02发电厂电气设备保护(Ch02基础)Y

第二章继电保护基础知识大型发电机变压器组继电保护概论尹项根，CEEEHUST，2006Chapter2继电保护基础知识内容提要：§2.1继电保护的系统配置与保护范围（略）保护分区的概念；保护分区的基本原则；保护分区其它问题；继电保护的系统性§2.2继电保护的基本原理与构成（略）继电保护的基本原理；继电保护装置的构成；继电特性；继电保护的分类§2.3继电保护用电力互感器特性分析保护装置的输入信号与输入回路；电流互感器特性分析；电压互感器特性分析§2.4微机保护构成原理（略）§2.3继电保护用电力互感器特性分析2.3.1继电保护输入信号的特点与输入回路2.3.1.1继电保护输入信号的类型与特点⒈类型：电压、电流；交流、直流；电量、非电量⒉特点：幅值变化范围大，衰减直流分量、丰富的高次谐波分量2.3.1.2继电保护装置的输入回路TA微机变压器差动保护装置微机距离保护装置输电线路BUS-BARTATVTV母线电压线路电流线路电压图2.5距离保护二次回路接线图2.6差动保护二次回路接线，1.保护用电力互感器的主要类型(1)TA——无气隙铁心式，TP，如5P20；小气隙铁心式，TPY；空心式——母线保护。(2)TV——电磁式；电容式（CVT）2.保护用电力互感器的发展趋势(1)电子式：TA——基于铁磁材料；基于非铁磁材料，譬如基于Rogowski线圈（罗式线圈）的非功能型TA，用光纤传输数字信号，又称为有源型光CT；TV——电容式。(2)光学型：TA——基于Faraday(法拉第)原理(磁光原理)的功能型TA；TV——基于Pockles(泡克尔斯)原理(电光原理)的TV。它们又称为无源型光CT、光PT。2.3.1.3电力互感器的类型与发展前景2.3.2保护用电磁式电流互感器的特性分析2.3.2.1超高压大型电网中电流互感器（TA）的工作环境(1)大电网→短路容量大增→短路电流倍数大增；(2)高压线路、发电机等参数变化，暂态衰减过程加长；衰减时间常数T：150－200ms。(3)稳定要求切除故障速度加快。熄弧时间：60→40→20ms；保护动作时间：40→20→20ms。结论：极易引起普通电磁式TA饱和及传变失真。2.3.2.2电流互感器（TA）变换过程的物理与数学描述研究和分析TA的传变特性，需要考虑以下工况：(1)稳态特性与暂态特性；(2)非饱和特性与饱和特性。1.TA基本电路模型图2.7分析TA电磁变换关系用的基本电路模型**i1i2L1,R1U1L2,R2Lld,RldMμ2.TA基本数学方程（向二次侧折算）001222222211111dtidMdtdiLiRdtdiLiRdtdiMdtidLiRuldld（2.2）0)()()(0)()(2222222211111111uidtdLRudtidMidtdLRidtdLRuidtdLRudtidMidtdLRuldld（2.3）令，，，代入上式，并在式(2.2)的第一式中消去，第二式中消去，可得为负载电压；末项为由铁芯内磁通引起的感应电势，再考虑铁芯铁损，记为，TA的等值电路如图2.8所示。11LML22LML21iii2i1i22)(uidtdLRldldeudtidMiR2.3.2.3TA的稳态特性分析1.TA各侧电量的基本相量关系0)()()(0)()(2222222211111111UILjRUIMjILjRILjRUILjRUIMjILjRUldld（2.6）图2.8分析TA电磁变换关系用的等值电路图(a)用于TA暂态分析的等值电路图；(b)用于TA稳态分析的等值电路图1R1L)(11Ii)(22Ii2R2LldRldL)(22Uu)(IiMRe)(Uu)(11Uu(a)(b)00222222111111UIZUIZIZIZUIZUIZIZUld（2.8）图2.9分析TA电磁变换关系用的等值相量图2.TA传变稳态误差分析(1)角度误差δ定义为：由于角度误差很小，故可近似地表为：角度误差与励磁电流的大小成正比，且与TA副方回路等值总阻抗的阻抗角的余弦值成正比。纯电阻时，α＝0，角度误差最大；纯电感时角度误差最小。)arg(12II（2.10）1)cos()sin(II（2.11）IiRiRiR(2)变比误差△I定义为：由于角度误差δ很小，故变比误差△I可近似地表为：变比误差△I与励磁电流的大小成正比，且与TA副方回路等值总阻抗的阻抗角的正弦值成正比。纯电阻时，α＝0，变比误差最小；纯电感时变比误差最大。此结论与前述角度误差相反。%100121IIII（2.12）1)sin(III（2.13）I先分析TA稳态误差与负载阻抗、励磁阻抗的关系。励磁电流可表为：TA的角度误差、变比误差均与负载阻抗的大小成正比，且与励磁阻抗的大小成反比。而是一个由铁磁材料特性确定的非线性阻抗，它的大小与的大小密切相关。这分析说明了稳态误差与励磁电流的关系。3.铁芯饱和对TA稳态特性的影响ldZldZZZIZZIZZZUZEIldld222)(（2.14）IldZZZE进一步分析TA的一次电流与二次电流的关系：正常情况下，，有，为正确变换。当一次电流或负载阻抗过大，引起铁芯饱和时，励磁阻抗值明显减小，则，引起变换误差。1I2I122IZZZZIld（2.15）2ZZZld12II1IldZZ12II通常用10％误差曲线来限定TA稳态变换时的变比误差。定义。图2.10TA的10％误差曲线NIIm/1102.3.2.4TA的暂态特性计算与分析1.不计（未）饱和时TA暂态过程数学描述(1)分析的基本假设条件(2)分析的目标①随变化关系②随变化关系(3)电路模型与数学模型①随变化关系：2i1ii1i2i1i0)(22221dtdiLMiRdtidM（2.17）②随变化关系：式中为TA二次回路衰减时间常数。(4)TA原方输入信号的选择i1i121211iTdtidqiTdtid（2.19）222RLMT1)sin()sin()(1TtmetIti（2.20）22LMLq当时，没有直流分量，输入信号如下式所示：当时，为最严重直流偏移的情形，输入信号如下式所示：0)sin()(1tItim（2.21）2)cos()cos()(111teItIeItiTtmmTtm（2.22）采用拉氏变换与反变换方法求取问题的解析解。对于目标①，即随变化关系，由式（2.17）的拉氏变换解得对于目标②，即随变化关系，由式（2.19）求拉氏变换解得(5)问题求解2i1i)(1)(1222pIpTpRMpI（2.25）i1i)(11)(122pITpTqppI（2.26）然后求取输入信号的拉氏变换。求得式（2.22）所示含最大衰减直流分量的输入信号的拉氏变换为:将式（2.28）分别代入式（2.25）和式（2.26），并求它们的拉氏反变换，便可得到和各自在零初始条件下的时域解如下。①随变化关系的时域解：对于一次电流含最大直流偏移的情形，即将式(2.28)代入式(2.26)并取拉氏反变换：)11()(2211ppTpIpIm（2.28）i2ii1i)sin(sin)cos(cos)cossin()(221221221tqItIeqIeeTTqTTIimmTtmTtTtm（2.31）利用上述在铁心未饱和时的条件，上式可简化为：②随变化关系的时域解：对于一次电流含最大直流偏移的情形，即将式(2.28)代入式(2.25)并取拉氏反变换，并利用在铁心未饱和时的条件，可得：)sin(1212112121tTIeTTTIeTTTIimTtmTtm（2.32）2i1i)(cos211211222tIeTTTIeTTTIimTtmTtm（2.36）2.不计(未)饱和时TA暂态过程的分析it0-i1'-iμ'-i2t=0.0277(s)图2.11不计饱和时TA暂态过程中直流分量的变化曲线基本特点可由式（2.32）和式（2.36）观察分析；TA对衰减直流分量的传变情况如图2.11所示。3.饱和对暂态特性的影响TA铁芯饱和程度主要取决于流过铁芯的主磁通的大小，而又通过磁化特性影响励磁电流的大小，或者说励磁电流的大小反映了铁芯主磁通的大小，从而反映对饱和的影响。TA暂态过程中影响饱和的主要是的直流分量，也就是说主要与励磁电流的直流分量相关。根据前面导出的励磁电流的直流分量由零开始逐步上升的特点，可以断定TA在短路后一段时间内不会出现饱和，而是随时间的推移逐步进入饱和，并最终有可能达到严重饱和。iidci1dci1磁通密度代入式（2.32），可得式中称为磁密的正弦分量最大值影响电流互感器饱和特性的参量主要有：暂态倍数，饱和倍数（系数）与饱和时间。iSWMB2)sin()()(211212teeTTTTBtBTtTtcm（2.37）SWIRTSWIMBmmcm2222TA的不饱和暂态脉动峰值磁通密度，记为当取某个时，可得到的最大值pB1)()(211212TtTtmckppkkeeTTTTBtBB,5,3,1,2)12(kktk（2.38）maxttk)(tBmaxB1)()(2max1max1212maxmaxmaxTtTtmceeTTTTBtBB（2.39）参见图2.12。BmaxBcmBststmaxtB图2.12TA暂态过程中铁芯磁密变化曲线(1)暂态倍数其含义为不饱和时磁密极大值相对于的倍数。相应的的最大值记为，即TKcmB1)()(211212TtTtmcpkTTkkeeTTTTBBtKK,5,3,1,2)12(kktk（2.41）TKmaxTK1)(2max1max1212TtTtmcxamxamTeeTTTTBBK（2.42）(2)饱和倍数铁芯刚达饱和时磁密对的倍数。设为铁芯刚达到饱和时所对应的磁密值，为所对应的时刻，则(3)饱和时间为当铁芯刚达饱和时所对应的时刻。sKmcBsBst1)(121212TtTtmcsssseeTTTTBBK（2.43）st2.3.2.5TA特性的讨论与小结(1)TA的稳态误差稳态误差包括比差、角差。工程上稳态变比误差在最大短路电流时应满足10%误差要求，10%误差曲线由制造厂家提供。在确定的一次短路电流倍数条件下，合理地减小二次负担可减小误差。稳态模型可用恒定阻抗组成的T型等值电路表示。稳态误差是建立在输入量为工频正弦电流量基础上的。当（或很大时）很大时，同样会引起（稳态）周期性饱和，使的误差大大的增加。1IldR2I(2)TA的故障暂态误差故障暂态过程中，TA的暂态误差主要由衰减直流分量引起。由于电磁式TA对直流分量传变困难，直流分量几乎全部流过励磁回路，使TA饱和加