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1、2023/11/3,电力系统继电保护原理,主讲教师:焦彦军华北电力大学电自教研室,2023/11/3,第三章 电网的电流保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护3-3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护3-4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,2023/11/3,电力网,输电网,配电网,高压中压低压,35kV110kV或更高,620kV,380/220V,220kV及以上,2023/11/3,（1）中性点直接接地电网（110kV及以上）,按变压器中性点接地方式不同，输电网可分为：,（2）中性点非直接接地电网,中性点不接地中性点经
2、消弧线圈接地中性点经电阻接地,2023/11/3,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,1.单侧电源网络相间短路时电流量值特征,A,B,C,点短路时,点短路时,点短路时,2023/11/3,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,1.单侧电源网络相间短路时电流量值特征,A,B,C,短路点距离电源越近，则短路电流越大。,短路电流的大小和故障类型有关。,短路类型系数，三相短路时取1，两相短路时取,2023/11/3,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,1.单侧电源网络相间短路时电流量值特征,A,B,C,短路电流和系统阻抗的大小
3、有关。,系统最小运行方式,系统最大运行方式,2023/11/3,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,1.单侧电源网络相间短路时电流量值特征,A,B,C,2023/11/3,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,1.单侧电源网络相间短路时电流量值特征,A,B,C,（某）保护的最大运行方式,（某）保护的最小运行方式,流过（某）保护短路电流最大的方式,流过（某）保护短路电流最小的方式,一般不考虑故障类型,2023/11/3,【举例】分析保护1、保护2的最大、最小运行方式,【举例】分析保护1、保护2、保护3的最大、最小运行 方式,2023/11/3,2
4、电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,2023/11/3,2电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,应大于,点短路与 点短路时的电流很接近,2023/11/3,2电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,2023/11/3,2电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,要求,2023/11/3,2电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,2023/11/3,3限时
5、电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,要求：任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性。在满足要求1的前提下，力求动作时限最小。,2023/11/3,3限时电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,2023/11/3,3限时电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,保护跳闸,2023/11/3,3限时电流速断保护,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,一般要求,当满足要求时,若灵敏系数校验不满足要求，应与下一线路的限
6、时电流速断保护相配合。,2023/11/3,（4）电流速断保护与限时电流速断保护共同使用，使得线路 发生故障时，能在较短时间内切除故障。,关于电流速断保护和限时电流速断保护的评述：,（2）电流速断保护没有人为延时，以牺牲保护范围提高保 护的快速性。,（1）电流速断保护不能保护线路全长。,（3）限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长。但必须 带一定的延时，以保证选择性。,电流速断保护（简称I段）限时电流速断保护（简称II段）,主保护,2023/11/3,4定时限过电流保护（III段）,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,QF4,QF5,定时限过电流保护（I
7、II段）的作用：,（1）做本线路主保护的后备保护近后备。,（2）做相邻线路保护的后备保护远后备。,（3）有时也可作为主保护单独应用。,2023/11/3,4定时限过电流保护（III段）,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,QF4,QF5,（1）在最大负荷电流作用下，保护不动作。,（2）在外部故障切除，电压恢复，电动机 自启动过程中，保护不动作。,（3）外部故障切除后，保护可靠返回。,2023/11/3,4定时限过电流保护（III段）,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,QF4,QF5,灵敏系数校验：,要求1.31.5,
8、要求1.2,2023/11/3,4定时限过电流保护（III段）,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,QF4,QF5,各保护在灵敏系数方面应相互配合,自然满足的。,2023/11/3,4定时限过电流保护（III段）,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,QF4,QF5,动作时间：阶梯原则,2023/11/3,【举例】阶段式电流保护的配置,2023/11/3,【举例】阶段式电流保护的配置,QF1,QF2,A,B,保护范围超过线路全长且深入变压器内部（这是特例）,2023/11/3,【举例】计算保护1三段定值（，,QF1,QF
9、2,QF3,A,B,C,）,解：（1）计算保护1的电流速断保护定值,校验最小保护范围：,2023/11/3,QF1,QF2,QF3,A,B,C,解：（2）计算保护1的限时电流速断保护定值,2023/11/3,QF1,QF2,QF3,A,B,C,解：（3）计算保护1的定时限过电流保护定值,2023/11/3,5电流保护的接线方式,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,IB,（1）三相星形接线,（2）两相星形接线,（3）两相星形三继电器接线,2023/11/3,5电流保护的接线方式,3-1单侧电源网络相间短路的电流保护,QF1,QF2,QF3,A,B,C,IB,
10、继电器的动作电流,2023/11/3,【分析】三相星形接线和两相星形接线方式的性能,（1）发生各种相间短路时，两种接线方式均能正确反应，对于不同的 故障类型，动作的继电器个数可能不同。,（2）中性点直接接地系统单相接地短路时，三相星形接线可反应各 种单相接地故障，两相(AC)星形接线不能反应B相接地故障。,QF1,QF2,QF3,A,B,C,2023/11/3,两相星形接线：有2/3的机会有选择地切除BC线路,三相星形接线：100%有选择地切除BC线路,（3）中性点非直接接地系统中的异地两点接地短路,情形1：串联线路上发生不同线路不同相两点接地,希望只切除BC线路,2023/11/3,（3）中
11、性点非直接接地系统中的异地两点接地短路,情形2：放射形线路上发生不同线路不同相两点接地,希望任意切除一条线路,三相星形接线：同时切除两条线路,两相星形接线：有2/3的机会仅切除一条线路,2023/11/3,（4）对于Yd11接线变压器后面的两相短路,QF1,QF2,A,C,B,QF3,同理,2023/11/3,2023/11/3,补充：,2023/11/3,（4）对于Yd11接线变压器后面的两相短路,QF1,QF2,A,C,B,QF3,AB两相短路,结论：两相星形接线比三相星形接线的灵敏度降低一半,2023/11/3,（4）对于Yd11接线变压器后面的两相短路,QF1,QF2,A,C,B,QF
12、3,AB两相短路,解决办法：采用两相星形接线三继电器接线方式,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,1问题引出,QF5,QF6,QF7,QF8,正方向的规定：远离母线指向被保护线路的方向。,当某点发生短路时，若短路后的功率方向与规定正方向一致，则称正方向短路；否则，称反方向短路。,保护1、2、4为正方短路其余均为反方向短路,点短路时,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,1问题引出,QF5,QF6,QF7,QF8,具有配合关系的保护识别：在被配合的保护前方
13、短路时，均为正方向，且流过相同的电流或流过的电流是其中的一部分。,保护1需和,保护3、保护6、保护7,配合。,保护4需和,保护2、保护6、保护7,配合。,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,1问题引出,QF5,QF6,QF7,QF8,按3-1所述原则进行保护定值整定，具有配合关系的保护的选择性是能保证的。,点短路时,保护4不会失去选择性,保护3？,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,1问题引出,动作,正确,动作,误动,2023/11/3,3-2双侧电源
14、网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,1问题引出,QF5,QF6,QF7,QF8,若,则保护3的定时限过电流保护也可能误动。,2023/11/3,可能误动的保护都是那些处于反方向处的保护。,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,2功率方向继电器的工作原理,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,2功率方向继电器的工作原理,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B
15、,C,2功率方向继电器的工作原理,动作特性,动作方程,2023/11/3,接线的功率方向继电器,接线方式,动作特性,动作方程,或,动作方程,2023/11/3,接线的功率方向继电器的问题,当保护的出口附近发生接地短路时，很小，造成功率方向继电器不能动作。称功率方向继电器存在保护“死区”。,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,3 接线的功率方向继电器,接线方式,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,3 接线的功率方向继电器,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,3 接线的功率方向继电器,动作特性,动作方程,2023/
16、11/3,接线的功率方向继电器,接线方式,动作特性,或,动作方程,2023/11/3,（1）正方向三相对称短路,取值范围：,2023/11/3,（2）正方向BC两相短路,出口：,取值范围：,2023/11/3,（2）正方向BC两相短路,远处：,取值范围：,2023/11/3,有时，会给出继电器的内角,一般情况，提供两个内角值供选择：,2023/11/3,【举例】图示双侧电源供电系统，M侧为送电侧，N侧为受电侧，分析正常运行条件下，线路两侧功率方向继电器的状态。已知：,QF1,QF2,M,N,动作方程,所以,送电侧功率方向继电器处于动作状态,2023/11/3,【举例】图示双侧电源供电系统，M侧
17、为送电侧，N侧为受电侧，分析正常运行条件下，线路两侧功率方向继电器的状态。已知：,QF1,QF2,M,N,动作方程,所以,受电侧功率方向继电器处于不动作状态,2023/11/3,【分析】功率方向继电器的按相起动,2023/11/3,【分析】功率方向继电器的使用,2023/11/3,【分析】功率方向继电器的使用,判断保护1、2的电流速断保护是否需经方向元件闭锁。,k1,k2,反方向短路不会误动，无需方向元件,反方向短路会误动，需投方向元件,2023/11/3,【分析】功率方向继电器的使用,若保护1、2的电流速断保护都不经方向元件闭锁。,2023/11/3,3-2双侧电源网络相间短路的方向性电流保
18、护,4方向性电流保护的整定计算,基本思路：（1）假设各电流保护都经方向元件闭锁，因此其整定原则和3-1所述完全相同。（2）判断哪些保护可不经方向元件闭锁。,和单侧电源线路的电流保护相比，主要的不同点在于分支线路或分支电源对定值的影响。,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,解：（1）计算保护1的电流速断保护定值,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,解：（2）计算保护1的限时电流速断保护定值,2023/11/3,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,【定义】分支系数,大于1.系
19、统B为助增电源,2023/11/3,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,分支系数计算,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,解：（2）计算保护1的限时电流速断保护定值,满足要求时,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,解：（3）计算保护1的定时限过电流保护定值,时间按阶梯原则确定,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF6,A,B,C,解：（1）计算保护1的电流速断保护定值,QF4,QF5,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算
20、,QF1,QF2,QF3,QF6,A,B,C,解：（2）计算保护1的限时电流速断保护定值,QF4,QF5,和保护2的电流速断保护配合,此种情况下,BC的一回线路成为另一回线路的外汲支路,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF6,A,B,C,QF4,QF5,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF6,A,B,C,QF4,QF5,和保护4的电流速断保护配合,取二者中的较大值作为保护的定值,满足要求时,2023/11/3,【举例】对保护1进行整定计算,QF1,QF2,QF3,QF6,A,B,C,解：（3）计算保护1的定时限
21、过电流保护定值,QF4,QF5,时间按阶梯原则确定,2023/11/3,【思考】,考虑各保护的定值计算,2023/11/3,3-3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流 及方向保护,110kV及以上电压等级的电网中性点直接接地,中性点直接接地电网又称为“大电流接地系统”,单相接地短路,两相接地短路,一相断线,两相断线,零序电流（电压）,相间短路,正常运行,系统振荡,无零序分量,80%以上,2023/11/3,变压器中性点直接接地并不意味所有变压器中性点接地。,应使电力系统中变压器的中性点接地数目和位置尽可能保持不变。不使变压器承受危险的过电压。,2023/11/3,3-3 中性点直接接地电网
22、中接地短路的零序电流 及方向保护,1.不对称接地短路时零序分量的特点,2023/11/3,（1）保护测量到的零序电压和零序电流,2023/11/3,（2）故障点的零序电压最高，中性点零序电压为0.,2023/11/3,（3）零序电压和零序电流的相量关系,2023/11/3,（4）零序电流的大小与系统运行方式、故障类型、故障点位置有关。零序电流的分布只和零序网路有关。,设,单相接地短路时,两相接地短路时,2023/11/3,2023/11/3,3-3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流 及方向保护,2.零序功率方向继电器的构成原理,动作特性,动作方程,2023/11/3,2023/11/3,
23、3-3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流 及方向保护,3.零序电流保护整定计算,（1)零序电流保护I段的整定原则,（a）躲过被保护线路末端接地短路时最大零序电流。,2023/11/3,计算条件,（1）线路末端短路,（3）故障类型,（2）两侧电源系统取大方式；本侧零序阻抗取小值，对侧零序阻抗取大值。,按单相接地短路计算,按两相接地短路计算,（4）计算,2023/11/3,3-3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流 及方向保护,3.零序电流保护整定计算,（1)零序电流保护I段的整定原则,（b）躲过断路器三相触头不同时接通时的最大零序电流。,一相先合闸时,两相先合闸时,2023/11/3,
24、取（a）、（b）之较大者作为保护I段定值。,当按（b）整定值较大而保护范围较小时,在手动合闸及自动重合闸过程中加一0.1s左右延时。则整定计算时，不用考虑条件（b）了。,（c）当被保护线路采用单相自动重合闸时，应躲过两相 运行并伴随系统振荡时的最大零序电流。,两相运行时,最大零序电流出现在两侧电势夹角摆到1800时的情况下。,2023/11/3,设置两个零序电流I段,按（a）或（b）原则整定的零序电流保护I段,灵敏I段,非全相运行时退出运行,按（c）原则整定的零序电流保护I段,不灵敏I段,始终投入运行,零序电流保护I段的保护范围不应小于15%。,2023/11/3,【分析】线路末端接地短路时最
25、大零序电流的计算条件。,运行方式：,故障类型：,针对保护1、2、3的零序电流I段定值整定计算，分析：,2023/11/3,【分析】线路末端接地短路时最大零序电流的计算条件。,运行方式：,故障类型：,针对保护1的零序电流I段定值整定计算，分析：,2023/11/3,3-3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流 及方向保护,3.零序电流保护整定计算,（2)零序电流保护II段的整定原则,与相邻线路的零序电流I段配合,2023/11/3,QF1,QF2,QF3,QF4,A,B,C,【分析】零序电流分支系数计算,保护1和保护3的零序电流保护配合时,2023/11/3,灵敏系数校验,QF1,QF2,QF
26、3,QF4,A,B,C,校验点（故障点）：线路末端,选择单相接地短路还是两相接地短路。,2023/11/3,若灵敏系数不满足要求考虑和相邻线路零序电流保护II段配合。,当相邻线路不使用单相重合闸时，一般与相邻线路零序电流保护的I段或II段配合。当相邻线路使用单相重合闸时，应与相邻线路在非全相运行时不退出运行的零序电流保护的I段或II段配合。当相邻线路配置双重化的纵联保护时，可考虑与纵联保护配合，故障点选在相邻线路对侧母线上。,2023/11/3,3-3 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流 及方向保护,3.零序电流保护整定计算,（3)零序电流保护III段的整定原则,（a）按照躲开相邻下一条线
27、路出口处相间短路时零序互感器出现的最大不平衡电流来整定。,（b）各保护之间在灵敏系数上要互相配合，本保护零序段的保护范围不能超出相邻线路零序段。,2023/11/3,灵敏系数校验：,作为近后备保护时应大于1.5,作为远后备保护时应大于1.2,2023/11/3,相间保护,零序过电流保护(III段)的动作时限,2023/11/3,1.零序过电流保护比相间短路过电流保护的灵敏度高，动作时间短,2.受系统运行方式的影响要小,3.不受系统振荡和过负荷的影响,4.方向性零序电流保护没有电压死区,4.对零序电流保护的评价,优点：,2023/11/3,1.对运行方式变化很大或接地点变化很大的电网，保护往往不
28、能满足要求。,2.单相重合闸的过程中可能误动。,3.当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网时，将使保护的整定配合复杂化，且将增大第III段保护的动作时间。,不足：,4.对零序电流保护的评价,2023/11/3,3-4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,1.中性点不接地电网中单相接地故障的特点,2023/11/3,相电压升至 倍,2023/11/3,在非故障线路上有零序电流，其数值等于该线路本身的电容电流，方向为从母线流向线路。,2023/11/3,在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，方向从线路流向母线。,2023/11/3,零序等效网络,全系统都会出现零序电
29、压，它与故障相电压相等方向相反。,2023/11/3,为了消除或抑制弧光过电压，当全系统的电容电流超过下列数值时，即应装设消弧线圈：36kV电网30A；10kV电网20A；2266kV电网10A。,3-4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,2.中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的特点,2023/11/3,3-4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,2.中性点经消弧线圈接地系统中单相接地故障的特点,2023/11/3,零序网络,2023/11/3,零序网络,完全补偿,欠补偿,过补偿,补偿度,2023/11/3,在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，方向从线
30、路流向母线。这一特点将不成立。,2023/11/3,3-4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,3.绝缘监视装置,知道发生接地故障但不知道哪条线路接地,2023/11/3,3-4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,4.小电流接地选线装置,KW0,零序电流保护,零序功率方向保护,2023/11/3,3-4 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护,4.小电流接地选线装置,查阅文献资料【关键词或题名】小电流接地选线你会发现这是一个热门的研究课题。准确选线还真是不容易的一件事。,更难的是如何确定故障点的位置。,2023/11/3,本章小结：,（1）分析某保护的最大、最小运行方式。计算某
31、处故障时的最大、最小短路电流。（2）深刻理解和把握三段式电流保护的整定原则，并能够熟练应用于三段式电流保护的整定计算。（3）掌握接线的功率方向继电器的接线方式、动作方程、动作特性以及内角（或灵敏角）的选择原则，会判断什么情况下需要装设方向元件。,2023/11/3,本章小结（续）：,（4）能够综合应用所学知识对给定的电力系统进行继电保护配置、定值计算（保护范围或灵敏性校验、动作时间整定）以及某种故障条件的动作行为进行分析。（5）能够运用故障分析知识，分析某种运行状态或故障条件下接线的功率方向继电器的动作行为。（6）能够设计三段式电流保护（带方向）构成方案。能够对三段式电流保护进行正确评价。,2
32、023/11/3,本章小结（续）：,（7）对于中性点直接接地系统，当发生不对称接地短路时，能够利用故障分析的知识分析零序分量的特点，计算保护安装处的零序电流，分析零序电压和零序电流的相位关系。（8）深刻理解和把握零序电流保护的整定原则，并能够熟练应用于整定计算。（9）掌握零序功率方向继电器的动作方程、动作特性以及两种接线方式。,2023/11/3,本章小结（续）：,（10）初步掌握选择变压器中性点接地的原则。（11）能够对零序电流保护进行正确评价。（12）当非直接接地电网发生单相接地时，能够用向量图分析电气量的特点，并能够定量计算零序电流。（13）了解非直接接地电网发生单相接地故障时的应对措施。,
