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1、第12章 船用電學與電子學吳俊文、蕭海明 編輯1.1 繼電保護裝置的任務與要求因為船舶電力系統繼電保護裝置是為解決電力系統不正常運行和故障情況而設置，所以對繼電保護裝置本身更要特別注意正確地進行設計、安裝、測試、檢查和維護，以便充分合理地發揮它的作用；否則，可能出現故障，而成為事故的根源。船舶電力系統的繼電保護主要包括：船舶發電機的保護、船舶變壓器的保護、船舶電力網的保護和船舶電動機的保護等。1.2、對繼電保護裝置的基本要求：根據船舶電力系統繼電保護裝置所擔負的基本任務和作用，一般對有如下四個基本要求。1.2.1 具有選擇性 繼電保護的選擇性是指當電力系統發生故障時，繼電保護裝置應僅把故障元件
2、切除，使停電範圍盡量縮小，從而保證電力系統中其它非故障部分仍然能夠繼續安全地運行，如圖1.1所示，當在D1點發生短路時，應將故障點最近的DZ1開關中的保護裝置動作，將DZ1開關自動斷開，這時DW2和DW1開關中的保護裝置都不應動作，該開關也不應斷開，這就叫做保護具有選擇性。若保護裝置無選擇性動作，就要擴大停電範圍，甚至引起全船停電，發生更大的事故。 在選擇性保護中，若前一級保護裝置拒絕動作，則後一級保護裝置應動作。如圖中所示，當D1點短路時，若DZ1開關由於某種原因沒有斷開，故障不能切除，則DW2開關中的保護裝置應動作，將DW2開關自動斷開，這種情況是部分地失掉了選擇性，擴大了停電範圍。在這種
3、情況下稱後一級保護的備用保護。由於繼電保護裝置或開關拒絕動作的現象可能發生，因此備用保護是完全必要的。否則，故障部分將無法切除或使事故更加擴大。對電力系統繼電保護裝置選擇性的要求，可用保護電器的動作時間或動作值來達到。圖 1.1 保護選擇電路示意圖1.2.2具有速度性繼電保護的速度性就是保護裝置的動作時間應力求短。迅速切除故障可減輕被保護設備的損壞程度，防止故障蔓延，縮小破壞範圍，減少對非故障部分的影響，保證其正常安全運行；要求快速切除短路故障的理由主要有以下兩方面。 1)熱效應方面：通過電氣元件的短路電流產生的熱量Qr與短路電流Idl的平方和時間t成正比，即 ，式中：K-比例系數。由此可見，
4、切除得快，產生的熱量小，設備不易燒壞。2)對負荷的影響方面：對同步電動機的影響最明顯，因同步機的轉矩M和電壓的平方成正比，即M=KU2，式中，K-比例常數。由上式可見，若電壓U下降較大，轉矩M下降大，會使電動機停止運轉。若短路故障很快切除，非故障部分的電壓可迅速恢復，因為電動機有一定的慣性，所以可使非故障部分的電動機仍然正常工作。若切除得慢，非故障部分的電動機也都要停下來，其中包括重要負荷。1.2.3、具有靈敏性繼電保護裝置的靈敏性是指對於其保護範圍內的故障或不正常工作狀態的反應能力。就是說，在保護範圍內，不管運行情況、短路性質和位置如何，對屬於自己保護內的故障，都應反應靈斂。靈敏性愈高，發覺
5、故障和切除就愈早，對系統的影響和設備的破壞就愈小；保護裝置的靈敏性，用靈敏度來表示。1.2.4、具有可靠性繼電保護裝置的可靠性是指裝置本身要能可靠地工作，對它保護範圍之內的故障，不應拒絕動作，在正常運行或不屬於它保護的範圍故障時，不應誤動作。否則，它本身就可能成為產生和擴大事故的根源。因此，保證保護裝置的可靠性是很重要的。保護裝置的可靠性主要取決於，保護方式的選擇、裝置本身的質量、計算和測試、安裝、維護和檢修等。對保護裝置的上述基本要求中可以看出，這四個方面是互相聯繫、互相制衡的。例如:若速度性很高，則選擇性就要差些，反之亦是。若可靠性很高，則靈敏性就要差些，反之亦是。對於具體問題需結合實際，
6、具體分析和解決，例如對於過載保護，主要要考慮它的可靠性，並不要求它的速度性；而對於短路保護，則要盡量考慮它的速度性。1.3 繼電器：由上述繼電的保護作用和基本要求可知，此任務若依靠人員的操作，是難以實現的，必須由自動的繼電保護裝置來完成。電力系統的繼電保護裝置一般由一個或幾個繼電器組成。l.3.1 繼電器的基本工作原理繼電器是一種能自動動作的電器。其特點為當控制繼電器的某物理量達到一定數值或進入某一定的物理量時，繼電器便自動動作，使被繼電器控制的某物理量發生突然的變化，在此控制與被控制的物理量中，至少有一個為電氣的量值。圖1.2是一最簡單的電磁式過電流繼電器示意圖。繼電器主要由接受機構、中間機
7、構和執行機構三部分組成。接受機構：用以接受控制量的變化(圖1.2中電流線圈1)並以某種形式傳送給中間機構(以電磁力吸動銜鐵4)。中間機構：將接受的量與已給定的量(以彈簧3的拉力確定預定值，調整調節螺桿7，可進行預定)進行比較，當接受的量達到已給的量值時，就能作用於執行機構(脫扣鈞子5)。執行機構:接受中間機構的作用後，使被控制量發生突然變化，完成繼電器所擔負的任務 (鉤子5打開，使斷路器跳開)。控制繼電器的物埋量是電流Io，當過電流繼電器線圈1的電流值達到起動電流值後，鐵芯2的吸力將大於彈簧3的拉力，鐵芯將銜鐵4吸下，使脫扣指打動脫扣鉤子5，在彈簧6的作用下，使斷路器跳開，把電路斷開，使主電路
8、中的電流變為零。圖1.2電磁式過電流繼電器示意圖1.3.2、繼電器分類繼電器是構成繼電保護裝置的基本元件。繼電器的種類很多，按照不同的方法分類如下。1) 按照繼電器接入電路的方式可以分為(1)一次式繼電器：控制繼電器的量直接接到一次電路，如圖1.3a所示。一次式繼電器的特點是：不要互感器，在低壓電路中採用，不便於檢查和調整。(2)二次式繼電器：控制繼電器的信號由互感器的二次側提供，如圖1.3b所示。二次式繼電器的特點是，繼電器與高壓隔離；可以放在離一次回路較遠處，易於標準化、體積小、靈敏度高、調整和維修方便。圖1.3繼電器分類 a)一次繼電器，b) 二次繼電器2)按照繼電器作用於斷路器的方式可
9、分為(1)直接作用式繼電器:繼電器直接作用於斷路器的跳開機構，如圖1.4a所示。其特點為不需要操作電源；動作時需要消耗較大的功率，靈敏性和快速性較低。(2)間接作用式繼電器:繼電器動作後，不直接控制跳開，而是控制一輔助操作回路，由操作回路動作於斷路器跳脫機構，如圖1.4b所示。其特點為靈敏性較高，功率消耗小，但需要一個獨立的操作電源。圖1.4 繼電器作用方式 a)直接作用方式 b)間接作用方式繼電保護中的操作電源是指使斷路器關閉或跳開的電源。對操作電源的主要要求是，該電源不應該受系統運行方式的影響，當發生短路時，能保證繼電器和斷路氣間可靠動作，在關閉時有足夠的容量。可採用單獨的直流操作電源，如
10、蓄電池；也可用交流操作電源，如用互感器。直流操作電源的特點是有獨立性、可靠，但需要一套設備，需要維修，比較復雜。交流操作電源的特點是簡單、經濟、維護簡便，故盡可能採用交流操作電源。3)按照繼電器動作時間特性可以分為(1)沒有定時間特性的繼電器：繼電器的動作時限t與控制繼電器的量值X的大小無關，即動作時間是一定的，其特性，如圖1.5a)所示。當控制量X小於起動值Xqd時，動作時間t為無限大，即不動作；當時，t=常數，即經一固定時間延時後動作。(2)具有反時間特性的繼電器：繼電器的動作時間t與控制繼電器的量值X有相反的關系，其特性如圖1.5b)所示。當X達起動值後，X小時，則t大；X大時，則t小。
11、如，則。(3)具有局郎反時間特性的繼電器：繼電器的時間特性，前一段是反時間，後一段是定時間的，如圖1.5c)所示。當控制量X較小時，呈反時間特性;當X較大時，呈定時間特性。 4)按照繼電器的工作原理分繼電器按作用原理可以分為電磁式、感應式、電動式、磁電式、晶體管式等。與許多自動化設備一樣，繼電保護裝置的發展，也是從機械式、電磁式、走向了今天的晶體管和邏輯電路。電磁式和感應式繼電器早在20世紀初就已被應用。其特性滿足基本要求。由於它們具有使用年限長，機械強度較好等特點，因此直到目前仍得到廣泛的應用。但這種繼電器與目前迅速發展的晶體管繼電器相比較，卻存在一系列缺點，例如動作速度較慢，靈敏性較低，消
12、耗功率較大，重量體積較大。晶體管繼電器：在近期開始被應用。由於它具有一系列優點，因此得到了迅速的發展、與電磁式繼電器相比較，晶體管繼電器具有以下特點：無可動部分、動作迅速、耐衝擊、抗振動、靈敏度高，易於構成特性復雜的保護裝置，體積小、消耗功率小、便於調試和維護等。但是它也存在一些缺點，例如，抗干擾能力差，電子元件易發生特性變化和易損壞等。然而這些問題現已正在逐步解決。晶體管邏輯電路的繼電器，勢必得到迅速地發展。圖1.5繼電器時間作動特性 a)定時性b)反時性c)局部反時性按照繼電器的用途，可分為測量繼電器和輔助繼電器。測量繼電器，按照電力系統中參數的不同，又可分為電流繼電器、電壓繼電器、功率繼
13、電器、頻率繼電器等；按其作用的不同，又可分為中間繼電器、時間繼電器、信號繼電器等。還可按照反應比額定參數增量或減量分為過量繼電器和欠量繼電器，例如過電流繼電器、欠電壓繼電器等。1.3.3 對繼電器的要求繼電器的品質直接關係到繼電保護裝置的品質。所以，繼電器需滿足簡單、工作可靠、動作速度快、靈敏度高、消耗功率小、重量輕、體積小、價格低等方面的要求。除此之外，繼電器必須具有良好的繼電特性。 所謂繼電特性，是指繼電器的控制量達到某一確定值時，被控制量就發生突然變化，如圖1.6所示。當控制量X值增大到OA之前，被控制量Y值為零。當控制量X值達OA時，被控制量Y值突變為AB,當X值再繼續增大時，Y值不變
14、。當X值返回減小到OE之前，Y值仍不變。當X值減小到OE時，Y值突然返回為零。X再繼續減小，Y值仍為零。在此變化中，使Y值由零突變為AB的X值OA，稱為繼電器的起動值，使Y值由AB突變為零的X值OE，稱為繼電器的返回值。圖1.6繼電器特性由上述可知，所謂繼電器的起動值，即是繼電器可靠動作的最小值。所謂繼電器的返回值，即是繼電器可靠返回的最大值。繼電器的返回值與起動值之比，稱為繼電器的返回系數Kfh，即Kfh越趨近於1，繼電器保護就越靈敏。1.3.4 繼電器的主要參數繼電器主要參數有額定電壓、額定電流、起動值、返回值、返回係數、動作功率、接點容量和接點正常位置等。繼電器動作功率，即繼電器起動所需
15、功率。功率越小，繼電器越靈敏。選擇繼電器要考慮其接點容量，應使其大於繼電器控制線路之容量，否則接點會燒壞。1.4 繼電保護的基本原理1.4.1 繼電保護的基本工作原理電力系統的繼電保護裝置乃是一種能夠自動地判斷和處理故障的自動化裝置。它和其他自動化裝置一樣，也是以人為給予的功能，仿效人工進行工作。要在某電力設備上裝設繼電保護，應首先分析該設備可能出現的不正常運行和故障情況，根據需要裝設必要的繼電保護裝置。正如人工尋找故障時的道理一樣，繼電保護的基本工作原理，就是利用發生各種故障或不正常運行情況必定要出現和特有的現象，作為自動控制的信號，自動判斷故障，進行必要的處理。在電力系統中發生故障或運行不正常時，總是伴隨有電流、電壓、頻率、功率以及電流與電壓相位角等物理量的變化。因此電力系統的各種繼電保護，都是在反應這些物理量出現差異。根據各種故障和不正常運行情況出現的特點，構成了各種原理不同的繼電保護。例如:對過載和短路，有反應電流量值改變的過電流保護，根據過電流量值的大小，又可區分為被動卸載，過載和短路自動跳脫保護。對欠電壓，則有反應電壓量值改變的低電壓信號或跳脫
