淺談反時限保護的適用范圍及整定方案

1、淺談反時限保護的適用范圍及整定方案摘要：白銀電網負荷大部分是工業(yè)和電力提灌負荷，因此網內存在著大量的大型高壓電動機。相當一部分配網線路的定時限過流保護定值須躲電機啟動電流，導致過電流定值很大，甚至有超限時速斷電流定值的情況，而此時低電壓及負序電壓對線末沒有靈敏度。電網的快速發(fā)展，使保護配合的級數增加，部分配網及用戶變電所時間級差已非常緊張。因此，尋找能很好躲電機啟動電流及緩解時間級差的保護類型顯得尤為迫切，而反時限保護能很好的躲電機啟動電流只要選擇適當的曲線類型和時間常數；同時其動作時限與故障電流的大小成反比，上下級保護之間只需一個時間級差配合，緩解時間級差效果明顯。1、 定時限過流保護陷入窘

2、境的幾個案例1 王峴水泥廠117水泥磨線過電流保護保護型號：pmc-651f 裝置版本號：v1.60.001、 參數計算1）電纜yjv-3120/10，r=0.158/ x=0.0755/ z=0.1751/ z*=0.15882）短路電流： 2、保護主要功能：1）瞬時電流速斷；2）復壓（方向）限時電流速斷；3）復壓（方向）定限時限過流；4）相電流加速；5）反時限過流；6）過負荷保護；7）零序過流；8）重合閘；9）低周、低壓減載；10）絕緣監(jiān)視；11）tv斷線、控制回路斷線監(jiān)視；12）檢同期功能。3、過電流保護整定 ct：300/5 pt：1001）yjv22-3120電纜最大允許載流量：32

3、3a；一次值：300a；2）負荷電流：配電變壓器，246.2=92.4a；2800kw電機，190a；560kw電機， 238=76a；最大繞線式電機啟動電流（軟啟動）iqd=2ie=2190=380a；ifhmax=92.4+76+380=548.4a。（1）按定時限躲電機啟動電流整定： 與主變過流（4.85a 800/5 0.7s）配合， 取12.9a 0.4sk2點靈敏度：klm= 不滿足（2）加復合電壓：ifhmax=92.4+76+190=358.4a。 取8.4a 0.4s （ii、iii段時限停用）k2點靈敏度：klm= 滿足低電壓：65v； 負序電壓：7v。復壓靈敏度：k2點故

4、障u大= ，u小= 低電壓不滿足u2大= ，u2小= 負序電壓在系統大方式，1、2#變分裂運行時沒有靈敏度，故負序電壓也不滿足。結論1：由以上計算可以得出結論，定時限過電流保護對117水泥磨線不能兼顧保護相鄰設備和有效躲過電機啟動電流的功能，相鄰上級斷路器不能有效切除1、2#動力變上的故障，加之時限上已沒有配合裕度，因此定時限過流保護實現不了保護任務。 （3）若按反時限整定： （取曲線c3，極端反時限：）根據綠皮書396頁資料，繞線式電機啟動電流持續(xù)時間在1015s，當最大電機按2倍的啟動電流啟動（即m=548.4505.98=1.084）時，保護動作時間不小于15s。于是： 取最小值 當k1

5、點小方式兩相短路故障，會先于ii段動作。當k2點小方式兩相短路故障，此運行方式下后備保護切除故障時間較長，為安全起見，動力變可配置定值對低壓側故障有靈敏度的電流速斷保護。當k2點大方式三相短路故障，結論2：反時限保護實現了對1、2#動力變的遠后備保護功能，實現了有選擇切除故障設備，而不影響對非故障設備正常供電的目的。過電流保護選反時限是適宜且有效的。中堡變611獨石頭線1、參數計算1）導線排列方式 ：三角排列，幾何均距 d=，查表取d=1.1。2）各型號導線的參數如下：lgj-120：，； lgj-95：，； lgj-70： ，； lgj-50：，；lgj-35： ，； 3）負荷中的高壓電機：

6、2260kw2440kw2360kw，cos=0.85；配變：3180kva。阻抗圖短路電流： 2、保護計算：保護裝置：xrl-261 版本號：v2.2 ct：1003005 取30051）電流段按線末故障確定：2）電流段 最大負荷電流統計：按裝見，配變：ie=306a；電機：ie=29.4249.8240.8=199.2a。裝見最大負荷電流：440kw電機啟動電流：iqd=5 ie=549.8=249a。考慮電機啟動最大負荷電流：（） 躲電機啟動最大負荷電流： 靈敏度校驗：；。對小坪三級、獨石頭四級、河靖六級及線末均無靈敏度。 采用電壓閉鎖過電流保護： 低電壓原件：；可見此時電壓元件在線末故

7、障時沒有靈敏度，電壓元件不可用。此時，定時限過電流保護已不能實現保護全線的功能。若改用反時限保護： 根據綠皮書396頁資料，鼠籠型電機啟動電流持續(xù)時間在1015s，當最大電機按6倍的啟動電流啟動（即m=754.4713.2=1.057）時，保護動作時間不小于15s。要滿足時限要求，須取曲線c3，極端反時限：。于是： 取最小值 當k1點小方式兩相短路故障，；當k2點小方式兩相短路故障，；當k3點小方式兩相短路故障，；當k4點小方式兩相短路故障，；此運行方式下后備保護切除故障時間較長，為實現保護的有效性，主線后段、小坪三級、獨石四級、河靖六級的部分小截面導線應更換為適當大截面導線。如果小坪三級lj

8、-50導線更換為lgj-120導線，可用。如果主線49#桿以后導線更換為lgj-120導線，時限仍顯過長。此時應在線末故障有規(guī)定靈敏度處加裝柱上開關，即：，阻抗：91600.866/13532.1473=3.7156，由阻抗圖可知在主線48#桿處加裝柱上開關。此處：，故柱上開關可配置定時限過電流保護，定值按躲電機啟動電流整定，時限取1s。以上2個案例充分說明了定時限過電流保護在配網線路中，特別是帶高壓電機的配網線路中往往沒有保護能力且逐級配合時間級差較多。再加上定時限保護的保護范圍不確定, 受到電網運行方式的嚴重影響, 即受到電源阻抗、線路阻抗和故障阻抗的影響。對于零序定時限電流保護, 如果定

9、值考慮了高接地電阻而實際接地過渡電阻較小, 則保護可以延伸出被保護線路很長范圍。配置新的保護類型已勢在必行。相對來說,反時限保護配置簡單、經濟，能很好的躲電機啟動電流，其本身所具有的自適應性和受運行方式影響小的優(yōu)點得以體現；故我們建議在有大功率電機的配網線路和用戶設備加裝反時限電流保護，以簡化定值配合和減少配合級差，提高保護效能。目前白銀網內的一些用戶保護也采用反時限保護作為設備保護方式。因此, 反時限電流保護的相關整定配合是一個值得進一步研究探討的問題。2、 我國配電系統的保護配置情況我國中低壓配電線路，大多采用三段式過電流保護，且主要以定時限保護為主,為保證其選擇性，逐段提高保護動作時限，

10、可能造成電源端后備保護動作時間較長，保護切除故障時間增長，造成不必要的損失。國外目前很多采用反時限過流保護，其優(yōu)點就是在靠近電源側輸電線路故障時，就后備保護而言，動作時間較三段過流保護明顯縮短。在國內，由于傳統的感應型反時限保護與定時限之間難以配合,從而限制了它的應用。近年來隨著數字保護技術的成熟, ieee 和iec 建立了反時限過流繼電器動作特性標準，反時限過流保護在我國電力設備和低壓配網中也逐步得到應用。電力行業(yè)也制定了反時限保護的相關規(guī)程:dl/t 823-2002 微機型反時限電流保護通用技術條件，為反時限保護的應用提供了技術標準和運行管理依據，為其推廣奠定了基礎。3、 反時限保護的

11、發(fā)展及應用范圍世界各國在發(fā)展配電系統微機保護時, 都大力發(fā)展反時限過電流保護,美國ge、abb 和bbc三家公司研制和生產的配電系統微機保護裝置提供多達4-8種時間過電流保護特性供選擇, 除定時限過電流保護外, 其余3-7種均為各種反時限保護特性, 供不同場合選用。近幾年, 我國不少廠商也開發(fā)和生產了各種配電系統微機保護裝置, 其時間過電流保護除深圳、南京自動化研究所的產品具有一種反時限過電流保護外,其它產品一般只有定時限過電流保護功能，這也是我國在微機保護領域與世界水平的差距。在電力系統領域中反時限特性繼電器的使用已有50多年的歷史，從感應型繼電器一直到后續(xù)的固態(tài)繼電器、微機型繼電器，其優(yōu)點

12、就是根據過流(過壓、過勵磁等)的程度來決定故障切除時間，故障越嚴重切除時間越短，它可以和相鄰設備的保護進行配合來保證動作的選擇性。與定時限繼電器相比，反時限特性繼電器一是在需要和相鄰設備配合時級差較小，靈敏性好，另一個是反時限特性更適應設備的自身特性要求，如設備的過勵磁特性、溫度特性等，為設備提供快速保護。反時限保護不單只用在發(fā)電廠的廠用電動機，還廣泛應用在用戶側的電動機保護、電抗器保護、配變、電爐變、整流變以及用戶開關站的配電線路保護。4、 反時限保護整定方案1、 反時限保護曲線類型介紹 1）現有的反時限特性曲線的數學模型 目前，國內外常用的反時限保護的通用數學模型的基本形式為： （4-1）

13、 式中，i故障電流； ip保護啟動電流； r常數，取值通常在02之間（也有大于2的情況）； k常數，其量綱為時間。 上式表明，動作時間t是輸入電流i的函數。 當 則 表明保護不動作。 當 則 表明保護不動作。 當 則 表明保護將動作。i越大，保護動作時間t越小。按照iec255-03標準：1 r1時，稱為一般反時限(fsxtx=l.0)特性： （4-2） 其中，上式稱為標準反時限特性。 tp為反時限過流保護時間常數整定值。2 r=1時，稱為大反時限（甚反時限）(fsxtx=2.0)特性： （4-3） 其中，上式稱為非常反時限特性。 3 1r=2時，稱為超反時限(fsxtx=3.0)特性： （4

14、-4）其中，上式稱為超反時限特性。國內廠家說明書一般稱為“極端反時限”特性。此外，南自廠還提供長反時限特性曲線： （4-5）2）按照ieee std c37.112-1996 規(guī)定的標準方程: （46） （47） t : 跳閘時間(s) m: 起動電流的倍數 tds : 時限整定值 p : m的指數常數，可仿真不同的特性曲線.上述(46), (47)式，通過參數的合理選取可用來實現與co, iac系列繼電器對應的一般反時限、非常反時限、極端反時限特性的微機繼電器。該標準反時限曲線在國內應用很少，故下面不再做討論。3）電動機熱過載保護： a）冷態(tài)特性 （48） b）熱態(tài)特性 （49）式中t 動作

15、時間 時間常數， 反映電動機的過負荷能力ib 基準電流， 即保護不動作所要求的規(guī)定電流極限值k 常數 i 繼電器電流 ip 過負荷前的負載電流4)零序電流反時限特性 （4-10）式中:c 反時限特性常數， 一般反時限，c =0.02， 非常反時限，c 二1， 極度反時限， c=2;k 反時限常數;iob一 零序電流反時限啟動定值;i 動作電流。5）反時限參數的取值范圍a) 反時限下限啟動電流定值范圍:0.01in2in。b) 反時限常數定值范圍:1100。c) 反時限上限電流定值范圍:0.1in20in。d) 反時限上限時間定值范圍:0.1s-l0s。e) 電流定值誤差: 2.5%或0.02i

16、n。f) 定時限時間誤差: 2.5%或40ms， 6）反時限時間誤差滿足以下兩條件之一:a) 時間誤差: 5% (1i /80ib) 或40ms, i 為動作電流值，ib為基準電流。b) 動作電流i 與計算電流ic 誤差: 2.5%或0.02in, ic 由動作時間經反時限公式計算值。2、 反時限特性介紹：反時限過電流保護在原理上和很多負載的故障特性相接近，因此保護特性更為優(yōu)越。反時限電流保護在國外應用較為廣泛，尤其在英、美國家應用更為廣泛。實際上，許多工業(yè)用戶要求保護為反時限特性，而且對于不同的用戶（負荷），所需的反時限特性并不相同。其特性在前面的論述中已做了較詳盡的論述，這里再做一總結。對

17、于不同的r值，代表不同的應用場合，與不同的被保護設備特性相對應。例如：r1，常用于被保護線路首末端短路故障電流變化較大的場合。r2，常用于反映過熱狀況的保護。（電動機、發(fā)電機轉子、變壓器、電纜、架空線等）（因為發(fā)熱與電流的平方成正比）這兩種是國內最常用的兩種反時限特性曲線。3、 啟動定值：反時限過流保護裝置的起動電流按照定時限過流保護的起動電流整定方法整定(見式4-8)，同時為了保證各個保護之間動作的選擇性，其動作時限也應按照階梯型的原則來確定。但是由于保護裝置的動作時間與電流有關，因此其時限特性的整定和配合要比定時限保護復雜。 （4-11）其中： ，可靠系數；，自啟動系數； ，返回系數；4、

18、 反時限保護的定值整定與配合關系：假設圖 4-1 中在每條線路始端（d1,d2,d3,d4）短路時的最大短路電流分別為id1max、id2max、id3max和id4max，則在此電流的作用下，各線路自身的保護裝置的動作時限均為最小，為了在各線路保護裝置之間保證動作的選擇性，各保護可按下列步驟進行整定。首先從距離電源最遠的保護 1 開始，其起動電流按式（4-11）整定為idz1，當d1點短路時，在id1max的作用下，保護1可整定為瞬時動作，其動作時限即為繼電器的固有動作時間tb，這樣保護 1 的時限特性曲線即可根據以上兩個條件確定，使之通過a1和b兩點，如圖 4-1（c） 中的曲線。此特性曲

19、線的選擇，可根據繼電器制造廠提供的曲線組或通過實驗進行。接下來整定保護 2，其起動電流如保護1整定為idz2，根據a2點坐標可確定特性曲線的一個點。d1點短路時，為保證選擇性，必須選擇當電流為id1max時，保護2的動作時限比保護1高出一個時間級差t，即tc=tb+t，保護2的時限特性曲線應通過c點。根據a2、c兩點就可以確定保護 2 的時限特性曲線，如圖 4-1（c）中曲線 即為保護2的特性曲線。這樣選擇后當被保護線路始端d2點短路時，在短路電流id2max的作用下，其動作時間為td，小于tc，因此能較快地切除近處的故障?？朔硕〞r限保護越靠近電源點動作時限越大，不能快速切除靠近電源點故障的

20、缺點。對于保護 3，則仍按以上的原則進行，依式（4-11）算出起動電流idz3，得特性曲線a3點，當d2點短路時與保護2配合，選取電流為id2max時動作時間te=td+t，確定了特性曲線e點，得到如圖 4-1（c）中曲線即為保護3的特性曲線。根據該曲線，當被保護線路始端d3點短路時，其動作時間tf，小于te。同理可整定保護4，得出圖4-1（c）中曲線即為保護4的特性曲線。對于安裝在發(fā)電機上的保護5，一般采用定時限特性作為后備保護,動作時間整定為t5。如圖4-1（c）所示,明顯可以看出當不同地點短路時,各保護裝置的動作時間,在保護范圍內任何地點短路時,都可以保證各保護之間的動作選擇性。5、 最

21、小時間間隔t 問題為確保選擇性，主后備保護的動作時間必須有t的時間間隔，如圖4-2保護整定配合時間級差圖所示：t可根據繼電保護規(guī)程確定，但如果 t確定為定值，在進行協調整定的過程中常常出現整定無結果或得不到可行解的情況，因此，為避免此情況，將t變量化，使t作為變量參與運算，并且有多少對主后備保護就有多少個t變量，在計算模型中加入 t的限制條件：tminttmax （412）6、 啟動電流 idz的選取問題為了保證選擇性，下一級保護的靈敏度一般大于上一級保護的靈敏度，隨著短路點遠離電源點，短路電流減小，會出現流過后備保護的短路電流小于啟動電流的情況,而使得計算模型中得不到正確限制條件的個數，因此

22、易得出錯誤的結果。對于此問題可以使啟動電流 idz 也作為變量，并加入式（412）所示限制條件，這時模型就變成了以tds 和 idz 為變量的非線性方程，所以要采用非線性算法對其求解，現代計算機技術發(fā)達，是可以實現的。idz min idz idz max （413）7、 反時限保護整定實例以圖4-3配網接線圖及其參數為例進行反時限保護整定計算，在3514過紅線、紅堡變1#、2#主變及613腰井線配置微機型反時限過流保護。則根據第6條的整定計算方案計算各保護裝置定值。1） 短路電流計算：表4-1：各點短路電流計算結果首端k1點k2點k3點大方式2849a1839a1002a（691a）722a

23、小方式1447a1094a507a379a注：括弧內為單臺主變運行時大方式短路電流。2） 定值計算：如前所述整定方案，應先從距離電源點最遠的613腰井線開始整定。613腰井線的啟動值按lgj-70導線的最大允許載流量265a（轉換到35kv電壓等級下：2656.337=45a）確定：。對于613始端k2點在大方式下三相短路故障時，故障應快速切除。即tp=0.05時三種類型曲線切除故障時間如表4-2所示。表4-2：大方式下k2點三相短路時各曲線動作時間（s）m值一般反時限非常反時限極端反時限15.70.12360.0460.016由表4-2可以看出反時限保護應選曲線c，即極端反時限保護。整定結果

24、：idz=64a，fsxtx=3.0，tp=0.05。進行校核，結果如表4-3所示。表4-3： 613腰井線各種短路故障下保護動作時間（s）校核m值動作時限t（s）k1點小方式兩相短路7.90.065k2點大方式三相短路11.280.032k2點小方式兩相短路5.90.118從表4-3可以看出，采用反時限保護后，終端配網全線實現了快速切除故障，有效緩解了主網時間級差緊張的難題。對于線路上的瞬時性故障，可通過重合閘進行糾正。接下來整定紅堡變1#、2#主變反時限定值：啟動電流，。為保證選擇性在k2點大方式下三相短路故障時，紅堡變1#、2#主變保護時限必須比613腰井線高出一個時間級差，即tk2=0

25、.016+0.3=0.316s，由以上條件可以求出各曲線時間常數tp及k1點大方式下三相短路時的動作時限，如表4-4、4-5所示：表4-4：大方式下k2點三相短路時各曲線時間常數（tp）m值 一般反時限非常反時限極端反時限8.60.010.180.29表4-5：大方式下k1點三相短路時各曲線動作時間（s）m值 一般反時限非常反時限極端反時限15.80.24670.16420.0933由表4-4、4-5可以看出，仍須選曲線c ,即極端反時限。整定結果：idz=116.5a，fsxtx=3.0，tp=0.29。進行校核，結果如表4-6所示。表4-6： 紅堡變1#、2#主變各種短路故障下保護動作時間

26、（s）校核m值動作時限t（s）k2點小方式兩相短路9.40.266k3點大方式三相短路5.90.686k3點小方式兩相短路4.41.264同理整定3514郭紅線反時限保護定值：。為保證選擇性在k1點大方式下三相短路故障時，紅堡變1#、2#主變保護時限必須比613腰井線高出一個時間級差，即tk2=0.0933+0.3=0.3933s，由以上條件可以求出各曲線時間常數tp及首端大方式下三相短路時的動作時限，如表4-7、4-8所示：表4-7：大方式下k1點三相短路時各曲線時間常數（tp）m值 一般反時限非常反時限極端反時限7.90.120.20.3表4-8：大方式下首端三相短路時各曲線動作時間（s）

27、m值 一般反時限非常反時限極端反時限12.20.32750.24110.1623由表4-7、4-8可以看出，還須選曲線c ,即極端反時限。整定結果：idz=233a，fsxtx=3.0，tp=0.3。進行校核，結果如表4-9所示。表4-9：3513郭紅線各種短路故障下保護動作時間（s）校核m值動作時限t（s）首端小方式兩相短路6.20.641k1點大方式三相短路7.90.391k1點小方式兩相短路4.71.1388、 感應型繼電器的定值整定：反時限保護整定原則與定時限保護相同，且整定項目少，老式的感應型gl反時限繼電器兼有啟動元件、時間元件、出口中間繼電器（觸點容量大）以及信號繼電器功能，接線非常簡單等諸多優(yōu)點。目前，在白銀電網中，用戶變電所內還大量采用gl型反時限繼電器。反時限過電流保護的動作時間，為保證選擇性，應按照階梯型時限特性確定；但由于其動作時限與電流大小有關，相鄰線路之間時限配合復雜，是其缺點。如圖4-4所示，假設被保護線路xl-1、xl-2的電源側分別裝設有反時限過電流保護1和2，其繼電器的啟動電流為，當線路xl-1的始端d1點發(fā)生短路時，短路電流是流過保護裝置2的最大穿越性短路電流，因此，選d1點作為動作時限的配合點。假定保護裝置1的動作時限特性已確定，如圖4-5中曲線所示，根據特性曲線和動作電流倍數k1=/可得到保護裝置1在d1點短路時的動作