第二章电流保护(1-2)2

2电网的电流保护2.1单侧电源网络相间短路电流保护2.2双侧电源网络相间短路方向电流保护2.3中性点直接接地系统接地短路的零序电流及方向保护2.4中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护

2.1单侧电源网络相间

短路电流保护2.1.1继电器继电器：一种能自动执行断续控制的部件，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，具有对被控电路实现“通”、“断”控制的作用。对继电器的要求：工作可靠，动作过程具有“继电特性”。动作值误差小、功率损耗小、动作迅速、动稳定和热稳定性好以及抗干扰能力强。安装、整定方便，运行维护少，价格便宜等。按结构型式分：电磁型、感应型、整流型、电子型、数字型。按反映的物理量分：电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器、频率继电器、瓦斯继电器等。按在保护回路中的作用分：启动继电器、量度继电器（分过量和欠量继电器）、时间继电器、中间继电器、信号继电器、出口继电器等。继电器分类DL系列电流继电器的工作原理（转动舌片式）1—铁心

2—转动舌片

3—线圈

4—固定触点与可动触点

5—弹簧

6—止挡继电器的继电特性继电特性：无论起动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置。动作电流—

Iop（可调整）

返回电流—

Ire

返回系数：

过量继电器：Kre<1

欠量继电器：Kre

>1

演示

2.1.2单侧电源网络相间短路时电流量值特征Eφ：系统等效电源的相电动势Zs：保护安装处至系统等效电源的等效阻抗Zk：保护安装处至短路点阻抗近似短路计算（短路电流中的工频周期分量）对继电保护而言，在相同地点发生相同类型的短路时流过保护安装处的电流最大，称为系统最大运行方式，对应的系统等值阻抗最小，Zs＝Zs.min。对继电保护而言，在相同地点发生相同类型的短路时流过保护安装处的电流最小，称为系统最小运行方式，对应的系统等值阻抗最大，Zs＝Zs.max。最大运行方式和最小运行方式：运行方式举例：对于保护1来说，最大运行方式？

最小运行方式？

对于保护2来说，最大运行方式？

最小运行方式？要构成完善的保护，需考虑决定短路电流的因素：（1）系统运行方式（Zs）（2）电力系统正常运行状态(Eφ)（3）短路类型(三相、两相)（4）短路点位置(Zk)最大短路电流最小短路电流各种运行方式下：2.1.3电流速断保护1)工作原理对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护。为了保证其选择性，一般只能保护线路的一部分。为保证电流保护2的选择性，应使：IIset.1>

Ik.B.max影响：其他运行方式下保护范围会小一些。A.整定：按“躲开下一线路出口处短路条件”整定2)电流速断保护整定原则保护2的电流速断整定值：KrelI为可靠系数，取1.2~1.3，是考虑非周期分量影响、实际短路电流可能大于计算值、保护装置的实际动作值可能小于整定值和一定的裕度等因素。保护1的电流速断整定值：继电器的二次动作电流:2)电流速断保护整定原则nTA为电流互感器变比；Kcon为电流互感器的接线系数，TA二次侧为三相星形或两相星形接线时，其值为1，当二次侧为三角形接线时，其值为取决于继电器本身固有的动作时间，一般小于10ms。考虑到躲过线路中避雷器的放电时间40~60ms，一般加装一个动作时间为60~80ms的保护出口中间继电器，一方面延时，另一方面扩大触点的容量和数量。B.电流速断保护的动作时间C.电流速断保护的保护范围校验C.电流速断保护的保护范围校验考虑最不利于保护动作的情况：

最小运行方式下两相短路规程规定，最小保护范围不应小于线路全长的15％—20％，即：3)电流速断保护的构成优点：动作速度快，接线简单；缺点：1)不能保护线路全长；

2)保护范围受运行方式的影响。3)电流速断保护的评价在运行方式变化很大的系统中，最小运行方式下的保护范围很小甚至等于零。特例1：线路长短不同，对电流速断保护的影响不同。特例2：当速断保护应用于线路-变压器组时，其动作电流可按躲过变压器低压母线短路整定，因而，其保护范围可保护线路全长。特例3：2.1.4限时电流速断保护

用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备。

与无时限电流速断保护配合作为被保护线路相间短路的主保护。2.1.4限时电流速断保护1)起动电流的整定

保护区要延伸到相邻线路、或相邻元件的一部分。2.1.4限时电流速断保护2)动作时限（考虑选择性问题）应比下一条线路电流速断保护的动作时限高出一个时间阶梯Δt：

t1II=t2I+Δt

Δt

通常取为0.5s。确定原则见书上P22（1～5）2.1.4限时电流速断保护3)灵敏性的校验灵敏性用灵敏系数Ksen衡量：限时电流速断保护的灵敏性校验基本出发点：选择在要求的保护区内短路最不利于保护动作的情况，来校验保护是否能够动作运行方式：最小短路类型：两相短路点：本线路末端要求Ksen

≥1.3~1.5不利于保护启动的因素见书上P23(1~5)当灵敏度不满足要求时，与下一线路II段配合。限时电流速断保护的灵敏性校验4)

限时电流速断保护的构成限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长；依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性；与电流速断共同构成被保护线路的主保护，兼作电流速断的近后备保护。优点：可保护本线路全长；可作为电流速断的近后备保护；缺点：速动性差（有延时）。5)

限时电流速断保护的评价2.1.5过电流保护过电流保护是指其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护。该保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。可作为本线路主保护的近后备保护以及相邻下一线路保护的远后备保护。起动电流的整定考虑两点：（1）大于流过该线路的最大负荷电流Il.max（2）外部故障切除后电动机自起动时，应可靠返回2.1.5过电流保护2.1.5过电流保护1)起动电流的整定2.1.5过电流保护1)起动电流的整定思考：为什么过电流继电器应有较高的返回系数？2.1.5过电流保护2)选择性问题K点短路一般短路电流大于保护装置1、2、3的动作电流，保护1、2、3将起动。2.1.5过电流保护2)选择性问题为满足选择性的要求，必须依靠各保护装置具有不同的动作时限来保证。2.1.5过电流保护动作时限2.1.5过电流保护动作时限（越靠近电源时间越长，如何解决？）2.1.5过电流保护3)灵敏性的校验a.作为近后备时采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流来校验，要求Ksen

≥1.3~1.52.1.5过电流保护3)灵敏性的校验b.作为远后备时采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流来校验，要求Ksen≥1.2灵敏系数配合（一般能自然配合）：

Ksen.1<Ksen.2<

Ksen.3

2.1.5过电流保护4)过电流保护的构成2.1.5过电流保护5)评价过电流保护的动作电流小，其灵敏度更高；在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；保护范围是本线路和相邻下一线路全长；2.1.6阶段式电流保护配合电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护。其主要区别在于按照不同的原则选择起动电流。电流速断保护：按躲开本线路末端最大短路电流整定；限时电流速断：按躲开下一线路相邻元件电流速断保护的最大动作范围整定；过电流保护：按躲开本元件最大负荷电流整定。电流速断保护不能保护线路全长，限时电流速断保护不能作为相邻元件的后备保护，为迅速而有选择性地切除故障常常将电流速断、限时电流速断和过电流保护组合在一起，构成阶段式的电流保护.2.1.6阶段式电流保护配合保护1：瞬时过电流保护（不是速断）保护2：0.5s过电流保护（不是II段）可加电流速断

(两段式)保护3：电流速断限时电流速断过电流保护

(三段式)全系统任意点发生短路时，如果不发生保护或断路器据动，则故障都可以在0.5s内切除。演示阶段式电流保护评价

优点：简单、可靠，一般情况下可满足快速切除故障要求。

缺点：受电网接线和运行方式变化影响大。

应用：35kV及以下的电网中。2.1.8

电流保护的接线方式所谓电流保护的接线方式是指电流互感器和电流测量元件间的连接方式。为能反映所有类型的相间短路，电流保护要求至少在两相线路上应装有电流互感器和电流测量元件。2.1.8

电流保护的接线方式（一）两种常用的接线方式（1）三相星形接线特点：三相电流互感器二次绕组与三个电流继电器分别按相连接，三个继电器触点并联。中性线上流回的电流：2.1.8

电流保护的接线方式（一）两种常用的接线方式（2）两相星形接线特点：只有a,c两相装设电流互感器，按相连接继电器。中性线上流回的电流：2.1.8

电流保护的接线方式当保护装置的一次动作电流为时Iset，则反应到继电器上的动作电流应为Iop，有：

Iop=Iset/nTAnTA为电流互感器变比。2.1.8

电流保护的接线方式（二）两种接线方式在各种故障时的性能分析1.中性点接地系统和非直接接地系统中的各种相间短路相同之处：两种接线方式均能正确反应不同之处：动作的继电器个数不同2.中性点直接接地系统的单相接地短路三相星形：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2.1.8

电流保护的接线方式（二）两种接线方式在各种故障时的性能分析3.中性点非直接接地系统中的异地两点接地短路（1）在相互串联的两条线路上（希望只切除距离电源较远的线路XL2）三相星形接线（优点）：100%有选择地切除线路2。2.1.8

电流保护的接线方式两相星形接线（缺点）

有2/3机会有选择地切除线路2。2.1.8

电流保护的接线方式(2)变电站引出的放射性线路（希望任意切除一条线路即可）三相星形接线（缺点）：当保护动作时间相同时，同时切除两条线路。2.1.8

电流保护的接线方式(2)变电站引出的放射性线路两相星形接线（优点）：有2/3机会仅切除一条线路。（如果都是B相，可以继续运行）2.1.8

电流保护的接线方式思考：各保护的电流互感器可否接在不同的相上？即有的接A、C相有的接B、C结果：可能出现保护拒动！所有电流互感器应接在相同的相上！2.1.8

电流保护的接线方式4.在Y，d11接线的变压器后两相短路时首先分析低压侧两相短路时，高压侧电流的大小。2.1.8

电流保护的接线方式4.在Y,d11接线的变压器后两相短路时这对采用两相星形接线的后备保护不利：B相上没有装继电器，因此灵敏系数只能由A相电流和C相电流决定，同样的情况下，灵敏系数比采用三相星形接线时降低了一半。2.1.8

电流保护的接线方式解决方法（两相三继电器法）2.1.8

电流保护的接线方式5.两种接线方式的应用三相星形接线：广泛应用于发电机、变压器等大型贵重电气设备的保护中。两相星形接线：广泛应用在中性点直接接地系统和非直接接地系统中，作为相间短路电流保护的接线方式。2.2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护2.2.1问题提出双端电源供电接线：为了合上和断开线路，在每条线路的两侧都装设断路器和保护装置。双端电源供电的优势：某线路发生故障时，由本线路两侧保护跳开断路器切除故障，不会造成停电。2.2.1问题提出问题：只靠电流大小判别可能造成保护误动k1短路，可能造成保护5或保护1误动。***保护正方向规定：以母线电压为参考方向，电流从母线指向线路为正保护误动原因：短路功率与保护正方向不一致2.2.2解决方法引入方向元件来判别短路功率的方向，从而区别区内或区外短路。而各保护动作值按单侧电源配合方式进行整定，满足选择性。方向性电流保护：保护中加装可以判别短路功率方向的元件，只有当功率方向由母线流向线路时，功率方向元件才动作，与电流保护共同工作，可以快速、有选择性的切除故障，称为方向性电流保护。构成方向性电流保护，既利用电流的幅值特征，又利用功率方向的特征。2.2.2解决方法2.2.3方向性电流保护基本原理双侧电源网络上的电流保护加装方向元件后，可以拆开看成两个单侧电源网络的保护：保护1~4反应电源1供给的短路电流动作保护5~8反应电源2供给的短路电流动作两组方向保护之间不需要配合，可采用单侧电源网络中适用的三段式电流保护原理和整定计算原则。2.2.3方向性电流保护基本原理接线原理图注意：功率方向元件只负责判别方向，正方向时就起动，反方向就闭锁。无论是短路状态还是正常运行状态都可能起动！2.2.4功率方向判别元件利用判别短路功率的方向或电流与电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。2.2.3功率方向判别元件用以判别功率方向或测定电流与电压间相位角的继电器称为功率方向继电器。对功率方向元件的基本要求：

应具有明确的方向性，正方向发生各种故障（包括故障点有过渡电阻情况）时能可靠动作，而在反方向时，可靠不动作；

正方向故障时有足够的灵敏性。1)基本原理分析功率方向判别元件的动作特性正方向短路时：反方向短路时：φr为加入继电器的电压和电流的夹角假定线路阻抗角φk=60°功率方向继电器在输入电压和电流的幅值不变时，其输出值随两者相位差的大小而改变，输出为最大时的相位差称为继电器的最大灵敏角φsen。为使常见短路情况下，方向元件动作最灵敏，取最大灵敏角为φsen=φk(=60°)。功率方向判别元件的动作特性假定线路阻抗角φk=60°为保证当短路点有过渡电阻、线路阻抗角在0°~90°范围变化情况下正方向故障时，继电器都能可靠动作，功率方向元件动作的角度不应该是一个固定数值，而是一个范围，一般取φ

sen±90°。功率方向元件动作方程：功率方向判别元件的动作特性2)实际采用的动作方程（90度接线）采用同相电压和电流作为Ur和Ir接线的问题：正方向出口附近短路接地时，功率方向元件存在“电压死区”。功率方向判别元件的动作特性解决方法：90度接线采用非故障的相间电压作为Ur,故障相电流作为Ir。例如，A相功率方向元件Ur取UBC，Ir取IA。在这种接线方式下，最大灵敏角设计为φsen=φk–90°。功率方向元件动作方程：功率方向判别元件的动作特性常取继电器内角α=－

φsen=90°－

φk分析：除正方向出口附近发生三相短路时，UBC≈0，继电器具有很小的电压死区外，在其他任何包含A相的不对称短路时，UBC

电压很高，IA很大，继电器没有死区，且动作灵敏度很高。减小和消除三相短路时死区的方法：电压记忆回路。功率方向判别元件的动作特性2.2.4功率方向判别元件接线方式接线方式：是指继电器与电流互感器和电压互感器之间的连接方式。要求：

1）必须保证功率方向继电器具有良好的方向性。

2）故障后加入继电器中的电流Ir和电压Ur应尽可能大一些，并尽可能使φr接近最大灵敏角φsen。2.2.4功率方向判别元件接线方式90°接线方式：是指在三相对称且功率因数cosφ=1的情况下，加入继电器的电流Ir超前电压Ur90°的接线方式。（无物理意义）2.2.4功率方向判别元件接线方式采用按相启动接线。所谓按相启动接线是指接入同名相电流的测量元件和功率方向元件的接点串联，而后与其他元件相并联后启动逻辑元件。2.2.4功率方向判别元件接线方式对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性。90°接线方式下各种短路情况分析：90°接线方式下各种短路情况分析：

B、C两相短路的系统接线图

90°接线方式下各种短路情况分析：

保护安装处附近B、C两相短路（Zk<