電網(wǎng)相間短路電流保護

第二章電網(wǎng)相間短路的電流保護第一節(jié)電流，電壓繼電器及輔助繼電器一．電磁型電流，電壓繼電器構成繼電保護的繼電器，動作與返回干脆、迅速，不會停留在某一中間位置。這種特性稱為繼電器的繼電特性。（一）電磁型繼電器的工作原理電磁型繼電器的分類主要有螺管線圈、吸引銜鐵、轉(zhuǎn)動舌片式三種類型，如圖2-1所示。其中轉(zhuǎn)動舌片式通常用作測量元件。螺螺螺螺螺螺2-1螺螺螺螺螺螺螺螺2-1螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺電磁型繼電器的工作原理電磁型繼電器線圈N中通入電流I（I又稱為測量電流）時，產(chǎn)生電磁力矩M,克服反mme作用彈簧力矩M，使可動銜鐵向電磁鐵運動，帶動可動接點向靜止接點閉合，繼電器動作。th工 IN … JN、 ” 一由于M=K?2,而①=f,M=K（f）2x12，因此，可制成交流或直流繼電器。Kc R dc R mmm（二）電磁型電流繼電器以吸引銜鐵式為例分析說明繼電器的繼電特性及動作電流、返回電流、返回系數(shù)的定義作用在繼電器上的三種力矩IN IN1（1）電磁力矩：M=K（飛）2=K（m）2x （I、N為參變量），M與磁e R O O2m e

路氣隙5函數(shù)關系M=f0）為指數(shù)關系，當加入繼電器的電流I改變時，曲線上下平移。em如圖2—2曲線①所示；（2） 彈簧力矩：Mh=Mhi+KQ-5），其中thth.11 1Mth.1、51為原始狀態(tài)彈簧力矩和繼電器磁路氣th.1 1隙，5為終止態(tài)的磁路氣隙，彈簧力矩與磁路氣隙Mh=f（5）成線性反比關系，如圖2-2曲線h②所示圖2-2作用在繼電器上的三種力矩（3） 摩擦力矩：Mf為常數(shù)，如圖2-2曲線圖2-2作用在繼電器上的三種力矩動作電流當I2I時，繼電器剛好動作，常開觸點閉合時，作用在繼電器上的三個力矩滿足:mopM2M+M即Kf(^^Kf(^^N)2>M+M5 th動作方程）5i'M+MI> thopmN\K'opI為繼電器剛好動作時加入繼電器的最小電流，稱為繼電器的動作電流，用I表示。mop如圖2-3所示，當氣隙為&繼電器處于動作邊界時，M=M+M；保持I=I如圖2-3所示，當氣隙為&繼電器處于動作邊界時，M=M+M；保持I=Imop1螺2-3螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺60e th不變，繼電器動作時，氣隙由6減小,電磁力矩M隨6以指數(shù)關系增加較快、反作e線性增加，增加的速度較慢，使M >M+M，而且隨著6的e th f進一步減小，電磁力矩M與反作用彈簧力矩M+M的差距越來越大，在電磁力矩M的ethfe作用下，繼電器迅速動作到底，滿足繼電特性。到達終止位置5時，存在剩余力矩M，可sh以保持觸點壓力。返回電流當IWI時，繼電器剛好返回，常開觸點打開時，作用在繼電器上的三個力矩滿足:MWMhmr ethIN動作方程）即K'( m)2<M一M動作方程）5 th5I'M-5I'M-MIm<刀I為繼電器剛好返回時加入繼電器的最大電流，稱為繼電器的返回電流，用I表示。如mrTOC\o"1-5"\h\z圖2-3所示，當氣隙為5繼電器處于返回邊界時，M=M-M，保持I=I不變，繼th e f mr電器返回時，氣隙5增大，反作用彈簧力矩M+M、電磁力矩M由5-5變化，使th f e 1M>M-M，隨著5的增大，反作用彈簧力矩M+M與電磁力矩M的差距越來thdcm thf e越大，在彈簧力矩M+M的作用下，繼電器迅速返回，同樣滿足繼電特性。th f返回系數(shù)返回系數(shù)定義為返回電流與動作電流之比，以K=\r表示。rIop對于過量保護K〈l,一般電磁型過量保護應為0.85?0.9,靜止型保護（如集成型、微機r型保護）應為0.9?0.95。對于欠量保護K〉l。r繼電器的調(diào)整通過調(diào)整繼電器線圈匝數(shù)和彈簧力矩來調(diào)整繼電器的動作值；通過調(diào)整繼電器磁路（氣隙）和調(diào)整摩擦力矩來調(diào)整返回系數(shù)。電磁型電壓繼電器的工作原理與電磁型電流繼電器的工作原理相同，只是比電流繼電器繞組匝數(shù)較多，繞組導線較細。電磁型輔助繼電器有中間繼電器、信號繼電器等，其工作原理與電磁型電流繼電器的工作原理相同。

第二節(jié)無時限電流速斷保護無時限電流速斷保護的原理接線如圖2-5所示，由測量部分電流繼電器KA、邏輯部分為中間繼電器KM,執(zhí)行部分跳閘回路、信號繼電器KS組成。電流互感器TA裝在母線的出口。電流繼電器KA測量系統(tǒng)電流并與整定值比較，確定電流繼電器動作與否。當保護范圍內(nèi)發(fā)生短路時，KA動作，中間繼電器KM勵磁(KM可增大觸點容量，有0.06?0.08s延時，防止管型避雷器放電造成保護誤動作)經(jīng)信號繼電器KS線圈，接通跳閘線圈YT,斷開斷路器。KS動作后，發(fā)出信號表示保護已經(jīng)動作。跳閘回路中QF的輔助觸點能改善KM接點的工作條件。KMKMKAAB0螺，螺IK1(3)X^K.maxAmI(3)~~KB.ma^IIXKMKMKAAB0螺，螺IK1(3)X^K.maxAmI(3)~~KB.ma^IIX盧.max1QF TAs.minlmax(2)K-min、密Ey3x—2X+XS.max K螺25螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺、密Ey3x—2X+XS.max K1(3)=E爲K.max X +XS.min K最小運行方式下，當線路上任一點K發(fā)生兩相短路時，最小短路電流為最大運行方式下，當線路上任一點K發(fā)生三相短路時，最大短路電流為I(2)K.min其短路電流曲線如圖2-5所示，為使保護1既能保護線路AB全長，又具有選擇性，其動作值II應選取B母線短路時的最大短路電流1(3)，即II=1(3)。但是，短路電OP.1 KB.max OP.1 KB.max流的計算值是沒有考慮暫態(tài)過程影響的穩(wěn)態(tài)值，存在誤差；線路參數(shù)不是實測參數(shù)，因而短

路電流的計算值也存在誤差；此外，一次短路電流通過電流互感器變換到二次加入繼電器時，互感器還存在10％的誤差。為了保證選擇性，防止由于上述因素影響，導致下一線路出口發(fā)生短路時實際的短路電流超過保護1的動作值II,引起保護越級誤動作，因此保護的動作OP.1值II必須滿足：II>1(3)?？紤]上述因素，根據(jù)運行經(jīng)驗，引入取值.2?1.3的可OP.1 OP.1 KB.max靠系數(shù)Ki,則無時限電流速斷保護的動作值按躲開下一線路出口，最大運行方式下，發(fā)生rel三相短路時的短路電流整定。即II二Ki1(3)OP.1 relKB.max當線路長度小于20kM時，可靠系數(shù)Ki取1.5；線路長度大于20kM小于50kM時，Kirelrel取1.4；線路長度大于50kM時，Ki取1.3。rel無時限電流保護是依靠整定動作值來保證選擇性的。從2-5圖可以看出，為了保證選擇性，提高了動作值，使保護范圍縮小，降低了保護的靈敏性，因此無時限電流速斷保護不能夠保護線路全長。又因為保護的動作具有選擇性，可以瞬時動作，因而稱為無時限電流速斷保護或電流I段。無時限電流速斷保護只能保護線路全長的一部分。保護配置圖形用刁表示。無時限電流速斷保護的靈敏性校驗用最小保護范圍衡量。規(guī)程規(guī)定，最小保護范圍不應小于線路全長的15%?20%。當系統(tǒng)在最小運行方式、下本線路某點<發(fā)生兩相短路時，短路電流I(2)剛好達到保護的動作值I1,即K.min OPII二I(2)OP K.min鳥E73

II二I(2)OP K.min2X+XS.minK可得最小保護范圍對應的阻抗值XK要求XkXK要求XkXAB1Ex2IIOP－XS.minZL L1min=minZL L1ABAB>15%?20%當上一級線路保護采用距離保護時，為了上、下兩級保護的配合，此時應考慮下一級電流保護的最大保護范圍。第三節(jié)限時電流速斷保護電流I段保護只能保護線路全長80%左右，對線路剩余部分還應增設第二部分保護，即限時電流速斷保護，也稱為電流II段，其保護范圍必然延伸下到一線路，與下一線路電流保護范圍部分重疊，如圖2-6所示。當下一線路出口發(fā)生短路時，保護2的電流I段能夠起動，保護1的電流II段也能夠起動，為了保證選擇性，并力求降低保護的動作速度，因此，保護1的電流II段首先應與下一線路電流保護I段進行配合整定，即保護范圍不能超出下一線路電流I段的保護范圍，動作時限比下一線路電流I段保護大一個時限等級At。At的大小應保證在下一線路出口短路時，保護2的電流I段有足夠的跳閘時間。即At—t +1 +1 +12QF(+) 2QF(-)2QFr式中t 為下一線路斷路器跳閘的正誤差時間；t 為本線路斷路器跳閘的負誤差時2QF(+) 1QF(-)間；t為下一線路斷路器跳閘后主觸頭的熄弧去游離時間；t為裕度時間。2QF rAt一般取0.5s。以公式表示為II—KIIIOP.1relOP.2

t1 —tI+AtOP.1 OP.2其動作值配合與時間配合關系如圖2-6所示。當本線路末端發(fā)生短路時，保護1的電流II段

螺螺2-6螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺只能以At的延時來切除故障。因而為了保證選擇性犧牲了保護動作的速動性。保護1電流II段靈敏性校驗:限時電流速斷保護范圍是線路全長，在最不利情況下，均應有足夠的反應能力，要求K>1.3?1.5。即senKsenIKsen―KB.min>13?15IIOP.1sen若K二1.3~1.5，則保護1電流II段應與下一線路電流保護II段配合整定。即senIii二KiiIiiOP.1relOP.2

ti 二ti +AtOP.1 OP.2以求靈敏度滿足要求，如仍不能滿足要求，應采用其它保護。電流II段保護的原理接線如圖2-6所示，在線路AB范圍內(nèi)發(fā)生故障，限時電流速斷保護延時At=0.5?Is切除故障，并作為電流I段的后備。保護配置圖形以什表示。第四節(jié)定時限過電流保護電流1、11段保護可在0.5?Is的時間內(nèi)切除全線路范圍內(nèi)的故障，在滿足線路的“四性”要求時，作為線路的主保護，但不具有后備作用，因此，線路還應設置定時限過電流保護（稱為電流III段）作為電流I、II段主保護的后備保護。

電流III段的動作值是躲負荷電流整定，其動作值較低，保護范圍較大，因而既可以作為本線路全長的后備保護圖2-7定時限電流速斷保護配置圖形、時限特性曲線（近后備），也可以作為下一線路（元件）全長的后備保護（遠后備）。圖2-7定時限電流速斷保護配置圖形、時限特性曲線如圖2-6所示，電流III段保護的原理接線與電流II段保護的原理接線相同。保護配置圖形如圖2-7所示為叮。一．定時限過電流保護的時限特性電流III段保護的動作值按躲開本線路的最大負荷電流整定，因此線路發(fā)生短路時，短路電流將超過各線路的動作電流值。如在線路W￡上發(fā)生K1點短路時，為保證選擇性，保護1、2的動作時限t、t應大于保護3的動作時限t；同理在線路WL上K點短路時，t應大于1 2 3 2 2 1t2,其時限特性如圖2-7所示，形似階梯，故稱為階梯時限特性。二．定時限過電流保護動作值整定電流III段保護必須保證被保護線路通過最大負荷電流I 時可靠不動作，在外部故障切L.max除后能可靠返回。其動作電流值整定應按以下兩種情況考慮：1．輸電線路無自啟動負荷相鄰線路故障切除后，保護應可靠返回，即返回電流I應滿足rI>Ir L.max引入可靠系數(shù)K=1.1?1.15relrelL.max考慮到K=厶=0.85?0.9，因此，保護整定值I 為rIOPOP

IKI=——=re^IOPKK L.maxrr2．輸電線路有自啟動負荷如圖2-7所示，線路出口K點短路時，B母線電壓下降，電機負荷制動，此時保護1、2起動，保護2動作時限小，動作于斷路器2QF跳閘，而在故障切除后，B母線電壓恢復，制動的電機負荷處于自起動狀態(tài)，流過保護1的是自起動電流I,為了使保護1可靠返回，應Ms保證繼電器的返回電流I>I，其中I=KxI 。引入可靠系數(shù)K=1.1?1.2,rMs MsMs L.max rel則I二KKIrrelMsL.max考慮到K=3—=0.85?0.9，因此，保護整定值I為rIOPOPIKKI=—r—= rel MsIOPKK L.maxrrI應考慮雙回線路、備用電源自投入等使電流變大的情況，自起動系數(shù)K大于1,由L.maxMs網(wǎng)絡具體接線和負荷性質(zhì)確定。三．動作時限的整定如圖2-8所示，電流III段保護的動作時限按階梯形時限原則整定，即t={t} +At,A Bmaxt={t} +At,以此類推，并保證每段線路后備保護動作時限大于主保護動作時限。B Cmax四．圖2-8定時限電流速斷保護時限配合曲線過電流保護靈敏度系數(shù)校驗四．圖2-8定時限電流速斷保護時限配合曲線過電流保護靈敏度系數(shù)校驗如圖2-8所示，要求電流III段的靈敏度滿足:K =KB.min>1.3?1.5TOC\o"1-5"\h\zsen（近） IOPI（2）K =—K.C.min>1.2sen（遠） IOP注意：遠后備應校驗K、K、K點短路時的情況。當電流III段作為本線路的主保護時，要求K >2。sen第五節(jié)電流保護接線方式一．接線方式電流保護的接線方式是指電流繼電器線圈和電流互感器二次繞組間的連接方式。常用的接線方式有完全星形接線（三相三繼電器式接線）和B相不裝設電流互感器及相應繼電器的不完全星形接線（兩相兩繼電器式接線）兩種。其原理接線與電流相量如圖2-9所示。CBC)CCBC)C圖2-9（a）完全星形原理接線、相量圖；（b）不完全星形原理接線、相量圖注意：電力系統(tǒng)互感器均采用減極性標注，同名端用“*”標注。兩種接線方式均能反應各種相間故障，而不完全星形接線B相不裝設電流互感器）不能反應B相電流。二．兩種接線的適用范圍1．對于35KV及以下單電源輻射形網(wǎng)絡為了提高供電的可靠性，35KV及以下系統(tǒng)，其中性點處于不接地運行狀態(tài)。當發(fā)生一點單相接地時，產(chǎn)生的電流很小，系統(tǒng)仍然對稱，允許繼續(xù)運行一段時間；當不同地點，同時

發(fā)生不同相別的兩點接地時，為了使系統(tǒng)保持對稱狀態(tài)繼續(xù)運行，只要求切除遠離電源的一點，以保證選擇性。圖2-10所示為35KV及以下單電源輻射形網(wǎng)絡，當發(fā)生不同地點、不同相別兩點同時接地時，采用完全星形接線和不完全形接線方式，保護正確動作與誤動作情況如表2-1所示，(a)(a)螺2-10 35KV螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺螺（a）螺螺螺螺螺螺;（b）螺螺螺螺螺螺螺正確動作用“V”表示；誤動作用“X”表示。表2-1保護動作情況串行線路叫與叫或WL3（t>S｝）完全星形接線WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2K（a）K（b）K（a）K（c）K（b）K（a）K（b）K（c）K（c）K（a）K（c）K（b）VVVVVVWLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2不完全星形接線K(a)K(b)K(a)K(c)K(b)K(a)K(b)K(c)K(c)K(a)K(c)K(b)XVVVVX并行線路WL、WL(t=t)2 3 2 3完全星形接線WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2K（a）K（b）K（a）K（c）K（b）K（a）K（b）K（c）K（c）K（a）K（c）K（b）XXXXXX不完全屋形接線. WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2WLiWL2K(a)K(b)K(a)K(c)K(b)K(a)K(b)K(c)K(c)K(a)K(c)K(b)VXVVXV由表2-1可見：對于串行線路，發(fā)生不同相別的兩點接地時，采用完全星形接線方式，保護能100％正確動作，只切除遠離電源的一點，而采用不完全星形接線方式，保護正確動作的可能性有2/3；對于并行線路，當動作時限相同時，發(fā)生不同相別的兩點接地，采用完全星形接線方式，保護100％誤動作切除兩點，而采用不完全星形接線方式，保護正確動作的可能性仍有2/3。由于不同地點、不同相別同時發(fā)生兩點接地的可能性很小，繼電保護一般不考慮故障的重疊，加之35KV及以下電網(wǎng)線路、元件較多，為了減少投資成本，35KV及以下電網(wǎng)通常采用不完全星形接線方式。對于中性點直接接地電網(wǎng)發(fā)生接地時，短路電流很大，系統(tǒng)處于不對稱狀態(tài)，不能正常工作，電流保護為反應各種單相短路，應采用完全星形接線，以確保故障點的切除。2?對于Y,K接線變壓器35KV及以下電壓等級的降壓變壓器和配電變壓器一般采用電流保護作為主保護或后備保護，即便是大中型變壓器也常常采用電流保護作為后備保護，其原理接線如圖2T0(a)所示。因此，應分析采用兩種接線方式對保護工作性能的影響。35KV及以下電壓等級的降壓變壓器和配電變壓器大多采用Y,K接線，當變壓器一側(cè)發(fā)生短路時，由于變壓器一次與二次的電磁聯(lián)系，使另一側(cè)保護安裝處的非故障相也有故障電流流過，該電流將對保護的工作性能產(chǎn)生影響。如圖2-10所示，以Y，K11變壓器為例分析側(cè)發(fā)生AB兩相短路，Y側(cè)保護安裝處各相電流的變化與關系。(a)AAA1AF仁丿I=2IBY B1Y(b)(a)AAA1AF仁丿I=2IBY B1Y(b)AC：AII(I)A1YC2Y(c)I(I丿;B；YB2Y.=2IB2YC1Y(IA2Y丿000000螺2-10Y,d〔1000000000000(a)000;(b)A0000;(c)Y0000當變壓器A側(cè)AB相間短路時，可利用對稱分量法進行分析，可知，故障點特殊相為C相,邊界條件為I=0，貝yCATOC\o"1-5"\h\z廠? ? ?\o"CurrentDocument"I =I +1AA A1A A2A\o"CurrentDocument"<I =I +1BA B1A B2A\o"CurrentDocument"I =I +1= 0CA C1A C2AI=I+1 =0,I=-1CA C1AC2A C1A C2A由此邊界條件，即可確定各序分量的相對位置，其相量如圖2-10(b)所示，I=-IcAA BA由于變壓器采用Y，K］接線，Y側(cè)正序分量落后A則同名相正序分量30°,Y側(cè)負序分量超前A則同名相負序分量30°,如圖2-10(c)所示，有廠.I=I+1=IAYA1YA2YCYI=I+1=-2I=-2I。BYB1YB2YAY CYI=I+1=ICYC1YC2YAYI=2I=2IBY AY CY可見，變壓器Y側(cè)B相電流是其它相電流的2倍。采用完全星形接線時，能反應B相電流，保護的靈敏度比采用不完全星形接線提高一倍。在采用不完全星形接線時，為了提高保護動作的靈敏度，通常采用如圖2-10(a)所示的改進不完全星形接線