1、第七章发电厂和变电所二次系统 第一节二次系统概述一 二次回路的功用 分类二次设备 凡对一次电气设备进行监视 测量 操纵 控制及起保护作用的辅助性电气设备 二次回路 由二次设备连接成的回路称为二次回路或二次系统 按二次设备各种不同的用途可分为 继电保护二次回路 自动装置二次回路 控制系统二次回路 测量仪表二次回路 信号装置二次回路等 自动重合闸装置断路器的控制回路变电所的信号装置回路位置信号 指示断路器的跳合闸位置和隔离开关的分 合闸位置 中央信号装置 事故信号 在断路器事故跳闸时 发出音响信号预告信号 设备发生异常现象发出音响信号 例 电气设备的控制 信号回路 变电站综合自动化系统指变电站的二
2、次设备 包括控制 信号 测量 保护 自动装置 运动装置 利用微机及网络技术 经过功能的重新组合和优化设计 对变电站执行自动监控 测量 运行操作及其协调的一种综合性的自动化系统 二 二次接线图中常用的图形符号 部分 三 二次回路原理图 展开图及安装接线图1 原理图在图上所有仪表和继电器都是以整体形式的设备图形符号表示 不画出内部拉线 而只画出接点的连接 并将二次部分的电流回路 电压回路 直流回路和一次回路图绘制在一起 特点 能使看图人对整个装置的构成有一个整体概念 可清楚了解二次回路各设备间的电气联系和动作原理 原理图 2 展开图实际应用中 大多采用展开图 展开图中 电流回路 电压回路 直流回路
3、是分开的 弥补了原理图没有元件内部接线 没有元件端子号码和回路标号等缺陷 由于二次设备布置分散 需要用控制电缆将它们互相连接起来 因此单凭原理图和展开图来安装是困难的 为此在二次接线安装时 须绘制安装接线图 包括 屏面布置图 屏背面接线图和端于排图 安装接线图是制造厂加工制造屏 屏盘 和现场施工安装所必不可少的图 也是运行试验 检修和事故处理等的主要参考图 3 安装接线图 屏面布置图 说明屏上各个元件及设备的排列位置和其相互间距离尺寸的图 要求按照一定的比例尺绘制 屏背面接线图 在屏上配线所必需的图 其中应标明屏上各设备在屏背面的引出端子之间的连接情况 以及屏上设备与端子排的连接情况 端子排图
4、 表示屏上需要装设的端子数目 类型及排列次序以及它与屏外设备连接情况的图 3 安装接线图 屏背面接线图和端子排图必须说明导线从何处来 到何处去 以防接错导线 我国广泛采用 相对编号法 例如甲 乙两个端子需用导线连接起来 则在甲端子旁边标上乙端子的编号 而在乙端子旁边标上甲端子的编号 如果一个端子需引出两根导线 那么 在它旁边就标出所要连接的两个端子编号 第二节继电保护的基本知识 故障 包括各种短路和断线不正常运行状态 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 频率降低 过电压 电力系统振荡等 事故 系统或其中一部分的正常工作遭到破坏 并造成对用户少送电或电能质
5、量变坏到不能容许的地步 甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏 一 继电保护的作用电力系统的经常出现各种故障和不正常运行状态 继电保护装置 是指能反映电力系统中电器元件发生故障或不正常工作状态 并动作于断路器跳闸或发出信号的自动装置的任务 为了保证系统的安全可靠运行 一旦发生故障后必须迅速地 有选择地将故障原件切除 以缩小故障范围 因此每个原件必须配备保护装置 1 自动 迅速 有选择性地将故障元件从电力系统中切除 使故障元件免于继续遭到破坏 保证其他无故障部分迅速恢复正常运行 2 反应电气元件的不正常运行状态 并根据运行维护的条件 例如有无经常值班人员 而动作于发出信号 减负荷或跳闸 继电保护装置的
6、任务 1 选择性 2 快速性 3 灵敏性 4 可靠性 对继电保护的要求 继电保护动作的选择性是指保护装置动作时 仅将故障元件从电力系统中切除 使停电的范围尽量小 以保证系统中的无故障部分仍能继续工作 1 选择性 当k1短路时 保护1 2动 跳1QF 2QF 有选择性 当k2短路时 保护5 6动 跳5QF 6QF 有选择性 当k3短路时 保护7 8动 跳7QF 8QF 有选择性 快速地切除故障可以提高电力系统并联运行的稳定性 减少用户在电压降低的情况下工作的时间 以及缩小故障元件的损坏程度 2 速动性 故障切除的总时间等于保护装置动作时间和断路器动作时间之和 一般的快速保护的动作时间为0 04
7、0 08s 最快的可达0 01 0 02s 一般的断路器的动作时间为0 06 0 15s 最快的可达0 02 0 06s 继电保护的灵敏性 是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力 满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时 不论短路点的位置和短路的类型如何 都能灵敏地正确反应 3 灵敏性 通过用灵敏系数Klm来衡量 1 对于反应故障时参数量增加的保护装置 灵敏系数 2 对于反应故障时参数量降低的保护装置 灵敏系数 其中故障参数的最小 最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式 故障类型和短路点来计算的 3 灵敏性 4 可靠性 保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应
8、该动作的故障时 它不应该拒绝动作 拒动 而在任何其他该保护不应该动作的情况下 则不应该错误动作 误动 影响可靠性的因素 内在的 装置本身的质量 包括元件好坏 结构设计的合理性 制造工艺水平 内外接线简明 外在的 运行维护水平 调试是否正确 正确安装 二 继电保护的基本原理及分类 原理 电力系统发生短路故障时 通常伴有电流增大 电压降低以及电流与电压间相位角改变等特征 利用这些基本参数在故障与正常运行时的差别 就可以构成各种不同原理的继电保护装置 例如 反应电流增大构成的过电流保护 反应电压降低构成的低电压保护 反应电压与电流的比值变化构成的距离保护 同时反应被保护元件两端电气量的差动保护 反应
9、非电气量的保护 如瓦斯保护 继电保护的分类 1 按被保护的对象分类 输电线路保护 发电机保护 变压器保护 电动机保护 母线保护等 2 按保护原理分类 电流保护 电压保护 距离保护 差动保护 方向保护 零序保护等 3 按保护所反应故障类型分类 4 按继电保护装置的实现技术分类 5 按保护所起的作用分类 主保护 后备保护等 主保护 满足系统稳定和设备安全要求 能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护 后备保护 主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护 三 继电保护装置的组成一般由测量部分 逻辑部分和执行部分组成 1 测量部分测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量 并与已给定的整定值进行
10、比较 根据比较的结果 从而判断保护是否应该起动 2 逻辑部分逻辑部分是根据测量部分各输出量的大小 性质 输出的逻辑状态 确定是否应该使断路器跳闸或发出信号 将有关命令传给执行部分 继电保护中常用的逻辑回路有 或 与 否 延时起动 延时返回 以及 记忆 等回路 3 执行部分执行部分是根据逻辑部分输出的信号 最后完成保护装置所担负的任务 如故障时 动作于跳闸 不正常运行时 发出信号 正常运行时 不动作等 四 继电器的作用 分类 1 作用 继电器是组成继电保护装置的基本元件 当其输入达到或低于一定值时它便动作 并通过执行元件发出信号或动作于跳闸 2 分类 按结构原理可分为按用途可分为 电流继电器时间
11、继电器信号继电器中间继电器 3 常用继电器的作用 电流继电器它反应电流的增加而动作 当通过继电器的电流增加到一定数值时 继电器动作 其动合触点闭合 旧称常开接点 动断触点 常闭接点 断开 例 电磁型电流继电器 1 动作电流 能使电流继电器动作的最小电流 以Iact表示 2 返回电流 能使电流继电器返回的最大电流 以Ire表示 3 返回系数 继电器返回电流与动作电流之比叫返回系数 返回系数一般不小于0 85 3 电流继电器特性 当输入电流IK Iact时 继电器动作 动合触点闭合 若IK Ire 继电器返回 触点又断开 2 时间继电器时间继电器在保护装置中作为时间元件 用来建立必要的动作延时 时
12、间继电器除了延时触点外 有的还有一对瞬时切换触点 或一对滑动延时触点 时间继电器断电时 继电器瞬时返回 触点全部恢复原始态 3 中间继电器中间继电器是保护装置不可缺少的 它的作用是 增加触点数量 以便控制不同的回路 增加触点容量 以便断开或接通较大电流的回路 提供必要的延时 以便满足保护及自动装置的要求 4 信号继电器信号继电器在继电保护及自动装置中作为动作指示器 信号继电器动作时 一方面有掉牌指示或灯光指示 另一方面又闭合其机械自保持触点 接通灯光或音响回路 这些信号均由运行人员手动加以复归 五 继电保护的发展继电保护的原理和结构形式发展如下 第三节单侧电源网络相间短路的电流保护 电流保护
13、电流速断保护 I段保护 限时电流速断保护 II段保护 过电流保护 III段保护 一 定时限过流保护 又称电流III段保护 整定原则 过电流保护通常是指其动作电流按躲开此线路最大负荷电流来整定的一种保护 它在正常运行时不应起动 而在电网发生故障时 由于电流的增大而动作 在一般情况下 它不仅能保护本线路的全长 而且也能保护相邻线路的全长 以起到后备保护的作用 原理图 1 工作原理如图所示 在每一线路的电源端均装设断路器和保护装置 在正常运行全线路最大负荷电流情况下 此电流小于保护的动作电流 定时限过电流保护不动作 当线路L3上D1点发生短路故障时 短路电流ID由电源经线路L1 L2至L3短路点 由
14、于短路电流ID经过保护装置1 2 3 且ID大于各保护电流继电器的动作电流 所以上述各保护装置的电流继电器均起动 但按选择性的要求 此时只应由保护装置3动作 使断路器3DL跳闸 3DL跳开后 短路电流消失 于是保护装置1和2的电流继电器还来不及使断路器1DL和2DL跳闸 就都返回到原来位置 过电流保护的选择性是由各保护装置具有不同的动作时间来保证的 为此 必须保证 tl t2 t3或tl t2 t t3 2 t t2 t3 t式中的t1 t2 t3分别为保护装置1 2 3的动作时间 t称为时间级差 一般取0 5s 图还给出了各保护装置动作时间特性图 由图可见 各保护装置的动作时间大小是从用户到
15、电源逐级增加的 越靠近电源侧 过电流保护的动作时间越长 好似一个阶梯 故称选择时间的阶梯时限特性 由于各保护装置动作时间都是分别固定的 而与短路电流的大小无关 所以这样的电流保护装置称为定时限过电流保护 2 电流保护的接线形式 1 两相不完全星形接线 用于35kV及以下电压等级小电流接地系统 可以获得A C相电流 2 电流保护的接线形式 2 三相完全星形接线 用于110kV及以上电压等级大电流接地系统 可以获得三相相电流 3 过电流保护的动作电流整定为保证在正常运行情况下过电流保护不动作 保护装置的起动电流IQD必须大于该线路上可能出现的最大负荷电流Imax 2 外部短路时如电流继电器已起动
16、则在外部切除后电流降到最大负荷电流时应能可靠返回 其返回电流应大于外部短路故障切除后流过保护的最大自起动电流 图中线路L2上K点短路 保护1 2都将起动 由于保护2的时限短 所以保护2先动作 使断路器2QF跳闸 这时短路电流消失 但在变电所B母线上仍接有负荷 并且由于故障切除后电压恢复 负荷中的电动机自起动 可能出现最大负荷电流 为使保护1的电流继电器返回 它的返回电流应大于故障切除后的最大负荷电流 确定最大负荷电流时 必须考虑到实际可能的最严重情况 例如平行线供电 双回线备自投等情况 3 过电流保护灵敏系数校验在整定保护1的动作电流时 还要考虑与保护2灵敏度的配合问题 如图所示 当D2点短路
17、时 流过保护2的短路电流可能接近于它的动作电流 而流过保护1的电流为短路电流与变电站 的负荷电流之和 比保护2中流过的电流还大 可能越级动作 故必须考虑增加一个配合系数 可能会使保护1的保护范围缩小 3 定时过电流保护特点由于过流保护的动作电流是按最大负荷电流整定的 它的保护范围总是伸长到相邻的下一段线路 为了获得选择性 保护的动作时间必须按阶梯原则来整定 这样 如果线路段较多 则越靠近电源的保护 动作时间越长 这是过流保护在原理上存在的缺点 为了克服这个缺点 可采用电流速断保护 二 无时限电流速断保护 又称电流I段保护 整定原则 将动作电流按躲过被保护线路外部短路时最大可能的短路电流来整定
18、使保护范围预先限制在线路的一定区域上 也就是保护范围不超过被保护线路之外 因而在时间上就不需要与下一段线路相配合 这样就可以作成瞬动保护 这种按躲过被保护线路外部短路的最大短路电流来整定 以保证保护有选择的动作 就叫做电流速断保护 无时限电流速断保护特点 1 保护区受运行方式 故障类型影响 短路电流大小由以下因素决定 a 系统运行方式 简称运方 系统电源等效阻抗与电源投入数量 电网结构变化有关 最大时短路电流最小 称为最小运行方式 最小时短路电流最大 称为最大运行方式 b 故障点远近 故障点越近越小 短路电流越大 c 短路类型 三相短路电流大于两相短路电路 无时限电流速断保护特点 2 电流速断
19、保护不能保护本线全长 在线路末端发生短路时 短路电流小于整定值 保护不动作 所以线路上只配有电流 段不能切除所有故障 曲线1表示当短路点沿线路移动时 在系统最大运行下三相短路电流的变化曲线 将电流速断动作电流的整定值IDZ画在图中如直线3所示 可以看出 曲线1与直线3交与一点M 在交点至保护安装处的一段线路上断路时 ID IDZ 保护能够动作 在交点以后的线路上断路时 短路电流小于动作电流 保护不动作 因而 瞬时电流速断保护只能保护线路的一部分 而不能保护线路全长 当运行方式改变时 如最小运行方式 或两相断路 时 在线路同一点上发生 短路流必然比三相短路电流小 见上图可知 保护范围进一步缩小
20、电流速断保护范围一般不用保护线路的长度来表示 而是用保护线路长度与被保护线路全长的百分比来表示 即 最大运行方式下为50 60 最小运行方式下15 20 即可 三 限时电流速断 又称电流II段保护 由于无时限电流速断不能保护线路的全长 其保护范围以外的故障必须由另外保护来切除 为此 考虑增设第二套电流速断保护 它的动作范围应包括线路全长 而且必须伸长到下一段线路 2 为获得动作的选择性 第二套速断必须带有一定的时限 以便和下一段线路保护相配合 时间的大小与保护范围延伸的程度有关 为使这一时间尽量缩短 通常是使它的保护范围不超越下一段无时限电流速断的保护范围 这样 它的整定时间只要取得比无时限速
21、断大一个时间级差 t 一般取0 5秒 所以叫做限时电流速断 3 限时电流速断的保护范围 包括本线路的全部和下段线路的一部分 要求在最小运行方式下本线路末端发生两相短路时 必须具有一定的灵敏度 必要时可适当降低动作电流 时间大1 5 t个差 限时电流速断特点 限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长 依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性 与第 段共同构成被保护线路的主保护 四 三段式电流保护原理1 电流速断 限时电流速断和过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护装置 它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择起动电流 速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定 限时速断是按照躲开前方各相邻元件
22、电流速断保护的动作电流而整定过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定 2 由于电流速断不能保护线路全长 限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护 因此 为保证迅速而有选择性地切除故障 常常将电流速断 限时电流速断和过电流保护组合在一起 构成三段式电流保护 具体应用时 可以只采用速断加过电流保护 或限时速断加过电流保护 也可以三者同时采用 三段式电流保护原理 3 三段保护构成 或 逻辑出口跳闸 电流 段 电流 段为线路的主保护 本线路故障时切除时间为数十毫秒 电流 段固有动作时间 至0 5秒 电流 段保护为后备保护 为本线路提供近后备作用 同时也为相邻线路提供后备作用 五 对三段式电流保护的评价
23、 选择性无时限速断保护是依靠选择动作电流的方法来获得选择性的 而限时速断保护则同时依靠选择动作电流和动作时间来获得选择性 所以 在原理上它们用于多电源和较复杂的网络上都能保证动作的选择性 这是速断保护的优点 过电流保护完全依靠选择动作时间来获得选择性 所以它用在单电源辐射形线路上 能保证动作的选择性 但在两端电源的线路上 在有些情况下则不能保证动作的选择性 必须考虑采用方向元件 快速性无时限速断保护没有限时元件 只有包括本身继电器固有的动作时间 0 06 0 1秒 所以动作是迅速的 限时速断保护的动作时间一般为0 5 0 6秒 有时为1秒 它的动作范围通常是被保护线路靠近末端的一部分 当这部分
24、短路时 保护安装处母线上的残余电压还有相当的数值 对无故障部分设备的运行影响较小 所以一般以0 5秒切除还是允许的 这是速断保护的主要优点 过电流保护的动作时间一般比较长 特别是靠近电源的保护 有时可长达几秒 这是它的主要缺点 灵敏度速断保护的灵敏度 保护范围 受系统运行方式改变的影响较大 当系统运行方式变化很大时 它的保护范围往往不能满足要求 对无时限电流速断保护 当被保护线路的阻抗与保护安装处至电源之间的系统综合阻抗相比很小时 例如短线路 它的保护范围有时能降到零 对限时电流速断保护 当相邻线路阻抗很小时 它的灵敏度往往也达不到要求 过电流保护的灵敏度一般都能够满足要求 但用在长距离重负荷
25、的线路上 则往往不能满足要求 当相邻线路的阻抗很大时 如长线路 带电抗器或变压器的线路等 过电流保护作为下一元件的后备保护 灵敏度也往往不够 可靠性速断和过电流保护 都是采用最简单的继电器 且数量不多 接线图 整定计算和调整试验也较简单 不易出错误 因此 是继电保护中最简单可靠的保护 根据以上的分析 电流电压保护在35千伏及其以下的电网中可以广泛采用 1 定时限过流保护整定原则 按照避开被保护线路的最大工作电流来整定 过流保护在动作时间整定上采用阶梯原则 2 电流速断保护整定原则 按躲过被保护设备 线路 末端的最大短路电流来整定 因此 被保护设备末端有一段保护不到的死区 这就必须依靠过电流保护
26、作为后备 3 限时电流速断保护用来弥补电流速断保护的保护范围小和过流保护的时限长的不足 整定原则 其动作电流大于下一段线路瞬时速断保护可动作电流 动作是限比下一线路瞬时速断保护大一个时间阶差 1 故障类型及不正常运行状态a 变压器的内部故障可分为油箱内和油箱外故障两种 油箱内故障包括绕组的相间短路 接地短路 匝间短路以及铁心的烧损 油箱外的故障主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路 b 变压器的不正常运行状态主要有 由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压 由于负荷超过额定容量引起的过负荷 第四节变压器的继电保护 2 相应保护类型a 瓦斯保护 针对变压器油
27、箱内的各种故障以及油面的降低而装设 反应于油箱内部所产生的气体或油流而动作 b 差动保护 c 电流和电压保护 根据变压器容量和系统短路电流水平的不同 实现保护的方式有 过电流保护 低电压起动的过电流保护d 过负荷保护e 过励磁保护 电流保护只反映同一端电气量的变化 要保证保护装置的选择性只能迅速切除一部分长度内的故障 而其余部分故障靠增加时限来切除 这对大系统是不允许的 同时如下图 保护测量到的k1点和k2点电流几乎是相同的 k1点和k2点的故障无法区分 可见单侧测量保护无法实现全线速动 3 差动保护简介 为了实现全线速动保护 保护判据由线路两侧的电气量或保护动作行为构成 进行双侧测量 正常运
28、行或外部故障时两侧电流大小相等 相位相同 以右图参考方向时电流和为0 当线路内部故障时 线路两次电流大小和方向都不同 因此这种保护可区分内外部故障 理论上可保护线路全长 3 差动保护简介 为了实现上述保护原理 可在被保护设备的两端安装特性变比相同的两个电流互感器 按环流法连接 并在差回路里安装电流互感器 就构成了纵联差动保护 纵联差动保护只反映被保护原件两侧电流互感器之间的故障 本身有选择性 它不需要与其它元件保护配合 因此广泛应用于线路 发电机 变压器 母线等的主保护 3 差动保护简介 保护原理变压器两侧的电流互感器按循环电流接线方式接入差动继电器 正常运行或外部短路时 流入继电器的电流为很小的不平衡电流 内部故障时 流入继电器的电流为两侧的短路电流之和 4 变压器的差动保护
