电网相间短路电流保护

1、第二章 电网相间短路的电流保护第一节 电流，电压继电器及辅助继电器一.电磁型电流，电压继电器构成继电保护的继电器，动作与返回干脆、迅速，不会停留在某一中间位置。这种特性 称为继电器的继电特性。（一）电磁型继电器的工作原理2-1所示。其中转动舌片式通1. 电磁型继电器的分类主要有螺管线圈、吸引衔铁、转动舌片式三种类型，如图常用作测量元件。1'5螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺17 |.,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt . ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt . ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt

2、. ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt ,T,rrt . ,T,trt ,T,trt ,T,trt ,T,trt ,T,trt ,T,trt ,T,trt . ,T,trt ,T,trt ,T,trt1螺螺螺螺螺2螺螺螺螺螺螺3螺螺螺螺4螺螺螺螺5螺螺螺螺螺螺螺6螺螺螺.r.tT-t. .r.tT-t .r.tT-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t螺2-1螺螺螺螺螺螺螺螺2. 电磁型继电器的工作原理电磁型继电器线圈 N中通入电流Im （|m又称为测量电流）时，产生电磁力矩M，克服反作用弹簧力矩Mth，使可动衔铁向

3、电磁铁运动，带动可动接点向静止接点闭合，继电器动作。由于Mc= K2,而Mde二K（IN ）2二I，因此，可制成交流或直流继电器。RmRm（二）电磁型电流继电器以吸引衔铁式为例分析说明继电器的继电特性及动作电流、返回电流、返回系数的定义。1. 作用在继电器上的三种力矩（1 ）电磁力矩:Me 二 K(RmIN）一珥辿）7（Im N为参变量），M与磁路气隙S函数关系M=f( S )为指数关系，当加入继电器的电流Im改变时，曲线上下平移。如图2-2曲线所示；(2) 弹簧力矩：Mh=M.i+K( S 1- S )，其中Mh、S i为原始状态弹簧力矩和继电器磁路气 隙，S为终止态的磁路气隙， 弹簧力矩与

4、磁路 气隙M=f( S )成线性反比关系，如图2-2曲线 所示(3) 摩擦力矩：M为常数，如图2-2曲线 所示。2. 动作电流当Im> Iop时，继电器刚好动作，常开触点闭合时，作用在继电器上的三个力矩满足:MKc> Mh+M 即K ( ImN )2 _ Mth M f (动作方程)6M th M fN， K1 opIm为继电器刚好动作时加入继电器的最小电流，称为继电器的动作电流，用Iop表示。如图2-3所示，当气隙为 S 1继电器处于动作边界时， Me =Mth M f ；保持Im=Iop.r.tT-t.r.tT-t .r.tT-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-

5、T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t .r.t-T-t螺2 - 3 螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺S不变，继电器动作时，气隙由S if S减小，电磁力矩M e随S以指数关系增加较快、反作Me M th M f，而且随着S的用力矩Mth M f随S线性增加，增加的速度较慢，使进一步减小，电磁力矩Me与反作用弹簧力矩 MthMf的差距越来越大，在电磁力矩Me的作用下，继电器迅速动作到底，满足继电特性。到达终止位置S时，存在剩余力矩 Mh,可以保持触点压力。3. 返回电流当I m< Ir时，继电器刚好

6、返回，常开触点打开时，作用在继电器上的三个力矩满足：MW MhM 即 K（ -IN r _ Mth - M f （动作方程）d或MN MN th - M f二 1 rIm为继电器刚好返回时加入继电器的最大电流，称为继电器的返回电流，用Ir表示。如图2-3所示，当气隙为 S继电器处于返回边界时，Mth = Me M f，保持I m=I r不变，继电器返回时，气隙 S增大，反作用弹簧力矩 M th * M f、电磁力矩Me由i变化，使 M th Mdc-Mm，随着S的增大，反作用弹簧力矩 Mth，Mf与电磁力矩Me的差距越来 越大，在弹簧力矩 Mth M f的作用下，继电器迅速返回，同样满足继电特

7、性。4. 返回系数返回系数定义为返回电流与动作电流之比，以Kr = 1表示。I op对于过量保护 K<1, 一般电磁型过量保护应为 0.850.9，静止型保护（如集成型、微机 型保护）应为0.90.95。对于欠量保护 K>1。5. 继电器的调整通过调整继电器线圈匝数和弹簧力矩来调整继电器的动作值；通过调整继电器磁路（气 隙）和调整摩擦力矩来调整返回系数。电磁型电压继电器的工作原理与电磁型电流继电器的工作原理相同，只是比电流继电器 绕组匝数较多，绕组导线较细。电磁型辅助继电器有中间继电器、信号继电器等，其工作原理与电磁型电流继电器的工 作原理相同。第二节无时限电流速断保护无时限电流速

8、断保护的原理接线如图2-5所示，由测量部分电流继电器KA逻辑部分为中间继电器KM执行部分跳闸回路、信号继电器KS组成。电流互感器 TA装在母线的出口。电流继电器KA测量系统电流并与整定值比较，确定电流继电器动作与否。当保护范围内发生短路时，KA动作，中间继电器 KM励磁(KM可增大触点容量，有 0.060.08s延时，防止管 型避雷器放电造成保护误动作)经信号继电器KS线圈，接通跳闸线圈 YT,断开断路器。KS动作后，发出信号表示保护已经动作。跳闸回路中QF的辅助触点能改善 KM接点的工作条件。L螺2-5螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺最大运行方式下，当线路上任一点K发生三相短路时，最大短

9、路电流为I (3)1 K .maxE 3Xs.min X K最小运行方式下，当线路上任一点K发生两相短路时，最小短路电流为3 E .3X2 X S. max X K其短路电流曲线如图2-5所示，为使保护1既能保护线路AB全长，又具有选择性，其动作值IOp.1应选取B母线短路时的最大短路电流lKB)max，即lOp.1 = lKB)max。但是，短路电流的计算值是没有考虑暂态过程影响的稳态值，存在误差；线路参数不是实测参数，因而短路电流的计算值也存在误差； 此外，一次短路电流通过电流互感器变换到二次加入继电器时, 互感器还存在10%的误差。为了保证选择性，防止由于上述因素影响，导致下一线路出口发

10、生短路时实际的短路电流超过保护1的动作值lOp，引起保护越级误动作，因此保护的动作值iOp.1必须满足：iOp.1 >|篇）吋。考虑上述因素，根据运行经验，引入取值 1.21.3的可 靠系数K冋，则无时限电流速断保护的动作值按躲开下一线路出口，最大运行方式下，发生 三相短路时的短路电流整定。即lOp.1(3)KB .max当线路长度小于20kM时，可靠系数K冋取1.5 ;线路长度大于20kM小于50kM时，K冋 取1.4 ;线路长度大于50kM时，K材取1.3。无时限电流保护是依靠整定动作值来保证选择性的。从2-5图可以看出，为了保证选择性，提高了动作值，使保护范围缩小，降低了保护的灵敏

11、性，因此无时限电流速断保护不能 够保护线路全长。又因为保护的动作具有选择性，可以瞬时动作，因而称为无时限电流速断 保护或电流I段。无时限电流速断保护只能保护线路全长的一部分。保护配置图形用p|表示。无时限电流速断保护的灵敏性校验用最小保护范围衡量。规程规定，最小保护范围不应小于线路全长的15%20%。当系统在最小运行方式、下本线路某点K发生两相短路时，短路电流|刚好达到保护的动作值iOp，即iOpl K2min32 XS.min - Xk可得最小保护范围对应的阻抗值Xk1 E2 l opX s.min要求XkX ab乙 Lmin乙LabLmin 一15%20% Lab当上一级线路保护采用距离保

12、护时，为了上、下两级保护的配合，此时应考虑下一级电流保护的最大保护范围。第二节限时电流速断保护电流I段保护只能保护线路全长80 %左右，对线路剩余部分还应增设第二部分保护，即限时电流速断保护，也称为电流n段，其保护范围必然延伸下到一线路，与下一线路电流保护范围部分重叠，如图2-6所示。当下一线路出口发生短路时，保护2的电流I段能够起动，保护1的电流n段也能够起动，为了保证选择性，并力求降低保护的动作速度，因此，保护1的电流n段首先应与下一线路电流保护I段进行配合整定，即保护范围不能超出下一线路电流I段的保护范围，动作时限比下一线路电流 I段保护大一个时限等级？t。？t的大小应保证在下一线路出口

13、短路时，保护2的电流I段有足够的跳闸时间。即t=t2QF(!：；) ' t2QF ( _) t2QFtr式中t2QF(.)为下一线路断路器跳闸的正误差时间；t1QF(j为本线路断路器跳闸的负误差时间；t2QF为下一线路断路器跳闸后主触头的熄弧去游离时间；tr为裕度时间。?t 一般取 0.5s。以公式表示为其动作值配合与时间配合关系如图n- K n I 11 OP.1 一 八 rel 1 OP.21ijtop.1 =top.2 +人t2-6所示。当本线路末端发生短路时，保护1的电流n段+螺螺L螺2-6螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺L只能以?t的延时来切除故障。因而为了保

14、证选择性牺牲了保护动作的速动性。保护1电流n段灵敏性校验：限时电流速断保护范围是线路全长，在最不利情况下，均应有足够的反应能力，要求心_31.5。即I（2）K sen=KB.min _1.3 1.51 OP.1若Ksen <1.3 1.5，则保护1电流n段应与下一线路电流保护n段配合整定。即nOP.11OP.2OP.1= tOp.2-:t以求灵敏度满足要求，如仍不能满足要求，应采用其它保护。电流n段保护的原理接线如图2-6所示，在线路 AB范围内发生故障，限时电流速断保表示。护延时?t = 0.51 s切除故障，并作为电流I段的后备。保护配置图形以第四节 定时限过电流保护电流i、n段保护

15、可在 0.51 s的时间内切除全线路范围内的故障，在满足线路的“四 性”要求时，作为线路的主保护，但不具有后备作用，因此，线路还应设置定时限过电流保 护（称为电流川段）作为电流i、n段主保护的后备保护。电流川段的动作值是躲负荷电流整定，其动作值较低，保护范围较大，因而既可以作为本线路全长的后备保护（近后备），也可以作为 下一线路（元件）全长的 后备保护（远后备）。如图2-6所示，电 流川段保护的原理接线 与电流n段保护的原理1QFWL1t；WL图2-7定时限电流速断保护配置图形、时限特性曲线接线相同。保护配置图 形如图2-7所示为。一. 定时限过电流保护的时限特性电流m段保护的动作值按躲开本线

16、路的最大负荷电流整定，因此线路发生短路时，短路电流将超过各线路的动作电流值。如在线路 WL上发生K点短路时，为保证选择性，保护 1 2的动作时限ti、t2应大于保护3的动作时限t3；同理在线路 WL上 K2点短路时，ti应大于 12,其时限特性如图2-7所示，形似阶梯，故称为阶梯时限特性。二. 定时限过电流保护动作值整定电流m段保护必须保证被保护线路通过最大负荷电流I L max时可靠不动作，在外部故障切除后能可靠返回。其动作电流值整定应按以下两种情况考虑：1 .输电线路无自启动负荷相邻线路故障切除后，保护应可靠返回，即返回电流Ir应满足L.max引入可靠系数 61=1.11.15L. max

17、考虑到K r *I OP=0.85 0.9，因此，保护整定值I op为1 rKrei iOP1 L.maxKrKr2.输电线路有自启动负荷如图2-7所示，线路出口 Ke点短路时，B母线电压下降，电机负荷制动，此时保护1、2起动，保护2动作时限小，动作于断路器 2QF跳闸，而在故障切除后， B母线电压恢复，制 动的电机负荷处于自起动状态，流过保护 1的是自起动电流Ims,为了使保护1可靠返回，应保证继电器的返回电流lr AIms，其中I Ms =Kms汉iL.max。引入可靠系数Kel = 1.11.2 ,则lr=KrelKms1L. maxl r考虑到Kr - = 0.85 0.9，因此，保护

18、整定值I op为1 OPl _ 1 r _ Krel KM s |1 OP1 L .maxKr K rl L.max应考虑双回线路、备用电源自投入等使电流变大的情况，自起动系数氐大于1,由网络具体接线和负荷性质确定。三. 动作时限的整定如图2-8所示，电流川段保护的动作时限按阶梯形时限原则整定，即tA= tB max+?t ,tB= tc max+?t，以此类推，并保证每段线路后备保护动作时限大于主保护动作时限。L四. 过电流保护灵敏度系数校验如图2-8所示，要求电流川段的灵敏度满足:K sen（近）匾匹 _1.3 1.51 OP1（2）KK.C.minsen（远）1.21 OP注意：远后备应

19、校验 Ki、K2、K3点短路时的情况。当电流川段作为本线路的主保护时，要求Ksen _2。第五节电流保护接线方式电流保护的接线方式是指电流继电器线圈和电流互感器二次绕组间的连接方式。常用的接线方式有完全星形接线（三相三继电器式接线）和B相不装设电流互感器及相应继电器的不完全星形接线（两相两继电器式接线）两种。其原理接线与电流相量如图I2-9所示。I不完全星形原理接线、相量图b）图2-9 （a）完全星形原理接线、相量图;注意：电力系统互感器均采用减极性标注，同名端用* ”标注。B相不装设电流互感器）不两种接线方式均能反应各种相间故障，而不完全星形接线（ 能反应B相电流。二.两种接线的适用范围1.

20、对于35KV及以下单电源辐射形网络为了提高供电的可靠性，35KV及以下系统，其中性点处于不接地运行状态。当发生一点 单相接地时，产生的电流很小，系统仍然对称，允许继续运行一段时间；当不同地点，同时发生不同相别的两点接地时，为了使系统保持对称状态继续运行，只要求切除远离电源的一点，以保证选择性。图2-10所示为35KV及以下单电源辐射形网络，当发生不同地点、不同相别两点同时接地时，采用完全星形接线和不完全形接线方式，保护正确动作与误动作情况如表2-1所示,ABCABCABCtlWLiABCt2 WL2t3 WL3fK(C)(b)螺2-10 35KV螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺(a)螺螺螺螺螺螺；(b)

21、螺螺螺螺螺螺螺正确动作用“V”表示；误动作用“X”表示。表2-1保护动作情况串行线路WL与 WL或WL ( 1完全星形接线WLWLWLWLWLWLWLWLWLWLWLWLKA)KBKA)kC)KB)KB)kC)KC)KB)VVVVV不完全星WLWLWLWLWLWLWLWLWLWLWLWL不完王星形接线KA)KB)KA)K()KB)K()KB)K()KC)K()KC)KB)XVVVVX并行线路 WL、WL (t2=t3)完全星形接线WLWLWLWLWLWLWLWLWLWLWLWLKA)kB)KA)KC)kB)kA)kB)KC)KA)KC)kB)XXXXXX不完全星瞼线WLWLWLWLWLWLWL

22、WLWLWLWLWLKA)k(B)KA)KC)k(B)k(A)k(B)KC)KC)KA)KC)k(B)XVXV由表2-1可见：对于串行线路，发生不同相别的两点接地时，采用完全星形接线方式， 保护能100%正确动作，只切除远离电源的一点，而采用不完全星形接线方式，保护正确动 作的可能性有2/3 ;对于并行线路，当动作时限相同时，发生不同相别的两点接地，采用完 全星形接线方式，保护 100%误动作切除两点，而采用不完全星形接线方式，保护正确动作 的可能性仍有2/3。由于不同地点、不同相别同时发生两点接地的可能性很小，继电保护一般不考虑故障的重叠，加之35KV及以下电网线路、元件较多，为了减少投资成

23、本，35KV及以下电网通常采用不完全星形接线方式。对于中性点直接接地电网发生接地时，短路电流很大，系统处于不对称状态，不能正常工作，电流保护为反应各种单相短路，应采用完全星形接线，以确保故障点的切除。2 对于Y, K接线变压器35KV及以下电压等级的降压变压器和配电变压器一般采用电流保护作为主保护或后备保护，即便是大中型变压器也常常采用电流保护作为后备保护，其原理接线如图2-10 (a)所示。因此，应分析采用两种接线方式对保护工作性能的影响。35KV及以下电压等级的降压变压器和配电变压器大多采用Y, K接线，当变压器一侧发生短路时，由于变压器一次与二次的电磁联系，使另一侧保护安装处的非故障相也

24、有故障电 流流过，该电流将对保护的工作性能产生影响。如图2-10所示，以Y, K11变压器为例分析？侧发生AB两相短路，Y侧保护安装处各相 电流的变化与关系。Ic1.螺2-10 Y,d 11螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺(a)螺螺螺；(b)?螺螺螺螺；(c)Y螺螺螺螺当变压器？侧AB相间短路时，可利用对称分量法进行分析，可知，故障点特殊相为 C相,边界条件为lc, =0，则I AAc I BAI C A-I U |A1 A2 =I B1 A ' I B2 =I C1 A I C 2 A = 0C A = I C1 A ' I C2 A = 0， I C1 A = _I C2

25、A由此边界条件，即可确定各序分量的相对位置,其相量如图2-10 ( b)所示，I由于变压器采用 Y, Kn接线，Y侧正序分量落后？侧同名相正序分量30o, Y侧负序分量 超前？侧同名相负序分量 30o,如图2-10 (c)所示，有rI AY = I A1Y+ I A2Y = I cYI by = I B1Y + I B2Y = 一21 aY = 21 cY。IcY = I C1Y+ I C2Y = I AYI B - 21 A - 2I C可见，变压器 Y侧B相电流是其它相电流的 2倍。采用完全星形接线时，能反应B相电流，保护的灵敏度比采用不完全星形接线提高一倍。在采用不完全星形接线时，为了提高保护动作的灵敏度，通常采用如图2-10 (a)所示的改 进不完全星形接线方式，即两相三继电器式接线方式，在不完全星形接线的中线上接入第三 只继电器，以此来反应 B相电流，提高保护的灵敏度。第六节阶段式电流保护E?tT|I|I?tT|I|IIk(3)K .max1 OP.1IOP.1 IOp.2nI*2 I Op.3如