反时限过电流保护原理分析及测试方案研究

韩昱 韩仁义 段璞真 刘云飞 史新华

（1.国网山西省电力公司忻州供电公司 2.国网山西省电力公司五寨县供电公司）

反时限过电流保护原理分析及测试方案研究

韩昱1韩仁义1段璞真2刘云飞1史新华1

（1.国网山西省电力公司忻州供电公司 2.国网山西省电力公司五寨县供电公司）

本文对电力系统中三种反时限特性进行原理说明，并且对反时限在线路与元件中的应用进行介绍。结合测试技术对反时限过电流保护原理进行验证，在现有原理基础上对反时限曲线的革新引入散热系数进行分析，并对该类型保护的反时限功能进行调试工作。

反时限；过流；散热系数；调试

0 引言

反时限过流保护在电力系统中应用广泛，主要用作线路后备保护、变压器保护和发电机保护等等。国内一直采用定时限保护作为配电网的主保护和输电线路的后备保护。鉴于反时限过流保护的诸多优点，目前我国的一些地区也开始采用反时限过流保护或者反时限过流保护与定时限过流保护相结合的保护模式。在国外，反时限过流保护广泛应用于各线路保护，ABB公司对于反时限保护的曲线模拟做出5种曲线，应用十分广泛。

通过对反时限目前的应用进行分析，结合反时限与定时限配合整定以及对于变压器与发变组中元件反时限原理进行测试分析。加入散热系数后对原有反时限公式进行修正，克服了传统反时限过流保护不能准确反映电流快速变化时的真实故障状态。

1 反时限保护原理分析

反时限过流保护是指动作时间随短路电流的增大而自动减小的保护。反时限动作的特性是保护动作时间与动作电流水平成反比。

目前反时限过电流继电器已制成标准化产品而被社会广泛应用。国际公认的表示时间—电流特性的数学建模为：

式中 ，T为动作时间； Q为常系数；I为起动电流倍数 ；r为常系数。

式（1）表明过电流继电器的动作时间T与输入电流量I的函数关系。其中当I较小时例如小于1时整体值小于0表示不动作。当较大时例如大于1时整体值比0大，继电器将会动作。明显的，从函数表达可以看出随着I的值增加，T的值会慢慢缩短。即表示动作时间与动作电流的大小呈现反 比特性。

按照目前IEC的标准来说，反时限被分为三类。

对于r值的选取不同，其相应的场合也存在着变换。保护线路时通常用到r=1的非常反时限，可以反映保护线路末端的短路故障电流变化很大的情况；发电机转子、变压器等需要反映其发热情况的保护通常会使用r＞1的极端反时限；第一类使用情况较少，常见于小型民用电机的过流保护。因为反时限曲线是通过研究其最大承受热曲线绘制而成，所以必须很好地区分清楚此三类曲线的应用范围。

1.1 传统反时限保护原理

传统反时限保护通过电流量转换成电磁量后，再通过电磁量对力臂吸引完成常开触点闭合。常见的GL—10型反时限保护其反时限曲线不仅包含了反时限部分还有部分定时限部分，当达到所要求速断部分后其还包含速断要求。电磁型反时限继电器也是一种改进型反时限保护装置，实现了反时限的特性并且也具有定时限特性，当达到元件要求热承受值时还可以达到速断要求。反时限i - t特性曲线如图1所示。

图1 传统型反时限i - t特性曲线

1.2 微机型反时限继电器

随着单片机的应用，自动化水平日益提高。模块化编程实现所有保护集合，反时限保护就成了集成模块中一个逻辑子集。从子集逻辑框图可以清楚地得到反时限过流所需定值以及采集量，如图2所示。

图2 定子反时限过负荷保护逻辑框图

在发变组保护通过大量分析引入散热系数、发热系数以及热容量常数。将反时限曲线数字化，将电流变化转化为元件可承受热容量，反映更真实，且灵敏反映元件的发热状况。

式中， Ks.zd为定子绕组热容量系数；Ksr.zd为发电机散热效应系数； Is.zd——反时限启动电流，A。

从式（2）中得知热效应公式通过散热与热积累两部分实现了元件的在正常发热过程中的热量获取和散失。

2 测试方案及测试分析

本节结合RCS—985 保护装置以及传统型GL—10电磁继电器，分析反时限过流保护保护的逻辑框图，了解保护的定值整定。利用测试仪等工具，以具体的调试步骤完成对反时限过流保护保护常见判据的动作验证。

2.1 电磁型元件测试分析

（1）实验准备

了解GL—11型反时限电流继电器的结构、接线动作原理及其使用方法，特别要仔细观察其先合后断转换触点的结构及其先合后断的动作程序。并且掌握GL—11型继电器的动作电流、返回电流、时限特性的测定方法。

（2）实验步骤

1）将GL—11型电流继电器触点3、4分别接入电流输入A接口，常开触点1、2接入开关量输入A接口。

2）打开PW并口版应用程序，进入手动实验，时间特性模块实验界面如图3 所示。

图3 PW并口板时间特性实验界面

3）添加序列选择变化范围，因动作值为2A，所以从1.5A为变化初始值。调节为5倍初始动作值时速动，所以变化终值设置为12A，变化步长为0.5A。调节额定（基准）电流为1A。点击确认按钮。

4）因为开始时故障跳闸时间较长，所以故障时间设置也必须满足动作时间。故最大故障时间设置为10s。

5）开始实验，i-t特性曲线会记录下每个试验点动作时间，直到每个点测试完毕实验过程i-t特性图如图4所示。

图4 i - t特性曲线图

6）将实验点的动作时间和电流比代入公式进行反时限曲线验证最后得出该曲线满足的是哪一种类型反时限公式。

7）拆线并整理。

（3）数据分析

从i-t特性图中可以看出，传统型反时限继电器特性曲线与标准反时限公式曲线几乎完全一样，拟合程度很高。将i-t特性图中部分点值制作成的Excel表格来具体说明反时限继电器其作用效果。起动点、速断点、接近定时限部分详细值如表2所示。

从表中经过数据代入得知此反时限电流继电器为标准反时限电流继电器。

表2 i-t特性曲线部分点值

2.2 数字式反时限过电流保护测试方案

（1）实验准备

了解RCS—985微机保护中反时限过电流部分逻辑框图、动作原理及其使用方法，尤其是了解其动作过程以及跳闸告警如何显示。掌握过电流起动值，对于起动值左右的时间测定在DSP中如何观测。

（2）实验步骤

1）将RCS—985中的凤凰端子排上的1ID8、1ID9、1ID10、1ID11分别接入测试仪的Ia、Ib、Ic、In中，凤凰端子中的1PD1与1ND1分别接入测试仪开关量输入回路。在硬压板上投断高压侧断路器硬压板。在1PD1与1ND1中有定子反时限过流保护控制字中控制投入的高压侧断路器。试验接线完毕，动作值起动值为1.2A，接线图如图5所示。

图5 定子反时限接线图

2）打开PW并口版应用程序，进入手动实验。

3）选择变量Ia、Ib、Ic，设置初始时间为2A，按住锁定按钮后改变电流量为4A、6.78A、10.17A、20.34A、27.12A，记录下每个不同电流在其动作时间为多少。必须注意的是，每项反时限实验做完后，必须要等热积累归零后，才能继续再做下一项，否则动作时间测量会出现很大的偏差，影响测量结果值。当然其热积累清零需要很长一段过程。如需要快速进行下一项实验可以短时间内将硬压板退出后再投入，这样在DSP中会观察到热积累量迅速清零；在做实验时，建议散热效应系数要大于1，这样就可以使得定子热积累过后，还可以顺次模拟定子的散热过程。若设定的为1，那么就缺少了散热过程，不合理。建议给定值为1.02～1.05。反时限定子过负荷热积累量变化如图6所示。

4）记录数据在表格中如表3所示。

图6 定子过负荷热积累量变化图

表3 定子反时限过电流保护实验数据表

5）将电流输出值调至0A，拆线并整理。

3 结束语

近年来，由于我国电力系统单机容量不断增大，发电机定子过电流或者过励磁以及转子负序电流过大对电力系统及发电机本身都会造成严重危害。反时限保护动作曲线是通过发电机的热效应模拟出来的接近发电机最大承受热效应而得来的曲线，其拟合效果好，作为一种后备保护可以十分完美地完成其自身要求的保护动作行为。因此，加强对各类反时限过流保护及其动作行为的分析非常有必要。

本文分析了反时限过流保护保护原理结合调试大纲，重点研究RCS—985发变组保护装置过定子反时限过电流保护功能的调试还对传统电磁型GL—10型做了比较全面的研究，对各判据都进行了实际的验证。

[1] 韩笑.电力系统继电保护[M].北京：机械工业出版社,2011.

[2] 国网电力科学研究院实验验证中心.继电保护及自动化设备检验培训教材[Z].北京：中国电力出版社,2012.

[3] 国家电力调度通信中心.发电机变压器继电保护应用(第二版). 北京：中国电力出版社, 1998.

[4] 南京继保电气有限公司. RCS-985 系列发电机变压器成套保护装置培训教材[Z].2009.

[5] 韩笑.电厂微机保护测试技术[M].北京：中国水利水电出版社,2008.

[6] 张保会，尹项根.电力系统继电保护（第二版）.北京：中国电力出版社,2010.

2017-04-05）