快速短路保护系统（精选6篇）
快速短路保护系统 篇1
0 引言
目前,国内低压供配电网中所采用的断路器,其短路保护原理主要是利用短路电流所产生的电磁力或者热效应使断路器保护跳闸,存在响应速度较慢的缺点,在某些场合已经不能满足现代电力系统的发展需求。
随着计算机和数字信号处理技术的飞速发展,基于微控制器的断路器智能脱扣器迅速成为研究热点[1,2,3]。此类智能脱扣器虽然采用了现代数字检测和处理技术,但其检测原理依然主要是利用检测电流幅值来判定短路故障是否发生。此外,由于短路电流中不仅存在快速衰减的非周期分量,而且动态变化范围大,加之检测环节存在互感器磁饱和等多种因素的影响,直接对短路电流的幅值进行准确检测十分困难,因此此类方法通常要求短路电流远大于额定值时才能准确地做出短路故障判断。由于受到线路阻抗、短路初始状态的影响,短路故障初期的电流上升速度可能较慢,达到判断阈值需要较长的时间。因此,此类检测方法速度较慢。
对于三相三线不接地的电力系统,在发生单相接地故障时,系统的线电压仍然保持对称,故障电流也较小,系统仍可以运行较长时间。而当发生两相短路和三相短路故障时,电流短路电流通常很大,此时需要尽快切除故障支路。因此对于严重危害电网的安全运行的短路故障而言,需要快速的故障检测方案。
对于三相三线不接地小容量电网、尤其是舰船电网,由于电网的线缆长度短,线路阻抗低,发生恶性短路故障时电压跌落、电流增大的特征明显。利用这一特征状态,本文提出了一种通过同时实时检测电网电压和功率的异常变化来检测电网中短路故障的快速检测方案。该方案通过对两个判据进行综合判断,其检测响应速度将快于传统单一的电流检测法。
1 电压快速检测算法
在交流电压幅值检测算法上,常用的方法有:周期积分法、快速FFT算法、d/q算法等。周期积分法和快速FFT算法至少需要半周波的有效信息[4],d/q算法一般更适用于三相对称系统,而对于单相系统或者三相系统的非三相同时短路故障,通常不能直接运用[5]。
为考虑一般性,对任意交流信号u(t)=Usin(ωt+θ),在采样频率为ωs下的连续三次数字采样信号为:
根据式(1)~(3)可推导:
通过式(2)和式(4)可得:
式(5)中,N为一个工频周波内的采样次数。
由式(5)可以看到,对于任意正弦信号只需要三点连续的数字采样信号就可以计算出信号的峰值,进而得到信号的幅值。该算法简单快速、适应面广。由于实际电压波形中往往有大量谐波成分存在,以及算法本身会放大高频噪声,因此该算法的计算结果在实际使用中需要数字滤波器进行滤波处理。
2 功率快速检测算法
根据传统功率理论,功率是系统单位时间内的做功量,是一个平均值概念,因此即使通过快速FFT计算也需要一个周波才能得到功率信息,这样的检测速度不能满足某些特殊领域内快速检测和快速保护的要求。
1983年,日本学者Akagi提出了瞬时无功功率理论[6],该理论有效解决了在三相系统中当电压及电流不对称或畸变时的三相瞬时有功功率及无功功率的计算问题。
在一个三相系统中,可以将各相电压和电流从三相abc系统通过数学变换转换到αβ系统。
式中:uα、uβ和iα、iβ分别是电压矢量u和电流矢量i在α轴和β轴上的投影。在α-β平面上,系统总的瞬时有功功率为:
将式(7)代入,可得
对于三相无中线系统,由于ua+ub+uc=0,ia+ib+ic=0,式(9)可进一步化简为:
文献[7]将传统功率理论的有功功率和无功功率推广到瞬时值概念,建立了三相电路瞬时无功理论与传统理论的统一数学描述,说明瞬时功率理论与传统功率理论实际上是内在统一的。
对于舰船电网和许多处于系统末端的低压电网而言,由于电网规模通常较小,电缆的阻抗值也较小,当系统中出现直接金属短路故障时,短路状态下测量点的电压幅值可能会降到几乎为0。如果直接用当前电流和当前电压通过式(10)来计算功率,可能会造成计算结果接近于0,从而失去判断意义。
本方案在进行功率检测时,所用的电流值是当前的采样值,而电压值则是上一个周波对应时刻的电压采样值。这样计算出的功率虽然是虚拟的,但当电网正常运行时,电网电压周期性的重复,上一周波的电压与当前周波的电压基本一致,计算的“虚拟功率”与实际功率基本相同;而当短路故障发生时,由于算法中所用的电压值并不会立即发生变化,而只有电流值发生变化,此时虚拟功率的变化情况则完全对应着短路电流的变化,因此可以用检测功率代替检测电流来判断短路故障是否发生。
通过上述处理后,对于一个工频周波采用样点数为N的数字采样系统,在第k拍采样过程中,式(10)对应的数字表达式为:
3 数字滤波算法
常见的数字滤波器可分为FIR和IIR滤波器。IIR滤波器的离散形式一般表达为进所需的频率特性，可以用 较低的阶数来获得高的选频特性。在高采样率和高 阶数下，IIR 的系数容易出现接近于 0 的小数，在 用定点 DSP 实现时量化误差、舍入误差都会对其性 能 造 成 一 定 的 影 响 。 FIR 的 离 散 形 式 为 特性。FIR 滤波器结构形式简单，没有反 馈递归环节，对高频成分的衰减速度快。虽然 FIR 滤波器通常需要更多的存储单元，但对于现代数字 信号处理器而言，一般具有足够的存储空间。 比的有理分式形式来逼进所需的频率特性，可以用 较低的阶数来获得高的选频特性。在高采样率和高 阶数下，IIR 的系数容易出现接近于 0 的小数，在 用定点 DSP 实现时量化误差、舍入误差都会对其性 能 造 成 一 定 的 影 响 。 FIR 的 离 散 形 式 为 1 0 ( ) N k k k H z a Z − − = = ∑ ，它采用 Z-1的多项式来逼近要 求的频率特性。FIR 滤波器结构形式简单，没有反 馈递归环节，对高频成分的衰减速度快。虽然 FIR 滤波器通常需要更多的存储单元，但对于现代数字 信号处理器而言，一般具有足够的存储空间。
对功率和电压的快速算法均采用属于FIR滤波器的8点滑窗平均滤波法,其数字表达式如式(12)所示。
该滤波算法结构形式简单,不含有小数项系数,整个计算过程仅通过数组求和和移位就可完成,便于定点DSP的实现。该滤波器的波特图如图1所示,滤波器的低通带宽约为170 Hz,在350 Hz时已可提供约-20 d B的衰减,其衰减速度快于常规的二阶BUTTERWORTH IIR滤波器。
4 算法仿真研究
利用数学仿真软件Maltab对上述快速检测算法的性能进行分析,仿真模型如图2所示,为和试验过程保持一致,采用定步长仿真,仿真步长取位1/3000 s。
4.1 突加10 k W有功功率
在仿真时间0.1 s时突加10 k W阻性负载,由图3可见,快速检测算法2.5 ms后已经能够准确地计算出功率的变化。
4.2 380 V电压幅值突降30%
在仿真时间0.1 s时电压幅值突降30%,由图4可见,快速检测算法在3 ms后便检测出电压幅值从380 V降低为266 V。
4.3 快速检测算法适应性分析
对图2所示的仿真模型,考虑实际电网中电参数可能出现的变化情况,仿真研究了电压频率出现±5%波动、电网电压THD恶化到5%两种情况下,快速检测算法的计算偏差和适应性。仿真结果分别见表1和表2所示。
由表1和表2的结果可见,快速检测算法对电网品质的波动变化情况有较好的适应性。
相对于短路状态下电压和功率的巨大变化,快速算法的偏差值不会对检测判断的准确性产生较大影响,并且偏差值不会随着时间累积,只要适当的加强软件滤波算法就能降低最大偏差。
5 试验结果
基于本文所提出的快速检测方案,研制了一台短路故障快速检测装置,并利用我所的电力系统动态模拟试验室完成相关试验研究。短路故障检测装置采用TI公司数字信号处理器TMS320F2407A做为主控芯片,配合12位的A/D芯片AD7864以及通用电压电流互感器DVDI-01组成数字检测系统。DSP芯片TMS320F2407A具有40MIPS的高速运算能力,能实现数据快速运算和实时处理,其软件算法的流程图如图5所示。为了保证实时检测和同步测量的要求,采样和故障检测过程均在周期中断中完成,周期中断频率为3 k Hz。
图6和图7为快速检测三相和相间短路故障的试验结果,Uab、Ubc、Uca分别为三相线电压波形,Ia为A相电流,曲线S为本装置检测到短路故障后发出的保护信号。短路电流的峰值较大,超出了记录范围,因而电流波形出现了一定的削顶现象。保护信号S为12 V的直流电平信号,为了能够和电压电流波形在同一窗口内清晰地观察,在记录时将其幅值适当放大。
由试验结果可见,不论是三相还是相间短路故障,本检测方案均可以在短路电流远未上升到峰值之前做出判断,其检测判断时间仅为2~4 ms,相比与常规的短路电流检测方案,其检测速度大大提高。
由于试验装置的电流互感器并未采用高饱和倍数的专用互感器,仅采用了常规测量用的普通电流互感器,从实验波形中也可以看到,检测到的互感器二次侧电流出现磁饱和现象。但即便如此,快速检测装置依然能够准确地判断出短路故障,体现出本方案出对检测器件具有良好的适应性。
6 结束语
针对常规断路器通过电流幅值判断短路故障、检测速度较慢的问题,本文提出了实时检测电网电压幅值和瞬时有功功率,通过对电压的异常跌落和功率的异常变化进行综合判断来识别短路故障的快速检测方案。
相关仿真研究和试验结果表明,本方案能够快速、有效地检测出电力系统中短路故障,并且对电流互感器的饱和倍数没有特殊要求,具有良好的适用性。
摘要：常规断路器主要通过电流幅值判断电力系统中的短路故障,存在检测速度较慢的缺点。利用短路故障时电压跌落、电流增大的特征,提出了一种通过实时检测电网电压幅值和瞬时有功功率来判断短路故障的快速检测方案。详细说明了电压幅值和瞬时有功功率的快速计算方法,并提出了可以反应出短路电流变化的虚拟功率。在Matlab下完成了仿真研究,利用DSP芯片TMS2407A研制出试验装置并完成相关试验。仿真和试验结果证明了该方案可以快速、有效地检测出短路故障,具有良好的适应性。
关键词：电力系统,短路故障,快速检测,短路电流,瞬时有功功率
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快速短路保护系统 篇2
关键词：电力变换;过流保护;短路保护;软关断;降低栅压保护
引言
由于电力变换装置均工作在大功率环境中，过流和短路是不可避免的。为了确保电力变换装置安全可靠地工作，有效的电流保护设计是必须的。而过流相对于短路对变换装置的危害要小，再加上各种资料对过流保护介绍得比较多，故在此主要讨论电力变换装置中的短路保护的设计。
快速短路保护系统 篇3
短路故障是电力系统最常见也是危害最大的故障类型之一。在低压配电系统中,由于规模和容量的日益扩大,短路电流随之迅速增大,所造成的损失也越来越大。因此,在短路故障出现的早期对其进行预判并快速切断故障源就成为低压配电系统和电器领域重要的研究课题。
短路电流的快速分断由两个方面决定,一是短路故障的检测时间,另一个是执行机构的动作时间。目前,国内外对大电流断路器的执行机构进行了大量的研究分析,获得了可喜的成果,如改变杆件形状[1]、采用永磁操作机构[2]以及利用电动斥力和电弧产生的压力快速断开触头[3]等。某些限流断路器的分断时间已可以达到1～3ms[3]。但是,限流断路器不能实现选择性断开(无三段保护功能)[4],而目前的智能型低压保护电器又都存在一个共同的问题,即由于故障检测时间相对较长而无法达到限流的目的,因此在大电流时均不经过智能控制器直接采用电磁快速脱扣。对短路故障进行准确的早期检测的主要难题在于故障特征的提取与抗干扰。基于形态小波的短路故障早期检测模型则从理论上解决了这个问题,为智能型低压保护电器实现全智能控制奠定了基础。目前,将小波变换和数学形态学应用于电力系统故障诊断的研究取得了较大的进展,但大都停留于理论分析和实验室研究阶段。显然,从理论研究到故障诊断应用的实际实现,将有一段艰难的路程。然而,对其应用实现的探索研究是非常必要的。本文在理论研究的基础上,首次研制了可实现短路电流快速分断控制的系统并进行了有效的试验验证,初步实现了基于形态小波的短路故障早期检测理论的实际应用。本文研究为短路故障早期检测的实现迈出了极其重要的一步。
2 基于形态小波的短路故障早期检测模型
研究表明,多尺度小波分解算法本身是一个数字滤波器,具有较强的消除白噪声的能力,但对脉冲干扰的抑制方面存在着不足。因此引入了一种善于剔除脉冲干扰的非线性滤波器——数学形态学滤波器,将其与二进小波变换相结合建立了基于形态小波的短路故障早期检测模型[5]。
2.1 故障特征的提取与门限值的确定
由于在短路故障发生后较短时间内、短路电流发展起来之前,小波分解的细节分量与正常运行时的相比已达较大值,表现出明显的故障特征,因此,这一特性可用来提取低压系统短路故障的故障特征以达到早期检测故障的目的。
该模型使用的是离散信号的二进小波变换,采用的小波函数为三次B样条函数的导函数,利用Mallat的小波分解快速递推算法[6]可以得到各尺度下的光滑分量和细节分量,考虑硬件的实时性和抗干扰性,选用了第四尺度下的细节分量作为故障判据,从而得到数学模型如下式所示:
为了将短路故障从起动、过载故障中分辨出来,通过对电动机过载、起动的暂态过程的研究分析,将短路故障的门限值定在起动、过载可能出现的最大d4值(上限)与短路故障时可能出现的最小d4值(下限)之间。门限值设置的原则是在线路末端发生单相对中线短路且在最不严重的故障初相角下能够可靠脱扣,但在电动机起动、过载或有噪声干扰的情况下不误脱扣,同时在灵敏度及可靠性之间进行折衷。利用本文设计的系统,经过对不同仿真输入信号的采样和处理,测得起动时d4值的上限为152,单相短路故障时d4 值的下限为294。按照门限值的设置原则,本文将门限值定为200。
2.2 数学形态学滤波
由于多尺度小波分解算法在低尺度下对随机脉冲干扰的抑制无法获得理想的效果,因此该模型在小波分解前利用数学形态学滤波器对采样信号进行滤波处理。
为保证在硬件上实时实现滤波算法,从而达到对短路故障早期实时检测的目的,该模型采用先腐蚀后膨胀的广义形态开滤波器对电流采样信号进行前置滤波。为有效消除正负脉冲噪声,采用了尺寸不同的扁平结构元素,其数学模型如下式所示:
经仿真分析和验证,其与多尺度小波分解算法相结合构成的形态小波算法可有效滤除噪声干扰的影响,准确提取短路故障的有效特征。本文在此基础上,研制了基于形态小波的短路电流快速分断控制系统,并进行了实际应用的有效验证。
3 系统的软、硬件实现
3.1 硬件实现
该系统的硬件结构框图如图1所示。从图1可以看出,该系统主要由3个模块组成:中央处理模块、信号采集模块和电源模块。电源模块可同时为CPU、信号采集模块和脱扣控制电路提供所需的工作电源;信号采集模块将对电流互感器二次侧的输出电压信号进行放大和偏置处理,以提供CPU可接受的模拟信号。中央处理模块对所采集的电流信号进行形态滤波和小波变换,滤除噪声干扰并判断是否出现短路故障而决定是否发出脱扣信号。
中央处理模块采用了Microchip公司的dsPIC33FJ256GP710数字信号控制器。该控制器融合了高性能16位MCU的控制优势和DSP的高运算速度,形成了适合嵌入式系统设计的紧密结合的单芯片单指令流解决方案。
3.2 软件实现
该系统的主体程序采用 C语言与行插入汇编指令的混合编程方法,依据广义形态开滤波器和小波分解算法的数学模型编制了形态小波算法软件。在广义形态开滤波器算法软件中,取腐蚀的结构元素为三维数组,膨胀的结构元素为4维数组。在小波分解算法程序中,采用了指针的方法来提高 C语言程序的运行效率,使各尺度小波分解的结果均由最新采样数据得到。
为提高采样精度,采用12位的A/D转换,同时,采用了“双倍暂存区扩展法” 对采样的数字信号进行更新与排队。经仿真运行,测得系统的采样速率达到12.5KHz。
4 试验验证
4.1 采用本系统进行故障模拟实验
采用波形编辑软件Agilent Intuilink和任意函数发生器构造出不同故障相角下的短路电流波形(10In,额定值为100mV),验证本文设计的快速分断控制系统工作的正确性。
将各相角下从短路故障发生到发出脱扣信号的时间间隔t和对应时刻的电流倍数N(以额定电流幅值为基准)列于表1中。
从表1可以看出,在短路电流出现后的极短时间内,系统就已经给出了脱扣信号,而此时电流幅值仍然较小,不会对整个低压配电系统及设备造成很大威胁。为检验系统在非短路故障下的可靠性,本文还分别对额定值和6In两种波形进行了上述仿真实验,测试结果表明系统均未给出脱扣信号。
4.2 与现有低压断路器智能控制器及智能断路器的对比试验
为考核系统的实际有效性和可靠性,本文还在福州大学低压电器检测中心 (该中心系中国实验室国家认可委员会认可) 与现有的低压断路器智能控制器、电子式塑壳断路器电子脱扣系统及普通塑壳断路器的电磁脱扣系统进行了对比试验。
4.2.1 与断路器智能控制器的对比试验
本文选用福州鑫威电器有限公司的XW45 型低压断路器智能控制器进行对比试验。该控制器采用的故障判定算法为真有效值法。考虑到试验室容量,本文以200A电流作为额定电流值进行试验。瞬动值整定为10In=2000A。该型低压断路器智能控制器脱扣时间如表2所示。本系统脱扣时间如表3所示。
由表2、3可知,XW45 型低压断路器智能控制器的瞬时脱扣信号触发时间最短在10ms左右,而采用本系统后,瞬时脱扣信号触发时间在1ms左右,说明短路电流快速分断控制系统正确地实现了早期检测和快速分断控制。
4.2.2 与电子脱扣系统的对比试验
选用的对比型号是常熟开关制造有限公司的 CM1E系列电子式塑壳断路器,通过其自带的控制板和本系统分别控制直流脱扣器进行比对试验,试验电流为2058 A。由JQS-1短延时计时器测得脱扣时间,结果如表4所示。
显然,采用短路电流快速分断控制系统控制后,断路器的瞬时脱扣时间大大缩短,也证明了应用形态小波算法进行短路故障正确判断时在速度上的优势。
4.2.3 断路器实际分断试验
考虑到本课题组正在进行快速动作机构的研制,本文将短路电流快速分断控制系统配以HTS-100 63A断路器分励线圈脱扣机构驱动该断路器,在福州大学低压电器检测中心进行断路器实际分断试验。实测波形如图2所示,其试验电流为 8KA(≈ 127In),合闸相角为90°。
由于事先测得分励线圈脱扣机构的固有动作时间为5.2～9ms,可见其固有动作时间分散性较大。但是扣除分励线圈的固有动作时间后,系统也达到了短路电流早期检测的效果。毫无疑问,若以本控制系统为核心,并配以快速脱扣机构,其分断速度将大幅度提高。
在抗干扰方面,由于形态小波算法本身具有很强的抗白噪声和脉冲干扰的能力,并考虑电力暂态信号的失真问题,本系统的前端采用高精度的电流传感器,保证了暂态信号的真实性。为检验系统的抗干扰能力,本系统在福建省中心检验所进行了电快速瞬变脉冲群试验,并顺利通过。
显然,本系统的应用将实现智能低压断路器的完全智能化控制。
5 结论
本文基于短路故障早期检测模型,对低压系统短路电流快速分断控制系统进行了研究和有效性的实际验证,实现了低压系统短路故障早期检测与快速分断控制。从而为开发具有限流保护功能的全智能型低压保护电器奠定了基础。以本控制系统为核心,并对脱扣机构进行重新设计,将提高低压智能断路器的开断能力。
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电力系统短路故障浅析 篇4
摘要：破坏电力系统正常运行的最为常见的原因是各种类型的短路故障。它危害性极大，由此引发的其他电气故障也最多。本文简要探讨了各种类型的短路故障的原因、特点、危害、查找方法、预防措施等，对指导生产有一定的参考作用。
关键词：短路原因特点故障短路预防
概念
电力系统的短路故障，是指不同电位导电部分之间的不正常短接。由于此时故障点的阻抗变得很小，电流便会在一瞬间升高，短路点以前的电压下降，会影响到电力系统的稳定运行，严重短路甚至会造成系统瘫痪。
在正常运行时，除中性点外，相与相或者相与地之间是绝缘的。三相系统中，短路故障的基本类型为三相短路、两相短路、单相短路、单相短路接地、两相短路接地等。其中，三相短路属对称短路，其它形式的短路，均属不对称短路；在中性点直接接地的系统中，发生单相短路接地故障最为常见，大约占短路故障的65%，两相短路约占10%，两相短路接地约占20%，发生三相短路故障的可能性最小，虽然只占短路故障的5%[1]左右，却是危害系统最严重的，在实际中一定要引起我们的足够重视。
1．1 单相接地短路：是指三相交流供电系统中一根相线与大地成等电位状态，既该相线的电位与大地的电位相等，都是“零”。通俗的讲就是A相或B相或C相一相接地。
1．2 两相短路：任意两相导线，直接金属性连接或经过小阻抗连接在一起。通俗讲指两相直接短接在一起。
1．3 两相短路接地：是指三相交流供电系统中两根相线与大地成等电位状态了。通俗讲就是A、B、C三相中的任意两相同时与大地的无电阻的直接连接。
1．4 三相短路：就是电力系统内A、B、C三相在某一点的零电阻、零电抗的直接连接。这时会产生很大的短路电流，破坏程度很大。
三相短路分三种：单相接地短路；两相之间短路；三相全部短路。发生短路的原因
产生短路的原因有很多，既有客观的，也有主观的，但是主要原因是电气设备载流部分的相间绝缘或者相对地绝缘被损坏。
2．1 由于设计、制造、安装、维护不当等造成的设备缺陷发展成为短路。如选择电缆截面太小或扩大生产增加负荷使电路超载、过载，长期持续下去，就可能造成绝缘老化或者绝缘的完全失效，导致短路。
2．2 假冒、伪劣电器设备的绝缘不合格也会造成短路。
2．3 气候恶劣，低温导线覆冰引起架空线倒杆断线造成短路；架空线路弧垂不一致或弧垂太大，刮大风时会引起短路；雷电冲击使架空线路的绝缘子发生闪络短路；环境温度过高、机械损伤等。
2．4 误操作引起的短路故障。工作人员违反操作规程带负荷拉刀闸，引起电弧短路；违反电业安全工作规程带电误合接地刀闸造成的短路故障。检修人员在检修低压带电开关设备时，距离带电体较近，未采取必要的安全措施防止短路造成故障。
2．5 电缆、变压器、发电机等设备中载流部分的绝缘材料在运行中损坏[1]。
2．6 动物作祟，如鸟兽跨接在裸露的载流部分；老鼠窜入高压配电室造成短路故障；老鼠咬破置于管道中的电缆绝缘等。
短路特点
电力系统发生短路故障后，电流剧增，短路电流比正常工作时的电流要大几十倍，甚至几百倍，在高压下，电流可达数千万安。因此应千方百计限制短路电流，并使短路电流持续时间尽量缩短。
3．1 短路点距离电源越进线路阻抗越小，短路电流会越来越大。
3．2 短路故障持续时间的长短，直接导致电气设备损坏的厉害程度，时间越长损坏越严重。
短路故障的危害[2]
短路故障引起的后果是破坏性的。
具体表现在以下几个方面：
4．1 当电路发生短路时，短路点的电弧有可能烧坏电气设备，同时很大的短路电流会通过设备使发热增加，当短路持续时间较长时，可能使设备过热，使导体发红，甚至溶化损坏绝缘，破坏设备。
4．2在供电系统中，强大的短路电流，特别是冲击电流，使两相邻导体之间产生巨大的电动力。一般可以计算为：
F(3)=■.Im2.l/a×10一7(N)(三相短路)
F(2)=2.Im2.l/a×10一7(N)(单相短路)
由上式可见，短路电流越大，电动力越大，破坏性越强。这种电动力可能使母线变形，使母线定固件损坏，也可能使开关相邻刀片变形，开关损坏。
4．3 电力系统发生短路时，有可能使并列运行的发电厂失去同步，破坏系统稳定，使整个系统的正常运行遭到破坏，引起大片地区的停电。这是短路故障最严重的后果。
4．4 短路产生的电弧、火花可能引发恶性事故，如火灾、电击、爆炸等。
4．5 短路故障发生后，短路点电压将降到零，短路点附近各点的电压也将明显降低，对用户工作影响很大，系统中最主要的负荷是异步电动机，它的电磁转矩同它的端电压的平方成正比，电压下降时，电磁转矩将明显降低，使电动机停转，以致造成产品报废及设备损坏等严重后果。
4．6 不对称接地短路所造成的不平衡电流，将产生零序不平衡磁通。会在邻近的平行线路内感应出很大的电动势，将会造成对通信的干扰，并危及设备和人身的安全。
短路的预防
为了保证安全可靠供电，除设计时要科学、合理以外，还应采取各种必要的安全措施，减少各类短路故障的发生。
5．1 做好短路电流的计算工作，选择正确的电气设备，使电气设备的额定电压和线路的额定电压相符。
5．2 对继电保护的整定值和熔体的额定电流要正确选择，采用速断保护装置，以便发生短路时能迅速切断短路电流，减少短路电流持续时间，把短路造成的损失降到最小。
5．3 采用电抗器。以增加系统的阻抗来限制短路电流。
5．4 变电站要安装避雷针，变压器附近和线路上要安装避雷器，减少恶劣天气中雷击造成的灾害。
5．5 始终保持线路弧垂一致并符合安全规定，保证架空线路施工质量。
5．6 对带电安装和检修电气设备的工作，工作人员一定要注意力要高度集中、防止出现错接线、误操作。
5．7 一旦发生故障，要从电力系统中把故障线路或设备切断，使其余部分可以继续运行。
5．8平时要加强管理。及时清除导电粉尘、防止导电粉尘进入电气设备；防止老鼠等小动物进入高压配电室，爬上电气设备。
5．9 保证电力系统的安全稳定运行。维护人员应严格遵守规章制度，正确操作电气设备，禁止带负荷拉刀闸，带电合接地刀闸。线路施工、维护人员在距带电部位距离较近的地方工作，要采取防止短路的措施。要对线路、设备进行经常巡视检查，及时发现并处理各类缺陷。
小结
通过对电力系统短路故障的浅析，可以在实际运用中更快的了解故障的原因，做好相应的预防措施。同时也能加快对故障的维修处理，缩短短路故障运行时间，尽可能把损失降到最低，保障电力系统的安全稳定运行。
参考文献：
快速短路保护系统 篇5
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。
快速短路保护系统 篇6
近年来,随着电网的快速发展,电网基建、电源送出、电网改造项目大量投产,继电保护定值整定计算工作不能满足其投产周期的要求。在基建、技改项目投产过程中,引起的母线陪停、线路陪停、电网断环情况越来越复杂,电网非正常运行方式明显增多,运行时间延长,给当前的继电保护定值整定计算工作带来了巨大的挑战。
传统的继电保护定值计算方法是在电网正常运行方式基础上,按照N-1电网检修方式进行离线计算,而对于基建或电网改造项目引起的N-2等特殊运行方式,来不及校核周围继电保护装置的定值。因此,越来越多的学者开始研究继电保护定值的在线校核[1,2,3,4,5]、在线整定[6]。上述研究中采用的短路电流计算方法忽略了许多复杂因素对短路电流的影响,例如:机组出力、负荷电流、负荷模型、各类控制器等。然而,实际的短路故障发生后,系统各处的短路电流都有一个动态变化过程,而传统的计算方法只关注故障时刻的短路电流。因此,这种静态计算方法使得目标电网与真实电网的差别较大,短路电流计算结果误差较大且提供的信息有限,无法满足继电保护整定计算工作对短路电流计算提出的更高要求。
如果充分研究当前继电保护定值整定计算工作实践中存在的问题,结合先进的网络通信和分布式计算技术,研制出一套适用于现代电网的继电保护定值在线校核系统,获得电力系统的实时运行状态,自动实现继电保护定值的在线实时校核计算、危险情况自动预警,对提高电网运行的安全可靠性具有重大的理论意义和现实意义。
1 动态短路电流计算方法
当前,短路电流计算一般采用静态网络阻抗等值方法。为了计算的简便性,这种方法一般对系统数据进行大量近似假设(详见附录A表A1)。这样忽略了系统详细模型和潮流情况对短路电流的影响,无法反映故障过程中及故障切除后短路电流的变化情况。
基于暂态仿真的短路电流在线动态计算方法,可以从能量管理系统(EMS)中实时获得电力系统的真实运行状态,进行各类短路故障计算,从而更加全面地给出电网各处短路电流的动态变化过程信息,具有良好的工程应用前景。
动态短路电流计算方法可以定时触发、人工触发或者事件触发数据接口模块,从EMS获得最新的电网运行方式数据,结合自身数据库保存的元件参数数据,其计算步骤如下。
步骤1:利用潮流计算程序计算短路故障前的系统运行状态,即由潮流计算得到各节点的电压及注入功率;计算系统的运行参量初值Y(0),并由此计算状态变量的初始值X(0);根据各元件采用的数学模型形成相应的微分方程,并根据所用的求解方法形成相应的电力网络方程。
步骤2:进入暂态过程计算阶段。假定暂态过程的计算已进行到t时刻,这时的X(t)和Y(t)为已知量,在计算X(t+Δt)和Y(t+Δt)时,应首先检查在t时刻系统有无故障或操作(参照故障定义)。如果有故障或操作,则需对微分方程和代数方程进行修改,而且当故障或操作发生在电力网络内时,系统的运行参量Y(t)可能发生突变,因此必须重新求解网络方程,以得到故障或操作后的运行参量Y(t+0)。由于状态变量不会发生突变(由微分方程解对初值的连续依赖性决定),因此,故障或操作前后的X(t)与X(t+0)相同。
步骤3:进行微分—代数方程组的第1步计算,根据X(t)和Y(t),采用交替求解法或联立求解法得到X(t+Δt)和Y(t+Δt)的值;时间向前推进Δt,进行下一步的计算,直至到达预定的时刻tmax[7]。这样,就得到了从0至tmax时间段内的短路电流数据。
动态短路电流的计算流程如图1所示。
通过在IEEE 9节点系统、华北电网220kV等值系统算例,对静态和动态短路电流计算结果进行比较,可以得出如下结论。
1)动态和静态短路电流计算方法针对相同的数据模型,如果对相应的参数采用同样的处理方法,由动态计算方法得出的短路时刻的短路电流结果与静态短路电流结果基本一致。
2)动态短路电流计算方法可以考虑系统运行方式、潮流分布、负荷模型、发电机各类调节控制器等因素对短路电流的影响,其比静态方法提供更丰富的信息,且可以给出短路电流的变化趋势。
3)发电机参数、负荷数据对动态短路电流计算结果具有明显的影响,应该开展更加深入的研究,使在线动态短路电流计算结果更加真实。
2 保护定值在线校核系统的实现方案
EMS通过输出符合IEC 61970标准的公共信息模型/可扩展标记语言(CIM/XML)文件来导出电网模型,按照可缩放矢量图形(SVG)格式导出厂站图和潮流图,按照E语言规范输出数据采集与监控(SCADA)系统数据以及状态估计结果数据。保护定值在线校核系统通过导入最新的CIM/XML文件,建立目标电网模型。保护定值在线校核系统实时运行时,从EMS周期性获取全网量测数据,主要包括直调电厂的开、停机方式和线路运行情况等。
保护定值在线校核系统从EMS获得继电保护定值计算需要的电网运行信息,从定值单整定系统或保护信息系统调取保护装置中的定值,结合日检修计划及电网变化方式,快速校核电网内运行设备保护定值的灵敏度,实时监测保护定值能否满足实际运行要求。根据校核结果,对电网方式、切改方案、检修计划提出合理化建议;对不满足选择性、灵敏性、速动性、可靠性的保护定值提出整改方案,向EMS发送计算结果和告警信息并进行展示。保护定值在线校核系统的信息流程如图2所示。
保护定值在线校核系统的典型配置方案如图3所示。实际运行时,系统各种计算功能由分布式计算平台自动管理。
保护定值在线校核系统可以在线校核一些与系统潮流有关的定值,如距离Ⅲ段保护的定值、振荡闭锁过电流定值、过负荷保护等,判断这些定值在当前潮流方式下是否可能误动,如果可能误动,则可根据需要发出告警信息给调度员进行处理。保护定值在线校核系统也可以利用在线动态短路电流的计算结果,校核保护装置中常用定值项的灵敏度及相关参数(如所有保护装置的启动值、纵联保护定值、电流差动保护定值、零序过流保护定值、过电流保护定值等)的正确性,并自动给出报警提示。
3 保护定值在线校核系统的功能
3.1 短路电流计算
短路电流计算是继电保护定值整定的基础,用于模拟、研究各种故障条件下的电力系统行为。通过短路电流计算,可以确定由电网故障引起的各支路电流和母线电压的变化情况,以检查设备忍受故障的能力及校核运行装置的保护定值,同时进一步计算出系统各点的短路容量。故障电流可用于计算断路器的额定容量,可以通过计算故障电流确定保护的动作定值,用来进一步分析保护方案的合理性、协调性等。
短路电流计算考虑的故障类型包括:单相接地、两相接地、两相相间故障不接地、三相故障。短路电流计算可考虑过渡电阻;故障点的设置除了考虑母线,还可以在线路上的任意点设置故障,用距离线路首端百分比来表示。
保护定值在线校核系统提供的短路电流分析计算程序采用暂态计算方法,便于充分考虑电网的实际接线、潮流、发电和负荷水平,以及发电机和负荷模型对短路电流的影响,使计算结果更加准确可信,适用于对运行继电保护装置定值的实时在线校核。
3.2 保护定值校核
保护定值的校核主要考虑以下7项内容:(1)线路保护启动电流定值的启动系数;(2)线路纵联保护定值的灵敏度;(3)母线差动保护定值的灵敏度;(4)变压器差动保护定值的灵敏度;(5)后备距离保护测量阻抗幅值的校核;(6)保护选择性校核;(7)检修方式下的保护定值灵敏度校核。
1)后备距离保护测量阻抗幅值校核
系统对重载长线路的三段式后备距离保护定值进行校核,既要保障对线路末端故障有灵敏度,又要躲过负荷阻抗,保证线路重载阻抗元件不发生误动,同时通过暂态数据模型的分析给出计算结果,提供阻抗圆、测量阻抗曲线等可视化表达方式。
2)保护选择性校核
校核上下级保护的选择性,主要检查保护是否会越级动作。主保护失灵后的后备保护配合关系校核根据各段保护的定值,校核线路上各处发生故障后,当前定值能否保证在不同安装地点处的保护装置的配合下正确切除故障。
3)检修方式下保护定值灵敏度校核
在同一变电站自动轮断元件,形成N-1乃至N-2的电网运行方式,校核站内及周围系统的保护定值,校核在这些方式下的灵敏度是否满足要求。
3.3 高级分析功能
1)在线电网方式校核功能
为保证电网稳定运行,对于电网运行方式提出的各种短期或阶段式的方式变化,在线校核系统可实现继电保护定值实时的在线安全校核,网络拓扑结构完全可以适应实际一次电网结构的预期变化。例如:220kV双母线接线的环网变电站,由于短路容量超标等问题导致母线联络开关短期断开运行,离线计算出的定值已不满足此方式,需要重新进行线路、母线差动等相关保护定值的整定。
2)在线预警校核功能
在线校核系统能够自动实现在同一变电站内轮断元件,形成N-2乃至N-3的电网运行方式,校核站内及周围系统的保护定值,保证此方式下保护装置不会误动作,必要时发出告警信息,完成在线监测的预警校核功能。
针对供热机组的开机方式,在线校核系统可实现按照电厂开机最小方式的设置原则,完成全网定值的在线核查,根据校核结果,对调度运行部门提出可行性建议。
3)预期方式校核功能
对于日常计划检修安排,以及电网基建引起的陪停方式、电网发生的各种预期运行方式变化,在线校核系统能够提前进行继电保护定值核查。预留人工修改界面,可以设置预期计划检修方式,根据校核结果,针对计划的检修安排提出制约条件和合理的建议。
预期方式校核功能可以弥补离线定值计算实时性不足的缺陷,完全满足电网安全稳定运行对于继电保护提出的速动性、灵敏性、选择性、可靠性的要求。
4)在线故障校核功能
对已经发生的各种故障,在线校核系统可模拟分析故障电流、故障位置。
用户可以输入故障设备各侧的故障电流(稳态电流有效值),程序自动分析确定故障可能的位置及过渡电阻的大小,给出用户可能的故障类型提示。自动保存计算得到的结果,以便日后的统计分析;也可以输入故障点位置,程序自动分析故障设备各侧的故障电流(稳态电流有效值)大小。
3.4 历史数据分析
保护定值在线校核系统可以利用在线数据或者保存的历史算例,方便快捷地进行短路电流计算和参数校核功能分析。用户也可以在已有算例基础上修改电网的接线、发电机出力以及负荷大小等数据,然后分析参数变化后系统的短路电流变化情况。
1)保护定值在线校核系统可选取任意时段的数据进行计算分析,可以通过改变开关、刀闸的状态,实现线路的临时检修/投运或母线分列运行情况下的计算分析工作。
2)历史数据包括:复制的当前的系统状态、用户保存过的系统典型运行工况、保护定值在线校核系统自动保存的一定时间内的系统运行数据和参数。
4 保护定值在线校核系统的工程应用
华北电网保护定值在线校核系统实现了对华北电网全部直调线路和厂站(主变压器和母线)保护定值的实时在线校核,分别对正常方式和N-1方式下的保护定值灵敏度合格率进行日统计和月统计,显示当前灵敏度不满足规程要求的保护装置信息,如附录A图A1所示。
在地理图上显示正常方式和N-1方式下的厂站保护定值灵敏度着色和定值灵敏度不足挂牌告警:厂站内保护定值灵敏度越低,着色越深;对线路、变压器、母线等不同类型的保护装置的定值告警信息在地理接线图上分别进行展示,按灵敏度高低的程度分浅色和深色两级进行告警。当鼠标移至某一厂站时,系统自动显示本厂站内保护定值校核计算的详细结果;当鼠标移至某一告警牌时,系统自动显示告警的详细信息,包括计算时间、故障形式、定值类型、灵敏度计算值等信息,如附录A图A2所示。
5 结语
基于动态短路电流计算方法的继电保护定值在线校核系统的应用,可适应电网发展对继电保护提出的更高要求,提高继电保护整定计算工作人员的工作效率,减少整定计算工作中的人为失误,全面跟踪电网检修、运行情况;可对电网方式、切改方案、检修计划提出合理化建议,对不满足电网方式的保护定值快速地提出整改方案,对电网的安全稳定运行具有重要的意义,具有广阔的工程应用前景。
参考文献
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