第2章电网的电流保护和方向性电流保护

电力系统继电保护

PowerSystemRelayProtection

主讲：韩成春

电气工程及其自动化专业教研室第二章电网的电流保护和方向性电流保护基本要求学习内容习题与思考题本章基本要求

掌握电网的电流保护基本原理掌握阶段式电流保护的基本工作原理和基本组成元件熟悉三种典型的电流保护的特点、整定原则、整定计算方法及其评价返回本章内容

第二节电网相间短路的方向性电流保护第三节中性点直接接地电网中接地短路的第一节单侧电源电网相间短路的电流保护第四节中性点非直接接地电网中单相接地零序电流及方向保护故障的零序电压、电流和方向保护第一节

单侧电源网络相间短路的电流保护

一、继电器(ProtectionRelay)按反应的物理量分：继电器是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，具有对被控电路实现“通”“断”控制的作用。一电量一非电量（瓦斯、热、压力等）电量继电器的分类：一测量继电器：能直接反应电气量的变化一辅助继电器：用来改进的完善保护的功能1）按作用分：一机电型：电磁型、感应型、极化型、干簧一整流型一电子型：晶体管型、集成电路型一数字型：微机型2）按结构形式分：对继电器的基本要求：一工作可靠，动作过程具有“继电特性”一动作值误差小，功率损耗小，动作迅速，动稳定和热稳定性好，抗干扰性强一安装、整定方便，运行维护少，价格便宜等继电器的继电特性：一无论动作还是返回，动作都是明确干脆，无中间状态一过量继电器的返回系数恒小于1。IreIopE1E0返回系数：

二、单侧电源网络相间短路时电流量特征(CharacteristicofShortCircuitCurrentofforPhaseFaultsinSingleSourceNetwork）

三、电流速断保护1）工作原理：仅反应于电流增大而瞬间动作的电流保护距保护安装地点愈远，流过安装地点的短路电流愈小。速断保护2为例：d1点短路：速断保护2动作，瞬间切除故障；d2点短路：速断保护2不动作，速断保护1动作，切除故障；矛盾存在：对于速断保护2，d1点短路时动作而d2点短路时不动作的要求不能同时得到满足。d1点和d2点短路时，从速断保护2安装处所流过的电流的数值几乎相等。（按躲开下一条线路出口处短路的条件整定）解决方法：优先保证动作的选择性：在保护装置的启动参数整定上保证下一条线路出口处短路时不启动。2）电流速断保护的整定计算原则：（1）动作电流的整定当电源电势一定时，短路电流大小取决于短路点和电源之间的总阻抗。ZsZd三相短路电流为Z∑问：短路电流什么时候最大或最小？保护装置的运行方式：系统最大运行方式：通过保护装置的短路电流为最大的运行方式系统最小运行方式：通过保护装置的短路电流为最小的方式速断保护1为例：启动电流I’dz1必须整定大于d4点短路时可能出现的最大短路电流，即考虑裕度，引入可靠系数，则同样，速断保护2的启动电流为保护2动作保护1动作（2）基本要求校验选择性校验：只要大于I’dz，故障肯定在被保护范围以内，保护装置一定动作；以外不动作。速动性校验：t=0，速度非常快（10-30ms）。可靠性校验：只要大于I’dz肯定动作，反之不动作。灵敏性校验：通常保护范围的大小来衡量（线路全长的百分比）。一般情况下，要求最小范围大于被保护线路全长的15%-20%。（3）保护范围的校验方法最大运行方式下的最小保护范围当M点发生两相短路时，短路电流为当M点发生三相短路时，短路电流为且M点为最大运行方式下的最小范围末端，则可得最小运行方式下的最小保护范围当N点发生两相短路时，短路电流为当N点发生三相短路时，短路电流为且N点为最小运行方式下的最小范围末端，则可得灵敏度符合要求符合灵敏度要求3）电流速断保护的单相原理接线跳闸线圈电流继电器电流互感器中间继电器信号继电器4）电流速断保护的主要优缺点优点：简单可靠、动作迅速缺点：不可能保护线路的全长缺点：运行方式变化较大时，可能无保护范围当保护2电流速断按最大运行下保护选择性的调整之后，在最小运行下就没有保护范围。解决方法：阻抗保护短路电流变化曲线比较陡，保护范围比较大。短路电流变化曲线平滑，保护范围变小。缺点：线路较短时，可能无保护范围修正长度l解决方法：纵联差动保护特殊例：能保护全长速断保护按照躲开变压器低压侧线路出口处d1点得短路来整定。用于线路-变压器组的电流速断保护

四、限时电流速断保护

增加一段带时限动作的新保护用来切除本线路上速断保护以外的故障，同时作为速断保护的后备。要求：在任何情况下都能保护本线路的全长，并且具有足够的灵敏性力求具有最小的动作时限在下级线路短路时，保证下级保护优先切除故障，满足选择性要求通过整定计算保证1）工作原理：下一条出口处发生短路时，就启动。保护动作必须带有一定的时限。2）限时电流速断保护的整定计算原则：（1）动作电流的整定（2）动作实现的选择限时速断的动作时限t”2，应选择比下一条线路速断保护的动作时限t’1高出一个时间阶段△t，尽快切除故障观点来看，△t应越小越好。但是为了保证两个保护之间动作的选择性，其值不能太小。B-C线路故障为例（△t选择）：应包括故障线路断路器DL的跳闸时间、灭弧时间tDL1应包括故障线路保护1中间继电器的实际动作时间比整定时间大的正误差tt1应包括保护2中间继电器可能比预定时间提早动作的负误差tt2保护2中的测量元件(电流继电器)在外部故障切除后，由于惯性的影响而不能立即返回的延时tg2考虑一定的裕度时间tv0.35s~0.6s（通常取0.5s）限时限流电流速断动作时限的配合关系(a)和下一条线路速断保护相配合分析d1点短路：保护2处的限时电流速断启动；d2点短路：保护1处的电流速断、限时电流速断以及保护2处的限时电流速断均启动。但由保护1的电流速断以t’1的时间切除，其余自动返回。d1d2（3）保护装置的灵敏性校验保护本线路的全长，必须在系统最小运行方式下，线路末端发生故障时，有足够的反应能力通常用灵敏系数Klm衡量。要求灵敏系数>1的原因是可能会出现一些不利于保护启动的因素：故障点一般都不是金属性短路，而是存在有过渡电阻，它将使得短路电流减小；实际的短路电流由于计算误差或其他原因而小于计算值；保护装置所使用的电流互感器，在短路电流通过的情况下，一般都具有负误差，因此使实际流入保护装置的电流小于按额定变比折合的数值；保护装置中得继电器，其实际启动数值可能具有的正误差。要考虑一定的裕度灵敏系数不能满足要求，而发生内部故障时保护不能启动，达不到保护线路全长。(b)和下一条线路的限时速断保护相配合3）限时电流速断保护的单相原理接线当电流继电器动作后，还必须经过时间继电器的延时t”2才能动作与跳闸。若在之前故障切除，则电流继电器立即返回。

五、定时限过电流保护1）工作原理：

过电流保护是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护。该保护不仅能保护本线路全长，而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。

保护装置的启动电流必须大于该线路上可能出现的最大负荷电流Ifmax；外部故障切除后返回电流大于负荷自启动电流。2）过电流保护的整定计算原则：（1）动作电流的整定启动电流大于流过该线路的最大负荷电流外部故障切除后电动机自启动时，应可靠返回电机电机电机返回自启动最大电流其中Kzq：自启动系数（>1）保护装置的返回电流其中Kk：可靠系数（1.15~1.25）保护装置的启动电流：其中Kh：电流继电器的返回系数（一般取0.85）结论：

Kh越小，保护装置的启动电流越大，其灵敏性就越差。（2）动作时限的选择按选择性的要求整定：保护动作延时比下一条线路电流III段的动作时间长△t。特点：越靠近电源端动作时限越长，对靠近电源端的故障不能快速切除。（3）过电流保护装置灵敏性校验作为本线路的主保护和近后备保护作为相邻线路的远后备保护※同一故障点，要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数，比如d1短路时3）结论任一过电流保护的动作时限，应选择得比相邻各元件保护的动作时限均高出至少一个△t，充分保证动作的选择性当故障越靠近电源端时，短路电流越大，而此时过电流保护动作切除故障的时间反而越长。电流速断+限时电流速断：本线路主保护过电流保护：本线路和相邻线路的后备保护（远后备保护）处于电网终端附近的保护装置，其过电流保护的动作时限并不长，因此在这种情况下可以作为主保护和后备保护

四、电流保护的接线方式1）三相完全星形接线方式2）两相不完全星形接线方式3）两相三继电器接线方式4）两相电流差接线方式

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线圈之间的连接方式。1）三相完全星形接线方式：相间短路和中性点直接接地电网中的单相接地短路保护。三个继电器是并联连接，相当于“或”回路，其中任一触点闭合后均可启动跳闸或启动时间继电器。2）两相不完全星形接线方式：中性点直接接地和中性点非直接接地电网中的相间短路保护。3）两相三继电器接线方式：中性点直接接地和中性点非直接接地电网中的相间短路保护。4）两相电流差接线方式：低压线路和电动机保护。当保护装置的一次动作电流为Idz时，则反应到继电器上的动作电流应为式中IdzJ-继电器动作电流

Kjx-接线系数

n1-电流互感器变比

五、阶段式电流保护电流速断、限时电流速断和过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护装置。区别：按照不同的原则来选择启动电流电流速断按照躲开下一个出口处(某一点)最大电流来整定限时电流速断按照躲开前方各相邻元件电流速断保护的动作电流来整定定时限过电流保护按照躲开最大负荷电流来整定1）概念迅速可靠地切除被保护线路的故障，将三种电流保护组合在一起构成一整套保护，成为阶段式保护。电流速断只能保护线路始端的一部分限时电流速断保护本线路的全长，但不能作为相邻线路的后备保护定时限过电流保护保护本线路全长及相邻下一条线路的全长，然而动作时限太长，且越靠近电源动作时间越长

阶段式电流保护的配合

阶段式电流保护接线方式2）三段式电流保护整定计算【例2.1】如图2.14所示，已知电流保护采用两相不完全星形连接方式，Zb=0.4Ω/km，Kzq=2，流过线路AB的最大负荷电流Ifhmax=100A，互感器变比n1=300/5,保护2的过电路保护动作时限为2.2s，母线A、B、C等处三相短路时流过线路AB的短路电流值为(kA):母线短路点ABC最大运行方式下Id(3)5.341.5250.562最小运行方式下Id(3)4.271.4240.548第二节

电网相间短路的方向性保护

一、方向性电流保护的工作原理

对于单电源：短路功率从母线流向被保护线路的情况下，按照选择性的条件来协调配合工作。

对于双电源：※误动：在保护的反方向短路时出现。d1点短路时（电流速断保护）

若I’d1>I’dz5

时，保护5误动作；

若I”d1>I’dz1

时，保护1误动作；

对于双电源：d1点短路时（过电流保护）t5>t2d2点短路时（过电流保护）t5<t2※误动：在保护的反方向短路时出现。保护2误动作

解决方法：加判别短路功率方向的元件（功率方向继电器）

当功率方向由母线流向线路(正方向)时才动作，并与电流保护共同工作，便可以快速、有选择性的切出故障。电流保护+功率方向继电器=方向性电流保护

方向性电流保护的原理：在原有保护的基础上增加一个功率方向判断元件，以保证在反方向故障时把保护封锁使其不致误动作。

方向性电流保护的单相原理接线图：功率方向继电器

主要由方向元件，电流元件和时间元件组成。方向元件和电流元件必须都动作以后，才能起动时间元件，再经过预定延时后动作于跳闸。二、功率方向继电器的工作原理1）功率方向继电器的原理

对保护1，当d1三相短路时，短路电流Id1从保护安装处母线流向线路(正方向)，滞后于该母线电压一个相角

对保护1，当d2三相短路(反方向)时，则短路电流Id2滞后于母线电压的相角将是

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。

用以判别功率方向或测定电流与电压之间相位角的元件称为功率方向元件（功率方向继电器）2）基本要求应具有明确的方向性（对正方向故障可靠动作）故障时继电器对动作有足够的灵敏度3）功率方向继电器的动作特性当正方向短路时当反方向短路时三相短路时的向量图功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出值(转矩或电压)随两者的相位差得大小而变化。继电器最大灵敏角：

功率方向继电器输出为最大时的相位差。继电器动作的角度范围：90°±动作方程：功率形式：电压死区：在正方向出口附近短路接地时，故障相对地的电压很低，使继电器不能工作。消除死区：采用非故障的相间电压作为接入功率继电器的电压参考量并判别电流的相位。正方向时：对A相方向继电器反方向时：方向继电器的最大灵敏角设计为动作方程为采用

称为功率方向继电器的内角。功率形式(A相)为利用功率方向继电器的内角可改写为

三、集成电路型功率方向继电器1）集成电路型功率方向继电器的组成

功率方向继电器作用：比较加在继电器上的电压与电流的相位，并满足一定关系时动作。

实现方法：相位比较法、幅值比较法

实现手段：感应型、集成电路型、数字型2）相位比较回路

相位比较方法：测量两个电压瞬时值同时为正（或同时为负）的持续时间。3）集成电路型功率方向继电器的动作特性角度特性：当IJ固定不变时，继电器启动电压的关系曲线。用直角坐标表示用极坐标表示电压死区潜动：指在只加入电流或只加入电压的情况下，继电器就能够动作的现象。原因：形成方波的开环运算放大器的零点漂移。伏安特性：当固定不变时，继电器启动电压的关系曲线。

四、相间短路功率方向继电器的接线方式1）对接线方式的要求正方向任何形式的故障都能动作，而当反方向发生故障时则不动作故障以后加入继电器的电流IJ和电压UJ应尽可能地大一些，并尽可能使接近于最大灵敏角，以便消除和减小方向继电器的死区。2）90°接线方式

指在三相对称的情况下，当时，加入继电器的电流IA和电压UBC相位相差90°。

三相式方向过电流保护的原理接线图按相启动※继电器电流线圈和电压线圈的极性3）采用90°接线方式的动作分析正方向发生三相短路A相继电器的工作条件为最大灵敏的条件下，则。电力系统中电缆或架空线路的阻抗角（包括含有过度电阻短路的情况）都位于之间0°~90°，为使方向继电器在任何的情况下均能动作，就必须要求上式始终大于0，为此需要选择一个合适的内角才能满足要求：当=0°时，必须选择内角a为0°~180°。内角：0°<a<90°当=90°时，必须选择内角a为-90°~90°。正方向发生两相短路（B-C两相短路为例）

a）短路点位于保护安装点附近（Zd《Zs）

短路电流IB由电动势EBC产生，IB滞后EBC的角度为d，电流为IC=-IB，短路点(即保护安装地点)的电压为A相继电器：当忽略负荷电流时，IA≈0，故继电器不动作。B相继电器：

JB=d-90ºC相继电器：

JC=d-90º继电器动作条件：若在0º<d<90º的范围内，使继电器均能动作，选择内角α为0º<α<90º

。

-90º<<90ºb）短路点远离保护安装点（Zd》Zs）

短路电流IB由电动势EBC产生，并滞后EBC一个角度为d，保护安装地点的电压为B相继电器：

JB=-(90°+30°-d)=d-120°当0º＜d＜90º时,继电器能够动作的条件为30º＜α＜120ºC相继电器：

JC=-(90°-30°-d)=d-60°当0º＜d＜90º时,继电器能够动作的条件为-30º＜α＜60ºc）正方向各种短路时，方向继电器能够正确动作的内角α的范围结论：使方向继电器在正方向任何相间短路情况下能够正确动作的条件为4）90°接线方式的主要优点对各种两相短路都没有死区，因为继电器加入的是非故障的相间电压，其值很高适当地选择继电器的内角α后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。

五、双侧电源网络中电流保护整定的特点1）电流速断保护可以取消方向元件的情况取消方向元件启动电流都应躲开较大的一个短路电流进行整定。2）限时电流速断保护整定时分支电路的影响助增电流的影响助增电源助增电流助增：使故障线路电流增大的现象外汲电流的影响外汲电流外汲：使故障线路电流减少的现象3）过电流保护装设方向元件的一般方法保护6为例：过电流保护动作时限t6>t1+△t，则保护6就可以不用方向元件，但保护1必须有方向元件；否则当线路B-C上短路时，由于t1<t6，它将先于保护6而误动作。当t1=t6时，则保护1、6都需要装设方向元件。结论：当一条母线上有多条电源线路时，除动作时限最长的一个过电流保护不需要装设方向元件外，其余都要装设方向元件。第三节

中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护

一、中性点接地电网特征（1）正常运行或三相短路(2)两相短路时，以BC相间短路为例，在故障点处有则故障点处的零序电压和零序电流分别为(3)单相接地短路时，以A相接地短路为例则故障点处的零序电压和零序电流分别为在接地故障点，故障相电压为故障相电流为(4)两相接地短路时，以BC两相接地短路为例则故障点处的零序电压和零序电流分别为在故障点处有

二、接地短路时零序电压、电流和功率的分布1）零序电压零序电源在故障点，故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低。2）零序电流零序电流时由Ud0产生的，由故障点经线路流向大地。忽略电阻时计及电阻时零序电流的分布，主要取决于送电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。3）零序功率及电压、电流相位关系对于发生故障的线路，两端的零序功率的方向与正序功率的方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线。从任一保护安装处的零序电压和电流之间的关系看，母线上的零序电压UA0实际上是从该点到零序网络中性点之间的零序阻抗的电压降该处零序电流和零序电压之间的相位差也将由ZB10的阻抗角决定。

三、零序电压、电流过滤器1）零序电压过滤器零序电压的取得，通常采用三个单相电压互感器或三相五柱式电压互感器。用接于发电机中性点得电压互感器在集成电路保护装置内部合成零序电压2）零序电流过滤器0不平衡电流零序电流互感器的优点：没有不平衡电流接线简单用接于发电机中性点得电压互感器

四、零序电流速断(零序I段)保护零序电流速断保护的整定原则：（1）躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0max，引入可靠系数K’k，则K’k为1.2~1.3。（2）躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流3I0bt，引入可靠系数Kk，即为在按（2)整定，定值较大，保护范围较小时在手动合闸以及三相自动合闸时，使零序I段带有一个的延时（约0.1s），以躲开断路器三相触头不同期合闸的时间，这就无需考虑条件2)。整定值应选取两者中较大的一个：（3）当线路上采用单相重合闸时，按能躲开在非全相运行状态下发生系统振荡时，所出现的最大零序电流整定。通常设置两个零序I段保护：灵敏I段：按条件(1)和(2)整定，而单相重合闸的过程中自动封锁不灵敏I段：按条件(3)整定，单相重合闸的过程中继续运行

五、零序电流限时速断(零序II段)保护（1）零序II段的工作原理与相间短路限时电流速断保护一样，其启动电流首先考虑与下一条线路的零序电流速断保护范围的末端M点相配合，并带有高出一个△t的时限，以保证动作的选择性。K”k为1.1~1.2。动作时限：（2）两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器情况此时跟有助增电流的情况相同，引入零序电流的分支系数K0fz，则变压器切除或中性点不接地，则K0fz=1。（3）零序II段的灵敏系数，应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验，并应满足Klm>1.5的要求，则若不满足要求时与相邻线零序II段配合用两个灵敏度不同的II段改用接地距离保护（第3章）

六、零序过电流(零序III段)保护1）动作电流的整定（1）在零序过电路保护中，对继电器的启动电流，原则上是按照躲开下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流Ibpmax，（2）与下级线路零序III段保护在灵敏度上配合2）保护装置的灵敏性校验作为近后备时

应按被保护线路末端接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流来校验，要求Klm>1.5作为远后备时

应按下级线路末端接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流来校验，要求Klm>1.2零序过电流保护的时限特性优点：在同一线路上的零序过电流保护与相间短路的过电流保护相比，将具有较小的实现。七、零序电流保护例题【例2-2】如图2.39所示网络中，已知：

(1)电源等值电抗X1=X2=5Ω，X0=8Ω

(2)线路AB、BC的电抗X1=0.4Ω/km，X0=1.4Ω/km

(3)变压器T1的额定参数为31.5MVA，110/6.6kV，

Uk=10.5%，其他参数如图所示。

试取线路AB的零序电流保护的第I段、第II段、第III段的动作电流、灵敏度和动作时限。八、对零序电流保护的评价(1)零序过电流保护的灵敏度高；

(2)受系统运行方式的影响要小；

(3)不受系统振荡和过负荷的影响；

(4)方向性零序电流保护没有电压死区。优点：(1)对运行方式变化很大或接地点变化很大的电网，保护往往不能满足要求；

(2)单相重合闸的过程中可能误动；

(3)当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网时，将使保护的整定配合复杂化，且将增大第III段保护的动作时间。缺点：第四节

中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电压、电流及方向保护

中性点非直接接地系统（小接地电流系统）在小接地电流系统中发生单相接地时一般都允许再继续运行1~2个小时要求保护能选出接地线路并及时发出信号对人身和设备的安全有危险时，应动作于跳闸

一、中性点不接地电网中单相接地故障的特点1）简单网络A、B和C相对地电压为故障点D的零序电压为非故障相中产生电容电流并流向故障点的电容电流为其有效值为A相接地点流回的电流为其有效值为2）网络中有发电机和多条线路(1)非故障线路上的零序电流在非故障线路I上，A相电流为零，B相和C相中有本身的电容电流，因此，在线路始端反应的零序电流为其有效值为非故障线路特点是非故障线路中的零序电流为线路I本身的电容电流，电容性无功功率的方向为由母线流向线路。(2)流过发电机的零序电流发电机本身的电容电流为其有效值为发电机零序电流的特点：流过发电机的零序电流为发电机本身的电容电流，其电容性无功功率的方向是由母线流向发电机。(3)故障线路上的零序电流在故障线路接地点处的电流为其有效值为在线