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保护班2011-1课件


课程一 一、培训项目:电力系统继电保护原理
二、 培训概要:单侧电源网络相间短路的电流、电压保护(电磁型 电流继电器工作原理、电流速断保护原理) 三、 培训时间:2011 年 1 月 四、 授课人:刘智成 五、 培训对象:保护班 六、 培训提纲 第二章 电网的电流、电压保护和方向性电流、电压保护 第一节单侧电源网络相间短路的电流、电压保护 一、 电磁型电流继电器工作原理

二、 电流速断保护原理 七、 培训内容 第一节单侧电源网络相间短路的电流、电压保护 一、电磁型电流继电器工作原理 电流继电器是实现电流保护的基本元件, 也是反应于一个电气量而 动作的简单继电器的典型:因此,将通过对它的分析来说明一般继电 器的工作原理和主要特性。 电磁型电流继电器的工作原理可用图 2—1(a)说明。在线圈 l 中 的电流,Ik 产生磁通Φ ,它将通过由铁心、空气隙和可动舌片组成 的磁路。舌片被磁化后,即与铁心的磁极产生电磁吸力,企图吸引舌 片向左转动,在它上面装有继电器的可动触点 5,当电磁吸力足够大

时,即可吸动舌片并使触点接通,称为继电器“动作” 。

(a)

(b)

图 2—1 电磁型电流继电器的原理结构和转矩曲线 (a)原理结构图 l 一线圈;2 一铁心;3 一空气隙;4—被吸引 的可动舌片;5 一可动触点;6 一固定触点;7 一弹簧;8 一止档 (b)电磁转矩及反作用转矩与舌片行程的关系 l 一起动电磁转

矩;2 一起动时的反作用转矩;3~返回时的反作用转矩;4 一返回时 的电磁转矩 电磁吸力与Φ 2 成正比。 如果假定磁路的磁阻全部集中在空气隙中, 设δ 表示气隙的长度,则磁通Φ 就与 Ik 成正比而与δ 成反。这样, 由电磁吸力作用在舌片上的电磁转矩即可表示为 Me=K1Φ 2= K2IK2/δ 式中 K1、K2——比例常数。 正常情况下,线圈中流人负荷电流,为保证继电器不动作,可动 舌片受弹簧 7 反作用力的控制而保持在原始位置, 此时弹簧产生的力 矩 Mth!称为初拉力矩,对应此时的空气隙长度为δ 1。由于弹簧的张力 与其伸长成正比,因此,当舌片向左移动而使δ 减小时,例如由δ
1 2

(2-1)

减小到δ ,则由弹簧所产生的反抗力矩即可表示为 Mth=Mthl+K3(δ 1- δ ) 式中 K3——比例常数。 此外,在舌片转动的过程中,还必须克服由摩擦力所产生的摩擦 转矩 Mf,其值可认为是一个常数,不随δ 的改变而变化。因此,阻 碍继电器动作的全部机械反抗转矩就是 Mth+Mf。 为使继电器动作并闭合其触点,就必须增大电流 IK ,以增大电 磁转矩 Me。继电器能够动作的条件是 Me≥Mth+Mf (2—3) (2—2)

满足这个条件的,能使继电器动作的最小电流值,称为及继电器 的动作电流(习惯上又称为起动电流), Ik.act 表示, 以 对应此时的电磁 转矩,根据式(2—1)可表示为 Mact = K2IK.act 2/δ
2

(2—4)

图 2—1(b)表示了当舌片由起始位置(气隙为δ 1)转动到终端 位置(气隙为δ 2)时,电磁转矩及机械反抗转矩与行程的关系曲线。 当 Ik.act 不变时,随着δ 的减小,Mact 与其平方倍成反比增加,按曲线 1 变化,而机械反抗转矩则按线性关系增加,如直线 2 所示,因此 在行程的末端将出现一个剩余转矩肘, ,它有利于保证继电器触点的 可靠接触。 在继电器动作之后,为使它重新返回原位,就必须减小电流以减 小电磁转矩,然后由弹簧的反作用力把舌片拉回来。在这个过程中, 摩擦力又起着阻碍返回的作用。因此继电器能够返回的条件是

Me≤Mth-Mf

(2—5)

对应这一电磁转矩、 能使继电器返回原位的最大电流值称为继电器的 返回电流,以 IK..re 表示,代表式(2—1),则得对应于此时的电磁转 矩 Mre= K2IK..re 2/δ
2

(2—6)

在返回过程中,转矩与行程的关系如图 2—1(b)中的直线 3 和曲线 4。 由以上分析可见,当,IK.< IK.act。时,继电器根本不动作,而当, IK≥IK.act。时,则继电器能够突然迅速的动作,闭合其触点;在继电 器动作以后,只当电流减小到,IK.≤ IK..re 时,继电器才能立即突 然地返回原位,触点重新打开。无论起动和返回,继电器的动作都是 明确干脆的,它不可能停留在某一个中间位置,这种特性我们称之为 “继电特性” 。 返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数,可表示为 Kre= IK..re / IK.act (2—7)

由于在行程末端存在剩余转矩以及摩擦转矩的影响, 电磁型过 电流继电器(以及一切过量动作的继电器)的返回系数恒小于 l。在实 际应用中, 常常要求过电流继电器有较高的返回系数, 0. 如 85~0. 9。 为此可以采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩, 改善磁路系统的结构以适 当减小剩余转矩等方法来提高返回系数。

图 2—2 旋转舌片式电流继电器 l 一电磁铁;2 一可动衔铁;3-线圈;4-触点;5-反作用弹簧; 6-止档 图 2—2 示出的电网中实际使用了半个世纪的电磁型电流继电器 的结构。 它用 Z 形旋转舌片代替了转动衔铁, 由于舌片的 Z 形结构及磁极 的特殊形状使得在δ 变化时,尤其是在如附近时,磁阻变化较小,因 此,这种继电器的剩余转矩较小,返回系数较高。 继电器起动电流的调整,一般是利用改变线圈的匝数和弹簧的张 力来实现。 二、电流速断保护原理 根据对继电保护速动性的要求,保护装置动作切除故障的时间, 必须满足系统稳定和保证重要用户供电可靠性。在简单、可靠和保证 选择性的前提下,原则上总是越快越好。因此,在各种电气元件上, 应力求装设快速动作的继电保护。 对于仅反应于电流增大而瞬时动作 的电流保护,称为电流速断保护。 2—9(a)所示的网络接线为例,假定在每条线路上均装有电流速断保 护, 则当 A 一 B 上发生故障时, 希望保护 2 能瞬时动作 而当线路 B—C

上故障时,希望保护 I 能瞬时动作,它们的保护范围最好能达到本线 路全长的 l00%。但是这种愿望是否能实现需要作具体分析。 以保护 2 为例,当本线路末端 kl 点短路时,希望速断保护 2 能 够瞬时动作切除故障, 而当相邻线路 B—C 的始端(习惯上又称为出口 处) k2 点短路时,按照选择性的要求,速断保护 2 就不应该动作, 因为该处的故障应由速断保护 1 动作切除。但是实际上,kl 点和 k2 点短路时,从保护 2 安装处所流过短路电流的数值几乎是一样的。因 此,希望 k1 点短路时速断保护 2 能动作,而 k2 点短路时又不动作的 要求就不可能同时得到满足。同样地,保护 l 也无法区别 k3 和 k4 点 的短路。为解决这个矛盾可以有两种办法,通常都是优先保证动作的 选择性, 即从保护装置起动参数的整定上保证下一条线路出口处短路 时不起动,在继电保护技术中,这又称为按躲开下一条线路出口处短 路的条件整定。另一种办法就是在个别情况下,当快速切除故障是首 要条件时,就采用无选择性的速断保护,而以自动重合闸来纠正这种 无选择性动作,对此我们将在后面再进行分析。以下只讲有选择性的 电流速保护。 对反应于电流升高而动作的电流速断保护而言, 能使该保护装置 起动的最小电流值称为保护装置的起动电流, I’act 表示, 以 显然必须 当实际的短路电流 IK≥I’act 时,保护装置才能起动。保护装置的起动 值 I’act, ,是用电力系统一次侧的参数表示的,它所代表的意义是当 在被保护线路的一次侧电流达到这个数值时, 安装在该处的这套保护 装置就能够起动。

图 2—9 电流速断保护动作特性的分析 (a)网络接线图;(b)网络阻抗图;(C)动作情况 现在来分析在单侧电源情况下电流速断保护的整定计算原则。根 据电力系统短路的分析,当电源电势一定时,短路电流的大小决定于 Ik =Kk EФ / Z∑= Kk EФ / ZS+ ZK= Kk EФ / ZS+ β ZL (2-8)

式中 Kk——故障类型系数,对三相短路 Kk=1,对两相短路 Kk=√3/2; EФ ——系统等效电源的相电势; ZS——保护安装处到系统等效电源之间的阻抗,此阻抗将随 运行方式而变化; ZK——保护安装处到故障点之间的阻抗; ZL——被保护线路全长的阻抗,如线路 AB 可表示为 ZLAB,线 路 BC 可表示为 ZLBC 等; β ——ZK 与 ZL 之比值, 即β =ZK/ZL 表示故障点位置与线路全长 之比,0≤β ≤1。 在一定的系统运行方式下,EФ 和 ZS 等于常数,此时,Ik 将随 ZK 的增大而减小,因此可以经计算后绘出,Ik=f(L)的变化曲线,如图

2—9(b)、(c)所示。当系统运行方式及故障类型改变时,Ik 都将随之 变化。对每一套保护装置来讲,通过该保护装置的短路电流为最大的 方式,本书中称为系统最大运行方式,而短路电流为最小的方式,则 称为系统最小运行方式。对不同安装地点的保护装置,应根据网络接 线的实际情况选取其最大和最小运行方式。 在最大运行方式下(此时 ZS = ZS。min)三相短路时,通过保护装置的 短路电流为最大,而最小运行方式下(此时 ZS = ZS。max)两相短路时, 则短路电流为最小,这两种情况下短路电流的变化如图 2—9(c)中的 曲线 l 和Ⅱ所示。 为了保证电流速断保护动作的选择性,对保护 l 来讲,其起动电 流 I’act。1 必须整定得大于 k4 点短路时,可能出现的最大短路电流, 即在最大运行方式下变电所 C 母线上三相短路时的电流 Ik。C。max, 亦即 I’act。1>Ik。C。max 引入可靠系数 Kre1= 1.2~1.3,则上式即可写为 I’act。1= Kre1×Ik。C。max=K‘re1 EФ / ZS。min +ZL。BC (2—10) (2—9)

时保护 2 来讲,按照同样的原则,其起动电流应整定得大于 k2 点短 路时的最大短路电 Ik。B。max,即 I’act。1= K‘re1Ik。B。max= K‘re1 EФ / ZS。min +ZL。AB (2—11)

起动电流的整定值与 ZK 无关,所以在图 2—9 上是一条直线,它 与曲线Ⅰ和Ⅱ各有一个交。在交点以前短路时,由于短路电流大于起 动电流,保护装置都能动作。而在交点以后短路.由于短路电流小于 起动电流,保护将不能起动,由此可见,有选择性的电流速断保护不

可能保护本线路的全长。 因此,速断保护对被保护线路内部故障的反应能力(灵敏性),只 能用保护范围的大小来衡量, 此保护范围通常用线路全长百分数 a 来 表示。由图 2—9 可见,当系统为最大运行方式时,电流速断的保护 范围为最大,当出现其他运行方式或两相短路时,速断的保护范围都 要减小,而当出现系统最小运行方式下的两相短路时,电流速断的保 护范围为最小。 一般情况下,应按这种运行方式和故障类型来校验其保护范围。 现以保护 2 为例,进一步分析如下:在任一运行方式下,系统阻 抗为 ZS,显然 ZS。min< ZS < ZS。max,设其保护范围为 a,则在 aZL。AB。(一 般情况下可用 ZL 表示)处短路时, 其电流电流应与保护的整定值相等, 即 Ik=KKEФ / ZS+aZL=I’act。2=K‘re1 EФ / ZS。min +ZL 因此 a=KK(ZS。min +ZL)- K‘re1 ZS/ K‘re1 ZL= KK/ K‘re1- (K‘re1 ZS- KK ZS。min)/ K‘re1 ZL (2-13) (2-12)

由此可见,当系统运行方式变化越大时,即 ZS。较 ZS。min 大的越多, 以及被保护线路越短即 ZL 越小时, 就越小。 a 甚至没有保护范围(a=0) 分别如图 2—10 和 2—11 所示。

图 2—10 系统运行方式变化对电流速断保护的影响 保护范围 a=0 的条件应为 Zs≥KK/ K‘re1×(ZS。min +ZL) 设取 KK =√3/2,K‘re1=1.25,代人上式可得 Zs≥0.69(ZS。min +ZL) (2—14)

电流速断保护的单相原理接线如图 2—12 所示, 电流继电器接于电 流互感器 CT 的二次侧,它动作后起动中间继电器,其触点闭合后, 经串联信号继电器而接通断路器的跳闸线圈 Y,使断路器跳闸。接线 中采用中间继电器的原因是:

图 2 一 Il 被保护线路长短不同时,对电流速断保护的影响 (a)长线路;(b)短线路(a=0) (1)电流继电器的触点容量比较小,不能直接接通跳闸线圈 Y, 目此,应先起动中间继电器,然后再由中间继电器的触点(容量大) 去跳闸; (2)当线路上装有管型避雷器时,利用中间继电器来增大保护装置

的固有动作时间,以防止管型避雷器放电时引起速断保护吴误动作。 电流速断保护的主要优点是简单可靠,动作迅速,因而获得广泛 的应用。它的缺点是不可能保护线路的全长,并且保护范围直接受系 统运行方式变化的影响。为了克服这一缺点,可以考虑采用具有自适 应功能得电流速断保护。

图 2—12 电流速断保护的单相原理接线图


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