电流型保护

电流型保护（精选九篇）

电流型保护 篇1

近年来, 具有自适应特性的智能保护理论成为继电保护发展和革新的方向。香港科技大学的So.C.W最早将遗传算法应用于反时限过流保护[1,2]。参考文献[3]在参考文献[2]的基础上, 用遗传算法直接求解离散的继电器的时间整定系数 (Time Dial Settings) 和继电器电流整定系数 (Current Setting Multiplier) 。但遗传算法在解决复杂多维问题时暴露出速度较慢、稳定性不够高的缺点。量子粒子群算法 (QPSO) 作为一种基于量子理论的群智能演化算法, 搜索能力强、鲁棒性好。本文综合前人研究的优缺点, 基于QPSO算法本身原理进行改良, 优化反时限过流保护目标函数, 通过算例验证其优越性。

2 目标函数的建立

继电保护优化整定问题是一个多目标、多变量和多约束的全局优化问题。基于保护“四性”的原则考察反时限保护可靠性、整定时间对应的选择性和速动性、灵敏性, 以此建立寻优目标, 并给各约束条件赋以相应权重, 下面主要对四个指标进行定义与分析。

1) 时间级差约束违背惩罚数

继电保护首要原则便是选择性, 将时间级差违背总数作为一个考虑的指标, 对于系统故障i, 配合保护对元件j的上、下游保护装置动作时间之差定义为:

其中, Mi, j为不满足时间级差约束的惩罚数, ti, j为实际动作时间级差, t'i, j为给定时间级差, δ指时间级差, 通常范围设定在0.2~0.6 s之间, 本文选取固定的0.4 s。综合系统所有故障中全体保护协调配合, 可得到时间级差约束违背总数为:

2) 灵敏度约束违背惩罚数

k'i, j、ki, j分别代表故障i情况配合对元件j的近故障点主保护和近电源侧后备保护的灵敏度;kmin为灵敏度最小值。定义灵敏度约束违背惩罚数Nki, j为:

与时间级差约束违背数类似, 可定义灵敏度约束违背数总数为:

3) 故障持续时间

ti代表故障i的故障时间, 记该故障对系统的危害率为Pi, 对各种故障情况下的两者之积求和:

4) 保护配合中实际动作时间差与给定时间级差之差。即:

其中Δti, j=ti, j-t'i, j。

将四个指标乘以权重系数后再求和作为整体目标函数, 具体参数设置下文详述。

3 多群体与多阶段的QPSO算法

3.1 理论引入

粒子群算法 (PSO) 是基于种群的进化搜索技术, 但是该算法包括基于此的改进算法都不能保证全局收敛。Sun等人提出的QPSO算法对整个PSO算法进化搜索策略做了改变, QPSO进化方程中不需要速度向量, 不但使进化方程形式更简单, 参数更少且因此更容易控制。引入δ势降, 状态的变化用薛定谔方程描述。位置方程:

ui, j (t) 为0~1之间的随机数, α为收缩扩张系数, 把应用于上式的PSO做量子行为的粒子群算法 (QPSO) 。粒子的更新方程总结为如公式 (8) 所示, 其中M为种群规模, Pi, j代表粒子位置, mbest代表“平均最好位置”;φ1、φ2为0~1之间的随机数, 且满足φ1+φ2=1, Pi, j、Pg, j分别为当前局部最优解和当前全局最优解。

3.2 算法改良

与标准PSO算法一样, QPSO算法同样存在早熟的趋势。为了提高算法的全局收敛性能, 本文把粒子群分裂成两个群体, 同时分两个阶段进行搜索。理论上已经证明单个粒子的有界性充要条件是当α<1.781时, 即粒子收敛;当α>1.781时, 粒子发散。一般而言, α值从1线性减小到0.5时, 收敛效果较好。假设迭代次数为N, 将粒子群分成两组, 每一组又分成两个阶段, 在第一组里, 一阶段设置系数α=1-0.5×t/N, 粒子收缩;二阶段设置系数α=2, 粒子扩张。在第二组里, 一阶段α=1.8, 粒子扩张;二阶段α=1-0.5×t/N, 粒子收缩。每组里, 一阶段的粒子扩张时, 另一阶段的粒子就趋于收缩, 避免粒子早熟收敛。

4 仿真算例与分析

4.1 仿真模型

采用某配电网络作为算例进行研究, 系统和保护继电器的参数参照参考文献[4]。IEEE和IEC分别规定了不同的反时限特性标准, 我国普遍采用的是IEC 255-3-1989推荐的标准。本文采用满足该标准的JGL-2系列静态反时限过流继电器, 当故障电流恒定不变时, 继电器的常规反时限的动作时间计算公式为:

式中, t为动作时间, 继电器的时间整定系数:TDS=K1×K2×0.1∈[0.1, 0.99], K1、K2为拨盘开关的拨码挡数, 分别为主调和微调。故障时流过继电器的电流为I, 继电器起动电流为Ip, 起动电流整定范围2.0~9.9 A, 级差为0.1 A, Ip=CSM×CTR×IR, 继电器电流整定系数CSM∈[0.4, 1.98], CTR为电流互感器变比, IR为二次额定电流。

4.2 仿真参数设置

对于故障设置, 本文对最严重的母线三相短路故障仿真。记母线C、D、E、F的三相短路故障为fault1、fault2、fault3、fault4;母线电压等级越高, 出线越多, 发生故障危害性更大, 故根据各母线电压等级, 确定4处故障的故障危害率分别为1、1、21、21。短路故障发生时, 由于负载电流相对很小, 故只考虑故障电流, 忽略负载电流。

以公式 (2) 、 (4) 、 (5) 、 (6) 中4个指标的加权平均值作为目标函数, 最终得到的无条件单目标优化模型为:

这里给定权重系数, 整定时要求尽可能保证保护准确配合, 本文选择α=0.3、β=0.4、γ=0.2、λ=0.1;也可根据各母线故障时的保护性能指标的特殊要求, 分别设置权重。

4.3 结果分析

改良型QPSO算法优化结果如表1、表2所示, 其中动作时间为T, 灵敏度为K;得到目标函数最优值为3.173 2。对比通过PSO算法整定结果, 最终目标函数值为7.769 6, 故障持续时间和保护动作时间如表3、表4所示;在同样权重系数下, 前者得到的目标函数值更小, 从表格中也可看出PSO算法整定结果中, 时间配合大部分都不满足0.4 s级差要求, 且E母线故障时, 保护继电器R7灵敏度小于1, 意味着会出现远后备不启动的问题。

s

5 结语

提出了一种基于量子粒子群 (QPSO) 的智能保护算法, 用于继电保护协调配合计算的时间和灵敏度优化配合, 测试结果表明, 量子粒子群算法得到的结果可以最大限度地满足网络中所有保护动作时间最小及选择性的要求。量子粒子群相比粒子群算法, 能够搜索到更佳的收敛点。量子粒子群算法同样也会导致早熟收敛, 为了提高量子粒子群优化算法的性能, 对权值选取作了改进。仿真实验和对比分析证明对量子粒子群算法的改进在保护优化协调的整定计算中非常有效, 改善了配电网继电保护整体性能。

参考文献

[1]So C W.Intelligent Protection Coordination System[D].Hong Kong:The Hong Kong Polytech-nic University, 2001.

[2]Razavi Farzad, Abyaneh Hossein Askarian, Al-Dabbagh Majid, Mohammadi Reza, Torkaman Hossein.A new comprehensive genetic algori-thm method for optimal overcurrent relays coordination[J].Electric Power Systems Research, 2007, 78:713-720.

[3]Koochaki A, Asadi M R, Mahmoodan M, Naghizadeh R A.Optimal overcurrent relays coordination using genetic algorithm[C]//11th International Conference on Optimization of Electrical and Electronic Equipment, 2008:197-202.

零序电流保护课程设计 篇2

指导教师评语

报告（30）

总成绩

修改（40）

平时（30）

专

业：

电气工程及其自动化

班

级：

电气

XXX

姓

名：

XXXX

学

号：

XXXXXXXXX

指导教师：

XXXX

XX大学自动化与电气工程学院

2012

年X

月

X日

设计原始资料

1.1

具体题目

系统接线图如下图，发电机以发电机-变压器组方式接入系统，开机方式为两侧各开1台机，变压器T6

1台运行。参数为：

线路阻抗。

系统接线图

试对1、2进行零序保护的设计。

1.2

要完成的内容

⑴

请画出所有元件全运行时三序等值网络图，并标注参数；

⑵

分别求出1、2零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的定值，并校验灵敏度；

⑶

保护1、2零序Ⅰ、Ⅱ是否需要方向元件。

分析要设计的课题内容（保护方式的确定）

2.1

设计规程

继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求，110~220kV有效接地电力网线路，应按下列规定装设反应接地短路和相间短路的保护装置。

⑴

对于接地短路：

①

装设带方向和不带方向的阶段式零序电流保护；

②

零序电流保护不能满足要求时，可装设接地距离保护，并应装设一段或两段零序电流保护作为后备保护。

⑵

对于相间短路：

①

单侧电源单回线路，应装设三相多段式电流或电压保护，如不能满足要求，则应装设距离保护；

②

双侧电源线路宜装设阶段式距离保护。

2.2

本设计的保护配置

2.2.1

主保护配置

电力系统正常运行时是三相对称的，其零序、负序电流值理论上是零。多数的短路故障是不对称的，其零、负序电流电压会很大，利用故障的不对称性可以找到正常与故障的区别，并且这种差别是零与很大值得比较，差异更为明显。所以零序电流保护被广泛的应用在110kV及以上电压等级的电网中。

2.2.2

后备保护配置

距离保护是利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，该比值反应故障点到保护安装处的距离，如果短路点距离小于整定值，则保护装置动作。

在保护1、2、3和4处配备三段式距离保护，选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式。

短路电流及残压计算

3.1

等效电路的建立

将本题中的系统简化成三序电压等值网络，即正序网络如图1所示；负序网络如图2所示；零序网络，图3所示。

图3.1

正序网络

图3.2

负序网络

图3.3

零序网络

3.2

保护短路点的选取

母线A处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护2的最大零序电流。

母线B处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护1和4的最大零序电流。

母线C处分别发生单相接地短路和两相接地短路，求出流过保护3的最大零序电流。

3.3

短路电流的计算

整理线路参数

⑴

B母线分别发生单相接地和两相接地短路时的等值网络。

单相接地短路时，故障端口正序阻抗为

故障端口负序阻抗为

故障端口零序阻抗为

单相接地短路时

==1.5443(kA)

两相接地短路时

==1.6192(kA)

⑵

A母线分别发生单相接地和两相接地短路时的等值网络。

故障端口正序阻抗为

故障端口负序阻抗为

故障端口零序阻抗为

单相接地短路时

两相接地短路时

⑶

C母线分别发生单相接地和两相接地短路时的等值网络。单相接地短路时，故障端口正序阻抗为

故障端口负序阻抗为

故障端口零序阻抗为

单相接地短路时

两相接地短路时

保护的配合及整定计算

4.1

主保护的整定计算

4.1.1

动作值（如动作电流）

⑴

1零序Ⅰ段躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流

⑵

1零序Ⅱ段与下一条线路Ⅰ段配合，即与3的Ⅰ段配合分支系数

⑶

2零序Ⅰ段躲开下一条线路出口处单相或两相接地时出现的最大零序电流

4.1.2

动作时间

保护1的Ⅰ段和2的Ⅰ段均为零序速断电流保护，故动作时间均为0s,保护1的Ⅱ段为限时零序电流速断，比Ⅰ段延迟一个△t,故保护1的Ⅱ段的动作时间为0.5s。

4.1.3

灵敏度校验

4.2

后备保护的整定计算

4.2.1

动作值（如动作电流）

⑴

保护1的Ⅲ段保护按躲开末端最大不平衡电流

⑵

保护2的Ⅲ段保护按躲开末端最大不平衡电流

4.2.2

动作时间

保护1的Ⅲ段保护与下段线路配合，动作时间比Ⅱ段的动作时间延迟△t，故动作时间为1s。

4.2.3

灵敏度校验

保护1的Ⅲ段保护,作为近后备保护

满足要求

作为远后备保护

满足要求

保护2的Ⅲ段保护,作为近后备保护

满足要求

综上可知：在零序电流保护的配置和保护中，保护1有I段、II段和III段，而保护2只配置I段、III段保护，整个系统的安全稳定运行。

继电保护设备的选择

电流互感器TA是将一次系统大电流转变为二次系统小电流的设备。选择电流互感器时，应根据安装地点和安装方式选择其型式。

⑴

种类和型式的选择。35kV及以上配电装置宜采用油浸瓷箱式绝缘结构的独立式配电装置。

⑵

一次回路额定电压和电流的选择。一次回路额定电压和应满足：

一般情况下可按变压器额定电流的1/3进行选择。

⑶

准确级和额定容量的选择。对测量精确度要求较大的大容量发电机、系统干线、发电企业上网电量等宜用0.2级；装于重要回路的互感器，准确级采用0.2~0.5级。根据以上分析，选LJBJ-110kV干式电流互感器。

二次展开原理图的绘制

6.1

保护测量电路

保护1交流测量回路如图6.1,直流测量回路如图6.2；保护2交流测量回路如图6.3，直流测回路如图6.4。

图6.1

保护1交流测量回路

图6.2

保护1直流测量回路

图6.3

保护2交流测量回路

图6.4

保护2直流测量回路

6.2

保护跳闸电路

保护1跳闸回路如图6.1，保护2跳闸回路如图6.2。

图6.5

保护1跳闸回路

图6.6

保护2跳闸回路

保护的评价（结论）

对零序电流保护的评价：零序电流保护通常由多段组成，一般是四段式，并可根椐运行需要增减段数。为了某些运行情况的需要，也可设置两个一段或二段，以改善保护的效果。接地距离保护的一般是二段式，一般都是以测量下序阻抗为基本原理。接地距离保护的保护性能受接地电阻大小的影响很大。

当线路配置了接地距离保护时，根椐运行需要一般还应配置阶段式零序电流保护。特别是零序电流保护中最小定值的保护段，它对检测经较大接地电阻的短路故障较为优越。因此，零序电流保护不宜取消，但可适当减少设置的段数。

零序电流保护和接地距离保护一般按阶梯特性构成，其整定配合遵循反映同种故障类型的保护上下级之间必须相互配合的原则，主要考虑与相邻下一级的接地保护相配合；当装设接地短路故障的保护时，则一般在同原理的保护之间进行配合整定。

参考文献

[1]

张保会,尹项根主编.电力系统继电保护[M].北京:中国电力出版社,2005:92-153.[2]

谭秀炳,铁路电力与牵引供电继电保护[M].城都:西南交通大学出版社,1993:100-134.[3]

直通式薄膜型光纤电流互感器 篇3

随着电力系统的电压等级以及自动化程度的提高，传统的电磁式电流互感器日益显露出其局限性。近年来，光纤传感技术的迅速发展，促进了世界范围内光纤电流互感器，FOCT具有线性度好、灵敏度高、运行安全、绝缘好、体积小、成本低、抗电磁干扰能力强、响应频域宽、交直流均可测量等优点，已经成为传统电磁式互感器的有力竞争者。迄今为止，研究人员已经提出了多种FOCT的实现方案，但仍未能在电力系统中得到大面积的推广应用，其主要原因之一是长期运行稳定性降低的问。endprint

随着电力系统的电压等级以及自动化程度的提高，传统的电磁式电流互感器日益显露出其局限性。近年来，光纤传感技术的迅速发展，促进了世界范围内光纤电流互感器，FOCT具有线性度好、灵敏度高、运行安全、绝缘好、体积小、成本低、抗电磁干扰能力强、响应频域宽、交直流均可测量等优点，已经成为传统电磁式互感器的有力竞争者。迄今为止，研究人员已经提出了多种FOCT的实现方案，但仍未能在电力系统中得到大面积的推广应用，其主要原因之一是长期运行稳定性降低的问。endprint

随着电力系统的电压等级以及自动化程度的提高，传统的电磁式电流互感器日益显露出其局限性。近年来，光纤传感技术的迅速发展，促进了世界范围内光纤电流互感器，FOCT具有线性度好、灵敏度高、运行安全、绝缘好、体积小、成本低、抗电磁干扰能力强、响应频域宽、交直流均可测量等优点，已经成为传统电磁式互感器的有力竞争者。迄今为止，研究人员已经提出了多种FOCT的实现方案，但仍未能在电力系统中得到大面积的推广应用，其主要原因之一是长期运行稳定性降低的问。endprint

电流型保护 篇4

关键词：A型漏电保护器,最小脱扣电流值的离散,可靠性

中文引用格式：张佳琦，韩雁，李爱玲.A型漏电保护器脱扣电流一致性的创新设计[J].电子技术应用，2015,41(7):40-43.

英文引用格式：Zhang Jiaqi,Han Yan,Li Ailing.An innovative method to achieve minimum tripping current conformity for type A RCCBs[J].Application of Electronic Technique,2015,41(7):40-43.

0 引言

随着电流转换器、开关装置以及节能设备在生活和生产中的广泛应用，非正弦的漏电电流正在污染着电网并且诱发触电事故。如今，为了解决非正弦漏电电流产生的危害，人们广泛在供电电源处使用A型漏电保护器来保护个人和财产安全。根据中国国家标准GB16917.1-2003[1],A型剩余电流包含AC型和7种脉动直流漏电，其中脉动直流漏电分为7种情况：电流滞后角分别为±0°、±90°、±135°以及电流滞后角0°叠加6 mA的平滑直流电。脱扣电流值为均方根值（RMS）。

一些研究员使用了单片机来解决主干线路的漏电保护问题[2,3]，采用全波傅里叶算法来完成剩余电流信号的采样、特征分析，根据采样处理的同步误差作出相应的改正。复杂的傅里叶分析以及整个系统高成本限制了它的广泛应用。

在参考文献[4]中，剩余电流设备的改进结构包括简单的分立元件，例如电磁继电器和永久磁铁。如果电流变压器感应到的剩余电流到达了预定值，它的磁通量大到能够减小永久磁铁的磁通量，总的磁通量到达一定值后，弹簧就能够拉动电磁继电器中的可动衔铁来断开主电路。

在参考文献[5]中实现了一种具有简单外围电路的A型漏电保护器。因为电流互感器次级线圈带来的波形失真（在第3节中会介绍），仅仅在正半周或者负半周内检测漏电波形并不能很好地检测脉冲直流漏电电流。最终测试结果表明跳闸电流阈值仅满足国家标准，这个检测方法并不适合A型漏电保护器。

根据IEC60479-1标准[6]，当通过人体某一部位的电流超过30 m A时，如果不能及时切断电流，会对人体造成严重伤害。因此将A型漏电保护器的漏电脱扣阈值设定在30 m A。

本文提出了实现A型漏电电流检测的创新型方法，这种方法可以在不同的连续的时间区间内精确地辨识出剩余电流的类型。

1 A型漏电保护器应用电路系统结构

A型漏电保护器应用电路的系统结构主要部分包括剩余电流检测模块、一个电压调节模块、一个A型漏电保护器控制器集成电路、一个过压保护模块以及一个包含可控硅和电感L的执行模块。电压调节模块从50 Hz交流电源通过整形、降压、稳压产生稳定的5 V供电电压。剩余电流检测模块可以检测到相线和中性线之间的不平衡电流（即剩余电流）。

2 A型漏电保护器的实现

A型漏电保护器的主要结构如图1。这是一个典型的模数混合设计集成电路，包括模拟和数字部分。模拟部分作为辅助电路，负责信号的放大和比较，它主要包括了参考电压生成模块、斩波放大电路[7]（共模电压为2.4 V）、迟滞比较器、上电复位电路以及温度补偿环形振荡电路[8]。具有相同均方值的不同种类的A型剩余电流通过电流互感器的次级线圈产生具有不同幅值的电压，每一种A型剩余电流对应了一个迟滞比较器和一个通过参考电压生成电路产生的脱扣电流比较值。数字模块是核心处理电路，主要来实现该创新的A型漏电电流识别算法。它主要是由干扰滤除电路、A型漏电电流检测模块、输出缓冲电路以及过压保护电路组成。

3 创新方法的提出

对于A型漏电保护器，最关键的是准确快速地判别剩余电流的类型、判断漏电电流的均方值是否达到了最小脱扣电流值。

因为供电电网采用50 Hz的交替电流，所以剩余电流的频率也是50 Hz。图2～图5阐述了A型剩余漏电保护器在一个周期20 ms内的漏电检测过程。

（Ⅰ）表示的是初始的A型剩余漏电电流，电流互感器检测到此剩余电流并且在其次级线圈产生漏电信号。（Ⅱ）是斩波放大器放大的漏电信号，用于信号处理。（Ⅲ）是触发计时脉冲，它是由（Ⅱ）和触发计时器电平2.5 V（对应正滞后角）或者2.3 V（对应负滞后角）比较产生的。（Ⅳ）是漏电电流脉冲，由（Ⅱ）和对应的脱扣比较电平比较生成。当（Ⅳ）出现的时候，表明剩余电流大于等于最小脱扣电流值。当（Ⅳ）出现后，A型漏电保护器输出波形（Ⅴ）来触发可控硅，切断电路。在对感应电压波形（Ⅱ）深入研究后发现，从计时器被（Ⅲ）触发后，漏电电流脉冲（Ⅳ）出现在不同的时间区间。当有漏电电流时，在计时器触发计时后，如图2～图5所示，±135°类型脉冲，在3 ms内出现；±90°类型脉冲，在3 ms～7 ms之间出现；±0°类型脉冲，在7 ms～12 ms区间内。对于AC型，为了避免它对于其他类型漏电的干扰，作者使用了波峰和波谷的检测方法，如图5(a）中显示的，从计时器开始计时后，漏电脉冲在3 ms～7 ms以及13 ms～16 ms两个区间内都出现，AC型漏电电流会被检测到。至于电流滞后角0°叠加6 m A的平滑直流电，测试表明它的响应和0°类型的相似，如图5(b)中所示。16 ms后，所有的数字部分复位，准备下一个周期的检测。

表1总结了所有的剩余电流类型检测的时间区间，这些时间区间不同但是连续。一个关键点是可以根据芯片输出脉冲的占空比来判断剩余电流的类型，这能够帮助设计者来评估芯片的性能。在一个周期内，对于±135°剩余电流，可控硅的触发脉冲在计时器被触发后大约2.5 ms出现，所以占空比大约(16-2.5)/20=13.5/20。对于±90°的剩余电流，大约5 ms后出现，占空比大约是11/20。对于±0°的剩余电流占空比大约是6/20。对于AC型剩余电流占空比大约为1/20。

4 测试结果

这款A型漏电保护器采用CSMC 0.5μm数模混合CMOS工艺。芯片的尺寸是1.037 mm×0.686 mm。芯片电源供电是5 V，芯片输入电流是480μA。芯片总共有15个管脚，其中只有6个是必要的，其他的都是测试管脚。

图6～图9显示了A型漏电电流信号以及相应的脱扣输出，其中上部波形是斩波放大器放大后的漏电电流信号，下部波形是当有触电发生时用来切断故障电路的A型漏电保护器的输出信号。

表2显示的是最小脱扣电流值的测试结果。结果显示，所有类型的A型漏电电流的最小脱扣电流值分布在28.9 mA到31.7 mA区间内，大小相差2.8 mA。

表3给出了这款A型漏电保护器和近来出现的几款保护器的比较，从中可以看到，这款芯片相较其他芯片的优势。

5 总结

本文展示了一个创新的方法来实现A型漏电保护器最小脱扣电流一致性。这款A型漏电保护器可以在一个周期内的不同且连续的时间区间内，识别剩余电流的类型，判断它的均方值是否超过了额定值。低成本、优异性能而且高可靠性使得这款A型漏电保护器芯片在市场应用中有更强的竞争力。

参考文献

[1]GB16917.1-2003.家用和类似用途的带过电流保护的剩余电流动作断路器(RCBo)第1部分:一般规则[S].2003.

[2]Xiang Xinjian,Li Ming.Design of fuzzy drip irrigation control system based on Zig Bee wireless sensor network[C].WCICA,2010.

[3]Chen Deshui,Zhao Qingyang,Chen Foyou,et al.Adaptive residual current circuit breaker based on microcontroller[C].ICDMA,2011:159.

[4]Xiang Luo,DU Y,WANG X H,et al.Tripping characteristics of residual current devices under nonsinusoidal currents[J].IEEE Transactions on Industry Application,2011,47(3):1515-1521.

[5]Han Yan,Ding Chen,Shou Xinli.Design implementation&of an A-type residual current circuit beraker IC[J].ISIE,2012:280.

[6]IEC/TS 60479-1.Efects of current on human beings and livestock-Part 1:General aspects[S].2005.

[7]Yoshihiro Masui,Takeshi Yoshida,Atsushi Iwata.Low power and low voltage chopper amplifier without LPF[J].IEICE Electron,2008:967.

电流型保护 篇5

关键词：高压直流输电,电容器组,不平衡保护,整定值计算

0引言

高压滤波电容器组从保护角度考虑,接线方式有H型和∏型两种方式［１］。已建和在建的∏型接线电容器组都是在两条支路上各自串联一只电流互感器以检测不平衡电流。但由于某些∏型接线滤波电容器组不平衡电流保护频繁动作问题,近期工程又重新改成H型接线。文献[2]通过两种电路在相同保护原则下的计算比较,确认∏型接线较H型接线更加优越。不仅如此,多调谐滤波器的低压电容器组往往是多只电容器单元并联联接,无法构筑成H型电路进行保护。可将多只并联低压电容器单元分成两个小组,采用∏ 型接线的形式进行保护。 IEEE对高压电容器组的保护配置进行了规范［３］, 但没有给出∏型电路的保护整定。∏型高压电容器组保护整定计算相关的参考文献都没有涉及保护整定计算的原则［４－１０］。

本文结合实际工程,着重对∏型高压电容器组的保护从单元级故障到元件级故障进行不同角度的分析,给出不平衡电流保护跳闸的原则和判据。

1 ∏型接线电容器组电路及保护整定原则

典型的∏型电容器组电路见图1。

正常条件下电容器组的电容量C=CA+CB。利用两只电流互感器检测两条支路的电流,计算下式:

式中:为两支路电流之差,为两支路电流之和,两者均为二次电流;A,B为A,B两条支路一次电流;kA,kB为两支路电流互感器的变比。通过式(1)结果判断是否满足跳闸判据。这要求两只电流互感器暂态和稳态特性完全一致,但实际很难做到。已经出现某些∏型接线的滤波电容器组不平衡保护经常无故障跳闸的现象,迫使滤波器长期退出运行[4,5,6,7,8]。

为避免母线电压波动的影响,图1电容器组不平衡电流保护的判别式在假定kＡ=kＢ条件下,可用一次电流表示为:

不平衡保护的整定原则如下。

1)保证滤波器的失谐度小于1%

单调谐滤波器的失谐度δＦ计算公式及允许值为:

式中:fＮ为系统标称频率;Δf为系统频率偏差。 若系统频率相对偏差δｆ=0且电感量相对偏差 δＬ=0,一旦电容器组的电容量相对变化δＣ≥2%, 将使单调谐滤波器的失谐度δＦ≥1%。滤波器失谐将使滤波功能失效,迫使谐波源产生的谐波注入到系统。严重时可能导致滤波器组与系统之间谐振, 使滤波器组过载,并威胁系统安全。多调谐滤波器在低压电容完好的条件下,高压电容量允许偏差δＣ应该可以比单调谐的偏差允许值略大。具体的允许偏差量δＣ应在满足滤波器失谐度δＦ≤1% 的条件下,通过计算或者调谐试验得出。

2)电容器组部分电容器单元故障后,余下完好电容器单元的端电压不应超过1.05倍的额定电压

DL/T 840—2003规定:电容器单元在1.05倍额定电压下可以长期运行［１１］。在1.10倍额定电压下,每24h可以运行8h。IEC 60871.1—2005亦有类似要求［１２］。

以上述两个原则为基础,下面分析Π型接线高压电容器组故障后的总电容量CΠ,Fault及其相对偏差ΔCΠ/C,并通过故障支路剩余完好电容单元的端电压相对于额定电压的允许增量Δu/u,R≤knorm(knorm=0.05,按照长期允许过电压考虑),以及故障电容器单元内部完好元件端电压相对于其额定电压的允许增量Δe/e,R≤ke(ke=0.1,按照24h中允许8h运行上限考虑)的判据,推导不同故障方式下,不平衡电流保护整定计算公式及其整定值。分析过程中假定电容器组的端电压在故障前后不变。

设图1所示的∏型高压电容器组A,B两支路各有N只电容量为Cｕ的单元串联。无论是内熔丝型还是无熔丝型电容器,单元电容器内部均由ps只电容元件通过s串、p并的方式组合而成。

设每个元件的电容量为Cｅ,正常时各支路的电容量为:

因此各元件额定电压e,R、各单元额定电压u,R与电容器组端电压的关系为:

2内熔丝型电容器单元故障分析

内熔丝型电容器单元内部结构如图2所示。

单元内部为ps只元件组成,先p只元件并联组成并联模块,而后s个并联模块串联。当其中一只元件短路后,同一并联模块中完好元件将通过故障元件放电,将故障元件的熔丝熔断。图2(b)是内熔丝型单元内部出现mn只元件的串联熔丝熔断后的示意图。支路i(i=A或B)有d个模块短路后的电容量为

此情形发生在:当电容器单元内部同一并联模块的并联元件损坏到第m+1只时,余下(p-m- 1)只完好元件储存的能量不足以使第m+1只元件的熔丝吹断,使整个并联模块短路。

2.1支路A有d个并联模块短路

此时支路B正常,支路A故障后的电容量变为CＡ,Ｆａｕｌｔ=Cｉ,Ｆａｕｌｔ,电容器组的总电容量为:

按总电容量的相对变化不超过δＣ的原则,有

故允许短路的最大并联模块数为:

同时支路A余下各完好并联模块上的电压相对增量Δu/u,R不应超过knorm,有

此条件下允许短路的最大并联模块数为

因此,不平衡电流保护的跳闸整定值应取以下两式的最小值:

2.2 A,B两支路各有d个并联模块短路

此条件下A,B两支路的电容量均变为CA,Fault=CB,Fault=Ci,Fault,电容器组的总电容量:

按照总电容量的相对变化不超过δＣ的原则,有

此条件下各支路允许短路的并联模块数:

因A,B两支路是同样的故障,各支路完好并联模块的电压增量同式(10),因此各支路允许短路的最大并联模块数为

2.3支路A的n个并联模块中各有m只元件隔离

如图2(b)示,在单元内部n个并联模块中各有m只元件故障被隔离后,n段并联模块中余下(p- m)只完好元件的总电容量

支路A余下sN-n段完好并联模块的总电容量

支路A上的电容量为

支路B电容量正常,故电容器组的总电容量:

按照总电容量的相对变量不超过δＣ的原则:

有:

满足上式的最大不平衡电流为:

因故障并联模块的电容量降低,容抗变大,其端电压由额定值e,R增大为e:

按照故障并联模块上的电压增量不超过kｅ原则,

将式(26)与式(23)联立求解,得出

2.4 A,B两支路各有n段并联模块的m只元件隔离

此条件下两条支路电容量相等:

电容器组的总电容量

按照总电容量偏差不超过δＣ的要求,有

因此

故障并联模块由于电容量降低,容抗变大,剩余元件的电压由e,R增大为e,其电压增量应该满足式(26)。

将式(26)和式(33)联立求解,得到单个支路允许的故障隔离元件数满足下式:

3内熔丝电容器组的保护判据

1)不平衡电流保护跳闸判据

综合考虑电容器的长期过电压增量允许值kｎｏｒｍ和滤波器失谐的电容量偏差允许值 ΔCΠ/C≤ δＣ下,根据式(12)、式(13)和式(24),在单个支路故障条件下不平衡保护的最大跳闸动作值为:

2)两支路对称性故障条件下的记数方法及判据

在A,B两支路同时有d个模块短路条件下,不平衡电流ΔΠ/Π=0,此时须通过不平衡电流的突变量ΔΔΠ/Π来判断并累计短路失效的并联模块数。综合式(9)、式(11)、式(16)~式(17),∏型电容器组单支路允许短路的最大并联模块数D应该满足:

根据式(12),单个支路在由d个模块故障发展到(d+1)个模块故障的过程中有

故实施中通过检测相对电流差值在(t-1)时刻到t时刻的突变量ΔT(t)=(ΔΠ/Π)(t)-(ΔΠ/IΠ)(t-1),并将下式

作为检测并联模块短路记数的判据。如果ΔT(t)≥k/(2sN-1)(可靠系数k=0.85~0.95),则累计支路A串联组件短路的数量:D(t)A=D(t-1)A+int[|ΔT(t)|(2sN-1)+0.2];如果ΔT(t)≤-k/(2sN-1),则累计支路B串联组件短路的数量:D(t)B=D(t-1)B+int[|ΔT(t)|(2sN-1)+0.2],其中int为取整数计算;D(t)A和D(t)B的初始值各为D(0)A=D(0)B=0。当D(t)A≥D或D(t)B≥D时,启动保护跳闸

3)监测内部元件故障条件的判据

通过式(27)、式(28)和式(33)、式(34)的比较分析,在对称性元件故障条件下,允许单个支路内部元件故障数量的判别式为:

通过式(24),在单个支路的元件故障由m发展到(m+1)或者由n发展到(n+1)的过程中,有|(ΔΠ/Π)m+1-(ΔΠ/Π)m|>0且|(ΔΠ/Π)n+1-(ΔΠ/Π)n|>0,因此,单只元件故障并被隔离引起的不平衡电流突变量最小值为:

检测突变量ΔT(t),如果满足k/(2sN-1)>|ΔT(t)|≥k/[2(p-1)sN+1](可靠系数k=0.85~0.95),启动故障录波,同时计算电容元件开路的累计数。若ΔT(t)<0,则累计支路A的故障元件数量E(t)A=E(t-1)A+int{|ΔT(t)|[2(p-1)sN+1]+0.2};若ΔT(t)>0,则累计支路B的故障元件数量E(t)B=E(t-1)B+int{|ΔT(t)|[2(p-1)sN+1]+0.2};E(t)A和E(t)B的初始值为E(0)A=E(0)B=0。

当E(t)A≥E或者E(t)B≥E时,保护动作跳闸。

4无熔丝电容器单元的故障行为

无熔丝电容器单元有3种类型。先并后串型: 若其中的某一元件故障,将直接导致本并联模块的其他元件短路失效。这种行为类似于带内熔丝的电容器单元的并联模块短路。混合型:特点是内部串并接线比较复杂,需要结合具体的电路进行分析。 先串后并型是现在大多数的无熔丝电容器单元所采用的形式,如图3所示,是本节分析的重点。

图3(a)是完好的先串后并的无熔丝电容器单元,先由s只电容元件Cｅ串联成串联模块,然后p只模块并联。电容器单元的电容量:

正常条件下,电容器组各支路有N只电容器单元串联,各单元上的正常电压

且各元件上的正常电压e,R=u,R/s。

当支路i(i=A,B)的a只电容器单元各有m个串联模块故障,且每个串联模块各有n只元件被击穿后,单只故障电容器单元的电容量将增大至:

各故障电容器单元的总电容量:

剩余完好电容器单元的总电容量:

支路i的总电容量

若上式中的n=s,表示整个单元被击穿。此时

可应用第2节关于内熔丝型电容器单元短路的分析。

1)支路A有amn只电容元件击穿

假设支路A共a只单元故障,每单元内各有m只串联模块中的n只元件击穿。此条件下电容器组的总电容量:

按照总电容量偏差不超过δＣ的要求,有

因此,有

同时余下完好电容器单元上的电压增量应满足

故障电容器单元由于其整体电容量增加,故障单元承受的电压u下降为:

但是故障串联模块中完好元件的端电压上升,完好元件上的电压增量Δe应该满足

式(52)与上式联立求解,得到故障串联模块余下完好元件不继续损坏的条件:

此时不平衡电流保护判别式的最大值为

2)A,B两支路各有amn只电容元件击穿

当A,B两支路各有a只电容器单元中的m只串联模块,每模块各有n只元件被击穿短路时,各支路的电容器变为

电容器组的总电容量

与上式相对应电容量偏差应满足

因此,有

同时余下完好电容器单元电压增量应满足:

故障单元的故障串联模块中完好元件的电压上升:

但应该满足

式(61)和上式联立求解,得到故障串联模块中完好元件不继续损坏的条件

5无熔丝电容器组的保护判据

1)不平衡电流保护动作判据

无熔丝电容器组不平衡电流保护动作判据可以沿用内熔丝电容器组不平衡电流保护动作判别式(35)。

2)两支路对称性元件故障条件下的记数方法及判据

当两支路电容器元件出现均衡型故障使ΔΠ/Π=0时,应该通过记数的方式来启动保护跳闸。

无熔丝电容器单元构成的∏型电容器组,其从元件级击穿到整个单元击穿,不平衡电流的方向不变,只是逐步增大幅值。通过式(57),元件逐步损坏的过程中有

故可通过下式检测从(t-1)到t时刻的不平衡电流突变量ΔT(t)=(ΔΠ/Π)(t)-(ΔΠ/Π)(t-1),并通过下式判断是否属于元件级故障:

如果突变量满足式(68),则在ΔT(t)>0时,累计支路A的故障元件数量:E(t)A=E(t-1)A+int{|ΔT(t)|[2 N(p(s-1)+1)-1]+0.2};如果ΔT(t)<0,则累计支路B的故障元件数量,E(t)B=E(t-1)B+int{|ΔT(t)|[2 N(p(s-1)+1)-1]+0.2}。其中E(0)A=E(0)B=0。当E(t)A≥E或者E(t)B≥E时,保护动作跳闸。其中

但是,如果 ΔT（ｔ）满足

或在连续的几次突变量ΔT(t),ΔT(t-1),…,ΔT(t-j)符号相同且满足

则可判断为单元级短路,可以参照内熔丝单元短路的方式进行记数并跳闸。

6改进的保护电路

通过文献[2]和本文的分析,可知∏型电路具有如下优势。

1)不平衡电流的互感器连接在高压电容器组的低压端,其对地绝缘要求低,制造成本低。

2)多调谐滤波器中低压谐振单元的电容器组基本是多只电容器单元并联联接,无法实施H型接线的保护,但是可以分成两小组按照∏型电路进行保护配置。

3)∏型电路因为每个支路的电容器单元数量多,组装时其两侧的电容量更容易平衡。

为解决∏型电容器电路不平衡保护因两支路电流互感器特性不一致而出现初始不平衡电流的问题,本文提出如图4所示的∏型电容器接线不平衡电流保护电路［１３］。TAＳ和TAＤ为电流互感器。

检测不同一次支路间电流差值的电流互感器如图5所示。

差值检测电流互感器的一次侧有两根相互绝缘的导电杆,分别通以方向相反的支路电流A,B,在二次侧直接按照同一变比k感应出二次差值电流,从而可完全克服两只电流互感器的特性不一致而导致的误动。因图5中一次侧的差值电流非常小,差值电流互感器可以工作在线性区域,检测精度也大为提高;且设计和制造中无需进行互感器性能比较和筛选,降低制造成本。

7讨论

南方电网±500kV高肇、兴安直流输电系统的直流滤波电容器组均采用∏型接线,在雷雨天气条件下多次出现不平衡保护跳闸现象,每次事后检查各电容器单元的电容量均正常。曾通过多个科技和技改项目进行长达10余年的研究,始终未能找到原因并解决问题。

高肇直流滤波器的单个支路由52只内熔丝单元串联,单元电容量41.6μF,单元内部元件采用21并3串的接线方式。其不平衡电流保护整定为检测到电容器单元内部元件的某模块由10个元件开路变为整个模块短路时即跳闸。肇庆换流站的012B直流滤波器在2014年记录有4次在雷雨天气动作,故障录波显示4次故障的ΔΠ/Π为-0.65%~-0.55%,而根据式(12),当电容器单元内部有两个并联模块短路时(d=2),ΔΠ/Π=0.645%。但是故障后检查电容器,各单元的电容量基本保持不变。据此推测:一个可能的原因是某单元内部有元件故障,使熔丝熔断形成小间隙,在雷雨天气下,线路上的感应过电压导致小间隙击穿放电,使这两个模块短路,由此保护的动态段(整定值为ΔΠ/Π-∫I·ΔΠ/Π>0.428 45%,延时800ms)启动并出口跳闸,而静态段则保持不动作(整定值为|ΔΠ/Π|>0.679 61%,延时800ms)。

现场对该滤波器进行调谐和模拟短路试验表明,即便是高压电容器组的单个支路有6只电容器短路的条件下,滤波器的失谐δF才达到1%。单个支路2只单元短路的条件下,滤波器的失谐度为0.41%,滤波效率为正常时的63.7%,通过式(10)计算得到剩余完好单元的极间电压增量ΔUu=0.04UN,同时数值仿真计算剩余完好电容器单元的极对外壳电压也在安全范围之内。因此,高肇直流滤波电容器组的不平衡保护跳闸定值完全可以依据单只电容器短路的水平确定,而将元件级故障的判据作为电容器状态监测量加以利用。提高保护定值后可避免频繁跳闸,最大限度利用故障电容器单元的剩余价值,降低运行成本。

8结论

本文明确了将滤波器的失谐度和剩余完好电容器单元的极间过电压水平作为滤波电容器保护整定计算的基本原则。结合∏型电路,分别给出了内熔丝型和无熔丝型的电容器组的不平衡电流的整定计算方法。

电流型保护 篇6

1 零序电流保护

三相四线制配电线路正常运行时, 如果三相负载完全平衡且无谐波电流, 忽略正常泄露电流, 则流过中性线 (N) 的电流为零, 即IN等于零;如果三相负载不平均, 则产生不平衡电流, IN不等于零;如果发生某一相接地故障时, 零序电流IN将大大增加, 达到IN (G) 。因此, 利用检测零序电流IN值发生的变化, 可取得接地故障信号。

检测零序电流通常是在断路器负荷侧的3条相线 (或母线) 各装1只电流互感器, 取3只电流互感器的次级电流相量和乘以变流比, 即零序电流I觶N=I觶U+I觶V+I觶W。

断路器的零序电流保护整定值Izdo的确定, 既要求在正常运行中可能出现的最大不平衡电流时不会动作, 而且在发生接地故障时必须动作。因此, 建议Izdo的整定值应符合式 (1) 、式 (2) 的要求:

式中IN (d) 为发生接地故障时电流, 包括接地故障和不平衡电流。

一般来说, 配电干线正常运行时的IN值不超过计算电流的20%～25%, 所以通常Izdo值整定在断路器长延时脱扣器电流Izd1的30%～60%为宜。但必须符合式 (2) 要求。可见, 零序电流保护整定值Izdo比短延时整定值Izd2小得多, 动作灵敏性可得到保证。

2 剩余电流保护

和零序电流保护不同, 剩余电流保护是检测三相电流加中性线电流的相量和, 即。当三相四线配电线路正常运行时, 三相负载不平衡, 忽略线路泄漏电流, 则。当某一相发生接地故障时, 则检测的三相电流加中性电流的相量和不为零, 而等于接地故障电流IO (d) 。

检测方法是在断路器负荷侧的三相线和中性线上各装1只电流互感器。取4只电流互感器次级电流相量和, 乘以变流比, 即为接地故障电流IO (d) 。

断路器的接地故障保护的整定值IZd G应符合式 (3) 要求:

应注意:为避免误动作, 整定值IZd G应大于正常运行时线路和设备的泄漏电流总和的2.5～4.0倍。

电流型保护 篇7

(2) 保护三相线路或三相用电设备时, 选用三极剩余电流动作断路器。

(3) 既有三相又有单相线路和用电设备时, 选用三极四线或四极剩余电流动作断路器。

6.3.4根据保护目的选择

(1) 安装在线路末端, 以防止人身触电事故为目的的保护, 选用高灵敏度的快速动作型剩余电流动作断路器。

(2) 以防止电气火灾为目的的, 选用中灵敏度延时动作型剩余电流动作断路器。

(3) 以防止人身触电事故为目的的分支线路保护, 选用中灵敏度的快速动作型剩余电流动作断路器。

(4) 以提高设备接地效果为目的的, 选用中灵敏度的快速动作型剩余电流动作断路器。

(5) 以干线的全面保护为目的的, 选用中灵敏度的延时动作型剩余电流动作断路器。

(6) 连接户外架空线路的用电设备, 选用冲击电压不动作型剩余电流动作断路器;对不允许停转的电动机, 选用漏电报警方式的剩余电流动作保护装置。

6.3.5额定电流、电压、极限通断能力的选择

在选用剩余电流动作断路器时, 首先应使其额定电压和额定电流大于或等于线路的额定电压和计算负荷电流;其次应使其脱扣器的额定电流大于或等于线路的计算负荷电流, 其极限通断能力大于或等于线路的最大短路电流;线路末端单相对地短路电流与剩余电流动作断路器瞬时脱扣器的整定电流之比应大于或等于1.25。

6.3.6农村家用剩余电流动作断路器的选择

在家庭生活用电中安装单相剩余电流动作断路器, 是防止使用电器的人员发生单相触电和保护家用电器安全使用的有效措施之一。农村家庭选择剩余电流动作断路器应从以下几方面考虑。

(1) 额定剩余动作电流的选择。家用电器回路:应选用额定剩余动作电流小于或等于30 m A的高灵敏度产品。因为家庭生活用电选配剩余电流动作断路器最主要的目的是为了防止人身触电, 故应选用额定剩余动作电流小于或等于30 mA的高灵敏度产品。这种剩余电流动作断路器, 同时也能作为漏电火灾和设备漏电损坏的保护。环境恶劣回路:家庭中潮湿场所, 如浴室、卫生间等, 要选用额定动作电流为10 mA的剩余电流动作断路器。手持式用电设备:选用额定动作电流为15 mA的剩余电流动作断路器。

在此需强调说明的是:农村家庭用电不宜选择灵敏度很高的剩余电流动作断路器, 一般情况下选择30mA的即可。例如10 mA的剩余电流动作断路器, 其防人身电击的效果和30 mA的效果基本相同, 都可以使人免于发生心室纤颤而死亡。但10 mA的剩余电流动作断路器价格明显高于30 mA的剩余电流动作断路器, 同时农村家庭供电系统泄漏电流较大, 选用高灵敏度的剩余电流动作断路器, 反而容易在正常泄漏电流下引起误动作。

(2) 额定动作时间的选择。家庭用剩余电流动作断路器是以防止人身触电为主要目的的, 因此应选用动作时间小于或等于0.1 s的快速型产品。

(3) 额定电压、频率。一般应选用额定电压220 V、额定频率50 Hz的产品。

(4) 额定电流的选择。选用剩余电流动作断路器的额定电流必须大于家庭最大负荷电流。根据目前普通家庭的用电容量, 家用剩余电流动作断路器的额定电流选择20～30 A就可以了。

(5) 极数的选择。剩余电流动作断路器有二极、三极、四极3种, 农村家庭生活用电应选择二极的剩余电流动作断路器。

(6) 选用功能齐全质量有保证的产品。不要贪图便宜而购买使用未经国家安全认证的产品, 要选用技术性能好、使用寿命长、质量稳定、认证齐全, 集漏电、过压、过流、短路等多种保护功能于一体的新型产品。

(7) 不购买假冒伪劣剩余电流动作断路器。当前, 假冒伪劣电器产品充斥农村市场, 剩余电流动作断路器也不例外。伪劣、假冒剩余电流动作断路器, 其保护功能、技术性能和耐用性都极差, 但普通老百姓很难辨别其真伪, 一旦购买使用假冒伪劣剩余电流动作断路器, 就会对家庭财产、人身安全埋下隐患。因此, 建议用户到当地信誉好的大型超市或专卖店购买, 千万不可图便宜在集贸市场上购买“三无”产品。

6.3.7剩余电流动作断路器的安装

(1) 安装前的检查。剩余电流动作断路器安装前, 应检查产品合格证、认证标志、试验装置等是否齐全, 主要参数如额定电压、额定电流、短路通断能力、剩余动作电流、剩余不动作电流以及动作时间等是否与要求相符, 发现异常不得安装使用。

(2) 对安装场所的要求。剩余电流动作断路器安装点的环境温度应在-5～40℃, 海拔不超过2 000 m, 高海拔和寒冷地区装设的剩余电流动作断路器必须与厂家协商定制。剩余电流动作断路器应安装在通风、干燥, 避免雨淋、灰尘和有害气体侵蚀的地方。应尽量远离其他铁磁体和电流很大的载流导体, 避免磁场干扰。剩余电流动作断路器安装场所附近的磁场任何方向不得超过地磁场的5倍。厂房、车间、家庭用剩余电流动作断路器一般装在配电箱内, 其安装位置还要考虑操作和观察的方便, 高度一般不宜超过2 m。

(3) 应对地竖直安装。剩余电流动作断路器的安装角度应该对地竖直, 前后、左右误差不超过5°。这是因为具有过电流保护及短路保护的电磁式剩余电流动作断路器, 安装角度误差超过规定, 会影响产品铁心的重力方向, 导致剩余电流动作断路器无法正常动作。

(4) 剩余电流动作断路器应装于熔断器下方, 按说明书要求接线, 连接导线截面积应符合要求, 接线不得颠倒反接, 压线螺母一定要拧紧。剩余电流动作断路器与有磁场的电器相距不得小于20 cm (主要是对零序电流互感器有影响) , 否则容易引起误动作。剩余电流动作断路器的电源进线最好用刀开关控制。安装接线时, 要根据配电系统的保护接地型式不同进行接线, 注意分清相线和中性线。

(5) 对带短路保护的剩余电流动作断路器, 在分断短路电流时, 位于电源侧的排气孔往往有电弧飞出, 故应在安装时保证电弧飞出方向有足够的飞弧距离。

(6) 室外开关箱中安装的剩余电流动作断路器, 须采用防溅型。

(7) 安装剩余电流动作断路器后, 其后边的工作中性线严禁重复接地, 否则重复接地的中性线有电流入地造成漏电, 会导致剩余电流动作断路器动作送不上电。工作中性线不能就近接线, 单相负荷不能在剩余电流动作断路器两端跨接。

(8) 采用分级剩余电流保护系统和分支线剩余电流保护的线路, 每一分支线路都必须有自己的工作中性线;上下级剩余电流动作保护器的额定动作电流与动作时间应做到相互配合, 额定剩余电流动作电流级差一般为1.5～2.5倍, 时间级差为0.1～0.2 s。

(9) 安装剩余电流动作断路器对低压电网的要求。一是为使各相剩余电流大体相等, 单相负荷要均匀分布到三相电源线上。二是负载侧的中性线, 不得与其他回路共用。三是用电设备的绝缘电阻阻值不得小于0.5 MΩ。四是线路、电气设备的泄漏电流必须控制在允许范围之内。当线路、设备泄漏电流超过允许范围时, 必须更换绝缘良好的供电线路。从安全角度讲, 一般不允许采取调高剩余电流动作断路器剩余动作电流的方法解决问题。

(10) 安装剩余电流动作断路器后, Ι类电器还要同时设置保护接地或接保护中性线。剩余电流动作断路器安装完毕, 必须做动作可靠性试验。

6.3.8剩余电流动作断路器的运行维护

剩余电流动作断路器是涉及人身和财产安全的电气设备, 因此农电工在日常工作中必须按照有关安装运行规程的规定, 经常检查线路和用电设备, 消除漏电隐患, 保证剩余电流动作断路器的长期有效运行。对于动作后的剩余电流动作断路器, 要认真查找动作原因, 填写运行记录。对运行中的剩余电流动作断路器要重点检查, 做好日常维护工作。具体要求如下。

(1) 供电所要建立剩余电流动作断路器的运行管理制度。该制度必须包含以下内容:配备专职人员管理电网剩余电流动作断路器;选择某一品牌的剩余电流动作断路器时, 必须经过专职人员测试合格后, 才能购买使用, 不得购买不合格的产品;对出现故障的剩余电流动作断路器, 应由专职人员维修, 维修后要经测试合格才能继续使用, 一般不允许农电工私自拆卸维修;严禁任何人以任何理由擅自将剩余电流动作断路器拆除或退出运行;违反规定导致发生事故的, 要追究直接责任人的责任, 视其情节轻重, 分别给予批评教育、罚款、辞退、开除, 直至追究刑事责任。

(2) 剩余电流动作断路器投入运行后, 每年要对保护系统进行一次检修。检修的内容:测试保护器剩余动作电流值是否符合规定;检查电网和电气设备的绝缘电阻;测量中性点漏电流, 消除电网中的各种漏电隐患;检查变压器和电动机接地装置是否松动和接触不良。

(3) 定期试验, 检验其动作可靠性。具体方法可参看前面讲座中的定期试验方法。

(4) 剩余电流动作断路器动作后, 若经检查未发现事故点, 允许试送电一次;如果再次动作, 应查明原因, 并采取相应措施后方能恢复通电。严禁强行送电, 更不能将其退出运行, 以确保用电安全。

(5) 剩余电流动作断路器出现故障应及时修复或更换。由于剩余电流动作断路器的作用是防患于未然, 电路正常工作时反映不出其重要性, 因此, 很难引起用户的重视。有的用户在剩余电流动作断路器误动作或出现故障时, 不是认真地找原因, 而是私自将剩余电流动作断路器短接或拆除, 这是拿自己的生命安全开玩笑。剩余电流动作断路器一旦损坏不能继续使用时, 应立即请专业人员进行检修或更换, 发现异常, 也必须立即查明原因, 严禁带病使用。

(6) 不可随意调整剩余电流动作断路器。如果剩余电流动作断路器发生误动作或拒动作, 其原因可能是剩余电流动作断路器本身, 也可能是来自线路方面的原因, 应认真地具体分析, 千万不能私自拆卸和调整剩余电流动作断路器的内部器件。因为剩余电流动作断路器的漏电、过载、短路等保护特性是由制造厂设定的, 随意调整会影响其性能。

电流型保护 篇8

关键词：变压器,套管,零序电流保护,端子箱,自产

0 引言

目前,我国高压电网运行的220 k V主变压器均配置零序过流保护和间隙过流保护[1]。其中,零序过流有两段,第Ⅰ段带方向(简称零序方向电流保护),电流取自变压器开关电流互感器(以下简称开关CT)自产3I0;第Ⅱ段不带方向(以下简称零序电流保护),电流取自中性点套管电流互感器(以下简称中性点CT)。间隙过流保护取自中性点间隙电流互感器。取自中性点套管CT和取自中性点间隙电流互感器的接线先接到主变端子箱,然后由主变端子箱引到主变保护装置。当这两个CT回路接线错误时,例如在端子箱内接线交叉,当外部线路故障时,因为110 k V线路零序过流保护Ⅱ段动作时间较长,间隙过流保护整定动作时间较短(一般整定0.5 s),就可能造成间隙过流误动跳闸。

2009年6月,某220 k V变电站的1条110 k V线路零序Ⅱ段保护范围内发生接地故障时,该站#1主变间隙过流动作跳闸。事故后检查,正是两组CT在主变端子箱内接线交叉,即把主变220 k V侧零序电流错误引到保护装置中性点间隙过流的端子上,主变220 k V侧零序电流2.896 A大于中性点间隙过流保护电流定值2.5 A,经0.5 s定值延时,在110 k V故障线路保护动作出口前抢先动作(该线路零序Ⅱ段保护动作时间为0.6 s),跳主变三侧开关。

1 事故后的思考

本次事故的直接原因是施工人员把取自中性点套管CT和取自中性点间隙电流互感器的引线在主变端子箱接错。但是,这两组CT正常运行时均没有电流,无法用带负荷检查的方法检查电流回路接线的正确性,也是接线错误不能被及时发现的一个原因。

目前解决此类问题的方法是加强人员责任心,认真核查接线的正确性。效果显然不能令人满意。能否采取一个技术手段解决次问题呢?思考后,认为用本侧开关(或套管)CT的自产零序电流,代替中性点CT零序电流,可以彻底避免此类事故。

用本侧开关CT的自产零序电流,代替中性点CT的零序电流,要考虑三个方面的问题:外部故障时灵敏度是否相同;内部故障时,中性点CT零序电流保护的作用;开关CT断线问题。

2 分析

2.1 外部故障分析

由图1,根据基尔霍夫电流定律,流进变压器中性点N点的电流总等于流出N点的电流,即当变压器发生外部接地故障时,开关CT的自产3I0=IA+IB+IC总是等于变压器中性点CT流过的电流3IT0,即外部故障时灵敏度相同。

2.2 内部故障分析

假设变压器空载运行时高压套管出口发生A相接地故障,见图2。已知系统的正序、负序和零序电抗分别为XS1,XS2和XS0,且XS1=XS2;变压器的正序、负序和零序电抗分别为XT1,XT2和XT0。其等值序网连接图见图3[2]。

其中:Kf0为零序分支系数;IT0=IK0-IS0=IK0-Kf0IK0=(1-Kf0)IK0=(1-Kf0)IKA/3。

以RCS-978变压器保护为例,变压器A相差动电流ICD=IKA-IK0=2IKA/3。

变压器差动保护定值要保证在最小方式下差动保护区内变压器引线上两相金属性短路有灵敏度[3],一般整定为0.4倍的变压器额定电流,即0.4In。差动保护灵敏度KCDLM为

变压器中性点电流3IT0=(1-Kf0)IKA,定值与相邻线路零序最后一段相配合,一般整定330 A。变压器中性点电流保护灵敏度KT0LM为

式(1)除以式(2),化简得:

由式(3)可见,当变压器额定电流In≤550 A时,无论XS0、XT0取任何值,始终满足KCDLM/KT0LM≥1,即差动保护比中性点零序电流保护更灵敏。

对于河南电网220 k V系统中最大容量的240MVA的变压器,变压器额定电流In=630 A,此时令式(3)KCDLM/KT0LM=1,解得XS0=6.87XT0,即只要XS0≤6.87XT0,则有KCDLM/KT0LM≥1。

表1和表2分别给出了河南电网220 k V系统常用变压器容量与KCDLM/KT0LM的关系及目前运行的240 MVA变压器的零序电抗和系统零序电抗。

从表2可见,所有系统零序电抗(标幺值)均小于6.87倍的变压器零序电抗(标幺值),即满足KCDLM/KT0LM>1。

可以证明,变压器重载或中、低压侧带电源时,式(1)、式(2)和式(3)仍然成立。

结论:内故故障时,差动保护完全可以取代中性点零序电流保护的功能。

2.3 CT断线分析

选用本侧开关CT的自产零序电流替代中性点CT的零序电流要考虑开关CT断线问题。

CT断线后,保护装置根据用户定值,选择立即闭锁或不闭锁差动保护,同时,延时10 s报该侧CT异常告警信号。

据文献[1],除母线保护外,其他保护装置检测出CT断线后,允许保护动作跳闸。其思想是CT断线会产生高电压(如果负荷电流很大),危及人身和设备安全。如果用户选择允许跳闸,则目前的保护装置不需要任何改动,即可直接用本侧开关CT的自产零序电流代替中性点CT的零序电流。

目前,河南电网均选择CT断线后立即闭锁差动保护,其思想是基于目前的变压器均配置两套主备一体化的微机变压器保护,即双重化配置。一套保护使用一个二次绕组,不考虑两个二次绕组同时断线。当一个二次绕组断线时,立即闭锁本套差动保护(另一套保护仍在正常运行),同时告警,让值班人员根据当时负荷情况,选择减负荷处理或断开断路器处理。此种情况下,如果CT断线要闭锁零序保护,需要保护装置厂家修改软件,这是很容易做到的事情。

3 后备保护配置的意义和目的

通常意义上的后备保护是主保护或断路器拒动时,用来切除故障的保护。对后备保护的两点基本要求是:1)硬件——主保护硬件损坏时,后备保护能保持正常工作;2)软件——主保护原理上存在缺陷或灵敏度不足。

对于过去老一代的变压器保护,通常只配置一整套变压器保护。差动保护使用一个二次绕组,后备保护使用另一个二次绕组,差动保护和后备保护在硬件上相互独立。变压器主保护和后备保护取用不同的CT是必须的。

对目前广泛应用的主备一体化的微机变压器保护,后备保护显然不能满足上述两点基本要求。目前的保护装置,在保护原理上,主保护灵敏度高于后备保护;在硬件结构上,差动保护、后备保护共同使用一个二次绕组提供电流,共同使用一个微机芯片进行运算,一损俱损。显然,后备保护不能作主保护的后备;因此,变压器的后备保护实质是外部故障的后备保护。变压器内部故障由双重化配置的主保护或本体保护切除故障。故障线路的主保护拒动应由故障线路的后备保护切除故障,只有当相邻母线保护或故障线路的后备拒动,才由变压器后备保护切除故障。

4 结语

用本侧开关CT的自产零序电流代替中性点CT的零序电流,在变压器外部故障时,灵敏度不变;在变压器内部故障时,差动保护可以完全取代中性点零序电流保护的功能;变压器的后备保护实质上是外部故障的后备保护。因此,对于允许CT断线跳闸的用户,可以直接用本侧开关CT的自产零序电流代替中性点套管CT的零序电流;对于不允许CT断线跳闸的用户,只需要保护装置厂家对保护软件稍加修改即可。如此,彻底杜绝了中性点套管CT接线错误造成的事故。

参考文献

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电流型保护 篇9

电流差动保护原理建立在基尔霍夫定律的基础之上,具有良好的选择性,能灵敏、快速地切除保护区内故障,被广泛地应用在能够方便地取得端电流的发电机、输电线路、变压器、母线等保护中[1]。但随着电网规模的扩大,线路出口故障电流逐步增大,由差动保护存在的电流互感器饱和问题所引起的保护不正确动作案例也逐渐增多[2,3,4,5,6,7]。

目前,鉴别电流互感器饱和普遍采用时差法(或者异步法),基本上是利用电流互感器在故障发生瞬间并不会马上饱和,差动启动滞后故障启动的特征,判断为电流互感器饱和,暂时闭锁差动保护[8];母线差动、线路差动的电流互感器饱和判据采用分相判别,对于故障相,时差法能够有效地识别出电流互感器饱和。但是对于非故障相,若存在由故障相电流通过二次回路分流到非故障相的不平衡毛刺电流,非故障相的故障启动与差动电流启动同时出现,保护装置无法判别这种情况引起的饱和,从而引发误动。电流互感器相间分流现象在故障录波波形中具有明显特征,已造成国内多起差动保护区外故障误动事故,但目前对电流互感器相间互串现象发生的机理仍然缺少深入的研究。本文致力于找出电流互感器相间互串的本质原因,进而提出有针对性的整改措施,这将对提高差动保护正确动作率、保证供电的可靠性和电网运行的稳定性具有较好的意义。

1 典型故障案例

如图1所示,某220 kV变电站110 kV出线726发生A相接地故障,引起724侧线路光纤差动保护在故障后45 ms三相跳闸出口,热电厂侧保护在故障后50 ms三相跳闸出口。变电站侧A相穿越性故障电流峰值达到71.263 A,C相电流峰值达到19.922 A;热电厂侧A相故障电流峰值达到70.419 A,C相电流峰值达到26.506 A(以上均为保护二次值,电流互感器变比为600/5)。

线路光纤差动保护装置动作时,变电站侧A相电流为31.296∠134.75° A,热电厂侧A相电流为21.521∠-19.59° A,两侧A相电流幅值相近,相位相反,为穿越性电流特征,其差动电流为15.113 A,制动电流为25.722 A,不满足动作条件,A相差动保护没有动作。

C相电流变电站侧为4.872∠-100.25° A,热电厂侧为0.729∠35.76° A,差动电流为4.377 A ,制动电流为2.71 A,小于拐点制动电流,分相电流差动门槛定值2 A,满足差动保护动作条件,保护动作出口跳三相。因此,本次故障中线路光纤差动保护实际动作情况为C相差动保护动作出口跳三相。

图2、图3为线路724两端保护二次侧电流故障录波波形,其中实线为两侧ABC三相以及零序电流波形,点线为经全波傅里叶变换后所得到的基波幅值。

从图2和图3中可以看到故障发生后线路两侧非故障相C相电流互感器二次侧均产生了幅值较大的毛刺电流,而正是两侧不平衡毛刺电流最终导致C相差流突增满足动作条件导致保护误动。同时,从录波波形中可以明显看出,非故障相的毛刺电流极性与故障相故障电流的极性相反。从已有此类误动大量录波波形中可以确定这是此类误动的一个重要共性特征。

2 电流互串原因初步分析

2.1 电流互感器的等效电路

电流互感器等效电路模型如图4所示,一次侧可以等效看成一个电流源与一个非线性电感并联。正常运行时,励磁阻抗很大,励磁电流很小,但当互感器饱和时,Lμ变小,励磁阻抗ωLμ随之变小;同样,当电流中含有非周期分量时,ω=0,相当于励磁支路电抗变为0,一次电流全部注入励磁支路,二次电流接近于0。

实际系统中保护用电流互感器二次回路接线如图5所示。

由图5可知,在实际的二次回路接线方式下,对于A相电流互感器二次绕组来说,其二次负载除了包括本相线的电阻外,还包括了ABC三相公共的N线电阻。因此,三相电流互感器从空间磁路上来看是相互独立的,但在电路上并不独立,存在N线电阻分量的耦合。

2.2 电流互感器二次回路分流分析

通过此类误动发生时非故障相的毛刺电流极性总是与故障相故障电流的极性相反这一共性特征可以作出初步判断:非故障相毛刺电流是由故障相电流通过电流互感器二次回路分流到非故障相产生。

如图5所示,设故障相为A相,A相二次电流通过A相的二次装置电流互感器流入电流互感器二次回路A411。基于以上判断,可以分析得到毛刺电流的主要特征为:

1)毛刺电流由故障相串入到非故障相的电流产生,非故障相的不平衡毛刺电流极性和与故障相电流极性相反(图3中C相毛刺电流与A相瞬时电流极性相反)。

2)故障相串入到非故障相电流(尤其是非周期分量)会导致非故障相电流互感器饱和,励磁阻抗下降,进而产生毛刺电流。

3)故障相的电流一般不可能持续串入到非故障相,故障相的电流正好充当了非故障相的去磁电流,因此毛刺电流持续时间通常较短。

4)由非故障相电流互感器饱和所导致的毛刺电流一般很大,可能引起母差保护、线路差动保护启动甚至误动。

3 电流互串理论分析

为了更进一步地从电流互感器暂态饱和的角度分析、验证上述判断,建立了相应的暂态模型,如图6所示。ua,ub,uc分别为ABC三相电流互感器二次回路的压降;Ra,Rb,Rc,La,Lb,Lc分别为电流互感器相应的二次侧电阻和电感;Rn为中性点回路电阻;ia,ib,ic分别为电流互感器二次电流。

根据图6可以列写出电流互感器二次回路的微分方程:

$\begin{array}{l}u{}_{\text{a}}=\frac{\text{d}\Psi {}_{\text{a}}}{\text{d}t}=R{}_{\text{a}}i{}_{\text{a}}+L{}_{\text{a}}\frac{\text{d}i{}_{\text{a}}}{\text{d}t}+(i{}_{\text{a}}+i{}_{\text{b}}+i{}_{\text{c}})R{}_{\text{n}}+\\ L{}_{\text{n}}\frac{\text{d}(i{}_{\text{a}}+i{}_{\text{b}}+i{}_{\text{c}})}{\text{d}t}(1)\\ u{}_{\text{b}}=\frac{\text{d}\Psi {}_{\text{b}}}{\text{d}t}=R{}_{\text{b}}i{}_{\text{b}}+L{}_{\text{b}}\frac{\text{d}i{}_{\text{b}}}{\text{d}t}+(i{}_{\text{a}}+i{}_{\text{b}}+i{}_{\text{c}})R{}_{\text{n}}+\\ L{}_{\text{n}}\frac{\text{d}(i{}_{\text{a}}+i{}_{\text{b}}+i{}_{\text{c}})}{\text{d}t}(2)\\ u{}_{\text{c}}=\frac{\text{d}\Psi {}_{\text{c}}}{\text{d}t}=R{}_{\text{c}}i{}_{\text{c}}+L{}_{\text{c}}\frac{\text{d}i{}_{\text{c}}}{\text{d}t}+(i{}_{\text{a}}+i{}_{\text{b}}+i{}_{\text{c}})R{}_{\text{n}}+\\ L{}_{\text{n}}\frac{\text{d}(i{}_{\text{a}}+i{}_{\text{b}}+i{}_{\text{c}})}{\text{d}t}(3)\end{array}$

将式(1)～式(3)在(0,t)上进行积分,可以得到如下表达式:

从式(4)～式(6)可以看出,电流互感器ABC三相的磁链除了与本相的电流有关,还与中性点回路阻抗上的零序电流有关,也就是说,A相的磁链在某种程度上受到BC相二次电流的影响。为了更容易说明问题,忽略电感分量的影响,以A相电流互感器为例,考虑故障相为C相,故障前系统为空载,因此故障时AB相电流为0。于是可得到:

$\Psi {}_{\text{a}}=\Psi {}_{\text{a}}(0)+R{}_{\text{n}}{\displaystyle {\int }_0^{t}i}{}_{\text{c}}(t)\text{d}t(7)$

从式(7)可以看出,如果故障电流中C相电流偏大,并且伴有直流分量的偏移,那么A相的磁链在一定时间内可能会逐步积累,达到A相电流互感器的饱和值,引起电流互感器饱和,励磁阻抗骤降,C相串入A相电流突增,导致毛刺电流产生。

非故障相在流过负荷电流的情况下,负荷电流的去磁作用会有助于电流互感器退出饱和,因此从非故障相电流互感器饱和波形特征来看,毛刺电流持续的时间通常较短。

从物理上理解,电流互感器实际上是一个变压器,由于电流互感器二次回路的存在,当A相发生故障时,由于A相的电流通过中性线流回电流互感器的中性点,因此必然在Rn上产生一个突变的电压,相当于这个电压同时加入到B相和C相,引起其他2个电流互感器二次回路出现类似于变压器一样的励磁涌流,特征也与毛刺电流相似。

4 仿真分析及实验验证

4.1 MATLAB仿真分析

为进一步验证上文得到的结论,在MATLAB中建立三相电流互感器二次回路模型并进行初步仿真验证,模型系统如附录A图A1所示。电流互感器模型容量为25 VA,变比为600/5,采用近似的2段磁化曲线数学模型。

仿真模拟C相故障,测得在A相出现毛刺电流,波形见图7。

从相位特性来看,A相毛刺电流与此时C相瞬时电流极性相反,验证了理论分析的正确性。

4.2 实验室验证

以笔者单位实验室内准确级为5P10的电流互感器为例进行实验,首先用测试仪对该电流互感器的励磁特性进行测量,得到励磁特性曲线,如图8所示。

模拟现场的环境,在C相二次加故障电流,测试故障电流是否会串入到A相电流互感器二次回路。实验接线如图9所示。

图10(a)为实验中的C相所加二次电流波形,图10(b)为A相电流互感器二次电流波形。从图10(b)可以看出,A相电流互感器二次电流波形具有典型的电流互感器饱和二次电流波形特征:电流波形呈现明显缺损,在饱和点附近二次电流变化率突增[9]。该实验进一步验证了上文得出的结论:故障相电流互感器二次电流串入非故障相,使得非故障相电流互感器饱和进而导致非故障相毛刺电流的产生。

现场的毛刺电流一般只出现偏于时间轴一侧,没有像图10(b)中一样是分别出现在两侧对称的毛刺电流,主要原因是现场的故障电流中一般有直流分量,该直流分量通过公共Rn的作用加剧了非故障相磁链的增加,导致偏向于时间轴一侧的毛刺电流。

5 结语

本文通过理论分析、仿真验证以及实验验证揭示了一种与电流互感器二次回路的相间汲出(分流互串)相关的差动保护误动发生的内在机理。此类误动由于非故障相的故障启动与差动电流启动同时出现,采用目前的保护装置电流互感器饱和判据较难解决问题,需引起相关部门的关注。

随着电网规模的扩大,电网的短路容量逐渐变大,类似上述案例的误动情况还可能会继续发生。根据本文的分析结论,需要重点关注以下几个问题:

1)对电流互感器的饱和特性进行测量,结合二次回路电阻进行定量计算,判断在目前的短路容量情况下,是否会出现同样的二次电流分流现象,引起保护不正确动作的现象。

2)需要关注二次回路中性点的接线问题,是否有接触不良或绝缘损坏的现象。

3)电流互感器的饱和是一个值得关注的问题。对于目前保护用电流互感器,在设备选型上应把好关,严格按照保护用电流互感器技术条件进行选型,对于不符合条件的电流互感器要进行更换。优先选用低剩磁的电流互感器,同时提高电流互感器饱和的拐点、增加电流互感器的容量和变比、降低电流互感器的二次回路电阻,尤其是中性点N线的电阻(必要时N线可以增加并联电缆数),逐步进行二次回路的改造。

4)研究新的保护算法时应关注此类案例,如从非故障相引入故障相电流作为制动量、加入电压判据等。

附录见本刊网络版(http://aeps.sgepri.sgcc.com.cn/aeps/ch/index.aspx)。

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