ch4_供电系统的保护

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,中国矿业大学信电学院电气工程研究所,供电技术电子课件,X,第4章 供电系统的保护,第一节 继电保护的基本概念,第二节,单端供电网络的保护,第三节 电力变压器的保护,第四节 低压配电系统的保护,第五节 供电系统的微机保护,第一节 继电保护的基本概念,供电系统在运行中，可能出现各种故障和不正常运行状态。,故障：,相间短路、接地短路，变压器、电动机一相绕组的匝间短路等。,不正常运行状态：,过负荷、小接地电流系统中的单相接地等。,故障原因：,外部原因： （如雷击、污闪等）,内部原因： （如绝缘老化、损坏等）,误操作：（运行时）,故障后果,:,损坏设备、缩短设备使用寿命；破坏系统运行的稳定性；用户电压下降，破坏工作稳定，影响产品质量；供电质量：电压、频率、谐波。,针对故障要求尽快将故障部分切除；,针对不正常运行状态，要求能够让值班人员知道。,继电保护装置,供电系统中常见的保护装置类型主要有如下三种：,(1)继电保护装置：适用于供电可靠性较高要求的高压供电系统中。,(2)熔断器保护：广泛适用于高、低压供电系统。由于装置简单经济，在供电系统中应用得相当普遍。但是它的断流能力较小，选择性差，熔体熔断后更换不方便，不能迅速恢复供电，因此在要求供电可靠性较高的场所不宜用。,(3)低压断路器保护：又称低压自动开关保护，由于低压断路器带有多种脱扣器，能够进行过电流、过负载、失电压和欠电压保护等，而且可作为控制开关进行操作，因此在对供电可靠性要求较高且频繁操作的低压供电系统中广泛应用。,1继电保护、继电保护装置及其任务,继电保护装置,:,是一种能反映供电系统中电气元件（线路、变压器、母线、用电设备等）发生故障或处于不正常运行状态、并动作于断路器跳闸或发出信号的自动装置。,继电保护,:,泛指继电保护的技术和由各种继电保护设备组成的保护系统。具体包括：继电保护的设计、配置、整定、调试等技术；从获取电量信息的互感器二次回路、经过继电保护装置、至断路器跳闸线圈的一整套设备。如需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。,1继电保护、继电保护装置及其任务,从继电保护装置的定义可看出，其两大任务：,发生故障时，自动、迅速、有选择地借助于断路器将故障部分从供电系统中切除；,（继电保护动作于断路器跳闸）,当设备出现不正常运行状态时，根据运行条件而动作于发出信号、减负荷或者跳闸。,（继电保护动作于发信号）,2继电保护的工作原理,供电系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流、电压间相位角的变化等。因此，利用故障时参数与正常运行时的差别，就可以构成不同原理和类型的继电保护。,分成两类：,反应电气量变化的保护,反映非电气量变化的保护。,反应电气量变化的保护原理：,利用短路时电流增大的特征，可构成,过电流保护,；,利用电压降低的特征，可构成,低电压保护,；,利用电压和电流比值的变化，可构成,阻抗（距离）保护,；,利用电流和电压之间相位关系的变化，可构成,方向保护,；,利用比较被保护设备各端电流大小和相位的差别可构成,差动保护,等。,反应非电气量变化的保护原理：,利用故障时变压器油分解所产生的气体，可构成,瓦斯保护,。,利用电动机绕组温度的升高，可构成,过负荷保护,或,过热保护,。,可利用任何,故障与正常运行状态下,有区别的信号来实现保护,3继电保护装置的构成,4对继电保护的基本要求,对作用于跳闸的继电保护，在技术上有四个基本要求：,可靠性,灵敏性,选择性,速动性,（1）可靠性,不误动；,不拒动。,可靠性是绝对要求的。装置不可靠还不如不装。,反应参数增加，如短路时电流增大,K,s=,I,kmin/,I,op,0,I,ca,I,op,I,kmin,I,kmax,I,动作区,I,kmin,保护区末端金属性短路时故障电流的最小计算值,Iop 保护装置的动作电流,故障区,（,1）对于反应故障时参数量增加的保护装置,例如：过电流保护的灵敏系数为,k,S,I,k,(n),I,op,I,k,(n),保护区内故障的最小短路电流值,I,op,保护装置动作电流（一次侧）,（2）灵敏性,保护装置对其保护区内发生故障或不正常运行状态的反应能力称为灵敏性，用灵敏系数（,k,s,）来衡量。,（2）对于反应故障时参数量降低的保护装置,例如：低电压保护的灵敏系数为,k,S,U,op,U,k,(n),U,k,(n),保护区内故障的最大残压值,U,op,保护装置动作电压（一次侧）,0 Ukmin Ukmax Uop U,N,U,U,op,保护装置的动作电压,U,kmax,保护区末段金属性短路时故障电压的最大计 算值,故障区,动作区,（3）选择性,当供电系统发生故障时，离故障点最近的保护装置应先动作，切除故障，而供电系统的其他无故障部分继续运行，满足这一要求的动作就叫有选择性。,k,点故障,QF,2,动作,K1,点短路时，保护只跳开,1QF,和,2QF,。,K3,点短路，断路器,1QF,6QF,均有短路电流，保护只应跳,6QF,。,K3,点短路时，,若,6QF,因本身失灵或保护拒动而不能跳开，此时,5QF,的保护应使,5QF,跳闸，,称为,远后备保护,。,（4）速动性,为了减小由于故障引起的损失，减少用户在故障时低电压下的工作时间，以及提高电力系统运行的稳定性，要求继电保护在发生故障时,尽快动作,将故障切除。,注意：,必须在满足选择性的基础上,四个基本要求之间的关系,四个方面相互联系又相互矛盾。,可靠性最重要。,灵敏性直接影响可靠性。,快速性是尽量要求的，有时不要求,选择性影响快速性。选择性通过装置的可靠性和时间的合理配合实现，能最大限度地减小停电范围。,继电器的定义和分类,按,动作原理：,电磁型,、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型、,微机型,等继电器。,按反应的物理量：,电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器和频率继电器等。,按作用：,起动,继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器和出口继电器等。,继电器是一种能自动执行断、续控制的部件，当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合，或电平由高变低、由低变高等，具有对被控电路实现“通”、“断”控制的作用。,5.继电器与继电特性,电磁式继电器,电磁式继电器,起动电流的调整方法：,（1）改变线圈匝数（串联，并联）,（2）改变弹簧张力,实验课上可进行调整,。,动作电流：,能使,继电器动作,的最小电流称为动作电流，以,I,op,表示。,返回电流：,能使,继电器返回,的最大电流为返回电流，以,I,re,表示。,返回系数：,过电流型：,k,re,= I,re,/,I,op,；,低电压型：,kre,=,Ure,/,Uop,；,低电压型其动作和返回概念与过电流相反：,动作电压,为能使低电压继电器动作即使其常闭接点闭合的最大电压；,返回电压,为能使低电压继电器返回即使其常闭接点断开的最小电压；,继电保护规定：过流继电器的不应低于,0.85,；低电压继电器的应不大于,1.25,。尽量接近于,1,。,电磁型继电器,电磁式电流继电器及其继电特性,动作电流,I,op,过电流继电器线圈中的使继电器动作的最小电流。,电磁式电流继电器的其动作特性如图所示。,返回电流,I,re,过电流继电器线圈中的使继电器由动作状态返回到起始位置的最大电流。,无论起动和返回，继电器的动作都是明确的，它不可能停留在某一个中间位置，这种动作特性常称之为“,继电特性,”。,动作时限（由时间继电器预先调整）与故障电流的大小无关，是固定的，所以其保护特性称为“,定时限特性,”。,电磁型,电压继电器,：,过电压、低电压,电磁型,时间继电器,在保护装置中起延时作用，以保证保护装置动作的选择性。,电磁型,中间继电器,的作用是为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量，也可以使触点闭合或断开时带有不大的延时,(0.4,0.8S),。,电磁型,信号继电器,用于各保护装置回路中，作为保护动作的指示器,其他电磁型继电器,感应式电流继电器,当继电器线圈中的电流大到一定数值时，其动作时间与通入电流的平方成反比，通入的电流越大，动作时间越短，这也就是感应式电流继电器的,“反时限特性”,。,当继电器线圈电流进一步增大到整定的速断电流,I,qb,时，呈现,“电流速断特性”,。,速断电流,I,qb,是指继电器线圈中的使电流速断元件动作的最小电流。,速断电流与感应元件的动作电流之比称速断电流倍数,n,qb,。,6、继电保护用的电流互感器,(1)电流互感器的10%误差曲线,电流互感器的电流误差是指测出的电流,k,TA,I,2,对实际电流,I,1,的相对误差百分值，即,规程规定：保护用电流互感器的电流误差范围为,10,。,所谓电流互感器的10%误差曲线，是指互感器的电流误差为10%时一次电流对其额定电流的倍数,k,=,与二次侧负荷阻抗 的关系曲线,(2)电流互感器的接线方式,电流互感器的接线方式是指作为相间短路的过电流保护用的电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。分为三种：,三相完全星形接线方式,两相不完全星形接线,两相电流差接线,接线系数,k,kx,：指通过继电器的电流,I,K,与电流互感器二次电流,I,TA.2,的比值，,即：,k,kx,I,K,I,TA.2,。,三相完全星形接线方式,三相完全星形接线方式,是用三台电流互感器与三只继电器对应连接的。可以反映任何形式短路故障。,所用保护元件最多。,k,kx, 1,两相不完全星形接线,两相不完全星形接线方式,是在 A、C两相装有电流互感器，分别与两只电流继电器相连接。可以反映除B相单相接地短路以外的所有故障。,可见：,k,kx, 1,两相电流差接线,两相电流差接线方式,由两台电流互感器和一只电流继电器组成。正常工作时，通过继电器的电流 为：,两相电流差接线的接线系数,不同的相间短路时，接线系数是不一样的。,正常和三相短路时接线系数为 ；,AC相短路时接线系数为2；,AB相或BC相短路时接线系数为1。,第二节单端供电网络的保护,单端供电网络，即全部负荷只能由一个电源来供电的网络。,GB50062,1992,电力装置的继电保护和自动装置设计规范,规定，供电线路的相间短路、单相接地或异常运行应设下述保护：,过电流保护,电流速断保护,低电压保护,中性点非直接接地系统中单相接地保护,过负荷保护,所谓定时限，是指过电流保护的动作时限是固定的，与通过其上电流的大小无关。,一、过电流保护,当流过被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号，这种继电保护称为过电流保护。,定时限过电流保护,电流继电器,1KA,与,2KA,、时间继电器,KT,和信号继电器,KS,1KA,、,2KA,是测量元件，用来判断通过线路电流是否超过预设值；,KT,为延时元件，它以适当的延时来保证装置动作有选择性；,KS,用来发出保护动作的信号 。,定时限过电流保护的原理图,(1) 定时限过电流保护的原理接线,定时限过电流保护装置,工作原理,定时限过电流保护动作电流整定,为保证在正常情况下过电流保护绝对不动作，显然保护装置的起动电流必须整定得大于该线路上出现的最大负荷电流；,同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复，负荷自起动电流作用下保护装置必须能够返回，其返回电流应大于负荷自起动电流。,一般情况下，负荷自起动电流大于最大负荷电流，因此往往以负荷自起动电流决定过电流保护的起动电流。,各级过电流保护中时间继电器KT的延时时限是按阶梯原则来整定的 。,定时限过电流保护动作时限整定,定时限过电流保护的动作时限整定和配合,为了保证前后两级保护装置动作的选择性，在后一级保护装置的线路首端,k,点发生三相短路时，前一级保护的动作时间应比后一级保护的动作时间要大一个时间差 ，对于定时限保护装置，一般取,0.5s（,对于微机型过电流保护，,常取0.35s）,。,(4) 过电流保护灵敏系数的校验,定时限过电流保护的灵敏系数是以其保护末端最小短路电流,I,kmin,与动作电流,I,op,之比,k,s,来衡量，要求,k,s,1.31.5,。,对于中性点不接地的供电系统，最小短路电流出现在,最小运行方式下末端两相短路,时的短路电流， 故 ：,=,说明：,越靠近电源动作时间,t,越长,缺点,；,属于后备保护；,t,与整定电流无关；,靠时间来保证保护的选择性。,定时限过电流保护装置,2.反时限过电流保护装置,反时限过电流保护就是通过保护装置的故障电流越大，动作时间越短，而故障电流越小，动作时间就越长。,这种保护装置由,GL,型电流继电器组成。,工作原理：在正常情况下，电流继电器通过正常工作电流，其常闭接点闭合，常开接点断开，断路器的跳闸线圈不会得电。,发生短路时，电流继电器,KA,中流过的电流增大，到达其动作值，常开接点闭合，接通,YR,，常闭接点断开，去掉分流使,YR,得电带动断路器跳闸,。,交流操作的反时限过电流,保护装置,反时限过电流保护的整定配合,a) 短路点距离与动作时间的关系 b) 反时限动作特性曲线,反时限过电流保护整定步骤,1）保护装置和动作电流I,op,.,kI,和I,op,.,k,的整定与定时限过电流保护一样。保护装置动作时限的整定，首先应从距离电源最远的保护装置开始。,2)根据已知的保护装置的继电器动作电流I,op,.,kI,和动作时限，选择相应的电流继电器的动作特性曲线。,3)根据线路,l,1,首端k,1,点的短路电流 ，计算出保护装置的继电器动作电流倍数,n,1,=,I,k1,(3),/,I,opk,。根据,n,1,在保护装置的特性曲线上查到保护装置在,k,1点短路时的实际动作时间t1，而线路,l,1其他各点短路时，保护装置的动作时间可以用同样的方法求得。这样便可画出线路,l,1中各点短路时保护装置的动作时间曲线。如图中曲线1所示。,4)根据k,1,点短路时流经保护装置的继电器的电流 ，计算出动作电流倍数,n,2,当k1点短路时，保护装置也将起动，为了满足保护装置动作的选择性，保护装置所需的动作时限t2应比保护装置I的动作时限大一个时限,t,n,2和,t,2的坐标交点为P，过P的特性曲线,为,保护装置的继电器动作特性曲线。由曲线又可得线路上其他各点短路时保护装置的时限特性，如图4-11a中的曲线2。从图中可知：当,k,1点发生短路时，其,t较线路,l,1上其他各地短路时小，所以，如果,k,1点短路的时限配合能达到要求，则其他各点短路时，必定能保证动作的选择性，这也是选择该点为配合点的原因。,3.定时限和反时限过电流保护的比较,定时限过电流保护的优点是：动作时间准确，容易整定。而且不论短路电流大小，动作时间是一定的，不会因短路电流小而动作时间长。,定时限过电流保护的缺点是：继电器数目较多，接线比较复杂。继电器触电容量小。在靠近电源处短路时，保护装置的动作时间太长。,定时限过电流保护的选择性是靠,纵向,动作时限阶梯原则来保证。,越靠近电源端，保护动作时间越长，不能快速切除靠近电源处发生的最严重的故障。,为了克服这个缺点可加装,电流速断保护,。,反应电流增大而瞬时动作的电流保护就叫电流速断保护。,设,AB,、,BC,线路均装设电流速段保护,(,保护,2,和,1),。,当,A-B,线路发生短路故障时，流经保护,2,的电流增大，保护,2,瞬时动作。当,B-C,线路发生短路故障时，流经保护,2,和,1,的电流都增大；按照保护选择性的要求，保护,1,瞬时动作，保护,2,不动作。它们的保护范围最好能达到本线路的全长。,对保护,2,：当,k1,点短路，希望其能瞬时动作切除故障，而当相邻线路,BC,的始端,k2,点短路时,(,习惯上称出口处,),，按照选择性要求速断保护,2,就不应该动作，因为该处故障应由保护,1,切除。但实际上,k1,和,k2,点短路时，流过保护,2,的短路电流的数值几乎一样。因此,希望,k1,点短路时保护,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,。,解决办法：从整定值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。,二、电流速断保护（段）,电流速断保护的原理图,速断保护的动作电流的确定：,为了保证保护装置的选择性，在下一段线路上发生最大短路电流时保护装置不应动作。在本段线路内发生最小短路电流时，保护装置应动作。,电流速断保护的动作电流必须按躲过它所保护线路末端在最大运行方式下发生的短路电流来整定。,由于保证断路器动作选择性而引入可靠系数,k,k,后，速断保护动作电流大于被保护范围末端的最大短路电流，使,保护装置不能保护全段线路而有一段死区,，因此速断保护不能单独作为主保护去使用。,k,k,：1.2-1.3,速断保护的灵敏度是在系统最小运行方式下,保护安装处,两相短路电流与其动作电流之比。,电流速断保护灵敏度的校验-方法1,l,b,运行方式对电流速断保护的影响, 分别,为最大运行方式下三相短路电流和最小运行下两相短路电流随距离变换的曲线； 为保护2的速段保护的整定值。,特点：,只能保护本线路的一部分,t=0,保护范围受系统运行方式影响，当运行方式变化很大时，可能很小。,当线路较长时其始端与末端短路电流差别较大，保护范围 较大；当线路较短时其始端与末端短路电流差别较小，保护范围较小，所以：,短线路更受运行方式影响。,电流速断保护,电流速断保护的“死区”及其弥补,由于电流速断保护的动作电流是按被保护线路末端的最大短路电流来整定的，因而其动作电流会大于被保护范围末端的短路电流，这使得保护装置不能保护全段线路，出现一段“,死区,”。,为了弥补死区得不到保护的缺点，在装设电流速断保护的线路上，必须配备带时限的过电流保护。在电流速断的保护区内，速断保护为主保护，过电流保护为后备保护；而在电流速断保护的死区内，过电流保护为基本保护。,或者采用其他新的保护,。,具有电流速断和定时限过电流保护的原理线路图,定时限过电流保护与电流速断保护配合的动作时间示意图,例,某工厂10kV供电线路，已知计算负荷电流 =180A， =1.5，在最大运行方式下末端和始端的短路电流分别为 2300A， 4600A；在最小运行方式时， 2200A， 4400A，线路末端出线保护动作时间为0.5s，线路首端保护的继电器为非全星形联结，试整定该保护各个参数。,解： 1) 过电流保护整定如下：,=1.5180A=270A，选用300/5A电流互感器，,=300/5=60。,保护动作一次侧电流,=,=,继电器动作电流,=,=6.35A, 取6.5A,=,时间继电器的整定时限,保护灵敏度,=,=,=,2) 因动作时限大于0.7s，需加速断保护装置，其整定计算如下：一次动作电流,=,=,=,继电器2KA的动作电流,=,=,=,，取48A,速断保护的灵敏度,=,=,=,三、低电压保护,低电压闭锁的过电流保护,定时限过电流保护的动作电流是按躲过最大负荷电流来整定的，在某些情况下可能满足不了灵敏度要求。为此，可采用低电压闭锁的过电流保护来提高其灵敏度。,整定原则,过电流继电器的动作电流不必按躲过线路的最大负荷电流（一般为线路计算负荷电流的,1.5-3,倍）来整定，而只需按躲过计算负荷电流,I,C,来整定。,低电压继电器的动作电压,Uopk,按照躲过正常最低工作电压,Umin,来整定，即：,灵敏度校验,其中的过电流继电器灵敏度校验，与不带低电压闭锁的过电流保护一样。,低电压继电器,(,反应电压下降而动作,),的灵敏度的校验，按下式：,2. 用于电动机的低电压保护,电动机采用低电压保护的目的是当电网电压降低到某一数值时，低电压保护动作，将不重要的或不允许自起动的电动机从电网切除，以保证重要电动机在电网电压恢复时顺利地自起动。,1) 在电网发生故障时往往伴随着电压暂时下降甚至消失，当故障切除后系统电压又恢复时，为了保证重要电动机此时能顺利自起动，对不重要和不准许自起动的电动机，可装设动作电压为(60%70%),U,N,、时限为0.51.5s的低电压保护，即,=,2) 对于由于生产工艺或技术、安全的要求不允许“长期”失电后再自起动的电动机，可装设动作电压为(50%55%),U,N,、时限为(510)s的低电压保护。即,=,四、中性点非有效接地系统的单相接地保护,中性点非有效接地方式，当发生单相接地时，流经故障点的电流比负荷电流小得多，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对接于线电压上负荷的供电没有影响，因此在一般情况下允许系统再继续运行,12h,。,在单相接地以后，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高到 倍。,应及时发出信号，以便工作人员查找发生接地的线路，采取措施予以消除；,当单相接地对人身和设备的安全有危险时，应动作于跳闸。,根据中性点非有效接地系统发生单相接地时的特点，对供电系统应当装设,绝缘监测装置,，必要时还装设,零序电流保护,。,1. 绝缘监视装置,利用供电系统单相接地后出现的零序电压给出信号，带延时动作于信号，表明本级电压网络中出现了单相接地。,常用三相五芯柱式电压互感器或三只三绕组单相电压互感器作中性点不接地系统的绝缘监测装置,绝缘监视装置的,保护方法简单，但给出信号没有,选择性,，值班人员想判别出故障发生在哪一条线路上，还需要,依次断开各条线路来寻找,。若断开某线路时接地信号能消失，即表明故障是在该线路上。,这种监视装置可用于,出线不太多、负荷电流允许短时间内切断,的供电网中。,此外，在电网正常运行时，由于电压互感器本身有误差以及高次谐波电压的存在，开口三角形绕组有不平衡电压输出，因此继电器的动作电压要躲过这一不平衡电压，一般整定为,15V,。,利用单相接地故障线路的零序电流较非故障线路大的特点，实现有选择性地发出信号或动作于跳闸，此即线路的零序电流保护。,2. 零序电流保护,八 过负荷保护,其动作电流整定,为,I,c,所保护线路的计算电流。,对于可能时常出现过负荷的电缆线路，应装设过负荷保护，延时动作于信号，必要时可动作于跳闸。,动作时间一般整定为1015s,第三节电力,变压器的保护,变压器易产生的故障和不正常工作状态,变压器故障,及不正常工作状态,变压器故障,不正常工作状态,内部故障,线圈的相间短,路、匝间或层,间短路、单相,接地短路等。,外部故障,套管及引出线,的相间短路和,单相接地。,过负荷、温升过,高以及油面下降,超过了允许程度,等。,对于电力变压器的常见故障及异常运行状态，一般应装设下列保护：,(1),差动保护或电流速断保护,反应变压器的内、外部故障，瞬时动作于跳 闸。,(2),瓦斯保护,反应变压器的内部故障或油面降低，瞬时动作于信号或跳闸。,(3),过电流保护,反应变压器外部短路引起的过电流，带时限动作于跳闸，可作为上述保护的后备。,(4),过负荷保护,反应过载而引起的过电流，一般作用于信号。,(5),温度保护,反应变压器油、绕组温度升高或冷却系统的故障，动作于信号或跳闸。,原理,油箱内部发生故障（包括匝间短路、经电阻的接地等故障）故障点电流、电弧,变压器油及其它绝缘材料受热分解,产生气体流向油枕的上部。,当故障严重时变压器油迅速膨胀产生大量的气体，气体夹杂着油流冲向油枕的上部。,反映上述气体或油流而动作的保护瓦斯保护,1、气体与油的混合物重（严重故障）反应油流速度 跳闸,2、气体与油的混合物轻（不正常 or 少数匝间）气体体积 发信号,一、电力变压器的瓦斯保护,轻瓦斯：反应油面降低，匝数很少的匝间故障,重瓦斯：严重故障跳闸,特点：内部保护之一，反应油箱内部故障,H2,：潮气,CO,、,CO2,：固体绝缘材料分解,C2H2(,乙炔,),：放电故障,CH4,（甲烷）、,C2H4,（乙烯）：过热性,通过瓦斯气体分析，诊断变压器潜伏性故障,对于容量在,800kVA,及以上的油浸式变压器和,400kVA,及以上的户内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。,一、电力变压器的瓦斯保护,瓦斯继电器（气体继电器），安装于变压器油箱与油枕之间的连通管上。,一、电力变压器的瓦斯保护,变压器正常运行时，上、下两对触点都是断开的。,当变压器内部发生轻微故障时，上接点闭合而接通信号回路，这称之为“轻瓦斯动作”。,当变压器内部发生严重故障时，下接点闭合而接通信号回路，这称之为“重瓦斯动作”。,如果变压器油箱漏油，使得瓦斯继电器内的油也慢慢流尽，先是继电器的上油杯下降，发出信号，接着继电器的下油杯下降，使断路器跳闸。,FJ3-80,型开口杯式瓦斯继电器的结构示意图,1,容器；,2,盖；,3,上油杯；,4,永久磁铁；,5,上动触点；,6,上静触点；,7,下油杯；,8,永久磁铁；,9,下动触点；,10,下静触点；,11,支架；,12,下油杯平衡锤；,13,下油杯转轴；,14,挡板；,15上油杯平衡锤；16上油杯转轴；17放气阀；18接线盒,瓦斯保护的原理接线图,瓦斯保护的原理接线图,当变压器内部轻微故障时，瓦斯继电器,KG,动作，上触点闭合，发出轻瓦斯动作预告信号。,当变压器内部发生严重故障时，瓦斯继电器,KG,下触点闭合，起动中间继电器,KM,，使断路器跳闸线圈,YR,动作，断路器跳闸，同时信号继电器,KS,发出重瓦斯跳闸信号。,为了避免重瓦斯动作时，瓦斯继电器因油气混合物冲击引起下触点“抖动”，利用中间继电器触点,1-2,进行“自保持”，以保证断路器可靠跳闸。,变压器在运行中进行滤油、加油、换硅胶时，必须将重瓦斯经切换片,XB,改接信号灯,HL,，防止重瓦斯误动作，断路器跳闸。,1、优点：,灵敏度高，接线简单，能反应油箱内任何故障,2、缺点：,动作速度慢，,仅能反应油箱内故障，不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上的故障。,瓦斯保护可作为变压器的主保护之一。需要和其他种类的保护配合使用。,电力变压器的瓦斯保护,二、变压器的电流保护,1.过电流保护和电流速断保护,规程规定，电压,10kV,及以下、容量在,10MVA,及以下的变压器，对其内部、套管及引出线的短路故障应采用电流速断保护；,3566kV,及以下中小容量的降压变压器，对其外部相间短路引起的过电流，宜采用过电流保护。同时，对于供电系统中单侧电源的双绕组或三绕组变压器，过电流保护宜安装于变压器的各侧。,变压器过电流保护和电流速断保护的工作原理、整定原则与线路保护的基本相同 。,(2) 过电流保护和电流速断保护的整定,1）变压器过电流保护动作电流整定,式中,I,L.max, (1.53),I,1N.T,；,I,1N.T,变压器一次侧的额定电流。,其动作时间也按“阶梯原则”整定，与线路过电流保护完全相同。对车间变电所来说，其动作时间可整定为最小值（0.5s）。,灵敏度按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路电流换算到高压侧来校验。,变压器电流速断保护主要是对变压器的内部故障，如相间短路等进行保护。,动作电流整定计算公式,式中,I,k.max,变压器低压侧母线的三相短路电流换算 到高压侧的电流值。,灵敏度按保护装置安装处（高压侧）在系统最小运行方式下发生两相短路的短路电流值来校验。要求,k,s,1.5。,2）变压器,电流速断保护,保护动作电流整定,2零序电流保护,零序电流保护整定,零序电流保护,灵敏度,校验,一次侧接入10kV及以下非有效接地系统中Yyno联结的变压器，对低压侧单相接地短路，可以选择在低压侧中性点回路装设零序电流保护。,3变压器的过负荷保护,对于,400kVA,及以上数台并列运行的变压器和作为其他负荷备用电源的单台运行变压器，根据实际可能出现过负荷情况，一般应装设过负荷保护。,由于过负荷电流在大多数情况下是三相对称的，只需在一相中安装一个电流继电器即可构成过负荷保护装置。,对经常有人值班的变电所，过负荷保护作用于信号；在无经常值班人员的变电所，过负荷可动作于跳闸或切除部分负荷。,三、变压器的差动保护,问题的提出,过流保护动作时限较长,电流速断保护存在死区,瓦斯保护只能反应油箱内部故障,故规程规定：对容量在10MVA及以上单独运行的变压器或两台并列运行、每台容量在6.3MVA以上的变压器，对于电压为10kV的重要的变压器当电流速断保护灵敏度不满足要求时，均应装设变压器的差动保护。,（,一,）变压器差动保护的工作原理。,在变压器正常工作或保护区域外部发生短路故障时，电流互感器二次侧电流同时增加，流入继电器的动作电流也是为零，或仅为变压器一、二次侧的不平衡电流，不平衡电流小于继电器动作电流，故保护装置不动作。,当变压器差动保护范围内发生故障时，在单电源的情况下，流入继电器回路的电流，如图所示。此时继电器回路的电流大于其动作电流，保护装置动作，使,QF,1,、,QF,2,同时跳闸，切除变压器。,原理：,1、正常和外部故障时,2、内部故障,保护特点：,保护整个变压器,与其它保护无配合关系可实现整个T,r,的快速保护,与运行方式无关,必须选择合适的CT变化使 与 接近,即,变压器变比,即提高K,lm,的关键：如何减小I,bP,成为纵差保护的关键。,（1）由于变压器一、二次侧结线不同引起的不平衡电流,Y/-11接线的变压器原副边相位相差30，因此必须补偿回来。,补偿方法为：,变压器,电流互感器,备注,Y,两种三角形接法必须相同,Y,（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制方法,（2）由于变压器分接头改变引起的不平衡电流,变压器在运行时，往往采用改变分接头位置(即改变高压线圈的匝数)进行调压。因为分接头的改变，就是变压器变比的改变，电流互感器二次侧电流因而改变，引起新的不平衡电流。,通过提高保护动作电流躲过。按“0”分接头整定，考虑5%的变动。,（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制方法,（3）由于变压器励磁涌流引起的不平衡电流。,正常运行时，变压器的励磁电流很小，一般不超过额定电流的210。,在变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能有很大的励磁电流(即励磁涌流)。,（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制措施,励磁涌流有下列特点：,（1）含有的非周期分量幅值很大，最大值可达变压器额定电流的4-8倍，常使励磁涌流偏于时间轴的一侧；,（2）含有大量的高次谐波，尤其是二次谐波为主，其初值约为基波的40-60，0.5-1s后衰减至25-50，但完全衰减需要数十秒；,（3）波形间有明显的间断角。,依据上述特点，在变压器差动保护中可采用具有速饱和铁心的差动继电器，以减少减小励磁涌流非周期分量的影响,微机保护中采用二次谐波或波形间断角的方法来鉴别内部故障和励磁涌流，使涌流出现时差动保护可靠不动作，从而完全躲开励磁涌流的不利影响。,（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制措施,（三）,变压器差动保护动作电流的一般整定原则,1) 躲过变压器外部故障时的最大不平衡电流,2) 躲过变压器的最大励磁电流,3) 躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流,=,k,k,I,op,=,k,k,k,e,I,N,=,k,k,（四）变压器差动保护的灵敏度校验,k,s,=,变压器区内端部故障时流经差动继电器的 最小差动电流所对应的一次侧故障电流,；,k,s,灵敏度，一般不应低于2。,当按上述整定原则计算的动作电流不能满足灵敏度要求时，需要采用具有制动特性的差动继电器，在微机保护中还可以采用鉴别励磁涌流而构成的差动保护，这些内容将在本章最后一节中进行介绍。,第四节,低压配电系统的保护,第六节 低压配电系统的保护,熔断器保护,低压断路器保护,（一）熔断器及其安秒特性曲线,熔断器包括熔管(又称熔体座)和熔体。,通常它接在被保护的设备前或接在电源引出线上。,当被保护区出现短路故障或过电流时，熔断器熔体被熔断，使设备与电源隔离，免受过电流损坏。,熔断器结构简单、使用方便、价格低廉，所以应用广泛。,一、熔断器保护,（一）熔断器及其安秒特性曲线,熔断器的技术参数：,熔断器(熔管)的额定电压和额定电流，分断能力。,熔体的额定电流和熔体的安秒特性曲线。,决定熔体熔断时间和通过其电流的关系曲线,t=f(I),称为熔断器熔体的安秒特性曲线。,250V和500V是低压熔断器，,3110kV是高压熔断器。,一、熔断器保护,决定熔体熔断时间和通过其电流的关系曲线称为熔断器熔体的安秒特性曲线。,该曲线由实验得出，它只表示时限的平均值，其时限相对误差会高达,50,。,（二）熔断器的选用及其与导线的配合,熔断器应在各配电线路的首端装设；,熔断器只装在各相相线上，中性线不允许装设熔断器。,图4-25 低压配电系统示意图,a) 放射式 b) 变压器干线式,1 干线 2 分干线 3 支干线 4 支线,Q 低压断路器(自动空气开关),对保护电力线路和电气设备的熔断器，其熔体电流的选用按以下条件进行,1)熔断器熔体电流应不小于线路正常运行时的计算电流I,c,。,2),熔断器熔体电流还应躲过由于电动机起动所引起的尖峰电流,I,pk,，以便线路出现正常的尖峰电流而不致熔断。,k,:选择熔体时用的计算系数。,k,值应根据熔体的特性和电动机的起动情况来决定。轻载起动且起到时间不超过3s，k=0.250.4；轻载起动且起到时间不超过3s，k=0.250.4；重载起动且起到时间为3 8s，k=0.350.5；超过8s的重载起到或频繁起到、反接制动等， k=0. 50.6；,I,pk,尖峰电流。单台电机：,I,pk,=k,stM,I,NM,；,I,pk,=I,c,+(k,stMax,-1)I,NMax,；,3),为使熔断器可靠地保护导线和电缆不致在线路短路或过负荷损坏甚至起燃，熔断器的熔体额定电流,I,N,FE,必须和导线或电缆的允许电流,I,al,相配合：,对于保护电力变压器的熔断器，其熔体电流可按下式选定,保护电压互感器的熔断器额定电流通常为0.5A。,kr：比例系数。设计规范规定，对电缆或穿管绝缘导线取2.5；对明敷绝缘导线取1.5；对已经装有其他过负荷保护的绝缘导线、电缆线路而又要求用熔断器进行短路保护时取1.25。,（三）熔断器保护灵敏度校验,熔断器保护的灵敏系数,k,s,计算如下：,I,kmin,(,n,),：熔断器保护线路末端在系统最小运行方式下的短路电流。,I,NFE,:,熔断器熔体的额定电流。,为了保证动作选择性，也就是保证最接近短路点的熔断器熔体先熔断，以避免影响更多的用电设备正常工作，必须要考虑上下级熔断器熔体的配合。前后熔断器的选择性配合，宜按它们的保护特性曲线（安秒特性曲线）来校验。,设上一级熔体的理想熔断时间为,t1,，下一级为,t2,，因熔体安秒特性曲线误差约为,50,，为了保证可靠期间，设上一级熔体为负误差即实际熔断时间,t,1,=0.5t,1,，,下一级熔体为正误差即实际熔断时间,t,2,=1.5t,2,，如欲使某一电流下,t,1, t,2,，就应使,t,1,3t,2,。按这个条件可从熔体的安秒特性曲线上分别查出这两个熔体的额定电流。,一般使上下级熔体额定值差,2,个等级即可满足选择性的要求。,（四）上下级熔断器的相互配合,（四）上下级熔断器的相互配合,（五）熔断器的选择和校验,选择熔断器时应满足下列条件：,（1）熔断器的额定电压应不小于装置安装处的工作电压。,（2）熔断器的额定电流应不小于它所装设的熔体额定电流。,（3）熔断器的类型应符合安装处条件（户内或户外）及被保护设备的技术要求。,（4）熔断器的断流能力应进行校验。,（5）熔断器保护还应与被保护的线路相配合，使之不至于发生因过负荷和短路引起绝缘导线或电缆过热起燃而熔断器不熔断的事故。,熔断器的分断能力应满足,I,offFE,：额定电压下能安全切断的最大故障电流。,I,sh,(3),：流经熔断器的短路冲击电流有效值。,熔断器的选择和校验,图4-26 低压断路器的原理结构和结线,1 主触头 2 跳钩 3 锁扣 4 分励脱扣器 5 失电压脱扣器,6 过电流脱扣器 7 热脱扣器 8 加热电阻丝 9、10 脱扣按钮,当线路上发生短路故障时，过流脱扣器,6,动作于瞬时跳闸；,当线路出现过负荷时，加热元件,(,电阻丝,),使热脱扣器,7,动作于延时跳闸；,当线路电压下降或失压时，失压脱扣器,5,动作同样作用于跳闸。,当按下按钮,9,或,10,时，使失压脱扣器失压动作或分励脱扣器,4,通电，便能远距离操纵使开关瞬时跳闸。,1.低压断路器的原理结构和结线,二、 低压断路器保护,2,低压断路器的选择要求,（1）低压断路器的额定电压应不小于保护线路的额定电压。,（2）低压断路器的额定电流应不小于它所装设的脱扣器额定电流。,（3）低压断路器的类型应符合安装处条件、保护性能及操作方式的要求。,（4）低压断路器的断流能力应进行校验。,为了满足前后低压断路器的选择性要求，前一级低压断路器的脱扣器动作电流应比后一级低压断路器的脱扣器动作电流大一级以上；而前一级低压断路器宜采用带短延时的过电流脱扣器，后一级低压断路器则采用瞬时过电流脱扣器。,3低压断路器的运行维护,（1）检查所带的正常最大负荷是否超过断路器的额定值；,（2）检查分、合闸状态是否与辅助触点所串接的指示灯信号相符合；,（3）监听断路器在运行中有无异常响声；,（4）检查断路器的保护脱扣器状态，例如整定值指示位置有无变动；,（5）如较长时间的负荷变动（增加或减少），则需要相应调节过电流脱扣器的整定值，必要时应更换；,（6）断路器发生短路故障掉闸或遇有喷弧现象时，应对断路器进行解体检修。检修完毕，应作几次传动试验，检查是否正常。,第五节供电系统的微机保护,随着计算机技术的发展和变电所综合自动比系统的实现以及变电所无人值班的运行方式，系统对保护的要求更高，使现有的模拟式继电保护难以满足。主要表现在以下几个方面:,动作速度慢，一般超过0.02s。,没有自诊断和自检功能，保护装置中的元件损坏不能及时发现，易造成严重后果。,保护的每一种方式都是靠相应的硬件相连线来实现，所以保护装置的功能灵活性差。,对于供电系统中一些复杂的保护方式（如变压器的差动保护）。参数整定繁琐，调试工作量大，灵活性差，容易发生误动和拒动。,微机保护的定义及发展：,所谓微机保护：就是基于可编程数字电路技术、实时数字信号处理技术并通过微型计算机实现的继电保护。,20世纪60年代，国外提出了用计算机实现继电保护的设想；为微机保护奠定了基础。,20世纪70年代中后期，微处理器技术快速发展，微机性价比和可靠性大为提高，为微机保护实用化打下了硬件基础。,20世纪80年代，微机保护趋于成熟；我国出现了第一套微机保护装置。,20世纪90年代，微机保护在我国逐步推广应用。,、微机保护的特点, 微机具有强大的存储记忆、逻辑判断和数值运算等信息处理功能，在应用软件的配合下有极强综合分析和判断能力，不仅可以实现各种继电保护原理，而且可以解决传统保护装置无法解决的问题，不仅可以实现复杂原理的保护，而且为原理算法的完善和发展提供了良好的实现条件；, 微机保护的动作特性和功能主要是由软件决定的，可以通过改变软件程序以获取所需要的保护性能，使得保护性能的选择和调试都很方便，具有很大的灵活性、适应性；, 可用相同的硬件实现不同原理的保护，使得保护装置的制造大为简化，生产标准化批量化，硬件可靠性高；, 可以不断地对本身硬件软件自检，发现装置异常情况并排除干扰和通知运行维护中心，使得保护装置工作可靠性很高，大大减轻维护的工作量；, 微机保护还可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录等辅助功能，微机保护装置设有的通信接口，可以方便地将各地的继电保护装置纳入融测量、控制、保护和数据通信为一体的变电站综合自动化系统，这对于保护的运行管理与远方监控、电网事故分析与处理、实现无人值班与提高系统运行的自动化水平等具有重要意义。,对硬件和软件的可靠性要求较高，且硬件比较,容易过时,；,微机保护与传统保护有根本性的差别，后者每个部分都是硬件构成，保护的接线和整个动作过程直观易理解，使用者对装置的动作原理、接线及维护较易掌握；而微机保护的软件只有专门的设计人员才能改写或调试，使用者较难掌握它的操纵和维护过程。因此，为适应微机保护的普及应用，必须培养更多专业化的微机保护工作人员。,图4-30 微机保护装置的硬件系统示意框图,二、微机保护装置的基本构成,三、微机保护的软件实现,微机保护的软件以硬件为基础，通过算法及程序设计实现所要求的保护功能，包括监控软件a）和运行软件b）两部分,供电系统微机保护中的一些基本算法：,（1）半周绝对值积分算法,；,（2）全周傅里叶算法；,（3）突变量起动判据的算法,微机保护中的一些基本算法,运行软件中的保护算法是微机保护的核心，根据模数变换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断以实现各种继电保护的功能。在微机保护中，算法可分为两大类：一类是特征量算法，它用来计算保护所需的各种电气量的特征参数，如电流或电压的幅值及相位、序分量、基波分量、某次谐波分量的大小等；另一类是保护动作判据的算法，它用特征量算法的结果来实现保护的动作方程和特性，因此与具体的保护功能密切相关。,微机型保护实物图片,（保护测控一体化）,