第二章電流保護和方向性電流保護

第二章電流保護和方向性電流保護第一頁，共42頁。§2-1單側(cè)電源網(wǎng)絡反映相間短路的電流保護一、過電流繼電器1、基本符號及特性參數(shù)

動作過程：

IJ↑→Mdc↑→Mdc≈>Mth+Mm→舌片開始動作┌Mdc↑↑┐動作過程中：δ↓→││→舌片加速動作(Mdc=K·(IJ/δ)2)└Mth↑┘動作終止時出現(xiàn)剩余力矩：

ΔM=Mdc-Mth

（有利于接點可靠閉合）第二頁，共42頁。動作電流Idz.J：能使繼電器剛好動作的最小電流值。返回過程：

IJ↓≈<Idz.J時，由于剩余力矩ΔM

的存在，暫時還不能返回；

IJ↓↓→Mdc↓→Mdc≈<Mth-Mm

→舌片開始返回

┌Mdc↓↓┐返回過程中：δ↑→││→舌片加速返回

└Mth↓┘返回終止時出現(xiàn)剩余力矩：ΔM’=Mth-Mdc

（有利于接點可靠斷開）返回電流Ih.J：能使繼電器剛好返回的最大電流值。第三頁，共42頁。過電流繼電器表示符號：繼電器的返回系數(shù)：繼電特性：無論起動或返回，繼電器J的動作都是明確干脆的，不會停留在某個中間位置，這種特性稱為“繼電特性”。過量繼電器（保護）：反映電氣量上升而使保護動作的繼電器(保護)，Kh<1低量繼電器（保護）：反映電氣量下降而使保護動作的繼電器(保護)，Kh>12、集成電路型過電流繼電器（晶體管型：略）第四頁，共42頁。3ms延時：防止干擾信號引起的誤動(干擾持續(xù)時間一般<1ms)12ms展寬：使輸出動作信號展成連續(xù)高電平。第五頁，共42頁。二、電流速斷保護（電流I段）電流速斷保護：瞬時動作的電流保護。1、整定計算原則(1)短路特性分析：三相短路時d(3),流過保護安裝處的短路電流：Zd()↑→Id↓曲線max：系統(tǒng)最大運行方式下發(fā)生三相短路情況。曲線min：系統(tǒng)最小運行方式下發(fā)生兩相短路情況。（線路上某點兩相短路電流為該點三相短路電流的倍）

第六頁，共42頁。(2)動作電流整定原則：按躲開下條線路出口（始端）短路時流過本保護的最大短路電流整定（以保證選擇性）：

IIdz.1>I(3)d.B.maxIIdz.2>I(3)d.c.max

?。篒Idz.1=KkI·I(3)d.B.maxIIdz.2=KkI·I(3)d.C.max（可靠系數(shù)：KkI=1.2～1.3）第七頁，共42頁。(3)靈敏性校驗該保護不能保護本線路全長，故用保護范圍來衡量：max：最大保護范圍.min：最小保護范圍.校驗保護范圍：（min/L）·100%15%～20%

第八頁，共42頁。2、電流速斷保護的評價優(yōu)點：動作迅速(主要優(yōu)點),簡單可靠。缺點：不能保護本線路全長（主要缺點），直接受系統(tǒng)運行方式的影響，受線路長度的影響。第九頁，共42頁。三、限時電流速斷保護（電流II段）限時電流速斷保護：以較小的動作時限切除本線路全線范圍內(nèi)的故障 1、動作電流的整定：與下條線路的電流I段配合。即：保護范圍延伸到下條線路，但不超出下條線路電流I段保護范圍的末端。即：躲開下條線路電流I段保護范圍末端短路時（即流過下條線路的短路電流剛好為其電流I段整定值時），流過本保護的最大短路電流。IIIdz.1=KkII·IIdz.2=KkII·KkI·I(3)d.C.max

可靠系數(shù)：

KkII=1.1～1.2（Id中非周期分量已衰減，故比KkI稍?。┑谑摚?2頁。2、動作時限的配合為保證本線路電流II段與下條線路電流I段的保護范圍重疊區(qū)內(nèi)短路時的動作選擇性，動作時限按下式配合：

tII1=tI2+t≈t

（t:0.35s～0.6s,一般取0.5s）3、保護裝置靈敏性的校驗對于過量保護,靈敏系數(shù)：（電流保護的故障參數(shù)計算值：系統(tǒng)最小運行方式下被保護線路末端發(fā)生兩相短路時，流過本保護的最小短路電流）第十一頁，共42頁。對保護1的電流II段：Klm=

要求：Klm

1.3～1.5

若Klm不滿足要求，可繼續(xù)延伸保護范圍使得：

IIIdz.1=KkII·IIIdz.2(與下條線路的電流II段保護配合）同時進一步提高時限：

tII1=tII2+t≈2t

（保證重疊區(qū)內(nèi)故障的動作選擇性）四、定時限過流保護（電流III段，主要作為后備保護，對靈敏性要求高）1、動作電流的整定原則

按躲開流過保護的最大負荷電流來整定：IIIIdz>Ifh.max第十二頁，共42頁。

實際整定原則：考慮到外部故障切除后，電壓恢復時電動機的自啟動過程中，保護要能可靠地返回，則要求：

IIIIh>Izq.max=Kzq·Ifh.max(電動機負荷自啟動系數(shù)Kzq>1)

又：IIIIh=Kh·IIIIdz

（繼電器返回系數(shù)Kh<1）

（可靠系數(shù)KkIII?。?.15～1.25）2、按選擇性要求確定過流保護動作時限為保證動作選擇性，動作時限按“階梯原則”整定:tIII1=Max{tIII2,tIII3,tIII4}+t

第十三頁，共42頁。

對定時限過流保護，當故障越靠近電源端時，此時短路電流Id越大,但過流保護的動作時限反而越長———

缺點∴定時限過流保護一般作為后備保護，但在電網(wǎng)的終端可以作為主保護。3、定時限過流保護靈敏系數(shù)的校驗(1)作為本線路主保護或近后備時，按本線路末端短路流過本保護的最小短路電流來校驗：要求Klm

1.3～1.5第十四頁，共42頁。(2)作為遠后備時（相鄰線路的后備），按相鄰線路末端短路流過本保護的最小短路電流來校驗：要求Klm

1.2(3)要求各保護之間Klm互相配合對同一故障點，越靠近故障點的保護，其Klm要求越大

Klm.1<

Klm.2<

Klm.3<

Klm.4<…即要求：IIIIdz.1>IIIIdz.2>IIIIdz.3>…(單側(cè)電源輻射網(wǎng)，此條件自然滿足)第十五頁，共42頁。五、階段式電流保護的應用及評價(1)電流I段：由動作電流的整定來保證動作選擇性，按躲開某點的短路電流整定，動作迅速（無時限），但不能保護本線路全長，作為主保護的一部分。(2)電流II段：由動作電流整定與時限配合來保證動作選擇性，動作電流按躲開某點的短路電流整定，能保護本線路全長，動作時限較小，作為主保護的另一部分（電流I段的補充）(3)電流III段：由動作時限的配合來保證動作的選擇性，動作電流按躲開負荷電流整定，其值較小，靈敏度較高，然而動作時限較長，且越靠近電源短路，動作時限反而越長，一般作為后備保護，但是在電網(wǎng)終端可作為主保護。

第十六頁，共42頁。六、電流保護的接線方式

LJ—(接線)—TA1、兩種常用的接線方式(1)三相星形(2)兩相星形各相LJ出口采用“或”邏輯。繼電器動作電流Idz.J=Idz/nTA

2、兩種接線方式的性能分析比較(1)對中性點接地或不接地網(wǎng)中各種相間短路兩種接線方式均能正確反映這些故障.第十七頁，共42頁。(2)對中性點非直接接地網(wǎng)中的異地兩點接地短路（不同線路上兩點接地）∵這種電網(wǎng)允許帶一個接地點繼續(xù)運行①串聯(lián)線路上兩點接地時：三相星形接線能保證只切除后一接地點兩相星形接線只能保證2/3的機會切除后一接地點第十八頁，共42頁。②并聯(lián)線路上兩點接地時：三相星形接線：若保護1，2時限相同，則兩接地點將同時被切除，擴大了停電范圍。兩相星形接線：即使保護1，2時限相同（例如皆由I段動作，或皆由II段動作），也能保證有2/3的機會只切除任一條線路。(3)作為Y/接線變壓器后面短路的遠后備保護的接線方式

Y/-11接線T：正序：側(cè)超前Y側(cè)30°

負序：側(cè)落后Y側(cè)30°

現(xiàn)以Y/-11接線的降壓變壓器為例：第十九頁，共42頁。假設低壓側(cè)（側(cè)）發(fā)生AB兩相短路：∴兩相星形的Klm比三相星形降低一半提高兩相星形接線Klm的方法：在兩相星形的中線上再接一個繼電器3LJ.∵兩相短路時有：

∴3LJ中的電流:

∴

I3LJ反映了IB

Klm↑第二十頁，共42頁。3、兩種接線方式的應用(1)三相星形：接線復雜，不經(jīng)濟，但可提高保護動作的可靠性與靈敏性，廣泛用于發(fā)電機、變壓器等大型貴重元件以及110kV以上高壓線路的保護中。(2)兩相星形：接線簡單、經(jīng)濟，廣泛用于各種電網(wǎng)中反映相間短路的110kV以下中、低壓線路的電流保護中。（電網(wǎng)中所有采用兩相星形接線的保護都應裝在相同的兩相上，一般為A、C相）第二十一頁，共42頁。七、三段式電流保護接線圖1、原理圖以二次元件為整體繪制。2、展開圖以二次回路為整體繪制。交流回路直流回路第二十二頁，共42頁?！?-2電網(wǎng)相間短路的方向性電流保護一、方向性問題的提出（以雙側(cè)電源電網(wǎng)為例）E1單獨供電：由保護1、3、5起線路保護作用E2單獨供電：由保護6、4、2起線路保護作用E1、E2同時供電：（以B母線兩側(cè)保護2,3為例）假設：┌電流I段保護：IIdz.3>IIdz.2

└電流III段保護：tIII3>tIII2d1點短路時（要求：2動作，3不動），雖然此時可能滿足選擇性（3不誤動）；但若出現(xiàn)d2點短路，則：2誤動→非選擇性動作。第二十三頁，共42頁。規(guī)定保護正方向：保護安裝處母線→被保護線路分析可知：被保護線路正方向短路時：保護不會出現(xiàn)誤動；反方向短路時：由對側(cè)電源供給的短路電流可能造成該保護誤動作，此時的功率方向：線路→母線

為防止保護誤動,增設功率方向閉鎖元件GJ(裝于誤動保護上)┌正方向（母線→線路）：GJ動作啟動保護短路點位于│└反方向（線路→母線）：GJ不動閉鎖保護

增設GJ后,雙側(cè)電源網(wǎng)可以按單側(cè)電源網(wǎng)的三段電流保護進行配合。第二十四頁，共42頁。二、GJ的工作原理保護1上裝設GJ假設GJ接線方式為：加入GJ的電壓：

——相電壓（以相應相母線高于中性點N為正極性）

電流——相電流（以母線流向線路為正極性）。則：d1點三相短路時：

d2點三相短路時：設計一個直線動作邊界：當正方向短路時位于動作區(qū)，GJ動作當反方向短路時位于非動作區(qū)，GJ閉鎖（注：若GJ的接線方式或短路類型變化，則正向短路時與的相位差將變化，因此GJ的動作邊界應可調(diào)整）第二十五頁，共42頁。1、相位比較式GJ相位比較器：兩輸入量：動作條件：（銳角型）或（鈍角型）相位比較式GJ：兩輸入量：（其中——GJ的內(nèi)角）動作條件：第二十六頁，共42頁。其功率表示形式為：調(diào)→調(diào)GJ的動作邊界當超前的角度：時：垂直于動作邊界，位于動作范圍的正中央，GJ動作最為靈敏可靠，此時的稱為GJ的最靈敏角，可見2、幅值比較式GJ幅值比較器：兩輸入量：動作條件：第二十七頁，共42頁。幅值比較器與銳角型相位比較器的關系（互換條件）：若?。簞t：①當相位比較器位于動作區(qū)，即：即幅值比較器也位于動作區(qū)②當相位比較器位于非動作區(qū)，即：即幅值比較器也位于非動作區(qū)∴當滿足：時（為任意相量），幅值比較器與銳角型相位比較器具有相同的動作特性。（幅值比較器與鈍角型相位比較器的互換關系為：

)第二十八頁，共42頁。

幅值比較式GJ：兩輸入量：則兩比較量：其特性與相位比較式GJ完全相同。三、集成電路型GJ1、相位比較式原理分析：相位比較→時間比較當時：

的持續(xù)時間>5ms。（當夾角為鈍角時，相應持續(xù)時間<5ms）第二十九頁，共42頁。2、集成電路型GJ

具體構(gòu)成:3、GJ的動作特性理想GJ動作條件:

－90o<ΦJ＋<90o

即:UJIJCos(ΦJ＋)>0實際GJ:

起動電壓Udz.J.min：電壓回路形成方波電壓U3所需最小電壓。起動電流Idz.J.min：電流回路形成方波電壓U4所需最小電流。第三十頁，共42頁。

當線路正向出口附近故障使：

UJ<Udz.J.min時，

GJ拒作，出現(xiàn)電壓死區(qū)（由于故障時電流IJ較大，不存在電流死區(qū)）。

GJ的“潛動”問題：在只加電壓UJ或只電流加IJ時，GJ就能動作。（零點飄移造成，是不利因素）集成電路GJ采用“同為正”及“同為負”的持續(xù)時間皆大于5ms的“與”門輸出來消除“潛動”，但同時也就增大了死區(qū)。四、相間短路GJ的接線方式要求：(1)正方向任何相間故障:GJ動作反方向任何相間故障:GJ不動

(2)加入GJ的UJ、IJ應盡量大,

且使正向故障的ΦJ→Φlm

第三十一頁，共42頁。

90o接線方式:

線路正方向各種相間短路時,90o接線方式的工作情況分析：1、正方向三相短路∵三相完全對稱∴以GJA為例分析(GJB、GJC相同):

（Φd：線路阻抗角）當Zd→0時，UJ→0<Udz.J.min，GJ拒動，存在死區(qū)。為使GJ動作靈敏，應盡量使Φlm→-(90o-Φd),

即:→(90o-Φd)

第三十二頁，共42頁。2、正方向兩相短路以BC兩相短路為例分析：A相為非故障相，Ifh方向不定，故GJA動作情況不定（但由于IA＝Ifh很小，A相電流元件LJA不起動，則不需考慮GJA）分析故障相方向元件GJB、GJC的情況：第三十三頁，共42頁。(1)d(2)點位于保護安裝處附近（Zd<<ZS，Zd≈0）

(2)d(2)點遠離保護安裝處（Zd>>ZS）第三十四頁，共42頁。同理可分析AB、CA兩相短路的情況

3、結(jié)論：①在線路正方向各種相間故障情況下,故障相GJ的ΦJ是在以-(90o-Φd)為中心左右偏離不超過30o的范圍內(nèi)。（反方向各種相間故障時,故障相GJ的ΦJ是在以180o-(90o-Φd)=90o+Φd為中心左右偏離不超過30o的范圍內(nèi)）②對三相短路存在死區(qū)（保護安裝處正向出口附近），但對各種兩相短路不存在死區(qū)（UJ中包含非故障相電壓，其值較大）。第三十五頁，共42頁。③若線路阻抗角為Φd，為降低死區(qū)，應盡量使：

Φlm→-(90o-Φd)即：→(90o-Φd)④功率方向元件GJ與電流元件LJ應采用按相啟動原則(即相應相的GJ與相應相的LJ相“與”后作為該相出口，然后各相出口再相“或”輸出）。⑤只需采用兩個方向元件（一般接于A，C相）即可反映各種相間短路的正、反方向。⑥三相短路的死區(qū)，對于動作速度要求不高的線路可由前級線路的保護作為遠后備來切除；對動作速度要求高的線路可利用記憶作用來消除死區(qū)（由于故障前的電壓UJ[0]與故障后的電壓UJ同相，故可用UJ[0]代替UJ與電流IJ比相，而UJ[0]的值較大，無死區(qū)）第三十六頁，共42頁。4、方向性電流保護原理接線圖第三十七頁，共42頁。五、多電源網(wǎng)中電流保護整定的特點1、電流I段的特殊整定方法由電流I段保護整定原則：IIdz.1>I(3)d1.max；IIdz.2>I(3)d2.max若?。篒Idz.1=IIdz.2=KkI·Max{I(3)d1.max，I(3)d2.m