供電工程-供電系統(tǒng)的繼電保護.ppt

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第七章 供電系統(tǒng)的繼電保護,第一節(jié) 概述 第二節(jié) 供電系統(tǒng)單端電源供電網(wǎng)絡(luò)的保護 （重點） 第三節(jié) 電力變壓器的繼電保護 （重點/難點） 第四節(jié) 電力電容器與高壓電動機的保護 第五節(jié) 微機型繼電保護簡介 （難點）,,第一節(jié) 概述,（一）基本任務(wù) （1）在電氣元件發(fā)生故障時，作用于斷路器跳閘，切除故障元件。 （2）在電氣元件異常運行時，及時發(fā)出報警信號。,一、繼電保護裝置的任務(wù)及要求,繼電保護裝置的原理框圖,電流或電壓,報警或跳閘,續(xù)上頁,1.選擇性 2.速動性 3.可靠性 4.靈敏度,離故障元件最近的保護裝置動作，而供電系統(tǒng)的其它部分仍然正常運行。,應(yīng)盡快地動作，切除故障元件。,不應(yīng)拒動；也不應(yīng)誤動。,表征保護裝置對其保護區(qū)內(nèi)故障和不正常工作狀態(tài)反應(yīng)能力的一個參數(shù)。,在GB50062-92 《電力裝置的繼電保護和自動裝置設(shè)計規(guī)范》中，對繼電保護裝置的靈敏度都有一個最小值的規(guī)定。,保護裝置一次動作電流,保護區(qū)的最小短路電流,（二）基本要求,二、保護繼電器,（一）保護繼電器分類,機電型(有電磁式、感應(yīng)式） 電子型（又稱靜態(tài)繼電器） 微機型（又稱數(shù)字式保護繼電器）,繼電器是一種在其輸入的物理量（電量或非電量）達到規(guī)定值時，其電氣輸出電路被接通（導(dǎo)通）或分斷（關(guān)斷）的自動電器。,測量繼電器： （主） 有或無繼電器： （輔助）,作為起動元件，如電流繼電器、電壓繼電器、氣體繼電器、溫度繼電器等。,實現(xiàn)特定邏輯功能，如時間繼電器、信號繼電器、中間繼電器等。,續(xù)上頁,1．電磁式電流繼電器,動作電流Iop——線圈中的使繼電器動作的最小電流。,返回電流Ire——線圈中的使繼電器由動作狀態(tài)返回到起始位置的最大電流。,（二）常用電流繼電器動作特性,返回系數(shù),續(xù)上頁,用電磁式電流繼電器KC構(gòu)成保護裝置時，還要用到電磁式時間繼電器KT、信號繼電器KS以及中間繼電器KA作為輔助繼電器。,電磁式電流繼電器的電流時間特性曲線具有“定時限特性”。,由時間繼電器KT預(yù)先整定,動作電流由電流繼電器 KC預(yù)先整定,續(xù)上頁,2．感應(yīng)式電流繼電器(KC),電磁元件的作用使感應(yīng)式繼電器兼有“電流速斷特性”，如圖所示bb/d曲線。,速斷電流Iqb是指繼電器線圈中的使電流速斷元件動作的最小電流。 速斷電流Iqb與感應(yīng)元件的動作電流Iop之比稱速斷電流倍數(shù)nqb。,感應(yīng)式電流繼電器的電流時間特性曲線具有“反時限特性”， 如下圖所示曲線 abc，這一特性是其感應(yīng)元件所產(chǎn)生的。,反時限特性,反時限特性,三、繼電保護裝置的接線形式,指互感器與電流繼電器之間的連接方式如圖所示。,三相三繼電器式,兩相兩繼電器式,繼電器線圈電流Ik與電流互感器二次電流I2的比值稱為接線系數(shù)KW：,四、繼電保護裝置的操作方式,大中型變配電所的繼電保護裝置一般采用直流操作電源，此時，高壓斷路器通常采用電壓脫扣器跳閘的操作方式，跳閘能量來自電壓源。,去分流跳閘方式,交流操作電源的電壓受一次系統(tǒng)的影響很大，過電流保護一般采用去分流跳閘操作方式。作用于斷路器跳閘的能量通常來自于電流源。,要求繼電器觸頭的分斷能力足夠大，而且先合后斷。,,第二節(jié) 供電系統(tǒng)單端電源 配電線路的保護,按國標規(guī)定，對3~66kV電力線路應(yīng)裝設(shè)： 相間短路保護：采用帶時限的過電流保護和電流速斷保護。 單相接地保護：采用絕緣監(jiān)視裝置或零序電流保護。 過負荷保護：可能經(jīng)常過負荷的電纜線路采用，動作于信號。,二、帶時限過電流保護,保護裝置的動作時間是按整定的動作時間固定不變的，與故障電流大小無關(guān)；,保護裝置的動作時間與故障電流大小的平方成反比關(guān)系。,一、單端電源配電線路的保護設(shè)置,續(xù)上頁,1.定時限過電流保護,一般由電磁式繼電器KC、KT、KS等構(gòu)成，要求操作電源電壓在整個動作過程中穩(wěn)定可靠。,（一）帶時限過電流保護裝置的構(gòu)成與動作原理,續(xù)上頁,,,電流型信號繼電器,圖中忽略斷路器的合閘回路及信號回路。,續(xù)上頁,2．反時限過電流保護,一般僅由感應(yīng)式電流繼電器組成，利用其感應(yīng)元件來實現(xiàn)反時限過電流保護 。,續(xù)上頁,（二）動作電流的整定,帶時限的過電流保護的動作電流Iop的整定原則是：,（1）保護裝置在線路正常運行時，不應(yīng)誤動作。條件是 Iop.1IL.max,（2）下級故障切除后，已經(jīng)動作的本級保護裝置還應(yīng)可靠返回。條件是 Ire.1IL.max,,續(xù)上頁,因Kre= Ire/ Iop =Ire.1/ Iop.1，所以,設(shè)電流繼電器所接的電流互感器的變流比為Ki ，保護裝置的接線系數(shù)為KW ，則有 Iop=（Iop .1／Ki）KW。,Iop .1IL.max ／Kre,引入可靠系數(shù)Krel ，將上式寫成等式，則,則有 IopIL.max KW/（Ki Kre）,式中IL.max為線路上的最大負荷電流，可取為計算電流IC的（1.5～3）倍。,續(xù)上頁,（三）動作時間的整定,,△t=0.5s,△t=0.7s,按“階梯原則”,t1 ≥t2+ △t,續(xù)上頁,（四）過電流保護的靈敏度校驗,對于線路過電流保護，取被保護線路末端在系統(tǒng)最小運行方式下的兩相短路電流檢驗，條件為,定時限過電流保護與反時限過電流保護的比較,三、電流速斷保護,國標規(guī)定，在過電流保護動作時間超過0.5～0.7s時，還應(yīng)裝設(shè)瞬動的電流速斷保護裝置。,（一）電流速斷保護的構(gòu)成,過電流保護為定時限時，可采用電磁式KC、KS、KA構(gòu)成電流速斷保護。,續(xù)上頁,,續(xù)上頁,對于過電流保護采用反時限感應(yīng)電流繼電器時，則可利用該繼電器的電磁元件（速斷）來實現(xiàn)電流速斷保護。,續(xù)上頁,(二)速斷電流的整定,依靠動作電流（速斷電流）的特殊整定來實現(xiàn)前后兩級保護的選擇性配合。,速斷電流Iqb應(yīng)躲過它所保護的線路末端的三相短路電流 ，其整定計算公式是：,,續(xù)上頁,電流速斷保護不可能保護線路的全長，存在保護“死區(qū)”。,（三）電流速斷保護的“死區(qū)”問題,在 “死區(qū)”內(nèi)，一般由帶時限的過電流保護實現(xiàn)主保護。,續(xù)上頁,（四）電流速斷保護的靈敏度,按其安裝處（即線路首端）在系統(tǒng)最小運行方式下的兩相短路電流作為最小短路電流Ik.min來檢驗。,對于較短的10kV配電線路，則上級線路速斷保護的靈敏度往往不夠，此時應(yīng)采用帶有一定時限（0.5s）的延時電流速斷保護來代替瞬時電流速斷保護。 延時電流速斷保護通過0.5s的延時來保證選擇性，因而其動作電流只要按大于下級瞬時電流速斷保護動作電流的1.1倍整定即可（其值不大），因而能保護本級線路全長。,例7－1,例7－1 某10kV配電所的進出線如圖所示，進線WL1和饋線WL2均配有定時限過電流保護和電流速斷保護(其中WL1所配為延時電流速斷保護)，均采用三相三繼電器式接線，其電流繼電器均為DL-31／10型，直流操作。已知 TA1的變流比為 100／5A，TA2的變流比為50／5A。KC1已經(jīng)整定，其動作電流為7A，動作時間為1.0s。WL2的計算電流為28A，WL2首端k-1點的三相短路電流為500A，其末端k-2點的三相短路電流為200A。試整定饋線WL2的定時限過電流保護和電流速斷保護，并檢驗其靈敏度。,續(xù)上頁,解：1．整定KC2的保護動作電流,選用DL-31/10型繼電器，動作電流整定為8A。,取IL.max=228A=56A，Krel=1.2，Kre= 0.85，Ki=50／5=10，故,2．整定KC2的保護動作時間,3．檢驗KC2的保護靈敏度,KC1、KC2均為定時限過電流保護，而KC1的動作時間已整定為1.0s，故KC2的動作時間可整定為0.5s。,WL2末端k-2點的兩相短路電流為其最小短路電流，即,因此,KC2的保護靈敏度為,滿足要求。,續(xù)上頁,4．整定KC2的速斷電流Iqb,5．KA2電流速斷保護靈敏度的檢驗,故KC2的電流速斷保護靈敏度為,滿足要求。,Ik.min取WL2首端k-1點的兩相短路電流，即,電流速斷保護的動作電流（速斷電流）Iqb應(yīng)躲過它所保護的線路末端的三相短路電流，即,四、單相接地保護,（一）小電流接地系統(tǒng)的特點簡述,在小接地電流的電力系統(tǒng)中，若發(fā)生單相接地故障時，產(chǎn)生零序電流以及零序電壓。,單相接地保護有零序電壓保護和零序電流保護兩種。,（二）零序電壓保護,這種保護裝置是利用系統(tǒng)接地后出現(xiàn)的零序電壓而動作的。它是在變配電所的母線上安裝絕緣監(jiān)視裝置來監(jiān)視電力線路的對地絕緣。,零序電壓保護簡單經(jīng)濟，但沒有選擇性，值班人員想判別出故障發(fā)生在哪一條線路上，就要依次斷開各條線路來尋找。,續(xù)上頁,利用單相接地故障線路的零序電流較非故障線路大的特點，實現(xiàn)有選擇性地跳閘或發(fā)出信號。,a 零序電流過濾器,（三）零序電流保護,1．零序電流保護的基本原理,對架空線路采用圖a的零序電流過濾器，對電纜線路采用圖b的零序電流互感器。,b 零序電流互感器,續(xù)上頁,流經(jīng)故障線路的零序電流與流經(jīng)非故障線路的零序電流在大小和方向上均不同。,續(xù)上頁,2．零序電流保護的整定,動作電流Iop（E）應(yīng)該躲過在其它線路上發(fā)生單相接地時在本線路上引起的電容電流IC，即,單相接地的零序電流保護的靈敏度，應(yīng)按被保護線路末端發(fā)生單相接地故障時流過接地線的不平衡電流作為最小故障電流來檢驗，即,,第三節(jié) 電力變壓器的繼電保護,（一）電力變壓器常見故障與保護設(shè)置,變壓器內(nèi)部故障和引出線的相間短路——設(shè)置電流速斷保護 或差動保護。,變壓器外部短路而引起的過電流——設(shè)置帶時限過電流保護,變壓器中性點直接接地側(cè)的單相接地短路——設(shè)置單相接地 保護。,過負荷而引起的過電流——設(shè)置過負荷保護。,變壓器溫度升高和油冷卻系統(tǒng)的故障——設(shè)置溫度信號。,油浸式變壓器油箱內(nèi)部故障和油面降低——設(shè)置瓦斯保護。,一、 電力變壓器故障分析與保護設(shè)置原則,續(xù)上頁,（二）電力變壓器二次側(cè)故障在一次側(cè)引起的故障電流分布,Yyn0聯(lián)結(jié) K——變壓器變比（相電壓比＝K）,續(xù)上頁,Yyn0聯(lián)結(jié)的變壓器低壓側(cè)b相短路時的電流相量分析,續(xù)上頁,Dyn11聯(lián)結(jié) K——變壓器變比（相電壓比＝ ）,二、過電流保護與電流速斷保護,（一）過電流保護,變壓器過電流保護的組成原理與線路過電流保護相同。,其動作時間亦按“階梯原則”整定，與線路過電流保護完全相同。,變壓器過電流保護的靈敏度，按變壓器低壓側(cè)母線在系統(tǒng)最小運行方式下發(fā)生兩相短路的高壓側(cè)穿越電流值來檢驗，要求Sp＞1.5。,,續(xù)上頁,（二）電流速斷保護,組成原理與線路的電流速斷保護完全相同。,變壓器電流速斷保護的速斷電流按躲過低壓母線三相短路在高壓側(cè)的穿越電流值來整定。,變壓器電流速斷保護的靈敏度，按保護裝置裝設(shè)處（高壓側(cè)）在系統(tǒng)最小運行方式下發(fā)生兩相短路的短路電流來檢驗，要求Sp＞1.5。,,對Dyn11聯(lián)結(jié)的變壓器，由于低壓側(cè)的單相接地故障電流比較大?？衫酶邏簜?cè)的過電流保護裝置兼作低壓側(cè)的單相接地保護。,三、變壓器低壓側(cè)的單相接地保護,要求保護靈敏度,變壓器低壓母線單相短路電流反映到高壓側(cè)的電流值為,,而對Yyn0變壓器，由于低壓側(cè)的單相接地故障電流比較小。高壓側(cè)過電流保護的靈敏度不夠。,動作電流Iop（0）按躲過變壓器低壓側(cè)最大不平衡電流來整定。,保護動作時間一般取0.5～0.7s。,續(xù)上頁,需在變壓器低壓側(cè)中性點引出線上裝設(shè)零序電流保護。,例7-2 一臺10／0.4kV、Dyn11聯(lián)結(jié)的S9-1000型配電變壓器配置有由GL-15型電流繼電器組成的反時限過電流保護、電流速斷保護，采用三相三繼電器式接線和交流去分流跳閘操作。保護所連接的電流互感器變流比為150／5A。變壓器高壓側(cè)的三相短路電流 ，低壓母線的三相短路電流 ，單相短路電流 。試整定反時限過電流保護和電流速斷保護的動作電流，并檢驗其靈敏度，并問能否兼作低壓側(cè)的單相接地保護。（變壓器的IL.max可取為2INT1）,例7-2,解：1.反時限過電流保護,（1）整定動作電流,變壓器的最大負荷電流,續(xù)上頁,取Krel=1.3，Kre= 0.8，Ki=150／5=30，故動作電流,選用GL-15/10型繼電器，動作電流整定為7A。,（2）檢驗靈敏度,反時限過電流保護的靈敏度為,滿足要求。,變壓器低壓母線兩相短路電流反映到高壓側(cè)的電流值為,續(xù)上頁,（3）校驗?zāi)芊窦孀鞯蛪簜?cè)的單相接地保護,保護靈敏度為,由此可見，Dyn11聯(lián)結(jié)變壓器反時限過電流保護能滿足低壓側(cè)單相接地保護靈敏度的要求。,變壓器低壓母線單相短路電流反映到高壓側(cè)的電流值為,2．電流速斷保護,（1）整定速斷電流,變壓器低壓母線三相短路電流反映到高壓側(cè)的電流值為,續(xù)上頁,,,電流速斷保護的動作電流（速斷電流）為,,（2）檢驗靈敏度,滿足要求。,速斷電流倍數(shù),變壓器高壓側(cè)的兩相短路電流,保護靈敏度為,續(xù)上頁,3．反時限過電流保護及電流速斷保護構(gòu)成原理圖,變壓器一次側(cè)三相短路，電流速斷保護動作。KC1.2.3電磁元件動作，其觸點立即轉(zhuǎn)換，去分流跳閘。,二次側(cè)三相短路，反時限過電流保護動作。KC1.2.3 反時限元件動作，其觸點經(jīng)一定延時后轉(zhuǎn)換，去分流跳閘。,四、變壓器的過負荷保護,,（一）油浸式變壓器的瓦斯保護與溫度保護,瓦斯保護又稱氣體繼電保護，是保護油浸式電力變壓器內(nèi)部故障的一種基本的保護裝置。按規(guī)定，800kVA及以上的一般油浸式變壓器，均應(yīng)裝設(shè)瓦斯保護。,五、瓦斯保護與溫度保護,可以反應(yīng)變壓器油箱內(nèi)部是否發(fā)生輕微故障、嚴重故障、油箱漏油等情況。,規(guī)范還規(guī)定容量在1000kVA及以上的油浸式變壓器應(yīng)裝設(shè)溫度保護。,瓦斯保護的主要元件是氣體繼電器。它有兩個觸點：一個是“輕瓦斯觸點”，另一個是“重瓦斯觸點”。,續(xù)上頁,,變壓器瓦斯保護與溫度保護的接線圖,,,續(xù)上頁,（二）干式變壓器的溫度保護,溫顯系統(tǒng)通過預(yù)埋在低壓繞組中的熱敏電阻測取溫度信號，直觀顯示各相繞組溫度。,溫控系統(tǒng)通過預(yù)埋在低壓繞組中的測溫元件測取溫度信號，并根據(jù)繞組溫度，控制冷卻風(fēng)機的運行，發(fā)出超溫報警信號，直至發(fā)出超高溫跳閘信號。,續(xù)上頁,干式變壓器溫度保護的接線圖,,,,六、差動保護,（一）差動保護的基本原理,變壓器的差動保護區(qū)在變壓器一、二次側(cè)所裝電流互感器之間。,變壓器差動保護是利用保護區(qū)內(nèi)發(fā)生短路故障時變壓器兩側(cè)電流在差動回路（即差動保護中連接繼電器的回路）中引起的不平衡電流Idsq（=I1/－I2/）動作的一種保護。,續(xù)上頁,（二）變壓器差動保護中的不平衡電流及其減小措施,1．由變壓器接線(Y,d11)而引起的不平衡電流,續(xù)上頁,2．由兩側(cè)電流互感器變流比選擇而引起的不平衡電流,3．由變壓器勵磁涌流引起的不平衡電流,正常運行時，變壓器的勵磁電流很小，一般不超過額定電流的2％～10％。 但當(dāng)變壓器空載投人時，其電源側(cè)將流過數(shù)值很大的勵磁電流，即勵磁涌流。,變壓器兩側(cè)電流互感器計算變比選擇條件：,由于電流互感器實際變比與計算變比不一致，在差動回路中引起的不平衡電流,續(xù)上頁,勵磁涌流特點： 含有的非周期分量幅值很大， 常使勵磁涌流偏于時間軸的一側(cè)； 含有大量的高次諧波，尤其是二 次諧波可達到15％以上； 波形間有明顯的間斷。,,,,,,,,,,第四節(jié) 電力電容器與高壓電動機 的保護,電力電容器的主要故障形式是短路故障。 對于低壓并聯(lián)電容器和容量不超過450kvar的高壓并聯(lián)電容器，可裝設(shè)熔斷器作為相間短路保護。 對于容量較大的高壓并聯(lián)電容器，則需采用高壓斷路器控制，裝設(shè)瞬時或短延時過電流保護作為相間短路保護。,一、電力電容器的保護,如果電容器組安裝在含有大型整流設(shè)備或電弧爐等諧波源的電網(wǎng)上時，電容器組宜裝設(shè)過負荷保護，帶時限動作于信號或跳閘。,電容器安裝處的電網(wǎng)電壓可能超過其額定電壓10％時，應(yīng)裝設(shè)過電壓保護。過電壓保護裝置可發(fā)出報警信號，或帶時限動作于跳閘。,二、高壓電動機的保護,按規(guī)定：對電壓為3kV及以上的異步電動機和同步電動機的下列故障及異常運行方式，應(yīng)裝設(shè)相應(yīng)的保護裝置： ①定子繞組相間短路——采用電流速斷保護或縱聯(lián)差動保護。 ②定子繞組單相接地——采用過負荷保護。 ③定子繞組過負荷——采用過負荷保護。 ④定子繞組低電壓——采用低電壓保護。 ⑤同步電動機失步——采用失步保護。 ⑥同步電動機失磁——采用失磁保護。 ⑦同步電動機出現(xiàn)非同步?jīng)_擊電流。,第五節(jié) 微機型繼電保護簡介,利用計算機系統(tǒng)（微處理器）采集和處理來自電力系統(tǒng)運行過程中的數(shù)據(jù)，并通過數(shù)值計算迅速而準確判斷系統(tǒng)中發(fā)生故障的范圍，經(jīng)過嚴密邏輯過程后有選擇性地執(zhí)行跳閘等命令。這種基于計算機系統(tǒng)的繼電保護裝置，就是微機保護。,具有極強的綜合分析與判斷能力，可靠性高。 具有較大的靈活性，保護性能的選擇和調(diào)試方便。 具有較完善的通信功能，便于構(gòu)成綜合自動化系統(tǒng)。,與機電式或晶體管元件構(gòu)成的模擬式繼電保護相比較，微機保護具有下列特點：,一、概述,續(xù)上頁,二、微機保護的硬件,數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),微機系統(tǒng),開關(guān)量輸入/輸出系統(tǒng),續(xù)上頁,下圖示出了配電變壓器采用微機保護的一個實例接線圖。,續(xù)上頁,三、微機保護的算法,微機保護算法的目標是獲得被保護元件的電壓、電流及其序分量的幅值和相位以及基波正序阻抗（或電阻、電抗）等。各種微機保護的功能和要求不同，其算法也不一樣。,四、微機保護的可靠性,五、微機保護的軟件（略）,微機保護的可靠性主要有兩個方面的問題，即元器件損壞和干擾，它們都可能造成保護軟件出錯，甚至保護裝置誤動。 所以應(yīng)采取多方面的措施，提高微機保護裝置的可靠性，保證元器件損壞和各種干擾作用情況下，保護裝置能夠可靠不拒動、不誤動。,,本章小結(jié),本章闡述了繼電保護的基本原理與構(gòu)成方式 ；介紹了供電線路、電力變壓器、電力電容器、高壓電動機等的繼電保護的配置方案、構(gòu)成原理、整定計算方法 ；最后簡單介紹了微機保護的構(gòu)成與基本原理 。 本章重點：供電系統(tǒng)單端電源供電網(wǎng)絡(luò)的保護、電力變壓器的保護。 本章難點：微機型繼電保護概論、電力變壓器的差動保護。 教學(xué)基本要求：了解變配電所常用保護繼電器、電力電容器與異步電動機的保護設(shè)置、微機保護裝置；理解供電系統(tǒng)單端電源供電網(wǎng)絡(luò)和電力變壓器的繼電保護原理；掌握供電系統(tǒng)單端電源供電網(wǎng)絡(luò)和電力變壓器的過電流保護及速斷保護整定計算方法。,機電型保護繼電器,電磁式電流繼電器實物圖片,電磁線圈 及電磁鐵,動靜觸點,續(xù)上頁,感應(yīng)式電流繼電器實物圖片,電磁線圈 及電磁鐵,感應(yīng)元件,電磁元件,轉(zhuǎn)換觸點,動作指示,續(xù)上頁,電磁式中間繼電器實物圖片,電磁線圈 及電磁鐵,動靜觸點,續(xù)上頁,,KT,KS,電磁式時間繼電器、信號繼電器實物圖片,電子型保護繼電器,靜態(tài)繼電器實物圖片,,微機型保護繼電器,微機型保護繼電器實物圖片,,（保護測控一體化）,氣體繼電器,,QJ型氣體繼電器,