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电气工程及其自动化基础知识

未知 2019-07-15 10:53

  电气工程及其自动化涉及电力电子技术,计算机技术,电机电器技术信息与网络控制技术,机电一体化技术等诸多领域,是一门综合性较强的学科,其主要特点是强弱电结合,机电结合,软硬件结合,电工技术与电子技术相结合,元件与系统相结合,使学生获得电工电子、系统控制、电气控制、电力系统自动化、电气自动化装置及计算机应用技术等领域的基本技能。

  1、电力系统基本概念

  1)电力系统定义

  由发电厂内的发电机、电力网内的变压器和输电线路以及用户的各种用电设备,按照一定的规律连接而组成的统一整体,称为电力系统。

  2)电力系统的组成

  电力系统由发电厂的发电机、电力网及电能用户(用电设备)组成的。

  3)电力系统电压等级

  系统额定电压:电力系统各级电压网络的标称电压值。

  系统额定电压值是:220V、380V、3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750 kV。

  4)电力设备

  电力系统的电气设备分为一次设备和二次设备,一次设备(也称主设备)是构成电力系统的主体,它是直接生产、输送和分配电能的设备,包括发电机、电力变压器、断路器、隔离开关、电力母线、电力电缆和输电线路等。二次设备是对一次设备进行控制、调节、保护和监测的设备,它包括控制器具、继电保护和自动装置、测量仪表、信号器具等。二次设备通过电压互感器和电流互感器与一次设备取得电的联系

  2、电力系统故障及其危害

  凡造成电力系统运行不正常的任何连接或情况均称为电力系统的故障。电力系统的故障有多种类型,如短路、断线或它们的组合。短路又称横向故障,断线又称为纵向故障。

  短路故障可分为三相短路、单相接地短路(简称单相短路)两相短路和两相接地短路,注意两相短路和两相接地短路是两类不同性质的短路故障,前者无短路电流流入地中,而后者有。三相短路时三相回路依旧是对称的,故称为对称短路;其他几种短路均使三相回路不对称,因此称为不对称短路。

  断线故障可分为单相断线和两相断线。断线又称为非全相运行,也是一种不对称故障。大多数情况下在电力系统中一次只有一处故障,称为简单故障或单重故障,但有时可能有两处或两处以上故障同时发生,称为复杂故障或多重故障。

  短路故障一旦发生,往往造成十分严重的后果,主要有:

  (1) 电流急剧增大。短路时的电流要比正常工作电流大得多,严重时可达正常电流的

  十几倍。大型发电机出线端三相短路电流可达几万甚至十几万安培。这样大的电流将产生巨大的冲击力,使电气设备变形或损坏,同时会大量发热使设备过热而损坏。有时短路点产生的电弧可能直接烧坏设备。

  (2) 电压大幅度下降。三相短路时,短路点的电压为零,短路点附近的电压也明显下

  降,这将导致用电设备无法正常工作,例如异步电动机转速下降,甚至停转。

  (3) 可能使电力系统运行的稳定性遭到破坏。电力系统发生短路后,发电机输出的电

  磁功率减少,而原动机输入的机械功率来不及相应减少,从而出现不平衡功率,这将导致发电机转子加速。有的发电机加速快,有的发电机加速慢,从而使得发电机相互间的角度差越来越大,这就可能引起并列运行的发电机失去同步,破坏系统的稳定性,引起大片地区停电。

  (4) 不对称短路时系统中将流过不平衡电流,会在邻近平行的通讯线路中感应出很高

  的电势和很大的电流,对通讯产生干扰,也可能对设备和人身造成危险。

  在以上后果中,最严重的是电力系统并列运行稳定性的破坏,被喻为国民经济的灾难,其次是电流的急剧增大。

  除此之外,电力系统中还可能出现一些不正常工作状态,如电气设备超过额定值运行(称为过负荷),它也将使电气设备绝缘加速老化,造成故障隐患甚至发展成故障;如发电机尤其是水轮发电机突然甩负荷引起定子绕组的过电压、电力系统的振荡、电力变压器和发电机的冷却系统故障以及电力系统的频率下降等。系统中的故障和不正常运行状态都可能引起电力系统事故,不仅使系统的正常工作遭到破坏,甚至可能造成电气设备损坏和人身伤亡。

  3、电力系统继电保护

  电力系统中的各元件之间有十分紧密的电或电磁联系,一旦某个元件发生故障,电气信息将以近似光的速度向系统各处传播。这种故障不可能用人工手动方法排除而必须有高速自动化的装置来排除。这是保证电力系统安全运行最有效的方法。

  电力系统继电保护就是一门研究这种自动识别故障并排除故障元件的自动装置的技术学科。也就是说,继电保护自动装置是能反应电力系统中电气元件故障或不正常运行状态并动作于断路器跳闸或发出指示信号的一种自动装置。

  1)继电保护的作用

  I、自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除,使故障元件免于继续遭到破坏,保证无故障部分迅速恢复正常运行。

  II、反应电气元件的不正常运行状态,并根据运行维护条件,而动作于发出信号或跳闸。

  2)继电保护装置

  当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时,能够向运行值班人员及时发出警告信号,或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件发展的一种自动化措施和设备。实现这种自动化措施的成套设备,一般通称为继电保护装置。

  3)继电保护装置的组成及工作原理

  一般继电保护装置由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件三部分组成。

  I、测量比较元件:测量通过被保护的电力元件的物理参量,并与给定的值进行比较,根据比较的结果,给出是、非、0或1性质的一组逻辑信号,从而判断保护装置是否应该启动。

  II、逻辑判断元件:根据测量比较元件输出的逻辑信号的性质、先后顺序、持续时间等,使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围,最后确定是否应该使断路器跳闸、发出信号或不动作,并将对应的指令传给执行输出部分。

  III、执行输出元件:根据逻辑判断部分传来的指令,发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息、发出警报或不动作。

  4) 继电保护的分类

  I、按被保护的对象分类:输电线路保护、发电机保护、变压器保护、母线保护、电动机保护等。

  II、按保护原理分类:电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序保护等。

  III、按保护所反应故障类型分类:相间短路保护、接地短路保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等。

  IV、按继电保护装置的实现技术分类:机电型保护、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护、微机型保护。

  V、继电保护测量值与整定值的关系分类:过量保护(测量值﹥整定值)、欠量保护(测量值﹤整定值)

  VI、按保护所起的作用分类:主保护、后备保护、辅助保护等。

  主保护是指满足系统稳定和设备安全要求,能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。

  后备保护是指主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为近后备保护和远后备保护。近后备保护:在本元件处装设两套保护,当主保护拒动时,由本元件的另一套保护动作。远后备保护:当主保护拒动时,由该电力设备或线路的另一套保护实现后备的保护;当断路器拒动时,由断路器失灵保护来实现的后备保护。

  5)继电保护的基本要求:

  选择性、速动性、灵敏性、可靠性

  可靠性是指保护该动作时应动作,不该动作时不动作。

  选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障,当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时,才允许由相邻设备、线路的保护或断路器失灵保护切除故障。

  灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时,保护装置具有的正确动作能力的裕度,一般以灵敏系数来描述。

  速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障,其目的是提高系统稳定性,减轻故障设备和线路的损坏程度,缩小故障波及范围,提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。

  4、变电站综合自动化系统

  利用先进的计算机技术、现代电子技术、通信技术和信息处理技术等实现对变电站二次设备(包括继电保护、控制、测量、信号、故障录波、自动装置及远动装置等)的功能进行重新组合、优化设计,对变电站全部设备的运行情况执行监视、测量、控制和协调的一种综合性的自动化系统。通过变电站综合自动化系统内各设备间相互交换信息,数据共享,完成变电站运行监视和控制任务。

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