工厂高压线路的继电保护

工厂高压线路的继电保护工厂高压线路的继电保护一、概述按GB50062-1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定，对3～66kV电力线路，应装设相间短路保护、单相接地保护和过负荷保护。由于一般工厂的高压线路不很长，容量不是很大，因此其继电保护装置通常比较简单。作为线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电流保护和瞬时动作的电流速断保护。但过电流保护的动作时间不大于0.5～0.7s时，按GB50062-1992规定，可以不再装设电流速断保护。相间短路保护应动作于断路器的跳闸机构，使断路器跳闸，切除短路故障部分。作为单相接地保护，有两种方式：（1）绝缘监视装置，装设在变电所的高压母线上，动作于信号。（2）有选择性的单相接地保护（又称零序电流保护），也动作于信号；但当单相接地故障危及人身和设备安全时，应动作于跳闸。对可能经常过负荷的电缆线路，应装设过负荷保护。二、继电保护装置的接线方式工厂高压线路的继电保护装置中，启动继电器与电流互感器之间的连接方式，主要有两相两继电器式和两相一继电器式两种。(一)两相两继电器式接线（见图6-18）这种接线，如果一次电路发生三相短路或任意两相短路，都至少有一个继电器动作，从而使一次电路的断路器跳闸。为了表述这种接线方式中继电器电流IkA与电流互感器二次电流I2的关系，特引入一个接线系数Kw：两相两继电器式接线在一次电路发生任何形式的相间短路时，Kw=1，即其保护灵敏度都相同。2KAwIKI（6-28）图6-18两相两继电器式接线(二)两相一继电器式接线（见图6-19）图6-19两相一继电器式接线这种接线，又称为两相电流差接线。正常工作时，流入继电器的电流为两相电流互感器二次电流之差。c在一次电路发生三相短路时，流入继电器的电流为电流互感器二次电流的倍（参看图6-20a的相量图），即。在一次电路的A、C两相间发生短路时，由于两相短路电流反应在A相和C相中是大小相等、相位相反（参看图6-20b的相量图），因此流入继电器的电流（两相电流差）为互感器二次电流的2倍，即。在一次电路的A、B两相或B、C两相间发生短路时，流入继电器的电流只有一相（A相或C相）互感器的二次电流（参看图6-20c、d的相量图），即。3(3)3wK(,)2ACwK(,)(,)1ABBCwwKK图6-20两相一继电器式接线发生不同相间短路时的电流相量分析a)三相短路b)A、C两相短路c)A、B两相短路d)B、C两相短路由以上分析可知，两相一继电器式接线能反应各种相间短路，但保护灵敏度各有不同，有的甚至相差一倍，因此不如两相两继电器式接线；但是它少用一个继电器，较为简单经济。这种接线主要用于高压电动机的保护。三、继电保护装置的操作方式继电保护装置的操作电源，有直流操作电源和交流操作电源两大类（详见第七章第一节）。由于交流操作电源具有投资少、运行维护方便和二次回路简单可靠等优点，因此它在中小工厂中应用最为广泛。交流操作电源供电的继电保护装置现在通用的有以下两种操作方式：(一)直接动作式（见图6-21）利用断路器手动操作机构内的过流脱扣器YR作为直动式过流继电器，接成两相一继电器式或两相两继电器式。正常运行时，YR中流过的电流远小于YR的动作电流，因此不动作。而在一次电路发生相间短路时，短路电流反应到电流互感器的二次侧，流过YR，达到或超过YR的动作电流，从而使断路器QF跳闸。这种操作方式简单经济，但保护灵敏度低，实际上较少应用。图6-21直接动作式过电流保护电路QF-断路器；TA1、TA2-电流互感器；YR-断路器跳闸线圈（即直动式继电器KA）图6-22“去分流跳闸”的过电流保护电路QF-断路器；TA1、TA2-电流互感器；KA-GL-11、21型电流继电器；YR-跳闸线圈(二)“去分流跳闸”的操作方式（见图6-22）正常运行时，电流继电器KA的常闭触点将跳闸线圈YR短路分流，所以断路器QF不会跳闸。而在一次电路发生短路时，KA动作，其常闭触点断开，使YR的短路分流支路被切断（即所谓“去分流”），从而使电流互感器的二次电流全部通过YR，致使断路器QF跳闸，这就是“去分流跳闸”。这种操作方式接线简单，保护灵敏度也较高。但这要求电流继电器KA的触点具有足够大的分断能力才行。现在生产的GL等型电流继电器，其触点容量相当大，短时分断电流可达150A，完全能够满足去分流跳闸的要求。因此这种去分流跳闸的操作方式现在在工厂供电系统中应用相当广泛。但是，图6-22所示的这一“去分流跳闸”电路存在一个问题，即电流继电器KA的常闭触点如果由于外界振动偶然断开时可能造成误跳闸的事故。因此实际的“去分流跳闸”电路要利用图6-17所示的“先合后断转换触点”来弥补这一缺陷，这将在下面讲述反时限过电流保护时（图6-24）予以介绍。15,1625,26四、带时限的过电流保护带时限的过电流保护，按其动作时间特性分，有定时限过电流保护和反时限过电流保护两种。定时限就是保护装置的动作时间是按整定的动作时间固定不变的，与故障电流大小无关。而反时限就是保护装置的动作时间与故障电流成反比关系，故障电流越大，动作时间越短，所以反时限特性也称为反比延时特性。(一)定时限过电流保护装置的组成和原理定时限过电流保护装置的原理电路如图6-23所示。其中图a为集中表示的原理电路图，通常称为接线图；图b为分开表示的原理电路图，通常称为展开图。从原理分析的角度来说，展开图更简明清晰，因此在二次回路图（包括继电保护电路图）中应用最为普遍。图6-23是定时限过电流保护的工作原理图。当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA瞬时动作，闭合其触点，使时间继电器KT动作。KT经过整定的时限后，其延时触点闭合，使串联的信号继电器KS（电流型）和中间继电器KM动作。KS动作后，其指示牌掉下，同时接通信号回路，给出灯光信号和音响信号。KM动作后，接通跳闸线圈YR回路，使断路器QF跳闸，切除短路故障。QF跳闸后，其辅助触点QF1-2随之切断跳闸回路，以减轻KM触点的工作。在短路故障被切除后，继电保护装置除KS外的其他所有继电器均自动返回起始状态，而KS可手动复位。图6-23定时限过电流保护的原理电路图a)接线图b)展开图QF-断路器；KA-DL型电流继电器；KT-DS型时间继电器；KS-DX型信号继电器；KM-DZ型中间继电器；YR-跳闸线圈当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA动作，经过一定的延时后，其常开触点闭合，紧接着其常闭触点断开（这两对触点为图6-17所示的“先合后断转换触点”）。这时断路器因其跳闸线圈YR“去分流”而跳闸，切除短路故障。在GL型继电器去分流跳闸的同时，其信号牌掉下，指示保护装置已经动作。在短路故障被切除后，继电器自动返回，其信号牌可利用外壳上的旋钮手动复位。(二)反时限过电流保护装置的组成和原理反时限过电流保护装置由GL型电流继电器组成，其原理电路图如图6-24所示。1525图6-24反时限过电流保护的原理电路图a)接线图b)展开图QF-断路器；KA-GL15、25型电流继电器；YR-跳闸线圈比较图6-24和前面的图6-22可知，图6-24中的电流继电器（GL-15、25型）比图6-22中的电流继电器增加了一对常开触点与跳闸线圈YR串联，其目的是防止其与YR并联的常闭触点在一次电路正常运行时由于外界振动的偶然因素使之断开而导致断路器误跳闸的事故。增加了这对触点后，即使常闭触点偶然断开，也不会造成断路器误跳闸。但是继电器的这两对触点的动作程序必须是：常开触点先闭合，常闭触点后断开，即必须采用“先合后断转换触点”。否则，如果常闭触点先断开，将造成电流互感器二次侧带负荷开路，这是不允许的，同时将使继电器失电返回，不起保护作用。当线路WL2的首端k点发生短路时，由于短路电流远大于线路上的所有负荷电流，所以沿线路的过电流保护装置包括KA1、KA2均要动作。按照保护选择性的一切，应是靠近故障点k的保护装置KA2首先断开QF2，切除故障线路WL2。这时由于故障已被切除，保护装置KA1应立即返回起始位置，不致再断开QF1。假设KA1的返回电流未躲过线路WL1的最大负荷电流，即KA1的返回系数过低时，则在KA2动作并切除故障线路WL2后，KA1可能不返回而继续保持动作状态，而经过KA1所整定的时限后，错误地断开断路器QF1，造成WL1停电，扩大了故障停电范围，这是不允许的。所以保护装置的返回电流也必须躲过线路的最大负荷电流。(三)过电流保护动作电流的整定带时限的(包括定时限和反时限)过电流保护的动作电流应躲过线路的最大负荷电流，以免在通过时保护装置误动作，而且其返回电流也应躲过，否则保护装置还可能发生误动作。为了说明这一点，以图6-25a的电路图为例来说明。opI.maxLI.maxLIreI.maxLI图6-25线路过电流保护整定说明图a)电路b)定时限过电流保护的时限整定说明c)反时限过电流保护的时限整定说明设电流互感器的变流比为，保护装置的接线系数为，保护装置的返回系数为，则最大负荷电流换算到继电器中的电流为。由于要求返回电流也躲过最大负荷电流，即，而，因此，即，写成等式，即iKwKreK.max/wLiKIK.max/rewLiIKIKrereopIKI.max/reopwLiKIKIK.max/opwLIKI()reiKK.maxrelwopLreiKKIIKK（6-29）式中为保护装置电流整定的可靠系数对DL型继电器，取，对GL型继电器，取；为保护装置的接线系数，对两相两继电器接线（相电流接线）为1，对两相一继电器接线（两相电流差接线）为；为线路上的最大负荷电流，可取为，这里为线路计算电流。relK1.2relK1.3relK3.maxLI30(1.5~3)I30I30I(四)过电流保护动作时间的整定过电流保护的动作时间，应按“阶梯原则”整定，以保证前后两级保护装置动作的选择性，也就是在后一级保护装置所保护的线路首端（如图6-25a中的k点）发生三相短路时，前一级保护的动作时间t1应比后一级保护中最长的动作时间t2，再大一个时间级差△t，如图6-25b和c所示，即（6-31）如果采用断路器手动操作机构中的过流脱扣器YR作过电流保护（参看图6-21），则脱扣器的动作电流（脱扣电流）应按下式整定：().maxrelwopYRLiKKIIK（6-30）式中为脱扣器电流整定的可靠系数，可取2～2.5，这里已计入脱扣器的返回系数。relK12ttt这一时间级差△t，应考虑到前一级保护的动作时间t1可能发生的负偏差（提前动作）△t1及后一级保护的动作时间t2可能发生的正偏差（延后动作）△t2，还要考虑保护装置（特别是GL型继电器）动作时的惯性误差。为了确保前后保护装置的动作选择性，还应加上一个保险时间△t4（可取0.1～0.15s）。因此前后两级保护装置动作时间的时间级差（6-32）对于定时限过电流保护，可取△t=0.5s；对于反时限过电流保护，可取△t=0.7s。定时限过电流保护的动作时间，利用时间继电器来整定。反时限过电流保护的动作时间，由于GL型电流继电器的时限调节机构是按10倍动作电流的动作时间来标度的，因此要根据前后两级保护的GL型继电器的动作特性曲线来整定。假设图6-25a所示电路中，后一级保护KA2的10倍动作电流的动作时间已经整定为t2，现在要确定前一级保护KA1的10倍动作电流的动作时间t1，整定计算的方法步骤如下：12ttt1234ttttt(1)计算WL2首端的三相短路电流反映到KA2中的电流值：式中为KA2与电流互感器相连的接线系数；为KA2所连电流互感器的变流比。kI（6-33）(2)'(2)(2)wkkiKIIK(2)wK(2)iK(2)计算对KA2的动作电流的倍数，即'(2)kI(2)opI'(2)2(2)kopInI（6-34）(3)确定KA2的实际动作时间。在图6-26所示KA2的动作特性曲线的横坐标轴上，找出，然后往上找到该曲线上的a点，该点所对应的动作时间就是KA2在通过时的实际动