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1、电网的电流保护 第二章 第一节单侧电源网络相间短路的电流保护 继电器是一种能自动执行断续控制的部件 当其输入量达到一定值时 能使其输出的被控制量发生预计的状态变化 如触点打开 闭合或电平由高变低 由低变高等 具有对被控电路实现 通 断 控制的作用 2 1 1继电器 1 继电器的分类和要求 按照动作原理可分为 按照反应的物理量可分为 按照作用可分为 电磁型感应型整流型电子型数字型 电流继电器电压继电器功率方向继电器阻抗继电器频率继电器瓦斯 气体 继电器 起动继电器量度继电器时间继电器中间继电器信号继电器出口继电器 2 过电流继电器 过电流继电器是实现电流保护的基本元件 也是反映于一个电气量而动作
2、的简单继电器的典型 它是一个量度继电器 量度继电器 过量继电器 欠量继电器 过电流继电器过电压继电器高周波继电器 低电压继电器阻抗继电器低周波继电器 反映故障参数增大而动作 反映故障参数降低而动作 电磁型电流继电器 电磁型过电流继电器结构 铁心 空气隙 可动舌片组成的磁路 舌片被磁化后与铁心产生电磁吸力 吸引舌片向铁心靠近 当电磁吸力足够大时 即可吸动舌片 并使触点接通 称为继电器 动作 因此 由电磁力作用到舌片上的电磁转矩为 5 1 2 3 4 6 7 8 正常情况下 线圈中流入负荷电流 为保证继电器不动作可动舌片受弹簧7拉力的控制而保持在原始位置 此时 弹簧产生的力矩Mth1称为初拉力矩
3、此外 舌片转动须克服由摩擦力所产生的摩擦力矩Mm 其值认为是一个常数 故阻碍继电器动作的全部机械反抗转矩就是Mth Mm 5 1 2 3 4 6 8 为使继电器起动并闭合其触点 须IJ变大 Mdc增大 继电器能够动作的条件为 把能使继电器动作的最小电流值 称为继电器的动作电流 起动电流 以Iop J表示 对应此时的电磁转矩 对应这一电磁转矩 能使继电器返回原位的最大电流值称为继电器的返回电流 以Ire J表示 则此时的电磁转矩为 在继电器动作之后 为使它重新返回原位 需使IJ减小以使Mdc减小 然后由弹簧的反作用力把舌片拉回 这时摩擦力又起阻碍返回的作用 故返回的条件是 由此可知 继电器根本不
4、动作 继电器能够突然迅速地动作闭合其触点 继电器又能突然地返回原位 触点重新打开 继电特性图 无论起动和返回 继电器的动作都是明确干脆的 它不可能停留在某一个中间位置 这种特性称为 继电特性 返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数 由于剩余转矩以及摩擦转矩的影响 Kre恒小于1 一般要求Kre 0 85 0 9 Kre 0 85 0 9 电流继电器 晶体管型过电流继电器 R1 UR1 IJ I2 D1 D4 C1 C2 R2 R3 R4 R5 R6 R8 R7 R9 D5 D6 T1 T2 W 0V E1 UC2 UR3 a b I1 I2 Ib1 Ib2 ID5 电压形成回路的作用是用
5、中间交流器LB将加入继电器的电流转换成一个在电阻R1的电压降UR1 以便与电流互感器的二次回路相隔离 并取得晶体管回路所需要的信号电压 当整流滤波回路以后的负载电阻远大于R1时 LB 整流滤波回路由二极管D1 D4和兀型滤波器 C1 C2 R2 组成 它将交流输出电压UR1变成一个比较平滑的直流电压加于电位器R3上 从R3活动头取出的电压以UR3表示 它与加入继电器的电流IJ成正比 比较回路由R4和稳压管W组成 W两端给出稳定的电压Ub 一般为3V左右 称为比较电压 继电器能够动作的条件 故调节UR3就可调整Idz J Ua Ub UR3 执行回路是由T1 T2组成单稳触发器 T2集电极输出U
6、c2的变化 即表示继电器的不同工作状态 正常工作时 IJ Idz J 调节电位器R3使UR3 Ub 故触头输入端的a点具有正电位 D5截止 I3 0 输入信号回路对触发器的工作不产生影响 此时 T1的基极电流由两部分组成 Ib1 I1 I2 在Ib1的作用下 T1处于饱和导通状态 其集电极电压UC1 0 1 0 2V不足以使T2导通 故T2处于截止状态 T2集电极输出电压UC2约等于E1 对应于继电器的不动作状态 当IJ增大到Idz J时 UR3开始大于Ub a点电位由正变为负 D5导通 故T1的Ib1被输入回路所分流而开始减少 随着Ib1的减少 T1开始由饱和经放大区而向截止状态过渡 由于反
7、馈电阻R9的存在 使这一过程进行得很迅速 故具有触发器特性 触发器翻转过程 T1进入放大区Vc1升高 T2由截止区向放大区过渡Vc2下降 T1截止Vc2下降T2导通对应于继电器的动作状态 辅助继电器 主要作用是在继电保护装置和自动装置中用以增加触点数量以及容量 该类继电器一般都有几对触点 可以是常开触点或常闭触点 3 中间继电器 中间继电器DZB 10B系列 其作用是建立必要的延时 以保证保护动作的选择性和某种逻辑关系 其应能延时动作 瞬时返回 4 时间继电器 用作继电保护装置和自动装置动作的信号指示 标示装置所处的状态或接通灯光 音响 信号回路 信号继电器动作之后触点自保持 不能自动返回 需
8、由值班人员手动复归或电动复归 5 信号继电器 信号继电器DX 30系列 数字型继电器 微机保护 数字型继电器 微机保护 2 1 2单侧电源网络相间短路时电流量值特征 1 2 A B C D 2 1 I l 正常运行时 各条线路中流过所供的负荷电流 越是靠近电源侧的线路 流过的电流越大 负荷电流的大小 取决于用户负荷接入的多少 当用户的负荷同时都接入时 流过线路的是最大负荷电流 功率因数角一般小于300 根据电力系统短路分析 当电源电势一定时 短路电流的大小决定于短路点和电源之间的总阻抗 三相短路电流可表示为 系统等效电源的相电势 短路点到保护安装处的阻抗 保护安装处至系统的等效阻抗 在一定的系
9、统运行方式下 和等于常数 可经计算绘出的变化曲线 当系统运行方式及故障类型改变时 Ik均将随之变化 2 1 2单侧电源网络相间短路时电流量值特征 1 2 k1 A B C D k2 k3 k4 3 2 1 I l 随整个电力系统开机方式 保护安装处到电源之间电网的网络拓扑 负荷水平的变化 Zk和Zs都会变化 造成短路电流的变化 随短路点距离保护安装处远近的变化和短路类型的不同 Zk和Zs的值不同 短路电流也不同 对每一套保护装置来讲 通过该保护装置的短路电流为最大 保护安装处到系统等效电源之间的系统等效阻抗最小 即Zs Zs min 的方式 称为系统最大运行方式 而短路电流为最小 系统等值阻抗
10、Zs最大 即Zs Zs max 的方式 则称为系统最小运行方式 在最大运行方式下 三相短路时 通过保护装置的短路电流为最大 而在最小运行方式下 两相短路时 则短路电流为最小 电流保护一般用于35kV以下配电网中 在35kV和10kV以下的低压线路中 采用中性点不接地方式 所以当单相接地 系统影响不大 系统运行方式变化举例 开机方式 网络拓扑 A C B D 1 2 Ik 最大运行方式下三相短路 最小运行方式下二相短路 短路点的位置不同 流经保护2的短路电流也不同 运行方式不同 同一地点发生短路时的短路电流也不同 故障类型不同 同一地点发生短路时的短路电流也不同 综上分析 流过保护安装处短路电流
11、的大小与以下因素紧密相关 1 电力系统运行方式 Zs 的变化 2 电力系统正常运行状态 E 的变化 3 不同的短路类型 4 随短路点距等值电源的距离变化 短路电流连续变化 越远电流越小 并且在本线路末端和下级线路出口处短路 短路电流没有差别 2 1 3电流速断保护 电流速断保护装置 概念 对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护 称为电流速断保护 A C B D 1 2 假设在每条线路上均装有电流速断保护 则当线路A B上发生故障时 希望保护2能瞬时动作 而当线路B C上故障时 希望保护1能瞬时动作 并且它们的保护范围最好能达到本线路全长的100 以保护2为例 当本线路末端k1点发生故障时希望
12、保护2能够瞬时动作切除故障 而当相邻线路B C的始端k2点短路时 按选择性的要求 速断保护2不应动作 而应由速断保护1动作切除 A C B D 1 2 但实际上 k1点和k2点短路时从保护安装2处看所流过的短路电流的数值几乎一样 因此 希望k1点短路时速断保护2能动作 而k2点短路时速断保护2又不动作的要求就不可能同时得到满足 解决方法 优先保证动作的选择性 即从保护装置起动参数的整定上保证下一线路出口处短路时不动作 继保中称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定 采用无选择性的速断保护 而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作 继保中称按本线路末端处短路的条件整定 牺牲灵敏性保选择性 牺牲选择性
13、保灵敏性 对反应电流升高而动作的电流速断保护而言 能使该保护装置起动的最小电流值称为保护装置的整定电流 以Iset表示 保护装置的起动值Iset是用电力系统一次侧的参数表示的 显然必须当实际的短路电流保护装置才能起动 它所表示的意义是 当在被保护线路的一次侧电流达到这个数值时 安装在该处的保护装置就能够起动 四性中选择性是第一位的 为保选择性 对保护1 I set 1须整定得大于k4短路时 可能出现的最大短路电流 保选择性 A C B D k3 k4 1 2 下一线路出口处短路 最大运行方式 三相短路 引入可靠系数 K rel 1 2 1 3 则有 因此 有选择性的电流速断保护不可能保护线路的
14、全长 选择性 只要大于I set 故障肯定在被保护范围以内 保护装置一定动作 以外不动作 速动性 t 0 速度非常快 由于继电器闭合 跳闸线圈的熄弧时间 其固有延时10 30ms 灵敏性 15 的范围内 具有灵敏性 一般整定值选好后 再来校验灵敏性 可靠性 只要大于I set 肯定动作 小于I set不动作 评价 优点 非常简单 动作速度快 不足 保护范围太小 15 受故障类别 运行方式影响大 不能单独作为主保护 在系统 辐射型网络 末梢线路 电流速断满足 四性 单相原理接线 I sel 2 K rel Ik B max A B Ik 1 2 保护范围校验 A C B 1 2 Ik N M I
15、 set 1 在最大运行方式的最小保护范围为 最大运行方式下两相短路M点短路电流等于I set 1 在M点发生三相短路时 在M点发生二相短路时 M点为最大运行方式下的最小保护范围未端 I 2 k max I 2 k min 在最小运行方式的最小保护范围为 最小运行方式下两相短路N点短路电流等于I set 1 在N点发生三相短路时 在N点发生二相短路时 N点为最小运行方式下的最小保护范围未端 要求 概念 有选择性的电流速断不能保护本线路的全长 增加一级保护 用来切除本线路上速断保护范围以外的故障 同时也能作为速断保护的后备 这就是限时速断保护 2 1 4限时速断保护 延时一段时间 启动继电器动作
16、 1 原理 由于要求限时速断必须保护本线路的全长 因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去 这样 当下一条线路出口处发生短路时 它就要起动 满足不了选择性 为了保证动作的选择性 就必须使保护的动作带有一定的时限 为使这一时限尽量缩短 一般首先考虑使它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围 而动作的时限则比下一条线路的速断保护延时一个时间阶段 t 2 整定 A C B 2 Ik I set 2 I set 2 I set 1 1 保护1 速断保护起动电流I set 1 从B至M为保护1电流速断的保护范围 保护2的限时速断不应超出I set 1 因此 保护2限时速断的起动电流应整定为 I set 2 I set 1 引入可靠系数 K rel I set 2 K relI set 1 K rel 1 1 1 2 短路电流中的非周期分量已经减少 I 3 k max 保护2限时速断范围 保护2电流速断范围 保护1电流速断范围 A C B 2 Ik I set 2 M I set 2 I set 1 1 I 3 k max 限时速断 电流速断 当线路B C的k2点故障时 保护1处的电流速断和限
