风电场电气工程 朱永强第三章 风电场电气二次系统1

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1、风电场电气工程,华北电力大学,第3章 风电场电气二次系统,章节设置 3.1 二次系统的构成 3.2 继电保护的基本知识 3.3 风电场的继电保护配置 3.4 风电厂的二次部分 3.5升压变电站二次部分 3.6升压变电站综合自动化系统 3.7风电场继电保护与综合自动化系统的示例,第3章 风电场电气二次系统,教学目标： 了解风电场电气二次系统的构成，掌握二次设备和二次回路的基本功能，在对继电保护的作用、原理、要求有一定认知的基础上，基本掌握电气一次系统各种主要电气设备的继电保护整定计算方法，对中央信号系统、操作电源与控制回路、测量回路等二次回路的构成和作用有所了解，并对我国目前已普遍采用的变电站综

2、合自动化技术有一定的认知。,第3章 风电场电气二次系统,知识点 电气二次设备和二次回路及其功能； 继电保护的作用、原理、设计要求及表示方法； 各种一次设备的继电保护整定计算方法； 中央信号系统的构成和作用； 操作电源、电气设备的控制回路、测量回路； 升压变电站的综合自动化技术,3.1 二次系统的构成,3.1.1 二次设备 3.1.2 二次回路,3.1.1 二次设备,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

3、路称为二次回路或二次接线系统。,3.1.1.1 继电器 1继电器的基本结构和原理 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。,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。,2.继电器的表示符号 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。,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

4、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。,3.继电器的常见类型 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。,（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。 定义：使继电器动作的最小电流值称为动作电流（或起动电流）Iop。使继电器返回原位的最大电流值称为返回电流Ire。 二者的比值称为继电器的返回系数，定义为 电流继电器的返

5、回系数都小于1，一般为0.850.9。,（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。,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。,（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。,（4）差动继电器：,用于变压器内部保护的差动继电器KD接线示意图如图所示，差动继电器KD反应被保护变压器流进、流出电流的差流，当差流越限时，继电器的常开触点闭

6、合，保护整个变压器和引线。 。,（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。,（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,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。,3.1.1.2 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。 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

7、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。,3.1.1.2 接触器,SB1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。,3.1.1.2 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

8、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。,3.1.1.3 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。,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。,3.1.1.4 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

9、设备供电。 交流电压小母线用于TV二次侧电压信号向不同保护测量装置的分配。,3.1.1.5 连接导体和接线端子 继电器、接触器、控制开关、指示灯、各类保护和自动装置 的连接需要依靠导体和接线端子来实现。 装设于各类屏柜内、断路器操作机构内部的不同的二次元 件之间也需要相互连接形成电路，这类屏柜或装置内部的 连线一般以绝缘导线来实现。 接线端子是二次系统中用于连接屏柜内部和外部的连接元 件，一般成组排列，形成端子排。,3.1.1.6 成套保护装置和测控装置 继电器、接触器、控制开关、指示灯、各类保护和自动装置等基本元件，需要连接成可以实现二次系统测量、控制、监视和保护功能的电路。这些设备的连接需

10、要依靠导体和接线端子来实现。 常用的导体为绝缘导线和电缆，绝缘导线主要用于屏内或装置内配线，而电缆用于连接距离较远的设备 屏柜或装置内部的连线一般以绝缘导线来实现。 屏柜之间、室内外之间的二次设备的连接则需要采用控制电缆来实现。 接线端子是二次系统中用于连接屏柜内部和外部的连接元件,3.1.1.6 成套保护装置和测控装置 成套式的保护装置，即将保护元件、控制元件等集中于单一装置中，装设于保护、测控屏柜中提供给用户使用。 用户只需要使用电缆将保护、测控屏柜和其他屏柜及断路器等设备连接起来就完成了二次回路的构建。,3.1.2二次回路,电气二次部分的测量、监视、控制和保护功能的实现，需要由各类继电器

11、、控制开关、指示灯等元件搭建相应的电路，这些功能不同的电路统称为二次回路或二次系统。 根据所实现的功能，二次回路可以分为：保护回路，控制回路，测量和监视回路，信号回路，为其提供电源的直流电源系统。,1.保护回路 继电保护回路用于实现对一次设备和电力系统的保护功能，它引入TA和TV采集的电流和电压并进行分析，最终通过跳闸或合闸继电器的触点将相关的跳闸/合闸逻辑传递给对应的断路器控制回路。,2.控制回路 控制回路的控制对象主要是断路器、隔离开关。 对于断路器和隔离开关的控制可以采用远方控制或就地控制方式。 在控制回路中需要有直流电源，这是因为控制回路中设备的运行需要电能，同时控制回路功能的实现还依

12、赖于可以传递逻辑的电信号。,3.测量回路 测量回路作用是指示和记录一次设备的运行参数，以便运行人员掌握一次设备运行情况。 测量回路分为电流回路与电压回路。 电流回路各种设备串联于电流互感器（TA）二次侧，TA将一次电流统一变为5A左右的测量电流。 电压测量回路，低压系统可以直接连接到220V或380V回路，3kV以上高压系统全部经过电压互感器（TV）将各种等级的高电压变为统一的100V左右的电压，,4 信号回路 信号系统由信号发送机构、接收显示元件及其传递网络构成 信号回路按其电源可分为强电信号回路和弱电信号回路。按其用途可分为位置信号、事故信号、预告信号、指挥信号和联系信号。 1）位置信号，

13、包括断路器位置信号、隔离开关位置信号和有载调压变压器调压分接头位置信号。,4 信号回路 2）事故信号。当断路器事故跳闸时，继电保护动作启动蜂鸣器发出较强音响引起运行人员的注意，同时断路器位置指示灯发出闪光指明事故对象及性质。 3）预告信号。当一次设备出现异常情况时，继电保护启动警铃发出音响，同时光字牌亮，帮助运行人员发现隐患，以便及时处理。 4）指挥信号和联系信号。指挥信号用于主控制室向各控制室发出操作命令的过程，联系信号用于各控制室之间的联系。,5 操作电源系统 各种二次回路的工作电源，称为操作电源。 操作电源系统，由电源设备和供电网络构成。 变电站的操作电源有直流操作电源和交流操作电源两种

14、。,5 操作电源系统 直流操作电源：一般采用蓄电池组作为直流操作电源，配电单元提供的交流电整流为直流，给蓄电池充电储存。 交流操作电源系统就是直接使用交流电源，正常运行时一般由TV或站用变压器作为断路器的控制和信号电源，故障时由TA提供断路器的跳闸电源。 还有一种交流不间断电源系统(UPS)，可向需要交流电源的负荷提供不间断的交流电源。它的基本原理是将来自蓄电池的直流变换成正弦交流电。,3.2 继电保护的基本知识,3.2.1 继电保护的作用和基本原理 3.2.2 继电保护的基本要求 3.2.3 继电保护的接线图 3.2.4微机继电保护,3.2.1 继电保护的作用和基本原理,1.继电保护的作用

15、继电保护装置是一种自动装置，能够对风电场中电气设备的故障或异常运行状态进行反应，并触发断路器动作或发出报警信号。 基本任务是： （1）有选择地、自动、迅速地切断故障元件与其余电气部分的联系，使故障元件免于继续遭到破坏，也保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。 （2）对电气设备的不正常运行状态作出反应，根据运行维护的要求发出信号。,3.2.1 继电保护的作用和基本原理,2.继电保护的基本原理 风电场发生故障后，工频电气量变化的主要特征是 : （1）电流增大。 （2）电压降低。 (3）电流与电压之间的相位角改变。 （4）不对称短路时，出现相序分量，,2.继电保护的基本原理 因此利用短路故障时电气量的

16、变化，可构成各种原理的继电 保护装置。 1）根据短路故障时电流的增大，可构成过电流保护； 2）根据短路故障时电压的降低，可构成欠电压保护； 3）根据短路故障时电流与电压之间相位的变化，可构成功率方向保护； 4）根据故障时电压与电流比值的变化，可构成距离保护； 5）根据故障时被保护元件两端电流相位和大小的变化，可构成差动保护； 6）根据不对称短路故障时出现的电流、电压相序分量，可构成零序电流保护、负序电流保护和负序功率方向保护等。,3.继电保护装置的基本组成 由测量回路、逻辑回路和执行回路三个主要部分组成，其原理结构图如下图所示。 （1）测量部分的作用是测量被保护对象工作状态的一个或几个物理量，并与给定的整定值进行比较，确定继电保护是否应该动作。 （2）逻辑部分的作用是根据测量元件输出量的大小、性质、出现的顺序等，判断被保护对象工作状态是正常工作、异常工作还是故障状态，使保护装置按一定的逻辑程序工作，最后传到执行部分。 （3）执行部分的作用是根据逻辑部分做出的判断，执行继电保护装置的任务，给出跳闸或信号脉冲。,3.2.2 继电保护的基本要求,四项基本要求，即