電網(wǎng)相間短路的電流保護(hù)

1、第二章 電網(wǎng)相間短路的電流保護(hù)第一節(jié) 電流，電壓繼電器及輔助繼電器一電磁型電流，電壓繼電器構(gòu)成繼電保護(hù)的繼電器，動(dòng)作與返回干脆、迅速，不會(huì)停留在某一中間位置。這種特性稱(chēng)為繼電器的繼電特性。（一）電磁型繼電器的工作原理1. 電磁型繼電器的分類(lèi)主要有螺管線圈、吸引銜鐵、轉(zhuǎn)動(dòng)舌片式三種類(lèi)型，如圖2-1所示。其中轉(zhuǎn)動(dòng)舌片式通常用作測(cè)量元件。2. 電磁型繼電器的工作原理電磁型繼電器線圈N中通入電流Im（Im又稱(chēng)為測(cè)量電流）時(shí)，產(chǎn)生電磁力矩Me，克服反作用彈簧力矩Mth，使可動(dòng)銜鐵向電磁鐵運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)可動(dòng)接點(diǎn)向靜止接點(diǎn)閉合，繼電器動(dòng)作。由于MKcK2，而，因此，可制成交流或直流繼電器。（二）電磁型電流繼電器

2、以吸引銜鐵式為例分析說(shuō)明繼電器的繼電特性及動(dòng)作電流、返回電流、返回系數(shù)的定義。1. 作用在繼電器上的三種力矩（1） 電磁力矩： （Im、N為參變量），Me與磁路氣隙函數(shù)關(guān)系Me=f() 為指數(shù)關(guān)系，當(dāng)加入繼電器的電流Im改變時(shí)，曲線上下平移。如圖2-2曲線所示；（2） 彈簧力矩：Mth=Mth.1+K1(1-)，其中Mth.1、1為原始狀態(tài)彈簧力矩和繼電器磁路氣隙，為終止態(tài)的磁路氣隙，彈簧力矩與磁路氣隙Mth=f()成線性反比關(guān)系，如圖2-2曲線所示（3） 摩擦力矩：Mf為常數(shù)，如圖2-2曲線所示。2. 動(dòng)作電流當(dāng)ImIop時(shí)，繼電器剛好動(dòng)作，常開(kāi)觸點(diǎn)閉合時(shí)，作用在繼電器上的三個(gè)力矩滿足：MK

3、cMth+Mm 即 （動(dòng)作方程）或Im為繼電器剛好動(dòng)作時(shí)加入繼電器的最小電流，稱(chēng)為繼電器的動(dòng)作電流，用Iop表示。如圖2-3所示，當(dāng)氣隙為1繼電器處于動(dòng)作邊界時(shí)， ；保持Im=Iop不變，繼電器動(dòng)作時(shí)，氣隙由1減小，電磁力矩隨以指數(shù)關(guān)系增加較快、反作用力矩隨線性增加，增加的速度較慢，使，而且隨著的進(jìn)一步減小，電磁力矩與反作用彈簧力矩的差距越來(lái)越大，在電磁力矩的作用下，繼電器迅速動(dòng)作到底，滿足繼電特性。到達(dá)終止位置時(shí)，存在剩余力矩Msh，可以保持觸點(diǎn)壓力。3. 返回電流當(dāng)ImIr時(shí)，繼電器剛好返回，常開(kāi)觸點(diǎn)打開(kāi)時(shí)，作用在繼電器上的三個(gè)力矩滿足：MeMthMf 即 （動(dòng)作方程）或Im為繼電器剛好返

4、回時(shí)加入繼電器的最大電流，稱(chēng)為繼電器的返回電流，用Ir表示。如圖2-3所示，當(dāng)氣隙為繼電器處于返回邊界時(shí)，保持Im=Ir不變，繼電器返回時(shí)，氣隙增大，反作用彈簧力矩、電磁力矩由1變化，使 ，隨著的增大，反作用彈簧力矩與電磁力矩的差距越來(lái)越大，在彈簧力矩的作用下，繼電器迅速返回，同樣滿足繼電特性。4. 返回系數(shù)返回系數(shù)定義為返回電流與動(dòng)作電流之比， 以表示。對(duì)于過(guò)量保護(hù)Kr<1，一般電磁型過(guò)量保護(hù)應(yīng)為0.850.9，靜止型保護(hù)（如集成型、微機(jī)型保護(hù)）應(yīng)為0.90.95。對(duì)于欠量保護(hù)Kr>1。5. 繼電器的調(diào)整通過(guò)調(diào)整繼電器線圈匝數(shù)和彈簧力矩來(lái)調(diào)整繼電器的動(dòng)作值；通過(guò)調(diào)整繼電器磁路（氣

5、隙）和調(diào)整摩擦力矩來(lái)調(diào)整返回系數(shù)。電磁型電壓繼電器的工作原理與電磁型電流繼電器的工作原理相同，只是比電流繼電器繞組匝數(shù)較多，繞組導(dǎo)線較細(xì)。電磁型輔助繼電器有中間繼電器、信號(hào)繼電器等，其工作原理與電磁型電流繼電器的工作原理相同。第二節(jié) 無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)的原理接線如圖2-5所示，由測(cè)量部分電流繼電器KA、邏輯部分為中間繼電器KM,執(zhí)行部分跳閘回路、信號(hào)繼電器KS組成。電流互感器TA裝在母線的出口。電流繼電器KA測(cè)量系統(tǒng)電流并與整定值比較，確定電流繼電器動(dòng)作與否。當(dāng)保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路時(shí)，KA動(dòng)作，中間繼電器KM勵(lì)磁（KM可增大觸點(diǎn)容量，有0.060.08s延時(shí)，防止管型避雷器放電

6、造成保護(hù)誤動(dòng)作）經(jīng)信號(hào)繼電器KS線圈，接通跳閘線圈YT，斷開(kāi)斷路器。KS動(dòng)作后，發(fā)出信號(hào)表示保護(hù)已經(jīng)動(dòng)作。跳閘回路中QF的輔助觸點(diǎn)能改善KM接點(diǎn)的工作條件。最大運(yùn)行方式下，當(dāng)線路上任一點(diǎn)K發(fā)生三相短路時(shí)，最大短路電流為最小運(yùn)行方式下，當(dāng)線路上任一點(diǎn)K發(fā)生兩相短路時(shí)，最小短路電流為其短路電流曲線如圖2-5所示，為使保護(hù)1既能保護(hù)線路AB全長(zhǎng)，又具有選擇性，其動(dòng)作值應(yīng)選取B母線短路時(shí)的最大短路電流，即。但是，短路電流的計(jì)算值是沒(méi)有考慮暫態(tài)過(guò)程影響的穩(wěn)態(tài)值，存在誤差；線路參數(shù)不是實(shí)測(cè)參數(shù)，因而短路電流的計(jì)算值也存在誤差；此外，一次短路電流通過(guò)電流互感器變換到二次加入繼電器時(shí)，互感器還存在10的誤差。

7、為了保證選擇性，防止由于上述因素影響，導(dǎo)致下一線路出口發(fā)生短路時(shí)實(shí)際的短路電流超過(guò)保護(hù)1的動(dòng)作值，引起保護(hù)越級(jí)誤動(dòng)作，因此保護(hù)的動(dòng)作值必須滿足：?？紤]上述因素，根據(jù)運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)，引入取值1.21.3的可靠系數(shù)，則無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)的動(dòng)作值按躲開(kāi)下一線路出口，最大運(yùn)行方式下，發(fā)生三相短路時(shí)的短路電流整定。即當(dāng)線路長(zhǎng)度小于20kM時(shí)，可靠系數(shù)取1.5；線路長(zhǎng)度大于20kM小于50kM時(shí)，取1.4；線路長(zhǎng)度大于50kM時(shí)，取1.3。無(wú)時(shí)限電流保護(hù)是依靠整定動(dòng)作值來(lái)保證選擇性的。從2-5圖可以看出，為了保證選擇性，提高了動(dòng)作值，使保護(hù)范圍縮小，降低了保護(hù)的靈敏性，因此無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)不能夠保護(hù)線路全長(zhǎng)。

8、又因?yàn)楸Ｗo(hù)的動(dòng)作具有選擇性，可以瞬時(shí)動(dòng)作，因而稱(chēng)為無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)或電流段。無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)只能保護(hù)線路全長(zhǎng)的一部分。保護(hù)配置圖形用表示。無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)的靈敏性校驗(yàn)用最小保護(hù)范圍衡量。規(guī)程規(guī)定，最小保護(hù)范圍不應(yīng)小于線路全長(zhǎng)的1520。當(dāng)系統(tǒng)在最小運(yùn)行方式、下本線路某點(diǎn)K發(fā)生兩相短路時(shí)，短路電流剛好達(dá)到保護(hù)的動(dòng)作值，即可得最小保護(hù)范圍對(duì)應(yīng)的阻抗值 當(dāng)上一級(jí)線路保護(hù)采用距離保護(hù)時(shí)，為了上、下兩級(jí)保護(hù)的配合，此時(shí)應(yīng)考慮下一級(jí)電流保護(hù)的最大保護(hù)范圍。第三節(jié) 限時(shí)電流速斷保護(hù)電流段保護(hù)只能保護(hù)線路全長(zhǎng)80左右，對(duì)線路剩余部分還應(yīng)增設(shè)第二部分保護(hù)，即限時(shí)電流速斷保護(hù)，也稱(chēng)為電流段，其保護(hù)范圍必然延

9、伸下到一線路，與下一線路電流保護(hù)范圍部分重疊，如圖2-6所示。當(dāng)下一線路出口發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)2的電流段能夠起動(dòng)，保護(hù)1的電流段也能夠起動(dòng)，為了保證選擇性，并力求降低保護(hù)的動(dòng)作速度，因此，保護(hù)1的電流段首先應(yīng)與下一線路電流保護(hù)段進(jìn)行配合整定，即保護(hù)范圍不能超出下一線路電流I段的保護(hù)范圍，動(dòng)作時(shí)限比下一線路電流I段保護(hù)大一個(gè)時(shí)限等級(jí)t。t的大小應(yīng)保證在下一線路出口短路時(shí)，保護(hù)2的電流段有足夠的跳閘時(shí)間。即式中 為下一線路斷路器跳閘的正誤差時(shí)間；為本線路斷路器跳閘的負(fù)誤差時(shí)間；為下一線路斷路器跳閘后主觸頭的熄弧去游離時(shí)間；為裕度時(shí)間。t一般取0.5s。以公式表示為其動(dòng)作值配合與時(shí)間配合關(guān)系如圖2-6

10、所示。當(dāng)本線路末端發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)1的電流段只能以t的延時(shí)來(lái)切除故障。因而為了保證選擇性犧牲了保護(hù)動(dòng)作的速動(dòng)性。保護(hù)1電流段靈敏性校驗(yàn)：限時(shí)電流速斷保護(hù)范圍是線路全長(zhǎng)，在最不利情況下，均應(yīng)有足夠的反應(yīng)能力，要求。即若，則保護(hù)1電流段應(yīng)與下一線路電流保護(hù)段配合整定。即以求靈敏度滿足要求，如仍不能滿足要求，應(yīng)采用其它保護(hù)。電流段保護(hù)的原理接線如圖2-6所示，在線路AB范圍內(nèi)發(fā)生故障，限時(shí)電流速斷保護(hù)延時(shí)t= 0.5s切除故障，并作為電流段的后備。保護(hù)配置圖形以表示。第四節(jié) 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)電流、段保護(hù)可在0.5s的時(shí)間內(nèi)切除全線路范圍內(nèi)的故障，在滿足線路的“四性”要求時(shí)，作為線路的主保護(hù)，但不具有

11、后備作用，因此，線路還應(yīng)設(shè)置定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)（稱(chēng)為電流段）作為電流、段主保護(hù)的后備保護(hù)。電流段的動(dòng)作值是躲負(fù)荷電流整定，其動(dòng)作值較低，保護(hù)范圍較大，因而既可以作為本線路全長(zhǎng)的后備保護(hù)（近后備），也可以作為下一線路(元件)全長(zhǎng)的后備保護(hù)（遠(yuǎn)后備）。如圖2-6所示，電流段保護(hù)的原理接線與電流段保護(hù)的原理接線相同。保護(hù)配置圖形如圖2-7所示為。一 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)的時(shí)限特性電流段保護(hù)的動(dòng)作值按躲開(kāi)本線路的最大負(fù)荷電流整定，因此線路發(fā)生短路時(shí)，短路電流將超過(guò)各線路的動(dòng)作電流值。如在線路WL1上發(fā)生K1點(diǎn)短路時(shí)，為保證選擇性，保護(hù)1、2的動(dòng)作時(shí)限t1、t2應(yīng)大于保護(hù)3的動(dòng)作時(shí)限t3；同理在線路WL2上K

12、2點(diǎn)短路時(shí)，t1應(yīng)大于t2，其時(shí)限特性如圖2-7所示，形似階梯，故稱(chēng)為階梯時(shí)限特性。二 定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)動(dòng)作值整定電流段保護(hù)必須保證被保護(hù)線路通過(guò)最大負(fù)荷電流時(shí)可靠不動(dòng)作，在外部故障切除后能可靠返回。其動(dòng)作電流值整定應(yīng)按以下兩種情況考慮：1 輸電線路無(wú)自啟動(dòng)負(fù)荷相鄰線路故障切除后，保護(hù)應(yīng)可靠返回，即返回電流應(yīng)滿足引入可靠系數(shù)Krel=1.11.15考慮到，因此，保護(hù)整定值為2 輸電線路有自啟動(dòng)負(fù)荷如圖2-7所示，線路出口K3點(diǎn)短路時(shí)，B母線電壓下降，電機(jī)負(fù)荷制動(dòng)，此時(shí)保護(hù)1、2起動(dòng)，保護(hù)2動(dòng)作時(shí)限小，動(dòng)作于斷路器2QF跳閘，而在故障切除后，B母線電壓恢復(fù)，制動(dòng)的電機(jī)負(fù)荷處于自起動(dòng)狀態(tài)，流過(guò)保護(hù)

13、1的是自起動(dòng)電流IMs，為了使保護(hù)1可靠返回，應(yīng)保證繼電器的返回電流，其中 。引入可靠系數(shù)Krel1.11.2，則考慮到，因此，保護(hù)整定值為IL.max應(yīng)考慮雙回線路、備用電源自投入等使電流變大的情況，自起動(dòng)系數(shù)KMs大于1，由網(wǎng)絡(luò)具體接線和負(fù)荷性質(zhì)確定。三 動(dòng)作時(shí)限的整定如圖2-8所示，電流段保護(hù)的動(dòng)作時(shí)限按階梯形時(shí)限原則整定，即tA=tBmax+t，tB=tCmax+t，以此類(lèi)推，并保證每段線路后備保護(hù)動(dòng)作時(shí)限大于主保護(hù)動(dòng)作時(shí)限。四 過(guò)電流保護(hù)靈敏度系數(shù)校驗(yàn)如圖2-8所示，要求電流段的靈敏度滿足： 注意：遠(yuǎn)后備應(yīng)校驗(yàn)K1 、K2、K3點(diǎn)短路時(shí)的情況。當(dāng)電流段作為本線路的主保護(hù)時(shí)，要求。第五

14、節(jié) 電流保護(hù)接線方式一 接線方式電流保護(hù)的接線方式是指電流繼電器線圈和電流互感器二次繞組間的連接方式。常用的接線方式有完全星形接線（三相三繼電器式接線）和B相不裝設(shè)電流互感器及相應(yīng)繼電器的不完全星形接線（兩相兩繼電器式接線）兩種。其原理接線與電流相量如圖2-9所示。注意：電力系統(tǒng)互感器均采用減極性標(biāo)注，同名端用“*”標(biāo)注。兩種接線方式均能反應(yīng)各種相間故障，而不完全星形接線（B相不裝設(shè)電流互感器）不能反應(yīng)B相電流。二 兩種接線的適用范圍1 對(duì)于35KV及以下單電源輻射形網(wǎng)絡(luò)為了提高供電的可靠性，35KV及以下系統(tǒng)，其中性點(diǎn)處于不接地運(yùn)行狀態(tài)。當(dāng)發(fā)生一點(diǎn)單相接地時(shí)，產(chǎn)生的電流很小，系統(tǒng)仍然對(duì)稱(chēng)，允

15、許繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間；當(dāng)不同地點(diǎn)，同時(shí)發(fā)生不同相別的兩點(diǎn)接地時(shí)，為了使系統(tǒng)保持對(duì)稱(chēng)狀態(tài)繼續(xù)運(yùn)行，只要求切除遠(yuǎn)離電源的一點(diǎn)，以保證選擇性。圖2-10所示為35KV及以下單電源輻射形網(wǎng)絡(luò)，當(dāng)發(fā)生不同地點(diǎn)、不同相別兩點(diǎn)同時(shí)接地時(shí)，采用完全星形接線和不完全形接線方式，保護(hù)正確動(dòng)作與誤動(dòng)作情況如表2-1所示，正確動(dòng)作用“”表示；誤動(dòng)作用“×”表示。表2-1 保護(hù)動(dòng)作情況串行線路WL1與WL2或WL3（）完全星形接線WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2K(A)K(B)K(A)K(C)K(B)K(A)K(B)K(C)K(C)K(A)K(C)K(B)不完全星形接線W

16、L1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2K(A)K(B)K(A)K(C)K(B)K(A)K(B)K(C)K(C)K(A)K(C)K(B)××并行線路WL2、WL3（t2=t3）完全星形接線WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2K(A)K(B)K(A)K(C)K(B)K(A)K(B)K(C)K(C)K(A)K(C)K(B)××××××不完全星形接線WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2WL1WL2K(A)K(B)K(A)K(C)K(

17、B)K(A)K(B)K(C)K(C)K(A)K(C)K(B)××由表2-1可見(jiàn)：對(duì)于串行線路，發(fā)生不同相別的兩點(diǎn)接地時(shí)，采用完全星形接線方式，保護(hù)能100正確動(dòng)作，只切除遠(yuǎn)離電源的一點(diǎn)，而采用不完全星形接線方式，保護(hù)正確動(dòng)作的可能性有2/3；對(duì)于并行線路，當(dāng)動(dòng)作時(shí)限相同時(shí)，發(fā)生不同相別的兩點(diǎn)接地，采用完全星形接線方式，保護(hù)100誤動(dòng)作切除兩點(diǎn)，而采用不完全星形接線方式，保護(hù)正確動(dòng)作的可能性仍有2/3。由于不同地點(diǎn)、不同相別同時(shí)發(fā)生兩點(diǎn)接地的可能性很小，繼電保護(hù)一般不考慮故障的重疊，加之35KV及以下電網(wǎng)線路、元件較多，為了減少投資成本，35KV及以下電網(wǎng)通常采用不完全星形接

18、線方式。對(duì)于中性點(diǎn)直接接地電網(wǎng)發(fā)生接地時(shí)，短路電流很大，系統(tǒng)處于不對(duì)稱(chēng)狀態(tài)，不能正常工作，電流保護(hù)為反應(yīng)各種單相短路，應(yīng)采用完全星形接線，以確保故障點(diǎn)的切除。2 對(duì)于Y，d的接線變壓35KV及以下電壓等級(jí)的降壓變壓器和配電變壓器一般采用電流保護(hù)作為主保護(hù)或后備保護(hù)，即便是大中型變壓器也常常采用電流保護(hù)作為后備保護(hù)，其原理接線如圖2-10（a）所示。因此，應(yīng)分析采用兩種接線方式對(duì)保護(hù)工作性能的影響。35KV及以下電壓等級(jí)的降壓變壓器和配電變壓器大多采用Y，K接線，當(dāng)變壓器一側(cè)發(fā)生短路時(shí)，由于變壓器一次與二次的電磁聯(lián)系，使另一側(cè)保護(hù)安裝處的非故障相也有故障電流流過(guò)，該電流將對(duì)保護(hù)的工作性能產(chǎn)生影響

19、。如圖2-10所示，以Y，K11變壓器為例分析側(cè)發(fā)生AB兩相短路，Y側(cè)保護(hù)安裝處各相電流的變化與關(guān)系。當(dāng)變壓器側(cè)AB相間短路時(shí)，可利用對(duì)稱(chēng)分量法進(jìn)行分析，可知，故障點(diǎn)特殊相為C相，邊界條件為，則，由此邊界條件，即可確定各序分量的相對(duì)位置，其相量如圖2-10（b）所示，。由于變壓器采用Y，K11接線，Y側(cè)正序分量落后側(cè)同名相正序分量30º，Y側(cè)負(fù)序分量超前側(cè)同名相負(fù)序分量30º，如圖2-10（c）所示，有?？梢?jiàn)，變壓器Y側(cè)B相電流是其它相電流的2倍。采用完全星形接線時(shí)，能反應(yīng)B相電流，保護(hù)的靈敏度比采用不完全星形接線提高一倍。在采用不完全星形接線時(shí)，為了提高保護(hù)動(dòng)作的靈敏度，通常采用如圖2-10（a）所示的改進(jìn)不完全星形接線方式，即兩相三繼電器式接線方式，在不完全星形接線的中線上接入第三只繼電器，以此來(lái)反應(yīng)B相電流，提高保護(hù)的靈敏度。第六節(jié) 階段式電流保護(hù)如圖2-11所示，在靠近電源的線路上，為了快速切除故障，應(yīng)裝設(shè)無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)，以在線路全長(zhǎng)的大部分范圍內(nèi)瞬時(shí)