第7章-工厂供电系统的继电保护

本章首先讲述工厂供电系统的继电保护的基本知识，常用的几种保护继电器，接着简单介绍继电保护的接线方式和操作电源等知识，最后重点讲述工厂高压线路的继电保护和电力变压器的继电保护。第7章工厂供电系统的继电保护第7章工厂供电系统的继电保护7.1常用的保护继电器继电保护的基础知识7.2继电保护装置的接线方式和操作电源电力变压器的继电保护7.3工厂高压线路的继电保护装置7.47.57.1继电保护的基本知识7.1.1继电保护装置的任务（1）当发生故障时，保护装置动作，迅速地、有选择地将故障设备从供电系统中切除，避免事故的扩大，保证其它电气设备继续正常运行；（2）当出现不正常工作状态时，保护装置动作，及时发出报警信号，以便引起运行人员注意并及时处理；（3）与工厂供电系统的其它自动装置，如备用电源自动投入装置（APD）、自动重合闸装置（ARD）等配合，缩短事故的停电时间，及时恢复正常供电，从而提高供电系统的运行可靠性。7.1.2对保护装置的要求基本要求：选择性、速动性、可靠性、灵敏度7.1.3继电保护的基本工作原理1、测量部分测量被保护设备的某物理量，和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。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的输出信号驱动保护装置动作，使断路器跳闸或发出信号。7.2常用的保护继电器继电器：输入物理量达到规定值时，电气输出电路被接通或分断。输入量：电气继电器非电气继电器用途：控制继电器保护继电器物理量：电流电压功率继电器按组成元件分：机电型：电磁式、感应式晶体管型微机型如下图为过电流保护框图KA电流继电器，KT时间继电器，Ks信号继电器，KM中间继电器7.2.1电磁式电流继电器（KA）和电压继电器（KV）1、DL—10系列电磁式电流继电器结构1线圈，2电磁铁，3钢舌片，4静触点，5动触点，6起动电流调节转杆，7标度盘(铭牌)，8轴承，9反作用弹簧，10轴返回系数：oprereIIK一般为0.8，越接近1越灵敏。调节：平滑调节拨动杆6级进调节线圈1串联（动作电流小）或并联（动作电流大）DL-10系列接线和图形符号a)DL—11型b)DL—12型c)DL—13型d)集中表示的图形e)分开表示的图形欠电压继电器1/oprereUUK一般为1.252、电磁式时间继电器（KT）DS—110、120系列时间继电器的内部接线和图形符号使保护装置获得所需要的延时，延时时间可根据需要进行调节。3、电磁式中间继电器（KM）←DZ—10中间继电器内部接线和图形符号4、电磁式信号继电器（KS）有信号指示牌7.2.2感应式电流继电器1、基本结构及原理(右下图)（过载及短路保护）速断倍数8~2opqbqbIInGL-10、20系列感应式电流继电器的内部结构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。2、接线图GL系列电流继电器“先合后断转换触点”的动作说明a)正常位置b)动作后常开触点先闭合c)接着常闭触点断开GL系列电流继电器的内部接线和图形符号7.3继电保护装置的接线方式和操作电源7.3.1继电保护装置的接线方式继电保护装置的接线方式是指继电保护中的电流继电器与电流互感器二次绕组的连接方式。为了便于分析和整定计算，引入接线系数，它是流入继电器的电流与电流互感器二次绕组电流的比值，即继电保护装置的接线方式有三相三继电器式完全星形接线、两相两继电器式不完全星形接线、两相三继电器式不完全星形接线和两相一继电器电流差式接线等几种。7.3.2保护装置的操作电源保护装置的操作电源是指供电给继电保护装置及其所作用的断路器操动机构的电源。它应能在正常或故障情况下向这些装置不间断地供电。操作电源分直流和交流两大类。2/IIKKAw1、直流操作电源（1）铅酸蓄电池采用铅酸蓄电池组作操作电源，工作可靠；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，一般工厂供电系统中不予采用。（2）镉镍蓄电池采用镉镍蓄电池组作操作电源，除了工作可靠外，还有其大电流放电性能好，比功率大，机械强度高，使用寿命长，腐蚀性小，无需专用房间来装设，应用比较普遍。（3）硅整流电容储能式直流电源单独采用硅整流器来作直流操作电源，在交流供电系统电压降低或电压消失时，将严重影响直流系统的正常工作，因此宜采用有电容储能的硅整流电源，在交流供电系统电压降低或消失时，由储能电容器对继电保护和跳闸回路供电，使其正常动作，如下图所示。（4）复式整流的直流操作电源复式整流是指提供直流操作电压的整流装置有两个：电压源由变压器或电压互感器供电，经硅整流器供电给控制等二次回路；电流源由电流互感器及硅整流器供电给控制等二次回路。当稳压要求较高时装设铁磁谐振稳压器→2、交流操作电源对采用交流操作的断路器，应采用交流操作电源，所有保护继电器、控制设备、信号装置及其他二次元件均应采用交流型式。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。复式整流装置有电压源和电流源，因此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。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。7.4工厂高压线路的继电保护装置规定3-66KV线路：单相接地保护、相间短路保护、过负荷保护一、继电保护的接线方式1、两相两继电器式接线系数12IIKKAW2、两相一继电器式（差接式）（主要用于高压电动机保护）接线系数123).().().()3(CBWBAWCAWWKKKK二、继电保护装置的操作方式操作电源：直流电源、交流电源1、直接动作式2、“去分流跳闸”的操作方式7.4.1带时限的过电流保护带时限的过电流保护，按其动作时限特性分，有定时限过电流保护和反时限过电流保护两种。定时限就是保护装置的动作时限是按预先整定的动作时间固定不变的，与短路电流大小无关；而反时限就是保护装置的动作时限原先是按10倍动作电流来整定的，而实际的动作时间则与短路电流呈反比关系变化，短路电流越大，动作时间越短。1、定时限过电流保护装置的组成和原理定时限过电流保护装置的原理电路如下图所示，其中图a为集中表示的原理电路图，称为接线图，这种图的所有电器的组成部件是各自归总在一起的。图b为分开表示的原理电路图，称为展开图，这种图的所有电器的组成部件按各部件所属回路来分开绘制。从原理分析的角度来说，展开图简明清晰，在二次回路中应用最为普遍。其工作原理如下：当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA瞬时动作，闭合其触点，使时间继电器KT动作。KT经过整定的时限后，其延时触点闭合，使串联的信号继电器(电流型)KS和中间继电器KM动作。KS动作后，其指示牌掉下，同时接通信号回路，给出灯光信号和音响信号。KM动作后，接通跳闸线圈YR回路，使断路器QF跳闸，切除短路故障。QF跳闸后，其辅助触点QFl—2随之切断跳闸回路。在短路故障被切除后，继电保护装置除KS外的其他所有继电器均自动返回起始状态，而KS可手动复位。a)接线图b)展开图2、反时限过电流保护装置的组成和原理反时限过电流保护装置由GL型感应式电流继电器组成，其原理如图所示。当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA动作，经过一定延时后(反时限特性)。其常开触点闭合，常闭触点断开，这时断路器QF因其跳闸线圈YR被“去分流”而跳闸，切除短路故障。在继电器KA去分流跳闸的同时，其信号牌掉下，指示保护装置已经动作。在短路故障切除后，继电器自动返回，其信号牌可利用外壳上的旋钮手动复位。要求，继电器这两对触点的动作程序必须是常开触点先闭合，常闭触点后断开的转换触点。a)接线图b)展开图3、过电流保护动作电流的整定带时限过电流保护(含定时限和反时限)的动作电流，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)，以免保护装置误动作；其返回电流，也应躲过线路的最大负荷电流，否则保护装置还可能发生误动作。如图所示。a)电路b)定时限过电流保护的时限整定说明C)反时限过电流保护的时限整定说明4、过电流保护动作时限的整定过电流保护的动作时限，应按“阶梯原则”进行整定，以保证前后两级保护装置动作的选择性，在后一级保护装置所保护的线路首端(如图前页所示线路中的k点)发生三相短路时，前一级保护的动作时间t1应比后一级保护中最长的动作时间t2大一个时间级差△t，如图b和C所示，即t1≥t2+△t这一时间级差△t，应考虑到前一级保护动作时间可能发生的负偏差(提前动作)，考虑后一级保护动作时间可能发生的正偏差(延后动作)，还要考虑保护装置特别是GL型感应式继电器动作时具有的惯性误差。为了确保动作选择性，还应考虑一个保险时间。5、定时限过电流保护与反时限过电流保护的比较定时限过电流保护的优点是：动作时间比较精确，整定简便，且动作时间与短路电流大小无关，不会因短路电流小而使故障时间延长。但缺点是：所需继电器多，接线复杂，且需直流操作电源，投资较大。此外，越靠近电源处的保护装置，其动作时间越长，这是定时限过电流保护共有的一大缺点。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，因此相当简单经济，投资大大降低，故它在中小工厂供电系统中得到广泛的应用。但缺点是：动作时限的整定比较麻烦，而且误差较大；当短路电流小时，其动作时间可能相当长，延长了故障持续时间；同样存在越靠近电源、动作时间越长的缺点。7.4.2电流速断保护带时限的过电流保护，有一个明显的缺点，就是越靠近电源的线路过电流保护，其动作时间越长，而短路电流则是越靠近电源越大，其危害也更加严重。因此规定，在过电流保护动作时间超过0.5～0.7s时，应装设瞬动的电流速断保护装置，如图所示。线路的定时限过电流保护和电流速断保护电路图7.4.3单相接地保护在小接地电流的系统中，若发生单相接地故障时，只有很小的接地电容电流，而相间电压不变，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原来对地电压的根号3倍，对线路绝缘是一种威胁，如果长期下去，可能引起非故障相的对地绝缘击穿而导致两相接地短路。在发生单相接地故障时，必须通过无选择性的绝缘监视装置或有选择性的单相接地保护装置，发出报警信号，以便运行值班人员及时发现和处理。单相接地保护又称零序电流保护，它利用单相接地所产生的零序电流使保护装置动作。当单相接地危及人身和设备安全时，则动作于跳闸,如图所示。单相接地保护的零序电流互感器的结构和接线其原理如下:如果电缆WL1的A相发生接地故障，A相不存在对地电容电流，B相和C相有对地电容电流。电缆WL2和WL3也只有B相和C相有对地电容电流。所有这些对地电容电流都要经过接地故障点。故障电缆A相芯线上流过所有电容电流之和，且与同一电缆的其他完好的B相和C相芯线及其金属外皮上所流过的电容电流恰好抵消，而除故障电缆外的其他电缆的所有电容电流I3～I6则经过电缆头接地线流入地中。接地线流过的这一不平衡电流(零序电流)就要在零序电流互感器TAN的铁心中产生磁通，使TAN的二次绕组感应出电动势，使接于二次侧的电流继电器KA动作，发出报警信号。必须强调：电缆头的接地线必须穿过零序电流互感器的铁心，否则接地保护装置不起作用,如图所示。7.4.4线路的过负荷保护线路的过负荷保护只对可能经常出现过负荷的电缆线路才装设，如图所示。TA电流继电器，KA电流互感器，KT时间继电器，KS信号继电器7.5电力变压器的继电保护规定：对电力变压器的下列故障及异常运行方式，应装设相应的保护装置：①绕组及其引出线的相间短路和中性点直接接地侧的单相接地短路；②绕组的匝间短路；③外部短路引起的