页数：93页文件大小：1.25 MB来源： 电力系统继电保护原理ppt课件
本课件讲解电网的电流保护，从继电器的继电特性与返回系数出发，先介绍单侧电源网络相间短路的电流速断、限时电流速断与定时限过电流保护的原理、整定计算与灵敏度校验，再讨论反时限过电流保护与电流保护的接线方式，随后展开双侧电源网络的方向性电流保护、中性点直接接地系统的零序电流与方向保护，以及中性点非直接接地系统的单相接地保护与消弧线圈补偿。
第2章 电网的电流保护
第1节 单侧电源网络相间短路的电流保护
对继电器的要求：
无论是动作还是返回，继电器都是从起始位置到最终位置，不可能停留在某一个中间位置上，这种特性称为继电器的「继电特性」。
电流速断保护（电流 I 段）——工作原理：反应电流增大而瞬时动作的电流保护。
输电线路上发生短路时，流过保护安装地点的短路电流随短路点的位置变化，且与系统的运行方式和短路类型有关。
说明：原页公式为图形化排版的三相、两相短路电流表达式，文字版以结论形式给出。
电流速断保护——整定计算（动作电流）：为保证选择性，保护装置的起动电流应按躲开下一条线路出口处短路时通过保护的最大短路电流来整定。
结论：电流速断保护只能保护本条线路的一部分，而不能保护全线路，存在最大保护范围 Lmax 和最小保护范围 Lmin。
保护范围（灵敏度 KLm）计算校验：《规程》规定，在最小运行方式下，速断保护范围的相对值 Lb% 大于 15%～20% 时为合乎要求。
由最大运行方式下的系统阻抗、线路单位阻抗与动作电流关系，可整理出最小保护长度占线路全长的百分数，并要求其不小于 15%～20%。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材通用表达式整理为文字结论。
电流速断保护——动作时限：无时限电流速断保护没有人为延时，只考虑继电保护固有动作时间，由于动作时间较小可认为 t = 0 s。
电流速断保护——单相原理接线图：原理图以整体形式表示各二次设备之间的电气联接。
正常状态：一次设备通过的电流为负载电流，流过 KA 的电流小于动作值，KA 不动作，其触点不闭合，不发断路器跳闸脉冲。
电流速断保护——短路故障时：
电流速断保护装置为什么要加中间继电器？线路中管型避雷器放电时间为 0.04～0.06 s，在避雷器放电时速断保护不应该动作，为此在速断保护装置中加装一个保护出口中间继电器。
对电流速断保护的评价（配合系统运行方式变化与保护范围示意图）：
特殊情况：电流速断可以保护线路全长。在采用线路—变压器组接线方式的电网中，把线路和变压器看成是一个元件，速断保护按躲开变压器低压侧短路出口处 d1 点短路来整定，可以保护线路的全长。
限时电流速断保护（电流 II 段）：电流速断保护不能保护本线路的全长，解决办法是增设一套新的保护——限时电流速断保护。
限时电流速断保护——工作原理：
限时电流速断保护——整定计算（1）动作电流：动作电流按躲开下一条线路无时限电流速断保护的动作电流进行整定。
继电器动作电流由保护装置动作电流经电流互感器变比换算得到。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材整定关系式整理为文字表述。
限时电流速断——（2）动作时限：为保证选择性，限时电流速断保护比下一条线路无时限电流速断保护的动作时限高出一个时间阶段 Δt。
影响 Δt 的因素：
故 Δt = tQF + tt + tg + ty ≈ 0.5 s。
限时电流速断——（3）灵敏度校验：要求 Klm ≥ 1.5，考虑了以下不利于保护动作的因素：
思考问题：灵敏性不满足要求，怎么办？
限时电流速断保护——单相原理接线：与电流速断保护接线的主要区别在于增加了时间继电器 KT。
时间继电器用于获得比下一线路无时限速断高出一个 Δt 的动作时限，以保证保护动作的选择性。
对限时电流速断保护的评价：
定时限过电流保护（电流 III 段）：为实现对相邻线路的远后备而设置。
过电流保护——工作原理：反应电流增大而动作，要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长。
过电流保护——整定计算（动作电流）：按躲开被保护线路的最大负荷电流，且在自起动电流下继电器能可靠返回进行整定。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材整定关系式整理为文字表述。
过电流保护——灵敏度校验：
过电流保护——时间整定：为保证保护动作的选择性，过电流保护动作延时按阶梯原则整定，即本线路的过电流保护动作延时应比下一条线路的电流 III 段动作时间长一个时限阶段 Δt。
对定时限过电流保护的评价：
电流三段保护小结：电流速断保护只能保护线路的一部分，限时电流速断保护能保护线路全长，但不能作为下一相邻线路的后备保护，因此必须采用定时限过电流保护作为本条线路和下一段相邻线路的后备保护。由电流速断保护、限时电流速断保护及定时限过电流保护相配合构成一整套保护。
电流三段式保护的配合及应用：图示三段式电流保护在单侧电源辐射形电网各线路上的保护范围与时限配合关系。
由图中可以看出速断、限时速断与过电流保护在各线路上保护范围的搭接以及动作时限沿电源方向逐级增大的阶梯特点。
三段式电流保护整定参数对比：
| 保护方式 | 起动电流 | 动作时限 | 保护范围 | 灵敏度 |
|---|---|---|---|---|
| 无时限电流速断（I 段） | 按躲过本线路末端（下一线路出口）最大短路电流整定 | t = 0 s | 本线路的一部分 | 最小运行方式下保护长度应不小于线路全长的 15%～20% |
| 限时电流速断（II 段） | 与下一线路无时限速断配合，灵敏性不足时与下一线路 II 段配合 | 0.5 s（比下一线路 I 段高一个 Δt） | 本线路全长，并延伸入相邻线路速断保护区 | Klm ≥ 1.5 |
| 定时限过电流（III 段） | 按躲过被保护线路最大负荷电流整定 | 按阶梯原则逐级加 Δt | 本线路全长及下一条相邻线路全长 | 近后备 ≥ 1.5，远后备 ≥ 1.2 |
说明：原页为图形化排版的整定参数对照图，此处按教材内容整理为真表格。
三段式电流保护的评价——选择性：电流速断保护的选择性靠动作电流实现；限时电流速断保护和过电流保护则靠动作电流和动作时限共同实现。在 35 kV 及以下的单侧电源辐射形电网中具有明显的选择性，但在多电源网络或单电源环网中，只有某些特殊情况下才能满足选择性要求。
三段式电流保护的评价——速动性：电流速断保护以固有动作时限动作跳闸；限时电流速断保护动作时限一般在 0.5 s 以内，动作迅速是这两种保护的优点；过电流保护动作时限较长，靠近电源侧的保护动作时限可能长达几秒，这是其主要缺点。
可靠性：三段式电流保护继电器简单、数量少，接线、调试和整定计算都较简便，不易出错，因此可靠性较高。
三段式电流保护的评价——灵敏性：电流速断保护不能保护本线路全长，保护范围受系统运行方式影响较大；限时电流速断虽能保护本线路全长，灵敏性仍受运行方式影响；过电流保护按最大负荷电流整定，灵敏性一般能满足要求，但在长距离重负荷线路上往往难以满足。受系统运行方式影响大、灵敏性差是三段式电流保护的主要缺点。
三段式电流保护的评价：
反时限特性的过电流保护：阶段式电流保护需使用多个过电流继电器和时间继电器组成三段式回路，使用的继电器较多，且短路点越靠近电源，过电流保护段动作时间越长。为克服这个缺点，采用动作时间与流过继电器电流大小有关的继电器。
反时限过电流保护——工作原理：反应电流增大而动作，其延时与通入电流的平方成反比，一般可作 6～10 kV 线路或电动机的保护。
整定计算：动作电流的整定原则与定时限过电流保护相同，灵敏度校验要求本线路末端最小两相短路电流与动作电流之比 Klm ≥ 1.5。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材整定关系式整理为文字表述。
反时限过电流保护——时间整定：两级反时限过电流保护配合时，在保护 1、保护 2 的重叠保护区内，只要在 d1 处用动作延时保证选择性，重叠保护区的其他部分都能保证选择性，d1 点称为配合点。
反时限过电流保护与电源侧定时限过电流保护的配合：已知 1QF 定时限过电流保护的整定参数，其保护范围到 d1 点；2QF 反时限过电流保护的时间特性由曲线给出，重叠保护区的末端 d1 为配合点，在配合点上两者动作时间相差一个 Δt。
反时限过电流保护应用范围：
因此反时限过电流保护主要用在 6～10 kV 网络中，作为馈线和电动机的保护，10 kV 以上网络一般都不采用。
电流保护的接线方式：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的联系方式。
相间短路电流保护的主要接线形式：
各种接线方式在不同故障时的性能分析：
串联线路上两点接地情况：在 dA 点和 dB 点发生接地短路时，若保护 1 和保护 2 均采用三相星形接线，可 100% 只切除故障线路；如采用两相星形接线，线路 BC 上 B 相接地时保护 1 不能动作，只能由保护 2 切除线路 AB，扩大了停电范围，因此只能有 2/3 的机会有选择地切除后面的一条线路。
放射性线路上两点接地情况：在 dA、dB 点发生接地短路时，采用三相星形接线则两套保护均起动，时限整定相同时会同时切除两条线路；采用两相星形接线时，只要某一线路上 B 相一点接地，因 B 相未接保护，该线路就不被切除，保护有 2/3 的机会只切除任一线路。因此在放射性线路中，两相星形比三相星形应用较广。
两种接线方式的应用：
第2节 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护
三段式电流保护仅利用相间短路后电流幅值增大的特征区分故障与正常运行，以动作电流大小和动作时限长短配合保证选择性，在多电源网络中遇到困难，由此引入短路功率方向的概念：
在电流保护的基础上加装一个能判断短路功率流向的方向元件，即功率方向继电器：
在电流保护基础上加装方向元件的保护称为方向电流保护。方向电流保护既利用了电流的幅值特征，又利用了短路功率的方向特征，这样就可将两个方向上的保护拆开成两个单电源辐射形电网的保护。
功率方向继电器是判断短路功率方向的元件，是方向电流保护中的主要元件，必须具有足够的灵敏性和明确的方向性：
功率方向继电器通过测量保护安装处电压和电流之间的相位关系来判断短路功率方向。
以双侧电源网络保护 3 为例：
功率方向元件的动作方程：按电工技术中测量功率的概念，对 A 相功率方向元件加入电压 UA 和电流 IA，为使常见短路情况下方向元件最灵敏，采用线路阻抗角作为最大灵敏角，并考虑过渡电阻等实际情况。
正方向短路时动作判据可表示为 arg(Ur/Ir) 落在 +90° 与 −90° 之间（以最大灵敏角为基准的相位区间）。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材判据整理为文字表述。
采用上述特性与接线的功率方向元件，在正方向出口附近接地短路时，故障相电压很低，功率方向元件不能动作，称为电压死区。实际中广泛采用非故障相电压和故障相电流进行比较，以最大灵敏角 α 与线路阻抗角 φL 配合。
说明：原页含图形化动作方程，此处按教材内容整理为文字表述。
相间短路功率方向继电器的接线方式指它与电压互感器和电流互感器之间的连接方式，应满足以下要求：
为满足接线方式的要求，目前功率方向继电器广泛采用 90° 接线方式。所谓 90° 接线方式，是指在三相对称且功率因数 cosφ = 1 的情况下，各功率方向继电器所加电流和电压的相位刚好相差 90°。
90° 接线方式的主要优点：
对方向性电流保护的评价：
第3节 中性点直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护
接地短路零序电压、电流和功率的分布：
中性点直接接地系统接地短路时出现很大的零序电压和电流，据此构成的接地短路保护广泛应用于 110 kV 以上电网。
零序电流可以看成是在故障点施加的零序电压产生的，它经过变压器接地的中性点构成回路。零序电流的规定正方向采用母线流向线路为正，零序电压的正负以大地为基准，线路高于大地的电压为正。
零序电压的分布特点：
零序电流的分布特点：
零序功率的方向特点：
零序分量过滤器——零序电压过滤器：
对于发电机，当中性点经电压互感器或消弧线圈接地时，从其二次绕组中也能获得零序电压。实际上由于电压互感器的误差以及三相系统对地不完全平衡，在开口三角侧也可能有数值不大的电压输出，称为不平衡电压。
零序电流过滤器：对于架空线路，为取得零序电流，通常采用三个单相电流互感器接成完全星形接法，继电器中得到的电流为三相电流之和，即 3I0。
实际上由于电流互感器励磁电流的影响，零序电流过滤器中存在不平衡电流。
说明：原页公式为图形化排版，此处按教材关系式整理为文字表述。
对于电缆线路，将互感器套在电缆外面，从铁芯中穿过的电缆就是电流互感器的一次绕组，其一次电流是三相电流之和，正常时为零。只有当一次侧出现零序电流时，二次侧才有相应的输出。其主要优点是没有不平衡电流，同时接线简单。
三段式零序电流保护与三段式相间短路保护基本相似：
零序电流速断保护动作电流的整定原则：
若按条件（3）整定，定值较高，正常情况下发生接地故障时保护范围缩小。为此通常设置两个零序速断保护：
限时零序电流速断保护：整定原则与相间短路的限时电流速断保护相同，即考虑与下一条线路的零序 I 段保护相配合。应注意，当两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器时，应考虑变压器对零序电流分流的影响。
定时限零序过电流保护的作用相当于相间短路的过电流保护，一般情况下作为后备保护使用，但在中性点直接接地系统的终端线路上也可作为主保护。其动作电流按下列原则整定：
按上述原则计算，应选取其中较大者作为整定值。
定时限零序过电流保护的动作时限按阶梯原则确定。由于（Y,d）接法变压器低压侧的任何故障都不会在高压侧引起零序电流，因此保护 3 的零序过电流可以是瞬时动作的，动作时限可从保护 3 开始逐级配合。同一线路上零序过电流保护的动作时限小于相间短路过电流保护的动作时限，这是零序过电流保护的优点之一。
实践表明，在 220 kV～500 kV 输电线路上发生单相接地故障时，往往会有较大的过渡电阻存在，当导线对位于其下面的树木等放电时，接地过渡电阻可能达到 100 Ω～300 Ω。
此时通过保护装置的零序电流很小，上述零序电流保护均难以动作。为在这种情况下切除故障，可考虑采用零序反时限过电流保护，继电器动作电流可按躲过正常情况下出现的不平衡电流整定。
方向性零序电流保护：在双侧或多侧电源的网络中，电源处变压器的中性点至少有一台要接地，由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此在变压器接地数目比较多的复杂网络中，需要考虑零序电流保护动作的方向性问题。
为保证位于母线两侧的零序电流保护有选择性地切除故障，必须在零序电流保护中加装功率方向元件，构成零序电流方向保护，此时只需按同一方向的零序电流保护进行配合，构成阶段式零序方向电流保护。
为判别零序功率方向，零序电流保护装置中应接入零序功率方向继电器，它反应于零序功率方向而动作。整流型零序功率方向继电器与反应相间短路的整流型功率方向继电器工作原理和构成方法基本相同，差别仅在于接线方式不同。
对零序电流保护的评价——优点 1：灵敏性高。在中性点直接接地的高压电网中，零序电流保护简单、经济、可靠，作为辅助保护或后备保护获得广泛应用：
对零序电流保护的评价——优点 2：速动性好。零序过电流保护的动作时限比相间短路过电流保护的动作时限要短。尤其是对于两侧电源的线路，当线路内部靠近任一侧发生接地短路时，本侧零序电流保护一段动作跳闸后，对侧零序电流将增大，可使对侧零序电流保护一段也相继动作跳闸，因而使总的故障切除时间更加缩短。
对零序电流保护的评价——优点 3、4：
在 110 kV 及以上的高压和超高压电网中，单相接地故障约占全部故障的 70%～90%，其他故障也多由单相故障发展而来，因此零序电流保护为绝大多数故障提供了保护，具有显著的优越性。
零序电流保护的缺点：
第4节 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护：
中性点不接地系统中单相接地故障的特点：正常运行情况下三相有相同的对地电容，三相对地电压对称，中性点对地电压为零，各相电容电流对称且超前各自相电压 90°，三相对地电压之和与三相电容电流之和均为零，电网无零序电压和零序电流。
设 A 相发生单相接地短路，A 相对地电压为零、对地电容被短接、电容电流为零，而其他两相的对地电压升高，对地电容电流也相应增大。
在不计负荷电流和电网压降时，A 相接地有：故障相对地电压为零，中性点对地电压升高为相电压的负值，非故障相对地电压升高为线电压；在接地点处出现的零序电压与故障前故障相相电压大小相等、方向相反。
说明：原页公式为图片化排版，文字版按教材结论给出关系描述。
A 相接地时，A 相对地电容电流为零，非故障相在对地电压作用下分别产生超前 90° 的电容电流。此时通过故障相接地点处的电流是系统非故障相电容电流之和，即为正常运行时单相电容电流的 3 倍。通过保护安装处的零序电流则为本支路非故障相的电容电流。
说明：原页公式为图片化排版，此处按教材结论给出文字表述。
发生单相接地后零序分量分布特点如下：
中性点经消弧线圈接地系统的特点：
图示中性点经消弧线圈接地系统中单相接地时，消弧线圈的电感电流与系统对地电容电流在接地点相互抵消的补偿原理。
补偿后故障点残流减小，有利于电弧熄灭、防止弧光过电压发展成相间短路。
消弧线圈的作用就是用电感电流来补偿流经接地点的电容电流。根据补偿程度不同，可分为完全补偿、欠补偿和过补偿三种方式：
中性点经消弧线圈接地系统的保护：
到目前为止，对于中性点非直接接地系统还没有一种原理完善、动作可靠、实现简单的保护，需进一步研究。
思考题：
思考题（续）：
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