单侧电源辐射形电网三段式过电流保护

单侧电流辐射形电网三段式电流保护电控学院-2-一、实验名称：单侧电流辐射形电网三段式过电流保护一、实验目的：本次实验针对自动化专业和电气工程及其自动化专业。通过综合实验，使学生对所学过的供电课程，如短路电流的计算、灵敏度校验，以及继电保护等章节有一次系统的复习，并运用自己学过的知识，自己设计三段保护实验系统。要求自己设备选型，自己设计，自己安装，最后自行调试，自行实现自己的设计。在整个实验过程中，摆脱以往有教师设计、检查处理故障的传统做法，由学生完全自己动手，互相查找处理故障，培养学生动能力。学生实验应做到以下几点：1.通过模拟线路三段式过电流保护实验，进一步了解继电保护的基本原理；2.通过三段式过电流保护的动作电流和动作时间整定掌握三段保护之间的配合关系，加深对继电保护思想基本要求，及可靠性、选择性、快速性、灵敏性的理解；3.通过实验线路的设计，计算及实际操作，使理论与实际相结合，增加感性认识，使书本知识更加巩固；4.培养动手能力，了解布线的基本工艺要求；5.培养分析，查找故障及错误接线的能力。三、实验原理：电流增大和电压降低时电力系统中发生短路故障的基本特征。利用此特征实现的保护是基本的，也是最早得到应用的继电保护原理。在单侧有电源的电网中发生短路时，通过保护装置的短路电流只能是指向被保护的方向，因而不需要考虑保护装置反方向，即背后短路的问题，不需要配置方向元件，其结构最为简单。电流保护属于阶段式或具有阶梯型动作特征的多段式保护，其选择性依靠上、下级保护的整定值和动作时间的配合来保证。靠近电源的保护为上级保护，离电源较远的保护为下级保护。电流保护的段数根据整定配合的需要而定，但一般至少有三段。没有人为延时的、动作最快的一段称为电流瞬时速断，最后一段按照正常运行时或不正常运行而无短路时不能误动的原则整定，称为过电流保护。本次实验要实现A处（电源出口处）的三段式电流保护，故将其保护分为三段：瞬时电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过电流保护。图1：实验线路1.瞬时电流速断保护根据对继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间必须满足系统-3-稳定性和保护重要用户供电的可靠性。对于特高压输电线路，还需满足限制过电压的要求。在简单、可靠和保证选择性的前提下，原则上总是越快越好。因此，在各种电气元件上，应力求装设快速动作的继电保护装置。对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护，称为瞬时电流速断保护，亦即电流保护的Ⅰ段。整定原则及方法：为了解决瞬时电流速断保护的速动性和选择性，本设计优先保证动作的选择性，即从保护装置起动参数上保证下一条线路出口处短路时不起动，在继电保护技术中，这又称按躲开下一条线路出口处短路的条件整定。整定计算：动作电流为：ABkBkkactxEKIKI')3(max..''1灵敏性校验：%15%100231%max.2.minSAactABxIEx上式中：'kK为可靠系数（本次实验取1.2)；E为等效电源相电动势。引入可靠系数的原因：实际的短路电流可能大于计算值；对瞬时动作的保护还应考虑非周期分量使总电流增大的影响；保护装置中电流继电器的实际动作电流可能小于整定值；④考虑必要的裕度。从最不利的情况出发，及时同时存在着以上几个因素的影响，也能保证在预定的范围以外故障时保护装置不误动作，因而必须乘以大于1的可靠系数。2.限时电流速断保护由于有选择性的瞬时电流速断保护不能保护本线路的全长，不能作为主保护，因此应增加一段新的保护，用来切除本线路瞬时电流速断保护范围以外的故障，同时也能作为瞬时电流速断保护的后备，这就是限时电流速断保护，亦即电流保护的Ⅱ段。整定原则及方法：动作电流的选择：由于要求限时速断保护必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时，他就要启动，在这种情况下，为了保证动作的选择性就必须使保护的动作带有一定的延时，此时延时的大小与其延伸的范围有关。本级限时电流速断保护的保护范围不应超过下级保护瞬时电流速断保护的保护范围，因此在单侧电源供电的情况下，它的动作电流应该整定为'.''.BactAactII如果正好遇到保护2的瞬时电流速断的动作电流出现正误差，其保护范围比计算值缩小，而保护A的限时速断的动作电流出现负误差，其保护范围比计算值增大，出现当计算的保护范围末端短路时，保护B的电流速断不能动作，而保护A的限时速断仍然起动的情况，造成A、B两段的限时速断同时动作。为了防止上述情况，必须使'act.B''act.AII，引入可靠系数''kK，则得-4-'.''''.BactkAactIKI对于''kK，考虑到短路电流中的非周期分量已经衰减，同时由于通过保护A、B的电流相同，短路电流计算的误差对两者的影响相同，故可取得比瞬时速断保护的'kK小一些，一般取为1.1~1.2,本实验中取为1.1,。动作时限的选择：限时速断的动作时限''At应选择得比下一条线路瞬时速断保护的动作时限'Bt高出一个t，即tttBA'''确定t的原则如下：⑴t应包括故障线路断路器QF的跳闸时间BQFt.;⑵t应包括故障线路保护B中时间继电器的实际动作时间比整定值延迟Btt.才能动作的可能性；⑶t应包括保护A中时间继电器可能比整定的时间提早Att.动作的可能性；⑷如果保护A中的测量元件（电流继电器）在外部故障切除后，由于惯性的影响而不能立即返回时，则t中还应包括测量元件延迟返回的惯性时间Aint.；⑸考虑一定的裕度，再增加一个裕度时间rt，可得rAinAtBtBQFBAttttttt....'''或rAinAtBtBQFtttttt....机电式时间继电器误差较大，t应选0.5~0.6s;数字电路构成的静态型时间继电器精度极高，可以将t压缩到0.2~0.35s左右；本实验t取0.5s。保护装置灵敏性的校验：为了能够可靠保护线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路是具有足够的反应能力，这个能力通常用灵敏系数senK来衡量。对反应于电气量数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是：保护装置的动作整定值障量的计算值短路时保护所反应的故保护范围内发生金属性senK在本次校验中：''.min..AactBksenIIK-5-对限时电流速断保护应要求5.1~3.1senK。3.定时限过电流保护过电流保护通常是指其起动电流按躲开最大负荷电流整定的一种保护装置，也是多段式电流保护的最后一段。它在正常运行时不应该起动，而在系统发生故障时能反应于电流的增大而动作，在一般情况下它不仅能够保护本线路的全长，而且也能够保护相邻线路的全长，以起到远后备保护的作用。整定原则及方法：动作电流的选择：为了保证在正常工作的情况下过电流保护绝对不动作，保护装置的起动电流必须整定得大于该线路上可能出现的最大负荷电流max.LI；其次，在确定保护装置的起动电流时，还必须考虑在外部故障切除后，保护装置是否能够返回的问题。如图1（实验线路）所示，若C处发生短路故障，短路电流将通过A、B、C三段的保护，A、B、C各段相应的保护的电流继电器都将动作，但是按照选择性的要求应该由保护C的瞬时电流速断保护动作，然后保护A和B由于电流已经减小而应立即返回。当外部故障切除后，流经保护A的电流仍然是在继续运行中的负荷电流。但必须考虑到，由于短路时电压降低，B母线上所接负荷的电动机被制动，因此，在故障切除后电压恢复时，电动机要有一个自起动的过程。电动机的起动电流要大于其正常运行时的电流，因此，引入一个自起动系数zqK来表示自起动时最大电流max.zqI与正常运行时最大负荷电流max.LI之比，即max.max.LzqzqIKI保护A的三段在这个电流的作用下必须能够立即返回。为此应使保护装置的返回电流reI大于max.zqI。引入可靠系数relK，则有max.max.LzqrelzqrelreIKKIKI由于保护装置的起动与返回时通过电流继电器来实现的，因此，继电器返回电流与起动电流之间的关系也就代表着保护装置返回电流与起动电流之间的关系。在此引入继电器的返回系数reK，则保护装置的起动电流即位max.'''.1LrezqrelrereAactIKKKIKI式中：relK为可靠系数，一般采用1.25~1.5，本实验取1.2；zqK为自启动系数，数值大于1，本实验中取1.5；reK为电流继电器的返回系数，对机电型继电器一般采用0.85，而对静态型继电器则可采用0.9~0.95，本实验采用的是机电型-6-电流继电器，故取0.85。动作时限的选定：图2：定时限过电流保护动作时限整定如图2所示，由于A处的过电流保护作为下两级的后备保护，要求动作时限要大于其保护范围内的所有元件的时限，且大于下各级后备保护的时限，所以A出定时限过电流保护的动作时限为stttttt1123灵敏系数的校验：当过电流保护作为本线路的主保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求5.1~3.1senK；当作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小方式下相邻线路末端两相短路时的电流进行校验，此时要求2.1senK。四、整定计算1、保护1的一段动作整定整定电流：ABkBkkactxEKIKI')3(max..''1=22A保护范围：%15%71%100231%max.2.minSAactABxIEx满足最小保护范围的要求2、保护1的二段动作整定整定电流：'.''''.BactkAactIKI=12.1A灵敏度校验：''.min..AactBksenIIK=1.311.3,满足灵敏度的要求-7-动作时限：tttBA'''=0.5s3、保护1的三段动作整定动作电流整定：max.'''.1LrezqrelrereAactIKKKIKI=5.73A灵敏度校验：作近后备3.17.2Ksen作远后备2.138.1Ksen，均满足灵敏度的要求动作时限：st1'''五、实验原理图、布线图以及接线图1、实验原理图-8-2、实验布线图3、实验接线图-9-六、实验步骤1、按实验板实际布置进行接线，实际接线如图2、测量互感器的实际变比互感器TA1互感器TA2一次侧电流二次侧电流实际变比一次侧电流二次侧电流实际变比20A5.4A3.70420A5.27A3.8143、接线完成后，按实际计算短路电流以及接触器动作时间对电流继电器、时间继电器进行动作值整定，整定参数如下表继电器动作短路电流动作时间KA1/KA222AKA3/KA412.1AKA5/KA65.7AKT1常开1：0.522s常开2：0.524sKT2常开1：1.061s常开2：1.093s-10-4、接上负载，用负载模拟线路故障，模拟线路故障即将故障类型、故障电流调成与整定计算相符，若短路电流到达动作整定值继电保护装置不动作或是保护段动作不对应，对继电保护装置进行参数调整，以便继电保护装置能准确、快速响应线路三相短路或两相短路故障，达到保护线路、快速切除故障并排除瞬时故障的目的。4、记录实验现象和实验结果。七、实验故障分析1、模拟线路三相短路故障时，故障电流达到保护动作电流整定值，速保护不动作。原因分析：①电流互感器计算变比与实际变比存在误差导致二次电流过小，没有达到电流继电器动作值；②电流互感器动作整定值过大，短路电流到达短路动作电流整定值时，电流继电器无法动作。2、模拟线路三相短路故障时，当短路电流达到限时电流速断保护动作整定值二段保护不动作而三段保护动作原因分析：由于时间继电器KT1设置的延时在实际保护中比时间继电器KT2延时短，导致导致三段保护动作而二段保护无法起到保护作用。