反時限過電流保護原理分析及測試方案研究

韓昱 韓仁義 段璞真 劉云飛 史新華

（1.國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司 2.國網(wǎng)山西省電力公司五寨縣供電公司）

反時限過電流保護原理分析及測試方案研究

韓昱1韓仁義1段璞真2劉云飛1史新華1

（1.國網(wǎng)山西省電力公司忻州供電公司 2.國網(wǎng)山西省電力公司五寨縣供電公司）

本文對電力系統(tǒng)中三種反時限特性進行原理說明，并且對反時限在線路與元件中的應用進行介紹。結合測試技術對反時限過電流保護原理進行驗證，在現(xiàn)有原理基礎上對反時限曲線的革新引入散熱系數(shù)進行分析，并對該類型保護的反時限功能進行調試工作。

反時限；過流；散熱系數(shù)；調試

0 引言

反時限過流保護在電力系統(tǒng)中應用廣泛，主要用作線路后備保護、變壓器保護和發(fā)電機保護等等。國內一直采用定時限保護作為配電網(wǎng)的主保護和輸電線路的后備保護。鑒于反時限過流保護的諸多優(yōu)點，目前我國的一些地區(qū)也開始采用反時限過流保護或者反時限過流保護與定時限過流保護相結合的保護模式。在國外，反時限過流保護廣泛應用于各線路保護，ABB公司對于反時限保護的曲線模擬做出5種曲線，應用十分廣泛。

通過對反時限目前的應用進行分析，結合反時限與定時限配合整定以及對于變壓器與發(fā)變組中元件反時限原理進行測試分析。加入散熱系數(shù)后對原有反時限公式進行修正，克服了傳統(tǒng)反時限過流保護不能準確反映電流快速變化時的真實故障狀態(tài)。

1 反時限保護原理分析

反時限過流保護是指動作時間隨短路電流的增大而自動減小的保護。反時限動作的特性是保護動作時間與動作電流水平成反比。

目前反時限過電流繼電器已制成標準化產(chǎn)品而被社會廣泛應用。國際公認的表示時間—電流特性的數(shù)學建模為：

式中 ，T為動作時間； Q為常系數(shù)；I為起動電流倍數(shù) ；r為常系數(shù)。

式（1）表明過電流繼電器的動作時間T與輸入電流量I的函數(shù)關系。其中當I較小時例如小于1時整體值小于0表示不動作。當較大時例如大于1時整體值比0大，繼電器將會動作。明顯的，從函數(shù)表達可以看出隨著I的值增加，T的值會慢慢縮短。即表示動作時間與動作電流的大小呈現(xiàn)反 比特性。

按照目前IEC的標準來說，反時限被分為三類。

對于r值的選取不同，其相應的場合也存在著變換。保護線路時通常用到r=1的非常反時限，可以反映保護線路末端的短路故障電流變化很大的情況；發(fā)電機轉子、變壓器等需要反映其發(fā)熱情況的保護通常會使用r＞1的極端反時限；第一類使用情況較少，常見于小型民用電機的過流保護。因為反時限曲線是通過研究其最大承受熱曲線繪制而成，所以必須很好地區(qū)分清楚此三類曲線的應用范圍。

1.1 傳統(tǒng)反時限保護原理

傳統(tǒng)反時限保護通過電流量轉換成電磁量后，再通過電磁量對力臂吸引完成常開觸點閉合。常見的GL—10型反時限保護其反時限曲線不僅包含了反時限部分還有部分定時限部分，當達到所要求速斷部分后其還包含速斷要求。電磁型反時限繼電器也是一種改進型反時限保護裝置，實現(xiàn)了反時限的特性并且也具有定時限特性，當達到元件要求熱承受值時還可以達到速斷要求。反時限i - t特性曲線如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)型反時限i - t特性曲線

1.2 微機型反時限繼電器

隨著單片機的應用，自動化水平日益提高。模塊化編程實現(xiàn)所有保護集合，反時限保護就成了集成模塊中一個邏輯子集。從子集邏輯框圖可以清楚地得到反時限過流所需定值以及采集量，如圖2所示。

圖2 定子反時限過負荷保護邏輯框圖

在發(fā)變組保護通過大量分析引入散熱系數(shù)、發(fā)熱系數(shù)以及熱容量常數(shù)。將反時限曲線數(shù)字化，將電流變化轉化為元件可承受熱容量，反映更真實，且靈敏反映元件的發(fā)熱狀況。

式中， Ks.zd為定子繞組熱容量系數(shù)；Ksr.zd為發(fā)電機散熱效應系數(shù)； Is.zd——反時限啟動電流，A。

從式（2）中得知熱效應公式通過散熱與熱積累兩部分實現(xiàn)了元件的在正常發(fā)熱過程中的熱量獲取和散失。

2 測試方案及測試分析

本節(jié)結合RCS—985 保護裝置以及傳統(tǒng)型GL—10電磁繼電器，分析反時限過流保護保護的邏輯框圖，了解保護的定值整定。利用測試儀等工具，以具體的調試步驟完成對反時限過流保護保護常見判據(jù)的動作驗證。

2.1 電磁型元件測試分析

（1）實驗準備

了解GL—11型反時限電流繼電器的結構、接線動作原理及其使用方法，特別要仔細觀察其先合后斷轉換觸點的結構及其先合后斷的動作程序。并且掌握GL—11型繼電器的動作電流、返回電流、時限特性的測定方法。

（2）實驗步驟

1）將GL—11型電流繼電器觸點3、4分別接入電流輸入A接口，常開觸點1、2接入開關量輸入A接口。

2）打開PW并口版應用程序，進入手動實驗，時間特性模塊實驗界面如圖3 所示。

圖3 PW并口板時間特性實驗界面

3）添加序列選擇變化范圍，因動作值為2A，所以從1.5A為變化初始值。調節(jié)為5倍初始動作值時速動，所以變化終值設置為12A，變化步長為0.5A。調節(jié)額定（基準）電流為1A。點擊確認按鈕。

4）因為開始時故障跳閘時間較長，所以故障時間設置也必須滿足動作時間。故最大故障時間設置為10s。

5）開始實驗，i-t特性曲線會記錄下每個試驗點動作時間，直到每個點測試完畢實驗過程i-t特性圖如圖4所示。

圖4 i - t特性曲線圖

6）將實驗點的動作時間和電流比代入公式進行反時限曲線驗證最后得出該曲線滿足的是哪一種類型反時限公式。

7）拆線并整理。

（3）數(shù)據(jù)分析

從i-t特性圖中可以看出，傳統(tǒng)型反時限繼電器特性曲線與標準反時限公式曲線幾乎完全一樣，擬合程度很高。將i-t特性圖中部分點值制作成的Excel表格來具體說明反時限繼電器其作用效果。起動點、速斷點、接近定時限部分詳細值如表2所示。

從表中經(jīng)過數(shù)據(jù)代入得知此反時限電流繼電器為標準反時限電流繼電器。

表2 i-t特性曲線部分點值

2.2 數(shù)字式反時限過電流保護測試方案

（1）實驗準備

了解RCS—985微機保護中反時限過電流部分邏輯框圖、動作原理及其使用方法，尤其是了解其動作過程以及跳閘告警如何顯示。掌握過電流起動值，對于起動值左右的時間測定在DSP中如何觀測。

（2）實驗步驟

1）將RCS—985中的鳳凰端子排上的1ID8、1ID9、1ID10、1ID11分別接入測試儀的Ia、Ib、Ic、In中，鳳凰端子中的1PD1與1ND1分別接入測試儀開關量輸入回路。在硬壓板上投斷高壓側斷路器硬壓板。在1PD1與1ND1中有定子反時限過流保護控制字中控制投入的高壓側斷路器。試驗接線完畢，動作值起動值為1.2A，接線圖如圖5所示。

圖5 定子反時限接線圖

2）打開PW并口版應用程序，進入手動實驗。

3）選擇變量Ia、Ib、Ic，設置初始時間為2A，按住鎖定按鈕后改變電流量為4A、6.78A、10.17A、20.34A、27.12A，記錄下每個不同電流在其動作時間為多少。必須注意的是，每項反時限實驗做完后，必須要等熱積累歸零后，才能繼續(xù)再做下一項，否則動作時間測量會出現(xiàn)很大的偏差，影響測量結果值。當然其熱積累清零需要很長一段過程。如需要快速進行下一項實驗可以短時間內將硬壓板退出后再投入，這樣在DSP中會觀察到熱積累量迅速清零；在做實驗時，建議散熱效應系數(shù)要大于1，這樣就可以使得定子熱積累過后，還可以順次模擬定子的散熱過程。若設定的為1，那么就缺少了散熱過程，不合理。建議給定值為1.02～1.05。反時限定子過負荷熱積累量變化如圖6所示。

4）記錄數(shù)據(jù)在表格中如表3所示。

圖6 定子過負荷熱積累量變化圖

表3 定子反時限過電流保護實驗數(shù)據(jù)表

5）將電流輸出值調至0A，拆線并整理。

3 結束語

近年來，由于我國電力系統(tǒng)單機容量不斷增大，發(fā)電機定子過電流或者過勵磁以及轉子負序電流過大對電力系統(tǒng)及發(fā)電機本身都會造成嚴重危害。反時限保護動作曲線是通過發(fā)電機的熱效應模擬出來的接近發(fā)電機最大承受熱效應而得來的曲線，其擬合效果好，作為一種后備保護可以十分完美地完成其自身要求的保護動作行為。因此，加強對各類反時限過流保護及其動作行為的分析非常有必要。

本文分析了反時限過流保護保護原理結合調試大綱，重點研究RCS—985發(fā)變組保護裝置過定子反時限過電流保護功能的調試還對傳統(tǒng)電磁型GL—10型做了比較全面的研究，對各判據(jù)都進行了實際的驗證。

[1] 韓笑.電力系統(tǒng)繼電保護[M].北京：機械工業(yè)出版社,2011.

[2] 國網(wǎng)電力科學研究院實驗驗證中心.繼電保護及自動化設備檢驗培訓教材[Z].北京：中國電力出版社,2012.

[3] 國家電力調度通信中心.發(fā)電機變壓器繼電保護應用(第二版). 北京：中國電力出版社, 1998.

[4] 南京繼保電氣有限公司. RCS-985 系列發(fā)電機變壓器成套保護裝置培訓教材[Z].2009.

[5] 韓笑.電廠微機保護測試技術[M].北京：中國水利水電出版社,2008.

[6] 張保會，尹項根.電力系統(tǒng)繼電保護（第二版）.北京：中國電力出版社,2010.

2017-04-05）