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第二章 电流保护和方向性电流保护1 2-1 2-1 单侧电源网络反映相间短路的电流保护单侧电源网络反映相间短路的电流保护一、过电流继电器1、基本符号及特性参数 动作过程：IJMdcMdcMth+Mm 舌片开始动作 Mdc动作过程中：舌片加速动作(Mdc=K(IJ/)2)Mth 动作终止时出现剩余力矩：M=Mdc-Mth（有利于接点可靠闭合）2动作电流Idz.J：能使继电器刚好动作的最小电流值。返回过程：IJ Idz.J时，由于剩余力矩M 的存在，暂时还不能返回；IJMdc Mdc Mth-Mm 舌片开始返回 Mdc返回过程中：舌片加速返回 Mth 返回终止时出现剩余力矩：M=Mth-Mdc （有利于接点可靠断开）返回电流Ih.J：能使继电器刚好返回的最大电流值。3过电流继电器 表示符号：继电器的返回系数：继电特性：无论起动或返回，继电器J的动作都是明确干脆的，不会停留在某个中间位置，这种特性称为“继电特性”。过量继电器（保护）：反映电气量上升而使保护动作 的继电器(保护)，Kh12、集成电路型过电流继电器（晶体管型：略）43ms延时：防止干扰信号引起的误动(干扰持续时间一般 I(3)d.B.max IIdz.2 I(3)d.c.max 取：IIdz.1=KkII(3)d.B.max IIdz.2=KkII(3)d.C.max（可靠系数：KkI=1.21.3）7(3)灵敏性校验该保护不能保护本线路全长，故用保护范围来衡量：max：最大保护范围.min：最小保护范围.校验保护范围：（min/L）100%15%20%82、电流速断保护的评价 优点：动作迅速(主要优点),简单可靠。缺点：不能保护本线路全长（主要缺点），直接受系统运行方式的影响，受线路长度的影响。9三、限时电流速断保护（电流II段）限时电流速断保护：以较小的动作时限切除本线路全线范围内的故障1、动作电流的整定：与下条线路的电流I段配合。即：保护范围延伸到下条线路，但不超出下条线路电流I段保护范围的末端。即：躲开下条线路电流I段保护范围末端短路时（即流过下条线路的短路电流刚好为其电流I段整定值时），流过本保护的最大短路电流。IIIdz.1=KkIIIIdz.2 =KkIIKkII(3)d.C.max 可靠系数：KkII=1.11.2（Id中非周期分量已 衰减，故比KkI稍小）102、动作时限的配合 为保证本线路电流II段与下条线路电流I段的保护范围重叠区内短路时的动作选择性，动作时限按下式配合：tII1=tI2+tt（t:0.35s0.6s,一般取0.5s）3、保护装置灵敏性的校验 对于过量保护,灵敏系数：（电流保护的故障参数计算值：系统最小运行方式下被保护线路末端发生两相短路时，流过本保护的最小短路电流）11对保护1的电流II段：Klm=要求：Klm 1.31.5 若Klm不满足要求，可继续延伸保护范围使得：IIIdz.1=KkIIIIIdz.2(与下条线路的电流II段保护配合）同时进一步提高时限：tII1=tII2+t2t（保证重叠区内故障的动作选择性）四、定时限过流保护（电流III段，主要作为后备保护，对灵敏性要求高）1、动作电流的整定原则 按躲开流过保护的最大负荷电流来整定：IIIIdz Ifh.max12 实际整定原则：考虑到外部故障切除后，电压恢复时电动机的自启动过程中，保护要能可靠地返回，则要求：IIIIh Izq.max=KzqIfh.max(电动机负荷自启动系数Kzq 1)又：IIIIh=KhIIIIdz （继电器返回系数Kh 1）（可靠系数KkIII取：1.151.25）2、按选择性要求确定过流保护动作时限 为保证动作选择性，动作时限按“阶梯原则”整定:tIII1=MaxtIII2,tIII3,tIII4+t 13 对定时限过流保护，当故障越靠近电源端时，此时短路电流Id越大,但过流保护的动作时限反而越长 缺点 定时限过流保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以作为主保护。3、定时限过流保护灵敏系数的校验(1)作为本线路主保护或近后备时，按本线路末端短路流过本保护的最小短路电流来校验：要求 Klm 1.31.5 14(2)作为远后备时（相邻线路的后备），按相邻线路末端 短路流过本保护的最小短路电流来校验：要求Klm 1.2(3)要求各保护之间Klm互相配合对同一故障点，越靠近故障点的保护，其Klm要求越大 Klm.1 Klm.2 Klm.3 Klm.4 IIIIdz.2 IIIIdz.3 (单侧电源辐射网，此条件自然满足)15五、阶段式电流保护的应用及评价(1)电流I段：由动作电流的整定来保证动作选择性，按躲开某点的短路电流整定，动作迅速（无时限），但不能保护本线路全长，作为主保护的一部分。(2)电流II段：由动作电流整定与时限配合来保证动作选择性，动作电流按躲开某点的短路电流整定，能保护本线路全长，动作时限较小，作为主保护的另一部分（电流I段的补充）(3)电流III段：由动作时限的配合来保证动作的选择性，动作电流按躲开负荷电流整定，其值较小，灵敏度较高，然而动作时限较长，且越靠近电源短路，动作时限反而越长，一般作为后备保护，但是在电网终端可作为主保护。16六、电流保护的接线方式 LJ(接线)TA1、两种常用的接线方式(1)三相星形 (2)两相星形各相LJ出口采用“或”逻辑。继电器动作电流 Idz.J=Idz/nTA 2、两种接线方式的性能分析比较(1)对中性点接地或不接地网中各种相间短路两种接线方式 均能正确反映这些故障.17(2)对中性点非直接接地网中的异地两点接地短路 （不同线路上两点接地）这种电网允许带一个接地点继续运行 串联线路上两点接地时：三相星形接线能保证只切除后一接地点两相星形接线只能保证2/3的机会切除后一接地点18 并联线路上两点接地时：三相星形接线：若保护1，2时限相同，则两接地点将同时被切除，扩大了停电范围。两相星形接线：即使保护1，2时限相同（例如皆由I段动作，或皆由II段动作），也能保证有2/3的机会只切除任一条线路。(3)作为Y/接线变压器后面短路的远后备保护的接线方式 Y/-11接线T：正序：正序：侧超前侧超前Y Y侧侧3030 负序：负序：侧落后侧落后Y Y侧侧3030 现以Y/-11接线的降压变压器为例：19假设低压侧（侧）发生AB两相短路：两相星形的Klm比三相星形降低一半 提高两相星形接线Klm的方法：在两相星形的中线上再接一个继电器3LJ.两相短路时有：3LJ中的电流:I3LJ反映了IB Klm 203、两种接线方式的应用(1)三相星形：接线复杂，不经济，但可提高保护动作的可靠性与灵敏性，广泛用于发电机、变压器等大型贵重元件以及110kV以上高压线路的保护中。(2)两相星形：接线简单、经济，广泛用于各种电网中反映相间短路的110kV以下中、低压线路的电流保护中。（电网中所有采用两相星形接线的保护都应装在相同的两相上，一般为A、C相）21七、三段式电流保护接线图1、原理图 以二次元件为 整体绘制。2、展开图 以二次回路为 整体绘制。交流回路 直流回路222-2 2-2 电网相间短路的方向性电流保护电网相间短路的方向性电流保护一、方向性问题的提出（以双侧电源电网为例）E1单独供电：由保护1、3、5起线路保护作用E2单独供电：由保护6、4、2起线路保护作用E1、E2同时供电：（以B母线两侧保护2,3为例）假设：电流I段保护：IIdz.3IIdz.2 电流III段保护：tIII3tIII2 d1点短路时（要求：2动作，3不动），虽然此时可能满足选择性（3不误动）；但若出现d2点短路，则：2误动 非选择性动作。23规定保护正方向：保护安装处母线 被保护线路分析可知：被保护线路正方向短路时：保护不会出现误动；反方向短路时：由对侧电源供给的短路电流可能造成该保护误动作，此时的功率方向：线路 母线 为防止保护误动,增设功率方向闭锁元件GJ(装于误动保护上)正方向（母线 线路）GJ动作启动保护 短路点位于 反方向（线路 母线）：GJ不动闭锁保护 增设GJ后,双侧电源网可以按单侧电源网的三段电流保护进行配合。24二、GJ的工作原理 保护1上装设GJ 假设GJ接线方式为：加入GJ的电压：相电压（以相应相母线高于中性点N为正极性）电流 相电流（以母线流向线路为正极性）。则：d1点三相短路时：d2点三相短路时：设计一个直线动作边界：当正方向短路时位于动作区，GJ动作 当反方向短路时位于非动作区，GJ闭锁（注：若GJ的接线方式或短路类型变化，则正向短路时 与 的相位差将变化，因此GJ的动作边界应可调整）251、相位比较式GJ相位比较器：两输入量：动作条件：（锐角型）或 （钝角型）相位比较式GJ：两输入量：（其中 GJ的内角）动作条件：26其功率表示形式为：调 调GJ的动作边界 当 超前 的角度：时：垂直于动作边界，位于动作范围的正中央，GJ动作最为灵敏可靠，此时的 称为GJ的最灵敏角 ，可见 2、幅值比较式GJ幅值比较器：两输入量：动作条件：27幅值比较器与锐角型相位比较器的关系（互换条件）：若取：则：当相位比较器位于动作区，即：即幅值比较器也位于动作区 当相位比较器位于非动作区，即：即幅值比较器也位于非动作区当满足：时（为任意相量），幅值比较器与锐角型相位比较器具有相同的动作特性。（幅值比较器与钝角型相位比较器的互换关系为：)28 幅值比较式GJ：两输入量：则两比较量：其特性与相位比较式GJ完全相同。三、集成电路型GJ 1、相位比较式原理分析：相位比较 时间比较 当 时：的持续时间5ms。（当夹角为钝角时，相应持续时间5ms）292、集成电路型GJ 具体构成:3、GJ的动作特性 理想GJ动作条件:90J0实际GJ:起动电压Udz.J.min：电压回路形成方波电压U3所需最小电压。起动电流Idz.J.min：电流回路形成方波电压U4所需最小电流。30 当线路正向出口附近故障使：UJ Udz.J.min时，GJ拒作，出现电压死区 （由于故障时电流IJ较大，不存在电流死区）。GJ的“潜动”问题：在只加电压UJ或只电流加IJ时，GJ就能动作。（零点飘移造成是不利因素）集成电路GJ采用“同为正”及“同为负”的持续时间皆大于5ms的“与”门输出来消除“潜动”，但同时也就增大了死区。四、相间短路GJ的接线方式 要求：(1)正方向任何相间故障:GJ动作 反方向任何相间故障:GJ不动 (2)加入GJ的UJ、IJ应尽量大,且使正向故障的J lm 31 90接线方式:线路正方向各种相间短路时,90接线方式的工作情况分析：1、正方向三相短路三相完全对称以GJA为例分析(GJB、GJC相同):（d：线路阻抗角）当Zd 0时，UJ 0 Udz.J.min，GJ拒动，存在死区。为使GJ动作灵敏，应尽量使lm-(90-d),即:(90-d)322、正方向两相短路以BC两相短路为例分析：A相为非故障相，Ifh方向不定，故GJA动作情况不定（但由于IAIfh很小，A相电流元件LJA不起动，则不需考虑GJA）分析故障相方向元件GJB、GJC的情况：33(1)d(2)点位于保护安装处附近（ZdZS）34同理可分析AB、CA两相短路的情况 3、结论：在线路正方向各种相间故障情况下,故障相GJ的J是在以-(90-d)为中心左右偏离不超过30的范围内。（反方向各种相间故障时,故障相GJ的J是在以180-(90-d)=90+d为中心左右偏离不超过30的范围内）对三相短路存在死区（保护安装处正向出口附近），但对各种两相短路不存在死区（UJ中包含非故障相电压，其值较大）。35 若线路阻抗角为d，为降低死区，应尽量使：lm -(90-d)即：(90-d)功率方向元件GJ与电流元件LJ应采用按相启动原则(即相应相的GJ与相应相的LJ相“与”后作为该相出口，然后各相出口再相“或”输出）。只需采用两个方向元件（一般接于A，C相）即可反映各种相间短路的正、反方向。三相短路的死区，对于动作速度要求不高的线路可由前级线路的保护作为远后备来切除；对动作速度要求高的线路可利用记忆作用来消除死区（由于故障前的电压UJ0与故障后的电压UJ同相，故可用UJ0代替UJ与电流IJ比相，而UJ0的值较大，无死区）364、方向性电流保护原理接线图 37五、多电源网中电流保护整定的特点1、电流I段的特殊整定方法由电流I段保护整定原则：IIdz.1I(3)d1.max；IIdz.2I(3)d2.max若取：IIdz.1=IIdz.2=KkIMaxI(3)d1.max，I(3)d2.max则d1点及d2点短路，保护1、2皆不会动作。即保护的反方向短路皆不误动，故保护1、2皆不需装设GJ。但这样整定后，原整定值较小的保护由于其整定值提高保护范围（灵敏度），所以必须在最小保护范围满足要求的前提下，才可采用这种整定方法。382、分支电路对电流II段整定的影响分支系数：(1)助增电流的影响 保护2的电流I段的保护范围末端M短路（即IBC=IIdz.2时），流过保护1的电流：IAB=IBC/KfzIIdz.2/Kfz IIIdz.1=KkIIIAB=KkIIIIdz.2/KfzKfz的求取：39(2)外汲电流的影响 IIIdz.1=KkIIIAB=KkIIIIdz.2/Kfz(3)根据实际可能的多种运行方式，在电流II段整定时Kfz应按可能的最小值考虑。六、方向元件GJ的装设原则 GJ存在死区，一般只在必须装GJ的保护上装设GJ。GJ装设原则：(1)所有负荷支路（对侧无电源的支路）上不装设GJ。40(2)电流I段：在保护反方向短路时，若流过保护的短路电流大于保护整定值，则该保护上必须装GJ。在双端电源的某线路两端的保护中，整定值较小的保护上必须装GJ，整定值较大的保护上可不装GJ。例如IIdz.1IIdz.2，则IIdz.1I(3)d2.max,则保护1反方向短路不会误动。若电流I段采用特殊整定方法（线路两端保护整定值相同），则两端保护皆可不装GJ。(3)电流II段：在该保护反方向线路的电流I段保护范围末端以外发生短路时，若流过该保护的短路电流大于保护整定值，则该保护上必须装GJ。41 在双端电源的某线路两端的保护中，整定值较小的保护上必 须 装 GJ，整 定 值 较 大 的 保 护 上 可 不 装 GJ。例 如IIIdz.1IIIdz.2,则有IIIdz.1IIdz.3,即保护1电流II段反方向保护范围不超过保护3电流I段保护范围，即保护1反方向保护范围内短路将由保护3的电流I段动作，而保护1的电流II段不会误动）。(4)电流III段：在某一母线各侧有源支路的保护中，动作时限唯一最长的保护上可不装GJ，其余的必须装GJ（考虑到误差，一般要求比其他保护动作时限长t以上）。例如保护1动作时限唯一最长，则其反方向短路时皆由其他保护先动作跳闸，而保护1不会误动。42