相敏過流保護

利用供電 系統中過電流的幅值及其相位角兩個特徵 量構成的繼電保護。常用於區分短路電流 與大容量電動機的起動電流，以提高靈敏 度和可靠性的繼電保護。

基本介紹

• 中文名：相敏過流保護
• 外文名：phase-sensitive overcurrent protection
• 學科：煤炭科學
• 拼音：xiangmin guoliu baohu

釋義

利用供電 系統中過電流的幅值及其相位角兩個特徵 量構成的繼電保護。常用於區分短路電流 與大容量電動機的起動電流，以提高靈敏 度和可靠性的繼電保護。

特點

煤礦井下供電系統的主要特點 是：供電變壓器的容量較小、供電範圍大、 線路長、電纜截面較小，因而常常出現供電 系統遠端兩相短路電流值與同一供電系統 中的大容量異步電動機直接起動電流值比 較接近的情況，造成常規的、以電流幅值作 為動作門檻的過電流保護整定困難、誤動 作頻繁、可靠性降低。為此，往往採取加大 變壓器容量、擴大電纜截面、調整供電範圍 等不經濟的措施解決，其效果不夠理想。根 據供電系統遠端短路電流的相位角往往較 小(φ=0～20°，cosφ=1～0.94)，而電動機 直接起動電流的相位角往往較大(φ=60～ 75°，cosφ=0.50～0.25)這一特點，70年 代英國煤礦率先把相敏過流保護用於煤礦 井下供電系統，取得了良好效果。以後，許 多國家也採用了這一技術。中國於1989年 研製成礦用相敏過流保護器，現已推廣使 用。

工作原理

典型的相敏過流保護特性 與常規過流保護特性的區別如圖1所示。 常規過流保護特性平行於X軸(φ軸)，即 保護動作與φ值無關，只要電流值超過平 行線，保護裝置就動作。如果整定在虛線位 置，則電動機起動時就可能誤動作。一般要 求常規過電流保護特性高於起動電流值，而且規程要 求供電系統中最小兩相短路電流值比過流保護整定值 大於50%，從而確保動作的可靠性。在煤礦井下供電 系統中許多場合難以滿足上述要求。相敏過流保護特 性近似於一條斜線，即使電流值不大，但φ角較小，保 護也能正確動作。相敏過流保護特性就是與電動機電 流特性很好地相匹配。

用電子線路實現框圖中的功能方法很多，有模擬 電路、數字電路等，較新的採用微處理器來實現。實際 套用相敏過流保護器時要十分注意電流、電壓信號的 極性，以免造成相位混亂引起保護的拒動或誤動。

因素分析

短路電流與功率因數

在井下的低壓供電單元中，針對變壓器容量為320kVA，電壓為6/0.69kV，Ud=4.5%的條件，將電纜芯線截面折算到50mm2，根據短路解析計算法，可求出三相短路電流標麼值、相電流與相電壓的相位角以及短路功率因數與短路點距供電變壓器二次出口的距離L的關係曲線。由曲線圖可以看出，在供電單元中遠端發生短路時，其短路電流較小，功率因數較高，其值近似為1；而近端發生短路時，其短路電流較大，功率因數較低。

起動電流與功率因數

電動機的起動過程是一個瞬變過程。當電動機的鼠籠轉子靜止時，在定子三相繞組中接通額定三相交流電壓，電動機轉子就在加速轉矩的作用下開始加速，由於在t=0的瞬間，轉子的轉速為零，定子繞組的反電勢也為零，所以會產生很大的起動電流。在全壓起動時，起動穩態電流約為電動機額定電流的5-7倍。在起動瞬間，還會出現非周期分量，疊加在周期分量上形成起動瞬態衝擊電流峰值，且往往出現在第一個周期內，其大小與合閘瞬間電源電壓的初相角、電動機起動時的功率因數有關。經理論分析和實驗證明，啟動瞬態衝擊電流峰值最大可達電動機額定電流的10.4—14.5倍。但它在1—2個周期內很快衰減，所以只在選用快速動作的斷路器和熔斷器時，才考慮其影響。電動機起動穩態電流衰減較慢，在整個起動過程中都要考慮它的影響。從起動瞬間到進人額定轉速正常運行所經歷的時間叫做起動時間，它與端電壓、負荷轉矩等因素有關，一般為零點幾秒到十幾秒之間。

方案分析

綜合式

主要結構由3大部分組成，即三相電流互感器、三相電壓互感器和相敏保護外掛程式。這種方案的特點是對各種短路故障均起保護作用，可靠性較高，整定較方便。缺點是它需要3套完全相同的電子線路，需要三相電壓互感器，因而體積大，成本高，裝設在防爆外殼中有困難。

簡化式

考慮到三相短路電流和電動機的正常啟動電流都是三相對稱的，所以只要取一相電流和相位就可以實現鑑別，故只用一套相敏檢測電路；為了鑑別不對稱的兩相短路故障，方案中增設了負序檢測電路。該方案的優點是只需一隻單相電壓互感器，電路簡單、體積小、保護靈敏度和可靠性都較高，若增加顯示電路，可以顯示不同種類的短路故障，成本低於綜合式方案。其缺點是整定不太方便，要對不同種類的短路保護分別整定。

在具體的產品中，英國的RPSl0型相敏保護裝置採用的是綜合式方案，國內Ⅲ比I型相敏過流保護器採用的是簡化式方案。