电力系统继电保护技术 第4版 课件 第3章 输电线路电流电压保护

第3章输电线路的电流电压保护教学要求：掌握三段式电流保护的原理、整定计算方法、特点及原理图。线路故障特征：电流突然增大、电压降低。利用电流突然增大，可构成电流保护；利用电流、电压变化，可构成低压过电流保护。3.1.1无时限电流速断保护3.1单侧电源输电线路相间短路的电流电压保护无时限(或瞬时)电流速断保护，它是反映电流升高，不带时限动作的一种保护，也称Ⅰ段保护。图形符号＞1、工作原理和整定计算相间短路电流与故障点间关系为：3.1.1无时限电流速断保护三相短路：两相短路：设系统正、负序电抗相等。当系统运行方式一定时，和是常数，流过保护安装处短路电流是保护安装处至故障点距离的函数。3.1.1无时限电流速断保护系统运行方式及故障类型变化时，短路电流的大小也会发生变化。在保护整定计算中，一般考虑两种极端的运行方式，即最大运行方式和最小运行方式。3.1.1无时限电流速断保护为满足选择性：保护动作电流按保护区末端短路条件整定原因：被保护线路末端与相邻线路出口处短路电流几乎相等；保护1无法正确区分。按上式确定定值后，保证了在相邻线路上发生短路故障保护1不会误动作。

3.1.1无时限电流速断保护

确定最大短路电流必须考虑因素：1）系统运行方式；2）短路点位置；3）短路类型；4）电网接线方式；3.1.1无时限电流速断保护

保护区分析3.1.1无时限电流速断保护

保护规程规定，电流速断保护的灵敏度用保护范围来衡量，当最大保护范围达50%，最小保护范围不应小于线路全长的15%~20%时，才能装设无时限电流速断保护。最大保护区确定：3.1.1无时限电流速断保护最小保护区确定：说明：当不需求实际保护长度时，可直接求50%处三相短路及15%处两相短路时，若保护安装处测量到短路电流大于整定值，无时限速断保护可装设。3.1.1无时限电流速断保护2、线路-变压器组无时限电流速断保护当采用线路─变压器组的接线时，保护的保护范围可延伸到相邻变压器一部分，使全线都能瞬时切除故障。保护动作电流配合系数灵敏度3.1.1无时限电流速断保护原理接线：3.1.1无时限电流速断保护

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主讲人：许建安3.1.2限时电流速断保护1、限时电流速断保护原理和整定计算要求：应能保护线路全长。

被保护线路末端短路有灵敏度，必然保护区要延伸到相邻线路、或相邻元件的一部分。

为满足选择性要求，保护动作带有一定的时限。图形符号＞3.1.2限时电流速断保护为满足选择性、快速性，动作电流必须大于相邻无时限电流线路速断保护。3.1.2限时电流速断保护保护动作电流为：1）与相邻线路配合2）与相邻变压器配合可靠系数取；配合系数取3.1.2限时电流速断保护为满足选择性要求，保护动作时间必须与相邻线路、元件配合，即

时限级差，一般取范围内，微机保护可取小值。3.1.2限时电流速断保护动作时间配合：3.1.2限时电流速断保护取大值为保护1动作时间。灵敏度：≥3.1.2限时电流速断保护当灵敏度不满足要求时,可与相邻线路的限时电流速断保护配合。原理接线：3.1.2限时电流速断保护小结：（1）无时限电流速断保护只能保护线路的一部分，动作的选择性依靠动作值来保证。对于线路变压器组，可使全线处于速动保护范围之内。（2）无时限电流速断保护的灵敏度以保护区的长度来确定。（3）限时电流速断保护作为线路的主保护，要求应能保护被保护线路全长。为了缩短保护的动作时间，动作值与相邻线路、元件速断保护配合。3.1.2限时电流速断保护（4）限时电流速断保护的选择性是依靠动作值、动作时间来保证。（5）当灵敏度不满足要求时，可与相邻线路限时电流速断保护配合。3.1.2限时电流速断保护

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主讲人：许建安3.1.3定时限过电流保护1、定时限过电流保护工作原理要求：应能保护被保护线路的全长，也能保护相邻线路全长及相邻元件的全部。即应能起到近后备与远后备保护的作用。作用：一般作为主保护的后备保护。

3.1.3定时限过电流保护K点短路时，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。按选择性要求，保护3动作断开QF3后，保护1、保护2应立即返回。

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。3.1.3定时限过电流保护即保护动作时间应满足：

从上式可见，保护装置动作时间是从用户到电源逐级增加，越靠近电源，保护动作时间越长。3.1.3定时限过电流保护特点：形状象一个阶梯，故称为梯形时限特性。因保护动作时限固定，与短路电流大小无关，称定时限过电流保护。3.1.3定时限过电流保护2、定时限过电流保护的整定计算原则：1）正常运行被保护线路流过最大负荷电流时，保护不动作2）相邻线路短路故障切除后，保护应可靠返回自起动电流，3.1.3定时限过电流保护

根据可靠返回条件，过电流保护动作值为其中：可靠系数取自起动系数取返回系数取3.1.3定时限过电流保护3、灵敏度校验是系统在最小运行方式下，保护区末端短路保护处测量到最小短路电流。

要求：作为近后备保护时，；远后备。≥≥5.1~3.13.1.3定时限过电流保护确定应计及：1）系统应取最小运行方式；2）短路点位置取保护区末端；3）短路类型取两相短路；4）选择保护测量到最小短路电流的开环或闭环运行方式。3.1.3定时限过电流保护4、保护动作时间

按阶梯原则整定，即从用户到电源的各保护的动作时间逐级增加一个时限级差。其表达式为3.1.3定时限过电流保护

为了能反映各种类型的相间短路故障，应合理选择保护的接线方式。

电流保护接线是指电流继电器线圈（或变换器）与电流互感器二次绕组之间的连接方式。常用接线：1）三相完全星形接线；2）不完全星形接线。3.1.4电流保护接线

1、三相完全星形接线特点: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。3.1.4电流保护接线2、不完全星形接线特点:只有两相装设电流互感器，按相连接继电器。应用范围：中性点不接地系统。要求：所有线路的电流互感器必须安装在同名相上。3.1.4电流保护接线3、两种接线方式比较1）仅切除一回路；3.1.4电流保护接线2）切除两回路；3.1.4电流保护接线3）越级跳闸，属误动。3.1.4电流保护接线结论：在两回路上不同地点、不同相别发生两点接地短路时，若保护具有相同的动作时间，采用两相式接线有2/3的机会只切除一条回路，这是两相式接线的优点。缺点：在串联线路上发生两点接地短路，有1/3机会切除两回线路。3.1.4电流保护接线4、两相三继电器接线特点：中性上的电流继电器测量到B相电流。3.1.4电流保护接线定时限过电流保护作为变压器远后备保护采用不完全星形接线，远后备保护的灵敏度将受到影响。

接线的变压器，在电力系统中应用比较广泛。采用此接线的目的：为了提高变压器后发生两相短路的灵敏度。为分析方便，假设变压器的线电压比，

3.1.4电流保护接线由图解法知，低压侧两相短路，高压侧三相都有短路电流，但大小不相等，最大相是最小相的二倍。低压侧两相短路，高压侧相电流最大。1、图解法3.1.4电流保护接线2、相量法3.1.4电流保护接线结论：采用两相三继电器接线，可测量到三相短路电流，所以灵敏度得到提高，广泛应用于Yd接线变压器的远后备保护。电流保护接线应用条件：1）中性点直接接地系统应采用三相三继电器接线；2）中性点不接地系统只能采用两相式接线；3）作为Yd变压器远后备保护，采用两相三继接线。3.1.4电流保护接线

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主讲人：许建安3.2双侧电源输电线路相间短路的方向电流保护教学要求：通过学习要求掌握方向过电流保护的基本工作原理；功率方向继电器工作原理及动作区。消除出口三相短路死区的方法。双侧电源供电目的：是为了提高输电线路供电可靠性。1、方向性问题的提出3.2方向电流保护当K1点短路,保护1、2动作，断开QF1和QF2，接在A、B、C、D母线上的用户，仍然由A侧电源和D侧电源分别供电，提高了对用户供电可靠性。3.2方向电流保护阶段式电流保护用于双侧电源的网络中，不能完全满足选择性要求。3.2方向电流保护

以无时限电流速断保护1为例，保护的动作电流为：为满足选择性要求，定值应取大值，若背侧短路电流大于正向，保护1正向保护灵敏度降低。3.2方向电流保护对过电流保护，当在K1点短路时，要求＜当K2点短路时，要求＞显然，双侧电源不同地点故障时，动作时间的要求是相互矛盾。3.2方向电流保护对过电流保护，当在K1点短路时，要求＜当K2点短路时，要求＞显然单电源环形网络利用动作时间是无法满足选择性要求的。3.2方向电流保护结论：短路功率方向从母线指向线路时，保护动作才具有选择性。3.2方向电流保护2、方向过电流保护工作原理规定：短路功率的方向从母线指向线路为正方向。K1点短路时，保护1、2、4、6为正方向；保护3和5反方向，不应起动。3.2方向电流保护

为了满足选择性要求，保护1、3、5动作时间需进行配合；保护2、4、6动作时间需进行配合。结论：相同动作方向保护的动作时间仍按阶梯原则进行配合。3.2方向电流保护单相式方向过电流保护原理接线：由起动元件、方向元件、时间元件和信号元件组成。3.2方向电流保护3、功率方向继电器工作原理3.2方向电流保护K1点发生短路故障时，加入保护3的电压与电流反映了一次电压和电流的相位和大小。3.2方向电流保护通过保护3的短路功率为：＞0

当反方向短路时，通过保护3的短路功率为＜

0

3.2方向电流保护功率方向继电器动作条件：＞0

动作；＜0时不动作。（1）相位比较式原理实质是判断母线电压与电流之间相位角是否在范围内。3.2方向电流保护动作方程表达式≤≤事实上是间接比较保护安装处母线电压与流过保护安装处电流的相位。≤≤当加入继电器电压为零时，无法进行比相。3.2方向电流保护简化后的表达式为：≤≤其中：称功率方向继电器内角。3.2方向电流保护（2）幅值与相位比较间关系A称为动作量，B称为制动量。当＜时，A＞B当＞

时,A＜B3.2方向电流保护当，则当＞

时,A＜B3.2方向电流保护

由上面分析可见，相位比较与幅值比较相互间是可以转换的。比幅关系比相关系3.2方向电流保护≥比幅式动作方程从上式可见，当加入继电器电压为零时，动作量等于制动量，继电器存在动作死区。3.2方向电流保护4、功率方向继电器接线要求：应能正确反应故障的方向；正向短路故障时，应使方向元件工作在较灵敏的状态。

时，加入继电器的电流超前电压。3.2方向电流保护功率方向继电器电流电压KP1KP3KP33.2方向电流保护3.2方向电流保护动作区画法：动作区：3.2方向电流保护（1）三相短路3.2方向电流保护（2）近处两相短路3.2方向电流保护（3）远处两相短路3.2方向电流保护三相短路和近处两相短路灵敏角变化范围为：两相远处短路，B相灵敏角变化范围：C相灵敏角变化范围：3.2方向电流保护为了使各种相间短路保护都能动作，最大灵敏角范围：3.2方向电流保护5、非故障相电流的影响与按相起动其中：图b为正确接线，图c错误接线。3.2方向电流保护6、方向电流保护的整定计算方向过电流保护动作电流可按下列两条件整定：(1)躲过被保护线路中的最大负荷电流在单电源环形电网中，不仅要考虑闭环时线路的最大负荷电流，还考虑开环时负荷电流的突然增加。(2)同方向的保护的灵敏度应相互配合，即同方向保护的动作电流应从例电源远的保护开始，向着电源逐级增大。

3.2方向电流保护＞＞

＞＞以保护4为例，其动作电流为3.2方向电流保护（2）相继动作：单电源环形电网中，当靠近A母线近处短路，流过保护2的短路电流几乎为零。只有保护1跳开QFl后，保护2才动作跳开OF2。保护装置的这种动作情况，称为相继动作。相继动作的线路长度，称为相继动作区域。3.2方向电流保护3.方向过电流保护灵敏系数的校验：方向过电流保护灵敏系数，主要取决于电流元件。其方法与不带方向元件的过电流保护相同，但在环网中允许用相继动作的短路电流来校验灵敏度。要求：相继动作区不能动大于全长的50%。3.2方向电流保护4.助增电流的影响在保护1和2之间存在一助增电源，在线路K点发生故障，流过故障线路电流比保护1大。保护1限时电流速断保护的动作电流为分支系数为3.2方向电流保护小结：（1）方向电流保护是为了满足双电源线路、单电源环形网络选择性与灵敏性，在电流保护的基础上增加方向元件。（2）方向元件在正向出口处三相短路时存在动作死区。（3）采用接线是为了消除正向出口两相短路的动作死区。（4）比幅与比相间的转换关系是四边形边与对角线的关系。3.2方向电流保护

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主讲人：许建安3.3接地保护保护接地方式：中性点直接接地、中性点不直接接地。中性点直接接地称为大电流接地系统。中性点不直接接地称为小电流接地系统。3.3.1中性点非直接接地系统单相接地的特点相间电压特点：相间电压仍然对称，对用户没有影响，一般情况可继续运行一段时间。3.3接地保护保护3.3.1中性点不接地系统接地保护保护3.3.1中性点不接地系统接地保护保护电压相量图：结论:故障相电压降低，非故障相电压升高。

单相金属性接地时，故障相电压为零，非故障相电压升高为线电压值。3.3.1中性点不接地系统接地保护保护电网中性点和各相对地电压为零序电压为：3.3.1中性点不接地系统接地保护保护非故障线路的零序电流接地点总零序电流为故障线路的零序电流为3.3.1中性点不接地系统接地保护保护单相接地特点：（1）全系统都出现零序电压、且零序电压全系统相等。（2）非故障线路零序电流由本线路对地电容形成。（3）故障线路零序电流由全系统非故障线路、元件对地电容形成。（4）故障相电压下降，非故障相电压升高。3.3.1中性点不接地系统接地保护保护2、中性点经消弧线圈单相接地故障特点从接地点流回的总电流为

3.3.1中性点不接地系统接地保护保护由于和的相位差约，因此将因消弧线圈的补偿而减小。

补偿方式：完全补偿、过补偿和欠补偿。为防止运行方式变化时，出现串联谐振的现象，应采用过补偿方式。

完全补偿时要可能产生串联谐振，不宜采用。3.3.1中性点不接地系统接地保护保护3、中性点非直接接地系统的接地保护（1）无选择性绝缘监视装置

在中性点非直接接地电网中，任一点发生接地短路时，都会出现零序电压。根据此特点构成的无选择性接地保护，称为绝缘监视装置。

3.3.1中性点不接地系统接地保护保护（2）零序电流保护原理：利用故障线路与非故障线路零序电流的数值不同实现。使用条件：电缆线路或经电缆出线的架空线路上。保护动作电流瞬时动作可靠系数取4-5，延时动作取1.5-2。灵敏系数3.3.1中性点不接地系统接地保护保护（3）零序功率方向保护中性点不接地电网发生单相接地故障时,故障线路的零序电流和非故障线路的零序电流方向相反，即故障线路的零序电流滞后零序电压。而非故障线路的零序电流超前零序电压，采用零序功率方向保护可明显区分故障线路。3.3.1中性点不接地系统接地保护保护（4）反映高次谐波分量保护在电力系统中5次谐波分量数值最大，中性点经消弧线圈接地,消弧线圈只对基波电容电流有补偿作用，5次谐波消弧线圈的感抗增加5倍,对容抗减小5倍；5次谐波电感电流相对于5次谐波电容电流来说是很小,起不了补偿作用,在5次谐波分量中可不考虑消弧线圈的影响。5次谐波电容电流在消弧线圈的分配规律与基波在中性点不接地系统中的分配规律相同。根据5次谐波零序电流的大小和方向就可以判别故障线路与非故障线路。3.3.1中性点不接地系统接地保护保护

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主讲人：许建安3.4中性点直接接地系统的接地保护1、中性点直接接地系统接地时零序分量的特点电力系统发生单相接地时,可利用对称分量法将电流分解为正序、负序和零序。接地时等效网络：3.4中性点直接接地系统的接地保护3.4中性点直接接地系统的接地保护特点：（1）故障点的零序电压最高为，离故障点越远处的零序电压越低，变压器中性接地点的零序电压为零。（2）零序电流的分布，主要决定于输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。3.4中性点直接接地系统的接地保护（3）运行方式变化，若线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就不变。系统正序阻抗和负序阻抗要随着系统运行方式而变化，将间接影响零序分量的大小。（4）对发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。3.4中性点直接接地系统的接地保护（5）系统发生接地短路时，都将出现零序电流和零序电压，在非全相运行或断路器三相触头不同时合闸时，系统中也会出现零序分量。系统正常运行、振荡、相间短路不会出现零序分量。（6）保护安装处的零序电压和零序电流之间的关系，取决于保护背后的零序阻抗，与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。3.4中性点直接接地系统的接地保护2、零序电流保护零序电流保护通常也采用阶段式保护。从保护构成看，三段式零序电流保护与三段式相间短路保护相类似。（1）无时限零序电流速断保护特点：为了保证保护动作的快速性和选择性要求，保护只能保护线路的一部分。3.4中性点直接接地系统的接地保护动作条件：1）按躲过被保护线路末端接地短路时，保护安装处测量到的最大零序电流整定。接地故障零序电流为3.4中性点直接接地系统的接地保护2）按躲过断路器三相触头不同时合闸时，最大零序电流整定若保护动作时间大于断路器三相合闸不同期时间，本条件可不考虑。灵敏度不满足要求措施：保护可经小延时，使保护装置的动作时间大于断路器触头不同时合闸的时间。3.4中性点直接接地系统的接地保护3）按非全相运行且振荡条件整定按此条件整定，通常整定值较高，按1）和2）整定可能误动，可采用设置两个速断保护。即灵敏I段，不灵敏I段保护。（2）限时零序电流速断保护要求应保护线路全长。工作原理与相间短路保护相似。3.4中性点直接接地系统的接地保护动作电流有分支情况下：动作时间：灵敏度：3.4中性点直接接地系统的接地保护当下级线路比较短或运行方式变化比较大，灵敏系数不满足要求时，可采用下列措施加以解决:①使本线路的零序Ⅱ段与下一线路的零序Ⅱ段相配合，其动作电流、动作时限都与下一线路的零序Ⅱ段配合；②保留原来0.5s时限的零序Ⅱ段，增设一个与下一线路零序Ⅱ段配合的、动作时限为1s左右的零序Ⅱ段，它们与瞬时零序电流速断及零序过电流保护一起，构成四段式零序电流保护。3.4中性点直接接地系统的接地保护③从电网接线的全局考虑，改用接地距离保护。（3）零序过电流保护作用：作为近后备保护和远后备保护。动作电流按最大不平衡电流整定。同时要求各保护间进行配合。3.4中性点直接接地系统的接地保护

按保护范围末端接地短路时流过本保护的最小零序电流来校验。近后备要求灵敏度≥1.3-1.5，远后备要求灵敏度≥1.25。灵敏度动作时间：3.4中性点直接接地系统的接地保护3、原理接线3.4中性点直接接地系统的接地保护4、方向性零序电流保护如图点短路时，应该由保护1和保护2动作切除故障，但零序电流流过保护3时，若保护3无方向元件可能误动。2、零序功率方向继电器1、原理3.4中性点直接接地系统的接地保护

零序功率方向继电器接于零序电压和零序电流之上，动作与否决定于零序功率功率的方向。

在正向保护区内发生接地短路时，要求零序功率方向继电器应能正确动作，并工作在较灵敏的状态下。3.4中性点直接接地系统的接地保护保护2方向元件的零序、零序电流间的相位差取