于是红灯HR发光 表明断路器处于合闸状态 4 同时合闸位置继电器K7也励磁动作 发出合闸信息 放开SA手柄 让SA自动返回 合闸后 位置 44 2 远方遥控合闸 步骤 控制开关S旋至 远方 位置 遥控压板XB2接通 W S XB2 K2 R W 接通 则K2励磁并动作 发出可进行操作信息 通过远方合闸继电器K5动作 使其常开触点K5闭合 2 W S XB2 K5 KCFV2 K3 QF2 YC W 接通 断路器合闸 3以下与就地手动合闸相同 2 合闸 45 步骤 控制开关S旋至 就地 位置 遥控压板XB2打开 预备跳闸 按下控制开关 SA跳 W S SA跳 K1 W 接通 1 就地手动跳闸 3 跳闸 2 K1励磁并动作 其常开触点闭合 W K1 KCF1 QF1 分闸线圈YT W 接通 断路器跳闸 3 QF1断开 切断跳闸线圈YT的电源 QF2闭合 绿灯HG发光 表明断路器处于跳闸状态 跳闸位置继电器K6动作发出跳闸信息 4 断路器QF确实跳闸后 放开SA手柄 SA自动回到 跳闸后 位置 46 2 远方自动跳闸 3 跳闸 步骤 1 控制开关S旋至 远方 位置 遥控压板XB2接通 预备跳闸 W S XB2 K2 R W 接通 4 QF1断开 切断跳闸线圈YT的电源 QF2闭合 绿灯HG发光 表明断路器处于跳闸状态 跳闸位置继电器K6动作发出跳闸信息 3 K1励磁并动作 其常开触点闭合 W K1 KCFI QF1 YT W 接通 断路器跳闸 2 K2动作 发出可进行操作信息 通过远方跳闸继电器K4动作 使其常开触点K4闭合 47 4 防 跳跃 闭锁 按下控制开关 SA合 后 断路器就合闸 如果是合闸于有予伏性故障的线路上 则在继电保护作用下 断路器会自动事故跳闸 假若控制开关 SA合 接触时间过长 或触点被焊住或机械被卡住不能复归 即 SA合 一直在发合闸信号 则断路器在事故跳闸后会再次合闸 由于是永久性故障 在继电保护作用下 断路器又会跳闸 造成断路器多次合闸 跳闸 即出现断路器 跳跃 现象 这极易造成断路器损坏 必须加以防止 方法 控制回路中设有防跳闭锁继电器KCF 电流线圈KCFI串联在跳闸回路中 起动用 电压线圈KCFV串联在合闸回路中 自保持用 48 机理 自动事故跳闸时 电流线圈KCFI励磁 其常开触点KCFI1和KCFI2闭合 当控制开关SA合合闸于有予伏性故障的线路并出现 SA合 被卡住时 电压线圈KCFV启动 其常闭触点KCFV2断开 切断了合闸回路 避免断路器的再次合闸 防跳继电器KCF自保持直至合闸命令解除 SA合断开 KCF的电压线圈断电后电路才恢复原来状态 防 跳跃 闭锁 49 4 信号及测量回路 一 信号回路由信号电源 信号装置及连接线组成的回路称信号回路 1 位置信号反映出电气设备工作状态 例如可利用红灯 绿灯 或者位置继电器 来反映断路器合闸 跳闸位置 隔离开关多用本身带有的位置指示器来指示其工作状态 发电机运行中的调相状态和发电状态可用灯光表示 有载调压变压器设有与调压开关相配套的位置指示器来反映其分接头位置等 50 2 事故信号当发生事故断路器跳闸时的事故信号 包括音响信号 高音电笛声 全厂公用 和灯光信号 各断路器专用 3 预告信号预告信号是在某些电气设备出现了不正常运行状态时发出的信号 通知运行人员尽快采取措施加以消除 例如变压器过负荷 变压器油温过高 轻瓦斯保护动作 变压器风扇故障 电压互感器二次回路断线 直流回路绝缘损坏 中性点不接地系统单相接地和控制回路断线等都应发出预告信号 为了与事故信号相区别 预告信号的音响采用电铃声响 传统的预告灯光信号都设计成光字牌 事故信号和预告信号统称为中央信号 51 52 二 测量回路 由测量仪表和连接线组成的回路就是测量回路 发电厂变电所中用得较多的电气测量仪表是 电流表 电压表 频率表 同步表 有功功率表 有功电能表 无功电能表 非电量仪表有温度表 水位表 压力表 流量表 真空表等 53 5 发电厂变电所的操作电源 要求 1 在任何情况下都能不间断供电 2 电源能量和电压质量均应能在最严重事故情况下保证用电设备可靠工作 一 操作电源分类 交流操作电源 直流操作电源 主要的操作电源 54 一 蓄电池组操作电源蓄电池是一种独立的可靠电源 在发电厂内发生任何事故时 甚至在全厂电源全部停电的情况下 蓄电池都应能保证直流系统中的用电设备可靠而连续地工作 同时还可以作为全厂事故照明电源 蓄电池分类 密封型 免维护 具有使用方便 寿命长的特点 敞开式 直流操作电源可用来供电给直流控制负荷和直流动力负荷 55 1 酸性蓄电池 容量大 多用于大 中型发电厂和变电所 但由于它充电时要排出氢和氧的混合气体 有爆炸危险 而且随着气体带出硫酸蒸气 有强腐蚀性 限制了应用 放电过程 正常工作 充电过程 当端电压由2 4V 最大电压 降至1 8 1 75V后 需充电后才能放电 2 碱性蓄电池 常用镉镍蓄电池 多用于中 小型发电厂和变电所 大电流放电性能好 机械强度高 使用寿命长 腐蚀性小 体积小 无需专用房间来装设 应用比较普遍 56 二 硅整流电容储能直流操作电源 硅整流电容储能直流操作电源由硅整流设备和储能电容器两部分并联构成 正常运行时电容器充电储能 在故障情况下 直流母线电压过度降低或消失时 电容器迅速对继电器和跳闸回路放电 保证其正常动作 优点 投资省 设备少 维护简单 占地面积小 主要缺点 储能容量有限而且电容放电电压按指数曲线衰减 不能保证对负荷长期连续供电 因此只能用作小型变电所的直流操作电源 57 三 复式整流直流操作电源 提供直流操作电压的整流装置有两个 一是由变电所自用变压器或电压互感器供电的整流设备 属于交流电压供电 二是由电流互感器供电的整流设备 属于交流电流供电 因为仅有交流电压供电的直流操作电源 则当变电所内部或外部发生故障时 直流母线电压会降得很低 无法保证正常工作 而发生短路故障时 流过相关电流互感器的一次电流就是短路电流 由它供电的整流设备的输出电压反而增大 上述两种电源配合使用 能保证供电系统在正常和短路故障情况下直流系统均能可靠地供电 特点 与上述电容储能式相比 复式整流装置的输出功率更大 电压稳定性更好 设备少 投资省 维护简单和占地小 但是整流系统设置和调试困难 其可靠性受系统运行方式影响较大 应用范围不广 仅适用于中小变电站或小型水电站 58 二 直流系统的运行 以蓄电池为例来介绍直流系统的运行 1 电压等级 基本单元为2V 蓄电池直流系统是由多个蓄电池串联而成的 其个数和组数应根据使用场所和直流系统的电压等级确定 直流系统的电压等级有220V 110V 48V和24V等 大型火电厂采用220V和110V两种电压等级 将动力负荷和控制 信号 保护电源用蓄电池组分开 前者采用220V 后者采用110V 59 2 浮充电运行方式 将充满电的蓄电池组与浮充电装置并联运行 浮充电装置正常工作时 除供给直流母线上的经常性负荷外 还用不大的浮充电电流向蓄电池浮充电以补偿蓄电池的自放电损耗 使蓄电池经常处于满充电状态 在需要很大冲击电流 如断路器合闸 时 绝大部分电流可由蓄电池组供给 在浮充电设备中断时 则全部直流负荷可由蓄电池组供电 3 直流系统接线图 60 图6 48 蓄电池 EA和EB 一套浮充电装置 DA和DB 两组蓄电池设一套共用充电装置 DC 主母线 1A和1B 充电母线 1CA和1CB联络开关 Q1和Q2 蓄电池电源开关 QA和QB整流充电设备输出开关 QCA和QCB 采用单母分段方式 每段接一组蓄电池 EA和EB 一套浮充电装置 DA和DB 正常时两段母线解列运行 两组蓄电池设一套共用充电装置 DC 61 三 交流不停电电源 采用交流操作电源 可使二次回路简化 投资减少 维护方便 但是它不适于比较复杂的继电保护 自动装置及其他二次回路 交流操作电源广泛用于中小工厂变配电所中断路器采用手动操作或弹簧操作及继电保护采用交流操作的场合 1 UPS供电电源来源 交流整流 直流系统 旁路备用电源 2 UPS组成 整流充电装置 逆变装置 旁路装置 变压器 调压变 稳压器及控制器 逆变 62 3 UPS工作原理 1 正常 由工作电源经整流 逆变后经K2K3K5提供交流220V恒频 恒压电源馈送到交流配电盘母线上供负载用 2 工作电源或整流器故障 可由蓄电池直流系统供给 63 3 逆变器故障 由静态切换开关自动切换至旁路备用电源 经变压器 调压变压器及K1K3K4馈送到交流配电母线 逆变器的输出频率 相位应与备用电源保持同步 64 6 继电保护基础 一 继电保护的基本知识二 输电线路的电流保护三 相间短路的方向性电流保护四 接地故障的电流保护五 电力系统的主设备保护六 常用自动装置 65 一 继电保护的基本知识 在电力系统运行中 外界因素 如雷击 鸟害等 内部因素 如绝缘老化 损坏等 及操作等 都可能引起各种故障及不正常运行状态的出现 常见的故障有 单相接地 两相接地短路 两相短路 三相短路 断线等 1 电力系统故障及非正常运行状态 常见的电力系统非正常运行状态有 过负荷 过电压 非全相运行 振荡等 故障和非正常运行状态都能引起系统事故 所谓事故 是指系统的全部或部分的正常运行遭到破坏 造成对用户停止送电 少送电或电能质量变坏 甚至造成人身伤亡 设备损坏等 66 在电力系统中 除应采取积极措施尽可能消除发生故障的诱因外 当故障发生时 必须迅速可靠地将故障设备从系统中切除 以保证非故障设备的正常运行 并尽量缩小故障影响范围 切除故障的时间必须保证设备的安全和系统的稳定 有时甚至要求在几十毫秒以内 这就需要在每个电气元件上装设灵敏可靠的继电保护装置 系统故障可能造成的后果 1 短路故障点强大的短路电流及燃起的电弧 可能损毁设备 2 短路电流所通过设备因热效应和电动力而损坏或缩短了寿命 3 电力系统部分区域电能质量下降 如电压大幅度降低 影响用户的正常生产工作 4 电力系统稳定性遭到破坏 产生振荡 甚至引起系统瓦解 67 2 继电保护的任务及作用 继电保护装置就是能迅速反应电力系统中电气元件发生的各种故障及不正常运行状态 并有选择性地动作于跳闸或发出信号的一种自动装置 继电保护的任务 1 自动 迅速 有选择地跳开特定的断路器 从电力系统中切除故障元件 保证无故障部分迅速恢复正常运行 2 反应电气元件的不正常运行状态 并根据运行维护的条件 如有无经常值班人员 动作于信号 减负荷和跳闸 预防事故 缩小事故范围 提高运行的可靠性 最大限度地保证向用户安全连续供电 它是电力系统安全稳定运行不可缺少的组成部分 继电保护的主要作用 68 3 继电保护的基本原理和组成 继电保护的基本原理 母线电压U 下降线路电流I 增大测量阻抗Z 减小 正常运行与故障的区别 69 由特征量的变化可构成以下原理的保护 过电流保护 OverCurrentProtection 低电压保护 UnderVoltageProtection 距离保护 阻抗保护 DistanceProtection 纵联保护 纵差动保护 高频保护 微波保护 分相电流差动保护等 行波保护 Travelling WaveProtection 能量方向保护等 特征量 电流 电压 测量阻抗 零序或负序分量 电流或电压的突变量等 70 过电流保护基本原理 当f点发生短路故障时 线路中流过短路电流Ik 电流互感器TA二次侧流过很大的电流Ik nTA 当此电流达到电流继电器KA的动作电流值IOP时 电流继电器动作 其输出脉冲起动时间继电器KT 经预定延时后 KT的输出脉冲起动跳闸线圈YT 跳开断路器QF 切除故障 并起动KS发出信号 短路电流消失 电流继电器立即返回 使继电器返回的电流临界值 称为返回电流Ire 返回电流与动作电流之比称为返回系数 kre Ire IOP KT 71 组成 测量部分 逻辑部分 执行部分 测量部分测量被保护元件电气量 经过转换和构成后 将其与整定值比较 根据比较结果给出 是 非 大于 不大于 等于 0 或 1 等逻辑信号 以便判断保护是否起动 逻辑部分根据测量部分输出量的大小 性质 输出的逻辑状态 出现次序或组合方式 确定保护装置是否动作 执行部分根据逻辑部分所做出的判断 执行保护装置的任务 跳闸或发信号 72 4 对电力系统继电保护的基本要求 选择性快速性灵敏性可靠性 继电保护的四性 73 1 选择性 仅将故障元件切除 使得故障停电范围尽可能的小 保证无故障部分继续运行 f1短路 保护1 2跳闸 B不中断供电 f3短路 保护6跳闸 C不中断供电如6QF拒动 由 5动作 5QF跳闸 远后备 74 继电保护的几个概念 主保护 满足系统稳定和设备安全要求 能以最快速度有选择性地切除被保护设备和线路故障的保护 后备保护 当主保护或断路器拒动时 用来切除故障的保护 远后备保护 当主保护或断路器拒动时 由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护 近后备保护 当主保护拒动时 由本电力设备或线路的另一套保护来实现的后备保护 相间短路 当断路器拒动时 由断路器失灵保护来实现后备保护 75 2 速动性 也称快速性 快速地切除故障以提高电力系统并列运行的稳定性 减少用户在电压降低的情况下工作的时间 以及缩小故障元件的损坏程度 3 灵敏性 指反应故障的能力 用灵敏系数Ks来表示 在事先规定的保护范围内部发生故障时 不论短路点的位置 短路的类型如何 以及短路点是否有过渡电阻 都能敏锐感觉 正确反应 灵敏系数的计算需考虑最不利的计算条件 Ks越大越灵敏 76 4 可靠性 该动作时不拒动 可依赖性 不该动作时不误动 安全性 5 继电保护技术的发展 1 机电式继电器 电磁型 感应型和电动型 2 电子式静态保护装置 晶体管式 集成电路式 3 微机保护 自80年代以来已得到广泛应用 77 6 常用的保护继电器 电流继电器 电流保护的测量元件电压继电器 电压保护的测量元件中间继电器 在继电保护装置和自动装置中用以增加触点数量以及容量时间继电器 建立必要的延时 以保证保护动作的选择性和某种逻辑关系信号继电器 作为继电保护装置和自动装置动作的信号指示 78 电磁型继电器 ElectromagneticRelays 电磁型继电器基本结构型式有螺管线圈式 吸引衔铁式和转动舌片式三种 如下图所示 79 80 电磁型电流继电器 81 输电保护 二 输电线路的电流保护 82 忽略电阻R为系统等效电源的相电势Xs为等效电源阻抗 Xk为短路阻抗 注 当系统中某一点发生三相短路时 稳态短路电流为 当系统中某一点发生两相短路时 稳态短路电流为 由上面的两式可见 短路点距电源越远 即Xk越大 则故障电流越小 若系统运行方式愈小 即Xs愈大 则Ik也愈小 83 最大和最小运行方式 不同的系统运行方式下 Xs取值不同 当Xs分别取为最小系统阻抗Xs min和最大系统阻抗Xs max时 短路电流分别为最大短路电流Ik max和最小短路电流Ik min 则分别对应于系统最大运行方式和最小运行方式 常用的有最大三相短路电流I 3 k max 最小三相短路电流I 3 k min和最小两相短路电流I 2 k min 电流保护的动作条件是流过保护的电流达到保护的动作值IOP 过电流保护应保证流过正常运行时可能的最大负荷电流IL max 而可靠不误动 84 一 瞬时电流速断保护电流I段保护 1 瞬时电流速断保护的作用原理 如图 在相邻线路B出口短路时 保护1瞬时电流速断保护不应起动 为此其动作电流应躲过线路末端B点的最大短路电流 即B出口短路时 即使出现最大短路电路 为了让保护2动作 保护1应不动作 不带时限 只有继电器本身固有动作时间 的瞬动电流保护 保护的动作电流按躲过被保护线路外部短路的最大短路电流来整定 以满足选择性 85 被保护线路末端短路时 流过保护的最大短路电流 瞬时电流速断保护的动作电流 可靠系数 取1 2 1 3 整定 86 瞬时电流速断不能保护线路全长 只能保护线路首端的一部分 最大运行方式发生三相短路时 保护区长度为Lmax 最小运行方式下发生两相短路时 保护区长度为Lmin 保护范围因系统运行方式和故障形式而改变 曲线1 最大运行方式下发生三相短路的电流曲线2 最小运行方式下发生两相短路的电流任何运行方式下发生相间短路的电流值都在这两条曲线之间 87 中间继电器作用 容量大 可接通跳闸线圈YR KA不行 接点容量比较小 不能直接接通跳闸线圈YR 增大保护固有动作时间 0 1s 防止误动作 二 瞬时电流速断保护电流I段保护 2 单相原理接线图 88 灵敏度电流速断保护的灵敏度用保护范围百分比来表示 一般要求最大保护范围达线路全长的50 最小保护范围达线路全长的15 20 动作时限 优点 简单 快速 可靠缺点 不能保护线路全长 且保护范围受系统运行方式的影响 中间继电器的固有动作时间 89 二 限时电流速断保护电流II段保护 整定原则 动作电流应躲过相邻线路电流速断保护的动作电流 限时电流速断保护的可靠系数1 1 1 2 相邻线路瞬时电流速断的动作电流 原理 保护本线路全长并延伸至相邻线路 但不超过相邻线路瞬时电流速断保护的保护范围 以时限保证选择性 90 二 限时电流速断保护电流II段保护 时限 为保证选择性 应与相邻线路电流I段时限相配合 一个时限阶段 一般取0 5s 灵敏性 用灵敏系数ks表示 灵敏度校验点两相金属性短路时流过继电器的最小短路电流 注意 91 限时电流速断的单相原理接线 与电流速断不同之处 用时间继电器KT代替了中间继电器KM KT 92 三 定时限过电流保护电流III段保护 1 单相原理接线 与限时电流速断保护相同2 整定原则3 动作时限4 灵敏度 主保护 电流I段保护 电流II保护 后备保护 电流III保护 93 三 定时限过电流保护电流III段保护 2 整定原则 按躲开最大负荷电流整定 能保护本线路的全长 能保护相邻线路的全长 起远后备的作用 94 三 定时限过电流保护电流III段保护 3 动作时限 按阶梯原则 点发生短路故障时 保护1 3 5都可能启动 最后由5切除 选择性 时间级差 一般取0 5s 95 三 定时限过电流保护电流III段保护 4 灵敏度可作本线路全长的主保护或作近后备外 还要作为相邻线路的远后备保护 1作近后备 1作远后备 96 四 电流保护的接线方式 1 指电流保护中电流继电器线圈与电流互感器二次绕组间的连接方式 2 两种接线方式 1 完全接线方式 三相星形接线 2 不完全接线方式 两相星形接线 用于35kV及以下线路保护 用于发动机 变压器母线及110kV以上线路保护 三相星形接线方式的保护对各种故障都能动作 两相星形接线的保护能反应各种相间短路 但B相发生单相短路时 保护装置不会动作 97 五 阶 三 段式电流保护 由于电流速断不能保护线路全长 限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护 因此 为保证迅速而有选择地切除故障 常将电流速断 限时电流速断和过电流保护组合在一起 构成三段式电流保护 具体应用时 可以只采用速断加过电流保护 或限时电流速断加过电流保护 也可以三者同时采用 98 五 阶 三 段式电流保护 三段式电流保护 主保护 后备保护 瞬时电流速断保护 I段 限时电流速断保护 II段 定时限过电流保护 III段 本线路相间短路的近后备和相邻线路的远后备保护 99 五 阶段式电流保护 在被保护线路AB末端发生故障时 保护1 段带0 5s延时切除故障 1 段作为后备 装设三段式电流保护的线路 可以在0 5s内切除故障 实现全线速动 并能够实现近 远后备 正常情况下 在被保护线路 如AB 的首端发生故障时 保护1 段瞬时动作 100 保护采用两相不完全星形接线 任何一段保护动作时 均有相应的信号继电器掉牌 以便知道保护动作的情况 分析故障的大致范围 KM0为保护跳闸出口继电器 其输出脉冲起动跳闸线圈YR 跳开断路器QF 切除故障 101 三 输电线路的方向性电流保护 在双侧电源线路或环网线路中 线路两端都装设有断路器和继电保护装置 当f1发生短路时 要求保护1 2动作断开断路器1QF 2QF 在f2点发生短路时 要求保护3 4动作断开断路器3QF 4QF 但是 这种电网也给继电保护带来了新的问题 若将电流 电压保护直接用在这种电网中 靠动作值和动作时限的配合 不能完全满足保护动作选择性的要求 102 三 输电线路的方向性电流保护 对于过电流保护 若不采取措施 将会发生无选择性误动作 对B母线两侧的保护2和3而言 当f1点短路时 为了保证选择性 要求t2 t3 而当f2点短路时 又要求t3 t2 显然 这两个要求是相互矛盾的 说明过电流保护在双侧电源的网络中无法满足选择性的要求 显然这种情况下 仅凭时限无法保证保护的选择性 必须增加必要的方向元件 使保护具有方向性以保证选择性 103 当f1点短路时通过保护2的短路功率方向是从母线指向线路 符合规定的动作方向 保护2正确动作 而通过保护3的短路功率方向由线路指向母线 与规定的动作方向相反 保护3不动作 因此 保护3的动作时限不需要与保护2配合 一 方向性电流保护的工作原理 线路功率正方向的规定 功率从母线流向线路 为正方向功率从线路流向母线 为负方向 同理 保护4和5动作时限也不需要配合 但是 保护4与保护2的方向相同 为保证选择性 保护4动作时间要与保护2进行配合 对双侧电源的网络 可将各保护按其动作方向分为两组 1 3 5 2 4 6 动作时间按阶梯原则进行配合 逐级增加0 5S 104 一 方向性电流保护的工作原理 判断短路功率方向 一般采用功率方向继电器 105 一 方向性电流保护的工作原理 方向过电流保护接线 组成方向元件KP电流元件KA时间元件KT 利用功率方向元件与过电流保护配合 106 保护3加入功率方向继电器的电压是保护安装处母线电压的二次电压 加入继电器的电流是被保护对象上的二次电流 二 功率方向继电器的工作原理 在K1点短路时 短路功率方向是从母线指向线路 正方向 而在K2点短路时 短路功率方向是从母线指向线路 反方向 107 K1点发生短路故障时 加入保护3的电压与电流反映了一次电压和电流的相位和大小 通过保护3的短路功率为 当K2短路时 通过保护3的短路功率为 二 功率方向继电器的工作原理 108 二 功率方向继电器的工作原理 考虑功率方向继电器自身的内角时 则动作条件 功率方向继电器动作条件 0动作 0时不动作 实质是判断母线电压与电流之间相位角是否在 109 二 功率方向继电器的工作原理 110 二 功率方向继电器的工作原理 当母线出口附近发生三相短路时 母线电压将大幅度下降 功率方向继电器就不能正确动作 死区 1 引进记忆电路 目的是消除正向出口三相短路的死区 2 采用接线 目的是消除两相短路的死区 消除死区方法 111 四 接地故障的电流保护 特点 出现零序电压和零序电流 中性点直接接地电网 接地电流较大 需装设动作于跳闸的接地保护 中性点非直接接地的电网 单相接地时电流较小 动作于发信号 112 一 电力变压器的继电保护 五 电力系统的主设备保护 电力变压器是电力系统中的重要元件 其故障会对系统的稳定运行和供电可靠性带来严重威胁 变压器本身价格也十分昂贵 所以 应给变压器安装性能优良 工作可靠的保护装置 113 1 变压器的常见故障和不正常工作状态 油箱内的短路故障绕组的相间短路 纵差动保护绕组的接地短路 零序电流保护绕组的匝间短路 瓦斯保护 油箱外的故障 套管和引出线的相间及接地短路 瓦斯保护是反应油浸式变压器油箱内各种短路故障及油面下降的保护 对容量在800kVA及以上的室外油浸式变压器 400kVA及以上的室内油浸式变压器都应安装瓦斯保护 在油面下降 因轻微故障或过负荷引起少量气体时 轻瓦斯保护动作于信号 在油箱内发生严重短路故障 产生大量气体时 重瓦斯保护动作于跳闸 114 不正常状态的保护外部短路引起的过电流 过电流保护对称过负荷 装一相过电流保护励磁电流升高 过励磁保护 不正常运行状态外部短路引起的过电流及中性点过电压 过负荷 过励磁 油面下降等 1 变压器的常见故障和不正常工作状态 115 2 纵差动保护原理 电流互感器一次侧正极性 端都放在母线侧 二次侧正极性 端用导线相连接 差动继电器并联在正极性和中性线之间 选择互感器的变比和接线方式 使得在理想条件下正常运行 或外部短路 时 流入差动继电器的不平衡电流为零 原理 比较变压器两侧的电流大小和相位 k 116 1 正常运行及外部故障 2 内部故障 KD不动作 KD动作 跳闸 理想情况下 变压器两侧的电流大小和相位都是相同的 实际由于电流互感器的误差等因素 流过继电器的电流并不为零 称之为不平衡电流 k 117 3 纵差保护的不平衡电流 纵差保护在运用中 被保护对象正常运行或外部故障时 总会有一个电流流入继电器 称之为 不平衡电流 差动保护的动作电流应大于最大不平衡电流 以保证保护范围外部短路时差动保护不动作 不平衡电流增大 将使保护的灵敏度降低 引起不平衡电流的因素主要有 一 电流互感器计算变比与实际变比不一致根据纵差保护的原理可知 最理想的情况就是两侧TA二次侧电流大小相等 通过接线方式使其相减 则不平衡电流为零 但实际采用的TA变比可能与该计算值不等 从而造成二次侧电流相减结果不等于零 从而形成不平衡电流 118 二 两侧电流互感器型号不同由于配电装置布置 设计人员喜好 厂家不同等原因 有可能出现两侧TA型号不同的情况 即使是型号相同 由于TA误差也会造成两侧电流大小不等 从而形成不平衡电流 变比和型号引起的不平衡电流可以利用平衡绕组补偿一部分 但不能完全补偿 剩余部分靠动作整定值躲过 关于平衡绕组可查看差动继电器结构原理 三 变压器调压分接头位置改变当纵差保护用于保护变压器时 一般变压器在其高压侧绕组上都设有调压分接头 分有载调压和无载调压两种 当调压分接头位置改变时 变压器的变比也改变 从而两侧TA二次侧电流的大小也改变 这对已经配置好的纵差保护来讲 就会形成不平衡电流 该项不平衡电流只能依靠保护的动作整定值躲过 119 四 变压器接线组别当纵差保护用于保护变压器时 电力系统主变一般采用Y D 11 该接线组别的含义是 D侧电压 电流相量超前Y侧30 因此TA二次侧电流相量差并不为零 形成不平衡电流 解决措施 通常都是将变压器星形侧的三个电流互感器接成三角形 而将变压器三角形侧的三个电流互感器接成星形 采用了相位补偿接线后 在电流互感器绕组接成三角形的一侧 流入差动臂中的电流要比电流互感器的二次电流大 3倍 可通过适当选择电流互感器变比来消除 120 五 励磁涌流的影响所谓励磁涌流 就是变压器空载合闸时的暂态励磁电流 由于变压器的励磁电流只流经它的电源侧 故造成变压器两侧电流不平衡 从而在差动回路内产生不平衡电流 正常运行时 当变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时 励磁电流 励磁涌流 形成很大的励磁涌流原因 由于磁链守恒定律 铁心的磁通不能突变 可能造成保护误动作 121 励磁涌流若空载合闸正好在电压瞬时值为零的瞬间接通电路 则铁芯中就具有一个相应的磁通 而铁芯中的磁通又是不能突变的 所以在合闸时必将出现一个非周期性磁通分量 因非周期性磁通分量的衰减比较慢 经过半个周期后 它与稳态磁通相叠加的结果 将使铁芯中的总磁通达到的数值2 max 如果铁芯中还有方向相同的剩余磁通 r 则总磁通将为2 max r 由于铁芯高度饱和 使励磁电流剧烈增加 从而形成了励磁涌流 122 变压器的励磁涌流 其数值最大可达额定电流的6 8倍 同时包含有大量的非周期分量和高次谐波分量 励磁涌流的大小和衰减时间 与外加电压的相位 铁心中的剩磁 res 电源容量及变压器的容量大小等都有关系 123 励磁涌流特点 1 含大量非周期分量 电流偏于时间轴的一侧 2 含大量的高次谐波 以二次谐波为主 3 波形之间出现明显的间断 在一个周期中间断角为 防止措施 1 采用具有速饱和变流器的差动继电器 2 利用二次谐波制动原理构成差动保护 3 鉴别短路电流和励磁涌流波形之间的差别 124 综上所述 变压器外部短路时差动回路中流过的最大不平衡电流Idspmax为 10 为电流互感器的相对误差 U为变压器带负荷调压引起的相对误差 f为电流互感器变比或平衡线圈匝数标准化后所引起的相对误差为外部最大短路电流归算到二次侧的数值 125 4 变压器纵差动保护的整定计算原则 1 躲TA二次回路断线 2 躲外部短路时差动继电器流过的最大不平衡电流 3 躲励磁涌流 126 灵敏度效验 还应在现场通过空载合闸试验来检验其可靠性 保护范围内部短路时 流过继电器的最小短路电流 可采用单侧电源供电时的最小两相短路电流 合理选择差动保护动作电流 可保证在正常运行及外部短路时保护有可靠的选择性 在内部短路时又有足够的灵敏度 127 DCD 2差动继电器 由加强型速饱和变流器和电流继电器KA组成 加强型速饱和变流器是一个三柱铁芯 中间柱 的截面积比两边柱 的截面积大一倍 在中间柱上除绕有差动线圈和两个平衡线圈外 还绕有短路线圈 短路绕组在差动线圈中流动非周期性电流时 是起 去磁 作用 有利于加强继电器躲闭励磁涌流的能力 128 6 瓦斯保护 瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护 保护变压器油箱内各种短路故障 特别是对绕组的相间短路和匝间短路 由于短路点电弧的作用 将使变压器油和其他绝缘材料分解 产生气体 气体从油箱经连通管流向油枕 利用气体的数量及流速构成瓦斯保护 工作原理 属非电量保护 测量元件为气体继电器 安装于变压器油箱和油枕的通道上与差动保护一起作为主保护 对变器内部故障全面保护 129 7 电流保护变压器过电流保护与线路过电流保护相比在构成上完全一致 在整定上也同样是考虑在最大可能负荷自起动过程中 保护可靠不误动 但过电流保护应用于变压器往往灵敏度不够 可采用低电压起动的过电流保护 复合电压起动的过电流保护以及负序过电流保护等 一般能满足变压器保护的要求 电流速断保护装设于容量较小的变压器的电源侧 保护动作于跳开变压器两侧断路器 130 二 同步发电机的保护 发电机是电力系统中至关重要的电气设备 其安全运行对电力系统的正常工作和电能质量起着决定性的作用 同时 发电机本身价格昂贵 所以 应给发电机装设性能优良的继电保护 以反应发电机定子和转子的各种故障和不正常运行状态 发电机的常见故障有 定子绕组的相间短路 接地短路及匝间短路 转子绕组的一点 两点接地短路 失磁等 相应的保护有 反应相间短路的纵差动保护 反应单相接地故障的接地保护 匝间短路保护 励磁回路一点接地保护 励磁回路两点接地保护以及失磁保护等 发电机的常见不正常运行状态有 过负荷 外部短路引起的过电流及负序过电流或过负荷 励磁回路过负荷 过电压 逆功率等 相应地也应该装设各种继电保护装置反应这些状态 如各种过电流保护 负序过电流保护等 131 1 纵差保护纵差动保护是发电机相间短路的主保护 应该能够迅速可靠地切除发电机定子绕组及引出线上的相间短路故障 在正常运行及外部短路时 应保证选择性 二 同步发电机的保护 图中规定指向发电机内部的方向为正方向 电流互感器选用变比和型号都完全一致的D级互感器 正极性端分别放在机端和中性点 接线方式也完全一致 132 2 其它保护方式发电机的匝间短路保护发电机定子绕组单相接地保护发电机励磁回路接地保护发电机失磁保护等发电机相间短路的后备保护发电机定子过负荷保护 二 同步发电机的保护 133 六 常用自动装置 变电所常用自动装置有 自动重合闸 ARD 备用电源自动投入装置 APD 和按频率自动减负荷装置 重合闸装置在继电保护把线路故障切除后 或者在断路器偷跳时 起动断路器重新合闸 如果故障是瞬时性的 由于故障点绝缘在线路被切除后已迅速恢复 重合闸可以使线路迅速恢复正常供电 如果故障是永久性的 继电保护将再次动作 使断路器加速跳闸 因此 自动重合闸与继电保护的关系十分密切 一般地 输电线路的重合闸的成功率达到70 90 134 在发电厂 厂用电系统 和变电站中 一般采用由两个独立电源供电并考虑其备用的方式 当工作电源故障失去电压时