输电线路的相间短路的电流保护.doc

第二章：输电线路的相间短路的电流保护GB50062-92电力装置的继电保护和自动装置设计规范规定：对363kV线路的下列故障或异常运行，应装设相应的保护装置：(1) 相间短路。(2) 单相接地。(3) 过负荷。1. 310kV 线路装设相间短路保护装置的配置原则(1) 在310kV线路装设的相间短路保护装置，应符合下列要求：1) 由电流继电器构成的保护装置,应接于两相电流互感器上，同一网络的所有线路均应装在相同的两相上。2) 后备保护应采用远后备方式。3) 当线路短路使发电厂厂用母线或重要用户电压低于额定电压的60%时,以及线路导线截面过小，不允许带时限切除短路时，应快速切除故障。4) 当过电流保护的时限不大于 0.50.7s 时，且没有第3)款所列的情况，或没有配合上的要求时，可不装设瞬动的电流速断保护。(2) 在 310kV 线路装设的相间短路保护装置，应符合下列规定：1) 单侧电源线路。可装设两段过电流保护：第一段为不带时限的电流速断保护；第二段为带时限的过电流保护。可采用定时限或反时限特性的继电器。对单侧电源带电抗器的线路，当其断路器不能切断电抗器前的短路时，不应装设电流速断保护，此时，应由母线保护或其他保护切除电抗器前的故障。保护装置仅在线路的电源侧装设。2) 双侧电源线路。可装设带方向或不带方向的电流速断和过电流保护。对12km双侧电源的短线路，当采用上述保护不能满足选择性、灵敏性或速动性的要求时，可采用带辅助导线的纵差保护作主保护，并装设带方向或不带方向的电流保护作后备保护。3) 并列运行的平行线路。宜装设横联差动保护作为主保护，并应以接于两回线电流之和的电流保护，作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后的主保护及后备保护。4) 环形网络中的线路。为简化保护，可采用故障时先将网络自动解列而后恢复的办法， 对不宜解列的线路，可参照对并列平行线路的办法。2.3563kV线路相间短路保护装置配置原则(1) 3563kV线路装设的相间短路保护装置，应符合下列要求l) 对单侧电源线路可采用一段或两段电流速断或电流闭锁电压速断作主保护并应以带时限过电流保护作后备保护。当线路发生短路，使发电厂厂用母线电压或重要用户母线电压低于额定电压的60% 时，应能快速切除故障。2) 双侧电源线路。可装设带方向或不带方向的电流保护。当采用电流、电压保护不能满足选择性、灵敏性和速动性时，可采用距离保护装置。双侧电源或环形网络中，不超过34km的短线路，当采用电流电压保护不能满足要求时，可采用带辅助导线的纵差保护作主保护，并应以带方向或不带方向的电流电压保护作保护。3) 并列运行的平行线路。可装设横联差动保护作主保护，并应以接于两回线电流之和的阶段式保护或距离保护作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后的主保护及后备保护。第一节电流保护概述一、保护装置的起动电流图2-2 继电特性保护装置中的继电器都具有继电特性。继电特性就是指当输入量（如通过的电流）变化到某一数值时，其触点的状态发生突变（反应在节点的输出），继电器具有明确而快速的动作特性，即继电特性，如图2-2所示。保护装置中使保护动作的最小电流叫保护的动作电流，用Iact表示；使保护返回的最大电流叫返回电流，用Ire表示；返回电流与动作电流的比值叫返回系数，用Kre表示。 二、电力系统的运行方式在电源电动势一定的情况下，线路上任一点发生短路时，短路电流的大小与短路点至电源之间的总电抗及短路类型有关，三相短路电流大小可按下式计算 （2-1）式中Es系统等效电源的相电动势；Xs归算至保护安装处至电源的等效电抗；X1线路单位长度的正序电抗； 短路点至保护安装处的距离。图2-3 单侧电源线路的无时限电流速断保护工作原理说明图所谓最大运行方式是指：归算到保护安装处系统的等值阻抗最小，即XsXs。min，通过保护的短路电流最大的运行方式；最小运行方式是指：归算到保护安装处的系统等值阻抗最大，即XsXs。max，通过保护的短路电流最小的运行方式。最大和最小运行方式的选取，对不同安装地点的保护，应视网络的实际情况而定。同一运行方式下，同一故障点的。第二节 无时限电流速断保护一、无时限电流速断保护无时限电流速断保护（又叫瞬时电流速断保护简称为电流速断保护），当电力系统的相间短路故障发生在靠近电源侧时，非常大的短路电流不仅对系统电力设备构成很大的损坏，还可能危及电力系统的安全，甚至造成电网的崩溃，这就要求能快速的切除故障来维护电网的安全。无时限电流速断保护的是反应电流的增大而瞬时动作的一种保护。它广泛地应用于输电线路及电气设备保护中。二、无时限电流速断保护动作电流的整定根据继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间，必须满足系统稳定性和保证重要用户供电的可靠性。在简单、可靠和保证选择性的前提下，原则上保护动作越快越好。 为了保护选择性，无时限电流速断保护（电流段）的动作电流应大于本线路末端的最大短路电流IK.B.max。 即 或 = （2-5）图2-4 无时限电流速断保护动作特性式中为保护装置1的整定电流，线路中的一次电流达到保护装置整定电流时保护起动；为可靠系数，考虑到继电器的误差、短路电流计算误差和非周期量影响等，取1.21.3；为最大运行方式下，被保护线路末端变电所B母线上三相短路时的短路电流，一般，取短路最初瞬间，即t0时的短路电流周期分量有效值。 无时限电流速断保护是靠动作电流获得选择性。即使本线路以外发生短路故障也能保证选择性。三、动作特性分析图2-6线路长度对速断保护的影响(a)长线路；(b)短线路图2-5系统运行方式变化时对速断保护的影响一经整定不再改变，与线路短路点的位置无关，图2-4中可用直线3表示。它与曲线1、2分别交a、b两点，在交点a、b之前对应的线路上短路时，由于短路电流大于，保护1能动作；当故障点发生到a、b两交点之后对应的线路上时，其短路电流将小于整定电流，保护1不动作。所以，从线路首端至a点之间的范围为最大运行方式下的保护区max，也叫最大保护区；从线路首端至b点之间的范围是最小运行方式下保护区min，即最小保护区。电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的应用。它的缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。当电力系统的运行方式变化很大，或者被保护线路的长度很短时，速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。例如：1. 如图2-5所示，当系统运行方式变化很大的情况，保护1电流速断按最大远行方式下保护选择性的条件整定以后，在最小运行方式下就没有保护范围；2. 如图2-6所示，当被保护线路长短不同的情况，线路较长时，其始端和末端短路电流的差别较大，因而短路电流变化曲线比较陡，保护范围比较大，如图2-6(a)所示。而当线路较短时，由于短路电流曲线变化平缓，速断保护的整定值在考虑了可靠系数以后。其保护范围将很小甚至等于零，如图2-6(b)所示。在个别情况下，电流速断保护也可以保护线路的全长。如图2-7所示，当电网的终端采用线路变压器组的接线方式时，由于线路和变压器可以看成是个元件，这样电流速断保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处Kl点的短路来整定，由于变压器的阻抗一般较大，所以K1点的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断就可以保护线路-的全长，图2-7线路变压器组的电流速断保护并能保护变压器的一部分。需要说明的是电流速断保护的选择性在此处没有得到满足，即保护失去选择性，为了减少停电范围，应与自动重合闸进行配合。当变压器故障时，线路首端的速断保护动作跳开断路器，变压器速断保护也动作跳变压器，而线路首端的自动重合闸将线路断路器重合，恢复线路供电。四、灵敏度校验无时限电流速断保护的灵敏度通常是用保护范围的大小来衡量，保护范围越大，说明保护越灵敏。图2-3所示，在不同的运行方式下，保护范围可能变化很大，所以无时限电流速断保护的灵敏度用最大保护范围和最小保护范围来衡量。根据式（2-1），可求得最大运行方式下的最大保护范围 （2-6）式中：动作电流。由于两相短路电流为三相短路电流的倍，因此可求得最小运行方式下的两相短路的最小保护范围 （2-7）规程规定：最小保护范围不小于被保护线路全长的15；最大范围大于被保护线路全长50，否则保护将不被采用。第三节 限时电流速断保护一、限时电流速断保护的作用无时限电流速断保护的保护范围只是线路的一部分，为了保护线路的其余部分，又能较快的切除故障，往往需要再装设一套具有延时的电流速断保护(又称延时电流速断保护)。图2-8 限时电流速断保护限时电流速断保护就是在速断保护的基础上加一定的延时构成的。如图2-8所示，本线路末端K1点短路与相邻线路首端K2点短路时，其短路电流基本相同。为了保护线路全长，本线路限时电流速保护的保护范围必须延伸到相邻线路内。考虑到选择性，限时电流速断保护的动作时限和动作电流都必须与相邻元件无时限速断保护相配合。二、动作时限的整定在图2-9所示的电路中，如果线路L2和变压器B1都装有无时限电流速断保护，那么，线路Ll上的限时电流速断保护的动作时限tAII，应该选择得比无时限电流速断保护的动作时限(约0.1s)大t，即tAII=tBI+t （2-8）图2-9限时电流速断保护特性图而它的保护范围允许延伸到L2和B1的无时限电流速断保护的保护范围内。因为在这段范围内发生短路时，L2和B1的无时限电流速断保护立即动作于跳闸。在跳闸前，L1的限时电流速断保护虽然会起动，但由于它的动作时限比无时限电流速断保护大t，所以它不会无选择性动作于L1的断路器跳闸。三、动作电流的整定如果限时电流速断保护的保护范围末端与相邻元件的无时限电流速断保护的范围末端在同一地点，那么两者的动作电流(setII.1与 Iset.2)是相等的。但考虑到电流互感器和电流继电器误差等因素的影响，L1线路的限时电流速断保护的保护范围应缩小一些，也就是IIset.1应大于Iset.2，即IIset.1=KrelIIIset.2 （2-9）式中 KrelII可靠系数，考虑保护带有延时，短路电流中的非周期分量已衰减，可以选得小些，通常取1.11.2。在图2-9所示的例子中， L1的限时电流速断保护既要与L2的无时限电流速断保护相配合，又要与B1的电流速断保护相配合。因此，在按式(2-9)计算时，IIset.1应为L2和B1无时限电流速断保护中动作电流较大的一个数值。否则，限时电流速断保护的保护范围会超过动作电流较大的那个元件的无时限电流速断保护的保护范围，而造成无选择性动作。在上例中，如果变压器装有差动保护，那么整个变压器将处在差动保护的范围内。这时1的限时电流速断保护的保护范围就允许延伸到整个变压器。它的动作电流就是根据在最大运行方式下低压侧三相短路时的短路电流来选择，即 (2-10)式中 可靠系数。考虑到电流互感器和电流继电器的误差以及由于变压器分接头改变而影响短路电流的大小等因素，它的数值取1.31.4。为了保证选择性，应取式（2-9）、式（2-10）的较大值作为保护的动作电流。四、灵敏度校验限时电流速断保护装置的灵敏度用起动元件(即电流元件)的灵敏系数的数值大小来衡量。它是指在系统最小运行方式下，被保护线路末端发生两相短路时，通过电流元件的电流与动作电流的比值，即图2-10定时限过电流保护配置 （2-11）规程要求：sen1.25。当灵敏度不能满足规程要求时，可与相邻下线路的限时电流速断保护相配合，即动作电流相配合和动作时限相配合。第四节 定时限过电流保护一、定时限过电流保护作用图2-11相邻元件短路过程电流的变化情况定时限过电流保护简称过电流保护，通常是指其动作电流按躲过线路最大负荷电流整定的一种保护。正常运行时，它不会动作；电网发生故障时，一般情况下故障电流比最大负荷电流大得多，所以过流保护具有较高的灵敏性。因此，过流保护不仅能保护本线路全长，而且还能保护相邻线路全长甚至更远。二、动作电流的整定在图2-10所示的电网中，对线路L I来讲，电网正常运行时和相邻元件(线路L2)短路时，它的电流变化情况如图2-11中曲线部分。正常运行时，L1可能通过的最大电流称为最大负荷电流IL.max，这时过电流保护装置1的起动元件不应该起动，即动作电流应大于最大负荷电流，即IL.max (2-12)2上发生短路时，L1通过短路电流IK，过电流保护装置1的起动元件虽然会起动，但是由于它的动作时限大于保护装置2的动作时限，保护装置2首先动作于2QF跳闸，切除短路故障，保护装置1不会动作于跳闸。故障线路L2被切除后，保护装置1的起动元件应立即返回，否则保护装置1会使1QF跳闸，造成无选择性动作。故障线路L2被切除后，线路1继续向变电所供电，由于变电所的负荷中电动机自起动的原因，L1中通过的电流为：KMSL.max(KMS为自起动系数。它大于1，其数值根据变电所供电负荷的具体情况而定)。因此，起动元件的返回电流re应大于这一电流，即reKMSIL.max (2-13)由于电流元件(即过电流保护装置的起动元件)的返回电流小于起动电流。所以从图2-11可见，只要reKMSIL.max的条件能得到满足。IL.max的条件也必然能得到满足。不等式(2-12)可以改写成为以下的等式reKMSIL.max （2-14）在式(2-14)中，是为可靠系数，考虑到电流继电器误差和计算误差等因素，它的数值取1.151.25。由于返回电流与动作电流的比值称为返回系数，即Kre 或者：set （2-15）将式(2-15)代入(2-14)，得到计算过电流保护动作电流的公式： （2-16）根据上式（2-16）所求得的是一次动作电流。如果要计算保护装置的二次电流，还需要计及电流互感器的变比nTA和接线系数Kc，保护装置中动作电流的计算公式为（217）式中：为保护装置的二次电流。三、灵敏度校验过电流保护装置的灵敏度用电流元件的灵敏系数Ksen的数值大小来衡量。过电流保护作为本线路的近后备保护，以被保护线路末端作为校验点进行校验，其灵敏度为： sen（近）1.5 （218）过电流保护作为相邻线路的远后备保护，以相邻线路末端作为校验点进行校验，其灵敏度为： sen（远）1.2 （219）四、动作时限的确定前面所讲的保护原理中已说明，为了保证选择性，电网中各个定时限过电流保护装置必须具有适当的动作时限。离电源最远的元件的保护动作时限最小，以后的各个元件的保护动作时限逐级递增，相邻两个元件的保护动作时限相差一个时间级差t。这种选择动作时限的原则称为阶梯时限原则。即： t1t2十t图2-12定时限过电流保护时限特性图图2-12所示的电网中，所有线路都装有定时限过电流保护。3和5的动作时限最小、如果t3取t3与t5中大者，t2应该等于t3十t。t2既要比t3大t，又要比t5大t。如果t2t4，那么t1应该等于t4十t。如果t2t4，那么t1应该等于t2十t。也就是说，阶梯原则在配合过程中，不仅要与线路中的保护时限进行配合，还要与母线上的出线进行配合。即本线路上定时限过电流保护的动作时限与线路末端母线上所有出线中时限最长的一条线路相配合。从迅速切除短路故障来看，希望时限级差t愈小愈好；但是为了保证选择性t应该符合以下条件tta+ tb +tc +td （2-20）ta前面一个元件断路器的跳闸时间(从保护发出跳闸脉冲到切除短路电流为止)；tb前面一个保护动作时间的正误差(实际动作时间比整定时间大)；tc一后面一个保护动作时间的负误差(实际动作时间比整定时间小)；td时间裕度。根据式(2-20)来确定t，它的意思就是：如果前后两个保护的动作时间都有误差，也能保证在线路负荷侧一个元件的断路器切除短路电流以前，电源侧保护不会发跳闸脉冲，而且还有些时间裕度。由式(2-20)可见，t的大小决定于断路器和保护装置的性能。目前在定时限过电流保护整定时，一般t取0.30.5s。第五节 阶段式电流保护图2-13 单侧电源线路限时电流速断保护的配合整定说明一、阶段式电流的构成无时限电流速断保护只能保护线路首端的一部分，限时电流速断保护能保护本线路全长，但不能作相邻下一线路的后备，定时限过电流保护能保护本线路及相邻下一线路全长，然而动作时限较长。为了迅速、可靠地切除被保护线路上的故障，可将上述三种保护组合在一起构成一套保护，称为阶段式电流保护。由瞬时电流速断保护构成电流段；限时电流速断保护为第段；过电流保护为第段，、段共同构成主保护，能以最快的速度切除线路首端故障和以较快的速度切除线路全长范围内的故障；第段，作为后备保护。既作为本线路、段保护的近后备保护，也作下线线路的远后备保护。阶段式电流保护不一定都用三段，也可以只用两段，即瞬时或限时电流速断保护作为第段、过电流保护作为第段，构成两段式电流保护。随着电力网的快速发展，输电线路越来越短，系统阻抗很小，大多数限时电流速断保护难以达到保护线路全长的目标，所以，限时电流速断保护在实际线路上使用比较少。二、阶段式电流保护的时限特性如图2-13所示为阶段式电流保护的时限特性、三段式电流保护的动作电流、保护范围及动作时限的配合情况。由图可见，在被保护线路首端故障时，保护的第段将瞬时动作；在被保护线路末端故障时，保护的第段将带0.5s时限切除故障；而第段只起后备作用。所以，装有三段式电流保护的线路，一般情况下，都可以在0.5s时间内切除故障。本线路的第段应与相邻下一线路的第段从时限上进行配合，当前后两线路的负荷变化不大时，还应从灵敏度上进行配合。三、三段式电流保护原理与展开图继电保护的接线图一般分为原理图，展开图和安装图三种形式。微机型保护装置由于其实现原理比较复杂，一般画出方框图或逻辑图，表示出保护装置的基本功能及它们之间的联系。方框图是原理图的设计依据；逻辑图则表示出各元件或回路之间的逻辑关系。图2-14 三段式电流保护(a)原理图；(b)展开图保护装置的原理图(又称归总式原理图)可以清楚地表示出接线图中各元件间的电气联系和动作原理。在原理接线图上所有电气元件都是以整体形式表示，其相互联系的电流回路、电压回路和直流回路都综合在一起。为了便于阅读和表明动作原理，一般还将一次回路的有关部分，如断路器、跳闸线圈、辅助接点以及被保护的设备等都画在一起。这种原理图能使初学者对整套保护装置的构成和工作原理有一个明确的整体概念。展开图是原理图的另一种表示方法。它的特点是按供电给二次回路的每个独立电源来划分的，即将装置的交流电流回路，交流电压回路和直流回路分开来表示。在原理图中所包括的继电器和其它电器的各个组成部分如线圈、触点等在展开图中被分开画在它们所属的