定时限过电流

定时限过电流（共3篇）

定时限过电流 篇1

1 概述

目前,一般企业高压供电系统中均为10KV系统。除早期建设的10KV系统中,较多采用的是直流操作的定时限过电流保护和瞬时电流速断保护外,近些年来飞速建设的电网上一般均采用了环网或手车式高压开关柜,继电保护方式多为交流操作的反时限过电流保护装置。很多重要企业为双路10KV电源、高压母线分段但不联络或虽能联络但不能自动投入。在系统供电的可靠性、故障响应的灵敏性、保护动作的选择性、切除故障的快速性以及运行方式的灵活性、运行人员的熟练性上都存在着一些急待解决的问题。

10KV供电系统是电力系统的一部分。它能否安全、稳定、可靠地运行,不但直接关系到企业用电的畅通,而且涉及到电力系统能否正常的运行。因此要全面地理解和执行地区电业部门的有关标准和规程以及相应的国家标准和规范。

由于10KV系统中包含着一次系统和二次系统。又由于一次系统比较简单、更为直观,在考虑和设置上较为容易;而二次系统相对较为复杂,并且二次系统包括了大量的继电保护装置、自动装置和二次回路。所谓继电保护装置就是在供电系统中用来对一次系统进行监视、测量、控制和保护,由继电器来组成的一套专门的自动装置。为了确保10KV供电系统的正常运行,必须正确的设置继电保护装置。

2 10KV系统中应配置的继电保护

按照工厂企业10KV供电系统的设计规范要求,在10KV的供电线路、配电变压器和分段母线上一般应设置以下保护装置:

2.1 10KV线路应配置的继电保护

10KV线路一般均应装设过电流保护。当过电流保护的时限不大于0.5~0.7s,并没有保护配合上的要求时,可不装设电流速断保护;自重要的变配电所引出的线路应装设瞬时电流速断保护。当瞬时电流速断保护不能满足选择性动作时,应装设略带时限的电流速断保护。

2.2 10KV配电变压器应配置的继电保护

2.2.1 当配电变压器容量小于400KVA时,一般采用高压熔断器保护;

2.2.2 当配电变压器容量为400~630KVA,高压侧采用断路器时,应装设过电流保护,而当过流保护时限大于0.5s时,还应装设电流速断保护;对于车间内油浸式配电变压器还应装设气体保护;

2.2.3 当配电变压器容量为800KVA及以上时,应装设过电流保护,而当过电流保护时限大于0. 5 s时,还应装设电流速断保护;对于油浸式配电变压器还应装设气体保护;另外尚应装设温度保护。

2.3 10KV分段母线应配置的继电保护

对于不并列运行的分段母线,应装设电流速断保护,但仅在断路器合闸的瞬间投入,合闸后自动解除;另外应装设过电流保护。如采用的是反时限过电流保护时,其瞬动部分应解除;对于负荷等级较低的配电所可不装设保护。

3 定时限过电流保护

3.1 什么是定时限过电流保护

继电保护的动作时间与短路电流的大小无关,时间是恒定的,时间是靠时间继电器的整定来获得的。时间继电器在一定范围内是连续可调的,这种保护方式就称为定时限过电流保护。

3.2 继电器的构成

定时限过电流保护是由电磁式时间继电器(作为时限元件)、电磁式中间继电器(作为出口元件)、电磁式电流继电器(作为起动元件)、电磁式信号继电器(作为信号元件)构成的。它一般采用直流操作,需设置直流屏。定时限过电流保护简单可靠、完全依靠选择动作时间来获得选择性,上、下级的选择性配合比较容易、时限由时间继电器根据计算后获取的参数来整定,动作的选择性能够保证、动作的灵敏性能够满足要求、整定调试比较准确和方便。这种保护方式一般应用在10~35KV系统中比较重要的变配电所。

3.3 定时限过电流保护的基本原理

10KV中性点不接地系统中,广泛采用的两相两继电器的定时限过电流保护的原理接线图。它是由两只电流互感器和两只电流继电器、一只时间继电器和一只信号继电器构成。

当被保护线路只设有一套保护,且时间继电器的容量足大时,可用时间继电器的触点去直接接通跳闸回路,而省去出口中间继电器。

当被保护线路中发生短路故障时,电流互感器的一次电流急剧增加,其二次电流随之成比例的增大。当CT的二次电流大于电流继电器的起动值时,电流继电器动作。由于两只电流继电器的触点是并联的,故当任一电流继电器的触点闭合,都能接通时间继电器的线圈回路。这时,时间继电器就按照预先整定的时间动作使其接点吸合。这样,时间继电器的触点又接通了信号继电器和出口中间继电器的线圈,使其动作。出口中间继电器的触点接通了跳闸线圈回路,从而使被保护回路的断路器跳闸切断了故障回路,保证了非故障回路的继续运行。而信号继电器的动作使信号指示牌掉下并发出警报信号。

由上不难看出,保护装置的动作时间只决定于时间继电器的预先整定的时间,而与被保护回路的短路电流大小无关,所以这种过电流保护称为定时限过电流保护。

3.4 动作电流的整定计算

过流保护装置中的电流继电器动作电流的整定原则,是按照躲过被保护线路中可能出现的最大负荷电流来考虑的。也就是只有在被保护线路故障时才启动,而在最大负荷电流出现时不应动作。为此必须满足以下两个条件:

(1)在正常情况下,出现最大负荷电流时(即电动机的启动和自启动电流,以及用户负荷的突增和线路中出现的尖峰电流等)不应动作。即:

Idz>Ifh.max

式中:Idz——过电流保护继电器的一次动作电流;

Ifh.max——最大负荷电流。

(2)保护装置在外部故障切除后应能可靠地返回。因为短路电流消失后,保护装置有可能出现最大负荷电流,为保证选择性,已动作的电流继电器在这时应当返回。因此保护装置的一次返回电流If应大于最大负荷电流fh.max。即:

If>Ifh.max

因此,定时限过电流装置电流继电器的动作电流Idz.j为:

Idz.j=(Kk.Kjx/Kf.Nlh).Ifh.max

式中,

Kk——可靠系数,考虑到继电器动作电流的误差和计算误差而设。一般取为1.15~1.25Kjx——由于继电器接入电流互感器二次侧的方式不同而引入的一个系数。电流互感器为三相完全星形接线和不完全星形接线时Kjx=1;如为三角形接线和两相电流差接线时Kjx=1.732;

Kf——返回系数,一般小于1;

Nlh——电流互感器的变比。

3.5 动作时限的整定原则

为使过电流保护具有一定的选择性,各相临元件的过电流保护应具有不同的动作时间。

在线路XL-1、XL-2、XL-3的靠近电源端分别装有过电流保护装置1、2、3。当D1点发生短路时,短路电流由电源提供并流过保护装置1、2、3,当短路电流大于它们的整定值时,各套保护装置均启动。但按选择性的要求,应只由保护装置3(离故障点最近)动作于跳闸。在故障切除后,保护装置1、2返回。因此就必须使保护装置2的动作时间较保护装置1长一些;而保护装置3又要比保护装置2长一些,并依次类推,即:

t1>t2>t3

不难看出,各级保护装置的动作时限是由末端向电源端逐级增大的。也就是越靠近电源端,保护的动作时限越长,有如阶梯一样,故称为阶梯性时限特性。各级之间的时限均差一个固定的数值,称其为时限级差Dt。对于定时限过电流保护的时限级差Dt,一般为0.5S;对于反时限的时限级差Dt,一般为0.7S。可是,越靠近电源端线路的阻抗越小,短路电流将越大,而保护的动作时间越长。也就是说过电流保护存在着缺陷。这种缺陷就必须由电流速断保护来弥补不可。

3.6 过电流保护的保护范围

过流保护可以保护设备的全部,也可以保护线路的全长,还可以作为相临下一级线路穿越性故障的后备保护。

摘要：主要阐述了10KV供电系统的定时限过电流保护问题。

关键词：10KV供电系统,过电流保护,继电保护

定时限过电流 篇2

系统向厂矿企业配电所直配供电时, 厂矿企业配电所为反时限过电流保护装置, 变电站为定时限过电流保护, 如下图1:

1 厂矿企业配电所QF2断路器反时限过电流可按下式整定计算

1.1 过电流保护继电器二次动作电流整定值为:

式中

Kk—可靠系数, GL型一般取1.2-1.8;

Ifmax—线路最大负荷电流;

Kf—继电器返回系数, 取0.85;

nta—电流互感器变比;

Kjx—接线系数;

Kzq—自启动系数 (指所带负荷中最大电动机启动时的影响, 一般该系数取1.5~2.5, 也可根据实际启动情况定) 。

1.2 二倍过电流动作时限

一般取1S。

1.3 速断电流

一次动作电流为

二次动作电流整定值为:

1.4 灵敏度校验为

式中

—最小运行方式下厂矿企业III母线两相短路超瞬变电流;

2 变电站QF1断路器定时限过电流保护的整定计算

2.1 按躲本线路最大负荷电流计算, 动作电流为:

式中

Kk—可靠系数, DL型一般取1.15-1.25;

Ifmax—线路最大负荷电流;

Kf—继电器返回系数, 取0.85;

nta—电流互感器变比;

Kjx—接线系数;

Kzq—自启动系数 (指所带负荷中最大电动机启动时的影响, 一般该系数取1.5~2.5, 也可根据实际启动情况定) 。;

2.2 按与厂矿企业QF2断路器速断电流保护配合

式中

Kph—配合系数, 一般取1.1-1.5;

两者比较取较大者。

2.3 灵敏度校验

式中

—最小运行方式下厂矿企业II母线两相短路超瞬变电流;

在厂矿企业中 (尤其是冶金和化工行业中) 广泛地采用高压异步电动机或者同步电动机, 它们在运行中可能发生这样那样的各种短路故障或不正常的运行状态, 电动机的主要故障是定子绕组的相间短路, 其次是单相接地和匝间短路, 电动机的不正常状态主要是过负荷引起的过电流。某轧钢企业内有一台的高压电动机接在变电站一条

某轧钢企业内有一台320kW的高压电动机接在变电站一条6kV直配出线上, 6千伏线路导线型号为LGJ—70, 全长2公里, 采用DL型定时限两段式过电流保护装置, 而轧钢企业内电动机保护断路器装设的是GL型反时限电流保护装置;电流互感器变比为100/5, 试确定该用户的电动机保护和系统出线保护的定值。

已知资料: (1) 系统变电站6千伏出线采用两段式电流保护整定值, 使用的电流互感器变比为400/5。 (2) 企业电动机参数如下:额定电压U=6.3kV, 额定电流为38A, 水阻降压启动, 启动电流倍数为1.5Ie。 (3) 系统变电站6kV母线的最大运行方式下系统短路容量标幺值0.7091, 最小运行方式下系统短路容量标幺值为0.7763。系统最小运行方式下电动机低压侧短路的超瞬变电流为2340A。系统最大运行方式下线末短路最大短路电流为3360A。 (4) 系统电气接线简图如图2所示:

整定计算过程如下:

(1) 厂矿企业电动机反时限过电流动作电流整定:

整定原则与定时限过流保护相同, 按躲过电动机的最大启动电流进行整定。

电动机的实际动作电流取4.5A, 一次侧动作电流为90A, 速断为360A。取4倍过电流定值为速断定值, 则电动机的保护定值为:

根据电动机的故障形势和不正常的运行状态, 电动机应装设相应的反应对应故障状态的保护, 电动机其它保护本文不再一一细说, 可参考同类书籍有关电动机保护的详细介绍。

则系统变电站出线的过电流保护整定值, 按与企业断路器的速断定值配合进行整定即可, 配合系数一般取1.1~1.2, 本例取1.15。

二次定值为:

今取3倍过电流定值为该直配线路出线的速断电流定值, 即15.6A。

(2) 校验灵敏度

a校验厂矿企业电动机反时限过电流保护的灵敏度:

式中Klm———灵敏系数。

b校验系统变电站直配线路过电流保护的灵敏度:

式中Klm———灵敏系数。

高压电动机对于中小型企业是贵重设备, 电力行业的整定人员要通过计算分析给出所需的各项整定值, 满足保护有关四性 (选择性、灵敏性、快速性、可靠性) 的要求, 使各种继电保护自动装置能有机协调地发挥作用, 使系统的整定值能达到上下级配合, 预防配合错误造成大面积停电的系统事故的发生, 保证电网的安全经济可靠运行。大面积停电事故属系统事故, 对社会造成的影响也比较大, 同时会给中小企业带来很大的经济损失。

该整定计算方案经多年运行考验, 符合选择性、灵敏性、速动性、可靠性“四性”原则, 保证了设备和线路的热稳定, 同时选择性好, 动作时间准确, 未出现误动情况, 保证了供电的可靠性。

参考文献

[1]周文俊主编.电气设备实用手册 (上、下册) .中国水电出版社, 2001.

[2]黄益庄主编.变电站综合自动化技.中国电力出版社, 1999.

[3]中华人民共和国水利部编.继电保护和自动装置设计技术规程 (SDJ6-76) .水利电力出版社, 1976.

[4]李俊年主编.电力系统继电保护.中国电力出版社, 1998.

定时限过电流 篇3

关键词：继电保护,反时限特性,方向过流继电器,优化,保护配合,整定计算,电力系统

0 引言

电力系统的优化整定计算问题实质是为了电网更好地安全稳定运行,满足更高的“四性”要求[1]。整定计算是否准确决定了保护装置切除故障的能力。我国现阶段保护系统的配置仍然是以定时限保护为主,文献[2]指出它的保护范围受系统运行方式以及电网接线方式影响比较大;文献[3]指出在具有多级保护的线路中,离电源端越近,保护的速动性就越差,保护动作时间就越长;文献[4]指出在重负荷线路中,其灵敏度系数较低,发生近端故障时且主保护拒动的情况下,轻者会丢失大量负荷,并导致同断面其他线路严重过载威胁设备安全,重者则会引起系统性安全事故甚至电网解列。

定时限的诸多问题使得国内外学者纷纷寻找另一种特性的保护,即反时限保护,它反映了电流与时间之间反比的关系,它的选择特性避免了与灵敏性的冲突,且反时限保护的经济可靠[5]等优点使其在欧美电网保护中有了较好的应用,但反时限继电器在整定计算方面仍然存在一些问题。

国内外对于复杂环网的整定计算研究起步较早,早在20世纪80年代就有学者把继电器的参数整定计算抽象为利用数学算法转化为优化问题求解,文献[6]提出了优化整定的概念,即确定一个目标函数和若干个约束条件,求出反时限过流保护全局最优解。然而由于电力系统结构复杂多变,为了更准确地反映所对应的结构,在整定计算中又相应添加约束条件,这使得计算过程变得复杂。文献[7,8]提出首先对约束条件进行处理,通过分析继电器间的配合关系以及保护参数的约束关系,排除一些不必要的约束,一定程度上加速了整定流程;文献[9]将故障位置的变化可能引起保护对的变化考虑进来,从不失配的角度全面分析了所有相邻保护,做到了精确配合,无一遗漏;文献[10,11,12,13,14,15]从理论上介绍了数学规划法求解全局最优解,但对于非线性、离散变量问题容易陷入局部最优解;文献[16,17,18]克服了数学规划法的困境,采用更加先进的智能优化算法,操作简单,容易建模。

方向过流继电器因其经济实用的特点在传统整定计算方案中得到了广泛应用,同时,它还能定向判断故障电流避免保护误动,这在单侧电源供电的辐射形电力系统中无疑是最佳选择。但在环网系统中,由于网络结构复杂,加之故障电流为双向流动,这种只配有一套方向过流保护的继电器显然不能同时反映2个方向的故障电流。因此美国Easun Reylloe电气公司设计制造出一种新型继电器,即双向配置方向过流继电器,它弥补了单向过流继电器的缺陷,可以同时反映2个方向的故障电流,改变了传统方案中的主、后备保护对,给复杂环网整定计算带来了新思路。

本文采用改进型粒子群优化算法对双向过流继电器实现参数整定计算,针对反时限过流保护在各种故障状态下保护间的选择性问题,提出了保护间参数约束条件和保护判据,有效地保证了任意故障下保护的选择性。

1 基于反时限特性的新型过流继电器

1.1 反时限特性及标准

反时限保护在性能上优于阶梯型折线的定时限保护,在保证选择性的同时,又能克服定时限近电源端保护时间偏大的情况,目前关于反时限特性继电器的标准有IEC255-03与IEEE Std C37.112—19962种,本文主要采用国际电工委员会标准,通用公式如下:

其中,t为继电器的动作时间;TDS为继电器时间整定系数;I为流过继电器的实际电流值;Ipu为继电器的启动电流;A、B为不同反时限特性方程所取常数,普通反时限特性取A=0.14、B=0.02,非常反时限特性取A=13.5、B=1,极端反时限特性取A=80、B=2;C通常为1。

1.2 双向配置方向过流继电器的工作原理

双向配置方向过流继电器配备了2套反时限特性保护,为便于区分,将2个方向一个规定为正向,另一个规定为反向,且每套反时限保护的参数根据各自方向设定,通常正向保护在线路发生故障时首先动作,当其失灵时,反向保护作为备用保护切除故障。这里所说的正向和反向保护并非同一继电器内的2套保护,而是主、后备保护对的2套保护。

双向配置方向过流继电器的应用改变了以往寻求主、后备保护对的方法,它是根据一种就近后备的原则,即连接在同一条母线不同线路的所有双向配置方向过流继电器。根据这种原则得出的主、后备保护对不同于传统方案里继电器间跨越式的联系,其不仅拉近了保护对之间的距离,而且当故障发生且主继电器失灵时,备用继电器在一定程度上提升了系统速动性。

对于复杂的环网系统,由于传统的方向过流继电器只能判别来自初始设置方向的故障电流,所以其作为后备继电器并不占有优势,而双向配置方向过流继电器则弥补了传统单向继电器的不足,它可以充分发挥就近后备的优势,从而在速动性方面有了很大改善。

图1为含6个传统方向过流继电器的三母线系统实例,该方案下的保护配置方式见表1。例如,当故障发生在点A时,R1作为主继电器动作,如果R1拒动,则R5作为备用继电器动作;同样地,点A故障时,R2将作为主继电器负责隔离故障,当其拒动时,R6便作为后备保护动作。

双向配置方向过流继电器具备高灵活性和协调能力的优点,当线路发生故障时,继电器会在正、反2个方向动作,其时间特性如图2所示。当故障电流按设定的正方向流动时,继电器将作为主保护,相反则作为后备保护。继电器有2对不同的参数设置:TDSfw、Ipfw作为主保护参数,TDSrv、Iprv作为后备保护参数。图3为含6个双向配置方向过流继电器的三母线系统实例,该方案下的保护配置方式见表1。例如,当故障出现在点A时,R3将作为R1的后备保护,R4将作为R2的后备保护。同样,对于相同的故障定位,当R1启动正向动作保护时,R3将启动反向动作保护。

2 反时限后备保护优化整定策略

2.1 基于双向配置方向过流继电器的整定配合方案

前文已指出现阶段应用定时限保护的环网整定策略存在的一些问题,而反时限保护的应用在很大程度上解决了定时限保护的不足,加之双向配置方向过流继电器是依据反时限特性设计制造,因此在研究反时限后备保护优化整定策略时其理当为首选。

过流继电器的动作时间与其短路电流呈反比例函数关系,如式(2)所示。

其中,i表示继电器标识符;j表示故障位置标识符;常数参数A和B通常随着过流继电器类型的变化有不同取值,本文将A设置为0.14,B设置为0.02;Iscij为流过继电器的故障电流;Ipi为启动电流。如第1节所述,每个双向配置方向过流继电器都有一对主、后备动作装置。最优目标是在满足所有保护配置原则下最小化继电保护装置的动作时间。目标函数可描述为式(3)。

其中,Ω为主、后备继电器的集合;N为继电器总数;M为所有馈线故障点总数;tfwij和trvkj分别为对于故障点j,继电器Ri的正向动作时间与继电器Rk的反向动作时间,其线性关系可分别描述为式(4)和式(5)。

其中,TfwDSi和TrvDSk分别为继电器Ri和Rk的正向时限整定值和反向时限整定值;Ipfwi和Iprvk分别为继电器Ri和Rk的正、反方向启动电流;由于故障点j的故障电流通过正向继电器Ri,因此被标识为Iscfwij,同理由于故障点j的故障电流通过反向继电器Rk,因此被标识为Iscrvkj。解决保护配置问题必须满足下式:

其中,dCTI为协调时间间隔(CTI),表示主继电器动作和备用继电器动作时间差最小值,为在任意故障下满足选择性要求,将在2.2节专门讨论。此外这些定值也要满足约束条件,可描述如下:

其中,Ipi_min和Ipi_max分别为继电器Ri启动电流的最小和最大值;TDSi_min和TDSi_max分别为继电器Ri的时限整定值的最小值和最大值。

保护配置需要优化的2个主要变量为2个方向的TDS和Ip,从式(4)和式(5)中可以看出,继电器的动作时间和启动电流之间是非线性关系。因此,优化模型可以被描述为一个非线性规划问题。

2.2 同种类型特性曲线在任意故障情况下满足选择性的保护判据

为避免发生保护间抢动,主、后备保护之间应留有一定的时间间隔。由于反时限过流保护的动作时间与短路电流呈非线性关系,在某种故障下主、后备保护有正确的配合关系并不能保证在任意故障情况下满足选择性。如图4所示,保护R1是保护R2的后备保护,在近端故障时,短路电流较大,两保护动作关系正确;但随着故障位置逐渐远离电源点,短路电流逐渐减小,保护R1的动作时间比R2的动作时间增加得更慢,保护间失去选择性。当保护满足任意故障下的选择性时,则动作特性曲线不存在交点。

其中,Δt为主、后备保护动作时间差;t1为后备保护R1的动作时间;t2为主保护R2的动作时间。

保护系统中,主、后备保护往往采用相同类型的反时限特性曲线,即特性曲线常数A和B取值相同。将式(1)代入式(9),则满足式(9)等价于满足:

式(10)为一元一次函数,当斜率k<0时,在故障电流数值很大的情况下,y<0,不能满足选择性要求,因此必须满足k>0。

记Ip_max=max{Ip1,Ip2},当Ip_max可以令y>0时,能保证在任意故障电流下都满足式(10),将Ip_max=Ip1、Ip_max=Ip2分别代入式(10)得到在整个保护范围内都满足式(10)的参数关系为:

在式(11)的约束下有,主、后备保护动作时间之差随故障电流的减小而单调递增。

因此,主、后备保护采用同种动作特性时,只要在最严重预想事故下满足选择性要求,式(11)就可作为保护在任意故障情况下满足选择性的参数约束条件,如图5所示。

3 算例验证

采用双向配置方向过流继电器的反时限保护方案进行IEEE 30节点部分系统仿真实验,如图6所示。

图6所示系统有3个132 k V/33 k V、总容量为50 MV·A的变电站,链接母线2、8和12。变电站33 k V侧装配了28个方向型过流继电器,每个分布式电源按额定5 MV·A工作且功率因数全部统一。分布式电源机组进线系统通过一个480 k V/33 k V的升压变压器,其暂态电抗为5%,节点设置在所有线路的中点位置(F15—F30),便于进行三相短路分析。

通过MATLAB对继电器参数实现整定计算,本文摘取部分节点的整定结果。表2、表3分别为传统和新方案下的继电器参数设置,表中电流均为标幺值。通过数据对比发现,新型继电器的参数整定发生很大变化,明显可看出摆脱了传统继电器的一套保护既充当主保护又充当备用保护的特点,且备用保护和主保护之间有一定时间间隔,避免了保护发生误动。这是因为传统方案里R1只配备了1套保护,它既要满足作为主继电器的约束条件,同时也要满足作为R14的备用继电器的约束条件,需要指出的是,同样是R1,当其配备了2套保护时,不论作为主继电器还是备用继电器,它都有其对应的保护,从而能更有效地发挥其性能。

从图7可以很直观地看出,利用双向配置方向过流继电器保护的动作时间明显优于传统保护方案,尤其当故障发生在点F20—F24时,保护的动作时间平均缩减50%以上,这与就近选取备用保护密切相关。例如,当点F18故障时,主继电器R10和R16分别动作,如果R10拒动,则它的备用继电器R9和R11(在传统方案中R6和R22是其备用继电器)分别动作,R17作为R16的备用继电器动作(当R16拒动时)。通过图7中F18的柱状图可以看出,应用新保护方案可以更迅速地切除故障。相比传统保护配置方案,新方案中备用继电器不再跨越整条线路,这无疑缩减了故障电流的传播时间。新方案的仿真结果展示出绝对的优越性。通过计算,在F15—F25分别发生故障时,传统保护中继电器总的动作时间为46.933 6 s,而应用了双向配置方向过流继电器后,动作总时间为25.046 1 s,双向配置方向过流继电器可以实现更快的故障隔离。

4 结论