继电保护基础知识

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继电保护及二次回路
电力系统由于受到自然环境的影响,以及设备在制造、 安装、检修、运行过程中各种主、客观因素的影响,难免会 发生故障和不正常运行状态。 常见的故障:相间短路、接地短路和断线。 故障的危害性极大,过大的短路电流流过电器设备,将 损坏甚至烧坏设备,造成大面积停电。 常见的不正常运行状态:过负荷。 设备长期运行,可能使载流部分过热,损坏绝缘,缩短 设备使用寿命,甚至发展成为故障。 中性点非直接接地系统当发生单相接地时,使未接地相 对地电压提高至原对地电压的根号3倍,它往往是导致短路 故障的一个原因。
当在继电器线圈中有电流IK时,铁芯中产生磁通Φ,磁通 经空气隙δ及衔铁而成回路,因而在铁芯与衔铁间产生电磁 吸力Fem,Fem的大小与Φ的平方成正比,而Φ又与磁动势成 正比
即:
式中
WK——继电器线圈的匝数; Rm——磁通Φ所经过磁路的磁阻,与空气隙δ近似成 正比(因为铁芯磁阻与空气隙磁阻相比可忽略 不计); K1、K2——比例系数,当磁路不饱和时为常数。
2、中间继电器 中间继电器是扩大接点数量和容量的一种辅助继电器,结构如图5-10所示。 接点较多,当同时需要控制多个回路时可借助中间继电器完成。 电流、电压继电器的接点容量较小,不能直接接通跳闸回路,经过中间继电器来扩大 接点容量。 利用中间继电器本身的动作时间获得短时的延时,而避免采用专门的时间继电器。 图5-11为DZ-10系列中间继电器的内部接线和图形符号。
当一次回路发生故障时,继电保护能将故障部分迅速切除,并发出 信号,以保证一次设备安全、可靠、经济、合理地运行。二次回路设备通 常为低压设备。
§1.1继电保护的基本知识
一、继电保护的定义 能正确判断故障点并迅速、自动跳闸切除故障点的装置,称为继电 保护装置。即能够反应电力系统元件故障及不正常运行状态,并能使断 路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 二、继电保护装置的主要作用 1、当线路或电器元件发生短路故障时,能有选择地、迅速地、自动 地切除故障元件防止事故范围扩大,并保护非故障元件的继续运行。 2、对于电气元件的过负荷和小接地电流系统的单相接地等不正常工 作状态及时发出预告信号,引起值班人员的注意,并及时采取措施,消 除不正常工作状态。


电磁型、感应型、整流型、晶体管型。 线路保护、母线保护、变压器保护。
2、继电保护的基本原理
如图,正常情况时,线路上只流过 负荷电流IL,因而电流互感器TA二次侧 的电流亦即继电器KA的线圈中电流Ik小 于电流继电器KA的起动电流Iop.k , KA不动作。当线路发生短路故障,线路 上流过很大的短路电流IK,则TA二次侧 电流IK增大,当IK等于或大于Iop.k时, KA起动,其常开接点闭合,使得跳闸线 圈YT受电,铁芯向上吸动,使断路器QF 在弹簧FT作用下跳闸。QF跳闸后,它的 辅助接点QFF断开,YT断电。
式中:Ure.k——继电器的返回电压; Uop.k——继电器的动作电压(起动电压) 一般低电压继电器的Kre应不小于1.2。
三、时间继电器 图5-6为DS-110型时间继电器的结 构图。线圈1通电流后继电器的衔铁3 瞬时被吸入,曲柄9失去支持,瞬时接 点7打开,8闭合,扇形齿轮10、在弹 簧11的作用下顺时针转动,并传给齿 轮13,使它与同轴的摩擦离合器14逆 时针方向转动。摩擦离合器转动后使 外层的套圈14d紧卡主传动轮15,因此 传动轮就随着转动。此轮传动钟表机 构的周轮16与17经中间轮18使摆轮19 与摆卡20的齿接触,使之停止转动, 但在摆轮的压力下摆卡偏转而离开摆 轮,所在摆轮就转过一个吃齿,如此 往复进行就限制了动接点的轴为一定 速度。 当线圈中的电流消失后,在弹簧4 的作用下,继电器的衔铁和杠杆又返 回到原始位置,同时扇形齿轮也立即 复原,因顺时针旋转时摩擦离合器14 已与转动轮脱开,故钟表机构不起作 用,这就保证了继电器返回是 瞬时的。 改变定接点23的位置,即改变22走 到23之间的距离,就可以调节时间继 电器的动作时限。
后备保护:一般动作延时较长,是当主保护拒动或断路器 拒动时,以大于主保护的动作时限动作切除故障。
近后备保护:主保护拒动时,由本设备的另一保护实现 远后备保护:保护拒动或断路器拒动时,由上一级设备 或线路保护实现。

2、 速动性 为了限制短路电流的破坏范围和对电气设备的损坏 程度,减小用户处电压下降的时间,提高自动重合闸的成功 率,要求保护装置应尽可能快地切除短路故障。
继电器有上下两个线圈,可以根 据需要并联或串联。
并联时从外部所需的动作电流是 串联时的2倍。 动作电流可以用调整把手改变弹 簧的拉力来平滑调节,在接法不变 时,调整把手在最大刻度值时的动作 电流为最小刻度值的2倍。 如DL-11/10继电器(11指接点方 式为有一对常开接点,10指最大动作 电流为10A),当两线圈并联时,动 作电流在5-10A之间调节。
IK=Ire · k 时,吸合转矩小于弹簧的作用力矩,衔铁被弹 簧拉回原来的位置。因为只要被拉开一 点, δ增大,Fem减小,衔铁更易于返回。

能使电流继电器返回的最大电流值Ire · k——返回电流 返回电流与动作电流之比Kre——返回系数 即:Kre=Ier · k / Iop.k
动作电流与返回电流的差别主要是由空气隙δ的变化及 衔铁转动时的摩擦阻力所引起的。动作前的δ大于动作之后 的,另外,动作过程中摩擦力的作用方向与电磁吸力相反,而 返回过程中摩擦力的作用方向与电磁吸力一致。所以,动作电 流总比返回电流更大,即: Ier · k< Iop.k 继电保护在满足可靠性的基础上要求Kre尽可能接近于1, 这样可使保护装置获得较高的灵敏度。 方法: 改善磁路系统的结构,以减小δ的变化,采用坚 硬的轴承减小摩擦力,采用图5-4的结构型式。 图5-6的结构型式主要用于返回系数要求不高的中间继电器、 信号继电器中。
动作原理:当母线电压为正常值时,继电器接受着较高电压 (100V左右),它的衔铁处于被吸状态,常闭接 点是打开的。当有短路故障时,母线电压下降, 衔铁返回,常闭接点闭合,将保护装置启动。短 路切除后母线电压升高,常闭接点又打开,保护 装置返回。所以保护的启动电压低于返回电压。
Ure k 返回系数:Kre= Uop k >I
为防止事故扩大,尽可能缩小停电范围,保证非故障设备的继续运 行,必须迅速切除故障,这一任务就是由继电保护装置来完成的。 变配电所的电气设备连接回路分为一次回路和二次回路。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


一次回路:由一次设备组成的生产、输送和分配电能的电气回路。也 称一次接线或主接线。 一次设备:墙壁进出线套管、母线、所用变压器、电容器、高压柜、 电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、熔断器。 二次回路:由二次设备所连接所组成的电气连接回路。 二次设备:控制台、交流柜、直流柜、计量柜、保护柜。 二次设备的任务:通过对一次回路的监察、测量来反应一次回路的工 作状态,并控制一次系统。

四个基本要求是分析研究 继电保护的基础、设计评 价继电保护的依据。

对反映异常运行状态、作 用于信号的继电保护,快 速性要求可以降低。
四、继电保护的基本原理 1、 继电保护可以按原理、使用的继电器元件、用途分类。 反映电气量的保护: (1)电流保护:反应电流增大动作 (2)低电压保护:反应电压降低动作 (3)距离保护:反应保护安装处至短路点的距离 (4)方向保护:电流保护增加功率方向判别条件 (5)差动保护:反应被保护对象两端电流相量差 (6)序分量保护:反应零序分量或负序分量动作 反映非电气量的保护: (1)瓦斯保护 (2)温度保护等
二、电流及电压继电器
1、电流继电器 图5-4是DL-10系列电流继电器 结构图,为了提高返回系数, 继电器的衔铁采用旋转的Z形 舌片,这样动作前后空气隙的 变化较小,而且由于铁片薄, 易于饱和,动作后磁通的增加 不会太大,因此返回系数较 高,一般在0.85以上,另外动 作快、消耗功率小。 缺点是接点容量小,不能 直接作用于断路器跳闸。 目前广泛采用DL-20系列电 流继电器的结构形式基本上与 DL-10系列相似,而Kre更高。
能使电流继电器动作的最小电流值Iop.k叫做该继电器 的动作电流(或启动电流)。
令吸合转矩Mdc等于阻力矩Mz,并以Iop.k代替前式中的、 IK,可得:


即 根据上式,要改变继电器的动作电流,可采取以下方法: 改变继电器线圈的匝数WK; 改变弹簧的阻力矩; 改变空气隙。
继电器动作之后,IK继续增大、减小对输出电路并无影 响。因为动作之后δ较小,只要较小的电流就能维持继电器 的动作状态。
在以上的过程中,继电器KA是关键,它由TA二次侧供 电,经过测量IK电流的数值,并与整定值比较,一旦超过整 定值就动作,向断路器发出跳闸命令。 有的继电器(例如采用晶体管继电保护时)不能直接与 电流互感器连接,需要经过变换电路,因而继电保护装置可 概括成如下方框图。
变换电路将电流互感器及电压互感器二次侧的电流、电 压变换为测量比较元件所需要的形式。测量比较元件就是电 流、电压等继电器,当被测值符合事先规定的整定值要求 时,测量比较元件动作。操作电路是实现一定控制要求的直 流操作电路,经过它去接通所需的跳闸电路及信号电路。
当电流IK较小时,电磁力在衔铁上产生的吸合转矩还不 足以克服弹簧拉力及摩擦力所产生的阻力矩,继电器仍然不 动作。
继续增大IK,当IK =Iop.k时,吸合转矩等于阻力矩,于是 衔铁被吸动,空气隙δ减少,因而吸力增大,一下子就把衔 铁吸过去,继电器的常开接点立刻闭合,把输出电路接通。 可见继电器具有跳变特性。
三、对继电保护装置的基本要求 选择性、速动性、灵敏性、可靠性。 1、选择性: 当电力系统发生故障时,保护装置应只切除故障元件, 而保持其他非故障元件的继续运行,称为保护装置的选择性。 主保护:按照电力系统的安全性要求,以最短的时限和 最小的停电范围动作切除故障,保证电力系统和设备的安 全。




若测量比较元件反应的是电流I,当短路时电流超过整定值 保护动作,这就是过电流保护。 若测量比较元件反应的是电压U,当短路时U低于整定值保 护动作,这就是低电压保护。 若测量比较元件反应的是变压器或线路两端的电流之差, 当电流增大保护动作,这就是差动保护。
§1.2电磁型继电器
一、电磁型继电器的工作原理 电磁型继电器是 利用电磁力使其可动 的机械部分动作,并 通过它的接点接通或 者断开来实现输出信 号的改变(即接通或 断开外电路)。 电磁型继电器是目前广泛应用的一种

控制故障影响程度,减少设备损伤,避免造成设备无法修 复的损坏; 减小故障影响时间,减少用户在低电压情况下的工作时 间,避免用户电动机转速严重下降、甚至自启动失败; 防止系统稳定性破坏,提高电力系统运行的稳定性。
故障切除时间等于保护装臵动作时间和断路器动作时间之和。



3、灵敏性 继电保护装置的灵敏度是指对保护范围内发生故障和不 正常工作状态的反应能力,在保护装置保护范围内,不管故 障点的位置和性质如何,保护装置都应该迅速、正确地运作。 灵敏系数必须大于1。 4、可靠性 是指当电力系统发生故障时,保护装置准确、可靠地动作 的程度,它有两个含义,即该动作时不拒动;不该动作时不 误动。
2、电压继电器 我国广泛采用DJ-100系列。结构同DL-10系列流继,区 别在于线圈匝数多而导体细,阻抗大。

电压继电器:直接接在电压互感器副边, 动作取决于电压互感器电压的大小。 电流继电器:接到电流互感器副边, 动作取决于电流互感器电流的大小。

电压继电器常用于当母线电压降低时启动保护装置, 这种继电器叫低电压继电器。用常闭接点启动保护装置。
当时限较长时,为了避免继电器线圈由于通电时间长而产 生过热,在动作后给线圈串入一个附加电阻。
四、信号继电器与中间继电器
1、信号继电器 信号继电器是当继电保护装置动 作时给出保护动作的信号,图5-8为 DX-11型电磁信号继电器。当电流 通过线圈2时,衔铁3被电磁铁1吸 引,信号牌6因一端失去支持而落 下,同时,与信号牌相联的固定轴 随着旋转90°角,使固定在转轴上 的可动接点4与固定接点5接触,因 而接通灯光或音响信号回路。值班 员查看信号牌的位置可确认是哪一 套保护装置动作,随后用手转动复 位手柄8,将继电器复归。
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