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城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的分析探討論文
【摘要】文章介紹了城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要位置及城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本類型，著重介紹了幾種目前國(guó)內(nèi)常用的電流保護(hù)：反時(shí)限過電流保護(hù)、定時(shí)限過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)，并分析了各類保護(hù)裝置的基本構(gòu)成、保護(hù)范圍、動(dòng)作原理、配合方法、優(yōu)缺點(diǎn)，給出了詳細(xì)的整定計(jì)算過程。
【關(guān)鍵詞】配電系統(tǒng)；繼電保護(hù)；整定計(jì)算
城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)是電力系統(tǒng)發(fā)電、變電、輸電、配電和用電等五個(gè)環(huán)節(jié)的一個(gè)重要組成部分。它能否安全、穩(wěn)定、可靠地運(yùn)行，不但直接關(guān)系到黨政機(jī)關(guān)、工礦企業(yè)、居民生活用電的暢通，而且涉及到電力系統(tǒng)能否正常的運(yùn)行。
一、城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中的重要位置
城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)由于其覆蓋的地域極其遼闊、運(yùn)行環(huán)境極其復(fù)雜以及各種人為因素的影響，電氣故障的發(fā)生是不能完全避免的。在電力系統(tǒng)中的任何一處發(fā)生事故，都有可能對(duì)電力系統(tǒng)的運(yùn)行產(chǎn)生重大影響。例如，當(dāng)系統(tǒng)中的某工礦企業(yè)的設(shè)備發(fā)生短路事故時(shí)，由于短路電流的熱效應(yīng)和電動(dòng)力效應(yīng)，往往造成電氣設(shè)備或電氣線路的致命損壞還有可能嚴(yán)重到使系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行遭到破壞。為了確保城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須正確地設(shè)置繼電保護(hù)裝置。
二、城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本類型
城市電網(wǎng)10kV系統(tǒng)中裝設(shè)繼電保護(hù)裝置的主要作用是通過縮小事故范圍或預(yù)報(bào)事故的發(fā)生，來達(dá)到提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性，并最大限度地保證供電的安全和不間斷。
可以想象，在10kV系統(tǒng)中利用熔斷器去完成上述任務(wù)是不能滿足要求的。因?yàn)槿蹟嗥鞯陌裁胩匦圆簧跬晟疲绺邏弘娐分袕?qiáng)烈電弧的能力不足，甚至有使故障進(jìn)一步擴(kuò)大的可能；同時(shí)還延長(zhǎng)了停電的歷時(shí)。只有采用繼電保護(hù)裝置才是最完美的措施。因此，在10kV系統(tǒng)中的繼電保護(hù)裝置就成了供電系統(tǒng)能否安全可靠運(yùn)行的不可缺少的重要組成部分。
在電力系統(tǒng)中利用正常運(yùn)行和故障時(shí)各物理量的差別就可以構(gòu)成各種不同原理和類型的繼電保護(hù)裝置。如在城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的是反映電流變化的電流保護(hù)：有定時(shí)限過電流保護(hù)、反時(shí)限過電流保護(hù)、電流速斷保護(hù)、過負(fù)荷保護(hù)和零序電流保護(hù)等，還有既反映電流的變化又反映電壓與電流之間相位角變化的方向過電流保護(hù)；利用故障接地線路的電容電流大于非故障接地線路的電容電流來選擇接地線路，一般均作用于發(fā)信號(hào)，在部分發(fā)達(dá)城市因電容電流較大10kV配網(wǎng)系統(tǒng)采用中性點(diǎn)直接接地的運(yùn)行方式，此時(shí)零序電流保護(hù)直接作用于跳閘。
三、幾種常用電流保護(hù)的分析
（一）反時(shí)限過電流保護(hù)
繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與短路電流的大小有關(guān)，短路電流越大，動(dòng)作時(shí)間越短；短路電流越小，動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)，這種保護(hù)就叫做反時(shí)限過電流保護(hù)。反時(shí)限過電流保護(hù)雖外部接線簡(jiǎn)單，但內(nèi)部結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，調(diào)試比較困難；在靈敏度和動(dòng)作的準(zhǔn)確性、速動(dòng)性等方面也遠(yuǎn)不如電磁式繼電器構(gòu)成的繼電保護(hù)裝置。這種保護(hù)方式目前主要應(yīng)用于一般用戶端的進(jìn)線開關(guān)處保護(hù)，不推薦使用在變電站10kV出線開關(guān)處。
（二）定時(shí)限過電流保護(hù)
１.定時(shí)限過電流保護(hù)。繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間與短路電流的大小無關(guān)，時(shí)間是恒定的，時(shí)間是靠時(shí)間繼電器的整定來獲得的。時(shí)間繼電器在一定范圍內(nèi)是連續(xù)可調(diào)的，這種保護(hù)方式就稱為定時(shí)限過電流保護(hù)。
２.繼電器的構(gòu)成。定時(shí)限過電流保護(hù)是由電磁式時(shí)間繼電器(作為時(shí)限元件)、電磁式中間繼電器(作為出口元件)、電磁式電流繼電器(作為起動(dòng)元件)、電磁式信號(hào)繼電器(作為信號(hào)元件)構(gòu)成的。它一般采用直流操作，須設(shè)置直流屏。定時(shí)限過電流保護(hù)簡(jiǎn)單可靠、完全依靠選擇動(dòng)作時(shí)間來獲得選擇性，上、下級(jí)的選擇性配合比較容易、時(shí)限由時(shí)間繼電器根據(jù)計(jì)算后獲取的參數(shù)來整定，動(dòng)作的選擇性能夠保證、動(dòng)作的靈敏性能夠滿足要求、整定調(diào)試比較準(zhǔn)確和方便。這種保護(hù)方式一般應(yīng)用在電力系統(tǒng)中變配電所，作為10kV出線開關(guān)的電流保護(hù)。
３.定時(shí)限過電流保護(hù)的基本原理。在10kV中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中，廣泛采用的兩相兩繼電器的定時(shí)限過電流保護(hù)。它是由兩只電流互感器和兩只電流繼電器、一只時(shí)間繼電器和一只信號(hào)繼電器構(gòu)成。保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)間只決定于時(shí)間繼電器的預(yù)先整定的時(shí)間，而與被保護(hù)回路的短路電流大小無關(guān)，所以這種過電流保護(hù)稱為定時(shí)限過電流保護(hù)。
４.動(dòng)作電流的整定計(jì)算。過流保護(hù)裝置中的電流繼電器動(dòng)作電流的整定原則，是按照躲過被保護(hù)線路中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流來考慮的。也就是只有在被保護(hù)線路故障時(shí)才啟動(dòng)，而在最大負(fù)荷電流出現(xiàn)時(shí)不應(yīng)動(dòng)作。為此必須滿足以下兩個(gè)條件：
（1）在正常情況下，出現(xiàn)最大負(fù)荷電流時(shí)（即電動(dòng)機(jī)的啟動(dòng)和自啟動(dòng)電流，以及用戶負(fù)荷的突增和線路中出現(xiàn)的尖峰電流等）不應(yīng)動(dòng)作。即：
Idz＞Ifh.max
式中Idz：過電流保護(hù)繼電器的一次動(dòng)作電流；Ifh.max：最大負(fù)荷電流
（2）保護(hù)裝置在外部故障切除后應(yīng)能可靠地返回。因?yàn)槎搪冯娏飨Ш螅Ｗo(hù)裝置有可能出現(xiàn)最大負(fù)荷電流，為保證選擇性，已動(dòng)作的電流繼電器在這時(shí)應(yīng)當(dāng)返回。因此保護(hù)裝置的一次返回電流If應(yīng)大于最大負(fù)荷電流Ifh.max。即：
If＞Ifh.max
因此，定時(shí)限過電流裝置電流繼電器的動(dòng)作電流Idz.j為：
Idz.j=（Kk.Kjx/Kf.Nlh）.Ifh.max
式中Kk：可靠系數(shù)，考慮到繼電器動(dòng)作電流的誤差和計(jì)算誤差而設(shè)。一般取為1.15～1.25
Kjx——由于繼電器接入電流互感器二次側(cè)的方式不同而引入的一個(gè)系數(shù)。電流互感器為三相完全星形接線和不完全星形接線時(shí)Kjx=1；如為三角形接線和兩相電流差接線時(shí)Kjx=√3
Kf：返回系數(shù)，一般小于1；
Nlh：電流互感器的變比。
（三）動(dòng)作時(shí)限的整定原則
為使過電流保護(hù)具有一定的選擇性，各相臨元件的過電流保護(hù)應(yīng)具有不同的動(dòng)作時(shí)間。各級(jí)保護(hù)裝置的動(dòng)作時(shí)限是由末端向電源端逐級(jí)增大的。可是，越靠近電源端線路的阻抗越小，短路電流將越大，而保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間越長(zhǎng)。也就是說過電流保護(hù)存在著缺陷。這種缺陷就必須由電流速斷保護(hù)來彌補(bǔ)不可。
（四）過電流保護(hù)的保護(hù)范圍
過流保護(hù)可以保護(hù)設(shè)備的全部，也可以保護(hù)線路的全長(zhǎng)，還可以作為相臨下一級(jí)線路穿越性故障的后備保護(hù)。
四、電流速斷保護(hù)
（一）電流速斷保護(hù)
電流速斷保護(hù)是一種無時(shí)限或略帶時(shí)限動(dòng)作的一種電流保護(hù)。它能在最短的時(shí)間內(nèi)迅速切除短路故障，減小故障持續(xù)時(shí)間，防止事故擴(kuò)大。電流速斷保護(hù)又分為瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和略帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)兩種。
（二）電流速斷保護(hù)的構(gòu)成
電流速斷保護(hù)是由電磁式中間繼電器(作為出口元件)、電磁式電流繼電器(作為起動(dòng)元件)、電磁式信號(hào)繼電器(作為信號(hào)元件)構(gòu)成的。它一般不需要時(shí)間繼電器。它是按一定地點(diǎn)的短路電流來獲得選擇性動(dòng)作，動(dòng)作的選擇性能夠保證、動(dòng)作的靈敏性能夠滿足要求、整定調(diào)試比較準(zhǔn)確和方便。
（三）瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的整定原則和保護(hù)范圍
瞬時(shí)電流速斷保護(hù)與過電流保護(hù)的區(qū)別，在于它的動(dòng)作電流值不是躲過最大負(fù)荷電流，而是必須大于保護(hù)范圍外部短路時(shí)的最大短路電流。當(dāng)在被保護(hù)線路外部發(fā)生短路時(shí)，它不會(huì)動(dòng)作。
（四）瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的基本原理
瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的原理與定時(shí)限過電流保護(hù)基本相同。只是由一只電磁式中間繼電器替代了時(shí)間繼電器。
（五）略帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)
瞬時(shí)電流速斷保護(hù)最大的優(yōu)點(diǎn)是動(dòng)作迅速，但只能保護(hù)線路的首端。而定時(shí)限過電流保護(hù)雖能保護(hù)線路的全長(zhǎng)，但動(dòng)作時(shí)限太長(zhǎng)。因此，它的保護(hù)范圍就必然會(huì)延伸到下一段線路的始端去。這樣，當(dāng)下一段線路始端發(fā)
生短路時(shí)，保護(hù)也會(huì)起動(dòng)。為了保證選擇性的要求，須使其動(dòng)作時(shí)限比下一段線路的瞬時(shí)電流速斷保護(hù)大一個(gè)時(shí)限級(jí)差，其動(dòng)作電流也要比下一段線路瞬時(shí)電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流大一些。略帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)可作為被保護(hù)線路的主保護(hù)。
五、三（兩）段式過電流保護(hù)裝置
由于瞬時(shí)電流速斷保護(hù)只能保護(hù)線路的一部分，所以不能作為線路的主保護(hù)，而只能作為加速切除線路首端故障的輔助保護(hù)；略帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)能保護(hù)線路的全長(zhǎng)，可作為本線路的主保護(hù)，但不能作為下一段線路的后備保護(hù)；定時(shí)限過電流保護(hù)既可作為本級(jí)線路的后備保護(hù)（當(dāng)動(dòng)作時(shí)限短時(shí)，也可作為主保護(hù)，而不再裝設(shè)略帶時(shí)限的電流速斷保護(hù)），還可以作為相臨下一級(jí)線路的后備保護(hù)，但切除故障的時(shí)限較長(zhǎng)。
目前在實(shí)際應(yīng)用中，為簡(jiǎn)化保護(hù)配置及整定計(jì)算，同時(shí)對(duì)線路進(jìn)行可靠而有效的保護(hù)，常把瞬時(shí)電流速斷保護(hù)和定時(shí)限過電流保護(hù)相配合構(gòu)成兩段式電流保護(hù)。
六、結(jié)語
在城市電網(wǎng)10kV配電系統(tǒng)中，各種類型的、大量的電氣設(shè)備通過電氣線路緊密地聯(lián)結(jié)在一起。隨著電網(wǎng)規(guī)模的發(fā)展，為了確保10KV供電系統(tǒng)的正常運(yùn)行，必須正確地設(shè)置繼電保護(hù)裝置并準(zhǔn)確整定各項(xiàng)相關(guān)定值。
【參考文獻(xiàn)】
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