浅谈反时限保护的适用范围及整定方案
-
浅谈反时限保护的适用范围及整定方案
张克平
摘要：白银电网负荷大部分是
工业和电力提灌负荷，因此网内存在着大量的大型高压电动机。
相当一部分配网线路的定
时限过流保护定值须躲电机启动电流，导致过电流定值很大，甚至有超限
时速断电流定值
的情况，而此时低电压及负序电压对线末没有灵敏度。电网的快速发展，使保护配
合的级
数增加，部分配网及用户变电所时间级差已非常紧张。因此，寻找能很好躲电机启动电流及
缓解时间级差的保护类型显得尤为迫切，而反时限保护能很好的躲电机启动电流——只要选择适当
的曲线类型和时间常数；同时其动作时限与故障电流的大小成反比，上下级保护之间只需一个时间
级差配合，缓解时间级差效果明显。
一、定时限过流保护陷入窘境的几个案例
㈠
王岘水泥厂
117
水泥磨线过电流保护
5.75
117
水泥磨线
YJV-2
×
(3
×
120)/0.7
0.6444
1.373
王岘水泥厂
0.0556
K1
5.75
1#
4.6%
0.8MVA
K2
2#
4.6%
0.8MVA
R:2800kW
+560kW
0.4kV:1377kW
K3
保护型
号：
PMC-651F
装置版本号：
V1.60.00
1
、
参数计算
1
）电缆
YJV-
3
×
< br>120/10
，
r=0.158
Ω
/
㎞
x
=0.0755
Ω
/
㎞
Z=0.1751
Ω
/
㎞
Z*=0.1588
2
）短路电流：
I
(
3
)
K1
7857
A
I
K2
1538
A
(
并列
)
(
3
)
I
(
2
)
K1
3334
A
I
(
2
)
K2
663
A
A
I
首
(
小
)
3
4
6
9
(
2
)
< br>I
(
2
)
首
(
大
)
7391
A
2
、保护主要功能：
1
）瞬时电流速断
；
2
）复压（方向）限时电流速断；
3
）复压（方向）定限时限
过流；
4
）相电流加速；
5
）反时限过流；
6
）过负荷保护；
7
）
零序过流；
8
）重合闸；
9
）低周、低
1
压减载；
10
）绝缘监视；
11
）
TV
断线、控制回路断
线监视；
12
）检同期功能。
3
、过电流保护整定
CT
：
300/5
PT
：
100
1
）
YJV22-3
×
120
电缆最大允许载流量：
323A
；ＣＴ一次值：
300A
；
2
）负荷电流：配电变压器，
2
×
46.2=92.4A
；
< br>2800kW
电机，
190A
；
560kW
电机，
< br>2
×
38=76A
；最
大绕线式电机启动电流（软启动）
Iqd=2Ie=2
< br>×
190=380A
；
Ifh<
/p>
·
max=92.4+76+380=548.4A
。
1
.
< br>2
548
.
< br>4
12
.
9
A
0
.
85
6
0
4
.
85
160
10
.
8
A
取
12.9A
0.4S
与主变过流（
4.85A
800/5
0.7S
）配合，
< br>I
dz
1
.
2
6
0
663
0
.
86
不满足
K2
点灵敏度：
Klm=
12
.
9
60
（
1
）按定时限躲电机启
动电流整定：
I
dz
（
2
）加复合电压：
Ifh<
/p>
·
max=92.4+76+190=358.4A
。
1
.
< br>2
358
.
< br>4
8
.
4
A
取
8.4A
0.4S
（
II
、
III
段时限停用）
0
.
85
6
0
663
1
.
32
满足
K2
点灵敏度：
Klm=
8
.
4
60
< br>I
dz
低电压：
65V
；
负序电压：
7V
。
复压
灵敏度：
K2
点故障
U
大
=
0.0556
2.875
0.0556
5
.
75
100
82
V
，
100
81
V
低电
U
小<
/p>
=
0
.
6444
0
.
055
6
2
.
87
5
1
.
373
0
.
0556
5
.
75
0
.6
444
1
.3
73
50
5
V
，
U
2
小
=<
/p>
50
9
.6
V
0
.
6444
0
.
0556
<
/p>
5
.
75
1
.
373
0
.
0556
5<
/p>
.
75
压不满足
U
2
大
=
负序电压在系统大方式，
1
、
2#
变分裂运行时没有灵敏度，故负序电压也不满足。
结论
1
：由以上计算可以得出结论
，定时限过电流保护对
117
水泥磨线不能兼顾保护相邻设备和
有
效躲过电机启动电流的功能，相邻上级断路器不能有效切除
1
、
2#
动力变上的故障，加之时限上已
没有配合裕度，因此定时限过流保护实现不了保护任务。
（
3
）若按
反时限整定：
I
dz
80
1
.
2
< br>
358
.
4
< br>
8
.
4
A
（取曲线
C3
，极端反时限：
t
t
p
2
）
M
1
< br>0
.
85
6
0
根据绿皮书
396
页资料，
绕线式电机启动电流持续时间在
10~1
5S
，
当最大电机按
2
倍的启动电流启
动（即
M=548.4
÷
505.98=1.084
）时，保护动作时间不小
于
15S
。于是：
< br>(
1
.
084
< br>2
1
)
15
t
p
0
.
03
3
<
/p>
取最小值
t
p
0
.
05
80
当<
/p>
K1
点小方式两相短路故障，
t
0
.
05
80
0
.
094
S
，会先于
II
段动作。
(<
/p>
3334
/
505
.
98
)
2
1
2
当
K2
点小方式两相短路故障，
t
0
.
05
80
5
.
6
S
，此运行方式下后备保护切除故障时
2
(
663
/
505
.
98
)
1
间较长，为安全起见，动力变可配置定值对低压侧故障有灵敏度的电流速断保护。
< br>
当
K2
点大方式三相短路故障
，
t
0
.<
/p>
05
80
<
/p>
0
.
49
S
(
1538
/<
/p>
505
.
98
)
2
1
结论<
/p>
2
：反时限保护实现了对
1
、
2#
动力变的远后备保护功能，实现了有选择切除
故障设备，而不
影响对非故障设备正常供电的目的。过电流保护选反时限是适宜且有效的
。
㈡中堡变
611
独石头线
0
.
9
4
m
m
9
4
0
.
1
、参数计算
1
）导线排列方式
：三角排列，几何均距
D=
3
0
.
94
0
.
94
1
.
< br>4
1
.
07
，查表取
D=1.1
。
2
）各型号导线的参数如下：
1.4m
LGJ
-120
：
Z
0
0
.
425
，
Z
0
1
.
0708
；
LGJ-95
：
Z
0
0
.
47
，
Z
0
1
.
1842
；<
/p>
LGJ-70
：
Z
0
0
.
567
，
Z
0
1
.
4512<
/p>
；
LGJ-50
：
Z
0
0
.
741
，
Z
0
1
.<
/p>
867
；
<
/p>
LGJ-35
：
Z
0
0
.
925
，
Z
0
2
.
330
6
；
3
）负荷
中的高压电机：
2
×
260kW
﹢
2
×
440kW<
/p>
﹢
2
×
360k
W
，
cos
φ
=0.85
；配变：
3180kV
A<
/p>
。
①阻抗图
王家咀二级
K3
LGJ-120/0.
01
LGJ-120/1.398
8#
1.497
1.699
LJ-50/3.964
7.3409
LGJ-50/0.91
王家咀高压泵<
/p>
LGJ-120/1.035
小坪三级
1
.1083
K2
独石四级
LGJ-70
/2.068
LGJ-120/2.218
LGJ-95/0.
5
49#
21#
2.375
0.4528
LGJ-70/0.312
0.59
21
LGJ-50/2.713
LGJ-
120/0.22
80#
LGJ-50/0.995
LGJ-50/0.5
LGJ-35/0.374
66#
1.8577
LGJ-70/0.8
< br>1.161
0.9335
0.8716
< br>K1
611
独石头线
LGJ-1
20/0.01
0.9623
2.1473
中堡变
0.0107
0.2356
5.0652
3.0011
K4
LGJ
-50/0.546
河靖六级
1.0194
K5
②
短路电流：
3
I<
/p>
K1
986
A
I
(
2
)
K3
(
3
)
I
(
3
)
K3
2346
A
I
首大
<
/p>
7276
A
I
(
2
)
K5
(
2
)
I
(
2
)
K1
754
A
I
(
2
)
K2
748
A
1599
A
I
(
2
)
K4
837
A
728
A
I
(
2
)
首小
3698
A
2
、保护计算：
保护装置：
XRL-261
版本号：
V2.2
CT
：
10
0~300
∕
5
取
300
∕
5
1
）电流Ⅱ段
①按线末故障
K
lm
1
.
2
确定：
I
dz
754
/(
1
.
2
60
)
10
.
5
A
< br>
2
）电流Ⅲ段
①
最大负荷电流统计：
按装见，配变：
I
e
=306A
；电机：
I
e
=29.4
×
2
﹢
49.8
×
2
﹢
40.8=19
9.2A
。
装见最大负荷电流：
I
fh
max<
/p>
306
19
9
.
2
50
5
.
2
A
<
/p>
440kW
电机启动电流：
I
qd
=5 I
e
=5
×
49.8=249A
。
< br>
考虑电机启动最大负荷电流：
I
fh
max
306
199
249
754
A
728
A
（
②
躲电机启动最大负荷电流：
I
(2)
K5
）
<
/p>
I
dz
1
.
2
754
/(
0
.
85
60
)
17
.
7
A
灵敏度校验：
K
lm
K
5
728
/(
17
.
7
60
)<
/p>
0
.
69
；
K
lm
K
4
837
/(
17
.
7
60
)
0
.
79
；
K
lm
K
3
1599
/(
17
.
7
60
)
1
.
5
。
< br>
对小坪三级、独石头四级、河靖六级及线末均无灵敏度。
③
采用电压闭锁过电流保护：
I
dz
1
.
2
505
/(
0
.
85
60
)
11
.
9
A
低电压原件：
U
m
小
8
.3
732
/(
2
.
1452
8
< br>.
3732
)
79
.
6
V
< br>；
U
m
大
8
.3
732
/(
1
.0
902
8
.
3732
)
88
.5
V
可见此时电压元件在线末故障时没有灵敏度，电
压元件不可用。此时，定时限过电流保护已不能实
现保护全线的功能。
< br>
④若改用反时限保护：
I
dz
1
.
2
505
.
2
11
.
9
A
0
.
85
6
0
根据绿皮书
396
页资料，
鼠笼型电机启动电流持续时间在
1
0~15S
，
当最大电机按
6
倍的启动电流启
动（即
M=754.4
÷
713.2=1.057
）时，保护动作时间
不小于
15S
。要满足时限要求，须取曲线
C3
，极
4
端反时限：
t
t
p
80
。于是：
M
2
1
(
1
.
057
2
1
)
15
t<
/p>
p
0
.
0219
取最小值
t
p
0
.<
/p>
05
80
当
K1
点小方
式两相短路故障，
t
0
.
05
80
33
.
98
S
；
2
< br>(
754
/
713
.
2
)
< br>1
0
.
05
80
40
S
；
(
748
/
713
.
2
)
2
1
0
.
05
80
0
.<
/p>
99
S
；
(
1599
/
71
3
.
2
)
2<
/p>
1
0
.
05
80
10
.
6
S
；
2
(
837
/
713
.
2
)
1
当
K2
点小方式两相短路故障，
t
当
K3
点小方式两相短路故障，
t
当
K4
点小方式两相短路故障，
t
此运行方式下后备保护切除故障时间较长，<
/p>
为实现保护的有效性，
主线后段、
小坪三
级、
独石四级、
河靖六级的部分小截面导线应更换为适当大截面
导线。
⑤如果小坪三级
LJ-50
导线更换为
LGJ-120
导线，
Z
K
2
5
.
3637
，
I
(
2
)
K2
1056
A
t
0
.
05
80
3
.
< br>4
S
，可用。
(
1056
/
713
.
2
)
2
1
⑥如果主线
49#
杆以后导线更换为
LGJ-120
导线，
Z
K
1
6
.
648
，
I
(
2
)
K1
902
A
t
0
.
05
80
6
.
< br>7
S
，时限仍显过长。此时应在线末故障有规定灵敏度处
加装柱上开关，
(
902
/
713
.
2
)
2
1
即：
I
(
2
)
< br>K
902
< br>1
.
5
1353
A
，阻抗：
9160
×
0.866/1353
－
< br>2.1473=3.7156
Ω
，由阻抗图可知在主线<
/p>
48#
杆处加装柱上开关。此处：
t
0
.
05
80
1
.
5
S
，故柱上开关可
配置定时限过电流保
2
(
1353
/
713
.
2
)
1
护，定值按
躲电机启动电流整定，时限取
1S
。
以上
2
个案例充分说明了定时限过电流
保护在配网线路中，特别是带高压电
机的配网线路中往往没有保护能力且逐级配合时间级
差较多。再加上定时限保护
的保护范围不确定
,
受到电网运行方式的严重影响
,
即受
到电源阻抗、线路阻抗
和故障阻抗的影响。对于零序定时限电流保护
,
如果定值考虑了高接地电阻而实
5
际接地过渡电阻较小
,
则保护可以延
伸出被保护线路很长范围。配置新的保护类
型已势在必行。
<
/p>
相对来说
,
反时限保护配置简单、经济，
能很好的躲电机启动电流，其本身所
具有的自适应性和受运行方式影响小的优点得以体现
；故我们建议在有大功率电
机的配网线路和用户设备加装反时限电流保护，
以简化定值配合和减少配合级差，
提高保护效能。目前白银网内的一些用户保
护也采用反时限保护作为设备保护方
式。因此
,
反时限电流保护的相关整定配合是一个值得进一步研究探讨的问题。
二、我国配电系统的保护配置情况
我
国中低压配电线路，大多采用三段式过电流保护，且主要以定时限保护为
主
,
为保证其选择性，逐段提高保护动作时限，可能造成电源端后备保护动作时
间
较长，保护切除故障时间增长，造成不必要的损失。国外目前很多采用反时限过
流保护，其优点就是在靠近电源侧输电线路故障时，就后备保护而言，动作时间
较三段过流保护明显缩短。在国内，由于传统的感应型反时限保护与定时限之间
难以配合
,
从而限制了它的应用。近年来随着数字保护技术的成
熟
, IEEE
和
IEC
建立了反时限过流继电器动作特性标准，反时限过流保护在我国电力设备和低压
< br>配网中也逐步得到应用。电力行业也制定了反时限保护的相关规程
:
《
DL/T
823-2002
微机型反时限电流保护通用技术条件》，为反时限保护的应用提供了
技术标准和
运行管理依据，为其推广奠定了基础。
三、反时限保护的发展及应用范围
世界各国在发展配电系统微机保护时
,
都大力发展反时限过电流保护
,
美国
GE
、
ABB
和
BBC
三家公司研制和生产的配电系统微机保护装置提供多达
4-8
种时
间过电流保护特性供选择
,
除定时限过电流保护外
,
其余<
/p>
3-7
种均为各种反时限
保护特性
,
供不同场合选用。近几年
,
我国不少厂商也开发和生产了各种配电系
统微机保护装置
< br>,
其时间过电流保护除深圳、南京自动化研究所的产品具有一种
反时限过电流保护外
,
其它产品一般只有定时限过电流
保护功能，
这也是我国在微
机保护领域与世界水平的差距。
在电力系统领域中反时限特性继电器的使用已有
< br>50
多年的历史，
从感应型继
电
器一直到后续的固态继电器、微机型继电器，其优点就是根据过流
(
过压、过励
磁等
)
的程度来决定故
障切除时间，故障越严重切除时间越短，它可以和相邻设备
6
的保护进行配合来保证动作的选择性。与定时限继电器相比，
反时限特性继电器
一是在需要和相邻设备配合时级差较小，灵敏性好，另一个是反时限特
性更适应
设备的自身特性要求，如设备的过励磁特性、温度特性等，为设备提供快速保护
。
反时限保护不单只用在发电厂的厂用电动机，还广泛应用在
用户侧的电动机
保护、电抗器保护、配变、电炉变、整流变以及用户开关站的配电线路保
护。
四、反时限保护整定方案
1
、反时限保护曲线类型介绍
1
）现有的反时限特性曲线的数学模型
目前，国内外常用的反时限保护的通用数学模型的基本形式为：
t
(
K
I
< br>r
)
1
I
P
（
4-1
）
式中，
I
——故障电流；
Ip
——保护启动电流；
r
——常数，取值通常在
0
－
2
之间（也有大于
2
的
情况）；
k
——常数，其量纲为时间。
上式表明，动作时间
t
是输入电流
I
的函数。
当
I
1
则
t
0
表明保护不动作。
I
P
I
1
则
t
表明保护不动作。
I
P
I
1
则
t
0
表明保护将动作。
I
越大，保护动作时
间
t
越小。
I
P
当
当
按照
I
EC255-03
标准：
⑴
r<1
时
，称为一般反时限
(FSXTX=l.0)
特性：
t
0
.
< br>14
t
p
（
4-2
）
I
0
.
02<
/p>
(
)
1
I
P
其中，上式称为标准反时限特性。
tp
为反时限过流保护时间常数整定值。
7
⑵
r=1
时
，称为大反时限（甚反时限）
(FSXTX=2.0)
特性：<
/p>
t
13
.
5
t
p
（
4-3
）
I
1
I
P
其中，上式称为非常反时限特性。
⑶
时，称为超反时限
1
(FSXTX=3.0)
特性：
t
80
t
p
（
4-4
）
I
2
(
)
1
I
P
其中，上式称为超反时限特性。国内厂家说明书一般称为“极端反时限”特
性。
此外，南自厂还提供长反时限特性曲线：
t
120
t
p
（
4-5
）
I
(
)
1
I
P
2
）按照
IEEE Std C37.112-1996
规定的标准方程
:
t
（
I
）
T
DS
（
< br>A
）
,
0
M
1
（
4
－
6
）
M
P
-
1
A
B
）
,
0
< br>
M
1
（
4
－
7
）
M
P
-
1
t
（
I
）
T
DS
（
t :
跳闸时间
(S)
M:
起动电流的倍数
TDS
:
时限整定值
p :
M
的指数常数，可仿真不同的特性曲线
.
上述
(4
－
6), (4
－
7)
式，通过参数的合理选取可用来实现与<
/p>
CO, IAC
系列继
电器对应的一般反
时限、非常反时限、极端反时限特性的微机继电器。该标准反
时限曲线在国内应用很少，
故下面不再做讨论。
3
）电动机热过载保护：
I
2
a
）冷态特性
t
ln
2
（
4
－
8
）
2
I
（
-
k
I
B
< br>）
I
2
-
I
2
P
b
）热态特性
t
ln
2
（
4
－
9
）
2
I
（
-
k
I
B
< br>）
8
式中
t
—
动作时间
τ
—
时间常数，
反映电动机的过负荷能力
IB
—
基准电流，
即保护不动作所要求的规定电流极限值
k
—
常数
I
—
继电器电流
Ip
—
过负荷前的负载电流
4)
零序电流反时限特性
t
K
（
4-10
）
(
I
I
)
c
1
P
式中
:
C
—
反时限特性常数，
一般反时限，
C
=0.02
，
非常反时限，
C
二
< br>1
，
反时限，
C=2;
k
—
反时限常数
;
IOB
一
零序电流反时限启动定值
;
I
—
动作电流。
5
）反时限参数的取值范围
a)
反时限下限启动电流定值范围
:
0.01In
－
2In
。
b)
反时限常数定值范围
:1
－
100
。
c)
反时限上限电流定值范围
:0.1In
－
20In
。
d)
反时限上限时间定值范围
:0.1S-l0S
。
e)
电流定值误差
:
±
< br>2.5%
或±
0.02In
。<
/p>
f)
定时限时间误差
:
±
2.5%
或±
40ms
，
6
）反时限时间误差
9
极度