反时限过流保护电路
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商丘工学院毕业论文（设计）
第二章 电力系统过流保护的作用
电力系统故障和不正常运行状态及引起的后果在电力系统中，由于自然 条件(如雷击或鸟兽跨接电气设备)、设备制造上 的缺陷、设计和安装的错误、 检修质量不高或运行维护不当等诸方面因素，使 电力系统中各组成部分(发 电机、母线、输电线、电抗器、电容器、电动机等) 发生短路故障或异常运 行情况是不可能完全避免的。最常见的同时也是最危险 的故障是各种形式的 短路.其中以单相接地最为常见 is1. 此外，输电线路有时 可能发生断线故障 或几种故障同时发生的复合故障。 发生故障可能的后果是: l、故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏. 2、系统中设备，在通过短路电流时产生的热和电动力使设备缩短使用寿命. 3、因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。 4、破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解. 最常见的 不正常工作状态是过负荷。所谓过负荷就是电气设备的负荷电流 超过了额定电流。此外，发电机有功功率不足所引起的频率降低，水轮发电 机 突然甩负荷所引起的过电压，系统发生振荡等属于不正常运行状态。由于过 负 荷，加速了设备绝缘材料的老化和损坏，甚至引起事故扩大造成严重故障。 总 之，不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的 质量 等。 继电保护的种类虽然很多，但在 一般情况下，过流保护装置包括测量部分、 逻辑部分、执行部分，测量部分从保护对象输入有关信号 ，再与给定的整定 值 相比较，决定保护是否动作，根据测量部分各输出量的大小、性质、出现 的顺 序或它们的组合，使保护装置按 一 定的逻辑关系工作，最后确定保护 应有的动 作行为，由执行部分立即或延时发出警报信号或跳闸信号 针对反时限过流保护，其动作时限与被保护线路(设备)的电流大小有关， 它
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反时限过流保护电路设计
的时限特性通常是 一 条曲线，因而整定配合比较复杂。反时限过流保护在 国外已获得较广泛地应用，而国内的中低压配电网中主 要以 定 时限保护为 主，这是由于传统的感应型反时限保护与定时限之间难以配 合，从而限制了 它的 应 用。而定时限保护的保护范围不确 定，受到电网运行方 式的严重 影响，即受到电源阻抗、线路阻抗和故障阻抗的影响。对于零序定时 限电流 保护，如果 定值考 虑了 高接 地电阻而 实际 接地过波电阻较小，则保护 可以延伸出被保护线路很长范围。相对，反时限保护本身所具有的自适应性 和受运行方式影响小的优点得以体现，目前我国的一些地区也有了采用反时 限保护作为线路保护方式.因此，反时限电流保护的相关整定配合是一个值得 进一步研究探讨 的问题。
3
Rs
Ic ↓ Vc
C K
图 1-2 反时限过流保护定时电路原理图
因为：
Ic Ii. R F Rs
V c I i . R F .△ t C Rs
△ t CVc . Rs Ii R F
所以：
V V c I c .△ t C
V IiR F IcR s V c
V V
调整 Rf 可以改变Δt，当 RF=Rs 时，Vc Ii .△t 。 C
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反时限过流保护电路设计
第一章 传统的过流保护存在的问题
众所周知，常规的过流保护延时开关，其延时时间Δt 是固定不变的，一 旦发生过流，不论过流电流的大小，都延时一个固定的时间Δt 进行保护，这 是不适当的。实际上过流电流对电器的危害性与过流电流的大小有关，电流 越大危害也越大。当Δt 设置过大，在大的故障过流电流发生时，则在Δt 时 间内电器已被烧坏了，若Δt 设置太小，正常的工作电流起伏（过流量较小， 但持续时间较长）也会被当作过流故障，电路发生保护，从而使系统无法正 常工作。因而，为了保护系统的正常工作，不得不把过流保护的电流设定值 （远大于额定值）和延时时间Δt 都调定的比较大，这就是为什么虽然设有过 流保护延时装置，还会烧坏电器设备的原因，也是传统的过流保护存在的一 个致命缺点。
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反时限过流保护电路设计
（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。
图 1-3 电流、电压比较输出波形图
第四章 PTC 热敏电阻保护
4.1 PTC 热敏电阻保护原理电路
PTC 热敏电阻是一种对异常温度及异常电流自动保护、自动恢复的保护元件， 俗称"自复保险丝""万次保险丝"。它取代传统的保险丝，可广泛用于马达、变压 器、开关电源、电子线路等的过流过热保护，过流保护用 PTC 热敏电阻通过其阻 值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流值。传统的保险丝在线路熔断后无 法自行恢复，而过流保护用 PTC 热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态， 当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能。 反时限过流保护的概念
所谓的反时限过流保护是指同一线路不同地点短路时，由于短路电流不 同，保护具有不同的动作时限，反时限过流保护的动作时间是一个变数，随 短路电流大小而变在线路靠近电源端短路电流较大，动作时间较短，短路电 流小，动作时间就较长，表现为反时限特性。
为得到可靠的开关功能，动作电流至少要超过不动作电流的两倍。由于环境 温度对不动作电流和动作电流的影响极大(见图 2.20.2)，因此要把最坏的情况 考虑进去， 对不动作电流来说，选应用在允许的最高环境温度时的值，对动作 电流来说，选应用在较低环境温度下的值。
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反时限过流保护电路设计
图 2.20.2 环境温度对不动作电流和动作电流的影响
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商丘工学院毕业论文（设计）
引言
随着经济与社会的发展，电力系统的规模越来越庞大，系统的容量和覆 盖区域日趋增大，复杂性越来越高，大面积停电事故带来的损失也越来越大。 我国电网结构较薄弱，规模也较小但近年来随着我国国民 经济的快速发展， 对电力的需求日益增长，电力系统的规模日益扩大，每年、 每天电网高负荷 运行的时间越来越妖，网络结构更加庞大更加复杂化，对系统 运行安全性和 可靠性的要求也在不断提高。电路发出保护动作现代电力系统是一个庞大而 复杂的系统人们在研究反事故措施时发现，电网的 故障波及和事故扩大，往 往是由于保护的不正确动作或电网调度员错误操作和 延误处理引起的。
当电路处于正常状态时，通过过流保护用 PTC 热敏电阻的电流小于额定电 流，过流保护用 PTC 热敏电阻处于常态，阻值很小，不会影响被保护电路的正常 工作。 当电路出现故障，电流大大超过额定电流时，过流保护用 PTC 热敏电阻陡然发热 呈高阻态，使电路处于相对"断开"状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除过 流保护用 PTC 热敏电阻亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。
关键词：过流保护 反时限 智能化
I
反时限过流保护电路设计
目录 引 言 .......................................................1
第一章 传统的过流保护存在的问题........................2 第二章 电力系统过流保护的作用............................3 第三章 反时限过流保护定时电路的设计....................4 3.1 反时限过流保护的概念......................................4 3.2 反时限过流保护定时电路的工作过程................. ......5 第四章 PTC 热敏电阻保护....................................6 4.1 PTC热敏电阻保护原理电路..................................6 4.2 应用举例....................................................8 结 束 语 ......................................................11 参考文献.......................................................12
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商丘工学院毕业论文（设计）
Vc
1 C
I .dt
I C
t, t
CVc I
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（图 1-1）。
图 1-1 电容恒流充电时电流大小与充电到目标电压所许时间的关系
L I↓
4
1
RF
Ii
→2
2
1
3
LM3 2 4 A
VCC
我们知道，电器在工作中，由于工作状况的变化，其工作电流发生变化 是正常的，短时间的过流也是允许的。但电器发生故障时的过流却是持续的、 有害的。因此对电器的过流保护装置必须能够判断过流的性质，到底是负载 的变化引起的短时间过流，还是故障引起的持续性过流。其判断方法通常是 设定一个延迟时间Δt，若发生过流电流能在Δt 时间内回落到设定值以下， 则认为是正常工作电流起伏，电路不产生保护动作；若过流时间超过Δt，则 认为是故障过流，因此设计一个智能化的过流保护电路势在必行。
3.2 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，比较器输出一高 电平；当 i<IC 时，比较器输出一低电平，电流比较如图 1-3 所示。 （2）比较器输出的高电平，断开电容器 C 的旁路开关，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。
编号：_______________
商丘工学院 毕业论文（设计）
题目：反时限过流保护电路
系 别： 机 电 工 程 系 专 业： 电 气 自 动 化 班 级： 09 电 气 1 班 学生姓名： 孙 好 指导教师： 赵 利 平 成 绩：
商丘工学院毕业论文（设计）
反时限过流保护电路的设计摘要
随着时代的发展越来越多的电子设备走入了我们的生活，而电子设备的安 全问题一直是一个很重要的工作，我们知道很多电子设备都有额定电流，工作中 都不允许超过额定电流，否则会烧坏设备。所以大部分用电设备都设置了过流保 护模块。当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备。 我国中低压配电线路，大多采用三段式过电流保护.为保证其选择性，逐 段提高 保护动作时限，可能造成电源端后备保护动作 时间 较 长，保护切除故障 时间 增长，造成不必要的损失。国外目前很多采用反时限过流保护，其优点就 是在 靠近电源侧输电线路故障时， 就后备保护而言，动作时间较三段过流保护 明显 缩短。与 定时限保护相比，反时限保护整定复杂，且与其他保护配合较为 困难。 近年来随着数字保护技 术的成熟， IEEE 和 CIGRE 建立 了 反时限过流继 电 器动作特性标准，反时限过流保护在我国电力设备和低压配网中也逐本文设计了 一种反时限过流保护定时电路，该电路结构简单，反应速度快，系统可靠稳定。
本文设计了两种电路来保护电路一种智能型过流保护装置，采用了我们自 行设计的反时限过流保护电路，完全可以克服常规过流延时继电器的缺点。 其一，过流保护电流的设定值就是电器工作的额定电流值，只要超过额定值 就开始计算过流时间；其二，过流时间Δt 的计算与过流电流的大小成反比。 另外过流保护也可用 PTC 热敏电阻 反时限过流保护定时电路设计的原理 电路图（图 1-2）所示。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：
3.在最大工作电压时允许的最大电流 需要 PTC 热敏电阻器执行保护功能时，要检查电路中是否有产生超过允许的
最大电流的条件，一般是指用户存在产生短路可能性的情况。规格书已经给出了 最大电流值，超过这个值使用时，可导致 PTC 热敏电阻器破坏或早期失效。 4.开关温度（居里温度）
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商丘工学院毕业论文（设计）
图 2.20.1 过流保护电路
主要元器件选择 1.最大工作电压
PTC 热敏电阻器串联在电路中，正常工作时仅有一小部分电压保持在 PTC 热 敏电阻器上，当 PTC 热敏电阻器启动呈高阻态时，必须承受几乎全部的电源电压， 因此选择 PTC 热敏电阻器时，要有足够高的最大工作电压，同时还要考虑到电源 电压可能产生的波动。 2.不动作电流和动作电流
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第二章 电力系统过流保护的作用
电力系统故障和不正常运行状态及引起的后果在电力系统中，由于自然 条件(如雷击或鸟兽跨接电气设备)、设备制造上 的缺陷、设计和安装的错误、 检修质量不高或运行维护不当等诸方面因素，使 电力系统中各组成部分(发 电机、母线、输电线、电抗器、电容器、电动机等) 发生短路故障或异常运 行情况是不可能完全避免的。最常见的同时也是最危险 的故障是各种形式的 短路.其中以单相接地最为常见 is1. 此外，输电线路有时 可能发生断线故障 或几种故障同时发生的复合故障。 发生故障可能的后果是: l、故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏. 2、系统中设备，在通过短路电流时产生的热和电动力使设备缩短使用寿命. 3、因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量。 4、破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解. 最常见的 不正常工作状态是过负荷。所谓过负荷就是电气设备的负荷电流 超过了额定电流。此外，发电机有功功率不足所引起的频率降低，水轮发电 机 突然甩负荷所引起的过电压，系统发生振荡等属于不正常运行状态。由于过 负 荷，加速了设备绝缘材料的老化和损坏，甚至引起事故扩大造成严重故障。 总 之，不正常工作状态往往影响电能的质量、设备的寿命、用户生产产品的 质量 等。 继电保护的种类虽然很多，但在 一般情况下，过流保护装置包括测量部分、 逻辑部分、执行部分，测量部分从保护对象输入有关信号 ，再与给定的整定 值 相比较，决定保护是否动作，根据测量部分各输出量的大小、性质、出现 的顺 序或它们的组合，使保护装置按 一 定的逻辑关系工作，最后确定保护 应有的动 作行为，由执行部分立即或延时发出警报信号或跳闸信号 针对反时限过流保护，其动作时限与被保护线路(设备)的电流大小有关， 它
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反时限过流保护电路设计
的时限特性通常是 一 条曲线，因而整定配合比较复杂。反时限过流保护在 国外已获得较广泛地应用，而国内的中低压配电网中主 要以 定 时限保护为 主，这是由于传统的感应型反时限保护与定时限之间难以配 合，从而限制了 它的 应 用。而定时限保护的保护范围不确 定，受到电网运行方 式的严重 影响，即受到电源阻抗、线路阻抗和故障阻抗的影响。对于零序定时 限电流 保护，如果 定值考 虑了 高接 地电阻而 实际 接地过波电阻较小，则保护 可以延伸出被保护线路很长范围。相对，反时限保护本身所具有的自适应性 和受运行方式影响小的优点得以体现，目前我国的一些地区也有了采用反时 限保护作为线路保护方式.因此，反时限电流保护的相关整定配合是一个值得 进一步研究探讨 的问题。
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Ic ↓ Vc
C K
图 1-2 反时限过流保护定时电路原理图
因为：
Ic Ii. R F Rs
V c I i . R F .△ t C Rs
△ t CVc . Rs Ii R F
所以：
V V c I c .△ t C
V IiR F IcR s V c
V V
调整 Rf 可以改变Δt，当 RF=Rs 时，Vc Ii .△t 。 C
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反时限过流保护电路设计
第一章 传统的过流保护存在的问题
众所周知，常规的过流保护延时开关，其延时时间Δt 是固定不变的，一 旦发生过流，不论过流电流的大小，都延时一个固定的时间Δt 进行保护，这 是不适当的。实际上过流电流对电器的危害性与过流电流的大小有关，电流 越大危害也越大。当Δt 设置过大，在大的故障过流电流发生时，则在Δt 时 间内电器已被烧坏了，若Δt 设置太小，正常的工作电流起伏（过流量较小， 但持续时间较长）也会被当作过流故障，电路发生保护，从而使系统无法正 常工作。因而，为了保护系统的正常工作，不得不把过流保护的电流设定值 （远大于额定值）和延时时间Δt 都调定的比较大，这就是为什么虽然设有过 流保护延时装置，还会烧坏电器设备的原因，也是传统的过流保护存在的一 个致命缺点。
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反时限过流保护电路设计
（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。
图 1-3 电流、电压比较输出波形图
第四章 PTC 热敏电阻保护
4.1 PTC 热敏电阻保护原理电路
PTC 热敏电阻是一种对异常温度及异常电流自动保护、自动恢复的保护元件， 俗称"自复保险丝""万次保险丝"。它取代传统的保险丝，可广泛用于马达、变压 器、开关电源、电子线路等的过流过热保护，过流保护用 PTC 热敏电阻通过其阻 值突变限制整个线路中的消耗来减少残余电流值。传统的保险丝在线路熔断后无 法自行恢复，而过流保护用 PTC 热敏电阻在故障撤除后即可恢复到预保护状态， 当再次出现故障时又可以实现其过流过热保护功能。 反时限过流保护的概念
所谓的反时限过流保护是指同一线路不同地点短路时，由于短路电流不 同，保护具有不同的动作时限，反时限过流保护的动作时间是一个变数，随 短路电流大小而变在线路靠近电源端短路电流较大，动作时间较短，短路电 流小，动作时间就较长，表现为反时限特性。
为得到可靠的开关功能，动作电流至少要超过不动作电流的两倍。由于环境 温度对不动作电流和动作电流的影响极大(见图 2.20.2)，因此要把最坏的情况 考虑进去， 对不动作电流来说，选应用在允许的最高环境温度时的值，对动作 电流来说，选应用在较低环境温度下的值。
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反时限过流保护电路设计
图 2.20.2 环境温度对不动作电流和动作电流的影响
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商丘工学院毕业论文（设计）
引言
随着经济与社会的发展，电力系统的规模越来越庞大，系统的容量和覆 盖区域日趋增大，复杂性越来越高，大面积停电事故带来的损失也越来越大。 我国电网结构较薄弱，规模也较小但近年来随着我国国民 经济的快速发展， 对电力的需求日益增长，电力系统的规模日益扩大，每年、 每天电网高负荷 运行的时间越来越妖，网络结构更加庞大更加复杂化，对系统 运行安全性和 可靠性的要求也在不断提高。电路发出保护动作现代电力系统是一个庞大而 复杂的系统人们在研究反事故措施时发现，电网的 故障波及和事故扩大，往 往是由于保护的不正确动作或电网调度员错误操作和 延误处理引起的。
当电路处于正常状态时，通过过流保护用 PTC 热敏电阻的电流小于额定电 流，过流保护用 PTC 热敏电阻处于常态，阻值很小，不会影响被保护电路的正常 工作。 当电路出现故障，电流大大超过额定电流时，过流保护用 PTC 热敏电阻陡然发热 呈高阻态，使电路处于相对"断开"状态，从而保护电路不受破坏。当故障排除过 流保护用 PTC 热敏电阻亦自动回复至低阻态，电路恢复正常工作。
关键词：过流保护 反时限 智能化
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反时限过流保护电路设计
目录 引 言 .......................................................1
第一章 传统的过流保护存在的问题........................2 第二章 电力系统过流保护的作用............................3 第三章 反时限过流保护定时电路的设计....................4 3.1 反时限过流保护的概念......................................4 3.2 反时限过流保护定时电路的工作过程................. ......5 第四章 PTC 热敏电阻保护....................................6 4.1 PTC热敏电阻保护原理电路..................................6 4.2 应用举例....................................................8 结 束 语 ......................................................11 参考文献.......................................................12
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I .dt
I C
t, t
CVc I
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（图 1-1）。
图 1-1 电容恒流充电时电流大小与充电到目标电压所许时间的关系
L I↓
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RF
Ii
→2
2
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LM3 2 4 A
VCC
我们知道，电器在工作中，由于工作状况的变化，其工作电流发生变化 是正常的，短时间的过流也是允许的。但电器发生故障时的过流却是持续的、 有害的。因此对电器的过流保护装置必须能够判断过流的性质，到底是负载 的变化引起的短时间过流，还是故障引起的持续性过流。其判断方法通常是 设定一个延迟时间Δt，若发生过流电流能在Δt 时间内回落到设定值以下， 则认为是正常工作电流起伏，电路不产生保护动作；若过流时间超过Δt，则 认为是故障过流，因此设计一个智能化的过流保护电路势在必行。
3.2 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，比较器输出一高 电平；当 i<IC 时，比较器输出一低电平，电流比较如图 1-3 所示。 （2）比较器输出的高电平，断开电容器 C 的旁路开关，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。
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商丘工学院 毕业论文（设计）
题目：反时限过流保护电路
系 别： 机 电 工 程 系 专 业： 电 气 自 动 化 班 级： 09 电 气 1 班 学生姓名： 孙 好 指导教师： 赵 利 平 成 绩：
商丘工学院毕业论文（设计）
反时限过流保护电路的设计摘要
随着时代的发展越来越多的电子设备走入了我们的生活，而电子设备的安 全问题一直是一个很重要的工作，我们知道很多电子设备都有额定电流，工作中 都不允许超过额定电流，否则会烧坏设备。所以大部分用电设备都设置了过流保 护模块。当电流超过设定电流时候，设备自动断电，以保护设备。 我国中低压配电线路，大多采用三段式过电流保护.为保证其选择性，逐 段提高 保护动作时限，可能造成电源端后备保护动作 时间 较 长，保护切除故障 时间 增长，造成不必要的损失。国外目前很多采用反时限过流保护，其优点就 是在 靠近电源侧输电线路故障时， 就后备保护而言，动作时间较三段过流保护 明显 缩短。与 定时限保护相比，反时限保护整定复杂，且与其他保护配合较为 困难。 近年来随着数字保护技 术的成熟， IEEE 和 CIGRE 建立 了 反时限过流继 电 器动作特性标准，反时限过流保护在我国电力设备和低压配网中也逐本文设计了 一种反时限过流保护定时电路，该电路结构简单，反应速度快，系统可靠稳定。
本文设计了两种电路来保护电路一种智能型过流保护装置，采用了我们自 行设计的反时限过流保护电路，完全可以克服常规过流延时继电器的缺点。 其一，过流保护电流的设定值就是电器工作的额定电流值，只要超过额定值 就开始计算过流时间；其二，过流时间Δt 的计算与过流电流的大小成反比。 另外过流保护也可用 PTC 热敏电阻 反时限过流保护定时电路设计的原理 电路图（图 1-2）所示。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：
3.在最大工作电压时允许的最大电流 需要 PTC 热敏电阻器执行保护功能时，要检查电路中是否有产生超过允许的
最大电流的条件，一般是指用户存在产生短路可能性的情况。规格书已经给出了 最大电流值，超过这个值使用时，可导致 PTC 热敏电阻器破坏或早期失效。 4.开关温度（居里温度）
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商丘工学院毕业论文（设计）
图 2.20.1 过流保护电路
主要元器件选择 1.最大工作电压
PTC 热敏电阻器串联在电路中，正常工作时仅有一小部分电压保持在 PTC 热 敏电阻器上，当 PTC 热敏电阻器启动呈高阻态时，必须承受几乎全部的电源电压， 因此选择 PTC 热敏电阻器时，要有足够高的最大工作电压，同时还要考虑到电源 电压可能产生的波动。 2.不动作电流和动作电流