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

d

s d

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

+=

φφd

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 ）

I

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

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

∏21Δt 取0.5"，称时间阶梯，其确定原则参看P18. 灵敏性：∏

=

1

.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 =max .max f Zq k Zq k h I K K I K I ⋅⋅=⋅=ⅢⅢ

max f h

Zq k h h dZ

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 ∆+ⅢⅢ＝32、t t t ∆+Ⅲ

Ⅲ＝21

―――――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

Ⅲ

dZ

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

Ⅲ

dZ

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：

21

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 ..3

2

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 J I e U lm

φ

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≤≤-∙

∙

D

C U U

用四边形法则来分析它们之间的关系：

90arg

<∙

∙

D

C U U

90arg

=∙

∙

D

C U U 90arg

>∙

∙

D

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。

但因为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

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：

因为三相对称，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

d φα-=∴ 90

② 为使P JA >0 一般 900<

当 0=d φ， 1800<<α 当 90=d φ， 9090<<-α

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<

注：出口BC 两相短路，CA U ∙、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。

'

BC 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 '

fz

I dz II K

II dz K I K

I

2

1

= 当仅有助增时：∵AB BC

I I >'

∴1>fz K 仅有外汲时：∵AB BC

I I <'

∴1

I I ='

1=fz K 既有助增，又有外汲时，可能大于1也可能小于1 整定时，应取实际可能的最小值以保证选择性。 七．对方向性电流保护的评价

1． 在多电源网络及单电源环网中能保证选择性 2． 快速性和灵敏性同前述单侧电源网络的电流保护 3． 接线较复杂，可靠性稍差，且增加投资 4． 出口)3(d 时，GJ 有死区，使保护有死区——缺点 ∴力求不用方向元件（如果用动作电流和延时能保证选择性） 原则：①对于电流速断保护（第Ⅰ、Ⅱ段）