电气工程与其自动化基础知识

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1、第 1 页 共 37 页 http:/ http:/ 电气工程及其自动化基础知识 1、电力系统基本概念 1电力系统定义 由发电厂内的发电机、 电力网内的变压器和输电线路以及用户的各种用电设备 按照一定的 规律连接而组成的统一整体称为电力系统。 2电力系统的组成 电力系统由发电厂的发电机、电力网及电能用户用电设备组成的。 3电力系统电压等级 系统额定电压电力系统各级电压网络的标称电压值。 系统额定电压值是220V、380V、3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、 500kV、750kV。 4电力设备 电力系统的电气设备分为一次设备和二次设备一次设备也称

2、主设备是构成电力系统的 主体它是直接生产、输送和分配电能的设备包括发电机、电力变压器、断路器、隔离 开关、电力母线、电力电缆和输电线路等。二次设备是对一次设备进行控制、调节、保护 和监测的设备它包括控制器具、继电保护和自动装置、测量仪表、信号器具等。二次设 备通过电压互感器和电流互感器与一次设备取得电的联系 2、电力系统故障及其危害 凡造成电力系统运行不正常的任何连接或情况均称为电力系统的故障。 电力系统的故障有多 种类型如短路、断线或它们的组合。短路又称横向故障断线又称为纵向故障。 短路故障可分为三相短路、单相接地短路简称单相短路两相短路和两相接地短路注 意两相短路和两相接地短路是两类不同性

3、质的短路故障前者无短路电流流入地中而后 者有。三相短路时三相回路依旧是对称的故称为对称短路其他几种短路均使三相回路 不对称因此称为不对称短路。 断线故障可分为单相断线和两相断线。断线又称为非全相运行也是一种不对称故障。大 多数情况下在电力系统中一次只有一处故障称为简单故障或单重故障但有时可能有两 处或两处以上故障同时发生称为复杂故障或多重故障。 短路故障一旦发生往往造成十分严重的后果主要有 1 电流急剧增大。短路时的电流要比正常工作电流大得多严重时可达正常电流的十几 倍。 大型发电机出线端三相短路电流可达几万甚至十几万安培。 这样大的电流将产生巨大的 冲击力使电气设备变形或损坏同时会大量发热使

4、设备过热而损坏。有时短路点产生的 电弧可能直接烧坏设备。 2 电压大幅度下降。三相短路时短路点的电压为零短路点附近的电压也明显下降 这将导致用电设备无法正常工作例如异步电动机转速下降甚至停转。 3 可能使电力系统运行的稳定性遭到破坏。电力系统发生短路后发电机输出的电磁 功率减少而原动机输入的机械功率来不及相应减少从而出现不平衡功率这将导致发电 机转子加速。有的发电机加速快有的发电机加速慢从而使得发电机相互间的角度差越来 越大这就可能引起并列运行的发电机失去同步破坏系统的稳定性引起大片地区停电。 第 2 页 共 37 页 4 不对称短路时系统中将流过不平衡电流会在邻近平行的通讯线路中感应出很高的

5、 电势和很大的电流对通讯产生干扰也可能对设备和人身造成危险。 在以上后果中最严重的是电力系统并列运行稳定性的破坏被喻为国民经济的灾难其次 是电流的急剧增大。 除此之外电力系统中还可能出现一些不正常工作状态如电气设备超过额定值运行称 为过负荷它也将使电气设备绝缘加速老化造成故障隐患甚至发展成故障如发电机 尤其是水轮发电机突然甩负荷引起定子绕组的过电压、 电力系统的振荡、 电力变压器和发电 机的冷却系统故障以及电力系统的频率下降等。 系统中的故障和不正常运行状态都可能引起 电力系统事故不仅使系统的正常工作遭到破坏甚至可能造成电气设备损坏和人身伤亡。 3、电力系统继电保护 电力系统中的各元件之间有十

6、分紧密的电或电磁联系 一旦某个元件发生故障 电气信息将 以近似光的速度向系统各处传播。 这种故障不可能用人工手动方法排除而必须有高速自动化 的装置来排除。这是保证电力系统安全运行最有效的方法。 电力系统继电保护就是一门研究这种自动识别故障并排除故障元件的自动装置的技术学 科。也就是说继电保护自动装置是能反应电力系统中电气元件故障或不正常运行状态并 动作于断路器跳闸或发出指示信号的一种自动装置。 1继电保护的作用 I、自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除使故障元件免于继续遭到破坏 保证无故障部分迅速恢复正常运行。 II、反应电气元件的不正常运行状态并根据运行维护条件而动作于发出信号或

7、跳闸。 2继电保护装置 当电力系统中的电力元件如发电机、线路等或电力系统本身发生了故障危及电力系统安 全运行时能够向运行值班人员及时发出警告信号或者直接向所控制的断路器发出跳闸 命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。实现这种自动化措施的成套设备,一般 通称为继电保护装置。 3继电保护装置的组成及工作原理 一般继电保护装置由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件三部分组成。 I、测量比较元件测量通过被保护的电力元件的物理参量并与给定的值进行比较根据 比较的结果给出“是”、“非”、“0”或“1”性质的一组逻辑信号从而判断保护装置 是否应该启动。 II、逻辑判断元件根据测量比较元件输出的逻

8、辑信号的性质、先后顺序、持续时间等 使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围 最后确定是否应该使断路器跳闸、 发 出信号或不动作并将对应的指令传给执行输出部分。 III、执行输出元件根据逻辑判断部分传来的指令发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的 动作信息、发出警报或不动作。 4) 继电保护的分类 I、按被保护的对象分类输电线路保护、发电机保护、变压器保护、母线保护、电动机保 护等。 II、按保护原理分类电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等。 III、按保护所反应故障类型分类相间短路保护、接地短路保护、匝间短路保护、断线保 护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等。 IV、

9、按继电保护装置的实现技术分类机电型保护、整流型保护、晶体管型保护、集成电路 型保护、微机型保护。 第 3 页 共 37 页 V、继电保护测量值与整定值的关系分类过量保护测量值整定值、欠量保护测量 值整定值 VI、按保护所起的作用分类主保护、后备保护、辅助保护等。 主保护是指满足系统稳定和设备安全要求 能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故 障的保护。 后备保护是指主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为近后备保护和远后备保 护。 近后备保护 在本元件处装设两套保护 当主保护拒动时 由本元件的另一套保护动作。 远后备保护当主保护拒动时由该电力设备或线路的另一套保护实现后备的保护当断路

10、器拒动时由断路器失灵保护来实现的后备保护。 5 继电保护的基本要求 选择性、速动性、灵敏性、可靠性 可靠性是指保护该动作时应动作不该动作时不动作。 选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障当故障设备或线路本身的保护或 断路器拒动时才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。 灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时保护装置具有的正确动作能力的裕 度一般以灵敏系数来描述。 速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障 其目的是提高系统稳定性 减轻故障设备和 线路的损坏程度 缩小故障波及范围 提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效 果等。 4、变电站综合自动化系统 利用

11、先进的计算机技术、 现代电子技术、 通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备 (包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等)的功能进行重新 组合、优化设计对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性 的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息数据共享完成变电 站运行监视和控制任务。 一、电力系统的构成 一个完整的电力系统由分布各地的各种类型的发电厂、 升压和降压变电所、 输电线路及 电力用户组成它们分别完成电能的生产、电压变换、电能的输配及使用。 图 11 电力系统的组成示意图 第 4 页 共 37 页 二、电力系统的额定电压 电网

12、电压是有等级的 电网的额定电压等级是根据国民经济发展的需要、 技术经济的合 理性以及电气设备的制造水平等因素经全面分析论证由国家统一制定和颁布的。 1用电设备 用电设备的额定电压和电网的额定电压一致。实际上由于电网中有电压损失致使 各点实际电压偏离额定值。 为了保证用电设备的良好运行 国家对各级电网电压的偏差均有 严格规定。显然用电设备应具有比电网电压允许偏差更宽的正常工作电压范围。 2发电机 发电机的额定电压一般比同级电网额定电压高出 5%用于补偿电网上的电压损失。 3变压器 变压器的额定电压分为一次和二次绕组。对于一次绕组当变压器接于电网末端时 性质上等同于电网上的一个负荷(如工厂降压变压

13、器)故其额定电压与电网一致当变压 器接于发电机引出端时(如发电厂升压变压器)则其额定电压应与发电机额定电压相同。 对于二次绕组额定电压是指空载电压考虑到变压器承载时自身电压损失(按 5%计)变 压器二次绕组额定电压应比电网额定电压高 5%当二次侧输电距离较长时还应考虑到线 路电压损失(按 5%计)此时 二次绕组额定电压应比电网额定电压高 10%。 三、电力系统的中性点运行方式 第 5 页 共 37 页 在电力系统中当变压器或发电机的三相绕组为星形联结时其中性点可有两种运行 方式中性点接地和中性点不接地。中性点直接接地系统称为大电流接地系统中性点不 接地和中性点经消弧线圈或电阻接地的系统称为小电

14、流接地系统。中性点的运行方式 主要取决于单相接地时电气设备绝缘要求及供电可靠性。图 12 列出了常用的中性点运行 方式。图中电容 C 为输电线路对地分布电容。 图 12 电力系统中性点运行方式 a)中性点直接接地 b)中性点不接地 c)中性点经消弧线圈接地 d)中性点经电阻接地 中性点直接接地方式当发生一相对地绝缘破坏时即构成单相短路供电中断可 靠性降低。但是该方式下非故障相对地电压不变电气设备绝缘水平可按相电压考虑。 此外在 380/220V 低压供电系统中线对地电压为相电压可接入单相负荷。 中性点不接地方式当发生单相接地故障时线电压不变而非故障相对地电压升高 到原来相电压的3 倍供电不中断

15、可靠性高。 四、供电质量的主要指标 决定用户供电质量的指标为电压、频率和可靠性。 1电压 理想的供电电压应该是幅值恒为额定值的三相对称正弦电压。由于供电系统存在阻抗、 用电负荷的变化和用电负荷的性质等因素 实际供电电压无论是在幅值上、 波形上还是三相 对称性上都与理想电压之间存在着偏差。 1电压偏差电压偏差是指电网实际电压与额定电压之差实际电压偏高或偏低 对用电设备的良好运行都有影响。 2电压波动和闪变电网电压的均方根值随时间的变化称为电压波动由电压波 动引起的灯光闪烁对人眼脑的刺激效应称为电压闪变。当电弧炉等大容量冲击性负荷运行 时剧烈变化的负荷电流将引起线路压降的变化从而导致电网发生电压波动。 3高次谐波当电网电压波形发生非正弦畸变时电压中出现高次谐波。高次谐 波的产生除电力系统自身背景谐波外在用户方面主要由大功率变流设备、电弧炉等非线 第 6 页 共 37 页 性用电设备所引起。高次谐波的存在将导致供电系统能耗增大、电气设备绝缘老化加快 并且干扰自动化装置和通信设施的正常工作。 4三相不对称三相电压不对称指三个相电压的幅值和