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高压电工教材第七章
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第七章继电保护自动装置与二次回路
电力系统在运行中,各种电气设备都有可能出现故障和不正常运行状
态。
不正常运行状态是指电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏,但没
有发生故障的运行状态,如过负荷、过电压、频率降低、系统振荡等。
故
障主要包括各种类型的短路和断线,如三相短路、两相短路、单相接地短
路、两相接地短路、电动机以及变压器绕组间的匝间短路、单相断线、两
相断线等。
故障或不正常运行状态若不及时正确处理,都可能引发事故。
事故是指对用户少送电或停止送电,电能质量降低到不能允许的程度,造
成人身伤亡及电气设备损坏等。
继电保护和自动装置是保证电力系统安全
运行和提高电能质量的重要组成部分。
第一节继电保护任务及基本要求
一、继电保护的任务
继电保护装置是反映电力系统中各种电气设备故障和不正常运行状态
的自动装置,其任务为:
1.当电力系统中某电气元件发生故障时,保护装置能自动、迅速、有
选择地将故障元件从电力系统中切除,避免故障元件继续遭到破坏,使非
故障元件迅速恢复正常运行,将事故尽可能限制在最小范围内。
2.当电力系统运行中出现不正常运行状况时,保护装置能自动发出报
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警信号,运行人员可迅速处理,在无人值班的变电所,保护可作用于减负
荷或跳闸,避免事故发生。
二、继电保护的基本要求
电气设备或线路发生短路时,会产生很大的短路电流;使电网电压下
降,电气设备烧坏;严重时电力系统的稳定运行被破坏,甚至引起电网
瓦解。
为了能正确快速地切除故障,使电力系统以最快速度恢复正常运行.
要求继电保护具有足够的可靠性、选择性、速动性和灵敏性。
(一)可靠性
可靠性是指发生了属于它该动作的故障,它能可靠动作,即不发生拒
绝动作(拒动);而在不该动作时,它能可靠不动,即不发生错误动作
(误动)。
(二)选择性
选择性是指电力系统发生故障时,保护装置仅将故障元件切除,而非
故障元件仍能正常运行,以尽量缩小停电范围的一种性能。
以图7—1为例,当Kl短路时,应该由距故障点最近的保护l、2动
作,跳开lQF、2QF,这样既切除了故障线路,又使停电范围最小,因此
我们说此时保护1、2动作是有选择性的动作,也就是满足了选择性的
图7—1保护动作的选择性说明
同理当K2短路时,保护5、6动作跳开5QF、6QF;当K3短路时,保
护7、8动作跳开7QF、8QF,都是有选择性的动作。
若当K3短路时,7QF
拒动,保护5动作跳开5QF将故障切除,那么此时停电范围扩大了。
但是
如果保护5不动作跳闸,那么故障线路就无法切除,因此,此时保护5的
动作也是有选择性动作,只不过是保护5做了保护7的远后备保护而已。
若保护7和7QF正确动作于跳闸同时,保护5也动作跳开5QF,则保护5
的动作就是非选择性动作,我们也习惯称之为越级跳闸。
继电保护动作的选择性,可以通过合理整定动作值和上下级保护的动
作时限来实现,一般上下级保护的时限差取0.3s~0.7s。
(三)速动性
速动性就是指保护快速切除故障的性能。
故障切除时间包括继电保护
动作时间和断路器的跳闸时间。
一般的快速保护动作时间为0.06s~0.12s,最快的可达0.01s~
0.04s。
一般的断路器的动作时间为0.06s~0.15s,最快的可达0.02s~
0.06s。
当系统发生故障时,快速切除故障可以提高系统并列运行的稳定性、
减少用户在低电压下的工作时间,减少故障元件的损坏程度,避免故障进
一步扩大。
(四)灵敏性
灵敏性是指继电保护对其保护范围内故障的反应能力,即要求保护装
置在其保护范围内,不论短路点的位置、短路类型以及运行方式如何,对
被保护设备在发生故障和不正常运行时,都能灵敏地反应。
三、继电保护装置的分类
继电保护装置按其被保护对象、保护原理、反应故障的类型、保护所
起的作用,有不同的分类方法。
(一)按被保护的对象分类
分为电力线路保护、发电机保护、变压器保护、电容器保护、电抗器
保护、电动机保护和母线保护等。
(二)按保护原理分类
分为电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护和零序保
护等。
P234
(三)按保护所反应故障类型分类
分为相间短路保护、接地故障保护、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。
(四)按保护所起的作用分类
分为主保护、后备保护和辅助保护等。
主保护是指满足系统稳定和设备安全要求,能以最快的速度有选择地
切除被保护元件故障的保护。
后备保护是指当主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。
后备保
护又可分为远后备保护和近后备保护两种。
远后备保护是指当主保护或断路器拒动时,由相邻电力设备或线路的
保护来实现的后备保护。
近后备保护是指当主保护拒动时,由本电力设备或线路的另一套保护
来实现的后备保护。
辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退
出运行而增设的简单保护。
四、常用继电器介绍
继电器是一种在其输入物理量(电气量或非电气量)达到规定值时,
其电气输出电路被接通和分断的自动装置。
继电器常用接点有动合接点和
动断接点。
动合接点是指继电器不动作时处于断开状态的接点;动断接点
是指继电器不动作时处于闭合状态的接点。
下面介绍几种常用的继电器。
(一)电磁式电流继电器
反应电流增大到某一整定值及以上动合(断)接点由断开(闭合)状
态到闭合(断开)状态的继电器叫电流继电器。
其中整定值即为动作基
准。
能使继电器动合接点由断开状态到闭合状态的最小电流称为动作电
流。
能使继电器动合接点由闭合状态到断开状态的最大电流称为返回电
流。
继电器的返回电流除以动作电流,叫作返回系数,电流继电器的返回
系数要求在0.85~0.9之间。
(二)电磁式电压继电器
电压继电器包括过电压继电器和低电压继电器两种。
过电压继电器是
反应电压增大到某一整定值及以上动合接点由断开状态到闭合状态的继电
器。
其动作电压为使继电器动合接点由断开状态到闭合状态的最小电压,
其返回电压为使继电器动合接点由闭合状态到断开状态的最大电压,其返
回系数为返回电压除以动作电压。
而常用的电压继电器为低电压继电器,
是反应电压下降到某一整定值及以下动断接点由断开状态到闭合状态的继
电器。
其动作电压为使继电器动断接点由断开状态到闭合状态的最大电
压,其返回电压为使继电器动断接点由闭合状态到断开状态的最小电压,
其返回系数为返回电压除以动作电压。
(三)电磁式时间继电器
用于建立保护所需要的延时时间的继电器叫时问继电器,具有延时动
合接点。
延时动合接点指继电器通足够大的电时经所需要的时间(整定时
间)闭合的接点。
(四)电磁式中间继电器
在继电保护装置中,中间继电器用于增加触点数量和触点容量,具有
动合接点和动断接点。
可使接点瞬时或带有不大的延时动作以满足保护的
需要。
(五)电磁式信号继电器
保护动作后发出信号的继电器叫信号继电器。
信号继电器所发信号不
应随电气量的消失而消失,要有机械或电气自保持,直至相关事宜处置完
毕再手动恢复信号掉牌装置。
(六)感应式电流继电器(GL式电流继电器)
感应式电流继电器是利用电磁感应原理构成的,它兼有电磁式电流继
电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器的功能。
其结构分成两部
分,一是电磁速断机构,构成电流速断保护;二是感应机构,构成反时限
过电流保护,在工厂供电系统中被广泛采用。
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五、继电保护用电流互感器
保护用电流互感器是将电力系统的一次大电流按一定的变比变换成二
次较小电流,供给测量表计和继电器,同时还可以使二次设备与一次高压
隔离,保证人身与设备的安全。
电流互感器均是单相式,一次通入的是电
流源,二次接相应负载。
电流互感器的接线方式有以下几种。
(一)三相星形接线
三相均装有电流互感器,各相电流互感器二次绕组和电流继电器的线
圈串联,然后接成星形连接。
能反应三相短路、两相短路、单相接地短路
等各种形式的故障。
所以,三相星形接线适用于对所有短路类型都要求动
作的保护装置。
(二)两相不完全星形接线方式
电流互感器装在两相上,其二次线圈与各自的电流继电器线圈串联
后,连接成不完全星形。
在中性点非直接接地的电力系统中,由于允许短
时间的单相接地运行,并且在大多数情况下都装有单相接地信号装置,所
以,在这种系统中广泛采用两相不完全星形接线方式来实现相间短路
保护。
(三)两相电流差接线方式
电流互感器装在两相上,其差电流接入电流继电器线圈。
通常用在
6kV~lOkV中性点不接地系统中以保护较小容量的高压电动机。
(四)三角形接线方式
按这种接线方式构成的继电保护装置能反应所有短路类型。
流入继电
器线圈的电流为两个电流互感器的二次电流之差,所以,流人继电器线圈
中的电流没有零序电流。
零序电流只能在接成三角形接线的电流互感器的
二次线圈内环流。
三角形接线方式主要应用于Y,d接线的变压器差动保
护装置。
流过继电器线圈的电流与相电流的比值决定于短路类型和相别,
在正常运行或三相短路时,流过继电器线圈的电流为相电流的
倍,并且
在相位上相差
。
(a)三相星形接线(b)两相不完全星形接线
(c)两相差式接线(d)三角形接线
图7—2电流互感器的接线方式
第二节变压器保护
一、电力变压器的故障和异常运行状态
电力变压器是电力系统中的重要设备,它的故障将对供电可靠性和系
统的正常运行带来严重的影响,因此必须装设性能良好、动作可靠的保
护。
变压器的故障分为油箱内和油箱外两种。
油箱内故障有变压器内部绕
组匝问或层间绝缘损坏造成的相问短路和匝间短路,直接接地系统侧绕组
的接地短路。
油箱外故障有外部绝缘套管及引出线上的多相短路、单相接
地短路。
变压器异常运行状态主要包括保护范围外部(保护区外)短路引
起的过电流、电动机自起动等原因所引起的过负荷、油浸变压器油箱漏油
造成油面降低等。
二、电力变压器保护设置要求
为了保证电力系统的安全运行,将故障和异常运行的影响限制在最小
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范围,根据继电保护有关规定,变压器应装设以下保护。
(一)电流速断保护
变压器容量在10000kVA以下的变压器、当过电流保护动作时间大于
0.5S时,用户3kV~10kV配电变压器的继电保护,应装设电流速断保护。
(二)瓦斯保护
油浸式变压器容量在800kVA及以上,室内装设的容量在400kVA及
以上的油浸变压器,应装设瓦斯保护,用于反应变压器油箱内故障和油面
降低。
(三)纵差动保护
容量在10000kVA及以上,或容量在6300kVA及以上并列运行变压器
或用户中的重要变压器;容量在2000kVA及以上当采用电流速断保护灵敏
度不能满足要求时,应装设电流纵差动保护。
用于反应变压器绕组,套管
及引出线上的多相短路,直接接地系统侧绕组,套管及引出线上的接地短
路和绕组匝间短路。
(四)过电流保护
防止保护范围外部故障引起的过电流并作为变压器保护范围内部故障
的后备保护。
(五)零序保护
对于反应中心点直接接地变压器高压侧绕组接地短路故障,以及高压侧
系统的接地短路故障,作为变压器主保护及相邻元件接地故障的后备保护。
(六)过负荷保护
用于反应400kVA及以上变压器过负荷。
三、变压器过电流保护
(一)定时限过电流保护
变压器定时限过电流保护装设在变压器电源侧,反应变压器保护范围
外部(区外)故障引起的变压器过电流,并作为电流速断保护的后备保
护。
动作电流按躲过变压器最大负荷电流来整定。
为了使上、下级各电气
设备继电保护动作具备选择性,过流保护在动作时间整定上采取阶梯原
则,即位于电源侧的上一级保护的动作时间要比下级保护时间长。
过电流保护的动作时限一经整定后就固定不变,即构成定时限过电流
保护。
图7—3是变压器定时限过电流保护原理接线图。
当被保护变压器电
流超过继电器KA的整定电流时,1KA和2KA两只继电器无论是一只动作
或两只动作,继电器1KA或2KA的动合触点闭合,接通时间继电器KT的
线圈电源;时间继电器KT启动,经过预先整定的时间后,时间继电器延
时闭合的动合触点闭合,接通中间继电器KM的线圈电源;中间继电器
KM动作,KM的动合触点闭合,经信号继电器KS电流线圈,断路器QF
辅助触点QFl接通跳闸线圈YT的电源,断路器QF跳闸,将故障线路停
电。
接通YT的同时,使信号继电器KS启动,其手动复归动合触点闭合,
发出信号。
图7—3定时限过电流保护原理接线图
图7—4为变压器定时限过电流保护的展开图。
图中+KM、一KM为
直流操作电源。
QFl为断路器QF的动合辅助触点,当QF跳闸后,QFl断
开,保证跳闸线圈YT断电,避免N长时间通电而烧坏线圈。
(二)反时限过电流保护
反时限过电流保护其保护装置的动作时间随电流的大小而变化,电流
越大动作时间越短;反之,电流越小动作时间越长。
反时限过电流保护的工作原理参见第七节变电所的操作电源中图7—21
变流器供给操作电源举例。
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图7—4定时限过电流保护展开接线图
四、变压器电流速断保护
对于中、小容量变压器,可以装设单独的电流速断保护,作为变压器防
止相间短路故障的主保护。
动作无延时,只有利用动作电流保证保护的选择
性,因此,动作电流整定按躲过变压器负荷侧母线短路电流,一般应大于变
压器额定电流3~5倍以躲过变压器空载投入时的励磁涌流,显然电流速断
保护动作电流数值较大,只能保护变压器一部分绕组(高压侧)的相间短路
故障。
所以都按不完全星形的两相两继电器接线方式构成。
由于电流继电器的
触点容量小,不能直接闭合断路器的跳闸线圈YT回路,必须经过中间继电器。
电流速断保护的接线方式如图7—5所示。
图7—5电流速断保护接线原理
1、2.电流继电器3.中间继电器4.信号继电器5.连接片
五、变压器纵差动保护
对于容量较大的变压器,应装设电流纵差动保护。
因为变压器过电流
保护具有一定时限,动作不够迅速,变压器速断保护虽然动作迅速,但动
作电流整定较大,对于轻微的内部故障不能反应,而且在变压器内部,靠
近二次出线还存在死区,即速断保护不起作用。
变压器纵差保护的动作原理如图7—6所示。
图中(a)表示变压器保
护范围外部故障时的电流分布图,(b)表示变压器保护范围内部故障时的
电流分布图。
从图中可见,当变压器保护范围外部故障时,流入继电器的
电流是变压器一、二次侧的两个电流之差。
如果适当选择一、二次侧变流
器,使变压器流过穿越性电流时,在一、二次变流器的副边出现接近相等
的电流,则流入继电器的电流I1一lⅡ接近为零,继电器不动作。
当变压器保护范围内部发生故障时,可能有两种情况,一种情况是变
压器只一侧加有电源,流入继电器的电流仅为I。
,如果故障电流足够大,
则电流I。
足以使差动继电器动作。
另一种情况,如果变压器两侧都有电源,则就有两个流动方向相反的
电流流入变压器,从图7—6(b)可见,这两个电流通过变流器后,流入
差动继电器时方向相同,两个电流相加,足以使继电器动作。
(a)外部故障(b)内部故障
图7—6变压器纵差动保护原理图
电力变压器纵差保护的动作电流按躲过二次回路断线、变压器空载投
运时激磁涌流和互感器二次电流不平衡,防止由此出现误动作来整定。
动
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作时间取0S。
电力系统中常用的Y,dll接线的变压器,由于三角形侧的电流比星
形侧的同一相电流,在相位上超前30。
,如果两侧电流互感器都按通常接
成星形接线,即使两侧电流互感器二次电流的数值相等,在差动保护回路
中也会出现不平衡电流。
为了消除此不平衡电流可采用相位补偿法,即将
变压器星形侧的电流互感器的二次侧接成三角形,而将变压器三角形侧的
电流互感器二次侧接成星形,从而将电流互感器二次侧的电流相位校正过
来.如图7—7所示。
图7-7Y,dll接线变压器纵差保护的接线图
六、变压器瓦斯保护
在油浸式变压器油箱内发生故障时,短路电流产生的电弧使变压器油
和绝缘材料分解,产生大量气体(含有瓦斯成分),从油箱向油枕流动,
能反应这种气流与油流而动作的保护称为瓦斯保护。
瓦斯保护的主要元件
为气体继电器,也称瓦斯继电器。
继电器整定好后,将它安装在变压器油
箱和油枕之间的联接管道中;并要注意使气体继电器上的箭头指向油枕的
一侧,否则气体继电器将失效。
瓦斯保护的原理接线如图7—8所示,气体继电器l上触点为轻瓦斯保
护.动作后发出延时信号。
继电器的下触点为重瓦斯保护,动作后经信号
继电器2起动出口中间继电器3,跳开变压器两侧断路器。
由于重瓦斯反
应油流流速的大小而动作,而油流的流速在故障过程中往往很不稳定,所
以重瓦斯动作后必须有自保持回路,以保证断路器能可靠跳闸,为了防止
变压器在换油或进行气体继电器试验时误动作,可通过连接片将重瓦斯暂
时接到信号回路运行。
图7—8瓦斯保护原理接线图
第三节电力线路保护
一、过电流保护
电力用户6kV~lOkV线路的继电保护,一般配置电流速断和过电流保
护、或加限时电流速断保护。
电力线路过电流保护的动作电流按躲过最大负荷电流整定,动作时间
的整定采取阶梯原则,即位于电源的上一级保护的动作时间要比下级保护
时间长。
这个时间上的差别,称为时限阶段差,考虑到作为后面相邻区段
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的后备保护,当后面相邻区段发生事故时,如果该相邻区段本身的继电保
护因故拒动,才由本区段过电流保护动作跳闸,因此需设置At=0.5s的时
限阶段差。
过电流保护的动作时间一般在1.0s~1.2s。
二、电流速断保护
电力线路电流速断保护是按躲过本线路末端最大短路电流来整定计
算。
因此,在靠近线路末端附近发生短路故障时,短路电流达不到动作
值,电流速断保护不会启动。
在本线路上电流速断保护保护不到的区域称
为死区。
在电流速断保护死区内发生短路事故时,一般由过电流保护动作
跳闸,因此过电流保护是电流速断保护的后备保护。
三、限时电流速断保护
由于电流速断保护具有可靠的选择性和速动性,因此多用作线路或电
气设备的主要保护。
电流速断保护的缺点是具有末端死区,不能保护全线
路。
过电流保护能保护全线路,但达不到速动性的要求,这时可以加一套
限时电流速断保护。
对于高压电力线路,限时电流速断保护的动作时间一
般取0.5s,动作电流按下式整定:
lDz=KKIfDz
式中:
,。
。
——限时电流速断保护动作电流;
K。
——可靠系数,取1.1~1.15;
,’。
。
——相邻线路的电流速断保护动作电流。
四、三段式电流保护
电流速断、限时电流速断和定时限过电流保护都是反应电流增大而动
作的保护装置。
电流速断保护能快速切除线路首端故障,但不能保护本线
路全长,限时电流速断不能保护到下线路的末端,过电流保护能保护本线
路及下线路全长但动作时间较长。
为保证快速而有选择地切除故障,把这
三种保护组合构成三段式电流保护。
也可采用电流速断和过电流保护,或
限时电流速断和定时限过电流保护构成两段式电流保护。
电流速断称为第
1段,限时电流速断为第Ⅱ段,过电流为第Ⅲ段。
三段式电流保护的原理如图7—9所示,图中各元件均以完整的图形符
号表示,有交流和直流回路,图中所示的接线是广泛应用于中性点不接地
或非直接接地系统电力线路的两相不完全星形接线。
接于A相的阶段式电
流保护由继电器1KA、KM、1KS组成l段,3KA、1KT、2KS组成ll段
5KA、2KT、3KS组成Ⅲ段。
接于C相的阶段式电流保护由继电器2KA
KM、1KS组成l段,4KA、1KT、2KS组成Ⅱ段,6KA、2KT、3KS组成lll
段。
为使保护接线简单,节省继电器,A相与C相共用其中的中间继电
器、信号继电.器及时间继电器.。
例7—9阶段式电流保护归总式原理图接线图
归总式原理图的主要优点是便于阅读,能表示动作原理,有整体概
念;但原理图不便于现场查线及调试,接线复杂的保护原理图绘制、阅读
比较困难。
同时,原理图只能画出继电器各元件的连线,但元件内部接
线、引出端子、回路标号等细节不能表示出来,所以还要有展开式原理图
和安装图。
展开式原理图:
以电气回路为基础,将继电器和各元件的线圈、触点
按保护动作顺序,自左而右、自上而下绘制的接线图,简称展开图,如图
7—10所示。
展开图的特点是分别绘制保护的交流电流回路、交流电压回路、直流回
路及信号回路。
各继电器的线圈和触点也分开,分别画在它们各自所属的回
路中,并且属于同一个继电器或元件的所有部件都注明同样的符号。
所有继
电器元件的图形符号按国家标准统一编制。
绘制展开图时应遵守下列规则:
(1)回路的排列次序,一般是先交流电流、交流电压回路,后是直流
回路及信号回路。
(2)每个回路内,各行的排列顺序,对交流回路按a、b、c相序排
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图7—10阶段式电流保护展开图接线图
列,直流回路按保护的动作顺序自上而下排列。
(3)每一行中各元件(继电器的线圈、触点等)按实际顺序绘制。
以图7—9为例说明原理图绘制成图7—10的展开图。
首先画交流电流
回路,交流电从电流互感器TAa出来,经电流继电器1KA、3KA、5KA的
线圈流到中线形成回路,同理从TAc流出的交流经2KA、4KA、6KA流到
中线形成回路。
其次,画直流回路,将属于同一回路的各元件的触点、线
圈等按直流电流经过的顺序连接起来。
如“+KM”-lKA—KM-
“-KM”等。
这样就形成了展开图的各行,各行按动作先后顺序由上而下
垂直排列,形成直流回路展开图,为便于阅读,在展开图各回路的右侧还
常加上一个文字说明表,以说明各行的性质或作用,如“电流速断”、“跳
闸回路”等,最后绘制信号回路,过程同上。
阅读展开图时,先交流后直流再信号,自上而下,从左到右,层次分
明。
展开图对于现场安装、调试、查线都很方便,在生产中应用广泛。
五、低电压保护和电流方向保护
除了限时电流速断保护外,35kV及以上的电力线路有时还设置低电压
保护。
因为电力线路发生短路事故时,母线电压不正常,会下降,三相电
压可能不平衡,通过低电压继电器来反映该现象,以达到快速跳闸的
目的。
对于两侧都有电源,而且能同时供电的电力线路,例如两侧都有电源
的环网线路,通常都设置方向继电器,用以判别电流方向,使事故停电范
围限制在最小区域内。
这类保护称为方向保护,例如方向过电流保护,或
方向电流速断保护等。
六、高压电动机保护
(一)高压电动机的故障和异常运行状态
高压电动机通常指3kV~10kV供电电压的电动机,运行中可能发生的
主要故障有电动机定子绕组的相间短路故障(包括供电电缆相问短路故
障)、单相接地短路以及一相绕组的匝问短路。
电动机最常见异常运行状
态有:
起动时间过长、一相熔断器熔断或三相不平衡、堵转、过负荷引起
的过电流、供电电压过低或过高。
定子绕组的相问短路是电动机最严重的故障,将引起电动机本身绕组
绝缘严重损坏、铁芯烧伤,同时,将造成供电电网电压的降低,影响
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- 高压 电工 教材 第七