小议10KV供电系统继电保护

2022-09-11

1 10kV供电系统在电力系统中的重要位置

电力系统是由发电、变电、输电、配电和用电等五个环节组成的。在电力系统中, 各种类型的、大量的电气设备通过电气线路紧密地联结在一起。由于其覆盖的地域极其辽阔、运行环境极其复杂以及各种人为因素的影响, 电气故障的发生是不可避免的。由于电力系统的特殊性, 上述五个环节应是环环相扣、时时平衡、缺一不可, 又几乎是在同一时间内完成的。在电力系统中的任何一处发生事故, 都有可能对电力系统的运行产生重大影响。例如, 当系统中的某工矿企业的设备发生短路事故时, 由于短路电流的热效应和电动力效应, 往往造成电气设备或电气线路的致命损坏, 还有可能严重到使系统的稳定运行遭到破坏;当10kV不接地系统中的某处发生一相接地时, 就会造成接地相的电压降低, 其他两相的电压升高, 常此运行就可能使系统中的绝缘遭受损坏, 也有进一步发展为事故的可能。

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 继电保护的基本原理

2.1 电力系统故障的特点

电力系统中的故障种类很多, 但最为常见、危害最大的应属各种类型的短路事故。一旦出现短路故障, 就会伴随其产生三大特点, 即:电流将急剧增大、电压将急剧下降、电压与电流之间的相位角发生变化。

2.2 继电保护的类型

在电力系统中以上述物理量的变化为基础, 利用正常运行和故障时各物理量的差别就可以构成各种不同原理和类型的继电保护装置。如:反映电流变化的电流保护, 有定时限过电流保护、反时限过电流保护、电流速断保护、过负荷保护和零序电流保护等;反映电压变化的电压保护, 有过电压保护和低电压保护;既反映电流的变化又反映电压与电流之间相位角变化的方向过电流保护;反映电压与电流之间比值, 也就是反映短路点到保护安装处阻抗的距离保护;反映输入电流与输出电流之差的差动保护, 其中又分为横联差动和纵联差动保护;用于反映系统中频率变化的周波保护;专门用于反映变压器内部故障的气体保护 (即瓦斯保护) , 其中又分为轻瓦斯和重瓦斯保护;专门用于反映变压器温度变化的温度保护等。另外, 10kV系统中一般可在进线处装设电流保护;在配电变压器的高压侧装设电流保护、温度保护 (油浸变压器根据其容量大小尚应考虑装设气体保护) ;高压母线分段处应根据具体情况装设电流保护等。

3 几种常用电流保护的分析

3.1 反时限过电流保护

继电保护的动作时间与短路电流的大小有关, 短路电流越大, 动作时间越短;短路电流越小, 动作时间越长, 这种保护就叫做反时限过电流保护。

(1) 继电器的构成。

反时限过电流保护是由GL-15 (25) 感应型继电器构成的。这种保护方式广泛应用于一般工矿企业中, 感应型继电器兼有电磁式电流继电器 (作为起动元件) 、电磁式时间继电器 (作为时限元件) 、电磁式信号继电器 (作为信号元件) 和电磁式中间继电器 (作为出口元件) 的功能, 用以实现反时限过电流保护;另外, 它还有电磁速断元件的功能, 又能同时实现电流速断保护。采用这种继电器, 就可以采用交流操作, 无须装设直流屏等设备;通过一种继电器还可以完成两种保护功能 (体现了继电器的多功能性) , 也可以大大简化继电保护装置。这种继电器虽外部接线简单, 但内部结构十分复杂, 调试困难;在灵敏度和动作的准确性、速动性等方面也远不如电磁式继电器构成的继电保护装置。

(2) 反时限过电流保护的基本原理。

当供电线路发生相间短路时, 感应型继电器KA1或 (和) KA2达到整定的一定时限后动作, 首先使其常开触点闭合, 这时断路器的脱扣器YR1或 (和) YR2因有KA1或 (和) KA2的常闭触点分流 (短路) , 而无电流通过, 故暂时不会动作。但接着KA1或 (KA2) 的常闭触点断开, 因YR1或 (和) YR2因“去分流”而通电动作, 使断路器跳闸, 同时继电器本身的信号牌掉下, 给出信号。

在这里应予说明, 在采用“去分流”跳闸的反时限过电流保护装置中, 如继电器的常闭触点先断开而常开触点后闭合时, 则会出现下列问题:继电器在其常闭触点断开时即先失电返回, 因此其常开触点不可能闭合, 因此跳闸线圈也就不能通电跳闸;继电器的常闭触点如先断开, CT的二次侧带负荷开路, 将产生数千伏的高电压、比差角差增大、计量不准以及铁心发热有可能烧毁绝缘等, 这是不允许的。

3.2 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。

(1) 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, 须设置直流屏。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10kV~35kV系统中比较重要的变配电所。

(2) 定时限过电流保护的基本原理。

在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。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。由此不难看出, 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。

3.3 电流速断保护

电流速断保护是一种无时限或略带时限动作的一种电流保护。它能在最短的时间内迅速切除短路故障, 减小故障持续时间, 防止事故扩大。电流速断保护又分为瞬时电流速断保护和略带时限的电流速断保护两种。

(1) 电流速断保护的构成。

电流速断保护是由电磁式中间继电器 (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。它一般不需要时间继电器。常采用直流操作, 须设置直流屏。电流速断保护简单可靠、完全依靠短路电流的大小来确定保护是否需要启动。它是按一定地点的短路电流来获得选择性动作, 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。

(2) 瞬时电流速断保护的整定原则和保护范围。

瞬时电流速断保护与过电流保护的区别, 在于它的动作电流值不是躲过最大负荷电流, 而是必须大于保护范围外部短路时的最大短路电流。即按躲过被保护线路末端可能产生的三相最大短路电流来整定。从而使速断保护范围被限制在被保护线路的内部, 从整定值上保证了选择性, 因此可以瞬时跳闸。当在被保护线路外部发生短路时, 它不会动作。所以不必考虑返回系数。由于只有当短路电流大于保护装置的动作电流时, 保护装置才能动作。所以瞬时电流速断保护不能保护设备的全部, 也不能保护线路的全长, 而只能保护线路的一部分。对于最大运行方式下的保护范围一般能达到线路全长的50%即认为有良好的保护效果;对于在最小运行方式下的保护范围能保护线路全长的15%~20%, 即可装设。保护范围以外的区域称为“死区”。因此, 瞬时电流速断保护的任务是在线路始端短路时能快速地切除故障。当线路故障时, 瞬时电流速断保护动作, 运行人员根据其保护范围较小这一特点, 可以判断故障出在线路首端, 并且靠近保护安装处;如为双电源供电线路, 则由两侧的瞬时电流速断保护同时动作或同时都不动作, 可判断故障在线路的中间部分。

(3) 瞬时电流速断保护的基本原理。

瞬时电流速断保护的原理与定时限过电流保护基本相同。只是由一只电磁式中间继电器替代了时间继电器。中间继电器的作用有两点:其一是因电流继电器的接点容量较小, 不能直接接通跳闸线圈, 用以增大接点容量;其二是当被保护线路上装有熔断器时, 在两相或三相避雷器同时放电时, 将造成短时的相间短路。但当放完电后, 线路即恢复正常, 因此要求速断保护既不误动, 又不影响保护的快速性。利用中间继电器的固有动作时间, 就可避开避雷器的放电动作时间。

(4) 略带时限的电流速断保护。

瞬时电流速断保护最大的优点是动作迅速, 但只能保护线路的首端。而定时限过电流保护虽能保护线路的全长, 但动作时限太长。因此, 常用略带时限的电流速断保护来消除瞬时电流速断保护的“死区”。要求略带时限的电流速断保护能保护全线路。因此, 它的保护范围就必然会延伸到下一段线路的始端去。这样, 当下一段线路始端发生短路时, 保护也会起动。为了保证选择性的要求, 须使其动作时限比下一段线路的瞬时电流速断保护大一个时限级差, 其动作电流也要比下一段线路瞬时电流速断保护的动作电流大一些。略带时限的电流速断保护可作为被保护线路的主保护。略带时限的电流速断保护的原理接线和定时限过电流保护的原理接线相同。

3.4 三段式过电流保护装置

由于瞬时电流速断保护只能保护线路的一部分, 所以不能作为线路的主保护, 而只能作为加速切除线路首端故障的辅助保护;略带时限的电流速断保护能保护线路的全长, 可作为本线路的主保护, 但不能作为下一段线路的后备保护;定时限过电流保护既可作为本级线路的后备保护 (当动作时限短时, 也可作为主保护, 而不再装设略带时限的电流速断保护。) , 还可以作为相临下一级线路的后备保护, 但切除故障的时限较长。一般情况下, 为了对线路进行可靠而有效的保护, 也常把瞬时电流速断保护 (或略带时限的电流速断保护) 和定时限过电流保护相配合构成两段式电流保护。

对于第一段电流保护, 究竟采用瞬时电流速断保护, 还是采用略带时限的电流速断保护, 可由具体情况确定。如用在线路——变压器组接线, 以采用瞬时电流速断保护为佳。因在变压器高压侧故障时, 切除变压器和切除线路的效果是一样的。此时, 允许用线路的瞬时电流速断保护, 来切除变压器高压侧的故障。也就是说, 其保护范围可保护到线路全长并延伸到变压器高压侧。这时的第一段电流保护可以作为主保护;第二段一般均采用定时限过流保护作为后备保护, 其保护范围含线路-变压器组的全部。通常在被保护线路较短时, 第一段电流保护均采用略带时限的电流速断保护作为主保护;第二段采用定时限过流保护作为后备保护。在实际中还常采用三段式电流保护。就是以瞬时电流速断保护作为第一段, 以加速切除线路首端的故障, 用作辅助保护;以略带时限的电流速断保护作为第二段, 以保护线路的全长, 用作主保护;以定时限过电流保护作为第三段, 以作为线路全长和相临下一级线路的后备保护。

摘要：文章介绍了顾桥煤矿10kV供电系统在电力系统中的重要位置及10kV供电系统继电保护的基本原理, 着重介绍几种常见的电流保护:反时限过电流保护、定时限过电流保护、电流速断保护, 并分析了各类保护装置的基本构成、保护范围、动作原理、配合方法、优缺点。

关键词：配电系统,继电保护