短路保护（精选10篇）
短路保护 篇1
摘要：随着经济和科学技术的不断发展, 煤矿生产安全越来越受到各方的关注。近年来, 在煤矿生产过程中由于煤矿井下供电短路引发的安全事故时有发生, 给煤矿的生产带来了很大的影响。本文在对煤矿企业对于供电要求、煤炭供电保护的分类、煤矿常见供电短路事故进行分析的基础上, 对于煤矿井下供电短路保护工作提出建议。
关键词：煤矿,井下供电,短路保护
随着煤炭生产规模的不断扩大, 煤矿机电设备在煤炭生产中使用的范围越来越广, 影响越来越大。煤矿设备事故时有发生, 在这些事故中由于煤矿井下供电短路引起的安全事故近年来也呈高发的趋势, 需要引起人们足够的关注和重视。
1 煤矿企业对于供电要求的分析
随着各行各业的快速发展, 煤炭的需求量近年来呈现稳步增长的趋势。为了提高煤炭生产的效率, 提升煤炭生产的安全性, 机电设备在煤炭生产中得到了广泛的应用。因此, 为了满足煤炭生产的要求, 供电要做到可靠性高、安全性强、供电量充裕和技术经济合理。
对于供电安全方面来说, 在供电过程中, 要保证地面受压变电所的受电线路使用的是两回独立电源, 并且在线路上严禁接入其他用电负荷, 这样对于供电的安全性是一个双保险; 对于供电安全性的要求来说, 由于煤炭生产大多所处的环境条件比较恶劣, 发生供电安全事故的概率相对来说比较大, 因此对于机电设备供电线路的需要采取防潮、防爆、过流保护等一些了措施; 对于供电量充裕方面的要求来说, 在进行相关设计时, 除了要使得设计满足现在生产设备的要求, 还需要留有一定的余量, 为后续生产规模的扩大做好准备; 对于技术经济合理方面的要求来说, 在保障供电满足安全生产要求的前提条件下, 还需要对供电的质量提供保证。例如在供电过程中, 要保证电压偏差在 ± 5% 以内, 频率偏差不超过 ± 0. 2 - 0. 5Hz。只有这些要求得到了满足, 煤矿机电设备才能高效、安全的工作, 才能保证煤炭生产顺利地进行。
2 煤矿供电保护的分类
随着煤矿井下生产规模的不断扩大, 煤矿井下生产的安全越来越受到人们的重视。在井下生产过程中, 对于井下设备进行供电保护是煤矿生产安全保证工作的一项重要内容。目前, 煤矿井下供电系统保护主要分为三类, 即接地保护、过流保护和漏电保护。
对于接地保护方面来说, 我国相关技术规程规定30m A是一个判定是否会出现触电事故的极限电流, 在实际工作中如果需要采取相关的措施, 保证通过人体的电流在30m A以下, 确保煤矿井下生产工人的生命安全; 对于过流保护方面来说, 在煤炭生产中如果发生过流, 将有可能引发电器火灾, 因此需要做好过流保护工作, 而过流保护又包括短路保护和过载保护, 在实际工作中需要在相关方面有针对性的开展工作; 对于漏电保护方面来说, 煤矿井下一旦出现漏电, 不仅会对煤炭井下生产工人的人身安全带来危险, 引发安全事故, 还有可能由于漏电产生火花而引起井下瓦斯和粉尘的爆炸, 对于煤炭生产是一个极大的威胁, 需要引起我们足够的重视。
3 煤矿井下常见供电短路事故
由于煤炭生产本身就是一个相对复杂的过程, 所以相应的煤矿井下供电短路事故的情况也比较复杂, 除去一些偶然的因素引发的机电短路事故外, 煤矿井下常见供电短路事故主要有以下几种: 电缆爆炸、变压器和电动机等电器设备内部发生短路、三相短路、过电压击穿设备绝缘而引起的短路。
对于电缆爆炸事故来说, 所谓的爆炸就是指供电系统两相或者三相发生短路而发出了较大的爆裂声, 这种事故一方面是由于电缆本身质量不过关, 另外一方面是在生产过程中对电缆保护不好, 造成电缆损坏引起的; 对于变压器和电动机等电器设备内部发生短路方面来说, 其发生的主要原因是一方面是由于产品的质量本身存在缺陷, 另外一方面是由于生产环境比较恶劣而煤炭企业在生产中有没有采取相应的保护措施造成了短路, 还有就是人为操作不当造成了短路; 对于三相短路方面来说, 就是在机电设备检修时根据相关规定为了安全对线路进行了三相接地, 但是在设备检修完成后没有拆除, 造成了短路。
4 煤矿井下供电短路保护建议
4. 1 加强相关工作人员的技术培训
煤矿井下机电生产使用的机电设备数量众多, 加之井下生产环境比较复杂, 这造成了机电供电系统较为复杂。一旦出现井下供电短路事故, 为了不对生产产生比较大的影响, 需要快速、保质保量的对相关问题进行解决, 这就对从事煤矿井下供电检查和维修的工人提出了更高的要求。他们一方面需要具备较强的责任意识, 对于井下机电设备可能出现的再小问题都及时的排除, 还需要具备良好全面地文化知识来应对井下设备越来越高科技的局面, 这就需要其通过学习来不断地提升自己。但是在实际情况中, 即使相关的工作人员有心想要学习相关的知识, 但是也难以找到合适的途径, 这就需要煤炭企业加强相关工作人员的技术培训工作, 给其提供掌握专业知识, 培养生产安全意识的机会。只有将这项工作进行好, 相关工作人员才能胜任井下供电系统的短路保护相关的工作, 从而确保煤炭生产更好地进行。
4. 2 加强机电设备的维护管理工作
很多情况下, 煤矿井下供电短路情况的出现时由于线路老化, 设备维护不及时造成的。在今后的工作中, 需要加强机电设备的维护管理工作, 保证机电设备和线路可以更好地服务于煤炭生产。具体做法是对于使用中的设备要做到经常的检修维护, 对于线路和设备老化情况进行及时的更换, 确保这些设备和线路可以正常的工作; 对于新安装的设备, 要提高相关操作人员的操作水平, 强化其对设备保养和爱护的意识, 保证新设备可以尽快并且长效的服务于煤炭生产。
4. 3 在煤矿井下供电短路保护中引进新技术
随着生产效率的不断提升和生产中机电设备的大量使用, 对于煤矿井下供电短路保护的灵敏程度要求越来越高。为了满足煤矿井下供电短路保护对于灵敏度的要求, 可以在井下供电短路保护工作中引进电子保护技术, 即供电系统传感器使用空心的互感器的, 电源使用复合式的电源, 通过新技术的不断引进, 煤矿井下供电短路保护工作的成效将得到极大的保证。
5 结论
煤矿井下一旦发生短路事故, 对于煤炭的生产和井下煤炭生产工作人员的安全都将构成极大的威胁, 做好煤矿井下供电短路保护工作具有极为重要的现实意义。在实际工作中, 相关工作人员需要对煤矿井下供电短路事故有清醒的认识, 对于现有工作中的不足进行及时的改正, 保证煤炭生产顺利地进行。
参考文献
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短路保护 篇2
1.1过流信息检测
为了实现IGBT的短路保?，必须进行过流检测。适用于过流检测方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值进行比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断;也可以检测过流时IGBT的集射极电压Vce，因为管压降含有短路电流的信息，过流时Vce将增大，且基本上与Ic呈线性关系，故检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，用比较器的输出控制驱动电路的关断，也可完成过流保护。
1.2降栅压软关断半导体开关器件
在短路电流出现时，为了避免关断IGBT时di/dt过大形成过电压，导致IGBT失控或过压损坏，通常采用降栅压的软关断综合保护技术。即在检测到过流信号后首先是进入降栅压保护，以降低故障电流的幅值，延长IGBT承受过载电流的时间。在降栅压动作后，设定一个固定延迟时间以判断故障电流的真实性，如在延迟时间内故障消失则栅压自动恢复;如故障仍然存在则执行软关断，使栅压降至0V以下，最终关断IGBT。采用降栅压软关断综合保护技术可使故障电流的幅值和下降率以及过电压都受到限制，使IGBT的运行轨迹处于安全区内。
图2
在设计降栅压软关断保护电路时，要正确选择降栅压的幅度和速度。如果降栅压幅度较大(如7.5V以上)，则降栅压的速度就不要太快，一般采用2μs左右的下降时间。由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，则封锁栅极可快些，不必采用软关断。如果降栅压幅度较小(比如5V以下)，则降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免产生过高的过电压。
1.3降频“打嗝”的保护
在大功率负载中为了使电源在短时间的短路故障状态下不中断工作，又能避免连续进行短路保护产生热积累而损坏IGBT，可采用使工作频率降低的方法形成间歇“打嗝”的保护，待故障消除后又恢复正常工作。降频“打嗝”的保护并非每个保护电路都必需。
2几种实用的IGBT短路保护电路及工作原理
2.1利用短路时Vce增大实现的短路保护电路
图1是利用IGBT短路时Vce增大的原理实现保护的电路，专用于EXB841驱动电路。如果发生短路，含有IGBT过流信息的Vce不直接送至EXB841的IGBT集电极电压监视脚6上，而是快速关断快速恢复二极管VD1，使比较器IC1(LM339)的V+电压大于V-电压，比较器输出高电平，由VD2送至EXB841的脚6，启动EXB841内部电路中的降栅压及软关断电路，低速切断电路慢速关断IGBT，既避免了集电极电流尖峰损坏IGBT，又完成了IGBT短路保护。该电路的特点是，消除了由VD1正向压降随电流不同而引起关断速度不同的差异，提高了电流检测的准确性，同时，由于直接利用EXB841内部电路中的降栅压及软关断功能，整体电路简单可靠。
2.2利用电流互感器实现的短路保护电路
图2是利用电流互感器实现过流检测的IGBT短路保护电路。其中电流互感器TA的初级串接在IGBT的集电极电路中，次级感应的过流信号经整流后送至比较器IC1的同相输入端，与反相端的基准电压Vref进行比较，IC1输出VB至具有正反馈的比较器IC2的同相输入端C点，由IC2的输出经R8接至EXB841的脚6上。不过流时，IC1的VA小于Vref，输出VB为低电平约0.2V，经R1送到IC2
比较器的同相端C形成VC，因此时VC小于Vref，IC2输出为低电平，EXB841正常工作。当出现过流时，电流互感器检测到的整流电压将升高，VA大于Vref，VB为高电平，由R1给C3充电，经一定的`延时后，VC将大于Vref，IC2输出高电平，EXB841保护电路工作，使IGBT降栅压软关断。IGBT关闭后，电流互感器初级无电流流过，使VA又小于Vref，VB又回到0.2V左右，C3经R1放电，当VC小于Vref时，IC2输出低电平，电路重新进入工作状态。如果过流继续存在，保护电路又恢复到原来的限流保护工作状态，反复循环使EXB841的输出驱动波形处于间隔输出状态，使IGBT输出电流有效值减小，达到保护IGBT的目的。电位器W1用于调整IC1比较器过流动作阈值。电容器C3可经D5和R5快速充电，经R1慢速放电，只要合理地选择R1，R5和C3的参数，可实现EXB841比较快关闭IGBT而较慢恢复IGBT。正反馈电阻R7保证IC2比较器具有迟滞特性，和R1和C3充放电电路一起，保证IC2输出不致于在高、低电平之间频繁变化，使IGBT频繁开通、关断而损坏，提高了电路的可靠性。
图3
2.3利用短路Vce和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路
图3是利用IGBT过流集电极电压检测和电流互感器过流检测同时实现的短路保护电路。当负载短路(或IGBT因其它故障过流)时，IGBT的Vce将增大，VD1关断，导致由R1提供的电流经R2和R3分压器提供的电压，使V3导通，从而使IGBT栅极电压由VD3所限制而降压，限制了IGBT峰值电流的幅度，该电压同时经R5及C3延迟使V2导通，送去软关断信号。为了提高短路保护电路的可靠性，图3电路还增加了短路电路检?保护，它是由电流互感器TA，整流桥U和IC1等组成，短路发生时经电流传感器TA检测出短路电流信号，使比较器IC1输出高电平，该高电平一方面使V3管导通，完成IGBT的降栅压保护，另一方面由V2导通进行IGBT软关断保护。
2.4具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路
图4是一具有降栅压软关断及降低工作频率的综合短路保护电路。
正常工作时，驱动输入信号Vi为低电平，光耦IC4不导通，V1及V3导通，输出负驱动电压VE，IGBT(V4)关断;当驱动输入信号Vi为高电平时，光耦IC4导通，V1截止而V2导通，输出正驱动电压VC1，功率开关管IGBT导通。发生短路故障时，IGBT集电极电压Vce增大，由于VD5截止导致比较器IC1输出高电平，V5导通，由VD2限压实现对V2降栅压，从而实现了IGBT软降栅压保护，V2降栅压幅度由稳压管VD2决定，软降栅压时间由R6和C1决定约为2μs。IC1输出的高电平同时经R7对C2进行充电延时约5～15μs后，C2上电压达到稳压管VD4的击穿电压，V6导通。V6导通后，一方面使光耦IC5导通启动降频过流保护电路工作，另一方面由R9和C3形成约3μs的软关断栅压，完成对IGBT软关断栅压保护。
图4
V5导通时，V7经C4和R10电路形成的基极电流导通约20μs，在降栅压保护后将输入驱动信号闭锁一段时间，不再响应输入端的关断信号，以避免在故障状态下形成硬关断过电压，使驱动电路在故障存在的情况下能执行一个完整的降栅压和软关断保护过程。
降频过流保护电路主要由时基555电路(IC2)，光耦IC5，V8和V9三极管等组成。V6导通时，光耦IC5导通，时基电路IC2的触发脚2获得负触发信号，555脚3输出高电平，V9导通，IC3与门被封锁，封锁时间由定时元件R15和C5决定(约1.2s)，使工作频率降至1Hz以下，驱动器的输出信号将工作在所谓的“打嗝”状态，避免了发生短路故障后仍工作在原来的频率下，而频繁进行短路保护导致热积累而损坏IGBT。只要故障消失，电路又能恢复到正常工作状态。
2.5具有检测高频交流电流短路的保护电路
图5
该电路如图5所示。R4为输出电流取样电阻，电路正常工作时，IC1的输出电压UA不足以使D3(9.1V)或D4(9.1V)击穿导通，V1和V2均不导通，IC2不工作，V3导通输出低电平，EXB841驱动电路正常工作。如果电路有过流现象出现时，假定发生在正半周，IC1输出的UA为负电压，使得D3击穿，D4导通，V2导通，电流经D2，R8，V2，R1，使光耦IC2导通，输出过流信号，V3截止输出高电平。若负半周过流发生，IC1输出UA为正电压，使D4击穿，D3导通，V1导通，电流经R7，V1，R8和D1，使IC2通电工作，V3截止输出高电平。当V3截止输出高电平时，启动EXB841内部短路降栅压软关断电路工作，完成对IGBT的保护。这样，只要电路有过流现象发生，保护电路就会立即动作，对电路进行有效地保护，防止损坏IGBT。该电路对低频交流电路和直流电路短路电流保护同样有效。由于PN结稳压值随温度升高而升高，而PN结正向导通值随温度升高而降低，故D3及D4反向串联具有良好温度补偿作用，使电路热稳定性相当好。
3结语
短路保护 篇3
关键词:三段式电流保护;两点接地短路;小接地电流
中图分类号:TM773 文献标识码:A文章编号:1006-8937(2010)10-0099-02
当电力系统中发生短路故障时,其重要特征之一,是短路故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将大大增加至超过负荷电流的短路电流。利用短路时电流增大的特点构成的保护叫电流保护。电流保护是一种最简单,投资最小的保护,并且在一般情况下能可靠、快速切除故障,因此在35kv及以下的单侧电源辐射形电网中得到广泛应用。但电流保护受系统运行方式和电力系统中性点的运行方式的影响,文章主要分析了小接地电流电网中两点接地短路故障电流保护的动作情况。
1三段式电流保护
为了有选择性地切除故障,电流保护按时间阶梯原理构成:电流速断保护(Ⅰ段电流保护),带时限电流速断保护(Ⅱ段电流保护)及过电流保护(Ⅲ段电流保护)三段式电流保护构成。第一段:反映电流增大而瞬时动作的电流速断保护的瞬时段;第二段:反映电流增大而有时限动作的带时限电流速断保护的限时段;第三段:按时间阶梯性原则整定的后备保护-过电流保护段。三段式电流保护在35 kV及以下的单侧电源辐射电网线路上反映相间短路的保护往往采用三段式电流保护,Ⅰ段电流保护和Ⅱ段电流保护构成主保护, Ⅲ段电流保护作为后备保护。在某些情况下,保护仅有其中的一段或两段构成,在单侧电源的终端单回线路上,通常仅需装设电流速断保护和过电流保护。
2反应相间短路电流保护的接线方式
电流保护的接线方式是指保护中电流继电器与电流互感器二次绕组之间的连接方式。对于反应线路相间短路的电流保护,主要有三相三继电器的完全星形接线方式和两相两继电器的不完成星形接线方式。
①三相三继电器完全星形接线。将三只电流互感器二次绕组与三个电流继电器按相连接在一起,互感器和电流继电器均接成星形,每一电流继电器流过相应电流互感器二次侧电流,三个继电器的触点并联连接,构成“或”门电路,如图1所示。每相上均装有电流继电器,所以能反应各种相间短路(包括两点接地形成的相间短路)和中性点直接接地的单相接地短路。
②两相两继电器不完全星形接线。两相两继电器不完全星形接线与完全星形接线相比,就是某一相上不装设电流互感器和电流继电器,一般是B相不装设,两只电流继电器的触点采用并联连接,如图2所示。这种接线方式较为简单、经济,在中性点直接接地和中性点非直接接地电网中,广泛作为相间短路的保护接线。但不能作为没有装设互感器和电流继电器哪一相的单相短路。
3中性点不接地系统的两点接地短路
在中性点不接地的小接地电流电网中,当发生单相接地故障时,只有很小的接地电容电流,而且三相的相间电压,线电流仍然保持对称,对负荷没有影响,允许带一个接地点继续运行1~2 h。但当发生单相接地故障时,非故障相对地电压升高为正常电压的倍,对线路及设备的绝缘构成一种威胁,这时采用绝缘监察装置动作发信号。在小接地电流电网中,在不同线路不同相别的两点同时发生接地,将形成两点接地短路。在不同线路两点发生接地短路分为并联线路和串联线路两种情况:在并联接线电网中,如图3所示,1L线路的A相和2L线路的C相接地,形成两点接地短路(其它不同相别两点接地不再重复),短路电流流过1L线路的A相和2L线路的C相;在串联接线电网中,如图4所示,1L线路的C相和2L线路的B相接地,形成两点接地短路,短路电流流过1L线路的C相和2L线路的B相。
在两点接地短路时,为了提高供电的可靠性,只需要切除一个接地点。当采用三相三继电器完全星形接线时,如果两线路电流保护的动作时间相等,两条线路将同时被切除,这与只切除一个接地点的要求不相符,三相三继电器完全星形接线不适用于小接地电流电网。
4两相两继电器接线反映两点接地短路动作情况
分析
在小接地电流电网中,发生两点接地短路,为了保证可靠切除一个接地点,电流保护一般采用两相两继电器的接线方式。在并联接线的电网中,电流互感器可以装设在两条线路同名的两相上和不同名的两相上,下面分别就电流互感器两种装设的不同方式讨论电流保护的动作情况:
①电流互感器和保护装置装在同名相。各线路的电流互感器和相应的保护装置都装在同名相A、C相上,如图3所示。 对于发生不同线路的两点接地短路,可以有六种不同的组合,对这六种不同组合的两点接地故障,电流保护的动作情况如表1所示。
采用两相两继电器不完全星形接线,保护装置装在同名相上,有2/3的机会切除一条线路,有1/3的机会同时切除两条线路。
②电流互感器和保护装置装在非同名相。各线路的电流互感器和相应的保护装置都装在非同名相上,如线路1L装在A、C相上,线路2L装在B、C上。对于六种不同组合的两点接地短路,电流保护动作情况如表2所示。
采用两相两继电器不完全星形接线,保护装置装在同名相上,有1/3的机会切除一条线路,有1/2的机会同时切除两条线路,1/6的机会两套电流保护不动作。
在串联接线的电网中,当发生两点接地短路时,按照保护动作选择性的要求,希望只切除距离电源侧较远的线路,缩小停电范围。采用两相两继电器的不完全星形接线,且保护装在同名相时,如图4所示。电流保护动作情况与并联接线一样,同时由于线路1L的动作时间比线路2L的动作时间长,有2/3的机会切除后一条线路,有1/3的机会无选择性切除前一条线路,扩大停电范围。如采用三相三继电器完全星形接线,保护的动作值和时间按要求配合整定,能保证100%切除后一条线路。
中性点不接地的小接地电流电网,在并联接线线路,采用两相两继电器电流保护接线,保护装置装设在同名相上,能保证2/3的机会切除一条线路,1/3的机会同时切除两条线路。保护装置装在非同名相上1/3的机会切除一条线路,1/2的机会同时切除两条线路,1/6的机会两套电流保护不动作。一般在中性点不接地的并联接线电网中,采用两相两继电器不完全星形接线,且保护装置装设于同名相。
5结语
中性点不接地电网中,不同线路不同相别两点接地短路发生在并联接线比串联接线的线路上概率大得多,当采用两相两继电器不完全星形接线,且电流保护装置装设在同名相上可保证2/3的机会切除一条线路,提高供电的可靠性。同时两相两继电器不完全星形接线方式较为简单、经济。中性点非直接接地的并联电网中的相间短路保护一般采用装设在同名相上两相两继电器不完全星形接线。
参考文献:
新型微电网外部短路故障保护方案 篇4
分布式发电作为一种新兴、高效和环保的发电技术得到了飞速的发展,相当数量且不同类型的分布式电源和相应负荷形成微网并连接到配电网,与大电网互为补充,是分布式电源最有效的利用途径[1,2,3]。但是,随着微电网渗透率的不断增加,传统配电网由单端电源辐射状的网络结构变成了多端电源环状的网络结构,同时,由于微电网的控制原理和保护技术十分复杂,正常运行时,电网内部潮流双向流动,短路时基于电力电子装置的故障电流仅接近2 倍的负荷电流[4,5]。这些变化对传统继电保护的时限配合、保护性能将产生不利影响,甚至发生拒动、误动等严重后果,直接威胁到配电网的安全稳定运行。
目前,国内外对微电网继电保护方面的研究已经取得了一定的成果[6,7,8,9,10],然而这些成果主要集中在对微电网内部故障的保护研究,对于结合微电网隔离策略的外部故障保护研究则十分匮乏。近年来,利用正序故障分量的保护原理逐渐成为继电保护领域的研究热点,正序故障分量存在于各种故障之中,充分利用这种故障特征能够确定线路发生的各种故障[11,12,13]。基于这两点,本文在详细阐述微电网隔离策略的基础上,提出一种基于正序故障分量原理的新型微电网外部短路故障保护方案。
1 微电网的隔离策略分析
在微电网并网运行的系统中,如果有故障发生,则首先要确定故障点的位置。如图1 所示,故障位置可能位于配电网侧,联络线上或者微电网内部等三种不同情况。由于仅仅根据公共耦合节点(PCC)处的电压和频率的偏移及其持续的时间,并不能准确判断出故障位置,因此,本文提出了基于正序故障分量阻抗角的判据来实现故障区域的定位。
在确定故障位置后,对于不同位置的故障,微电网究竟应该作故障穿越运行还是孤岛运行,从目前的文献来看,还没有明确的隔离策略。IEEE 1547标准规定了分布式电源并网时应对各种故障的退出条件,但是分布式电源以微电网的形式并网后,情况出现了很大差异。文献[14]指出了三种典型的隔离策略。
(1)无论故障发生在任何位置,微电网马上解列,作孤岛运行。
(2)无论故障发生在任何位置,微电网始终与配电网连接,作故障穿越运行。
(3)当故障发生在配电网侧与联络线(即微网外部故障)时,微电网马上解列,作孤岛运行;当故障发生在微电网内部时,微电网继续连接配电网,作故障穿越运行。
从微电网与配电网的功率交换量、微网内部故障时的短路电流容量以及分布式电源的利用率等几方面分析,对于一般功率在10 MW以下的微电网单元,本文采用第三种微电网隔离策略,即如图1所示,当微电网F1 处和F2 处发生故障时,微电网马上解列,作孤岛运行,以避免对微电网内部的分布式电源造成损坏;当微电网F3 处发生故障时,微电网持续连接配电网,作故障穿越运行,内部故障时配电网能够向微电网提供足够大的短路电流,使微电网内部保护准确动作。
2 基于正序故障分量阻抗相角的新判据
2.1 正序故障分量阻抗的概念
图2 为F1、F2、F3 处故障时的正序故障附加网络图。图中,Zsm1、Zsn1分别为联络线两端的系统等效阻抗,Zl为联络线等效阻抗,U&F为故障点处的正序故障分量电势,RF为故障点过渡电阻,分别为母线M、N处的正序故障分量电压,分别为母线M、N处的正序故障分量电流,分别定义两个正序故障分量阻抗为
2.2 微电网内外部故障时的正序故障分量阻抗角分析
当配电网侧F1 处发生故障时,如图2(a)所示,各正序故障分量阻抗和阻抗角分别为
当联络线F2 处发生故障时,如图2(b)所示,各正序故障分量阻抗和阻抗角分别为
因arg(ZM1) arg(Zsm1) 180arg(Zsm1) ,故
微网内部F3 处发生故障时,如图2(c)所示,各正序故障分量阻抗和阻抗角分别为
将不同点故障时的正序故障分量阻抗汇总在一起,结果如表1 所示。
2.3 基于正序故障分量阻抗角的微网外部故障保护判据
令φd1=arg(ZM1) ,φd2arg(ZMN1) ,根据上述分析可得表2 结果。
由表2 分析可知,当配电网侧发生短路故障时,计算所得的正序故障分量阻抗ZM1的阻抗角φd1取值范围是(0°,90°),而联络线和微电网内部发生短路故障时ZM1的阻抗角取值范围是(180°,270°),所以可以通过计算ZM1的阻抗角φd1确定配电网侧的短路故障。
同理,当联络线发生短路故障时ZMN1的阻抗角取值范围是(180°,270°),而联络线外部发生故障时ZMN1的阻抗角取值范围是(0°,90°),所以可以通过计算ZMN1的阻抗角d2确定联络线的短路故障。
综上所述,判断微电网的外部短路故障可以简化描述为以下判据
判据1 和判据2 为或的关系,因此,可以通过分别计算ZM1、ZMN1的阻抗角判断微电网的外部短路故障。
3 基于正序故障分量电流幅值的判据
基于正序故障分量阻抗角的判据原理引入了电压量和电流量,这势必会受到互感器断线以及电流幅值大小的影响,为此引入正序故障分量电流幅值作为启动判据,防止保护误动作。
配电网侧故障时,为了确保正序故障分量阻抗角判据能准确判断,可取M侧正序故障电流分量幅值作为其补充判据,只需要躲过由电流互感器测量到的不平衡电流即可,令,则得到启动判据1
式中,Img0为电流互感器误差和分布电容产生的不平衡电流,根据M侧线路可能出现的最大分布电容电流整定。
联络线采用正序故障分量电流幅值差动原理作为启动判据。区外故障时,受到电流互感器测量误差等因素的影响,两端正序故障分量幅值可能不相等,产生不平衡电流。但是,当联络线上故障时,两端的正序故障分量电流幅值差将远大于不平衡电流,可以据此判断联络线区内故障。其判据为
式中:为判据的动作量;Igunb为电流互感器和线路分布电容产生的不平衡正序故障分量电流幅值,Igunb可以由式(19)得到[15]。
其中:k为不平衡系数,作为该判据的制动系数;Ig0为最小正序故障分量动作电流整定值,根据被保护线路可能出现的最大分布电容电流整定;按照电流互感器测量误差的10%考虑,k可取0.1~0.2。令,则可得到启动判据2
式(17)、式(20)分别作为式(15)、式(16)的启动判据,能够防止仅基于正序故障分量阻抗角判据带来的误判可能性,提高了微网外部短路故障保护动作的准确性。
4 基于正序故障分量电流幅值与正序故障分量阻抗角的保护方案
正序故障分量阻抗角保护判据和正序故障分量电流幅值保护判据,二者均存在于各种短路故障中,能够识别各种微电网外部短路故障。前者对系统中各种故障判断都有较高灵敏度和选择性,但是易受系统波动影响;后者通过整定值的选取,能够防止前者的误判,是前者的有益补充。
基于正序故障分量电流幅值判据、正序故障分量阻抗角判据的微电网外部短路故障保护方案实现流程如图3 所示。将正序故障分量电流幅值判据作为启动元件,仅当正序故障分量电流幅值大于设定的门槛值时,才进行相应的判据计算。该启动元件在系统故障时可靠启动,以此躲避系统振荡的影响。该方案中利用正序故障分量阻抗ZM1、ZMN1的阻抗角判据同时进行故障判断,其判断结果以或的方式出口跳闸。如果条件不成立则阻抗角判据被闭锁,系统继续采集数据进行判断。
5 仿真验证及结果
5.1 仿真系统及其参数
根据IEEE 1547 标准对微电网的详细规定以及美国可靠性技术解决方案联合会(CERTS)对微电网的定义,建立了如图4 所示400 V微电网与低压配电网连接的仿真系统模型,利用电力系统仿真软件PSCAD/EMTDC进行仿真分析。
模型中各参数的设置如下。
a.系统参数
b)线路参数(阻抗,Ω/km)
c) 各段线路长度:L1=500 m,L2=1000 m,L3=200m,L4=200 m,L5=500 m。
F1、F2 为微电网外部故障点,F3 为微电网内部故障点。用PSCAD/EMTDC仿真软件仿真单相接地短路、两相短路、两相接地短路以及三相短路等四种故障类型,并将仿真得到的数据用Matlab软件进行处理。因篇幅所限,下面仅给出A相接地故障时联络线两端的正序故障分量电压和电流波形,仿真结果如图5~图10 所示,以及在各种故障类型下利用Matlab进行处理得到的数据表格。
5.2 仿真结果
结合本模型参数,根据文献[14]可取启动判据1的最大不平衡电流Img0=5 A。根据式(19),可取启动判据2 的最大不平衡电流Igunb=10 A。
图5~图10 利用Matlab进行数据处理,同时对四种短路故障类型进行仿真,结合各判据,汇总在一起,结果如表3 所示。
5.3 仿真结果分析
(1) 图5、图6 分别为F1 处发生单相接地故障时M端、N端的正序故障分量电压电流,对比两图可知,两端正序故障分量电压基本相同,正序故障分量电流幅值相等,方向相反。
(2) 图7、图8 分别为F2 处发生单相接地故障时M端、N端的正序故障分量电压电流,对比两图可知,两端正序故障分量电压和电流基本不同,没有对应关系。
(3) 图9、图10 分别为F3 处发生单相接地故障时M端、N端的正序故障分量电压电流,对比两图可知,两端正序故障分量电压基本相同,正序故障分量电流幅值相等,方向相反。
(4) 表3 是将PSCAD/EMTDC仿真得到的各种故障类型下M端、N端的正序故障分量电压、电流用Matlab进行数据处理得到的正序故障分量电流幅值和阻抗角。根据本文所提出的判据,显然能够对各种故障作出反应并确定微电网的内外部故障区域,有效判断外部短路故障。
6 结论
什么是短路及如何修复短路 篇5
电力系统在运行中，相与相之间或相与地(或中性线)之间发生非正常连接(即短路)时而流过非常大的电
流。其电流值远大于额定电流，并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的10～15倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。短路就是不同电位的导电部分之间的低阻性短接，相当于电源未经过负载而直接由导线接通成闭合回路。(通常这是一种严重而应该尽可能避免电路的故障，会导致电路因电流过大而烧毁并发生火灾。)在串联电路中,用导线或开关直接将某电路元件或负载的两端连接起来。(这是因需要并不会导致因电流过大而发生烧毁现象的安全连接，是一种局部或部分的短路。如用几十只小灯泡串联而成的节日小彩灯,为了延长它的使用寿命，当其中某只灯丝断开而损坏后,其内部的特别结构会自动将其两端连接而使其他小灯泡正常工作。)
短路保护 篇6
1.1 变压器短路保护整定规则
地面6-10kV/0.4kV配电变压器一般采用微机综合保护装置对配电变压器进行保护。配电变压器高压侧中性点不接地, 配电变压器的低压侧是三相四线制供电。电流速断保护接在相电流上的保护整定电流按躲过外部短路故障 (最大运行方式配电变压器低压母线三相短路) 时, 流过保护的最大短路电流整定。同时还应考虑躲过配电变压器励磁涌流, 使配电变压器能够正常启动。校验保护灵敏系数时, 采用保护安装处 (配电变压器高压侧) 两相短路故障时流过电流互感器的最小短路电流进行校验。可以认为, 配电变压器电流速断保护是不考虑配电变压器低压侧两相短路故障的。
1.2 煤矿井巷10kV配电变压器短路保护整定规则
地面6-10kV/0.69 (1.2) kV配电变压器内部以及低压侧出线端发生的短路故障, 是用高压配电箱来切除的。因此, 电流速断保护整定电流按大于配电变压器的尖峰负荷电流 (一般在大负荷启动时) , 小于低压侧出线端的最小两相短路电流整定。校验保护灵敏系数时, 采用配电变压器低压侧两相短路故障时流过保护安装处 (配电变压器高压侧) 电流互感器的最小短路电流进行校验。可以认为, 配电变压器电流速断保护必须在配电变压器低压侧两相短路故障情况下, 可靠动作。
1.3 两者的对比
对继电保护装置的要求, 根据不同的需求, 往往有所侧重。无论地面还是煤矿井巷, 配电变压器都是供电系统中最关健的设备, 对其保护装置的灵敏度都有很高的要求。通过对比可以得出以下结论: (1) 保护范围不同。对地面车间终端配电变压器, 电流I段 (无时限电流速断保护) 可以不考虑低压侧的最小两相短路故障, 而把这种保护功能放在电流II段 (定时限过电流保护) , 经一定时间延时来切除故障。而对煤矿井配电变压器, 电流I段 (无时限电流速断保护) 必须在低压侧的最小两相短路故障情况下可靠动作。 (2) 两者的差别, 反映出煤矿井巷对电流保护“确保可靠性和快速性, 兼顾选择性”的特点。 (3) 煤矿井巷, 在配电变压器低压侧短路故障时, 某些情况下会失去选择性, 造成高压侧保护动作与低压侧故障, 即所谓的越级跳闸。 (4) 煤矿井巷配电变压器保护计算中也应考虑配电变压器励磁涌流的影响, 使配电变压器能够正常启动运行。
2煤矿井巷配电变压器短路保护整定计算公式的对比说明
《细则》中针对新型电子式高压综合保护器, 对原有电磁式过电流继电器保护装置的计算公式进行了改进, 主要是考虑电子式保护装置硬件性能更好, 有较高的灵敏性和可靠性, 因此, 取消了原有公式中“1.2～1.4”的可靠系数。《手册》中则认为, 新型高压真空配电箱尽管采用的是电子式过流保护装置, 性能各异, 但整定计算的原则是一样的, 也没有另行列出计算公式。《细则》相对于《手册》, 计算公式中最大的不同是引入了需用系数, 不管是电磁式还是电子式的保护装置, 在其余电气设备的额定电流求和后, 引入需用系数加以调节。考虑到需用系数通常小于1, 计算结果应该相对引入需用系数前有所减小。
3整定系数对计算结果的影响
3.1 整定系数
继电保护计算公式中引入整定系数, 使整定计算结果符合电力系统正常运行及故障状态下的规律, 达到正确整定的目的。整定系数应根据保护装置的构成原理、检测精度、动作速度、整定条件以及电力系统运行特性等因素来选择。整定系数的引入, 使计算公式有一点的弹性, 有更好的适用性。对于配电变压器短路保护计算公式, 有可靠系数和需用系数两个整定系数。
3.2 可靠系数
由于计算、测量、调试及继电器等各项误差的影响, 使保护整定值偏离预定数值可能引起动作, 为此, 整定计算公式中引入可靠系数。采用电子式保护装置的配电变压器瞬时速断电流保护计算, 应该引入可靠系数, 主要理由如下。 (1) 计算过程中, 电动机的启动电流, 其它负荷的工作电流和工作状态, 都有变化的因素, 不可能绝对精确, 需要引入可靠系数加以平衡。 (2) 煤矿井巷配电变压器瞬时速断电流保护延伸至配电变压器二次侧, 配电变压器二次侧低压开关瞬时速断保护计算公式与配电变压器原理相同, 如果出于配合的需要, 想有所调节, 需要引入可靠系数。 (3) 煤矿井巷配电变压器瞬时速断电流保护是一个下限值, 考虑配电变压器起动时励磁涌流的影响, 实际整定值不可能太小, 去掉可靠系数没有实际意义。
3.3 需用系数
需用系数是用电设备组实际从电网吸收的最大负荷与该用电设备组的额定总容量的比值。煤矿井巷配电变压器瞬时速断电流保护计算公式中, 不建议引入需用系数, 主要有以下考虑。 (1) 需用系数的意义是用电设备组的最大负荷达不到用电设备组标称的总容量, 所以在负荷统计和负荷计算中应该引入需用系数以反映实际情况。但在保护计算中, 应该考虑到最极限的情况, 用电设备或用电设备组是有可能达到甚至短时间段超过额定值运行, 即保护计算应该考虑到极端情况, 不应该因为这种可能的情况不存在或存在几率小就不考虑。 (2) 煤矿井巷设备规格比较清楚, 为方便煤矿技术人员计算, 用电设备组的总电流一般采用电动机的额定电流相累加, 非常方便。如果引入需用系数, 会降低保护计算实现的便利性。 (3) 在实际应用中, 计算公式引入调节系数过多 (超过两个) , 会使计算过程难度加大。因为有可靠系数的存在, 不建议再引入需用系数。
4结语
本文对煤矿井巷配电变压器瞬时速断电流保护计算公式进行了探讨, 分析了保护原理的特点, 对计算公式提出了自己的看法:速断保护延伸至配电变压器二次侧, 保护装置应在配电变压器二次侧出线端最小两相短路情况下可靠动作。保护可靠性很高, 但会丧失一部分选择性;计算公式中不应该取消可靠系数, 同时也不应该引入需用系数;针对电磁式保护的计算公式, 适用于电子式保护装置的整定计算, 没必要引入新公式。无论采用哪种公式计算, 对计算结果没有本质的影响。
摘要：煤矿井巷环境特殊, 对供电系统的安全可靠性要求高, 必须严格按照有关规定进行供电系统的设计和计算。关于配电变压器的短路保护计算, 地面供电系统和煤矿井巷供电系统在保护要求和计算公式上有很大的不同。同样是煤矿井巷配电变压器短路保护计算公式, 在《煤矿电工手册》 (以下简称《手册》) 和《煤矿井巷供电的三大保护细则》 (以下简称《细则》) 中的计算公式也有细节上的差别, 那么在实际应用中应该怎么去规范计算呢?本文通过基本的分析, 提出自己的观点, 作为同行业人员的参考。
一种照明综保短路保护器 篇7
1短路保护器电路原理图 (如图1所示)
该保护器安装在照明负载供电支路的末端, 具有终端失压短路检测并向电网传递故障信号的功能, 可与前级带有故障信号接收功能的主控装置配合, 实现远距离短路保护。若为三相交流127V供电, 分别与Za、Zb、Zc端子连接;若为两相交流127V供电, 分别与Zb、Zc端子连接。
1.1失压检测电路
由降压电容C1、C2和C3, 正向整流二极管D4、D5和D6组成直流整流电路, 与反向续流二极管D1、D2和D3, 限流电阻R1、R2和R3, 滤波电容C4、C5和C6, 光电耦合器U1、U2和U3一起构成三组失压检测电路。
利用电容C1、C2和C3取代降压变压器作为降压环节, 可大大减小取样电路的体积, 同时与电阻降压相比可实现无损耗降压, 减少电阻降压给隔爆腔内带来的多余热量。此时, 容抗Xc=1/ (2πf C) , 光电耦合器工作电流I取 (5~20) m A, 忽略限流电阻和光电耦合器输入端压降, I=U/Xc, 则C=I/ (2πf U) =I/ (2*3.14*50*127) = (5~20) /39.878= (0.125~0.501) μF, 取0.22μF, 则I=2πf CU=2*3.14*50*127*0.22*10-6=8.8m A
光电耦合器若选具有晶体管输出特性的4N25, 当其输入电流大于5m A时, 输出端压降为晶体管的饱和管压降1V;而选具有达林顿输出特性的TIL113, 经测试当其输入电流大于5m A时, 输出端压降仅为0.1V, 所以后者更适合在本电路中做电子开关使用。
1.2短路信号检测电路
正常情况下, 取样信号在C4、C5和C6上的压降分别给U1、U2和U3的输入端提供电源, 使输出端保持导通状态。由于U1、U2和U3输出端串联导通接于电阻R5与C7负极之间呈现低阻, 使电阻R5与二极管D7和三极管Q基极构成的支路无电流。三极管Q截止, 继电器K处于释放状态, 常开接点断开, 网路传输信号的接入电路处于分断状态。此时, 信号源电容通过K的常闭接点C8充电储能, 作为故障瞬间向主机传送信号的电源。
当任意两相或三相发生短路的情况下, 对应相间的取样信号接近于0 (设计上取小于40%额定电压时为失压信号) 。如C4、C5或C6中任两相电网失压, 会使U1、U2或U3中的对应输入端电流减小, 使输出端由导通变为截止状态。由于U1、U2或U3输出端串联截止接于电阻R7与C7负极之间呈现高阻, 此时电阻R5与二极管D7和三极管Q基极构成的支路有电流通过, 使三极管Q导通, 继电器K吸合, 其常开接点闭合, 网路传输信号的接入回路导通, 信号源电能通过电阻R6向电网释放, 并与地线构成回路。
短路保护 篇8
90年代末期至今科研人员相继研制开发了多种用于远距离短路保护的产品, 但通过试验和现场使用, 都存在着不同程度的缺点。现将远距离照明短路保护不同方法的优缺点加以分析, 以便以后能开发出保护功能更加稳定的照明综保。
1 绝缘电阻监视法
绝缘电阻监视法是国内较早应用的远距离照明短路保护方法, 其原理是在负载末端将一大于13千欧姆 (网路绝缘电阻允许值) 的检测电阻与保护继电器常闭接点串联后构成的终端电阻经三相整流二极管串联接入三相电网与地之间, 接通漏电检测回路。当三相网路中出现短路故障时, 保护继电器动作将检测回路断开, 此时终端电阻由数十千欧姆变为无穷大;与此同时, 首端检测电流由几毫安降至0, 远距离短路保护动作, 装置停止向负载供电。
此电路的优点是利用窗口比较器可明显识别短路和漏电故障, 使两种故障区别显示;缺点是当网路自身对地绝缘电阻较低、且发生短路故障时, 由于该电阻与终端电阻是并联关系, 即便终端电阻为无穷大, 但首端检测电流可通过网路自身对地绝缘电阻构成回路, 使保护失灵。这就使保护的灵敏度大打折扣。
2 终端电阻降低法
为了克服终端电阻提高法存在的缺陷, 人们又提出了终端电阻降低法。其检测方法与前者正好相反, 即在负载末端将一小于2千欧姆 (网路漏电保护动作电阻值) 的检测电阻与保护继电器常开接点串联后构成的终端电阻经三相整流二极管串联接入三相电网与地之间, 正常情况下, 该漏电检测断开。当三相网路中出现短路故障时, 保护继电器动作将检测回路接通, 此时终端电阻由无穷大变为小于2千欧姆;与此同时, 首端漏电保护电路动作, 远距离短路保护显示为漏电故障, 装置停止向负载供电。
此电路的优点是当网路自身对地绝缘电阻较低、且发生短路故障时, 由于该电阻与终端电阻是并联关系, 会增大检测电流, 促使首端保护电路动作;缺点是由于该保护采用人为制造漏电故障的方法, 使网路的短路故障转换为漏电故障, 两种故障不能区别显示, 给故障的排查和处理带来误导。
3 电流变化率法
由于绝缘电阻监视法和终端电阻降低法存在着各自的缺陷, 且都需要增加终端检测装置, 才能实现远距离保护信号的采样, 为了解决上述问题, 研究人员又提出了电流变化率法。
基于电流变化率的短路检测保护技术, 是利用线路或用电设备发生短路时, 线路电流发生突变的原理, 采用单片机检测这一变化率, 当电流变化的幅值和宽度超过规定值时, 单片机发出指令, 切断供电电源。此技术的优点是省去了终端取样装置;缺点是只能分辨指定的干扰信号, 动作可靠性较差。
4 非过流检测型短路保护方式
短路保护 篇9
关键词：短路反馈电流,电动机,保护改进
0 引言
火力发电厂厂用高压母线上集中接入了很多大容量异步电动机,在母线本身或某个负载回路近距离发生三相短路时,因短路点的电压骤降为零,但原来运行的非故障电动机的次暂态电势在短路前后不会突变,故会向短路点产生反馈电流;而且由于次暂态电势与电动机转子绕组的合成磁链成正比,因此反馈电流也与电动机容量成正比。目前某些发电厂厂用微机保护装置为提高灵敏度,往往取较小的速断保护整定值,因此无法躲过短路反馈电流。下面是一个实例。
1 故障情况及保护动作情况分析
1.1 一次接线图及短路点
图1所示是某电厂一段厂用6 k V母线的接线图,图中仅画出母线段上的相关负载,未画出全部负载。
1.2 保护动作情况
根据故障录波显示,在#2B磨煤机跳闸后,紧接着有三台相邻的电动机的速断保护相继动作,其保护动作情况见表1。
1.3 短路点分析
经事后检查发现,短路点位于#2B磨煤机接线盒内,其每相电缆头烧熔脱落;而且根据故障录波装置记录的短路电流波形显示属于明显的对称短路特性,故可判断该接线盒处发生了三相短路故障。据分析故障发生的原因是长期运行中的振动导致电缆头接线松动,引起局部温度逐步增高,最后导致绝缘破坏引发三相短路故障;对于#2B磨出现高达近60倍额定电流的短路电流也是比较符合现场实际情况的。
1.4 非故障电机保护跳闸原因分析
在#2B磨煤机接线盒出现三相短路故障后,故障录波显示A、B、C三相对地电压由原来的3.77 k V、3.78 k V、3.76 k V分别降低至0.631 k V、0.633 k V、0.634 k V,降幅高达83%,且低电压时间持续64.5 ms。根据相关论文的分析依据[1],对于接于同一段母线上的原正常运行的负载会向故障点有反馈电流;反馈电流的大小与电机容量成正比,小容量电机一般取5倍额定电流,大容量电机一般取5.5~6.0倍额定电流。该准则与保护装置记录的实际动作电流相吻合。因为在随后的检查中除#2B磨外,其它负载均启动正常,因此可判断#2B送风机、#2B一次风机、#2B汽泵前置泵是受异步电机的短路反馈电流影响而动作。
因为扩大了停电范围,故认为除故障负载以外的其它动作行为都是不妥当的,应该采取一定的措施予以避免。
2 原速断保护定值整定原则及特点分析
2.1 整定原则
2.1.1 速断定值
速断保护电流整定值为最大启动电流的60%,时间整定值为0 s;最大启动电流取8倍额定电流(8IN),因此速断整定值为4.8倍额定电流(4.8IN)。
2.1.2 躲启动电流
装置设置了“有流判据”,当采样电流由零增加至大于空载电流的90%的折算值时,则认为电动机进入启动状态。此时速断电流整定值自动翻倍,即2×4.8=9.6倍额定电流,同时开始启动时间计时。
根据负载的特性,事先设定每台电动机的启动时间,如一次风机设定为30 s。启动状态下两倍速断定值(9.6IN)持续保持至启动时间结束后,自动恢复至单倍速断定值(4.8IN)。
2.2 特点分析
原整定原则在非启动阶段的定值为4.8IN,虽然保护区间大,动作灵敏度高,但不带功率方向,无法躲过短路反馈电流和自启动电流。
若想躲过反馈电流,则速断定值必须设置5.5 IN~6.0IN,则启动阶段整定值自动翻倍至11IN~12 IN,显然高出实际的启动电流太多,基本上失去了保护功能。
3 改进方案及特点分析
3.1 方案一:设置高、低定值电流保护,且低定值
的带功率方向闭锁
3.1.1 正功率方向闭锁短路反馈电流动作
针对异步电动机的短路反馈电流都是由非故障电动机流向故障点的特性,故在保护装置内增加功率方向判别;以功率从母线流向电动机为正方向,反之从电机流向母线为负方向;当且仅当同时出现正功率方向和电流大于设定值时保护动作,其它情况一概闭锁动作。在微机保护中判断功率的正负方向是比较容易实现的。
3.1.2 两段独立的高、低定值电流保护
取消原来一个电流保护但区分两种状态(启动状态与正常运行状态)变换定值的做法,设置彼此独立的两个电流保护,即启动阶段和正常运行阶段分开整定,其逻辑框图见图2。
1)取高定值电流保护躲过启动电流
取消原有启动状态下定值翻倍的功能,设置最大启动电流(8IN)为高定值,当电流超过高定值时零秒出口跳闸,且可不带功率方向闭锁。
2)取正功率方向下低定值躲过自启动电流
因目前火力发电厂厂用6 k V系统多数选用厂用快切装置,厂用母线电源切换时间很短(实测500 ms内),电压波动很小(实测小于10%);故厂用电机自启动电流取4.5倍额定电流即可。
取正功率方向下60%最大启动电流(4.8IN)为低定值即可躲过自启动电流;而且仍然利用装置的“有流判据”构成启动状态的闭锁,也就是说在非启动状态下正功率方向下超过4.8 IN时零秒出口跳闸。
3.1.3 方案一特点分析
因为设置了正功率方向闭锁,故具有两方面的优点:
1)可避免短路反馈电流引起动作。
2)低定值相对较小,增加了保护区间,提高了灵敏度。
3.2 方案二:设置适当的出口延时
3.2.1 延时时间的设定
根据相关论文的分析依据[1],异步电动机经历5个周波,其短路反馈电流衰减幅度可达到4.8IN(电流保护的整定值)以下,因此若保持原有的保护整定方法不变,仅增加100 ms出口跳闸的延时也可使原有电流保护躲过短路反馈电流。
3.2.2 方案二特点分析
虽然该方案简单易行,但因为设置延时,牺牲了保护的速动性,增加了故障电流的持续时间,导致电气一次设备受损加剧,比较起来有其不可取之处。
4 结束语
鉴于微机保护对功率方向判别的简单易行性,从提高设备运行可靠性的角度出发,未设置功率方向闭锁电流保护的电厂宜增设该功能。
参考文献
大型双馈式风电变流器的短路保护 篇10
现阶段双馈式风电机组在大型并网型风电机组中, 占据主流[1]。对于双馈发电系统, 当电机转速低于同步转速时, 变流器从电网吸收功率输出到电机转子;当转速高于同步转速时, 变流器从转子吸收能量输送到电网。双馈式风电机组的运行要求变流器能够实现能量的双向高质量流动。双馈式风电机组安装的位置及其恶劣的运行环境[2], 决定了双馈变流器将面临众多严峻的挑战, 其中桥臂间、相间或对地短路是其中之一。双馈电机使用滑环碳刷, 当碳粉没有及时清理或清理不完全时, 将产生变流器的相间或对地短路;外部环境气候的急剧变化将导致凝露的发生, 进而引发短路;雷击破坏绝缘引起短路;双馈发电机绝缘损坏引起短路;控制系统故障引起桥臂间短路等。双馈变流器运行环境的特殊性, 面对的复杂多变的电网条件, 以及连接使用滑环碳刷的双馈电机, 这些因素都决定双馈式风电变流器的短路工况发生几率高、强度大, 因此双馈变流器的过流保护需谨慎设计。
1 双馈式风电变流器短路保护要求
通常将IGBT的过流工况分为Ⅰ型短路过流和Ⅱ型短路过流, 前者是指IGBT从阻断状态直接进入短路状态, 发生这种情况的原因是IGBT开通于一个已经短路的负载回路中, 一般是由于负载短路或桥臂的另一IGBT尚未关闭;后者是指IGBT从正常导通进入短路。IGBT短路时, 并不会立即损坏, 随着电流迅速增大, 引起芯片热应力急剧上升。当芯片结温达到约250℃时, 掺杂硅片将变为本征态;而当硅片温度达到铝硅共晶态温度约580℃时, 硅片表面铝电极的触点铝将迁移到硅片里, 进而迁移到PN结, 导致芯片阻断能力的彻底失效;而当硅片温度达到约900℃时, 硅片将完全烧毁。而当芯片温度达到900℃, 或是在580℃时发生了铝迁移, 保护IGBT就已经不可能。
过流保护的根本在于IGBT进入过流工况后, 在其安全可控的时间段内及时切断电路。国内外对变流器的过流保护进行了较多的研究, 文[3]提出了IGBT变流器过流保护的方法, 主要分析介绍了IGBT应对Ⅰ型短路过流的驱动电路设计;文[4]虽然提出了系统级的过流保护策略, 依靠软件采样电流值, 判断是否过流, 由于软件不可能时刻对电流采样, 在两次电流采样之间, 该方法存在过流保护空白时间段, 因此不适合双馈式风电变流器的特殊工况。双馈式风电变流器过流保护所面临的特殊性, 主要体现在如下几方面:
1) 双馈式风电机组存在故障电压穿越问题, 其中主要是低电压穿越。当发生低电压穿越时, 变流器电流比正常运行的电流值大很多。例如某型双馈式风电机组, 正常运行时变流器电流约为300 A, 在低电压穿越时, 运行电流可达800 A。采用常规的过流保护, 可能会将正常的低电压穿越工况误当过流工况。如果将过流保护电流值按照低电压穿越时的电流来设定, 正常运行时发生的过流可能因为过流保护阀值过大而不能及时得到保护, 最终造成变流器或外网电路部件损坏。
2) 双馈变流器直接驱动发电机的转子, 而转子对地的寄生电容比定子对地的寄生电容大10倍以上[5], 因此, 双馈变流器的共模电流远大于常规变流器。目前, 我国双馈发电机的生产制造及质量控制还不成熟, 发电机本身的共模电流较大。某双馈式风电机组共模电流如图1所示, 虽然共模电流有效值只有几个安培, 但其峰峰值达到约200 A。共模电流叠加在相电流上, 可使相电流瞬时值较高, 触发过流保护。
3) 双馈变流器机侧发生对地短路时, 短路回路如图2所示。该回路经过箱式变压器的次边绕组、网侧电抗器和机侧电抗器, 回路电感较大, 电路的di/dt较低 (经实际测试, 某型机组对地短路时电流的di/dt约为30 A/μs) 。此种情况下, 短时间内既不能触发IGBT驱动电路板上的Ⅰ型短路保护功能, 也不能触发依靠电流传感器测量的过流保护。而当电流达到能够触发过流保护时, 其过流时间已经足够长, 可能使IGBT损坏。如果过流保护阀值设定低一些, 保护虽然能早一些动作, 却又不能满足低电压穿越的正常工况要求。对于此种短路保护, 传统的保护方法已经不适用。
4) 双馈式风电机组多位于电网末端, 大功率运行时, 电网电压较高, 通过长期观察发现, 满功率运行时, 690 V的电网电压可升高到740V左右, 加上严格的并网谐波限制, 使得变流器的中间直流电压需设定到1 100 V左右。这对于1 700 V电压等级的IGBT, 容易发生关断过电压。双馈式风电机组有低电压穿越的特殊要求, 在发生低电压穿越时, 大量能量从转子流向变流器, 使变流器中间电压进一步升高, 甚至达到1 400 V, 该工况下, IGBT更容易发生关断过电压。关断过电压可使IGBT失效, 进而发生Ⅰ型短路故障。从以上分析可知, 如果不采取特殊措施, 双馈变流器发生Ⅰ型短路故障的几率将比常规变流器大得多。
从以上列举的四种短路工况可知, 双馈式风电变流器和双馈风力发电机系统, 有其特殊的运行要求, 传统的保护方法, 已不能满足其短路保护的要求。
2 适用于双馈变流器的短路保护
双馈变流器运行工况的特殊要求, 决定其短路保护不同于常规变流器, 需多种保护功能共同作用, 才能很好实现保护功能。这些保护功能包括:退饱和保护, 关断过压保护, 软件过流保护, 硬件过流保护, 熔断器保护。
2.1 退饱和保护
退饱和是指IGBT电流过大, 退出饱和区, 一旦退出饱和区, IGBT会承受全部外部电压, 此时IGBT的压降显著增大, 同时电流也很大, IGBT的损耗非常大。工业标准下, IGBT在该状态下能承受10μs;系统必须能在此时间内将器件关断。要在如此短的时间内完成动作, 较好的方法是通过硬件实现, 利用驱动电路识别退饱和工况。根据具体IGBT的型号, 选择合适的集电极-发射极电压阀值, 在IGBT开通时, 当检测到Vce大于该阀值, 认为发生了退饱和, 驱动电路执行保护动作, 关断IGBT。
2.2 关断过压保护
IGBT在关断时, 由于杂散电感的存在, 在IGBT上产生过电压;对于特定型号的IGBT, 当关断电阻选定后, 关断过电压与关断电流有关, 电流愈大, 关断过电压愈大。风电变流器多工作于电网末端, 电网线路较长, 当机组运行在满功率时, 690 V的电网电压常常会升高到约740 V, 这就要求变流器的中间电压不低于1 050 V;而在低电压穿越时, 大量转子能量涌向变流器, 中间电压更是可以达到约1 400 V。双馈变流器普遍采用的1 700 V等级的IGBT, 基于短路电流较大和直流电压较高的原因, IGBT容易发生关断过压。
文章[6]介绍了一种有源钳位电路, 其电路如图3所示, 当IGBT发射极电压超过瞬态抑制二极管TVS的击穿电压时, 发射极电压通过TVS, 二极管和电阻, 向IGBT的栅极产生电流, IGBT栅极电压被抬高, 使其导通, 从而避免由于过压而损坏。
2.3 软件过流保护
电流变化率不高, 电流又处于过流状态, 但IGBT又没有退饱和。此种情况, 使用软件过流保护能取得较好的效果。软件定期读取IGBT的电流值, 经一序列信号分析策略的处理, 与设定值比较, 当超过设定阀值时, 即启动过流保护, 封锁IGBT脉冲, 断开双馈变流器的网侧接触器, 断开双馈发电机定子接触器, 向主控系统报过流故障。更为详细的, 软件过流保护可以判断是机侧变流器还是网侧变流器过流, 是哪一相过流;不但能起到过流保护的功能, 还为过流分析和故障排除提供了方便。软件过流保护具有很好的灵活性, 可以从系统级的高度对变流器过流进行有效保护。
2.4 硬件过流保护
软件过流保护虽然有诸多优点, 但控制系统不可能将全部资源用于盯着传感器的电流值, 进而判别其是否过流。电流采样总会有时间间隔, 例如, 某型变流器的电流读取频率为2 k Hz, 这相当于两次读取电流值的时间间隔为500μs。在这500μs的时间内, 软件过流保护处于空白区。如果这个空白区中出现了过流, 而前一个电流检测时刻电流已处于过流边缘, 且该过流还不至于使IGBT退饱和, 那么软件过流保护需要经过500μs才能动作。在这段时间内, 器件可能已经出现了过热, 甚至损坏, 软件过流保护将失效。
为了弥补软件过流保护的这个不足, 需要设置硬件保护, 其电路结构如图4所示。电流传感器信号送入积分器积分, 在软件读取电流值的同时对积分器清零。积分器在软件过流保护的空白时间内对电流积分, 当累计值超过某设定值时, 触发硬件过流保护, 封锁IGBT脉冲, 断开双馈变流器网侧接触器, 断开双馈发电机定子接触器, 并报硬件过流信号。
2.5 熔断器保护
熔断器是短路保护的最后屏障, 当上述几种短路保护全部失效后, 熔断器要保证仍能将故障支路从电路中切除, 从而保证故障造成的损失不持续扩大。熔断器的工作原理是当过流时熔体发热而熔断, 形成开路。熔断器是传统的过流保护元件, 用于电力电子系统的过流保护, 要求熔断器至少具有快速保护的特性。熔断器要求在满足双馈变流器的额定电压和额定电流的前提下, 其分断能力不低于变流器短路后的最大电流, 熔断时的弧电压不高于IGBT的耐受电压;弧前焦耳积分和总焦耳积分尽量低, 弧前时间尽量短。
为了选择最合适的熔断器, 需要考虑变流器主电路短路运行的诸多要素, 选型时需要协调各要素之间的相互关系, 通过该关系对熔断器进行校核。对于熔断器保护, 好的设计结果是变流器正常工作时, 熔断器不动作;变流器发生短路时, 在前几种短路保护失效后, 熔断器能熔断, 而IGBT完好。
3 短路保护试验
模拟风电变流器的各种短路工况, 主要包括相间短路, 相对地短路, 桥臂间短路等。相间短路如图5所示, 变流器通过输出电抗器及电缆形成短路;相对地短路如图6所示, 短路电流通过机侧电抗器、电缆、箱式变压器的次边绕组、网侧电抗器, 再回到变流器, 其短路阻抗较大, di/dt较低, 过流保护启动时间较长;桥臂间短路如图7所示, IGBT承受全部直流电压。
通过接触器串联熔断器模拟短路, 当接触器闭合时短路发生, 从等风 (变流器启动前发生短路) 、并网、小功率发电、中功率发电、满功率发电, 共5种状态, 多次进行短路试验, 变流器过流保护均正常及时动作, 期间功率器件均完好, 变流器向主控系统正常报错。相对地短路时短路电流波形如图8所示, 保护动作电流约为1 500 A, 结合变流器的短路保护设定参数, 判断为硬件过流保护动作结果;桥臂间短路波形如图9所示, 期间IGBT承受全部直流电压, 驱动电路的退饱和保护动作, 从关断过程的明显延迟可以判断关断过压保护正常动作。
4 结束语
双馈式风电变流器运行于高山、滩涂等恶劣的工作环境, 有严格的谐波限制, 有低电压穿越等特殊要求, 这些特点决定了常规的过流保护措施不能完全满足其短路保护的要求, 应从驱动电路到系统控制、从软件到硬件进行全面的短路保护。
大量的风电机组运行经验及长期的实践考核表明, 通过上述短路保护措施, 可以对双馈式风电变流器的短路工况进行较好的保护。当外部电路发生短路时, 变流器能保护自身不受损坏;当变流器内部发生短路时, 能及时切除故障支路, 不使故障扩大。
摘要：双馈式风电变流器运行于特殊工况, 常规的过流保护措施只能满足双馈变流器在特殊工况下的部分过流保护要求, 应在常规过流保护的基础上, 运用新的短路保护措施, 才能使变流器在外部出现短路情况时, 保护自身免受损害, 而当变流器内部发生短路时, 能及时切除故障支路, 不使故障扩大。以此目标为基础, 本文对双馈式风电变流器短路保护的特殊性及其措施进行了初步探讨。
关键词：双馈,风电,变流器,IGBT,短路保护
参考文献
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