電力設備保護繼電器/電量傳感器

電力·設備用保護設備/電量傳感器 概要

1. 保護設備的概要

■過電流保護繼電器的定義 過電流繼電器（OCR＝Over Current Relay）是由變流器（CT）將電路短路、負載過載的過電流取出，按照其電流值的大小動作的繼電器。 一般使用JIS C 4602（高壓受電用過電流繼電器）中規定 的過電流繼電器。 在過電流繼電器中有瞬間要素和限時要素2個動作要素，瞬間要素 檢測規定容量500～1,500％的電流并動作。限時要素具有反限時特 性，隨著電流大小的增大在第一時間動作；瞬間要素具有短時間 的定限時特性，可從繼電器自身裝備的動作顯示器來區別是哪個 要素在動作，有利于事故處理。 ■接地繼電器的定義 接地繼電器是在電路電纜、電氣設備的絕緣老化或者發生破壞、接地、完全接地時，檢測電路和大地間接觸事故的繼電器。 該繼電器在電力的受電側發生接地事故時，僅在受電側 斷路限定事故，防止波及高位配電用變電站。 出于該保護目的，有必要與高位（電力公司的配電用變電站）之間取得保護協調。 作為繼電器，可通過零相變流器（ZCT）檢測事故電流并根據其大小動作，或通過ZCT及零相電壓檢測裝置（ZPD）的組合來檢測事故電流并根據其大小和兩者的相位關系動作分為2種，接地繼 電器（GR＝Ground Relay），接地方向繼電器（DRG=Directional Ground Relay）一般情況下常使用GR，最近由于設備內電纜長度延長，為防止其他電路事故引起誤動作，開始廣泛t 使用DGR。 ■電壓繼電器的定義 在異常電壓下發電機的故障會導致電壓急劇上升、停電或者因短路造成電壓很低等情況。 電壓繼電器是根據交流電路的電壓變動，達到電壓預先 設定狀態時，檢測并動作的繼電器。 基本的動作區別有過電壓檢測、欠電壓檢測2種。 ●過電壓繼電器（OVR） 電壓超過設定值時，進行接點動作，發出報警或者啟動斷路器的繼電器。 ●欠電壓繼電器（UVR） 電壓為設定值以下時動作的繼電器。 主要在電壓過低保護、配電線的短路故障檢測等中使用。 ■電機·繼電器的定義 即使是電機也有很多種類，作為產業設備的動力用，最為普及的是三相感應電機，而保護三相感應電機的設備，我們稱為電機繼電器。 保護電機是很重要的。 盡早檢測異常，使電機自身及與其相關的負載損害控制在最小范圍內，保護深井泵等更換煩瑣的設備不被燒損。 隨著電機小型化、輕薄化等要求的嚴格，重要度的提升，對其進行保護的電機繼電器也漸漸要求高性能，高可靠性，從以前單純的熱量型向靜止型（晶體管型）轉移。 ■電機·繼電器的定義 ●CGS的定義 CGS （Co-Generation System）是分散型電源的一種，利用燃氣引 擎、燃氣輪機等原動機驅動發電機，向區域內負載供給電力的同 時，利用原動機的排熱供給暖氣、供熱水或者冷氣。是提高能源綜 合效率的系統，也稱為熱電聯產系統。面對21世紀的能源目標，提 倡利用該家發電系統，拉開復合能源時代的帷幕。 ●為什么需要連接用保護繼電器？ 在以前的受電端保護系統中，僅處理需要方區域內的事故（短路·接地），使受電端的斷路器動作。 但是，在連接電力系統的分散型電源中，需要實現以下幾方面： ①確保群眾及操作人員的安全，不應對電力供給設備或者其他需要方的設備產生影響。 ②在供給可靠性和電氣的質量方面，不應對其他需要方產生不好的影響。 即，不僅是需要方區域內事故，在電力系統側的停電及事故中也應進行檢測，必須從系統中分離發電機。 具體示例如下： ①發電機不向系統的事故點供給事故電流。 ②不容許逆流時，不向系統側發送電力。 ③系統中再開路時，不在非同步狀態下結合兩者的電壓。 連接用保護繼電器根據連接的系統種類（高壓連接或特高連接）、分散型電源需要方的發電機類型（同步發電機或感應發電機）、系統的重要性，決定必須設置的機型。 必須可以確切檢測所有條件下的系統事故。 ●連接用保護繼電器構成示例（高壓受電需要方、同步發電機） 連接用保護繼電器：不設置線路無電壓確認裝置時需要將保護裝置雙重化。（參見下頁） 發電機控制、保護繼電器 ●繼電器根據事故形態的不同動作 下表簡單顯示了各個繼電器對于各種事故的動作。 根據該矩陣圖進行驗證，選定必要的機型。 機型 名稱 保護目的 設置相數等的條件 區域內事故 系統側事故 動作的斷路器（例） 接地 短路 接地 短路 繼線·停電 OCR-H 過電流繼電器 檢測區域內設備的過載、短路事故 2相 — ○ — — — 受電端CB OCGR 接地繼電器 檢測區域內設備的接地事故 1相（零相電路）區域內設備的對地靜電容量較大時為DGR ○ — — — — DGR 接地方向繼電器 1相（零相電路） ○ ＊1 — ○ — — 發電機CB OVGR 接地過電壓繼電器 繼續檢測系統側的接地事故 1相（零相電路）零相電壓檢測以電容器型為基本 — ○ ＊1 — ○ ○ ＊2 UVR 欠電壓繼電器 檢測系統側的短路事故、停電 3相 — — — — — OVR 過電壓繼電器 根據發電機的控制異常檢測 系統過電壓 1相 發電機自身有保護裝置時無需設置 — — — ○ — DSR 方向短路繼電器 檢測系統側的短路事故 以3相為基本同步發電機時需要 — — — — — RPR 逆電力繼電器 檢測系統側的逆流 1相 — — — ○ ＊3 ○ UFR 欠頻率繼電器 檢測高位送電側事故時的頻率下降 1相 無逆流，在RPR可高速保 護時無需設置 — — — ○ ○ ＊2 OFR 過頻率繼電器 根據電壓下降檢測負載脫落 時的頻率上升 — — — — — UPR 欠電力繼電器 檢測系統側的短路事故、停電 2相 — — ○ ＊4 ○ ○ △f 檢測頻率急劇變化繼電器 檢測系統側的停電 1相 — — — — ○ ＊1. 繼電器進行檢測，與電力系統側（變電站）保護繼電器取得時間協調，不到達動作。 ＊2. 發電機容量和系統的負載取得平衡時可能不動作。 ＊3. 電壓極端下降（至近端短路時）時可能不動作。 ＊4. 根據變電站接地方向繼電器的動作，系統停電，進行動作。 注.   不設置線路無電壓確認裝置，進行系統雙重化時，對1個事故需要有2個以上的繼電器動作。 ●各繼電器的整定示例 以下表示連接用保護繼電器的標準整定。 請根據向電力公司申請連接時進行的系統故障計算及在此基礎上的協調確認，做最終決定。 機型 整定示例 背景 動作值 動作時間 OCR-H 應與配電用變電站OCR取得協調 與以前的受電端保護相同 OCGR 零相電流：0.2A （JIS C 4601中規定的時間） DGR 零相電流：0.2A，零相電壓：5％ 0.2s OVGR 零相電壓：10％ 5s 與配電用變電站，其他饋電網的DGR取得協調 UVR 欠電壓：85V 2s 與配電用變電站，其他饋電網的OCR取得時間協調 OVR 過電壓：125V 2s DSR 電流：＊1，欠電壓：90V 0.7s 與配電用變電站，其他饋電網的OCR取得時間協調 RPR 逆功率：發電機容量的10％＊2 0.5s ＊3 UFR 欠頻率：額定值頻率-1Hz 1s OFR 過頻率：額定值頻率＋1 Hz 1s UPR 欠功率、合同電量的10％ 0.5s 為CGS需要方的最小消耗功率以下 ＊1. 電網送出點的2相短路時，需要保持在發電機流出的電流值以下，按照下式進行計算。 IG： 發電機的額定電流 %x：從CGS需要方到變電站的百分比線路阻抗 %G：發電機的百分比阻抗 ＊2. RPR連接受電端CT，因此逆功率整定值 ＊3. 請考慮接通發電機的并聯時的動搖時間。 ●作為其他連接用保護繼電器的要求事項 從分散型電源設備對系統產生的影響的重要性出發，對連接用保 護系統及繼電器的功能提出以下要求項目，以提高其可靠性。 不設置線路無電壓確認裝置時，將系統雙重化 添加了在分散型電源需要方，在變電站設置線路無電壓確認裝置（再斷路時，確認有無線路電壓的裝置）的義務。但是在同系統中存在多個分散型電源需要方時、考慮到設置成本等，很難設置本裝置。因此，系統停電狀態時，通過使繼電器雙重化（該繼電器使發電機從系統中分離），可以無需設置本裝置。作為實現二重化的手段，也認可UPR的設置。這種情況下，有必要在二相進行設置。 由專用的直流電路提供繼電器的控制電源 連接用保護繼電器的控制電源必須由專用的直流電路提供。因為 確保電源供給可靠性的同時，在系統發生短路事故時也需要動作。 （計量儀器用變壓器VT的電源在短路時沒有輸出電壓）。 2. 接地繼電器的概要 ■受電用GR的選擇 為有效選擇接地事故點的斷路，根據系統條件的不同，選擇OCGR（接地過電流繼電器）或者DGR（接地方向繼電器）中的任意一個來設置GR。 繼電器的選擇步驟 ■零相變流器（ZCT）的接地電流監視 電路里的電流大小，無論是單相還是三相其往返方向是相同的。如果發生接地事故，可以區別往返。根據該差異， ZCT上磁束感應，在二次側有電流通過。該電流由繼電器檢測并監視。低壓中經常使用的漏電斷路器也是由這個原理構成的。 ■零相電壓檢測裝置（ZPD）的電流方向監視 如果發生接地事故，在ZPD發生的零相電壓Vo和在ZCT檢測的零相電流Io的方向（相位）在自身電路中，事故電流由電源側流向負載側。 另一方面，在其他電路中，事故電流由負載側流向電源側。利用該原理，可以僅選擇并遮斷發生事故的電路。 ■接地保護協調 在運用接地保護繼電裝置的基礎上，可以說接地保護協調是最重要的概念。 所謂保護協調是在電路發生事故時，取得動作協調，僅使事故電路的斷路器動作，調整配置各設備的動作特性，以維持健全電路的供電，防止損傷負載設備、電路設備。 ■接地電流、電壓靈敏度協調 根據接地點的位置、接地點的形態，接地故障發生的零相電壓、零相電流也多種多樣。 ■OCGR的靈敏度協調 ZCT檢測的零相電流的大小因自身電路故障和其他電路故障而有所不同，利用該原理，來選擇電路。 圖1顯示了其形狀。 圖1. OCGR·DGR的相位特 此時，若不能滿足以下關系， OCGR可能會發生誤動作。     Ir≥2 Ic          IR：繼電器整定值          IC：區域內對地充電電流          2：余量系數 若不能滿足以上條件，請務必使用DGR。即電纜長度的需要方不能進行OCGR的協調。在受電設備受電等的高壓線路較短時， OCGR可進行充分保護協調。 電纜長度和充電電流的關系如圖2所示。電纜的靜電容量如表2所示，對于繼電器整定電纜長度的界限如下表1所示。 表1.電纜長度界限標準 公稱截面積(mm2) 0.2A整定時(m) 0.4A整定時(m) 8 135 270 14 115 230 22 100 200 38 85 170 60 70 140 100 60 120 150 50 100 200 50 100 250 47 95 圖2.電纜長度和充電電流 ●DGR的靈敏度協調 DGR的靈敏度協調包含零相電壓要素。零相電流的靈敏度協調與OCGR完全相同。 零相電壓的靈敏度在配電線的任何場所都與故障時發生的零相電壓值相同。 短路電流一般不會像末端故障時的故障電流那樣小。因此僅靠零相電壓的靈敏度，很多時候不能選擇并斷路故障點，如末端設備一樣以提高靈敏度（段協調的一般性看法）的形式在末端遮斷輕微的接地，變電站的GR成為預備保護。在重接地保護的情況下，不僅是零相電壓的靈敏度協調，與其他電路之間也需要判定相位。在自身電路中，需要與系列中的GR取得時間協調。 如圖3所示為繼電器的零相電壓-零相電流特性上接地故障點的圖表。 表2. 電纜的靜電容量一覽表 電壓(kV) 形狀 公稱截面積 (mm2) 高壓架橋聚乙烯電纜JIS C3606-1987（CV） 靜電容量(μF/km) 6.6 3芯（3芯全部 ～接地間） 8 14 22 38 60 100 150 200 250 0.63 0.75 0.84 0.99 1.17 1.41 1.65 1.62 1.77 單芯 14 22 38 60 100 150 200 250 0.21 0.25 0.28 0.33 0.39 0.47 0.55 0.54 0.59 3.3 3芯（3芯全部 ～接地間） 8 14 22 38 60 100 150 200 250 0.63 0.78 0.90 1.11 1.14 1.41 1.65 1.62 1.77 單芯 8 14 22 38 60 100 150 200 250 0.21 0.26 0.30 0.37 0.38 0.47 0.55 0.54 0.59 ＊參考     充電電流計算公式       Ic=2 π fCE(A)           Ic:3線全部充電電流（A）           f:頻率（50Hz或者60Hz           C:3線全部靜電容量（F）           E:對地電壓（V） =線間電壓/√3 圖3.DGR的靈敏度協調 ■相位協調 在通常情況下基本上沒有問題。另外一般市場上銷售的DGR的相位特性也是較固定。 繼電器的相位判別，判斷是自身電路還是其他電路的方向。 3.電機繼電器的概要 ■電機繼電器的必要功能 使用電機·繼電器的目的可分為以下2類。 （1） 保護電機自身（防止燒損） （2）將電機所連接的負載的損害控制在最小范圍內。 （此時，比起電機其負載更為重要，因此有必要選定電機繼電器）為了滿足以上（1）和（2），電機繼電器需要具備以下3個功能。 （1） 過載要素 過電流要素 時間要素 （2） 缺相要素 （3） 反相要素 以下對這三個要素的詳細內容進行說明。 ●過載要素 電機過載的情況下，如果長時間流通過電流，電機將會燒損。 因此，一旦流通過電流，必須立即檢測電機，切斷電機電源來保護電機。 但是，如圖1所示一般啟動感應電機時，會在數秒到數十秒內流通500%左右的過電流。如果此時電機的過載要素工作，電機一啟動馬上發生斷路，電機將無法運轉。因此電機繼電器上除檢測電機上流通的電流是否超過額定值的“過電流要素”外，還需要“時間要素”，過電流的繼續時間如果在電機的啟動時間內則不動作，如果超過啟動時間則使其動作。即為避免啟動電機時發生的電機繼電器的誤動作，需要時間要素。 需要時間要素還有另外一個理由。 圖2為表示電機過熱特性的I2t曲線，若在這個曲線的下側范圍，則電機不易燒損，可以充分使用。此例為即使電機上流通500%的過電流，如果為40秒則可以使用。若電流值為一半250%則為， 到4倍的160秒為止OK。同樣為100%時，按照以上公式計算則為 僅為1000秒，但100%是額定電流可以連續運轉，因此不適用于該公式。這個曲線并不是準確的I2t，只是I2t的大約值。 另外，電機自身即使流通過電流也不會馬上燒損，有一定的允許時間，至少可以承受啟動電流、啟動時間的過載。因此，最理想的使用方法是使電機達到界限，從這個觀點出發，即使過電流也立即動作的電機繼電器是不甚理想的。如圖2所示，沿曲線下側的曲線進行動作，有較大電流快速通過時，較小電流流通時長時間動作，即反限時特性，具備這種時間特性的產品最為理想。這就是在負載要素上添加時間要素的理由。即使是極小的過載，電機繼電器也會立刻動作并停止，通過該要素，可防止這種不必要的動作停止。 但是根據用途，有時不需要這個特性。例如，負載為規定值，超過額定電流時可明確判斷為負載的異常狀態，流通過電流時如果不馬上切斷電機電源，負載發生損害，且損害擴大。在上述保護負載的用途中，過載要素的動作時間越快越好。當然，如果這個時候啟動，會有過大的啟動電流流過，因此啟動時一定時間內不能動作，之后需要帶瞬間動作功能的過載要素，我們將其稱為普通瞬間型。另外，迄今為止過載要素中必須具備檢測電流值的要素和時間要素2個要素，這個電流、時間值設定為多少較好呢？ ·關于電流值 JEM1357「三相感應電機用感應型及靜止型保護繼電器」的標準中規定了動作值應在電流整定值的105～125%范圍內，而電機繼電器的各大廠家也大都遵照該標準。因此，即使無特別指定的電機也基本能滿足標準要求。 ·關于時間 同樣在JEM 1357標準中規定了電流整定值的600%過電流下為40秒以下，200%過電流下為4分鐘以下。 另外，作為JIS B 8324深井用水中電機泵的電機保護規定了[流通全負載電流的5倍電流時應在5秒以內動作]。因此，一般的電機繼電器在500%過電流下有數秒～數十秒的動作時間，電機繼電器種類也多種多樣。 圖1. 電機的啟動電流 圖2.電機的過熱特性和保護曲線 過載要素的總結 （1）過載要素的電流要素在額定值下一般不動作，在125%下動作。時間上選擇在500%過電流時數秒~數十秒左右大于電機啟動時間。普通的反限時特性是電流值越大越快， 電流越小花費時間越長的時間特性。 （2）時間要素有啟動時及其后運轉時在同一時間特性下動作的類型和僅啟動時延時，運轉時作為瞬間動作保護與電機相連的負載的類型，后者一般稱為瞬間型。 ●缺相檢測要素 由于電機的電源線斷線，連接部松馳，控制用開關的接觸不良，電機內部的斷線等，使本來應在三相電壓下運轉的電機在單相下進行運轉的狀態稱為“缺相”。 停止的感應電機在單相下不能開始運轉，如果在缺相狀態下啟動，為了讓啟動電流持續流通，可根據先前所述的過載要素進行檢測，防止燒損電機自身。但是正常運轉中即使發生缺相，成為單相狀態，眾所周知，如果負載較輕，三相感應電機可作為單相感應電機繼續運轉。 請看圖3。有人接線電機和△接線電機的電源相缺相以及△內部的缺相三種狀態。此時請考慮僅靠插入電源線的過載要素是否可以防止電機的燒損。 （1）人接線電機的缺相 如圖3(a)所示電源線中流通的電流和電機卷線中流通的電流，無論在哪里斷線都是一樣的。因此，如果發生缺相，即使過電流流過，電源線的過載要素也會進行檢測，因此不會燒損電機。另外如果電機的負載過輕，不會發生過電流時，過載要素不進行檢測，由于電機電流較小不會發生燒損，可繼續進行輕負載運轉。 圖3.缺相時的電流分布 （2）△連線電機的外部缺相 圖3(b)的情況下該怎么處理？ 正常時如果卷線中流通的電流為I，電源線上流通的電流則為√3I，即卷線的額定電流如果為In，電源線的額定電源則為√3In，過載要素通過監視√3In< √3I來等價監 視卷線上的電流是否為In< I。 B為缺相狀態的情況下， I＝In時的電源線的電流為3/2In，當然是√3In或者1.5In< 1.732In，因此根據電機的負載狀態，卷線即使發生過電流，由于電源線在額定電流以下，過載要素不動作，卷線可能被燒損。這種情況下為防止電機燒損，需要其他檢測缺相的要素。 （3） △連線電機的內部缺相 圖3 （C）的情況下該怎么處理？ I1和I2與正常時相同｜I1｜=｜I2｜，相位差為120°，V相電源線電流與正常時相同為√3I，另外U、W相的電流分別為I1、I2，從電源線來看，可以發現卷線上流通著過電流，過載要素進行檢測，無需擔心會被燒損。因此，可以說與(1)的人連線相同。此外，迄今為止都是從防止電機燒損的角度來進行說明。 圖4. 缺相時的電源線電流矢量圖 缺相即為異常狀態。運轉中發生缺相，輕負載下如果任其繼續運轉是不適當的，稍微再增加點負載將可能停止，連接脫落的導線與外殼接觸，將可能導致觸電事故及短路事故。 異常狀態下以立即檢測并處理為保護原則，不僅是為了防止電機燒損，這種情況下也應盡快檢測缺相。 即不僅是為防止電機燒損，為在輕負載時也檢測缺相，由于在過載要素下檢測較費時間，因此為了盡早進行，一般在圖3(a)、(c)所示的情況下設置缺相要素。 關于缺相要素還需注意一點。在圖3(a)、(b)中正常時U、V、W相的電流為平衡三相電流，但缺相和缺相的相電源線電流完全為零，其他的2相中流通著單相的往返電流。此時如圖4(a)所示，缺相前后矢量關系有很大的變化。 然而，圖3(c)的情況下，圖4(b)所示的矢量變化與圖4(a)相比，直觀上感覺變化較小。實際上圖3(c)的情況與圖3(a)、(b)相比，更難檢測缺相。 普通圖3(a)、(b)所示的狀態為缺相，(c)的情況稱為△內部缺相，以示區別。一般所指的可檢測缺相的情況為(a) (b)，因此使用△接線電機（1.5kW以上多用這種電機）時請務必注意。 圖5.電流方式缺相要素的優越性 另外，也有如圖5所示不使用變流器，用電機的電壓檢測缺相的方式。這種方式不能檢測從檢測缺相用的連接點在電機側缺相的情況，即使電源側缺相，由于電機端子電壓沒有下降到一定程度，因此有時無法檢測輕負載運轉中的缺相，電流檢測的方式更為有利。 缺相要素的總結 （1）僅過電流要素時，有時不能防止電機燒損，需要缺相要素。 （2）輕負載時即使缺相也不流通過電流那樣的電流，因此過載不能檢測。為了盡早檢測異常，需要缺相要素。 （3）一般所說的缺相是指電源線的缺相，因此很多情況下無法檢測△內部缺相，請注意。 （4）有電壓方式，但電流方式更為有利 ●反相要素 如果三相感應電機相序為逆，電機的旋轉方向也相反。任何用途中都不允許電機向任意方向旋轉，有時即使是瞬間反向旋轉，都會給電機負載造成致命的打擊。為此，施加在電機上電源的相序一旦反向，能立即進行檢測的要素稱為“反相要素”。 圖6.反相要素的電壓電流方式比較 此時可考慮與缺相檢測相同的電流方式、電壓方式。請看圖6。如圖6所示在電磁接觸器前連接反相要素后，反相在電機啟動前可以進行檢測。由此前面所說的電機即使是瞬間也不會使其反轉。電流方式無論怎么快也要0.5秒左右的時間，所以多少有一點逆轉也是沒辦法的。就這個意義上來說電壓方式更為有利。但是，電壓方式的缺點在于與電機繼電器的連接較多。在高壓電機等情況下需要添加1個VT。另外，電流方式的優點在于能直接判斷電機中流通電流的相序，也有如前所述檢測較費時間（電機旋轉后的檢測）的缺點。 另外，無論何種情況反相檢測僅檢測其連接點（電壓檢測時連接電源線的位置、電流檢測時插入CT位置）的相序，在設置時需要注意這點。 此外，一旦設置好電機后，相序很少為逆，很多情況下不需要反相要素。但是，在移動用電源的電機等中，連接變更的頻率較高，在保養檢查時就連接變更來說，還是添加比較好。 反相要素的總結 （1）很多情況下不需要反相要素。 （2）電壓檢測有啟動前可檢測的優點，而電流檢測有可直接監視電機的電流相序的優點。但也各有所短。 ■電機·繼電器的特異點 電機及電機繼電器在使用上必須注意以下幾個問題。在此就缺相時的電壓下降、電機電流波型的失真，改善力率用電容器的配置，電機電流的不平衡進行說明。 ●缺相時的電壓下降（電源連接上的注意事項） 如圖7所示， V相下即使缺相（斷線），施加在電機繼電器及電磁接觸器上的電壓也不為零，U、W間的線間電壓Vuw在電機的卷線X和Y分壓，通常電磁接觸器勵磁線圈及電機繼電器的電源電路的阻抗與X和Y卷線的阻抗相比相當大，因此施加約為1/2Vuw的電壓。在這個狀態下為使電磁接觸器斷路，電機繼電器即使在額定電壓一半的電壓下也可以檢測缺相并進行動作嗎？不可以時，電磁接觸器不能保持1/2的電壓，進行選擇，自動復位。然而，如果電磁接觸器的電源與電機繼電器的電源為不同的相，如圖7所示電磁接觸器和電機繼電器都從U、W相取得電源。如果僅電磁接觸器從U、W相取得電源，在電磁接觸器中即使V相缺相，保持施加額定電壓，不能復位，而且電機繼電器上只能施加1/2的電壓，電機繼電器無法動作時，不能進行保護。因此，或使電機繼電器即使在1/2的電壓下也能進行動作，或注意布線，在電磁接觸器上附加1/2的電壓，使其務必復位，任何一種情況下都需注意。 圖7. 缺相時的電壓下降，進相電容器的位置 注. 電機輕負載運轉中的缺相下，電壓不會下降到1/2。從電機側供給近似于正常電壓的電壓。       此時不能進行保護電磁接觸器的釋放電壓。 ●電機電流的波形失真 送風風扇用電機電流波形失真示例 如圖所示，流入電機的電流本來應該是正弦波，在水中電機等用舊的電機中，即使是可正常運轉的電機，也可觀測到電流波形的極端失真。 電機繼電器在設計時以輸入正弦波為前提，根據波形的失真，在過載要素下動作電流值的誤差增加，另外，在缺相、反相要素下會發生誤動作等。電機的電壓波形一般失真較少，動作快的反相要素等中，電壓方式比電流方式更為有利。但是，各個廠商也在探討波形失真的問題，最近各個方式幾乎沒有什么差別。 ●改善力率用電容器的設置位置 如圖7所示，為改善其力率，與電機并列接入進相用電容器。電機的輕負載時流通的電流幾乎無效，有相當一部分高次諧波混入。由此，將電容器并列連接，消除基本波成分，僅殘留高次諧波。較大情況下，本來設計為輸入50/60Hz的正弦波的缺相、反相電路等易發生誤動作。當然，大部分情況下的高次諧波電流很小，不會發生誤動作，但如圖7所示，為降低誤動作的概率，在電機繼電器前設置電容器的方法最為保險。 另外，如果在電機繼電器后插入電容器，看上去電機電流減少，需要估計電機繼電器的過電流動作值并進行設定，較為煩瑣，因此從這點來看，僅向電機繼電器提供電機中流通的電流的方法最為理想。 ■靜止型電機繼電器的構造（本公司SE的示例） ●電流變流器 其中包括變流器、二極管和電阻器，變流器將電機電流的大小變換為在晶體管電路中便于使用的電流；二極管對變流器二次電流進行三相全波整流；電阻器將整流后的電流變換為直流電壓。 特別是這個電流變流器通過變更其內置的分流，可將其電阻值變為3個階段，能在電機電流的廣范圍中使用。 例如電機電流為80A時，電流變流器的輸出電壓為達到21V，假設 連接600Ω的電阻器， 40A時為達到21V則連接1200Ω， 20A時則連接2400Ω的電阻，這樣電流變流器的輸出電壓一直為21V，因此，電機繼電器本體在21V下動作時，能通過變更分流設置為在20A、40A、80A的任意一個下均可動作。 （注. 電壓·電阻值表示一個例子） 另外，為了在20A下動作而選擇分流時，如果在電流變流器上卷2次電機電源線，即使電機電流為10A，從電流變流器來看，也可以發現實際流通為20A，因此在10A下也可以使其動作。同樣如果卷4次，在5A下也可以使其動作。 圖8 .SE 靜止型電機繼電器（反限時型）內部框圖 注1. 數字表示插件型端子編號，（ ）內表示面板支架型端子記號。 注2. 在反相要素「OFF」下使用時，無需端子③ （W）的布線。 ●過載要素 電流變流器的輸出通過連接線進入電機繼電器本體的7（C＋）、8（C-）端子「數字為插件型時的端子編號，（）內為埋入型時的端子編號」，在電流刻度整定電路分壓，進入過電流檢測電路。電流刻度整定電路在可變電阻的簡單分壓電路中，通過變換分壓比率，可變換電流動作值，此時，如果電流變流器的分流為20A，通過旋轉該可變電阻器的旋轉，可在8A～20A的范圍內整定動作值。如果發生過電流，過電流檢測電路進行檢測并進入下一個時間整定電路。 這個時間整定電路具備前面所說的反限時特性，其時間特性如圖9所示。 圖9. 過載動作時間特性（參考值） 時間刻度倍率：×1 時間刻度倍率×4 在這個時間整定電路中帶有可變電阻器，通過旋轉其旋鈕，流通電流整定值600%的電流時的動作時間在2～10秒范圍內可以改變。 此外也帶有時間倍率用開關，4倍即8～40秒可簡單進行設定，并具備在2～40秒廣范圍內可整定時間的優點。 過電流超出整定時間流通時，輸出繼電通過OR電路，由輸出電路進行勵磁，切換其接點X/c，進行相關的報警、斷路等動作。 另外，瞬間型如圖10所示，電機電流約為額定值的30%以上時，則認為電機啟動，啟動時間電路開啟動作，與輸入電流的大小無關，一定時間內不進行輸出，因此即使過電流檢測電路馬上動作開始輸出，AND電路也不輸出，不動作。經過啟動時間后，由于電機中流通額定值～額定值50%左右的電流，啟動時間電路保持輸出。之后，如果發生過電流，過電流檢測電路立即動作，在0.5秒以下時繼電器進行動作。 圖10.SE靜止型電機繼電器（瞬間型）內部框圖在反限時型中如下圖部分所示。 ●關于繼電器的動作 （手動復位型） SE--------------- 繼電器機械性自我保持，即使停電，到手動復位之前一直動作。 K2CM------------- 繼電器因為采用了保持繼電器，即使停電也仍然鎖定。復位時需要電流。 （自動復位型） 如果低于整定則自動復位。（但是與缺相要素同時使用時，缺相情況下，因為操作電源較低，U、V的供給電源和電機電源請使用不同的電源。由于上述理由不能使用反相要素） ●缺相要素 圖11. 電流變流器的輸出波形 圖11 （a）是正常時的整流輸出波形，（b）是缺相時、（c）是△ 接線電機內部缺相時的波形。這些在正常情況下直流部分大交流部分小，而且可以看出第6諧波以上頻率成分較高，缺相時直流部分小交流部分大，而且可發現其交流部分第2諧波最大。因此可從直觀上發現，如果構成上響應第2諧波／直流部分或交流部分／直流部分的比則可進行以缺相檢測。 圖12.缺相檢測電路的構成 因此靜止型電機繼電器應用了這個原理，如圖12所示設置了濾波器，包括從電流變流器的輸出（正確而言是對其進行分壓的輸出）中僅取出直流部分的濾波器和僅取出第2諧波成分的濾波器，其比超過某個值時判定為缺相。于是這個缺相時的動作時間特性如圖13所示，與電流值幾乎無關，約為1.5秒。 圖13. 缺相動作特性 可確認第2諧波成分／直流部分幾乎為不平衡率的函數。因此，這個電機繼電器與其說是缺相檢測，不如說是作為不平衡檢測而設計的，進行整定，當不平衡率約為35%時動作。如圖14所示為該動作不平衡率根據電流值發生的變化。 圖14. 不平衡動作特性 橫軸的電流值表示3相電流中最大相的電流值。如果從缺相檢測電路進行輸出，通過圖8的OR電路， 繼電器同樣工作。 ●反相要素 圖15表示構成圖，圖16是矢量圖。如圖所示，正常時d、e間的電壓為1.5Vuv、反相時為0V，因此將其賦予晶體管后可簡單地檢測反 相。反相檢測電路的輸出通過OR使繼電器動作。由于電機繼電器的電源是從U、V相取得的，不需要反相要素時是否可以拆下端子3（W）的連接呢？結果適得其反，Vuv在RP1和CC1分壓，分壓的 電壓有時施加到晶體管進行動作。當然，因為有時輸入電壓較小，不進行動作，此時需要切換為無反相要素。另外，這個電機繼電器是50/60Hz共用，即使Vde正常也并不完全是零，正常時和反相時的Vde差較大，可充分穩定動作。 圖15. 反相檢測電路的構成 圖16. 反相檢測電路的矢量圖 ●外部連接 圖17( （a）、（b） )中表示各個外部連接的示例。當然不使用反相要素時無需連接端子3 （W）。 (1) 電磁接觸器的勵磁線圈和電機繼電器的電源端子（U、V）相請插入同一相。 (2) 進相用電容器從電流變流器電源側接入。 (3)電流變流器和電機繼電器本體之間的連接請勿弄錯極性。連接后流通的電流為通常數mA、最大數＋mA，因此無需特別注意連接線的電流容量，電壓通常在數＋V以下，即使過電流也在400V以下，因此即使600V的絕緣電線也沒有問題。 對于噪音等也無需特別注意，但應盡量遠離大電流線。 (4) 與電壓端子（U、V、W）的相序請勿弄錯，不需要反相要素時（反相要素[關]），僅是U、V與相序無關。 (5) 如果在電磁接觸器前插入到U、V、W的布線，則可在電機啟動前進行反相檢測，這種方法較為有利。 圖17.(a) —△啟動電機時的外部連接 圖17. (b)高壓電機無電壓拆卸時的外部連接 ●電機電流的不平衡 電機電流的不平衡率普通為數％左右，但使用多年后的電機以及通過接線變壓器向電機提供電源的情況下，可觀測到10～20％以上的不平衡。 請參見下頁所示的不平衡率的簡單計算方法并測定。如果超過20%，有時不能進行△內部缺相檢測。 ■參考 關于不平衡率 根據對稱座標法，假設三相的電流分別為Ia、Ib、Ic ，矢量系數為 作為表示三相電流、電壓的不平衡程度的尺度使用。但是，這個計 算較為煩瑣，因此使用以下不平衡率計算表可簡單地算出不平衡率。 圖18表示了解三相輸入的三個絕對值的情況下，求出其不平衡率的圖表。 例如三相交流輸入的A相電流IA＝50A， B相的電流IB＝35A， C相的電流IC ＝45A時，以電流IA為基準，除去電流IA 中的其他相電流，可得出： 然后，確認從右側縱軸KB＝0.7位置出現的圓弧B和左側縱軸KC＝0.9位置出現的圓弧C之間的交點P1。點P1位于不平衡率20％的圓上，可判斷此時的不平衡率為20％。 另外，IA＝50A、IB＝65A、IC＝50A時，KA＝1.0、KB＝1.3、KC＝1.0，此時各個圓弧的交點為P2，點P2基本高位于不平衡率20%的圓上，所以可判斷不平衡率為20％。依此類推，從KB、KC開始出現的圓弧的交點位于不平衡率20%的圓上，所有的平衡率均為20％，可得出同一不平衡組合有無數個。 同樣D1～D8表示所有不平衡率為25％的組合。 在此考慮△P1XY，則XY＝IA、P1X＝Ic、P1Y＝IB，即用IA、IB、IC矢量圖來表示△P1XY。 圖18. 三相電流、電壓的不平衡率計算圖表 ■電機保護 電機電路的故障多種多樣，為保護其免于故障，必須使用符合其目的的保護設備。以下表示電機的事故內容和保護方式。 電機的保護設備有3E繼電器、熱繼電器、電機斷路器等，將其總結如下。 電機的保護設備還各有一些特異功能。但是，如果不能正確運用這 些功能，將無法發揮其能力。因此需要選擇符合保護目的的保護設備。 ●感應電機的保護 ◎：可切實保護 感應形電機也有很多種類，其故障現象也很多。 ○：基本上可保護 適合其各種型號保護設備的一覽表如下所示。 △：可帶條件保護 □：不可保護情況較多 感應電機的保護目的和適用保護繼電器 ×：不可保護 適用繼電器 保護對策 熱量繼電 帶飽和電抗 器的熱量斷 電器 2E式熱量 繼電器 連動型熱 量繼電器 靜止型3E(4E)繼電器 埋入（PTC熱 敏電阻式） 保護繼電器 電機 斷路器 帶2元件 帶3元件 保護一般 電機用 保護水中 電機用 過載 標準 情況 一般籠型電機 單相電機 卷線型電機 水中電機 ◎ ◎ ○ △ ◎ ○ △ ○ ○ ○ × ◎ ○ △ ○ ○ ○ ○ ◎ ○ △ △ △ ◎ ◎ ◎ ○ ◎ ○ ○ ○ □ 間歇 運轉 一般籠型電機 單相電機 卷線型電機 水中電機 △ △ △ △ △ △ △ ○ △ △ □ △ △ △ □ △ ○ △ △ △ △ △ △ ◎ ◎ △ ◎ △ ○ △ □ 限制 一般籠型電機 單相電機 卷線型電機 水中電機 ◎ △ △ △ ◎ △ △ △ ○ △ □ □ ◎ △ △ △ ◎ △ ◎ ◎ ○ ○ △ △ △ △ ◎ ◎ ◎ △ ◎ ○ ○ △ □ □ 配電系統異常 缺相運轉（防止燒損） 三相不平衡運轉 短路 過·欠電壓 漏電 接地 反相 △ □ □ ○ × △ × ○ □ □ ○ × △ × □ □ △ ○ × △ × ◎ △ □ ○ × △ × △ □ □ ○ × △ × ◎ ◎ □ ○ ◎(4E) ◎(4E) ◎ ◎ ◎ □ ○ ◎(4E) ◎(4E) ◎ ◎ ◎ × ◎ × × × □ × ○ × × ○ × ■3E繼電器的保護 作為電機的保護設備，如前頁所示有各種類型，在此就3E繼電器（過載要素、缺相要素、反相要素）的電機保護進行說明。 ●過載保護 過載要素在電機保護功能下，如果能正常發揮該要素，則能涵蓋電機保護的大部分內容。為切實進行過載保護，需要正確進行3E繼電器的動作值整定以及動作時間整定。 為發揮保護功能，按照以下步驟來制定保護協調曲線。 ●電機保護協調 考慮電機的保護協調時，有必要探討電路所連接的設備之間的相互協調。以下列舉了一些探討事項 電磁開關 ·開關容量充分嗎？ ·可承受短路電流通過嗎？ 無熔斷器斷路器 (MCCB) ·可切斷短路電流嗎？ ·在電機沖擊電流下無誤動作嗎？ 分支電路的電線 ·MCCB可承受中斷之前時間的短路電流嗎？ ·MCCB可承受熱量繼電器或者3E繼電器動作之前時間的 過載電流嗎？ 熱量繼電器或者 3E繼電器 ·電機過載，限制時可保護嗎？ ·和MCCB或者PF已取得電流保護協調嗎？ 制訂保護協調曲線 如圖所示為保護協調曲線的正確示例和錯誤示例 正確的保護協調曲線 錯誤的保護協調曲線 ●缺相保護 缺相保護是指由于電機電源線的斷線及連接部松馳，開關的接觸不良、電機的內部斷線等，電機單相運轉的狀態。成為該狀態時，與電機的線電流增加相比，相電流顯著增加，卷線的溫度上升超出容許值，可能會發生電機燒損。這種情況下，不由過載檢測，而必須由缺相檢測進行保護。缺相事故和電流變化如下圖所示。此圖的重點是在圖中2、3、5的示例下，相電流的增加與線電流的增加相比較大，此時在線電流的過載檢測中，會發生不能檢測故障的情況。 缺相檢測靈敏度是固定的，在用戶方面無需為取得協調而進行動作值整定，以下介紹了較難的故障現象的示例。 缺少事故和電流變化 保護協調和保護繼電器 ■保護協調的定義 在說明保護繼電器時，多次提到了保護協調。 保護繼電器的作用是在發生電力系統事故（故障）時，檢測事故，迅速切斷事故區間，保護其他健全電路。繼電器檢測并判斷事故引起的異常，進行處理的過程中，為防止其他健全電路的誤動作，在保護功能之間取得協調的同時，繼續向健全電路供電，另外為了不損傷負載設備、電路設備及開關，而調整保護設備的保護值，使其發揮作用。在保護協調中，根據目的、用途不同，協調的內容也有所不同，包括傳送電力的電纜的保護協調、變換電壓的變壓器的保護協調。例如，考慮需要方設備中的過電流繼電器（OCR）和布線用斷路器（MCCB）的保護協調時，可按照以下思維方法考慮保護協調。 ●保護繼電器和布線用斷路器 如前所述，保護協調在發生事故時能迅速切斷，以確保健全電路，因此在考慮上述設備的基礎上，如下圖所示，考慮各設備中的協調特性，萬一在事故點（1）發生事故則必須通過MCCB-1切斷電路，以免波及到高位，進行設計和選擇零件時應注意。 項目 內容 事故點(1) 在事故點（1）發生時，如果不通過MCCB-1進行保護，事故將 會波到高位MCCB-0，使其動作， MCCB-0以下全部停電。 事故點(2) 在事故點（2）發生時通過OCR保護，以免波及到高位。 簡單說明了采取保護協調的方法，進一步將保護細分，考慮低位時，掌握幾個發生事故的地方，以免波及高位。 電路 為此從MCCB-5來看MCCB-4是高位， MCCB-3位于其高位。依此類推高位的保護裝置在設備保護裝置中一般稱為預備。需要可到高位的廣泛的電路保護，取得保護協調，使切斷特性延遲。 但是考慮保護協調時，還有很多可以探討的項目。例如從各MCCB來看時的負載的沖擊電流，短路電流下選擇防止破損的線路，OCR和變壓器的熱特性等的協調。 詳細內容請參見各專業書籍，以下記載了保護協調的基本事項。 保護協調特性 ■保護協調的基本探討事項 考慮保護協調時必須探討以下基本事項。 ·設備、電纜等的過電流耐量、過電壓耐量。 ·變壓器、電機、電容器等負載設備中發生的沖擊電流、啟動電流。 ·保護繼電器、保護裝置的動作特性。 在保護協調曲線用紙上描繪曲線時必須滿足以上項目，以下事項為原則性事項。 ·斷路器斷路容量應大于設置點的短路電流。 ·保護裝置的動作時間應該比線路、設備的損傷時間短。 ·保護裝置在變壓器的沖擊電流、電機的啟動電流下不應有誤動作。 ·系列中的保護裝置之間進行電源側附近、延長時限等的處理，計算故障的極限化。 ●保護協調曲線的制訂 保護協調曲線用紙上應記錄以下內容。 1 系統圖 ·保護對象的單線接線圖 ·線路、設備的特性 ·保護裝置的整定分流值 2 保護對象的特性 ·保護對象的過電流耐量、沖擊電流 3 事故電流 ·推想事故點，計算事故電流 ·向保護裝置的輸入 4 保護裝置 ·保護裝置的特性 （在圖中探討，以取得保護協調） ·高位及低位的限制條件 ●系統圖的記錄方法 系統圖上在協調曲線用紙的右上方用單線連線圖記錄。 記錄數據 ·主電路設備、負載 ·電纜 ·保護設備 記錄數據 ·系統電壓 ·斷路器（CB） ：額定值斷路容量、全斷路時間 ·布線用斷路器（MCCB） ：額定值電壓、額定電流 ·空氣斷路器（ACB） ：額定值電流 ·變流器（CT） ：額定值、變流比 ·電纜 ：種類、粗細 ·變壓器（T） ：額定值容量、電壓、%阻抗、分流值 ·電機（IM） ：額定值容量、電流、啟動電流 ·過電流繼電器（OCR） ：整定值分流值（電流、時間） ·接地繼電器（GR） ：整定值分流值（電流、電壓、時間） ·靜止型電機繼電器（3E） ：額定值電流、整定分流值（電流、時間） ·熱動型繼電器（THR） ：額定值電流、整定分流值 ·電力熔斷器（PF） ：額定值電流 ●保護對象 保護對象主要有以下幾種。 ·線路：電纜 ·負載設備：電機、變壓器 將在個別保護協調中說明這些特性。 ●短路電流的計算 過電流保護的基礎是系統短路電流的計算。 短路電流的計算一般利用%阻抗法，但其詳細內容請參考相關專業書籍。 這個方法按以下步驟來處理。 可變換為不同基準容量的%Z。 短路電流計算步驟 調查各設備的%Z 統一各Z%的基準容量 制定%Z圖 推想事故點，從事故點合成電源側的%Z 從合成的%Z使用上述公式算出短路電流 注1. 受電點的電源側%Z為短路容量Ps （電力公司提示）如下%Z=100P/Ps。 注2. 變壓器的阻抗。 主要由1次電壓及變壓器容量來決定。 注3. 電機的阻抗。 %Z約為20～25%。 高壓電機在事故時，短時間內作為發電機工作，因此應注意短時間的事故現象。 注4. 布線的阻抗。 %阻抗為電抗部分X和電阻部分R。 ■保護裝置 受電柜等中使用的保護裝置，包括以過電流繼電器為代表的各種斷路器、電源熔斷器等，根據其保護目的有多種多樣，考慮保護協調時，應充分探討這些設備的特性。 ●保護裝置的探討事項 (1) 過電流繼電器（OCR） ·高位繼電器和低位繼電器間的時間協調（段協調）。 ·限時特性。 時間特性曲線（反限時特性、瞬間特性）中，OCR和PF或者MCCB等的保護設備間的關系，及OCR和被保護設備界限曲線間的關系。 (2) 電力用熔斷器（PF） ·容許電流時間特性。 低位的保護設備、負載設備的特性和熔斷器電極板未老化的界限值特性。 ·熔斷特性。 熔斷器電極板開始熔斷的電流、時間特性。 ·斷路特性。 與高位保護設備的關系。 (3) 空氣斷路器（ACB） 在小于AC1000V， DC300V以下的電路中使用時的主要特性。 ·長時間解扣：過載保護5-30s （線圈額定值的600％）。 ·短限時解扣：過載保護0.1-1s （整定刻度的250％）。 ·瞬間解扣：短路保護。 (4) 布線用繼路器（MCCB） ·額定值電流5,000A 以下， AC600V 以下， DC750V以下。 各個特性依據廠家提示。 (5) 熱動形繼電器（THR） ·過載保護特性。 與電機熱特性的關系。 ·缺相保護特性。 與缺相引起的電流不平衡的關系。 ■線路的過電流保護協調 對線路保護協調進行說明。 ●制訂保護協調曲線 按以下步驟制訂保護協調曲線。 ●短路電流的計算 按照%阻抗法計算短路電流。圖中系統的阻抗圖像如下圖所示，從這個圖像中求得的A母線、B母線中的短路電流如下所示。 在此       XSA＝XS＋XT1＝4％       XSB＝XS＋XT1＋XT2＝16％ 這里計算的I為6.6KV側的換算值。 ●探討保護協調 在協調曲線上記錄必要的數據，可對各數據間能否正確取得協調進行探討。 是否取得OC的協調 ·鄰接的OC的時限應滿足以下關系。 On+1 的慣性動作時間是指動作時間和測定慣性特性 時的輸入施加時間之間的差。（JIS 靜止型OCR中相 當于動作時間的約10%）。 ACB1、ACB2是否有重疊 ·不應重疊。 被保護設備的保護是否完善 ·在OC1中A母線的短路保護。 ·在OC2中T2的保護。 ·在OC3中控制中心的保護。 應可進行各項保護。 保護設備的耐量是否充分 ·在CB1中A母線短路電流的斷路。 ·在CT1中A母線短路電流的通過、檢測。 ·在ACB1中B母線短路電流的斷路。 在CT3中B母線短路電流的通過、檢測。應可承受各項。 是否有過渡輸入的誤動作 ·T2的最大電流下OC2不應有誤動作。 ■電纜的保護協調 決定電纜的規格時，不僅需要考慮通電容量，而且還要考慮短路電流的大小。 ●系統的條件 ·系統電壓 ：6kV ·額定值負載電流：70A ·恒長 ：20m ·種類 ：CV電纜（3芯1條） ·布設條件 ：空中暗渠式 ●電纜的選定 根據「CV電纜的容許電流值表」保留一定的余量，選擇22mm2的電纜。 通電容量最大為105A，與70A相比有充分的余量。 CV電纜容許電流值表 布設條件 公稱 截面積 空中暗渠式 管路式 單芯 3條 3芯 1條 單芯4孔 3條 3芯4孔 4條 250mm2 645A 490A 550A 320A 200mm2 535A 410A 470A 275A 150mm2 475A 360A 415A 250A 100mm2 350A 260A 315A 185A 60mm2 265A 195A 245A 150A 38mm2 200A 145A 190A 115A 22mm2 140A 105A 135A 84A 14mm2 110A 83A 107A 67A 8mm2 79A 59A 78A 49A 接下來探討在電纜送出端發生3相短路事故時的短路電流是否超過「CV電纜的短時間耐量」。 如上所示，此時的短路電流為5570A，考慮到OCR+CB保護時的斷路時間為0.2s，在圖中繪制曲線后，可發現38mm2的電纜可充分承受。 用PF 代替CB 進行保護時，斷路時間在0.01s以下，因此8mm2的電纜也可以進行保護。 ●短路電流的計算 作為計算的條件 ·系統電壓V ：6kV ·電源短路容量Ps ：60MVA ·額定值負載電流I ：70A ·CV電纜（22mm2）的阻抗Z：0.840Ω/km ·CV電纜（22mm2）的恒長20m 以基準容量（P）為6MVA求得％阻抗。 電源側的阻抗為所有電抗部分，電纜的電抗作為電阻部分。 ●保護協調曲線 保護協調曲線根據上述求得的各數據和保護設備的特性在協調曲線上繪制曲線，從而判斷協調的好壞。 ■變壓器的保護協調 ●變壓器的故障原因和保護設備 變壓器的故障原因和其保護設備如下所示。 原因 保護設備 過載 溫度計（帶報警）、過電流繼電器（OCR）、熱量繼電器 內部事故 布赫霍爾茲保護繼電器比率差動繼電器 2次側電路的短路 電力熔斷器（PF）過電流繼電器（OCR） ●變壓器的特性 在變壓器的特性中，如下所示為保護上所需的特性。 變壓器勵磁沖擊電流示例（實效值換 算） 項目 變壓器 倍率（倍） 衰減時間 (Hz) 單相變壓器 6.6kV/210V 50kVA 10～18 2～7 100kVA 10～17 1.8～10 150kVA 10～15 2～10 三相變壓器 6.6kV/210V 300kVA 5.5～12 2～10 500kVA 5.5～12 2.6～5 變壓器的短路強度 熱性強度 機械性強度 ①以自我阻抗限制的電流 ②但是，小于%Z4%的則為額定值電流的25倍 2s 熱性強度 電流×2.5倍 保護協調的檢查要點 保護設備 檢查要點 PF ·變壓器的容許過載中熔斷器元件沒有熔斷 ·變壓器的勵磁沖擊電流中熔斷器元件沒有熔斷 ·2次側短路時，在變壓器的耐量內斷路 ·與高、低位保護設備的協調 OCR ·沖擊電流下無誤動作 ·與高、低位保護設備的協調 ●PF的適用 用電力熔斷器來保護單相變壓器、三相變壓器時，其適用示例如下圖所示。 PF的適用示例（T公司Q熔斷器的情況） 項目 單相(kVA) 5 7.5 10 15 20 25 30 50 75 100 三相 (kVA) 5 5A 7.5 10 10A 15 20 15A 25 30 20A 30A 50 75 100 150 200 40A 250 300 50A 75A   注1. 下圖所示為保護3 、1 、變壓器及高壓電容器，而使用電力熔斷器時，電力熔斷器的額定電流。   注2. 假定變壓器勵磁沖擊電流相當于變壓器額定電流×10倍0.1秒通電   注3. 假設高壓電容器的容量為變壓器存儲容量的1/3 以下，忽略電容器的充電電流。 ●實例討論 以下根據保護協調曲線進行討論。 ·OCR ： 應保持變壓器的過載保護和高壓母線的短路保護，與PF取得協調。 ·PF ： 變壓器的沖擊電流下不會老化，應確實可保護1次、2次側的短路故障。 ·ACB ： 變壓器的過載保護用。 ·MCCB ： MCCB以后的短路保護用。 ■過電流繼電器的保護協調 在電力系統上使用的繼電器，必須在全體系統中取得保護協調，過 電流繼電器也不例外。考慮設置在受電端的過電流繼電器的保護協調時，需要考慮以下項目。 (1) 在需要方系統內的短路、過載事故中應確實進行動作。（應該假設事故點，制訂阻抗圖像，計算故障電流） (2) PF·CB的情況下， PF （限流熔斷器）和CB（斷路器）應適當進行責任分擔。（PF的容量及CB的斷路容量的選擇等） (3) 應與高位系統的配電變電站OCR取得動作協調。（還應考慮OCR的慣性特性和斷路器的全斷路時間） (4) 應與需要方內的分支OCR取得動作協調。 (5) 應與低壓側MCCB （布線用斷路器）取得動作協調，使受電端OCR不會因低壓側事故而動作。 (6) OCR限時要素的動作時間不應超過變壓器的熱特性曲線。 (7) 接通斷路器時，應使OCR的瞬間要素不因變壓器內此時流通的勵磁沖擊電流而動作。 (8) 發生事故時變壓器、斷路器、電纜、CT（變流器）等設備應能承受短路強度及過載耐量。 (9) 應注意CT的選定。包括（容量、過電流常數等）。上述內容中，從OCR的使用方面來看（特別是分流的整定），（3）～ （7）項有著較大的關系。 ■保護協調曲線的制訂 在一張表上重疊描繪系統中設置的保護設備的動作時間特性，我們將此稱為保護協調曲線圖。描繪時，電流值換算為所有的高壓側。保護協調以限定事故為目的，因此該OCR一定比高位OCR先 動作。在同一事故電流值下受電端OCR （主側OCR）的動作時間應比配電變電站的動作時間短。 因此，為了使特性曲線不重復，應在動作時間整定及動作電流整定上加差。 另外，受電端OCR和低壓側事故的協調與MCCB有關。低壓負載在多數MCCB中被分支并保護，但MCCB 外殼（電流值）較大時，在動作特性曲線的A部可能會與OCR動作特性重疊。此時，無論事 故是否限定在低壓側，受電端的OCR先開啟動作，全部停電，發生故障。為了防止這種情況，應將MCCB的外殼分割，或使用使限時要素部分動作時間特性傾斜的、具有強大特性的OCR。 變壓器的熱特性有壽命規定，在保護協調曲線上也可對此進行描繪。變壓器的過載保護也是受電端OCR的重要作用之一，因此OCR的動作特性必須位于這一熱特性的下側。 另外，接通斷路器時，會有勵磁沖擊電流流向變壓器，還應考慮與該電流的協調。關于該內容將在下頁詳細說明。在受電端OCR中，與瞬間要素的分流整定有關。 ■關于沖擊電流 接通受電端的斷路器后，區域內電氣設備充電，流通過渡性電流。 在此期間，考慮①變壓器的勵磁沖擊電流、②高壓電容器的充電電流對受電端OCR產生的動作影響。 ●變壓器的勵磁沖擊電流 ·如果變壓器在無勵磁的狀態下，向1 次側急劇施加電壓（接通后），由于變壓器不會發生逆電動勢，因此鐵芯的磁束暫時是飽和的。 電抗為零，與變壓器的1次側短路為同一狀態，過渡性流通過大電流。第1波的波高值達到額定電流的十幾倍甚至幾十倍，峰值的連接時間為1-2Hz，需花2-3秒的時間穩定至額定電流。將此稱 為勵磁沖擊電流。 勵磁沖擊電流的大小和持續時間不能一并進行計算，根據①變壓器的種類、②施加電壓、③接通相位、④鐵芯的殘留磁束、⑤變壓器的負載狀況等會發生較大變化，且每次接通也會有所差 異。 1次電壓突然變動時，也會發生同樣的現象。 ·勵磁沖擊電流可稱為衰減，由于峰值較高，連接時間較長，接通斷路器時OCR可能會進行動作。因此，決定整定值，描繪保護 協調曲線時，必須考慮該勵磁沖擊電流。 ·雖然OCR根據勵磁沖擊電流動作，但由于接通斷路器時不能鎖定OCR，因此在描繪保護協調曲線中，選擇整定值（特別是瞬間要素動作電流值），使其在勵磁沖擊電流不動作，在短路事故 中進行動作。 接下來將對該方法進行說明。 (1) 額定電流10倍的電流點為0.1秒 以往的思維方式為，勵磁沖擊電流描繪變壓器額定電流10倍 的電流值和0.1秒時間點的曲線，使OCR的動作時間特性曲線不會下降。但是，這里為1點，不能判斷其前后的情況，在變壓器逐漸邁向小型化的今天，導致瞬間要素的分流值增大。（從以下內容來看可發現過分考慮安全方面了） (2) 根據每個勵磁沖擊電流的經過時間的電流值描繪曲線 為選擇最佳瞬間分流值，至少需要了解在保護協調曲線上表 示的勵磁沖擊電流的衰減曲線。 右表所示為對每個變壓器容量經過時間后的電流值進行計算的示例。計算的基礎是變壓器廠家提供的①第一波波高值（倍數）、②衰減時常數（循環）、③勵磁沖擊電流的實效值一時間曲線等。為具體描繪保護協調曲線，用電流值表示。例如油入的三相變壓器300kVA下， 0.01秒時流通218A，0.05秒時流通146A，0.1秒時流通119A。因此，將這些值描繪成曲線。如果這個系統中有單相100kVA的變壓器，加上該變壓器部分的電流， 0.01秒時則為218+272=490A。 由于這個表中的數值是在最大值附近計算得出的值，因此根據該表，通過描繪勵磁沖擊電流曲線，基本上可以防止OCR的動作。 變壓器勵磁沖擊電流（單相）：6,600V 種類 變壓器的容量 經過時間后的電流值(A) 容量 (kVA) 額定值 電流(A) 0.01s后 0.05s后 0.1s后 0.5s后 1s后 5s后 油入式變 壓器 10 1.5 35.6 21.1 16.1 7.2 5.3 2.4 20 3.0 67.2 42.0 32.6 14.7 10.5 4.8 30 4.5 97.9 61.2 47.4 21.4 15.3 7.0 50 7.6 165 109 85.3 38.8 28.4 12.9 75 11.4 212 139 109 49.6 36.4 16.5 100 15.2 272 179 140 63.8 46.8 21.3 150 22.7 349 234 191 92.6 65.4 28.9 200 30.3 427 287 233 113 80.0 35.3 300 45.5 524 360 303 147 106 50.8 500 75.8 825 580 490 245 180 82.5 模鑄式 變壓器 10 1.5 30.7 18.2 13.9 6.2 4.6 2.1 20 3.0 57.6 34.2 26.1 11.7 8.6 3.9 30 4.5 77.8 48.6 37.7 17.6 12.2 5.6 50 7.6 107 66.9 51.8 23.4 16.7 7.7 75 11.4 153 101 79.0 35.9 26.3 12.0 100 15.2 175 115 90.3 41.0 30.1 15.2 150 22.7 218 146 119 57.9 40.9 22.7 200 30.3 271 187 153 76.4 55.1 30.3 330 45.5 379 266 225 112 82.8 45.5 500 75.8 631 453 394 217 158 75.8 變壓器勵磁沖擊電流（三相）：6,600V 種類 變壓器的容量 經過時間后的電流值(A) 容量 (kVA) 額定值 電流(A) 0.01s后 0.05s后 0.1s后 0.5s后 1s后 5s后 油入式 變壓器 20 1.7 28.3 16.8 12.8 5.7 4.2 1.9 30 2.6 43.3 25.7 19.6 8.8 6.4 2.9 50 4.4 64.8 40.5 31.4 14.2 10.1 4.7 75 6.6 76.0 47.5 36.8 16.6 11.9 6.6 100 8.7 94.7 59.2 45.8 20.7 14.8 8.7 150 13.1 117 77.0 60.5 27.5 20.2 13.1 200 17.5 146 95.6 75.1 34.1 25.0 17.5 300 26.2 218 146 119 57.9 40.9 26.2 500 43.7 308 212 178 86.5 62.5 43.7 750 65.6 462 325 274 137 101 65.6 1,000 87.5 616 433 366 183 135 87.5 1,500 131 755 542 472 259 189 131 2,000 175 896 672 616 364 252 175 模鑄式 變壓器 10 0.9 15.6 9.2 7.0 3.2 2.3 1.0 20 1.7 27.2 16.2 12.3 5.5 4.0 1.8 30 2.6 41.6 24.7 18.9 8.5 6.2 2.8 50 4.4 62.0 38.7 30.0 13.6 9.7 4.5 75 6.6 88.7 55.4 43.0 19.4 13.9 6.6 100 8.7 111 73.1 57.4 26.1 19.1 8.7 150 13.1 151 99.0 77.8 35.4 25.9 13.1 200 17.5 190 125 98.2 44.6 32.7 17.5 300 26.2 252 169 138 66.8 47.2 26.2 500 43.7 420 295 249 125 91.8 43.7 750 65.6 504 354 299 150 110 65.6 1,000 87.5 616 443 385 212 154 87.5 ●高壓電容器的充電電流 系統中有進相用的電容器，接通斷路器時，流通過渡性充電電流。與變壓器的勵磁沖擊電流相比，由于線路常數值較小，時間常數極小，立即衰減。因此，在OCR的瞬間要素的動作時間值0.02-0.05秒以下為恒定狀態，無需顧慮OCR動作。但是，峰值時可能為幾十倍-幾百倍，該電流的電壓下降（即電壓），可能會在CT的2次側引起瞬間溢出事故，或使含電力熔斷器的電路熔斷、老化。 ●充電電流的大小 以下為一定條件下的充電電流，僅供參考。 高壓電容器充電電流 電容器容量 (kVA) 額定值電流 (A) 電線徑 （假設） 經過時間后的電流值(A) 插入6％電抗 t＝0的最 大值 0.005s 后 0.01s 后 0.02s 后 0.05s 后 0.1s后 電抗容量(kVA) t＝0的最大值 10 20 50 75 100 200 500 750 1,000 0.9 1.7 4.4 6.6 8.7 17.5 43.7 65.6 87.5 2.6mm2 2.6mm2 2.6mm2 3.2mm2 4mm2 22mm2 50mm2 80mm2 100mm2 149 249 336 428 503 736 1,226 1,548 1,819 1.3 2.3 5.2 12.5 38.2 146 544 929 1,383 0.9 1.7 4.4 6.7 10.5 40.3 256 564 1,057 0.9 1.7 4.4 6.6 8.7 18.2 82.0 233 636 0.9 1.7 4.4 6.6 8.7 17.5 43.9 72.0 105 0.9 1.7 4.4 6.6 8.7 17.5 43.7 65.6 92.9 — — 3 4.5 6 12 30 40 60 — — 5.9 8.9 11.7 23.6 58.9 88.3 118 上表所示值為通過線路常數，在電容器上施加電壓波高值時的過渡電流和恒定狀態下流通的交流電流相加所得的最大值。過渡電流為電容器容量和線路常數決定的固有頻率的高次諧波電流，如右圖所示，為衰減波形。 ■保持協調示例 在某系統示例中，計算變壓器的勵磁沖擊電流的曲線，據此求出不動作OCR的瞬間分流。 ①首先，在保護協調圖表上描繪K2CA的動作時間特性曲線。限時整定為4A， ②接著根據變壓器勵磁沖擊電流表，按變壓器容量列出計算的電流值，此時有2個變壓器，因此對其進行加法計算。 0.01s 0.05s 0.1s 0.5s 1s 5s 3φT 300kVA 218A 146A 119A 57.9A 40.9A 26.2A 1φT 100kVA 272A 179A 140A 63.8A 46.8A 21.3A 合計 490A 325A 259A 121.7A 87.7A 47.5A ③在圖表上描繪時間和電流值的曲線。 ④該勵磁沖擊電流曲線選擇與OCR瞬間要素時間特性不交叉的瞬間要素分流，此時為40A以上。 ⑤在以下保護協調示例中，用虛線表示額定電流的10倍、0.1秒的點，由此則為50A以上。 ⑥在高壓電容器充電電流表上描繪電容器的充電電流。該曲線的電流值較小，即使按勵磁沖擊電流曲線和時間進行相加，也與勵磁沖擊電流曲線有較大的差異，從OCR的動作方面來看，可發 現僅考慮勵磁沖擊電流即可。 ■關于CT的選擇 為正確使用OCR，必須注意對事故電流進行檢測的CT。OCR用的 CT在事故時，必須使OCR正確動作，不會發生誤動作、誤不動作。因此，恒定狀態的誤差沒有太大關系，而CT的過電流區域的特性較為重要。容量（VA）不足的CT中流通額定電流值以上的大電流時，會使CT引起磁飽和， OCR中流通的電流不會與CT1次電流成比例增加，其結果導致瞬間要素動作值的誤差增大。另外，在CT2次電流解扣方式下，如果OCR動作，跳閘線圈施加到CT的負載上， CT的飽和將變得更高，電流實效值減少，雖然OCR在動作，但會發生不能跳閘的情況。因此，選擇CT的容量、過電流常數時必須充分討論。 請參考以上公式。 另外，CT2次電流解扣方式OCR中，如果CT容量過大，2次負載極少，OCR的跳閘接點將會開放較大的事故電流，導致接點的損傷。

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