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1、继电保护及自动装置基本知识蔡鑫贵第一章 电力系统自动装置发电厂、变电所电气主接线设备运行的控制与操作的自动装置，是直接为电力系统安全、经济和保证电能质量 服务的基础自动化设备。电气设备的操作分为正常操作和反事故操作两种类型：例如按照运行计划发电机并网运行 的操作为正常操作；电网突然发生事故，为防止事故扩大的紧急操作为反事故操作。针对电力系统的系统性事故采 取相应对策的自动操作装置称为电力系统安全自动装置。在发电厂中，常见的自动装置为：实现同步发电机并入电网的同期装置；实现对系统电压、无功功率分配的控 制及提高同步发电机并联运行稳定性的励磁控制系统；实现对发电机有功功率及系统频率调整的调速器系统
2、（一次 调整）。第二章 电力系统继电保护第一节 继电保护的基本任务及基本要求一、继电保护基本概念在电力系统中，由于雷击或鸟兽跨接电气设备、设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行 维护不当等原因，往往发生各种事故；在电力系统运行的过程中，存在着如过负荷运行等的不正常运行状态。无论是电力系统发生事故还是处于不正常运行状态，都将对电力系统的稳定运行、电力设备的安全以及电能质 量产生不同程度的影响。继电保护装置，就是指反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断 路器跳闸或发出信号的一种自动装置。继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本装备，任何电力元件不得在无继电保护的
3、状态下运行；电力系统 安全自动装置则用以快速恢复电力系统的完整性，防止发生或中止已开始发生的足以引起电力系统长期大面积停电 的重大系统事故，如电力系统失去稳定、频率崩溃或电压崩溃等。二者是一种互相配合的关系。二、继电保护的基本任务1发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。2发生不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值 班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。三、电力系统对继电保护的基本要求对电力系统继电保护的基本性能要求是：选择性、速动性、灵敏性和可靠性。1. 选择性
4、是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无 故障部分仍能继续安全运行；2. 速动性指的是在发生故障时，保护装置能迅速动作切除故障，从而缩小故障范围，减轻短路引起的破坏程 度，减小对用户工作的影响，提高系统的稳定性；3. 灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力；4. 可靠性是指在规定的保护范围内发生了属于它应该动作的故障时动作，其他不属于它应该动作的情况下， 则不应该误动作。这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调，最终达到“四统O第二节 继电保护的基本原理和保护装置的组成一、继电保护的基本原理
5、 继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动 逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。1、利用基本电气参数的区别发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护：图 2 1 单侧电源线路1）过电流保护。反映电流的增大而动作，如图2-1所示，若在BC段上发生三相短路，则从电源到短路点d之间均将流过很大的短路电流Id,可使保护2反映这个电流而动作于跳闸；2）低电压保护。反应于电压的降低而动作，如图2-1,短路点d的电压Ud降到零。各变电所母线电压都有所下降，可以使保护2 反应于这个下降的电压而动作；3）距离保护（或低阻抗保护）
6、。反应于短路点到保护安装地之间距离（或测量阻抗的减小）而动作，在图2-1 中，设以Zd表示短路点到保护2（即变电所B母线）之间的阻抗，则B母线上残留的电压为U （B） =ZdId即Zd就 是在线路始端的测量阻抗，它的大小正比于短路点到保护2之间的距离。2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别arc图 2-2 双侧电源网络（a）正常运行情况；（b）线路AB外部短路情况；（c）线路AB内部短路情况如图2-2所示双侧电源网络：我们统一规定电流的正方向是从母线流向线路。现在来分析被保护的元件线路AB 的各种情况。正常运行时，A、B两侧电流的大小相等相位相差180 ；当线路
7、AB外部故障时，A、B两侧电流仍大小相等，相 位相差180 ；当线路AB内部短路时，A、B两侧电流大小不相等，在理想情况下（两侧电势同相位且全系统的阻抗 角相等），两电流同相位。从而可以利用电气元件在内部故障与外部故障（包括正常运行情况）时，两侧电流相位或功 率方向的差别可以构成各种差动原理的保护（内部故障时保护动作），如纵联差动保护、相差高频保护、方向高频保 护等。3、不对称分量是否出现电气元件在正常运行（或发生对称短路）时，负序分量和零序分量为零；在发生不对称短路时，一般零序和负序都较大。因此，根据这些分量的是否存在可以构成零序保护和负序保护。此种保护装置都具有良好的选择性和灵敏 性。4、
8、反应非电气量的保护反应变压器油箱内部故障时所产生的气体而构成瓦斯保护；反应于电动机绕组的温度升高而构成过负荷保护。二、继电保护装置的组成继电保护的种类虽然很多。但是在一般情况下，都是由三个部分组成的，即测量部分、逻辑部分和执行部分 其原理结构如图 2-3 所示。图 2-3 继电保护装置的原理结构图1、测量部分测量部分是测量被保护元件工作状态(正常工作、非正常工作或故障状态)的个或几个物理量，并和已给定 的整定值进行比较，从而判断保护是否应该起动。2、逻辑部分逻辑部分的作用是根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合，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
9、执行部分的作用是根据逻辑部分送来的信号，最后完成保护装置所担负的任务，如发出信号，跳闸或不动作等三、继电保护装置元件一套完整的继电保护装置一般由负责采集一次设备电气量的测量元件、反应一个或多个故障量而动作的继电器 元件，组成逻辑回路的时间元件和输入输出回路的中间元件等组成。1、测量元件1) 电压互感器(Potential Transformer, PT)电压互感器是一种能将高电压按比例转换为低电压的电力设备，可向监控、保护等系统提供所需的电压量。它 可以将一次设备与二次控制回路分开，从而更好地实现对一次设备的监视及控制。实际中，可将其看成是一个内阻 极小的电压源，正常运行时负载阻抗很大，相当于
10、开路状态，二次侧仅有很小的负载电流；当二次侧短路时，负载 阻抗为零，则产生很大的短路电流，会将电压互感器烧坏。因此在实际中，运行中的PT二次侧严禁短路！2) 电流互感器(Current Transformer， CT)电流互感器是将大电流按比例转换为小电流的电力设备，可向监控、保护等系统提供所需的电流量。与PT 一样， 它也可将一次设备与二次控制回路分开。实际中，可将CT看成一个电流源。电流互感器在正常运行时，二次电流产生的磁通势对一次电流产生的磁通势起去磁作用，励滋电流很小，铁芯 中的总磁通很小，二次绕组的感应电动势不超过几十伏。如果二次侧开路，二次电流的去磁作用消失，其一次电流 完全变为励
11、磁电流，引起铁芯内磁通剧增。铁芯处于高度饱和状态，加之二次绕组的匝数很多，根据电磁感应定律E=4.44fNBS,就会使二次绕组两端产生很高(甚至可达数干伏)的电压，不但可能损坏二次绕组的绝缘，而且将严重 危及人身安全；再者，由于磁感应强度剧增，使铁芯损耗增大，严重发热，甚至烧坏绝缘。因此，运行中的CT二次 侧严禁开路！鉴于以上原因， CT 的二次回路中不能装设熔断器。2、继电器1) 按在继电保护中的作用，可分为测量继电器和辅助继电器两大类。(1) 测量继电器能直接反应电气量的变化。按所反应电气量的不同，又可分为电流继电器、电压继电器、 功率方向继电器、阻抗继电器、频率继电器以及差动继电器等。(
12、2) 辅助继电器可用来改进和完善保护的功能。按其作用的不同，可分为中间继电器间继电器以及信号 继电器。2) 继电器按结构型式分类，目前主要有电磁型、感应型、整流型以及静态型。3) 几种常见的继电器：(1) 电磁型电流继电器 对于定时限过电流保护和电流速断保护来说，电磁型电流继电器用得最多。能使过电流继电器开始动作的最小电流称为过电流继电器的动作电流；在继电器动作之后，当电流均匀减小时，使继电器可动触点开始返回 原位的最大电流称为过电流继电器的返回电流。返回电流除以动作电流可得：KFH= IFH/ IDZ式中KFH返回系数；IFH返回电流； IDZ 动作电流。过电流继电器的动作电流总是大于返回电
13、流，因此返回系数总是小于 1。过电流继电器的返回系数要求在 0.85一0.9之间，如低于0.85则认为不合格(2) 电磁型电压继电器 电压继电器有过电压继电器和低电压继电器之分；过电压继电器和过电流继电器一样，返回系数不低于0.85，一般情况下也不宜高于0.90。低电压继电器的动作电压，是指在继电器线圈上施加额定电压后，逐渐降 低电压至继电器开始动作时的最高电压；而其返回电压，是指继电器动作后，逐渐升高电压时，继电器可动触 点开始返回原来位置的最低电压。由于返回电压大于动作电压，因此返回系数KFH= UFH/ UDZ1 (低电压继电器的返回系数要求不大于1.2)式中KFH返回系数；UFH返回电
14、压；UDZ 动作电压。(3) 电磁型时间继电器电磁型时间继电器可在继电保护装置上建立所需要的时限。(4) 电磁型中间继电器中间继电器在继电保护装置中，用以增加触点数量及触点容量，也可使触点闭合或断开时带有不大的延时 (0.4 0.8s),或者通过继电器的自保持，以适应保护装置的需要。中间继电器不仅应该在额定电压时能够可靠动作，而且在直流电源电压有可能比额定值低的情况下，也能 够可靠动作，所以中间继电器动作电压约为额定电压的70。瞬时动作的中间继电器在额定电压下常开点闭合 时间约为0.05 一 0.06s,返回时间约为0.01 一 0.02s。中间继电器的返回系数较低，约为0.4,但不会影响它
15、的动作可靠性，因为中间继电器返回时，它的线圈上的工作电压都是突然消失到零的。(5) 电磁型信号继电器在继电保护装置中，信号继电器广泛用来发出整套保护装置或者保护装置中某一回路的动作信号。根据信 号继电器所发出的信号，值班人员就能够很方便地分析事故和统计保护装置正确动作的次数。为了便于值班人 员查明继电器发出的信号性质和种类，或者判断出导致断路器跳闸的原因，要求信号指示不能随电气量的消失 而消失，应有机械的或电气的自保持。因此，信号继电器应制成手动复归式的。(6) 瓦斯继电器瓦斯继电器主要用于油浸变压器的保护装置中。变压器油箱内气体的产生和油向油枕方向的流动都可以作为 变压器内部故障的特征。利用这些特征构成的变压器保护称瓦斯保护。瓦斯保护反应这些特征的基本元件是瓦斯 继电器。4) 继电器的符号表示(如表21 所示)继电器以K开头，后面的字母表示该继电器的作用。表2 1继电器原理图的圈形符号序号1234L6丄890L.00Q QQ伺新符号口回冋0回回回S注1 -继电器* 2-继电器的触点和线圈引出线匸茁 电硫继电器；，电压继 电器疵时间继电器汕中间继电器门信号继电器川羞动继电器; 9 兀期继电器.第三节
