第二章1继电保护

第二章电网的电流保护 第三节电网相间短路的方向性电流保护 第四节中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护 第五节中性点非直接接地电网中单相接地短路的零序电压 电流及方向保护 第二节单侧电源网络相间短路的电流保护 第一节继电保护装置的基本元件和电路 第一节继电保护装置的基本元件和电路 一 电磁型继电器 二 晶体管型继电器 三 电流互感器 四 电压互感器 一 电磁型继电器 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 电流继电器在电流保护中用作测量和起动元件 它是反应电流超过某一整定值而动作的继电器 电磁型继电器是利用电磁原理工作的 现以吸引衔铁式继电器为例进行分析 如下图所示 首先分析使继电器触点接通的力矩 即动作力矩 在线圈1中通以电流Ir 则产生与其成正比的磁通 即 通过由铁心 空气隙和可动舌片而成的磁路 使舌片磁化与铁心的磁极产生电磁吸力 其大小与 2成正比 这样由电磁吸引力作用到舌片上的电磁转矩Me可表示为Me K1 2 K2 其次分析使继电器触点闭合的阻力矩 正常情况下 继电器不工作 弹簧对应于空气隙长度 1产生一初始力矩Ms1 由于弹簧的张力与伸长量成正比 因此 弹簧产生的反抗力矩为Ms Ms1 K3 1 2 另外 在可动舌片转动的过程中 还必须克服摩擦力矩Mf 因此 阻碍继电器动作的全部机械反抗力矩为 Ms Mf 1 继电器动作的条件 为使继电器动作 必须增大电流Ir 以增大电流Ir 以增大电磁转矩Me 使其满足关系式 Me Ms Mf 2 动作电流 能够满足上述条件 使继电器动作的最小电流值Ir 称为继电器的动作电流 记作Iop r 对应此时的电磁转矩为 3 继电器的返回条件继电器动作后 当Ir减小时 弹簧的作用力矩Ms必须大于电磁力矩Me及摩擦力矩Mf之和 才能使继电器返回 即Ms Me Mf或Me Ms Mf 总结 当Ir Iop r时 继电器不动作 当Ir Iop r时 则继电器动作 触点闭合 当减小Ir使Ir Ire rJ时 继电器又立即返回原位 触点打开 4 返回电流 满足上述条件 使继电器返回原位的最大电流值称为继电器的返回电流 记为Ire r 5 返回系数返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数 可表示为 在实际应用中 要求有较高的返回系数 如0 85 0 9 返回系数越大则保护装置的灵敏度越高 但过大的返回系数会使继电器触点闭合不够可靠 6 动作电流的调整方法 1 改善继电器线圈的匝数 2 改变弹簧的张力 3 改变初始空气隙长度 吸引衔铁式结构的继电器一般被用作中间继电器 如DZ 10系列 螺管线圈式结构继电器多被用作时间继电器 如DS 100系列 二 晶体管型继电器 晶体管型继电器的功能是由晶体管开关电路完成的 1 晶体管型电流继电器 1 正常工作时 电流变换器的输入电流小于继电器的动作电流 UR3 0 晶体管VT1因正向偏置而导通 VT2完全截止 输出电压Usc接近于 E1 对应于继电器不动作状态 2 起动时 当输入继电器的电流大于继电器的动作电流时 UR3增大 a点电位降低 致使V5导通 VT1停止 其集电极电位升高 使晶体管VT2导通 继电器处于动作状态 当继电器的输入电流减小至返回电流时 UR3减小 a点电位增高使V5截止 VT1重新导通 触发器翻转 继电器返回 继电器的返回电流小于继电器的动作电流 其返回系数小于1 2 晶体管型时间继电器在正常情况下 VT3饱和导通 电容器C被短接 电容器C上的电压为VT3集电极与发射极之间的饱和压降Uces1和二级管D8的正向压降UD之和 UCD UD Uces1 0 6 0 2 0 8V其值小于稳压管D9的方向击穿电压 VT4截止 输出电压USC近于0V 表示继电器延时输出 三 电流互感器 电流互感器的作用是将高压设备中的额定大电流变换成5A或1A的小电流 以便继电保护装置或仪表用于测量电流 电流互感器由铁心及绕组组成 一 二次绕组磁势有以下平衡关系 I1W1 I2W2 0 1 在图2 a 中 一 二次绕组中感应电势及同时为高电位点 称同极性或对应端 一般用L K 表示或以 标注 1 电流互感器的极性 2 电流互感器的等值电路及相量图 电流互感器与普通变压器的等值电路有着相同的形式 其等值电路如图2 7 a 所示 图中原边的参数都已归算到二次绕组 1 电流误差 归算到二次绕组的一次电流与二次绕组电流数量差 一般用百分数表示 即 I 当 角比较小时 I 而结论 电流互感器在正常运行时 电流误差决定于励磁电流的大小 而励磁电流与电流互感器的负载阻抗ZL成正比 与励磁阻抗成反比 一般误差小于1 3 误差分析 2 稳态短路电流引起的误差 当电流互感器原边流过大的短路电流时 铁心饱和 磁阻增加 励磁阻抗下降 励磁电流增加 二次侧电流将减小且波形发生变化 在铁心未饱和时 二次侧电流与原边电流成正比增加 若电流互感器二次负载阻抗ZL较大 铁芯饱和更快 图中m为短路电流倍数 按规定用于继电保护的电流互感器 其稳态电流误差不允许大于10 角误差不得大于7 电流互感器稳态运行时的电流误差实际是二次负载阻抗ZL与短路电流倍数m的函数 可表示为 I f ZL m 在满足10 误差的条件下 的关系曲线叫电流互感器的10 误差曲线 它由厂家提供 3 暂态短路电流引起的误差 从误差曲线可以看出 最大误差发生在短路后3 5个周波 短路回路非周期电流衰减以后 其值比稳态短路误差大许多倍 且含有很大的直流成分 4 减小电流互感器误差的措施 注意 电流互感器为恒流源 其副边不应开路 在副边不接负载时应将它短路 其副边必须接地 以免高电压危及人身及设备的安全 减小电流互感器的励磁电流 尽量加大电流互感器的励磁电抗Xm 增大铁心截面或用高导磁率的铍莫合金做铁芯 尽量减小电流互感器的二次侧负载阻抗ZL 降低励磁电压 选择同型号的电流互感器串联使用 使每个电流互感器的励磁电压仅为负载压降的一半 选择大变比的电流互感器 以降低短路电流倍数 四 电压互感器 电压互感器的任务是将很高的电压准确地变换至二次保护及二次仪表的允许电压 使继电器和仪表既能在低电压情况下工作 又能准确地反映电力系统中高压设备的运行情况 电压互感器分为电磁式和电容式两种 1 工作原理 电磁式电压互感器的工作原理与一般电力变压器相似 其等值电路与相量图如下图所示 以副边电压为参考相量 依次画出各支路的电流及各节点电压的相量如下图所示 2 电压误差分析 电压互感器的电压误差是指归算到副边的原边电压与副边实际电压的数量差 用百分数表示 当原副边电压的相角差 较小时 其电压误差可近似为 从上式可看出 电压互感器的误差是由电压互感器的阻抗压降引起的 减小负载电流能提高电压互感器的精确度 二 电容式电压互感器电容式电压互感器是利用电容分压原理实现电压变换的 最简单的电容式电压互感器如图2 12所示 二次开路时的电压为由图2 12 b 等值电路并根据戴维南定理可知 有载时的输出电压为 调节X1 使jX1 则利用可调电感L补偿分压器容性电抗 大大降低电压互感器总电抗 使电压互感器更接近理想恒压源 提高了电压互感器的精确度 第二节单侧电源网络相间短路的电流保护 一 无时限电流速断保护 电流 段 二 限时电流速断保护 电流 段 三 定时限过电流保护 电流 段 四 电流三段保护小结五 电流保护的接线方式六 反时限特性的过电流保护 一 电流速断保护 电流I段 1 几个基本概念系统最大运行方式 就是在被保护线路末端发生短路时 系统等值阻抗最小 而通过保护装置的短路电流为最大的运行方式 系统最小运行方式 就是被保护线路末端发生短路时 系统等值阻抗最大 而通过保护装置的短路电流为最小的运行方式 电流速断保护 反应电流增大而瞬时动作的电流保护 最大短路电流 在最大运行方式下三相短路时 通过保护装置的短路电流为最大 最小短路电流 在最小运行方式下两相短路时 通过保护装置的短路电流为最小 保护装置的起动值 对应于电流升高而动作的电流保护 使保护装置起动的最小电流值称为保护装置的起动电流 记作IOP 保护装置整定 就是根据对继电保护的基本要求 确定保护装置起动值 灵敏系数 动作时限等过程 2 工作原理 发生短路时 流过保护安装地点的短路电流为 结论 流过保护安装地点的短路电流值随短路点的位置变化 且与系统的运行方式和短路类型有关 3 整定计算 动作电流为保证选择性 保护装置的起动电流应按躲开下一条线路出口处短路时 通过保护的最大短路电流来整定 即I OP Id d2max K relId B max 结论 电流速断保护只能保护本条线路的一部分 而不能保护全线路 其最大和最小保护范围lmax和lmin 保护范围 灵敏度KLm 计算 校验 规程 规定 在最小运行方式下 速断保护范围的相对值lb 15 20 时 为合乎要求 即 100 15 20 由下图可知其中Xd X1lmin代入上式整理得 动作时限 无时限电流速断保护没有人为延时 只考虑继电保护固有动作时间 由于动作时间较小可认为t 0s 4 电流速断保护的接线图 单相原理接线图原理图以整体形式表示各二次设备之间的电气联接 展开图 展开图以分散形式表示二次设备之间的电气连接 分为交流回路和直流回路 线路中管型避雷器放电时间为0 04 0 06S 在避雷器放电时速断保护不应该动作 为此在速断保护装置中加装一个保护出口中间继电器 一方面扩大接点的容量和数量 另一方面躲过管型避雷器的放电时间 防止误动作 电流速断保护装置为什么要加中间继电器 5 对电流速断保护的评价 优点 简单可靠 动作迅速 缺点 1 不能保护线路全长 2 运行方式变化较大时 可能无保护范围 3 在线路较短时 可能无保护范围 特殊情况 电流速断可以保护线路全长 在采用线路 变压器组的接线方式的电网中 把线路和变压器可以看成是一个元件 速断保护按躲开变压器低压侧短路出口处d1点短路来整定 可以保护线路的全长 二 限时电流速断保护 电流II段 电流速断保护在许多情况下均能保证选择性 且接线简单 动作迅速可靠 但是电流速断保护不能保护本线路的全长 怎么办 解决办法 增设一套新的保护 限时电流速断保护 限时电流速断保护 按与相邻线路电流速断保护相配合且以较短时限获得选择性的电流保护 1 工作原理 1 限时电流速断保护的保护范围必须延伸到下一条线路中去 2 限时电流速断保护的动作带有一定的时限 3 为了保证速动性 时限应尽量缩短 2 整定计算 1 动作电流动作电流按躲开下一条线路无时限电流速断保护的动作电流进行整定 2 动作时限为了保证选择性 限时电流速断保护比下一条线路无时限电流速断保护的动作时限高出一个时间阶段 t 即 3 灵敏度校验 Ksen 1 5 是因为考虑了以下不利于保护动作的因素 a 可能存在非金属性短路 使短路电流Id较小 b 实际的短路电流小于计算值 c 电流互感器有负误差 使短路时流入保护起动元件中的电流变小 d 继电器的实际起动值可能有正误差 使IOP r变大 e 考虑一定裕度 思考问题 灵敏性不满足要求 怎么办 1 与下一条线路的限时电流速断相配合 2 动作时限比下一条线路时限电流速断保护的动作时限高出一个时间阶段 t 即 3 限时电流速断保护的接线图 单相原理接线 展开图 4 对限时电流速断保护的评价 优点 限时电流速断保护结构简单 动作可靠 能保护本条线路全长 缺点 不能作为相邻元件 下一条线路 的后备保护 三 定时限过电流保护 电流III段 定时限过电流保护定义 其动作电流按躲过被保护线路的最大负荷电流整定 其动作时间一般按阶梯原则进行整定以实现过电流保护的动作选择性 并且其动作时间与短路电流的大小无关 思考问题 无时限电流速断保护只能保护本线路一部分 限时电流速断能保护本线路全长 但不能做为相邻线路的后备保护 要想实现远后备保护 怎么办 1 工作原理 反应电流增大而动作 它要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长 作为近后备保护和远后备保护 其保护范围应包括下条线路或设备的末端 过电流保护在最大负荷时 保护不应该动作 2 整定计算 1 动作电流按躲开被保护线路的最大负荷电流 且在自起动电流下继电器能可靠返回进行整定 灵敏度校验 近后备 远后备 3 时间整定 为保证保护动作的选择性 过电流保护动作延时是按阶梯原则整定的 即本线路的过电流保护动作延时应比下一条线路的电流 段的动作时间长一个时限阶段 t 3 接线图电流 段保护的原理接线 展开图与电流 段保护相同 4 对定时限过电流保护的评价 优点 结构简单 工作可靠 对单侧电源的放射型电网能保证有选择性的动作 不仅能作本线路的近后备 有时作为主保护 而且能作为下一条线路的远后备 在放射型电网中获得广泛应用 一般在35千伏及以下网络中作为主保护 缺点 动作时间长 而且越靠近电源端其动作时限越大 对靠电源端的故障不能快速切除 四 电流三段保护小结 电流速断保护只能保护线路的一部分 限时电流速断保护能保护线路全长 但却不能作为下一相邻线路的后备保护 因此 必须采用定时限过电流保护作为本条线路和下一段相邻线路的后备保护 1 三段式电流保护 由电流速断保护 限时电流速断保护及定时限过电流保护相配合构成的一整套保护 思考 是不是所有的线路都要装设三段式电流保护 什么情况下过电流保护作为主保护 什么情况下可采用两段组成一套保护 2 电流三段式保护的保护特性及时限特性 3 电流三段式保护接线图 1 单相原理接线图 2 展开图 优点 简单 可靠 并且一般情况下都能较快切除故障 一般用于35千伏及以下电压等级的单侧电源电网中 缺点 灵敏度和保护范围直接受系统运行方式和短路类型的影响 此外 它只在单侧电源的网络中才有选择性 4 三段式电流保护的评价 例2 1 如下图所示网络 试对保护1进行电流速断 限时电流速断和定时限过电流保护整定计算 起动电流 动作时限和灵敏系数 并画出时限特性曲线 计算电压取115KV 解 1 对保护1进行电流速断保护的整定计算 1 起动电流 1 3 3780 4914 A 取1 3 2 灵敏度校验 12 5 km 41 67 15 符合要求 3 动作时限 电流速断保护动作时限近似为零 即t 0s 2 限时电流速断保护的整定计算 1 起动电流 1 2 1 3 1250 1950 A 2 灵敏度校验 1 58 1 5符合要求 3 动作时限 3 定时限电流保护整定计算 1 起动电流 794 12 A 2 灵敏度校验 近后备保护 3 87 1 5符合要求 远后备保护 1 26 1 2符合要求 3 动作时限 时限特性曲线 五 电流保护的接线方式 1 相间短路电流保护的主要接线形式 2 各种接线方式在不同故障时的性能分析 3 各种接线方式的应用范围 电流保护的接线方式 指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的联系方式 1 相间短路电流保护的主要接线形式 1 三相星形接线 2 两相星形接线 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 3 两相电流差接线 三相短路时流过继电器电流是倍的短路电流 AB两相短路 Ir Ia AC两相短路时流过继电器电流是倍的短路电流 AB或CB两相短路时流过继电器电流是倍的短路电流 2 1 Ir 三相短路 Ir Ia CB两相短路 Ir Ic AC两相短路 Ir 2Ia 故对两相电流差接线方式 在对称运行或三相短路时 Kcon 接线系数Kcon 流过继电器的电流与电流互感器二次侧短路电流之比 数值为 在AC两相短路时 Kcon 2 在AB或BC两相短路时 Kcon 1 对于三相和两相星形接线方式任何短路型式Kcon 1 2 各种接线方式在不同故障时的性能分析 1 中性点直接接地或非直接接地电网中的各种相间短路前述三种接线方式均能反应这些故障 2 中性点非直接接地电网中的两点接地短路在中性点非直接接地电网中 某点发生两点接地故障 希望只切除一个故障点 串联线路上两点接地情况 放射性线路上两点接地情况 串联线路上两点接地情况 如下图所示 在dA点和dB点发生接地短路 若保护1和保护2均采用三相星形接线时 100 地只切除线路故障 如采用两相星形接线 只能有2 3的机会有选择地切除后面的一条线路 放射性线路上两点接地情况 如下图所示 在dA dB点发生接地短路时 如采用三相星形接线时 两套保护均将起动 如采用两相星形接线 则保护有2 3的机会只切除任一线路 因此 在放射性的线路中 两相星形比三相星形应用较广 3 对Y d11接线变压器后面的两相短路 当 侧发生AB两相短路时 分析该侧电流相量图和Y侧电流相量图 结论 三相星形接线比两相星形接线灵敏系数增大一倍 过电流保护接于降压变压器的高压侧 Y侧 以作为低压侧 侧 线路故障的后备保护时 不同接线形式的保护有其不同的特点 a 采用三相星形接线时 则B相上继电器中的电流较其它两相大一倍 因此灵敏系数增大一倍 b 采用两相星形接线时 使B相的电流遗失 不能使保护的灵敏度得到充分提高 故在两相星形接线的中线上再接入一个继电器 从而提高了这个继电器的灵敏度 c 采用两相电流差接线时 流入继电器的电流为零 保护不动作 因此 这种接线方式不能用来保护变压器 3 各种接线方式的应用范围 1 三相星形接线方式能反应各种类型的故障 用在中性点直接接地电网中 作为相间短路的保护 同时也可保护单相接地 2 两相星形接线方式较为经济简单 能反应各种类型的相间短路 主要应用在35千伏及以下电压等级的中性点直接接地电网和非直接接地电网中 广泛地采用它作为相间短路的保护 3 两相电流差接线方式接线简单 投资少 但是灵敏性较差 这种接线主要用在6 10千伏中性点不接地系统中 作为馈电线和较小容量高压电动机的保护 六 反时限特性的过电流保护 1 感应型电流继电器 2 反限过电流保护 3 接线图 4 反时限过电流保护应用范围 1 感应型电流继电器 1 继电器结构GL 10感应式电流继电器的结构如下图所示由感应系统和电磁系统组成 它们分别构成反时限部和无时限部分 2 工作原理当线圈通以交流电流I时 线圈的安匝磁势IW在铁芯中产生磁通 1 在铁芯的一个分支上的