電氣系統(tǒng)繼電保護第2章電網(wǎng)的電流電壓保護

1、第2章 電網(wǎng)的電流、電壓保護 和方向性電流、電壓保護,1、電磁型電流繼電器 電磁型電流繼電器的工作原理可用圖2-1 說明。在線圈1 中的電流I，產(chǎn)生磁通，它將通過由鐵心、空氣隙和可動舌片組成的磁路。舌片被磁化后，即與鐵心的磁極產(chǎn)生電磁吸力，企圖吸引舌片向左轉(zhuǎn)動，在它上面裝有繼電器的可動觸點5 ，當(dāng)電磁吸力足夠大時，即可吸動舌片并使觸點接通，稱為繼電器“動作”。 圖2-2 示出的電網(wǎng)中實際使用了半個世紀的電磁型電流繼電器的結(jié)構(gòu)。,第1節(jié) 單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路的電流、電壓保護,圖2 -1 電磁型電流繼電器的原理結(jié)構(gòu),電網(wǎng)發(fā)生相間短路時，一個明顯的特征就是故障相電流突然增大，因此，通過檢測電流的變化

2、可以判定故障的發(fā)生，這就是作為故障測量元件之一的電流繼電器的功能。電流繼電器是實現(xiàn)電流保護的基本元件，也是反映一個電氣量而動作的簡單繼電器的典型。無論何種類型的電流繼電器，它們總有一個動作電流( )和一個返回電流( )。 動作電流: 能使繼電器動作的最小電流值。當(dāng)繼電器的輸入電流 時，繼電器根本不動作;而當(dāng) 時，繼電器能夠突然迅速地動作。 返回電流: 能使繼電器返回原位的最大電流值。在繼電器動作以后，當(dāng)電流減小到 時，繼電器能立即突然地返回原位。無論啟動和返回，繼電器的動作都是明確干脆的，它不可能停留在某一個中間位置。這種特性稱之為“繼電特性”。,返回系數(shù):即繼電器的返回電流與動作電流的比值。

3、可表示為：,顯然，反映電氣量增長而動作的繼電器（如電流繼電器）的 小于1，而反映電氣量降低而動作的繼電器（如低電壓繼電器），其 必大于1。 在實際應(yīng)用中，常常要求電流繼電器有較高的返回系數(shù)，如0.8-0.9。,2、無時限電流速斷保護 無時限電流速斷保護又稱為 段電流保護或瞬時電流速斷保護。根據(jù)對繼電保護速動性的要求，保護裝置動作切除故障的時間，必須滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和保證重要用戶供電可靠性。在簡單、可靠和保證選擇性的前提下，原則上總是越快越好。因此，應(yīng)力求裝設(shè)快速動作的繼電保護，無時限電流速斷保護就是這樣的保護。它是反映電流增大而瞬時動作的電流保護，故又簡稱為電流速斷保護。 以圖2.3所示的單側(cè)電源

4、網(wǎng)絡(luò)接線為例，假定在每條線路上均裝有電流速斷保護，則當(dāng)線路AB上發(fā)生故障時，希望保護2能瞬時動作，而當(dāng)線路BC上故障時，希望保護1能瞬時動作，且它們的保護范圍最好能達到本線路全長的100。但這種希望能否實現(xiàn)，還需具體分析.,圖2.3電流速斷保護動作特性的分析,由圖2.3所示，以保護2為例。當(dāng)本線路末端K1點短路時，希望速斷保護2 能夠瞬時動作切除故障，而當(dāng)相鄰線路BC 出口處（即BC線路的始端）K2點短路時，按照選擇性的要求，速斷保護2就不應(yīng)該動作，因為該處的故障應(yīng)由速斷保護1動作切除。實際上，K1點和K2點短路時，從保護2安裝處所流過短路電流的數(shù)值幾乎是一樣的。因此，希望K1點短路時速斷保護

5、2能動作，而K2點短路時又不動作的要求不可能同時得到滿足。同理，保護1 也無法區(qū)別K3和K4點的短路，這就產(chǎn)生了矛盾。 為解決這個矛盾，可采取兩種辦法：第一，優(yōu)先保證動作的選擇性，即從保護裝置啟動參數(shù)的整定上保證下一條線路出口處短路時保護不啟動，在繼電保護技術(shù)中，這又稱為按躲開下一條線路出口處短路的條件整定；第二，當(dāng)快速切除故障為首要條件時，就采用無選擇性的電流速斷保護，而以自動重合閘來糾正這種無選擇性動作。此處重點介紹優(yōu)先保證選擇性的電流速斷保護。,根據(jù)電力系統(tǒng)短路的分析，當(dāng)電源電勢一定時，短路電流的大小決定于短路點和電源之間的總阻抗 ，三相短路電流可表示為：,式中：E系統(tǒng)等效電源的相電勢；

6、 Zk短路點至保護安裝處之間的阻抗； Zs保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗,由式（2. 2 ）可見，在一定的系統(tǒng)運行方式下， 和Zs是常數(shù)，流過保護的三相短路電流 i 將隨Zk的增大而減小，因此，可以經(jīng)計算后繪出Ikf(l）的變化曲線，如圖2.3所示。當(dāng)系統(tǒng)運行方式及故障類型改變時，Ik將隨之變化。對每一套保護裝置來講，通過該保護裝置的短路電流為最大的方式，稱為系統(tǒng)最大運行方式；而短路電流為最小的方式，則稱為系統(tǒng)最小運行方式。 對于不同安裝地點的保護裝置，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接線的實際情況，選取最大和最小運行方式。在系統(tǒng)最大運行方式下發(fā)生三相短路故障時，通過保護裝置的短路電流為最大；在系統(tǒng)最小運行方式

7、下發(fā)生兩相短路時，則短路電流為最小。這兩種情況下短路電流的變化如圖2.3中的曲線和所示。,為了保證電流速斷保護動作的選擇性，對于保護1 ，其啟動電流必須整定得大于K4 點短路時可能出現(xiàn)的最大短路電流，即在最大運行方式下變電所C 母線上三相短路時的電流,式中： 考慮短路電流計算誤差、繼電器動作電流誤差、短路電流中非周期分量的影響和必要的裕度而引入的大于1 的系數(shù)。,對于保護2，按照同樣的原則，其啟動電流應(yīng)整定得大于K2點短路時的最大短路電流，即,啟動電流與Zk無關(guān)，即與L無關(guān)，所以在圖2.3上是直線，它與曲線和各有一個交點。在交點以前短路時，由于短路電流大于啟動電流，保護裝置都能動作；而在交點以

8、后短路時，由于短路電流小于啟動電流，保護將不能啟動。對應(yīng)這兩點，保護有最大和最小保護范圍。由此可見，有選擇性的電流速斷保護不可能保護線路的全長。,因此，速斷保護對被保護線路內(nèi)部故障的反映能力（即靈敏性），只能用保護范圍的大小來衡量，此保護范圍通常用線路全長的百分數(shù)來表示。 由圖2.3可見，當(dāng)系統(tǒng)為最大運行方式且發(fā)生三相短路故障時，電流速斷的保護范圍為最大，當(dāng)出現(xiàn)其他運行方式或兩相短路時，速斷的保護范圍都要減小，而當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)最小運行方式下的兩相短路時，電流速斷的保護范圍為最小。 一般情況下，應(yīng)按這種運行方式和故障類型來校驗其保護范圍。規(guī)程規(guī)定，最小保護范圍不應(yīng)小于線路全長的1520 。無時限電流

9、速斷保護的單相原理接線如圖2.4所示。它是由電流繼電器（測量元件）1 、中間繼電器2和信號繼電器3 組成。,圖2 . 4 無時限電流速斷保護的單相原理接線圖,正常運行時，負荷電流流過線路，反映電流繼電器中的電流小于1的啟動電流，1不動作，其常開觸點是斷開的，2常開觸點也是斷開的，信號繼電器3 線圈和斷路器QF跳閘線圈中無電流，斷路器主觸頭閉合處于送電狀態(tài)。當(dāng)線路短路時，短路電流超過保護裝置的啟動電流，電流繼電器1常開觸點閉合啟動中間繼電器2 , 2常開觸點閉合將正電源接人3的線圈，并通過斷路器的常開輔助觸點QFI ，接到跳閘線圈YR構(gòu)成通路，斷路器QF執(zhí)行跳閘動作，QF跳閘后切除故障線路。 中

10、間繼電器2 的作用，一方面是利用2 的常開觸點（大容量）代替電流繼電器1的小容量觸點，接通YR線圈；另一方面是利用帶有0 . 06 一0 . 08s延時的中間繼電器，以增大保護的固有動作時間，躲過管型避雷器放電時間（一般放電時間可達0.040.06s ) ，以防止避雷器放電引起保護誤動作。 信號繼電器3 的作用是用于指示該保護動作，以便運行人員處理和分析故障。,無時限電流速斷保護的主要優(yōu)點是簡單可靠，動作迅速，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。它的缺點是不可能保護線路的全長，并且保護范圍直接受系統(tǒng)運行方式變化的影響。當(dāng)系統(tǒng)運行方式變化很大，或者被保護線路的長度很短時，無時限電流速斷保護就可能沒有保護范圍，

11、因而不能采用。 如圖2.5 所示，當(dāng)系統(tǒng)運行方式變化很大時，保護2 電流速斷按最大運行方式下保護選擇性的條件整定以后，在最小運行方式下就沒有保護范圍。 圖2.6 所示為被保護線路長短不同的情況。當(dāng)線路較長時，其始端和末端短路電流的差別較大，因而短路電流變化曲線比較陡，保護范圍比較大，如圖（a ）所示；而當(dāng)線路較短時，由于短路電流曲線變化平緩，速斷保護的整定值在考慮了可靠系數(shù)以后，其保護范圍將很小，甚至等于零，如圖（b ）所示。 重載線路,圖2.5系統(tǒng)運行方式的變化對電流速斷保護的影響,圖2.6被保護線路長短不同對電流速斷保護的影響,在個別情況下，有選擇地電流速斷也可以保護線路的全長，例如，當(dāng)電

12、網(wǎng)的終端線路上采用線路一變壓器組的接線方式時（如圖2.7所示），由于線路和變壓器可以看成一個元件，而速斷保護就可以按照躲開變壓器低壓側(cè)出口處K1點的短路來整定，由于變壓器的阻抗一般較大，因此，K1點的短路電流就大為減小，這樣整定之后，電流速斷就可以保護線路AB的全長，并能保護變壓器的一部分。 當(dāng)系統(tǒng)運行方式變化很大時，無時限電流速斷保護的保護范圍可能很小，甚至沒有保護區(qū)。為了在不延長保護動作時間的條件下，增加保護范圍，提高靈敏度，可采用電流電壓聯(lián)鎖速斷保護。它是兼用短路故障時電流增大和電壓下降兩種特征，以取得本線路故障的較高靈敏度和防止下一級線路故障時的誤動作。 電流電壓聯(lián)鎖速斷保護的單相原理

13、接線如圖2.8所示。由電壓互感器TV供給低電壓繼電器以母線殘壓，由電流互感器TA供給電流繼電器1 以相電流，只有當(dāng)?shù)碗妷豪^電器和電流繼電器同時動作時，才能啟動中間繼電器2 ，從而啟動信號繼電器3 ，至斷路器的跳閘線圈YR ，執(zhí)行跳閘動作。,圖2.7 線路一變壓器組的電流速斷保護,圖2.8電流電壓聯(lián)鎖速斷保護的單相原理接線圖,圖2. 中表示了沿線路AB 各點發(fā)生相間短路時的短路電流Ik和母線殘壓Uk，其中，曲線1 、4 是最大運行方式，2、5 是經(jīng)常運行方式，3 、6 是最小運行方式。電流電壓聯(lián)鎖速斷保護的一種整定原則是確保在經(jīng)常運行方式下有較大的保護范圍。例如，被保護線路全長為L ，經(jīng)常運行方

14、式的保護區(qū)L = 75 % L ，取電流繼電器的動作電流為:,繼電器的動作電壓應(yīng)取為： 式（2.6 ）即經(jīng)常運行方式下線路K 點三相短路時的殘余線電壓。,圖2.9 電流電壓聯(lián)鎖速斷保護的動作特性分析,由于要求限時電流速斷保護必須保護本線路的全長，因此它的保護范圍必然要延伸到下一條線路中去，這樣當(dāng)下一條線路出口處發(fā)生短路時，它就要誤動。為了保證動作的選擇性，就必須使保護的動作帶有一定的時限，此時限的大小與其延伸的范圍有關(guān)。為盡量縮短此時限，首先規(guī)定其整定計算原則為限時電流速斷的保護范圍不超出下一條線路電流速斷的保護范圍；同時，動作時限比下一條線路的電流速斷保護高出一個 的時間階段，如圖2.10

15、所示.,3 限時電流速斷保護,由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長，因此，可考慮增加一段新的保護，用來切除本線路上速斷范圍以外的故障，同時也能作為速斷的后備，這就是限時電流速斷保護，又稱為段電流保護。對這個新設(shè)保護的要求，首先是在任何情況下都能保護本線路的全長，并具有足夠的靈敏性，其次是在滿足上述要求的前提下，力求具有最小的動作時限。 正是由于它能以較小的時限快速切除全線路范圍以內(nèi)的故障，因此，稱之為限時電流速斷保護。,（l）工作原理和整定計算的基本原則,圖2.10 單側(cè)電源線路限時電流速斷保護的配合整定圖,啟動電流整定為：,從盡快切除故障的觀點看， 應(yīng)越小越好，但是，為了保證兩個保

16、護之間動作的選擇性，其值又不能選擇得太小，,（2）動作時限的計算,按上式計算， 的數(shù)值一般為0.350.6s ，通常取0.5s 。按此原則整定的時限特性如圖2.10。 在線路上裝設(shè)了電流速斷和限時電流速斷保護以后，它們的聯(lián)合工作就可以保證全線路范圍內(nèi)的故障都能在0.5s 的時間內(nèi)予以切除，在一般情況下都能滿足速動性的要求。具有這種性能的保護稱為該線路的主保護。,式中： 故障線路斷路器QF 的跳閘時間，即從操作電流送入 跳閘線圈TQ 的瞬間算起，直到電弧熄滅的瞬間為止； 考慮故障線路保護1 中的時間繼電器實際動作時間比整定值要大； 考慮保護2 中的時間繼電器可能比預(yù)定的時間提早； 保護2 中的測

17、量元件（電流繼電器）在外部故障切除后由于慣性的影響而延遲返回的慣性時間； 裕度時間。,為了能夠保護本線路的全長，限時電流速斷保護必須在系統(tǒng)最小運行方式下，線路末端發(fā)生兩相短路時，具有足夠的反應(yīng)能力，這個能力通常用靈敏系數(shù) 來衡量。對保護2 限時電流速斷而言， 的計算公式為：,（3）保護裝置靈敏性的校驗,圖2.11 限時電流速斷保護的單相原理接線圖,4 定時限過電流保護,無時限電流速斷保護可無時限地切除故障線路，但它不能保護線路的全長。限時電流速斷保護雖然可以較小的時限切除線路全長上任一點的故障，但它不能作相鄰線路故障的后備。 因此，引入定時限過電流保護，又稱為段電流保護，它是指啟動電流按照躲開

18、最大負荷電流來整定的一種保護裝置。它在正常運行時不應(yīng)該啟動，而在電網(wǎng)發(fā)生故障時，則能反應(yīng)于電流的增大而動作。在一般情況下，它不僅能保護本線路的全長，而且也能保護相鄰線路的全長，以起到后備保護的作用。,為保證在正常運行情況下過電流保護不動作，保護裝置的啟動電流必須整定得大于該線路上可能出現(xiàn)的最大負荷電流 。然而，在實際確定保護裝置的啟動電流時，還必須考慮在外部故障切除后，保護裝置應(yīng)能立即返回。在如圖2.12 所示的單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)接線中，當(dāng)K1點短路時，短路電流將通過保護5 、4 、3 ，這些保護都要啟動，但是，按照選擇性的要求應(yīng)由保護3動作切除故障，然后保護4和5由于電流已經(jīng)減小而立即返回原位。,

19、(1) 工作原理和整定計算的基本原則,圖2.12 定時限過電流保護啟動電流和動作時限的配合,當(dāng)外部故障切除后，流經(jīng)保護4 的電流是仍然在繼續(xù)運行中的負荷電流。另外，由于短路時電壓降低，變電所B 母線上所接負荷的電動機被制動，因此，在故障切除后電壓恢復(fù)時，電動機有一個自啟動的過程。電動機的自啟動電流要大于它正常工作的電流，因此，引入一個自啟動系數(shù)來表示自啟動時最大電流 與正常運行時最大負荷電流 之比，即,式中： 一般取為1.5-3。,為保證過電流保護在正常運行時不動作，其啟動電流 應(yīng)大于最大負荷電流 。為保證在相鄰線路故障切除后保護能可靠返回，其返回電流應(yīng)大于外部短路故障切除后流過保護的最大自啟

20、動電流，即,由式（. 1 ) ，引入返回系數(shù)，得,即得：,式中： 可靠系數(shù)，考慮繼電器啟動電流誤差和負荷電流計算不準確等因素而引入的大于1 的系數(shù)，一般取1.151.25 ; 返回系數(shù)，一般取0.85。 由上式可見，當(dāng) 減小時，保護裝置的啟動電流越大，因而其靈敏性越差，這就是為什么要求過電流繼電器應(yīng)有較高的返回系數(shù)的原因。,最大負荷電流必須按實際可能的嚴重情況確定。例如，圖2.12(a)所示的平行線路，應(yīng)考慮某一條線路斷開時另一條線負荷電流增大一倍；圖2.12(b)所示的裝有備用電源自動投入裝置（BZT）的情況，當(dāng)一條線路因故障斷開后，BZT動作將QF投入時，應(yīng)考慮另一條線路出現(xiàn)的最大負荷電流

21、。,圖2.12 最大負荷說明圖,(2)按選擇性的要求整定定時限過電流保護的動作時限,如圖2.13 所示，假定在每條線路上均裝有定時限過電流保護，各保護裝置的啟動電流均按照躲開被保護線路上的最大負荷電流來整定。當(dāng)K1點短路時，保護15在短路電流的作用下都可能啟動，但按照選擇性的要求，應(yīng)該只有保護1 動作，切除故障，而保護25在故障切除后應(yīng)立即返回。這個要求只有依靠使各保護裝置帶有不同的時限來滿足。 保護1位于線路的最末端，只要電動機內(nèi)部發(fā)生故障，它就可以瞬時動作給予切除，t1即為保護裝置本身的固有動作時間。對保護2來講，為了保證K1點短路時動作的選擇性，則應(yīng)整定其動作時限t2 t1 ，引入t ，

22、則保護2 的動作時限為：,依此類推，保護4 、5 的動作時限分別為：,保護2的動作時限確定以后，當(dāng)k2點短路時，它將以t2的時限切除故障，此時，為了保證保護3動作的選擇性，又必須整定t3t2，引入t后，得：,圖2.13 單側(cè)電源串聯(lián)線路中各過電流保護動作時限的確定,一般說來，任一過電流保護的動作時限，應(yīng)選擇比下一級線路過電流保護的動作時限至少高出一個t ，只有這樣才能充分保證動作的選擇性。如在圖2.12，對保護4而言應(yīng)同時滿足以下要求： t4 = t1t t4 = t3t t4 = t2t 式中：t1保護l的動作時限； t2保護2的動作時限； t3保護3的動作時限;,當(dāng)故障越靠近電源端時，短路

23、電流越大，而由以上分析可見，此時過電流保護動作切除故障的時限反而越長，這是一個很大的缺點，因此，在電網(wǎng)中廣泛采用電流速斷和限時電流速斷來作為線路的主保護，以快速切除故障，利用過電流保護來作為本線路和相鄰元件的后備保護,由于它作為相鄰元件的后備保護的作用是在遠處實現(xiàn)的，因此它屬于遠后備保護。由以上分析也可以看出，處于電網(wǎng)終端附近的保護裝置（如圖2. 13 中的保護1或2 ) ，其過電流保護的動作時限并不長，在這種情況下，它就可以作為主保護兼后備保護，而無須再裝設(shè)電流速斷或限時電流速斷保護。,過電流保護靈敏系數(shù)的校驗類似式（2.10) ，當(dāng)過電流保護作為本線路的主保護時，應(yīng)采用最小運行方式下本線路

24、末端兩相短路時的電流進行校驗，要求 ；作為相鄰線路的后備保護時，應(yīng)采用最運行方式下相鄰線路末端兩相短路時的電流進行校驗，此時要求 。,( 3 ）過電流保護靈敏系數(shù)的校驗,此外，在各個過電流保護之間，還必須要求靈敏系數(shù)相互配合，即對同故障點而言，要求越靠近故障點的保護應(yīng)具有越高的靈敏系數(shù)。如圖2.14所示，當(dāng)k1點短路時，應(yīng)要求各保護的靈敏系數(shù)之間有下列關(guān)系：,5 三段式電流保護的應(yīng)用,電流速斷、限時電流速斷和過電流保護都是反映電流升高而動作的保護裝置。 它們之間的區(qū)別主要在于按照不同的原則來選擇啟動電流。速斷是按照躲開某一點的最大短路電流來整定，限時電流速斷是按照躲開下一級相鄰元件電流速斷保護

25、的動作電流整定，而過電流保護則是按照躲開最大負荷電流來整定。由于電流速斷不能保護線路全長，限時電流速斷又不能作為相鄰兀件的后備保護，因此，為保證迅速而有選擇地切除故障，常將電流速斷、限時電流速斷和過電流保護組合在一起，構(gòu)成三段式電流保護。,圖2.14 分段式電流保護的配合和實際動作時間的示意圖,圖2 . 15 具有電流速斷、限時電流速斷和過電流保護的單相原理接線圖,具有上述配合關(guān)系的保護裝置配置情況，以及各點短路時實際切除故障的時間也相應(yīng)地表示在圖上。由圖2.14可見，當(dāng)全網(wǎng)任何地點發(fā)生短路時，則故障都可以在0.5s以內(nèi)的時間予以切除。 具有電流速斷、限時電流速斷和過電流保護的單相原理接線如圖

26、2.15所示，電流速斷部分由繼電器13組成，限時電流速斷部分由繼電器4 一6 組成，過電流保護部分則由繼電器79組成。由于三段的啟動電流和動作時間整定得均不相同，因此，必須分別使用三個電流繼電器和兩個時間繼電器，而信號繼電器3 、6和9則分別用以發(fā)出、 、段動作的信號。使用段、段或段組成的階段式電流保護，其最主要的優(yōu)點就是簡單、可靠，并且在一般情況下也能夠滿足快速切除故障的要求。因此，在電網(wǎng)中特別是在35kV及以下的較低電壓的網(wǎng)絡(luò)中獲得了廣泛的應(yīng)用。,6 電流保護的接線方式,電流保護的接線方式是指保護中電流繼電器與電流互感器二次線圈之間的連接方式。對于相間短路的電流保護，基本接線方式有3種：三

27、相三繼電器的完全星形接線方式、兩相兩繼電器的不完全星形接線方式、兩相一繼電器的兩相電流差接線方式。,圖2.16 三相完全星形接線方式的原理接線圖,1、完全星形接線（如圖2.16所示），是將三個電流互感器與三個電流繼電器分別按相連接。 2、不完全星形接線（如圖2.17所示），用裝設(shè)在A 、C 相上的兩個電流互感器與兩個電流繼電器分別按相連接在一起，它和完全星形接線的主要區(qū)別在于B 相上不裝設(shè)電流互感器和相應(yīng)的繼電器，因此，它不能反映B 相中所流過的電流。多用于中性點非直接接地系統(tǒng)，構(gòu)成相間短路保護。,圖2.17 兩相不完全星形接線方式的原理接線圖,兩相不完全星形接線動作情況,（1） 對中性點直接

28、接地電網(wǎng)中的單相接地短路,在中性點直接接地的電網(wǎng)中發(fā)生單相接地短路故障時，要求保護切除故障線路。在此情況下，如果采用三相完全星形接線，則可以反映任一相的接地短路而動作于跳閘。對于后兩種方式，由于在B 相上沒有裝設(shè)電流互感器和繼電器，因此就不能反映B 相的接地。實際上，對于接地故障采用專用接地保護。,（2）對中性點非直接接地電網(wǎng)中的兩點接地短路,在中性點非直接接地電網(wǎng)中某相上一點接地以后，由于電網(wǎng)上可能出現(xiàn)弧光接地過電壓，因此，在絕緣薄弱的地方就可能發(fā)生一相上的第二點接地，這樣就出現(xiàn)了兩相經(jīng)過大地形成回路的兩點接地短路。而由于在中性點非直接接地電網(wǎng)中，允許單相接地時繼續(xù)短時運行，因此，希望只切除

29、一個故障點。例如，在圖2.18所示的串聯(lián)線路上發(fā)生兩點接地短路時，希望只切除距電源較遠的那條線路BC，而不要切除線路AB，這樣可以繼續(xù)保證對變電所B的供電。,圖2.18 串聯(lián)線路上兩點接地的示意圖,圖2.19 兩點異地接地示意圖,(3)對Y 、 接線變壓器后面的兩相短路,在實際的電力系統(tǒng)中，大量采用Y 11接線的變壓器，并在變壓器的電源側(cè)裝設(shè)一套電流保護，以作為變壓器的后備保護。,圖2.20 Y 一11 接線降壓變壓器短路時電流分布及過電流保護的接線 (a)接線圖；(b)電流分布圖；(c)三角形側(cè)電流相量圖；(d)星形側(cè)電流相量圖,現(xiàn)以圖2.20(a)所示的Y 11接線的降壓變壓器為例，分析側(cè)

30、發(fā)生A 、B 兩相短路時的電流關(guān)系。在故障點， , 設(shè) 側(cè)各相繞組中的電流分別為 并設(shè)變壓器變比nT=1 ，則：,根據(jù)變壓器的工作原理，即可求得Y 側(cè)電流的關(guān)系為,如果保護是采用三相完全星形接線，則接于B相上的繼電器由于流有較其他兩相大一倍的電流，因此，靈敏系數(shù)增大一倍，這是十分有利的。如果保護采用的是兩相不完全星形接線，則由于B相上沒有裝設(shè)繼電器，因此，靈敏系數(shù)只能由A相和C相的電流決定，在同樣的情況下，其數(shù)值要比采用三相完全星形接線時降低一半。為了克服這個缺點，可以在兩相不完全星形接線的中線上再接入一個繼電器（如圖2.20(a)所示）。利用這個繼電器就能提高靈敏系數(shù)。,第2節(jié) 電網(wǎng)相間短路

31、的方向性電流保護,2.1 方向性電流保護的基本原理,問題的提出：前節(jié)所介紹的三段式電流保護是以單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)分析的，各保護都安裝在被保護線路靠近電源的一側(cè)，發(fā)生故障時短路功率（一般指短路時某點電壓與電流相乘所得的感性功率，在無串聯(lián)電容、也不考慮分布電容的線路上短路時，認為短路功率從電源流向短路點）從母線流向被保護線路的情況下，按照選擇性的條件來協(xié)調(diào)配合工作。隨著電力工業(yè)的發(fā)展和用戶對連續(xù)供電的要求，由原來的單側(cè)電源供電的輻射型電網(wǎng)發(fā)展為多電源組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)或單電源環(huán)網(wǎng)。因此，上述簡單的保護方式不能滿足系統(tǒng)運行的要求。,圖2 . 21 雙側(cè)電源供電網(wǎng)絡(luò)(a) k1點短路時的電流分布；(b)k

32、2 點短路時的電流分布； (c) 各保護功率方向的規(guī)定；(d) 方向過電流保護的階梯形時限特性,分析雙側(cè)電源供電情況下所出現(xiàn)的這一新矛盾可以發(fā)現(xiàn)，凡發(fā)生誤動作的保護都是在自己所保護的線路反方向發(fā)生故障時，由對側(cè)電源供給的短路電流所引起的。對誤動作的保護而言，實際短路功率的方向都是由線路流向母線，這與其所保護的線路故障時的短路功率方向相反。 因此，為了消除這種無選擇的動作，就需要在可能誤動作的保護上增設(shè)一個功率方向閉鎖元件，該元件只當(dāng)短路功率方向由母線流向線路時動作，而當(dāng)短路功率方向由線路流向母線時不動作，從而使繼電保護的動作具有一定的方向性。由此可見，方向性繼電保護的主要特點就是在原有保護的基

33、礎(chǔ)上增加一個功率方向判別元件，以保證在反方向故障時把保護閉鎖使其不致誤動作。,圖2.22方向過電流保護的單相原理接線圖,2.2 功率方向繼電器的工作原理,圖2 . 23 方向繼電器工作原理的分析 ( a ）系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)接線圖；( b ) K1 點短路；( c ) K 2點短路, k1點短路： k2點短路：,對繼電保護中方向繼電器的基本要求是： 應(yīng)具有明確的方向性，即在正方向發(fā)生各種故障時， 能可靠動作；而在反方向故障時，可靠不動作； 故障時繼電器的動作有足夠的靈敏度。,方向性電流保護要解決的核心問題就是要判別短路電流或短路功率的方向，只有當(dāng)它們的方向由母線指向線路時（電力系統(tǒng)規(guī)定此方向為“正方向”

34、) ，才允許保護動作。眾所周知，交流電流的方向是呈周期性變換的，沒有固定的方向。但是，交流電流與電壓的相位關(guān)系隨著短路電流方向的不同而有不同的固定關(guān)系。,反方向短路時，如圖2.24(c)所示，繼電器中電壓、電流之間的相角為：,對于A 相的功率方向繼電器，加入電壓和電流時，則當(dāng)正方向短路時，如圖2.23(b)所示，繼電器中電壓、電流之間的相角為：,一般地，當(dāng)功率方向繼電器的輸入電壓和電流的幅值不變時，其輸出值隨兩者間相位差的大小而改變，輸出為最大時的相位差稱為繼電器的最大靈敏角 。為了保證正方向故障時（即 范圍內(nèi)變化），繼電器都能可靠動作，繼電器動作的角度范圍通常取為 其動作方程可以寫為：,圖2

35、 . 24 功率方向繼電器的工作原理,為了減小和消除死區(qū)，在實際應(yīng)用中廣泛地采用非故障相的相間電壓作為參考量去判別電流的相位。例如，對A 相的功率方向繼電器加入 電流 和電壓 ，此時， ，當(dāng)正方向短路 時， ，反方向短路時， ，圖2.24為 的情況，在這種情況下，繼電器的最大靈敏角應(yīng)設(shè)計為,采用這種特性和接線的繼電器時，在其正方向出口附近發(fā)生三相短路、A 、B 或C 、A 兩相接地短路，以及A 相接地短路時，由于 或數(shù)值很小，使繼電器不能動作，稱為繼電器的“電壓死區(qū)”。當(dāng)上述故障發(fā)生在死區(qū)范圍以內(nèi)時，整套保護將要拒動，這是一個很大的缺點。,如果用 表示 超前于 的角度，并用功率的形式表示，則,

36、動作特性如圖2.24(b)所示，其動作方程為： 引入,習(xí)慣上采用 稱為功率方向繼電器的內(nèi)角，則上式變?yōu)椋?如用功率的形式表示,對A 相的功率方向繼電器而言，可具體表示為：,2.3 相間短路功率方向繼電器的接線方式,功率方向繼電器的接線方式，是指它與電流互感器和電壓互感器的連接方式，即加入繼電器的電壓和電流的一定組合方式。對于相間短路保護用的功率方向繼電器，為滿足上述要求，廣泛采用90 度接線方式。這種接線方式的功率方向繼電器，所加電流和電壓列于表1.3 中。所謂“90度 接線”，是指三相對稱且功率因數(shù)為1的情況下，各相功率方向繼電器所加電流和電壓間的相位差為90 度。,圖2.25 功率方向繼電

37、器的90度接線,圖2.26 三相短路的90度接線分析圖,（1）三相短路 A 相功率方向繼電器的動作條件為：,為了使繼電器工作在最靈敏的條件下，應(yīng)使 ，即要求 。 因此，如果線路的阻抗角 ，則應(yīng)取內(nèi)角 ；如果 ，則應(yīng)取內(nèi)角 等。 故功率方向繼電器應(yīng)有可以調(diào)整的內(nèi)角 ，其大小決定 于功率方向繼電器的內(nèi)部參數(shù)。,( 2 ）兩相短路,圖2.27 B 、C 兩相短路的系統(tǒng)接線圖,圖2. 28 保護安裝地點出口 處B 、C 兩相短路時的相量圖,保護安裝地點的電壓 此時，對于A相功率方向繼電器，Ia0,因此，保護不動作 此時，對于B相繼電器，動作條件應(yīng)為,對于C相繼電器，動作條件應(yīng)為,對于兩相短路時的分析，

38、為了保證在 的范圍內(nèi)，繼電器均能動作，就要選擇內(nèi)角,短路點遠離保護安裝地點，且系統(tǒng)容量很大，此時，則相量圖如圖2.29 所示，保護安裝地點的電壓,圖2.29 遠離保護安裝地點B 、C 兩相短路時的相量圖,對于B 相繼電器，由于電壓 ，較出口處短路時相位滯后30度 ，因此， ，則動作條件應(yīng)為：,因此、當(dāng),時，繼電器能夠動作的條件為：,。,對于C相繼電器，由于電壓 ，較出口處短路時 相位超前30度 ，因此， ，則動 作條件應(yīng)為：,綜上所述，采用900接線方式，除在保護安裝出口處發(fā)生三相短路時出現(xiàn)死區(qū)外，對于線路上發(fā)生的各種相間短路均能正確地動作。當(dāng),因此、當(dāng) 時，繼電器能夠動作的條件為：,綜合以上

39、兩種情況可得出，在正方向任何地點兩相短路時， B 相繼電器能夠動作的條件是 , C 相繼電器 為 ；反方向短路時，電流向量位于非動作區(qū)， 功率方向繼電器不會動作。,時，繼電器能夠動作的條件是,通常廠家生產(chǎn)的繼電器直接提供了 兩種內(nèi)角，這就滿足了上述要求。,( 3 ）按相啟動 當(dāng)電網(wǎng)中發(fā)生不對稱故障時，在非故障相中仍然有電流流過，這個電流就稱為非故障相電流，它可能使非故障相的方向元件誤動作?，F(xiàn)以發(fā)生兩相短路為例，分析非故障相電流對保護的影響. 在圖2.30中線路BC上K點發(fā)生兩相短路時，B、C兩相中有短路電流流向故障點，而非故障相（A相）有負荷電流流過保護1，則保護l中A相功率方向繼電器P將發(fā)生

40、誤動作。需要利用整定值躲過。,圖 2. 30兩相短路電流對非故障相電流的影響,(4) 90度接線方式的評價,優(yōu)點： 適當(dāng)選擇繼電器的內(nèi)角a ，對線路上發(fā)生的各種相間短路都能保證正確地判斷短路功率的方向，而不致誤動作； 各種兩相短路均無電壓死區(qū)，因為繼電器接入非故障相間電壓，其值很高； 由于接入繼電器的相間電壓，故對三相短路的電壓死區(qū)有一定的改善；如果再采用電壓記憶回路。一般可以消除三相短路電壓死區(qū)。 缺點：連接在非故障相電流上的功率方向繼電器，可能在兩相短路或單相接地短路時誤動作。,2.4 對方向性電流保護的評價,圖2.31 雙側(cè)電源線路上電流速斷保護的整定,1）助增電流的影響,分支線路中有電

41、源，此時，故障線路中的短路電流 將大于 ,其值為 。這種使故障線路電流增大的現(xiàn)象稱為助增。有助增以后的短路電流分布曲線如圖2.31 所示。 保護2 限時電流速斷的整定值應(yīng)為：,圖2.31 有助增電流時限時電流速斷保護的整定,2）外汲電流的影響,分支線路為一并聯(lián)線路，此時故障線路中的電流 將小于 ，其關(guān)系為 ，這種使故障線路中電流減小的現(xiàn)象稱為外汲。此時，分支系數(shù) Kbl ，短路電流的分布曲線如圖2. 32 所示。,以上分析可見，在繼電保護中應(yīng)力求不用方向元件。實際上，是否能夠取消方向元件而同時又不失掉動作的選擇性，將根據(jù)電流保護的工作情況和具體的整定計算來確定。,圖2.32 有外汲電流時限時電

42、流速斷保護的整定,第3節(jié) 大接地電流系統(tǒng)的零序保護,電力系統(tǒng)中性點的工作方式有：中性點直接接地、中性點不接地和中性點經(jīng)消弧線圈接地。中性點的接地方式是綜合考慮供電的可靠性、系統(tǒng)絕緣水平、系統(tǒng)過電壓、繼電保護的要求、對通信線路的干擾以及系統(tǒng)穩(wěn)定運行的要求等因素確定的。一般110kV 及以上電壓等級電網(wǎng)都采用中性點直接接地方式，3-35kV 的電網(wǎng)采用中性點不接地或經(jīng)消弧線圈接地方式。當(dāng)中性點直接接地的電網(wǎng)（又稱大接地電流系統(tǒng)）中發(fā)生短路時，將出現(xiàn)很大的零序電流，而在正常運行情況下它們是不存在的。因此，利用零序電流來構(gòu)成接地短路的保護，就有顯著的優(yōu)點。,圖2. 33 接地短路時的零序等效網(wǎng)絡(luò)( a

43、 ）系統(tǒng)接線；( b ）零序網(wǎng)絡(luò)；( C ）零序電壓的分布；( d ）忽略電阻時的相量圖；( e ）考慮電阻時相量圖（設(shè) ）, 故障點的零序電壓最高，系統(tǒng)中距離故障點越遠處的零序電壓越低，零序電壓的分布如圖2.33(c)所示，在變電所A母線上零序電壓為 ，變電所B母線上零序電壓為 。 由于零序電流是 產(chǎn)生的，當(dāng)忽略回路的電阻時，按照規(guī)定的正方向畫出零序電流和電壓的相量圖，如圖2.33(d）所示， ;而考慮回路電阻時，例如，取零序阻抗角 ，如圖2.33(e）所示， 。 對于發(fā)生故障的線路，兩端零序功率的方向與正序功率的方向相反，零序功率方向?qū)嶋H上都是由線路流向母線的。 從任一保護（例如保護1）安

44、裝處的零序電壓與電流之間的關(guān)系看，由于A母線上的零序電壓實際上是從該點到零序網(wǎng)絡(luò)中性點之間零序阻抗上的電壓降，因此，可表示為： 在電力系統(tǒng)運行方式變化時，如果送電線路和中性點接地的變壓器數(shù)目不變，則零序阻抗和零序等效網(wǎng)絡(luò)就是不變的。,零序分量的參數(shù)具有如下特點,2.3.1 零序電壓過濾器,圖2 . 34 取得零序電壓的接線圖( a ）用三個單相式電壓互感器；( b ）用三相五柱式電壓互感器；( c ）用接于發(fā)電機中性點的電壓互感器；( d ）在集成電路保護裝置內(nèi)部合成零序,2.3.2 零序電流過濾器,圖2.35 零序電流過濾器 ( a ）原理接線；( b ）等效電路,圖2.36 電流互感器的等

45、效電路,因此，零序電流過濾器的等效回路可用圖2.35( b ）來表示，此時流入繼電器的電流為,在正常運行和不接地的相間短路時，三個電流互感器一次側(cè)電流的相量和必然為零，因此，流入繼電器中的電流為,圖2.37 零序電流互感器接線示意圖,2.3.3 零序電流速斷（零序I 段）保護,零序電流速斷保護的整定原則如下： 躲開下一條線路出口處單相或兩相接地短路時可能出現(xiàn)的最大零序電流，引入可靠系數(shù) （一般取為1.21.3) ，即為： 躲開斷路器三相觸頭不同期合閘時所出現(xiàn)的最大零序電流，引入可靠系數(shù) 即為： 如果保護裝置的動作時間大于斷路器三相不同期合閘的時間，則可以不考慮這一條件整定值，應(yīng)選取其中較大者。

46、,當(dāng)線路上采用單相自動重合閘時，按上述條件 、 整定的零序I 段，往往不能躲開在非全相運行狀態(tài)下又發(fā)生系統(tǒng)振蕩時所出現(xiàn)的最大零序電流，如果按這一條件整定，則正常情況下發(fā)生接地故障時，其保護范圍又要縮小，不能充分發(fā)揮零序段的作用。 因此，為了解決這個矛盾，通常可設(shè)置兩個零序I 段保護，一個是按條件 或 整定（由于其定值較小，保護范圍較大，因此稱為靈敏段），其主要任務(wù)是對全相運行狀態(tài)下的接地故障起保護作用，具有較大的保護范圍，而當(dāng)單相重合閘啟動時，則將其自動閉鎖，需待恢復(fù)全相運行時才能重新投入。另一個是按條件 整定，即按躲過非全相運行狀態(tài)下又發(fā)生系統(tǒng)振蕩時所出現(xiàn)的最大零序電流（由于它的定值較大，因

47、此稱為不靈敏段），裝設(shè)它的主要目的是為了在單相重合閘過程中，其他兩相又發(fā)生接地故障時，用于彌補失去靈敏段的缺陷，盡快地將故障切除。 靈敏系數(shù)的校驗，按照電流保護的方式。,2.3.4 零序電流限時速斷（零序段）保護,零序段的啟動電流應(yīng)整定為：,零序段的靈敏系數(shù)應(yīng)按照本線路末端接地短路時的最小零序電流來效驗，并應(yīng)滿足 的要求。當(dāng)下一條線路比較短或運行方式變化比較大，不能滿足對靈敏系數(shù)的要求時，可以考慮用其他方式解決。, 使零序段保護與下一條線路的零序段相配合，時限再高出一個t ，取為1.0s 。 保留0.5s的零序段，同時再增加一個按整定的保護，這樣保護裝置中，就有兩個定值和時限均不相同的零序段，

48、一個定值較大，能在正常運行方式和最大運行方式下以較短的時限延時切除本線路上所發(fā)生的接地故障，另一個則有較長的時限，但它能保證在各種運行方式下線路末端接地短路時保護裝置具有足夠的靈敏系數(shù)。,圖2.38 有分支線路時零序段動作特性的分析 ( a ）網(wǎng)絡(luò)接線圖；( b ）零序等效網(wǎng)絡(luò)；(c)零序電流變化曲線,2.3.5 零序過電流（零序段）保護,在零序過電流保護中，對繼電器的啟動電流，可按照躲開在下一條線路出口處相間短路時所出現(xiàn)的最大不平衡電流來整定，引入可靠系數(shù) ，即為 最大不平衡電流 式中： -下一線路始端三相短路的最大短路電流； -非周期分量系數(shù)， -電流互感器的同型系數(shù)，同型號取0.5，不同

49、型號取1。 -電流互感器的誤差，取0.1,同時，還需考慮各保護之間在靈敏系數(shù)上要相互配合。實際上，對于零序過電流保護的計算，必須按逐級配合的原則來考慮。具體地講，就是本線路零序段的保護范圍不能超出相鄰線路上零序段的保護范圍，按照圖2.38 的分析，保護裝置的啟動電流應(yīng)整定為： 式中： 可靠系數(shù)，一般取1.11.2 ; 在相鄰線路的零序段的保護范圍末端發(fā)生接地短路時，故障線路中零序電流與流過本保護裝置中零序電流之比。,圖2.39 零序過電流保護的時限特性,圖2.40 零序方向保護工作原理的分析 ( a ）網(wǎng)絡(luò)接線；( b ) K1點短路的零序電流；( c ）K2點短路的零序電流,2.3.6 方向

50、性零序電流保護,圖2. 41 三段式零序方向電流保護的原理接線圖,2.3.7 對零序電流保護的評價,優(yōu)點 零序過電流保護的靈敏度較高。此外，由圖2.39可見，零序過電流保護的動作時限也較相間保護短。 相間短路的電流速斷和限時電流速斷保護直接受系統(tǒng)運行方式變化的影響很大，而零序電流保護受系統(tǒng)運行方式變化的影響要小得多。 當(dāng)系統(tǒng)中發(fā)生某些不正常運行狀態(tài)時（例如，系統(tǒng)振蕩、短時過負荷等）三相是對稱的，相間短路的電流保護均受它們的影響而可能誤動作，因而需要采取必要的措施予以防止，而零序保護則不受它們的影響。 在11OkV 及以上的高壓和超高壓系統(tǒng)中，單相接地故障約占全部故障的70一90% , 而且其他

51、的故障也往往是由單相接地發(fā)展起來的，因此，采用專門的零序保護就具有顯著的優(yōu)越性。,零序電流保護的缺點是： 對于短線路或運行方式變化很大的情況，保護往往不能滿足系統(tǒng)運行所提出的要求。 隨著單相重合閘的廣泛應(yīng)用，在重合閘的動作過程中將出現(xiàn)非全相運行狀態(tài)，再考慮系統(tǒng)兩側(cè)的電機發(fā)生搖擺，則可能出現(xiàn)較大的零序電流，因而影響零序電流保護的正確地工作，此時應(yīng)從整定值上予以考慮，或在單相重合閘動作過程中使之短時退出運行。 當(dāng)采用自藕變壓器聯(lián)系兩個不同電壓等級的網(wǎng)絡(luò)時，則任一網(wǎng)絡(luò)的接地短路都將在另一網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生零序電流，這將使零序保護的配合整定復(fù)雜化，并將增大段保護的動作時限。,第4節(jié) 小接地電流系統(tǒng)的零序保護,

52、在中性點非直接接地的電網(wǎng)（又稱小接地電流系統(tǒng)）中發(fā)生單相接地時，由于故障點的電流很小，而且三相之間的線電壓仍然保持對稱，對負荷的供電沒有影響，在故障不擴大的情況下，運行一段時間也是可以的。但是，在單相接地以后，其他兩相的對地電壓要升高 倍。為了防止故障進一步擴大成兩點或多點接地短路，還是應(yīng)該動作于跳閘，特別是對配電網(wǎng)供電可靠性要求越來越高的今天，更是應(yīng)該如此。 因此，在小接地電流系統(tǒng)中發(fā)生單相接地故障時，一般只要求繼電保護能有選擇性地發(fā)出信號，而不必跳閘。但當(dāng)單相接地對人身和設(shè)備的安全有危險時，則應(yīng)動作于跳閘。,2.4.1 中性點不直接接地電網(wǎng)中單相接地故障的特點,圖2.42 簡單網(wǎng)絡(luò)接線示意圖,故障點的零序電壓 在非故障相中流向故障點的電容電流為：,其有效值為 此時，從接地點流回的電流為： 其有效值為: , 即正常運行時，三相對地電容電流