继电保护：线路相间故障的三段式电流保护

1、第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护一、电流继电器一、电流继电器 继电器是一种能自动断续的控制器件，当其输入量达到一定值时，能使输出回路的被控电量发生预计的变化，是具有对被控电路实现“通通”、“断断”控制的执行机构。 按动作原理：电磁型、感应型、整流型、晶体管型、按动作原理：电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型等继电器。集成电路型、微机型等继电器。 按反应的物理量：电流继电器、电压继电器、功率方按反应的物理量：电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器和频率继电器等。向继电器、阻抗继电器和频率继电器等。 按作用：起动继电器、时间继电器、中间继电器、信按作用：起动继电器

2、、时间继电器、中间继电器、信号继电器和出口继电器等。号继电器和出口继电器等。2. 2. 对继电器的要求对继电器的要求工作可靠。工作可靠。动作值误差小。动作值误差小。接点可靠。接点可靠。消耗的功率要小。消耗的功率要小。动作迅速。动作迅速。热稳定、动稳定要好。热稳定、动稳定要好。安装调试容易、运行维护方便、价格便宜安装调试容易、运行维护方便、价格便宜。3. 3. 电磁型继电器的结构电磁型继电器的结构 电磁型电流继电器电磁型电流继电器中间继电器中间继电器 一般采用吸引衔铁式结构，一般采用吸引衔铁式结构，作用是以同时接通或断开几条独立回路作用是以同时接通或断开几条独立回路和用以代替小容量触点或者带有不

3、大的延时来满足保护的需要和用以代替小容量触点或者带有不大的延时来满足保护的需要 。 时间继电器是用于保护获得所要求的延时，一般采用时间继电器是用于保护获得所要求的延时，一般采用螺管线圈式结构螺管线圈式结构。 实验台上的继电器实验台上的继电器 电流继电器在电流保护中用作测量测量和起动起动元件，它是反应电流超过某一整定值而动作的继电器。 电磁型继电器是利用电磁原理工作的，现以吸引衔铁式继电器为例进行分析如下图所示。 首先分析使继电器触点接通的力矩（即动作力矩）。在线圈1中通以电流IJ，则产生与其成正比的磁通，即 IJ ，通过由铁心铁心，空气空气隙隙和可动舌片可动舌片而成的磁路，使舌片磁化与铁心的磁

4、极产生电磁吸力，其大小与的平方成正比。 其次分析使继电器触点闭合的其次分析使继电器触点闭合的阻力矩阻力矩。 正常情况下，继电器不工作，弹簧对应于空气隙长度正常情况下，继电器不工作，弹簧对应于空气隙长度1产生一初始力矩产生一初始力矩Ms1。由于弹簧的张力与伸长量成正比，。由于弹簧的张力与伸长量成正比，因此，弹簧产生的反抗力矩为因此，弹簧产生的反抗力矩为 另外，在可动舌片转动的过程中，还必须克服摩擦另外，在可动舌片转动的过程中，还必须克服摩擦力矩力矩Mf。 因此，阻碍继电器动作的全部因此，阻碍继电器动作的全部机械反抗力矩为：机械反抗力矩为： Ms+Mf1312()ssMMK 返回系数：返回系数：

5、返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数。 在实际应用中，要求有较高的返回系数，如0.850.9。返回系数越大则保护装置的灵敏度越高，但过大的返回系数会使继电器触点闭合不够可靠。可以采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩，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。 转动舌片式继电器的返回系数较高。4. 4. 继电特性继电特性 继电器的继电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。 无论是动作还是返回，继电器都是从起始位置到最终位置，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它不可能停留在某一个中间位置，这种特性就称之为继电器的“继电特性”。 动作电流

6、不等于返回电流，使接点无抖动。二、无时限电流速断保护(电流段)电流速断保护：电流速断保护：反应电流增大而瞬时动作的电流保护。1.1.几个基本概念几个基本概念系统最大运行方式：系统最大运行方式：就是在被保护线路末端发生短路时，系统等值阻抗最小，而通过保护装置的短路电流为最大短路电流为最大的运行方式。系统最小运行方式：系统最小运行方式：就是被保护线路末端发生短路时，系统等值阻抗最大，而通过保护装置的短路电流为最小短路电流为最小的运行方式。最大短路电流：最大短路电流：在最大运行方式下三相短路时，通过保护装置的短路电流为最大。最小短路电流：最小短路电流：在最小运行方式下两相短路时，通过保护装置的短路电

7、流为最小。对保护5而言：最大运行方式：系统等值阻抗最小，线路12、34投入运行。最小运行方式：系统等值阻抗最大，线路12或34退出运行。2. 2. 无时限电流速断保护的工作原理无时限电流速断保护的工作原理以单侧电源辐射网络来介绍无时限电流速断保护的原理。3. 3. 动作电流的整定整定 为保证选择性，保护装置的起动电流应按躲开下一条线路出口处短路时，通过保护的最大短路电流来整定。即(3).1. .maxIdzd BII(3).1. .maxIIdzkd BIKI 结论结论: :电流速断保护只能保护本条线路的一部分，而不能保护电流速断保护只能保护本条线路的一部分，而不能保护全线路，其最大和最小保护

8、范围全线路，其最大和最小保护范围lmaxlmax和和lminlmin。不能单独作主保。不能单独作主保护使用，而必须与其它保护配合才能担当主保护的职责。护使用，而必须与其它保护配合才能担当主保护的职责。IkK是无时限电流速断保护的可靠系数，一般取值为是无时限电流速断保护的可靠系数，一般取值为1.2-1.31.2-1.3。调整继电保护装置的动作值到规定值数值 当当系统运行方式的变化很大系统运行方式的变化很大，或者，或者被保护线路很短时被保护线路很短时，速断保护就，速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。可能没有保护范围，因而不能采用。图图1-3 1-3 系统运行方式的变化对电流速断保护的影响系统

9、运行方式的变化对电流速断保护的影响图图1-4 1-4 被保护线路长短不同对电流速断保护的影响被保护线路长短不同对电流速断保护的影响图图1-5 1-5 线路线路- -变压器组的电流速断保护变压器组的电流速断保护 由于线路和变压器可以看成是一个元件，因此速断保护就可以按由于线路和变压器可以看成是一个元件，因此速断保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处故障点的短路来整定，由于变压器的照躲开变压器低压侧线路出口处故障点的短路来整定，由于变压器的阻抗一般较大，因此故障点的短路电流就大为减小，这样整定之后，阻抗一般较大，因此故障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电流速断就可以保

10、护线路A-BA-B的全长，并能保护变压器的一部分。的全长，并能保护变压器的一部分。 规程规程规定，在最小运行方式下，速断保护范围的相对规定，在最小运行方式下，速断保护范围的相对值值 L Lb b% %（15%15%20%20%）时，为合乎要求，即）时，为合乎要求，即 100%100%（15152020）% %ABbLLLmin% 零敏度校验：如果不满足这个条件，保护失效，寻求新的保护。如果不满足这个条件，保护失效，寻求新的保护。4. 4. 无时限电流速断保护的原理接线图无时限电流速断保护的原理接线图提示提示没有时间继电器 线路中管型避雷器放线路中管型避雷器放电时间为电时间为0.040.06S，

11、在，在避雷器放电时速断保护避雷器放电时速断保护不应该动作，为此在速不应该动作，为此在速断保护装置中加装一个断保护装置中加装一个保护出口中间继电器保护出口中间继电器（0.060.08S） 。 作用：一方面扩大接作用：一方面扩大接点的容量和数量，另一点的容量和数量，另一方面躲过管型避雷器的方面躲过管型避雷器的放电时间，防止误动作。放电时间，防止误动作。5.5.对无时限电流速断保护的评价对无时限电流速断保护的评价 优点：简单可靠，动作迅速。优点：简单可靠，动作迅速。 缺点：（缺点：（1 1）不能保护线路全长；）不能保护线路全长； （2 2）运行方式变化较大时，可能无保护范围；）运行方式变化较大时，可

12、能无保护范围； （3 3）在线路较短时，可能无保护范围。）在线路较短时，可能无保护范围。分析题：分析题：试确定下图所示网络中电流保护5的最大运行方式、最小运行方式。 当电源处于最大运行方式，且线路L4停运时，为最大运行方式；而电源处于最小运行方式，且线路L1或L2停运时，为最小运行方式。试确定下图所示网络中电流保护4、7的最大运行方式、最小运行方式。保护4：当系统阻抗为最小，且线路全部投入运行时为最大运行方式；当系统阻抗为最大，且线路L2停运时，为最小运行方式。保护7：当系统阻抗为最小，且线路全部投入运行时为最大运行方式；当系统阻抗为最大，且线路L2停运时为最小运行方式。三、限时电流速断保护三

13、、限时电流速断保护( (电流电流II段段) ) 电流速断保护在许多情况下均能保证选择性，且接线简单，动作迅速可靠。但是电流速断保护不能保护本线路的全长，怎么办？解决办法：解决办法：增设一套新的保护增设一套新的保护限时电流速断保护，限时电流速断保护，用来切除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为用来切除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为无时限电流速断的后备。无时限电流速断的后备。 要求：要求：（1 1）保护范围必须延伸到下一条线路中去。）保护范围必须延伸到下一条线路中去。 （2 2）为了保证速动性，动作时限应尽量缩短。）为了保证速动性，动作时限应尽量缩短。 1. 1. 限时电流速断保护的

14、工作原理限时电流速断保护的工作原理 由于从电气上无法区分本线路末端和下一线路出口处发生的短路故障，所以当下一线路出口处发生的短路时，本线路带时限电流速断也能起动。2. 2. 限时电流速断保护的整定计算限时电流速断保护的整定计算 （1） 动作电流动作电流 动作电流按躲开下一条线路无时限电流速断保护动作电流按躲开下一条线路无时限电流速断保护的动作电流进行整定：的动作电流进行整定： .1.2IIIIIdzkdzIKI (2) 动作时限动作时限 tttIII21 影响影响 t的因素有：的因素有： 断路器的跳闸时间断路器的跳闸时间, 约为约为0.2s。 时间继电器提前动作误差，电磁型的约为时间继电器提前

15、动作误差，电磁型的约为0.05s。 限时速断保护的测量元件在外部故障切除后，限时速断保护的测量元件在外部故障切除后，由于惯性而不能立即返回的惯性延时，电磁型的约为由于惯性而不能立即返回的惯性延时，电磁型的约为0.1s。 裕度时间，取裕度时间，取0.1s。(3)(3)灵敏度校验灵敏度校验 3. 3. 限时电流速断保护的原理接线图限时电流速断保护的原理接线图4.4.对限时电流速断保护的评价对限时电流速断保护的评价 选择题：选择题：1. 继电器按其结构形式分类，目前主要有（继电器按其结构形式分类，目前主要有（ ）A.测量继电器和辅助继电器测量继电器和辅助继电器 B. 电流型和电压型继电器电流型和电压

16、型继电器C. 电磁型、感应型、整流型和微机型电磁型、感应型、整流型和微机型2. 所谓继电器常开触点是指（所谓继电器常开触点是指（ ）正常时触点断开继电器线圈带电时触点断开正常时触点断开继电器线圈带电时触点断开继电器线圈不带电时触点断开断路时触点断开继电器线圈不带电时触点断开断路时触点断开CC四、定时限过电流保护四、定时限过电流保护( (电流电流III段段) )思考问题：无时限电流速断保护只能保护本线路一部分，思考问题：无时限电流速断保护只能保护本线路一部分，限时电流速断能保护本线路全长，但不能做为相邻线路限时电流速断能保护本线路全长，但不能做为相邻线路的后备保护。的后备保护。要想实现远后备保护

17、，怎么办？要想实现远后备保护，怎么办？定时限过电流保护定时限过电流保护定义：其动作电流定义：其动作电流按躲过被保护线路的最大负荷电按躲过被保护线路的最大负荷电流整定流整定，其动作时间一般，其动作时间一般按阶梯原则进行整定按阶梯原则进行整定以实现过以实现过电流保护的动作选择性，并且其动作时间与短路电流的电流保护的动作选择性，并且其动作时间与短路电流的大小无关。大小无关。1.1.定时限过电流保护的工作原理定时限过电流保护的工作原理反应电流增大而动作反应电流增大而动作, ,它要求能保护本条线路的全长和下一条线路它要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长。作为近后备保护和远后备保护，其保护范围应包括

18、下条线路或的全长。作为近后备保护和远后备保护，其保护范围应包括下条线路或设备的末端。过电流保护在最大负荷时，保护不应该动作。设备的末端。过电流保护在最大负荷时，保护不应该动作。X LIX 21L2ttt123ttttItItIL3d11DL2DL3DLIdABC32.2.定时限过电流保护的整定计算定时限过电流保护的整定计算整定原则：整定原则：（1 1）为保证过电流保护在正常运行时不动作，其动作电流）为保证过电流保护在正常运行时不动作，其动作电流应大于线路上流过的最大负荷电流应大于线路上流过的最大负荷电流; ;（2 2）为保证在相邻线路上的短路故障切除后，保护能可靠地）为保证在相邻线路上的短路故

19、障切除后，保护能可靠地返回，保护装置的返回电流应大于外部短路故障切除后流过返回，保护装置的返回电流应大于外部短路故障切除后流过保护装置的保护装置的最大自起动电流最大自起动电流。选择过电流保护动作电网的网络图选择过电流保护动作电网的网络图 灵敏度校验灵敏度校验X LIX 21L2tItItIL3d11DL2DL3DLIdd2近后备近后备远后备远后备在各个过电流保护之间，要求灵敏系数互相配合。动作电流越大保护范围越短；负荷电流逐级减少的。时间整定时间整定 动作延时是按阶梯原则整定的，即本线路的过电流保动作延时是按阶梯原则整定的，即本线路的过电流保护动作延时应比下一条线路的电流护动作延时应比下一条线

20、路的电流段的动作时间长一个段的动作时间长一个时限阶段时限阶段t:tttIIIIII213.3.原理接线图原理接线图 电流电流段保护的原理接线、展开图与电流段保护的原理接线、展开图与电流段保护相段保护相同。同。 分析题：分析题：1如图所示网络，已知保护如图所示网络，已知保护2、3、4、5的最大动作时限，的最大动作时限，试求保护试求保护1电流定时限（电流电流定时限（电流III段）动作时限。段）动作时限。 保护保护1电流电流III段动作时限应与保护段动作时限应与保护2和和4的动作时限较大者的动作时限较大者配合，因此配合，因此 1.max3.0ts4.4.对定时限过电流保护的评价对定时限过电流保护的评

21、价 优点：结构简单，工作可靠，不仅能作近后备，而且能优点：结构简单，工作可靠，不仅能作近后备，而且能作为远后备。在放射型电网中获得广泛应用，一般在作为远后备。在放射型电网中获得广泛应用，一般在3535千千伏及以下网络中作为主保护。伏及以下网络中作为主保护。 缺点：缺点：动作时间长动作时间长，而且越靠近电源端其动作时限越，而且越靠近电源端其动作时限越大，对靠电源端的故障不能快速切除。大，对靠电源端的故障不能快速切除。 五、电流三段保护小结五、电流三段保护小结 2.2.电流三段式保护原理接线图电流三段式保护原理接线图 优点：简单，可靠，并且一般情况下都能较快切除故优点：简单，可靠，并且一般情况下都

22、能较快切除故障。一般用于障。一般用于35千伏及以下电压等级的单侧电源电网中。千伏及以下电压等级的单侧电源电网中。缺点：灵敏度和保护范围直接受系统运行方式和短路缺点：灵敏度和保护范围直接受系统运行方式和短路类型的影响，此外，它类型的影响，此外，它只在单侧电源的网络中才有选择性只在单侧电源的网络中才有选择性。 3.3.三段式电流保护的评价三段式电流保护的评价选择题：选择题：在电流保护的整定计算中，需要考虑大于在电流保护的整定计算中，需要考虑大于1的可的可靠系数是为了保证动作的（靠系数是为了保证动作的（ ）。）。可靠性；选择性；灵敏性；可靠性；选择性；灵敏性；D 速动性速动性2 定时限过电流保护的灵

23、敏性与电流继电器的返回定时限过电流保护的灵敏性与电流继电器的返回系数系数( )。无关；成正比；成反比无关；成正比；成反比 B B问答题：问答题：三段式电流保护各段是如何实现选择性的？为什么三段式电流保护各段是如何实现选择性的？为什么电流电流III段的动作最灵敏？段的动作最灵敏？ 电流I段是靠电流动作值来实现选择性的，因为动作电流大于本线路末端短路时可能通过保护的最大短路电流，保证了区外短路时不会误动； 电流II段是通过动作电流和动作时限共同实现选择性的，因为II段的动作电流大于相邻线路电流I段的动作电流，因此，相邻线路电流I段以外的范围短路，保护不会误动，而I段范围内的短路，则因为其动作时限大

24、于相邻线路I段的动作时限而不会误动； 电流III段是通过动作电流和动作时限实现选择性的， 因为III段的动作值满足灵敏度逐级配合关系，且动作时限是按阶梯原则整定的，即距离电源最远的保护动作时限最短，然后逐级增加一个时限级差。 由于电流III段的动作电流是按躲过最大负荷电流整定的，因此动作值最小，从而动作最灵敏。 六、相间短路电流保护的接线方式六、相间短路电流保护的接线方式 电流保护的接线方式电流保护的接线方式就是指电流继电器与电流互感器二就是指电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。次线圈之间的连接方式。 正确地选择保护的接线方式，对保护的技术、经济性能正确地选择保护的接线方式，对保护的

25、技术、经济性能都有很大影响。都有很大影响。 基本接线方式有三种：基本接线方式有三种：三相三继电器的完全星形接线方三相三继电器的完全星形接线方式式、两相两继电器的不完全星形接线方式两相两继电器的不完全星形接线方式、两相一继电器的两相一继电器的两相电流差接接线方式两相电流差接接线方式。接线系数：流过电流继电器的电流与电流互感器二次电流之比。接线系数：流过电流继电器的电流与电流互感器二次电流之比。1. 1. 相间短路电流保护的主要接线形式相间短路电流保护的主要接线形式 IIIIA。IB。Ia. .IC。Ib。TAcTAbTAakA1kA2kA3Ic.注意接地注意接地.abcIII三相星形接线方式的保

26、护对各种故障都能动作。三相星形接线方式的保护对各种故障都能动作。在任何情况下，接线系数总等于在任何情况下，接线系数总等于1。提示提示两相不完全星型接线少一组互感器和继电器（2 2）两相两继电器不完全星形接线）两相两继电器不完全星形接线 两相星形接线的保护能反应各种相间短路，但两相星形接线的保护能反应各种相间短路，但B相发生单相短路时，相发生单相短路时，保护装置不会动作。保护装置不会动作。.IIIA。IB。Ia. .IC。TAcTAakA1kA2Ic.acII中性点直接接地系统的单相接地中性点直接接地系统的单相接地 三相星形接线可反应各种单相接地故障 两相星形接线不能反应B相接地故障。中性点非直接接地系统中的异地两点接地中性点非直接接地系统中的异地两点接地 在相互串联的两条线路上 采用三相星形接线时：100%有选择地切除XL2； 采用两相星形接线时：2/3