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电气保护单元和系统

这是一篇关于电气系统和网络的不同类型保护的长篇描述性文章。在本文中，您将能够涵盖不同的电气保护方法、系统和设备、分级和保护、架空线路保护、电力系统保护、电缆馈线保护、变压器保护、电机保护、发电机保护、电容器组保护、母线酒吧保护，电压和频率保护等等。将此帖子加入书签以备日后阅读。

电气保护系统简介

HV、MV 和 LV ^[1] 电气装置和设备受到内部和外部故障 可能导致严重损害 在人 和其他设备 .

为了避免和最小化 这些故障的后果 保护装置 关联到设备 能够断开电流 是必需的。

为了更好地了解保护装置，在涵盖设备和装置保护系统的每个部分中，这些设备和装置最常见的故障。

参考所有机械和电气参数单位也很重要 和它们的倍数和约数 涉及保护系统 符合SI （国际单位制 ); 小时时例外 (h) 可以代替使用 秒 (s ) 和 为温度选择的单位 是 °C （摄氏度 ) 改为 K （开尔文 ) – [K] =[°C] + 273.15 .

保护装置和技术

保护装置

为了最小化故障时间 开关设备和设备 配备保护装置 检测它们并隔离安装的故障部分。

首先要求及早发现并定位故障 ，其次，立即从服务中删除 故障设备，以便：

• 保护整个系统以确保供应的连续性。
• 尽量减少损坏和维修成本。
• 为确保人员安全。

过去熔断 通常用作过流和过载保护，并且在北美和某些国家/地区仍然非常流行 它们仍然用于低压装置和中压电缆和变压器 额定功率高达 630-1250 kVA .

然而，网络的复杂性 以及更可靠的要求 输配电 呼吁使用更准确的保护装置 .

保护继电器 现在使用，更可靠和准确 并且具有检测除过载和过电流以外的其他类型故障的能力 可能发生在网络和设备中 ，这将在后面的章节中讨论，届时将对设备的保护进行分析。

它们被设置为在检测到故障条件时运行并启动跳闸。

每个电力系统保护方案由以下几部分组成：

• 故障检测或测量继电器
• 跳闸和其他辅助继电器
• 断路器
• 仪表变压器 - 电流（CT ) 和电压 (VT )

第一个模型 保护继电器 是机电继电器 在一些国家和未进行翻新工程的旧电线装置中仍在使用 .

他们是被吸引的骨架类型 , 其中互感器次级输出 通过一个线圈 ，从而吸引衔铁抵抗弹簧张力 . 电枢的运动导致继电器跳闸触点闭合 .

图 1 显示了此类继电器的示例。

图1——机电保护继电器

当今电子（固态）和基于微处理器的保护继电器 常用于电力设施。

电子继电器 只有一种保护功能 不同的继电器应用于不同的功能 .

基于微处理器的继电器 有许多可用的功能 例如保护、控制和监控。

智能电子设备 (IED)

基于微处理器的继电器 被称为智能电子设备 （简易爆炸装置 )，可以提供5-12 保护功能 , 5-8 控制独立设备的控制功能、自动重合闸功能、自监控功能和通信功能， 主要是他们的特点：

• 单个继电器中的许多功能
• 可根据馈线配置的更改轻松更改群组设置
• 可编程输出继电器
• 用于连接到 SCADA 的通信端口 – 监督控制和数据采集 （系统、调制解调器和个人计算机）
• 为许多近期故障存储的事件序列
• 示波器或波形捕获 - 存储故障前后的电流和电压波形数据，用于故障分析
• 测量
• 联锁
• 帮助断路器维护。可以记录每相的故障中断负荷
• 故障定位器 - 显示故障距离

在图2中可以看到一个IED的例子 .

图 2 – IED

IED的功能和复杂性 必须根据要保护的设备、网络特性和所需的补充动作来定义。

实际 IED 旨在满足 IEC 的要求 ^[2] 标准 61850 ，其中通信协议 用来。该标准是专门为变电站自动化开发的 并提供互操作性和高级通信功能。

保护、控制和监测点数量的增长导致变电站数据量显着增加。

这些数据通常是原始的并以数字形式存储。在任何用户能够利用它之前，必须对其进行处理和分析。

在传统保护系统中，来自继电器的数据和控制信号通过RTU发送 (远程终端单元 ) 到 SCADA 系统。

大量且昂贵的电缆 可能需要在变电站和控制室的各个间隔之间。

在现代保护系统中使用IED 不再需要中继传感器和仪表之间的互连布线。

来自IED的数据和控制信号 中继被直接发送到SCADA 系统通过高速专用通信网络。 IED 时数据量急剧增加 用作控制元素和数据源。

为了在系统的各个组件之间提供必要的连接，数据网络LONWORKS 本地运营网络 (伦敦 ) 被使用。

IEC 标准 61850 定义通信所需的协议 ，可以在 TCP/IP 上运行 网络或变电站 局域网 使用高速交换以太网 以获得低于 4 毫秒的继电保护所需的响应时间。

保护继电器和代码

在中压和高压变电站、设备、开关设备和发电厂 更常见的保护继电器 如下所示，括号内显示其代码符合 IEEE/ANSI ^[3] /IEC 标准 ：

• 轴承保护（38 )
• 断路器失灵保护（50 BF )
• 母线差动保护（87B )
• 定向接地过电流（67N/67G )
• 方向相过电流（67 )
• 瞬时接地过电流（50N/50G )
• 瞬时相过电流（50 )
• 失磁/励磁保护 (40 )
• 失相（48 )
• 过励磁保护（24 )
• 过频和欠频（81 )
• 架空线路差动保护（87L )
• 架空线距离保护（21 )
• 过载保护 (49 )
• 超速保护（12 )
• 过电压 (59 )
• 限制性接地故障（64G/64REF )
• 逆功率保护（32 )
• 延时接地过电流（51N/51G )
• 延时相位过电流（51 )
• 变压器差动保护（87P )
• 欠压 (27 )
• 弱端馈电（21WI )
• 错相序保护（47 )

主要在高压架空线、高压电力变压器和中压电力变压器 额定功率高于 3-4 MVA ，为了提高系统的可靠性和安全性，通常使用两套保护——一套“主保护 ” 和一个“后备保护 ” .

保险丝保护

一个熔断器 是一种充当“牺牲设备”的低阻电阻 提供过流保护 仍然在一些 LV 和 MV 安装中使用 .

它的基本组成部分是一个金属线或金属条 当电流过多时熔化 ，从而中断电路，从而防止因过热或火灾造成的进一步损坏。

金属条或金属丝 与电路导体相比，横截面较小 并且被不可燃外壳包围 （外壳） .

熔断元素 由锌、铜、银、铝或合金制成 提供稳定和可预测的特性。

大小写 可以是陶瓷、玻​​璃、塑料、玻璃纤维、模制云母层压板或模制压缩纤维 r 取决于制造商、应用和电压等级。

保险丝安装在保险丝座上 ，专为每种类型或系列的熔断器和额定电压设计，例如 HRC 熔断器 .

保险丝和支架的例子如图3和图4所示。

图 3 – LV NH 型保险丝和座

图 4 – MV 熔断器和支架

熔断器的主要电气特性有：

• 额定电压
• 额定电流（In )：保险丝可以在不中断电路的情况下连续导通的最大电流。
• 分断能力（I1 )：保险丝可以中断的最大预期电流。它是最大熔断器测试值。这个电流很高，一般在20 kA到63 kA之间 .
• 最小分断电流（如果 ):可以熔断和中断保险丝的最小电流
• 常规非熔断电流（Inf ):规定为熔断体在规定时间（约定时间）内不熔化而能够承载的电流值，表示为 In 的倍数 （例如 Inf =1.25xIn )
• 名义熔化 (I ² t ):测量熔化熔断元件所需的能量（基于焦耳定律 ) 并且对于每个不同的熔断元件来说是一个常数。
• 时间-电流曲线：显示熔断器的启动时间（速度）与电流的关系（通常由制造商表示，根据标准）

图 5 显示了时间-电流曲线的示例。

图5 - 熔断器时间-电流曲线

环境温度会改变保险丝的工作参数，因此需要温度降额。

例如，额定为 1 A 的保险丝 25 ºC 最多可进行 10% 或 20% -40 ºC 时电流更大 并且可能以 80% 开盘 100 ºC时的额定值 .

每个保险丝系列的工作值会有所不同，并在制造商数据表中提供。

熔断器的主要选择因素有：

• 正常工作电流
• 额定电压（交流或直流）
• 环境温度
• 保险丝必须断开的过载电流和时间长度
• 最大可用故障电流
• 脉冲、浪涌电流、浪涌电流、启动电流和电路瞬态
• 物理尺寸限制，例如长度、直径或高度
• 保险丝特性（安装类型/外形尺寸、易于拆卸、轴向引线、视觉指示等）
• 保险丝座功能（如果适用和相关的重新评估）
• 应用
• 国家布线法规和标准

法国标准 NF EN 60269 根据时间曲线、功能和应用对熔断器进行分类。这种分类在许多国家广泛使用，是：

• gL/gG
• 函数
• 保护电缆和电气设备。确保区分两个保险丝或两个额定电流（例如 160 A 和 100 A）的裕度
• 应用程序
• 在工业和住宅的各级配电中提供过载和短路保护。主配电板、馈线配电板、主柜。
• aM
• 函数
• 电机的直接保护，必须与外部保护装置（热继电器）配合使用。 gG 轻松辨别 保险丝位于上游。在两个额定电流（例如 160 A 和 100 A）有余量的情况下，确保区分两个保险丝
• 应用程序
• 保护低压电机。
• gR
• 函数
• 用于半导体的超快速保护熔断器，非常限流，低l ² xt
• 应用程序
• 软启动器、静态继电器、不间断电源 (UPS)、变速驱动器、频率的功率半导体保护

当安装受熔断器保护时，熔断器上游的隔离开关 出于安全原因必须使用 , 以保证 安装的隔离 在更换保险丝或进行一些维护工作之前 .

只有fuses才有保护 使用时，只会检测相过电流 ，并且有必要预见其他故障的保护继电器 .对于漏电流或接地故障电流，则使用GFCI（Ground Fault Circuit Interrupter）。

在这种情况下开关必须配备分闸线圈 ，这也将被启动 通过设备的内部保护 .

另一个预防措施是熔断 必须配备机械装置 （前锋别针 ) 这将导致开关打开 , 如果只有一个保险丝会起作用 , 以确保出现故障的安装完全断开 .

保险丝 还应提供彩色圆盘 当元素被熔断或元素窗口时脱落，内置在熔断器主体中以提供熔断元素的视觉指示 .

分级与保护协调

分级和保护简介

定义继电保护设定点时 或保险丝和低压断路器的额定电流 （例如 ACB（空气断路器））必须确保所选值适合保护设备 以及 跳闸的断路器或将熔断的保险丝 仅与故障电路相关，与其他保护装置无关 , 什么会导致网络中的严重干扰 以及服务的质量和连续性 .

为了实现这一目标，进行了分级和保护协调研究 是必需的。

基本原则

保护继电器协调研究 进行，以确定保护继电器设置 .

故障级别 必须确定 对于所有可能的系统操作条件 , 这用于确定继电保护能力 检测并清除系统故障 .

保护方案 是设置 以尽可能隔离最少的电气系统 ，从而最大限度地减少故障造成的中断 .

继电保护清除次数 确定满足初级工厂短时额定值、系统稳定性要求和法定权威要求 .我们注意确定正确的保护继电器操作裕度，电流和时间 ，从而有效杜绝不良品位。

当在双回路高压馈线上设置距离继电器 电路间的零序互耦 已考虑，以尽量减少超额或未达额发生的可能性 .

继电器工作特性 并且它们的设置必须仔细协调 为了实现选择性 .

目的基本上是只关闭有故障的组件 并让电力系统的其余部分继续运行 为了尽量减少供应中断并确保稳定性 .

选择性 , 或 歧视 , 在保护装置之间 可以定义为“ 保护装置的协调，以便上游保护装置、紧邻故障上游的保护装置以及仅由该保护装置消除网络中任何点发生的故障 ” .

让我们看看这个定义的例子，看看单线图 图 6，其中有 保护系统 SP1 到 SP6 ：

图6——电气安装单线图

选择性 表示如果在A点发生故障 ，唯一的应该启动的保护系统 是 SP5 并且其他保护系统不得启动。

两个原则用于建立选择性：

• 当前的歧视 .
• 时间歧视 .

低压、中压和高压网络中的分级和保护协调

建立分级和保护协调研究 必须考虑到网络的配置和复杂性 .

LV 分布和用户网络 通常具有径向配置 .

MV 分销网络 通常具有径向和双端进给与无点配置的组合 和一个重要的复杂性 .

用户 MV 网络 通常有一个径向 配置 ，尽管在主要工厂中，双端进料没有点 配置 被使用了。

由于网络分级和保护协调研究的复杂性 用于高压输电网络和中压配电网络 , 专业工程师 需要并使用用于网络分析的特定软件工具 像 ETAP、PSS/E、EPSO 和 PTW .

分级和保护协调研究 MV 用户的网络 通常更容易，并且可以遵循本节稍后将讨论的基本说明。

必须特别注意配电公司网络的边界 （喂食 ) 和用户网络 必须在两个实体之间建立保护协调协议 .

对于 LV 网络 , 使用断路器和/或保险丝 选择性 “断路器/断路器 ”, “熔断器/熔断器 ”和“断路器/保险丝 ”可以通过比较“时间-电流曲线来完成 ”对于故障电流的某个值 ，使用“c”的原则 当前的歧视 ”和“时间歧视 ”，如上所述。

当前歧视 用于防止过载 并且保护是选择性 如果设置阈值之间的比率 更高 比 1.6 .

时间歧视 用于短路保护 ，使用上游断路器或保险丝 有时间延迟 因此下游设备的跳闸速度更快;保护是选择性 如果短路保护阈值之间的比率 不少于 大于 1.5 .

电缆馈线保护

您可以在电缆馈线保护 - 故障类型、原因和差动保护的标题下详细阅读更新后的帖子。

变压器故障与保护

由于这是一个非常重要且具有描述性的主题，应该非常详细地讨论，因此，我们在 Power Transformer Protection &Faults. 更新并合并了该帖子。

架空线路故障与保护

为了更好的用户导航，我们在此处以“架空线路故障和保护”的名称移动和更新了这篇文章

电机投影

我们已将博客文章移至新链接，以便更好地导航和理解。可以看这里@电机保护、常见的电机故障类型以及用于高压和低压电机保护的装置 在那个帖子里。

生成器投影

我们已经讨论了发电机保护、发电机故障的常见类型和用于发电机保护的装置 在上一篇文章中。

其他保护

电压和频率保护

负载波动以及开关和发电厂故障 可能会导致电压和频率的变化 可以超过设备和网络运行的可接受限制的网络 .

这种情况会导致设备损坏和网络部分或全部停电。

为了避免或尽量减少这种情况欠压和过压 （代码分别为 27 和 59 ) 和频率 （代码分别为 81U 和 81O ) 保护 应该使用。

母线保护

在高压变电站 安装母线保护继电器很常​​见 ，是最常用的差动保护 (87B )。

这个中继 连接到所有CT 变电站评估输入和输出电流的总和 ，如图 25 所示。

图25 - 母线差动保护示意图

这种保护的工作原理是基于基尔霍夫定律 – 现行法律 .

总线保护CT 必须位于断路器的馈线侧 .如果母线保护CT 位于断路器的总线侧 ，则存在保护盲点 .

通过使用高阻抗 差动保护继电器 系统可以设计成更能容忍饱和 CT .

一个非线性电阻 通过中继终端连接 限制差动继​​电器两端的电压 到一个安全值 在故障情况期间 .

高阻抗继电器 被广泛使用 在高压母线的现代差动保护 .

优势 在母线差动保护中使用高阻抗继电器 重要的是它们可以被设计成保持稳定 （不运行 ) 对于外部故障 , 当任何一个 CT 已饱和 .

对于外部故障 ，最坏的情况 一个 CT 完全饱和，另一个 CT 未饱和 . 产生的差动电流 将导致差动继电器两端出现最大电压 . 中继设置 （以伏特 ) 被选中，足够的边距 , 以确保差动保护不会在这种外部故障条件下运行 .

CT 二次绕组和布线的电阻 必须知道 , 和 被使用 在继电器设置计算 .

对于内部故障 差动继电器的高阻抗会强制产生大部分差动电流 通过CT 激励阻抗 . 继电器两端产生的电压 本质上是 CT 的开路电压 ，并且将远高于继电器的电压设置 .一个非线性电阻 或压敏电阻 通过中继终端连接 在故障情况下将电压限制在安全值。

当检测到总线故障时 , 该总线上的所有断路器都跳闸 . 总线故障 几乎总是永久的 , 而不是瞬态故障 .

因此必须在总线故障后不能自动重合闸 . 巴士保护 将经常取消自动重合 任何可能由其他保护启动的断路器 .

许多变电站使用母线布置 如双母线 ，如图 26 所示，其中馈线可以通过隔离开关从一条母线切换到另一条母线 .

图 26 – 双母线排列

这使总线保护复杂化 有点，因为 CT 次级电路必须切换 ，通过隔离辅助开关 , 对应相应的总线。

通常公交车的每个部分都有一个保护区 .这些被称为区分区域 .

还有另一个差动保护区 整个变电站 ，即所谓的检查区 .

为了发生公交车跳闸 有了这个安排 对于双方来说都是必要的 区分区域继电器和检查区域继电器操作 .

Breaker Failure Protection

In HV substations is common the use of breaker failure protection (50BF ), if a breaker fails to be triggered by a tripping order , as detected by the non-extinction of the fault current , this back-up protection sends a tripping command to the upstream or adjacent breakers .

The breaker failure protection function is activated by a 0/1 binary signal received from the overcurrent protection functions (50/51, 50N/51N, 46, 67N, 67 ）。 It checks for the disappearance of current during the time interval specified by the time delay T .

It may also be taken into account the position of the circuit breaker , read on the logic inputs to determine the actual opening of the breaker . Wiring a volt-free closed circuit breaker position contact on the breaker closed equation editor input can ensure that the protection is effective in the following situations:

• When 50BF is activated by protection function 50N/51N (set point Is0 <0.2 In ), detection of the 50BF current set point can possibly be not operational .
• When trip circuit supervision (TCS ) is used, the closed circuit breaker contact is short-circuited .

Automatic activation of this protection function requires the use of the program logic circuit breaker control function . A specific input may also be used to activate the protection from the equation editor . That option is useful for adding special cases of activation (e.g. tripping by an external protection unit ).

The time-delayed output of the protection unit should be assigned to a logic output via the control matrix.

The starting and stopping of the time delay T counte r are conditioned by the presence of a current above the set point (I> Is ).

Weak End Infeed

Weak end infeed protection is a complement to the distance protection that is used if the value of fault current in the overhead line is lower than the set-point regulation of the distance protection .

Capacitor Banks Protection

When it comes to Power factor, Each phase of a capacitor bank is formed by groups of capacitors in series association for power factor improvement . The 3 phases are then connected in star , being the neutral point isolated or grounded , according to the operation of the network , as shown in Figure 27.

Figure 27 – Diagram of a capacitor bank

Common capacitor banks faults are:

• Capacitors short-circuit or fault in the connection cables.
• Short-circuit between the units and the metallic structure of racks or switchboards (phase-to-earth fault).
• Overloads caused by network harmonics.
• Dielectric breakdown due to network overvoltages or lightning.

When a group of capacitors fail and the neutral is grounded the bank will be imbalanced and a current will circulate in the neutral .

Each capacitor or group of capacitors is usually protected by fuses , which are already installed by the manufacturer.

Fuses must have an I ² t characteristic that will not cause the fuse to blow with the inrush current resulting from the connection of the capacitor bank .

Common protection devices of capacitor banks are:

• Instantaneous phase overcurrent (50 )
• Instantaneous earth overcurrent (50N/50G )
• Time delay phase overcurrent (51 )
• Time delay earth overcurrent (51N/51G )
• Over voltage protection (49 )

^[1] HV :High Voltage (V ≥ 60 kV ); MV :Medium Voltage (1 kV ); LV :Low Voltage (V ≤ 1 kV ).

^[2] IEC :International Electrotecnical Comission.

^[3] IEEE :Institute of Electrical and Electronics Engineers. ANSI :American National Standards Institute.

^[4] Residual capacitive current in the case of phase-to-earth fault (IC ) is calculated by the equation IC =3XcU , where Xc  is the capacitive reactance of the cable and U the phase-to-phase voltage of the network.

^[5] In this article Gas Insulated Transformers (GIT ) are not analasyzed.

^[6] rms :root mean square.

^[7] Prime mover is the component that is used to drive the generato r and may be combustion engines (the case of diesel generator sets), gas turbines, steam turbines, wind turbines and hydraulic turbines.

^[8] The field in an AC generator consists of coils of conductors within the generator that receive a voltage from a source (called excitation ) and produce a magnetic flux .

The magnetic flux in the field cuts the armature to produce a voltage . This voltage is ultimately the output voltage of the generator .

About the Author:Manuel Bolotinha

-Licentiate Degree in Electrical Engineering – Energy and Power Systems (1974 – Instituto Superior Técnico/University of Lisbon)
– Master Degree in Electrical and Computers Engineering (2017 – Faculdade de Ciências e Tecnologia/Nova University of Lisbon)
– Senior Consultant in Substations and Power Systems; Professional Instructor

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