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          三段式電流保護工作原理、整定計算

          什么是三段式電流保護

                  三段式電流保護指的是電流速斷保護(第一段)、限時電流速斷保護(第二段)、定時限過電流保護(第三段)相互配合構成的一套保護、下面我們就來詳細介紹一下三段時電流保護的工作原理和整定計算方法。

          一、電流速斷保護(第I段)

          電流速斷保護原理圖
          簡單網絡接線示意圖
           
              對于僅反應于電流增大而瞬時動作的電流保護,稱為電流速斷保護。為優先保證繼電保護動作的選擇性,就要在保護裝置起動參數的整定上保證下一條線路出口處短路時不起動,這在繼電保護技術中,又稱為按躲過下一條線路出口處短路的條件整定。以上圖1所示的網絡接線為例,假定每條線路上均裝有電流速斷保護,對于安裝在A母線處的保護1來講,其起動電流2.png必須整定得大于d2點處短路時,可能出現的最大短路電流,即在最大運行方式下B母線上三相短路時的電流三段式電流保護公司,即:
          電流速斷保護計算公式
              當被保護線路的一次側電流達到起動電流這個數值時,安裝在A母線處的保護1就能起動,最后動作于跳斷路器1對保護2來講,按照同樣的原則,其起動電流必須整定得大于d4點處短路時,可能出現的最大短路電流,即在最大運行方式下C母線上三相短路時的電流三相短路電流,即:
          三相短路電流計算公式

              當被保護線路的一次側電流達到起動電流這個數值時,安裝在B母線處的保護2就能起動,最后動作于跳斷路器2。
              后面幾段線路的電流速斷保護整定原則同上。
              電流速斷保護的主要優點是:簡單可靠,動作迅速,因而獲得了廣泛的應用。但由于引入的可靠系數可靠系統,所以不難看出,電流速斷保護的缺點是:不能保護本線路的全長,且保護范圍直接受系統運行方式變化的影響。運行實踐證明,電流速斷保護的保護范圍大概是本線路的85%~90%。

           

          二、限時電流速斷保護(第II段)

          1、工作原理及整定計算的基本原則
              由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長,因此我們考慮增加一段新的保護,用來切除速斷范圍以外的故障,保護本線路的全長,同時也能作為電流速斷保護的后備保護。由于要求它必須保護本線路的全長,因此它的保護范圍必然要延伸到下一條線路中去,這樣當下一條線路出口處(如圖1中,對于保護1來說,d2點處)發生短路時,它就要起動,在這種情況下,為了保證動作的選擇性,就必須使保護的動作帶有一定的時限,但又為了使這一時限盡量縮短,我們就考慮使它的保護范圍不超過下一條線路速斷保護(如圖1中的保護2)的保護范圍,而動作時限則比下一條線路速斷保護高出一個時間階段,即
           
          電流速斷保護計算公式

              如圖2(a)所示,由于它能以較小的時限快速切除全線路范圍以內的故障,所以我們稱它為限時電流速斷保護。
              現以圖2中的保護1為例,來說明限時電流速斷保護的整定方法。
              設保護2裝有電流速斷保護,其起動電流按照(1-3)式計算后為:公式假設其保護范圍為B母線到d3之間的部分,則在d3點發生短路時,短路電流即為,公式保護2的速斷保護剛好能動作。根據以上分析,保護1的限時電流速斷保護不應超出保護2的電流速斷保護的保護范圍,因為在單側電源供電的情況下,它的起動電流就應該整定為:

          限時電流速斷保護整定公式

              在上式中能否取兩個電流相等?如果選取相等,就意味著保護1的限時電流速斷保護的范圍正好和保護2的電流速斷保護的范圍相重合,這在理想的情況下雖是可以的,但在實踐中是不行的。因為保護1和保護2安裝在不同的地點,它們所使用的電流互感器和繼電器的特性很難完全一樣,如果正好遇到保護2的電流速斷保護出現負誤差,其保護范圍比計算值縮小,而保護1的限時電流速斷保護出現正誤差,其保護范圍比計算值增大,那么在實際上,當計算的保護范圍末端(比如圖1中的d3點,甚至其后面至C母線之前的某點)短路時,就會出現保護2的電流速斷保護不能動作,而保護1的限時電流速斷保護卻會起動的情況,由于故障位于線路B-C之間,即便是保護2的電流速斷保護不能起動,也應該由它的限時電流速斷保護動作切除故障,,而如果保護1的限時電流速斷保護也起動了,其結果就是兩個保護的限時速斷同時作用于跳閘,因此保護1就失去了選擇性。為了避免這種情況發生,就不能采用兩個電流相等的整定方法,而必須采用,引入可靠系數,即為:

          限時電流速斷保護
              對于可靠系數:可靠系統,考慮到短路電流中的非周期分量已經衰減,故可選取得比電流速斷保護的可靠系統小一些,一般取公式
              由此可見,在線路上裝設了電流速斷保護和限時電流速斷保護以后,如果在保護1的電流速斷保護范圍內故障,兩者都能起動,但限時電流速斷保護比電流速斷保護高一個時限,在時間上保證了選擇性,因此由電流速斷保護瞬時切除故障;而如果在保護1的電流速斷保護范圍以外而同時又在線路A-B范圍內故障時,則由保護1的限時電流速斷保護動作以較短的時限(在0.35~0.6s之間,通常最多取0.5s)切除故障。
              所以,線路裝設了電流速斷保護和限時電流速斷保護以后,它們的聯合工作就可以保證全線路范圍以內的故障能夠在0.5s的時間內予以切除,在一般情況下都能夠滿足速動性的要求。因此具有這種性能的保護可以作為線路的“主保護”。
           
          限時電流速斷保護動作時限配合關系圖
           

          2、保護裝置靈敏性的校驗
              為了能夠保護本線路的全長,限時電流速斷保護必須在系統最小運行方式下,線路末端發生兩相短路時,具有足夠的反應能力,這個能力通常用靈敏系數來衡量。對反應于數值上升而動作的過量保護裝置,靈敏系數的含義是:

           靈敏系數的含義
           
              式中故障參數(如電流、電壓等)的計算值,應根據實際情況合理地采用最不利于保護動作的系統運行方式和故障類型來選定。
              對于圖1中保護1的限時電流速斷保護而言,即采用系統最小運行方式下線路A-B末端發生兩相短路時的短路電流相關參數作為故障參數的計算值。代入上式則靈敏系數為
           
          限時電流速斷保護相關計算公司

          對于限時電流速斷保護應要求。
              如果靈敏系數因為各種原因不能滿足要求時,通常可以考慮進一步延伸限時電流速斷保護的保護范圍,使之與下一條線路的限時電流速斷保護相配合,如圖2(b)所示,這樣其動作時限就應該選擇得比下一條線路的限時電流速斷保護的時限再高一個相關計算公式,一般取為1~1.2s,此時
           
          限時電流速斷保護相關公式

              因此,隨著保護范圍的伸長,必然導致動作時限的升高。
              問題:如圖2所示,不難看出,保護1的限時電流速斷保護與保護1的限時電流速斷保護速斷保護的動作時限是一樣的。假設在B-C線路的某點發生短路(就比如d2點),而這點除了在保護2的電流速斷保護和限時電流速斷保護范圍內以外,又在保護1的限時電流速斷保護的范圍內,此時,假設保護2 的電流速斷保護因各種原因不能動作,按照選擇性的要求,應該由保護2的限時電流速斷保護動作出口,可是,保護1的限時電流速斷保護也能啟動,且動作時限和保護2的限時電流速斷保護相同,就會出現兩者同時出口的現象,應該怎么解決呢?
           
          三、定時限過電流保護(第III段)
              過電流保護通常是指其起動電流按躲過最大負荷電流來整定的一種保護。它在正常運行時不起動,而在電網發生故障時,則能反應于電流增大而動作,它不僅能保護線路的全長,也能保護相鄰線路的全長,以起到后備保護的作用。
           
           
          1、工作原理及整定計算的基本原則
               為保證在正常運行時過電流保護絕不動作,保護裝置的起動電流必須整定得大于該線路上可能出現的最大負荷電流最大負何電流,并且在實際中確定起動電流時,還必須考慮在外部故障切除后,保護是否能夠返回的問題。如圖3所示,當d1點短路時,短路電流將流過保護5、4、3,這些保護都要起動,但是按照選擇性的要求,應由保護3動作切除故障,然后保護4和5由于電流已經減小而應立即返回。
           
          過電流保護起動電流和動作時間的網絡圖

              而實際上當外部故障切除后,流經保護4和5的電流是仍然在繼續運行中的負荷電流,由于短路時電壓降低,變電所B母線上所接負荷的電動機被制動,因此,在故障切除后電壓恢復時,電動機要有一個自起動過程,電動機的自起動電流要大于它正常工作的電流,一般為正常工作時電流的6倍左右。因此,我們引入一個自起動系數參數來表示自起動時的最大電流最大電流與正常運行時最大負荷電流最大負何電流之比,即:
           
          過電流保護相關系數與公式


              由于保護裝置的起動和返回是通過電流繼電器來實現的,因此,繼電器返回電流與起動電流的關系也就代表著保護裝置返回電流與起動電流的關系,為此引入繼電器的返回系數參數,則保護裝置的起動電流即為
           
          相關計算公式

          2、動作時限的整定
              過電流保護的動作時限要按照選擇性的要求來整定,如圖4所示,假定在每個電氣元件
           
          單側電源網絡中過電流保護動作時限的選擇

              上均裝有過電流保護,各保護裝置的起動電流均按照躲開被保護元件上各自的最大負荷電流來整定。這樣當d1點短路時,保護2、3、4、5在短路電流的作用下都可能起動,但要滿足選擇性的要求,應該只有保護1動作切出故障,其他保護在故障切除之后應立即返回。這個要求只有依靠使各保護裝置帶有不同的時限來滿足。
              保護1位于電網的最末端,只要電動機內部故障,就可以瞬時動作給予切除,t1就是保護裝置本身的固有動作時間,對于保護2來講,為了保證d1點短路時動作的選擇性,則應整定其動作時限t2>t1,引入時間階段△t,則保護2的動作時限為
           
          計算公式
           
              保護2的時限確定以后,當d2點短路時,它將以t2的時限切除故障,此時為了保證保護3動作的選擇性,又必須整定t3>t2,引入時間階段△t,則保護3動作時限為
          同理,依次類推,保護4、5的動作時限為
           
          過電流保護整定計算

              
              式中,t1為1號(電動機)保護的動作時間;t2為2號(變壓器)保護的動作時間△t;t3為3號(線路B-C)保護的動作時間。故t4在實際上應取其中最大的一個。
          這種保護的動作時限,經整定計算確定后,即由專門的時間繼電器予以保證,起動作時限與短路電流的大小無關,因此稱之為定時限過流保護。
          此保護的缺點:當故障越靠近電源端時,短路電流越大,但保護動作切除故障的時限反而越長。因此,在電網中,廣泛采用電流速斷保護和限時電流速斷保護來作為本線路的主保護,以快速切除故障,利用定時限過電流保護來作為本線路和相鄰線路的后備保護,此時對本線路來說稱之為近后備保護,對相鄰線路來說,稱之為遠后備保護。
          從圖4中也可以看到,處于電網最終端附近的保護裝置(如保護1和2),其過流保護的動作時限并不長,因此在這種情況下,它就可以作為主保護兼后備保護,而無需再裝設電流速斷保護或限時電流速斷保護。
           
          2、定時限過電流保護靈敏系數的校驗
              過電流保護靈敏系數的校驗仍采用式(1-7),當過電流保護作為本線路的主保護時,應采用最小運行方式下本線路末端兩相短路時的電流進行校驗,要求要求;當作為相鄰線路的后備保護時,則應采用最小運行方式下相鄰線路末端兩相短路時的電流進行校驗,此時要求要求。 
           
          四、總結
              由于電流速斷保護不能保護線路的全長,而限時電流速斷保護又不能完全作為相鄰線路的后備保護,因此,為了保證迅速而又選擇性地切出故障,常常將電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護組合在一起,構成階段式電流保護。具體應用時,可以只采用電流速斷保護加定時限過電流保護,或者限時電流速斷保護加定時限過電流保護,也可以三者同時采用。

           

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