繼電保護及自動裝置基本知識

1、繼電保護及自動裝置基本知識蔡鑫貴第一章 電力系統(tǒng)自動裝置發(fā)電廠、變電所電氣主接線設(shè)備運行的控制與操作的自動裝置，是直接為電力系統(tǒng)安全、經(jīng)濟和保證電能質(zhì)量服務(wù)的基礎(chǔ)自動化設(shè)備。電氣設(shè)備的操作分為正常操作和反事故操作兩種類型：例如按照運行計劃發(fā)電機并網(wǎng)運行的操作為正常操作；電網(wǎng)突然發(fā)生事故，為防止事故擴大的緊急操作為反事故操作。針對電力系統(tǒng)的系統(tǒng)性事故采取相應(yīng)對策的自動操作裝置稱為電力系統(tǒng)安全自動裝置。在發(fā)電廠中，常見的自動裝置為：實現(xiàn)同步發(fā)電機并入電網(wǎng)的同期裝置；實現(xiàn)對系統(tǒng)電壓、無功功率分配的控制及提高同步發(fā)電機并聯(lián)運行穩(wěn)定性的勵磁控制系統(tǒng)；實現(xiàn)對發(fā)電機有功功率及系統(tǒng)頻率調(diào)整的調(diào)速器系統(tǒng)（一次調(diào)

2、整）。第二章 電力系統(tǒng)繼電保護第一節(jié) 繼電保護的基本任務(wù)及基本要求一、繼電保護基本概念在電力系統(tǒng)中，由于雷擊或鳥獸跨接電氣設(shè)備、設(shè)備制造上的缺陷、設(shè)計和安裝的錯誤、檢修質(zhì)量不高或運行維護不當?shù)仍?，往往發(fā)生各種事故；在電力系統(tǒng)運行的過程中，存在著如過負荷運行等的不正常運行狀態(tài)。無論是電力系統(tǒng)發(fā)生事故還是處于不正常運行狀態(tài)，都將對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運行、電力設(shè)備的安全以及電能質(zhì)量產(chǎn)生不同程度的影響。繼電保護裝置，就是指反應(yīng)電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。繼電保護裝置是保證電力元件安全運行的基本裝備，任何電力元件不得在無繼電保護的狀態(tài)下運行；電力

3、系統(tǒng)安全自動裝置則用以快速恢復(fù)電力系統(tǒng)的完整性，防止發(fā)生或中止已開始發(fā)生的足以引起電力系統(tǒng)長期大面積停電的重大系統(tǒng)事故，如電力系統(tǒng)失去穩(wěn)定、頻率崩潰或電壓崩潰等。二者是一種互相配合的關(guān)系。二、繼電保護的基本任務(wù)1發(fā)生故障時，自動、迅速、有選擇地將故障元件(設(shè)備)從電力系統(tǒng)中切除，使非故障部分繼續(xù)運行。2發(fā)生不正常運行狀態(tài)，為保證選擇性，一般要求保護經(jīng)過一定的延時，并根據(jù)運行維護條件(如有無經(jīng)常值班人員)，而動作于發(fā)出信號(減負荷或跳閘)，且能與自動重合閘相配合。三、電力系統(tǒng)對繼電保護的基本要求對電力系統(tǒng)繼電保護的基本性能要求是：選擇性、速動性、靈敏性和可靠性。1. 選擇性是指保護裝置動作時，僅

4、將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使停電范圍盡量縮小，以保證系統(tǒng)中的無故障部分仍能繼續(xù)安全運行；2. 速動性指的是在發(fā)生故障時，保護裝置能迅速動作切除故障，從而縮小故障范圍，減輕短路引起的破壞程度，減小對用戶工作的影響，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性；3. 靈敏性是指對保護范圍內(nèi)發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)的反應(yīng)能力；4. 可靠性是指在規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生了屬于它應(yīng)該動作的故障時動作，其他不屬于它應(yīng)該動作的情況下，則不應(yīng)該誤動作。這些要求之間，有的相輔相成，有的相互制約，需要針對不同的使用條件，分別地進行協(xié)調(diào)，最終達到 “四統(tǒng)一”。第二節(jié) 繼電保護的基本原理和保護裝置的組成一、繼電保護的基本原理繼電保護的原理是利用被

5、保護線路或設(shè)備故障前后某些突變的物理量為信息量，當突變量達到一定值時，起動邏輯控制環(huán)節(jié)，發(fā)出相應(yīng)的跳閘脈沖或信號。1、 利用基本電氣參數(shù)的區(qū)別發(fā)生短路后，利用電流、電壓、線路測量阻抗等的變化，可以構(gòu)成如下保護：圖21 單側(cè)電源線路1） 過電流保護。反映電流的增大而動作，如圖2-1所示，若在BC段上發(fā)生三相短路，則從電源到短路點d之間均將流過很大的短路電流Id，可使保護2反映這個電流而動作于跳閘；2） 低電壓保護。反應(yīng)于電壓的降低而動作，如圖2-1，短路點d的電壓Ud降到零。各變電所母線電壓都有所下降，可以使保護2反應(yīng)于這個下降的電壓而動作；3） 距離保護(或低阻抗保護)。反應(yīng)于短路點到保護安裝

6、地之間距離(或測量阻抗的減小)而動作，在圖2-1中，設(shè)以Zd表示短路點到保護2(即變電所B母線)之間的阻抗，則B母線上殘留的電壓為U（B）=ZdId即Zd就是在線路始端的測量阻抗，它的大小正比于短路點到保護2之間的距離。2、 利用內(nèi)部故障和外部故障時被保護元件兩側(cè)電流相位(或功率方向)的差別圖2-2 雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)(a) 正常運行情況；(b)線路AB外部短路情況 ；(c)線路AB內(nèi)部短路情況如圖2-2所示雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)：我們統(tǒng)一規(guī)定電流的正方向是從母線流向線路?，F(xiàn)在來分析被保護的元件線路AB的各種情況。正常運行時，A、B兩側(cè)電流的大小相等相位相差180°；當線路AB外部故障時，A、B兩側(cè)

7、電流仍大小相等，相位相差180°；當線路AB內(nèi)部短路時，A、B兩側(cè)電流大小不相等，在理想情況下(兩側(cè)電勢同相位且全系統(tǒng)的阻抗角相等)，兩電流同相位。從而可以利用電氣元件在內(nèi)部故障與外部故障(包括正常運行情況)時，兩側(cè)電流相位或功率方向的差別可以構(gòu)成各種差動原理的保護(內(nèi)部故障時保護動作)，如縱聯(lián)差動保護、相差高頻保護、方向高頻保護等。3、 不對稱分量是否出現(xiàn)電氣元件在正常運行(或發(fā)生對稱短路)時，負序分量和零序分量為零；在發(fā)生不對稱短路時，一般零序和負序都較大。因此，根據(jù)這些分量的是否存在可以構(gòu)成零序保護和負序保護。此種保護裝置都具有良好的選擇性和靈敏性。4、 反應(yīng)非電氣量的保護反應(yīng)

8、變壓器油箱內(nèi)部故障時所產(chǎn)生的氣體而構(gòu)成瓦斯保護；反應(yīng)于電動機繞組的溫度升高而構(gòu)成過負荷保護。二、繼電保護裝置的組成繼電保護的種類雖然很多。但是在一般情況下，都是由三個部分組成的，即測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分，其原理結(jié)構(gòu)如圖2-3所示。圖2-3 繼電保護裝置的原理結(jié)構(gòu)圖1、 測量部分測量部分是測量被保護元件工作狀態(tài)（正常工作、非正常工作或故障狀態(tài)）的個或幾個物理量，并和已給定的整定值進行比較，從而判斷保護是否應(yīng)該起動。2、 邏輯部分邏輯部分的作用是根據(jù)測量部分各輸出量的大小、性質(zhì)、出現(xiàn)的順序或它們的組合，使保護裝置按一定的邏輯程序工作，最后傳到執(zhí)行部分。3、 執(zhí)行部分執(zhí)行部分的作用是根據(jù)邏輯部

9、分送來的信號，最后完成保護裝置所擔負的任務(wù)，如發(fā)出信號，跳閘或不動作等。三、繼電保護裝置元件一套完整的繼電保護裝置一般由負責采集一次設(shè)備電氣量的測量元件、反應(yīng)一個或多個故障量而動作的繼電器元件，組成邏輯回路的時間元件和輸入輸出回路的中間元件等組成。1、 測量元件1） 電壓互感器(Potential Transformer，PT)電壓互感器是一種能將高電壓按比例轉(zhuǎn)換為低電壓的電力設(shè)備，可向監(jiān)控、保護等系統(tǒng)提供所需的電壓量。它可以將一次設(shè)備與二次控制回路分開，從而更好地實現(xiàn)對一次設(shè)備的監(jiān)視及控制。實際中，可將其看成是一個內(nèi)阻極小的電壓源，正常運行時負載阻抗很大，相當于開路狀態(tài)，二次側(cè)僅有很小的負載

10、電流；當二次側(cè)短路時，負載阻抗為零，則產(chǎn)生很大的短路電流，會將電壓互感器燒壞。因此在實際中，運行中的PT二次側(cè)嚴禁短路！2） 電流互感器（Current Transformer，CT）電流互感器是將大電流按比例轉(zhuǎn)換為小電流的電力設(shè)備，可向監(jiān)控、保護等系統(tǒng)提供所需的電流量。與PT一樣，它也可將一次設(shè)備與二次控制回路分開。實際中，可將 CT看成一個電流源。電流互感器在正常運行時，二次電流產(chǎn)生的磁通勢對一次電流產(chǎn)生的磁通勢起去磁作用，勵滋電流很小，鐵芯中的總磁通很小，二次繞組的感應(yīng)電動勢不超過幾十伏。如果二次側(cè)開路，二次電流的去磁作用消失，其一次電流完全變?yōu)閯畲烹娏鳎痂F芯內(nèi)磁通劇增。鐵芯處于高度

11、飽和狀態(tài)，加之二次繞組的匝數(shù)很多，根據(jù)電磁感應(yīng)定律E=4.44fNBS，就會使二次繞組兩端產(chǎn)生很高(甚至可達數(shù)干伏)的電壓，不但可能損壞二次繞組的絕緣，而且將嚴重危及人身安全；再者，由于磁感應(yīng)強度劇增，使鐵芯損耗增大，嚴重發(fā)熱，甚至燒壞絕緣。因此，運行中的CT二次側(cè)嚴禁開路！鑒于以上原因，CT的二次回路中不能裝設(shè)熔斷器。2、 繼電器1) 按在繼電保護中的作用，可分為測量繼電器和輔助繼電器兩大類。（1） 測量繼電器能直接反應(yīng)電氣量的變化。按所反應(yīng)電氣量的不同，又可分為電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、阻抗繼電器、頻率繼電器以及差動繼電器等。（2） 輔助繼電器可用來改進和完善保護的功能。按其

12、作用的不同，可分為中間繼電器間繼電器以及信號繼電器。2) 繼電器按結(jié)構(gòu)型式分類，目前主要有電磁型、感應(yīng)型、整流型以及靜態(tài)型。3) 幾種常見的繼電器：(1) 電磁型電流繼電器對于定時限過電流保護和電流速斷保護來說，電磁型電流繼電器用得最多。能使過電流繼電器開始動作的最小電流稱為過電流繼電器的動作電流；在繼電器動作之后，當電流均勻減小時，使繼電器可動觸點開始返回原位的最大電流稱為過電流繼電器的返回電流。返回電流除以動作電流可得： KFH= IFH/ IDZ式中 KFH一返回系數(shù)； IFH返回電流；IDZ動作電流。過電流繼電器的動作電流總是大于返回電流，因此返回系數(shù)總是小于1。過電流繼電器的返回系數(shù)

13、要求在0.85一0.9之間，如低于0.85則認為不合格(2) 電磁型電壓繼電器電壓繼電器有過電壓繼電器和低電壓繼電器之分；過電壓繼電器和過電流繼電器一樣，返回系數(shù)不低于0.85，一般情況下也不宜高于0.90。低電壓繼電器的動作電壓，是指在繼電器線圈上施加額定電壓后，逐漸降低電壓至繼電器開始動作時的最高電壓；而其返回電壓，是指繼電器動作后，逐漸升高電壓時，繼電器可動觸點開始返回原來位置的最低電壓。由于返回電壓大于動作電壓，因此返回系數(shù) KFH= UFH/ UDZ>1（低電壓繼電器的返回系數(shù)要求不大于1.2）式中KFH一返回系數(shù)；UFH返回電壓；UDZ 動作電壓。(3) 電磁型時間繼電器電磁

14、型時間繼電器可在繼電保護裝置上建立所需要的時限。(4) 電磁型中間繼電器中間繼電器在繼電保護裝置中，用以增加觸點數(shù)量及觸點容量，也可使觸點閉合或斷開時帶有不大的延時(0.40.8s)，或者通過繼電器的自保持，以適應(yīng)保護裝置的需要。中間繼電器不僅應(yīng)該在額定電壓時能夠可靠動作，而且在直流電源電壓有可能比額定值低的情況下，也能夠可靠動作，所以中間繼電器動作電壓約為額定電壓的70。瞬時動作的中間繼電器在額定電壓下常開點閉合時間約為0.05一0.06s，返回時間約為0.01一0.02s。中間繼電器的返回系數(shù)較低，約為0.4，但不會影響它的動作可靠性，因為中間繼電器返回時，它的線圈上的工作電壓都是突然消失

15、到零的。(5) 電磁型信號繼電器在繼電保護裝置中，信號繼電器廣泛用來發(fā)出整套保護裝置或者保護裝置中某一回路的動作信號。根據(jù)信號繼電器所發(fā)出的信號，值班人員就能夠很方便地分析事故和統(tǒng)計保護裝置正確動作的次數(shù)。為了便于值班人員查明繼電器發(fā)出的信號性質(zhì)和種類，或者判斷出導(dǎo)致斷路器跳閘的原因，要求信號指示不能隨電氣量的消失而消失，應(yīng)有機械的或電氣的自保持。因此，信號繼電器應(yīng)制成手動復(fù)歸式的。(6) 瓦斯繼電器瓦斯繼電器主要用于油浸變壓器的保護裝置中。變壓器油箱內(nèi)氣體的產(chǎn)生和油向油枕方向的流動都可以作為變壓器內(nèi)部故障的特征。利用這些特征構(gòu)成的變壓器保護稱瓦斯保護。瓦斯保護反應(yīng)這些特征的基本元件是瓦斯繼電

16、器。4）繼電器的符號表示（如表21所示） 繼電器以K開頭，后面的字母表示該繼電器的作用。第三節(jié) 電力系統(tǒng)主要設(shè)備的保護配置一、發(fā)電機保護配置1、 發(fā)電機可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài)電力系統(tǒng)中運行的發(fā)電機，小型的為612Mw，大型的為200600Mw。由于發(fā)電機的容量相差懸殊，在設(shè)計、結(jié)構(gòu)、工藝、勵磁乃至運行等方面都有很大差異。這就使發(fā)電機及其勵磁回路可能發(fā)生的故障、故障幾率和不正常工作狀態(tài)有所不同。(1) 可能發(fā)生的主要故障：定子繞組相間短路；定子繞組一相匝間短路；定子繞組對地絕緣破壞引起的單相接地；轉(zhuǎn)子繞組(勵磁回路)接地；轉(zhuǎn)子勵磁回路低勵(勵磁電流低，靜穩(wěn)極限所對應(yīng)的勵磁電流)、失去勵磁

17、。(2) 主要的不正常工作狀態(tài)：過負荷；定子繞組過電流；定子繞組過電壓(水輪發(fā)電機、大型汽輪發(fā)電機)；三相電流不對稱；失步(大型發(fā)電機)；逆功率；過勵磁；斷路器斷口閃絡(luò)；非全相運行等。2、 發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)的保護及其作用對于發(fā)電機可能發(fā)生的故障和不正常工作狀態(tài)，應(yīng)根據(jù)發(fā)電機的容量有選擇地裝設(shè)以下保護：(1) 縱聯(lián)差動保護：為定子繞組及其引出線的相間短路保護。(2) 橫聯(lián)差動保護：為定子繞組一相匝間短路保護，只有當一相定子繞組有兩個及以上并聯(lián)分文而構(gòu)成兩個或三個中性點引出端時，才裝設(shè)該種保護。(3) 單相接地保護：為發(fā)電機定子繞組的單相接地保護。(4) 勵磁回路接地保護：為勵磁回路的接地故障保護，分

18、為一點接地保護和兩點接地保護兩種。水輪發(fā)電機都裝設(shè)一點接地保護，動作于信號。(5) 低勵、失磁保護：為防止大型發(fā)電機低勵(勵磁電流低于靜穩(wěn)極限所對應(yīng)的勵磁電流)或失去勵磁(勵磁電流為零)后，從系統(tǒng)中吸收大量無功功率而對系統(tǒng)產(chǎn)生不利影響，100Mw及以上容量的發(fā)電機都裝設(shè)這種保護。(6) 過負荷保護：發(fā)電機長時間超過額定負荷運行時作用于信號的保護。(7) 定子繞組過電流保護：當發(fā)電機縱差保護范圍外發(fā)生短路，而短路元件的保護或斷路器拒絕動作時，為了可靠切除故障，則應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)外部短路的過電流保護：這種保護兼作縱差保護的后備保護。(8) 定子繞組過電壓保護：中小型汽輪發(fā)電機通常不裝設(shè)過電壓保護；水輪發(fā)

19、電機和大型汽輪發(fā)電機都裝設(shè)過電壓保護，以切除突然甩去全部負荷后引起定子繞組過電壓。(9) 負序電流保護：電力系統(tǒng)發(fā)生不對稱短路或者三相負荷不對稱(如電氣機車、電弧爐等單相負荷的比重太大)時，發(fā)電機定子繞組中就有負序電流。該負序電流產(chǎn)生反向旋轉(zhuǎn)磁場，相對于轉(zhuǎn)子為兩倍同步轉(zhuǎn)速，因此在轉(zhuǎn)于中出現(xiàn)100Hz的倍頻電流，它會使轉(zhuǎn)子端部、擴環(huán)內(nèi)表面等電流密度很大的部位過熱，造成轉(zhuǎn)子的局部灼傷，因此應(yīng)裝設(shè)負序電流保護，中小型發(fā)電機多裝設(shè)負序定時限電流保護；大型發(fā)電機多裝設(shè)負序反時限電流保護，其動作時限由發(fā)電機轉(zhuǎn)子承受負序發(fā)熱的能力決定，不考慮與系統(tǒng)保護配合。(10) 失步保護：大型發(fā)電機應(yīng)裝設(shè)反應(yīng)系統(tǒng)振蕩過

20、程的失步保護。中小型發(fā)電機都不裝設(shè)失步保護、當系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，由運行人員判斷，根據(jù)情況用人工增加勵磁電流、增加或減少原動機出力、局部解列等方法來處理。二、變壓器保護配置變壓器的故障可分為內(nèi)部故障和外部故障兩種。內(nèi)部故障主要是：相間短路、繞組的匝間短路和單相接地短路。發(fā)生內(nèi)部故障是很危險的，因為短路電流產(chǎn)生的電弧不僅會破壞繞組的絕緣，燒毀鐵芯，而且由于絕緣材料和變壓器油受熱分解而產(chǎn)生的大量氣體，還可能引起變壓器油箱爆炸。變壓器最常見的外部故障是引出線上絕緣套管的故障，這種故障可能導(dǎo)致引出線的相間短路和接地(對變壓格外殼)短路。變壓器的不正常工作情況主要有：由于外部短路和過負荷引起的過電流，油面的

21、極度降低和電壓升高等。根據(jù)上述故障情況，變壓器一般應(yīng)裝設(shè)下列保護：(1) 防御變壓器油箱內(nèi)部故障和油面降低的瓦斯保護。(2) 防御變壓器繞組和引線的多相短路、中性點直接接地電網(wǎng)側(cè)繞組和引出線的接地短路以及繞組匝間短路的縱差動保護或電流速斷保護。(3) 防御外部相間短路并作瓦斯保護和縱差動保護（或電流速斷保護）后備的過電流保護(或復(fù)合電壓起動的過電流保護或保護或負序電流保護)。(4) 防御中性點直接接地系統(tǒng)中變壓器外部接地短路的零序電流保護。(5) 防御對稱過負荷的過負荷保護。以上第(2)、(3)、(4)項的保護及重瓦斯保護部動作于跳閘；第(5)項及第(1)中輕瓦斯保護只動作于信號。三、輸電線路

22、保護配置線路保護的任務(wù)是有選擇地、快速地、可靠地切除輸、配電線路發(fā)生的各種故障，根據(jù)電網(wǎng)的形式及其發(fā)生故障的種類，線路保護有下述幾種：(1) 過流保護。輸、配電線路在運行中往往會發(fā)生相間短路，其重要特征是線路中的電流劇烈地增加。利用電流增加這一特點設(shè)計的保護裝置稱為過流保護。(2) 在多電源供電或單電源供電的環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，當采用過流保護不能滿足選擇性要求時，可采用方向過流保護。方向過流保護不但能反應(yīng)電流的大小，而且能反應(yīng)功率傳遞的方向。(3) 接地保護。單相接地是輸、配電線路常見的故障之一。對中點直接接地的電網(wǎng)，發(fā)生單相接地，則為單相短路，短路電流很大，因此，通常在這種電網(wǎng)中利用單相接地電流的零序分量，構(gòu)成零序電流保護。對小電流接地的電網(wǎng)，發(fā)生單相接地時，接地電流為電容電流，由于其值較小，不會對電網(wǎng)造成很大的威脅，按運行規(guī)程要求，可以帶故障運行2h。在運行中查明并消除故障。因此，小接地電流中利用單相接地電容電流構(gòu)成的接地保護裝置，常作用于信號，而不作用于跳閘。(4