ACE021-相间电流保护

ACE021-相间电流保护第一页，共93页。第2.1

节

单电源线路相间短路的

电流保护主要应用于小电流接地系统或末端线路2第二页，共93页。

2.1.1继电器

继电器是一种应用于控制电路通、断的器件。当输入量达到某个设定数值时，继电器常开触点闭合，接通外部电路。分类：

结构功能单元件电磁型电流继电器启动继电器感应型电压继电器度量继电器整流型功率方向继电器时间继电器数字型阻抗继电器信号继电器

…

…

中间继电器

…→触点可设计为：闭合，或断开3第三页，共93页。一种电磁型电流继电器工作原理构成“触点”（控制外部电路）连接外部电路的导线良导体电磁铁可动衔铁线圈弹簧与支撑4第四页，共93页。5第五页，共93页。一种电磁型电流继电器工作原理图形符号

电流不大时（如正常的负荷电流），电磁力矩不足以克服弹簧力矩，触点仍然处于“断开”的状态。

继电器动作→触点闭合（连通）

电流较大时（如短路电流），电磁力矩较大。6第六页，共93页。继电器的继电特性：动作过程电磁力矩

=弹簧力矩摩擦力

（阻碍状态的改变）电磁力矩

=

弹簧力矩+摩擦力+△气隙δ减小

电磁力矩增大I不变时，形成“正反馈”跃变7第七页，共93页。继电器的继电特性：

返回过程电磁力矩

=弹簧力矩摩擦力

（阻碍状态的改变）弹簧力矩=电磁力矩+摩擦力+△跃变气隙δ增大

电磁力矩减小I不变时，形成“正反馈”8第八页，共93页。由图可知：动作电流>

返回电流继电器的继电特性：（调弹簧、气隙等）9第九页，共93页。——

有利于继电器动作的稳定性

（需克服阻力，也避免触点的弹跳）Kre=1时，电流波动会弹跳不会弹跳一般设计为：0.85~0.9510第十页，共93页。常闭触点常开触点

继电器的表示方法：示意图触点符号名称“常”——是指不带电的状态，而不是“正常状态”11第十一页，共93页。

电压继电器的工作原理与此类似。

时间继电器、控制继电器（非量测）的特性和工作区域：无压工作区

（逻辑0）有压工作区

（逻辑1）

非工作区

12第十二页，共93页。

时间继电器（KT）13第十三页，共93页。

2.1.2中性点接地方式——变压器中性点的接地方式14第十四页，共93页。小电流接地系统：

在该电压等级中，所有变压器的中性点均不接地（或经消弧线圈接地）。

发生单相接地时，短路电流很小（三相电流几乎对称），且线电压仍然平衡，不易烧坏设备，所以，还可以运行1～2小时——供电可靠性高，但是，非故障相电压升高为倍，故绝缘要求高。

随着电压等级的提高，绝缘的投资会急剧增加。主要在35kV及以下电压等级中采用。

但380V民用电系统又采用直接接地方式，以保障人身安全！15第十五页，共93页。大电流接地系统：在该电压等级中，部分或所有变压器的中性点直接接地。优点：绝缘要求低，绝缘的投资相对于小电流接地系统要低。缺点：发生单相接地故障时，会产生很大的短路电流（大电流），会损坏设备等。

（主要在110kV及以上电压等级中采用）16第十六页，共93页。

2.1.3相间短路的电流保护

（主要适用于：小电流接地系统）原理：反应电流增大的继电保护可连续、长期运行会损坏设备、危及系统安全设备、导线等必须按此设计分界设定一个门槛，实现分界（区分）。该门槛称为：定值（也称整定值）。setting取前3个字母17第十七页，共93页。

2.1.3.1电流速断保护（简称电流

I段）

工作原理如上图，这是反应电流增大而瞬时动作的电流保护。

——仅判断电流的大小而决定是否动作。

测量与判断的时间通常在15~25ms以内，时间极短，故称为瞬时（或0s动作→当作无延时）。

电流保护主要应用于小电流接地系统，为此，不考虑电流变化很小的单相接地情况（由2.4节分析）。

多种保护方式共同配合、相互取长补短，才能最大程度地满足“继电保护四性”的要求。电流

I段只是其中的一种保护。18第十八页，共93页。

1.分析与整定原则问题：如果变电站B、C、D还有其他负荷或者引出线时（这是一般的情况），怎么办？

——负荷端对短路电流计算的影响较小，一般忽略。19第十九页，共93页。

在故障点位置确定和故障类型确定的情况下，短路电流Ik与系统等值阻抗Zs密切有关。（对于小电流接地系统，只需要讨论这2种短路）20第二十页，共93页。

1）在某一地点发生三相短路时，如果流过保护安装处的电流为最大，则称此时的运行方式为：最大（运行）方式。21第二十一页，共93页。

2）在相同地点发生三相短路时，如果流过保护安装处的电流为最小，则称此时的运行方式为：最小方式。

1）在某一地点发生三相短路时，如果流过保护安装处的电流为最大，则称此时的运行方式为：最大（运行）方式。22第二十二页，共93页。

短路电流随故障点位置变化的曲线，称为短路电流变化曲线。23第二十三页，共93页。

2.电流I段的整定计算以保护

1为例予以说明

按照选择性的要求，在线路A-B范围内的任何故障，

下面，将根据短路电流的变化规律，来进行电流保护的配置和整定计算。

均要求由保护1来切除。

（即希望：保护1能够保护本线路全长）24第二十四页，共93页。因此，保护1的电流速断保护就必须按躲过相邻下一条线路出口处（K2）短路时，可能出现的最大短路电流来进行整定，避免误动。（保证选择性和可靠性，牺牲一定的灵敏性，获得速动性）

但是，保护1无法区分K1点与K2点的短路（两点间的阻抗极小，二者的电流大小几乎一样），

2.电流I段的整定计算（以保护

1为例予以说明）25第二十五页，共93页。一般方法：肯定的界限跳闸（留有裕度）再逐步识别、跳闸“躲”

——

躲避，防止不利情况的出现。26第二十六页，共93页。

问题1：为什么需要躲过最大短路电流？

——>考虑最不利（恶劣）的条件，保证在各种情况下都能够有选择性（都不误动）。

问题2：什么情况下会出现最大短路电流？

——>系统最大运行方式，发生三相短路。短路点确定后，ZA-B

也就确定了。27第二十七页，共93页。符号说明（或断路器编号1）28第二十八页，共93页。

为了保证选择性，保护1的整定原则为：躲过下一条线路出口处（K2）的最大短路电流。

为了不必在图中标注短路点的位置(更简便)，整定原则的公式可以书写为：∴为了叙述简便，将整定原则演变为：

躲过线路末端的最大短路电流（K1处）。29第二十九页，共93页。

与实际的最大短路电流还存在一定的误差！保护1的电流整定原则：

这是工频量的理论计算公式，30第三十页，共93页。1）系统和线路参数（ZS、

ZA-B）的误差；2）电势的波动；3）上式为工频量，还应当考虑非周期分量、谐波；4）电流继电器连接到TA的二次侧，有传变误差；5）电流继电器的测量误差，整定计算误差；…

…

在线路末端短路时，如果实际的最大短路电流都不会误动，那么，任何的外部短路肯定都不会误动。31第三十一页，共93页。一次电流二次电流理想曲线实际曲线TA二次侧的电流一般是偏小的。32第三十二页，共93页。裕度33第三十三页，共93页。保护1的电流整定原则：I段的可靠系数，如1.334第三十四页，共93页。35第三十五页，共93页。根据参数计算出来的电流I段整定值(动作值)：二次整定值：设定整定值36第三十六页，共93页。动作时限：

t=0（秒）——>瞬时动作（理想情况）。实际上，都需要一定的测量时间，称为固有动作时间。（如：≤

30ms）灵敏性校验：用线路被保护的最小范围来衡量。（该参数说明：最少能保护线路的多长？）灵敏度定义：37第三十七页，共93页。1）图解法（按比例画图和曲线）38第三十八页，共93页。1）图解法（按比例画图和曲线）39第三十九页，共93页。2）解析法最小短路电流：求解得：40第四十页，共93页。求解得：41第四十一页，共93页。电流I段整定的归纳：

1）电流定值——

躲过线路末端最大的短路电流。

2）校验——

最小短路电流时，保护范围是多少？

3）时间定值——

瞬时动作（0秒，实际要求≤30ms）。整定计算三要素：

1）整定值；2）灵敏度校验；3）动作时间。42第四十二页，共93页。3.

优缺点

优点：简单可靠，动作迅速。

缺点：1）不能保护本线路全长；

2）受系统运行方式的影响大；

3）可能没有保护范围：运行方式变化较大、

或短线路时。43第四十三页，共93页。

了解：当线路与变压器相连接时，可以保护线路的全长，并能够保护变压器的一部分(变压器的阻抗大一些)。N母线没有其他出线时

由于电流保护I段无法保护全长，因此，需要再配置另一种保护的功能——这就是下面要讨论的电流保护Ⅱ段。44第四十四页，共93页。

2.1.3.2

带时限电流速断保护（简称电流Ⅱ段）要求：1）保护线路的全长（根本目的）；

2）具有最小的动作延时。（保证选择性和可靠性，牺牲一定的速动性，获得灵敏性）

1.

分析与整定原则要求保护线路的全长，必定意味着电流元件的整定值应当满足：

为此，再增加一个区分的条件：时间！

依靠时间延时的差异来满足选择性的要求。电流+时间共同判别45第四十五页，共93页。

要求保护线路的全长，必定意味着电流元件的整定值应当满足：

思路：在K2处短路时，保护1的II段通过增设了延时的条件，确保由保护2先跳闸。46第四十六页，共93页。

用时间的差异（△t）来满足选择性要求的方法，被称为一种配合关系。47第四十七页，共93页。2.

电流定值先尝试这样的电流配合关系：

不仅时间延时上需要满足配合关系，还要在电流整定值上实现配合，以便确定每一种保护的动作范围。48第四十八页，共93页。

2.

电流定值49第四十九页，共93页。

保护1的II段与保护2的I段配合时，其动作时间的关系如下图。

3.

动作时间的选择50第五十页，共93页。这就是时间元件起作用的效果。51第五十一页，共93页。△t考虑的因素：（1）断路器动作时间+灭弧时间；（2）时间继电器的延时误差；（3）测量元件(电流继电器)在外部故障切除后的返回延时；（4）裕度。保护2动作保护1不能误动52第五十二页，共93页。

通常取：△t=

0.5s。采用快速灭弧和电子延时后，可以缩短到0.3s。（考试或交流中，可以仅说：0.5秒延时）验证灵敏度时，需考虑校验说明图53第五十三页，共93页。

4.

灵敏度校验

配置电流保护II段的目的是：要求保护线路全长。因此，需要验证是否满足了这个要求，同时，也应当计及计算误差，并留有一定的裕度。

对于保护1来说，A-B之间为本线路全长。54第五十四页，共93页。

4.

灵敏度校验

目的：确保A-B线路任何地方的短路都能被切除（应考虑：最小运行方式、两相相间短路的情况）。计及计算误差，并有裕度55第五十五页，共93页。配合关系：

当灵敏度不满足要求时，采用下面的第2种方案。电流、时间必须与“同一段保护”配合！56第五十六页，共93页。电流定值的关系时间定值的关系电流、时间必须与“同一段保护”配合！57第五十七页，共93页。II段归纳：1）采用延时，换取选择性，保护全线路（时间）。2）要求保护线路全长（灵敏度）：3）先尝试与下一级线路的I段保护进行配合（电流定值），目的是：争取延时最小。4）当上述方案的灵敏度不满足要求时，再与下一级线路的

II段保护进行配合。

注意：电流与时间必须同时配合！58第五十八页，共93页。当灵敏度不满足要求时59第五十九页，共93页。

5.

电流Ⅱ段的原理接线

电磁型电流Ⅰ段接线改变为：电流Ⅱ段接线时间继电器向运行人员发出告警信号电流元件、时间元件同时满足条件，才能实现跳闸。60第六十页，共93页。I段、II段整定值与保护范围的示意图I段动II段动I段动，或II段动I、II段联合，就可以保护全线路的任何故障。61第六十一页，共93页。正常情况下，I段、II段保护范围的示意图保护1的I段保护范围保护1的II段保护范围保护2的I段保护范围保护2的II段保护范围I、II段联合，就可以保护全线路的任何故障。62第六十二页，共93页。

需要再配置一种称为后备保护的继电保护功能。

当B-C线路故障时，如果保护2的电流Ⅰ、Ⅱ段出现了拒动（如器件损坏、导线松动），或断路器2出现了拒动，此时，怎么办？63第六十三页，共93页。

配置目的：不允许故障长期存在。整定原则：躲过线路上可能出现的最大负荷电流。（实际是：故障切除后，在最大负荷电流的情况下，保护应当可靠返回）

2.1.3.3定时限过电流保护（电流Ⅲ段，后备保护）回顾电流继电器的“继电特性”（如左图）64第六十四页，共93页。二次值一次值65第六十五页，共93页。

1.

整定电流（启动电流）

·

躲本线路上可能出现的最大负荷电流

·

外部故障切除后已经启动的保护能够可靠返回（电机的启动电流）

2.1.3.3定时限过电流保护（电流Ⅲ段，后备保护）66第六十六页，共93页。外部故障后过程ABC10d2D34MMMd点故障，母线ABC电压下降保护3/2/1/0的II/III段启动,保护3的I段跳闸母线ABC电压恢复，电动机自启动

2.1.3.3定时限过电流保护（电流Ⅲ段，后备保护）67第六十七页，共93页。，应由网络接线与负荷性质确定68第六十八页，共93页。ABC10d2D34MMM考虑电动机自启动电流时必须可靠返回

－可靠系数，1.15～1.25

－返回系数，0.85～0.95

－自启动系数，与负荷性质/接线有关，大于169第六十九页，共93页。3）邻近动作值时，保证触点有足够的压力。2）防电流波动时的弹跳。1）III段电流的灵敏度。（宜大）（宜小）（宜小）70第七十页，共93页。

因此，只能依靠延时来保证选择性！

2.

动作时限

从最远处开始配置延时。按上图标定的序号，形成阶梯型(形状)时限特性：III段的电流整定值只能区分正常与短路71第七十一页，共93页。对于更一般的情况，第Ⅲ段时限特性如下：72第七十二页，共93页。(c)处于电网终端的保护装置，其过电流保护的动作时限为零。这种情况下过电流保护可作为主保护兼后备保护，不需装设电流速断保护和限时电流速断保护。保护3：设定时限过电流保护（电流Ⅲ段），无延时动作。保护2：设电流速断（Ⅰ段）和过电流保护（电流Ⅲ段）。保护1：按一般原则装设三段式电流保护。定时限过电流保护的动作时限73第七十三页，共93页。

在电流Ⅰ、Ⅱ段以及断路器都可以正常工作情况下，电流Ⅲ段的电流继电器仅仅启动（电流定值较小），但是，延时较长，所以，不发跳闸命令（由电流Ⅰ段或Ⅱ段切除短路，电流Ⅲ段随即返回）。

在电流Ⅰ、Ⅱ段或断路器拒动时，电流Ⅲ段的延时才能够“走到头”(满足延时的时间)，此时才发跳闸命令，故称为“后备保护”。74第七十四页，共93页。Ⅲ段的后备作用：

1）近后备——同一地点电流Ⅰ、Ⅱ段拒动的后备

2）远后备——下一级变电站的保护和断路器拒动的后备（防止短路点不切除）作为近后备作为远后备（异地的后备）75第七十五页，共93页。电流的相互配合关系76第七十六页，共93页。III段之间的时间配合关系及其管辖范围管辖范围动作时间保护3的3段范围保护2的3段范围保护1的3段范围77第七十七页，共93页。

3.

灵敏度校验（以保护1为例）

最小运行方式，本线路（相邻线路）末端两相短路。

最小短路电流都能够动作，意味着：保护范围内的任何短路都能够实现动作。78第七十八页，共93页。阶段式电流保护的单相原理接线（电磁型）

阶段式电流保护简单、可靠，在35kV及以下低压配电网络中得到广泛应用。主要缺点：受电网接线及系统运行方式变化的影响较大。79第七十九页，共93页。

2.1.4

电流保护的接线方式·

电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式·

三相星形接线与两相星形接线1）三相星形接线2）两相星形接线80第八十页，共93页。·

电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式·

两种：三相星形接线与两相星形接线（a）三相星形接线方式；（b）两相星形接线方式①每相上均装有TA和KA、Y形接线②KA的触点并联（或）①一相上不装设TA和KA、Y形接线②KA的触点并联（或）（接A、C相）

2.1.4

电流保护的接线方式81第八十一页，共93页。三相星形接线和两相星形接线的性能比较（1）相间短路中性点直接接地电网和非直接接地电网，都能够正确动作，但动作的继电器数目不同。（2）单相接地短路两相星形接线不能反应中性点直接接地电网的B相接地短路（以全部接A、C两相为例）。82第八十二页，共93页。（3）异地两点接地短路

小电流接地系统，允许单相接地时继续短时运行，希望只切除一个故障点。两相星形同铭相两点接地不必跳好好好好故障组合结果83第八十三页，共93页。三相星形同铭相两点接地不必跳

各种异铭相两点接地，均跳两回线。

供电可靠性不如两相星型（3）异地两点接地短路

小电流接地系统，允许单相接地时继续短时运行，希望只切除一个故障点。84第八十四页，共93页。（3）异地两点接地短路两相星形（不好）（不好）85第八十五页，共93页。（3）异地两点接地短路三相星形

各种异铭相的异地两点接地，保护具备配合的关系，只跳