第5章风电场电气二次系统

风电场电气系统华北电力大学电气与电子工程学院朱永强张旭主编普通高等教育“十一五”电气信息类规划教材第5章风电场电气二次系统关注的问题电气二次系统的概念和功能是什么？主要设备的种类有哪些？主要的电气二次回路，电气二次系统的图形表示方法风电场和升压变电站电气二次系统的构成变电站综合自动化技术教学目标了解电气二次部分的含义和功能，其主要设备及其原理和功能，掌握电气二次系统的图形表示方法，了解风电场和升压变电站电气二次系统的构成，对我国目前普遍采用的变电站综合自动化技术有一定认知。第5章风电场电气二次系统对一次设备的工作进行监测、控制、调节、保护以及为运行、维护人员提供运行工况或生产指挥信号所需的低压电气设备，称为二次设备，如熔断器、控制开关、继电器、控制电缆等。由二次设备相互连接，构成对一次设备进行监测、控制、调节和保护的电气回路称为二次回路或二次接线系统。§5.1继电器§5.1.1继电器的结构和原理在电路中，继电器控制逻辑的实现依赖于其自身结构，即线圈和触点的基本设计。传统的电磁型继电器由线圈、触点以及它们的接线端子和可动铁片、复位弹簧组成。触点端子触点端子线圈端子线圈端子触点线圈部分可动铁片当继电器线圈带电后，继电器触点在可动铁片的带动下位置发生变化，这是线圈中流过电流所产生的电磁力吸引可动铁片的结果。i§5.1.1继电器的结构和原理继电器的线圈和触点可以分别接入不同的电路中，从而实现由线圈至触点的顺序控制。线圈可以反映不同的电气量，进而用于实现触点位置的变换。通常所要反映的电气量有若干种，例如某一特定电压/电流（可以是交流也可以是直流）的有或无、大或小，等等，以此来实现对应的各种逻辑。继电器的触点也可以有不同的逻辑。依靠不同类型的线圈和不同类型的触点，继电器可以实现二次回路中比较复杂的逻辑。§5.1.1继电器的结构和原理BSHD电路1电路2+－5V－+220V按钮BS的触点处于打开位置，电路1开路，继电器线圈不带电，连接于电路2中的继电器触点处于打开位置。当按钮按下时，电路1接通，继电器线圈中有电流流过，产生磁场，形成线圈对可动铁片的吸附，连接于电路2中的继电器触点闭合，接于电路2中的灯泡会亮起来。§5.1.2继电器表示符号在专业研究和工程实践中，往往采用类似于电气主接线（一次系统）的处理方式，以简化的符号来表示继电器和二次电路。395786421继电器内部示意+220V-220V+220V-220V-220V+220V+220V-220VHDLDHAKCSB电路1电路2电路4电路3图中的继电器有8个接线端子，其线圈通过7-8端子与外部电路连接、1-2端子间为常开触点、4-6端子间接有延时闭合的常闭触点、5-9端子间为常闭触点、5-3端子间为常开触点，而端子5是端子3和9的公共端子。§5.1.2继电器表示符号除电磁型继电器外还有晶体管继电器、静态继电器及微机继电器等，分别采用二极管、集成电路和微处理器等元件来实现相同的逻辑。对于复杂的电气二次系统，需要采用各种不同种类的继电器来构建二次电路，实现其控制、监视和保护等功能。§5.1.3常用的继电器类型在电气二次系统中常见的继电器有：电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器、功率方向继电器、差动继电器、冲击继电器、信号继电器，等等。这些继电器的主要区别在于其控制电路的不同。§5.1.3.1电流继电器电流继电器反映一次回路中的电流越限，常用于二次系统的保护回路，例如用于电机、变压器和输电线路等设备的过负荷及短路保护。它的继电器线圈接入CT的二次侧交流电流回路，触点则引出至直流控制回路，用以启动时间继电器的动作或直接触发断路器分闸。§5.1.3.1电流继电器21436587启动时间继电器或直接接于控制回路触发断路器QF跳闸ICIC＇QFXX线继电器端子接线图继电器接线端子2和8之间的两个线圈串联，2和8端子和继电器外部的CT交流电路相连，用于判别某线路中C相电流是否超过继电器的整定值。当电流越限时，继电器接线端子1和3之间的常开触点闭合，触发保护回路中的时间继电器动作，或直接用于控制回路中的断路器跳闸。§5.1.3.2电压继电器电压继电器用于继电保护装置中的过电压保护或欠电压闭锁其线圈接入PT二次侧的交流电压小母线上，触点用于启动控制回路跳闸或与其它保护继电器组成相关保护逻辑。21436587继电器端子接线图ABCNPT二次交流电压小母线至其它保护装置至其它保护装置闭锁其它回路电压继电器引入PT二次交流电压小母线的A、C相之间的线电压，用于闭锁其它保护元件。系统正常运行时，接线端子2和8串联的线圈带有100V左右的电压，其常闭触点此时打开，实现对其它电路的闭锁；当AC之间的线电压降低到整定值时，触点闭合，将外部电路开放。§5.1.3.3功率继电器：功率继电器判别某支路上流过的功率的方向，动作限值是一个角度区间。当电流和电压的相角差处于某一设定的区间内时，继电器动作。ABCN至其它保护装置至其它保护装置214365继电器端子接线图I*U*IaIa＇QFPTCT常用的采用90°接线的功率继电器如图所示，其接线端子5和6之间的电压线圈接BC相电压，而接线端子2和4之间的电流线圈接入A相电流。当电压和电流的相角差落于整定区间内时，继电器接线端子1和3之间的常开触点§5.1.3.4差动继电器：图中继电器的节点端子2、5、3及1采用星型接法，分别与变压器高、中、低三侧的C相CT相接，在继电器内部经过变流器汇流形成差流；差流再变换到二次绕组上，接于二次绕组的电流继电器感应差流的大小，决定是否动作；当差流越限（时，继电器接线端子10和12之间的常开触点闭合。§5.1.3.5时间继电器常由其它继电器或控制元件启动，用以判别某一状态的持续时间，使被控设备或电路按照预定的时间动作。436521送去断路器操作机构87KM+KM-继电器端子接线图KA图为由电流继电器和时间继电器组成的带时限过电流逻辑电路当电流继电器KA触点闭合后，时间继电器的线圈带电，但接线端子4和6之间的延时闭合常开触点并不闭合，只有当KA触点持续闭合，时间继电器线圈持续带电超过时间继电器整定的时间后，4和6之间的延时闭合常开触点才闭合，给断路器操作机构发出跳闸命令。§5.1.3.6中间继电器中间继电器常用于二次系统中增加某一控制电路触点数量和容量43652187BM+BM-继电器端子接线图KAKM1+KM2+KM3+断路器1操作机构断路器2操作机构断路器3操作机构KM1-KM2-KM3-当电流继电器KA触点闭合后，中间继电器的线圈带电，其三个常开触点闭合，闭合的触点用于触发多个断路器操作机构的跳闸。通过本例可以看出，使用中间继电器可以方便地实现将某一控制命令下发到多个控制回路中。§5.1.4继电保护的接线图§5.1.4.1原理接线图在二次系统的应用中常采用原理接线图来描述某一设备的继电保护动作原理。CAKA1KA2KA1KA2XBKSKSQFQFYT至信号++-KA1、KA2交流电流继电器KS信号继电器QF断路器YT断路器跳闸线圈XB连接片（压板）上图为10kV及35kV线路中常用的采用两相CT作为相间保护的电流速断保护原理图。原理接线图只描述继电保护回路搭建的基本原理§5.1.4.2展开接线图展开图对于二次回路的描述是按照回路表示的，由于不同的回路实现不同的功能，因此它其实是以功能来描述二次回路的。KA2KA1TAaTAcA411C411N411KA1KA2KSXBQFYTKS至信号+-交流回路速断保护直流回路电源跳闸回路信号整个回路的布置采用从上往下、从左往右的方式来描述逻辑功能的实现。为了便于理解，图形描述的右侧一般需要加入对回路的文字描述。相间电流速断保护的展开接线图§5.2二次部分的其它元件§5.2.1接触器接触器的原理和继电器类似，电力系统中常用的电磁型的接触器，也是依靠线圈带电来吸附触点的分合。在电气二次部分，接触器常用于断路器的合闸，其线圈接于断路器的操作回路，触点接入合闸回路，用以分合较大的合闸电流。§5.2.1接触器断路器辅助触点不同于继电器触点，它是位置触点，联动于断路器位置的变化，当断路器处于分位时，常开触点为分、常闭触点为合，断路器分闸时则刚好相反。为了显示断路器的当前状态，在电动合闸回路和电动分闸回路中并联有红绿灯指示回路。在电力系统中常用红灯表示断路器处于合闸位置，绿灯表示断路器处于分闸位置；但电路连接中，却是绿灯串联高电阻接入合闸回路，而红灯串联高电阻接入分闸回路。§5.2.1接触器SB1SB2LDRHDYTKMQFQFRFU1FU2FU3FU4KMKMYC+-控制小母线熔断器电动合闸回路绿灯指示回路电动跳闸回路红灯指示回路合闸回路+-QF1234SB1和断路器QF常闭辅助触点（1、2之间）、合闸接触器KM的线圈形成合闸回路；SB2和断路器QF常开辅助触点（3、4之间）、跳闸线圈YT形成跳闸回路。§5.2.1接触器当断路器QF为分闸状态时，其常开辅助触点为分位（3、4之间），常闭辅助触点为合位（1、2之间）。绿灯由于带有电压发出平光，指示断路器当前处于分闸位置。当合闸按钮SB1按下时，接触器流过较大电流，其触点闭合，合闸线圈YC带电，将断路器QF闭合。常开触点闭合（3、4之间），而常闭触点（1、2之间）打开。触器KM的线圈都不再带电，其触点打开，合闸线圈也不再带电。红灯则发出平光，指示断路器处于合闸位置。§5.2.2控制开关除了一些简单控制回路以外，常用控制开关来实现电路的复杂逻辑控制。手柄接线端子所示为LW15型控制开关，其正面有用于人工控制的手柄，手柄有三个位置，中间位置可以顺时针和逆时针旋转45°。其后部为接线端子，用来连接电路，最终实现对于电路的控制。手柄位置触点45°0°45°12×34××56××78×910ק5.2.2控制开关LDRHDYTKMQFQFRFU1FU2FU4KM+-控制小母线熔断器电动合闸回路绿灯指示回路电动跳闸回路红灯指示回路合闸回路WC+WC-123412345678WL+故障跳闸闪光指示KMQFM708+-700910SAFU3YCSA事故音响回路KA保护跳闸56应用了控制开关的断路器控制回路简化示意图§5.2.2控制开关上图中控制开关的引入不仅实现了断路器的合闸和分闸，还引入闪光指示回路及事故音响回路作为故障后的灯光和音响信号指示。图中还引入了外部保护电路中保护继电器的触点KA，它接入断路器控制回路中，当电气设备发生故障时，其对应保护继电器动作触发故障电气设备相关断路器跳闸，将故障设备从电力系统中切除出去。§5.2.2控制开关断路器合闸过程：手柄一般处于0°位置，5、6间的触点闭合，此时断路器QF常开辅助触点在合位，因此WL+、SA5、SA6、LD、R、QF1、QF2、KM、WC-形成回路。LD会发出闪光。手柄顺时针旋转45°，SA1和SA2将接通，其它触点断开。KM触点闭合，导通合闸回路，使得断路器合闸。合闸后，手柄将自动返回到0°位置。此时断路器QF常开辅助触点闭合、常闭辅助触点打开。红灯指示回路中WC+、HD、R、QF3、QF4、YT、WC-形成回路，红灯平光。§5.2.2控制开关故障跳闸过程：KA的闭合将直接导致：WC+、KA、QF3、QF4、YT和WC-之间形成回路，最终WC+和WC-上的电压完全作用于跳闸线圈YT上，断路器跳闸。断路器跳闸后其辅助触点的位置发生变化，将导致结果：1）事故音响回路中的M708+、SA9、SA10（此时手柄位置未发生变化）、QF5、QF6、-700导通，M708+接入中央信号回路（上图中未显示）,发出事故音响。2）WL+、SA5、SA6、LD、R、QF1、QF2、KM、WC-形成回路，绿灯闪光指示当前断路器位置异常。§5.2.3小母线在二次系统中，除了直流电源小母线用于给不同的设备分配电能，交流电压小母线和辅助小母线主要用于集中和分配信号。直流电源小母线用于实现直流屏柜向不同的保护装置、测控装置等设备供电。交流电压小母线用于PT二次侧电压信号向不同保护测量装置的分配。在发电厂及变电站中，根据控制、信号、继电保