繼電保護的基本知識
一、繼電保護的任務(wù)和要求
1.繼電保護的任務(wù)
為保證供配電系統的安全運行,避免過(guò)負荷和短路引起的過(guò)電流對系統的影響,在供配電系統中要裝有不同類(lèi)型的過(guò)電流保護裝置。常用的過(guò)電流保護裝置有熔斷器保護、低壓斷路器保護和繼電保護。其中繼電保護廣泛應用于高壓供配電系統中,其保護功能很多,而且是實(shí)現供配電自動(dòng)化的基礎。
繼電保護裝置是指能反映供配電系統中電氣設備發(fā)生的故障或不正常工作狀態(tài),并能動(dòng)作于斷路器跳閘或起動(dòng)信號裝置發(fā)出預報信號的一種自動(dòng)裝置。
繼電保護的主要任務(wù)如下:
(1)自動(dòng)、迅速、有選擇性地將故障元件從供配電系統切除,使其他非故障部分迅速恢復正常供電;
(2)能正確反映電氣設備的不正常運行狀態(tài),發(fā)出預報信號,以便操作人員采取措施,恢復電氣設備正常工作;
(3)與供配電系統的自動(dòng)裝置(如自動(dòng)重合閘裝置、備用電源自動(dòng)投入裝置等)配合,提高供電系統的運行可靠性。
建筑供配電系統繼電保護的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、有效、可靠,且有較強的抗干擾能力。
2.對繼電保護的基本要求
繼電保護的設計應以合理的運行方式和可能的故障類(lèi)型為依據,并應滿(mǎn)足選擇性、速動(dòng)性、可靠性、靈敏性四項基本要求。
(1)選擇性
選擇性是指首先由故障設備或線(xiàn)路本身的保護切除故障。當供電系統發(fā)生短路故障時(shí),繼電保護裝置動(dòng)作,只切除故障元件,并使停電范圍最小,以減小故障停電造成的影響。保護裝置這種能挑選故障元件的能力稱(chēng)為保護的選擇性。
(2)速動(dòng)性
為了減小由于故障引起的損失,減少用戶(hù)在故障時(shí)低電壓下的工作時(shí)間,以及提高電力系統運行的穩定性,要求繼電保護裝置在發(fā)生故障時(shí)盡快動(dòng)作并將故障切除??焖俚厍谐收喜糠挚梢苑乐构收蠑U大,減輕故障電流對電氣設備的損壞程度,加快供電系統電壓的恢復,提高供電系統運行的可靠性。
(3)可靠性
可靠性是指保護裝置應該動(dòng)作時(shí)動(dòng)作,不應該動(dòng)作時(shí)不動(dòng)作。為保證可靠性,宜選用盡可能簡(jiǎn)單的保護方式,采用可靠的元件和盡可能簡(jiǎn)單的回路構成性能良好的裝置,并應有必要的檢測、閉鎖和雙重化等措施。保護裝置應便于整定、調試和運行維護。
(4)靈敏性
靈敏性是指繼電保護在其保護范圍內對發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)時(shí)的反應能力。過(guò)電流保護的靈敏度SP用其保護區內在電力系統為最小運行方式時(shí)的最小短路電流Ik,min與保護裝置一次動(dòng)作電流,即保護裝置動(dòng)作電流換算到一次電路的值,OP,1的比值來(lái)表示,即SP=Ik,min/IOP,1
對不同作用的保護裝置和被保護設備,所要求的靈敏度是不同的,在《電力裝置的繼電保護和自動(dòng)裝置設計技術(shù)規范》(GB50062;1992)中都有規定。
另外,上述介紹的四項基本要求對于一個(gè)具體的保護裝置不一定都是同等重要的,而應有所側重。例如,電力變壓器是供配電系統中最關(guān)鍵的設備,對其保護裝置的靈敏度要求較高;而對一般電力線(xiàn)路的保護裝置,就要求其選擇性較高。
二、繼電保護的基本原理
電力系統發(fā)生故障時(shí)會(huì )引起電流的增加、電壓的降低以及電流與電壓間相位的變化,因此,電力系統中所采用的各種繼電保護大多數是利用故障時(shí)物理量與正常運行時(shí)物理量的差別來(lái)構成的,例如,反映電流增大的過(guò)電流保護、反映電壓降低(或升高)的低電壓(或過(guò)電壓)保護等。
繼電保護原理結構方框圖如圖1所示。它由三部分組成,(1)測量部分;;用來(lái)測量被保護設備輸入的有關(guān)信號(電流、電壓)等,并和已給定的整定值進(jìn)行比較判斷是否應該起動(dòng);(2)邏輯部分;;根據測量部分各輸出量的大小、性質(zhì)及其組合或輸出順序,使保護裝置按照一定的邏輯程序工作,并將信號傳輸給執行部分;(3)執行部分;;根據邏輯部分傳輸的信號,最后完成保護裝置所負擔的任務(wù),給出跳閘或信號脈沖。
如圖2所示為線(xiàn)路過(guò)電流保護基本原理示意圖,用以說(shuō)明繼電保護的組成和基本原理。圖2中,電流繼電器KA的線(xiàn)圈接于被保護線(xiàn)路電流互感器TA的二次回路,即保護的測量回路,它監視被保護線(xiàn)路的運行狀態(tài),測量線(xiàn)路中電流的大小。在正常運行情況下,當線(xiàn)路中通過(guò)最大負荷電流時(shí),繼電器不動(dòng)作;當被保護線(xiàn)路K點(diǎn)發(fā)生短路時(shí),線(xiàn)路上的電流突然增大,電流互感器TA二次側的電流也按變比相應增大,當通過(guò)電流繼電器KA的電流大于其整定值時(shí),繼電器立即動(dòng)作,觸點(diǎn)閉合,接通邏輯電路中時(shí)間繼電器KT的線(xiàn)圈回路,時(shí)間繼電器起動(dòng)并根據短路故障持續的時(shí)間作出保護動(dòng)作的邏輯判斷,時(shí)間繼電器KT動(dòng)作,其延時(shí)觸點(diǎn)閉合,接通執行回路中的信號繼電器KS和斷路器QF的跳閘線(xiàn)圈回路,使斷路器跳閘,切除短路故障。
三、斷電器的構成和分類(lèi)
1.繼電器的作用
繼電器是一種在其輸入的物理量(電氣量或非電氣量)達到規定值時(shí),其電氣輸出電路被接通或分斷的自動(dòng)電器。
繼電器一般由感受元件、比較元件和執行元件三個(gè)主要部分組成。
(1)感受元件將感受到的物理量(如電流、電壓)的變化情況綜合后送到比較元件。
(2)比較元件將感受元件送來(lái)的物理量與預先給定的物理量(整定值)相比較,根據比較的結果向執行元件發(fā)出指令。
(3)執行元件根據來(lái)自比較元件的指令自動(dòng)完成繼電器所擔負的任務(wù),例如向斷路器發(fā)出跳閘脈沖或進(jìn)行其他操作。
2.繼電器的分類(lèi)
繼電器的種類(lèi)很多,目前一般分類(lèi)方法如下:
(1)按繼電器動(dòng)作和構成原理可分為電磁型、感應型、整流型、極化型、半導體型、熱力型等繼電器。
(2)按照繼電器反映物理量的性質(zhì)可分為電流、電壓、時(shí)間、信號、功率、方向、阻抗、頻率等繼電器。
繼電器又可分為反映電氣量增加和反映電氣量減少兩大類(lèi)。前者為過(guò)量繼電器,如過(guò)電流繼電器等,后者為欠量繼電器,如欠電壓繼電器等。
除此之外,還有一類(lèi)反映非電氣量參數而動(dòng)作的繼電器,如氣體,瓦斯,繼電器、溫度繼電器等。
3.繼電器的表示方法
我國繼電器型號的編制是以漢語(yǔ)拼音字母表示的,由動(dòng)作原理代號、主要功能代號、設計序號及主要規格代號所組成,其表示形式如下:
設計序號及主要規格用阿拉伯數字表示,繼電器的主要規格代號常用來(lái)表示觸點(diǎn)的形式及數量。例如,DL-11/10表示電磁型電流繼電器,其中第一個(gè)數字"1"表示設計序號(10系列),第二個(gè)"1"表示有一對動(dòng)合觸點(diǎn),
"10"表示最大動(dòng)作電流為10A。
4.常用繼電器
35kV及以下電力網(wǎng)中的電力線(xiàn)路和電氣設備繼電保護裝置(包括供電系統),除了日漸推廣的微機保護外,仍大量采用電磁型和感應型繼電器。下面重點(diǎn)介紹幾種反映單一電氣量的電磁型繼電器的結構、原理及特性。
(1)電磁式電流繼電器
電磁式電流繼電器在繼電保護裝置中作為起動(dòng)元件,如圖3所示為DL系列電磁式電流繼電器的內部結構和內部接線(xiàn)圖。
電磁式電流繼電器的工作原理如下,當線(xiàn)圈2通過(guò)電流IKA時(shí),電磁力矩M1試圖使可動(dòng)舌片3向順時(shí)針?lè )较蛐D。在正常工作時(shí),由于IKA較小,其所產(chǎn)生的電磁力矩不足以克服彈簧4的反抗力矩M2,故舌片3不會(huì )轉動(dòng),不會(huì )帶動(dòng)可動(dòng)觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6閉合;在短路故障時(shí),IKA將大大增加,M1>M2,使舌片3轉動(dòng),帶動(dòng)可動(dòng)觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6接觸而使其閉合。
能使過(guò)電流繼電器剛好動(dòng)作并使觸點(diǎn)閉合的電流IKA值稱(chēng)為該繼電器的動(dòng)作電流,用IOP表示。在繼電器動(dòng)作后,逐漸減小IKA。當繼電器剛好返回到原始位置時(shí)所對應的IKA值稱(chēng)為返回電流,用Ire表示。上述定義還可以說(shuō)成,使繼電器常開(kāi)接點(diǎn)閉合的最小電流稱(chēng)為動(dòng)作電流IOP;使繼電器閉合的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)的最大電流稱(chēng)為返回電流Ire。繼電器的返回電流Ire與其動(dòng)作電流IOP的比值稱(chēng)為返回系數Kre(其值一般小于1),即Kre=Ire/IO
(2)電磁式電壓繼電器
電磁式電壓繼電器的結構、工作原理與電磁式電流繼電器基本相同。不同之處是,電壓繼電器的線(xiàn)圈是電壓線(xiàn)圈,其匝數多而線(xiàn)徑細,而電流繼電器的線(xiàn)圈為電流線(xiàn)圈,其匝數少而線(xiàn)徑粗。
電磁式電壓繼電器有過(guò)電壓和欠電壓兩大類(lèi),其中欠電壓繼電器在工廠(chǎng)供電系統應用較多
類(lèi)似過(guò)電流繼電器,欠電壓繼電器的動(dòng)作電壓UOP是使其動(dòng)作的最大電壓,而它的返回電壓Ure是使其返回的最小電壓,返回系數Kre=Ure/UOP。由于欠電壓繼電器的返回電壓Ure大于動(dòng)作電壓UOP,所以其返回系數Kre>1,一般為1~1.2。
(3)電磁式時(shí)間繼電器
時(shí)間繼電器在保護裝置中起延時(shí)作用,以保證保護裝置動(dòng)作的選擇性。
DS系列電磁式時(shí)間繼電器的內部結構如圖4所示,主要由電磁機構和鐘表延時(shí)機構兩部分組成,電磁機構主要起鎖住和釋放鐘表延時(shí)機構作用,鐘表延時(shí)機構起準確延時(shí)作用。時(shí)間繼電器的線(xiàn)圈按短時(shí)工作設計。
(4)電磁式中間繼電器
中間繼電器的作用是為了擴充保護裝置出口繼電器的接點(diǎn)數量和容量,也可以使觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)時(shí)帶有不大的延時(shí)(0.4~0.8s),或者通過(guò)繼電器的自保持以適應保護裝置的需要。
中間繼電器的工作原理一般按電磁原理構成,如圖5所示為DZ系列電磁式中間繼電器結構圖。
(5)電磁式信號繼電器
信號繼電器用于各保護裝置回路中,作為保護動(dòng)作的指示器。信號繼電器一般按電磁原理構成,繼電器的電磁起動(dòng)機構采用吸引銜鐵式,由直流電源供電。DX系列信號繼電器的結構如圖6所示。在正常情況下,繼電器線(xiàn)圈中沒(méi)有電流通過(guò),信號繼電器在正常位置。當繼電器線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí),信號牌落下或凸出,指示信號繼電器掉牌。為了便于分析故障的原因,要求信號指示不能隨電氣量的消失而消失。因此,信號繼電器須設計為手動(dòng)復歸式。
信號繼電器可分為串聯(lián)信號繼電器(電流信號繼電器)和并聯(lián)信號繼電器(電壓信號繼電器),其接線(xiàn)方式如圖7所示。實(shí)際使用時(shí),一般采用電流型信號繼電器。