电网的电流保护.ppt

第2章 电网的电流保护,返回总目录,电网正常运行时，输电线路上流过正常的负荷电流，母线电压约为额定电压。当输电线路发生短路时，故障相电流增大。根据这一特征，可以构成反应故障时电流增大而动作的电流保护。 本章根据电网相间短路及单相接地故障的特征，主要介绍单侧电源网络的相间短路保护的三段式电流保护和多侧电源网络相间短路保护的方向电流保护，以及电网单相接地故障的零序电流保护，重点介绍这些保护的工作原理、保护装置的整定计算和接线方式。, 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护 2.2 电网相间短路的方向性电流保护 2.3 大电流接地系统的零序电流保护 2.4 小电流接地系统的零序电流保护 思考题与习题,本章内容,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,对于单侧电源网络的相间短路保护主要采用三段式电流保护，即第一段为无时限电流速断保护，第二段为限时电流速断保护，第三段为定时限过电流保护。其中第一段、第二段共同构成线路的主保护，第三段作为后备保护。,2.1.1 反应单一电气量的继电器,1. 继电器的分类 继电器是根据某种输入信号来实现自动切换电路的自动控制电器。当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合或电平由高变低、由低变高等，具有对被控制电路实现“通”、“断”控制的作用，所以它“类似于开关”。 继电器的基本原理是：当输入信号达到某一定值或由某一定值突跳到零时，继电器就动作，使被控制电路通断。它的功能是反应输入信号的变化以实现自动控制和保护。所以，继电器也可以这样定义：能自动地使被控制量发生跳跃变化的控制元件称为继电器。 在电力系统继电保护回路中，常用继电器的实现原理随着相关技术的发展而变化。目前仍在使用的继电器按输入信号的性质可分为电气继电器(如电流继电器、电压继电器、功率继电器、阻抗继电器等)和非电气继电器(如,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,温度继电器、压力继电器、速度继电器、瓦斯继电器等)两类；按工作原理可分为电磁式、感应式、电动式、电子式(如晶体管型)、整流式、热式(利用电流热效应的原理)、数字式等；按输出形式可分为有触点式和无触点式；按用途可分为控制继电器(用于自动控制电路中)和保护继电器(用于继电保护电路中)。保护继电器按其在继电保护装置中的功能，可分为主继电器(如电流继电器、电压继电器、阻抗继电器等)和辅助继电器(如时间继电器、信号继电器、中间继电器等)。 2. 继电器的基本组成 继电器主要由反应机构、执行机构和中间机构三个部分组成。反应机构也称输入部分，其作用是能够反应外界一定的输入信号，并将其变换成继电器动作的某种特定的物理量(也称其为感受和变换功能)，如电磁式电流继电器的电磁系统，它反应输入的电流信号并将其变换为电磁力。执行机构也称输出部分，其作用是对被控制电路实现通断控制，它分为有触点式的(如电磁式电流继电器的触头系统)和无触点式的(如电子式继电器，其中的晶体管、晶闸管具有导通和截止两种状态，可实现通断控制，所以是执行机构)。比较机构也称中间部分，它处于反应机构和执行机构之间，其作用是将输入部分,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,反应并变换的物理量与继电器的动作值进行比较，以决定执行机构是否动作(简称为比较功能)。为什么要进行比较？因为继电器并不是在任意一个输入量下都可以使执行机构动作的，只有输入量达到一定值时才动作。如电磁式电流继电器的复位弹簧，事先对其调整使其具有一定的弹簧力，只有当电磁力的作用大于此弹簧力的作用时，才能使执行机构动作，所以复位弹簧就是比较机构。 3. 继电器的继电特性 继电器的继电特性(也称控制特性)是指继电器的输入量和输出量在整个变化过程中的相互关系。对于电磁式电流继电器，其继电特性如图2.1所示。 当 时，继电器不动作，而 当时，继电器突然迅速动作。动作后，当保持 时，继电器保持动作后状态。只有当时 ，继电器才突然返回到原位。无论是动作还是返回，继电器都是从起始位置到最终位置，它不可能停留在某一个中间位置上。这种特性就称之为继电器的“继电特性”。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,4. 继电器的返回系数 继电器的返回系数是指返回电流与动作电流的比值，即 是一个重要的参数，在实际应用中要求继电器有较高的返回系数。对于电磁式电流继电器来说，可以采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩，或改善磁路系统的结构以适当减小剩余转矩等方法来提高返回系数。 一般情况下，反应电气量增加而动作的继电器，称过量继电器。其返回系数小于1，但要求其不小于0.85。反应电气量降低而动作的继电器，称欠量继电器。其返回系数大于1，但要求其不大于1.2。,5. 对继电器的基本要求 对继电器的基本要求是工作可靠，动作过程具有“继电特性”。继电器的工作可靠是最重要的，主要是通过各部分结构设计合理、制造工艺先进、经过高质量检测等来,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,保证。其次要求继电器动作值误差小、功率损耗小、动作迅速、动稳定性和热稳定性好以及抗干扰能力强。另外，还要求继电器安装、整定方便，运行维护少，价格便宜等。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,在保证选择性和可靠性要求的前提下，根据对继电保护快速性的要求，原则上应装设快速动作的保护装置，使切除故障的时间尽可能短。反应电流增加，且不带时限(瞬时)动作的电流保护称为无时限电流速断保护，简称电流速断保护。 1. 工作原理 对于图2.2所示的单侧电源辐射形电网，为切除故障线路，需在每条线路的电源侧装设断路器和相应的保护装置，即无时限电流速断保护分别装设在线路L1、L2的电源侧(也称为线路的首端)。当线路上任一点发生三相短路时，通过被保护元件(即线路)的电流为 (2-2) 式中 系统等效电源的相电势，也可以是母线上的电压； 保护安装处到系统等效电源之间的阻抗，即系统阻抗； 线路单位长度的正序阻抗，单位为； 短路点至保护安装处之间的距离。,2.1.2 电流速断保护,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,图2.2 单侧电源辐射形电网电流速断保护工作原理图,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,若 和 为常数，则短路电流将随着 的减小而增大，经计算后可绘出其变化曲线，如图2.2所示。若 变化，即当系统运行方式变化时，短路电流都将随着变化。 当系统阻抗最小时，流经被保护元件短路电流最大的运行方式称为最大运行方式。 图2.2中曲线1表示系统在最大运行方式下短路点沿线路移动时三相短路电流的变化曲线。 短路时系统阻抗最大，流经被保护元件短路电流最小的运行方式称为最小运行方式。在最小运行方式下，发生两相短路时通过被保护元件的电流最小，即最小短路电流为,(2-3),2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,动作电流整定后是不变的，如图2.2中的直线3，它与曲线1、2各有一个交点M和N。在交点以前的线路上发生短路故障时，由于 ，保护1的电流速断保护能够动作；在交点以后的线路上短路时，由于 ，保护不能动作。因此电流速断保护不能保护本线路的全长，而且保护的范围随运行方式和故障类型的变化而变化。 2. 保护范围校验 电流速断保护的灵敏系数通常用保护范围来衡量，保护范围越长，表明保护越灵敏。由图2.2可见，最大运行方式下三相短路时，保护范围最大为 ；最 小运行方式下两相短路时，保护范围最小为 。保护范围通常用线路全长的百分数表示，一般要求最大保护范围50%，最小保护范围15%。 电流速断保护的保护范围可通过下面的方法求得：在最大运行方式下( )，保护范围末端( )发生三相短路时，短路电流 与动作电流 相等，即 解之，得 (2-5),(2-4b),2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,解之，得 在最小运行方式下( )，保护范围末端( )发生两相短路时，短路电流 与动作电流 相等，即 解之，得 (2-6),(2-5),2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,3. 电流速断保护的构成 电流速断保护的单相原理接线如图2.3所示。电流继电器KA接于电流互感器TA的二次侧，当流过它的电流大于它的动作电流后，电流继电器KA动作，启动中间继电器KM，,图2.3 电流速断保护原理接线 KM触点闭合后，经信号继电器KS线圈、断路器辅助触点 QF接通跳闸线圈YR，使断路器跳闸。接入中间继电器KM的作用：,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,(1) 增大触点容量，防止由KA触点直接接通跳闸回路时因容量过小而被破坏； (2) 当线路上装有管型避雷器时，利用中间继电器来增大保护装置的固有动作时间，以防止管型避雷器放电时引起电流速断保护误动作。 信号继电器KS的作用是，在整套保护装置动作后，指示并记录该保护的动作，供运行人员查找和分析故障。跳闸回路中接入断路器QF的辅助触点QF，在断路器跳闸时，其辅助触点随之打开，切断跳闸回路电流。否则，由中间继电器的触点切断跳闸回路，将会烧坏中间继电器的触点。 电流速断保护的主要优点是动作迅速、简单可靠。缺点是不能保护线路的全长，且保护范围受系统运行方式和线路结构的影响。当系统运行方式变化很大或被保护线路很短时，甚至没有保护范围。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，为快速切除本线路其余部分的短路，应增设第二套保护。为保证选择性和快速性，该保护应与下一线路的电流速断保护在保护范围和动作时限上相配合，即保护范围不超过下一线路电流速断保护的保护范围，动作时限比下一线路电流速断保护高出一个时限级 差 ,这种带有一定延时的电流速断保护称为限时电流速断保护。 1. 工作原理与动作电流 现以图2.4中的保护1为例，来说明限时电流速断保护的整定计算。假设保护2装有电流速断保护，其动作电流整定为 ，它与最大短路电流变化曲线1的交点为P，这就是它的保护范围。而保护1限时电流速断保护的保护范围不能超过保护2电流速断保护的保护范围，即P点所对应的短路点k2之前，所以在单侧电源供电的情况下，保护1的限时电流速断保护的保护范围应在k1点和k2点,2.1.3 限时电流速断保护,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,之间。为什么？因为：若在k1点之前，则不能保护本线路的全长；若在k2点之后，则失去与保护2电流速断保护的选择性。所以保护1限时电流速断保护的动作电流应整定为 ，考虑到各种误差的影响，则有,(2-7),式中 限时电流速断保护的可靠系数，取1.11.2。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2. 动作时限的整定 由图2.4可知，保护1限时电流速断保护的保护范围已延伸至下一线路电流速断保护的保护范围，为保证选择性，要求限时电流速断保护的动作时 限 要高于下一线路电流速断保护的动作时限 一个时限级差 ，即 (2-8) 对于时限级差 ，从尽快切除故障出发，应越小越好，但为了保证两套保护动作的选择性， 又不能选择过小。影响的主要因素有： (1) 前一级保护动作的负偏差(即保护可能提前动作) 。 (2) 后一级保护动作的正偏差(即保护可能延后动作) 。 (3) 保护装置的惯性误差(即断路器跳闸时间：从接通跳闸回路到触头间电弧熄灭的时间) 。 (4) 为保证有选择性，再加一个时间裕度 ，则时限级差为 (2-9),2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,由此确定的 一般为0.35s0.5s，实际应用中取 =0.5s。 保护1与保护2的配合关系，即保护动作时间与短路点至保护安装处之间距离的关系，用 来描述，如图2.4所示。在保护2电流速断保护范围内的短路，将以 的时间切除，此时保护1的限时电流速断虽然可以启动，但因 较 大一个 ，而在QF2跳闸后，保护1将返回，所以从时间上保证了选择性。若短路发生在保护1电流速断保护范围内时，保护1将以 时间切除，而在该线路其他点短路时，保护1将以 时间切除。所以，当线路装设电流速断保护和限时电流速断保护后，它们的联合工作就可以保证在全线路范围内的短路故障都能在0.5s时间内予以切除，在一般情况下都能满足速动性的要求。它们的共同作用，构成了线路的主保护，即以最短的时间切除全线路任一点发生的短路。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,图2.4 限时电流速度保护工作原理及时限特性,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,3. 灵敏系数校验 为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护在系统最小运行方式下线路末端发生两相短路时，应具有足够的灵敏性，一般用灵敏系数来校验，即规程规定 1.5 (2-10) 式中 最小运行方式下被保护线路末端发生两相金属性短路时，流过本线路保护的电流； 本线路限时电流速断保护的动作电流。 必须进行灵敏系数校验的原因，主要是考虑下列因素： (1) 故障点存在过渡电阻，使实际短路电流比计算电流小，不利于保护动作。 (2) 实际的短路电流由于计算误差或其他原因而小于计算值。 (3) 由于电流互感器的负误差，使实际流入保护装置的电流小于计算值。 (4) 继电器实际动作电流比整定电流值高，即存在正误差等。 (5) 考虑一定的裕度。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,当灵敏系数不能满足要求时，在保护范围内发生短路时，在上述不利因素的影响下，将导致保护拒动，达不到保护线路全长的目的。这时可采用降低保护动作值的办法来提高灵敏系数，即使之与下级线路的限时电流速断相配合。如保护1的动作电流 与下一条线路保护2的限时电流速断保护的动作电 配合，则 (2-11) 此时 (2-12) 可见，保护范围的伸长(即灵敏性提的高)，必然导致动作时限的升高。 4. 原理接线图 限时电流速断保护的单线原理接线如图2.5所示。其动作过程与图2.3所示的电流速断保护基本相同，不同的是用时间继电器KT代替了中间继电器KM。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,当电流继电器KA动作后，需经KT建立延时后才能动作于跳闸。若在 之前故障已被切除，则已经启动的KA返回，使KT立即返回，整套保护装置不会误动作。,图2.5 限时电流速断保护单相原理接线,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2.1.4 定时限过电流保护,过电流保护通常是指其动作电流按躲过最大负荷电流来整定的保护，它分为两种类型：一种是保护启动后出口的动作时间是固定的整定时间，称为定时限过电流保护；另一种是出口动作时间与过电流的倍数有关，电流越大，出口动作越快，称为反时限过电流保护。本节只介绍定时限过电流保护。定时限过电流保护(也可简称为过电流保护)在正常运行时，不会动作。当电网发生短路时，则能反应于电流的增大而动作。由于短路电流一般比最大负荷电流大得多，所以保护的灵敏性较高，不仅能保护本线路的全长，作本线路的近后备保护，而且还能保护相邻线路全长，作相邻线路的远后备保护。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,1. 工作原理和动作电流 为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对不动作，过电流保护的动作电流应大于该线路上可能出现且通过保护装置的最大负荷电流，即 ；同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复时负荷自启动电流作用下保护装置必须能够可靠返回，即返回电流应大于负荷自启动电流。 如图2.6所示，当k点短路时，保护1和保护2的过电流保护将同时启动，但根据选择性要求，应由保护2动作切除故障，此时保护1由于电流已减小应立即返回。而这时通过保护1的可能的最大电流不再是正常运行时的最大负电流 了 ，这是因为短路时，变电所B母线电压降低，接在该母线上的电动机的转速会降低或停转，在故障切除后电压恢复时，电动机将自启动，而电动机的自启动电流要大于它正常工作时的电流。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,电动机最大自启动电流 与正常运行时最大负荷电流 的关系为 式中 自启动系数，其数值由负载的性质及电网的具体接线决定，一般取1.53。 为使保护1在此电流下能可靠返回，其返回电流应满足关系式 ，引入可靠系数则有 (2-14) 式中 定时限过电流保护的可靠系数，一般取1.151.25； 由电流继电器动作电流与返回电流的关系 ，可得过电流保护的动作电流为 (2-15) 由式(2-15)可知，当返回系数越小时，则过电流保护的动作电流越大，则保护的灵敏性就越差，所以要求继电器的返回系数应尽可能大。,(2-13),2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2. 动作时限的整定 如图2.7所示的网络，假设各条线路都装有过电流保护，且均按躲过各自的最大负荷电流来整定动作电流。当k点短路时，保护14在短路电流的作用下，都可能启动，为满足选择性要求，应该只有保护4动作切除故障，而保护13在故障切除后应立即返回。如何来满足这个要求呢？只能依靠选择不同的动作时限来保证。 过电流保护的动作时限是按阶梯原则来选择的。从离电源最远的保护开始，如图2.7中保护4处于电网的末端，只要发生故障，它不需要任何选择性方面的配合，可以瞬时动作切除故障，所以 只是保护装置本身的固有动作时间， 即 为保证选择性，保护3的动作时间 应比 高一个时间级差 ，即 (2-16) 依次类推，可以得到 、 。可以看出，保护的动作时间向电源侧逐级增加至少一个 ，只有这样才能充分保证动作的选择性。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,但必须注意，过电流保护的动作时限在按上述阶梯原则整定的同时，还需要与各线路末端变电所母线上所有出线保护动作时限最长者配合。如图2.7中，若保护5的动作时间大于保护3的动作时间，则保护2的动作时间应按 来整定。,图2.7 单侧电源辐射形电网过电流保护动作时限选择说明图,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,3. 灵敏系数校验 过电流保护的灵敏系数校验类似于限时电流速断保护，即 (2-17) 当过电流保护作本线路近后备保护时， 取最小运行方式下本线路末端两相金属性短路电流来校验，要求 ；当过电流保护作相邻线路的远后备保护时， 应取最小运行方式下相邻线路末端两相金属性短路电流来校验，要求 。 此外应注意，各过电流保护之间还应在灵敏系数上进行配合，即对同一故障点来说，要求靠故障点近的保护，灵敏系数应越高，否则将失去选择性。如图2.7中的过电流保护1和2，由于通过同一最大负荷电流，所以动作电流相同，假定为100A。实际上若保护2的电流继电器动作值有正误差，如105A(一次值)，而保护1刚好有负误差，如95A，那么，当k1点短路时流过保护1、2的短路电流为102A，保护2不动作，而保护1却要动作，将失去选择性。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,对于图2.7中的k点短路时，要求各过电流保护的灵敏系数应满足如下关系，即 (2-18) 在单侧电源的网络接线中，由于越靠近电源端时，负荷电流越大，从而保护装置的整定值越大，而发生故障后，各保护装置均流过同一个短路电流，因此上述灵敏系数应相互配合的要求是能够满足的。 所以，对于过电流保护，只有在灵敏系数和动作时限都能相互配合时，才能保证选择性。当过电流保护的灵敏系数不能满足要求时，可采用电压启动的电流保护、负序电流保护或距离保护等。 过电流保护的单相原理接线与图2.5相同。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2.1.5 阶段式电流保护的应用及评价,1. 阶段式电流保护的构成 无时限电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护都是反应于电流增大而动作的保护，它们之间的区别主要在于按照不同的原则来整定动作电流。电流速断保护是按照躲开本线路末端的最大短路电流来整定，它虽能无延时动作，但却不能保护本线路全长；限时电流速断保护是按照躲开下级线路各相邻元件电流速断保护的最大动作范围来整定，它虽能保护本线路的全长，却不能作为相邻线路的后备保护；而定时限过电流保护则是按照躲开本线路最大负荷电流来整定，可作为本线路及相邻线路的后备保护，但动作时间较长。 为保证迅速、可靠而有选择性地切除故障，可将这三种电流保护，根据需要组合在一起构成一整套保护，称为阶段式电流保护。 具体应用时，可以采用电流速断保护加定时限过电流保护，或限时电流速断保护加定时限过电流保护，也可以三者同时采用。应用较多的就是三段式电流,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,保护，其各段的动作电流、保护范围和动作时限的配合情况如图2.8所示。当被保护线路始端短路时，由第I段瞬时切除；该线路末端附近的短路，由第II段经0.5s延时切除；而第III段只起后备作用，所以装有三段式电流保护的线路，一般可在0.5s左右时限内切除故障。,图2.8 阶段式电流保护的配合说明图,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2. 阶段式电流保护的配合 现以图2.8为例来说明阶段式电流保护的配合。在电网最末端的线路上，保护4采用瞬时动作的过电流保护即可满足要求，其动作电流按躲过本线路最大负荷电流来整定，与电网中其他保护的定值和时限上都没有配合关系。在电网的倒数第二级线路上，保护3应首先考虑采用0.5s动作的过电流保护；如果在电网中线路CD上的故障没有提出瞬时切除的要求，则保护3只装设一个0.5s动作的过电流保护也是完全允许的；但如果要求线路CD上的故障必须快速切除，则可增设一个电流速断保护，此时保护3就是一个速断保护加过电流保护的两段式保护。而对于保护2和1，都需要装设三段式电流保护，其过电流保护要和下一级线路的保护进行配合，因此动作时限应比下一级线路中动作时限最长的再长一个时限级差，一般要整定为1s1.5s。所以，越靠近电源端，过电流保护的动作时限就越长。因此必须装设三段式电流保护。 3. 三段式电流保护整定计算举例 【例2.1】 如图2.9所示的网络，试对保护1进行三段式电流保护整定计算，并计算继电器的动作电流。已知 ， ， ，,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,图2.9 例2.1的网络图,解：(1) 保护1电流段整定计算： 求动作电流。按躲过最大运行方式下本线路末端(即k1点)三相短路时流过保护的最大短路电流来整定，即 注意：计算时，母线电压应考虑的裕量。 采用两相不完全星形接线方式时，流过继电器的动作电流为,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护, 动作时限。第段为电流速断，动作时间为保护装置的固有动作 时间，即 。 灵敏系数校验，即求保护范围。 在最大运行方式下发生三相短路时的保护范围为 则 ，满足要求。 在最小运行方式下的保护范围为 则 ，满足要求。 (2) 保护1电流段整定计算： 求动作电流 。按与相邻线路保护I段动作电流相配合的原则来整定，即,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,采用两相不完全星形接线方式时流过继电器的动作电流为 动作时限。应比相邻线路保护I段动作时限高一个时限级差 ，即 灵敏系数校验。利用最小运行方式下本线路末端(即k1点)发生两相金属性短路时流过保护的电流来校验灵敏系数，即 ，满足要求。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,(3) 保护1电流段整定计算： 求动作电流 。按躲过本线路可能流过的最大负荷电流来整定，即 采用两相不完全星形接线方式时流过继电器的动作电流为 动作时限。应比相邻线路保护的最大动作时限高一个时限级差 ，即 灵敏系数校验。 作近后备保护时，利用最小运行方式下本线路末端(即k1点)发生两相金属性短路时流过保护装置的电流来校验灵敏系数，即 1.5，满足要求。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,作远后备保护时，利用最小运行方式下相邻线路末端(即k2点)发生两相金属性短路时流过保护装置的电流来校验灵敏系数，即 1.2，满足要求。 4. 三段式电流保护的评价 对继电保护的评价，主要是从选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个方面出发，看其是否满足电力系统安全运行的要求，是否符合有关规程的规定。 1) 选择性 在三段式电流保护中，电流速断保护的选择性是靠动作电流来实现的；限时电流速断保护和过电流保护则是靠动作电流和动作时限来实现的。它们在35kV及以下的单侧电源辐射形电网中具有明显的选择性，但在多电源网络或单电源环网中，则只有在某些特殊情况下才能满足选择性要求。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2) 速动性 电流速断保护以保护固有动作时限动作于跳闸；限时电流速断保护动作时限一般在0.5s以内，因而动作迅速是这两种保护的优点。过电流保护动作时限较长，特别是靠近电源侧的保护动作时限可能长达几秒，这是过电流保护的主要缺点。 3) 灵敏性 电流速断保护不能保护本线路全长，且保护范围受系统运行方式的影响较大；限时电流速断保护虽能保护本线路全长，但灵敏性依然要受系统运行方式的影响；过电流保护因按最大负荷电流整定，灵敏性一般能满足要求，但在长距离重负荷线路上，由于负荷电流几乎与短路电流相当，则往往难以满足要求。受系统运行方式影响大、灵敏性差是三段式电流保护的主要缺点。 4) 可靠性 由于三段式电流保护中继电器简单，数量少，接线、调试和整定计算都较简便，不易出错，因此可靠性较高。 总之，使用一段、二段或三段而组成的阶段式电流保护，其最主要的优点就是简单、可靠，并且在一般情况下能满足快速切除故障的要求，因此在电网中特别是在35kV及以下的单侧电源辐射形电网中得到广泛的应用。其缺点是受电网的接线及电力系统运行方式变化的影响，使其灵敏性和保护范围不能满足要求。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2.1.6 电流保护的接线方式 1. 电流保护的接线方式 电流保护的接线方式是指保护中电流继电器与电流互感器二次绕组之间的连接方式。对于相间短路的电流保护，主要有三种接线方式：三相三继电器的完全星形接线，两相两继电器的不完全星形接线，两相一继电器的两相电流差接线。 1) 三相三继电器的完全星形接线 三相三继电器的完全星形接线如图2.10所示。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,图2.10 三相三继电器完全星形接线,它是将三个电流互感器与三个电流继电器分别按相连接在一起，互感器和继电器均接成星形。三个继电器的触点并联连接，继电器线圈中的电流就是互感器的二次电流。在中线上流回的电流为 (2-19) 正常时，三相平衡， 。当系统发生非对称接地故障时或发生相间短路时，三相电流不对称， 大幅增加，使继电器动作。因继电器的触点是并联的，其中任何一个触点动作均可动作于跳闸或使时间继电器启动，所以可靠性和灵敏性较高；又由于在每相上均装有电流继电器，所以它可以反应各种相间短路和中性点直接接地电网中的单相接地短路。所以它主要用于中性点直接接地电网中进行各种相间短路保护和单相接地短路保护。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2) 两相两继电器的不完全星形接线 两相两继电器的不完全星形接线(也称V形接线或两相星形接线)如图2.11所示，与完全星形接线相比，就是在B相上不装设电流互感器和电流继电器(设备相对少了)，所以不能反应B相中流过的电流(不能完全反应系统的单相接地故障)。这种接线方式中，中性线中流回的电流为 ，所以可以反应各种类型的相间短路(其触点也是并联)。由于这种接线方式较为简单、经济，所以在中性点直接接地电网和中性点非直接接地电网中，广泛作为相间短路保护的接线方式。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,3) 两相一继电器的两相电流差接线 两相一继电器的两相电流差接线如图2.12所示，流过电流继电器的电流为 即两相电流之差。它有三种情况：在对称运行和三相短路时， ；在A、C两相短路时， ；在AB或BC两相短路时， 或 。所以在不同类型的短路情况下，流过继电器中的电流 与互感器的二次电流 之比是不同的，为了表征二者的关系，在保护装置整定计算中引入一个接线系数 ，其定义为流过电流继电器的电流 与电流互感器二次电流 之比，即 (2-20) 由此式可知，在完全星形接线和不完全星形接线中， ，而在两相电流差接线中，对于不同的故障，其数值不同，三相短路时， ，A、C两相短路时 ，AB或BC两相短路时， 。因为接线系数在不同的故障时不同，所以保护装置的灵敏度也不相同，但所用设备少，简单、经济，所以主要用于低压线路保护和电动机保护中灵敏度较易满足的场合。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,图2.11 两相两继电器不完全星形接线 图2.12 两相一继电器的两相电流差接线,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,2. 三段式电流保护装置接线图 电力系统继电保护的接线图一般有框图、原理图和安装图三种。对于采用机电型继电器构成的继电保护装置，用得最多的是原理图。原理图又分为归总式原理图(简称原理图)和展开式原理图(简称展开图)。 原理图能展示出保护装置的全部组成元件及其他们之间的联系和动作原理。在原理图上所有元件都以完整的图形符号表示，所以能对整套保护装置的构成和工作原理给出直观、完整的概念，易于阅读。三段式电流保护的原理接线图如图2.13(a)所示。图中的保护采用不完全星形接线方式(因为是相间短路保护)，可实现各种类型的相间短路保护。 第I段电流保护由电流继电器KA1、KA2、中间继电器KM和信号继电器KS1组成。第II段电流保护由电流继电器KA3、KA4、时间继电器KT1及信号继电器KS2组成。第III段电流保护由电流继电器KA5、KA6、KA7、时间继电器KT2及信号继电器KS3组成。其中，电流继电器KA7接于A、C两相电流之和的中性线上，相当于B相继电器，则第III段电流保护组成了三相式保护。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,为什么要组成三相式保护？因为第III段电流保护要作为相邻变压器的远后备保护。由于变压器电抗较大，使后备保护灵敏度常常不能满足要求，而第III段电流保护采用三相式保护能提高保护的灵敏度。 由于三段式电流保护的各段均设有信号继电器，因此任一段保护动作于断路器跳闸的同时，均有相应的信号继电器掉牌，并发出信号，以便了解是哪一段动作，宜于进行分析。各段保护均独立工作，且可通过连接片XB投入或停用。 由图2.13(a)可知，原理图只给出保护装置的主要元件的工作原理，但元件的内部接线、回路标号、引出端子等均未表示出来。特别是元件较多、接线复杂时，原理图的绘制和阅读都比较困难，且不便于查线和调试、分析等工作，所以现场广泛使用展开图。 展开图是将交流回路和直流回路分开画出的。各继电器的线圈和触点分别画在各自所属的回路中，并用相同的文字符号标注，以便阅读和查对。在连接上按照保护的动作顺序，自上而下、从左到右依次排列线圈和触点。 阅读展开图时，一般应按先交流后直流，由上而下、从左至右的顺序阅读。展开图的接线简单，层次清楚，绘制和阅读都比较方便，且便于查线和调试，特别是对于复杂的保护，其优越性更加显著，所以在生产中得到了广泛的应用。 图中继电器触点的位置，对应于被保护线路的正常工作状态。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,三段式电流保护的展开图如图2.13(b)、图2.13(c)所示。,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,(b) 展开图 (c) 展开图 图2.13 三段式电流保护原理接线图,对于单电源辐射形供电的网络，每条线路上只在电源侧装设保护装置就可以了。当线路发生故障时，只要相应的保护装置动作于断路器跳闸，便可以将故障元件与其他元件断开，但却要造成一部分变电所停电。为了提高电网供电的可靠性，在电力系统中多采用双侧电源供电的辐射形电网或单侧电源环形电网供电。此时，采用阶段式电流保护将难以满足选择性要求，应采用方向性电流保护。本节主要介绍方向性电流保护的工作原理、整定计算、方向继电器及其接线方式等内容。,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,2.2.1 方向性电流保护的工作原理 1. 方向电流保护的基本原理 对于如图2.14所示的双侧电源网络，由于两侧都有电源，所以在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。当线路上发生相间短路时，应跳开故障线路两侧的断路器，而非故障线路仍能继续运行。例如，当k1点发生短路时，应由保护3、4动作跳开断路器切除故障，而其他线路不会造成停电，这正是双侧电源供电的优点。但是单靠电流的幅值大小能否保证保护2、5不误动作呢？,图2.14 双侧电源网络 由图2.14可知，当k1点短路时，由左侧电源提供的短路电流同时流过保护2和保护3，使保护3的电流速断保护启动，跳开QF3。如果此短路电流也大于保护2的电流速断保护的整定值，则保护2可能在保护3跳开QF3之前或同时跳开QF2，这样保护2的动作将失去选择性。同时给动作值的整定带来麻烦。又如对于定时限过电流保护，为满足选择性要求，在k1点短路时，要求保护2大于保护3的动作时限；在k2点短路时，又要求保护2小于保护3的动作时限，给保护动作时限的整定造成困难。同理，对于单侧电源环网也会出现这样的问题。,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,那么，如何解决在双侧电源供电的电网或单侧电源环网中相间短路电流保护失去选择性和动作时限难以整定的问题呢？由此引入短路功率方向的概念：短路电流方向由母线流向线路称为正方向故障，允许保护动作；短路电流方向由线路流向母线称为反方向故障，不允许保护动作。如当k1点短路时，流过保护3的短路功率方向由母线流向线路，保护应该动作；而流过保护2的短路功率方向则由线路流向母线，保护不应该动作。同样对于k2点短路，流过保护2的短路功率方向由母线流向线路，保护应该动作；而流过保护3的则由线路流向母线，保护不应动作。 所以，只要在电流保护的基础上加装一个能判断短路功率流向的方向元件，即功率方向继电器，并且只有当短路功率由母线流向线路时才允许动作，而由线路流向母线时则不允许动作，从而使保护的动作具有一定的方向性。这样就可以解决反方向短路保护误动作的问题。这种在电流保护的基础上加装方向元件的保护称为方向电流保护。方向电流保护既利用了电流的幅值特征，又利用了短路功率的方向特征。,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,在图2.15所示的电网中，各电流保护均加装了方向元件构成了方向电流保护，图中箭头方向为各保护的动作方向。把同一方向的保护如1、3、5作为一组，保护2、4、6为另一组，这样就可将两个方向上的保护拆开成两个单电源辐射形电网的保护。当k2点短路时，流经保护1、3、5的短路功率方向均由母线流向线路，与保护的动作方向相同，此时只需考虑保护1、3、5之间的动作电流和动作时限的配合即可，方法与上一节所述的单电源辐射形电网的阶段式保护相同。而流经保护2、4的短路功率方向均由线路流向母线，与保护的动作方向相反，保护不会动作，也就不需要考虑与保护1、3、5之间的整定配合。同理，其他各点短路时，动作方向相反的保护均不会误动作。,图2.15 双侧电源网络的方向性电流保护原理说明图,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,2. 方向电流保护的单相原理接线 具有方向性的过电流保护的单相原理接线如图2.16所示，与图2.5所示的限时电流速断保护单相原理接线图相比，只是多了一个用作判断短路功率方向(即故障方向)的功率方向继电器。由图可知，电流元件和方向元件的触点是串联的，它们必须都启动后，才能去启动时间元件，经预定的延时后动作于跳闸。 需要说明的是，对于双侧电源辐射形电网或单侧电源环网中的电流保护，在某些情况下不需要方向元件同样可以实现动作的选择性，但必须通过比较保护之间的整定值和动作时限的大小来实现，这样有利于简化保护的接线，提高动作的可靠性。,图2.16 方向电流保护单相原理接线图,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,对于电流速断保护，如图2.14中保护3，当其背后k2点发生相间短路时，流过它的最大短路电流小于其动作电流时，即 ，则保护3的电流速断不会误动作，这样保护3就可以不装方向元件。采用同样方法可确定其他电流速断保护是否应设方向元件。 对于过电流保护，可通过比较同一母线两侧保护的动作时限来决定是否采用方向元件。如图2.14中保护2的动作时限若小于保护3的动作时限，即 ，当k2点短路时，保护2先于保护3动作跳闸，因此保护3可不装方向元件，而保护2则必须装设方向元件。 对于限时电流速断保护，则必须综合考虑以上两种因素。,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,2.2.2 功率方向继电器 功率方向继电器是用来判断短路功率方向的，是方向电流保护中的主要元件。所以它必须具有足够的灵敏性和明确的方向性，即发生正方向故障(短路功率由母线流向线路)时，能可靠动作，而在发生反方向故障(短路功率由线路流向母线)时，可靠不动作。 1. 功率方向继电器的工作原理 功率方向继电器是通过测量保护安装处的电压和电流之间的相位关系来判断短路功率方向的。以图2.14所示网络为例，规定电流由母线流向线路为正，电压以母线高于大地为正。当k1点发生三相短路时，流过保护3的电流 为正向电流，它与母线B上的电压 之间的夹角为线路的阻抗角 ，其值的变化范围为 ，且电压超前电流(因为线路主要以感性为主)，则短路功率为 0。而当k2点三相短路时，流过保护3的电流为反向电流 ，它滞后母线电压 的角度为线路阻抗角 ，则 滞后 的相位角为 180， 此时短路功率为 0。其电压、电流的相位关系如图2.17所示。,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,由图2.17可知，正方向短路时， 超前 的角度为锐角，反方向短路时， 超前 的角度为钝角。因此，功率方向继电器的工作原理实际上就是通过测量 和 之间的相位角来判别正、反方向短路的，正方向短路时，功率方向继电器动作，反方向短路时，功率方向继电器不动作。,(a) 正方向故障 (b) 反方向故障 图2.17 正反向故障时电压与电流的相位关系,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,2. 整流型功率方向继电器 目前广泛应用的功率方向继电器有感应型、整流型和半导体型。尽管形式多样，但都是按相位比较或幅值比较原理构成的，其动作特性极为相似。下面以整流型功率方向继电器为例，来说明整流型功率方向继电器的作用原理和主要特性。 1) 整流型功率方向继电器的构成原理 整流型功率方向继电器是根据幅值比较原理来构成的，其原理接线如图2.18所示。 电压形成回路由电抗变压器UX和电压变换器UV构成，幅值比较回路由半导体整流桥U1、U2组成，极化继电器KP(单方向电流动作的继电器)为执行元件。,图2.18 整流型功率方向继电器原理图,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,电抗变压器UX原边的匝数为N1，输入电流 (即来自TA的二次侧)，UX铁芯具有气隙，使 的变化范围较大。UX的副边有三个绕组 、 、 ，在 、 上可得到感应电压 ， 是UX的电流电压变换系数，为一复数，其相角为 (即副边与原边之间的相位差)，它可通过 上的移相电阻 和 来调节，当选 时， ，选 时， 。 的作用是使 、 输出的电压均为 (通过调节 中间抽头位置实现)。 电压变换器 的原边电压 (来自于TV的二次侧)通过 加到 上，使副边有感应电压输出。副边 和 的匝数相等，所以其输出电压都为 ， u是 的电压变换系数，为复数，其相角为 (即副边电压超前原边电压 ),2.2 电网相间短路的方向性电流保护,将 的 与 的 异极性相接，形成工作回路，其回路电压为 (2-21) 通过整流桥 整流后，得直流电流 ， 从 的*号侧流入其线圈中，称为工作量。将 的 和 的 同极性端相连，形成制动回路，其回路电压为 (2-22) 通过整流桥 整流后，得直流电流 ， 从 的非*号侧流入其线圈中，称为制动量。所以，极化继电器即功率方向继电器的动作条件为 (2-23) 式中 极化继电器的动作电流。 设工作回路和制动回路的阻抗分别为 、 ，则有 (2-24) (2-25) 式中 0.9 为整流系数。,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,假设 ，将上两式代入式(2-23)中，则有 (2-26) 式中 执行元件最小动作电压。 在忽略 的理想情况下，功率方向继电器的动作条件可改写为 (2-27) 即 (2-28) 设 ， ，则 ， ，其各量之间的关系如图2.19所示。,图2.19 比相式与比幅式的对应关系,2.2 电网相间短路的方向性电流保护,由图中可以看出，当 时， ；当 时， ；当 时， 。结合式(2-28)，则功率方向继电器的动作条件可写成 ， 即 (2-29) (2-30) 又因为 u的相角为 ， 1 的相角为 ，所以上式又可以写成 (2-31) 该式反应了电压 与电流 之间的相位关系，也就是功率方向继电器的动作条件。若满足此条件，则继电器动作，否则继电器不动作。由此可知，图2.18构成了反应电压 与电流 之间相位关系而动作的功率方向继电