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继电保护基础知识

分类:
行业资讯
作者:
武高华能
2019/04/23 10:42
 1 名称解释
 
    研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况,以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件(发电机、变压器、输电线路等),使之免遭损害,所以也称继电保护。基本任务是:当电力系统发生故障或异常工况时,在可能实现的最短时间和最小区域内,自动将故障设备从系统中切除,或发出信号由值班人员消除异常工况根源,以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。
 
    2 基本原理
 
    继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障,是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能,需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。
    电力系统发生故障后,工频电气量变化的主要特征是:
    (1)电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。
    (2)电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时,系统各点的相间电压或相电压值下降,且越靠近短路点,电压越低。
    (3)电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角,一般约为20°,三相短路时,电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的,一般为60°~85°,而在保护反方向三相短路时,电流与电压之间的相位角则是180°+(60°~85°)。
    (4)测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。正常运行时,测量阻抗为负荷阻抗;金属性短路时,测量阻抗转变为线路阻抗,故障后测量阻抗显著减小,而阻抗角增大。
    不对称短路时,出现相序分量,如两相及单相接地短路时,出现负序电流和负序电压分量;单相接地时,出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。
    利用短路故障时电气量的变化,便可构成各种原理的继电保护。
    此外,除了上述反应工频电气量的保护外,还有反应非工频电气量的保护,如瓦斯保护。
 
    3 基本要求
 
    继电保护装置为了完成它的任务,必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护,应同时满足四个基本要求,而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置,这四个基本要求中有些要求可以降低。
    1)选择性
    选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时,其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除,当故障设备或线路的保护或断路器拒动时,应由相邻设备或线路的保护将故障切除。
    2)速动性
    速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障,以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间,降低设备的损坏程度,提高系统并列运行的稳定性。
    一般必须快速切除的故障有:
    (1)使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值(一般为0.7倍额定电压)。
    (2)大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。
    (3)中、低压线路导线截面过小,为避免过热不允许延时切除的故障。
    (4)可能危及人身安全、对通信系统造成强烈干扰的故障。
    故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间,一般快速保护的动作时间为0.04s~0.08s,最快的可达0.01s~0.04s,一般断路器的跳闸时间为0.06s~0.15s,最快的可达0.02s~0.06s。
    对于反应不正常运行情况的继电保护装置,一般不要求快速动作,而应按照选择性的条件,带延时地发出信号。
    3)灵敏性
    灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时,保护装置的反应能力。
    能满足灵敏性要求的继电保护,在规定的范围内故障时,不论短路点的位置和短路的类型如何,以及短路点是否有过渡电阻,都能正确反应动作,即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作,而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。
    系统最大运行方式:被保护线路末端短路时,系统等效阻抗最小,通过保护装置的短路电流为最大运行方式;
    系统最小运行方式:在同样短路故障情况下,系统等效阻抗为最大,通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。
    保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。
    4)可靠性
    可靠性包括安全性和信赖性,是对继电保护最根本的要求。
    安全性:要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作,即不发生误动。
    信赖性:要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作,即不拒动。
    继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。
    即使对于相同的电力元件,随着电网的发展,保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。
    以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据,又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的,但往往又存在着矛盾。因此,在实际工作中,要根据电网的结构和用户的性质,辩证地进行统一。
 
    4 组成
 
    一般情况而言,整套继电保护装置由测量元件、逻辑环节和执行输出三部分组成。
    1、测量比较部分
    测量比较部分是测量通过被保护的电气元件的物理参量,并与给定的值进行比较,根据比较的结果,给出“是”“非”性质的一组逻辑信号,从而判断保护装置是否应该启动。
    2、逻辑部分
    逻辑部分使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围,最后确定是应该使断路器跳闸、发出信号或是否动作及是否延时等,并将对应的指令传给执行输出部分。
    3、执行输出部分
    执行输出部分根据逻辑传过来的指令,最后完成保护装置所承担的任务。如在故障时动作于跳闸,不正常运行时发出信号,而在正常运行时不动作等。
 
    5 工作回路
 
    要完成继电保护任务,除了需要继电保护装置外,必须通过可靠的继电保护工作回路的正确工作,才能完成跳开故障元件的断路器、对系统或电力元件的不正常运行发出警报、正常运行状态不动作的任务。
    继电保护工作回路一般包括:将通过一次电力设备的电流、电压线性地转变为适合继电保护等二次设备使用的电流、电压,并使一次设备与二次设备隔离的设备,如电流、电压互感器及其与保护装置连接的电缆等;断路器跳闸线圈及与保护装置出口间的连接电缆,指示保护动作情况的信号设备;保护装置及跳闸、信号回路设备的工作电源等。
  继电保护装置的组成方框图
 
    6 分类
 
    继电保护可按以下4种方式分类。
    ①按被保护对象分类,有输电线保护和主设备保护(如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护)。
    ②按保护功能分类,有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护;后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。
    ③按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类,有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型(运算放大器)保护装置,它们直接反映输入信号的连续模拟量,均属模拟式保护;采用微处理机和微型计算机的保护装置,它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。
    ④按保护动作原理分类,有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、纵联保护、瓦斯保护等。
 
    7 用途
 
    ①、当电网发生足以损坏设备或危及电网安全运行的故障时,使被保护设备快速脱离电网;
    ②、对电网的非正常运行及某些设备的非正常状态能及时发出警报信号,以便迅速处理,使之恢复正常;
    ③、实现电力系统自动化和远动化,以及工业生产的自动控制。
 
    8 异常
 
    发现继电保护运行中有异常或存在缺陷时,除了加强监视外,对能引起误动的保护退其出口压板,然后联系继保人员处理。如有下列异常情况,均应及时退出:
    1)母差保护。在发出“母差交流断线”、“母差直流电压消失”信号时;母差不平衡电流不为零时;无专用旁路母线的母联开关串代线路操作及恢复倒闸操作中。
    2)高频保护。当直流电源消失时;定期通道试验参数不符合要求时;装置故障或通道异常信号发出无法复归时;旁母代线路开关操作过程中。
    3)距离保护。当采用的PT退出运行或三相电压回路断线时;正常情况下助磁电流过大、过小时;负荷电流超过保护允许电流相应段时。
    4)微机保护。总告警灯亮,同时四个保护(高频、距离、零序、综重)之一告警灯亮时,退出相应保护;如果两个CPU故障,应退出该装置所有保护;告警插件所有信号灯不亮,如果电源指示灯熄灭,说明直流消失,应退出出口压板,在恢复直流电源后再投入;总告警灯及呼唤灯亮,且打印显示CPU×ERR信号,如CPU正常,说明保护与接口CPU间通讯回路异常,退出CPU巡检开关处理,若信号无法复归,说明CPU有致命缺陷,应退出保护出口压板并断开巡检开关处理。
    5)瓦斯保护。在变压器运行中加油、滤油或换硅胶时;潜油泵或冷油器(散热器)放油检修后投入时;需要打开呼吸系统的放气门或放油塞子,或清理吸湿器时;有载调压开关油路上有人工作时[2]。
 
    9 系统保护
 
    实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。虽然继电保护有多种类型,其装置也各不相同,但都包含着下列主要的环节:①信号的采集,即测量环节;②信号的分析和处理环节;③判断环节;④作用信号的输出环节。以上所述仅限于组成电力系统的各元件(发电机、变压器、母线、输电线等)的继电保护问题,而各国电力系统的运行实践已经证明,仅仅配置电力系统各元件的继电保护装置,还远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统的全局和整体出发,研究故障元件被相应继电保护装置动作而切除后,系统将呈现何种工况,系统失去稳定时将出现何种特征,如何尽快恢复系统的正常运行。这些正是系统保护所需研究的内容。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时,尽可能将其影响范围限制到最小,负荷停电时间减小到最短。
    大电力系统的安全稳定运行,首先必须建立在电力系统的合理结构布局上,这是系统规划设计和运行调度工作中必须重视的问题。在此基础上,系统保护的合理配置和正确整定,同时配合系统安全自动装置(如解列装置、自动减负荷、切水轮发电机组、快速压汽轮发电机出力、自动重合闸、电气制动等),达到电力系统安全运行的目的。
    鉴于机、炉、电诸部分构成电力生产中不可分割的整体,任一部分的故障均将影响电力生产的安全,特别是大机组的不断增加和系统规模的迅速扩大,使大电力系统与大机组的相互影响和协调问题成为电能安全生产的重大课题。电力系统继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉设备的承受能力,机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。
    为了巨型发电机组的安全,不仅应有完善的继电保护装置,还应积极研究和推广故障预测技术,以期实现防患于未然,进一步提高大机组的安全可靠性。
 
    10 发展历程
 
    继电保护是随着电力系统的发展而发展起来的。20世纪初随着电力系统的发展,继电器开始广泛应用于电力系统的保护,这时期是继电保护技术发展的开端。最早的继电保护装置是熔断器。从20世纪50年代到90年代末,在40余年的时间里,继电保护完成了发展的4个阶段,即从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置、到集成电路继电保护装置、再到微机继电保护装置。
    随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展,人工智能技术如人工神经网络、遗传算法、进化规模、模糊逻辑等相继在继电保护领域的研究应用,继电保护技术向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展。
    19世纪的最后25年里,作为最早的继电保护装置熔断器已开始应用。电力系统的发展,电网结构日趋复杂,短路容量不断增大,到20世纪初期产生了作用于断路器的电磁型继电保护装置。虽然在1928年电子器件已开始被应用于保护装置,但电子型静态继电器的大量推广和生产,只是在50年代晶体管和其他固态元器件迅速发展之后才得以实现。静态继电器有较高的灵敏度和动作速度、维护简单、寿命长、体积小、消耗功率小等优点,但较易受环境温度和外界干扰的影响。1965年出现了应用计算机的数字式继电保护。大规模集成电路技术的飞速发展,微处理机和微型计算机的普遍应用,极大地推动了数字式继电保护技术的开发,目前微机数字保护正处于日新月异的研究试验阶段,并已有少量装置正式运行。