第8章供配电系统的保护

第8章供配电系统的保护第8章供配电系统的保护8.1继电保护的任务和要求8.2常用的保护继电器及其接线方式8.3高压电力线路的继电保护8.4电力变压器的保护8.5高压电动机的继电保护8.6熔断器保护8.7低压断路器保护8.8微机继电保护基本技能训练变压器保护装置实例思考题与习题第8章供配电系统的保护8.1继电保护的任务和要求1.继电保护装置的任务供配电系统在运行中可能会发生一些故障或处于不正常运行状态。故障中最常见、危害最大的是各种类型的短路，如系统相间短路、接地短路以及变压器和电动机等设备发生的匝间或层间局部短路。不正常运行状态主要指过负荷、温度过高等。故障和不正常运行状态若得不到及时处理或处理不当，就可能引起事故。为了保证能安全可靠地供电，供配电系统的主要电气设备及线路都要装设保护装置。继电保护的基本任务如下所述。第8章供配电系统的保护(1)故障时动作于跳闸。当被保护设备或线路发生故障时，保护装置能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，并保证该系统中非故障元件迅速恢复正常运行。(2)不正常状态时发出报警信号。当线路及设备出现不正常运行状态时，保护装置能根据运行维护的具体条件和设备的承受能力发出信号、减小负荷或延时跳闸。第8章供配电系统的保护2.对继电保护的基本要求1)选择性选择性指的是当供配电系统发生故障时，离故障点最近的保护装置将动作，切除故障，以保证无故障设备继续运行。例如，图8-1中k2点发生短路故障时，按照选择性的要求，应由距短路点最近的保护动作，使断路器QF6跳闸以切除故障，变电所A、B、C及其用户仍照常运行。如果QF6不动作，其他断路器跳闸，则称为失去选择性动作。2)速动性速动性是指过电流保护装置的动作速度要快。快速切除故障可以提高供配电系统并列运行的稳定性；加速系统电压的恢复，为电动机自启动创造条件；避免扩大事故，减轻故障组件的损坏程度。第8章供配电系统的保护图8-1单侧电源网络中继电保护选择性动作说明图第8章供配电系统的保护3)灵敏性灵敏性是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。如果保护装置对其保护区内极轻微的故障都能及时地反应动作，则说明保护装置的灵敏性高。灵敏性通常用灵敏系数Ksen来衡量。灵敏系数应按实际可能出现的最不利于保护装置动作的运行方式和故障类型来计算。对于反应故障时参数上升而动作的保护装置来说，其灵敏系数为对于反应故障时参数下降而动作的保护装置来说，其灵敏系数为无论是反映故障参数上升还是下降的保护装置，对灵敏系数的要求均大于1，一般要求不小于1.2～2。保护装置的动作参数值时故障参数的最小计算保护区末端金属性短路senK值时故障参数的最大计算保护区末端金属性短路保护装置的动作参数senK第8章供配电系统的保护4)可靠性可靠性是指在规定的保护范围内发生故障时，保护装置应可靠动作，不应拒动；而在保护范围外发生故障以及在正常运行时，保护装置不应误动。保护装置的可靠程度与保护装置的元件质量、接线方案以及安装、整定和运行维护等多种因素有关。以上四项基本要求是研究继电保护的基础，它们之间既相互联系又相互矛盾，应根据电力系统的接线和运行的特点以及实际情况，合理地确定被保护线路及电气设备的保护方案，在选择保护装置时应力求技术先进、经济且合理。第8章供配电系统的保护8.2常用的保护继电器及其接线方式8.2.1常用的保护继电器继电器是一种在输入的物理量(电量或非电量)达到规定值时，其电气输出电路被接通(导通)或分断(阻断)的自动电器。供配电系统的继电保护装置由各种保护继电器构成。继电器的分类方法很多，按其输入量的性质可分为电气量继电器(如电流继电器等)和非电气量继电器(如气体继电器)；按其工作原理可分为机电式(电磁式和感应式)、整流式和晶体管式。第8章供配电系统的保护保护继电器按其功能可分为测量继电器(又称量度继电器)和有或无继电器两大类。测量继电器用来反应被保护元件的特性量变化，如电流保护中的电流继电器，当其特性量达到动作值时即开始动作。有或无继电器是一种只按电气量是否在其工作范围内或者为零时而动作的电气继电器，包括时间继电器、中间继电器、信号继电器等，在继电保护装置中用来实现特定的逻辑功能，属辅助继电器。下面分别介绍几种常用的机电型继电器。第8章供配电系统的保护1.电磁式电流继电器和电压继电器电磁式电流继电器和电压继电器在继电保护装置中均为启动组件，属于测量继电器。电流继电器的文字符号为KA，电压继电器为KV。DL-10系列电磁式电流继电器的基本结构如图8-2所示。当继电器的线圈1通过电流时，电磁铁2中将产生磁通，力图使Z形钢舌片3向凸出磁极方向偏转。与此同时，轴10上的反作用弹簧9又力图阻止钢舌片偏转。当继电器线圈中的电流增大到使钢舌片所受的转矩大于弹簧的反作用力矩时，钢舌片将被吸近磁极，使得动合触点闭合，动断触点断开，这个过程叫做继电器动作。过电流继电器动作后，减小线圈电流到一定值时，钢舌片在弹簧作用下将返回起始位置，该过程叫做继电器返回。第8章供配电系统的保护图8-2DL-10系列电磁式电流继电器的基本结构第8章供配电系统的保护使继电器动作的最小电流称为继电器的动作电流，用Iop表示。使继电器由动作状态返回到起始位置的最大电流称为继电器的返回电流，用Ire表示。继电器的返回电流与动作电流的比值称为继电器的返回系数，用Kre表示，即(8-1)DL-10系列电磁式电流继电器的内部接线和图形符号如图8-3所示。当继电器的线圈不带电时，动合触点将断开，动断触点将闭合。对于过量继电器(例如过电流继电器)，Kre总小于1，一般为0.85。Kre越接近于1，说明继电器越灵敏。oprereIIK第8章供配电系统的保护图8-3DL-10(a)DL-11型；(b)DL-12型；(c)DL-13型；(d)集中表示的图形；(e)分开表示的图形第8章供配电系统的保护DL-10系列电磁型电流继电器其动作电流的调整可采用以下两种办法。(1)改变线圈的连接方式。利用连接片可以将继电器的两个线圈接成串联或并联，由于继电器的动作磁动势是一定的，因此当线圈串联时，流入继电器的电流与通过线圈的电流相等，当改为并联时，通过线圈的电流是流入继电器电流的1／2，所以必须使流入继电器的电流增加一倍才能获得与串联时相同的磁动势。第8章供配电系统的保护(2)通过调整把手来改变弹簧的反作用力矩。要注意的是：调整把手的刻度盘的标度不一定准确，需要进行实测；同时当采用并联接法时，刻度盘的数值应该乘以2。附表18-1列出了DL型电磁式电流继电器的主要技术数据，供参考。电磁型电压继电器的基本结构与DL-10相同。当在线圈上加电压Ur时，电流Ir＝Ur/Z(Z是线圈阻抗)，继电器的电磁力矩为(8-2)即在线圈阻抗不变的情况下，M与成正比。当Ur足够大，达到启动所需的最小动作电压时，电压继电器动作。电压继电器分为低电压继电器和过电压继电器两种。过电压继电器的动作电压、返回电压和返回系数的概念同过电流继电器相似。2r22re12r1UKZUKIKM2rU第8章供配电系统的保护低电压继电器是一种欠量继电器，它与过电流继电器和过电压继电器等过量继电器在许多方面不同。DJ-122是典型的低电压继电器，具有一对动断触点，在正常情况下，继电器加的是电网的工作电压(电压互感器二次电压)，触点断开。当电压降低到动作电压时，继电器动作，触点闭合，使继电器动作的最大电压称为继电器的动作电压，当电压再继续增大时，使继电器触点重新打开的最小电压称为继电器的返回电压。显然，此时低电压继电器的返回系数大于1，一般为1.25。第8章供配电系统的保护2．电磁式时间继电器在继电保护装置中，电磁式时间继电器用来使保护装置获得所要求的延时(时限)。时间继电器的文字符号为KT电磁式时间继电器的内部结构如图8-4所示，其图形符号如图8-5所示。电磁式时间继电器主要由电磁部分、时钟部分和触点组成。当继电器的线圈1通电时，电磁铁2产生磁场，衔铁3在磁场作用下向下运动，时钟机构10开始计时，动触点11随时钟机构而旋转，延时的大小取决于动触点11旋转至静触点12所转过的角度，这一延时可从刻度盘13上粗略地估计。图8-4中4为返回弹簧，当线圈1失压时，时钟机构将在返回弹簧4的作用下返回。第8章供配电系统的保护图8-4电磁式时间继电器的内部结构第8章供配电系统的保护图8-5电磁式时间继电器的图形符号(a)时间继电器的缓吸线圈及延时闭合触点；(b)时间继电器的缓放线圈及延时断开触点第8章供配电系统的保护3．电磁式信号继电器信号继电器在保护装置中用来发出指示信号，以提醒值班人员注意。接通的回路可能是灯光信号，也可能是音响信号。信号继电器的触点为自保持，应由值班人员手动复归或电动复归。信号继电器的文字符号为KS。第8章供配电系统的保护供配电系统常用的DX-11型电磁式信号继电器有电流型和电压型两种。电流型信号继电器的线圈为电流线圈，阻抗小，串联在二次回路中，不影响其他二次组件的动作；电压型信号继电器的线圈为电压线圈，阻抗大，必须并联使用。该信号继电器的内部结构如图8-6所示，在正常状态时，其信号牌是被衔铁支持住的。当继电器线圈通电时，衔铁3克服弹簧6的拉力而被吸引，信号牌9失去支撑而落下，并保持在垂直位置，动静触点闭合，从信号牌显示窗口可以看到掉牌。信号继电器的触点自保持，手动旋转复归按钮后才能将信号牌和触点复归。信号牌恢复到水平位置后由衔铁3支持，准备下一次动作。DX-11型信号继电器的图形符号如图8-7所示。第8章供配电系统的保护图8-6DX-11型电磁式信号继电器的内部结构第8章供配电系统的保护图8-7DX-11型信号继电器的图形符号第8章供配电系统的保护4．电磁式中间继电器中间继电器在继电保护装置中用作辅助继电器，起中间桥梁的作用，以弥补主继电器触点数量和触点容量的不足。中间继电器通常在保护装置的出口回路中，用来接通断路器的跳闸线圈，所以又称为出口断路器。其文字符号建议采用KM。供配电系统中常用的DZ-10系列中间继电器一般采用吸引衔铁结构，其工作原理与电流继电器基本相同。中间继电器的图形符号如图8-8所示。第8章供配电系统的保护图8-8中间继电器的图形符号第8章供配电系统的保护5.感应式电流继电器供配电系统中常用的GL-10、20系列感应式电流继电器的内部结构如图8-9所示。这种电流继电器由两组元件构成：一组为感应元件，另一组为电磁元件。感应元件主要包括线圈1、带短路环3的电磁铁2以及装在可偏转铝框架6上的转动铝盘4。电磁元件主要包括线圈1、电磁铁2和衔铁15。线圈1和电磁铁2在两组元件中共用。第8章供配电系统的保护图8-9GL-10、20系列感应式电流继电器的内部结构第8章供配电系统的保护当线圈1有电流通过时，电磁铁2在短路环3的作用下，产生相位一前一后两个磁通Φ1、Φ2(它们的相位差为φ)，穿过转动铝盘4。这时作用于铝盘上的转矩M1为M1＝K1Ф1Ф2sinφ(8-3)铝盘在该转矩的作用下转动后，铝盘切割制动永久磁铁8的磁通，在铝盘上产生涡流，该涡流又与永久磁铁的磁通作用，产生一个与M1反向的制动力矩M2，M2与铝盘转速n成正比。当铝盘转速n增大到某一定值时，M1＝M2，这时铝盘匀速转动。铝盘受力时有使铝框架6绕轴顺时针方向偏转的趋势，但会受到调节弹簧7的阻力。第8章供配电系统的保护当线圈电流增大到继电器的动作电流时，铝盘受到的力也将增大到可克服弹簧阻力的程度，这时铝盘带动框架前移，使蜗杆10与扇形齿轮9啮合，即继电器动作。铝盘继续转动使得扇形齿轮沿着蜗杆上升，最后使继电器触点12切换，同时使信号牌掉下，从观察孔内可看到红色或白色的信号指示，表示继电器已经动作。线圈中的电流越大，铝盘转动得越快，扇形齿轮沿蜗杆上升的速度也越快，因此动作时间也就越短，这就是感应组件产生的反时限(或反比延时)特性，如图8-10所示动作特性曲线中的abc部分。当继电器线圈电流进一步增大到整定的速断电流时，电磁铁2瞬时将衔铁15吸下，使触点12切换，同时也使信号牌掉下