新型智能化继电保护装置在水泥生产线的应用.docx
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新型智能化继电保护装置在水泥生产线的应用
平凉水泥厂2500t/d熟料生产线
新型智能化继电保护装置在水泥生产线的应用
施工技术总结
###工程公司安装公司
2005年4月20日
新型智能化继电保护装置在水泥生产线的应用
摘要：
通过对平凉祁连山2500t/d熟料水泥生产线10KV供配电系统新型智能化继电保护装置的安装与调试的施工总结，使对继电保护的技术原理及其调试技术有更进一步的深入认识，以利于施工技术水平的进一步提高。
关键词：
10KV继电保护安装与调试
一、概述
10KV供配电系统是电力系统的一部分，广泛应用于工业生产的各个方面，它的安全、稳定、高效运行对于我国工业经济快速稳定的发展具有非常重要的意义。
继电保护技术的发展为10KV供配电系统的安全、稳定运行提供了强有力的保障。
随着计算机微型化技术的迅速发展，小型化的微机控制系统快速成熟起来，新型智能化继电保护装置的不断涌现，更大大提高了供配电系统控制与保护的精度、速度和范围。
继电保护的安装与调试作为其投入运行的第一步，显得尤其重要。
二、继电保护简述
2.1、10KV供配电系统继电保护装置的任务
2.1.1当供配电系统运行正常时，继电保护能完整的、安全的监视各种设备的运行情况，为运行人员提供可靠的运行依据；
2.1.2当供配电系统发生故障时，继电保护能自动地、迅速地、有选择地切除故障部分，保障非故障部分继续运行；
2.1.3当供配电系统中出现异常运行工作状况时，继电保护应能及时地、准确地发出信号或警报，通知运行人员尽快做出处理；
由上可知，在10KV供配电系统中装设继电保护装置的主要作用是通过缩小
事故范围或预报事故的发生，来达到提高系统运行的可靠性，并最大限度的保证供配电系统的安全和不间断。
2.2、10KV供配电系统对继电保护装置的基本要求
10KV供配电系统对继电保护装置的基本要求有四点：
选择性、灵敏性、速动性和可靠性。
2.2.1选择性
当供电系统中发生故障时，继电保护装置应能有选择性地将故障部分切除。
也就是它应该首先断开距离故障点最近的断路器，以保证系统中其它非故障部分能继续正常运行。
系统中的继电保护装置能满足上述要求的，就称为有选择性。
2.2.2灵敏性
灵敏性系指继电保护装置对故障和异常工作状况的反映能力。
在保护装置
的保护范围内，不管短路点的位置如何、不论短路的性质怎样，保护装置均不应产生拒绝动作；但在保护区外发生故障时,又不应该产生错误动作。
保护装置灵敏与否，一般用灵敏系数来衡量。
保护装置的灵敏系数应根据不利的运行方式和故障类型进行计算。
灵敏系数Km为被保护区发生短路时，流过保护安装处的最小短路电流Id.min与保护装置一次动作电流Idz的比值，即：
Km=Id.min/Idz
灵敏系数越高，则反映轻微故障的能力越强。
各类保护装置灵敏系数的大
小，根据保护装置的不同而不尽相同。
对于多相保护，Idz取两相短路电流最小值Idz
（2）;对于10KV不接地系统的单相短路保护取单相接地电容电流最小值Ic.min；
2.2.3速动性
速动性是指保护装置应能尽快的切除短路故障。
缩短切除故障的时间，就
可以减轻短路电流对电气设备的损坏程度，加快系统电压的恢复，从而为电气设备的自启动创造了有利条件。
所谓故障的切除时间是指保护装置的动作时间与断路器的跳闸时间之和。
由于断路器一经选定，其跳闸时间就已确定，目前我国生产的断路器跳闸时间均在0.02S以下。
所以实现速动性的关键是选用的保护装置应能快速动作。
2.2.4可靠性
保护装置应能正确的动作，并随时处于准备状态。
如不能满足可靠性的要求，保护装置反而成为了扩大事故或直接造成故障的根源。
为确保保护装置动作的可靠性，则要求保护装置的设计原理、整定计算、安装调试要正确无误；同时要求组成保护装置的各元件的质量要可靠、运行维护要得当、系统应尽可能的简化有效，以提高保护的可靠性。
2.3、继电保护原理
2.3.1继电保护的类型
10KV供配电系统中的电气设备和线路应装设短路故障保护，短路故障保护应
有主保护、后备保护，必要时可增设辅助保护。
当在系统中的同一地点或不同地点装有两套保护时，其中有一套动作比较快，而另一套动作比较慢，动作比较快的就称为主保护；而动作比较慢的就称为后备保护。
即：
为满足系统稳定和设备的要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护，就称为主保护；当主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护，就称为后备保护。
后备保护不应理解为次要保护，它同样是重要的。
后备保护不仅可以起到当主保护应该动作而未动作时的后备，还可以起到当主保护虽已动作但最终未能达到切除故障部分的作用。
除此之外，它还有另外的意义。
为了使快速动作的主保护实现选择性，从而就造成了主保护不能保护线路的全长,而只能保护线路的一部分。
也就是说，出现了保护的“死区”。
这一“死区”就必须用后备保护来弥补。
后备保护又分为近后备和远后备，当主保护或断路器拒动时，由相临设备或线路的保护来实现的后备称为远后备保护；由本级电气设备或线路的另一套保护实现后备的保护称为近后备保护。
为补充主保护和后备保护的性能或当主保护或后备保护退出运行而增设的简单保护称为后备保护。
利用系统正常运行和故障时各物理量的差别就可以构成各种不同原理和类型的继电保护装置。
反映电流变化的电流保护，有定时限过电流保护、反时限过电流保护、电流速断保护、过负荷保护和零序电流保护等；
反映电压变化的电压保护，有过电压保护和欠电压保护；
即反映电流变化由反应电压与电流之间相位角变化的方向过电流保护
反映电压和电流之间比值，也就是反映短路点到保护安装处阻抗的距离保护；
反映输入电流和输出电流之差的差动保护，其中又分为横联差动和纵联差动保护；
反映系统中频率变化的周波保护；
反映变压器内部故障的气体保护（分为轻瓦斯和重瓦斯）和变压器温度变化的温度保护。
2.3.2对几种电流保护的分析
2.3.2.1反时限过电流保护
反时限过电流保护指继电保护的动作时间与短路电流的大小有关，短路电流越大，动作时间越短；短路电流越小，动作时间越长。
2.3.2.2定时限过电流保护
定时限过电流保护是指继电保护的动作时间与短路电流的大小无关，时间是恒定的，时间是靠时间继电器的整定来获得的，时间继电器在一定范围内连续可调。
定时限过电流保护简单可靠、完全依靠选择动作时间来获得选择性，上、下级的选择性配合比较容易、时限由时间继电器根据计算后获取的参数来整定，动作的选择性能够保证、动作的灵敏性能够满足要求、整定调试比较准确和方便。
动作电流的整定计算
定时限过电流保护电流继电器动作电流的整定原则，是按照躲过被保护线路中可能出现的最大负荷电流来考虑的。
也就是只有在被保护线路故障时才启动，而在最大负荷电流出现时不应动作，为此必须满足以下两个条件：
a、在正常情况下，出现最大负荷电流时（电动机的启动和自启动电流以及用户负荷的突增和线路中出现尖峰电流等），不应动作。
即：
Idz＞Ifh.max
式中，Idz――――过电流保护继电器的一次动作电流
Ifh.max――――最大负荷电流
b、保护装置在外部故障切除后应能可靠的返回，因为短路电流消失后，保护装置可能出现最大负荷电流，为保证选择性，已动作的电流继电器在这时应当返回。
因此保护装置的一次返回电流If应大于最大负荷电流Ifh.max。
因此定时限过电流保护装置电流继电器的动作电流Idz.j为：
Idz.j＝（Kk.Kjx/Kf.Nlh）.Ifh.max
式中：
Kk――――可靠系数，考虑到继电器动作电流的误差和计算误差而设。
一般取为1.15～1.25；
Kjx――――由于继电器接入电流互感器二次测的方式不同而引入的一个系数。
电流互感器为三相完全星形接线和不完全星形接线时Kjx＝1；如为三角形接线和两相电流差接线时Kjx＝1.732；
Kf――――返回系数，一般小于1；
Nlh――――电流互感器的变比。
动作时限的整定
为使过电流保护具有一定的选择性，各相邻元件的过电流保护应具有不同的动作时间。
例如在线路XL-1、XL-2、XL-3的靠近电源端分别装有过电流保护装置1、2、3当D1点发生短路时，短路电流由电源提供并流过保护装置1、2、3，当短路电流大于它们的整定值时，各套保护装置均启动。
当按选择性的要求，应只由保护装置（离故障点最近）动作于跳闸。
在故障切除后，保护装置1、2返回。
因此就必须使保护装置2的动作时间教1长一些；而保护装置3又要比2长一些，并依此类推，即：
t1＞t2＞t3
不难看出，各级保护装置的动作时限是由末端向电源端逐级增大的。
也就是越靠近电源端，保护的动作时限越长，有如阶梯一样，故称为阶梯性时限特性。
各级之间的时限均差一个固定的数值，称其为时限时差Dt。
对于定时限过电流保护的时限级差Dt一般为0.5s；对于反时限的时限级差Dt一般为0.7s。
可是，越靠近电源端线路的阻抗越小，短路电流将越大，而保护的动作时间越长。
也就是说过电流保护存在着缺陷。
这种缺陷就必须由电流速断保护来弥补。
过电流保护的保护范围
过流保护可以保护设备的全部，也可以保护线路的全长，还可以作为相邻下一级线路穿越性故障的后备保护。
2.3.2.3电流速断保护
电流速断保护是一种无时限或略带时限动作的一种电流保护，它能在最短
的时间内迅速切除短路故障，减小故障持续时间，防止事故扩大。
电流速断保护简单可靠，完全依靠短路电流的大小来确定保护是否需要启动。
它是按一定地点的短路电流来获得选择性动作，动作选择性能够保证、动作的灵敏性能够满足要求、整定调试比较准确和方便。
电流速断保护又分为瞬时电流速断保护和略带时限的电流速断保护两种。
瞬时电流速断保护
瞬时电流速断保护与过电流保护的保护的区别，在于它的动作电流值不是躲过最大负荷电流，而是必须大于保护范围外部短路时的最大短路电流。
即按躲过被保护线路末端可能产生的三相最大短路电流来整定。
从而使速断保护范围被限制在被保护线路的内部，从整定值保证了选择性，因此可以瞬时跳闸。
当在被保护线路外部发生短路时，它不会动作。
所以不必考虑返回系数。
由于只有当短路电流大于保护装置的动作电流时保护装置才会动作。
所以瞬时电流速断保护不能保护设备的全部，也不能保护线路全长，而只能保护线路的一部分。
对于最大运行方式下的保护范围一般能达到线路全长的50%即认为有良好的保护效果；对于最小运行方式下的保护范围能保护全长的15%～20%，即可装设。
保护范围以外的区域称为“死区”。
因此，瞬时电流速断保护的任务是在线路始端短路时能快速的切除故障。
略带时限的电流速断保护
瞬时电流速断保护最大优点是动作迅速，但是只能保护线路的首端。
而定时限过电流保护虽能保护线路的全长，但动作时限太长。
因此，常用略带时限的电流速断保护来消除瞬时电流速断保护的“死区”。
若要求其保护线路的全长，它的保护范围就必然会延伸到下一段线路的始端去。
这样，当下一段线路始端发生短路时，保护也会启动，为了保证选择性的要求，需使其动作时限比下一段线路的瞬时电流速断保护大一个时限级差，其动作电流也要比下一段线路瞬时电流速断保护的动作电流大一些。
略带时限的电流速断保护可作为被保护线路的主保护。
2.3.2.4零序电流保护
零序电流保护是利用接地故障线路零序电流较非接地故障线路零序电流大
的特点来起到保护作用的。
它一般使用在零序电流保护一般使用在有条件安装零序电流互感器的电缆线路或经电缆引出的架空线路上。
当在电缆出线上安装零序电流互感器时，其一次侧为被保护电缆的三相导线，铁心套在电缆外，其二次侧接零序电流继电器。
当正常运行或发生相间短路时，一次侧电流为零。
二次侧只有因导线排列不对称而产生的不平衡电流。
当发生一相接地时，零序电流反映到二次侧，并流入零序电流继电器，使其动作发出信号。
在安装零序电流保护装置时，特别注意的一点是：
电缆头的接地线必须穿过零序电流互感器的铁心。
这是由于被保护电缆发生一相接地时，全靠穿过零序电流互感器铁心的电缆头接地线通过零序电流起作用的。
否则互感器二次侧也就不能感应出电流，因而继电器也就不可能动作。
不难理解，当某一条线路上发生一相接地时，非接地线路上的零序电流为本身的零序电流。
因此，为了保证动作的选择性，在整定时，保护装置的启动电流Idz应大于本线路的电容电流，即：
Idz＝Kh.3Uxan.w.Co=Kh.Io
式中：
Idz－―――保护装置的启动电流
Kh――――可靠系数，如无延时，考虑到不稳定间歇性电弧所发生的振荡涌流时，取4～5；如延时为0.5s，则取1.5～2
Uxan――――相电压；
Co――――被保护线路每相的对地电容；
Io――――被保护线路的总电容电流。
按上式整定后，还需校验在本线路上发生一相接地时的灵敏系数Klm,由于流经接地线路上的零序电流为全网络中非接地线路电容电流的综合，可用3Uxan.w.（Cs－Co）表示，因此灵敏系数为：
Klm=3Uxan.w.（Cs-Co）/Kh.3Uxan.w.Co
=（Cs-Co）/Kh.Co
上式可改写成：
Klm=Ios-Io/Kh.Io=Ios-Io/Idz
式中：
Cs――――同一电压等级网络中，各单元每相对地电容之和；
Ios――――与Cs相对应的对地电容电流之和。
对电缆线路取大于或等于1.25；架空线路取1.5。
三、继电保护装置安装与调试
在平凉祁连山2500t/d熟料水泥生产线10KV供配电系统中，根据水泥厂生产工艺情况，设置了原料磨配电站、水泥磨配电站和矿山配电站等三处10KV配电站，共计装设10KV高压开关柜34台，其中进线柜3台，电容柜1台，变压器柜9台，高压电动机柜12台。
由于水泥厂用电设备多，高压电动机功率普遍较大（包含原料磨主电机3350KW，水泥磨主电机2500KW，窑尾高温风机1600KW，窑尾排风机1000KW），并且水泥厂的设备都是大通量、满负荷的连续运转，因而对电机设备和线路的可靠性和稳定性要求极高。
这就要求保护装置能够精准，迅速的动作或发出报警信号。
3.1继电保护硬件组成
平凉祁连山水泥有限公司10KV供配电系统继电保护上选用了南京南自机电工程有限公司的微机继电保护装置（包括WXP-10系列微机线路保护装置、WDB-06系列微机电动机保护装置、WBB-10系列微机变压器保护装置和WPB-35系列微机电容器保护装置）。
该套装置以高性能的微处理器构成，保护功能齐全、可靠性高，自检能力强，并且具有较强的抗干扰能力。
具有电流速断及过电流保护、过负荷保护、零序电流保护、欠/过电压保护、不平衡电流/电压保护、电动机启动时间保护和接地保护等功能。
其面板及插件结构图如下：
由上图可以看出该装置由交直流电源插件（AC/POWER）、逻辑继电器及出口插件（LOGIC/TRIP）及CPU插件（CPU）组成，另外面板背后还有一个用于人机对话CPU用MMI插件。
3.1.1交直流电源插件（AC/POWER）
该插件由交流输入及滤波回路和直流电源输入回路组成
交流输入及滤波回路
该回路主要是将外部输入的大电压（PT）、大电流（CT）交流信号经该
回路的PT、CT变换为模数转换器（ADC）能够接受的小电压信号，在PT、CT二次侧并有RC滤波器以滤除信号中的高频分量，并有限幅二极管以限制过冲，防止损坏后一级AD回路。
该回路按最大方式共配置五路模拟量输入通道。
直流电源回路
直流220V电压输入经抗干扰滤波回路后，利用逆变原理输出三组本装置需要的直流电压：
即5V、±15V及＋24V，三组电压均不共地，且采用浮地方式，同外壳不相连。
3.1.2逻辑继电器及出口插件（LOGIC/TRIP）
该插件由以下回路构成：
启动继电器；
告警回路，分为告警
和告警
两个回路；
跳、合闸出口回路；
跳、合闸操作回路（包括保护跳、合闸回路；手动跳、合闸回路；防跳回路；跳、合位置监视回路；手跳开入；跳合闸参数选择）
3.1.3CPU插件
该装置的CPU插件是以高性能微处理器为核心构成的紧凑系统，从微处理
系统角度来看，整个系统包括程序存储器扩展（EPROM）、数据存储器扩展（RAM）、存放保护定值的串行EEPROM、I/O扩展、译码电路及硬件“看门狗”等模块，从功能模块角度来看，包括了模数变换部分（A/D）、开关量输入部分、开关量输出部分、与MMI串行通讯接口及保护系统的CAN网络接口。
3.1.4人机对话（MMI）
人机对话板的功能包括单片机形成的最小系统，即包括必要的存储器扩展及I/O扩展等；串行通讯口与保护CPU通讯；键盘和液晶显示器（LCD）作为人机接口界面，面板上设有九个键和一个液晶显示器，键盘和LCD与CPU的I/O口线相连。
3.2继电保护的安装调试
3.2.1装置通电前的检查
装置在通电前要检查装置外观无破损，插件及插件连接是否完好，装置的出厂铭牌是否与实际相符。
3.2.2绝缘耐压试验
将所有连接线连接正确，用电压等级为1000V的摇表检查交流电流回路对地、交流电压回路对地、直流电压回路对地、接点对地、开关量输入回路对地、开关量输出回路对地和交流电压对交流电流等的绝缘电阻，要求绝缘电阻均不应小于20M欧。
以上符合绝缘条件后，还要通过标准调压变压器对继电保护装置进行工频耐压试验，耐压试验时间为一分钟，各项试验内容及试验电压见下表：
试验项目
交流回路对地
交流电压对交流电流
交流电压对开关量输出
开关量输出回路对地
开关量输入回路对地
耐压水平
2KV
2KV
2KV
1.5KV
1.5KV
注意事项
断开交流插件与CPU插件连线
断开交流插件与CPU插件连线
断开交流插件与CPU插件连线
断开出口插件与CPU插件连线
3.2.3电源检查
待系统绝缘耐压试验各项指标均符合要求后，断开交流电源插件与CPU插件的连线，然后给装置加电，检查电源输出是否正常（当输入电压在额定值的±10％范围内时，＋5V、±15V及＋24V输出偏差不得超过±5%），同时告警继电器应可靠吸合。
3.2.4零漂及有效值检查
电源检查合格后，将交流电源插件和CPU插件的连线连接上，给系统继电保护装置加电，用装置“控制功能”中的“压板投退”命令退出所有的保护压板，所有的电流通道串联通0.4In标准电流，所有电压通道并联加50V标准电压，用“通道检查”菜单检查各路电流及电压的有效值与实际加入的值是否相符，误差不大于2%。
撤去电流、电压输入，用“通道检查”菜单检查各路电流及电压通道的零漂是否符合要求，零漂不大于0.1。
将三相电流和三相电压加入装置相应端子，用“通道检查”中的“调采样值”菜单输出各路通道的采样值报告，检查相序是否正确。
3.2.5开关量输入检查
选择菜单“通道检查”中的“开入检查”命令，用＋24V依次连通端子排上的开关量输入端子，如：
如重瓦斯、轻瓦斯、手车位置、断路器位置等，液晶显示器上将依次显示连通的端子号。
在用＋24V连通开关量端子前，先要检查一下是否已有开关量输入，且与实际情况是否相符。
3.2.6定值的输入及保护压板投入
根据定值清单的要求将各项保护定值输入并固化，同时须将相应的保护压板投入。
3.2.7开关量输出检查
在各相加入电流或电压值，使其达到微机保护的整定值，观察微机保护装置和微机监控后台的输出相应信号是否正确，断路器是否跳闸。
若信号输出不正确，可以从端子排上检查对应继电器的常开接点是否接通，再一一检查对应电路的各芯片及其它元件是否损坏。
3.2.8继电保护装置静态模拟试验
通过以上七个项目的检查，继电保护装置应具备了静态模拟试验的条件了，我们将保护跳合闸回路接入继电保护测试仪，投入相应的保护压板，按照调试定值对继电保护装置进行静态模拟试验。
试验结果如下：
电流速断保护
测试相别
A相
B相
C相
测试参数
7.2
7.2
7.2
测试结果
合格
合格
合格
过电流保护
测试相别
A相
B相
C相
测试参数
5.3
5.3
5.3
测试结果
合格
合格
合格
过负荷保护
测试相别
A相
B相
C相
测试参数
3.7
3.7
3.7
测试结果
合格
合格
合格
零序电流保护
测试参数
Ioh＝1.7A
测试结果
合格
3.2.9系统工作电压及负荷电流下继电保护装置的检查与调整
给它接入系统工作电压和负荷电流（这也是最后一次检查微机保护装置二次回路接线是否正确了，必须慎重对待），断开跳闸、合闸出口压板，此时，调出相应菜单，检查Ua、Ub、Uc和Ia、Ib，Ic是否符合以下要求：
Ua超前Ub120ο，Ub超前Uc120ο，Ia超前Ib120ο，Ib超前Ic120ο，Ua和Ia,Ub和Ib、Uc和Ic之间的夹角应基本相等，并与系统功率因数一致。
若符合以上要求，说明三相电压和电流对称且为正相序，且负荷电流相位正确。
否则，应检查装置交流电压、交流电流回路接线（包括屏内连线）是否正确。
通过以上调试，已经可以保证继电保护装置能够在电气设备或线路出现故障时有选择性的、快速准确的切除故障部分或发出告警信号，并且保证非故障部分继续正常工作，当故障恢复后，继电保护装置由能够恢复工作。
四、结束语
根据“电力装置的继电保护和自动装置规范”，对平凉祁连山2500t/d熟料水泥生产线10KV供配电系统继电保护装置的安装调试达到了各项指标，继电保护装置动作满足“四性”要求，自投入运行至今没有发生一例继电保护误动、拒动现象，系统运行良好。
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