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電力、機器用保護機器/電量感測器

EPSC_PS_TG_TW_2_2
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概要保護協調與保護繼電器
參考資料疑難排解QA

保護協調與保護繼電器
  • 保護協調係指
    說明保護繼電器時會經常使用「保護協調」這個字。
    保護繼電器是用在電力系統發生事故(故障)時,檢測出故障,同時迅速隔離故障區間,保護其他正常的迴路。而在繼電器檢測、判斷、處理故障異常的過程中,為不讓其他正常迴路產生誤動作,防護功能在相互協調的同時,機器本身亦繼續供電給正常迴路。並且在不損及負載設備、迴路設備與開關路的情況下,調整保護機器的防護等級。這些保護電驛執行作業的過程即稱作保護協調。「保護協調」當中,調協意義會依目的、用途(像輸送電力的纜線保護協調、變換電壓的變壓器保護協調)而有所改變。例如,考量使用者設備中過電流繼電器(OCR)與模殼斷路器(MCCB)的保護協調時,針對保護協調應有的觀念如下所示。

  • 保護繼電器與模殼斷路器的保護協調
    保護協調就如上述,在故障發生後會迅速隔離故障範圍,確保正常迴路無虞。因此除須思量上述的設備中各機器的協調性之外,也要考慮如下圖所示的保護協調特性選用。並且選擇萬一在故障點
    (1)上發生故障後,一定可切斷MCCB-1迴路,不讓故障波及上位的設計與零件。
至此雖已對「保護協調」做了簡單說明,但如果想要更進一步細分防護內容,將下位裝置納入考量的話,就應該要思考如何防堵故障發生以保護上位裝置不受波及。

  
 
因此由MCCB-5來看MCCB-4屬於上位裝置,而MCCB-3又為其上位裝置。這種上位的防護裝置在設備防護裝置中一般稱為備用裝置。越居上位的裝置越需要更廣泛的迴路防護,斷路特性也會跟著變慢以取得保護協調。
但是考量保護協調時,還有許多其他必須思考的項目。像是選擇從各MCCB角度來看,不會被負載突波電流、短路電流破壞的迴路,或是OCR與變壓器熱特性等的協調。
詳細內容請參閱專業書籍,下列僅記述保護協調的基本事項。

保護協調特性
  • 保護協調的基本討論事項
    考量保護協調時,必須討論的基本事項如下所示。
  • 設備、纜線等的過電流耐受量及過電壓耐受量。
  • 變壓器、馬達、電容器等負載設備中產生的突波電流或起動電流。
  • 保護繼電器或防護裝置的動作特性。
    將以上項目繪至保護協調曲線用紙上後,必須滿足的原則事項如下所示。
  • 斷路器的斷路容量,必須大於設置點的短路電流。
  • 防護裝置的動作時間,必須短於迴路或機器的受損時間。
  • 防護裝置,不會因變壓器的突波電流或馬達的起動電流產生誤動作。
  • 搭載於系列機器上的防護裝置彼此被設計成具備「越靠近電源端,時限就被拉得越長」等特性,以盡量避免故障發生。

  • 保護協調曲線的製作
    首先,要在保護協調曲線用紙填寫以下內容。


  • 系統圖的填入方式
    在協調曲線用紙右上方以單連接線圖填入系統圖。


  • 保護對象
    下述內容為主要保護對象。
    • 線路  :纜線
    • 負載設備:馬達、變壓器
    此些的特性將在個別保護協調中說明。

  • 短路電流的計算
    過電流防護的基礎為系統短路電流的計算。
    短路電流的計算一般採用的是阻抗百分比法,詳細內容請參閱專業書籍。
    此方法是依下列順序處理。
    求取阻抗百分比的算式

 

短路電流計算程序
註.
  1. 來自電力接收點的電源端%Z 若為短路容量Ps (由電力公司告知)時將如下列所示。%Z=100P/Ps

  2. 變壓器的阻抗。
    主要是由1次電壓與變壓器容量決定。

  3. 馬達的阻抗。
    %Z一般約為20~25%。
    高壓馬達發生故障時,短時間內會成為一組發電機,因此需要注意短時間的故障現象。

  4. 配線的阻抗。
    阻抗%一般為電抗部分X電阻部分R。

  • 防護裝置
    用於電力接收設備等的防護裝置中,以過電流繼電器為首的各種斷路器、電力熔絲等,防護目的種類多樣。不過如果要顧及「保護協調」,就必須充分討論這些裝置的特性。
  • 防護裝置的討論事項

  1. 過電流繼電器(OCR
  • 上位繼電器與下位繼電器間的協調時間(區段協調)。
  • 時限特性。
    時間特性曲線(反時限特性、瞬間特性)中,OCR與PF或MCCB等與保護機器間的關係,以及OCR與被保護機器限制曲線間的關係。

 

  1. 電力用熔絲(PF
  • 容許電流時間特性。
    下位保護機器或負載裝置的特性與熔線元件的無劣化極限值特性。

  • 熔斷特性。
    開始熔斷熔線元件的電流及時間特性。

  • 斷路特性。
    與上位保護機器間的關係。

  

  1. 空氣斷路器(ACB)
    用於未滿AC1,000V、低於DC3,000V迴路時的主要特性。
  • 長時間跳脫:過載防護5~30s (線圈額定的600%)。
  • 短時限跳脫:過載防護0.1~1s (設定刻度的250%)。
  • 瞬間跳脫:短路防護。
    

  1. 模殼斷路器(MCCB)
  • 低於額定電流5,000A、低於AC600V、低於DC750V。
    個別特性由製造商提供。

 

  1. 熱動型繼電器(THR)
  • 過載防護特性。
    與馬達熱特性間的關係。

  • 欠相保護特性。
    與欠相導致的電流不平衡間的關係。

 

  • 線路之過電流保護協調
    針對線路保護協調進行說明。
  • 保護協調曲線的製作
    保護協調曲線依下列程序製作。

 

  • 短路電流的計算
    以阻抗百分比法計算短路電流。圖中系統的阻抗圖如下圖所示,由此圖求得的A母線、B母線上的短路電流,如下所述。
  • 保護協調需要了解事項
    思考在協調曲線上填入必要的資料後,各個資料間是否取得了正確的協調。

 

保護協調曲線

 

  • 纜線的保護協調
    決定纜線規格時,不只載流容量,還必須考量短路電流的大小。
  • 系統條件
    • 系統電壓  :6kV
    • 額定負載電流:70A
    • 線路長度  :20m
    • 種類    :CV纜線(3芯1條)
    • 鋪設條件  :空中暗渠式

  • 纜線的選擇
    在保有餘裕的情況下,由「CV纜線的容許電流值表」,選出22mm2的纜線。
    由於載流容量可達105A,因此70A相較之下十分寬裕。

CV纜線容許電流值表


以下將討論在電纜送出端發生3相短路故障時,該短路電流是否超過「CV纜線的短時間耐受量」
如次項所示,此時的短路電流為5770A,在OCR+CB的防護下,並考量斷路時間為0.2s後繪至表中,即可得知38mm2的纜線可充分耐受短路電流。
取代CB以PF防護時,由於斷路時間會低於0.01s,因此採8mm2的纜線也可進行防護。

  • 短路電流的計算
    此計算的條件為
    • 系統電壓V :6kV
    • 電源短路容量Ps:60MVA
    • 額定負載電流I :70A
    • CV纜線(22mm2)的阻抗Z:0.840Ω/km
    • CV纜線(22mm2)的定長20m
    因此,將基準容量(P)定為6MVA進而計算阻抗百分比。
    將電源端的阻抗皆視為電抗部分,而纜線的阻抗視為電阻部分,



  • 保護協調曲線
    保護協調曲線,是將上述求得的所有資料與保護機器的特性繪於協調曲線,用來判斷協調成果好壞。
  • 變壓器的保護協調
  • 變壓器的故障原因與保護機器
    變壓器的故障原因與其保護機器如下所示。


  • 變壓器的特性
    以下將介紹防護上會特別需要的變壓器特性。

變壓器激磁突波電流範例
(換算實際值)


變壓器的短路強度


保護協調的檢查點


  • PF的適用
    以下將介紹以電力熔絲同時防護單相變壓器、三相變壓器時的適合範例。


  • 實例討論
    以保護協調曲線為主進行討論
    • OCR :負責變壓器的過載防護與高壓母線的短路防護,便且要與PF協調。
    • PF :可在變壓器突波電流不會導致劣化的情形下,適切地預防1 次、2 次側的短路故障。
    • ACB :變壓器過載防護用。
    • MCCB:MCCB以下的短路防護用。

變壓器的保護協調曲線


  • 過電流繼電器的保護協調
    用於電力系統的繼電器,必須在全系統中取得保護協調,過電流繼電器也無例外。考量設置於電力接收端的過電流繼電器保護協調時必須確認的項目。
  1. 使用者內部系統中發生短路及過負載故障時確實動作。(假設故障點,繪製阻抗圖並且計算故障電流)
  2. 採用 PF・CB型時,PF(限流熔絲)與CB(斷路)的責任及義務分擔恰當。(PF容量與CB斷路容量的選擇等)
  3. 與位在上位系統中的配電站OCR已取得動作協調。(也必須考量OCR慣性特性及斷路器的全斷路時間)
  4. 與使用者內的分歧OCR也已取得動作協調。
  5. 因低壓側故障,電力接收端OCR無法動作之下,與低壓側MCCB (模殼斷路器)已取得動作協調
  6. OCR的限時要件的動作時間,不超過負載變壓器的熱特性曲線。
  7. 啟動斷路器後流動的變壓器激磁突波電流,不會讓OCR的瞬間要件動作。
  8. 發生故障時,變壓器、斷路器、纜線及CT (比流器)等裝置,可充分耐受短路強度和過負載量。
  9. 留意CT的選擇。(容量、過電流常數等),需確認的有上述等事項。
    當中,由OCR的使用面(特別是分接的設定)來看,有著密切關係的事項為(3)~ (7)。

  • 保護協調曲線的製作
    將設置於系統的保護機器動作時間特性重複書寫在同一張表上,此即稱為保護協調曲線圖。所有電流值接換算成高壓側的後再行繪製。由於保護協調的目的僅限於故障,因此該OCR必須較上位的OCR還要先動作。所以,電力接收端OCR(主側OCR)於相同故障中,也必須具備比配電站OCR還要短的動作時間。
    為此,必須在動作時間設定或動作電流設定上賦予差距,以避免特性曲線重疊。
    並且,要注意電力接收端OCR和低壓側故障間的協調與MCCB有關。低壓負載受到多個MCCB分流並受保護,但MCCB架構(電流值)一變大,在動作特性曲線的A部的OCR動作特性就可能發生重疊。此時,無論是否為僅限於低壓側的故障,OCR都會先行動作,形成全面停電,造成故障。為防止此種情況發生,必須分割MCCB架構,或使用具備限時要件部分動作時間特性較強的OCR。變壓器具備由使用壽命規制的熱特性,此特性也能繪製成保護協調曲線。變壓器的過載防護也是電力接收端OCR的重要任務之一,OCR的動作特性必須位於比此熱特性還要下側的地方。此外,也必須考量開啟斷路器時產生、流入變壓器的激磁衝突電流間的協調。下面項目將針對此點進行詳細說明,基本上就是在電力接收端OCR中與瞬間要件的分接設定有關。



  • 突波電流相關事項開啟電力接收端的斷路器後,機內電力設備即會充電,流入暫態性的電流。以下將針對此期間,①變壓器的激磁突波電流、②高壓電容器的充電電流,對電力接收端OCR的動作影響進行討論。

  • 變壓器的突波電流
  • 變壓器在無激磁的狀態下,於1次側急速施加電壓的話(輸入電壓的話),由於變壓器不會產生反電動勢,因此鐵心的磁通將會暫時飽和。
    電抗部分變為零,變壓器的1次側變得和短路後相同,過大電流暫態性流入。第1波的峰值,將會高達額定電流的十數倍至數十倍,尖峰的連接時間為1~2Hz,穩定至額定電流則需耗費2~3秒。此即稱為激磁突波電流。
    激磁突波電流的大小與持續時間,無法以一概之,由於①變壓器的種類、②外加電壓、③開啟相位、④鐵心的殘留磁通、⑤變壓器的負載狀況等因素會導致其大幅變化,每當開啟時都會產生不同結果。
    在1次電壓突然發生變動時,也會產生同樣的現象。

  • 激磁突波電流雖會衰減,但其峰值高,並且,連接時間也相當長,所以斷路器開啟時極可能讓OCR有所動作。因此,描繪決定設定值的保護協調曲線時,務必要考量激磁突波電流。

  • 雖說OCR是因激磁突波電流才有所動作,但斷路器開啟時由於無法鎖上OCR,因此在描繪保護協調曲線之際,就要選擇不因激磁突波電流動作、短路故障當下確實動作的設定值(特別是瞬間要件動作電流值)。
    以下將論述此方式。

  1. 將額定電流的10倍電流點訂為0.1秒
    過去,曾有一種看法認為,激磁突波電流會繪製變壓器額定電流的10倍電流值與0.1秒的時間點,而且OCR的動作時間特性曲線不會下降。然而,這樣只有一點,無法判斷點前後的情況,況且在變壓器持續小型化的現狀下,瞬間要件的分接值以越變越大。
    (由次項的計算來看,不用考慮至安全側)

  2. 依每項激磁突波電流通過時間的電流值繪製曲線
    為選出最適合的瞬間分接值,至少必須知道保護協調曲線上顯示出的激磁突波電流衰減曲線。
    下表內容為依不同變壓器容量,計算出時間經過後的電流值。做為計算基準的項目為,變壓器製造商提出的,①第一波峰值(倍數),②衰減時間常數(循環)、③激磁突波電流的實際值-時間曲線等。表中的電流值都足以具體描繪出保護協調曲線。例如油入式的三相變壓器300kVA中,0.01秒時是流入218A、0.05秒時是146A、0.1秒時是119A。因此,就可依此些數值繪製。此系統中如還有單相100kVA的變壓器,就可加算此變壓器部分的電
    流,因此0.01秒時就要繪製成218+272=490A。
    此表中的數值,由於都計算至最大值附近,基於此表透過描繪激磁突波電流曲線,即可防止大部分的OCR動作。

變壓器激磁突波電流(單相):6,600V


變壓器激磁突波電流(三相):6,600V


  • 高壓電容器的充電電流
    系統中設有進相用的電容器時,當斷路器開啟後,暫態性充電電流將會流入。相較於變壓器的激磁突波電流,由於充電電流線路常數的數值都較小,時間常數則是極小,因此馬上就會衰減。所以,OCR瞬間要件的0.02~0.05秒動作時間,已經算是常數狀態,OCR基本上是不會動作。但是,尖峰時由於會攀升至數10倍~100倍,隨著電流的電壓下降(也就是因為電壓),導致CT 2次側的閃絡故障,具備電力熔絲的迴路中即可能發生熔斷或劣化的情形。



  • 保護協調範例
    於某一系統範例中,先算出變壓器的激磁突波電流,再藉此求取不動作的OCR瞬間分接。
  1. 首先,於保護協調表上繪製K2CA型的動作時間特性曲線。由於限時設定為4A,則變成100%的電流。

  2. 接著,從變壓器激磁突波電流的表中,依變壓器容量整理出已計算出的電流值,由於有6兩個變壓器的關係,所以還要將兩邊數值加總。

  1. 將與時間相關的電流值繪至表上,拉出曲線。

  2. 選擇此激磁突波電流曲不會與OCR瞬間要件時間特性交叉的瞬間要件分接,此時即會超過40A。

  3. 下述保護協調的例子中,試著將10倍額定電流、0.1秒的點以虛線標示,由此標示來看超過50A。

  4. 也有從高壓電容器充電電流的表中試著繪出電容器的充電電流。
    此曲線由於電流值小,因此即使依每項激磁突波電流曲線和時間加總,和僅有激磁突波電流曲線時沒多大差異,從OCR動作的角度來看,可知僅需考量激磁突波電流即可。
 

  • 選擇CT的相關事項
    為能正確使用OCR,必須多加留意偵測故障電流的CT。必須完善設定OCR用CT,在故障時讓OCR正確動作,不讓誤動作、誤不動作的情況發生。因此,常數狀態下的誤差並不成問題,問題反倒多出在CT過電流領域的特性。當超過額定電流的大量電流流入容量(VA)不足的CT時,會導致CT磁性飽和,流入OCR的電流即不會依 CT 1次電流等比增加,其結果將造成瞬間要件動作值的誤差增多。此外,在CT 2次電流跳脫方式中,OCR動作,跳脫線圈增加CT的負擔後,CT飽和程度又變得更高,電流實際值減少,此將可能導致OCR即使動作中也不會跳脫。因此,選擇CT容量或過電流常數時必須慎重考量。
    決定CT容量的粗略基準如下:

    請參考下此算式。
    此外,CT 2次電流跳脫方式的OCR中,若CT過大,或2次負擔極少的話,將會導致OCR的跳脫接點開放大量的故障電流,此可能損及接點。(參閱K2CA型的相關內容)