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电气工程师|输电线路保护有哪些?详解三段式电流保护

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为了保证电力系统的安全运行,必须对电力系统中所有的电力设备和输电线路配置完善的继电保护。如果继电保护配置不当,保护将不能正确工作(误动或拒动),从而会扩大事故停电范围,还可能造成人身和设备安全事故。

电力网继电保护的配置,要满足电力网的不同结构、电压等级、线路长度、运行方式以及负荷性质等的要求,否则将不能达到预期的保护效果。

10~35kV中性点非直接接地电网中,输电线路的相间短路保护必须动作于断路器跳闸。单相接地时,由于故障点的接地电流很小(因而该电网又称小接地电流系统),三相之间的线电压仍然保持对称,对负荷的供电没有影响,因此,在一般情况下允许再继续运行1~2h,而不必立即跳闸,这也是采用中性点非直接接地运行的主要优点。但是在单相接地以后,其他两相对地电压要升高3倍。为了防止故障进一步扩大成两点接地或相间短路,应及时发出信号,以便运行人员采取措施予以消除。由此,在单相接地时,一般只要求继电保护能有选择性地发出信号,而不必跳闸。但当单相接地对人身安全和设备安全构成威胁时,则应动作于跳闸。

输电线路的继电保护主要有下面三种:

一、相间短路保护

相间短路保护一般均采用两相式电流保护。

对单测电源的线路,一般装设两段式电流保护。第Ⅰ段为不带时限的电流速断保护,第Ⅱ段为带时限的过电流保护。对35kv的线路,必要时,也可采用三段式电流保护,即在上述两段式保护的基础上,再增设一段带时限的电流速断保护。无论两段式或三段式电流保护,均可统称为阶段式电流保护。

二、单相接地保护

对单相接地故障一般采用无选择性的绝缘监视信号装置。该装置动作后,靠人工选线找出故障线路。有条件的应装设具有选择性的、动作于信号的单相接地保护。根据人身和设备安全的要求,必要时,应装设动作于跳闸的单相接地保护。

三、过负荷保护

对可能时常出现过负荷的电缆线路,或电缆与架空混合线路,应装设过负荷保护。保护宜带时限动作于信号,必要时可动作于跳闸。

在相间短路保护中,一般都设计为阶段式保护。主要有三段保护,所以又叫三段式保护。其原理图见图1所示。

图一

第Ⅰ段电流保护是无时限电流速断保护,在图中由电流继电器KA1、KA2,中间继电器KM和信号继电器KS1组成。

第Ⅱ段电流保护是带时限电流速断保护,由电流继电器KA3、KA4,时间继电器KT1,中间继电器KM(与Ⅰ段共用)和信号继电器KS2组成。

第Ⅲ段是定时限(或反时限)过电流保护,由电流继电器KA5、KA6,时间继电器KT2,中间继电器KM(Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段共用)和信号继电器KS3组成。

第Ⅰ段电流保护也叫电流速断保护,是输电线路的主保护。但它不反应本线路以外的短路。最小保护范围不小于被保护线路全长的15%,最大保护范围要大于被保护线路全长的50%。

无时限电流速断保护不能保护线路全长,其保护范围以外的线路故障,必须由另外的保护来切除,为此增设第Ⅱ段电流保护。它的动作范围包括了被保护线路的全长。

第Ⅲ段电流保护具有较高灵敏性,不仅能保护本线路全长,而且还能保护相邻线路的全长甚至更远。

同时,第Ⅱ段保护是第Ⅰ段的后备保护,第Ⅲ段也是第Ⅰ段的后备保护。为了区别就把第Ⅱ段保护称为第Ⅰ段的近后备保护;把第Ⅲ段保护称为第Ⅰ段的远后备保护。意思是线路发生短路故障后,第Ⅰ段保护去执行跳闸任务,若第Ⅰ段保护保护拒动,则第Ⅱ段在延时过后立即执行跳闸。第Ⅲ段保护也是同理。也就是说一旦线路发生短路故障,三段保护都同时启动,第Ⅱ段和第Ⅲ段保护利用设置的时间继电器进行延时等待。

继电保护的接线图一般有逻辑框图、原理图、展开图、安装图等几种。对于采用机电型继电器构成的继电保护来说,用得最多的是原理图、展开图和安装图。

把整个继电器和有关的一、一次元件绘制在一起,既有交流又有直流,能直观而又完整地表示整套继电保护装置工作原理的接线图,叫做原理图(见图1)。该种图的主要优点是便于阅读、能表示动作原理,有整体概念,初学者较易掌握。保护的各段组成元件一目了然。但是原理图在实用上有一定的局限性,在现场凭原理图查线、调试十分不便,接线复杂的保护也难以绘制。另外,原理图只能画出继电器各元件间的连线、轮廓,至于元件的内部接线、引出端子、回路标号以及直流电源等细节就难以表示出来。因此,现场广泛使用展开图。

展开图是以继电器动作回路为基础,将继电器和各元件的线圈、触点按保护动作顺序,自左而右、自上而下而绘制的接线图称为展开图。它的特点是分别绘制护的交流电流回路、电压回路及直流回路。同一个继电器或元件的线圈、触点,属于哪个回路就画到哪个回路中去。为了避免混淆,属于同一个元件的线圈、触点用相同的文字符号表示,用下角标注上拉伯数字区别同一元件不同的触点或线圈。所有继电器、元件的图形符号都按国家标准统一编制。在展开图的右侧还有文字说明,标明各回路和各元件的性质、作用。见图2所示。

图2

展开图在生产上得到广泛的应用,就在于它结构简单,层次分明,便于阅读。对于现场安装、调试、查找问题尤为方便。

总之,继电保护是确保输电线路运行稳定性和安全性的重要保障,一旦其出现失常情况,就会对输电线路乃至整个电力系统产生影响。为了更好地对输电线路进行继电保护,就需要结合实际的需求,灵活选择电流保护法,确保输电线路运行的稳定性。

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