電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù) 第4版 課件 第3章 輸電線路電流電壓保護

第3章輸電線路的電流電壓保護教學(xué)要求：掌握三段式電流保護的原理、整定計算方法、特點及原理圖。線路故障特征：電流突然增大、電壓降低。利用電流突然增大，可構(gòu)成電流保護；利用電流、電壓變化，可構(gòu)成低壓過電流保護。3.1.1無時限電流速斷保護3.1單側(cè)電源輸電線路相間短路的電流電壓保護無時限(或瞬時)電流速斷保護，它是反映電流升高，不帶時限動作的一種保護，也稱Ⅰ段保護。圖形符號＞1、工作原理和整定計算相間短路電流與故障點間關(guān)系為：3.1.1無時限電流速斷保護三相短路：兩相短路：設(shè)系統(tǒng)正、負序電抗相等。當系統(tǒng)運行方式一定時，和是常數(shù)，流過保護安裝處短路電流是保護安裝處至故障點距離的函數(shù)。3.1.1無時限電流速斷保護系統(tǒng)運行方式及故障類型變化時，短路電流的大小也會發(fā)生變化。在保護整定計算中，一般考慮兩種極端的運行方式，即最大運行方式和最小運行方式。3.1.1無時限電流速斷保護為滿足選擇性：保護動作電流按保護區(qū)末端短路條件整定原因：被保護線路末端與相鄰線路出口處短路電流幾乎相等；保護1無法正確區(qū)分。按上式確定定值后，保證了在相鄰線路上發(fā)生短路故障保護1不會誤動作。

3.1.1無時限電流速斷保護

確定最大短路電流必須考慮因素：1）系統(tǒng)運行方式；2）短路點位置；3）短路類型；4）電網(wǎng)接線方式；3.1.1無時限電流速斷保護

保護區(qū)分析3.1.1無時限電流速斷保護

保護規(guī)程規(guī)定，電流速斷保護的靈敏度用保護范圍來衡量，當最大保護范圍達50%，最小保護范圍不應(yīng)小于線路全長的15%~20%時，才能裝設(shè)無時限電流速斷保護。最大保護區(qū)確定：3.1.1無時限電流速斷保護最小保護區(qū)確定：說明：當不需求實際保護長度時，可直接求50%處三相短路及15%處兩相短路時，若保護安裝處測量到短路電流大于整定值，無時限速斷保護可裝設(shè)。3.1.1無時限電流速斷保護2、線路-變壓器組無時限電流速斷保護當采用線路─變壓器組的接線時，保護的保護范圍可延伸到相鄰變壓器一部分，使全線都能瞬時切除故障。保護動作電流配合系數(shù)靈敏度3.1.1無時限電流速斷保護原理接線：3.1.1無時限電流速斷保護

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主講人：許建安3.1.2限時電流速斷保護1、限時電流速斷保護原理和整定計算要求：應(yīng)能保護線路全長。

被保護線路末端短路有靈敏度，必然保護區(qū)要延伸到相鄰線路、或相鄰元件的一部分。

為滿足選擇性要求，保護動作帶有一定的時限。圖形符號＞3.1.2限時電流速斷保護為滿足選擇性、快速性，動作電流必須大于相鄰無時限電流線路速斷保護。3.1.2限時電流速斷保護保護動作電流為：1）與相鄰線路配合2）與相鄰變壓器配合可靠系數(shù)取；配合系數(shù)取3.1.2限時電流速斷保護為滿足選擇性要求，保護動作時間必須與相鄰線路、元件配合，即

時限級差，一般取范圍內(nèi)，微機保護可取小值。3.1.2限時電流速斷保護動作時間配合：3.1.2限時電流速斷保護取大值為保護1動作時間。靈敏度：≥3.1.2限時電流速斷保護當靈敏度不滿足要求時,可與相鄰線路的限時電流速斷保護配合。原理接線：3.1.2限時電流速斷保護小結(jié)：（1）無時限電流速斷保護只能保護線路的一部分，動作的選擇性依靠動作值來保證。對于線路變壓器組，可使全線處于速動保護范圍之內(nèi)。（2）無時限電流速斷保護的靈敏度以保護區(qū)的長度來確定。（3）限時電流速斷保護作為線路的主保護，要求應(yīng)能保護被保護線路全長。為了縮短保護的動作時間，動作值與相鄰線路、元件速斷保護配合。3.1.2限時電流速斷保護（4）限時電流速斷保護的選擇性是依靠動作值、動作時間來保證。（5）當靈敏度不滿足要求時，可與相鄰線路限時電流速斷保護配合。3.1.2限時電流速斷保護

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主講人：許建安3.1.3定時限過電流保護1、定時限過電流保護工作原理要求：應(yīng)能保護被保護線路的全長，也能保護相鄰線路全長及相鄰元件的全部。即應(yīng)能起到近后備與遠后備保護的作用。作用：一般作為主保護的后備保護。

3.1.3定時限過電流保護K點短路時，一般短路電流大于保護裝置1、2、3的動作電流，保護1、2、3將起動。按選擇性要求，保護3動作斷開QF3后，保護1、保護2應(yīng)立即返回。

為滿足選擇性的要求，必須依靠各保護裝置具有不同的動作時限來保證。3.1.3定時限過電流保護即保護動作時間應(yīng)滿足：

從上式可見，保護裝置動作時間是從用戶到電源逐級增加，越靠近電源，保護動作時間越長。3.1.3定時限過電流保護特點：形狀象一個階梯，故稱為梯形時限特性。因保護動作時限固定，與短路電流大小無關(guān)，稱定時限過電流保護。3.1.3定時限過電流保護2、定時限過電流保護的整定計算原則：1）正常運行被保護線路流過最大負荷電流時，保護不動作2）相鄰線路短路故障切除后，保護應(yīng)可靠返回自起動電流，3.1.3定時限過電流保護

根據(jù)可靠返回條件，過電流保護動作值為其中：可靠系數(shù)取自起動系數(shù)取返回系數(shù)取3.1.3定時限過電流保護3、靈敏度校驗是系統(tǒng)在最小運行方式下，保護區(qū)末端短路保護處測量到最小短路電流。

要求：作為近后備保護時，；遠后備。≥≥5.1~3.13.1.3定時限過電流保護確定應(yīng)計及：1）系統(tǒng)應(yīng)取最小運行方式；2）短路點位置取保護區(qū)末端；3）短路類型取兩相短路；4）選擇保護測量到最小短路電流的開環(huán)或閉環(huán)運行方式。3.1.3定時限過電流保護4、保護動作時間

按階梯原則整定，即從用戶到電源的各保護的動作時間逐級增加一個時限級差。其表達式為3.1.3定時限過電流保護

為了能反映各種類型的相間短路故障，應(yīng)合理選擇保護的接線方式。

電流保護接線是指電流繼電器線圈（或變換器）與電流互感器二次繞組之間的連接方式。常用接線：1）三相完全星形接線；2）不完全星形接線。3.1.4電流保護接線

1、三相完全星形接線特點:三相電流互感器二次繞組與三個電流繼電器分別按相連接，三個繼電器觸點并聯(lián)。3.1.4電流保護接線2、不完全星形接線特點:只有兩相裝設(shè)電流互感器，按相連接繼電器。應(yīng)用范圍：中性點不接地系統(tǒng)。要求：所有線路的電流互感器必須安裝在同名相上。3.1.4電流保護接線3、兩種接線方式比較1）僅切除一回路；3.1.4電流保護接線2）切除兩回路；3.1.4電流保護接線3）越級跳閘，屬誤動。3.1.4電流保護接線結(jié)論：在兩回路上不同地點、不同相別發(fā)生兩點接地短路時，若保護具有相同的動作時間，采用兩相式接線有2/3的機會只切除一條回路，這是兩相式接線的優(yōu)點。缺點：在串聯(lián)線路上發(fā)生兩點接地短路，有1/3機會切除兩回線路。3.1.4電流保護接線4、兩相三繼電器接線特點：中性上的電流繼電器測量到B相電流。3.1.4電流保護接線定時限過電流保護作為變壓器遠后備保護采用不完全星形接線，遠后備保護的靈敏度將受到影響。

接線的變壓器，在電力系統(tǒng)中應(yīng)用比較廣泛。采用此接線的目的：為了提高變壓器后發(fā)生兩相短路的靈敏度。為分析方便，假設(shè)變壓器的線電壓比，

3.1.4電流保護接線由圖解法知，低壓側(cè)兩相短路，高壓側(cè)三相都有短路電流，但大小不相等，最大相是最小相的二倍。低壓側(cè)兩相短路，高壓側(cè)相電流最大。1、圖解法3.1.4電流保護接線2、相量法3.1.4電流保護接線結(jié)論：采用兩相三繼電器接線，可測量到三相短路電流，所以靈敏度得到提高，廣泛應(yīng)用于Yd接線變壓器的遠后備保護。電流保護接線應(yīng)用條件：1）中性點直接接地系統(tǒng)應(yīng)采用三相三繼電器接線；2）中性點不接地系統(tǒng)只能采用兩相式接線；3）作為Yd變壓器遠后備保護，采用兩相三繼接線。3.1.4電流保護接線

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主講人：許建安3.2雙側(cè)電源輸電線路相間短路的方向電流保護教學(xué)要求：通過學(xué)習(xí)要求掌握方向過電流保護的基本工作原理；功率方向繼電器工作原理及動作區(qū)。消除出口三相短路死區(qū)的方法。雙側(cè)電源供電目的：是為了提高輸電線路供電可靠性。1、方向性問題的提出3.2方向電流保護當K1點短路,保護1、2動作，斷開QF1和QF2，接在A、B、C、D母線上的用戶，仍然由A側(cè)電源和D側(cè)電源分別供電，提高了對用戶供電可靠性。3.2方向電流保護階段式電流保護用于雙側(cè)電源的網(wǎng)絡(luò)中，不能完全滿足選擇性要求。3.2方向電流保護

以無時限電流速斷保護1為例，保護的動作電流為：為滿足選擇性要求，定值應(yīng)取大值，若背側(cè)短路電流大于正向，保護1正向保護靈敏度降低。3.2方向電流保護對過電流保護，當在K1點短路時，要求＜當K2點短路時，要求＞顯然，雙側(cè)電源不同地點故障時，動作時間的要求是相互矛盾。3.2方向電流保護對過電流保護，當在K1點短路時，要求＜當K2點短路時，要求＞顯然單電源環(huán)形網(wǎng)絡(luò)利用動作時間是無法滿足選擇性要求的。3.2方向電流保護結(jié)論：短路功率方向從母線指向線路時，保護動作才具有選擇性。3.2方向電流保護2、方向過電流保護工作原理規(guī)定：短路功率的方向從母線指向線路為正方向。K1點短路時，保護1、2、4、6為正方向；保護3和5反方向，不應(yīng)起動。3.2方向電流保護

為了滿足選擇性要求，保護1、3、5動作時間需進行配合；保護2、4、6動作時間需進行配合。結(jié)論：相同動作方向保護的動作時間仍按階梯原則進行配合。3.2方向電流保護單相式方向過電流保護原理接線：由起動元件、方向元件、時間元件和信號元件組成。3.2方向電流保護3、功率方向繼電器工作原理3.2方向電流保護K1點發(fā)生短路故障時，加入保護3的電壓與電流反映了一次電壓和電流的相位和大小。3.2方向電流保護通過保護3的短路功率為：＞0

當反方向短路時，通過保護3的短路功率為＜

0

3.2方向電流保護功率方向繼電器動作條件：＞0

動作；＜0時不動作。（1）相位比較式原理實質(zhì)是判斷母線電壓與電流之間相位角是否在范圍內(nèi)。3.2方向電流保護動作方程表達式≤≤事實上是間接比較保護安裝處母線電壓與流過保護安裝處電流的相位?！堋墚敿尤肜^電器電壓為零時，無法進行比相。3.2方向電流保護簡化后的表達式為：≤≤其中：稱功率方向繼電器內(nèi)角。3.2方向電流保護（2）幅值與相位比較間關(guān)系A(chǔ)稱為動作量，B稱為制動量。當＜時，A＞B當＞

時,A＜B3.2方向電流保護當，則當＞

時,A＜B3.2方向電流保護

由上面分析可見，相位比較與幅值比較相互間是可以轉(zhuǎn)換的。比幅關(guān)系比相關(guān)系3.2方向電流保護≥比幅式動作方程從上式可見，當加入繼電器電壓為零時，動作量等于制動量，繼電器存在動作死區(qū)。3.2方向電流保護4、功率方向繼電器接線要求：應(yīng)能正確反應(yīng)故障的方向；正向短路故障時，應(yīng)使方向元件工作在較靈敏的狀態(tài)。

時，加入繼電器的電流超前電壓。3.2方向電流保護功率方向繼電器電流電壓KP1KP3KP33.2方向電流保護3.2方向電流保護動作區(qū)畫法：動作區(qū)：3.2方向電流保護（1）三相短路3.2方向電流保護（2）近處兩相短路3.2方向電流保護（3）遠處兩相短路3.2方向電流保護三相短路和近處兩相短路靈敏角變化范圍為：兩相遠處短路，B相靈敏角變化范圍：C相靈敏角變化范圍：3.2方向電流保護為了使各種相間短路保護都能動作，最大靈敏角范圍：3.2方向電流保護5、非故障相電流的影響與按相起動其中：圖b為正確接線，圖c錯誤接線。3.2方向電流保護6、方向電流保護的整定計算方向過電流保護動作電流可按下列兩條件整定：(1)躲過被保護線路中的最大負荷電流在單電源環(huán)形電網(wǎng)中，不僅要考慮閉環(huán)時線路的最大負荷電流，還考慮開環(huán)時負荷電流的突然增加。(2)同方向的保護的靈敏度應(yīng)相互配合，即同方向保護的動作電流應(yīng)從例電源遠的保護開始，向著電源逐級增大。

3.2方向電流保護＞＞

＞＞以保護4為例，其動作電流為3.2方向電流保護（2）相繼動作：單電源環(huán)形電網(wǎng)中，當靠近A母線近處短路，流過保護2的短路電流幾乎為零。只有保護1跳開QFl后，保護2才動作跳開OF2。保護裝置的這種動作情況，稱為相繼動作。相繼動作的線路長度，稱為相繼動作區(qū)域。3.2方向電流保護3.方向過電流保護靈敏系數(shù)的校驗：方向過電流保護靈敏系數(shù)，主要取決于電流元件。其方法與不帶方向元件的過電流保護相同，但在環(huán)網(wǎng)中允許用相繼動作的短路電流來校驗靈敏度。要求：相繼動作區(qū)不能動大于全長的50%。3.2方向電流保護4.助增電流的影響在保護1和2之間存在一助增電源，在線路K點發(fā)生故障，流過故障線路電流比保護1大。保護1限時電流速斷保護的動作電流為分支系數(shù)為3.2方向電流保護小結(jié)：（1）方向電流保護是為了滿足雙電源線路、單電源環(huán)形網(wǎng)絡(luò)選擇性與靈敏性，在電流保護的基礎(chǔ)上增加方向元件。（2）方向元件在正向出口處三相短路時存在動作死區(qū)。（3）采用接線是為了消除正向出口兩相短路的動作死區(qū)。（4）比幅與比相間的轉(zhuǎn)換關(guān)系是四邊形邊與對角線的關(guān)系。3.2方向電流保護

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主講人：許建安3.3接地保護保護接地方式：中性點直接接地、中性點不直接接地。中性點直接接地稱為大電流接地系統(tǒng)。中性點不直接接地稱為小電流接地系統(tǒng)。3.3.1中性點非直接接地系統(tǒng)單相接地的特點相間電壓特點：相間電壓仍然對稱，對用戶沒有影響，一般情況可繼續(xù)運行一段時間。3.3接地保護保護3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護電壓相量圖：結(jié)論:故障相電壓降低，非故障相電壓升高。

單相金屬性接地時，故障相電壓為零，非故障相電壓升高為線電壓值。3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護電網(wǎng)中性點和各相對地電壓為零序電壓為：3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護非故障線路的零序電流接地點總零序電流為故障線路的零序電流為3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護單相接地特點：（1）全系統(tǒng)都出現(xiàn)零序電壓、且零序電壓全系統(tǒng)相等。（2）非故障線路零序電流由本線路對地電容形成。（3）故障線路零序電流由全系統(tǒng)非故障線路、元件對地電容形成。（4）故障相電壓下降，非故障相電壓升高。3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護2、中性點經(jīng)消弧線圈單相接地故障特點從接地點流回的總電流為

3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護由于和的相位差約，因此將因消弧線圈的補償而減小。

補償方式：完全補償、過補償和欠補償。為防止運行方式變化時，出現(xiàn)串聯(lián)諧振的現(xiàn)象，應(yīng)采用過補償方式。

完全補償時要可能產(chǎn)生串聯(lián)諧振，不宜采用。3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護3、中性點非直接接地系統(tǒng)的接地保護（1）無選擇性絕緣監(jiān)視裝置

在中性點非直接接地電網(wǎng)中，任一點發(fā)生接地短路時，都會出現(xiàn)零序電壓。根據(jù)此特點構(gòu)成的無選擇性接地保護，稱為絕緣監(jiān)視裝置。

3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護（2）零序電流保護原理：利用故障線路與非故障線路零序電流的數(shù)值不同實現(xiàn)。使用條件：電纜線路或經(jīng)電纜出線的架空線路上。保護動作電流瞬時動作可靠系數(shù)取4-5，延時動作取1.5-2。靈敏系數(shù)3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護（3）零序功率方向保護中性點不接地電網(wǎng)發(fā)生單相接地故障時,故障線路的零序電流和非故障線路的零序電流方向相反，即故障線路的零序電流滯后零序電壓。而非故障線路的零序電流超前零序電壓，采用零序功率方向保護可明顯區(qū)分故障線路。3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護（4）反映高次諧波分量保護在電力系統(tǒng)中5次諧波分量數(shù)值最大，中性點經(jīng)消弧線圈接地,消弧線圈只對基波電容電流有補償作用，5次諧波消弧線圈的感抗增加5倍,對容抗減小5倍；5次諧波電感電流相對于5次諧波電容電流來說是很小,起不了補償作用,在5次諧波分量中可不考慮消弧線圈的影響。5次諧波電容電流在消弧線圈的分配規(guī)律與基波在中性點不接地系統(tǒng)中的分配規(guī)律相同。根據(jù)5次諧波零序電流的大小和方向就可以判別故障線路與非故障線路。3.3.1中性點不接地系統(tǒng)接地保護保護

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主講人：許建安3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護1、中性點直接接地系統(tǒng)接地時零序分量的特點電力系統(tǒng)發(fā)生單相接地時,可利用對稱分量法將電流分解為正序、負序和零序。接地時等效網(wǎng)絡(luò)：3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護特點：（1）故障點的零序電壓最高為，離故障點越遠處的零序電壓越低，變壓器中性接地點的零序電壓為零。（2）零序電流的分布，主要決定于輸電線路的零序阻抗和中性點接地變壓器的零序阻抗，而與電源的數(shù)目和位置無關(guān)。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護（3）運行方式變化，若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)就不變。系統(tǒng)正序阻抗和負序阻抗要隨著系統(tǒng)運行方式而變化，將間接影響零序分量的大小。（4）對發(fā)生故障的線路，兩端零序功率方向與正序功率方向相反，零序功率方向?qū)嶋H上都是由線路流向母線的。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護（5）系統(tǒng)發(fā)生接地短路時，都將出現(xiàn)零序電流和零序電壓，在非全相運行或斷路器三相觸頭不同時合閘時，系統(tǒng)中也會出現(xiàn)零序分量。系統(tǒng)正常運行、振蕩、相間短路不會出現(xiàn)零序分量。（6）保護安裝處的零序電壓和零序電流之間的關(guān)系，取決于保護背后的零序阻抗，與被保護線路的零序阻抗及故障點的位置無關(guān)。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護2、零序電流保護零序電流保護通常也采用階段式保護。從保護構(gòu)成看，三段式零序電流保護與三段式相間短路保護相類似。（1）無時限零序電流速斷保護特點：為了保證保護動作的快速性和選擇性要求，保護只能保護線路的一部分。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護動作條件：1）按躲過被保護線路末端接地短路時，保護安裝處測量到的最大零序電流整定。接地故障零序電流為3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護2）按躲過斷路器三相觸頭不同時合閘時，最大零序電流整定若保護動作時間大于斷路器三相合閘不同期時間，本條件可不考慮。靈敏度不滿足要求措施：保護可經(jīng)小延時，使保護裝置的動作時間大于斷路器觸頭不同時合閘的時間。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護3）按非全相運行且振蕩條件整定按此條件整定，通常整定值較高，按1）和2）整定可能誤動，可采用設(shè)置兩個速斷保護。即靈敏I段，不靈敏I段保護。（2）限時零序電流速斷保護要求應(yīng)保護線路全長。工作原理與相間短路保護相似。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護動作電流有分支情況下：動作時間：靈敏度：3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護當下級線路比較短或運行方式變化比較大，靈敏系數(shù)不滿足要求時，可采用下列措施加以解決:①使本線路的零序Ⅱ段與下一線路的零序Ⅱ段相配合，其動作電流、動作時限都與下一線路的零序Ⅱ段配合；②保留原來0.5s時限的零序Ⅱ段，增設(shè)一個與下一線路零序Ⅱ段配合的、動作時限為1s左右的零序Ⅱ段，它們與瞬時零序電流速斷及零序過電流保護一起，構(gòu)成四段式零序電流保護。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護③從電網(wǎng)接線的全局考慮，改用接地距離保護。（3）零序過電流保護作用：作為近后備保護和遠后備保護。動作電流按最大不平衡電流整定。同時要求各保護間進行配合。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護

按保護范圍末端接地短路時流過本保護的最小零序電流來校驗。近后備要求靈敏度≥1.3-1.5，遠后備要求靈敏度≥1.25。靈敏度動作時間：3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護3、原理接線3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護4、方向性零序電流保護如圖點短路時，應(yīng)該由保護1和保護2動作切除故障，但零序電流流過保護3時，若保護3無方向元件可能誤動。2、零序功率方向繼電器1、原理3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護

零序功率方向繼電器接于零序電壓和零序電流之上，動作與否決定于零序功率功率的方向。

在正向保護區(qū)內(nèi)發(fā)生接地短路時，要求零序功率方向繼電器應(yīng)能正確動作，并工作在較靈敏的狀態(tài)下。3.4中性點直接接地系統(tǒng)的接地保護保護2方向元件的零序、零序電流間的相位差取