煤矿6kV电网过流保护的设置与整定.docx

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煤矿6kV电网过流保护的设置与整定

煤矿6kV电网过流保护的设置与整定

邹有明

［引言］

煤矿6kV高压电网，主要由电缆线路构成，采用双回路干线式结合放射式的供电方式。

对于各个局部的放射式供电单元，过流保护的设置与整定比较容易，因某一支路发生过流故障时，其它非故障支路的电流并不会增大，甚至还会降低，所以仅凭电流大小就可以鉴别故障支路，满足过流保护系统的选择性，一般称为横向选择性。

对于以电缆为主的干线式系统，要满足过流保护系统的选择性，一般称为纵向选择性，就比较困难。

由于电缆线路始、末两端的短路电流差别较小，大多数情况下无延时的速断保护，其整定方法在理论上就不能满足纵向选择性的要求，这就是井下高压电网发生短路时，常引起越级跳闸故障的技术原因。

这一专题主要包括以下五部分内容。

一、相关规程、概念与参数

二、定时过流保护

三、电流速断保护

四、三段式过流保护的设置与整定

五、过流保护设置、整定计算实例

—、相关规程、概念与参数

1、《煤矿安全规程》的要求

［第455条］井下高压电动机、动力变压器的高压控制设备，应具有短路、过负荷、接地和欠压释放保护。

……。

［第456条］井下配电网路（变压器馈出线路、电动机等）均应装设过流、短路保护装置；必须用该配电网路的最大三相短路电流校验开关设备的分断能力和动、热稳定性以及电缆的热稳定性。

必须正确选择熔断器的熔体。

必须用最小两相短路电流校验保护装置的可靠动作系数。

保护装置必须保证配电网路中最大容量的电气设备或同时工作成组的电气设备能够起动。

2、基本概念

1）过流故障及种类

实际电流超过容许工作电流的故障叫过流故障，包括短路、过载和断相三种类型。

井下高、低压电网，短路只有三相短路和两相短路两种类型

2）过流保护及种类

能在发生过流故障时切断电源的装置叫过流保护。

种类：

定时过流保护；电流速断保护，包括瞬时速断和限时速断；三段式过流保护等。

其它：

电流电压联锁速断保护、功率方向电流保护、线路纵联差动保护、电网距离保

护、电网高频保护，基于光纤通讯的架空线路全线速断保护等等。

3）最大三相短路电流

在最大运行方式下，开关负荷侧出口处的三相金属性短路电流。

金属性短路：

是指短路点过渡阻抗为零的短路。

最大运行方式：

是指供电电网电源侧运行阻抗最小的运行方式，此时短路电流最大。

4）最小两相短路电流

在最小运行方式下，开关负荷侧线路末端的两相金属性短路电流。

最小运行方式：

是指供电电网电源侧运行阻抗最大的运行方式，此时短路电流最小。

5）开关的分断能力

指开关切断并熄灭短路电流在接点间所产生的电弧的能力。

6）动稳定

指电气设备的结构强度在瞬间承受短路时所产生的最大电动力的能力，一般以最大三相短路电流峰值来校验。

7）热稳定

指电气设备的绝缘在短时间内（1～4秒）承受短路电流发热冲击的能力（不被烧坏），一般以设备的4秒钟热稳定电流来校验。

8）可靠动作系数

在供电技术中叫做保护装置的灵敏系数或灵敏度。

它是指保护装置对故障的反应能力。

灵敏度等于最小两相短路电流除以保护装置的整定电流，要求作为主保护应大于等于1.5，作为后备保护应大于等于1.2。

3、有关参数

1）过流继电器的动作电流IdJ

以电磁式为例，能使继电器电磁机构吸合的通过继电器线圈的最小电流。

2）保护装置的整定电流Idz

根据保护整定计算而确定的保护装置的定值门槛电流。

3）过流继电器的返回电流If

使继电器由吸合转为释放的通过其线圈的最大电流叫该继电器的返回电流。

通过图2－1可以直观地了解动作电流、整定电流和返回电流三者的关系。

逐步增大通过其线圈的电流，当电流达到IdJ时，继电器吸合（动作），显然，当实际电流大于IdJ时，继电器将更能保证吸合，所以整定电流一般应大于或等于动作电流。

继电器吸合后，缓慢降低电流，此时，继电器不会立刻释放，当电流下降低到If时，继电器释放。

动作电流与返回电流差距的大小决定于继电器的结构原理，一般用返回系数来表达。

图2－1继电器的动作电流与返回电流

4）返回系数Kf

继电器的返回系数定义为返回电流与动作电流之比，即

Kf=If／IdJ（2－1）

Kf对于感应式继电器取0.8，电磁式继电器取0.85，电子式继电器取0.85～0.9，数字式继电器可取0.9～0.95。

5）时间继电器的整定时间tdz

根据保护系统时限配合要求而确定的、本级保护装置中时间继电器的定值门槛时间。

人为确定的整定时间应在时间继电器的延时时间范围之内。

时间继电器：

接到动作指令后，会延迟一定的时间后再动作的继电器。

6）保护装置的动作时间（全断电时间）

包括信号测取与处理时间、时间继电器的整定时间和断路器的固有跳闸时间。

二、定时过流保护

1、功能与要求

定时过流保护常用来保护线路的全长，并利用延时时间的不同，滿足纵向选择性的要求。

在图2－2中，如果在d处发生短路，则1～3断路器上所设的过流保护装置都有可能起动，当然至少“3”应该起动，根据选择性的要求，希望3号开关跳闸，因此，各处保护装置的动作时间（也就是延时时间），必须从负荷侧向电源S的方向逐级增加一个时间级差Δt，才能满足这一要求。

延时级差一般为0.25～0.5s，电磁式继电器取上限，电子或数字式继电器取下限。

图2－2定时过流的时限配合与选择性

接通开关的跳闸回路需要两个条件：

线路中的电流达到或超过保护装置的整定电流；故障电流的存在时间达到保护装置的整定时间。

所以当d处发生短路时，虽然1～3号开关上的保护都起动了，但经过0.25s延时，3号开关跳闸断电，短路电流消失，故1、2号开关上的保护装置就自行返回，即使各自的延时时间达到，也不会接通跳闸回路，因而不会误跳闸。

当达到0.25s时3号开关因故拒动，此时线路中的短路电流继续存在，而2号开关上的保护装置已处于起动状态，等达到0.5s时，2号开关跳闸，起后备保护作用。

由于是为下一级线路的保护作后备，故称为远后备保护，如果是为本级线路其它类型的保护作后备，则称为近后备保护。

2、整定计算

1）整定原则

①整定电流Idz应躲过正常最大工作电流Ig.max，其中包括考虑电动机起动和自起动等因素造成的影响，这时保护装置不应动作，即满足

Idz＞Ig.max

这个参数在有的书上叫做尖峰电流Ijf，但二者的含义是有区别的。

尖峰电流Ijf由这样一个公式来计算

Ijf＝Iqm＋（Igm－Iem）（2－2）

式中Iqm──全组设备中最大电动机的起动电流；

Igm──长时最大工作电流，可是用计算电流Ijs来等效；

Iem──最大电动机的额定电流。

线路中产生尖峰电流的条件是：

该组用电设备最大容量的电动机正在起动，而其它用电设备正在满负荷运行。

所以公式中是二者相加，该电流一般能维持几秒到十几秒钟，定时过流保护的延时一般在3秒钟以内，所以该电流会引起保护装置误动，必须躲过。

整定原则中提到的正常最大工作电流Ig.max，是另一种情况下的尖峰电流。

它是在短路故障切除后，系统母线电压恢复，部分电动机自行起动所形成的多机同时起动式尖峰电流，一般会大于公式（2－2）所定义的尖峰电流。

该电流工程上是采用一个综合的、经验数值为1.5～3的自起动系数Kzq、乘以该线路的计算电流Ijs来确定的。

所以有

Ig.max＝KzqIjs（2－3）

式中　Ijs——线路计算电流；

Kzq——电动机自起动系数，由试验或实际运行经验确定，可取为1.5～3。

另外，正常最大工作电流Ig.max也要与负荷计算中的长时最大工作电流Igm相区别。

Igm是由负荷曲线得出的半小时平均最大负荷，它实际上是用计算电流Ijs来等效的。

②继电器返回电流If也要躲过正常最大工作电流Ig.max，即

If＞Ig.max（2－4）

这一要求主要是考虑定时过流保护一般还要作为下一级过流保护的远后备保护。

在图2－3中，当第二级保护范围内发生短路时，第一级保护也会起动，只是因时限比下一级长而不会先行跳闸，当开关2跳闸故障切除、母线2的电压恢复时，同联于该母线的其它支路上的部分电动机将自行起动，结果在第一级线路中产生尖峰电流，即正常最大工作电流Ig.max，该电流能维持几秒钟以上。

此时如果继电器的返回电流小于该尖峰电流，就会引起开关1的误跳闸，使保护失去纵向选择性。

图2－3电动机群自起动产生最大正常工作电流

2）整定公式

我们假设保护装置接线系数为1，电流互感器的变比也为1，由于继电器的返回电流小于其动作电流，而继电器调整好以后，动作电流IdJ就等于整定电流Idz，所以只要返回电流能躲过最大正常工作电流，则整定电流也没有问题，即有

If＝KfIdz＞Ig.max

上式右边再乘以1.15～1.25的继电保护可靠性系数KK后就可以划等号了，即

If＝KfIdz＝KKIg.max（2－5）

据公式（2－3）、（2－5）可以得出保护装置的整定电流计算式为

（2－6）

需要注意，该整定值在电力系统中叫做一次整定电流，再考虑保护装置的接线系数和电流互感器的变比，可以计算出保护继电器的整定电流Idz.J，一般称为二次整定电流。

在实际的生产矿井中，公式（2－6）中的整定电流，一般用长时最大工作电流Igm来代替计算电流Ijs。

3、灵敏度校验

（2－7）

式中　

——被保护线段末端最小两相短路电流；

Idz——保护装置的整定电流。

KL——保护装置的灵敏度，对于主保护，要求KL≥1.5；作为后备保护时，要求KL＞1.2。

4、时限配合－阶梯原则

阶梯原则的原理是利用延时时限的不同拉开各级开关的跳闸时间，保证保护系统的纵向选择性。

具体作法是：

从负荷侧指向电源侧，每增加一级线路，就增加一个0.25～0.5s的时间级差。

定时过流保护的缺点是：

越靠近电源的开关，其延时时间越长，而此处发生短路时的短路电流却越大，不能满足快速性的要求，因而在煤矿井下高压干线式供电系统中不适合作主保护。

三、电流速断保护

电流速断分无时限和有时限两种，无时限的叫瞬时速断，没有延时环节，动作时间仅为保护装置和开关本身的固有动作时间，新型开关常在0.1s以内；有时限的叫限时速断，一般各级都设0.25～0.5s的延时。

1、瞬时速断保护

1）特点与整定公式

瞬时速断的特点是用提高整定电流的方法来达到系统的纵向选择性，避免发生越级跳闸。

在图2－4中，两级线路都设有瞬时速断保护，曲线1、2表示在最大和最小运行方式下，三相短路电流、两相短路电流与线路长度L，也就是短路点位置的关系，靠近电源的第一级1QF按躲过被保护线路末端的最大三相短路电流

来整定，即

（2－8）

式中

——被保护线路L1末端的最大三相短路电流；

KK——保护可靠系数，一般取1.2～1.3。

同样方法，第二级2QF的整定电流为

（2－9）

这种整定方法，可以满足保护系统的纵向选择性。

在图2－4中，当在第二级线路开关出口处发生最大三相短路故障时，其短路电流虽然就等于

，但也比Idz.1小，所以不会发生越级跳闸。

图2－4瞬时速断的整定与选择性

2）瞬时速断的保护范围

瞬时速断按保护全长来校验灵敏度是不现实的，理论上这种保护的灵敏度就小于1，架空线路也不例外，所以只能用保护范围的长短来评价它的动作可靠性。

在图2－4中，第一级的整定电流Idz.1是一个固定值，如直线3所示，它与曲线1、2分别相交于M和N两点，显然，这两点以右的线路，其短路电流小于整定电流值，这就是瞬时速断的保护死区。

图中LM是它的最大保护范围，LN是它的最小保护范围，一般要求LN不小于本线路全长的15～20％。

最小保护范围LN的计算公式如下。

km（2－10）

式中　Up——保护安装处的平均线电压，6.3～10.5kV；

Xs.max——最小运行方式下归算到保护安装处的系统电抗，Ω；

x0——线路每公里电抗，Ω／km；

LN——保护区最小长度，km。

2、限时速断保护

1）定义与特点

带有短延时（0.25～0.5s）的速断保护就叫做限时速断。

特点：

带有短延时，可保护线路全长，既能满足选择性的要求，又有一定的快速性。

2）限时速断与瞬时速断保护的配合分析

在图2－5中，前、后两级线路都设置了瞬时速断和限时速断两段式保护，。

图中的曲线表示流过各保护装置的最大三相短路电流与线路长度L的关系，显然，越靠近线路末端，短路电流就越小。

图2－5限时速断与瞬时速断保护的配合

图中前、后两级瞬时速断的整定电流分别为Idz.1Ⅰ和Idz.2Ⅰ，由于它们分别按躲过各自的保护范围末端的最大三相短路电流整定，所以，保护动作的选择性没有问题。

增设了限时速断以后，为了保护线路的全长，前一级的限时速断保护范围必须延深到后一级的首端部分，所以整定电流值应比本级瞬时速断有所降低，但它的整定电流决不能低于后一级瞬时速断的整定电流值Idz.2Ⅰ。

假如前一级限时速断的整定电流Idz.1Ⅱ＜Idz.2Ⅰ，则它与曲线的交点Q将落在N点以右，也就是在后一级瞬时速断的保护死区内。

这样，如果在N点以右发生短路，那后一级的瞬时速断不动作，而前、后两级的限时速断将延时0.25s后同时跳闸，使保护装置失去选择性。

所以，前一级限时速断的整定电流Idz.1Ⅱ，必须大于后一级瞬时速断的整定电流Idz.2Ⅰ。

3）整定公式

Idz.1Ⅱ＝KKIdz.2Ⅰ＝1.1～1.2Idz.2Ⅰ（2－11）

经过这样的整定配合后，前一级的限时速断与后一级的瞬时速断，在保护范围上仍可能有一定的重迭区，如GQ段。

当在GQ段发生短路时，三相短路电流大于Idz.1Ⅱ和Idz.2Ⅰ，所以此时这两种保护都会起动，但因为前一级的限时速断是延时动作，而下一级是无延时的瞬时速断，所以还是下一级的瞬时速断先行动作，不会发生越级跳闸。

同理，下一级的限时速断2Ⅱ也要与再下一级的瞬时速断3Ⅰ进行整定配合，而各级限时速断之间并不需要时限上的配合，都是延时0.25～0.5s，因为它们之间的选择性也是靠动作电流来保证的，各级限时速断的动作电流都比下一级的瞬时速断大10～20％，确保既能保护线路全长，又不会发生越级跳闸。

4）灵敏度校验

（2－12）

限时速断作为主保护，一般要求灵敏度不小于1.5，最低灵敏度要求为1.25，但作为下一级限时速断的远后备保护时，可降为1.15。

四、三段式过流保护的设置与配合

1、组成与特点

由第Ⅰ段瞬时速断、第Ⅱ段限时速断、第Ⅲ段定时过流所组成的组合式过流保护叫三段式过流保护。

三段式过流保护的设置，进一步提高了过流保护系统的全面性和可靠性。

特点：

有纵向选择性，保护范围没有死区，对各种情况下的短路故障都有较高的灵敏度，对于线路首端和中前部的短路有较好的快速性，保护系统设置与整定较复杂。

2、两级三段式过流保护之间的配合分析

在图2－6中，两级线路上都设有三段式过流保护。

图2－6两级三段式过流保护的配合

1）线路L1所设各段保护

（1）第Ⅰ段：

瞬时速断“1Ⅰ”保护（第1级线路上所设的第Ⅰ段保护）

保护范围为线路L1的前部（15～20％L1）；整定电流按躲过线路末端最大三相短路电流确定；动作时间为继电器和开关的固有动作时间：

≈0.1s。

该级瞬时速断不必与下一级的任何一段（种）保护配合，满足选择性要求。

（2）第Ⅱ段：

限时速断“1Ⅱ”保护（第1级线路上所设的第Ⅱ段保护）

作为主保护，保护范围包括线路L1的全长与线路L2的前部；整定电流应大于下一级瞬时速断的整定电流；各级限时速断之间不需时限配合，可都整定为0.25～0.5s；保护灵敏度用线路末端最小两相短路电流校验。

（3）第Ⅲ段：

定时过流“1Ⅲ”保护（第1级线路上所设的第Ⅲ段保护）

作为后备保护，保护范围包括线路L1的全长（近后备），并可作线路L2的远后备保护；整定电流按返回电流应躲过线路正常最大工作电流确定；靠阶梯时限来保证各级之间的纵向选择性；保护灵敏度按用线路末端最小两相短路电流校验。

2）线路L2所设各段保护

第2级线路L2上所设的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各段保护，其保护范围、整定配合、时限设定、灵敏度校验等，与第1级线路类似，一般是与下一级配合较多，故针对具体的纵向多级干线式供电系统，当上级供电部门电源与线路过流保护的设置整定计算已完成、本供电系统过流保护方案已初步确定后，具体的整定计算应从供电末端开始。

三段式过流保护是目前35kV及以下高压电网相间短路保护的主要方式。

针对不同的情况，也可以灵活设置与整定。

例如，对于线路-变压器组的供电系统，可只用Ⅰ、Ⅲ构成两段式保护，并让瞬时速断作主保护；又如，对于井下干线式高压电缆线路，设置瞬时速断其保护范围基本为零，此时可以只设置Ⅱ、Ⅲ两段式保护，并让限时速断作主保护。

五、过流保护设置、整定计算实例

［例］某6kV干线式供电系统如图2－7所示。

有关已知参数如下。

（1）系统阻抗：

最大运行方式下：

Xs.min＝0.423Ω

最小运行方式下：

Xs.max＝0.583Ω

（2）各级线路参数

L1：

LGJ－240，2.6km；L2：

MYJV－150，1.0km；L3：

MYJV－120，1.5km。

（3）各级线路正常最大工作电流（不是长时最大工作电流Igm）

Ig1.max＝900A；Ig2.max＝800A；Ig3.max＝650A。

图2－7三级干线式供电系统过流保护整定

（4）上级35kV变电所主变压器容量为10000kVA，电压比为35／6.3kV，主变压器高压侧设置有差动保护和定时过流保护，定时过流保护的整定电流为1800A（折算到6.3kV侧），整定时限为1.5s。

变电所为该矿供电的出线开关之一是1QF。

在各级线路出线开关1QF、2QF、3QF内均可设置微机数字型三段式过流保护，试对该系统的过流保护作设置与整定计算。

［解］1、系统短路计算

1）各级线路阻抗计算

由电工手册查得各级线路每公里电阻、电抗为：

X01＝0.32Ω／km，X02＝0.06Ω／km，X03＝0.06Ω／km；

R01＝0.13Ω／km，R02＝0.137Ω／km，R03＝0.172Ω／km。

各级线路阻抗

XL1＝X01L1＝0.32×2.6＝0.832Ω，RL1＝R01L1＝0.13×2.6＝0.338Ω；

XL2＝X02L2＝0.06×1.0＝0.06Ω，RL2＝R02L2＝0.137×1.0＝0.137Ω；

XL3＝X03L3＝006×1.5＝0.09Ω，RL3＝R03L3＝0.172×1.5＝0.258Ω；

2）各点短路电流计算（

，

）

（1）d1点

kA，

kA

（2）d2点

kA

kA

（3）d3点

kA

kA

（4）d4点

kA

kA

2、总体设置分析

在图2－7中，对于线路L1，因是架空线路且有2.6km长，所以在1QF上可设置三段式过流保护，但限时速断若按前面讲的常规方法整定，则灵敏度在理论上就可能不合格。

对于线路L2，因是电缆且只有1km长，若在2QF上设置瞬时速断并按正规方法整定，其保护范围必为零。

因为它按躲过线路L2末端最大三相短路电流来整定，该电流前面已算出为2.60kA，即使是乘以较小的1.15的可靠性系数也等于2.97kA，该值大于线路L2首端的最大三相短路电流2.8kA，使得保护范围为零。

这就是电缆线路若设置瞬时速断，其保护范围在大部分情况下为零的理论原因。

所以只能设置限时速断加定时过流两段式保护，由于无法设置瞬时速断，造成1QF中限时速断不能按常规方法整定。

此外，1QF上的定时过流可作为2QF上两段式保护的远后备保护。

对于线路L3，因是电缆线路而且是高压终端负荷，故可以不设限时速断，而设置瞬时速断加定时过流两段式保护；但瞬时速断应作主保护并保护全长，所以不能按常规方法整定。

定时过流为近后备保护和可能的低压电网的远后备保护。

同样，2QF上的定时过流，除作为本级的近后备保护外，还应该满足3QF上两段式保护远后备保护的要求。

3、3QF上过流保护整定分析计算

前已分析，在3QF上可设置瞬时速断加定时过流两段式保护。

1）定时过流（3Ⅲ）

（1）整定电流

按躲过线路L3上正常最大工作电流，并考虑返回系数整定。

kA

（一次，考虑接线系数和电流互感器变比可算出二次，即继电器整定电流。

）

（2）灵敏度

合格

（3）整定时限

考虑要比瞬时速断多一个时限级差，故定为：

t3Ⅲ=0.25s

2）瞬时速断（3Ⅰ）

作为主保护，保护全长，只要线路L3末端发生最小两相短路时它能可靠动作就行了，所以可先设定一个大于等于1.5的灵敏度，再用灵敏度校验公式反算出整定值，这种方法，可称之为“逆向整定”，但要注意一点，该整定值必须大于同级定时过流的整定值。

初定灵敏度为1.65，据灵敏度校验公式可得整定电流为：

kA，

1.1kA大于0.82kA合格，灵敏度为1.65合格。

4、2QF上过流保护整定分析计算

在2QF上若设瞬时速断，同样因线路L2两端短路电流差别过小而使保护范围为零，所以考虑设置限时速断加定时过流两段式保护。

限时速断为主保护，延时整定时间定为0.25s，定时过流因要与下一级3QF上的定时过流配合，延时整定时间应多一个级差，即确定为0.5s。

1）定时过流（2Ⅲ）

（1）整定电流

按躲过线路L2上正常最大工作电流，并考虑返回系数整定。

kA

（2）灵敏度

合格

（3）远后备保护灵敏度

合格

（4）整定时限t2Ⅲ=t3Ⅲ+△t=0.25+0.25=0.5s

2）限时速断（2Ⅱ）

（1）整定电流

该级限时速断的整定电流，按正规方法必须躲过下一级瞬时速断的整定电流，即使可靠性系数取最低值1.1，也有

kA

该值比d3点的最大三相短路电流2.60kA还大，所以保护全长是不可能的。

由于下一级的瞬时速断已采用逆向整定法确定为1.1kA，所以可以根据同样的原则，按躲过1.1kA来整定本级的限时速断。

kA

1.32kA比正规整定的2.78kA有大幅度的降低，但仍大于本级定时过流的整定值1kA。

（2）灵敏度

合格

当然，该级限时速断的整定电流也可以用逆向整定法来确定。

（3）整定时限t2Ⅱ=0.25s

需要注意，虽然该级限时速断的整定值降低了，但仍可以保证前、后级保护之间的选择性配合。

我们再看图2－7，当在线路L3上发生短路时，其最小两相短路电流为1.82kA，此值既大于3QF上瞬时速断的整定值1.1kA，也大于2QF上限时速断的整定值1.32kA，所以两级速断保护都会起动，但3QF上的瞬时速断因无延时而先动作跳闸，此后2QF上的限时速断则自动返回，不会发生越级跳闸

5、1QF上过流保护整定分析计算

按前面的系统分析设置常规的三段式过流保护。

1）定时过流（1Ⅲ）

（1）整定电流

kA

小于上一级35kV主变压器定时过流的整定值1800A，合格。

（2）灵敏度

合格

（3）远后备保护灵敏度

合格

（4）整定时限t1Ⅲ=t2Ⅲ+△t=0.5+0.25=0.75s小于1.5s合格

2）限时速断（1Ⅱ）

（1）整定电流

同理，若按正规方法整定，灵敏度肯定不合格，所以也按逆向整定法来处理。

kA

1.45kA大于1.14kA合格，灵敏度为1.5合格。

（2）整定时限

为了保证各级主保护之间的选择性，它应比下一级主保护多一个时限级差。

t1Ⅱ=t2Ⅱ+△t=0.25+0.25=0.5s小于0.75s合格。

这样的设置在理论上已经超出了前面讲的限时速断的正规含义，成为变相的定时过流了，但确实能解决实际问题。

当干线级数