单侧电源网络相间短路的三段式电流保护研究

引言

电流保护一般分为三段:第一段保护为电流速断保护;第二段为限时电流速断保护;第三段为定时限过电流保护,也称为过电流保护。这三段电流保护可以确保电力系统的安全运行。

1电流速断保护

电流速断保护是当线路发生故障时短路电流就会迅速增大,能够无时限进行动作的电流保护。如图1所示,举例说明电流速断保护是如何进行整定的。

假设A一B段发生故障,希望保护1可以迅速动作,并且不会使得B一C段在k2点发生故障时保护1发生动作,而由B一C段的保护2发生动作,那就要求保护1的整定值大于k2短路时的最大短路电流值,即大于在最大运行方式下变电所B母线上三相短路时的电流Ik.B.max。因此,电流速断保护的整定原则是按躲过某段线路末端出口处最大短路电流值进行整定,即:

式中,Eφ为系统等效电源的相电动势;Zs.min为保护安装处到系统等效电源之间的最小阻抗;ZA一B为短路点到保护安装处之间的阻抗;IEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(et.1为整定值。

动作电流为:

这里KEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(l是一个可靠系数,其值大约在1.2~1.3,引入这个可靠系数的原因是考虑非周期分量的影响,实际的短路电流可能大于计算值以及留有一定的裕度。因此,在设定整定值时无法做到保护线路的全长,在实际的生产中要求该保护的最小保护范围必须是大于线路全长的15%~20%。最小保护范围是对于系统处于最小运行方式下,线路的末端发生的短路类型是两相短路而言的,即保护的最小范围计算式为:

式中,Lmin为电流速断保护的最小保护范围长度;:1为线路单位长度的正序阻抗。

电流速断保护的优缺点:电流速断保护只需要设定一个整定值大于该线路末端最大的短路电流值即可,因此它的结构是比较简单的。除此以外,由于发生故障的时候该装置几乎没有任何时限,所以能够快速切除故障。但同时该保护最大的缺点就是不能够保护线路的全长,需要牺牲保护范围,所以如果一个线路过于短,那就不能够采用这种保护装置。

2限时电流速断保护

由于第I段保护,即电流速断保护无法保护本线路的全长,因此对于剩余没有被保护的线路,需要另外加装一套保护装置,这套装置可以保护线路的全长。但由上面电流速断保护可知,想要保护线路全长,又同时在下一级线路短路时该线路保护装置不动作,这两个是矛盾的。因此通过加一段带时限的保护装置就可以解决这个问题,从而产生了限时电流速断保护。

仍然以图1为例进行说明,当A一B段发生故障时,首先保护1的电流速断保护动作满足快速性要求,而对于A一B段剩下没有被保护到的区域,就选用限时电流速断保护这套装置。想要保护到A一B线路的全长,那使得保护范围要延伸到B一C线路当中。如果B一C段的k2发生了故障,应该由B一C段的电流速断保护动作,不能让A一B的限时电流速断保护动作,这就要求A一B段限时电流保护的范围不能超过B一C段的速断保护范围,并且A一B段的动作时间要比B一C段的高一个时间段即A1,这样就不会使得两个保护发生碰撞了。因此,限时电流速断保护的整定原则是与下一级线路配合段相配合的进行整定,即:

电流的整定:IEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(.1=KEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(lIsEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(t.2

动作时限的选择:1EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(I=1EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(+A1

式中,I为A一B段上保护1的II段保护,即限时电流速断保护整定值;IEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(t.2为B一C段上保护2的I段保护,即电流速断保护整定值;KEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(1为可靠性配合系数,一般取值为1.1~1.2;1EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(I为A一B段上限时速断的时限;1EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(为B一C段上电流速断的动作时限;A1为时间阶梯数值,一般在0.3~0.5,工程上一般取0.5s。

灵敏度校验:由于该保护是要能够保护本线路的全长,所以在进行校验时,是以系统的机组只打开能够刚好达到用电需求的数量,也就是系统在最小方式下运行。此外本线路的末端发生的短路类型是通过两相短路来进行校验的,采用灵敏度系数Ksen来进行衡量,即:

一般要求Ksen≥1.3~1.5。

限时电流速断保护的优缺点:其优点是可以保护本线路的全长,并且有着较高的灵敏度;其缺点是带有0.5s左右的延时,速动性比较差。

3定时限过电流保护

一个电路发生故障时的保护装置,除了在发生故障的线路上有主保护外,还需要有后备保护,前面两种保护装置就是故障线路的主保护,而线路的后备保护就由定时限过电流保护来承担,即作为发生故障的线路的近后备保护,又作为故障线路相邻的下级线路的远后备保护,并且保护动作的时间是恒定的,不会随着短路电流的大小而变化。因此,定时限过电流保护实际的作用是一种后备保护,只有在各个线路上的主保护都发生故障时候才会动作,否则不会动作,这就要求启动电流必须大于线路的最大负荷电流IL.max。另外当外面线路上所发生的故障被解决时,要重新恢复电压,这就要求在自启动电流条件下,保护装置还可以重新返回工作,其返回电流应大于负荷自启动电流,即:

式中,Ie为保护装置的返回电流:KEQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(EQ \* jc3 \* hps10 \o\al(\s\up 3(为可靠系数,一般为1.15~1.25:Kss为自启动系数,数值大于1。

保护装置的工作与切除故障后的重新返回工作是通过电流继电器来实现的,所以从继电器启动与返回之间的关系就可以得到保护装置的关系,从而得到电流的整定值,即:

式中,Kre为电流继电器的返回系数,一般采用0.85~0.95。

定时限过电流保护的整定原则为躲过本线路中最大负荷电流。

动作时限的整定是按照一级比一级高一个时间差的原则来整定的,就像阶梯一样,离电源近的保护动作时间应比相邻的离电源较远的动作保护时间长一个时间差At,即

其灵敏度校验:

定时限过电流保护虽然主要是作为后备保护来使用的,不过有时候也可以作为线路的主保护来使用,这个时候就要采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流校验,一般要求Ksen≥1.3~1.5:当作为相邻线路的后备保护时,采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流来进行校验,此时要求Ksen≥1.2。另外,在实际中要求保护之间的灵敏度是相互配合的,简单来说就是离故障点越近,要求保护的灵敏度越高,这也是出于快速切除故障来考虑的。

定时限过电流保护优缺点:其优点是动作电流小,灵敏度更高,保护范围可以达到本线路和相邻线路的全长:其缺点就是动作时限太长。因此又引出了一种反时限过电流保护,这里就不介绍了。

4结语

本文主要介绍了三段式电流保护各自的工作原理、整定原则、灵敏度校验的方法以及各自的优缺点。简单来讲,电流速断保护动作快,但保护范围不能达到全长:限时电流保护可以保护本线路的全长,但由于其只与下一级线路的速断保护范围进行配合,所以无法作为下一段线路的后备保护:定时限过电流保护可保护本线路以及相邻线路的全长,但动作时限过长,且通常只作为后备保护来使用。