整流機組進線增設(shè)反時限過負荷保護優(yōu)化研究

劉愛華

0 引言

在城市軌道交通交流供電系統(tǒng)中，對整流機組進線設(shè)置的保護包括：電流速斷保護、過電流保護、零序電流保護、過負荷保護[1]、失靈保護以及整流器本體保護和變壓器本體保護。其中，電流速斷保護、過電流保護、零序電流保護和過負荷保護均采用定時限方式[2]。

根據(jù)整流機組的過負荷特性及勵磁涌流特性，并在滿足保護靈敏度的前提下，目前上述各保護（由于零序電流保護為單相接地保護，該保護除外）的整定值一般設(shè)定為：電流速斷保護（9Ie，0.1 s），過電流保護（4Ie，0.3 s），過負荷保護又分為重過負荷保護（3Ie，60 s）跳閘、輕過負荷保護（1.5Ie，7 200 s）報警，其中Ie為變壓器額定電流。由此不難發(fā)現(xiàn)，對于小于3Ie的電流，只有設(shè)備的本體保護可能實現(xiàn)跳閘功能，而輕過負荷保護只能對處于1.5Ie～3Ie范圍的電流，在長達7 200 s 之后才能發(fā)出報警信號。

本文研究對電流處于1.5Ie～3Ie、延時在60～7 200 s 的報警區(qū)域進行優(yōu)化，增設(shè)反時限過負荷保護，以擴大保護跳閘區(qū)，使對應(yīng)于該范圍內(nèi)的電流在達到一定延時后也會出口跳閘，且跳閘時間與電流大小符合反時限特性，形成7 200 - 60 = 7 140 s長時間內(nèi)跳閘時間隨電流減小而逐漸增大直至報警的循序漸變，對保護配置進行優(yōu)化。

1 反時限特性曲線

圖1 為整流機組進線保護跳閘區(qū)、報警區(qū)示意圖（時間縱坐標(biāo)為對數(shù)坐標(biāo)），其中折線以上的網(wǎng)格區(qū)域為跳閘區(qū)，斜折線區(qū)為報警區(qū)。而圖中折線以下電流處于1.5Ie～3Ie、延時60～7 200 s 的方格區(qū)為原整定值設(shè)定下的非跳閘區(qū)。該區(qū)域為預(yù)優(yōu)化區(qū)，研究在此區(qū)域內(nèi)增設(shè)反時限過負荷保護。

圖1 整流機組進線保護跳閘區(qū)、報警區(qū)

標(biāo)準(zhǔn)的反時限特性曲線有多種，如IEC 標(biāo)準(zhǔn)系列的3 種特性曲線、IEEE 標(biāo)準(zhǔn)系列的3 種特性曲線及ANSI 標(biāo)準(zhǔn)系列的2 種特性曲線等。但對于實現(xiàn)保護功能的保護裝置而言，并不一定包含所有的反時限特性曲線，目前主流保護裝置中一般包括了IEC 標(biāo)準(zhǔn)系列的反時限曲線（下文簡稱“IEC 反時限曲線”）。

IEC 反時限曲線數(shù)學(xué)模型的基本形式為

式中：t為動作延時時間，s；K為設(shè)計常數(shù)；TMS為時間常數(shù)，s，由用戶整定，一般由上下級保護時間的正確配合要求決定；I為保護測量電流，A；Ip為啟動電流，A；n為曲線形狀常數(shù)，通常在0～2 之間取值，取值越大曲線形狀越陡。

根據(jù)不同的設(shè)計常數(shù)K和曲線形狀常數(shù)n，IEC反時限曲線的3 種類型曲線分別為：標(biāo)準(zhǔn)反時限（SI）、非常反時限（VI）和極端反時限（EI）[3]。除此之外，還有專門適用于整流器特性的整流反時限（UK），其數(shù)學(xué)模型的基本形式同IEC。

4 條反時限特性曲線常數(shù)取值如表1 所示。

表1 4 條反時限特性曲線參數(shù)

2 反時限過負荷保護整定

新增的反時限過負荷保護應(yīng)依據(jù)整流機組的過負荷特性進行整定。當(dāng)整流機組廠家無法提供整流機組過負荷曲線時，可依據(jù)整流機組過負荷特性的關(guān)鍵閾值作為過負荷保護下限邊界值。

為了實現(xiàn)圖1 中所示的預(yù)優(yōu)化區(qū)范圍內(nèi)的優(yōu)化，同時又不影響其他電流范圍、時間范圍內(nèi)的跳閘區(qū)，反時限過負荷保護的反時限曲線在其他區(qū)域內(nèi)應(yīng)完全處于該區(qū)域內(nèi)的跳閘區(qū)，而不應(yīng)處于既有保護折線以下，即反時限曲線的下限邊界值應(yīng)為（9Ie，0.3 s）、（4Ie，60 s）和（1.5Ie，7 200 s），即

2.1 啟動電流值Ip 的整定

為了實現(xiàn)大于1.5 倍Ie的電流按照反時限特性跳閘，啟動電流值Ip建議選擇小于1.5 倍Ie的設(shè)定值，即1.4 倍Ie。

2.2 時間常數(shù)TMS 的整定

由以上計算可得到各對應(yīng)曲線的TMS下限值（表2）。

表2 各曲線TMS s

選取TMS取值范圍的下限值，并將數(shù)據(jù)代入式（1），則新增的反時限曲線的下限曲線分別為

3 新增反時限過負荷保護后的保護跳閘區(qū)、報警區(qū)

整流機組進線在新增反時限過負荷保護后，對應(yīng)的保護跳閘區(qū)、報警區(qū)如圖2 所示，坐標(biāo)系、網(wǎng)格區(qū)域及斜折線區(qū)意義同圖1。

圖2 新增反時限過負荷保護后保護跳閘區(qū)、報警區(qū)

不同于圖1 中電流1.5Ie～3Ie、時間60～7 200 s 的預(yù)優(yōu)化區(qū)，在圖2 中由于反時限曲線的增加，各反時限曲線以上的區(qū)域成為跳閘區(qū)。斜折線區(qū)則為采用不同反時限曲線時的差異區(qū)，對應(yīng)曲線以上的區(qū)域為各自的跳閘區(qū)。圖2 中所示各條反時限曲線為對應(yīng)的下限曲線，所示的跳閘區(qū)為可優(yōu)化的最大區(qū)域。當(dāng)反時限曲線在下限范圍以上移動時，跳閘區(qū)將隨之減小。

從圖2 中不難發(fā)現(xiàn)，采用上述4 條曲線均可實現(xiàn)預(yù)優(yōu)化區(qū)域內(nèi)增大跳閘區(qū)范圍的目的，只是各條曲線的變化趨勢不同，新增的跳閘范圍不同而已。

建議在保護裝置具備UK 整流反時限曲線時，新增反時限過負荷保護采用變化趨勢最為緩慢的UK 反時限曲線；否則采用IEC 反時限曲線中變化趨勢較緩慢、更保守的IEC SI 標(biāo)準(zhǔn)反時限。

4 舉例驗證

4.1 預(yù)優(yōu)化區(qū)范圍內(nèi)保護跳閘的驗證

當(dāng)系統(tǒng)的負荷電流達到2.9 倍Ie或1.6 倍Ie時，對于不設(shè)置反時限過負荷保護的系統(tǒng)，由于大于輕過負荷保護電流定值1.5 倍Ie而小于重過負荷電流定值3 倍Ie，只能啟動輕過負荷保護，在達到7 200 s 后報警，而不跳閘。

對于設(shè)置了反時限過負荷保護的系統(tǒng)，由于大于反時限過負荷保護的電流設(shè)定值1.4 倍Ie則能夠啟動反時限過負荷保護，經(jīng)過設(shè)定延時后跳閘。延時跳閘時間與定時限過負荷不同，延時時間不僅與所采用的反時限曲線有關(guān)，且與具體電流有關(guān)。

對于2.9 倍Ie的電流，各標(biāo)準(zhǔn)曲線對應(yīng)的跳閘時間為

各標(biāo)準(zhǔn)曲線的跳閘時間均大于3倍Ie時的重過負荷保護跳閘時間60 s，即對于不滿足重過負荷保護設(shè)定值的過負荷電流，仍然可以在大于重過負荷保護的延時時間后實現(xiàn)跳閘保護。

對于1.6 倍Ie的電流，各標(biāo)準(zhǔn)曲線對應(yīng)的跳閘時間為

除UK 整流反時限曲線外，各標(biāo)準(zhǔn)曲線的跳閘時間均小于1.5 倍Ie時的輕過負荷保護報警時間7 200 s，即對于大于輕過負荷保護設(shè)定值的過負荷電流，無需等到7 200 s 后再輸出報警信號，而可以提前跳閘。

對于UK 整流反時限曲線，在測量電流時，由于跳閘延時大于7 200 s，故仍保持7 200 s 時報警的功能。 只有當(dāng)電流達到I=1.4 ×Ie×?xí)r，方可實現(xiàn)跳閘功能，跳閘時間= 6 992.51 s。

4.2 其他范圍內(nèi)保護跳閘的驗證

當(dāng)系統(tǒng)的負荷電流達到3.9 倍Ie時，對于不設(shè)置反時限過負荷保護的系統(tǒng)而言，由于大于重過負荷保護電流定值3倍Ie而小于過電流保護電流定值4 倍Ie，只能啟動重過負荷保護，在達到60 s 后跳閘。而新增反時限過負荷保護后，各標(biāo)準(zhǔn)曲線對應(yīng)的跳閘時間為

各標(biāo)準(zhǔn)曲線的跳閘時間均大于3倍Ie的重過負荷保護跳閘時間60 s，即對于大于3 倍Ie而小于4倍Ie的電流的跳閘時間，不會按照反時限過負荷保護的設(shè)定跳閘，仍然按照大于重過負荷保護的延時時間后實現(xiàn)跳閘功能。

如當(dāng)系統(tǒng)的負荷電流達到8.9 倍Ie時，對于不設(shè)置反時限過負荷保護的系統(tǒng)而言，由于大于過電流保護電流定值4倍Ie而小于電流速斷保護電流定值9 倍Ie，只能啟動過電流保護，在達到0.3 s 以后跳閘。而新增反時限過負荷保護后，各標(biāo)準(zhǔn)曲線對應(yīng)的跳閘時間為

各標(biāo)準(zhǔn)曲線的跳閘時間均大于4倍Ie的重過負荷保護跳閘時間0.3 s，即對于大于4 倍Ie而小于9倍Ie的電流的跳閘時間，也不會按照反時限過負荷保護的設(shè)定跳閘，仍然按照大于4 倍Ie的過電流保護的延時時間后實現(xiàn)跳閘功能。

由此可見，在不設(shè)置反時限過負荷保護的系統(tǒng)中，對于大于1.5 倍Ie而小于3 倍Ie的負荷電流，只設(shè)置了延時非常長的報警功能，而并未實現(xiàn)跳閘功能。在增加反時限過負荷保護后，解決了負荷電流處于1.5Ie～3Ie范圍時，會根據(jù)電流大小進行不同延時的保護跳閘，同時也未對負荷電流處于其他范圍（如大于3 倍Ie的范圍）的保護延時產(chǎn)生任何影響，即新增的反時限過負荷保護有針對性地擴大了原系統(tǒng)的保護跳閘區(qū)，優(yōu)化了保護配置。

5 結(jié)語

整流機組進線在增設(shè)反時限過負荷保護后，不僅可滿足設(shè)備過負荷特性，同時擴大了保護跳閘區(qū)，使原保護配置得到優(yōu)化。