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1、1,华中科技大学文华学院机电学部，2008.9,电力系统继电保护,电气工程及其自动化专业课程,2,Chapter 2 电力系统继电保护基础知识,2.1 继电保护的系统配置与继电特性 2.2 继电保护用电力互感器和输入变换器 2.3 微机继电保护装置的基本构成原理,3,2.1 继电保护的系统配置与继电特性,2.1.1.继电保护的系统配置与保护范围,图2.1 典型电力系统及其保护分区,变压器,1发电机,母线,电动机,输配电线路,4,保护分区的基本原则, 保护分区的基本类型按独立电气元件（及其组合）。 主保护分区（基本保护分区或按元件保护分区） 后备保护分区（基本保护分区或相邻的多个基本保护分区）,
2、图2.2 按重叠保护范围正确地选择保护分区交界处的电流互感器, 保护分区必须覆盖整个电力系统，不允许存在死区。,基本保护分区： 以断路器为边界构成的区域, 相邻保护分区的保护范围要有重叠。,5,概念与结论： 继电保护装置感受到系统发生故障并不是其动作的充分必要条件，继电保护装置只有检测到其对应的保护分区内的故障且为其规定的故障类型时才允许按规定的时限配合及操作形式的要求产生动作。,6,2.1.2 继电特性,说明：继电保护动作状态的确切和稳定靠继电特性来保证。,动作电流：Iop 能够使继电器可靠动作的最小电流值。 返回电流：Ire 能够使继电器可靠返回的最大电流值。 返回系数: Kre 保护继电
3、器的返回值与动作值之比,即:,过量继电器的返回系数恒小于1； 欠量继电器的返回系数恒大于1。,7,以过电流继电器为例：IIop动作,IIre返回。,图2.4 过电流继电器的继电特性,继电特性的两个要点： ()永远处于动作或者返回状态，无中间状态； ()Iop不等于Ire，使接点无抖动。,8,2.2 继电保护用电力互感器和输入变换器,继电保护输入信号的类型与特点 类型：电压、电流；交流、直流；电量、非电量 特点：幅值变化范围大，衰减直流分量、丰富的高次谐波分量,9,电压互感器的作用: 将电力系统的高电压在二次侧准确地变换成继电保护及仪表所允许电压（额定值为100V或57.7V），使继电器和仪表既
4、能在低电压情况下工作，又能准确地反映电力系统中高电压设备的运行情况，同时它还具有高、低电压电路的隔离作用，以保证二次设备和工作人员的安全。文字符号为TV（旧：PT）,2.2.1 电压互感器,保护用电力互感器的主要类型 (1) TV电磁式；电容式（CVT） (2) TA无气隙铁心式，TP，如5P20；小气隙铁心式，TPY；空心式母线保护。,10,电压互感器的工作特点和要求,(3) 对电压互感器的基本要求是电压变换的准确性，它主要受二次负荷大小的影响，对于保护用电压互感器，还需考虑电压互感器暂态过程对快速保护的影响。,(1) 电压互感器的一次侧与高电压路并联，因此，其一次工作电压只取决于接入点的一
5、次电压,(2) 电压互感器的二次回路不允许短路，否则会产生危险的短路电流，并烧毁电压互感器，因此，通常装有保护熔断器,11,电磁式电压互感器的工作原理 与一般电力变压器一样的，但不同的是容量较小，要用其二次电压准确地反映一次电压，因此要求变比误差要小。二次侧所接测量仪表和继电器的电压绕组，其阻抗值很大，故电压互感器近于空载状态下运行。电压互感器的额定变比为其一、二次侧额定电压之比为：,电压互感器主要分为电磁式电压互感器和电容式电压互感器两种。,12,电磁式电压互感器的误差分析,图2-4 电磁式电压互感器的等效电路图,图2-5 电磁式电压互感器的相量图,与,幅值误差U,角度误差。,13,电容式电
6、压互感器 电容式电压互感器是利用电容分压原理实现电压变换的。最简单的电容式电压互感器如图所示。C1、C2为分压电容，T为隔离变压器。二次开路时的电压为：,图2-7 电容式电压互感器的简化等效电路图,图2-6 电容式电压互感器的简化原理图,可见空载时，只要适当地选择C1、C2的电容量，就可得到所需的分压比。,14,当二次侧接入负荷后，由图2-7中可得出各电压的关系为,可解得,可见在接入负荷后，负荷阻抗破坏了原有的电容分压比，即使是稳态值也将存在较大的由负荷引起的误差。,图2-7 电容式电压互感器的简化等效电路图,15,2.2.2 电流互感器,电流互感器的作用: 将电力系统的高电压电路上的电流，准
7、确地变换成二次低电压电路上的小电流（额定值为5A或1A），同时它还具有高、低电压电路的隔离作用，以保证二次设备和工作人员的安全。 文字符号为TA（旧：CT）,16,电流互感器的工作特点和要求,(4)变换的准确性主要受二次负荷和一次电流大小的影响；,(1)电流互感器的一次绕组与高电压电路串联，因此其一次工作电流只取决于被接入的一次电路的电流，而与其二次侧负荷的大小无关；,(2)电流互感器的二次回路不允许开路，否则会产生危险的过电压，威胁人身和设备的安全；,(3)电流互感器的二次回路必须有且只允许有一点接地，防止一、二次绕组绝缘击穿后产生对地高电压，但仅一点接地；,17,电流互感器的工作原理,带铁
8、芯的电流互感器的结构型式和等效电路与电压互感器相似。都是原方绕组和副方绕组通过一个共同的铁芯进行互感耦合，等效电路都可以采用T型网络表示。,但电流互感器和电压互感器两者运行工作状况很不相同。,18,电流互感器和电压互感器两者的主要差别,（1）电压互感器正常工作时磁通密度接近饱和值，发生故障时，磁通密度下降。而电流互感器正常工作时磁通密度很低，发生短路时，原方短路电流将变得很大，使磁通密度大大增加，有时甚至远远超过饱和值。 （2）相对于副方的负荷来说，电压互感器的原方是一个内阻抗很小，以至可以忽略的电压源。而电流互感器的原方却内阻很大，以至可以近似认为是一个内阻无穷大的电流源。,19,继电保护装
9、置内部的输入变换器,在继电保护装置内部，还需要通过各种输入变换器将电压互感器提供的二次电压、电流互感器提供的二次电流进一步变小，以适应弱电元件（如电子元件）的要求；,同时输入变换器还担负在二次回路与继电保护装置内部电路之间实现电气隔离和电磁屏蔽作用，以保障人身及保护装置内部弱电元件的安全、减少来自高压设备对弱电元件的干扰。,20,电压输入变换器,电压变换器的工作原理与电磁式电压互感器完全相同。,电压变换器的原方与电压互感器的二次侧并联，其原方额定电压及电压允许变化范围应与电压互感器的二次电压相匹配。,21,电流输入变换器,电流变换器的原方与电流互感器的二次侧串联，其原方额定电流及电流允许变化范
10、围应与电流互感器的二次电流相匹配;,电流变换器的工作原理与电流互感器完全相同。,由于弱电电子元件多为电压输入型，因此电流变换器的付方输出电流需要进一步变换为与电流成比例的电压，该变换过程称为电压形成，该电压称为形成电压。,电压形成的常用方法是在电流变换器付方输出的两个端子间接入一个低阻值电阻，付方输出电流流过电阻便产生与付方电流同相位、正比例的形成电压。,22,电抗变换器,电抗变换器是一种铁芯带气隙的特殊的电流变换器，它可以将电流直接变换成电压. 电抗变换器的原方与电流变换器一样，与电流互感器的二次侧串联；而付方与具有很高的输入电阻的负荷（如弱电电子元件）直接相连 .,23,2.3 继电保护装
11、置的基本构成原理,2.3.1 微机型继电保护装置的基本构成原理,一台完整的微机型继电保护装置的构成包含硬件和软件两部分。 硬件以数字核心部件为中心，围绕着数字核心部件的是各种外围接口部件。,24,图2-15 微机保护装置的硬件系统原理框图,数字核心部件 实质上就是一台特别设计的专用微型计算机，一般由中央处理器、存储器，定时器/计数器及控制电路等部分组成，并通过数据总线，地址总线、控制总线连成一个系统。,模拟量输入接口部件 一次系统的模拟电量可分为交流电量，直流电量以及各种非电量。其作用是将电力传感器输入的模拟电量正确地变换成离散化的数字量，提供给数字核心部件进行处理。,开关量输入接口部件 开关
12、量是指那些反映“是”或“非”两种状态的逻辑变量，如断路器的“合闸”或“分闸”状态、控制信号的“有”或“无”状态等。继电保护装置常常需要确知开关量的状态才能正确地动作。,开关量输出接口部件 微机型保护通过开关量输出的状态来控制执行回路、信号回路，以及其他回路的继电器的动作。,人机对话接口部件 人机对话接口部件的作用是，建立起微机型保护与使用者之间的信息联系，以便对装置进行人工操作、调试和得到反馈信息。,外部通信接口部件 其作用是提供与计算机局域通信网络以及远程通信网络的信息通道。,25,2.3.2 数字信号采集的基本原理,微机型保护的基本特征是，由软件对数字信号进行计算和逻辑处理来实现继电保护的
13、原理，而所依据的电力系统的主要电量却是模拟性质的信号，因此，需要通过数字信号采集系统（即上述模拟量输入接口部件）将连续的模拟信号转变为离散的数字信号，这个过程称为量化过程。,26,采样过程及其数学表示,设输入模拟信号为 ，现在以确定的时间间隔 对其连续采样,图3.1 采样过程示意图,请注意，这里 只能为整数，这意味着 只在采样点上有值，而在采样点以外没有定义，不能认为这些位置上其值为零。 是以 为变量，以 为时间间隔的一组采样序列。,27,称为采样周期， 为采样频率 习惯用采样率 相对于基波频率的倍数（记为 ）来表示采样速率，或简称为 点采样。 采样定理 这就是著名的采样定理。,28,实际应用中，确定采样率还需考虑以下问题： (1)故障信号中包含很高的频率成分，可以对输入信号先进行模拟低通滤波，降低其最高频率，从而可选取较低的采样频率。这由前置模拟低通滤波器（ALF）来担任。,另外，微机保护往往需要实现各通道的同时采样。,(2)实用采样频率通常按保护原理所用信号频率的410倍来选择。主要原因是为了保证计算精度，同时也考虑了数字滤波的性能要求。,29,作业： 1. 欠量继电器的继电特性是如何？画出图形。 2. 为什么电流互感器二次侧不能开路？ 3. 何谓采样定理？其含义是什么？,
