阿尔斯通P系列继电保护装置手册P241_chap4 P46

1、技术指南TG 1.1555MiCOM P241第第 4 章章使用说明使用说明技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 1/45目录使用说明目录使用说明1.介绍介绍51.1异步电动机和同步电动机的保护异步电动机和同步电动机的保护51.2P241 继电保护装置介绍继电保护装置介绍51.2.1保护功能51.2.2非保护功能62.单个保护功能的应用说明单个保护功能的应用说明72.1热过负荷保护热过负荷保护72.1.1介绍72.1.2热复制82.1.3整定原则92.1.4热状态修正122.1.5热检测装置的作用142.1.6特殊应用152.2电阻温度探测器电阻温度探测器152.

2、2.1RTD 热保护功能152.2.2RTD 热保护的整定162.3短路保护短路保护162.3.1整定原则162.3.2整定示例172.4接地保护接地保护172.4.1直接接地系统192.4.2不接地系统202.4.3电阻接地系统222.4.4经消弧线圈接地系统242.4.5功率测量的特点292.5剩余过压（中性点电压偏移）保护剩余过压（中性点电压偏移）保护302.5.1整定原则322.6负序保护负序保护322.6.1启动或运行时缺相342.6.2逆相序检测352.7启动启动/堵转保护堵转保护35TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 2/45MiCOM P2412.7.1过长的启动时

3、间/堵转保护 - 堵转时间启动时间352.7.2堵转保护362.7.3过长的启动时间/堵转保护 - 堵转时间启动时间362.8启动次数限制启动次数限制372.9低电压保护（重加速）低电压保护（重加速）372.10欠压保护欠压保护372.10.1原理372.10.2整定原则382.11失负荷保护失负荷保护382.11.1原理382.11.2整定原则382.12同步电机的保护同步电机的保护392.12.1失步保护392.12.2失电393.关于其它保护关于其它保护404.非保护功能的应用非保护功能的应用404.1断路器的状态监视断路器的状态监视404.1.1断路器状态监视功能404.1.2整定原则

4、404.2断路器的控制断路器的控制415.对电流互感器对电流互感器/电压互感器（电压互感器（CT/VT）的要求）的要求42技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 3/45插图插图图 1 整定示例11图 2 热曲线修正13图 3 过电流保护元件16图 4 安装在电缆上的铁芯平衡式电流互感器18图 5 熔断器特性20图 6 当绝缘系统中发生 C 相接地故障时，系统中的电流分布21图 7 绝缘系统发生 C 相接地故障时的矢量图21图 8 - 方向跳闸特性23图 9 - 消弧线圈接地系统的电流分布24图 10 - 发生 A 相接地故障时的电流矢量图25图 11 - 发生 C

5、 相接地故障时的电流分布图25图 12 理想情况 XL 或 XC 中不存在电阻分量26图 13 零序网络中的剩余电流27图 14 - 实际情况：- XL 和 XC 中存在电阻分量28图 15 - 差电流的阻性分量29图 16A - 剩余电压31图 16B - 剩余电压32图 17 - 等效电路33图 18 断路器的远程控制42TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 4/45MiCOM P241空白页空白页技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 5/451.介绍介绍1.1异步电动机和同步电动机的保护异步电动机和同步电动机的保护异步电动机（也称感应式电动机）和同

6、步电动机在全世界的许多工业生产中扮演着极其重要的角色，可以说，离开了它们，其中绝大多数的工业生产将无法继续进行。显然，电机一旦损坏不仅仅是可能需要重新绕制，这将使生产陷于停顿，从而给工厂带来高昂的停机损失。如果受损电机的安装位置不方便检修，如很难接近的某一角落，或没有现成的备件可更换，将会使情况变得更糟。因此，为减少电动机损坏对生产造成的影响，对故障进行预警是非常重要的。所以，我们可以采用功能完备的继电保护装置，如 P241 来保护电机不会发生灾难性的故障，或在电机将发生故障前给操作人员发出报警，从而减少停机时间。当然，对于任何保护装置，都必须做到：当电机处于异常情况时保证可靠动作，而在电机处

7、于正常状态时不能影响它的连续运行。不幸的是，电机的特性极大地依赖于其实际的应用场合。所以对于每一应用场合都要很仔细地考虑电机保护装置的技术规格和参数整定。例如：在使用过负荷保护时，必须知道电机的启动、失速的电流和时间，同时还需要定义电动机在平衡和不平衡负载下的热承受能力。可能需要电机保护装置检测的状态可以分为两大类：外部状态和内部状态。第一大类包括：供电电压不平衡、欠电压、单相运行、逆相序启动，对于同步电动机，还包括失步等；第二大类包括：轴承故障、内部支路故障（一般为接地故障）以及过负荷等。1.2P241 继电保护装置继电保护装置介绍介绍MiCOM 继电保护装置是 ALSTOM 输配电保护和控

8、制部开发的新系列产品。MiCOM系列采用最新的数字技术，所设计的各种保护装置可用于保护电力系统中的各类设施，如电动机、发电机、馈线、架空线及电缆等。为了使产品之间具有更高的通用性，这些装置在设计时采用了一致的硬件及软件平台。MiCOM 系列中有一类产品为电机继电保护装置。它可以为那些需要全面保护的异步电动机和同步电动机提供各种保护功能。该装置还设计有很多非保护功能，以帮助进行电力系统诊断和故障分析。通过装置的远程串行通讯功能，可以在远端实现所有这些功能。1.2.1保护功能P241 集成了许多种保护功能。现将这些保护及与保护有关的功能列举如下：热过负荷保护 采用热复制方式对电动机的热状态进行监视

9、，在发现异常时发出跳闸或报警信号。灵敏方向接地保护 SDEF（灵敏方向接地故障）元件提供两个独立的段，可以选择是带方向的还是不带方向的。第一段可选择为反时限 IDMT 或定时限 DT，第二段只能为 DT。剩余过电压保护 提供接地故障检测，共设两段。第一段可选择为反时限 IDMT或定时限 DT，第二段只能为 DT。消弧线圈接地故障保护 瓦特制式带延时的后备保护，用于消弧线圈接地系统的接地故障保护。短路保护 带定时限特性的过流元件，用于相间及相-地故障保护。TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 6/45MiCOM P241超时启动/转子堵转保护 为电机在启动过程中堵转提供保护。失速保护

10、为电机在运行过程中失速提供保护。启动次数限制 可以选择在某一设定时间内允许的电机热启动和冷启动次数。负序不平衡/单相 反时限特性，带报警和跳闸门槛电流设定。逆相序检测 用于确保供电相序正确。可用于断路器合闸回路联锁。低正向功率 用于负荷丢失检测。欠电压保护 有两个独立的段，每段都能提供报警和跳闸信号。第一段可选择为反时限 IDMT 或定时限 DT，第二段只能为 DT。低电压保护 允许电机在系统电压瞬时降落后重加速。过电压保护 - 提供两个独立的定时限特性段。欠频率保护 -有两个独立的段，每段都能提供报警和跳闸信号。失步/功率因数保护 用于同步电动机的失步保护。电阻温度探测装置 提供 10 个

11、RTD 输入，用于温度监视。可编程图形逻辑 允许用户根据特定的应用案例定制保护和控制逻辑。1.2.2非保护功能P241 集成的非保护功能列举如下：就地/远程测量 各类测量值可在保护装置上显示，或通过串行通讯远程访问。故障记录/事件记录/故障录波 通过串行通讯远程访问或在保护装置上显示（仅指故障和事件记录）。实时时钟/时间同步 可通过装置的 IRIG-B 输入实现时间同步。两个整定值组 两个独立的整定组，使装置适用于不同的电机参数。远程串行通讯 允许远程访问保护装置，支持下述几种通讯协议：Courier、MODBUS、WorldFIP 及 IEC870-5。连续自检 上电自诊断以及自检功能使装置

12、具有极高的可靠性和有效性。断路器位置监视 监视断路器辅助接点的状态是否一致。断路器控制 可就地借助装置的用户接口，或远程通过串行通讯实现断路器控制。断路器状态监视 提供关于断路器操作次数、总开断电流及总操作时间的记录/报警输出。调试功能。出口继电器自保持可设定。技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 7/452.单个保护功能的应用单个保护功能的应用说明说明下面各节中将详细讲述装置的每一保护功能以及应在何处和怎样使用它们。每节还将给出相应菜单的摘要，用以演示应怎样对装置进行整定。P241 的菜单中有一个名为“CONFIGURATION”（配置）的菜单列。设计“CONF

13、IGURATION”菜单列的目的是可以让使用者可以在菜单中的某一处集中进行装置的总体配置。在该列内被禁用的功能或使之不可见的功能选项将不会再在主菜单中显示。关于“CONFIGURATION”菜单列的完整说明请参见本技术指南中的用户指南部分。2.1热过负荷保护热过负荷保护2.1.1介绍电机过载将可能导致其定子温升超过绕组绝缘的热容限。根据经验，在额定温度以上，温度每升高 10，绝缘的寿命将减半。尽管如此，绝缘的寿命也并不完全取决于温升，它还与高温的持续时间有关。由于感应式电动机的热容量相对较大，不频繁的短时过载并不会对电机造成伤害。然而，哪怕是几个百分点的持续过载也会使绝缘过早老化或损坏。由于电

14、动机的物理和电气结构比较复杂，又被广泛的用于各种不同的场合，可能出现的异常运行情况多样，以及可能发生的故障各不相同，这些原因使得电动机的热模型关系式非常复杂。因此就无法建立一个能描述电动机实际发热特性的精确数学模型。然而，如果将电动机看作是一个均质体，以恒定速率增加热量，并以与其温升直接成比例的速率散热，那么我们就可通过下式得到任何时刻电机的温度：T = Tmax(1-e-t/)式中：Tmax = 最终稳定状态时的温度， = 加热时间常数，假定热平衡方程式如下：增加的热量 = 储存的热量 + 散发的热量温升与电流的平方成正比：T = KIR2(1-e-t/)式中：IR = 如果在电机内连续通过

15、该电流，电机温度将达到 Tmax那么对于过负荷电流I，电机温度可由下式得到：T = KI2(1-e-t/)要使一台电动机不超过其额定温度，那么电机能承受的过负荷电流I的时间t可用下式表达：t =.log1/1-(IR/I)2因此，一个过负荷保护元件应满足上式。其中 IR可以是电动机的满负荷电流，也可以是满负荷电流的百分数，这由电动机的设计决定。TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 8/45MiCOM P241如上所述，把一台电机看作是一个均质体确实过于简单。实际上，电机的各部位，甚至同一部位中的不同点，其温升都可能是很不均匀的。但是有理由相信，其电流与时间成类似于反比的关系。如果需要

16、获得电机更精确的热状态，我们可以针对一些特殊的位置采用温度监视装置（RTD）。2.1.2热复制P241 保护装置根据电机的时间电流热特性，在其内部复制生成一个电机的热模型。装置的热过负荷保护功能可以由用户启用或闭锁。保护装置对流过电动机的正序和负序负载电流进行单独测量，然后将这些测量值综合，得到一个等效电流 IEQ供热复制回路使用。热复制产生的热效应由 IEQ2来生成，这样在计算时也就同时考虑了电动机的正序和负序电流所产生的影响。过负荷保护功能生成的等效电流按下式计算得出：Ieq = (I12 + KI22)式中：I1 = 正序电流I2 = 负序电流K =与电机热容量成比例的一个常数，可由用户

17、整定。如上所述，电动机的温度将按指数关系随着电流地增大而升高。同样，其温度也会按这种关系随电流的减小而降低。为了更好地实现过负荷保护，P241 中对时间常数提供了很大的整定范围，以保证在电机升温和降温的过程中，装置中的热模型与实际受保护的电动机更为接近。此外，电机的热承受能力还要受到故障前电机绕组的热状态的影响。所以在设计热复制功能时，还对极端的情况进行了考虑：一种为故障前电流为零，也即是常说的“冷状态”；另一种为故障前电流为额定电流，也即是常说的“热状态”。若故障前电流为零，装置将根据“冷状态曲线”计算；若故障前电机在或曾经在额定电流下运行，那么装置将采用“热状态曲线”计算。在正常运行方式下

18、，P241 将运行在这两种极限状态之间，除非通过编程使其不以这种方式运行。为了对电动机的所有运行状况，都能实现对电动机的保护，过负荷曲线中引入了三个独立可调的时间常数：Ith = 热电流整定。T1 = 当电流处于 Ith和 2Ith之间时的过负荷时间常数。T2 = 当电流大于 2Ith时的过负荷时间常数。Tr = 当电机停止时的冷却时间常数。下式用于计算在某一给定电流下的跳闸时间。注意：当电机达到其 100%热状态时，保护装置将产生跳闸信号。t = T loge (k2 - A2)/(k2 - 1)其中：T = T1 if Ith Ieq 2IthT = Tr if Ieq = 0（断路器断开

19、）技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 9/45k = Ieq/IthA2 = 电机的初始状态2.1.3整定原则2.1.3.1热整定值 IthIth的整定取决于被保护电机的类型。大多数电机都被称为 CMR（连续最大额定）电机。这类电机允许工作于铭牌标识值或承受连续的满负荷电流。CMR 电机可以运行在低于其 CMR 值的负载下，而将其跳闸电流整定为 CMR 值。此外，在对非 CMR 类电机的 Ith进行整定时，应考虑在不造成过热损坏情况下电机可承受的过载量。典型的过载允许值一般在电机额定温度的 10%范围内。考虑到电机的温升约等于其电流的平方，所以 10%的温度过载

20、大致对应于 5%左右的电流过载。整定示例：下面列出的电机参数用来帮助解释如何整定 P241：电压11 KV满负荷电流293 A启动电流470 %启动时间10 s升温时间常数20 分钟冷却时间常数100 分钟热状态下转子堵转承受时间20 s冷状态下转子堵转承受时间30 s电流互感器（CT）变比300/1电压互感器（VT）变比11.5 KV/110 V启动方式D.O.L在这个应用实例中，我们假设该电机为 CMR 型，因此，其 Ith值可由下式计算得出：Ith = ICMR x (1/CT ratio)其中：ICMR = 电机连续运行的额定值所以：Ith = 293/300 = 0.976 In因此

21、整定为：Ith = 0.98 In2.1.3.2系数 K常数 K 用于增加热复制中负序电流的影响。该因子应整定为额定速度下电机负序阻抗与正序阻抗的比值。当难以计算得到实际值时，可以使用缺省的整定值 3。这一典型整定值可以满足大多数应用场合的要求。因此整定为：K = 3TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 10/45MiCOM P2412.1.3.3热时间常数装置中需整定的升温、冷却时间常数应根据电机定子的升温、冷却时间常数确定。装置的升温时间常数（T1）应整定为与电机定子的升温时间常数相等或尽可能地接近，该参数由电机制造厂家提供。在实际应用时，将 T1 整定为略微小于定子的升温时间常

22、数是一个好的方法，这样可去除装置误差带来的影响。但一般情况下没有必要这样整定，因为电机制造厂家在提供定子热时间常数时都比较保守。在 2 倍 Ith以上时，装置将自动使用 T2 来修正某些应用场合下电机启动期间的热曲线，如：使用星形/三角形降压启动的电机。正常运行时，电机以三角形接法运行，实际流过电机绕组中的电流仅是装置检测到的电流的 57%。而在启动时，电机为星形接法，电机绕组中的电流与装置检测到的电流相等。因此，我们就可以用 T2 来减少电机启动时装置的动作时间。对于采用直接启动（DOL）的电机，整定时，应使 T1 等于T2，这样就能获得一条连续的热特性曲线。在时间电流图上绘制出选定的热特性

23、曲线很重要，因为这样可以确保冷特性曲线与启动特性曲线不会相交。在某些应用场合下，我们无法得到电机的热时间常数。但有可能得到关于这些值的曲线图。这种情况下，在选择电机定子升温时间常数时，应使绘制出的时间电流曲线近似地与电机的冷态曲线相匹配。而在那些既不能得到电机的热时间常数，也不能得到热曲线图形的情况下，选择的 T1和 T2 应使热特性曲线位于启动特性曲线的上方，但小于电机堵转的持续时间。此时，热过负荷保护同时也具有了一定的堵转保护的能力。Tr 为冷却时间常数。该整定值对于周期性运行的电机极为重要，因为在电机升温和冷却的过程中装置需要获得电机热状态的准确信息。一般情况下其整定值为 T1 的倍数，

24、并略微大于电机自身的冷却时间常数。整定示例：在本例中，假定电机的热时间常数已知，所以我们将保护装置的时间常数整定如下：整定值为：T1 = 20 分钟分钟T2 = T1，因为电机为，因为电机为 DOL 启动方式启动方式Tr = 5T1 = 100 分钟分钟这些整定值以图形方式示于图 1 中。技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 11/45 图 1 整定示例TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 12/45MiCOM P2412.1.4热状态修正当 CMR 型感应电动机运行于满负荷状态下时，就热复制模型而言，这对应于 100%温度。因此通常将电机保护装置整定为

25、在电机达到 100%温度时跳闸。然而，定子达到100%的温度，并不一定就说明转子就达到了 100%的温度，此时转子甚至还有可能低于允许温度的 50%。这主要是因为转子绕组比定子绕组散热更快，特别是带风扇或采用风冷的电机。在电机启动时，滑差较小，定子、转子电流都很大，所以定子和转子绕组都会升温。尽管如此，一般情况下，电机的设计都允许电机在未超过定子额定温度运行后，再启动一次。若从冷态时开始升温，电机的热复制曲线采用冷态特性曲线，这种情况下的跳闸时间最长。当电机运行一段时间后，装置的热跳闸时间将减小，最终减小到热态曲线上的最小值。不幸的是，任何电流快速增大的情况（如启动时），将有可能导致不必要的跳

26、闸，如图 2 所示：技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 13/45图 2 热曲线修正TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 14/45MiCOM P241以前，电机制造厂家和最终用户已经认识到了定子热模型的限制，并在设计时采用人为加大电机尺寸的办法来加以解决，但是显然这种方法的代价过于高昂。P241 保护装置加入了热状态修正功能，藉此克服这一问题。如前所述，我们知道本装置有两个时间常数（T1 和 T2），适用于诸如星/三角形启动等应用场合。在本例中，我们在整定时使 T2 小于 T1。然而，对于 DOL 工作方式的电机，为实现热状态下的重新启动，则应使 T

27、2 大于 T1，以避开电机的启动特性曲线。如图 2 所示。还有一个问题就是：多次启动所累积的热量将可能使电机升至危险温度，而这种情况下过热保护却不会动作。幸运的是，现在的电机制造厂家已经能够提供关于电机热启动允许次数方面的数据了，这样我们就可以采用单独的“超时启动保护”功能来确保电机的安全了。（参见本技术指南中的用户指南）2.1.5热检测装置的作用电机设计在一定的环境温度下运行。如果环境温度高于规定值，电机即便是带额定负载运行，绕组也有可能出现过热现象，从而导致电机绝缘损坏。所以如果电机运行在环境温度波动较大的环境下，对热过负荷曲线进行补偿以获得更为准确的热过负荷保护极为重要。在特定位置上安装

28、温度传感器可以提供环境温度的信息，于是装置就可根据环境温度修正热复制模型。对于电机特别有害的环境包括：直接日照、锅炉房、热带环境等，另外必须通过强制冷却才能可靠运行的电机也是需要予以特别保护。环境温度的变化将直接影响到电机的输出功率，下表所示是一台典型电机的输出功率随环境温度变化而变化的情况：环境温度（）4045505560输出功率与电机额定功率之比（%）10095908580由于在电压一定的情况下，电机的额定功率与其额定电流成线性关系，所以上表同样适用于电机的额定电流。过热保护的整定值直接与额定电流成比例关系。所以为补偿环境温度的变化，在下述情况下，装置将根据环境温度的变化对热整定值做适当修

29、正：在计算热状态时，在检测过热报警时，在检测热过负荷时，在检测过热停机时。根据环境温度计算得出的修正系数如下表所示，该系数将与热门槛值相乘。环境温度（）404550556065所乘系数10.950.900.850.800.75P241 允许最多有 10 个 RTD（电阻温度探测器）输入，其中的两个（一个为主温度探测器，另一个为后备）可用于测量外部/环境温度，并将测量值用于热曲线的修正。技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 15/452.1.6特殊应用2.1.6.1启动时闭锁过热跳闸当电机的启动条件较为恶劣时，如较长的启动时间或很大的启动电流，这种情况下，有可能需要

30、闭锁装置的热过负荷功能。当启用该功能后，如果在电机启动结束前，计算得出的热状态达到 90%，那么在剩余的启动时间内，该值将被一直保持为 90%。直到启动结束后，保护装置才解除闭锁。需要注意的是，该禁止功能不影响过热报警动作。2.1.6.2紧急重启动如果一台电机是生产线上必不可少的设备，有的时候即便是在严重过载条件下，也可能必须让其持续运行。这就意味着电机可能要承受高于设计值的高温。此时将缩短电机绝缘的寿命，在极端情况下，甚至可能使电机烧毁。因此，应根据实际情况决定是否投入本功能。2.1.6.3过热报警过热报警门槛值用电机热状态的百分比表示，当热状态达到预设定值时装置将发出报警信号。过热报警门槛

31、值没有绝对的设定值，而是随实际应用情况的不同而不同。典型的整定值为 90%。2.1.6.4启动闭锁该项功能用于在电机未冷却到启动闭锁门槛前，禁止电机重新启动。该门槛值用电机热状态的百分比表示。装置上设计有一个用于该功能的接点，当热状态达到该整定值时接点断开，当热状态回落至整定值以下时，接点闭合。将该接点接入电机启动回路中，就可实现热启动闭锁功能。闭锁门槛值没有绝对的设定值，需视电机的热再启动承受能力而定。其典型整定为最小值：20%Ith。2.2电阻温度探测电阻温度探测器器电动机或发电机过长的过载时间将会使绕组过热，从而导致绝缘过早老化，在极端的情况下，甚至会损坏绝缘。电机轴承磨损或润滑不良则会

32、引起轴承局部过热。为避免电机整体或局部过热，P241 保护装置上设计了多个电阻温度探测器（RTD）输入，可以针对性地将这些探测器放置在电机中容易过热或容易因过热而损坏的部位。当电力变压器离被保护的电机较近时，甚至可以用部分 RTD 来检测变压器温度，实现变压器的超温保护。这样就可以有效防止变压器绕组高温区过热或绝缘油超温。2.2.1RTD 热保护功能一般 RTD 探测头的典型测温范围在40 至+300内。保护装置可以检测到每一个探测头位置的温度，并将此用于：温度监视，就地显示或经由通讯接口远程访问。当测量温度超过某一门坎温度后，经过一预设时间，发出报警信号。当测量温度超过某一门坎温度后，经过一

33、预设时间，发出跳闸信号。如果测得的电阻值超过允许范围，装置将发出 RTD 故障报警，用于指示 RTD 输入回路开路或短路了。TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 16/45MiCOM P241请注意，采用直接温度检测实现的热保护比基于相电流检测的热复制计算法具有更高的可靠性。热复制时使用的时间常数的准确性、环境温度变化导致的误差等都将影响后一种方法的准确度。2.2.2RTD 热保护的整定被保护设备的典型运行温度如下表所示。实际的数据必须从设备制造商处获得。参数参数满负荷下的典型运行温度满负荷下的典型运行温度短时过载短时过载电动机或发电机的轴承温度可能在 6080之间视轴承型号不同而不

34、同+60+80变压器上方油温80（高于环境温度 5060）通常假定一个绕组温升坡度，这样检测变压器上方油温的RTD 可提供绕组超温保护功能。绕组高温区温度在额定的绝缘老化速度下，约98在紧急情况下，重复过载可以高达+140对于每一 RTD 输入，P241 继电器都设计有一个带延时特性的报警门槛值设定。每一RTD 输入还带一个跳闸元件，同样设计有一个带延时特性的门槛温度。如果需要瞬动保护功能，可将延时时间整定为 0 秒。温度整定值可以摄氏度为单位进行整定，范围：0200。2.3短路保护短路保护由于电机相绕组间的绝缘相对较多，因此发生相间短路故障的现象较少。而由于电机定子绕组安装在接地金属外壳内，

35、所以电机内部发生的绝大部分故障都与接地有关，使得接地保护装置动作。尽管如此，一般来说，仍然需要设计了一个快速动作的过流保护元件，用于保护电机端子间发生的相间短路故障，如：端子间闪络。P241 继电器中的短路保护包括一个可调的电流门坎和一个时间整定值。为了避免在启动过程中，因电流互感饱和时的不对称性导致的跳闸，当电流在 I至1.21I之间时，该元件的最小动作时间为 100 毫秒。定时限特性如下图所示：图 3 过电流保护元件技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 17/452.3.1整定原则为了防止保护元件在电机启动时误动作，过流瞬动保护元件的动作电流一般整定为电机最大

36、启动电流的 1.25 倍。定时器的整定极大地取决于系统本身，典型的整定值一般在 100 毫秒内。注意，如果电机接触器前端带熔断器，那么应使过流保护与熔断器配合，这样就可以保护接触器，使其不必分断超过其断路容量的电流。2.3.2整定示例使用上例中的电机参数，那么应整定为：1电流整定值电流整定值 = （1.25 4.7293）/300 = 5.7IN1延时时间延时时间 = 100ms上述整定结果以图形方式示于图 1 中.2.4接地保护接地保护电机内部最常发生的故障是定子绕组故障。究其原因，一般是因为电机长时间或周期性过热，导致绝缘状况恶化。由于电机定子绕组安装在接地金属外壳内，所以电机内部发生的绝

37、大部分故障都表现为接地故障。采用的接地保护类型及 CT（电流互感器）的连接方式与发生接地故障时接地故障电流的大小相关。而接地故障电流的大小则与系统接地方式有关。P241 继电器的接地保护元件分为两段，分别为正方向、反方向或无方向可选。第一级为 IDMT 或 DT 可选，而第二级则只能选择为 DT。上文所述的反时限特性，满足下述等式：其中：t = 运行时间K = 常数I = 测量电流IS = 门坎电流的整定= 常数L = ANSI/IEEE 常数（IEC 曲线为 0）T = 时间乘数设定值或时间刻度设定值曲线标准KL标准反时限IEC0.140.020大反时限IEC13.510极端反时限IEC80

38、20长反时限UK12010中等反时限IEEE0.05150.020.114TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 18/45MiCOM P241大反时限IEEE19.6120.491极端反时限IEEE28.220.1297反时限US C085.9520.18短时反时限US C020.023940.020.01694注意，就时间整定而言，基于 IEEE 和 US 曲线的整定和 IEC/UK 曲线是不同的。乘数整定值（TMS）用于调整 IEC 曲线的动作时间，而 IEEE/US 曲线的调整则使用时间刻度整定参数来实现。无论是 TMS 还是时间刻度整定，都被用做基本 TMS 的乘数。注：附录

39、 1 中给出了全部的曲线。接地保护元件可以采用三相电流互感器（CT）的中性线接法或一独立的零序电流互感器。零序电流互感器一般为环形结构，电机的三相电缆穿过其内环，其优越性在于只需要使用一个 CT 铁芯，可用于代替那种三个二次绕组采用中性线连接的传统电流互感器。采用零序电流互感器做检测元件后，使继电器动作的电流互感器磁化电流将大约减少 1/3，这正是我们所需要的，因为在小电流的接地故障检测中，首要考虑的问题就是适应更低的电流整定值。另外，由于在正常平衡条件下，电流互感器中无二次电流流过，所以互感器初级额定值的选择可以不用考虑电机的满负荷电流。这样，就可以方便我们任意选取电流互感器的变比，使电流检

40、测更为准确。零序电流互感器一般安装在靠近电缆套附近的电缆上，其铁芯的开口式结构，使得我们可以方便地将它安装到已存在的电缆上。图 4 中列出了当使用零序电流互感器时，电缆外套的正确接地方法。技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 19/45图 4 安装在电缆上的铁芯平衡式电流互感器在需要采用带方向接地保护的场合，应使用剩余电压（3VO）对保护元件进行极化，可以采用两种方式来实现：将三相电压互感器的检测信号输入继电器或利用剩余电压输入。具体连接方式可通过 H.M.I 来选择。允许对两种不同的电压互感器接线方式设置不同的变比。2.4.1直接接地系统2.4.1.1原理在直接

41、接地系统中，由于接地故障电流一般整定为电机连续额定电流的 20%以上，因此互感器采用传统的剩余电流接法用于接地电流检测的是可以接受的。对低于上述整定值的情况，则更适于采用零序电流互感器来检测故障接地电流。需要注意的是，我们应确保继电器不会在电机启动时因互感器的非对称饱和所导致的差电流误动作。为使保护装置获得在这种条件下的稳定性，一般采用在继电器端串联一个稳定电阻的方式。该电阻值可由下式计算得出：其中：IO = 接地故障电流整定值，单位为安培Ist = 折算到互感器次级的电机启动电流Rct = 互感器次级的直流电阻N = 对于 4 线式互感器接法（星形点在互感器侧），该值为 1 对于 6 线式互

42、感器接法（两个星形点连接到继电器的控制盘上），该值为 2R1 = 继电器与互感器间的单线电阻Rr = 继电器的电阻，单位为欧姆2.4.1.2典型整定一般地，应将接地保护元件整定为无方向性，其值约为电机连续额定电流的 30%。如果使用了稳定电阻，那么接地保护元件应设为速断。如果未用，那么可以通过在接地保护元件中设置一个延时时间来实现非对称饱和状态下稳定性。具体的延时时间整定取决于系统本身的要求。TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 20/45MiCOM P241如果电动机接触器前端带熔断器保护，那么应给接地故障保护分级以确保接触器不必分断超过其断路容量的电流。示例见图 5：技术指南TG

43、 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 21/45图 5 熔断器特性2.4.2不接地系统2.4.2.1原理与地完全绝缘的电力系统，其优点在于当单相发生接地时，不会产生接地电流。因此，即便发生接地故障系统仍可维持运行。但其缺点也非常明显，系统中未接地相上出现极高的稳态及瞬态过压。显然，通过采用不接地系统可以获得一些运行优势，然而，能及时检测到系统发生的故障仍然显得极为重要。很明显，标准的电流动作式接地保护在这类系统里已不适用。采用剩余过压检测装置来检测故障是一个可行的办法。P241 型继电器中设计有该项功能，详见 2.5 节所述。尽管如此，如果要想在这类系统里实现更准确的接地保护

44、，可能只有使用高灵敏度的接地故障检测元件。这类继电器可以检测到接地条件下系统的不平衡充电电流，此时，我们就必须要采用零序电流互感器。如图 6 所示：接地保护继电器接地保护继电器TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 22/45MiCOM P241图 6 当绝缘系统中发生 C 相接地故障时，系统中的电流分布从图 6 我们可以看出，如果电机的供电线路无故障，继电器检测到的是电源馈线上自身充电电流的不平衡电流；如果发生接地故障，继电器上将检测到来自系统中其它线路的充电电流（在本例中为 IH1和 IH2），而故障相馈线自身的充电电流（IH3）则消失了。为进一步予以说明，参见图 7 所示的矢量图

45、。图 7 绝缘系统发生 C 相接地故障时的矢量图根据矢量图，我们可以看出，C 相接地导致未接地相电压升高到倍。图中，A 相3充电电流（Ia1）超前 A 相电压 90，同样，B 相充电电流也超前 B 相电压 90。技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 23/45零序电流互感器在无故障的电机供电线路上检测到的不平衡电流可以看做是 Ia1和 Ib1的矢量加，其和（剩余电流）正好滞后剩余电压（3VO）90。当无故障相的电压增大到倍后，这些相上的充电电流同样会增大到其稳态值的倍。所以，剩余电33流 IR1将等于相充电电流稳态值的 3 倍。矢量图上标识出的电机馈线无故障相和故

46、障相的剩余电流是反向关系，分别用 IR1和IR3表示。所以我们可以使用一个方向检测元件来实现精确的接地保护。如果极化电压 Vres（等于3VO）移相 90，那么故障馈线上的继电器检测到的剩余电流将位于方向特性曲线的动作区内，同时无故障馈线上的电流将落入制动区。应予以注意的是：P241 继电器的方向接地保护利用实际剩余电压作为参考输入信号，在其内部，该电压被移相 180，所以在矢量图上才表现为-3VO。如前所述，对于不接地系统，这种灵敏的接地保护元件所要求的特征角一般整定为90。但我们还应注意，这种整定对应于继电器采用这样的接法：动作电流的方向是自电动机馈线流向电源母线。关于继电器接法和动作电流

47、方向见附录 2 中的继电器接线图。P241 继电器从内部获得方向接地保护元件所需的剩余极化电压，所以我们就需要采用一个三相五柱式铁芯电压互感器或三个单相电压互感器，而不能采用三柱式铁芯电压互感器设计。五柱式铁芯电压互感器或三个单相电压互感器设计方案可让剩余磁通穿过电压互感器，从而使继电器获得所需的剩余电压；而用三柱式铁芯电压互感器不可能为剩余磁通提供通路，所以不适于此应用场合。另外，我们还可以使用一相间连接的电压互感器来驱动继电器，使用时，需将开口三角形绕组连接到继电器的剩余电压输入端。请注意：接地判别也可以不带方向控制功能，仅当我们可以把继电器整定为：大于受保护馈线的充电电流，小于其余系统的

48、充电电流时，就可能实现这种工作方式。2.4.2.2整定原则如前所述，继电器在故障馈线上检测到的剩余电流等于系统中其余线路流出的充电电流之和。此外，前文曾提及，在每一馈线上的两无故障相充电电流之和形成一个合成电流，其值为每相充电电流的 3 倍。所以，继电器所检测到的总不平衡电流等于系统中其余线路每相充电电流的 3 倍。因而我们一般将保护的动作电流整定为该值的30%，也即是等于系统中其余线路一相的充电电流。但是具体的整定最好还是根据现场情况来确定，这样方可根据实际结果获得最佳的整定使其更适用于要保护的系统。P241 继电器所提供的多种测量及故障记录工具在此就显得极为有用。对定时器的整定在这里可以不

49、那么严格，因为系统首先出现的故障一般表现为电容电流的出现。然而，紧随其后的故障就需要跳闸。如果电机接触器前端带熔断器，那么应使保护有足够的延时，这样就可以保护接触器，使其不必分断超过其断路容量的电流。2.4.3电阻接地系统将系统通过一电阻接地可以达到同时减少故障电流和瞬时过电压的目的。除此之外，电阻式接地系统在有害环境下（如矿山等）有时也表现出一定优越性，因为在系统发生接地故障时，接地电阻可以有效地减少接触电位和跨步电位。2.4.3.1整定原则在电阻式接地系统中，一般把故障电流限制为系统的满负荷电流。TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 24/45MiCOM P241在这种应用场合，

50、可以让继电器工作于无向保护方式，并把动作电流整定为小于最小故障接地电流的 30%，大于电机馈线稳态充电电流的 3 倍。（显而易见，根据图 5，无论系统采用何种接地方式，我们都可以从无故障馈线上检测到充电电流）关于延时时间的整定原则与直接接地系统的整定原则相同（见 2.4.1 节）。需要注意的是，如果因为电流大小的原因，无法满足上述适用于无方向继电器的整定原则，那么此时就需要采用更为灵敏的方向接地保护装置。这样就可以使继电器的整定值不必高于受保护馈线的充电电流。2.4.3.2高阻接地系统在某些应用场合，通过很大的电阻将接地故障电流严格限制。在这种情况下，一般我们应选择一个合适的接地电阻阻值，使故

51、障接地电流达到系统充电电流相同的数量级。所以，就极化电压（-3VO）而言，系统充电电流将对故障电流相位角产生显著的影响。在这种应用场合，我们就需要采用由零序电流互感器驱动的更为灵敏的方向接地故障保护元件。显然此时的继电器特征角应整定为 45（参见图 8）。但我们应注意到，这种整定对应于继电器采用这样的接法：动作电流的方向是自电动机馈线流向电源母线。继电器的电流灵敏度应大约整定为倍系统中其余线路充电电流的 30%（3 倍稳态2值）。正确的继电器接线方式对应于确定的动作方向，详见附录 2 中的继电器接线图。定时器的整定在这里可以不那么严格，因为系统首先出现的故障一般危害较小。尽管如此，紧随其后的故

52、障就需要跳闸。请注意，在带方向接地保护时，就 P241 继电器对电压互感器的要求而言，在这种应用场合下与 2.4.2 节所述是相同的。（R.C.A = 继电器特征角）图 8 - 方向跳闸特性技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 25/452.4.4经消弧线圈接地系统2.4.4.1原理一般来说，为限制因弧光放电引起的瞬时过压，同时也是为了方便检测和消除接地故障，电力系统一般都采用接地运行方式。阻抗接地运行方式在限制接地故障发生时的危害性和限制对人员有害的开关柜爆炸的危险性方面有明显的优势。除此而外，这种接地方式还可以限制变电站或发生接地故障的临近区域的接触电压和跨步

53、电压。如果系统的接地阻抗较大，或系统未接地，此时接地故障电流会很小，而无故障相上的稳态和暂态电压会很高。所以，一般来说，只有在中/低压供电网络中才会采用这种高阻抗接地方式，因为在这类电网中，我们才不用因解决过压绝缘的问题而付出高昂的代价。对于高压系统，一般都采用直接接地或低阻抗接地运行方式。高阻抗接地系统中有一类特殊的接地方式：通过电感线圈接地，使系统电源频率下的接地感抗恰好等于系统对地的总容抗。这种接地方式被称作 Petersen 线圈接地方式。在一个经过仔细调整的系统中，系统的稳态接地故障电流将为零。所以在这种接地运行方式下，接地故障是自消除式的。如果是设计使然，这样的系统在单相接地的情况

54、下可以维持运行，直到查出故障原因并予以排除。这类系统的效率极大地依赖于系统的精确调整：使系统电源频率下接地线圈感抗等于系统对地的总容抗，显然，任何时候对系统的扩容都需要重新调整线圈的感抗。在主要由野外架空线组成的电力系统中，消弧线圈接地系统是最常见的接地方式，另外，在那些易发生瞬时接地故障的地域，这类系统也具有极大的优越性。如：消弧线圈接地系统可以抑制由于闪电导致的系统瞬时接地，而不需要停电进行处理。图 9 所示的消弧线圈接地系统，其 A 相发生了接地故障。在这种情况下，我们可以看到其 A 相对地电容因接地故障而短路。计算显示，当接地线圈的感抗整定刚好时，接地故障电流将为零。图 9 - 消弧线

55、圈接地系统的电流分布TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 26/45MiCOM P241图 10 - 发生 A 相接地故障时的电流矢量图准备在经消弧线圈接地系统中使用继电器来提供接地保护前，深入理解在这类系统发生接地故障时的电流分布是必需的。只有具备了这些知识，才有可能确定应采用何种继电器并能正确地连接和整定接地保护装置。图 11 所示是一个径向输配电系统，其电源通过消弧线圈接地，图中所示共有三路馈电线路，其下部线路中的有一相发生接地故障。图 11 - 发生 C 相接地故障时的电流分布图图 12 为上述系统的矢量图（a、b 和 c），图中假定系统为完全补偿（即线圈阻抗与系统容抗相等）

56、，另外还假设系统为理想情况即接地线圈和电源馈线的电阻均为零。技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 27/45图 12 理想情况 XL 或 XC 中不存在电阻分量根据图 12a 所示的矢量图，我们可以看出由于 C 相发生接地，从而导致其它无故障相的电压升高到倍。图中的 A 相充电电流（Ia1，Ia2和 Ia3）超前 A 相合成电压 90，3B 相充电电流也同样超前 B 相合成电压（Vb）90。零序电流互感器在无故障的馈电线路上检测到的不平衡电流可以看作是 Ia1和 Ia2的矢量加，其和（剩余电流）滞后剩余电压（3VO）90（图 12b）。显然，当无故障相的电压增大倍

57、后，这些相上的充电电流同样会增大到其稳态值的倍。所以，33剩余电流 IR1将等于相充电电流稳态值的 3 倍。注意：P241 继电器的带方向接地保护利用实际剩余电压作为参考输入信号，在其内部，该电压被移相 180，所以在矢量图上才以-3VO表示。相角的移相由 P241 自动完成。发生接地故障的馈线上的剩余电流等于无故障相上的充电电流之和（IH3）与故障电流（IF）相加。所以最终的不平衡电流就等于 IL-IH1-IH2，如图 12c 所示。如果把系统化为一零序网络，那么在发生接地故障时就更容易分析。如图 13 所示。TG 1.1555技术指南章节 4使用说明页码 28/45MiCOM P241说明

58、：IR0F = 故障馈线上的剩余电流IR0H = 无故障馈线上的剩余电流所以：I0F = IL IH1 IH2 IH3IR0F = IH3+I0FSO：IR0F = IL IH1 IH2图 13 零序网络中的剩余电流比较故障馈线和无故障馈线上的剩余电流（图 12a 和 12b），我们可以看出，两个电流在幅值和相位上都是相等的。所以我们不可能用继电器来分辨有无发生接地故障。然而，就如前面提到过的一样，消弧线圈和馈电线不存在直流电阻仅是一种理想情况，而在那些不能忽略电阻分量的实际应用场合，我们就应给予充分考虑。如图 14：技术指南TG 1.1555使用说明章节 4MiCOM P241页码 29/4

59、5图 14 - 实际情况：- XL 和 XC 中存在电阻分量图 14a 中再次表示出了电容电流、消弧线圈电流及剩余电压之间的关系。现在我们可以看到，由于馈线电阻的存在，无故障相的充电电流超前其对应相的相电压已略小于90。同样，由于线圈的电阻对电流 IL的移相作用，IL滞后相电压也不到 90。这种轻微的相移请见图 14b 和 14c。此时，非故障馈线上的剩余电流与极化电压之间的夹角将超过 90，而故障馈线上的剩余电流与极化电压之间的夹角则小于 90。所以我们就可以使用一个特征角整定为零（就极化电压3VO而言）的带方向的继电器来检测系统的接地故障，即，无故障馈线的剩余电流将出现在特征曲线的制动区，

60、而故障馈线的剩余电流则位于动作区。在实际的系统中，常常在消弧线圈的两端人为并联一个电阻，其目的有二：其一是为了把接地故障电流提高到一个便于检测的水平，其二是为了增大剩余电流电压间的相角差。其实都是为了便于接地故障的检测。2.4.4.2灵敏接地保护元件的工作原理我们已经知道，无故障馈线和故障馈线上剩余电流间的角度差可以使用方向继电器来检测，只需将其零力矩线置于两电流间。可用于接地故障检测的这类保护元件可能有两种：灵敏的方向接地故障继电器，其继电特征角整定为 0（RCA），且门槛值在小范围内可调。灵敏的方向零序功率继电器，其 RCA 的整定与上述要求相同。P241 继电器中的灵敏方向接地保护元件的