相間短路的階段式電流保護

相間短路的階段式電流保護相間短路普通僅考慮兩相短路和三相短路的狀況。電力系統(tǒng)發(fā)生相間短路的重要特性是電流明顯增大，運用這一特點能夠構成反映電流增大的階段式電流保護。一、瞬時電流速斷保護1、瞬時電流速斷保護的工作原理從故障切除時間考慮，原則上繼電保護的動作時間越短越好，即在被保護元件或設備上裝設快速保護，瞬時電流速斷保護就是這樣的快速保護。下面用如圖3-1所示單電源線路，闡明瞬時電流速斷保護的工作原理。對于圖3-1所示單側有電源的輻射形電網(wǎng)，電流保護裝設在線路始端，當線路發(fā)生三相短路時，短路電流計算以下（3-3）式中——系統(tǒng)等效電源的相電動勢；——系統(tǒng)電源到保護安裝點的電抗；——短路電抗（保護安裝點到短路點的電抗。則Xs+Xk為系統(tǒng)電源至短路點之間的總電抗。顯然，當短路點距離保護安裝點越遠時，Xk越大，短路電流越??；當系統(tǒng)電抗越大時，短路電流越??；并且短路電流與短路類型有關，同一點。短路電流與短路點的關系如圖3-1的曲線，曲線1為最大運行方式（系統(tǒng)電抗為，短路時出現(xiàn)最大短路電流）下三相短路故障時的，曲線2為最小運行方式（系統(tǒng)電抗為，短路時出現(xiàn)最小短路電流）下兩相短路故障時的。瞬時電流速斷保護反映線路故障時電流增大動作，并且沒有動作延時，因此必須確保只有在被保護線路上發(fā)生短路時才動作，例如圖3-1的保護1必須只反映線路Ll上的短路，而對L1以外的短路故障均不應動作。這就是保護的選擇性規(guī)定，瞬時電流速斷保護是通過對動作電流的合理整定來確保選擇性的。2．整定計算普通把對繼電保護裝置動作值、動作時間的計算和敏捷度的校驗稱為繼電保護整定計算，將計算條件稱為整定原則。按照選擇性規(guī)定，圖3-1保護1的動作電流，應當不不大于線路L2始端短路時的最大短路電流。事實上，線路L2始端短路與線路L1末端短路時反映到保護l的短路電流幾乎沒有區(qū)別，因此，線路L1的瞬時電流速斷保護動作電流的整定原則為：躲過本線路末端短路的可能出現(xiàn)的最大短路電流，計算以下：（3-4）式中——線路L1的瞬時電流速斷保護一次動作電流；——瞬時電流速斷保護的可靠系數(shù)，考慮短路電流的計算誤差、測量誤差、短路電流非周期分量等因素對保護的影響，普通?。?.2～1.3；——系統(tǒng)最大運行方式下，在線路L1末端(母線)發(fā)生三相短路時流過保護1(即線路U)的短路電流。按照式(3-4)計算出保護l的動作電流與短路電流的關系如圖3-1所示，動作電流與短路電流曲線的交點擬定了保護能夠反映故障的范疇，即保護范疇?？梢姡捎诙搪冯娏髋c系統(tǒng)的運行方式—和短路類型有關，在系統(tǒng)運行方式變化或短路類型不同時，保護范疇隨之發(fā)生變化，因此有最小保護范疇Lmin和最大保護范疇Lmax瞬時電流速斷保護的敏捷度用最小保護范疇衡量。規(guī)程規(guī)定：瞬時電流速斷保護的最小保護范疇Lmin不不大于本線路全長的15％～20%。在某些特殊狀況下，瞬時電流速斷保護能夠保護線路的全長，即保護范疇能夠延伸到本線路以外。例如圖3-2所示，通過線路一變壓器組接線直接向負荷供電，不管故障發(fā)生在線路還是變壓器，都應當使斷路器QP跳閘，將線路和變壓器同時切除。因此，保護l瞬時電流速斷保護動作電流的整定原則，能夠按照躲過變壓器低壓側母線短路時，流過保護的最大短路電流整定，成果其保護范疇必然延伸到變壓器內(nèi)部，即能夠保護線路L的全長。3．原理接線圖電磁繼電器構成的瞬時電流速斷保護的原理接線如圖3-3所示。圖中電流繼電器KAl和KA2是保護的測量元件，保護范疇內(nèi)相間短路故障時動作，動合觸點閉合，起動中間繼電器KM，中間繼電器是保護的執(zhí)行元件(也稱為保護的出口繼電器)，動作后動合觸點閉合，經(jīng)信號繼電器KS線圈和斷路器QP的輔助觸點，使斷路器跳閘線圈YT帶電，斷路器QF跳閘切除故障，同時信號繼電器發(fā)出保護動作信號。圖中XB是保護出口連接片(或稱為壓板)，用于投入或退出保護時，接通或斷開保護的出口回路。圖中中間繼電器的作用有二，其一，增加觸點容量、接通斷路器的跳閘回路；其二，增大保護的固有動作時間，避免避雷器放電造成保護誤動。圖中斷路器QF的輔助觸點的狀態(tài)與斷路器QF主觸頭狀態(tài)相似。在保護動作斷路器QF跳閘后，輔助觸點打開，斷開跳閘回路，避免跳閘線圈YT長時間通電而燒壞；同時避免用中間繼電器KM觸點斷開跳閘回路，起到保護中間繼電器KM觸點的作用。瞬時電流速斷保護的重要優(yōu)點是動作快速、簡樸可靠，缺點是不能保護線路的全長，并且保護范疇受系統(tǒng)運行方式影響。在最小運行方式下，其保護范疇可能很小，嚴重時可能沒有保護區(qū)。二、限時電流速斷保護1．限時電流速斷保護的工作原理瞬時電流速斷保護的保護范疇不能達成線路的全長，在本線路末端附近發(fā)生短路時不會動作，因此需要增設另一套保護，用于反映本線路瞬時電流速斷保護范疇以外的故障，同時作為瞬時電流速斷保護的后備，這就是限時電流速斷保護。對限時電流速斷保護的規(guī)定是，其保護范疇在任何狀況下必須涉及本線路的全長，并含有規(guī)定的敏捷度；同時，在確保選擇性的前提下，動作時間最短。如圖3-4所示，闡明限時電流速斷保護的工作原理。以線路Ll的保護1為例，限時電流速斷保護的保護范疇需涉及本線路Ll的全長，則必然延伸到相鄰線路L2，但不應超出保護2的瞬時電流速斷保護的保護范疇，即>，顯然，保護1的限時電流速斷保護的保護范疇，與保護2的瞬時電流速斷保護的保護范疇出現(xiàn)重疊區(qū)。為了確保保護的選擇性，即在線路L2始端短路時，仍然由保護2動作使斷路器QF2跳閘，保護1的限時電流速斷保護必須增加動作延時，即>。2、整定計算（1）動作電流。線路L1的限時電流速斷保護動作電流的整定原則為：與相鄰線路瞬時電流速斷保護配合，計算以下：(3-5)式中——線路L1的限時電流速斷保護的一次動作電流；——限時電流速斷保護的可靠系數(shù)，考慮短路電流的計算誤差、測量誤差等因素對保護的影響，普通取=1.1~1.2；——相鄰線路L2瞬時電流速斷保護的一次動作電流。按照式（3-5）計算出保護1的限時電流速斷保護的動作電流、保護2的瞬時電流速斷保護的動作電流，關系如圖3-4所示。（2）動作時間。線路L1的限時電流速斷保護動作時間，應與線路L2的瞬時電流速斷保護動作時間配合，整定以下：（3-6）式中——線路L1的限時電流速沁保護的動作時間；——線路L2的瞬時電流速斷保護的動作時間；——時限級差。圖3-4可見，線路L2始端一定范疇內(nèi)發(fā)生故障時，短路電流同時不不大于和，能夠使保護1限時電流速斷保護起動、保護2瞬時電流速斷保護動作。而此時應由保護2的瞬時電流速斷保護動作，斷路器QP2跳閘，當其拒動時，才允許保護1的限時電流速斷保護動作。斷路器QF2跳閘后，保護1限時電流速斷保護應可靠返回。因此，時限級差A2具體應當涉及瞬時電流速斷保護固有動作時間、斷路器分閘時間、保護動作時間誤差等，再考慮一定的時間裕度，普通取△t=0.5s。與關系如圖3-4所示，普通＝0s，因此=△t＝0.5s。(3)敏捷度。限時電流速斷保護的保護范疇是本線路的全長，則敏捷度應當考慮系統(tǒng)的多個運行方式下，保護對全線路范疇內(nèi)多個故障的反映能力，選擇對保護動作最不利的狀況進行校驗。限時電流速斷保護的敏捷度校驗條件為，以本線路末端兩相短路時，流過保護的最小短路電流進行校驗。圖3-4保護l限時電流速斷保護的敏捷系數(shù)計算以下：(3-7)式中——限時電流速斷保護的敏捷系數(shù)，規(guī)程規(guī)定>1.3～1.5；——限時電流速斷保護的一次動作電流；——系統(tǒng)最小運行方式下，本線路末端母線(對保護1即B母線)兩相短路時，流過保護的短路電流。如果按式(3-7)校驗敏捷度不滿足規(guī)程規(guī)定，則限時電流速斷保護達不到保護線路全長的目的。由式(3-7)可知，減小保護的動作電流能夠提高敏捷度，因此普通解決敏捷度局限性的辦法是，限時電流速斷保護的動作電流及動作時間與相鄰線路的限時電流速斷保護配合，例如圖3-4中保護1具體整定以下：=（3-8）=+（3-9）式中——線路L1的限時電流速斷保護的一次動作電流；——限時電流速斷保護的可靠系數(shù)，普通取=1.1~1.2；——相鄰線路L2限時電流速斷保護的一次動作電流；——線路L1的限時電流速斷保護的動作時間；——線路L2的限時電流速斷保護的動作時間；——時限級差。顯然，按式（3-8）、式（3-9）整定，動作電流減少、敏捷度提高、保護范疇增加，但動作時間延長了。3、原理接線圈電磁繼電器構成的限時電流速斷保護的原理接線如圖3-5所示(與圖3-3相比較，相稱于用KT替代了KM)。圖中電流繼電器KAl和KA2是保護的測量元件，保護范疇內(nèi)相間短路故障時動作，動合觸點閉合起動時間繼電器KT，時間繼電器是保護的邏輯及執(zhí)行元件，起動后動合觸點延時閉合，經(jīng)信號繼電器KS線圈和斷路器QF的輔助觸點，使斷路器跳閘線圈YT帶電，斷路器QF跳閘切除故障，同時信號繼電器發(fā)出保護動作信號。顯然當電流繼電器KAl或KA2動作起動時間繼電器KT后，如果在其整定時間內(nèi)故障被其它保護動作切除，那么，在時間繼電器延時動合觸點閉合之前，電流繼電器KAl或KA2由于故障電流消失而返回，時間繼電器也隨之失去電源返回，則整套保護不會動作出口。這就是在相鄰線路始端發(fā)生故障的狀況。限時電流速斷保護的特點是能夠保護線路的全長，簡樸可靠，普通只有0.5s延時(有時為1s)，但保護范疇受系統(tǒng)運行方式影響。三、定時限過電流保護1．定時限過電流保護的工作原理綜合瞬時電流速斷保護和限時電流速斷保護的作用，能夠對全線路范疇內(nèi)的任何故障實現(xiàn)瞬時或較短延時地切除故障。為了避免由于繼電保護拒動或斷路器拒動無法切除故障的狀況，還需要裝設含有近后備和遠后備作用的后備保護，定時限過電流保護就是這樣的后備保護。如圖3-6所示，在保護1瞬時電流速斷保護和限時電流速斷保護拒動時，線路L1的定時限過電流保護作為本線路的近后備保護，動作于跳閘；同時作為線路12的遠后備保護，在保護2拒動或斷路器QF2拒動時動作。顯然，線路Ll的定時限過電流保護的保護范疇應當涉及線路L1和L2的全部，必然延伸到線路L3。保護范疇長，動作電流必然較小，但必須確保在系統(tǒng)正常運行最大負荷電流下不動作，而在L1或L2發(fā)生短路時保護起動，實現(xiàn)后備作用。2．整定計算(1)動作電流。定時限過電流保護的動作電流應滿足下列兩個條件：1)在系統(tǒng)正常運行時不動作，動作電流應當不不大于該線路的最大負荷電流，即>(3-10)2)外部故障切除后，應能夠可靠返回。例如圖3-6中，線路L2或L3上故障時，線路L1定時限過電流保護會起動，按照選擇性規(guī)定，應由線路L2或L3的保護動作，在2QF或3QF跳閘后，故障電流消失，線路L1定時限過電流保護應立刻返回。注意，此時需要考慮可能存在負荷中電動機自起動過程造成的負荷電流增大，因此應滿足關系>(3-11)式中——電動機的自起動系數(shù)，普通為1.5～3。綜合考慮式(3-10)和式(3-11)，定時限過電流保護的動作電流整定為(3-12)式中——定時限過電流保護的一次動作電流；——定時限過電流保護的可靠系數(shù)，普通取＝1.15～1.25；——電流繼電器的返回系數(shù)，普通取0.85；——流過被保護線路的最大負荷電流。擬定最大負荷電流，需要根據(jù)具體電網(wǎng)的實際狀況，考慮最嚴重狀況下，可能出現(xiàn)的最大負荷電流?？紤]到上、下級過電流保護敏捷度配合規(guī)定，圖3-6所示定時限過電流保護的動作電流，應滿足關系。(2)動作時間。如圖3-7的定時限過電流保護動作時間整定示意圖所示，當k1點發(fā)生故障時，保護1和保護2的定時限過電流繼電器同時起動，按照繼電保護選擇性規(guī)定，此時應當由保護2動作，使斷路器2QF跳閘，在保護2或斷路器2QP拒動時，才允許保護1動作，使斷路器lQP跳閘，即保護1和保護2定時限過電流保護的動作時間應當滿足關系。同理，當k2點發(fā)生故障時，應由保護3動作，使斷路器3QF跳閘，在保護3或斷路器3QF拒動時，才允許保護2動作，使斷路器2QF跳閘，即按照繼電保護選擇性規(guī)定，保護2和保護3定時限過電流保護的動作時間應當滿足關系。線路L1、L2和L3的定時限過電流保護動作時間整定以下：式中、、——分別為線路Ll、L2和L3的定時限過電流保護的動作時間；△t——時限級差。以上整定原則可見，定時限過電流保護越靠近電源處，動作時間越長：越靠近負荷端，動作時間越短；并且相鄰線路動作時間相差一種時限級差。普通將定時限過電流保護動作時間整定原則稱為階梯時限原則。顯然，定時限過電流保護是通過動作電流間的敏捷度配合、時限階梯特性確保動作選擇性的。實際中，電流保護的動作時限有定時限和反時限兩種實現(xiàn)辦法。以上電流保護的動作時間一經(jīng)整定，則不隨通入保護的電流變化，保護起動后按照預先整定值延時動作，因此稱為定時限過電流保護。如果電流保護的動作時間與通人保護的電流有關，保護起動后，當電流大時動作時間短，電流小時動作時間長，則稱為反時限電流保護。即定時限過電流保護的動作時限一經(jīng)整定則固定不再變化，而反時限過電流保護的動作時間則隨通入保護的電流呈反時限變化。(3)敏捷度。定時限過電流保護的敏捷度校驗需考慮近后備和遠后備兩種狀況，敏捷系數(shù)計算以下：(3-13)式中——定時限過電流保護的一次動作電流；——系統(tǒng)最小運行方式下，保護范疇末端兩相短路流過保護的短路電流，作為近后備保護，故障點為本線路末端母線短路，作為遠后備保護，故障點為最長相鄰線路末端母線短路；——定時限過電流保護的敏捷系數(shù)。規(guī)程規(guī)定：作為近后備保護，≥1.3～1.5；作為遠后備保護，≥1.2。如果敏捷系數(shù)不滿足規(guī)程規(guī)定，能夠考慮采用其它保護。3．原理接線圖由定時限過電流保護原理可知，保護的構成元件與限時電流速斷保護相似，因此接線圖與圖3-5相似。定時限過電流保護的重要優(yōu)點是敏捷度高，簡樸可靠，但由于按照階梯時限原則整定動作時限，動作時間長，特別是靠近電源端動作時間更長，因此普通作為后備保護。四、三段式電流保護如前所述，瞬時電流速斷保護無動作延時，通過動作電流的整定確保選擇性，只能保護本線路始端一部分；限時電流速斷保護帶有短延時(普通為0.5s)，通過動作電流的整定和短延時確保選擇性，能夠保護本線路的全長；定時限過電流保護帶有較長的延時，通過動作電流間的敏捷度配合、動作時限的配合確保選擇性，能夠保護本線路的全長和相鄰線路的全長。普通，將瞬時電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護組合在一起，構成三段式電流保護。瞬時電流速斷保護稱為工段保護，或電流保護I段；限時電流速斷保護稱為Ⅱ段保護，或電流保護Ⅱ段；定時限過電流保護稱為Ⅲ段保護，或電流保護Ⅲ段。其中，電流保護工段和電流保護Ⅱ段構成線路的主保護，電流保護Ⅲ段作為本線路的近后備保護和相鄰線路的遠后備保護。三段式電流保護的原理邏輯框圖如圖3-8所示。用于反映相間故障的電流保護普通能夠有選擇地接人兩相電流，普通接入A相和C相電流，則任何相間短路最少有一相的電流元件能夠反映。但需要注意，在同一電壓等級中，兩相電流應取自同名相。圖3-8中I、Ⅱ、Ⅲ分別為電流保護I段、Ⅱ段、Ⅲ段的電流測量元件(能夠采用電流繼電器)，T1、T2分別為電流保護Ⅱ段、Ⅲ段的時間元件(能夠采用時間繼電器)。圖中Hl、H2、H3、H4是或門。在工程應用中，三段式電流保護不一定三段全部投入。例如，當系統(tǒng)運行方式變化很大，I段保護范疇太小或沒有保護區(qū)時，則不投入I段；對于線路一變壓器接線，工段能夠保護線路全長時，則能夠不投入Ⅱ段；在末端線路，可能Ⅱ段和Ⅲ段的動作時間相似，則也能夠不投入Ⅱ段。五、方向電流保護上述三段式電流保護的選擇性是通過動作電流、動作時間整定