电流速断保护

电流速断保护（精选四篇）

电流速断保护 篇1

分布式电源（distributed generator,DG）接入配电网后，将改变故障电流的分布及配电网原有电流保护配置的基础条件，配电网原有的三段式电流保护将可能误动或者拒动[1,2,3]。

目前，接入配电网的DG主要为光伏发电系统等逆变型DG(inverter-based distributed generator,IBDG）。随着IBDG并网容量的不断增大，为防止IBDG大规模脱网对电网的正常运行带来不良影响，IBDG需具备低电压穿越能力[4,5,6,7]。在故障情况下，IBDG的输出电流与IBDG容量或出力、故障类型和故障位置等因素均有关，这将导致传统的配电网电流保护的定值很难整定。

为消除IBDG接入对配电网保护的影响，基于通信的保护方案能够充分利用多点信息，从而快速准确地实现故障定位[8,9,10,11,12]。然而，此类保护对通信的可靠性要求较高，一旦通信失败或者信息有误，保护将可能失效。因此，研究基于本地信息的适用于IBDG接入的保护仍然十分必要，而自适应电流保护则是解决IBDG接入后保护定值难以整定的有效方法。文献[13,14]对含IBDG配电网的自适应电流保护进行了研究。然而，与传统同步发电机相比，IBDG的故障特性有很大不同，IBDG的接入也使得配电网的故障特性发生变化，若采用已有的自适应电流保护，则保护仍然可能拒动或误动。此外，当系统发生三相短路故障时，文献[13]无法计算出保护背侧的实际阻抗，文献[14]也无法根据本地信息对保护背侧网络进行等值变换，保护的性能仍然受到不同因素的影响。因此，有必要进一步深入研究适用于IBDG接入的配电网自适应电流保护。

为改善IBDG的输出特性，在工程实际产品中，IBDG通常采用基于电压正序分量的控制策略，即发生相间短路故障时，IBDG仍然输出三相对称的电流，IBDG仅在正序网络中表现为压控电流源[6]。本文结合含IBDG配电网的故障特性，提出了适用于含IBDG配电网的自适应正序电流速断保护。

1 含IBDG配电网的故障特性分析

1.1 IBDG的短路计算模型

以光伏发电系统这一典型IBDG为例，在低电压穿越期间，光伏发电系统注入电力系统的动态无功电流Isq应实时跟踪并网点电压变化，并应满足[7]:

式中：Us为并网点电压的标幺值；IN为光伏发电系统的额定电流；K1和K2为比例系数。在工程实际产品中，K1通常取为2,K2通常取为1.2，即Us小于0.3时，其输出电流达到限流值1.2IN。

由式（1）可知，当Us大于0.9时，光伏发电系统运行于恒功率态，仅输出有功电流，其大小取决于IBDG出力和并网点电压；反之，当Us小于0.9时，在工程实际产品中，光伏发电单元的输出电压将被控制在开路电压附近，以防止逆变器直流侧电压过高。此时，其输出的有功电流可忽略不计。

由以上分析可知，IBDG输出电流的大小和相位取决于并网点电压的大小。因此，在含IBDG配电网的短路电流计算中，可以将IBDG等效为压控电流源模型。

1.2 含IBDG的配电网故障特性

文献[5,6]详细介绍了具有低电压穿越能力的IBDG接入配电网后的故障分析方法。根据短路电流表达式，可分析得到不同位置发生不同类型故障时，短路电流随故障位置、IBDG接入位置、IBDG容量或出力等因素的一般变化规律。

由于在同一故障点发生不同类型故障时的并网点电压大小不同，相应的，根据不同的控制策略，IBDG的输出电流的大小和相位也将各不相同。因此，两相相间短路故障时流过IBDG上游保护和下游保护的短路电流已不再是三相短路故障时流过这些保护的短路电流的倍。此外，由于IBDG仅输出正序电流，且此电流为有功电流或者无功电流，因而在相间短路故障情况下，两相故障相电流之间的差异也较大。综上可知，含IBDG的配电网故障特性和传统配电网相比存在很大不同，IBDG为压控电流源模型，不能用含内阻抗的恒定电势源等效代替。

2 已有自适应电流保护存在的问题

为改善保护的性能，已有的自适应电流速断保护根据系统当前的运行方式和短路类型，按照躲开被保护线路末端发生短路时的短路电流对保护进行实时在线整定，其电流整定值IZDZ为[15]:

式中：为系统等值电势；Zs为系统等值阻抗；ZL为被保护线路阻抗；Kk为可靠系数，可取为1.2～1.3;Kd为故障类型系数，三相短路时取为1，相间短路时取为

既可预先设定，也可以通过下式进行精确计算：

式中：分别为保护安装处的相电压和相电流。

已有的自适应电流速断保护没有考虑IBDG接入系统的情况。当系统中接有IBDG时，该保护的整定方法将存在以下问题。

1）当保护背侧接有IBDG时，由于IBDG在故障前后的输出电流不同，在故障附加状态的网络中将出现值为IBDG输出电流变化量的电流源，由已有的等值阻抗计算方法将无法得到实际的保护背侧阻抗。同时，也无法根据当前故障点的信息求出被保护线路末端发生短路时保护背侧的等值电势[13]。

2）当IBDG上游线路发生相间短路故障时，故障点距IBDG越远，则IBDG的输出电流越小。此时，若按已有的自适应电流保护进行整定，由式（3）可知，IBDG侧保护背侧的等值相电势也越小；再由式（2）可知，该保护的整定值也越小。因此，若按照已有的自适应电流保护进行在线整定，IBDG上游线路的IBDG侧保护将可能失去选择性。

3）当系统发生相间短路故障时，流过IBDG上游和下游保护的短路电流已经不再是同一位置发生三相短路故障时流过这些保护的短路电流的。此时，若仍按照式（2）对保护进行整定，且故障类型系数取为，则保护可能误动或者拒动。

3 适用于IBDG接入的自适应正序电流保护

为解决上述问题并改善保护性能，考虑到IBDG只存在于正序网络中，下面以图1所示的含IBDG的配电网为例，分析不同位置处发生不同类型故障时保护安装处正序电压和流过保护的正序电流之间的关系，研究适用于IBDG接入的自适应正序电流保护。需注意的是，IBDG上游区域末端需配置保护（如图1中的保护6）并加装断路器，以保证能够从两端切除故障线路。此外，IBDG上游线路的各个保护均需配置方向元件[16]。其中，IBDG上游区域首端和末端的保护只需反映正方向故障，IBDG上游区域的其他保护则根据方向判断结果选择恰当的公式进行整定。

3.1 两相相间短路故障时的情况

当系统发生两相相间短路故障时，IBDG可等效为仅存在于正序网络中的压控电流源。由于故障位置不同时，正序电压和正序电流间的关系也不同，下面分别对其进行分析，并设分别为保护X安装处的正序电压和流过保护X的正序电流。

1)IBDG上游线路f1点处

当f1点发生相间短路故障时，图1所示系统的复合序网络及简化后的复合序网络如图2所示。

对于系统侧保护1，则由图2(a）可知，流过保护1的正序电流可表示为：

式中：为保护1处的正序电压；为IBDG的输出电流；ZAB为保护1所在线路的阻抗；α为取值范围为[0,1]的比例系数，表征故障点与保护之间的距离。

由于自适应正序电流保护只能利用本地信息，且与系统提供的正序电流相比，IBDG的输出电流很小，因此，为保证选择性，保护1的正序电流整定值I11ZDZ计算如下：

由式（5）可知，保护1能够根据当前故障情况下的正序电压对正序电流进行自适应在线整定。其中，Zs的值可由故障附加分量的负序分量在线求得[13]。由于无法获得IBDG输出电流的信息，保护范围仍受IBDG容量及故障位置的影响。但由于系统所提供的短路电流远大于IBDG提供的电流，因而影响较小。

对于IBDG侧保护6，由图2(b）可知，保护6处的正序电压和正序电流满足以下关系：

为保证选择性，保护6的正序电流整定公式如下：

式中：I16ZDZ为保护6的正序电流整定值；Zsmin为最大运行方式时的系统等值阻抗。

由故障分析可知，当保护6所在线路末端（即保护1出口处）发生相间短路故障时，超前于的相位最大，设此相位差为φsmax。则在式（7）中，的有效值为预设值10.5kV/1.732=6.06kV，其相位大小为当前故障情况下的相位与φsmax之和。

由式（7）可知，保护6能够根据IBDG容量或出力、故障位置等因素的变化而改变正序电流的定值，但其保护范围会受到系统运行方式的影响。

2)IBDG下游线路f2点处

当f2点发生两相相间短路故障时，图1所示系统的复合序网络如图3所示。

由图3可知，保护2处的正序电压和正序电流满足以下关系：

式中：ZBC为保护2所在线路的阻抗。

为保证选择性，保护2的正序电流整定值I12ZDZ计算如下：

在式（9）中，保护2背侧阻抗Zs+ZAB的值也可由故障附加分量的负序分量在线求得。因此，保护2的正序电流整定值能够随着系统运行方式、IBDG输出电流、故障位置等因素的变化而变化。

3）相邻馈线f3点处

当f3点处发生两相相间短路故障时，图1所示系统的复合序网络如图4所示。

由图4可知，保护4处的正序电压和正序电流满足以下关系：

式中：ZAE为保护4所在线路的阻抗。

为保证选择性，保护4的正序电流整定值I14ZDZ计算如下：

在式（11）中，保护4背侧阻抗Zs的值也可由故障附加分量的负序分量在线求得，因此保护4也能够随着系统运行方式、IBDG输出电流等因素的变化而自适应改变其正序电流整定值，从而改善保护性能。

3.2 三相短路故障时的情况

当系统发生三相短路故障时，故障点所在线路保护安装处的正序电压和流过该保护的正序电流满足以下关系：

式中：分别为故障点所在线路保护处的正序电压和正序电流，其值分别等于相电压和相电流的值；Zd为故障点与保护之间线路的阻抗值。

为保证保护选择性，其正序电流整定公式如下：

式中：I1ZDZ为故障点处的正序电流整定值。

由式（13）可知，当发生三相短路故障时，保护无需计算保护背侧的等值阻抗和等效电势，各个保护的正序电流整定值会随着系统运行方式、IBDG输出电流和故障位置等因素的变化而变化，保护范围小于线路全长，且不受上述因素的影响。

4 仿真验证

利用PSCAD/EMTDC仿真软件搭建如图1所示的含IBDG配电网，对自适应正序电流速断保护进行验证。取系统基准容量为100MVA，基准电压为10.5kV，系统短路容量为400 MVA；线路单位长度的感抗和电阻分别为0.346Ω/km和0.27Ω/km；线路AB,BC,CD,AE,EF的长度分别为3,2,2,3,2km；馈线上各母线处均接有额定功率为1MVA、额定功率因数为0.85的负荷。

1）当f1,f2和f3点处发生两相相间短路故障时，将可靠系数Kk均取为1.2，对位于α=0.4,0.6,0.9处的故障点分别取IBDG容量为8 MW和4MW进行仿真，所得的仿真结果如表1所示。其中，当故障位置位于f1点时，α的取值是相对于保护1的。

在仿真测试中，当不同位置处发生故障时，各个保护均不会误动作。由表1可知，保护1的正序电流整定值会随着当前故障情况的变化而变化。当没有IBDG接入时，其保护范围为81.9%；在IBDG接入后，其保护范围随着IBDG容量的增大而减小，但由表1中流过保护1的正序电流值可以看出，IBDG的接入对保护1保护范围的影响较小。此外，保护2、保护4和保护6均能够根据IBDG容量、IBDG运行状态和故障位置的变化而自适应改变其定值，保护范围几乎不变。理论上，在复合序网络图中忽略部分线路阻抗和负荷阻抗的前提下，这3个保护的保护范围分别为68.9%,81.9%,63.8%。在仿真中，实际保护范围会在理论值附近有较小变化。

IBDG容量取为8 MW。当被保护线路BC末端发生三相短路时，流过保护2的电流为2 716A，则传统电流速断保护的定值IZDZ=1.2×2 716A=3 259A。设线路BC的全长为LBC，当IBDG退出运行并且在与保护2的距离为0.15LBC处发生BC相间短路故障时，流过故障相的电流IB=3 148A,IC=3 105A，保护2不会动作，该保护的灵敏性无法满足要求。而对于保护6来说，当其所在线路末端（即保护1出口处）发生两相相间短路故障时，根据已有的自适应电流速断保护，保护6的定值为321A，而此时流过故障B相和C相的电流IB=229A,IC=358A，即保护6的保护范围超出了线路全长。因此，当IBDG上游有多条线路时，IBDG侧保护可能失去选择性。

综上可知，在两相相间短路的情况下，本文提出的自适应正序电流速断保护具有优越的性能。

2）当f1,f2和f3点发生三相短路故障时，改变IBDG的容量以及故障点位置，可靠系数Kk均取为1.2，仿真结果如表2所示。

按照式（13）进行整定，各个保护的保护范围均恒为83.3%，不受其他因素的影响。由表2可知，当f1点发生三相短路故障时，IBDG与系统断开，流过保护1的电流值及电流整定值均只仅与故障位置有关。此外，与系统发生两相相间短路故障时一样，保护2和保护4均能够根据IBDG容量或出力、IBDG运行状态和故障位置的变化而自适应改变其定值。各个保护均能够有选择性地切除其保护范围内的故障。

IBDG容量取为8 MW。按照传统电流速断保护，保护2的整定值为3 259 A。通过仿真，当IBDG退出运行并且在与保护2的距离为0.35LBC处发生三相短路故障时，流过保护2的短路电流为3 265A，即保护2的保护范围约为35%。通过仿真，当与保护2距离0.6LBC处发生三相短路故障时，流过保护2的短路电流为3 219A。此时，根据已有自适应电流保护在线计算得到的定值为3 279A，即保护2的保护范围小于60%。

综上可知，当发生三相短路故障时，本文提出的自适应正序电流速断保护可较好地改善保护的性能，其保护范围远大于传统电流速断保护和已有自适应电流速断保护的保护范围。

5 结语

含IBDG配电网的故障特性和传统配电网有很大不同，已有的自适应电流保护并未考虑IBDG接入配电网后的故障特性，无法保证含IBDG配电网保护的选择性和灵敏性。

浅谈线路时限速断保护 篇2

关键词：供电可靠性,技术先进,经济合理,时限速断保护

0 引言

众所周之, 继电保护装置越来越多, 无论是电磁式继电器、感应式继电器和晶体管继电器, 还是微机保护装置。它们都是让继电保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性更加完善。线路保护也是供电保护的一个重要组成部分。线路保护中通常使用了过流保护和瞬时速断保护, 然而, 时限速断保护也是线路保护的一个重要组成部分。时限速断保护的整定值比过流值大, 比瞬时速断值小, 正好处于过流保护值和瞬时速断值之间, 如果有了时限速断保护, 线路保护过程会变的平滑;瞬时速断保护存在死区, 时限速断保护能通过其保护和延时弥补瞬时速断保护的死区;在瞬时保护无法校验时, 时限速断保护也可以进行保护, 并符合校验要求。

1 时限速断保护配合过流保护和瞬时速断保护, 可以使线路保护变得更加平滑

线路保护中, 瞬时速断保护值比较大, 而过流保护值比较小或者保护延时时间比较长, 添加时限速断保护后, 整个保护就有了一个连续保护的动作过程, 让整个保护过程变得平滑。当电流值达到过流值的大小时, 造成过流动作保护;当电流值增大至时限速断值时, 造成时限速断动作保护;当电流值瞬间增大到瞬时速断值时, 造成瞬时速断动作保护。这样, 这个保护过程有了一个阶段过程性, 让整个动作保护过程能平滑实现, 强化了整个继电保护过程的选择性、可靠性、速动性和灵敏性。进一步保证了线路和整个电网的正常供电。

2 时限速断保护, 可以弥补瞬时速断保护的“死区”

由于电流速断保护的动作电流是按躲过线路末端的最大三相短路电流整定的, 所以电流速断保护只能保护线路的一部分, 不能保护线路的全长。其中没有受到保护的一段线路, 称为电流速断保护的“死区”如图1所示, 纵轴Is表示短路电流, 横轴L表示距离。线路WL1、WL2上分别装有电流瞬时速断保护装置1和2。图中给出了在线路不同地点短路时, 短路电流IS与距离L的关系曲线。图中曲线1是系统最大运行方式下, 最大三相短路电流的曲线;曲线2是系统最小运行方式下, 最小两相短路电流的曲线;直线3是速断装置1的动作电流Iop1的直线。

直线3与曲线1的交点A到线路始端的距离Lmax, 是瞬时速断保护装置1对最大三相短路电流的保护范围。直线3与曲线2的交点B到线路始端的距离Lmin, 是瞬时电流速断装置1对最小两相短路电流的保护范围。由此可看出, 电流瞬时速断装置对最大运行方式下的三相短路电流有一定的保护范围, 而电流瞬时速断装置对最小运行方式下的两相短路电流的保护范围有限, 特别是系统电网波动比较大时, 电流瞬时速断装置对最小运行方式下的最小两相短路电流的保护范围就几乎为零。而时限速短保护装置, 通过把保护范围延伸至下一级线路和限时时间, 达到保护本级线路全长的目的。

3 当瞬时速断保护的灵敏度无法校验时, 可以用时限速断保护进行保护

线路保护中, 用最大运行方式下线路末端的最大三相短路电流计算出瞬时速断保护的整定值, 用最小运行方式下线路末端的最小二相短路电流进行灵敏度校验时, 无法校验。这时就应该用时限速断保护进行整定保护。时限电流速断保护是按躲过相邻元件末端短路时的最大三相短路电流进行整定, 用本级线路末端最小两相短路电流来校验。下面用实例进行说明:

降压变电所引出10k V电缆线路, 线路接线图图2如下所示:

最大运行方式下:

降压变电所母线三相短路电流Id1.max (3) 为5500A, 配电所母线末端三相短路电流Id2.max (3) 为5130A, 配电变压器低压侧三相短路时流过高压侧的电流Id3.max (3) 为820A。

最小运行方式下:降压变电所母线两相短路电流Id1.min (2) 为3966A, 配电所母线两相短路电流Id2.min (2) 为3741A,

配电变压器低压侧两相短路时流过高压侧的电流Id3.min (2) 为689A。

DL1的A、C相电流互感器变比为ni=300/5。

整定计算 (计算断路器DL1的保护定值)

(1) 瞬时电流速断保护

瞬时电流速断保护按躲过最大运行方式下线路末端的最大三相短路电流进行整定, 保护装置的动作电流计算如下:

Idzj:计算的整定值

Kk:可靠系数, 取1.3

Kjx:接线系数, 取1

保护装置一次动作电流

灵敏系数按最小运行方式下线路末端最小两相短路电流来校验:

由此可见瞬时电流速断保护不能满足灵敏系数要求, 因此需装设时限电流速断保护。

(2) 时限电流速断保护

时限电流速断保护按躲过相邻元件末端短路时的最大三相短路时的电流整定, 则保护装置动作电流

Kjx:接线系数, 取1

Kk:可靠系数, 取1.3

保护装置一次动作电流

灵敏系数按最小运行方式下线路末端最小两相短路电流来校验:

限时电流速断保护动作时间:

此保护中不存在就瞬时速断保护即t1=0,

由于速断保护的延时极差为Δt=0.5S

因此:由于速断保护的延时间t2=t1+Δt=0.5S

因此, 瞬时速断保护的灵敏度无法校验时,

就应该用时限速断进行保护整定和校验。

4 结束语

电流速断保护 篇3

6 kV电动机的速断保护是电动机以及发电机安全稳定运行的重要保障。在电动机的速断保护定值的整定与校验过程中,对速断保护如何躲过电动机的最大启动电流关注较多。如电动机的国产综合保护,有很多保护装置速断保护定值在启动过程中采用高值,而启动过后恢复低值的方法来躲过启动电流[1,2]。而对在不对称短路故障情况下,出现较大负序电压时的情况考虑较少。这样,就有可能造成在较大负序电压情况下,非故障电动机速断保护误跳闸,引起不必要的损失。本文对不对称短路情况下非故障电动机的速断保护的动作行为进行分析,并举例说明可能会造成误跳闸的情况,对6 kV电动机速断保护调试、事故分析及整定计算有所帮助。

1 单相接地短路故障分析

图1所示为中性点不接地电网,其中是变压器低压侧感应电动势,图中所画电容为各线路对地电容。在K点单相接地时的复合序网图如图2示。

由图2可以看出,单相接地时各序电压为

可见,中性点不接地电网发生单相接地时,正序电压是保持原有数值,负序电压为零。没有零序电压[3,4]。

2 两相接地短路故障分析[5,6]

如图3所示为6 kVI段工作进线的简化图,K′点发生BC两相接地短路。由于变压器6 kV侧为中性点不接地系统,因此发生BC两相接地短路时并没有电流流入大地,但故障点处B、C相对地电压将变成零,而A相对地电压升至额定电压的1.5倍。故障点电压相量图如图4所示。由于短路并不是金属性故障,故障点有弧光过渡电阻,如图3所示,BC两相伴有弧光接地。近似认为B、C相经Rb和Rc接地,设Rb=Rc。故障点K'点的电压,A相对地电压升高至额定电压的1.5倍,B、C两相对地电压为零。母线上各处的UB、UC各处电压分布如图5所示。

从上面的分析可以看出,在同一点发生两相短路后,会产生很大的不平衡电压,这样在对电压进行序分量分解之后,会发现有很大的负序电压,以及零序电压。

3 6 kV电动机在不同序电压下运行情况分析

由于6 kV系统是中性点不接地系统,故无零序电流和零序磁场,因而6 kV电动机亦不可能有零序电动势和电压,只需要对正序及负序两分量进行分析即可。

3.1 6 kV电动机在正序电压下运行情况分析

在正序电压的作用下,定、转子绕组中产生正序电流,此时电动机内部的旋转磁场φ+作用下,产生正向旋转转矩T+,使电机作为电动机运行。这样电动机的正序等效电路和电动机的等效电路完全相同。如图6所示。若定子端每相的正序电压为,不计正序激磁电流时,定、转子的正序电流近似相等。

3.2 6 kV电动机在负序电压下运行情况分析

在负序电压作用下,电机中将产生一个反转的旋转磁场(反向磁场),其转速为-n,此时电动机内部的物理情况与电动机在制动状态下的运行一样,其等效电路如图7所示。若定子端每相的正序电压为,不计正序激磁电流时,定、转子的负序电流近似为

3.3 正、负序分量叠加

当正、负序电压同时存在时,只需将两种情况叠加起来。叠加时,电压和电流均用各相的正、负序分量相加。由于正向磁场和负序电流相互作用、反向磁场和正序电流相互作用时均不产生平均转矩,故合成转矩等于正、反向转矩之和。

从上面的分析可以看出,电动机的负序阻抗很小,与制动情况下的运行一样,故很小的负序电压就可能引起相当大的负序电流,5%UN左右的负序电压可产生20%~35%IN的电流[7,8]。

4 非故障6 kV电动机速断保护在不对称短路故障的动作行为分析

由上面的分析可以看出,在单相短路故障情况下,各相的正序电压没有发生变化,也没有负序电压产生,所以6 kV电动机可正常运行,不会造成保护的动作。

在两相短路故障下,会产生很大的负序电压。如在相邻电动机出口发生一点两相短路接地时,故障的电动机速断保护会动作跳闸,而其他非故障电动机可能会因为负序电压过大,由负序电压产生的电流与正序电压产生的电流叠加后大于自身速断保护定值而误跳闸,造成不必要的损失。所以在6 kV电动机机速断保护定值校验时要考虑此种情况。下面举例说明。

5 举例

某电厂发电机6 kV母线上运行有A、B、C、D等电动机,为中性点不接地系统。由于A电动机出口引线绝缘不好,在运行过程中,发生了单相接地短路,在短时间内又发展成为两相接地短路,A电动机速断保护动作跳闸,同时B、C、D电动机速断保护也动作跳闸,造成事故的扩大,发电机被迫减出力。通过分析发现,在单相接地短路时,没有保护动作。在发生两相接地短路后,故障与非故障的电动机速断保护均同时跳闸。故障波形图如图8所示,向量分析图如图9所示。其中横向是A相,左下角为B相,右上角为C相。

此时工作进线电压即母线电压分布与图5所示母线上的电压向量分布相符,此时的电压序分量如图10所示。

分析此时电压序分量,正序电压为50%Un左右,负序电压为40%Un左右。由于B、C、D电动机的启动电流都在8~10Ie。根据前面的分析,电动机在负序电压作用下的等效电路与制动情况下一样,由负序电压产生的电流可以近似按照启动电流来计算,会产生3.2~4Ie的电流,与正序电压产生的电流0.5Ie相叠加,产生4Ie左右的电流。而B、C、D电动机的速断保护定值均在4Ie左右。所以在A电动机发生两相短路故障后,B、C、D电动机的电流也超过了速断保护定值。A、B、C、D电动机同时跳闸。而挂在同一段母线上的除A、B、C、D外的其他电动机速断定值远大于4Ie,由前面分析得出在两相短路故障情况下产生的4Ie左右的电流未超过这些电机的速断定值,所以这些电机的速断保护未动作跳闸。

6 结论

在6 kV系统中,单相接地故障发生时,不会产生很大的电流,电动机的速断保护也不可能动作。而当发生两相接地故障时,尤其是产生较大的负序电压时,如有电动机出口引线发生两相接地短路,会引起母线电压的严重不平衡,产生很大的负序电压,而挂在同一母线上没有发生故障的电动机在负序电压的作用下,会产生很大的电流。在这种情况下,非故障电动机的电流可能会超过其速断保护定值,造成电动机误跳闸。所以在6 kV电动机速断保护定值校验中,除了要考虑启动电流外,还需要考虑到产生较大负序电压的情况,以免造成事故的扩大,造成不必要的经济损失。

摘要：根据对称分量法,分析了单相接地短路和两相接地短路两种不对称短路故障下的电压向量。对6kV电动机在不同序电压下的运行情况进行了分析,表明运行在同一6kV母线上的非故障电动机速断保护在不对称短路情况下,特别是在两相接地短路时,负序电压产生的较大电流可能会导致电动机速断保护误动作。提出在进行电动机速断保护定值整定校核时,不仅需要考虑启动电流,还需要考虑不对称短路故障时的负序电压影响的问题。

关键词：对称分量法,电压向量,电动机,速断保护,不对称短路

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电流速断保护 篇4

当变压器内部发生严重故障时, 差电流可能会因电流互感器 (TA) 饱和出现谐波, 比率差动保护可能误判为涌流而失效[1], 差动速断保护不加任何闭锁措施, 没有制动特性, 定值按躲过涌流整定, 能够快速切除故障。但在实际运行中, 由于高压厂用变压器 (简称高厂变) 低压侧的TA一般都安装在断路器屏内, 受安装空间的限制, 往往只能选用小容量的P级TA。当低压侧区外发生故障时, 该TA很容易深度饱和, 造成差动速断保护误动。为解决此误动问题, 要抬高定值, 但即便按7~8倍的额定电流进行整定, 也不一定能完全避免误动。本文针对一起误动案例, 通过分析TA饱和时二次电流的特征, 找到了常规差动速断保护误动的原因, 提出了防误动对策, 该对策同样也适用于解决直配线路负荷变压器的差动速断保护误动问题。

1 一起来自现场的典型事故案例

某电厂4号机组 (100 MW) 厂用变压器低压侧B分支厂用电发生三相短路, 差动速断保护动作出口。差动速断定值为8Ie (Ie为额定电流) , 图1、图2分别为高厂变高、低压侧三相电流波形, 图3为差流波形。对比图1、图2的相位, 发现高厂变高、低压侧同相电流之间的相位差大约为180°, 说明短路点在区外。

从图1可以看出, C相电流始终对称, 波形没有畸变, 说明C相电流不含直流分量, C相铁芯也没有饱和, TA传变性能良好;AB两相电流在短路初期严重偏于时间轴的一侧, 说明短路电流的直流分量较大;AB两相电流在短路一个周期以后均发生了畸变, 说明AB两相铁芯在一个周期以后就饱和了, 该饱和可能是短路电流里的直流分量引起的, 也可能是剩磁通与直流分量磁通共同作用的结果。

从图2可以看出, AB两相电流在故障后第1个峰值前就发生畸变, 说明该两相铁芯的剩磁很严重, 故障后不到5ms就发生了严重饱和, TA传变故障电流的能力很差, 于是就产生了很大的不平衡差流 (见图3) 。

图3中三相差流的峰值分别为13.50Ie, 10.70Ie, 6.85Ie, 由半波积分法算得的三相差流的有效值分别为11.91Ie, 9.01Ie, 6.02Ie, 而差动速断保护的动作定值为8Ie, 显然, AB两相差流都大于差动速断保护定值, 差动速断保护动作。

2 高厂变差动速断保护误动原因分析

2.1 高厂变TA的特点

高厂变高压侧的TA通常都安装在户外, 选型时没有太多的限制, 可以选择容量适中、能满足短路电流水平要求的TA, 故障时一般不易饱和。而低压侧的TA一般都要求安装在断路器屏内, 受安装空间的限制, 不易选到大变比、大容量的TA, 而小容量的P级TA能够承受的短路电流水平又比较低, 剩磁也比较严重, 故障时很容易深度饱和, 引起差动速断保护误动。

2.2 影响TA传变特性的因素

发生故障时, 铁芯剩磁和一次电流非周期分量是引起TA深度饱和的两个重要因素, 而TA一旦深度饱和就基本丧失了电流传变能力[2]。

在短路初期的暂态阶段, 一次电流里通常含有比较大的直流分量, 波形偏于时间轴的一侧, 由于TA铁芯磁通不能突变, 于是在二次回路里也产生了一个自由分量电流。因此, 在短路初始阶段, 只要TA不饱和, 它是能够准确传变一次电流的, 二次电流波形与一次电流接近。随着时间的推移, 一次电流的直流分量逐步进入励磁回路, 于是铁芯里又多了一个非周期性分量磁通。如果剩磁通与非周期性分量磁通同向叠加后的磁通接近或大于饱和磁通, TA就饱和, 励磁电流就急剧上升, 二次电流就严重畸变, TA的传变特性就急剧恶化。

假定TA的变比为1∶1并忽略变比误差, 则TA严重饱和时的一、二次电流波形如图4所示[3]。

2.3 高厂变差动速断保护误动的原因

对于高厂变, 当低压侧区外发生故障时, 高压侧TA通常不易饱和, 在故障初期, TA能够准确传变一次电流, 二次电流波形与图4中的红线很接近, 含有很大的直流分量。低压侧TA在故障后几毫秒就深度饱和, 其二次电流波形与图4中的蓝线很接近, 于是就在二次回路形成了很大的差流。常规差动速断保护都采用半波积分法计算差流, 差流计算值与图4中红线、蓝线间的面积成正比, 数值很大, 保护很容易误动。

常规差动速断保护使用半波积分法计算差流的好处是实现简单、动作速度快, 不足是差流计算值受TA饱和的影响较大。对于其他类型变压器, 由于可以通过选择容量适中、能满足短路电流水平要求的TA来保证故障时不饱和或只有轻微饱和, 区外故障时的差流计算误差并不大, 加上差动速断保护定值又是按躲过励磁涌流整定的, 因此不会误动。

3 工频量差动速断保护

工频量差动速断保护通过对变压器各侧电流的基波分量求差得到差流, 基本不受直流分量和谐波影响。故障时, 如果各侧TA都不饱和, 则差流计算值与常规差动速断保护基本上是一样的。对于高厂变低压侧区外故障, 尽管低压侧TA严重饱和会造成低压侧的电流工频量幅值有比较大的损失, 但工频量差流计算值仍然比常规差动速断保护小得多, 保护不容易误动。

3.1 工频量差流算法

先使用全周傅氏算法从高、低压侧三相电流的采样值中提取工频量, 然后对三相电流的工频量求矢量和, 就可以得到三相差流的有效值。

全周傅氏算法需要用到一个周期数据窗的数据, 其实部A、虚部B的表达式分别为:

式中:N为每周期的采样点数, 微机保护一般取24点;in为第n点电流采样值。

差流幅值Idφ的计算表达式为:

式中:AHφ和ALφ, BHφ和BLφ分别为高、低压侧相电流的实部和虚部。

3.2 两种算法的比较

为了比较两种算法的计算结果, 针对图1至图3的录波数据分别用工频量差流算法和半波积分法计算了两组差流有效值, 结果如表1所示。

从表1的计算数据可以看出, 使用半波积分法时, AB两相差流都大于8Ie, 故常规的差动速断保护会误动;而使用工频量差流算法时, 三相差流均小于6Ie, 如果定值按7~8倍的额定电流整定的话, 工频量差动速断保护是不会误动的。

半波积分法的优点是动作速度快。工频量差流算法由于需要一个周期数据窗的数据, 因此动作速度要稍微慢一些, 但仍然不大于20ms, 并且故障电流越大动作速度越快, 完全符合规程的要求。

3.3 工频量差动速断保护的动作性能分析

当工频量差动速断保护用于高厂变时, 低压侧区外故障不会误动, 区内严重故障时能够灵敏动作。

因为高厂变通常是两绕组变压器, 只有高压侧有电源, 且高压侧TA不存在严重的饱和问题。区内故障时, 低压侧TA由于不流过故障电流也不存在饱和问题, 因此, 工频量差流实际上就是高压侧二次电流的基波分量。对于一般性区内故障, 完全可以由比率差动保护来切除。对于严重的区内故障, 即使高压侧TA有轻微的饱和, 工频量差流的幅值损失也不大, 按正常要求整定的差动速断保护是能够灵敏动作的。

所谓区内严重故障, 一般是指高压侧绕组引出线或高压绕组端侧附近发生严重短路故障。从表1工频量差流算法计算值可见, 当低压侧区外严重故障时, 短路回路在包含高厂变短路阻抗的情况下, 最大的工频量差流有效值就已达到5.47Ie, 区内严重故障时, 短路回路里基本不含或只含很少一部分高厂变短路阻抗, 因此, 如果定值按7~8倍的额定电流整定的话, 差动速断保护的灵敏度是有保证的。

4 负荷变压器差动速断保护的防误动对策

4.1 高厂变差动速断保护的防误动对策

高厂变差动速断保护的误动问题由来已久, 学术界也一直在研究对策。文献[4]就提出了采用小矢量技术, 充分利用短路后TA有5~6ms的线性传变时间快速判断出区内、区外故障, 如果是区外故障就抬高速断保护定值。但在实际运行中, 如果低压侧TA剩磁很严重的话, 其线性传变时间可能只有2~3ms。

由于高厂变低压侧TA在低压侧区外故障时很容易深度饱和的问题难以解决, 笔者认为, 可以用工频量差动速断保护替代常规的差动速断保护来解决低压侧区外故障的误动问题。

4.2 直配线路负荷变压器差动速断保护的误动问题

电力系统配电网中存在着大量的直配线路, 相应的负荷变压器也存在着与高厂变类似的情况。由于低压侧电压等级较低时负荷电流很大, 同时还受投资费用和安装空间等因素的限制, 低压侧也是普遍采用小容量的P级TA。当低压侧区外发生严重短路故障时, 低压侧TA也很容易饱和, 差动速断保护也存在误动问题。笔者认为, 该问题也可以通过改用工频量差动速断保护来解决。

5 结语

由于高厂变低压侧TA一般都安装在断路器屏内, 受安装空间的限制, 只能选用P级小容量TA, 低压侧区外故障时, 在剩磁和非周期性分量电流的作用下很容易深度饱和, 造成差动速断保护误动。本文通过一起差动速断保护误动的案例, 分析了TA饱和时二次电流的特征及其对基于半波积分法的常规差动速断保护的影响, 提出了改用工频量差动速断保护来解决因低压侧TA饱和引起的差动速断保护误动问题的思路, 并通过对一组故障实例数据的对比计算, 验证了该思路的合理性, 具有一定的工程实用价值。该方法同样也适用于解决直配线路负荷变压器差动速断保护因低压侧TA饱和引起的误动问题。

参考文献

[1]曾湘, 林湘宁, 翁汉琍, 等.基于相电压和差流时差特征的变压器保护新判据[J].电力系统自动化, 2009, 33 (3) :79-83.ZENG Xiang, LIN Xiangning, WENG Hanli, et al.Novel criterion of transformer protection based on time difference characteristic between phase voltage and differential current[J].Automation of Electric Power Systems, 2009, 33 (3) :79-83.

[2]景敏慧.变电站电气二次回路及抗干扰[M].北京:中国电力出版社, 2010.

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