第6章 繼電保護與安全自動裝置

第6章繼電保護與安全自動裝置6.1概述什么是繼電保護裝置?當電力系統(tǒng)中的電力元件(如發(fā)電機、線路等)或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障（如短路）或者不正常運行狀態(tài)（如過負荷）危及電力系統(tǒng)安全運行時，能夠向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件進一步發(fā)展的一種自動化裝置和設備，一般通稱為繼電保護裝置。電力系統(tǒng)安全自動裝置則用以快速恢復電力系統(tǒng)的完整性，防止發(fā)生長期大面積停電的重大系統(tǒng)事故，如系統(tǒng)失去穩(wěn)定、電壓崩潰和頻率崩潰等自動重合閘裝置:是指斷路器跳閘之后，經(jīng)過整定的動作時限，能夠使斷路器重新合閘的自動裝置。自動重合閘裝置的英文名稱為AutomaticRecloser，縮寫為AR。備用電源自動投入裝置:將兩路電源線路分為工作電源線路和備用電源線路。僅當工作電源線路發(fā)生故障退出運行時，備用電源線路才自動投入運行。6.1.1繼電保護的作用繼電保護在電力系統(tǒng)中的任務是什么?當被保護的電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時，應該由該元件的繼電保護裝置迅速準確地給脫離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令（自動、迅速、有選擇性），使故障元件及時從電力系統(tǒng)中斷開，以最大限度地減少對電力系統(tǒng)元件本身的損壞，降低對電力系統(tǒng)安全供電的影響，并滿足電力系統(tǒng)的某些特定要求(如保持電力系統(tǒng)的暫態(tài)穩(wěn)定性等)。反映電氣設備的不正常工作情況，并根據(jù)不正常工作情況和設備運行維護條件的不同(例如有無經(jīng)常值班人員)發(fā)出信號，以便值班人員進行處理，或由裝置自動地進行調整（減負荷），或將那些繼續(xù)運行會引起事故的電氣設備予以切除（調閘）。反映不正常工作情況的繼電保護裝置允許帶一定的延時動作。6.1.2繼電保護的基本原理繼電保護主要利用電力系統(tǒng)中元件發(fā)生短路或異常情況時的電氣量(電流增大、電壓降低、電流電壓間相位角、功率、頻率等)的變化，構成繼電保護動作的原理（過電流保護、低電壓保護、方向保護等），也有其他的物理量，如變壓器油箱內(nèi)故障時伴隨產(chǎn)生的大量瓦斯（瓦斯保護）和油流速度的增大或油壓強度的增高、電機繞組溫度升高（過負荷保護）。大多數(shù)情況下，不管反映哪種物理量，繼電保護裝置都包括測量部分(和定值調整部分)、邏輯部分、執(zhí)行部分。測量部分:測量保護對象輸入信號，并與整定值進行比較(如流入繼電保護裝置中的電流是通過電流互感器與電流繼電器的連接來實現(xiàn)。)邏輯部分：根據(jù)測量部分的輸出量進行邏輯運算產(chǎn)生控制指令執(zhí)行部分：根據(jù)邏輯部分輸出的控制指令執(zhí)行相關保護動作（跳閘、發(fā)出信號等）6.1.3繼電保護的分類1.按構成原理分類 ①電流保護；②電壓保護；③阻抗保護（距離保護）；④方向保護；⑤縱聯(lián)保護；⑥序分量保護；⑦其他保護，如瓦斯保護、行波保護。2.按構成元件分類 電磁型保護、感應型保護、整流型保護、晶體管型保護、集成電路型保護和微機保護。3.按被保護設備分類 線路保護、發(fā)電機保護、變壓器保護、母線保護和電容補償裝置保護。4.按職責分類(1)主保護；(2)后備保護（近后備和遠后備保護）；(3)輔助保護6.1.4對繼電保護的基本要求繼電保護裝置應滿足可靠性、選擇性、靈敏性和速動性的要求：這四“性”之間緊密聯(lián)系，既矛盾又統(tǒng)一。可靠性是指在保護該動作時（在保護范圍內(nèi)發(fā)生故障或異常）應可靠地動作而不拒絕動作。不該動作時（在正常時或保護范圍外發(fā)生故障）應可靠不動作而不誤動作?？煽啃允菍^電保護裝置性能的最根本的要求。如何保證繼電保護的可靠性?繼電保護的可靠性主要由配置合理、質量和技術性能優(yōu)良的繼電保護裝置以及正常的運行維護和管理來保證。任何電力設備(線路、母線、變壓器等)都不允許在無繼電保護的狀態(tài)下運行。220kV及以上電網(wǎng)的所有運行設備都必須由兩套交、直流輸入、輸出回路相互獨立，并分別控制不同斷路器的繼電保護裝置進行保護。當任一套繼電保護裝置或任一組斷路器拒絕動作時，能由另一套繼電保護裝置操作另一組斷路器切除故障。在所有情況下，要求這套繼電保護裝置和斷路器所取的直流電源都經(jīng)由不同的熔斷器供電。選擇性是指首先由故障設備或線路本身的保護切除故障，以盡量減少停電范圍；當故障設備或線路本身的保護或斷路器拒動時，才允許由相鄰設備保護、線路保護或斷路器失靈保護切除故障（后備保護）。為保證對相鄰設備和線路有配合要求的保護和同一保護內(nèi)有配合要求的兩元件（如啟動與跳閘元件或閉鎖與動作元件）的選擇性，其靈敏系數(shù)及動作時間在一般情況下應相互配合。靈敏性是指在設備或線路的被保護范圍內(nèi)發(fā)生故障或者異常時，保護裝置應具有必要的靈敏系數(shù)，不論短路點位置、類型、最大運行方式或最小運行方式都可正確靈敏反映。如果保護裝置對其保護區(qū)內(nèi)極輕微的故障都能及時地反應動作，即具有足夠的反應能力，說明保護裝置的靈敏度高。保護裝置靈敏與否，一般都用靈敏系數(shù)（ks）來衡量。靈敏系數(shù)標志著在故障發(fā)生初期，繼電器保護反應故障的能力。高靈敏度的保護裝置使故障易于反應，從而減少了故障對系統(tǒng)的影響和波及范圍。各類保護的最小靈敏系數(shù)在規(guī)程中有具體規(guī)定。選擇性和靈敏性的要求，通過繼電保護的整定實現(xiàn)。對于過電流保護裝置，靈敏度系數(shù)ks為：被保護區(qū)末端發(fā)生金屬短路時的最小短路電流保護裝置的一次側動作電流對于低電壓保護裝置，靈敏度系數(shù)ks

被保護區(qū)末端發(fā)生金屬短路時的最高短路電壓保護裝置的一次側動作電壓被保護的電氣設備

繼電保護裝置類型

最低靈敏度ks

變壓器、線路等所有電氣設備

過電流保護

5（如滿足此要求將使保護復雜時，靈敏度可降為1.25）電流速斷保護

2.0后備保護

1.2（如滿足此要求將使保護過分復雜或在技術上難以實現(xiàn)時，可僅按常見的運行方式和故障類型校驗靈敏度）

變壓器

縱聯(lián)差動保護

2.03～10kV電纜線路

中性點不直接接地電力網(wǎng)中的零序電流保護

1.253～10kV架空線路

1.50我國電力設計技術規(guī)范規(guī)定的各類保護裝置的靈敏度系數(shù)有一個要求見表所示：速動性是指保護裝置應盡快地切除短路故障，其目的是提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設備和線路的損壞程度，縮小故障波及范圍，提高自動重合閘和備用電源或備用設備自動投入的效果等。切除故障時間＝保護裝置動作時間(目前最快可達0.02s)＋斷路器跳閘時間(目前最快可達0.04s)6.2電力線路的繼電保護繼電器是組成繼電保護裝置的基本元件。根據(jù)繼電器反應的物理量分，有電流繼電器、電壓繼電器、氣體繼電器等。根據(jù)繼電器的工作原理分，有電磁式、感應式等。按其反應參量變化情況分，有過電流繼電器、過電壓繼電器、欠電壓繼電器等。按其與一次電路的聯(lián)系分，有一次式和二次式：一次式繼電器的線圈與一次電路直接相連，二次式繼電器的線圈連接在電流互感器或電壓互感器的二次側。各種繼電器的表示符號和圖形符號電流繼電器是保護裝置主要起動元件。電流繼電器分為電磁式和感應式的。電磁式繼電器的電流時間特性是定時限特性，電流超過設定電流值就動作，動作時限是固定的，與外加電流無關。感應式繼電器是反時限特性，動作時限與通入電流大小平方成反比。6.2.1三段式電流保護定時限和反時限過電流保護的比較定時限過電流保護的優(yōu)點是：動作時間準確，容易整定。而且不論短路電流大小，動作時間是一定的，不會因短路電流小而動作時間長。定時限過電流保護的缺點是：繼電器數(shù)目較多，接線比較復雜。在靠近電源處短路時，保護裝置的動作時間太長。反時限過電流保護的優(yōu)點是：可采用交流操作，接線簡單，所用保護設備數(shù)量少，因此這種方式簡單經(jīng)濟，在工廠供電系統(tǒng)中的車間變電所和配電線路上用得較多。反時限過電流保護的缺點是：整定、配合較麻煩，繼電器動作時限誤差較大，當距離保護裝置安裝處較遠的地方發(fā)生短路時，其動作時間較長，延長了故障持續(xù)時間。一.電流繼電器電流繼電器是反映故障電流增大而自動動作的電器，在此作為代表來分析繼電器原理和特性電磁型電流繼電器線圈通電流在鐵芯中產(chǎn)生磁通，通過鐵芯、空氣隙和轉動舌片組成磁路，舌片磁化產(chǎn)生電磁力偶Fdc若舌片力臂為Lk

，則電磁轉矩Mdc為：（以上Mf和M分別為彈簧反抗力矩和摩擦力矩）因此調整繼電器啟動電流方法可有：改變線圈匝數(shù)Wk；改變彈簧的Mf；改變能引起磁阻Rc變化的空氣隙當流過線圈的電流Ik減小時，舌片在彈簧作用下將返回原位置，返回條件為：返回系數(shù)恒小于1，一般取0.85繼電特性繼電特性

為保證繼電器動作后可靠地有輸出，防止當輸入電流在整定值附近波動時輸出不停地跳變，對繼電器有明確的動作特性要求。

例如過電流繼電器，流過正常狀態(tài)下的電流I時不動作，輸出高電平E0（或其觸點是開的）；只有其流過的電流大于動作電流Iop時才能夠迅速起動、穩(wěn)定可靠地輸出低電平E1（或閉合其觸點）；一旦流過繼電器的電流減小，并小于返回電流Ire（其值能夠確保繼電器復位到初始狀態(tài)），繼電器又能立即返回到輸出高電平E0（或觸點重新打開）。無論起動和返回，繼電器的動作都是明確的，它不可能停留在某一個中間位置，這種動作特性常稱之為“繼電特性”。

二.定時限過電流保護過電流保護：通常指其啟動電流按照躲開（大于）最大負荷電流來進行整定的一種保護裝置。即應該使Ist>IL·max，以保證正常運行時不動作時限特性：只要通過繼電器的電流大于其動作電流時，保護就能按預定時間動作（階梯原則），動作時間一定，與電流大小無關為了滿足選擇性要求，可依靠各保護裝置帶有不同的延時來滿足。保護裝置同時啟動但不同時動作跳閘（YT跳閘線圈）工作原理：正常情況下，斷路器QF閉合，保持正常供電，線路中流過正常電流，此時電流繼電器不會啟動。當線路發(fā)生相間短路故障時，線路中流過的電流迅速增加，使電流繼電器KA瞬時動作，啟動時間繼電器KT，經(jīng)過延時，KT延時觸點閉合，使串聯(lián)的信號繼電器（電流型）KS和中間繼電器KM動作，KS觸點閉合接通報警線路，KM觸點閉合，接通跳閘線圈YR回路，使斷路器QF跳閘，切除短路故障。在短路故障切除后，繼電保護裝置除KS外的其他所有繼電器都自動返回起始狀態(tài)，而KS需手動復位。按選擇性要求整定過電流保護的動作時限

各級過電流保護中時間繼電器KT的延時時限是按階梯原則來整定的確定△t時，考慮斷路器的動作時間tQF，前一級保護裝置動作時限可能發(fā)生提前動作的負誤差t(+)；后一級保護裝置滯后的正誤差t(+),還要一定的裕度儲備時間tch，過電流保護的接線方式可以完全反映各種短路，但設備最多，主要應用于110KV及以上電流系統(tǒng)不能完全反映單相短路，但設備可減少1/3，主要用于10～35KV線路設備最簡單，可靠性最低，主要用于不太重要的6～10KV線路過電流保護的整定計算和靈敏度校驗整定計算：就是正確地選擇保護裝置的動作參數(shù)，主要是動作電流和動作時限（時限階段△t一般選0.5~0.6s)動作電流基本要求：當被保護元件流過最大負荷電流時保護裝置不應動作跳閘，在外部短路切除后能可靠地返回（保護1啟動后又會返回）。Ist>IL·maxIr>IL·max由于電壓恢復時，電機有個自啟動過程，自啟動電流將大于電機正常工作電流，因此引入自啟動系數(shù)Kast(>1)，同時為確保Ir大于自啟動時最大電流，引入可靠系數(shù)Krel(一般用1.15~1.25)，有Ir=Krel

Kast

IL·max考慮返回系數(shù)Kr(一般用0.85)有Ist=Krel

Kast

IL·max/Kr靈敏度Ksen=Ik·min/Ist（Ksen>1.2)Ik·min——保護范圍末端發(fā)生金屬性短路時流過保護裝置的最小短路電流定時限過電流保護裝置的時限一經(jīng)整定便不能變動，如下圖所示，

當k3處發(fā)生三相短路故障時，斷路器QF3處繼電保護動作時間必須經(jīng)過才能動作，達不到速動性的目的。為了減小本段線路故障下的事故影響范圍，當過電流保護的動作時限大于0.7s時，便需設置反應電流增大而瞬時動作的電流保護即電流速斷保護，以保證本段線路的短路故障能迅速地被切除。三.電流速斷保護為了滿足速動性要求，保護動作應越快越好，可取消時限特性。如在右圖中，k-2發(fā)生短路時，只有保護2動作，讓保護1不動作。即無時限電流速斷保護的整定原則為：必須選擇保護1的動作電流大于其保護范圍外的最大短路電流

Ist=Krel

Ik·max特點：動作迅速，但保護范圍較小，且受運行方式影響電流速斷的靈敏度用保護范圍來表示，不應小于線路全長的15％～20％1.無時限電流速斷保護速斷保護動作電流的確定為了保證選擇性，在下一段線路發(fā)生最大短路電流時保護裝置不應動作在本段線路內(nèi)發(fā)生最小短路電流時應動作線路電流速斷保護的保護區(qū)

2.限時電流速斷保護在系統(tǒng)最小運行方式下，為了能保護線路全長，必須將保護范圍延伸到下一個保護器的范圍，這樣為了保證動作的選擇性，就必須使保護動作帶有一定的時限，時限應越小越好，通常比過電流保護時限更?。?.35~0.6s）。一般應使下段電流速斷和本段限時電流速斷保護配合工作：四.三段式電流保護三種電流保護區(qū)別1.選擇動作電流原則：電流速斷和限時電流速斷保護按照躲開某點的最大短路電流整定，其保護范圍必然是有限的；過電流保護是按照躲開最大負荷電流來整定的。2.作用范圍：（無時限）電流速斷保護不能保護線路全長；限時電流速斷保護能保護線路全長，但由于保護范圍仍然有限，不能作為相鄰元件的后備保護；過電流保護一旦超過最大負荷電流將動作，可作為相鄰元件的后備保護；將三種保護組合構成三段式電流保護，可同時滿足速動、選擇性和可靠性接線圖階段性電流保護總體評價電流速斷、限時電流速斷和過電流保護都是反應于電流升高而動作的保護裝置。它們之間的區(qū)別主要在于按照不同的原則來選擇起動電流，即速斷是按照躲開某一點的最大短路電流來整定，限時速斷是按照躲開前方各相鄰元件電流速斷保護的動作電流而整定。而過電流保護則是按照躲開最大負荷電流來整定。電流速斷(電流Ⅰ段)、限時電流速斷(電流Ⅱ段)和過電流保護(電流Ⅲ段)組成的三段式電流保護優(yōu)點是簡單、可靠，并且在一般情況下也能夠滿足快速切除故障的要求。因此，在電網(wǎng)中特別是在35kV及以下的較低電壓的網(wǎng)絡中獲得了廣泛的應用。缺點是它直接受電網(wǎng)的接線以及電力系統(tǒng)運行方式變化的影響，例如整定值必須按系統(tǒng)最大運行方式來選擇，而靈敏性則必須用系統(tǒng)最小運行方式來校驗，這就使它往往不能滿足靈敏系數(shù)或保護范圍的要求。6.2.2方向電流保護1.方向電流保護的提出現(xiàn)代電力系統(tǒng)是多電源系統(tǒng)。三段式電流保護應用于多電源網(wǎng)絡時，存在固有的選擇性難題。如圖所示兩端有電源的線路上，為了切除線路上的故障必須在線路兩側均裝設斷路器及其相應的保護。

雙電源網(wǎng)絡中電流保護的選擇性若兩個電源同時存在，使得線路上短路電流的大小與短路點位置的關系變復雜，速斷保護和過電流保護動作電流難以整定。如當k1點短路時，按選擇性要求，應由距故障點最近的保護2和6動作切除故障。距k1點較近的保護1本是以電源EI為起點整定的，然而此時由電源EII產(chǎn)生的短路電流將通過保護1，該短路電流可能會大于保護1的起動電流，則保護1的電流速斷或過電流保護會誤動作。同理，其它地點短路時，對有關的保護裝置也能得出相應的結論。誤動作的保護都是在自己所保護的線路反方向發(fā)生故障時，由對側電源供給的短路電流引起的。對誤動作的保護而言，實際短路功率的方向都是由線路流向母線的。為了消除這種無選擇性的動作，需要在可能誤動作的保護上裝設一個功率方向閉鎖元件，該元件只當短路功率方向由母線流向線路(規(guī)定此方向為正)時動作，由線路流向母線(規(guī)定此方向為負)時不動作，從而繼電保護的動作具有一定的方向性。方向性過電流保護主要由方向元件，電流元件和時間元件組成。方向元件和電流元件必須都動作以后，才能起動時間元件，再經(jīng)過預定延時后動作于跳閘。2.方向電流保護的構成圖中，TV為電壓互感器；TA為電流互感器；KA為電流測量元件；KW為功率方向測量元件，在保護線路正方向短路時動作，即短路功率為正(由母線流向線路)時動作；KT為延時邏輯元件；KS為信號元件。為簡化保護接線和提高保護的可靠性，電流保護每相的第I、II、III段可共用一個方向元件。一般來說，電流保護的第I段在動作電流滿足選擇性時，不加方向元件；電流保護的第II段在動作電流和動作時間能滿足選擇性時，不加方向元件。方向電流保護的構成原理3.功率方向元件功率方向元件是利用在保護正、反方向短路時，保護安裝處母線電壓和流過保護的電流之間的相位變化構成的為了保證功率方向元件的方向性和靈敏度，相間短路的功率方向元件一般采用90°接線方式。所謂90°接線方式是指系統(tǒng)在三相對稱且功率因數(shù)為1的情況下，接入功率方向元件的電流超前所加電壓90°的接線。功率方向元件的動作方程為：功率方向元件的動作特性圖

(a)動作區(qū)

(b)角度特性

(c)伏安特性功率方向元件的動作特性 4.三段式電流保護整定舉例【例6-1】圖6-11所示網(wǎng)絡中，已知

（1）線路裝有三段式電流保護1、2、3和4。流過線路AB和線路BC的最大負荷電流分別為120A和100A，負荷的自啟動系數(shù)為1.8；（2）保護3的第II段保護的延時為0.5s，第III段保護的延時為1.0s；線路AB第II段保護的延時允許大于1s；（3）A電源電抗，；B電源電抗，；線路電抗，；（4）AB電源振蕩時，流過A側開關最大電流為1770A；（5）可靠系數(shù)；躲開最大振蕩電流的可靠系數(shù)；返回系數(shù)；

試對保護1進行整定(即計算其動作電流、靈敏系數(shù)和動作時限)。

圖6-11例6-1網(wǎng)絡一次接線圖【解】(1)電流I段整定

AB線路接有雙電源，因此動作電流必須大于流過A側開關的可能最大電流。A電源最大運行方式下，B母線處最大三相短路電流B電源最大運行方式下，A母線處最大三相短路電流

因為1.15×1770=2040>1.25×1210=1513A，所以動作電流整定應以躲過AB電源振蕩時流過A側開關最大電流為原則，即

其靈敏度(保護范圍)應通過最小運行方式下兩相短路電流來校驗。對應動作電流的最小保護范圍(距離可用電抗表示)可由式(6-3)推得

用百分值表示的最小保護范圍

可見，滿足靈敏性要求。電流I段的動作時限為0s。

(2)電流II段整定電流II段的動作電流按式(6-4)整定，即

此處，

最小分支系數(shù)(按電抗分流計算)

故動作電流：

靈敏系數(shù)：

靈敏系數(shù)不滿足要求。

計算電流II段動作時限。如前所述，當該保護靈敏度不滿足要求時，動作電流可采用和相鄰線路電流保護第Ⅱ段整定值配合方案，即

(3)電流III段整定

作近后備時的靈敏系數(shù)，同(2)理求得

可見靈敏性滿足要求。

作遠后備時，應以C母線處兩相最小短路電流，并考慮分支電流的影響，此時分支系數(shù)應取最小運行方式下的最大值，即

靈敏性滿足要求。電流III段的動作時限6.2.3零序電流保護接地短路是電力系統(tǒng)中架空線路上出現(xiàn)最多的一類故障，尤其是單相接地故障可能占所有故障中的90%左右。前述電流保護如果采用三相完全星形接線，雖然也可以反映中性點接地電網(wǎng)的單相接地短路，但靈敏度不夠理想，時限也較長，因此要考慮裝設專用的接地保護即零序電流保護。

1.中性點直接接地系統(tǒng)中接地時零序分量的特點當中性點直接接地電網(wǎng)(或者大接地電流系統(tǒng))中發(fā)生接地短路時，系統(tǒng)中將出現(xiàn)很大的零序電流，這在正常運行時是不存在的，因此利用零序電流來構成接地保護就具有很大的優(yōu)點。在大接地電流系統(tǒng)中發(fā)生接地短路時，可以利用對稱分量法將電流、電壓分解為正序、負序和零序分量，并利用復合序網(wǎng)表示它們之間的關系。單相接地時零序電流與零序電壓從圖可以看出：當發(fā)生單相接地時，故障點出現(xiàn)了零序電壓，規(guī)定零序電壓的方向，是線路高于大地為正。零序電流可以看成是由故障點的零序電壓所產(chǎn)生的，它們經(jīng)過變壓器中性點構成回路。零序電流的正方向，仍然采用由母線流向故障點為正。

由零序網(wǎng)絡圖可見，零序分量具有以下特點：(1)故障點的零序電壓最高，離故障點越遠處的零序電壓越低，到變壓器接地的中性點處零序電壓為0。(2)由于零序電流是由零序電壓產(chǎn)生的，因此零序電流的大小和相位由零序電壓和電網(wǎng)中性點至接地故障點的零序阻抗所決定。(3)零序功率的正方向與正序功率的正方向相反，是由故障點指向母線。(4)保護安裝處(例如A點)的零序電壓為

亦即接入保護裝置的零序電壓與零序電流的相位差，只取決于保護安裝處背后變壓器的零序阻抗而與被保護線路的零序阻抗及故障點的位置無關。

2.大接地電流系統(tǒng)的零序電流保護

在大接地電流系統(tǒng)中的零序電流保護是利用中性點直接接地電網(wǎng)中發(fā)生接地故障時出現(xiàn)零序電流的特點而構成。在110kV以上的單電源輻射形網(wǎng)絡，常常采用無方向的三段式零序電流保護作為接地故障的主保護及后備保護。通常三段式零序電流保護由以下三部分組成：1)無時限零序電流速斷保護，又稱零序I段保護；2)帶時限零序電流速斷保護，又稱零序Ⅱ段保護；3)零序過電流保護，又稱零序Ⅲ段保護。從保護構成情況看，三段式零序電流保護與三段式相間電流保護相類似，其主要區(qū)別在于零序電流保護的測量元件(電流繼電器)接入的電流量的性質不同，零序電流保護的測量元件是接在零序電流濾過器的出口。3.中性點直接接地電網(wǎng)接地短路的零序方向電流保護

在雙側或多側電源中性點直接接地電網(wǎng)中，電源處變壓器中性點一般至少有一臺是接地的。由于零序電流的實際流向是由故障點流向各個中性點接地的變壓器。因此在變壓器接地數(shù)目比較多的復雜網(wǎng)絡中，如果僅配置無方向的零序電流保護，就可能失去選擇性，導致保護的誤動作。為了解決這一矛盾，應在零序電流保護的基礎上，加裝方向元件，以判別正、反方向的故障，這樣的保護就稱之為零序方向電流保護。取保護安裝處零序電流的正方向為由母線指向線路，零序電壓的方向是線路高于大地的電壓為正方向。通常保護背側系統(tǒng)零序阻抗角約為70°～80°，故零序電流超前零序電壓的相角一般95°～110°。零序功率方向繼電器的電流線圈接于零序電流濾過器回路，輸入電流3I0；電壓線圈接于電壓互感器二次側開口三角形繞組的輸出端，輸入電壓為3U0。零序功率方向繼電器只反映被保護線路正方向接地短路時的零序功率方向。當前，在電力系統(tǒng)中實際使用的零序功率方向繼電器都是把最大靈敏角制成70°～85°，即若從其正極性端輸入的電流3I0滯后于按正極性端子接入的電壓3U0為70°～85°，繼電器最靈敏。實際工作中，應把零序功率方向繼電器的電流線圈中標有“*”號的端子與零序電流濾過器上有“*”的端子相連(即同極性相連)，以取得3I0。而把繼電器電壓線圈上有“*”的端子與零序電壓濾過器上沒有“*”的端子相連(即異極性相連)，以取得-3U0，保證正方向發(fā)生接地故障時，繼電器工作在最靈敏的狀態(tài)下。

4.中性點非直接接地系統(tǒng)保護(1)中性點不接地系統(tǒng)單相接地的特點。正常情況下電源中性點對地電壓為0，各相對地電壓即為相電勢。三相對地電壓之和與三相電容電流之和均為0，此時電網(wǎng)中沒有零序電壓和零序電流。中性點不接地系統(tǒng)單相接地

當發(fā)生單相接地時，接地相(例如A相)的對地電容被短接，則A相電位變?yōu)?，此時大地的電位不再和電網(wǎng)中性點等電位，而B、C兩相對地電壓將升高√3倍，而電網(wǎng)中性點電壓則由0升高至相電壓。由于故障相(本例A相)為0，所以電網(wǎng)內(nèi)所有線路A相對地電容電流均為零，而非故障相(本例B、C相)由于電壓升高其電容電流不為0，從而出現(xiàn)了零序電容電流。而所有零序電流將全部匯流到接地點(即故障點)，亦即接地點處的電流為各條線路非故障相對地電容電流的總和。由圖6-13可以看出，所有非故障相的電流都是從母線流向線路的。故障線路始端的零序電流為整個電網(wǎng)非故障線路的零序電流之和，其方向由線路流向母線。根據(jù)對中性點不接地系統(tǒng)接地時電流電壓分析，可以總結為：1)接地相電壓為0，非接地相電壓升高√3倍，系統(tǒng)內(nèi)出現(xiàn)零序電壓，其大小等于故障前電網(wǎng)的相電壓，且系統(tǒng)各處零序電壓相等。2)非故障線路的保護安裝處通過的零序電流為該線路本身非故障相對地電容電流之和，方向從母線流向線路，超前零序電壓90°。3)故障線路的保護通過的零序電流為所有非故障線路零序電流之和，其方向從線路指向母線，滯后零序電壓90°。

根據(jù)以上分析，又考慮到單相接地故障時，故障電流數(shù)值不大，三個線電壓仍然對稱，對負荷供電短時不致有很大影響，線路可以繼續(xù)供電1~2h。(2)中性點不接地系統(tǒng)的接地保護對策。1)絕緣監(jiān)視裝置。利用單相接地時，系統(tǒng)會出現(xiàn)零序電壓這一特征而構成的絕緣監(jiān)視裝置是最簡單實用的中性點不接地系統(tǒng)單相接地保護方式。2)零序電流保護。利用故障線路的零序電流大于非故障線路零序電流的特點，可以構成有選擇性的零序電流保護并可動作于信號或跳閘。3)零序方向保護。利用接地時故障線路與非故障線路保護安裝處零序電流的方向恰好相差180°的特點，可以構成有選擇性的零序方向保護。(3)中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)單相接地的特點及其保護。我國對小電流接地系統(tǒng)規(guī)定了接地電容電流的限制，那么，當電網(wǎng)實際的電容電流超過限值時，就必須采取措施，即在電源中性點處接入消弧線圈使系統(tǒng)變?yōu)橹行渣c經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)。所謂消弧線圈，是一種帶鐵芯的特殊電抗器。在中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)中發(fā)生單相接地時，零序電容電流的分布與未接消弧線圈前是相同的，其不同點在于，當系統(tǒng)出現(xiàn)零序電壓時，消弧線圈中有一感性電流流過，這樣流過接地點的電流變成電感電流和電容電流的向量和。因為電感電流與電容電流的方向相反，故電感電流實際上是起“補償作用”，從而使接地電流減小。根據(jù)電感電流對電容電流的補償程度，可分為完全補償、欠補償和過補償三種補償方式。為避免諧振，一般采用過補償(IL>ICΣ)方式。中性點經(jīng)消弧線圈接地的系統(tǒng)單相接地如圖6-14所示。

圖6-14中性點經(jīng)消弧線圈接地系統(tǒng)單相接地

電流、電壓保護的主要優(yōu)點是簡單、可靠、經(jīng)濟，但是，系統(tǒng)在正常運行時，不可能總工作于最大運行方式下，因此當運行方式變小時，電流保護的保護范圍將縮短，靈敏度降低。對于容量大、電壓高或結構復雜的網(wǎng)絡，它們難于滿足電網(wǎng)對保護的要求。電流、電壓保護一般只適用于35kV及以下電壓等級的配電網(wǎng)。而距離保護，顧名思義它測量的是短路點至保護安裝處的距離，受系統(tǒng)運行方式影響較小，保護范圍穩(wěn)定。常用于對于110kV及以上電壓等級的復雜網(wǎng)線路保護。6.2.4距離保護距離保護是利用阻抗元件來反映保護安裝處至故障點的距離，并根據(jù)距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置。測量保護安裝處至故障點的距離，實際上是測量保護安裝處至故障點之間的阻抗（用電壓與電流的比值U/I=Z）大小，故有時又稱之為阻抗保護。距離保護反應的信息量比反應單一物理量的電流保護靈敏度高。距離保護的實質是用整定阻抗Zzd與被保護線路的測量阻抗Zcl比較。當短路點在保護范圍以外時，即Zcl

>Zzd時繼電器不動。當短路點在保護范圍內(nèi)，即Zcl

<Zzd時繼電器動作。因此，距離保護又稱為低阻抗保護。1.距離保護的基本概念2.距離保護的時限特性當短路點距保護安裝處近時，其量測阻抗小，動作時間短;當短路點距保護安裝處遠時，其量測阻抗大,動作時間就增長，這樣保證了保護有選擇性地切除故障線路。距離保護的動作時間(t)與保護安裝處至短路點距離(l)的關系t=f(l),稱為距離保護的時限特性。為了滿足繼電保護速動性、選擇性和靈敏性的要求，目前廣泛采用具有三段動作范圍的時限特性。三段分別稱為距離保護的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，它們分別與電流速斷、限時電流速斷及過電流保護相對應。距離保護的第Ⅰ段是瞬時動作的，它的保護范圍為本線路全長的80～85％;第Ⅱ段與限時電流速斷相似,它的保護范圍應不超出下一條線路距離第Ⅰ段的保護范圍，并帶有高出一個△t的時限以保證動作的選擇性;第Ⅲ段與過電流保護相似，其起動阻抗按躲開正常運行時的負荷參量來選擇，動作時限比保護范圍內(nèi)其他各保護的最大動作時限高出一個△t。

距離保護的原理與時限特性距離I段，為保證選擇性，其保護范圍應限制在本線路內(nèi)。以保護1為例，它的整定阻抗應小于ZAB，通常整定為(0.8~0.85)ZAB。由于不必和其他線路的保護配合，故第I段動作不需帶時限，僅由繼電器的固有動作時間決定。距離II段，用以彌補第I段之不足，盡快切除本線路末端15％~20％范圍內(nèi)的故障，但為了切除全線上的故障，勢必延伸到下一條線路首端部分區(qū)域。為了縮短動作時限，距離II段的保護范圍要與相鄰下一線距距離I段配合。時限也與相鄰下一線的I段時限配合。距離I段和距離II段共同作為線路的主保護。距離III段，作為本線路距離I段和距離II段的近后備及相鄰線路的遠后備。其時限可與相鄰下一線的III段或II段時限配合。在超高壓網(wǎng)絡中，為簡化距離保護的接線，也可采用只有I、II段或只有II、III段的兩段式簡化距離保護。一般情況下,距離保護裝置由以下4種元件組成。①起動元件：在發(fā)生故障的瞬間起動整套保護，并可作為距離保護的第Ⅲ段。起動元件常取用過電流繼電器或低阻抗繼電器。②方向元件：保證保護動作的方向性，防止反方向故障時保護誤動作。方向元件可取用單獨的功率方向繼電器，也可取用功率方向繼電器與距離元件結合構成方向阻抗繼電器。③距離元件：距離保護裝置的核心部分。它的作用是量測短路點至保護安裝處的距離。一般采用阻抗繼電器。④時限元件：配合短路點的遠近得到所需的時限特性，以保證保護動作的選擇性。一般采用時間繼電器。3.距離保護評價距離保護的主要優(yōu)點在于阻抗繼電器同時反應電壓的降低與電流的增大而動作，因此距離保護較電流電壓保護有較高的靈敏度;保護范圍不受運行方式的變化的影響而保持恒定。距離保護的主要缺點是：(1)不能實現(xiàn)全線瞬動。對雙側電源線路，將有全線30％～40％的范圍采用第II段時限。這使得距離保護可能不滿足一般220kV及以上電壓等級的輸電線路的暫態(tài)穩(wěn)定要求的極限切除時間，因而不便采用作為主保護。(2)裝置本身構成的元件多、接線復雜，因而維護較難，可靠性相對也較低。距離保護的應用很廣。對于不要求全線速動的高壓和部分超高壓線路(如35kV、110kV及部分220kV線)可作為相間主保護；對于一般的220kV及以上線路(包括部分110kV線)，可作為相間及接地故障的后備保護。6.2.5高頻保護高頻保護是將線路兩端的電流相位或功率方向轉化為高頻信號，然后利用輸電線路本身或專用通道將信號送至對端，以比較兩端電流相位或功率方向而決定保護是否動作的一種保護。因為它不反應于被保護輸電線范圍以外的故障，在定值選擇上也無需與下一條線路相配合，故可不帶動作延時。利用輸電線路本身作為高頻通道時，在傳送50Hz工頻電流的輸電線上，疊加傳送一個高頻信號(或稱載波信號)，高頻信號一般采用40~300kHz的頻率，以便與輸電線路的工頻相區(qū)別。輸電線經(jīng)高頻加工后就可作為高頻通道。高頻加工所需的設備稱高頻加工設備。高頻保護廣泛應用于高壓和超高壓輸電線路，是比較成熟和完善的一種無時限快速原理保護。目前廣泛采用的高頻保護，按工作原理的不同可分為兩大類：（1）方向高頻保護：其基本原理是比較線路兩端的功率方向。（2）相差高頻保護：其基本原理則是比較兩端電流的相位。1.高頻閉鎖方向保護是比較被保護線路兩側功率的方向，規(guī)定功率方向由母線指向某線路為正，指向母線為負;線路內(nèi)部故障，兩側功率方向都由母線指向線路，保護動作跳閘，信號傳遞方式相同。目前廣泛應用的高頻閉鎖方向保護，是以高頻通道經(jīng)常無電流而在外部故障時發(fā)出閉鎖信號的方式構成的。此閉鎖信號由短路功率方向為負的一端發(fā)出，這個信號被兩端的受信機所接收，而把保護閉鎖，故稱為高頻閉鎖方向保護。這種保護的工作原理是利用非故障線路的一端發(fā)出閉鎖該線路兩端保護的高頻信號，而對于故障線路的兩端則不需要發(fā)出高頻信號使保護動作于跳閘，這樣就可以保證在內(nèi)部故障并伴隨有通道的破壞是（例如通道所在的一相接地或是斷線），保護裝置仍能夠正確動作，這是它的主要優(yōu)點，也是這種高頻信號工作方式得到廣泛應用的主要原因之一。對接于相電流和相電壓（或線電壓）上的功率方向元件，當系統(tǒng)發(fā)生振蕩且振蕩中心位于保護范圍以內(nèi)時，由于兩端的功率方向均為正，保護將要誤動，這是一個嚴重的缺點。而對于反應負序或另序的功率方向元件，則不受振蕩的影響。

由以上分析可以看出，距故障點較遠一端的保護所感覺到的情況，和內(nèi)部故障時完全一樣，此時主要是利用靠近故障點一端的保護發(fā)出的高頻閉鎖信號，來防止遠端保護的誤動作。因此，在外部故障時保護正確動作的必要條件是靠近故障點一端的高頻發(fā)信機必須起動，而如果兩端起動元件的靈敏度不相配合時，就可能發(fā)生誤動作。由于采用了兩個靈敏度不同的起動元件，在內(nèi)部故障時，必須起動遠端元件動作后才能跳閘，因而降低了整套保護的靈敏度，同時也使接線復雜化。此外，對于這種工作方式，當外部故障時在遠離故障點一端的保護，為了等待對端發(fā)來的高頻閉鎖信號，還必須要求起動元件遠端的動作時間大于近端起動元件的動作時間，這樣就降低了整套保護的動作速度。以上是這種保護的主要缺點。2.相差高頻保護其基本原理在于比較被保護線路兩端短路電流的相位。在此仍采用電流的給定正方向是由母線流向線路。當保護范圍內(nèi)部故障時，理想情況下，兩端電流相位相同，兩端保護裝置應動作，使兩端的斷路器跳閘；當保護范圍外部故障時，兩端電流相位相差接近180°，保護裝置則不應動作。區(qū)內(nèi)故障：兩側電流同相位，發(fā)出跳閘脈沖；區(qū)外故障：兩側電流相位相差180°，保護不動作

為了滿足以上要求，當采用高頻通道經(jīng)常無電流，而在外部故障時發(fā)出高頻電流（即閉鎖信號）的方式來構成保護時，在實際上可以做成當短路電流為正半周，使它操作高頻發(fā)信機發(fā)出高頻電流，而在負半周則不發(fā)，如此不斷的交替進行。這樣當保護范圍內(nèi)部故障時，由于兩端的電流同相位，它們將同時發(fā)出閉鎖信號也同時停止閉鎖信號，因此，兩端收信機所收到的高頻電流是間斷的。當保護范圍外部故障時，由于兩端電流的相位相反，兩個電流仍然在它們自己的正半周發(fā)出高頻信號。因此，兩個高頻電流發(fā)出的時間就相差半個周期(0.01s)。這樣從兩端收信機中所收到的總信號就是一個連續(xù)不斷的高頻電流。相差動高頻保護也是一種傳送閉鎖信號的保護，也具有閉鎖式保護所具有的缺點，需要兩套起動元件。用來鑒別是連續(xù)的還是間斷的以及間斷角度大小的回路稱為相位比較回路。1．變壓器易產(chǎn)生的故障和不正常工作狀態(tài)變壓器故障及不正常工作狀態(tài)變壓器故障不正常工作狀態(tài)內(nèi)部故障線圈的相間短路、匝間或層間短路、單相接地短路以及燒壞鐵心等。

外部故障套管及引出線上的短路和接地。

過負荷、溫升過高以及油面下降超過了允許程度等。

6.3變壓器保護2．電力變壓器上常見的繼電保護裝置對于電力變壓器的常見故障及異常運行狀態(tài)，一般應裝設下列保護：(1)差動保護或電流速斷保護

反應變壓器的內(nèi)、外部故障，瞬時動作于跳閘。(2)瓦斯保護

反應變壓器的內(nèi)部故障或油面降低，瞬時動作于信號或跳閘。(3)過電流保護

反應變壓器外部短路引起的過電流，帶時限動作于跳閘，

可作為上述保護的后備。(4)過負荷保護

反應過載而引起的過電流，一般作用于信號。(5)溫度保護

反應變壓器油、繞組溫度升高或冷卻系統(tǒng)的故障，

動作于信號或跳閘。6.3.2變壓器的瓦斯保護1.瓦斯保護工作原理

電力變壓器通常是利用變壓器油作為絕緣和冷卻介質。當變壓器油箱內(nèi)故障時，在故障電流和故障點電弧的作用下，變壓器油和其他絕緣材料會因受熱而分解，產(chǎn)生大量氣體。氣體排出的多少以及排出速度，與變壓器故障的嚴重程度有關。利用這種氣體來實現(xiàn)保護的裝置，稱為瓦斯保護。

對于容量在800kVA及以上的油浸式變壓器和400kVA及以上的戶內(nèi)油浸式變壓器，均應裝設瓦斯保護。瓦斯繼電器（氣體繼電器），安裝于變壓器油箱與油枕之間的連通管上，如圖所示。為讓變壓器的油箱內(nèi)產(chǎn)生的氣體順利通過與瓦斯繼電器連接的管道流入油枕，應保證連通管對變壓器油箱頂蓋有2%～4%的傾斜度，變壓器安裝應取1%～1.5%的傾斜度。

2.瓦斯繼電器的安裝瓦斯繼電器在變壓器上的安裝1變壓器油箱2聯(lián)通管3瓦斯繼電器4油枕FJ3-80型開口杯式瓦斯繼電器的結構示意圖1—蓋；2—容器；3—上油杯；4—永久磁鐵；5—上動觸點；6—上靜觸點；7—下油杯；8—永久磁鐵；9—下動觸點；10—下靜觸點；11—支架；12—下油杯平衡錘；13—下油杯轉軸；14—擋板；15—上油杯平衡錘；16—上油杯轉軸；17—放氣閥；18—接線盒3.瓦斯繼電器的結構

瓦斯繼電器有浮筒式和開口杯式

開口杯式結構及工作：

(1)變壓器正常運行時，上開口杯3及下開口杯7都浸在油內(nèi)，均受到浮力。因平衡錘的重量所產(chǎn)生的力矩大于開口杯（包括杯內(nèi)的油重）一側的力矩，開口杯處于向上傾斜的位置，此時上、下兩對觸點都是斷開的。

(2)變壓器內(nèi)部發(fā)生輕微故障時，產(chǎn)生的氣體聚集在繼電器的上部，迫使繼電器內(nèi)油面下降，上浮子的開口杯3逐漸露出油面，浮力逐漸減小，上油杯因其中盛有殘余的油而使其力矩大于另一端平衡錘的力矩而降落，這時上接點閉合而接通信號回路，這稱之為“輕瓦斯動作”。

(3)當變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴重故障時，產(chǎn)生的大量氣體或強烈的油流將沖擊擋板14，使下開口杯7立刻向下轉動，使下觸點接通跳閘回路，這稱之為“重瓦斯動作”。

(4)如果變壓器油箱漏油，使得瓦斯繼電器內(nèi)的油也慢慢流盡，先是繼電器的上油杯下降，發(fā)出信號，接著繼電器的下油杯下降，使斷路器跳閘。

瓦斯保護動作快，靈敏度高，結構簡單，并能反映變壓器油箱內(nèi)的各種故障，在工廠中使用相當廣泛，但它不能反映變壓器引出端子以上的故障。

瓦斯保護的原理接線圖6.3.3變壓器縱差動保護1.變壓器縱差動保