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反时限过流保护

(2019-08-23 08:28:25)
标签:

反时限过流保护

分类: 电力、电气、电工
目录:
一、概述
1、现有的反时限特性曲线的数学模型
2、标准反时限SIT
3、非常反时限VIT或LTI
4、超反时限UIT
5、极端反时限EIT
6、热过载(无存储)反时限
7、热过载(有存储)反时限
二、各种反时限介绍
三、反时限的实现
1、基于硬件电路实现
1)反时限过流保护定时电路的原理讲解   2)反时限过流保护定时电路的工作过程
2、基于固件的实现
1)直接数据存储法   2)曲线拟合法

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一、概述
反时限过电流保护在原理上和很多负载的故障特性相接近,因此保护特性更为优越。反时限电流保护在国外应用较为广泛,尤其在英、美国家应用更为广泛。实际上,许多工业用户要求保护为反时限特性,而且对于不同的用户(负荷),所需的反时限特性并不相同。

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二、各种反时限介绍
1、现有的反时限特性曲线的数学模型
目前,国内外常用的反时限保护的通用数学模型的基本形式为: 
反时限过流保护动作时间t是输入电流I的函数
式中,I——故障电流(值越大,时间越短);
         Ip——保护启动电流(设定值);
          r——常数,取值通常在0-2之间(也有大于2的情况);
          k——常数,其量纲为时间。

反时限过流保护

反时限过流保护
微机综保电流设定值2A,实际瞬间电流值达到6A,对应I/Ib=6A/2A=3,标准反时限时间6.3S。
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2、标准反时限SIT
按照IEC标准:当r<1时,称为一般反时限特性。 
反时限过流保护
其中,上式称为标准反时限特性。tp为反时限过流保护时间常数整定值。 
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3、非常反时限VIT或LTI
r=1时,称为大反时限(甚反时限)特性
反时限过流保护
其中,上式称为非常反时限特性。 
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4、超反时限UIT
1时,称为超反时限特性
反时限过流保护
其中,上式称为超反时限特性。 
一般反时限特性、非常反时限特性、超反时限特性是目前国际上广泛应用的三种反时限特性。
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5、极端反时限EIT
r>2时,称为极端反时限特性
反时限过流保护
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对于不同的r值,代表不同的应用场合,与不同的被保护设备特性相对应。
例如:
r=1,常用于被保护线路首末端短路故障电流变化较大的场合。
r=2,常用于反映过热状况的保护。(电动机、发电机转子、变压器、电缆、架空线等)(因为发热与电流的平方成正比)
这两种是国内最常用的两种反时限特性曲线。
r>2,虽然较少,但有时也被采用。
熔丝便是一个具有极端反时限特性的保护(r=3.5)。对于保护汞整流器的保护其反时限特性要用到r=8

考虑到实际上被保护设备的故障电流随时都有可能变化,直接应用上述的反时限公式可能得不到正确的结果,可采用如下的电流的积分形式:
反时限过流保护
IEEE推荐五条反时限特性曲线作为动作特性曲线,除了上述标准反时限SIT、非常反时限VIT或LTI、超反时限UIT三条外,还有两条:
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6、热过载(无存储)反时限
反时限过流保护
忽略了被保护对象故障前的发热。
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7、热过载(有存储)反时限
反时限过流保护
上式更加合理。
前三式主要用于线路保护,后二式主要用于诸如电动机等元件的热过载保护。 

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三、反时限的实现
1、基于硬件电路实现
1)反时限过流保护定时电路的原理讲解
当用一恒流电流I对一电容C充电时,电容充电电压可用下式表示:
反时限过流保护
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当电容的大小和充电的目标电压Vco给定时,C*Vco为一常数,则Δt与I成反比。
反时限过流保护电容恒流充电时电流大小与充电到目标电压所需时间的关系
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反时限过流保护反时限过流保护电原理图
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反时限过流保护公式推算
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2)反时限过流保护定时电路的工作过程
①电器工作电流Ii与额定电流I0进行比较,当Ii>I0时,比较器输出高电平;当i小于Ic时,比较器输出低电平。见下图。
②比较器输出的高电平,断开电容器C的旁路开关K,开始对电容充电,Vc线性升高;当比较器为低电平时,开关闭合,电容C放电。
③电容电压Vc与充电目标电压Vc0进行比较,当Vc≥Vc0时,启动过流保护装置。
反时限过流保护电流电压比较输出波形图
可用于生产的反时限电路见我的百度云盘“基于模拟电路反时限过流保护装置”,此电路有Proteus仿真,见同一文件夹。
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2、基于固件的实现
微机反时限过电流保护的算法实现,对于基本的反时限数学模型:
反时限过流保护
r=1时,微处理器实现相当容易。(只用1个除法运算、1个减法、1个除法)
r=2时,微处理器实现也容易。(只用1个除法运算、1个乘法运算、1个减法、1个除法)
r为任意实数时,比如标准反时限对应的r=0.02时,如何实现?
进一步,有些情况下,要允许用户根据实际情况配置反时限特性时(即r、k可调),应该如何实现?
国内外研究人员做了大量的工作,提出了很多种方法,综合这些方法,处理反时限特性曲线的算法可以归纳为两类:
1)直接数据存储法
指预先在微机存储器中存储一张反映时间—电流特性曲线的数据表,然后根据计算出的电流值来查表获得对应的时间。
反时限过流保护
曲线的斜率如果比较小,存储器内相邻数据间的间隔可以取得比较大;相反,如果斜率比较大,间隔就必须取得较小。间隔的大小和所采用的内差法应该根据不同的拟合对象来决定。
如果要时限对多条曲线的拟合,就需要存储大量的反映不同特性的数据。
特点:
获取动作时间简单且精度高,尤其适合于固有特性曲线和整定值比较少(这样存储的数据量就少)的装置。不适于处理多条曲线,或者为用户提供任意特性曲线的场合。
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2)曲线拟合法
通过一个选配公式来近似拟合特性曲线,典型的是根据最小二乘法原理,利用二次多项式分段拟合特性曲线。
反时限过流保护
特点:拟合精度与分段多少、每一段的点数、怎么分段,还和选择的观测点的位置有关。
因此,要获得比较满意的精度,需要做的工作不少。特别是它需要事先知道需拟合的曲线,即知道r值合k值,实现任意r、k对应的曲线有一定的困难。
分段泰勒展开法(属于曲线拟合),实现反时限特性,最主要的工作就是实现对下式的计算。
反时限过流保护
实现对于任意r值时对上式的计算。
我们知道,对电气信号的采样分为交流采样和直流采样,交流采样优于直流采样。目前,微机保护装置一般采样交流采样来采样电流信号,得到的是一组等间隔时间的电流信号。 
反时限过流保护
微机中实现开平方运算虽然有C函数库,但是代码长,速度慢,为了避免求取电流有效值时候的开平方运算,两边都取平方:
反时限过流保护
把上述幂指函数进行改写:
反时限过流保护
对于任意的正实数R,可以写成R=M+N,M为正实数,N为正小数,  反时限过流保护 
因此:
反时限过流保护
反时限过流保护

反时限过流保护

反时限过流保护

反时限过流保护

反时限过流保护

反时限过流保护

反时限过流保护
这个误差在工程使用上也是偏大的。
从上式也可以看出,如果把a限制在一个小的范围,就可以进一步减小相对误差,提高计算精度。
反时限过流保护

反时限过流保护

反时限过流保护

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