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A和C的延时过流继电器通过电流整定使它们作为负载母线或负载设备故障的后备保护。
断路器A和C的瞬时动作元件通过电流整定使它们在负载母线故障时不动作。
于是快速保护可以保护发电机和负载之间线路长度的大部分。
从图中我们还可看到,在断路器A或C的线路侧发生的故障使发电机电压崩溃,在断路器A和C上的瞬时继电器不能真正瞬时切除故障,因为电力设备动作需要时间,在这个期间内,流过断路器B和D的电流很小甚至为0,因此在这种故障状态下,只有等到发电厂有关的断路器动作后,断路器B和D才动作。
这就是我们所说的顺序跳闸,通常在上述情况下这样做是允许的。
在一个交流系统中,通过电流矢量与其他参考矢量(例如电压矢量)的比较,可以确定电流的方向。
图1—1所示系统的参考矢量可从负载母线电压矢量推出。
由于在该交流系统中,线路和设备含有电抗,电流和功率的瞬时方向不能确定,这是显而易见的,因为当有电压时,相位落后的电流取样的瞬时值取决于它在电压周期中的瞬间,可能为正,也可能为负或为零。
因此,电压、电流矢量必须在一个时间间隔内采样。
为了较为准确的采样,时间间隔可从一个半周期到一个周期。
目前正在进行更短时间的采样的研究工作。
这个研究工作是给继电器加上一个预测电路,试图以此确定未来时间内矢量的情况。
由于要在电力系统电磁暂态过程中预测,这项工作比较复杂。
通常用于判断方向的时间越短,所做判断的可靠性越差。
2)距离保护介绍
假如在图1—2(a)所示的电力系统装设了带有方向的过流延时继电器,将会出现一些问题。
我们知道一个完善的继电保护系统在电力系统所装设的设备被自动断开后的任何运行状态下都应具有正确的配合协调性。
下面请看该系统仅有发电机1一个电源时的情况。
对于这种状况各继电器的动作能正确配合。
当故障发生在断路器C和D之间的线路上时,流过断路器A和D的电流方向为跳闸方向。
为保证选择性,断路器A的跳闸整定时间必须比D长。
如仅有发电机2这一个电源,故障在断路器A和B之间线路上,对于断路器A和D来讲,流过的电流方向仍是跳闸方向,但这次断路器A应在断路器D之前跳闸。
因此当电源馈电地点发生改变时,无法设定这种继电保护系统协调两条线上的故障。
在每一个断路器安装处,流过断路器的电流和断路器处的电压都是可以测得的。
如果断路器处的电压(通常是母线电压)被流过断路器的电流去除,就可确定断路器到故障点的欧姆阻抗。
由于到故障点的距离与欧姆阻抗有关,故这种继电器元件常称作距离继电器或阻抗继电器。
如果这种继电器配上正比于距离的跳闸时间和方向元件,则对于两个以上的多电源系统来说,各保护之间的配合是令人满意的。
以往这种继电器未得到广泛采用。
保护之间的配合通常采用的是其他不同的方式,但其原理是相同的。
通常,一般电力网络输电线都使用分段型距离继电器进行保护,对于各段区域内的故障,继电器的动作被设计得尽可能的快。
一般可以按三段整定,对应三个不同的距离,第一、二段的应用通常是很明确的,对于第一段保护范围的故障,将跳闸动作整定到尽可能快。
保护范围通常为线路的80%。
当继电器整定的范围超过80%时,由于范围过长和调整误差,在下一条线路发生故障时易误动。
继电器的第二段是保护本线路第一段不能保护的部分,第二段通常整定为大约线路的120%并延时跳闸。
第三段提供后备保护和作为其他用途,它的保护范围不直接定义为其所在的线路。
图1—2(a)带有方向的过流延时继电器的电力系统
三段式距离保护动作特陛如图1—2(b)所示。
每一个继电器都有—个方向阻抗测量元件。
图1-2(b)一般分段型时限—距离保护特性
A处的继电器的I段阻抗范围是这样整定的,当故障发生在馈电线路1靠近首端的80%内,故障电流为图示方向时,所设定的第一段阻抗范围可瞬时起动,跳开有关的断路器。
该继电器的二段定值整定范围包括馈电线1的全部和馈电线2靠近首端的20%~30%,但经过一个短延时后跳闸,第三段整定范围包括发生在馈电线l、2,甚至可能更远的故障,跳闸延时时间更长。
把这三段的测量组合起来,把有关两条馈电线的继电器B、c、D作用合在一起,再加上如箭头所示的测量方向,则形成了如图1—2(b)所示的完整的时限——距离特性。
显然,馈电线2上的任何故障都被C处的继电器动作而瞬时断开,而A处的继电器要在延时后起动,故馈电线1仍保持运行。
以上我们所讨论的距离保护在线路的两端各有一部分在发生故障时不能被快速保护切除。
通常,这部分区域内的故障被一端瞬时切除,而另一端要靠延时切除。
这样的作法在图1—2(b)一般分段型时限——距离保护特性一些电力系统是允许的,在另一些电力系统可能导致系统的不稳定,为此,在这些系统中必须装设全线速动保护。
3)电力线高频(载波)方向比较式保护的基本原理
高频保护的最先应用就是高频方向比较式保护。
虽然它基本上已被高频相差保护和高频距离保护所替代,但它仍是一种重要的保护方式。
本保护的基本原理是通过方向继电器比较被保护线路两端的短路功率的方向。
在穿越故障(线路外部故障)的情况下,被保护线路总有一端的短路功率流向线路外。
在线路内部故障情况下,不是在线路的两端(双侧。
电源)就是在线路的一端(单侧电源),短路功率一定流入线路。
在外部故障情况下,近故障端的方向继电器检测到短路功率流向线路外,该端就开始发送载波信号,该信号就被用来闭锁线路本侧端(近故障端)和对侧端(远离故障端)跳闸。
而远端的短路功率流向线路内,故只有收到载波信号后才可知道是外部故障。
通常,装置仅在故障情况下发送载波信号,这就允许使用高一些的功率信号,如10w。
该装置需要检测发生故障的继电器和接通跳闸回路的继电器,如果收到本端的方向信号,跳闸回路接通。
方向继电器的工作特性应选择为功率流进线路时起动,流出线路时不动。
早期这种类型的保护,对所有种类的故障,起动继电器都是过流型。
为避免在负荷情况下持续发送载波信号,接地故障的定值可小于额定负荷值,而相问故障的定值是最大负荷电流的200%,甚至更大。
随着输电系统的发展,负荷电流和故障电流之间的差别越来越小,以至于最大的负荷电流和最小的故障电流(发电厂停机)可比拟,因而上述相间故障整定值不可再用。
对于方向比较型保护,这个问题一般可用距离继电器取代过流型起动继电器来解决。
距离继电器并不完全取决于电流,而是有一个特定的阻抗整定值,实际上与负载状况无关。
由电流大小决定是否起动的继电器仍可使用在接地故障保护中。
所有的方向比较保护都使用单一载频。
任一端在跳闸之前,一定有故障电流流过使该端的起动继电器动作。
这基本上是一种单端跳闸保护。
对于互连系统,这种保护是可行的。
4)差动保护
用于电力系统的大多数电气设备与一般输电线路的长度相比,实际尺寸都比较小,因此利用导线直接连接就可以使设备两端之间的联络变得非常经济和可靠,保护配置就可采用简单而又非常有效的差动保护。
从概念上讲,流入设备的电流可以很简单地与流出的电流进行比较。
如果在流入、流出电流之间有差异,设备就被断开,如无差异,设备正常运行。
这种保护原理可设计为对于设备内部故障相当灵敏,对于外部故障则非常不敏感。
因此采用差动原理的保护本身具有继电保护的选择性。
差动保护最简单的应用见图1—3,图中一段简单的电力线路就是采用差动继电器保护的。
该继电器通常由三个线圈组成,其一检测差电流并起动跳闸回路,我们称之为工作线圈,在图中用符号O表示。
另外两个线圈是制动线圈,在图中用符号R表示。
在实际中,由于制造和其他一些原因,两侧电流互感器的特性不可能完全一致,存在一些差异,制动线圈能防止由此而产生的误动,而在理论上,制动线圈是不起作用的。
图1—3给出了在外部故障时,继电器不动作跳闸情况下的电流流向。
电流,,进入电力回路后,在离开回路时并未改变,为了简单起见,设电流互感器的变比为1:
1,两侧电流互感器的二次绕组连接后,使,。
仅通过差动继电器的制动线圈循环流动。
如果在两个电流互感器之间,电流同时离开或进入电力回路(内部故障),两个电流互感器中的电流将不同,差电流将通过继电器的工作线圈。
图1—3
图1—3中的电力回路被简化了,只用了一根导体表示,它也可用发电机、变压器或其他电气设备绕组替代。
值得注意的是采用差动原理的保护不能检测绕组的匝间短路,例如由电抗器线圈组成的电力回路中的匝间短路。
通常,差动继电器保护三相设备,理论上讲,三相差动保护的连接仍相对简单,但实际要复杂些。
在以上讨论的简单差动继电器原理的保护基础上实际还有很多改进。
5)发电机转子接地保护[10]
有两种方法可以检测转子回路接地故障。
一种方法是在转子回路两端跨接一个高电阻,其中点经一个灵敏的继电器线圈接地(如图1—4所示),这个继电器可检测转子回路大部分接地故障。
但在转子磁场绕组中部发生接地时,由于这一点与电阻中点等电位而存在保护死区。
保护投入后,该死区的检验可通过所装设的分接开关把继电器的连接从电阻的中点稍微移向电阻的一端来实现,也可把一半电阻换成非线性电阻。
由于非线性电阻值随转子电压不同而改变,所以电阻中点的抽头电压随着转子磁场绝缘状况的改变而不断变化。
图1—4采用灵敏继电器的发电机磁场故障保护
第二种方法是利用附加在转子励磁回路正极的小电源,与其串接的有故障检测继电器和一个高电阻(见图1—5)。
转子励磁系统任一点故障都将有足够大的电流通过继电器使之起动。
该转子磁场绕组接地故障继电器通常是瞬时动作的,在对发电机没有直接危害的情况下接成报警方式。
从上两图中可看到,接地电流是通过转子本体从大地返回的,然而由于转子和定子之间通过轴承油膜接触,轴承油膜是不导电的(或间隙性导电),故必需通过一个附加接地炭刷把转子大轴接地。
装接地炭刷的另一个主要目的是释放汽轮机转轴在旋转中由于蒸汽摩擦而产生的静电,从而防止轴承表面产生凹点。
在一些先进发电机中,传统的直流励磁机已被具有旋转电枢的交流发电机取代,通过装在转子上的整流器向主发电机的转子磁场绕组供电,从而做到了“无刷励磁”。
但是这样作后,由于难以接触到主直流磁场回路而不能直接检测转子接地故障。
转子绕组一点接地故障(或二极管开路)将引起励磁程度的微小变化。
而更严重的转子绕组匝间短路(或二极管短路)多半将引起机组的异常振动。
有时可用测振仪探测后,将发电机减载或跳闸。
二极管本身由保险熔丝保护,并且一般还配有熔丝失灵保护继电器。
图1—5采用负电位偏置的转子接地检测
6)发电机变压器组的发电机定子接地保护
用接在发电机中性线的电流互感器上的电流继电器,或接在配电变压器二次绕组电流互感器上的电流继电器可实现简单的接地保护。
另外利用接在电压互感器(一次中性点接地)二次绕组上的电压继电器也可实现接地保护。
某些采用低值接地电阻,限制接地故障电流在200~300A之间的发电机,为把对其损害降至最小,需要装设快速跳闸的瞬时继电器。
在变压器高压侧发生接地故障时,为避免由于发电机变压器组内部绕组耦合电容传递的零序电流使继电器误动,整定值不得小于最大接地电流的10%。
因而,保护装置通常由两种继电器组成,一种为瞬时动作的继电器,定值按最大接地电流的10%整定。
另一种为按最大接地电流5%整定的最小时限反时限圆盘式感应继电器。
当发电机通过高电阻(把最大定子接地电流限制到大约10A)接地时,继电器动作允许较长的延时。
在此情况下,需用定值为最大接地电流5%的双套最小时限反时限继电器。
上述两种保护系统对发电机定子绕组靠近中性点部分都有接地故障保护死区(一般在底部,约为定子绕组的5%~10%)。
虽然靠近定子绕组中性点的接地故障不太可能由电气应力引起,但不可排除由于机械应力引起的接地故障,故必须装设100%的定子绕组接地保护。
可行的方法有下面两种:
第一种方法是把编码后的交流电流注入发电机中性线,并监视其数值。
该电流流经发电机整个系统对地电容(即发电机定子绕组、发电机出口变压器低压侧、厂用变压器的高压侧绕组和连接线对地电容)。
在这些绕组发生接地故障时将减小系统对地阻抗而增加注入电流的数值,如果该电流超过预先设定的基准值,保护就跳开机组。
第二种方法是利用正常时出现在发电机中性点的三次谐波电压。
如果故障发生在发电机中性点附近区域,反应工频电压保护的电压减少到近似于零而不能保护,故该保护覆盖发电机定子绕组上部的90%~95%。
由于补充了一种抑制多余频率的滤波系统,以致在由两种继电器覆盖的区域里提供相当大的重叠部分。
上述第一种方法的优点是:
在发电机升速前,特别是经过长期停机或检修停机后重新投入运行前,能非常方便地检查机组绝缘电阻是否降低。
在采用电压互感器中性点接地的场合,可忽略接地电流。
最小时限反时限继电器可只被用来报警。
应该注意的是无论直接还是不直接连接的发电机都应装设匝间短路保护。
在现代发电机上很少发生此类故障,但一旦发生,往往也伴随接地故障而被接地保护跳开发电机。
7)发电机出口变压器的过励磁保护
当发电机出口升压变压器在运行中的铁芯磁密大大超过其设计最大值时(一般为1.9T),就有被损坏的危险,故需要采取相应的保护措施。
这种情况可发生在发电机变压器组的运行中,但更多情况下是发生在与系统并列前的自动电压调节器调压或手动励磁调节过程中,特别是当发电机升速至同步或从同步降速时更易发生。
从变压器的基本公式E=4.44(BA)可导出B=KE/fT,即磁密B正比于感应电动势E,反比于频率f和匝数T,,因此在这些量中不成比例的变化就有可能引起铁芯过励磁。
如铁芯磁密增加超过其饱和值,部分磁通将逸出铁芯,沿着变压器其他部分(非叠片部分)闭合,而引起涡流。
由此产生的损耗取决于磁通的大小、磁通所经金属部件的尺寸以及物理特性,并可表
现为下四种形式:
a励磁电流急剧增大;
b绕组温度升高;
c变压器噪声和振动增加;
d由于杂散磁通引起的非迭片金属部件的过热。
由于变压器的其他保护装置不能对上述变压器各种过励情况提供充分的保护,故加以过励保护。
该保护既可作为自动调压设备整体的一个部分,也可单独分出来(见图1—6)。
在这两种保护方式中,过励保护先通过正常的励磁调节降低励磁,如果未能进行必要的调整,则经过一个短的延时(一般5~7s)后跳开发电机。
图1—6发电机出口变压器过励磁保护
8)断路器失灵保护的工作原理
该保护于70年代中期首次应用于超高压输电网。
装设该保护的目的是解决跳闸继电器已起动而断路器断流失败的问题。
其可能的原因有:
(i)断路器的跳闸线圈没有收到跳闸命令,但在配置双重跳闸线圈和使用直流回路MarkⅡ标准的情况下,这种情况不太可能发生,因在任一单独的跳闸线圈断线或电源消失仍能保证跳闸。
(ii)由于电气或机械故障,断路器机构失灵。
(iii)由于超出断路器性能范围以外的不当操作和某些缺陷使断路器电流遮断装置失灵。
装设两套故障检测系统的措施用于馈线保护,如有可能也用于发电厂保护。
这样实际当中不会出现第二套装置再发生电气故障而导致不能切除系统故障的问题。
一般双重化进行到断路器跳闸线圈为止。
这样做以后,断路器拒绝动作的可能性高于保护和跳闸回路失灵的可能性。
这是由于各种机械、气压和液压跳闸机构和断路器由于实际和经济原因不能采取双重化。
对于这些机械部分失灵造成的问题用电力系统后备保护来解决一般是不适宜的,为此人们研究开发了断路器失灵保护。
这种保护的基本原理是从任意一个跳闸继电器起动跳断路器瞬间开始,测量故障电流持续时间,如到了预先设置的延时,故障电流仍存在,就认为该断路器已失灵而断开连接在失灵断路器两侧连线上的所有断路器。
这在双母线变电站是通过后备跳闸系统来完成的,而在多角形母线或其他类型母线的变电站必须提供断路器失灵直流跳闸回路。
每一个断路器都应装设断路器失灵保护,失灵保护由二个电流检查继电器和四个时间继电器组成(多角形母线变电站仅装设两个时间继电器)。
图1—7为断路器失灵保护的简化电路图。
该图中,为了简化起见,一些双重继电器元件连同后备跳闸检查小母线和有关继电器均已省略。
图1—7400kV双母变电站断路器失灵保护简化原理图
断路器失灵状态的检测是通过电流检测继电器进行的。
它们是采用静止元件构成的瞬时动作过电流继电器。
它们只在一个或多个电路跳闸继电器起动后才允许起动,因此与有关的断路器跳闸线圈同时激励。
虽然只要CT一次侧有电流流过,CT二次侧就有电流通过电流检测继电器,但只有在施加了辅助的直流电源后才可能起动。
如跳闸继电器起动后,断路器拒绝切除故障,动作顺序如下:
电流检查继电器所在的直流回路带电,如果CT二次电流超过其定值,该电流检测继电器接点闭合,依次起动延时继电器和激励跳闸线圈。
在延时结束之后,电流控制继电器仍被未断开的故障电流所激励。
正负电源被连接到与检测出的失灵断路器的主母线有关联的后备识别小母线上,这些小母线带电后,就跳开连接于同一主母线上其他的所有断路器。
个别断路器接收后备跳闸信号是通过同一母线迭择器来实现的,使用隔离开关辅助接点起动后备跳闸电路。
9)电缆[11]
绝缘电缆在电力领域中用途很多。
细电缆用作办公室、家庭和工厂周围的软线;
粗电缆用来连接在一定区域内可移动的电气设备。
有些情况下,轻型电缆可负载十分重的电气负荷,如:
在电力驱动吊斗铲这种情况下,它需用好几千马力。
架空电缆用在有树、接近于大厦或其他建筑物而用其他明线行不通的配电线路中。
地下电缆用于许多情况下,包括在两个大站间构成主传输线路。
有些电缆工作在765KV的电压下,并负载几百兆瓦的负荷。
能承受更高电压的电缆不久也会成为现实。
同样电压等级的电缆与架空线相比,有着十分不同的特点,如:
电缆的导体之间比架空线的导体间相距得更近些。
电缆的电感和感抗比相应规格架空线的要小。
有些情况下,电缆的电阻可能在数值上大于它的感抗,导体间紧密的空间和导体间存在的固态绝缘物体导致了每单位长度上电缆的分布电容比架空线大。
结果是电缆的容抗较低。
由于这些原因,对于电缆在使用短线解决问题时就必须小心。
即使对于只有几英里长的电缆,但为了获得满意的估算结果,往往要求用到π型或T型线路模型。
绝缘电缆中的导体大部分是铜制的。
在相同的单位英尺电阻下,铜导体比铝导体细,这样需要的绝缘材料的重量也就小。
虽然目前市场上,铜比铝贵,在绝大部分高压电力电缆的设计上,从绝缘造价的节约和减小直径可增加灵活性的角度来说,采用铜比铝更可取些。
一般根据电力电缆的用途和造价选用相应的绝缘材料。
便携式电缆一般用天然或人造橡胶绝缘,这种材料可以在低温下重复弯曲。
尽管如此,由于其化学结构易快速变质,此材料不能用在高温处。
在高温下电缆,应以石棉和玻璃纤维做绝缘层。
用来运输巨大电力的高压电缆经常用侵油纸做绝缘。
其他材料如交联聚乙烯也正在逐渐普遍被用来做绝缘层。
电力电缆的制造商和用户已能根据先进的数学方法和测试得出了电缆参数。
表—1给出了给定的设计条件下的电缆的线路参数。
为了可靠地估算,满足特殊设计要求所需要的电缆参数值,应从制造商处获得。
表1—1一些典型电缆的线路参数
电压等级(KV)
结构
尺寸
单位英里电阻
每英里感抗
每英里容抗
1
三芯,铠装,纸介质
4
1.58
0.175
5400
15
0000
0.310
0.174
5600
69
单芯,纸介质
侵油,6英寸间距
250,000
Cir,mil
0.263
0.334
4790
230
1,000,000
0.067
0.276
7140
525
密封,侵油
500,000
0.113
0.25
7600
单芯,空气绝缘
管型(试验型号)
0.0086
0.172
32,00
附录B外文文献
1)TheDirectionalProtectionBasis
Earlyattemptstoimprovepower-servicereliabilitytoloadsremotefromgenerationledtothedual-lineconcept.Ofcourse,itispossibletobuildtwolinestoaload,andswitchtheloadtowhicheverlineremainsenergizedafteradisturbance.Butbetterservicecontinuitywillbeavailableifbothlinesnormallyfeedtheloadandonlythefaultedlineistrippedwhendisturbancesoccur.Fig.1-1showsasingle-generator,two-line,single-loadsystemwithbreakersproperlyarrangedtosupplytheloadwhenonelineisfaulted.Forthearrangementtobeeffectiveitisnecessarytohavetheproperrelayapplication.Otherwise,theexpensivepowerequipmentwillnotbeabletoperformasplanned.Considertheapplicationofinstantaneousand/ortimedelayrelaysonthefourbreakers.Obviouslythetypeoftherelaycannotcoordinateforalllinefaults.Forexample,afaultonthelineterminalsofbreakerD.DtrippingshouldbefasterthanB,however,the
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