电力系统继电保护原理2课件

第二章电网的电流保护

单侧电源网络相间短路的电流保护电网相间短路的方向性电流电压保护中性点接地电网接地短路的零序电流及方向保护中性点非接地电网单相接地故障时零序电压电流及方向保护1.单侧电源网络相间短路的电流保护

电流继电器

电流速断保护

限时电流速断保护定时限过电流保护

阶段式电流保护装置电流保护的接线方式

电力系统正常运行时，输电线路上流过负荷电流，额定情况下，母线电压为额定电压。当输电线路发生相间短路时，各电源至短路点之间的回路上流过短路电流，故障相母线电压降低为残余电压。利用这一特征反应故障的发生，可构成电流电压保护。电流保护就是在输电线路中电流达到电流整定值时电流继电器动作。常见的输电线路相间短路电流保护有电流速断保护、限时电流速断保护、定时限过电流保护。

TAMI0V滤波整流比较Ug3ms/00/12ms输出1234UgU1U2

10mst(ms)t(ms)U3

t(ms)U4t(ms)集成电路型电流继电器U在如图2-1-a所示单侧电源辐射形电网中，变电所A、B、C都装设有电流保护，在线路L1上任意一点发生的短路故障，A站保护1应可靠起动，并跳开断路器1QF，切除故障。同理，对于线路L2和L3上的短路故障，B、C站保护2、3应分别起动并跳开2QF、3QF。

不同的系统运行方式下，Xs取值不同。对应于系统最大运行方式和最小运行方式，Xs分别取为最小系统阻抗Xs.min和最大系统阻抗Xs.max

，此时的短路电流分别为最大短路电流Ik.max和最小短路电流Ik.min

。常用的有最大三相短路电流I(3)k.max

、最小三相短路电流I(3)k.min和最小两相短路电流I(2)k.min

。图2-1-b所示两条曲线分别表示在系统最大运行方式下三相短路I(3k.max和最小运行方式下两相短路电流I(2)k.min关于短路点到保护安装处距离L的曲线，即短路电流曲线。

电流速断保护电流速断保护可作为快速切除被保护元件出口处的严重短路故障的保护，其动作不带时限，仅有保护装置的固有动作时间。以图2-1-（a）中线路AB的保护1为例，为保证选择性，在相邻线路BC出口短路时，保护1瞬时电流速断保护不应起动，为此其动作电流应躲过线路末端B点的最大短路电流，因此瞬时电流速断保护的动作电流按躲过本线路末端短路时流过保护的最大短路电流来整定，即式中——瞬时电流速断保护的动作电流；

krel——可靠系数，取1.2～1.3；

I(3)k.B.max——被保护线路末端短路时，流过保护的最大短路电流。

电流速断保护的保护范围从图2-1-（b）可以看出，瞬时电流速断不能保护线路全长，只能保护线路首端的一部分，最大运行方式发生三相短路时，保护区长度为Lmax；最小运行方式下发生两相短路时，保护区长度为Lmin，保护范围因系统运行方式和故障形式而改变。电流速断保护的灵敏度用保护范围百分比来表示。一般要求最大保护范围达线路全长的50％，最小保护范围达线路全长的15～20％。保护1最小保护范围可按下式计算：电流速断保护中间继电器的作用中间继电器的作用是：电流继电器KA的接点容量比较小，不能直接接通跳闸线圈YR，电流继电器动作后起动中间继电器KM，再由中间继电器的触点（容量大）去跳闸；当线路装设有管型避雷器时，利用中间继电器的固有动作时间（约0.1s），防止管型避雷器放电时引起瞬时电流速断保护误动作。瞬时电流速断保护简单可靠，动作迅速，但不能保护线路全长，且保护范围受系统运行方式的影响，必须与限时电流速断共同构成线路的主保护。

限时电流速断保护限时电流速断保护的保护范围应为线路的全长，其保护范围必然要延伸到相邻线路的一部分，并保证其保护范围不超过相邻线路的瞬时电流速断保护，它的动作电流应按躲过相邻线路瞬时电流速断的动作电流来整定。对图2-1-（a）中保护1，应为式中Iact.1.II——保护1限时电流速断的动作电流；

Iact.2.I——下一级线路瞬时电流速断的动作电流；

krel——可靠系数，取1.1～1.2。

限时电流速断保护动作时限为保证选择性，限时电流速断应有时限，其动作时限t1。II应比相邻线路瞬时电流速断保护的动作时间t2.I（约0.1s）大一个t，即限时电流速断保护装置的单相原理接线图如图所示，其电流继电器KA和时间继电器KT按限时电流速断保护整定。

定时限过电流保护电流保护的动作条件是流过保护的电流达到保护的动作值Iact，过电流保护应保证流过正常运行时可能的最大负荷电流IL.max保护可靠不误动。过电流保护动作电流Iact通常按躲开最大负荷电流整定。正常运行时，保护应可靠不误动，在其保护范围内发生短路故障时，反应于短路电流而动作。其保护范围不仅能覆盖本线路的全长，而且也能覆盖相邻线路的全长。以图2-1-（a）所示单侧电源辐射形电网为例。线路L1的过电流保护动作值Iact.1.III应躲过正常运行最大负荷电流ILmax

：

当相邻元件三相短路故障切除后，负荷自起动时，保护1在最大自起动电流IMs.max下应可靠地返回。所以，保护1的返回电流Ire应满足：

引入可靠系数kk，可选择返回电流满足：

动作电流与返回电流之间满足关系：

所以，过电流保护的动作电流可整定为：krel——可靠系数，一般采用1.15~1.25；

kMs——自起动系数，由负荷性质决定，其数值大于或等于1；

kre——返回系数，一般采用0.85。这样整定的过电流保护一般都很灵敏，当线路L3上k3点短路时，短路电流由电源经线路L1、L2至短路点。短路电流经过的各线路的过电流保护可能都会起动。按选择性的要求，此时应由保护装置3动作，使断路器3QF跳闸。故障切除后，短路电流消失，各保护装置都返回。

过电流保护的动作电流整定过电流保护的动作时间整定为保证过电流保护的选择性，各保护装置应具有不同的动作时间，即：t1>t2>t3引入时间级差t，使t1=t2+t，t2=t3+t为了降低整个电网保护的动作时间，在满足选择性的前提下，t应尽量小，可按下式确定：t=tDL+te.(+)+te.(-)+t式中tDL——断路器跳闸时间；te.(+)——下一级保护装置动作时间的正误差；te.(-)——本级保护装置动作时间的负误差；t——时间裕度。根据断路器和继电器的型式不同，t在0.35～0.6s之间，一般取0.5s。

阶梯时限特性图2-1-（c）为定时限过电流保护装置动作时间特性图。图中，从用户到电源，各保护装置的动作时间逐级增加，称为阶梯时限特性。这一整定过电流保护的动作时间的方法称为阶梯原则。当下一级相邻元件不止一个时，过电流保护的动作时间应比每一个相邻元件保护的动作时限至少大一个t，这样才能充分保证保护的选择性。

过电流保护阶梯时限特性图2-1-（c）为定时限过电流保护装置动作时间特性图。图中，从用户到电源，各保护装置的动作时间逐级增加，称为阶梯时限特性。这一整定过电流保护的动作时间的方法称为阶梯原则。当下一级相邻元件不止一个时，过电流保护的动作时间应比每一个相邻元件保护的动作时限至少大一个t，这样才能充分保证保护的选择性。由于过电流保护的动作时间是按阶梯原则进行整定的，在靠近电源处的过电流保护的动作时限可能较长，所以，过电流保护一般不能作为主保护，而是作为本线路的近后备保护和相邻线路的远后备保护。电流保护的接线方式电流保护的接线方式是指电流继电器线圈与电流互感器二次绕组之间的连接方式。或者说，就是如何把三相电流互感器二次电流Ia、Ib、Ic构成三相继电器电流Ika、Ikb、Ikc。常用的相间短路接线方式有：三相完全星形接线;两相不完全星形接线。三相完全星形接线和两相不完全星形接线(3)

对Y，d接线变压器后面的两相短路当过电流保护安装在变压器的一次侧，作为二次侧线路故障的后备保护时，当二次侧发生两相相间故障时，变压器二次侧有两相流过大小相等方向相反的故障电流，在变压器一次侧则三相中都流过故障电流，其中一相中的故障电流较大，且正好等于另外两相中的故障电流的2倍，当二次侧故障相别不同时，一次侧故障电流较大的相别也不同，例如，对于Yd/11接法的降压变压器，如果二次侧为AB相间故障，则一次侧B相的故障电流较大，这样，如果保护是采用三相星形接线，则接于B相上的电流继电器中流过的电流是其它两相电流的2倍，灵敏系数增大一倍，这是十分有利的。如果保护采用的是两相星形接线，由于B相上没有装设电流继电器，因此灵敏系数只能由A相和C相的电流决定，在同样的情况下，其数值要比采用三相星形接线时降低一半。为了克服这个缺点，可以在两相星形接线的中线上再接入一个电流继电器，其中流过的电流为，其大小等于电流，利用这个继电器能够提高灵敏系数。

对Y，d接线变压器后面的两相短路电流向量图

阶段式电流保护装置为了迅速、可靠地切除线路的故障，可采用三段式电流保护。通常，瞬时电流速断保护为I段，限时电流速断保护为II段，定时限过电流保护为III段，I、II段共同构成主保护，III段作为后备保护。对于电网的末端线路也可只用两段（I+III或II+III），或只装带0.5s时限的过电流保护。图2-1说明了三段式电流保护各段动作电流、保护范围及动作时限的配合情况。由图可见，正常情况下，在被保护线路的首端发生故障时，保护I段瞬时动作，在被保护线路末端故障时，保护II段带0.5s延时切除故障，III段作为后备，装设三段式电流保护的线路，可以在0.5s内切除故障，实现全线速动，并能够实现近、远后备。2电网相间短路的方向性电流电压保护2.1方向性电流保护的工作原理在双侧电源线路或环网线路中，线路两端都装设有断路器和继电保护装置。以图2-4所示双侧电源供电网络为例，当k1发生短路时，要求保护1、2动作断开断路器1QF、2QF；在k2点发生短路时，要求保护3、4动作断开断路器3QF、4QF。对过电流保护，当k1点短路时，按选择性的要求，作为后备，应该是保护2动作而不是保护3，必须有t3＜t2；而当k2点短路时，则要求保护3先于保护2动作，必须有t2＜t3。显然，这是互相矛盾的。可见，这种情况下，仅凭时限保证选择性的定时限的要求，必须增加方向元件，使保护具有方向性，才能保证选择性。对速断保护的分析，也会有类似的结论。给电流保护加装方向元件（以后的分析可知，仅部分保护需方向元件），以保证选择性，就构成了方向性电流保护。

K1点短路时：保护1、2动作，跳开1QF、2QF，必须有t3>t2，防止保护3误动K2点短路时：保护3、4动作，跳开3QF、4QF，必须有t2>t3，防止保护2误动，必须有t5>t4，防止保护5误动K3点短路时：保护5、6动作，跳开5QF、6QF，必须有t4>t5，防止保护4误动这是相互矛盾的，不能同时满足，必须有新的措施：方向性φk1φk1方向继电器对方向继电器的要求应有明确的方向性:发生正方向故障时,可靠动作,发生反方向故障时,可靠不动作;发生正方向故障时,继电器动作有足够的灵敏度.最大灵敏角如果正方向故障时,输入继电器的电压为,电流为,相位差为,有:为了继电器动作最灵敏,则设计最大灵敏角,则方向继电器的动作区方向继电器动作方程动作条件方向继电器的动作条件为:如果选择一个继电器内角=-sen.max,那么,动作条件就是:动作方程相间短路功率方向继电器接线方式在保护出口三相短路时,方向继电器会有死区,因此,通常采用900接线方式:3中性点直接接地电网接地短路时零序电流及方向保护

在中性点直接接地电网中，当发生单相接地短路时，将出现较大的零序电流,在正常运行时,理想条件下,系统中不含有零序电压电流。采用三相完全星形接线的过电流保护虽然可以反应故障，但灵敏度往往不能满足要求，时限也较长。因此，在中性点直接接地电网中,都装有利用有零序电压电流构成的接地短路保护。

中性点直接接地电网单相接地短路时电流和电压的特点

在如图2-51-（a）所示中性点直接接地系统中，当系统中任何一点K发生单相接地短路（以A相为例）时，将产生零序电压和零序电流:零序电压电流向量图零序电流的分布零序电流可以看成是在接地故障点的每一相中叠加的一个零序电压作用于零序阻抗Z0产生的。假定零序电流的参考正方向是从接地故障点经大地流向变压器接地中性点，再经变压器返回线路，零序电压的电位是线路高于大地，如果忽略，则零序电流超前于零序电压900，考虑回路电阻时，零序电流超前于零序电压的角度大于900零序电流的分布，取决于变压器中性点是否接地及中性点接地变压器数目，零序电流按与零序阻抗成反比的关系在变压器接地中性点之间的零序网络中分布。零序电压在故障点最高，其值为U0，在变压器的接地中性点，零序电压为零。

零序电压过滤器、零序电流过滤器零序电压过滤器：三个单相电压互感器三相五柱式电压互感器接于发电机中性点的合成零序电压零序电流过滤器：零序电流过滤器零序电流互感器中性点直接接地电网的接地保护三段式零序电流保护是常用的中性点直接接地电网接地故障主保护。典型的配置是以瞬时零序电流速断保护作为I段，限时零序电流速断保护作为II段，定时限零序过电流保护作为III段，根据具体需要，有时是四段保护。在基本工作原理上，三段式零序电流保护与电流保护基本相同。

瞬时零序电流速断保护瞬时零序电流速断保护整定原则：应躲过下一级线路出口处发生接地短路时流过保护安装处的最大三倍零序电流：应躲过断路器三相触头不同期合闸的最大三倍零序电流：如按2）整定时动作电流过大，可在手动合闸和重合闸过程中，使零序I段具有0.1s的时限，以躲过三相触头不同期合闸的时间。应躲过单相自动重合闸过程中，系统非全相运行且出现振荡时的最大三倍零序电流因此，有时设置两个零序I段。限时零序电流速断保护限时零序电流速断保护的动作电流应躲过下一级相邻元件的瞬时零序电流速断保护范围末端发生接地短路时流过保护安装处的三倍零序电流3I0：在本线路末端校验灵敏度时，要求ks1.5，若不能满足，可考虑与相临线路零序II段配合。3IB.min为本线路末端发生接地短路时流过保护安装处的最小三倍零序电流.零序过电流保护零序过电流保护动作电流应躲过下一条线路出口处相间短路时零序电流滤过器输出的最大不平衡电流Iub.max：时限的整定仍按阶梯原则，但配合关系始于变压器的接地保护，而不是网络的末端。零序三段作本线路后备时，灵敏系数要求ks2，作相邻线路后备时，灵敏系数要求ks1.5。其中3Imin为校验点接地故障时,流过保护安装处的最小3倍零序电流.零序电流保护原理接线图

方向性零序电流保护在线路两端都有中性点接地运行的变压器的网络中，零序电流保护也有方向性问题，必须使保护具有方向性，才能保证保护的良好选择性。

零序功率元件的最大灵敏角为了保证线路内部接地故障时,零序电流保护能够正确动作,选择零序功率元件的最大灵敏角sen=-950~-1100(零序阻抗角为700~850时).动作方程(sen=-1100):如果把输入继电器的零序电压取反方向则动作方程(sen=700):评价

三相星形接线相间短路电流保护，也可反映d（1），作比较优点：（1）零序电流保护更灵敏

Ⅰ、Ⅱ受运行方式影响较小，Ⅰ段保护范围长且稳定，Ⅱ段灵敏性易于满足

Ⅲ段躲不平衡电流，定值低更灵敏且时间较短（2）KPDo出口无死区，接线简单、经济、可靠。（3）系统振荡、短时过负荷等情况下（三相对称）Io不受影响缺点：不能反映相间短路故障，受重合闸影响。中性点不接地电网单相接地故障的零序电压电流及方向保护

电力系统中性点接地方式可分为直接接地和不直接接地两大类。35kV及以下电网中性点的接地方式有：不接地方式，经消弧线圈接地方式，经高阻、中阻和小电阻接地方式等。我国66kV及以下的电网的中性点接地方式，在单相接地时的电容电流不大于安全电流（如：35kV系统为10A，10kV为20A）时，采用不接地方式，否则通常采用经消弧线圈接地方式。

由于故障点电流较小,一般允许继续运行1~2小时,并由保护给出信号(或者跳闸),以便转移负荷,安排检修.中性点不接地电网单相接地短路特点在如图所示中性点不接地系统中，连接有n条线路，当任何一点k发生单相接地短路（以线路2的A相故障为例）时，全系统出现零序电压，系统中各点电位发生偏移，但各点间电势差不变。各相对地电压横向不对称，但相间电压仍保持对称。忽略线路阻抗的影响，把线路对地电容看作集中参数，则故障点各相对地电压为：故障点零序电压为：

各线路非故障相对地电容电流各线路非故障相对地电容电流为：

二者之和为：

非故障线路保护安装处零序电流为：

故障点电流（方向如图所示）为:在理想情况下，，由系统运行方式决定，所以故障点电流值与故障点位置无关。故障线路保护安装处零序电流：

由此，可有结论：当中性点不接地系统中发生单相接地短路故障时，整个电压系统产生零序电压；非故障线路零序电流为本身对地电容电流之和，相位超前零序电压900；故障线路零序电流为所有非故障元件对地电容电流之和，相位滞后零序电压900。非故障线路的零序功率方向与故障线路相反，在同一电压等级元件较多时，故障线路的零序电流也会远大于其它元件。

故障线路保护安装处零序电流

中性点不接地系统单相接地故障的常用电流电压保护利用以上结论，可以构成中性点不接地系统单相接地故障的常用电流电压保护：绝缘监视装置零序电流保护零序功率方向保护其它原理的保护绝缘监视装置

在中性点不接地系统中任一点发生单相接地故障时，全系统出现零序电压。母线上三相五柱式电压互感器开口三角形侧输出零序电压，过电压继电器反应此零序电压，动作于信号，同时，星形侧三只用于测量各相对地电压的电压表的指示也会不平衡，值班人员根据信号和电压表指示的变化，只能知道电网发生了单相接地故障及故障的相别，必须用依次断开线路的方法判断发生故障的线路，并切除故障线路。

零序电流保护以图2.1中线路WL2的零序电流保护2为例，保护2的动作电流应躲过单相接地时本线路电容电流之和，即：式中krel——可靠系数，瞬时动作时，取4～5，有一定延时，取2。保护的灵敏度按被保护线路发生接地故障时，流过该保护的最小零序电流进行校验：显然，只有在出线较多时才能保证灵敏度。

零序功率方向保护从上文的分析可以得出，故障线路保护安装处通过的零序电流落后于零序电压900，非故障线路的零序电流超前于零序电压9