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第2章 電網的電流保護,返回總目錄,電網正常運行時，輸電線路上流過正常的負荷電流，母線電壓約為額定電壓。當輸電線路發(fā)生短路時，故障相電流增大。根據這一特征，可以構成反應故障時電流增大而動作的電流保護。 本章根據電網相間短路及單相接地故障的特征，主要介紹單側電源網絡的相間短路保護的三段式電流保護和多側電源網絡相間短路保護的方向電流保護，以及電網單相接地故障的零序電流保護，重點介紹這些保護的工作原理、保護裝置的整定計算和接線方式。, 2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護 2.2 電網相間短路的方向性電流保護 2.3 大電流接地系統(tǒng)的零序電流保護 2.4 小電流接地系統(tǒng)的零序電流保護 思考題與習題,本章內容,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,對于單側電源網絡的相間短路保護主要采用三段式電流保護，即第一段為無時限電流速斷保護，第二段為限時電流速斷保護，第三段為定時限過電流保護。其中第一段、第二段共同構成線路的主保護，第三段作為后備保護。,2.1.1 反應單一電氣量的繼電器,1. 繼電器的分類 繼電器是根據某種輸入信號來實現(xiàn)自動切換電路的自動控制電器。當其輸入量達到一定值時，能使其輸出的被控制量發(fā)生預計的狀態(tài)變化，如觸點打開、閉合或電平由高變低、由低變高等，具有對被控制電路實現(xiàn)“通”、“斷”控制的作用，所以它“類似于開關”。 繼電器的基本原理是：當輸入信號達到某一定值或由某一定值突跳到零時，繼電器就動作，使被控制電路通斷。它的功能是反應輸入信號的變化以實現(xiàn)自動控制和保護。所以，繼電器也可以這樣定義：能自動地使被控制量發(fā)生跳躍變化的控制元件稱為繼電器。 在電力系統(tǒng)繼電保護回路中，常用繼電器的實現(xiàn)原理隨著相關技術的發(fā)展而變化。目前仍在使用的繼電器按輸入信號的性質可分為電氣繼電器(如電流繼電器、電壓繼電器、功率繼電器、阻抗繼電器等)和非電氣繼電器(如,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,溫度繼電器、壓力繼電器、速度繼電器、瓦斯繼電器等)兩類；按工作原理可分為電磁式、感應式、電動式、電子式(如晶體管型)、整流式、熱式(利用電流熱效應的原理)、數字式等；按輸出形式可分為有觸點式和無觸點式；按用途可分為控制繼電器(用于自動控制電路中)和保護繼電器(用于繼電保護電路中)。保護繼電器按其在繼電保護裝置中的功能，可分為主繼電器(如電流繼電器、電壓繼電器、阻抗繼電器等)和輔助繼電器(如時間繼電器、信號繼電器、中間繼電器等)。 2. 繼電器的基本組成 繼電器主要由反應機構、執(zhí)行機構和中間機構三個部分組成。反應機構也稱輸入部分，其作用是能夠反應外界一定的輸入信號，并將其變換成繼電器動作的某種特定的物理量(也稱其為感受和變換功能)，如電磁式電流繼電器的電磁系統(tǒng)，它反應輸入的電流信號并將其變換為電磁力。執(zhí)行機構也稱輸出部分，其作用是對被控制電路實現(xiàn)通斷控制，它分為有觸點式的(如電磁式電流繼電器的觸頭系統(tǒng))和無觸點式的(如電子式繼電器，其中的晶體管、晶閘管具有導通和截止兩種狀態(tài)，可實現(xiàn)通斷控制，所以是執(zhí)行機構)。比較機構也稱中間部分，它處于反應機構和執(zhí)行機構之間，其作用是將輸入部分,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,反應并變換的物理量與繼電器的動作值進行比較，以決定執(zhí)行機構是否動作(簡稱為比較功能)。為什么要進行比較？因為繼電器并不是在任意一個輸入量下都可以使執(zhí)行機構動作的，只有輸入量達到一定值時才動作。如電磁式電流繼電器的復位彈簧，事先對其調整使其具有一定的彈簧力，只有當電磁力的作用大于此彈簧力的作用時，才能使執(zhí)行機構動作，所以復位彈簧就是比較機構。 3. 繼電器的繼電特性 繼電器的繼電特性(也稱控制特性)是指繼電器的輸入量和輸出量在整個變化過程中的相互關系。對于電磁式電流繼電器，其繼電特性如圖2.1所示。 當 時，繼電器不動作，而 當時，繼電器突然迅速動作。動作后，當保持 時，繼電器保持動作后狀態(tài)。只有當時 ，繼電器才突然返回到原位。無論是動作還是返回，繼電器都是從起始位置到最終位置，它不可能停留在某一個中間位置上。這種特性就稱之為繼電器的“繼電特性”。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,4. 繼電器的返回系數 繼電器的返回系數是指返回電流與動作電流的比值，即 是一個重要的參數，在實際應用中要求繼電器有較高的返回系數。對于電磁式電流繼電器來說，可以采用堅硬的軸承以減小摩擦轉矩，或改善磁路系統(tǒng)的結構以適當減小剩余轉矩等方法來提高返回系數。 一般情況下，反應電氣量增加而動作的繼電器，稱過量繼電器。其返回系數小于1，但要求其不小于0.85。反應電氣量降低而動作的繼電器，稱欠量繼電器。其返回系數大于1，但要求其不大于1.2。,5. 對繼電器的基本要求 對繼電器的基本要求是工作可靠，動作過程具有“繼電特性”。繼電器的工作可靠是最重要的，主要是通過各部分結構設計合理、制造工藝先進、經過高質量檢測等來,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,保證。其次要求繼電器動作值誤差小、功率損耗小、動作迅速、動穩(wěn)定性和熱穩(wěn)定性好以及抗干擾能力強。另外，還要求繼電器安裝、整定方便，運行維護少，價格便宜等。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,在保證選擇性和可靠性要求的前提下，根據對繼電保護快速性的要求，原則上應裝設快速動作的保護裝置，使切除故障的時間盡可能短。反應電流增加，且不帶時限(瞬時)動作的電流保護稱為無時限電流速斷保護，簡稱電流速斷保護。 1. 工作原理 對于圖2.2所示的單側電源輻射形電網，為切除故障線路，需在每條線路的電源側裝設斷路器和相應的保護裝置，即無時限電流速斷保護分別裝設在線路L1、L2的電源側(也稱為線路的首端)。當線路上任一點發(fā)生三相短路時，通過被保護元件(即線路)的電流為 (2-2) 式中 系統(tǒng)等效電源的相電勢，也可以是母線上的電壓； 保護安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗，即系統(tǒng)阻抗； 線路單位長度的正序阻抗，單位為； 短路點至保護安裝處之間的距離。,2.1.2 電流速斷保護,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,圖2.2 單側電源輻射形電網電流速斷保護工作原理圖,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,若 和 為常數，則短路電流將隨著 的減小而增大，經計算后可繪出其變化曲線，如圖2.2所示。若 變化，即當系統(tǒng)運行方式變化時，短路電流都將隨著變化。 當系統(tǒng)阻抗最小時，流經被保護元件短路電流最大的運行方式稱為最大運行方式。 圖2.2中曲線1表示系統(tǒng)在最大運行方式下短路點沿線路移動時三相短路電流的變化曲線。 短路時系統(tǒng)阻抗最大，流經被保護元件短路電流最小的運行方式稱為最小運行方式。在最小運行方式下，發(fā)生兩相短路時通過被保護元件的電流最小，即最小短路電流為,(2-3),2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,動作電流整定后是不變的，如圖2.2中的直線3，它與曲線1、2各有一個交點M和N。在交點以前的線路上發(fā)生短路故障時，由于 ，保護1的電流速斷保護能夠動作；在交點以后的線路上短路時，由于 ，保護不能動作。因此電流速斷保護不能保護本線路的全長，而且保護的范圍隨運行方式和故障類型的變化而變化。 2. 保護范圍校驗 電流速斷保護的靈敏系數通常用保護范圍來衡量，保護范圍越長，表明保護越靈敏。由圖2.2可見，最大運行方式下三相短路時，保護范圍最大為 ；最 小運行方式下兩相短路時，保護范圍最小為 。保護范圍通常用線路全長的百分數表示，一般要求最大保護范圍50%，最小保護范圍15%。 電流速斷保護的保護范圍可通過下面的方法求得：在最大運行方式下( )，保護范圍末端( )發(fā)生三相短路時，短路電流 與動作電流 相等，即 解之，得 (2-5),(2-4b),2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,解之，得 在最小運行方式下( )，保護范圍末端( )發(fā)生兩相短路時，短路電流 與動作電流 相等，即 解之，得 (2-6),(2-5),2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,3. 電流速斷保護的構成 電流速斷保護的單相原理接線如圖2.3所示。電流繼電器KA接于電流互感器TA的二次側，當流過它的電流大于它的動作電流后，電流繼電器KA動作，啟動中間繼電器KM，,圖2.3 電流速斷保護原理接線 KM觸點閉合后，經信號繼電器KS線圈、斷路器輔助觸點 QF接通跳閘線圈YR，使斷路器跳閘。接入中間繼電器KM的作用：,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,(1) 增大觸點容量，防止由KA觸點直接接通跳閘回路時因容量過小而被破壞； (2) 當線路上裝有管型避雷器時，利用中間繼電器來增大保護裝置的固有動作時間，以防止管型避雷器放電時引起電流速斷保護誤動作。 信號繼電器KS的作用是，在整套保護裝置動作后，指示并記錄該保護的動作，供運行人員查找和分析故障。跳閘回路中接入斷路器QF的輔助觸點QF，在斷路器跳閘時，其輔助觸點隨之打開，切斷跳閘回路電流。否則，由中間繼電器的觸點切斷跳閘回路，將會燒壞中間繼電器的觸點。 電流速斷保護的主要優(yōu)點是動作迅速、簡單可靠。缺點是不能保護線路的全長，且保護范圍受系統(tǒng)運行方式和線路結構的影響。當系統(tǒng)運行方式變化很大或被保護線路很短時，甚至沒有保護范圍。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,由于有選擇性的電流速斷保護不能保護本線路的全長，為快速切除本線路其余部分的短路，應增設第二套保護。為保證選擇性和快速性，該保護應與下一線路的電流速斷保護在保護范圍和動作時限上相配合，即保護范圍不超過下一線路電流速斷保護的保護范圍，動作時限比下一線路電流速斷保護高出一個時限級 差 ,這種帶有一定延時的電流速斷保護稱為限時電流速斷保護。 1. 工作原理與動作電流 現(xiàn)以圖2.4中的保護1為例，來說明限時電流速斷保護的整定計算。假設保護2裝有電流速斷保護，其動作電流整定為 ，它與最大短路電流變化曲線1的交點為P，這就是它的保護范圍。而保護1限時電流速斷保護的保護范圍不能超過保護2電流速斷保護的保護范圍，即P點所對應的短路點k2之前，所以在單側電源供電的情況下，保護1的限時電流速斷保護的保護范圍應在k1點和k2點,2.1.3 限時電流速斷保護,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,之間。為什么？因為：若在k1點之前，則不能保護本線路的全長；若在k2點之后，則失去與保護2電流速斷保護的選擇性。所以保護1限時電流速斷保護的動作電流應整定為 ，考慮到各種誤差的影響，則有,(2-7),式中 限時電流速斷保護的可靠系數，取1.11.2。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2. 動作時限的整定 由圖2.4可知，保護1限時電流速斷保護的保護范圍已延伸至下一線路電流速斷保護的保護范圍，為保證選擇性，要求限時電流速斷保護的動作時 限 要高于下一線路電流速斷保護的動作時限 一個時限級差 ，即 (2-8) 對于時限級差 ，從盡快切除故障出發(fā)，應越小越好，但為了保證兩套保護動作的選擇性， 又不能選擇過小。影響的主要因素有： (1) 前一級保護動作的負偏差(即保護可能提前動作) 。 (2) 后一級保護動作的正偏差(即保護可能延后動作) 。 (3) 保護裝置的慣性誤差(即斷路器跳閘時間：從接通跳閘回路到觸頭間電弧熄滅的時間) 。 (4) 為保證有選擇性，再加一個時間裕度 ，則時限級差為 (2-9),2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,由此確定的 一般為0.35s0.5s，實際應用中取 =0.5s。 保護1與保護2的配合關系，即保護動作時間與短路點至保護安裝處之間距離的關系，用 來描述，如圖2.4所示。在保護2電流速斷保護范圍內的短路，將以 的時間切除，此時保護1的限時電流速斷雖然可以啟動，但因 較 大一個 ，而在QF2跳閘后，保護1將返回，所以從時間上保證了選擇性。若短路發(fā)生在保護1電流速斷保護范圍內時，保護1將以 時間切除，而在該線路其他點短路時，保護1將以 時間切除。所以，當線路裝設電流速斷保護和限時電流速斷保護后，它們的聯(lián)合工作就可以保證在全線路范圍內的短路故障都能在0.5s時間內予以切除，在一般情況下都能滿足速動性的要求。它們的共同作用，構成了線路的主保護，即以最短的時間切除全線路任一點發(fā)生的短路。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,圖2.4 限時電流速度保護工作原理及時限特性,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,3. 靈敏系數校驗 為了能夠保護本線路的全長，限時電流速斷保護在系統(tǒng)最小運行方式下線路末端發(fā)生兩相短路時，應具有足夠的靈敏性，一般用靈敏系數來校驗，即規(guī)程規(guī)定 1.5 (2-10) 式中 最小運行方式下被保護線路末端發(fā)生兩相金屬性短路時，流過本線路保護的電流； 本線路限時電流速斷保護的動作電流。 必須進行靈敏系數校驗的原因，主要是考慮下列因素： (1) 故障點存在過渡電阻，使實際短路電流比計算電流小，不利于保護動作。 (2) 實際的短路電流由于計算誤差或其他原因而小于計算值。 (3) 由于電流互感器的負誤差，使實際流入保護裝置的電流小于計算值。 (4) 繼電器實際動作電流比整定電流值高，即存在正誤差等。 (5) 考慮一定的裕度。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,當靈敏系數不能滿足要求時，在保護范圍內發(fā)生短路時，在上述不利因素的影響下，將導致保護拒動，達不到保護線路全長的目的。這時可采用降低保護動作值的辦法來提高靈敏系數，即使之與下級線路的限時電流速斷相配合。如保護1的動作電流 與下一條線路保護2的限時電流速斷保護的動作電 配合，則 (2-11) 此時 (2-12) 可見，保護范圍的伸長(即靈敏性提的高)，必然導致動作時限的升高。 4. 原理接線圖 限時電流速斷保護的單線原理接線如圖2.5所示。其動作過程與圖2.3所示的電流速斷保護基本相同，不同的是用時間繼電器KT代替了中間繼電器KM。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,當電流繼電器KA動作后，需經KT建立延時后才能動作于跳閘。若在 之前故障已被切除，則已經啟動的KA返回，使KT立即返回，整套保護裝置不會誤動作。,圖2.5 限時電流速斷保護單相原理接線,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2.1.4 定時限過電流保護,過電流保護通常是指其動作電流按躲過最大負荷電流來整定的保護，它分為兩種類型：一種是保護啟動后出口的動作時間是固定的整定時間，稱為定時限過電流保護；另一種是出口動作時間與過電流的倍數有關，電流越大，出口動作越快，稱為反時限過電流保護。本節(jié)只介紹定時限過電流保護。定時限過電流保護(也可簡稱為過電流保護)在正常運行時，不會動作。當電網發(fā)生短路時，則能反應于電流的增大而動作。由于短路電流一般比最大負荷電流大得多，所以保護的靈敏性較高，不僅能保護本線路的全長，作本線路的近后備保護，而且還能保護相鄰線路全長，作相鄰線路的遠后備保護。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,1. 工作原理和動作電流 為保證在正常情況下各條線路上的過電流保護絕對不動作，過電流保護的動作電流應大于該線路上可能出現(xiàn)且通過保護裝置的最大負荷電流，即 ；同時還必須考慮在外部故障切除后電壓恢復時負荷自啟動電流作用下保護裝置必須能夠可靠返回，即返回電流應大于負荷自啟動電流。 如圖2.6所示，當k點短路時，保護1和保護2的過電流保護將同時啟動，但根據選擇性要求，應由保護2動作切除故障，此時保護1由于電流已減小應立即返回。而這時通過保護1的可能的最大電流不再是正常運行時的最大負電流 了 ，這是因為短路時，變電所B母線電壓降低，接在該母線上的電動機的轉速會降低或停轉，在故障切除后電壓恢復時，電動機將自啟動，而電動機的自啟動電流要大于它正常工作時的電流。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,電動機最大自啟動電流 與正常運行時最大負荷電流 的關系為 式中 自啟動系數，其數值由負載的性質及電網的具體接線決定，一般取1.53。 為使保護1在此電流下能可靠返回，其返回電流應滿足關系式 ，引入可靠系數則有 (2-14) 式中 定時限過電流保護的可靠系數，一般取1.151.25； 由電流繼電器動作電流與返回電流的關系 ，可得過電流保護的動作電流為 (2-15) 由式(2-15)可知，當返回系數越小時，則過電流保護的動作電流越大，則保護的靈敏性就越差，所以要求繼電器的返回系數應盡可能大。,(2-13),2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2. 動作時限的整定 如圖2.7所示的網絡，假設各條線路都裝有過電流保護，且均按躲過各自的最大負荷電流來整定動作電流。當k點短路時，保護14在短路電流的作用下，都可能啟動，為滿足選擇性要求，應該只有保護4動作切除故障，而保護13在故障切除后應立即返回。如何來滿足這個要求呢？只能依靠選擇不同的動作時限來保證。 過電流保護的動作時限是按階梯原則來選擇的。從離電源最遠的保護開始，如圖2.7中保護4處于電網的末端，只要發(fā)生故障，它不需要任何選擇性方面的配合，可以瞬時動作切除故障，所以 只是保護裝置本身的固有動作時間， 即 為保證選擇性，保護3的動作時間 應比 高一個時間級差 ，即 (2-16) 依次類推，可以得到 、 ?？梢钥闯觯Ｗo的動作時間向電源側逐級增加至少一個 ，只有這樣才能充分保證動作的選擇性。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,但必須注意，過電流保護的動作時限在按上述階梯原則整定的同時，還需要與各線路末端變電所母線上所有出線保護動作時限最長者配合。如圖2.7中，若保護5的動作時間大于保護3的動作時間，則保護2的動作時間應按 來整定。,圖2.7 單側電源輻射形電網過電流保護動作時限選擇說明圖,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,3. 靈敏系數校驗 過電流保護的靈敏系數校驗類似于限時電流速斷保護，即 (2-17) 當過電流保護作本線路近后備保護時， 取最小運行方式下本線路末端兩相金屬性短路電流來校驗，要求 ；當過電流保護作相鄰線路的遠后備保護時， 應取最小運行方式下相鄰線路末端兩相金屬性短路電流來校驗，要求 。 此外應注意，各過電流保護之間還應在靈敏系數上進行配合，即對同一故障點來說，要求靠故障點近的保護，靈敏系數應越高，否則將失去選擇性。如圖2.7中的過電流保護1和2，由于通過同一最大負荷電流，所以動作電流相同，假定為100A。實際上若保護2的電流繼電器動作值有正誤差，如105A(一次值)，而保護1剛好有負誤差，如95A，那么，當k1點短路時流過保護1、2的短路電流為102A，保護2不動作，而保護1卻要動作，將失去選擇性。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,對于圖2.7中的k點短路時，要求各過電流保護的靈敏系數應滿足如下關系，即 (2-18) 在單側電源的網絡接線中，由于越靠近電源端時，負荷電流越大，從而保護裝置的整定值越大，而發(fā)生故障后，各保護裝置均流過同一個短路電流，因此上述靈敏系數應相互配合的要求是能夠滿足的。 所以，對于過電流保護，只有在靈敏系數和動作時限都能相互配合時，才能保證選擇性。當過電流保護的靈敏系數不能滿足要求時，可采用電壓啟動的電流保護、負序電流保護或距離保護等。 過電流保護的單相原理接線與圖2.5相同。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2.1.5 階段式電流保護的應用及評價,1. 階段式電流保護的構成 無時限電流速斷保護、限時電流速斷保護和過電流保護都是反應于電流增大而動作的保護，它們之間的區(qū)別主要在于按照不同的原則來整定動作電流。電流速斷保護是按照躲開本線路末端的最大短路電流來整定，它雖能無延時動作，但卻不能保護本線路全長；限時電流速斷保護是按照躲開下級線路各相鄰元件電流速斷保護的最大動作范圍來整定，它雖能保護本線路的全長，卻不能作為相鄰線路的后備保護；而定時限過電流保護則是按照躲開本線路最大負荷電流來整定，可作為本線路及相鄰線路的后備保護，但動作時間較長。 為保證迅速、可靠而有選擇性地切除故障，可將這三種電流保護，根據需要組合在一起構成一整套保護，稱為階段式電流保護。 具體應用時，可以采用電流速斷保護加定時限過電流保護，或限時電流速斷保護加定時限過電流保護，也可以三者同時采用。應用較多的就是三段式電流,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,保護，其各段的動作電流、保護范圍和動作時限的配合情況如圖2.8所示。當被保護線路始端短路時，由第I段瞬時切除；該線路末端附近的短路，由第II段經0.5s延時切除；而第III段只起后備作用，所以裝有三段式電流保護的線路，一般可在0.5s左右時限內切除故障。,圖2.8 階段式電流保護的配合說明圖,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2. 階段式電流保護的配合 現(xiàn)以圖2.8為例來說明階段式電流保護的配合。在電網最末端的線路上，保護4采用瞬時動作的過電流保護即可滿足要求，其動作電流按躲過本線路最大負荷電流來整定，與電網中其他保護的定值和時限上都沒有配合關系。在電網的倒數第二級線路上，保護3應首先考慮采用0.5s動作的過電流保護；如果在電網中線路CD上的故障沒有提出瞬時切除的要求，則保護3只裝設一個0.5s動作的過電流保護也是完全允許的；但如果要求線路CD上的故障必須快速切除，則可增設一個電流速斷保護，此時保護3就是一個速斷保護加過電流保護的兩段式保護。而對于保護2和1，都需要裝設三段式電流保護，其過電流保護要和下一級線路的保護進行配合，因此動作時限應比下一級線路中動作時限最長的再長一個時限級差，一般要整定為1s1.5s。所以，越靠近電源端，過電流保護的動作時限就越長。因此必須裝設三段式電流保護。 3. 三段式電流保護整定計算舉例 【例2.1】 如圖2.9所示的網絡，試對保護1進行三段式電流保護整定計算，并計算繼電器的動作電流。已知 ， ， ，,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,圖2.9 例2.1的網絡圖,解：(1) 保護1電流段整定計算： 求動作電流。按躲過最大運行方式下本線路末端(即k1點)三相短路時流過保護的最大短路電流來整定，即 注意：計算時，母線電壓應考慮的裕量。 采用兩相不完全星形接線方式時，流過繼電器的動作電流為,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護, 動作時限。第段為電流速斷，動作時間為保護裝置的固有動作 時間，即 。 靈敏系數校驗，即求保護范圍。 在最大運行方式下發(fā)生三相短路時的保護范圍為 則 ，滿足要求。 在最小運行方式下的保護范圍為 則 ，滿足要求。 (2) 保護1電流段整定計算： 求動作電流 。按與相鄰線路保護I段動作電流相配合的原則來整定，即,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,采用兩相不完全星形接線方式時流過繼電器的動作電流為 動作時限。應比相鄰線路保護I段動作時限高一個時限級差 ，即 靈敏系數校驗。利用最小運行方式下本線路末端(即k1點)發(fā)生兩相金屬性短路時流過保護的電流來校驗靈敏系數，即 ，滿足要求。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,(3) 保護1電流段整定計算： 求動作電流 。按躲過本線路可能流過的最大負荷電流來整定，即 采用兩相不完全星形接線方式時流過繼電器的動作電流為 動作時限。應比相鄰線路保護的最大動作時限高一個時限級差 ，即 靈敏系數校驗。 作近后備保護時，利用最小運行方式下本線路末端(即k1點)發(fā)生兩相金屬性短路時流過保護裝置的電流來校驗靈敏系數，即 1.5，滿足要求。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,作遠后備保護時，利用最小運行方式下相鄰線路末端(即k2點)發(fā)生兩相金屬性短路時流過保護裝置的電流來校驗靈敏系數，即 1.2，滿足要求。 4. 三段式電流保護的評價 對繼電保護的評價，主要是從選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個方面出發(fā)，看其是否滿足電力系統(tǒng)安全運行的要求，是否符合有關規(guī)程的規(guī)定。 1) 選擇性 在三段式電流保護中，電流速斷保護的選擇性是靠動作電流來實現(xiàn)的；限時電流速斷保護和過電流保護則是靠動作電流和動作時限來實現(xiàn)的。它們在35kV及以下的單側電源輻射形電網中具有明顯的選擇性，但在多電源網絡或單電源環(huán)網中，則只有在某些特殊情況下才能滿足選擇性要求。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2) 速動性 電流速斷保護以保護固有動作時限動作于跳閘；限時電流速斷保護動作時限一般在0.5s以內，因而動作迅速是這兩種保護的優(yōu)點。過電流保護動作時限較長，特別是靠近電源側的保護動作時限可能長達幾秒，這是過電流保護的主要缺點。 3) 靈敏性 電流速斷保護不能保護本線路全長，且保護范圍受系統(tǒng)運行方式的影響較大；限時電流速斷保護雖能保護本線路全長，但靈敏性依然要受系統(tǒng)運行方式的影響；過電流保護因按最大負荷電流整定，靈敏性一般能滿足要求，但在長距離重負荷線路上，由于負荷電流幾乎與短路電流相當，則往往難以滿足要求。受系統(tǒng)運行方式影響大、靈敏性差是三段式電流保護的主要缺點。 4) 可靠性 由于三段式電流保護中繼電器簡單，數量少，接線、調試和整定計算都較簡便，不易出錯，因此可靠性較高。 總之，使用一段、二段或三段而組成的階段式電流保護，其最主要的優(yōu)點就是簡單、可靠，并且在一般情況下能滿足快速切除故障的要求，因此在電網中特別是在35kV及以下的單側電源輻射形電網中得到廣泛的應用。其缺點是受電網的接線及電力系統(tǒng)運行方式變化的影響，使其靈敏性和保護范圍不能滿足要求。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2.1.6 電流保護的接線方式 1. 電流保護的接線方式 電流保護的接線方式是指保護中電流繼電器與電流互感器二次繞組之間的連接方式。對于相間短路的電流保護，主要有三種接線方式：三相三繼電器的完全星形接線，兩相兩繼電器的不完全星形接線，兩相一繼電器的兩相電流差接線。 1) 三相三繼電器的完全星形接線 三相三繼電器的完全星形接線如圖2.10所示。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,圖2.10 三相三繼電器完全星形接線,它是將三個電流互感器與三個電流繼電器分別按相連接在一起，互感器和繼電器均接成星形。三個繼電器的觸點并聯(lián)連接，繼電器線圈中的電流就是互感器的二次電流。在中線上流回的電流為 (2-19) 正常時，三相平衡， 。當系統(tǒng)發(fā)生非對稱接地故障時或發(fā)生相間短路時，三相電流不對稱， 大幅增加，使繼電器動作。因繼電器的觸點是并聯(lián)的，其中任何一個觸點動作均可動作于跳閘或使時間繼電器啟動，所以可靠性和靈敏性較高；又由于在每相上均裝有電流繼電器，所以它可以反應各種相間短路和中性點直接接地電網中的單相接地短路。所以它主要用于中性點直接接地電網中進行各種相間短路保護和單相接地短路保護。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2) 兩相兩繼電器的不完全星形接線 兩相兩繼電器的不完全星形接線(也稱V形接線或兩相星形接線)如圖2.11所示，與完全星形接線相比，就是在B相上不裝設電流互感器和電流繼電器(設備相對少了)，所以不能反應B相中流過的電流(不能完全反應系統(tǒng)的單相接地故障)。這種接線方式中，中性線中流回的電流為 ，所以可以反應各種類型的相間短路(其觸點也是并聯(lián))。由于這種接線方式較為簡單、經濟，所以在中性點直接接地電網和中性點非直接接地電網中，廣泛作為相間短路保護的接線方式。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,3) 兩相一繼電器的兩相電流差接線 兩相一繼電器的兩相電流差接線如圖2.12所示，流過電流繼電器的電流為 即兩相電流之差。它有三種情況：在對稱運行和三相短路時， ；在A、C兩相短路時， ；在AB或BC兩相短路時， 或 。所以在不同類型的短路情況下，流過繼電器中的電流 與互感器的二次電流 之比是不同的，為了表征二者的關系，在保護裝置整定計算中引入一個接線系數 ，其定義為流過電流繼電器的電流 與電流互感器二次電流 之比，即 (2-20) 由此式可知，在完全星形接線和不完全星形接線中， ，而在兩相電流差接線中，對于不同的故障，其數值不同，三相短路時， ，A、C兩相短路時 ，AB或BC兩相短路時， 。因為接線系數在不同的故障時不同，所以保護裝置的靈敏度也不相同，但所用設備少，簡單、經濟，所以主要用于低壓線路保護和電動機保護中靈敏度較易滿足的場合。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,圖2.11 兩相兩繼電器不完全星形接線 圖2.12 兩相一繼電器的兩相電流差接線,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,2. 三段式電流保護裝置接線圖 電力系統(tǒng)繼電保護的接線圖一般有框圖、原理圖和安裝圖三種。對于采用機電型繼電器構成的繼電保護裝置，用得最多的是原理圖。原理圖又分為歸總式原理圖(簡稱原理圖)和展開式原理圖(簡稱展開圖)。 原理圖能展示出保護裝置的全部組成元件及其他們之間的聯(lián)系和動作原理。在原理圖上所有元件都以完整的圖形符號表示，所以能對整套保護裝置的構成和工作原理給出直觀、完整的概念，易于閱讀。三段式電流保護的原理接線圖如圖2.13(a)所示。圖中的保護采用不完全星形接線方式(因為是相間短路保護)，可實現(xiàn)各種類型的相間短路保護。 第I段電流保護由電流繼電器KA1、KA2、中間繼電器KM和信號繼電器KS1組成。第II段電流保護由電流繼電器KA3、KA4、時間繼電器KT1及信號繼電器KS2組成。第III段電流保護由電流繼電器KA5、KA6、KA7、時間繼電器KT2及信號繼電器KS3組成。其中，電流繼電器KA7接于A、C兩相電流之和的中性線上，相當于B相繼電器，則第III段電流保護組成了三相式保護。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,為什么要組成三相式保護？因為第III段電流保護要作為相鄰變壓器的遠后備保護。由于變壓器電抗較大，使后備保護靈敏度常常不能滿足要求，而第III段電流保護采用三相式保護能提高保護的靈敏度。 由于三段式電流保護的各段均設有信號繼電器，因此任一段保護動作于斷路器跳閘的同時，均有相應的信號繼電器掉牌，并發(fā)出信號，以便了解是哪一段動作，宜于進行分析。各段保護均獨立工作，且可通過連接片XB投入或停用。 由圖2.13(a)可知，原理圖只給出保護裝置的主要元件的工作原理，但元件的內部接線、回路標號、引出端子等均未表示出來。特別是元件較多、接線復雜時，原理圖的繪制和閱讀都比較困難，且不便于查線和調試、分析等工作，所以現(xiàn)場廣泛使用展開圖。 展開圖是將交流回路和直流回路分開畫出的。各繼電器的線圈和觸點分別畫在各自所屬的回路中，并用相同的文字符號標注，以便閱讀和查對。在連接上按照保護的動作順序，自上而下、從左到右依次排列線圈和觸點。 閱讀展開圖時，一般應按先交流后直流，由上而下、從左至右的順序閱讀。展開圖的接線簡單，層次清楚，繪制和閱讀都比較方便，且便于查線和調試，特別是對于復雜的保護，其優(yōu)越性更加顯著，所以在生產中得到了廣泛的應用。 圖中繼電器觸點的位置，對應于被保護線路的正常工作狀態(tài)。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,三段式電流保護的展開圖如圖2.13(b)、圖2.13(c)所示。,2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護,(b) 展開圖 (c) 展開圖 圖2.13 三段式電流保護原理接線圖,對于單電源輻射形供電的網絡，每條線路上只在電源側裝設保護裝置就可以了。當線路發(fā)生故障時，只要相應的保護裝置動作于斷路器跳閘，便可以將故障元件與其他元件斷開，但卻要造成一部分變電所停電。為了提高電網供電的可靠性，在電力系統(tǒng)中多采用雙側電源供電的輻射形電網或單側電源環(huán)形電網供電。此時，采用階段式電流保護將難以滿足選擇性要求，應采用方向性電流保護。本節(jié)主要介紹方向性電流保護的工作原理、整定計算、方向繼電器及其接線方式等內容。,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,2.2.1 方向性電流保護的工作原理 1. 方向電流保護的基本原理 對于如圖2.14所示的雙側電源網絡，由于兩側都有電源，所以在每條線路的兩側均需裝設斷路器和保護裝置。當線路上發(fā)生相間短路時，應跳開故障線路兩側的斷路器，而非故障線路仍能繼續(xù)運行。例如，當k1點發(fā)生短路時，應由保護3、4動作跳開斷路器切除故障，而其他線路不會造成停電，這正是雙側電源供電的優(yōu)點。但是單靠電流的幅值大小能否保證保護2、5不誤動作呢？,圖2.14 雙側電源網絡 由圖2.14可知，當k1點短路時，由左側電源提供的短路電流同時流過保護2和保護3，使保護3的電流速斷保護啟動，跳開QF3。如果此短路電流也大于保護2的電流速斷保護的整定值，則保護2可能在保護3跳開QF3之前或同時跳開QF2，這樣保護2的動作將失去選擇性。同時給動作值的整定帶來麻煩。又如對于定時限過電流保護，為滿足選擇性要求，在k1點短路時，要求保護2大于保護3的動作時限；在k2點短路時，又要求保護2小于保護3的動作時限，給保護動作時限的整定造成困難。同理，對于單側電源環(huán)網也會出現(xiàn)這樣的問題。,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,那么，如何解決在雙側電源供電的電網或單側電源環(huán)網中相間短路電流保護失去選擇性和動作時限難以整定的問題呢？由此引入短路功率方向的概念：短路電流方向由母線流向線路稱為正方向故障，允許保護動作；短路電流方向由線路流向母線稱為反方向故障，不允許保護動作。如當k1點短路時，流過保護3的短路功率方向由母線流向線路，保護應該動作；而流過保護2的短路功率方向則由線路流向母線，保護不應該動作。同樣對于k2點短路，流過保護2的短路功率方向由母線流向線路，保護應該動作；而流過保護3的則由線路流向母線，保護不應動作。 所以，只要在電流保護的基礎上加裝一個能判斷短路功率流向的方向元件，即功率方向繼電器，并且只有當短路功率由母線流向線路時才允許動作，而由線路流向母線時則不允許動作，從而使保護的動作具有一定的方向性。這樣就可以解決反方向短路保護誤動作的問題。這種在電流保護的基礎上加裝方向元件的保護稱為方向電流保護。方向電流保護既利用了電流的幅值特征，又利用了短路功率的方向特征。,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,在圖2.15所示的電網中，各電流保護均加裝了方向元件構成了方向電流保護，圖中箭頭方向為各保護的動作方向。把同一方向的保護如1、3、5作為一組，保護2、4、6為另一組，這樣就可將兩個方向上的保護拆開成兩個單電源輻射形電網的保護。當k2點短路時，流經保護1、3、5的短路功率方向均由母線流向線路，與保護的動作方向相同，此時只需考慮保護1、3、5之間的動作電流和動作時限的配合即可，方法與上一節(jié)所述的單電源輻射形電網的階段式保護相同。而流經保護2、4的短路功率方向均由線路流向母線，與保護的動作方向相反，保護不會動作，也就不需要考慮與保護1、3、5之間的整定配合。同理，其他各點短路時，動作方向相反的保護均不會誤動作。,圖2.15 雙側電源網絡的方向性電流保護原理說明圖,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,2. 方向電流保護的單相原理接線 具有方向性的過電流保護的單相原理接線如圖2.16所示，與圖2.5所示的限時電流速斷保護單相原理接線圖相比，只是多了一個用作判斷短路功率方向(即故障方向)的功率方向繼電器。由圖可知，電流元件和方向元件的觸點是串聯(lián)的，它們必須都啟動后，才能去啟動時間元件，經預定的延時后動作于跳閘。 需要說明的是，對于雙側電源輻射形電網或單側電源環(huán)網中的電流保護，在某些情況下不需要方向元件同樣可以實現(xiàn)動作的選擇性，但必須通過比較保護之間的整定值和動作時限的大小來實現(xiàn)，這樣有利于簡化保護的接線，提高動作的可靠性。,圖2.16 方向電流保護單相原理接線圖,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,對于電流速斷保護，如圖2.14中保護3，當其背后k2點發(fā)生相間短路時，流過它的最大短路電流小于其動作電流時，即 ，則保護3的電流速斷不會誤動作，這樣保護3就可以不裝方向元件。采用同樣方法可確定其他電流速斷保護是否應設方向元件。 對于過電流保護，可通過比較同一母線兩側保護的動作時限來決定是否采用方向元件。如圖2.14中保護2的動作時限若小于保護3的動作時限，即 ，當k2點短路時，保護2先于保護3動作跳閘，因此保護3可不裝方向元件，而保護2則必須裝設方向元件。 對于限時電流速斷保護，則必須綜合考慮以上兩種因素。,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,2.2.2 功率方向繼電器 功率方向繼電器是用來判斷短路功率方向的，是方向電流保護中的主要元件。所以它必須具有足夠的靈敏性和明確的方向性，即發(fā)生正方向故障(短路功率由母線流向線路)時，能可靠動作，而在發(fā)生反方向故障(短路功率由線路流向母線)時，可靠不動作。 1. 功率方向繼電器的工作原理 功率方向繼電器是通過測量保護安裝處的電壓和電流之間的相位關系來判斷短路功率方向的。以圖2.14所示網絡為例，規(guī)定電流由母線流向線路為正，電壓以母線高于大地為正。當k1點發(fā)生三相短路時，流過保護3的電流 為正向電流，它與母線B上的電壓 之間的夾角為線路的阻抗角 ，其值的變化范圍為 ，且電壓超前電流(因為線路主要以感性為主)，則短路功率為 0。而當k2點三相短路時，流過保護3的電流為反向電流 ，它滯后母線電壓 的角度為線路阻抗角 ，則 滯后 的相位角為 180， 此時短路功率為 0。其電壓、電流的相位關系如圖2.17所示。,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,由圖2.17可知，正方向短路時， 超前 的角度為銳角，反方向短路時， 超前 的角度為鈍角。因此，功率方向繼電器的工作原理實際上就是通過測量 和 之間的相位角來判別正、反方向短路的，正方向短路時，功率方向繼電器動作，反方向短路時，功率方向繼電器不動作。,(a) 正方向故障 (b) 反方向故障 圖2.17 正反向故障時電壓與電流的相位關系,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,2. 整流型功率方向繼電器 目前廣泛應用的功率方向繼電器有感應型、整流型和半導體型。盡管形式多樣，但都是按相位比較或幅值比較原理構成的，其動作特性極為相似。下面以整流型功率方向繼電器為例，來說明整流型功率方向繼電器的作用原理和主要特性。 1) 整流型功率方向繼電器的構成原理 整流型功率方向繼電器是根據幅值比較原理來構成的，其原理接線如圖2.18所示。 電壓形成回路由電抗變壓器UX和電壓變換器UV構成，幅值比較回路由半導體整流橋U1、U2組成，極化繼電器KP(單方向電流動作的繼電器)為執(zhí)行元件。,圖2.18 整流型功率方向繼電器原理圖,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,電抗變壓器UX原邊的匝數為N1，輸入電流 (即來自TA的二次側)，UX鐵芯具有氣隙，使 的變化范圍較大。UX的副邊有三個繞組 、 、 ，在 、 上可得到感應電壓 ， 是UX的電流電壓變換系數，為一復數，其相角為 (即副邊與原邊之間的相位差)，它可通過 上的移相電阻 和 來調節(jié)，當選 時， ，選 時， 。 的作用是使 、 輸出的電壓均為 (通過調節(jié) 中間抽頭位置實現(xiàn))。 電壓變換器 的原邊電壓 (來自于TV的二次側)通過 加到 上，使副邊有感應電壓輸出。副邊 和 的匝數相等，所以其輸出電壓都為 ， u是 的電壓變換系數，為復數，其相角為 (即副邊電壓超前原邊電壓 ),2.2 電網相間短路的方向性電流保護,將 的 與 的 異極性相接，形成工作回路，其回路電壓為 (2-21) 通過整流橋 整流后，得直流電流 ， 從 的*號側流入其線圈中，稱為工作量。將 的 和 的 同極性端相連，形成制動回路，其回路電壓為 (2-22) 通過整流橋 整流后，得直流電流 ， 從 的非*號側流入其線圈中，稱為制動量。所以，極化繼電器即功率方向繼電器的動作條件為 (2-23) 式中 極化繼電器的動作電流。 設工作回路和制動回路的阻抗分別為 、 ，則有 (2-24) (2-25) 式中 0.9 為整流系數。,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,假設 ，將上兩式代入式(2-23)中，則有 (2-26) 式中 執(zhí)行元件最小動作電壓。 在忽略 的理想情況下，功率方向繼電器的動作條件可改寫為 (2-27) 即 (2-28) 設 ， ，則 ， ，其各量之間的關系如圖2.19所示。,圖2.19 比相式與比幅式的對應關系,2.2 電網相間短路的方向性電流保護,由圖中可以看出，當 時， ；當 時， ；當 時， 。結合式(2-28)，則功率方向繼電器的動作條件可寫成 ， 即 (2-29) (2-30) 又因為 u的相角為 ， 1 的相角為 ，所以上式又可以寫成 (2-31) 該式反應了電壓 與電流 之間的相位關系，也就是功率方向繼電器的動作條件。若滿足此條件，則繼電器動作，否則繼電器不動作。由此可知，圖2.18構成了反應電壓 與電流 之間相位關系而動作的功率方向繼電