整流机组进线增设反时限过负荷保护优化研究

刘爱华

0 引言

在城市轨道交通交流供电系统中，对整流机组进线设置的保护包括：电流速断保护、过电流保护、零序电流保护、过负荷保护[1]、失灵保护以及整流器本体保护和变压器本体保护。其中，电流速断保护、过电流保护、零序电流保护和过负荷保护均采用定时限方式[2]。

根据整流机组的过负荷特性及励磁涌流特性，并在满足保护灵敏度的前提下，目前上述各保护（由于零序电流保护为单相接地保护，该保护除外）的整定值一般设定为：电流速断保护（9Ie，0.1 s），过电流保护（4Ie，0.3 s），过负荷保护又分为重过负荷保护（3Ie，60 s）跳闸、轻过负荷保护（1.5Ie，7 200 s）报警，其中Ie为变压器额定电流。由此不难发现，对于小于3Ie的电流，只有设备的本体保护可能实现跳闸功能，而轻过负荷保护只能对处于1.5Ie～3Ie范围的电流，在长达7 200 s 之后才能发出报警信号。

本文研究对电流处于1.5Ie～3Ie、延时在60～7 200 s 的报警区域进行优化，增设反时限过负荷保护，以扩大保护跳闸区，使对应于该范围内的电流在达到一定延时后也会出口跳闸，且跳闸时间与电流大小符合反时限特性，形成7 200 - 60 = 7 140 s长时间内跳闸时间随电流减小而逐渐增大直至报警的循序渐变，对保护配置进行优化。

1 反时限特性曲线

图1 为整流机组进线保护跳闸区、报警区示意图（时间纵坐标为对数坐标），其中折线以上的网格区域为跳闸区，斜折线区为报警区。而图中折线以下电流处于1.5Ie～3Ie、延时60～7 200 s 的方格区为原整定值设定下的非跳闸区。该区域为预优化区，研究在此区域内增设反时限过负荷保护。

图1 整流机组进线保护跳闸区、报警区

标准的反时限特性曲线有多种，如IEC 标准系列的3 种特性曲线、IEEE 标准系列的3 种特性曲线及ANSI 标准系列的2 种特性曲线等。但对于实现保护功能的保护装置而言，并不一定包含所有的反时限特性曲线，目前主流保护装置中一般包括了IEC 标准系列的反时限曲线（下文简称“IEC 反时限曲线”）。

IEC 反时限曲线数学模型的基本形式为

式中：t为动作延时时间，s；K为设计常数；TMS为时间常数，s，由用户整定，一般由上下级保护时间的正确配合要求决定；I为保护测量电流，A；Ip为启动电流，A；n为曲线形状常数，通常在0～2 之间取值，取值越大曲线形状越陡。

根据不同的设计常数K和曲线形状常数n，IEC反时限曲线的3 种类型曲线分别为：标准反时限（SI）、非常反时限（VI）和极端反时限（EI）[3]。除此之外，还有专门适用于整流器特性的整流反时限（UK），其数学模型的基本形式同IEC。

4 条反时限特性曲线常数取值如表1 所示。

表1 4 条反时限特性曲线参数

2 反时限过负荷保护整定

新增的反时限过负荷保护应依据整流机组的过负荷特性进行整定。当整流机组厂家无法提供整流机组过负荷曲线时，可依据整流机组过负荷特性的关键阈值作为过负荷保护下限边界值。

为了实现图1 中所示的预优化区范围内的优化，同时又不影响其他电流范围、时间范围内的跳闸区，反时限过负荷保护的反时限曲线在其他区域内应完全处于该区域内的跳闸区，而不应处于既有保护折线以下，即反时限曲线的下限边界值应为（9Ie，0.3 s）、（4Ie，60 s）和（1.5Ie，7 200 s），即

2.1 启动电流值Ip 的整定

为了实现大于1.5 倍Ie的电流按照反时限特性跳闸，启动电流值Ip建议选择小于1.5 倍Ie的设定值，即1.4 倍Ie。

2.2 时间常数TMS 的整定

由以上计算可得到各对应曲线的TMS下限值（表2）。

表2 各曲线TMS s

选取TMS取值范围的下限值，并将数据代入式（1），则新增的反时限曲线的下限曲线分别为

3 新增反时限过负荷保护后的保护跳闸区、报警区

整流机组进线在新增反时限过负荷保护后，对应的保护跳闸区、报警区如图2 所示，坐标系、网格区域及斜折线区意义同图1。

图2 新增反时限过负荷保护后保护跳闸区、报警区

不同于图1 中电流1.5Ie～3Ie、时间60～7 200 s 的预优化区，在图2 中由于反时限曲线的增加，各反时限曲线以上的区域成为跳闸区。斜折线区则为采用不同反时限曲线时的差异区，对应曲线以上的区域为各自的跳闸区。图2 中所示各条反时限曲线为对应的下限曲线，所示的跳闸区为可优化的最大区域。当反时限曲线在下限范围以上移动时，跳闸区将随之减小。

从图2 中不难发现，采用上述4 条曲线均可实现预优化区域内增大跳闸区范围的目的，只是各条曲线的变化趋势不同，新增的跳闸范围不同而已。

建议在保护装置具备UK 整流反时限曲线时，新增反时限过负荷保护采用变化趋势最为缓慢的UK 反时限曲线；否则采用IEC 反时限曲线中变化趋势较缓慢、更保守的IEC SI 标准反时限。

4 举例验证

4.1 预优化区范围内保护跳闸的验证

当系统的负荷电流达到2.9 倍Ie或1.6 倍Ie时，对于不设置反时限过负荷保护的系统，由于大于轻过负荷保护电流定值1.5 倍Ie而小于重过负荷电流定值3 倍Ie，只能启动轻过负荷保护，在达到7 200 s 后报警，而不跳闸。

对于设置了反时限过负荷保护的系统，由于大于反时限过负荷保护的电流设定值1.4 倍Ie则能够启动反时限过负荷保护，经过设定延时后跳闸。延时跳闸时间与定时限过负荷不同，延时时间不仅与所采用的反时限曲线有关，且与具体电流有关。

对于2.9 倍Ie的电流，各标准曲线对应的跳闸时间为

各标准曲线的跳闸时间均大于3倍Ie时的重过负荷保护跳闸时间60 s，即对于不满足重过负荷保护设定值的过负荷电流，仍然可以在大于重过负荷保护的延时时间后实现跳闸保护。

对于1.6 倍Ie的电流，各标准曲线对应的跳闸时间为

除UK 整流反时限曲线外，各标准曲线的跳闸时间均小于1.5 倍Ie时的轻过负荷保护报警时间7 200 s，即对于大于轻过负荷保护设定值的过负荷电流，无需等到7 200 s 后再输出报警信号，而可以提前跳闸。

对于UK 整流反时限曲线，在测量电流时，由于跳闸延时大于7 200 s，故仍保持7 200 s 时报警的功能。 只有当电流达到I=1.4 ×Ie×时，方可实现跳闸功能，跳闸时间= 6 992.51 s。

4.2 其他范围内保护跳闸的验证

当系统的负荷电流达到3.9 倍Ie时，对于不设置反时限过负荷保护的系统而言，由于大于重过负荷保护电流定值3倍Ie而小于过电流保护电流定值4 倍Ie，只能启动重过负荷保护，在达到60 s 后跳闸。而新增反时限过负荷保护后，各标准曲线对应的跳闸时间为

各标准曲线的跳闸时间均大于3倍Ie的重过负荷保护跳闸时间60 s，即对于大于3 倍Ie而小于4倍Ie的电流的跳闸时间，不会按照反时限过负荷保护的设定跳闸，仍然按照大于重过负荷保护的延时时间后实现跳闸功能。

如当系统的负荷电流达到8.9 倍Ie时，对于不设置反时限过负荷保护的系统而言，由于大于过电流保护电流定值4倍Ie而小于电流速断保护电流定值9 倍Ie，只能启动过电流保护，在达到0.3 s 以后跳闸。而新增反时限过负荷保护后，各标准曲线对应的跳闸时间为

各标准曲线的跳闸时间均大于4倍Ie的重过负荷保护跳闸时间0.3 s，即对于大于4 倍Ie而小于9倍Ie的电流的跳闸时间，也不会按照反时限过负荷保护的设定跳闸，仍然按照大于4 倍Ie的过电流保护的延时时间后实现跳闸功能。

由此可见，在不设置反时限过负荷保护的系统中，对于大于1.5 倍Ie而小于3 倍Ie的负荷电流，只设置了延时非常长的报警功能，而并未实现跳闸功能。在增加反时限过负荷保护后，解决了负荷电流处于1.5Ie～3Ie范围时，会根据电流大小进行不同延时的保护跳闸，同时也未对负荷电流处于其他范围（如大于3 倍Ie的范围）的保护延时产生任何影响，即新增的反时限过负荷保护有针对性地扩大了原系统的保护跳闸区，优化了保护配置。

5 结语

整流机组进线在增设反时限过负荷保护后，不仅可满足设备过负荷特性，同时扩大了保护跳闸区，使原保护配置得到优化。