工廠供電系統的繼電保護及自動裝置課題六任務1繼電保護的基本知識任務2基于計算機控制技術的繼電保護

控制系統任務3工廠高壓線路的繼電保護任務4電力變壓器的繼電保護任務1繼電保護的基本知識任務目標◆

掌握繼電保護裝置的任務和對繼電保護的基本要求。◆

熟悉繼電保護裝置的組成、基本工作原理以及分類。任務引入繼電保護及自動裝置是二次回路的重要組成部分，作用是監視一次系統和設備的運行狀態，一旦發生故障或出現不正常工作狀態便能自動進行處理，并發出信號。在供配電系統中，繼電保護及自動裝置對保證電力系統和工廠用電安全是十分重要的。一、繼電保護裝置的組成與工作原理1.組成繼電保護裝置的組成框圖如圖所示。相關知識繼電保護裝置的組成框圖（1）參數測量部分。參數測量部分測量被保護設備的某些運行參數，與整定值進行比較，以判斷被保護設備是否發生故障，保護裝置是否應該啟動。（2）邏輯處理部分。邏輯處理部分接受參數測量部分發來的信號后，按照預定的邏輯程序工作，進行判斷，并將判斷的結果傳給動作執行部分。（3）動作執行部分。動作執行部分根據邏輯處理部分的結果，動作于跳閘或發信號。2.基本工作原理系統發生故障時，一些參數與正常值相比較會發生變化。人們利用這些變化，制造了基于不同原理的繼電保護裝置。下面以下圖所示電路的過電流保護為例，說明繼電保護的基本工作原理，各元件的功能如下。線路過電流保護基本原理接線圖TA—電流互感器KA—電流繼電器KT—時間繼電器KS—信號繼電器YR—斷路器的跳閘線圈KM—中間繼電器（1）TA、KA構成保護的參數測量部分，測量線路中的電流，反映線路的運行狀態。正常運行時，線路流過正常的負荷電流，KA不動作；當被保護線路發生短路（如K點短路）時，線路的電流

I1

突然增大，TA二次側的電流

I2

也隨之增大，當

I2

大于KA整定值時，電流繼電器KA動作，其動合觸點閉合，啟動KT。（2）KT構成保護的邏輯處理部分。時間繼電器KT啟動后，經預先設定的延時時間做出保護動作的邏輯判斷，其延時閉合的動合觸點閉合，接通KS及YR的啟動回路。（3）KS、YR構成保護的動作執行部分。信號繼電器KS啟動后發出信號，同時斷路器的跳閘線圈YR啟動，使斷路器QF跳閘，將故障線路切除。二、繼電保護裝置的基本任務所謂繼電保護裝置，是指能反映系統中電氣設備的故障及不正常工作狀態，并能作用于斷路器跳閘或發信號的一種自動裝置。其基本任務如下。（1）系統發生故障時，能快速、自動、有選擇性地作用，使斷路器跳閘，將故障部分切除，保證非故障部分的正常運行，減小停電范圍。（2）系統出現不正常工作狀態時，發出信號，提示運行人員注意，以便采取措施。三、繼電保護裝置的分類繼電保護裝置種類很多，按不同的形式分有不同的類型。（1）按所反映的物理量分，有電流保護、電壓保護、差動保護、瓦斯保護、距離保護等。（2）按所反映的故障類型分，一般有相間短路保護和接地保護等。（3）按所保護的對象分，有輸電線路保護、發電機保護、變壓器保護、電動機保護等。（4）按結構形式及組成元件分，分為電磁型、晶體管型、集成電路型及計算機型四大類。（5）按操作電源的性質分，分為直流操作電源型和交流操作電源型兩種。四、對繼電保護的基本要求對繼電保護的基本要求，歸納起來主要有四個方面，即通常所說的“四性”——可靠性、速動性、選擇性及靈敏性。1.可靠性可靠性是指繼電保護裝置的動作要可靠，包含兩方面的含義：當被保護設備發生故障或出現不正常工作狀態時，保護裝置應可靠地動作，不應拒動；當被保護設備正常運行時，保護裝置應可靠地不動作，不應誤動。否則，該動作時拒動，保護裝置如同虛設；不該動作時誤動，保護裝置本身非但起不到保護作用，反而成為事故的根源。2.速動性速動性是指繼電保護裝置的動作速度要快，即當系統發生故障時，為減小短路電流對電氣設備的損害程度，及提高系統運行的穩定性，應以盡可能短的時間將故障部分切除。3.選擇性選擇性是指繼電保護裝置的動作是有選擇的，即只切除故障部分，保證非故障部分繼續運行，盡可能地減小停電范圍。4.靈敏性靈敏性是指繼電保護裝置對其保護范圍內不正常工作狀態或故障的反應能力。靈敏性一般由靈敏系數

Ksen

來衡量，不同的繼電保護對靈敏系數的要求不同，校驗的方法也不同。任務2基于計算機控制技術的繼電保護控制系統任務目標了解基于計算機控制技術的繼電保護控制系統的基本概念。任務引入前面所討論的變配電所的二次回路應當屬于傳統的二次回路，在過去一個相當長的歷史時期，繼電保護與自動裝置一直是電力系統二次控制回路的主流，目前也仍然有工廠還在使用。但近年來，由于計算機技術的發展和普及，一種基于計算機控制技術的繼電保護控制系統漸漸興起，已經基本取代傳統的電磁繼電器控制方式的二次控制回路，成為目前電力系統繼電保護控制的主要發展方向，由此技術制作的電力系統繼電保護綜合控制儀得到了廣泛應用。本任務將要了解基于計算機控制技術的繼電保護控制系統。一、計算機二次回路專用監控儀組成的二次回路控制系統概述由于技術的成熟和實際需求，各類變電站的自動化管理和控制系統已經進入智能化監控管理時代。這類智能型變電站綜合自動化監控系統既是現代化電力用戶實施電力運行科學管理的有力工具，也是企業網絡化、信息化建設的重要組成部分。它具有高可靠性、高精度動作整定、安全、經濟、可擴展等特點，可組成高、低壓供配電系統計算機監控系統。計算機二次回路控制技術不僅有效彌補了傳統二次回路控制電路的不足，在功能上和技術上也有較大的發展和完善，將會在不遠的將來完全取代傳統電磁繼電器控制方式。相關知識目前，此類產品大致可分為兩類，第一類是依托單片機技術的單元式監控儀。這種單元式監控儀一般不組成網絡，常用于單個開關柜的監測與控制，能進行數據采集與顯示，可取代傳統儀表，并具有設定、數據存儲、分析、報警、繼電保護等功能。此類監控儀也分兩種，一種是成品型，用于開關柜廠家制作計算機監控儀型開關柜；另一種是改造型，用于傳統型開關柜的升級改造，其外形、安裝尺寸和安裝方式與一般傳統安裝式儀表相似，改裝非常方便。單元式監控儀如圖所示。單元式監控儀第二類是依托計算機的組合式監控儀，由現場控制單元與上位計算機組成計算機監控系統，使用專門開發的電力組態軟件進行控制與顯示，并可組成計算機網路進行遠端監控。現在電力系統的大電網控制技術就屬于此類控制方式。組合式監控儀如圖所示。組合式監控儀二、計算機二次回路專用監控儀的基本特點1.可靠性高一種計算機保護單元可以完成多種保護與監測功能，代替了多種保護繼電器和測量儀表，簡化了開關柜與控制屏的接線，從而減少了相關設備的故障環節，提高了可靠性。2.精度高、速度快、功能多測量部分的數字化，大大提高了其精度。CPU運算速度的提高，可以使各種事件以毫秒來計時。3.靈活性高通過軟件可以很方便地改變保護與控制特性，利用邏輯判斷實現各種互鎖，一種類型的硬件可利用不同的軟件，構成不同類型的保護。4.維護調試方便硬件種類少，線路統一，外部接線簡單，大大減少了維護工作量。保護調試與整定利用輸入按鍵或上位計算機下傳來進行，調試簡單方便。5.經濟性好，性價比高計算機保護的多功能性，使變配電站測量、控制與保護部分的綜合造價降低。高可靠性與高速度可以減少停電時間，節省人力，提高了經濟效益。計算機二次回路專用監控儀組成的二次回路實例a）實例之一b）實例之二如圖所示為計算機二次回路專用監控儀組成的二次回路實例。三、

電路介紹與控制原理分析從上圖可以看到以下幾點。（1）所有輸入信號均輸入控制器中進行處理，排除了傳統過電流繼電器和時間繼電器以及相關連接電路，使電路簡單明了且接線方便。

（2）該系統運行中，實時監控后的自動控制信號和返回上位計算機的信號也由控制器的不同端子發出。

（3）“防跳”控制功能可以通過控制器的35、18端子處進行檢測。

（4）斷路器的合閘操作，分為現場手動合閘操作和遠端遙控合閘操作。（5）防誤合閘控制1）拆除具有遙控合閘操作功能的連接片，使控制器的27端子與接線端子X29斷開，可以防止遠端的遙控誤送電。2）拆除控制器35、36端子之間的跳線，可以防止現場的手動誤送電操作。3）取下合閘線圈回路的熔斷器FU1和FU2，可以斷開合閘線圈的供電電源，使得即便在KM吸合的狀態下也不能完成合閘操作。（6）斷路器跳閘操作，分為現場手動跳閘操作和遠端遙控跳閘操作。（7）保護跳閘。斷路器的手動跳閘和遠端遙控跳閘都屬于在人的干預下的主動跳閘操作，斷路器在發生事故時的跳閘稱為保護跳閘，而保護跳閘切斷故障線路或設備才是繼電保護的最根本的功能體現。任務3工廠高壓線路的繼電保護任務引入由于工廠內的高壓供電線路不很長，電壓等級為10kV，且多采用單側電源供電的放射式供電方式，因此，工廠高壓供電線路的繼電保護方式通常比較簡單。根據國家繼電保護和自動裝置設計規范規定，對此應裝設相間短路保護、單相接地保護和過負荷保護。一、電流互感器和電流繼電器的接線方式

繼電器接入電路的方式有兩種，一種是將其線圈直接接到被保護元件的回路中，顯然在大容量、高電壓的系統中采用這種方式是不可以的，所以廣泛采用的是第二種方式，即繼電器接在互感器的二次側，如圖所示。相關知識電流互感器及過電流繼電器接線圖為了表征流過電流繼電器線圈的電流

IKA

與電流互感器二次電流

I2

之間的關系，引入接線系數

Kcon

的概念。接線系數是指流入電流繼電器線圈的電流與電流互感器二次電流的比值，即（6-2）1.三相完全星形接線三相完全星形接線如圖所示。這種接線方式又稱為三相三繼電器式接線。其接線的特點：三個電流繼電器的觸點并聯，其中任意一個電流繼電器動作，都可啟動整套保護裝置，所以此接線能反映各種類型的故障；電流互感器的二次電流與流入電流繼電器線圈的電流相等，即接線系數

Kcon=1，在一次回路發生任何類型的短路時，其保護的靈敏度都相同。三相完全星形接線2.兩相不完全星形接線兩相不完全星形接線也稱為兩相電流和接線，如圖所示。它由兩只電流互感器及兩只電流繼電器構成，通常裝設在U相和W相上。兩相不完全星形接線a）電路圖b）矢量圖3.兩相電流差接線兩相電流差接線如圖所示。它由兩只電流互感器和一只電流繼電器構成，所以這種接線方式又稱為兩相一繼電器式接線。兩相電流差接線a）電路圖b）矢量圖從上圖可以看出：這種接線方式流入電流繼電器的電流為兩只電流互感器二次電流的矢量差，即，在正常運行和發生不同形式的故障時，流入電流繼電器的電流也有所不同。在對稱運行和發生三相短路時，三相對稱短路，則各相電流遵循原向量規律，IKA=Iu=Iw，Kcon=，如下圖a所示。U、W兩相短路時，短路的兩相不遵循原向量關系，與

大小相等，方向相反，IKA=2Iu，則

Kcon=2，如下圖b所示。U、V或V、W兩相短路時，由于此時只測量了一相電流，因此

IKA=Iu

或

IKA=Iw，則

Kcon=1，如下圖c所示。兩相電流差接線在不同短路情況下電流矢量圖a）三相短路b）U、W相短路c）U、V相短路二、傳統繼電保護控制系統的過電流保護1.定時限過電流保護定時限過電流保護裝置的動作時限由時間繼電器的整定時限決定，是固定不變的，與通過它的短路電流大小無關，故稱為定時限過電流保護。其原理接線圖如圖所示。它由電流繼電器KA1、KA2，時間繼電器KT，中間繼電器KM和信號繼電器KS組成。定時限過電流保護的原理接線圖（1）動作電流的整定。定時限過電流保護裝置的動作電流按躲過線路的最大負荷電流

IL·max

來整定，即（6-3）式中Kre———返回系數，取0.85；Krel———可靠系數，過電流保護通常取1.15~1.25；Iop———保護裝置動作時所對應的電流互感器一次側的電流值，A；Ire———保護裝置返回時所對應的電流互感器一次側的電流值，A；IL·max———最大負荷電流，A。考慮電流互感器的變流比

Ki

和接線系數

Kcon，得出電流繼電器的動作電流為（6-4）式中Kcon———接線系數;

Ki———電流互感器變流比;

Iop·k———電流繼電器的動作電流。（2）動作時限的整定。裝于單端電源供電線路的定時限過電流保護裝置，其動作時限必須按選擇性的要求加以確定，即離電源較近的前一級保護的動作時限應比相鄰的離電源較遠的后一級保護的動作時限要長（一般長一個時限級差Δt）。將各級保護的整定時限特性畫于圖中，好似一個階梯，這就是通常所說的階梯時限特性。過電流保護的整定值要求在線路出現最大負荷電流時，保護不應誤動；當線路流過最小短路電流時，保護不應拒動。所以，必須對保護裝置進行靈敏度的校驗，過電流保護的靈敏度必須滿足的條件為（6-5）式中Ik·min——保護區末端短路時，流入保護裝置的最小短路電流。一般取

最小運行方式下本線路末端兩相短路時的短路電流

I（2）k·min；

如果過電流保護是作為相鄰線路的后備保護，其校驗點設在

相鄰線路的末端，其保護靈敏度

Ksen≥1.2即可。2.反時限過電流保護（1）原理接線圖。利用反時限電流繼電器構成的過電流保護稱為反時限過電流保護。如圖所示為反時限過電流保護的原理接線圖。反時限過電流保護的原理接線圖（2）反時限過電流保護動作電流及動作時限的整定1）其動作電流的整定計算與定時限過電流保護相同。2）其動作時限的整定同樣應按“階梯原則”進行，所不同的是由于感應式電流繼電器的動作時限與線路電流的大小有關，所以相鄰線路之間時限配合就比較復雜。3.定時限過電流保護與反時限過電流保護的比較定時限過電流保護裝置的優點是動作時限整定簡便，不會因短路電流小而使故障時間延長，且在上、下級保護的選擇性上容易配合。它的缺點是所需繼電器數量較多，接線復雜，繼電器觸點容量較小，不能用交流操作電源。此外，越靠近電源處的保護裝置，其動作時間越長。反時限過電流保護裝置最突出的優點是所需的繼電器數量少，接線簡單，繼電器本身既是啟動元件又是時間元件，且觸點容量大，可實現直接跳閘。前面兩種過電流保護的明顯缺點就是越靠近電源的線路過電流保護，動作時間越長，而短路電流則是越靠近電源越大，危害也更加嚴重。因此規程規定，在過電流保護動作時間超過0.5~0.7s時，應裝設電流速斷保護。三、電流速斷保護電流速斷保護是一種瞬時動作的過電流保護，其動作時限僅為繼電器本身的固有動作時間，不必加延時。電流速斷保護的組成相當于將定時限過電流保護抽去時間繼電器，其原理接線圖如圖所示。電流速斷保護原理接線圖電流速斷保護動作的選擇性，是靠動作電流的整定來實現的。在被保護線路上發生短路時，流過保護裝置安裝處的短路電流值除了與短路點的位置有關外，還與該系統的運行方式及故障類型有關。如圖中的曲線1及曲線2所示，線路WL1末端短路點K1與下一級線路首端短路點K2很近，實際上K1點的短路電流與K2點的短路電流幾乎相等。短路電流曲線及電流速斷的保護范圍因為線路有阻抗，當以最大運行方式下的三相短路電流

IKB·max

進行整定時，從上圖看出，K2

點短路時達不到速斷保護的動作值，所以

K2

點短路時系統的速斷保護不能動作。這樣雖然有了選擇性，但對處于線路首端的保護裝置來說就不能保護線路的全長。雖然電流速斷保護簡單可靠，動作迅速，但不能保護線路的全長，以致在線路末端會出現一段不能保護的區域“死區”。四、單相接地保護單相接地是最常見的故障，而工廠10kV電網一般為小接地電流系統。為防止非故障相的對地絕緣擊穿而發展成兩相接地短路，造成線路停電，對中性點不接地系統，應裝設絕緣監察裝置或單相接地保護裝置，以便在發生一點接地故障后，及時發信號，提示運行人員注意并采取相應措施。1.絕緣監察裝置利用中性點不接地系統發生單相接地故障后會出現零序電壓這一特性，可裝設無選擇性的絕緣監察裝置。在工廠變電所中，常采用三只三繞組單相電壓互感器或者一只三相五柱式電壓互感器接成如圖所示的電路。絕緣監察裝置原理接線圖在上圖中，電壓互感器TV一次繞組中性點接地，二次側有兩個繞組，一組接成星形，其繞組上接有三只電壓表，以測量各相對地電壓；另一組二次繞組接成開口三角形，接入電壓繼電器。正常運行時，三相電壓對稱，沒有零序電壓，電壓繼電器不動作，三只電壓表讀數均為相電壓。2.零序電流保護單相接地保護是利用系統發生單相接地時所產生的零序電流來實現的。對于架空線路，一般采用由三個單相電流互感器同極性并聯構成的零序電流濾過器。如圖所示，在正常運行時，雖然三相不平衡也會有零序電流，但由于系統基本上是三相平衡的，出現小的不平衡時測出的零序電流也非常小，遠遠小于整定值。發生三相對稱短路時，由于三相電流矢量的抵消作用，最終矢量和為零，即零序電流為零；發生相間短路時，短路的兩相電流大小相等方向相反，在電流互感器二次側也不會感應出電流，即也測不到零序電流。零序電流濾過器的接線當發生單相接地時，故障相有較大的電流流入大地，系統越大，分布電容越大，接地電流就越大。此接地電流造成故障相與正常相之間有了較大的電流值的差異，而且這個接地電流對于測量裝置來說沒有相反的量與其抵消，于是就產生了較大的零序電流，在互感器二次側感應出的電流遠遠大于整定值，使繼電器KA1動作并發出信號。對于電纜，都采用專門的零序電流互感器，套在電纜頭處。二次繞組繞在鐵心上，并接到過電流繼電器（零序電流繼電器）上，如圖所示。應注意的是，電纜頭的接地線必須穿過零序電流互感器后接地，否則將會使保護裝置誤動或拒動。電纜線路零序電流測量應用的現場如圖所示。零序電流互感器接線及保護原理示意圖1—零序電流互感器（其環形鐵心上繞二次繞組，環氧澆注）2—電纜3—接地線4—電纜頭KA0—零序電流繼電器TA—零序電流互感器電纜線路零序電流測量應用的現場任務4電力變壓器的繼電保護任務目標◆

了解電力變壓器的故障和不正常運行狀態。◆

了解工廠變壓器繼電保護的配置和各種保護接線原理。任務引入電力變壓器是工廠供電系統的重要設備，一旦發生故障，會影響企業的供電及正常生產，所以必須裝設性能良好、動作可靠的保護裝置。通過本任務的學習，了解電力變壓器繼電保護的基本知識。一、變壓器的瓦斯保護1.瓦斯繼電器構成瓦斯保護的主要元件是瓦斯繼電器（又稱“氣體繼電器”），它安裝在變壓器油箱和油枕之間的連接管道中，如圖所示。為了使油箱內的氣體都能順利地通過瓦斯繼電器而流向油枕，在安裝變壓器時，要求其頂蓋與水平面間有1%~1.5%的坡度，安裝瓦斯繼電器的連接管有2%~4%的坡度，均朝油枕的方向向上傾斜。這樣，當變壓器發生內部故障時，就可以防止由于氣泡積聚在變壓器的頂蓋內，而影響瓦斯繼電器的正確動作。相關知識瓦斯繼電器在變壓器上的安裝位置示意圖1—瓦斯繼電器2—油枕3—變壓器油箱4—連接管瓦斯繼電器主要有浮筒式和開口杯擋板式兩種結構。浮筒式目前已淘汰，現在一般采用開口杯擋板式。如圖所示為FJ3-80型開口杯擋板式瓦斯繼電器的結構。FJ3-80型開口杯擋板式瓦斯繼電器的結構1—蓋2—容器3—上油杯4—永久磁鐵5—上動觸點6—上靜觸點7—下油杯8—永久磁鐵9—下動觸點10—下靜觸點11—支架12—下油杯平衡錘13—下油杯轉軸14—擋板15—上油杯平衡錘16—上油杯轉軸17—放氣閥18—接線盒2.瓦斯保護的接線如圖所示為變壓器瓦斯保護原理接線圖。當變壓器內部發生輕微故障時，瓦斯繼電器KG的上觸點（1—2）閉合，動作于發信號。當變壓器內部發生嚴重故障時，KG的下觸點（3—4）閉合，經中間繼電器KM作用于斷路器的跳閘線圈YR，使斷路器跳閘，同時KS發出跳閘信號。變壓器瓦斯保護原理接線圖二、變壓器的過電流保護、電流速斷保護及過負荷保護如圖所示為變壓器的過電流保護、電流速斷保護及過負荷保護原理接線圖。變壓器的過電流保護、電流速斷保護及過負荷保護原理接線圖1.變壓器的過電流保護為了反映變壓器外部短路引起的過電流，并作為變壓器內部故障的后備保護，變壓器應裝設過電流保護。其動作電流及動作時限的整定計算原則均與線路過電流保護相同。2.變壓器的電流速斷保護對于中小容量變壓器，當過電流保護動作時限大于0.5s時，還應裝設電流速斷保護，用以快速反映油箱外部電源側