浅谈反时限保护的适用范围及整定方案.doc

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1、浅谈反时限保护的适用范围及整定方案摘要：白银电网负荷大部分是工业和电力提灌负荷，因此网内存在着大量的大型高压电动机。相当一部分配网线路的定时限过流保护定值须躲电机启动电流，导致过电流定值很大，甚至有超限时速断电流定值的情况，而此时低电压及负序电压对线末没有灵敏度。电网的快速发展，使保护配合的级数增加，部分配网及用户变电所时间级差已非常紧张。因此，寻找能很好躲电机启动电流及缓解时间级差的保护类型显得尤为迫切，而反时限保护能很好的躲电机启动电流只要选择适当的曲线类型和时间常数；同时其动作时限与故障电流的大小成反比，上下级保护之间只需一个时间级差配合，缓解时间级差效果明显。一、 定时限过流保护陷入窘

2、境的几个案例 王岘水泥厂117水泥磨线过电流保护保护型号：PMC-651F 装置版本号：V1.60.001、 参数计算1）电缆YJV-3120/10，r=0.158/ x=0.0755/ Z=0.1751/ Z*=0.15882）短路电流： 2、保护主要功能：1）瞬时电流速断；2）复压（方向）限时电流速断；3）复压（方向）定限时限过流；4）相电流加速；5）反时限过流；6）过负荷保护；7）零序过流；8）重合闸；9）低周、低压减载；10）绝缘监视；11）TV断线、控制回路断线监视；12）检同期功能。3、过电流保护整定 CT：300/5 PT：1001）YJV22-3120电缆最大允许载流量：323

3、A；一次值：300A；2）负荷电流：配电变压器，246.2=92.4A；2800kW电机，190A；560kW电机， 238=76A；最大绕线式电机启动电流（软启动）Iqd=2Ie=2190=380A；Ifhmax=92.4+76+380=548.4A。（1）按定时限躲电机启动电流整定： 与主变过流（4.85A 800/5 0.7S）配合， 取12.9A 0.4SK2点灵敏度：Klm= 不满足（2）加复合电压：Ifhmax=92.4+76+190=358.4A。 取8.4A 0.4S （II、III段时限停用）K2点灵敏度：Klm= 满足低电压：65V； 负序电压：7V。复压灵敏度：K2点故障

4、U大= ，U小= 低电压不满足U2大= ，U2小= 负序电压在系统大方式，1、2#变分裂运行时没有灵敏度，故负序电压也不满足。结论1：由以上计算可以得出结论，定时限过电流保护对117水泥磨线不能兼顾保护相邻设备和有效躲过电机启动电流的功能，相邻上级断路器不能有效切除1、2#动力变上的故障，加之时限上已没有配合裕度，因此定时限过流保护实现不了保护任务。 （3）若按反时限整定： （取曲线C3，极端反时限：）根据绿皮书396页资料，绕线式电机启动电流持续时间在1015S，当最大电机按2倍的启动电流启动（即M=548.4505.98=1.084）时，保护动作时间不小于15S。于是： 取最小值 当K1点

5、小方式两相短路故障，会先于II段动作。当K2点小方式两相短路故障，此运行方式下后备保护切除故障时间较长，为安全起见，动力变可配置定值对低压侧故障有灵敏度的电流速断保护。当K2点大方式三相短路故障，结论2：反时限保护实现了对1、2#动力变的远后备保护功能，实现了有选择切除故障设备，而不影响对非故障设备正常供电的目的。过电流保护选反时限是适宜且有效的。中堡变611独石头线1、参数计算1）导线排列方式 ：三角排列，几何均距 D=，查表取D=1.1。2）各型号导线的参数如下：LGJ-120：，； LGJ-95：，； LGJ-70： ，； LGJ-50：，；LGJ-35： ，； 3）负荷中的高压电机：2

6、260kW2440kW2360kW，cos=0.85；配变：3180kVA。阻抗图短路电流： 2、保护计算：保护装置：XRL-261 版本号：V2.2 CT：1003005 取30051）电流段按线末故障确定：2）电流段 最大负荷电流统计：按装见，配变：Ie=306A；电机：Ie=29.4249.8240.8=199.2A。装见最大负荷电流：440kW电机启动电流：Iqd=5 Ie=549.8=249A。考虑电机启动最大负荷电流：（） 躲电机启动最大负荷电流： 灵敏度校验：；。对小坪三级、独石头四级、河靖六级及线末均无灵敏度。 采用电压闭锁过电流保护： 低电压原件：；可见此时电压元件在线末故障

7、时没有灵敏度，电压元件不可用。此时，定时限过电流保护已不能实现保护全线的功能。若改用反时限保护： 根据绿皮书396页资料，鼠笼型电机启动电流持续时间在1015S，当最大电机按6倍的启动电流启动（即M=754.4713.2=1.057）时，保护动作时间不小于15S。要满足时限要求，须取曲线C3，极端反时限：。于是： 取最小值 当K1点小方式两相短路故障，；当K2点小方式两相短路故障，；当K3点小方式两相短路故障，；当K4点小方式两相短路故障，；此运行方式下后备保护切除故障时间较长，为实现保护的有效性，主线后段、小坪三级、独石四级、河靖六级的部分小截面导线应更换为适当大截面导线。如果小坪三级LJ-

8、50导线更换为LGJ-120导线，可用。如果主线49#杆以后导线更换为LGJ-120导线，时限仍显过长。此时应在线末故障有规定灵敏度处加装柱上开关，即：，阻抗：91600.866/13532.1473=3.7156，由阻抗图可知在主线48#杆处加装柱上开关。此处：，故柱上开关可配置定时限过电流保护，定值按躲电机启动电流整定，时限取1S。以上2个案例充分说明了定时限过电流保护在配网线路中，特别是带高压电机的配网线路中往往没有保护能力且逐级配合时间级差较多。再加上定时限保护的保护范围不确定, 受到电网运行方式的严重影响, 即受到电源阻抗、线路阻抗和故障阻抗的影响。对于零序定时限电流保护, 如果定值

9、考虑了高接地电阻而实际接地过渡电阻较小, 则保护可以延伸出被保护线路很长范围。配置新的保护类型已势在必行。相对来说,反时限保护配置简单、经济，能很好的躲电机启动电流，其本身所具有的自适应性和受运行方式影响小的优点得以体现；故我们建议在有大功率电机的配网线路和用户设备加装反时限电流保护，以简化定值配合和减少配合级差，提高保护效能。目前白银网内的一些用户保护也采用反时限保护作为设备保护方式。因此, 反时限电流保护的相关整定配合是一个值得进一步研究探讨的问题。二、 我国配电系统的保护配置情况我国中低压配电线路，大多采用三段式过电流保护，且主要以定时限保护为主,为保证其选择性，逐段提高保护动作时限，可

10、能造成电源端后备保护动作时间较长，保护切除故障时间增长，造成不必要的损失。国外目前很多采用反时限过流保护，其优点就是在靠近电源侧输电线路故障时，就后备保护而言，动作时间较三段过流保护明显缩短。在国内，由于传统的感应型反时限保护与定时限之间难以配合,从而限制了它的应用。近年来随着数字保护技术的成熟, IEEE 和IEC 建立了反时限过流继电器动作特性标准，反时限过流保护在我国电力设备和低压配网中也逐步得到应用。电力行业也制定了反时限保护的相关规程:DL/T 823-2002 微机型反时限电流保护通用技术条件，为反时限保护的应用提供了技术标准和运行管理依据，为其推广奠定了基础。三、 反时限保护的发

11、展及应用范围世界各国在发展配电系统微机保护时, 都大力发展反时限过电流保护,美国GE、ABB 和BBC三家公司研制和生产的配电系统微机保护装置提供多达4-8种时间过电流保护特性供选择, 除定时限过电流保护外, 其余3-7种均为各种反时限保护特性, 供不同场合选用。近几年, 我国不少厂商也开发和生产了各种配电系统微机保护装置, 其时间过电流保护除深圳、南京自动化研究所的产品具有一种反时限过电流保护外,其它产品一般只有定时限过电流保护功能，这也是我国在微机保护领域与世界水平的差距。在电力系统领域中反时限特性继电器的使用已有50多年的历史，从感应型继电器一直到后续的固态继电器、微机型继电器，其优点就

12、是根据过流(过压、过励磁等)的程度来决定故障切除时间，故障越严重切除时间越短，它可以和相邻设备的保护进行配合来保证动作的选择性。与定时限继电器相比，反时限特性继电器一是在需要和相邻设备配合时级差较小，灵敏性好，另一个是反时限特性更适应设备的自身特性要求，如设备的过励磁特性、温度特性等，为设备提供快速保护。反时限保护不单只用在发电厂的厂用电动机，还广泛应用在用户侧的电动机保护、电抗器保护、配变、电炉变、整流变以及用户开关站的配电线路保护。四、 反时限保护整定方案1、 反时限保护曲线类型介绍 1）现有的反时限特性曲线的数学模型 目前，国内外常用的反时限保护的通用数学模型的基本形式为： （4-1）

13、式中，I故障电流； Ip保护启动电流； r常数，取值通常在02之间（也有大于2的情况）； k常数，其量纲为时间。 上式表明，动作时间t是输入电流I的函数。 当 则 表明保护不动作。 当 则 表明保护不动作。 当 则 表明保护将动作。I越大，保护动作时间t越小。按照IEC255-03标准： r1时，称为一般反时限(FSXTX=l.0)特性： （4-2） 其中，上式称为标准反时限特性。 tp为反时限过流保护时间常数整定值。 r=1时，称为大反时限（甚反时限）(FSXTX=2.0)特性： （4-3） 其中，上式称为非常反时限特性。 1r=2时，称为超反时限(FSXTX=3.0)特性： （4-4）其中

14、，上式称为超反时限特性。国内厂家说明书一般称为“极端反时限”特性。此外，南自厂还提供长反时限特性曲线： （4-5）2）按照IEEE Std C37.112-1996 规定的标准方程: （46） （47） t : 跳闸时间(S) M: 起动电流的倍数 TDS : 时限整定值 p : M的指数常数，可仿真不同的特性曲线.上述(46), (47)式，通过参数的合理选取可用来实现与CO, IAC系列继电器对应的一般反时限、非常反时限、极端反时限特性的微机继电器。该标准反时限曲线在国内应用很少，故下面不再做讨论。3）电动机热过载保护： a）冷态特性 （48） b）热态特性 （49）式中t 动作时间 时间

15、常数， 反映电动机的过负荷能力IB 基准电流， 即保护不动作所要求的规定电流极限值k 常数 I 继电器电流 Ip 过负荷前的负载电流4)零序电流反时限特性 （4-10）式中:C 反时限特性常数， 一般反时限，C =0.02， 非常反时限，C 二1， 极度反时限， C=2;k 反时限常数;IOB一 零序电流反时限启动定值;I 动作电流。5）反时限参数的取值范围a) 反时限下限启动电流定值范围:0.01In2In。b) 反时限常数定值范围:1100。c) 反时限上限电流定值范围:0.1In20In。d) 反时限上限时间定值范围:0.1S-l0S。e) 电流定值误差: 2.5%或0.02In。f)

16、定时限时间误差: 2.5%或40ms， 6）反时限时间误差满足以下两条件之一:a) 时间误差: 5% (1I /80IB) 或40ms, I 为动作电流值，IB为基准电流。b) 动作电流I 与计算电流Ic 误差: 2.5%或0.02In, Ic 由动作时间经反时限公式计算值。2、 反时限特性介绍：反时限过电流保护在原理上和很多负载的故障特性相接近，因此保护特性更为优越。反时限电流保护在国外应用较为广泛，尤其在英、美国家应用更为广泛。实际上，许多工业用户要求保护为反时限特性，而且对于不同的用户（负荷），所需的反时限特性并不相同。其特性在前面的论述中已做了较详尽的论述，这里再做一总结。对于不同的r

17、值，代表不同的应用场合，与不同的被保护设备特性相对应。例如：r1，常用于被保护线路首末端短路故障电流变化较大的场合。r2，常用于反映过热状况的保护。（电动机、发电机转子、变压器、电缆、架空线等）（因为发热与电流的平方成正比）这两种是国内最常用的两种反时限特性曲线。3、 启动定值：反时限过流保护装置的起动电流按照定时限过流保护的起动电流整定方法整定(见式4-8)，同时为了保证各个保护之间动作的选择性，其动作时限也应按照阶梯型的原则来确定。但是由于保护装置的动作时间与电流有关，因此其时限特性的整定和配合要比定时限保护复杂。 （4-11）其中： ，可靠系数；，自启动系数； ，返回系数；4、 反时限保

18、护的定值整定与配合关系：假设图 4-1 中在每条线路始端（d1,d2,d3,d4）短路时的最大短路电流分别为Id1max、Id2max、Id3max和Id4max，则在此电流的作用下，各线路自身的保护装置的动作时限均为最小，为了在各线路保护装置之间保证动作的选择性，各保护可按下列步骤进行整定。首先从距离电源最远的保护 1 开始，其起动电流按式（4-11）整定为Idz1，当d1点短路时，在Id1max的作用下，保护1可整定为瞬时动作，其动作时限即为继电器的固有动作时间tb，这样保护 1 的时限特性曲线即可根据以上两个条件确定，使之通过a1和b两点，如图 4-1（c） 中的曲线。此特性曲线的选择，

19、可根据继电器制造厂提供的曲线组或通过实验进行。接下来整定保护 2，其起动电流如保护1整定为Idz2，根据a2点坐标可确定特性曲线的一个点。d1点短路时，为保证选择性，必须选择当电流为Id1max时，保护2的动作时限比保护1高出一个时间级差t，即tc=tb+t，保护2的时限特性曲线应通过c点。根据a2、c两点就可以确定保护 2 的时限特性曲线，如图 4-1（c）中曲线 即为保护2的特性曲线。这样选择后当被保护线路始端d2点短路时，在短路电流Id2max的作用下，其动作时间为td，小于tc，因此能较快地切除近处的故障。克服了定时限保护越靠近电源点动作时限越大，不能快速切除靠近电源点故障的缺点。对于

20、保护 3，则仍按以上的原则进行，依式（4-11）算出起动电流Idz3，得特性曲线a3点，当d2点短路时与保护2配合，选取电流为Id2max时动作时间te=td+t，确定了特性曲线e点，得到如图 4-1（c）中曲线即为保护3的特性曲线。根据该曲线，当被保护线路始端d3点短路时，其动作时间tf，小于te。同理可整定保护4，得出图4-1（c）中曲线即为保护4的特性曲线。对于安装在发电机上的保护5，一般采用定时限特性作为后备保护,动作时间整定为t5。如图4-1（c）所示,明显可以看出当不同地点短路时,各保护装置的动作时间,在保护范围内任何地点短路时,都可以保证各保护之间的动作选择性。5、 最小时间间隔

21、t 问题为确保选择性，主后备保护的动作时间必须有T的时间间隔，如图4-2保护整定配合时间级差图所示：T可根据继电保护规程确定，但如果 T确定为定值，在进行协调整定的过程中常常出现整定无结果或得不到可行解的情况，因此，为避免此情况，将T变量化，使T作为变量参与运算，并且有多少对主后备保护就有多少个T变量，在计算模型中加入 T的限制条件：TminTTmax （412）6、 启动电流 Idz的选取问题为了保证选择性，下一级保护的灵敏度一般大于上一级保护的灵敏度，随着短路点远离电源点，短路电流减小，会出现流过后备保护的短路电流小于启动电流的情况,而使得计算模型中得不到正确限制条件的个数，因此易得出错误

22、的结果。对于此问题可以使启动电流 Idz 也作为变量，并加入式（412）所示限制条件，这时模型就变成了以TDS 和 Idz 为变量的非线性方程，所以要采用非线性算法对其求解，现代计算机技术发达，是可以实现的。Idz min Idz Idz max （413）7、 反时限保护整定实例以图4-3配网接线图及其参数为例进行反时限保护整定计算，在3514过红线、红堡变1#、2#主变及613腰井线配置微机型反时限过流保护。则根据第6条的整定计算方案计算各保护装置定值。1） 短路电流计算：表4-1：各点短路电流计算结果首端K1点K2点K3点大方式2849A1839A1002A（691A）722A小方式14

23、47A1094A507A379A注：括弧内为单台主变运行时大方式短路电流。2） 定值计算：如前所述整定方案，应先从距离电源点最远的613腰井线开始整定。613腰井线的启动值按LGJ-70导线的最大允许载流量265A（转换到35kV电压等级下：2656.337=45A）确定：。对于613始端K2点在大方式下三相短路故障时，故障应快速切除。即tp=0.05时三种类型曲线切除故障时间如表4-2所示。表4-2：大方式下K2点三相短路时各曲线动作时间（S）M值一般反时限非常反时限极端反时限15.70.12360.0460.016由表4-2可以看出反时限保护应选曲线C，即极端反时限保护。整定结果：Idz=

24、64A，FSXTX=3.0，tp=0.05。进行校核，结果如表4-3所示。表4-3： 613腰井线各种短路故障下保护动作时间（S）校核M值动作时限t（S）K1点小方式两相短路7.90.065K2点大方式三相短路11.280.032K2点小方式两相短路5.90.118从表4-3可以看出，采用反时限保护后，终端配网全线实现了快速切除故障，有效缓解了主网时间级差紧张的难题。对于线路上的瞬时性故障，可通过重合闸进行纠正。接下来整定红堡变1#、2#主变反时限定值：启动电流，。为保证选择性在K2点大方式下三相短路故障时，红堡变1#、2#主变保护时限必须比613腰井线高出一个时间级差，即tk2=0.016+

25、0.3=0.316S，由以上条件可以求出各曲线时间常数tp及K1点大方式下三相短路时的动作时限，如表4-4、4-5所示：表4-4：大方式下K2点三相短路时各曲线时间常数（tp）M值 一般反时限非常反时限极端反时限8.60.010.180.29表4-5：大方式下K1点三相短路时各曲线动作时间（S）M值 一般反时限非常反时限极端反时限15.80.24670.16420.0933由表4-4、4-5可以看出，仍须选曲线C ,即极端反时限。整定结果：Idz=116.5A，FSXTX=3.0，tp=0.29。进行校核，结果如表4-6所示。表4-6： 红堡变1#、2#主变各种短路故障下保护动作时间（S）校核

26、M值动作时限t（S）K2点小方式两相短路9.40.266K3点大方式三相短路5.90.686K3点小方式两相短路4.41.264同理整定3514郭红线反时限保护定值：。为保证选择性在K1点大方式下三相短路故障时，红堡变1#、2#主变保护时限必须比613腰井线高出一个时间级差，即tk2=0.0933+0.3=0.3933S，由以上条件可以求出各曲线时间常数tp及首端大方式下三相短路时的动作时限，如表4-7、4-8所示：表4-7：大方式下K1点三相短路时各曲线时间常数（tp）M值 一般反时限非常反时限极端反时限7.90.120.20.3表4-8：大方式下首端三相短路时各曲线动作时间（S）M值 一般

27、反时限非常反时限极端反时限12.20.32750.24110.1623由表4-7、4-8可以看出，还须选曲线C ,即极端反时限。整定结果：Idz=233A，FSXTX=3.0，tp=0.3。进行校核，结果如表4-9所示。表4-9：3513郭红线各种短路故障下保护动作时间（S）校核M值动作时限t（S）首端小方式两相短路6.20.641K1点大方式三相短路7.90.391K1点小方式两相短路4.71.1388、 感应型继电器的定值整定：反时限保护整定原则与定时限保护相同，且整定项目少，老式的感应型GL反时限继电器兼有启动元件、时间元件、出口中间继电器（触点容量大）以及信号继电器功能，接线非常简单等

28、诸多优点。目前，在白银电网中，用户变电所内还大量采用GL型反时限继电器。反时限过电流保护的动作时间，为保证选择性，应按照阶梯型时限特性确定；但由于其动作时限与电流大小有关，相邻线路之间时限配合复杂，是其缺点。如图4-4所示，假设被保护线路XL-1、XL-2的电源侧分别装设有反时限过电流保护1和2，其继电器的启动电流为，当线路XL-1的始端d1点发生短路时，短路电流是流过保护装置2的最大穿越性短路电流，因此，选d1点作为动作时限的配合点。假定保护装置1的动作时限特性已确定，如图4-5中曲线所示，根据特性曲线和动作电流倍数K1=/可得到保护装置1在d1点短路时的动作时限。在线路XL-1其他各点短路

29、时的动作时限可以用同样的方法求出，于是得到图4-4保护装置1的动作特性曲线1。当d1点短路时，保护装置2也将启动，按照选择性的要求，保护装置2的动作时限t2要比保护装置1的动作时限大一个时间级差t，即=+t（其中t取0.50.7S）。算得t2即求的保护装置2的动作特性曲线上的一点P（K2=/），这样保护装置2的动作特性曲线即可完全确定下来，如图4-5中曲线所示，由曲线即可求出XL-2上其他各点短路时，保护装置2的动作时间，如图4-4中曲线2所示。从图中不难看出，d1点短路时，保护2和保护1的时间级差t，较其他各点短路时小，只要d1点时间级差满足要求，则其他各点的时间级差也必然能满足要求，这就是

30、选择d1点进行时限配合的原因。在实际调整继电器时，首先按选好启动电流，然后根据（通常用的倍数来表示）及（）来调整时限特性曲线，即将电流通入继电器，调整实践刻度把手位置，使测得的动作时间为整定时间（）即可。9、反时限保护在白银网内的应用实践 反时限电流保护在白银公司铅锌厂和华鹭铝业公司供电设备中得到了广泛的应用，投运以来一直运行良好，保护动作灵敏、可靠，没有出现过拒动或误动的情形。反时限保护在这两家用户设备的运行实践为我公司在配网线路中推行反时限电流保护提供了宝贵经验及可行性依据。五、结论通过以上的讨论可以得出结论，反时限电流保护对配网线路、用户电炉变、整流变、电动机保护有着优良的保护效果，对于

31、降低保护时间级差功绩非凡，值得推广应用。本文着重讨论了常规电流反时限保护，对于零序反时限保护以及反时限保护与距离保护的配合问题还有待进一步的研究探讨。参考文献： 崔家佩 孟庆炎 陈永芳 熊炳耀 电力系统继电保护与安全自动装置整定计算水利电力出版社 1993年3月 ISBN7-120-01632-6/TM.446 贺加李 宋从矩 电力系统继电保护原理（第三版） 中国电力出版社 1994年10月 ISBN7-80125-537-2/TM.771 DL/T 803-2002 微机型反时限电流保护通用技术条件 李兆丰 继电保护技术（工厂电气技术丛书） 化学工业出版社 2000年4月 ISBN7-5025-2755-9/TM.1518