工厂供电系统的继电保护.docx
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工厂供电系统的继电保护
工厂供电系统的继电保护
摘要:
随着电力工业的发展,工厂中的电力设备对继电保护与自动化装置提出了更高的要求。
工厂用电系统运行正常与否,将直接影响到生产的安全运行,因此,对工厂用电进行合理地继电保护配置,有着重大的意义。
本文内容包括继电保护的基本知识,工厂10kv供电线路的继电保护、电力变压器的保护、其他电力设备的继电保护、自动重合闸及备用电源自动投入装置、配电系统的微机保护。
着重对各项继电保护的原理和工作方式进行了研究。
对工厂实际问题进行了保护整定,以选择出适合的电气设备和线路,保证工厂能正常的进行生产工作。
关键词:
工厂供电系统;继电保护;微机保护
Thefactorypowersupplysystemforrelayprotection
Abstract:
withthedevelopmentofpowerindustry,powerequipmentfactoryintherelayprotectionandautomationdevicehasputforwardhigherrequirements.Thefactoryuseselectricitythesystemoperatingnormallyornot,willdirectlyaffectthesafety,therefore,thefactoryuseselectricreasonableconfigurationforrelayprotection,isofgreatsignificance.Thecontentofthisarticleincludesthebasicknowledgeofplantprotection,10kVpowerlinerelayprotection,theprotectionofpowertransformersandotherelectricalequipment,relayprotection,automaticreclosureandstandbypowerautomaticinputdeviceofmicrocomputerprotection,distributionsystem.Focusingontherelayprotectionprinciplesandworkingmethodsofthestudy.Onthepracticalproblemsofprotectionsetting,inordertochooseasuitableelectricalequipmentandwiring,toensurenormalproductionwork.
Keywords:
electricpowersystem;relayprotection;microcomputerprotection
引言1
第一章继电保护基本知识1
1.1继电保护的任务1
1.2继电保护的基本原理1
第二章供电线路的继电保护2
2.1电力线路的常见故障2
2.2电流保护的接线方式和接线系数2
2.3过电流保护3
2.3.1接线和工作原理3
2.3.2保护整定4
2.4电流速断保护6
2.4.1电流速断保护的特点6
2.4.2电流速断保护的接线和工作原理6
2.4.3电流速断保护的整定7
2.5过负荷保护8
2.5.1接线和工作原理9
2.5.2保护整定9
2.6单相接地保护9
2.6.1单相接地保护接线10
2.6.2保护整定10
第三章电力变压器的继电保护11
3.1电力变压器的常见故障和保护配置11
3.1.1常见故障11
3.1.2保护配置11
3.2变压器电流保护的接线方式11
3.3变压器的过电流保护11
3.4变压器的瓦斯保护12
3.5变压器的差动保护13
3.5.1变压器差动保护基本原理13
3.5.2变压器差动保护不平衡电流分析14
第四章其它电力设备的机电保护16
4.1母线的继电保护16
4.2电容器的继电保护17
4.3高压电动机的继电保护20
第五章自动重合闸及备用电源自动投入装置20
5.1自动重合闸装置20
5.2备用电源自动投入装置21
第六章配电系统微机保护23
6.1配电系统微机保护的现状和发展23
6.2配电系统微机保护的功能23
6.3微机保护装置的硬件结构23
6.4微机保护装置的软件系统24
第七章结束语25
致谢25
参考文献26
引言
工厂继电保护可靠动作是保证生产正常进行、保护电气设计设备的前提条件,过流继电保护动作电流整定值准确与否,又直接影响过流继电保护动作的可靠性,同时过流继电保护动作电流的整定值还要考虑现场的实际情况。
目前工厂生产规模不断扩大,使工厂原有的供配电继电保护线路出现了严重的问题,比较突出的是:
在高压线路上新增了多台配电变压器和高压电动机,致使高压高压进线过流保护由于最初设计、整定值并未考虑到多台配电变压器励磁电流和多台高压电动机启动电流的影响,造成高压进线上的继电保护频繁动作,是控制线路的高压断路器分闸,严重影响了供电的进行和正常的生产。
鉴于以上方面的考虑,我们需要对工厂供电系统进行继电保护来解决这些问题。
第一章继电保护基本知识
1.1继电保护的任务
(1)当被保护的电力系统元件发生故障时,应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令,使故障元件及时从电力系统中断开,以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏,降低对电力系统安全供电的影响,并满足电力系统的某些特定要求(如保持电力系统的暂态稳定性等).
(2)反应电气设备的不正常工作情况,并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人员)发出信号,以便值班人员进行处理,或由装置自动地进行调整,或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除.反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作.
1.2继电保护的基本原理
继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障,是保护区内故障还是区外故障的功能。
保护装置要实现这一功能,需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。
电力系统发生故障后,工频电气量变化的主要特征是:
(1)电流增大。
短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。
(2)电压降低。
当发生相间短路和接地短路故障时,系统各点的相间电压或相电压值下降,且越靠近短路点,电压越低。
(3)电流与电压之间的相位角改变。
正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角,一般约为20°,三相短路时,电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的,一般为60°~85°,而在保护反方向三相短路时,电流与电压之间的相位角则是180°+(60°~85°)。
(4)测量阻抗发生变化。
测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。
正常运行时,测量阻抗为负荷阻抗;金属性短路时,测量阻抗转变为线路阻抗,故障后测量阻抗显著减小,而阻抗角增大。
不对称短路时,出现相序分量,如两相及单相接地短路时,出现负序电流和负序电压分量;单相接地时,出现负序和零序电流和电压分量。
这些分量在正常运行时是不出现的。
利用短路故障时电气量的变化,便可构成各种原理的继电保护,主要由测量、逻辑和执行三部分组成。
第二章供电线路的继电保护
2.1电力线路的常见故障
该温度报警控制器主要由AT89C51、显示电路、温度检测、电机控制电路等组成。
工作过程如下:
由单片机实时采温度的变化数据并进行处理,然后用液晶显示当前温度。
当温度过高时,由单片机控制电机运作进行降温。
2.2电流保护的接线方式和接线系数
电流保护中的电流继电器与电流互感器二次绕组的连接方式大致分为三相三继电器,两相两继电器,两相一继电器三种方式
接线系数Kjx为:
2.3过电流保护
当通过线路的电流大于继电器的动作电流,保护装置起动,并用时限保证动作的选择性,这种继电保护装置称为过电流保护。
分为定时限过电流保护、反时限过电流保护。
2.3.1接线和工作原理
(1)定时限过电流保护装置的接线和工作原理
(2)反时限过电流保护装置的接线和工作原理
2.3.2保护整定
动作电流整定、动作时限整定和灵敏度校验
(1)动作电流整定
a.正常运行时,保护装置不动作,即保护装置一次侧的动作电流Iop1应大于线路的最大负荷电流IL.max(正常过负荷电流和尖峰电流),即Iop1>IL.max
b.保护装置在外部故障切除后,可靠返回到原始位置,即保护装置一次侧的返回电流Ire1大于线路的最大负荷电流IL.max(应包含电动机的自起动电流),即Ire1>IL.max
继电器的动作电流Iop.KA为:
保护装置一次侧的动作电流为:
(2)动作时限整定
a.定时限过电流动作时限整定
按阶梯原则进行整定:
t1=t2+⊿t
式中,⊿t为时限级差,定时限过电流保护取0.5s,反时限过电流取0.7s。
b.反时限过电流保护动作时限整定
10倍动作电流时的动作时限。
(3)保护灵敏度校验
过电流保护的灵敏度用系统最小运行方式下线路末端的两相短路电流进行校验。
式中,Iop1为保护装置一次侧动作电流。
主保护
后备保护
对某工厂供电线路进行整定,1TA的变比为750/5A,线路最大负荷电流670A,保护采用两相两继电器接线,线路2WL定时限过电流保护的动作时限0.7s,最大运行方式时K1点三相短路电流4kA,K2点三相短路电流2.5kA,最小运行方式时K1和K2点三相短路电流分别为3.2kA和2kA。
1、整定动作电流
选DL-11/10电流继电器,线圈并联,整定动作电流7A
过电流保护一次侧动作电流为:
2、整定动作时限
线路1WL定时限过电流保护的动作时限应较线路2WL定时限过电流保护动作时限大一个时限级差Δt。
3、校验保护灵敏度
保护线路1WL灵敏度按线路1WL末端最小两相短路电流校验
由此可见,保护整定满足灵敏度要求。
2.4电流速断保护
当过电流保护动作时限超过0.5~0.7s时,应装设电流速断保护。
电流速断保护按被保护设备的短路电流整定,当短路电流超过整定值时,则保护装置动作,断路器跳闸,电流速断保护一般没有时限,不能保护线路全长(为避免失去选择性),即存在保护的死区.为克服此缺陷,常采用略带时限的电流速断保护以保护线路全长.时限速断的保护范围不仅包括线路全长,而深入到相邻线路的无时限保护的一部分,其动作时限比相邻线路的无时限保护大一个级差.
2.4.1电流速断保护的特点
接线简单,动作可靠,切除故障快,但不能保护线路全长,保护范围受到系统运行方式变化的影响较大。
速断保护是一种短路保护,为了使速断保护动作具有选择性,一般电力系统中速断保护其实都带有一定的时限,这就是限时速断,离负荷越近的开关保护时限设置得越短,末端的开关时限可以设置为零,这就成速断保护,这样就能保证在短路故障发生时近故障点的开关先跳闸,避免越级跳闸。
定时限过流保护的目的是保护回路不过载,与限时速断保护的区别在于整定的电流相对较小,而时限相对较长。
这三种保护因为用途的不同,不能说各有什么优缺点,并且往往限时速断和定时限过流保护是结合使用的。
2.4.2电流速断保护的接线和工作原理
电力系统中电气设备发生故障时,短路电流很大,根据继电器的基本动作原理可知,如果预先通过计算,将此短路电流整定为继电器的动作电流,就可对故障设备进行保护。
过电流保护和电流速断保护正是根据这个原理而实现的。
为了保证动作的选择性,根据短路电流的特点(故障点越靠近电源,则短路电流越大),过电流保护是带有动作时限的,而电流速断保护则不带动作时限,即当短路发生时,它立即动作而切断故障,故它没有时限特性,常用来和过流保护配合使用。
速断保护不能保护线路全长,只能有选择性地保护线路一部分,余下部分为速断保护的死区。
为避免上述情况,速断保护也可做成略带时限,称为时限电流速断保护。
它和无时限电流速断配合,以消除电流速断保护的动作死区。
2.4.3电流速断保护的整定
(1)动作电流的整定
为了保证速断保护动作的选择性,在下一级线路首端发生最大短路电流时电流速断保护不应动作,即速断保护动作电流Iop1>IK.max,速断保护动作电流整定值为
对GL型电流继电器,还要整定速断动作电流倍数。
(2)灵敏度校验
用线路首端最小两相短路电流校验,即
(3)保护区和保护死区
在电流速断保护区内,电流速断保护为主保护,过电流保护为辅助保护。
在电流速断保护的死区内,过电流保护为主保护。
整定上述线路1WL的电流速断保护。
已知线路1WL首端最小三相短路电流为9.2kA。
电流速断保护和过电流保护共用电流互感器和出口中间继电器。
电流速断保护需整定动作电流和校验灵敏度。
(1)动作电流整定
选DL-11/50电流继电器,线圈并联,整定动作电流35A。
速断保护一次侧动作电流为
(2)灵敏度校验
以线路1WL首端最小两相短路电流校验
电流速断保护整定满足要求。
2.5过负荷保护
在电路中,当回路电流超过过负荷保护装置预设值时,过负荷保护装置自动断开电流回路,起到保护有效负载的作用。
2.5.1接线和工作原理
2.5.2保护整定
(1)过负荷保护的动作电流按线路的计算电流Ic整定,即
(2)动作时间
一般整定10s~15s。
2.6单相接地保护
单相接地保护一般指需要接地保护的电器。
通常的家电采用的都是三线插座,其中一根为火线,一根为零线,一根为地线,当电器发生漏电时就通过地线入地,避免电器与人体接触时通过人体入地,电流不通过人体入地,人也就不会发生触电。
达到安全用电之目的。
2.6.1单相接地保护接线
2.6.2保护整定
(1)动作电流整定
系统中其它线路发生单相接地,被保护线路流过接地电容电流IC时,单相接地保护不应动作,即:
保护装置一次侧动作电流为:
(2)灵敏度校验
被保护线路发生单相接地,流过接地电容电流单相接地保护应可靠动作。
架空线线路
电缆线路
第三章电力变压器的继电保护
3.1电力变压器的常见故障和保护配置
3.1.1常见故障
(1)绕组匝间短路
(2)三相负载不对称
(3)高压侧一相缺电
3.1.2保护配置
(1)装设过电流保护和电流速断保护装置用于保护相间短路
(2)气体保护:
保护变压器的内部故障和油面降低
(3)差动保护:
保护内部故障和引出线相间短路
(4)装设过负荷保护和温度保护装置分别用于保护变压器的过负荷和温度升高
3.2变压器电流保护的接线方式
(1)两相两继电器式接线(适用于相间短路保护)
(2)两相一继电器式接线(保护灵敏度随短路种类而异)
3.3变压器的过电流保护
变压器相间短路的保护既是变压器主保护的后备保护,又是相邻母线或线路的后备保护。
根据变压器容量大小和系统短路电流的大小,变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护和复合电压起动的过电流保护等。
(1)不带低电压起动的过电流保护
过电流宜用于降压变压器,过电流保护采用三相式接线,且保护应该装设在电源侧。
不带低电压起动的过电流保护的原理接线图如图
保护的动作电流
应按躲过变压器可能出现的最大负荷电流
来整定,如式
—可靠系数,一般为1.2~1.3
—为返回系数
(2)低电压起动的过电流保护
对于升压变压器或容量较大的降压变压器,当过电流保护另名都不够时,可以考虑并列变压器跳闸或电动机自起动等因素引起的最大可能的负荷电流,而可以按躲过变压器的额定电流来整定。
这样可以降低过电流保护的整定值,从而提高保护的灵敏度。
对升压变压器,如果低电压继电器只接在一侧电压上则当另一侧发生短路时,往往不能满足灵敏度的要求。
为此,可采用两套低电压继电器,分别接在变压器的高、低压侧。
当采用低电压起动的过流保护时,其动作电流按躲开变压器的额定电流整定。
低电压及电器的动作电压应小于正常运行情况下的最小工作电压。
双侧电源的变压器或多台并列运行的变压器,一般均采用低电压起动的过流保护或复合电压起动的过流保护。
3.4变压器的瓦斯保护
1.保护的工作原理
瓦斯保护是反应变压器油箱内部气体的数量和流动的速度而动作的保护,保护变压器油箱内部各种短路故障,特别是对绕组的相间和匝间短路。
由于短路点电弧的作用,将使变压器和其他绝缘材料分解,产生气体。
气体从油箱经连通管流向油枕,利用气体数量及流速构成瓦斯保护。
上面的触点表示“轻瓦斯保护”,动作后经延时发出报警信号。
下面的触点表示“瓦斯保护”,动作后启动变压器保护的总出口继电器,使断路器跳闸。
当油箱内部发生严重事故时,由于油流不稳定,可能造成弹簧触点的抖动,此时为使断路器能可靠跳闸,应选用具有电流自保持线圈的出口中间继电器KM,动作后由断路器的辅助触点来解除出口回路的自保持。
此外,为防止变压器换油或进行试验时引起重瓦斯保护误动作跳闸,可利用切换片XB将跳闸回路切换到信号回路。
2.瓦斯保护的缺点
不能反应变压器油箱外套管及联接战线上的故障,因此,不能作为防御变压器内部事故的唯一保护。
由于构造问题,在运行中正确动作率还不高。
挡板式瓦斯继电器也存在当变压器油面严重下降,需要跳闸时,动作不快的缺点。
3.瓦斯保护的优点
灵敏度高、结构简单,并能反应变压器油面内部各种类型的故障。
特别是当绕组短路匝数很少时,故障点的循环电流虽然很大,可能造成严重的过热,但反应在外部电流的变化却很小,各种反应电流量的保护都难以动作,因此瓦斯保护对保护这种故障有特殊的优越性。
3.5变压器的差动保护
3.5.1变压器差动保护基本原理
电力变压器可能发生的内部故障包括:
各侧绕组的相间短路故障,中性点直接接地的变压器的单相接地短路,绕组的匝间短路等。
变压器内部的各种短路都将产生电弧,引起主绝缘烧毁,绝缘油分解,内部油压增大,有可能引起油箱爆炸起火。
因此,对变压器内部故障应尽快切除。
纵差动保护是变压器的电气主保护,由于变压器在电力系统中占有重要地位,纵差动保护必须满足如下要求:
1.能反应保护区内各种相间和接地短路故障。
2.动作速度快,一般动作时间不能大于30ms。
3.在变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复期间产生励磁涌流时不应
误动作。
4.在变压器过励磁时,纵差动保护不应该动作。
5.发生外部故障时电流互感器饱和应可靠不动作。
6.保护区内故障时,电流互感器饱和,纵差动保护不应拒动或延时动作。
7.保护区内发生短路故障,在短路电流中含有谐波分量时,纵差动保护不应拒动或延时动作。
按照反应电流和电压量变化构成的保护装置,测量元件限于装设在被保护元件的一侧,无法区别保护范围末端和相邻范围始端的故障。
为了保证动作的选择性,在整定动作参数是必须与相邻元件的保护相配合,一般采用缩短保护区或延长动作时限的方法获得选择性。
差动保护的原理接线图如图
变压器差动保护是按照循环电流原理构成的,图为差动保护的单相原理接线图。
双绕组变压器,在其两侧装设电流互感器当两侧电流互感器的同极性端子在同一方向,差动继电器的工作线圈并联在电流互感器的二次端子上。
由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不同,因此必须适当选择两侧电流互感器的变化,使得在正常工作时和外部故障时两侧的二次电流相等,流过差动继电器线圈的电流在理论上等于零。
即:
所以两侧的CT变比应不同,且应使
按相实现的纵差动保护,其电流互感器变比的选择原则是两侧CT变比的比值等于变压器的变比。
3.5.2变压器差动保护不平衡电流分析
1.稳态情况下不平衡电流
变压器在正常运行时纵差保护回路中不平衡电流主要是由电流互感器、变压器接线引起:
(1)由电流互感器计算变比与实际变比不同而产生。
正常运行时变压器各侧电流的大小是不相等的。
为了满足正常运行或外部短路时流入继电器差动回路的电流为零,则应使高、低压两侧流入继电器的电流相等,即高、低侧电流互感器变比的比值应等于变压器的变比。
但是,实际上由于电流互感器的变比都是根据产品目录选取的标准变比,而变压器的变比是一定的,因此上述条件是不能得到满足的,因而会产生不平衡电流。
(2)由变压器两侧电流相位不同而产生。
变压器常常采用两侧电流的相位相差30°的接线方式(对双绕组变压器而言)。
此时,如果两侧的电流互感器仍采用通常的接线方式(即均采用Y形接线方式),则二次电流由于相位不同,也会在纵差保护回路产生不平衡电流。
(3)由变压器两侧电流互感器型号不同而产生。
电流互感器是一个带铁心的元件,在变换电流的过程中,需要一定的励磁电流,所以一次电流和二次电流的关系如式:
当变压器两侧电流互感器的型号不同时,它们的饱和特性、励磁电流等也就不同,即使两侧电流互感器的变比符合要求,流入差动继电器的差电流为,如式:
差电流也不会为零,即在正常运行或外部短路时,会有不平衡电流流入差动继电器[5]。
2.暂态情况下的不平衡电流
(1)由变压器励磁涌流产生
正常运行情况下,铁芯未饱和,相对导磁率很大,变压器绕组的励磁电感也很大,因而励磁电流很小,一般不超过额定电流的3%~5%。
当投入空载变压器或外部故障切除后的电压回复时,一旦铁芯饱和后,想对导磁率接近于1,变压器绕组的电感降低,相应出现数值很大的励磁电流,称为励磁涌流,其值可能达到变压器额定电流的6~8倍。
励磁涌流具有如下特征:
①励磁涌流数值很大,最大可达变压器额定电流的6~8倍;②励磁涌流包含有很大成分的非周期分量,波形呈尖顶波形且偏于时间轴的一侧;③励磁涌流包含有大量的高次谐波,而以二次谐波为主;④励磁涌流相邻波形是不连续的,因而波形之间出现了间断角。
由于励磁涌流的存在,使变压器差动回路产生很大的不平衡电流,常常导致纵差保护的误动作,给变压器纵差保护的实现带来困难。
(2)由变压器外部故障暂态穿越性短路电流产生
纵差保护是瞬动保护,它是在一次系统短路暂态过程中发出跳闸脉冲。
因此,必须考虑外部故障暂态过程的不平衡电流对它的影响。
在变压器外部故障的暂态过程中,一次系统的短路电流含有非周期分量,它对时间的变化率很小,很难变换到二次侧,而主要成为互感器的励磁电流,从而使互感器的铁心更加饱和。
本来按10%误差曲线选择的电流互感器在变压器稳态外部短路时,就会处于饱和状态,再加上非周期分量的作用,则铁心将严重饱和。
因而,电流互感器的二次电流的误差更大,暂态过程中的不平衡电流也将更大。
第四章其它电力设备的机电保护
4.1母线的继电保护
母线发生故障的几率较线路低,但故障的影响面很大。
这是因为母线上通常连有较多的电气元件,母线故障将使这些元件停电,从而造成大面积停电事故,并可能破坏系统的稳定运行,使故障进一步扩大,
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