28793《电力工程基础(第2版)》孙丽华第6章.

电力工程基础第6章电力系统继电保护制作孙丽华河北科技大学电气信息学院22020/1/12第6章电力系统继电保护6.1继电保护的基本知识6.2常用保护继电器6.3线路的电流电压保护6.4电网的方向电流保护6.5输电线路的接地保护6.6距离保护简介6.7电力变压器的保护6.8电动机保护6.9电力电容器的保护6.10微机保护简介河北科技大学电气信息学院32020/1/126.1继电保护的基本知识电力系统继电保护装置是一种能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。一、继电保护的作用自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使非故障部分迅速恢复正常运行.能正确反应电气设备的不正常运行状态，并根据要求发出报警信号、减负荷或延时跳闸。它的基本任务是：河北科技大学电气信息学院42020/1/12测量部分：从被保护对象输入有关信号，并与给定的整定值进行比较，决定保护是否动作；逻辑部分：根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，进行逻辑判断，以确定保护装置是否应该动作；执行部分：根据逻辑部分做出的判断，执行保护装置所担负的任务（跳闸或发信号）。二、继电保护的基本原理图6-1继电保护装置组成方框图河北科技大学电气信息学院52020/1/12三、对继电保护的基本要求选择性：保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，最大限度地保证系统中的非故障部分继续运行。速动性：继电保护装置应以尽可能快的速度将故障元件从电网中切除。图6-2电力系统继电保护选择性说明图河北科技大学电气信息学院62020/1/12灵敏性：指保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反映能力。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数Ks来衡量。对于反应故障时参数量增加的保护（如过电流保护）：保护动作的整定值的最小值保护区内故障时反应量sK对于反应故障时参数量降低的保护（如低电压保护）：的最大值保护区内故障时反应量保护动作的整定值sK可靠性：指保护装置该动时不能拒动；不该动时不能误动。河北科技大学电气信息学院72020/1/12一、电磁型继电器（DL型）1．电磁型电流继电器结构：如图6-3所示。工作原理：当在继电器线圈中通入电流IK时，电磁铁产生的电磁转矩Fem为：222mKKemRNIKM当Mem克服弹簧的反作用转矩Msp和摩擦转矩Mfr时，继电器动作。图6-3电磁式电流继电器结构图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－转轴6.2常用保护继电器河北科技大学电气信息学院82020/1/12因此，欲使继电器动作的必要条件是：Mem≥Msp+MfrKMMNRKMNRIfrspKmemKmKop.动作电流：能使继电器产生动作的最小电流，称为继电器的动作电流，用Iop.K表示。调整继电器动作电流的方法有：改变继电器线圈匝数NK（级进调节）；调节反作用弹簧的松紧，即调节Msp（平滑调节）；调整衔铁与电磁铁之间的气隙长度，即调节Rm。河北科技大学电气信息学院92020/1/12返回电流：能使继电器返回到原始位置的最大电流，称为继电器的返回电流，用Ire.K表示。返回系数：是指继电器的返回电流与动作电流的比值，用Kre表示，即继电器动作后，减小IK就能使继电器返回原位。欲使继电器返回的必要条件是：Msp≥Mem+MfrKopKrereIIK..说明：过电流继电器的返回系数Kre1，一般要求不低于1.25。河北科技大学电气信息学院102020/1/122．电磁型电压继电器其结构和原理与电磁型电流继电器相似，在供配电系统中多用低电压（欠电压）继电器。动作电压：能使继电器产生动作的最高电压，称为继电器的动作电压，用Uop.K表示。返回电压：能使继电器返回到原始位置的最低电压，称为继电器的返回电压，用Ure.K表示。返回系数：是指继电器的返回电压与动作电压的比值。说明：低电压继电器的返回系数Kre＞1，一般要求不大于1.25。河北科技大学电气信息学院112020/1/124.电磁型中间继电器作用:5.信号继电器的作用：用于各保护装置回路中，作为保护动作的指示信号，以提醒运行人员注意。为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量；使触点闭合或断开时带有不大的延时(0.4～0.8s)；通过继电器的自保持，以适应保护装置的需要。3．电磁型时间继电器作用：使保护装置获得一定的延时，以保证保护装置动作的选择性。河北科技大学电气信息学院122020/1/12二、感应型继电器（GL型）结构：如图6-4所示。感应系统：由线圈1、带短路环3的电磁铁2和铝盘4组成，它的动作是有时限的；电磁系统：由线圈1、电磁铁2和衔铁15组成，它的动作是瞬时的。图6-4感应式电流继电器结构图1—线圈2—电磁铁3—短路环4—可转铝盘5—钢片6—可偏铝框架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—动作电流调节插销河北科技大学电气信息学院132020/1/12工作原理：当在继电器线圈中通入电流时，在铁心中产生主磁通（分为和），在短路环中产生感应电流，它又产生磁通，因此KIKΦ1KΦ2KΦkΦ1KΦkI有短路环的磁极穿过铝盘的磁通为：无短路环的磁极穿过铝盘的磁通为：kKΦΦΦ11kKΦΦΦ221Φ在铝盘中感应电势产生涡流，二者产生电磁力；在铝盘中感应电势产生涡流，二者产生电磁力。1edI1emF2Φ2edI2emF因此，铝盘受到的合成电磁力为：221121sinKemememIΦΦKFFF则电磁转矩。21KIM河北科技大学电气信息学院142020/1/12铝盘在转矩M1作用下转动后，切割永久磁铁的磁通而在铝盘中产生涡流，产生制动力矩。nM2感应系统的动作电流：指蜗杆与扇形齿轮相咬合时，线圈所需要通入的最小电流。返回电流：指使扇形齿轮脱离蜗杆返回到原来位置时的最大电流。动作时间：指从蜗杆与扇形齿片相咬合起到接点闭合这一段时间。21MM当时，铝盘匀速旋转；当铝盘受到的合力克服弹簧的阻力时，蜗杆与扇形齿片相咬合，继电器动作。河北科技大学电气信息学院152020/1/12电磁系统的速断电流：指当通入继电器线圈的电流大到整定值的某个倍数时，未等感应系统动作，衔铁右端瞬时被吸下，接点立即闭合。时限特性：如图6-5所示。ab段——“反时限特性”（此时继电器铁心尚未饱和）；bc段——“定时限”（铁心已达到饱和）；de段——“速断特性”。图6-5感应型电流继电器的动作特性曲线说明：“速断电流倍数”是速断电流与感应元件动作电流之比。河北科技大学电气信息学院162020/1/12动作电流与动作时限调节方法感应系统的动作电流调节：改变线圈的匝数（级进调节）；改变弹簧的拉力（平滑调节）。电磁系统动作电流调节：改变衔铁与电磁铁之间的气隙。感应系统的动作时限：改变扇形齿轮顶杆行程的起点，使动作特性上下移动。动作电流的整定值通过插孔板拧入螺钉来改变线圈的匝数来调整（2，2.5，3…4.5，5，6…9，10A）。其速断动作电流调整范围是感应系统整定电流值的2～8倍。注意：继电器动作时限调节螺杆的标度尺，是以10倍动作电流的动作时限来标度的。河北科技大学电气信息学院172020/1/12GL型电流继电器的功能：兼有电磁型电流继电器、时间继电器、信号继电器和中间继电器的功能。因此，可用感应型电流继电器实现过电流保护和电流速断保护，从而使保护接线大大简化。三、静态继电器静态继电器又叫“固体”继电器，是以电子器件为主构成的继电器。静态继电器的“静态”是相对于电磁型继电器的“触点”动作而言的，它的信息传递是通过“0、1”开关信息传递的。静态继电器包括晶体管型和集成电路型继电器两类。河北科技大学电气信息学院182020/1/121．晶体管型电流继电器晶体管型电流继电器的组成：如图6-6所示。图6-6晶体管型过电流继电器原理接线图河北科技大学电气信息学院192020/1/12晶体管型电流继电器的动作情况当IK＜Iop时，UR3＜Ud，a点为正电位，V6承受反向电压，I6=0，VT1饱和导通，VT2截止，触发器输出电压U0=E，继电器不动作。当IK≥Iop时，UR3≥Ud，a点电位由正变负，V6导通，VT1基极电流减小→VT1进入放大区→VT1集电极电压升高→VT2基极电流增大→VT2进入放大区→U0下降→If减小→VT1基极电流进一步减小→VT1截止，VT2导通，触发器输出电压U0=0，继电器动作。当IK≤Ire时，VT1又变为导通，VT2又变为截止，触发器又翻转到起始状态，继电器也随之复位。河北科技大学电气信息学院202020/1/122．集成电路型电流继电器由集成电路构成的静态继电器，也是由电压形成回路、整流滤波回路、逻辑回路和执行回路四部分组成，但在具体构成时也有些差别。电压形成回路与晶体管继电器相同，整流滤波回路由运算放大器构成，逻辑回路由CMOS等数字电路构成。为了减小直流电压的脉动系数，减轻滤波负担，在整流电路中采用的是由运算放大器构成的全波整流电路或裂相整流电路。为了消除暂态过程中非周期分量及各种谐波分量的影响，滤波回路一般都采用高品质因数的带通有源滤波器。河北科技大学电气信息学院212020/1/126.3线路的电流电压保护一、保护装置的接线方式接线系数：在继电保护回路中，流入继电器中的电流IK与对应电流互感器的二次电流I2的比值，称为接线系数，即2IIKKw设电流互感器的变比为，保护装置的动作电流为Iop，则相应的电流继电器的动作电流为21IIKiopiwKopIKKI.河北科技大学电气信息学院222020/1/121．三相完全星形接线方式（图6-7）特点：可以反映各种形式的故障，其接线系数Kw=1。2．三相不完全星形接线方式（图6-8）特点：可以反映除B相单相接地短路以外的所有故障，其接线系数Kw=1。图6-7三相完全星形接线方式图6-8两相不完全星形接线方式河北科技大学电气信息学院232020/1/123．两相电流差接线方式（图6-9）流入继电器中的电流等于A、C两相电流互感器二次电流之差，即caKIII特点：各种短路形式下的接线系数不同，如图6-10所示。正常运行或三相短路时：发生A、C两相短路时：A、B或B、C两相短路时：3wK2wK1wK图6-9两相电流差接线方式河北科技大学电气信息学院242020/1/12图6-9两相电流差接线方式在不同短路形式下的电流相量图一般情况下：Why?!保护整定时取；灵敏度校验时取Kw＝1。3wK河北科技大学电气信息学院252020/1/12二、过电流保护1.过电流保护的原理和组成定时限过电流保护的动作原理和组成（图6-11）图6-11定时限过电流保护的原理图和展开图a）原理图b）展开图河北科技大学电气信息学院262020/1/12反时限过电流保护的动作原理和组成（图6-12）图6-12反时限过电流保护的原理图和展开图a）原理图b）展开图河北科技大学电气信息学院272020/1/122.过电流保护装置的整定计算动作电流：Iop＞IL.max保护装置的动作电流Iop应躲过线路的最大负荷电流IL.max，即保护装置在外部故障切除后应可靠返回到原始位置（见图6-13）。图6-13过电流保护的计算示意图河北科技大学电气信息学院282020/1/12为此，要求装置保护的返回电流Ire必须躲过外部短路切除后流过保护装置的最大自起动电流KstIL.max，即Ire＞KstIL.max考虑Ire＜Iop，引入一个可靠系数Krel后，上式可改写为：max.LstrelreIKKI因此，保护装置的动作电流为：max.LrestrelopI