过负荷保护装置（精选4篇）
过负荷保护装置 篇1
1 ACM监控装置设计的依据
《低压配电设计规范》(GB 50054-95)第4.3.5条:“突然断电比过负载造成的损失更大的线路,其过负载保护应作用于信号而不应作用于切断电路。”该条文说明:“线路的过负载毕竟还未成短路,短时间的过负载并不立即引起灾害,在某些情况下可让导体超过允许温度运行,也即牺牲一些使用寿命以保证对某些负荷的供电不中断,如消防水泵之类的负荷,这时保护可作用于信号。”
《民用建筑电气设计规范》JGJ 16-2008第7.6.5条第4款规定,“突然断电比过负荷造成的损失更大的线路,其过负荷保护应作用于信号而不应切断电路”。这是一条强制性条文,必须遵守。过负荷保护的对象有两个:一个是消防设备,即电动机;另一个是为这些消防设备配电的线路。本文重要介绍后者,即说明如何运用ACM实现配电线路过负荷报警功能以满足规范强制性条文的要求。
在配电设计中常用的有微型断路器和塑壳断路器。根据GB10963.1-2005、GB14048.2-2008,以上类型的断路器都有其动作断开特性,见表1。
由表1可得,一旦配电线路中的电流超过一定的倍数,断路器会在约定的时间内动作,从而切断负载电流。但是,正如上述“突然断电会导致比过负荷而造成的损失更大的”线路或电动机场合,是不允许切断供电电源的。因此,在这些回路中,我们需要一种装置,能够针对不同类型的断路器的脱扣特性,例如通过电流互感器检测线路的过电流,并尽可能模拟断路器的过载脱扣特性,提供一个过载报警信号,提醒用户线路出现了过负荷,应及时采取措施。一方面防止由于断路器跳闸而产生更大的损失,以满足规范的规定;另一方面提醒人们即时排查防止更大的故障。
2 ACM监控装置的基本原理
2.1 监控装置的原理
ACM配电线路过负荷监控装置,采用最新的32位单片机技术,具有抗干扰能力强,工作稳定可靠、数字化、网络化等特点。通过检测线路的电流,实现配电回路的两段式报警。该监控装置可具有电流、电压、有功功率、无功功率、视在功率、功率因数、漏电流测量功能、电流2~15次谐波分析功能、内置蜂鸣器、指示灯报警功能、报警事件记录、RS485 Modbus-RTU、Profibus-DP协议通讯接口、开关量输入、可编程继电器输出、DC4~20mA模拟量输出等功能,方便与PLC、工控机等工控设备组成网络,实现线路运行的远程监控。监控装置硬件原理框图如图1所示。
2.2 主要功能
1)负载电流监控
配电回路中,监控装置可分别与微型断路器、塑壳断路器配合使用(此时的断路器应为单磁脱扣断路器),报警段见表2。以塑壳断路器为例,负载电流超过报警1段过载值1.05In时,报警1瞬动报警;负载电流超过报警2段过载值1.3In时,在(1.3~4)In范围时,报警延时报警。遵循反时限原则,负载电流越大,报警延时时间越短。时间电流曲线如图2所示,1.3In动作时间可设定。
2)漏电流监控
通过测量主回路中的漏电流,对漏电流进行监控,通过D01(95,96)继电器或内部蜂鸣器报警。
3)测量功能
具有测量相电压、线电压、相电流、电流与额定电流的过载百分比、有功功率、无功功率、功率因数、频率、漏电流和谐波的功能。
3 消防场合的应用
消防用电设备较多,除消防水泵以外,还有消防电梯、防排烟风机、防火卷帘门等。消防用电设备有的是电力用电,有的属照明用电;有的有备用机组,而有的没有;有的只是在消防时使用,有的平时长期使用只是兼作消防设备,例如排风兼排烟机,消防电梯兼客梯,正常照明兼应急照明等。负荷的性质和使用情况不一样。针对那些正常兼消防使用的设备及其配电线路,最恰当的办法是采取一定的技术措施,以实现正常使用时过载切断电源,在消防状况时过载报警。在消防状况线路发生过载时,不能切断电源,需要给出报警信号以警示工作人员及时处理,此时配电回路中可以使用ACM系列监控装置:
1)当负载电流超过一段报警阈值时,监控装置可通过指示灯发出报警指示,负载电流继续增加;超过二段报警阈值时,监控装置通过指示灯及蜂鸣器报警;
2)漏电流报警功能,可通过测量线路中的漏电流进行漏电流报警,这也是火灾监控的有效方法;
3)监控装置通过两路开关量输入可监控线路中断路器的开合状态,除了ACM监控装置本身可以报警外,还具有一路可编程继电器输出,分别可对一段报警、二段报警、漏电流或断路器的状态进行输出,便于进行联动控制;
4)ACM监控装置可具有4~20mA模拟量输出及RS485 Modbus-RTU通讯、Profibus-DP通讯,便于上位机监控。
4 ACM在实际中的应用
图3为ACM配电线路监控装置的原理图。在此图中,ACM监控装置和塑壳断路器是配合使用的。塑壳断路器有单磁和热磁两种,单磁断路器只具有短路保护功能,无热过载保护,在这种情况下,线路中如有过载现象,断路器不会动作,ACM监控装置会根据不同过载程度分别发出报警信号,提醒现场维护人员,也可远传至控制中心。热磁塑壳断路器既具有短路保护又具有热过载保护,此时,ACM监控装置仅可作为报警功能作用,当检测到电流达到设定阈值后,内部继电器动作。
监控装置配套电流互感器使用安科瑞AKH-0.66系列电流互感器,若配电线路的额定电流为32A,互感器选用AKH-0.66-60/5。该型号互感器具有2In范围测量,监控装置最大可持续测量电流达到10A,因此装置最大可监测4倍的过载电流。对于需要监测剩余电流回路的场合还需加装AKH-0.66L系列剩余电流互感器。如图3所示,当配电线路电流超过1段报警阈值时,继电器(7、8)闭合,1段报警输出,KA1线圈得电,PGR灯光报警;当负载程度增大,达到2段报警阈值时,继电器(9,10)闭合,2段报警输出,KA2线圈得电,PG声报警。当按下声光报警解除按钮或负载电流降低后,报警状态解除。开关量输入可把断路器的分合闸和脱扣状态上传至后台控制中心,另可增加一路可编程继电器作为远程控制或漏电流报警输出等使用,具体使用可参考ACM过负荷监控装置说明。
5 结论
ACM系列配电线路过负荷监控装置两段式报警,报警遵循反时限原则,过负荷程度越大,报警速度越快,符合了现场状况。同时,该装置的设计方法符合标准的要求,值得广大电气设计人员使用。
摘要：本文着重阐述了ACM配电线路过负荷监控装置的原理、特性及主要参数,即通过检测配电线路中的电流,对线路的过负荷进行两段式报警,避免由于过负荷造成线路保护动作而产生不必要的损失,并介绍了ACM在消防配电线路等重要场所的应用。
关键词：消防,过负荷监控,两段式报警,断路器
参考文献
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[4]姚波,陆伟青.配电线路过负荷监控装置的设计与应用[J].电气技术,2010(11):105-108.
过负荷保护装置 篇2
1 分析电能计量装置过负荷误差
一旦电能计量装置出现了过负荷误差, 必然会影响到电能计量的准确性, 自然也会影响到最终的数据。事实上, 电能计量装置不只有一种类型, 本文就对几种类型的电能计量装置的过负荷误差逐一阐述。
1.1 感应型的电能表
如果计量中使用这种电能表, 只要负荷电流比额定电流的极值高, 必然会增加磁场加强转盘的转动力矩, 导致铁芯电流值接近了饱和, 增强误差曲线率。采用互感器的接入型电能表, 一旦电流处于10A之内就会出现-5%以上误差, 误差的曲线斜率大小是由负荷功率因数决定, 当呈现容性的功率因数之时, 具有最大的误差曲线斜率。三相三线的高压电能表出现过负荷误差图1如下:
1.2 全电子式的电能表
在运行中这种电能表中的过负荷电流超过了额定电流10%以上, 就会出现负方向的误差, 也就会超着误差方向的弯曲, 故此使用高精度的微型电压、电流互感器, 当电能表中负荷电流逐渐增大之时, 电流互感器就会随之而趋于完全饱和。如果电能表存在差异, 其饱和电流大小自然也不相同, 事实上额定电流是1.7A电能表, 饱和电流最小为6.7A, 最大为9.6A。当微型互感器中电流趋于饱和, 所计量的电流也就不会随着过负荷电流发生变化而变化, 必然发生了较大计量误差, 一直到负荷的临界点, 误差都会跟着发生变化。从最终的曲线图来看, 电子式感性功率的因数和容性功率因数发生过负荷误差最终曲线相似, 具体如下图。如果全电子式的电能表长久处于过负荷, 必然升高表中温度, 加快了互感器的损耗, 增大了电能表的误差, 其变化曲线如图2。
1.3 电流互感器
从电流互感器自身特征可知, 当电流达到了额定电流以上之时磁化曲线就开始出现弯曲, 而且随着电流发生逐渐增大曲线也会跟着弯曲增大。这就体现出只要电流达到了额定电流以上, 铁芯必然趋于饱和现象, 感应磁通就会破坏成正比例现象, 而随意发生变化。出现过负荷的时间越长, 必然导致铁芯温度升高, 增大涡流的损耗和磁损耗, 为之也就出现了负荷电流增大误差增大。为了表面这种误差, 本文对电流互感器做了试验, 但二次电流达到了10A之时, 其误差就达到了-3.8%。
2 电能计量装置过负荷误差的防范措施
一旦电能表出现了过负荷误差, 必然导致曲线发生一定的弯曲, 就会给电能计量造成误差, 影响其准确性。上面已经分析出了发生过负荷误差的几种类型及根源, 就需要在这个基础上提出防范措施。
2.1 选择合理的TA电流
设计该装置之时, 首先要确定装置中流经电流负荷性质, 要分清楚是属于那一种类型, 在正确类型上才能够选择TA的一次电流大小。如果通过的负荷属于点冶炼, 那么通过互感器电流只能是额定电流值的50%;但是假如供电企业属于并网销售, 那么通过互感器电流只能是额定电流值的30~50%;如果是其他的类型, 互感器上的一次电流可以占据额定负荷电流60%左右, 对于TA精度等级上要依据相关规程要求, 要么是0.2S或者0.5S。
2.2 安装合理的电容补偿装置
电容在电路中具有充电放电效果, 一旦发现了过负荷误差就应该给予相应补偿。因此普遍做法就是加装上电容补偿装置, 经过相应补偿之后就能够满足负荷的功率因素, 一般应该达到感性0.9以上。
2.3 选择合理TA的二次容量
选择TA的二次容量不能够盲目选择, 要依据其二次回路的阻抗要求合理选择, 或者就是依据二次容量、二次回路长度以及所连接表计数量现在合理的导线线径。在选择之时, TA的二次容量不能够低于回路阻抗值的二倍。当然在选择之时还要考虑到运行年限增加就会增大接触的电阻阻值。
2.4 严格按照规程设计
事实上, 电负荷上了4层必然会发生变化, 设计之时并不能够确保计量装置工作之时不发生过负荷。这就需要管理上加强力度, 一切按照相关的规程实施, 确保计量装置尽可能不出现过负荷运行现象, 同时还要对该装置运行状态进行严密监控, 主要包含了监控负荷电流及负荷功率。随着现代化科技发展, 还应该使用高科技新技术远程监控装置, 时刻了解计量装置工作情况。如果电负荷上了5对, 还处于负荷状态, 就要想办法改造计量装置, 在改造之前必须控制好负荷。
2.5 合理选择电能表
电能表是计量数据的主要工具, 其重要性不言而喻, 因此一定要选质量性能过硬的电能表。例如互感式的接入电能表最好是选电流1~10A的, 这种电能表能够有效降低过负荷造成电能计量损失。
3 结语
过负荷保护装置 篇3
近年来世界上发生多起大面积停电事故,经分析大部分是由于潮流转移引起非故障线路过负荷时距离保护Ⅲ段误动,从而引起连锁反应造成的［１－５］。因此,如何使距离保护Ⅲ段具有正确识别区内故障和过负荷的能力,是有效防止线路距离保护Ⅲ段因过负荷发生误动问题的解决方法。
针对这一问题,目前许多专家学者做了大量研究来实现过负荷与区内故障的识别。例如,文献[6]提出了基于图论分析的潮流转移区域距离保护不同动作特性自适应调整策略,其依靠通信网络获得全网拓扑与参数,增加了不稳定因素,并且受到系统运行方式的变化影响,维护工作量大。文献[7]提出根据线路过负荷情况自适应调整距离保护负荷限制线的方法来应对过负荷,但在线路重负荷情况下,保护动作区域会大幅减少。文献[8]利用相间故障时弧光电压特性,来区分相间故障和过负荷,同时增加零序电流闭锁条件来识别单相接地故障和过负荷,但在非全相过负荷时也会出现零序电流,可见仅仅依靠零序电流无法区分单相接地和过负荷。文献[9]利用Ucosφ来区分各种相间故障和过负荷,同时利用电流不对程度闭锁条件来识别不对称故障和过负荷。文献[10]提出的基于电压平面的距离保护应对过负荷策略,利用Uｉｊcosφｉｊ(ij=AB,BC,CA)识别过负荷与相间故障,利用U１cosφ１识别过负荷与对称故障,利用Uｉcosφｉ(i=A,B,C)、相补偿电压相位与正序补偿电压的关系识别单相接地故障与过负荷。上述识别方法都是基于过负荷为全相过负荷,即对称过负荷,而忽略了非全相过负荷情况,无法准确区分单相高阻接地故障与非全相过负荷。文献[11]提出基于复合相量平面的自适应过负荷识别方法,建立在过负荷情况下线路电流和两端电压相量的夹角同为正的条件下,但是在负荷中心电压点落在线路上时,这一情况并不能完全满足。
本文通过比较过负荷与故障情况下电流不对称度、Ucosφ和电压相位变化等电气特点的特征差异,提出了基于电流不对称度和故障处电弧电压与系统中最低电压的差异的对称过负荷与相间故障识别方法;提出了基于电流不对称度、故障处电弧电压与系统中最低电压的差异和电压相位变化的不对称过负荷与单相接地故障识别方法,然后将该识别方法与传统距离保护Ⅲ段的动作特性相结合,实现防止距离保护因过负荷误动的逻辑。该方法不受接地电阻的影响,能识别各种短路故障和过负荷,有效防止因潮流转移过负荷导致的距离保护误动,并且该方法不会降低现行保护的灵敏度和耐过渡电阻的能力,在区内发生故障时能可靠开放距离保护。
1 过负荷和故障的识别判据
电流不对称度m=(I0+I2)/I1(I0,I1,I2分别为零序、正序、负序电流值)是反映不对称短路程度的重要指标,无论发生的是全相过负荷或者是非全相过负荷,此时都有m<0.7[12]。若m>0.7,认为必定发生了严重不对称故障,即金属性单相接地短路,开放距离保护。以下分析故障与过负荷的区别,前提都是在m≤0.7的情况下。
1.1 相间故障与过负荷的识别判据
当线路发生两相短路、两相接地短路和三相短路故障时,都可称为相间故障,故障点处故障两相的相间电压,即电弧电压很小,一般不超过额定电压的6%［１３］,此故障处电弧电压近似等于Uφφcos(φφφ+90°-φｌｉｎｅ),其中,φφ=AB,BC,CA,Uφφ为保护安装处测得的相间电压,φφφ为相间测量阻抗角,φｌｉｎｅ为线路正序阻抗角。若线路发生过负荷,Uφφcos(φφφ+90°-φｌｉｎｅ)表示的是系统中电压最低处的电压值,其电压值大于0.707UＮＮ［１４］,其中,UＮＮ为额定相间电压。因此可设置如式(1)判据,识别相间短路和过负荷。
对于相间故障,该灵敏度大于0.5/0.06=8.33;对于负荷,该判据可靠系数为0.707/0.5=1.4。
1.2 过渡电阻较小接地故障和过负荷的识别判据
线路发生单相经过渡电阻接地故障时,设定0.3≤m≤0.7。因为m<0.3时,可以断定为全相无故障或对称短路［１４］,通过式(1)来实现相间故障和过负荷识别判断。线路发生单相经过渡电阻接地,当过渡电阻较小时,故障相的故障点电压较小［１０］,近似等于Uφcos(φφ+90°-φｌｉｎｅ),满足判据:
式中:φ=A,B,C;Uφ为保护安装处测得的故障相电压;φφ为故障相测量阻抗角;UＮ为额定相电压。
1.3 高阻接地故障和过负荷的识别判据
当过渡电阻较大时(500kV线路最大接地电阻可为300Ω)［１５］,不满足式(2),而对于非全相过负荷,依靠电流不对称度也无法实现其与高阻接地故障的识别。此时如何在不降低现有保护灵敏度和耐过渡电阻能力的前提下,有效防止过负荷(特别是非全相过负荷)时距离保护误动是本文重点研究内容。在此提出基于电压相角变化的过负荷与高阻接地故障的识别判据。
1)过负荷时电压向量变化分析
图1为一个双端电源系统,保护分别安装在线路MN两侧,M侧为送电端,N侧为受电端。图中:ZL为线路阻抗;ZM和ZN分别为M侧和N侧阻抗;和分别为M侧和N侧等效电动势;为M侧电压;Rg为接地电阻。线路过负荷的本质是系统功角随负荷的增加不断增大[16]。图2为负荷增大在电压平面上的特征,图中:δ1和δ2为功角,且δ2>δ1;和分别为过负荷前M侧和N侧电压;和分别为过负荷前M侧和N侧等效电动势。从图2中可得,负荷变化本质上是系统功角δ改变,δ越大负荷越大,δ越小负荷越小。对于线路负荷转移这一现象,以送电端母线M处的保护为例,负荷转移后M处测量电压相位相对于负荷转移前超前,可表达为式(3):
2)单相高阻接地故障时电压向量变化分析
根据文献[12]画出图1双端电源线路A相高阻接地短路时的电压相量图,如图3所示。首先,按给定条件的运行方式作OS代表和OR代表,其中,和分别为M侧和N侧的A相等效电动势,再按系统各元件的阻抗如ZＭ,ZＬ,ZＮ等画出系统各点的电位,即各电压相量的末端如M｜０｜,F｜０｜,N｜０｜等。考虑到为单相高阻接地应满足式(4)条件:
式中:为A相电流;为零序电流;k为补偿系数;φＬ１为线路正序阻抗角;和分别为接地电阻电流和电压。
可知的末端F点落在以OF|0|为弦的圆弧的上半部分,得OF代表。由于图3中MM|0|平行于FF|0|,且MM|0|/FF|0|=ZM/(ZM+ZL),OM代表,可知故障后,送电端母线M处保护的A相测量电压相对于故障前相位滞后,即
综上所述,送电端母线M处保护可以通过测量电压相位变化来区分高阻接地故障和过负荷。
对于受电端母线N处保护,通过分析可知,N处保护的测量电压相位变化与M侧是相同的,即
由于距离保护Ⅲ段在阻抗平面上的动作区主要位于第1 象限,线路发生过负荷时,受电端母线N处距离保护Ⅲ段并不会发生误动,而发生高阻接地时,保护测量电压相位变化满足式(6)。可见,通过在保护逻辑中加入这一条件来防止距离保护Ⅲ段误动,对于线路两侧的保护具有通用性。
2 防止过负荷距离保护误动方法的实现
根据前文对故障与过负荷识别方法的分析,提出将该识别方法与传统距离保护Ⅲ段的动作特性相结合,实现防止距离保护Ⅲ段因过负荷误动的方法。具体实现方案如下。
1)若m>0.7,则定为严重不对称故障,直接开放所有相间距离保护Ⅲ段和接地距离保护Ⅲ段。
2)若0.3≤m≤0.7,则|Uφφcos(φφφ+90°-φline)|<0.5UNN时,定为相间故障,按相开放相间距离保护Ⅲ段;|Uφcos(φφ+90°-φline)|<0.5UN时,定为单相接地故障,按相开放接地距离保护Ⅲ段。若上述电压条件都不满足时:如果,为A相高阻接地故障,则开放A相接地距离保护Ⅲ段;如果,为B相高阻接地故障,则开放B相接地距离保护Ⅲ段;同理,如果,为C相高阻接地故障,则开放C相接地距离保护Ⅲ段。
3)若m<0.3,则定为对称故障或全相过负荷,闭锁所有接地距离保护Ⅲ段,此时|Uφφcos(φφφ+90°-φｌｉｎｅ)|<0.5UＮＮ,判定为对称故障,开放所有相间距离保护Ⅲ段。
图4给出了距离保护Ⅲ段防过负荷误动实现方案流程。
图5和6分别以AB相间距离保护Ⅲ段和A相接地距离保护Ⅲ段为例,给出两种距离保护防过负荷误动实现逻辑。图中,Δt为延时。
3 仿真试验
3.1 仿真模型
本文利用RTDS搭建了500kV输电线路模型,来考核距离保护Ⅲ段在对称过负荷、不对称过负荷以及不同故障情况下所提方案的性能。
图7给出了仿真系统图,为了便于分析继电保护的动作行为,系统采用集中参数进行短路试验［１７］。S侧系统正序阻抗为11∠85.78°Ω,零序阻抗为43 ∠77.74° Ω,R侧系统正序阻抗为12∠84.88°Ω,零序阻抗为45∠78.64°Ω,线路L１,L２,L３长度均为186 km,单位正序阻抗为0.010 2Ω/km,单位正序感抗为0.270 5Ω/km,单位正序容抗为0.228 7Ω/km,单位零序电阻为0.176 3Ω/km,单位零序感抗为0.790 1Ω/km,单位零序容抗为0.370 5Ω/km。故障点F距离母线Q的距离为线路L３全长的80%,系统S侧为送端,系统R侧为受端,系统两侧电势夹角为40°。
保护安装1处距离保护Ⅲ段应负责对下一级线路L３起远后备保护作用,考虑到MQ之间两回线路电流的助增作用,在线路L３末端故障时,保护安装1处的距离保护 Ⅲ 段定值需整定为3 倍线路阻抗,考虑1.3倍的可靠系数,距离保护Ⅲ段定值整定为3.9倍线路阻抗。
3.2 模拟对称过负荷期间发生区内故障
线路L２发生故障,两端保护动作,线路L２断开后,其潮流大量转移到线路L１上,导致线路L１发生对称过负荷,在此期间F点发生AB两相短路故障。整个过程分为两个阶段:对称过负荷和区内AB两相短路故障。
1)故障前对称过负荷
故障前对称过负荷期间保护安装1处各电气量见附录A表A1。此时保护1处的相间测量阻抗位于相间距离保护 Ⅲ 段动作区内。可以看出,由于m∈[0,0.7]时,并不满足Uφφcos(φφφ+90°-φｌｉｎｅ)<0.5UＮＮ,故闭锁相间距离保护Ⅲ段。
2)对称过负荷期间发生区内故障
对称过负荷期间F点发生AB两相短路状态下保护安装1处各电气量见附录A表A2。此时保护安装1处的测量阻抗ZAB,ZBC,ZCA都位于相间距离保护Ⅲ段动作区内,可以看出,由于m∈[0,0.7]范围内,有且只有UABcos(φAB+90°-φline)<0.5UAB满足,故开放AB相间距离保护Ⅲ段。对于BC和CA相间,由于不满足Uφφcos(φφφ+90°-φline)<0.5UNN,故闭锁BC和CA相间距离保护Ⅲ段。
仿真结果表明,采取本方法后,对称过负荷期间可防止距离保护 Ⅲ 段误动,区内故障时,距离保护Ⅲ段正确动作。
3.3 模拟不对称过负荷期间发生区内接地故障
线路L２发生A相偷跳,线路L１发生不对称过负荷,在此期间F点发生A相接地故障。整个过程分为两个阶段:不对称过负荷和区内A相接地故障。
1)故障前不对称过负荷
故障前不对称过负荷期间保护安装1处各电气量见附录A表A3。此时保护安装1处的A相测量阻抗ZA进入A相接地距离保护Ⅲ段动作区内,可以看出,电流不对称度,闭锁A相接地距离保护Ⅲ段。
2)不对称过负荷期间发生区内故障
不对称过负荷期间F点A相接地短路状态下保护安装1处各电气量见附录A表A4。此时保护安装1处的A相测量阻抗ZＡ进入A相接地距离保护Ⅲ段动作区内,可知,此时m>0.7,属于严重不对称故障,直接开放A相接地距离保护Ⅲ段。
仿真结果表明,采取本方案后,不对称过负荷期间可防止距离保护Ⅲ段误动,区内故障时,距离保护Ⅲ段正确动作。
3.4 模拟发生区内单相高阻接地故障
线路F点发生经180Ω 高阻A相接地故障。分为两个阶段:正常运行和区内高阻接地故障。
1)正常运行
正常运行期间保护安装1处各电气量见附录A表A5。此时保护安装1处的测量阻抗在距离保护Ⅲ段动作区外。
2)高阻接地故障
线路F点发生经180Ω高阻A相接地故障状态下保护安装1处各电气量见附录A表A6。此时保护安装1处的A相测量阻抗ZA进入A相接地距离保护Ⅲ段动作区内,可知,电流不对称度,开放A相接地距离保护Ⅲ段。
仿真结果表明,F点发生经180Ω 高阻A相接地故障时,本方案能可靠开放距离保护Ⅲ段动作,并提高了其耐过渡电阻的能力,同时能防止非全相过负荷时距离保护Ⅲ段误动。
4 结语
本文对过负荷与故障两种状态下电气特性进行了区分,提出过负荷和故障识别判据以及防止距离保护Ⅲ段因过负荷误动的实现逻辑方法。该方法具有以下一些优点:1基于现有保护装置信息,只需在装置软件上修改而无需增加任何硬件就可实现;2能够准确区分对称过负荷、不对称过负荷与各种故障,有效防止因潮流转移引起的过负荷导致的距离保护误动;3该方法不会降低现行距离保护的灵敏度和耐过渡电阻能力。
仿真结果表明,该方法不仅能够有效防止潮流转移引起的线路对称过负荷和不对称过负荷导致的距离保护误动,而且能识别各种短路故障并可靠开放距离保护Ⅲ段动作,实现后备保护功能,验证了其有效性,对于防止由于潮流转移引起非故障线路过负荷时距离保护Ⅲ段误动造成的连锁故障及大面积停电事故具有重要意义。
附录见本刊网络版(http://www.aeps-info.com/aeps/ch/index.aspx)。
摘要：针对传统距离保护Ⅲ段不能正确识别过负荷和故障的问题,详细研究了过负荷和故障情况下电流不对称度、Ucosφ和电压相位变化等电气特点的特征差异,提出了一种识别过负荷和故障的新方法。此方法基于电流不对称度、故障处电弧电压与系统中最低电压的差异以及电压相位变化,不仅实现了对称过负荷与各种故障的识别,而且通过比较不对称过负荷和单相高阻接地时电压相位变化差异解决了不对称过负荷和单相高阻接地故障的识别技术难题。通过RTDS仿真试验,验证了该方法既可有效防止对称和不对称过负荷时距离保护Ⅲ段误动,又能够保证在各种故障时可靠开放距离保护Ⅲ段。
过负荷保护装置 篇4
关键词：配电网,过电流闭锁型接地保护负荷开关,零序电流,单相接地故障
1 前言
据统计, 配电网故障中约20-30%是由于支线故障不能隔离导致故障面扩大而造成的[1], 近年来开始规模应用的过电流闭锁型接地保护功能负荷开关能够判断单相接地故障并切除故障支线, 也能隔离相间或者三相短路故障, 配以无线通讯手段还可以主动上报故障信息, 利于保障或者快速恢复供电, 提高供电可靠性和配网市场服务水平。以下对影响该类型负荷开关单相接地故障判断准确性的零序电流方向检测、电流动作值整定进行了讨论, 对零序电流方向影响动作可靠性的条件进行了分析, 为其在配电网中可靠运行提供了参考意见。
2 工作原理
过电流闭锁型接地保护负荷开关主要用于定位和隔离支线故障, 安装在支线T接处 (馈线责任分界点) , 如图1。当开关负荷侧发生相间短路或者三相短路等事故时, 开关检测到过电流, 闭锁分闸;当变电站出线保护跳闸后, 过电流闭锁型接地保护开关分闸并指示SO (过电流) 动作, 隔离故障支线, 其它支线可以快速恢复供电。当其负荷侧发生单相接地故障时, 检测零序电压和零序电流, 根据电压电流整定值大小和电流方向, 过电流闭锁型接地保护开关自动分闸并指示GR (接地保护) 动作, 变电站10kV出线断路器不跳闸, 以确保10kV主干线及其它支线不停电。
当过电流闭锁型接地保护开关电源侧发生故障时, 应确保其不动作, 保证其连接的支线能够在系统切除故障后快速恢复供电。
3 零序电流检测原理
3.1 单相接地时电容电流分布
假定线路2的C相发生接地故障, 考虑中性点经消弧线圈并联电阻接地方式, 则配电网电容电流的分布如图2所示[2] (图中电流箭头是示意图, 不代表实际比例关系[3]) 。
3.2 ZCT零序电流检测
图2中, 用处于接地点两侧的两个过电流闭锁型接地保护开关分别表示故障发生在开关负荷侧 (SOG1) 和电源侧 (SOG2) 时的工作状况。从图中可以看出, 当故障发生在负荷侧时, SOG1开关的零序电流互感器 (ZCT) 检测到的零序电流就是健全线路和健全相的电容电流、流过中性点等效阻抗的电流与泄漏电导电流之和;当故障发生在电源侧时, ZCT检测到的零序电流是负荷侧健全相的电容电流与泄漏电导电流之和, 电网零序等效电路如图3。
其中, Rg为接地点过渡电阻, C∑为电源侧对地等效电容, C′02为负荷侧对地等效电容, L为消弧线圈电感, Rn为中性点等效电阻, Rs和R′s为两侧等效绝缘电阻。根据图3可得:
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取L到K为电流取样正方向, 则SOG1的ZCT1检测到的零序电流undefined:
undefined
SOG2的ZCT检测到的undefined:
undefined (3)
从式 (2-2) 和 (2-3) 可以看到, 过电流闭锁型接地保护开关负荷侧单相接地时, ZCT检测到的零序电流undefined与undefined (电源侧单相接地) 中容性分量方向相反, undefined大小主要受到接地点过渡电阻、电网对地电容、对地泄露电导电流、中性点消弧线圈电感和等中性点对地效电阻等因素的影响, undefined大小决定于对地泄露电导电流和负荷侧电网对地等效电容。
4 零序电流检测仿真分析
以某110kV变电所母线所连的设备和线路为仿真计算原型, 电容电流规模选择50A和100A两种, 考虑消弧线圈过补偿、完全补偿、欠补偿以及无消弧线圈四种情况, 接地点过渡电阻从10Ω (代表完全接地) 到1kΩ, 计算用网络接线如图4, 过电流闭锁型接地保护开关在212线路的l5支线T接处。
在设定的仿真计算条件下, 当单相接地故障发生在过电流闭锁型接地保护开关的负荷侧时, ZCT检测到的零序电流从3.12A到103.74A;零序电流相对零序电压从滞后41.22度到超前86.94度;
当接地故障发生在过电流闭锁型接地保护开关的电源侧时, ZCT检测到的零序电流范围从0.02A到0.49A, 零序电流始终滞后零序电压90度左右。
5 动作值整定和零序电流方向
5.1 零序电流整定
发生单相接地故障时, ZCT检测到的零序电流具有足够故障特征触发过电流闭锁型接地保护开关动作。从计算结果中可以看到, 检测到的零序电流受到过渡电阻和中性点等效电阻的影响最大。根据式 (1) 或 (2) , 如果过渡电阻为5kΩ时, I01最小为0.94A, 为了保证过电流闭锁型接地保护开关可靠动作, 一般将动作值整定得更低, 多数过电流闭锁型接地保护开关都具备从0.2A向上多段切换的功能, 综合考虑负荷不平衡情况下的零序电流和保护动作灵敏度[4], 选择电流整定值为0.3～0.5A。
5.2 零序电流方向的分析
图4中, 过电流闭锁型接地保护开关负荷侧是架空线和电缆混合线路, 电容电流规模达到了0.5A, 在故障发生于过电流闭锁型接地保护开关电源侧, 故障点过渡电阻很小的条件下, ZCT也能检测到0.49A的零序电流, 超过或者接近整定值, 则过电流闭锁型接地保护开关可能误动, 导致其电源侧单相接地故障排除后不能快速恢复负荷供电。实际应用中, 过电流闭锁型接地保护开关大量安装在T接支线上, 负荷侧电缆和架空线长度比安装在用户责任分界点时更长, 电容电流规模可能远大于0.5A, 应采取措施防止在这种条件下过电流闭锁型接地保护开关的误动作。
故障发生在过电流闭锁型接地保护开关负荷侧时, 零序电流的相位从滞后零序电压41.22° (-41.22°) 到超前86.94°变化;而故障发生在过电流闭锁型接地保护开关电源侧时, 零序电流始终滞后零序电压90度 (-90°) 左右。通过检测零序电流相对零序电压的相位差, 设定过电流闭锁型接地保护开关相位动作范围在特定区间内, 则可以防止此类误动作。考虑到过补偿条件下, 中性点等效电阻的增加, 零序电流阻性分量减小, 使得零序电流向滞后零序电压90度的方向变化, 可以设定相位动作范围为-60°～120°。
如果不采用零序电流方向判断, 则要求过电流闭锁型接地保护开关负荷侧电容电流规模小于零序电流整定值, 即:
undefined
其中, E为系统电压, C0为开关负荷侧电缆单位长度的电容量, I0s为动作电流整定值, k为安全系数。
所以:undefined, 即负荷侧电缆长度不能超过一定的安全值。以300mm2截面电缆为例 (C0=0.37μF/km) , 不同的动作电流整定值对应的负荷侧电缆长度安全值见表1。通过检测零序电流和零序电压, 利用发生单相接地故障时零序电流特征, 过电流闭锁型接地保护功能接地保护开关能够判断单相接地故障并切除和隔离故障支线, 利于保障或者快速恢复非故障用户的正常供电。过电流闭锁型接地保护开关的ZCT检测到的故障零序电流受到配电网电容电流规模、补偿度和故障点过渡电阻的影响。仿真结果表明零序电流动作值整定在0.3～0.5A, 具有较好的动作灵敏度和可靠性。如果采用无方向性判断的过电流闭锁型接地保护开关, 负荷侧电缆长度应小于表1列出的安全值。
6 结束语
过电流闭锁型接地保护功能开关负荷侧电缆长度过长导致其负荷侧电容电流增大, 故障发生在其电源侧时, 过电流闭锁型接地保护开关可能误动作, 通过增加零序电流方向判断, 即设定其相位动作范围在特定区间内的方法, 可以防止误动作发生, 提高可靠性。
参考文献
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[2]李光琦.电力系统暂态分析 (第二版) [M].北京:中国电力出版社, 1995.
[3]秦光培.单相对地短路时电容电流分布图的分析和探讨[J].昆明工学院学报, 1994, 6, 73-77, 82.
[4]GB50062-92, 电力装置的继电保护和自动装置设计规范[S].
[5]陈士军, 10千伏架空配电线路用户分界负荷开关的研制[Z].2006, 5.
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