( 廣西電力職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 南寧 530007)
繼電保護(hù)技術(shù)課程是電力類專業(yè)的核心課程,繼電保護(hù)裝置的4個(gè)基本要求是分析研究繼電保護(hù)原理構(gòu)成和繼電保護(hù)性能的基礎(chǔ),也是貫穿全課程的一個(gè)基本線索。繼電保護(hù)裝置的4個(gè)基本要求既互相聯(lián)系又互相矛盾。為滿足繼電保護(hù)裝置的4個(gè)基本要求,在三段式繼電保護(hù)裝置整定的過(guò)程中既需要考慮本身的三套保護(hù)之間的相互配合問(wèn)題,又要考慮上下級(jí)電氣元件保護(hù)之間的相互配合問(wèn)題[1]。各個(gè)版本的繼電保護(hù)技術(shù)課程相關(guān)教材和輔導(dǎo)資料針對(duì)具體的某種繼電保護(hù)裝置的構(gòu)成原理和整定原則,通常僅是簡(jiǎn)單地提到優(yōu)先考慮選擇性、靈敏性、速動(dòng)性等基本要求中的某一項(xiàng)進(jìn)行整定,而沒(méi)能全面地、系統(tǒng)地厘清繼電保護(hù)裝置4個(gè)基本要求之間的邏輯關(guān)系和基本原則。因此,初學(xué)者難以深刻理解錯(cuò)綜復(fù)雜的繼電保護(hù)裝置的整定原則和基本構(gòu)成原理。
單側(cè)電源輻射形網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于線路相間短路電流保護(hù)、線路零序電流保護(hù)、線路距離保護(hù)等繼電保護(hù)裝置。保護(hù)裝置通常采用三段式的原理構(gòu)成。單側(cè)電源輻射形網(wǎng)絡(luò)三段式保護(hù)裝置的構(gòu)成原理和整定原則在思路上都是相似的,對(duì)此可以進(jìn)行類比學(xué)習(xí)。下面以三段式線路相間短路電流保護(hù)裝置構(gòu)成原理為例,全面地、系統(tǒng)地深入探討確保繼電保護(hù)裝置滿足基本要求的基本原則,進(jìn)一步理解繼電保護(hù)裝置動(dòng)作時(shí)限、動(dòng)作電流等參數(shù)的整定原則和繼電保護(hù)裝置的構(gòu)成原理。
繼電保護(hù)裝置是為反映電力系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)而動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)的一種自動(dòng)裝置。繼電保護(hù)裝置需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量的變化來(lái)運(yùn)行,通常由測(cè)量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分構(gòu)成。繼電保護(hù)裝置在技術(shù)上必須同時(shí)滿足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性4個(gè)基本要求[2]。
選擇性是指電力系統(tǒng)中的電氣設(shè)備或輸電線路發(fā)生故障時(shí),為盡可能縮小停電范圍,繼電保護(hù)僅將故障的設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除,當(dāng)故障設(shè)備或線路的保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí),應(yīng)由相鄰設(shè)備或線路的保護(hù)將故障切除。
速動(dòng)性是指電氣設(shè)備或輸電線路故障時(shí)繼電保護(hù)裝置應(yīng)能盡快地切除故障,以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓狀態(tài)下的運(yùn)行時(shí)間,降低設(shè)備的損壞程度,提高系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。
靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運(yùn)行情況時(shí),保護(hù)裝置的快速反應(yīng)能力。
可靠性是對(duì)繼電保護(hù)裝置最根本的要求,要求繼電保護(hù)裝置在不需要它動(dòng)作時(shí)可靠不動(dòng)作,即不發(fā)生誤動(dòng);在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí),可靠動(dòng)作,即不拒動(dòng)。
繼電保護(hù)裝置4個(gè)基本要求既是設(shè)計(jì)、配置和維護(hù)繼電保護(hù)的依據(jù),又是分析評(píng)價(jià)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)。繼電保護(hù)裝置4個(gè)基本要求之間是相互聯(lián)系的,但往往又存在著矛盾。因此,在實(shí)際工作中,要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì)辯證地統(tǒng)一。
繼電保護(hù)的靈敏性要求:繼電保護(hù)能反映本級(jí)線路全長(zhǎng)范圍內(nèi)的短路故障,因而在動(dòng)作值的整定上,通常會(huì)設(shè)置一定的裕度,使繼電保護(hù)的保護(hù)范圍適當(dāng)延伸至相鄰下一級(jí)線路的首端部分。繼電保護(hù)的選擇性要求:在下一級(jí)線路出口處發(fā)生短路故障時(shí),本級(jí)保護(hù)不應(yīng)動(dòng)作。但是,在相鄰下一級(jí)線路出口處發(fā)生短路故障時(shí),因?yàn)楣收宵c(diǎn)位于兩級(jí)保護(hù)的共同保護(hù)范圍內(nèi),如果相鄰上下兩級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間t相同,兩級(jí)保護(hù)會(huì)同時(shí)動(dòng)作,而導(dǎo)致本級(jí)保護(hù)的動(dòng)作失去選擇性。因而,繼電保護(hù)裝置的靈敏性和選擇性的要求存在相互矛盾。
線路電流保護(hù)的保護(hù)范圍與保護(hù)的動(dòng)作值的整定密切相關(guān)。保護(hù)的動(dòng)作值整定越大,保護(hù)范圍就越小;保護(hù)的動(dòng)作值整定越小,保護(hù)范圍就越大。
為了滿足繼電保護(hù)靈敏性的要求,獲得較大的保護(hù)范圍,保護(hù)的動(dòng)作值不能整定太高。但是保護(hù)的動(dòng)作值如果整定太低,在受到一些小的擾動(dòng)時(shí)(如出現(xiàn)線路過(guò)負(fù)荷),過(guò)負(fù)荷電流達(dá)到了保護(hù)的整定動(dòng)作值,繼電保護(hù)裝置會(huì)出現(xiàn)錯(cuò)誤的動(dòng)作,從而導(dǎo)致繼電保護(hù)裝置失去可靠性。因而,繼電保護(hù)裝置的靈敏性和可靠性存在相互矛盾。
對(duì)繼電保護(hù)“四性”的要求可以概括為嚴(yán)格的選擇性、需要的速動(dòng)性、足夠的靈敏性、必保的可靠性。下面深入探討確保繼電保護(hù)基本要求的基本原則。
電力系統(tǒng)最根本的任務(wù)是保證供電的可靠性。繼電保護(hù)動(dòng)作失去選擇性,往往會(huì)導(dǎo)致進(jìn)一步擴(kuò)大停電范圍。例如,本級(jí)線路向一個(gè)企業(yè)供電,當(dāng)線路發(fā)生故障時(shí),根據(jù)選擇性的要求由本級(jí)線路保護(hù)動(dòng)作跳閘切除故障,僅實(shí)現(xiàn)由本線路供電的企業(yè)停電;如果繼電保護(hù)的動(dòng)作失去選擇性,由上一級(jí)的母線或者線路保護(hù)動(dòng)作跳閘,將會(huì)導(dǎo)致一個(gè)工業(yè)區(qū)或者一個(gè)城市的大面積停電,大量的用戶失去電源,將會(huì)產(chǎn)生無(wú)法估量的損失。
原則一即為,繼電保護(hù)的構(gòu)成必須嚴(yán)格保證選擇性。在不影響電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的前提下,繼電保護(hù)動(dòng)作的選擇性必須優(yōu)先得到滿足。在嚴(yán)格保證選擇性的同時(shí)兼顧速動(dòng)性和靈敏性。
案例分析如圖1所示,假設(shè)相鄰上下兩級(jí)線路保護(hù)(保護(hù)1和保護(hù)2)存在共同的保護(hù)范圍和相同的動(dòng)作時(shí)間。在圖1中所示的共同保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障時(shí),兩個(gè)保護(hù)會(huì)同時(shí)動(dòng)作,其中上級(jí)線路保護(hù)1的動(dòng)作將會(huì)導(dǎo)致停電范圍擴(kuò)大,失去選擇性。因此,在相鄰上下兩級(jí)電氣元件的保護(hù)的配置中,不允許同時(shí)滿足“存在共同的保護(hù)范圍”和“相同的動(dòng)作時(shí)間”這兩個(gè)條件。
圖1 相鄰上下兩級(jí)線路確保選擇性分析示意圖
相鄰上下級(jí)電氣元件保護(hù)確保選擇性的原則如下:
1)原則二:相鄰上下級(jí)電氣元件保護(hù)若有共同的保護(hù)范圍,則動(dòng)作時(shí)間不能相同。為保證選擇性,下級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間必須小于上級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。
2)原則三:相鄰上下級(jí)電氣元件保護(hù)若動(dòng)作時(shí)間相同,則不允許存在共同的保護(hù)范圍。為保證選擇性,如果上下兩級(jí)元件保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間相同,則可通過(guò)整定使它們不存在共同的保護(hù)范圍。
影響可靠性的有內(nèi)在和外在兩方面的因素:內(nèi)在因素主要指裝置本身的質(zhì)量,包括元件好壞、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性、制造工藝水平的優(yōu)劣、內(nèi)外接線是否簡(jiǎn)明和觸點(diǎn)的多少等;外在因素主要指運(yùn)行維護(hù)水平的高低,調(diào)試是否正確,安裝是否正確等。繼電保護(hù)的可靠性主要由配置合理、質(zhì)量和技術(shù)性能優(yōu)良的繼電保護(hù)裝置,以及正常的運(yùn)行維護(hù)和管理來(lái)保障,相關(guān)管理規(guī)定如下:任何電力設(shè)備(線路、母線、變壓器等)不允許在無(wú)繼電保護(hù)的狀態(tài)下運(yùn)行,220 kV及以上電網(wǎng)的所有運(yùn)行設(shè)備都必須由兩套交、直流輸入、輸出回路相互獨(dú)立的,并分別控制不同開關(guān)的繼電保護(hù)裝置進(jìn)行保護(hù)等。
原則四:在提高裝置本身質(zhì)量、配置、運(yùn)行管理等方面充分保證繼電保護(hù)動(dòng)作的可靠性。可靠性體現(xiàn)在裝置本身質(zhì)量、配置、運(yùn)行管理等方面,因而,在繼電保護(hù)動(dòng)作時(shí)間、動(dòng)作電流等具體參數(shù)的整定過(guò)程中,只考慮選擇性、速動(dòng)性與靈敏性之間的相互配合,可靠性通常不屬于參數(shù)整定考慮的問(wèn)題。
單側(cè)電源輻射形網(wǎng)絡(luò)三段式保護(hù)裝置的構(gòu)成原理和整定原則在思路上基本相似。下面以線路相間短路電流保護(hù)為例,探討三段式繼電保護(hù)裝置的原理構(gòu)成與整定分析。
線路相間短路電流保護(hù)由三段式保護(hù)構(gòu)成:Ⅰ段瞬時(shí)電流速斷保護(hù)、Ⅱ段限時(shí)電流速斷保護(hù)、Ⅲ段定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)。其中,由Ⅰ段、Ⅱ段保護(hù)共同構(gòu)成主保護(hù),Ⅲ段保護(hù)構(gòu)成后備保護(hù)。
5.1.1 案例分析一
瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間整定為t=0 s。
如圖2所示,保護(hù)1的Ⅰ段保護(hù)范圍超過(guò)本線路末端,與保護(hù)2的Ⅰ段存在共同的保護(hù)范圍。在共同的保護(hù)范圍發(fā)生短路故障時(shí),因?yàn)閯?dòng)作時(shí)間t=0 s相同,保護(hù)1與保護(hù)2同時(shí)動(dòng)作,保護(hù)1的動(dòng)作導(dǎo)致裝置失去選擇性[4]。
圖2 瞬時(shí)電流速斷保護(hù)案例分析一
5.1.2 案例分析二
如圖3所示,根據(jù)原則三“相鄰上下級(jí)電氣元件保護(hù)若動(dòng)作時(shí)間相同,則不允許存在共同的保護(hù)范圍”,保護(hù)1的Ⅰ段保護(hù)范圍不允許到達(dá)本線路末端,與保護(hù)2的Ⅰ段不存在共同保護(hù)范圍,這種情況下可以確保選擇性。
圖3 瞬時(shí)電流速斷保護(hù)案例分析二
5.1.3 瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的整定原則
1)必須嚴(yán)格保證選擇性;
2)優(yōu)先考慮滿足速動(dòng)性時(shí),靈敏性需做出必要的讓步。
具體整定過(guò)程簡(jiǎn)述如下。
動(dòng)作時(shí)間為t=0 s。
電流保護(hù)的動(dòng)作電流整定值越大,其保護(hù)范圍就越小。
5.1.4 瞬時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成設(shè)計(jì)
瞬時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成如圖4所示。
1)設(shè)置電流繼電器1 KA、2 KA接于線路電流互感器二次側(cè),監(jiān)測(cè)線路電流變化;
2)動(dòng)作時(shí)間為0,不須設(shè)置時(shí)間繼電器KT;
3)故障時(shí)瞬時(shí)動(dòng)作于出口跳閘繼電器KOU,同時(shí)信號(hào)繼電器1 KS動(dòng)作。
圖4 瞬時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成
由以上分析可知,為了確保選擇性,瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的靈敏性做出了必要的讓步,其保護(hù)范圍無(wú)法到達(dá)本線路的末端。為滿足繼電保護(hù)靈敏性的要求,增加動(dòng)作時(shí)間t=0.5 s的限時(shí)電流速斷保護(hù),與瞬時(shí)電流速斷保護(hù)共同構(gòu)成線路相間短路電流保護(hù)的主保護(hù)。
5.2.1 案例分析一
如圖5所示,若保護(hù)1的Ⅱ段保護(hù)范圍超過(guò)了保護(hù)2的Ⅰ段保護(hù)范圍,則保護(hù)1與保護(hù)2存在“動(dòng)作時(shí)間相同均為t=0.5 s的共同保護(hù)區(qū)域”,如圖5所示線路上的A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的區(qū)域。
圖5 限時(shí)電流速斷保護(hù)案例分析一
當(dāng)在線路上的A點(diǎn)與B點(diǎn)之間的區(qū)域發(fā)生短路故障時(shí),由于動(dòng)作時(shí)間相同,保護(hù)1與保護(hù)2均同時(shí)動(dòng)作,保護(hù)1的動(dòng)作導(dǎo)致裝置失去選擇性。
現(xiàn)階段,很多學(xué)生對(duì)于必需品的理解也出現(xiàn)了一定的變化。他們對(duì)于很多的必需品的消費(fèi)觀念,均有著屬于自己的理解,以手機(jī)、電腦為例,很多學(xué)生認(rèn)為在使用一段時(shí)間之后,由于其功能、外觀已經(jīng)落伍,即使并沒(méi)有損壞,也要將其更換。
5.2.2 案例分析二
1)根據(jù)原則三“相鄰上下級(jí)電氣元件保護(hù)若動(dòng)作時(shí)間相同,則不允許存在共同的保護(hù)范圍”,如圖6所示,保護(hù)1的Ⅱ段保護(hù)范圍不超過(guò)保護(hù)2的Ⅰ段保護(hù)范圍。
2)根據(jù)原則二“相鄰上下級(jí)電氣元件保護(hù)若具有共同的保護(hù)范圍,則動(dòng)作時(shí)間不能相同”,在下一級(jí)線路的首端部分,即如圖6中保護(hù)1與保護(hù)2的共同保護(hù)范圍區(qū),保護(hù)2的Ⅰ段動(dòng)作時(shí)間t=0 s,小于保護(hù)1的Ⅱ段動(dòng)作時(shí)間t=0.5 s,在此區(qū)間內(nèi)發(fā)生故障時(shí),由保護(hù)2的Ⅰ段動(dòng)作跳閘,可保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性。
3)在保護(hù)1的保護(hù)范圍內(nèi),線路首端部分發(fā)生故障時(shí),由動(dòng)作時(shí)限為零的保護(hù)1的Ⅰ段保護(hù)動(dòng)作;線路末端部分發(fā)生故障時(shí),由動(dòng)作時(shí)限較長(zhǎng)的保護(hù)1的Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作。
圖6 限時(shí)電流速斷保護(hù)案例分析二
5.2.3 限時(shí)電流速斷保護(hù)整定原則
1)必須嚴(yán)格保證選擇性;
2)考慮滿足靈敏性,速動(dòng)性做出必要的讓步。
具體整定過(guò)程簡(jiǎn)述如下。
動(dòng)作時(shí)間t=0.5 s。
5.2.4 限時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成設(shè)計(jì)
限時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成如圖7所示。
圖7 限時(shí)電流速斷保護(hù)構(gòu)成
1)設(shè)置電流繼電器3 KA、4 KA接于線路電流互感器二次側(cè),監(jiān)測(cè)線路電流變化;
2)配置時(shí)間繼電器1 KT,動(dòng)作時(shí)間為一個(gè)時(shí)間級(jí)差0.5 s;
3)故障時(shí)延時(shí)動(dòng)作于出口跳閘繼電器KOU,同時(shí)信號(hào)繼電器2 KS動(dòng)作。
5.3.1 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)作為后備保護(hù),對(duì)靈敏性提出更高要求
近后備保護(hù):作為本線路的后備保護(hù),要求保護(hù)范圍達(dá)到本線路全長(zhǎng)。
遠(yuǎn)后備保護(hù):作為相鄰下一級(jí)線路的后備保護(hù),要求保護(hù)范圍達(dá)到下一級(jí)線路的全長(zhǎng)。
5.3.2 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)整定原則
1)必須嚴(yán)格保證選擇性;
2)考慮滿足靈敏性,速動(dòng)性做出必要的讓步;
具體整定過(guò)程簡(jiǎn)述如下。
圖8 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)分析
通過(guò)動(dòng)作時(shí)間的整定來(lái)確保選擇性。動(dòng)作時(shí)間比主保護(hù)延長(zhǎng)。
根據(jù)原則二“相鄰上下級(jí)電氣元件保護(hù)若具有共同的保護(hù)范圍,則動(dòng)作時(shí)間不能相同”,為保證動(dòng)作的選擇性,下級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間必須短于上級(jí)保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間。因而,定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間按如圖9所示的階梯形進(jìn)行整定。
t上=t下+Δt
圖9 階梯形動(dòng)作時(shí)間整定
5.3.3 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)構(gòu)成設(shè)計(jì)
定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)構(gòu)成如圖10所示。
1)設(shè)置電流繼電器5 KA、6 KA接于線路電流互感器二次側(cè),監(jiān)測(cè)線路電流變化;
2)配置時(shí)間繼電器2 KT;
3)故障時(shí)延時(shí)動(dòng)作于出口跳閘繼電器KOU,同時(shí)信號(hào)繼電器3 KS動(dòng)作。
圖10 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)構(gòu)成
匯總構(gòu)成整套三段式線路相間短路電流保護(hù),如圖11所示,分析保護(hù)裝置的工作原理。
(a)保護(hù)裝置交流回路(b)保護(hù)裝置直流控制回路(c)保護(hù)裝置信號(hào)回路圖11 三段式線路相間短路電流保護(hù)構(gòu)成
5.4.1 線路首端部分三相短路[5]
Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)均起動(dòng),電流繼電器1 KA、2 KA、3 KA、4 KA、5 KA、 6KA均動(dòng)作,由于Ⅰ段保護(hù)沒(méi)帶延時(shí),直接按通繼電器KOU,動(dòng)作于跳閘切除故障,綠燈閃光。同時(shí),信號(hào)繼電器1 KS動(dòng)作,光字牌2 HR發(fā)光。跳閘后故障信號(hào)消失,Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)返回。
5.4.2 線路末端部分三相短路
由于故障在Ⅰ段保護(hù)范圍以外,所以Ⅰ段保護(hù)不啟動(dòng)。Ⅱ段、Ⅲ段保護(hù)均啟動(dòng),電流繼電器3 KA、4 KA、5 KA、6 KA均動(dòng)作,1 KT、2 KT均啟動(dòng)。由于Ⅱ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間短于Ⅲ段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間,1 KT觸點(diǎn)延時(shí)閉合按通繼電器KOU,動(dòng)作于跳閘切除故障,綠燈閃光。同時(shí),信號(hào)繼電器2 KS動(dòng)作,光字牌2 HR發(fā)光。跳閘后故障信號(hào)消失,Ⅲ段保護(hù)返回。
5.4.3 線路三相短路主保護(hù)拒動(dòng)
發(fā)生相間短路主保護(hù)Ⅰ段、Ⅱ段保護(hù)拒動(dòng)時(shí),后備保護(hù)Ⅲ段保護(hù)啟動(dòng),經(jīng)延時(shí)后2 KT動(dòng)作,按通繼電器KOU,動(dòng)作于跳閘切除故障,綠燈閃光。同時(shí),信號(hào)繼電器3 KS動(dòng)作,光字牌2 HR發(fā)光。
繼電保護(hù)裝置的4個(gè)基本要求之間既有統(tǒng)一的一面,又存在內(nèi)部間矛盾。把握住“必須嚴(yán)格保證選擇性”是厘清繼電保護(hù)基本要求邏輯關(guān)系的關(guān)鍵?!叭舸嬖诠餐谋Wo(hù)范圍,則動(dòng)作時(shí)間不能相同;若動(dòng)作時(shí)間相同,不允許存在共同的保護(hù)范圍?!弊駨南噜徤舷录?jí)電氣元件保護(hù)確保選擇性的基本原則,有助于我們深刻理解三段式繼電保護(hù)裝置滿足4個(gè)基本要求的整定分析和原理構(gòu)成。