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1、2 电网的电流保护,Overcurrent Protection,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护Overcurrent Protection for Phase Faults in Single Source Network,一、继电器(Protection Relay）,1继电器的功能和分类,1）功能：,能对被控电路实现自动“通”、“断”的控制作用。,如电磁型电流继电器（KA）,2)分类：,按动作原理分,反应的物理量分,电磁型感应型整流型电子型数字型,电流继电器电压继电器功率方向继电器阻抗继电器周波继电器瓦斯（气体）继电器,在保护回路中的作用分,启动继电器量度继电器时间继电器中间继电
2、器信号继电器出口继电器,使继电器刚好动作的最小电流值,2.过电流继电器原理框图,动作条件：,动作电流：,返回电流：,使继电器触点刚好返回原位置的最大电流值,返回条件：,Kre：返回系数 0.850.95,3继电器的继电特性,4 低电压继电器,能使继电器动作的最高电压。,动作条件：,能使继电器返回动作前状态的最低电压。,返回条件：,(常闭触点),电流继电器DL-21C,电压继电器DY-28C,二、单侧电源网络相间短路时电流量值特征Characteristics of Short Circuit Current for Phase Faults in Single Source Network,内
3、容回顾,电力系统的构成发电变电输电配电用电,差动保护、距离保护,过电流保护,电力系统的运行方式,最大运行方式,对于继电保护而言，在相同地点发生同类型短路时流过保护安装处的电流最大，称为系统最大运行方式。对应的系统等效阻抗最小，,对于继电保护而言，在相同地点发生同类型短路时流过保护安装处的电流最小，称为系统最小运行方式。对应的系统等效阻抗最大，,最小运行方式,三相短路电流计算,两相短路电流计算,短路电流计算,最大短路电流,最小短路电流,短路电流计算公式,可见，相间短路时被保护元件中流过的短路电流与以下因素有关：1、其大小取决于电网正常运行状态的变化,变化范围在额定范围内,分析问题时,对它的变化可
4、以忽略不计2、其大小与系统运行方式有关3、其大小与短路类型有关4、其大小与短路点位置有关,对于具有均匀参数输电线路，若忽略影响较小的线路分布电容时，当短路点距离保护安装处越远，越大，越大，短路电流值越小短路电流的大小主要与 三者的大小有关,固定不变时，流过保护安装处的短路电流只与 有关，即短路点到保护安装处的距离 的大小有关。据此，可作出 曲线。,最大短路电流曲线,最小短路电流曲线,负荷电流曲线,电网的电流保护,电流速断保护（电流段保护）限时电流速断保护（电流段保护）定时限过电流保护（电流段保护）,主保护,后备保护,保护装置的整定,所谓整定就是根据对继电保护的基本要求，确定保护装置的起动值、灵
5、敏性、动作时限等过程。,整定,三、电流速断保护(电流段),L,k,最大短路电流曲线,1 工作原理：反应于电流幅值增加而瞬时动作的保护,电流速断保护的动作区与整定计算希望：AB故障时，保护2 瞬时动作；BC故障时，保护1瞬时动作。现实：被保护线路AB末端发生故障和线路BC首端发生故障是一样的。无法区分保护区内AB还是区外BC故障，导致保护无选择性动作。解决：缩短保护区，形成明显的边界，以保证AB故障只有保护2动作切除，而BC故障只由保护1动作切除。,具体做法是：继电保护的起动电流能够使装置启动的最小动作电流，大于被保护线路末端可能出现的最大短路电流（三相金属性短路电流）。最大运行方式下的三相短路
6、 以期获得最大、可能的短路电流，保护不误动。最小运行方式下的两相短路 在最小运行方式下出现可能的最小短路电流两相短路，保护是否还能动作。,起动电流的整定计算,最小短路电流曲线,最大短路电流曲线,保护范围的校验,最小短路电流曲线,最大短路电流曲线,电流速断保护的构成,对电流速断保护的评价,优点:简单可靠，动作迅速。,缺点:不能保护线路的全长，并且保护范围直接受运行方式变化的影响。,运行方式变化对保护范围的影响,被保护线路长短对保护的影响,例:图示网络中具体参数如下所示，计算当AB长度分别为80km和20km时保护1电流速断保护的定值，并校验灵敏度。,解：线路长80km时,整定值的计算,灵敏度校验
7、,满足要求,线路长20km时,整定值的计算,灵敏度校验,没有保护范围,线路-变压器组的电流速断保护,特例:,在个别情况下，电流速断保护也可以保护线路全长,小结,短路电流计算电流速断保护的整定计算电流速断保护的灵敏度校验电流速断保护动作时限的确定电流速断保护的特例,电网的电流保护,本节课主要内容短路电流计算电流速断保护的整定计算本节课难点电力系统运行方式的讨论最大短路电流和最小短路电流的计算电流速断保护的整定计算,2.1.4 限时电流速断保护（电流段）,问题的提出 电流速断保护无法保护线路全长，需要增加第二套电流保护限时电流速断保护，段电流保护。限时电流速断保护要求 能够保护线路全长，动作范围包
8、括整个线路。难点与解决如何获得动作的选择性？增加时间延迟时限，从而与相邻线路电流速断保护（电流段保护）配合。,2.1.4 限时电流速断保护（电流段）,限时电流速断保护：能以较短的时限快速切除全线路范围以内的故障的保护。工作原理为了保护线路全长保护范围必须延伸到下一条线路中，当下一条线路出口处发生短路时，保护启动；为了保证动作的选择性动作必须带一定时限；为了尽量缩短时限其保护范围不超出下一条线路速断保护的范围。,最大短路电流曲线,2.1.4 限时电流速断保护（电流段）Time delay instantaneous overcurrent protection,1 工作原理,答案:实际中 不可行
9、,满足：引入可靠系数来满足上面的不等式其中,2 整定原则,1）动作电流的整定：,躲过下一条线路电流速断保护的整定值来整定,限时电流速断保护的时限特性,2）灵敏度校验,当灵敏系数不满足要求时，该如何处理？,为了能保护本线路全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，有足够的反应能力。,动作电流,动作时间,3）动作时间的整定：,t考虑很多因素：断路器的跳闸时间和灭弧时间；时间继电器动作时间的误差；故障切除后，电流继电器可能由于惯性，不能立即返回 即延时返回的惯性时间；考虑一定裕度。继电器保护中通常为0.5秒，微机保护中可以为0.3秒。,3 限时电流速断保护的构成,4 小
10、结限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性与第段共同构成被保护线路的主保护，兼作第段的后备保护。,2.1.5 定时限过电保护（电流段）,问题的提出电流速断保护不能保护全长；限时电流速断保护能够保护线路全长，可以起到后备保护的作用，但是不能作为相邻线路后备保护。一种既能保护本线路全长，还能保护相邻线路全长的电流保护被提出，就是定时限过电流保护，或称段电流保护。,定时限过电流保护（电流段）,指其启动电流按躲过线路最大负荷电流来整定的一种保护。保护的作用作为本线路主保护的近后备以及相邻下一线路保护的远后备过电流保护分为：定时限过电流：动作时间是固定的；反时限过
11、电流保护：保护动作时间不固定，电流越大，动作越快。整定原则按躲过本线路最大负荷电流来整定同时保证在外部故障切除后，保护装置能够返回。,2.1.5 定时限过电流保护（电流段）,1 工作原理和动作电流计算,动作电流的选择,正常情况下各线路上的过电流保护绝对不动作,在负荷自启动电流作用下，保护装置能够可靠返回,最大自启动电流,返回电流一次侧值,Kss为自启动系数,Kre为返回系数,L,t,定时限过电流保护的时限特性t=f(l)曲线,2 过电流保护动作时限,3 灵敏度校验,对于保护4，其灵敏系数：,近后备:,远后备:,2.1.6 阶段式电流保护的配合及应用,单相三段式电流保护的构成,阶段式电流保护的优
12、、缺点,优点：简单，可靠，在35kV及以下的较低电压的网络中获得广泛的应用。缺点：直接受电网的接线以及电力系统运行方式变化的影响。,跳闸,2.1.8 电流保护的接线方式,三个电流互感器接成星形,三个电流继电器接成星形,三相星形接线方式,两相星形接线方式,跳闸,对于星形接线来说，其接线系数Kcon=1,两种接线方式在各种故障时的性能比较,中性点直接接地电网和非直接接地电网中的各 种相间短路,相同点：两种接线方式均能正确反应这些故障,不同点：动作的继电器数不一样,2 中性点非直接接地电网中的两点接地短路,1）串联线路,P,D,P,D,2）并联线路,3 Y,d接线变压器一侧两相短路流过另一侧保护中电
13、流的分析,当过电流保护接于降压变压器的高压侧以作为低压侧线路故障的后备保护时:,4 两种接线方式的应用,广泛用于发电机，变压器等大型贵重电气设备的保护中。,(2)也可以用在中性点直接接地电网中，作为相间 短路和单相接地短路保护。,三相星形接线,两相星形接线,广泛用于中性点非直接接地系统中,5 三段式电流保护的接线图,请根据三段式电流保护原理接线图画出 其展开图。,网络中每条线路的断路器上均装有三段式电流保护，电源最大最小等效阻抗为,另外，,对保护1的、段进行整定计算。,作业2.1 如图所示网络，AB、BC、BD线路上均装设了三段式电流保护，变压器装设了差动保护。已知段可靠系数取1.25，段可靠
14、系数取1.15，段可靠系数取1.15，自起动系数取1.5,返回系数取0.85，AB线路最大工作电流200A，时限级差取0.5s，系统等值阻抗最大值为18,最小值为13，其它参数如图示，各阻抗值均为归算至115kV的有名值，求AB线路限时电流速断保护及定时限过电流的动作电流、灵敏度和动作时间。,2.2 方向电流保护,问题的提出双电源供电网络和单电源环网 为了提高供电可靠性，缩小停电面积，在两侧装设有断路器故障后的系统运行方式要求 从两端切除故障、仅仅从两端切除故障设备,2.2 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,2.2.1 问题的提出,L,k,结论：k1点相间短路时，电流保护1、5的段会误动；
15、k2点相间短路时，电流保护6的段可能误动,当k点短路时,保护1先于6动作而误动,保护5先于2动作而误动,保护范围扩大，保护的动作失去选择性,分析一下可能误动的保护具有的共同特征,方向性电流保护,=,电流保护,+,方向元件,利用了电流幅值的差异,利用了功率方向的差异,规定正方向为母线指向线路，可能误动的保护上流过的电流(功率)方向均与正方向相反,2.2.2 方向性电流保护的基本原理,两组保护之间不需要有配合关系,单相方向过电流保护的构成,2.2.3 功率方向判别元件,1 功率方向元件的工作原理,规定：流过保护的电流正方向为母线指向线路,当k1点短路时：,当k2点短路时：,通过判别短路功率值的正负
16、就可判别故障的方向,功率方向元件(继电器)：判别功率方向或测定电流、电压之间的相位角的元件（继电器）。,LG-11、12型功率方向继电器,对功率方向元件的基本要求：（1）应具有明确的方向性；（2）正方向故障时有足够的 灵敏度。,2 功率方向元件（继电器）的动作特性,当k1点短路时：,当k2点短路时：,最大灵敏角：当输入功率方向继电器的电压和电流幅值不变时，其输出与二者间的相位差有关。使其输出最大时对应的二者间的相位差。,作出此时的相量图,或,作出此时的相量图,定义内角为：,或,动作方程为：,则动作范围为：,用图表示出其动作区,最灵敏线,动作方程的功率形式：,A相方向元件：,3 功率方向判别元件
17、的构成框图,2.2.4 相间短路功率方向判别元件的接线方式,对功率方向判别元件接线方式提出如下要求:,三相对称，时，加入继电器的电流超前电压,1）正方向的任何故障都能动作，反方向故障则不动作,2）Ur、Ir尽可能地大，尽可能在保护正方向短路时方向 元件的工作状态最灵敏,作业2.2 根据所给原理接线图，画出其展开图。,1 正方向发生三相短路,使方向元件输出最灵敏：,2 正方向发生两相短路,此时可以有两种极端情况：,1）短路点位于保护安装处附近,2）短路点远离保护安装处,2.2.5 方向性电流保护的应用特点,1 电流速断保护可以取消方向元件的情况,L,k,2 限时电流速断保护整定时分支电路的影响,
18、L,k,1）助增电流的影响,（3）,2）外汲电流的影响,L,k,（3）,3 过电流保护装设方向元件的一般方法,为保证选择性，在过电流保护1上加装方向元件,为保证选择性，在过电流保护5上加装方向元件,思考题：三段式电流保护的动作定值和动作时间之间有何关系?如何理解方向电流保护中的方向元件？,2.3 中性点直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护,2.3.1 接地短路时零序电压、电流和功率的特点,1 零序电压,2 零序电流,3 零序功率及电压、电流相位关系,4 变压器中性点接地的考虑,1）在多电源系统中，每个发电厂至少有一台变压器的中性点接地。,2）发电厂和低压侧有电源的变电所的变压器 多于一台
19、时，应将部分变压器的中性点接地,3）低压侧无电源的变压器中性点应不接地运行,2.3.2 零序电压、电流滤过器,1 零序电压滤过器,一次绕组,二次绕组,jszw3-6 10kv三相五柱电压互感器实物图）,2 零序电流过滤器,TA等效电路:,KLH型（开合式）零序电流互感器实物图）,2.3.3 零序电流段（速断）保护,灵敏I段整定原则：躲开下一条线路出口处接地短路的最大零序电流。躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流。两者选大值。电流定值小，保护范围大。主要任务是对全相运行状态下的接地故障起保护作用。单相重合闸启动时，闭锁，防止误动作。不灵敏I段整定原则：单相重合闸时，按躲开非全相运行状
20、态下，发生系统振荡时，所出现的最大零序电流整定。,2.3.3 零序电流段（速断）保护,L,30,最大零序电流曲线,1）,2）,3）按躲开非全相运行又发生振荡产生的最大零序电流整定,1）、2）中大者为灵敏段,按3）整定为不灵敏段,1 动作电流的整定,关于在最大运行方式下，产生最大零序电流的短路类型的选择：,关于3I0.unb的计算,1）先合一相的最严重情况下,2）先合两相的最严重情况下,E为断点两侧系统的等效电势；、为电网总的正序和零序阻抗,取二者中大者,2 动作时间,3 灵敏度校验,2.3.4 零序电流段保护,1 动作电流的整定,整定原则（与限时电流速断类似）启动电流与下一条线路零序电流速断定
21、值配合，时限多一个t。,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，使零序电流的分布发生变化。,零序电流的分支系数（助增电源不是发电机，而是变压器的中性点。）,2 动作时限的整定,当灵敏系数不满足要求时，需：,3 灵敏度校验,设两个灵敏度不同的零序段保留0.5秒的零序II段，（快速切除正常运行方式和最大运行方式的接地故障）增加一个与下级线路零序II段配合的保护，保证在各种运行方式下，都有足够的灵敏度。,采用接地距离保护,2.3.5 零序电流段保护,动作电流的整定,取1）、2）中大者作为最终的定值,按躲开下级线路出口处相间短路时出现的最大不平衡电流,与下级线路零序III段配合,当两个保
22、护间有分支电路时，对于第2种情况的计算则应考虑分支系数：,近后备:,远后备:,对于保护2，其灵敏系数：,2 灵敏度校验,远后备:,对于保护2,当两个保护间有分支电路时，对于远后备的校验：,3 动作时限的整定,无需和保护123配合 保护4可以瞬时动作保护5多一个阶梯 保护6再多一个阶梯,Y/d变压器低压侧任何故障都不能在高压侧引起零序电流,2.3.6 方向性零序电流保护,1 方向性零序电流保护原理,与相间短路的方向保护一样，如果不加方向元件，就会产生反方向的误动作。,零序方向元件没有电压死区由于越靠近故障点的零序电压越高，所以，没有电压死区。离故障点越远，零序电压低，零序电流小，必须校验灵敏系数
23、。,2 零序功率方向元件,A,B,C,2.3.7 对零序电流保护的评价,（1）零序过电流保护的灵敏度较相间保护高，动作时限较相间保护短。,（2）零序段、零序段保护受系统运行方式 变化的影响小。,（3）零序保护则不受系统振荡等不正常运行状 态的影响。,（4）方向性零序保护没有电压死区，较距离保 护实现简单、可靠。,优点：,2）输电网络在使用单相重合闸时要退出运行,不足：,1）当系统运行方式、接地点变化很大时，不能 满足保护要求,3）有自耦变存在的电网将使零序保护的整定配 合变得复杂,2.4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,2.4.1 中性点不接地电网单相接地故障的特点,单相接地短路前后
24、的电路分析假定电网负荷为零，忽略电源和线路上的电压降，电网的各相对地电容C0相等。短路前:（正常运行时）中性点对地电压为零三相电压对称三相电容电流也对称无零序电压和零序电流。,A相接地短路后：A相对地电压为0，等效电容被短接。但B、C两相的电压不为0，依旧可以发出电容电流，流入大地。因为两相电流之和不为0，顺着A相短路点流回线路，经过A相电源与BC两相容性电流形成回路。短路后B、C相的对地电压升高1.732倍。三相电压之和不为零，出现零序电压。容性电流：因为单相接地短路后B相对地电压变大了1.732倍，所以，电容电流也变大了1.732倍。故障处A相接地点流过的电流为全系统非故障相电容电流之和，
25、是正常运行时单相流过电流的3倍。,2.4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,2.4.1 中性点不接地电网单相接地故障的特点,简单网络,中性点对地电压不再为零：,其有效值为：,线路,线路,复杂网络,各元件B相和C相对地电容电流通过大地、故障点、电源和本元件构成回路。,单相接地故障特点,全系统都出现零序电压、且零序电压全 系统相等，非故障相电压升高。,非故障元件零序电流：大小等于本身的对地电容电流，方向为母线指向线路,零序等效网络的构成与大接地电流系 统不同,4 故障元件零序电流：大小等于全系统非故障元件对地电容电流的和，方向为线路指向母线,2.4.2 中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故
26、障的特点,1单相接地的稳态特点,L,消弧线圈的作用？,由于容性电流太大，容易在短路点发生电弧，电弧温度很高，进一步破坏线路的绝缘，导致更大的短路故障。因为系统中无论哪点短路，所有非故障相的容性电流都要汇总到发电机中性点，因此，在这里放一个感性线圈接地，由于中性点对地电位升高为A相电动势，所以中性点电压给消弧线圈提供感性电流。感性电流的闭合通路是：从线路II短路点流入线路，走过母线，入发电机A相绕组，在中性点处流入消弧线圈入大地，再从线路II的短路点流上来。,1）完全补偿,L,L,应用节点电压法,2）欠补偿,3）过补偿,实际中被广泛使用,实际中不采用,过补偿度：,反应暂态零序电流可构成的保护,1
27、 反应零序电流首半波的保护,2 利用小波变换的保护,2.4.3 零序电压保护,采用零序电压继电器，这种方法只能检测母线上是否有零序电压，不能判断出到底是哪条线路上发生单相接地。所以，只能发个信号通知运行人员，无法跳闸。运行人员也不知道到底是哪条线路有问题，只能用笨方法，一条一条线路断开然后投入，直到零序电压的告警信号消失，才能把故障线路找到。,2.4.4 零序电流和零序功率方向保护,1 零序电流保护,零序电容电流的求取：利用经验公式,对电缆线路：,对架空线路：,线路本身电容电流,故障点的零序电流：,2 零序功率方向保护,1 已知LG-11型功率方向继电器内角=60度，试问（1）其最大灵敏角se
28、n是多少？（2）用r表示的动作范围是多大？（3）用图表示出其动作区，最灵敏线及sen的位置。,2 如图所示，网络装设方向过电流保护（1）各变电所出线的保护动作时间如图所示，试整定1、2、3、4各处保护的动作时间。（2）哪些保护需加装方向元件才能保证选择性？,在保护2上加方向元件,3 下图单电源环网中，各断路器处装有定时限过电流保护，试求各过电流保护的动作时间，并判断那些保护可以不装方向元件。,在保护2、4、7上加方向元件,4 如图示网络，试对保护1进行三段式电流保护的整定计算（动作定值、动作时间、灵敏度校验），其中,，,，,，,。,5,作业23、求图示网络中方向过电流保护16的动作时间，时限级差取0.5s。并说明哪些保护需要装设方向元件。各引出线（l1-l4）保护的动作时间在图中已列出。,作业24 画出图示中性点不接地系统在线路L2的K点发生单相金属性接地时，电容电流的分布，并指出电压、电流有哪些特点？,
