电网的电流保护和方向性电流保护

第二章电网的电流保护和方向性电流保护第一节单测电源网络相间短路的电流保护

配置：

一、电流速断保护（第Ⅰ段）：

对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。 1、短路电流的计算：

图中、1――最大运行方式下d

(3)

2――最小运行方式下d (2) 3――保护1第一段动作电流

s d

s d l Z Z E Z Z E I 1)3(+=

φφ d

s d d l Z Z E I I 1)3()

2(23

23+=

φ 可见，I d 的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关

最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。（Z s.min ）最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Z s.max ） 2、整定值计算及灵敏性校验

为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定

max ..1.B d k dz I K I ?=I I 注①）参看15

(3.1~2.1p K k =I

保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。（I dZ ）

1.dz I 在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a 、b 点

可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长

三段式

主保护后备保护

灵敏性：用保护范围的大小来衡量 l max 、l min 一般用l min 来校验、

%100min

l 要求：≥（15～20）％希望值50％方法：① 图解法

② 解析法：

min

.1max 1

.23

d s dZ l Z Z E I

I φ 可得

)23(1%100max 1

.min s dZ L Z I E Z l l -?=?I φ

式中 Z L =Z 1l ――被保护线路全长的阻抗值动作时间t =0s 3、构成

中间继电器的作用：

① 接点容量大，可直接接TQ 去跳闸

② 当线路上装有管型避雷器时，利用其固有动作时间（60ms ）防止避雷器放电时保护误动 4、小结 ① 仅靠动作电流值来保证其选择性 ② 能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。二、限时电流速断保护（第Ⅱ段） 1、要求 ① 任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性 ② 在满足要求①的前提下，力求动作时限最小。因动作带有延时，故称限时电流速断保护。 2、整定值的计算和灵敏性校验

为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第Ⅰ段的保护范围。即整定值与相邻线路第Ⅰ段配合。

动作电流：I ∏∏?2.1.dZ k dZ I K I ＝非周期分量已衰减）(2.1~1.1=∏

k K 动作时间：t t t t ?=?+=I ∏21 Δt 取0.5"，称时间阶梯，其确定原则参看P18.

灵敏性：∏

.min

.dZ dB lm I I K 要求：≥1.3～1.5 若灵敏性不满足要求，与相邻线路第Ⅱ段配合。此时：

动作电流：∏

∏∏?2.1.dZ k dZ I K I ＝动作时间：t t t ?+=∏∏21

3、构成：

与第Ⅰ段相同：仅中间继电器变为时间继电器。 4、小结：

① 限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长 ② 依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性 ③ 与第Ⅰ段共同构成被保护线路的主保护，兼作第Ⅰ段的金后备保护。三、定时限过电流保护（第Ⅲ段） 1、作用：

作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。

2、整定值的计算和灵敏性校验：

1）、动作电流：①躲最大负荷电流 max .1.f k dZ I K I ?Ⅲ

Ⅲ

＝（1）

②在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。

电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数K Zq

max .max f Zq Zq I K I = m a x

.m a x f Zq k Zq k h I K K I K I ??=?=Ⅲ

Ⅲ max f h

Zq k h h

I K K K K I I ??=ⅢⅢ

＝（2）

式中，25.115.1～＝Ⅲ

k K 3~3.1=Zq K 85.0=h K

显然，应按（2）式计算动作电流，且由（2）式可见，K h 越大，I dZ 越小，K lm 越大。因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.85～0.9） 2）、动作时间

在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第Ⅲ段的测量元件均可能动作。例如：下图中d 1短路时，保护1～4都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。

即

ⅢⅢⅢⅢ4321t t t t >>>、t t t ?+ⅢⅢ＝43 、t t t ?+Ⅲ

Ⅲ＝32、t t t ?+ⅢⅢ＝2

1 ―――――阶梯时间特性

注：当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的配合

3）、灵敏性近后备：3.1min

.11≥=

Ⅲ

d lm I I K I d 1.min ―――本线路末端短路时的短路电流

远后备：2.1min

.22≥=

Ⅲ

d lm I I K I d 2min ―――相邻线路末端短路时的短路电流 3、构成：与第Ⅱ段相同Ⅲ 4、小结： ① 第Ⅲ段的I dZ 比第Ⅰ、Ⅱ段的I dZ 小得多，其灵敏度比第Ⅰ、Ⅱ段更高； ② 在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性； ③ 保护范围是本线路和相邻下一线路全长； ④ 电网末端第Ⅲ段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），

故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（Ⅰ＋Ⅲ或Ⅲ），越接近电源，t Ⅲ

越长，应设三段式保护。四、电流保护的接线方式

1、定义：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。

2、常用的两种接线方式：三相星行接线和两相星行接线。

1）、三相星行接线的特点：

① 每相上均装有CT 和LJ 、Y 形接线 ② LJ 的触点并联（或） 2）、两相星行接线的特点：

① 某一相上不装设CT 和LJ 、Y 形接线 ② LJ 的触点并联（或）

（通常接A 、C 相）

上述两种接线方式中，流入电流继电器的电流I J 与电流互感器的二次电流I 2相等。接线系数： 12

I I K J

c o n 3、 I dZ 与I dZ..J 之间的关系：

I I n l =

l J dZ dZ n I I =∴. 或l

dZ J dZ n I I =. 4、比较：

① 对各种相角短路，两种接线方式均能正确反映。 ② 在小接地电流系统中，在不同线路的不同相上发生两点接地时，一般只要求切除一

个接地点，而允许带一个接地点继续运行一段时间。

串联线路

a 、三相星行接线：保护1和保护2之间有配合关系，100％切除NP 线

b 、两相星行接线：2/3机会切除NP 线。（即1/3机会无选择性动作）并行线路上：（可能性大）

a 、三相星行接线：保护1和保护2同时动作，切除线路Ⅰ、Ⅱ。

b 、两相星行接线：2/3机会只切一条线路。 ③ Y ／△接线变压器后d (2)

以Y ／△－11接线降压变为例 )

2(AB d

??-=B A I I .. 0.=?

C I

?==A c a I I I ..

31 ?-=A b I I ..32

Y C Y A I I ..= Y

A Y

B I I ..2-=

结论：滞后相电流是其它两相电流的两倍并与它们反相位

Y ／△－11升压变：超前相电流是其它两相电流的两倍，并与它们反相位。（作业：推得此结果） ④ 经济性：两相星行接线优于三相星行接线三相星行接线灵敏度是两相星行接线的两倍

针对措施：在两相星行接线的中线上再接入一个LJ ，其电流为：

l Y

B l Y

C Y A n I n I I //)(...-=+，以提高灵敏性。

5、应用

三相星行接线：发电机、变压器等（要求较高的可靠性和灵敏性）。两相星行接线：中性点直接接地电网和非直接接地电网中。（注：所有线路上的保护装置应安装在相同的两相上。）五、评价： 1、选择性：

在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠I dZ 、t ），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。 2、灵敏性：

受运行方式的影响大，往往满足不了要求。——电流保护的缺点例：第Ⅰ段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围；

第Ⅲ段：长线路重负荷（I f 增大，I d 减小），灵敏性不满足要求。 3、速动性：

第Ⅰ、Ⅱ段满足；

第Ⅲ段越靠近电源，t 越长——缺点 4、可靠性：

线路越简单，可靠性越高——优点六、应用范围：

35KV 及以下的单电源辐射状网络中；第Ⅰ段：110KV 等，辅助保护作业：习题集：P11,题1；预习实验一、二

第二节电网相间短路的方向性电流保护

一. 问题的提出

双电源多电源和环形电网供电更可靠,但却带来新问题。

对电流速断保护：d1处短路，I dz I dz I I I 213>> d2处短路，I dz I dz I I I 312>> 对过电流保护：d1处短路，23t t >

d2处短路，32t t >

有选择性，但是产生了矛盾。上述矛盾的要求不可能同时满足。

原因分析：反方向故障时对侧电源提供的短路电流引起误动。解决办法：加装方向元件——功率方向继电器。仅当它和电流测量元件均动作时才启动逻辑元件。这样双侧电源系统保护系统变成针对两个单侧电源子系统。

保护1、3、5只反映由左侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合。而保护2、4、6仅反映由右侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合，矛盾得以解决。

二、功率方向继电器的工作原理

电流规定方向：从母电流向线路为正。

电流本身无法判定方向，需要一个基准——电压。 d1处短路 d2处短路

111d A d NA l Z I U ?=?

212d NA l Z I U ?-=?

11arg d A

d NA I U φφ==?

180arg 21+==?

d A

d NA

I U φφ 900<<φ 270180<<φ 0cos >=φA A I U P 0cos <=φA A I U P

因此：利用判别短路功率方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。

实现：

1、最大灵敏角：在UJ 、IJ 幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者之间的相位差的大小而改变。当输出为最大时的相位差称最大灵敏角lm φ。

2、动作范围： 90±lm φ

动作方程：

90arg

90≤≤-?

j J I e U lm

或lm J

J lm I U φφ+≤≤+-?

90arg 90

3、动作特性:

当,60,,1 ===?

???d A J A J I I U U φ线路发生三相短路所以 601==d lm φφ

4、死区：当正方向出口短路时，0≈=A J U U ，GJ 不动——电压死区。

消除办法：采用90度接线方式，加记忆回路。

三、幅值比较原理和相位比较原理及其互换关系

对于比较两个电气量的继电器，可按幅值比较原理或相位比较原理来实现。

幅值比较原理：B A

U U

≥

相位比较原理：

90arg

90≤≤-?

C U U

用四边形法则来分析它们之间的关系：

90arg

C U U

90arg

C U U 90arg

C U U

B A

U U

> B A

U U

= B A

U U

?????+=+=????

??D

C B

D C A U U U U U U 或 ?????+=+=????

??)

()(2121

B A D B A

C U U U U U U

可见，幅值比较远路与相位比较原理之间具有互换性。注： 1 D C B A U U U U ?

,,,必须是同一频率的正弦交流量

2 相位比较原理的动作边界为 90±

四、LG －11整流型功率方向继电器

它是按幅值比较原理来实现的： 1、构成：

① 电压形成回路：由DKB 、YB 组成：

J I J U A I K U K U ?

??+=

J I J U B I K U K U ?

??-=

R1、R2——消除潜动、调整平衡。

C1——与YB 的励磁电抗形成谐振，使超前90o ,其记忆作用用于消除死区，记忆时间为几十毫秒； ② 比较回路：

由半导体整流桥BZ1,BZ2组成的环流是比较回路。

a A

i U

→? b B i U →?

③ 执行元件——极化继电器J,非常灵敏

标记“＊”，当电流从＊端流入时，J 动作，反之则不动。

0≥-b a i i 时，J 动作；

2、动作方程：

90arg 90≤≤-?≥+?≥??

?????J

I J U J

I J U J I J U B A

I K U K I K U K I K U K U U

－

3、动作特性：

6045:或=I I K φ )C (90:1串联

=U U K φ

30=-=I u φφα ――内角（由继电器决定）

αα-≤≤--??

90arg

90J

J I U

30-=-=αφlm

4、死区：

虽然J 的动作功率很小，但0U U U B A ≥-?

———最小工作电压。

当出口接地短路时，0≈J U ，GJ 不动作——死区。在记忆时间内消除死区。 5、角度特性：

当I J 为常数时，动作电压U J 与φJ 之间的关系曲线，以α＝ 30o为例：

当φJ ＝－α＝－30o时，继电器的动作电压最小，J 最灵敏。 J 动作范围：以φJ ＝－30o为中心的±90o的区域，即图中阴影

区。 6、潜动：

从理论上讲，当 0=J U 或0=J I 时，J 不动。

但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有J U 或J I 时，J 动作,即潜动。

仅有J U 时动，叫电压潜动，仅有J I 时动，叫电流潜动潜动对保护的影响：

对正方向接地短路时，有利于保护正确动作；

当反方向接地短路时，可能导致GJ 误动，使得保护误动；另外，增大GJ 的动作功率，可降低灵敏性；

消除方法：调R1（电流潜动时），调R2（电压潜动时）。五、相间短路功率方向继电器的接线方式：

1、要求：良好的方向性（与故障类型无关）和较高的灵敏性。

2、 90o接线方式：

指系统三相对称且cos φ=1时， 90arg

=??

J U I 的接线方式。

注：90o接线方式仅为了称呼方便，且仅在定义中成立。采用该接线方式构成的三相式方向过电流保护的原理接线图参看第40页，图2－37。

提示：三相星形接线且按相启动（指接入同名相电流的测量元件和功率方向元件的结点串联，而后于其他元件相并联后启动逻辑元件。）

3、相间短路情况下90o接线功率方向继电器动作行为分析：（1）正方向三相短路：

由于三相对称，三只继电器动作情况相同，故以A 相为例分析：

从图中可见，φJA ＝φJd －90o ① 为使功率方向继电器动作最灵敏

1)90cos(=+-αφ

d φα-=∴

② 为使P JA >0

一般 900<

所以,在三相短路时,选择,可保证GJ 动作。

（2）正方向两相短路，以BC 两相短路为例,且空载运行.

有两种极限情况:出口和远处

①出口短路 s d Z Z <<

GJA:0=?

A I ,不动作；

GJB ： 90-=d JB φφ，同三相短路； GJC ： 90-=d JC φφ，同三相短路。

所以应选择 900<<α，使得 900<

、AB U ?

幅值很大，B 、C

相功率方向继电器动作。

该接线方式可消除各种两相短路的死区。 ②远处短路 s d Z Z >>

GJA: 0=?

A I ,不动作；

GJB ： 120-=d JB φφ，所以应选择 12030<<α，使得B

相GJ 能动作；

GJC ： 60-=d JC φφ，所以应选择 6030<<-α，使得C

相GJ 能动作

综合两种极限情况：在正方向任何地点)2(d ： B GJ ： 009030<<α C GJ ： 00600<<α

同理： )2(AB d 和)

2(CA d 时可得到相应的结论，参看P43表2—2。

综上所述：为保证00900<

（例：LG —11型 045=α或030）

总结：优点：①对各种两相短路都没有死区；

②适当选择内角后，对线路上各种相间故障保证动作的

方向性；

缺点：不能清除)3(d 死区。

顺便指出：在正常运行情况下，位于送电侧的GJ 在负荷电流的作用下一般都处于动作状态。

六．双侧电源网络中电流保护整定的特点：

1．电流速断保护

无方向元件：max 21dz I

K I dz I dz I K I I ==

有方向元件：max 21d I K I dz I K I =

max 12d I

K I dz I K I =

此时保护1不需方向元件。

2．限时电流速断保护

原则与单侧电源网络中第Ⅱ段的整定原则相同，与相邻线路Ⅰ段保护配合。但需考虑保护安装点与短路点之间有分支的影响，

即分支电路的影响。分支电路分两种典型情况：助增，外汲。

AB I I ≠ 助增：使故障线路电流增大的现象外汲：使故障线路电流减小的现象

引入分支系数：被保护线路流过的电流

故障线路流过的电流

=AB BC fz I I K '

I dz II K

II dz K I K

= 当仅有助增时：∵AB BC I I >'

∴1>fz K 仅有外汲时：∵AB BC I I <'∴1