第二章电网的电流保护

第一节继电保护用继电器和电力互感器继电器是组成继电保护装置的基本元件。电流继电器是实现电流保护的基本元件，在电流保护中用作测量和起动元件，它是反应电流超过某一整定值而动作的继电器。电磁型继电器的继电特性是通过力矩相互作用实现的。能使继电器动作（动合触电闭合）的最小电流称为继电器的动作电流；能使继电器返回（动合触电打开）的最大电流称为继电器的返回电流。由于摩擦力矩的存在，使得返回电流与动作电流不等。1345687M12MthfMMthfMM(a)(b)12rMf2MreM9101112kI2Φ8电磁型电流继电器的原理结构和转矩曲线继电器状态kIreIactI过电流继电器的继电特性保护继电器的返回电流与动作电流的比值称作返回系数，记为：reKactrereIIK将一次系统的大电流准确地变换为适合二次系统使用的小电流（额定值为1A或5A），以便继电保护装置或仪表用于测量电流。并将一次、二次设备安全隔离，使高、低压回路不存在电的联系。电流互感器在电路图中的文字符号为TA。电流互感器由铁芯及绕组组成，原方绕组和副方绕组通过一个共同的铁芯进行互感耦合。电流互感器：'1U'1X2X'1I2I2U'1U''11jXI22jXI2U2I'1I'FU'FX'FU'FI'FU'FI'FILZ电流互感器的等值回路及相量图电压互感器：将一次系统的高电压准确地变换为适合二次系统使用的低电压（额定值为100V或100/V）。并将一次、二次设备安全隔离，以保障二次设备和工作人员的安全。电压互感器在电路图中的文字符号为TV。1.电磁式电压互感器2.电容式电压互感器'1U'1Z2Z'1I2I'1U''11IZ22IZ2U2I'1I0()a()b2U'FU'FZLZ'FI'FU'FI电压互感器的等值电路与相量图1C1U1I2I2CL20UT1C2CtX120112CUUCC()a()b2ULILZLZLI电容式电压互感器原理图第二节相间短路的电流保护根据线路故障对主、后备保护的要求，线路相间短路的电流保护有三种：第一，无时限电流速断保护或无时限电流电压联锁速断保护；第二，带时限电流速断保护或带时限电流电压联锁速断保护；第三，定时限过电流保护或低电压启动过电流保护。一、无时限电流速断保护无时限电流速断保护依靠动作电流来保证其选择性，即被保护线路外部短路时流过该保护的电流总小于其动作电流，不能动作；而只有在内部短路时流过保护的电流才有可能大于其动作电流，使保护动作。故无时限电流速断保护不必外加延时元件即可保证保护的选择性。无时限电流速断保护的灵敏度是通过保护范围的大小来衡量的，即它所保护的线路长度的百分数来表示。保护在不同运行方式下和不同短路类型时，保护的灵敏度即保护范围各不相同。应采用最不利情况下保护的保护范围来校验保护的灵敏度，一般要求保护范围不小于线路全长的15%。ABC1QF2QFsmaxsminZZ3QFminlmaxlΙact1IIl0213k无时限电流速断保护整定计算示意图ΙΙact1relkBmaxIKI当系统运行方式变化很大，或者保护线路的长度很短时，无时限电流速断保护的灵敏度就会不满足要求甚至没有保护范围，此保护不宜使用，此时可采用无时限电流电压联锁速断保护。电流电压联锁速断保护是采用电流、电压元件相互闭锁实现的保护，只要有一个元件不动作，保护即被闭锁。二、带时限电流速断保护电流保护第Ⅰ段只能保护线路的一部分，而该线路剩下部分的短路故障必须依靠电流保护第Ⅱ段来可靠切除。这样，线路上的电流保护第Ⅰ段和第Ⅱ段共同构成整个被保护线路的主保护，它能以尽可能快的速度，可靠并有选择性地切除本线路上任一处故障。带时限电流速断保护电流测量元件的整定值遵循原则：第一、在任何情况下，带时限电流速断保护均能保护本线路全长（包括本线路末端），为此，保护范围必须延伸至相邻的下一线路，以保证保护在有各种误差的情况下仍能保护线路的全长；第二、为了保证在相邻的下一线路出口处短路时保护的选择性，本线路的带时限电流速断保护在动作时间和动作电流两个方面均必须和相邻线路的无时限电流速断保护配合。ΙΙΙΙΙact1relact2bminΙact1act2/IKIKtttABC1QF2QF3QFΙact1IIl0ABIBIBCIkkBmaxIΙact1IΙact2IkCmaxI当带时限电流速断保护灵敏度不满足要求时，动作电流可采用和相邻线路电流保护第Ⅱ段整定值配合的方法确定，以降低本线路电流保护第Ⅱ段的整定值，提高其灵敏度。ΙΙΙΙrelact2act1bminKIIKΙΙact1act2ttt三、定时限过电流保护定时限过电流保护的作用是做本线路主保护的近后备，并做相邻下一线路或元件的远后备，因此它的保护范围要求超过相邻线路或元件的末端。由于定时限过电流保护的动作值只考虑在最大负荷电流情况下保护不动作和保护能可靠返回的情况，而无时限电流速断保护和带时限电流速断保护的动作电流则必须躲过某一个短路电流，因此，电流保护第Ⅲ段的动作电流通常比电流保护第Ⅰ段和第Ⅱ段的动作电流小得多，其灵敏度比电流保护第Ⅰ、Ⅱ段更高。当网络中某处发生短路时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第Ⅲ段的电测量元件均可能动作。为了保证选择性，各线路第Ⅲ段电流保护均需增加延时元件，且各线路第Ⅲ段保护的延时必须互相配合。两相邻线路电流保护第Ⅲ段动作时间之间相差一个时间阶段的整定方式称为按阶梯原则整定。当定时限过电流保护灵敏度不满足要求时，可采用低电压启动的过电流保护。所谓低电压启动的过电流保护是指在定时限过电流保护中同时采用电流测量元件和低于动作电压动作的低电压测量元件来判断线路是否发生短路故障的保护。四、电流保护的接线方式所谓电流保护的接线方式是指电流互感器和电流测量元件间的连接方式。为能反映所有类型的相间短路，电流保护要求至少在两相线路上应装有电流互感器和电流测量元件。完全星形接线方式，一般用于大接地电流系统。不完全星形接线方式，一般用于小接地电流系统。两种接线方式均能反映所有的相间短路，两种接线方式的区别主要有：（1）两种接线的投资不同；（2）在大接地电流系统中，完全星形接线能反映所有单相接地故障，不完全星形接线不能反映B相接地故障；（3）在小接地电流系统中，在不同线路的不同相上发生两点接地时，不完全星形接线只有三分之一的机会切除两条线，而完全星形接线则均切除两条线，因此，不完全星形接线的供电可靠性高；在串联运行的两相邻线路上发生两点接地时，不完全星形接线方式的电流保护有三分之一的机会无选择性动作，而完全星型接线则百分之百有选择性动作。（4）对于绕组为星型-三角形联结的变压器后发生两相短路时，完全星型接线方式电流保护的灵敏度是不完全星型接线电流保护的灵敏度的二倍。III1ABC至逻辑元件()aII1ABC()b至逻辑元件QFQF电流保护的接线方式(a)完全星形接线；(b)不完全星形接线第三节多侧电源电网相间短路的方向性电流保护一、方向性电流保护的工作原理为了消除双侧电源网络中保护无选择性的动作，就需要在可能误动作的保护上加设一个功率方向元件。该元件当短路功率由母线流向线路时动作；当短路功率由线路流向母线时不动作。双测电源网络相间短路方向保护就是在单侧电源网络相间短路保护的基础上增加了方向判别元件，以保证其选择性的保护。双测电源网络方向保护有功率方向和阻抗方向两种。当双测电源网络上的保护装设方向元件后，就可以把他们拆开成两个单侧电源网络看待，两组方向保护之间不要求配合关系，其整定计算仍可按单侧电源网络保护原则进行。1EABC2Ek1Ik2Ik1QF2QF3QF4QF5QF6QF二、相间短路方向继电器的90。接线方式为了减小和消除死区，相间短路的功率方向测量元件广泛采用非故障的相间电压作参考量去判别电流的相位，即90。接线方式。所谓90。接线方式是指系统在三相对称且功率因数为1的情况下，接入功率方向测量元件的电流超前所加电压90。的接线方式。raIIrbcUUcUaUbU90。接线方式的主要优点是：第一，对各种两相短路都没有死区，因为继电器加入的是非故障的相间电压，其值很高；第二，适当地选择继电器的内角后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。因此接线得到了广泛的应用。功率继电器序号1KP2KP3KPrIaIbIcIrUbcUcaUabU第四节中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方向保护当中性点直接接地的电网中发生接地短路时，将出现很大的零序电流。我国110kV及以上的电力系统均为大电流接地系统。单相短路将产生很大的故障相电流和零序电流，必须装设接地短路的相应保护装置。接地短路时必有零序电流，而在正常负荷状态下，零序电流没有或很小，因此采用反应零序电流的接地保护将能取得较高灵敏度，而且三相只要一个电流继电器，使接地保护装置非常简单。大接地电流系统中的多段式零序电流保护：零序电流速断（零序Ⅰ段）保护；零序电流限时速断（零序Ⅱ段）保护；定时限零序过电流（零序Ⅲ段）保护；零序电流滤过器******QFaIbIcIABCTArI()a()b0IrI0IABCTAN电缆零序电压滤过器***ABCN***mn***mn******ABC()a()bAUaUBUCUbUcUAUBUCUaUbUcUabc方向性零序电流保护。在变压器接地数目比较多的复杂环形网络中，为了简化整定计算及保护之间相互的配合，并保证保护的选择性，就需要考虑零序电流保护动作的方向性问题。在零序电流保护上增加功率方向元件，利用正方向和反方向故障时，零序功率方向的差别，来闭锁可能误动作的保护，才能保证动作的选择性。多段式方向零序电流保护的构成仅在零序电流保护第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ各段中分别增加一个零序功率方向测量元件，并与零序电流测量元件构成与门，共同判别是否在保护线路正方向发生了接地短路。第五节中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电压、电流及功率方向保护电压为3～35kV的电网，采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式，统称为中性点非直接接地电网。中性点非直接接地电网发生单相接地故障时，虽然系统的中性点电位发生变化，相电压不对称，但相间电压却还保持对称状态，因此不影响供电，可维持电网在故障后短时间运行，不必立即跳该故障线路的断路器（在危及人身、设备安全时则应立即跳闸），但为了防止事故扩大，应发出报警信号以便运行人员及时检查和排除故障。一、中性点不接地电网发生单相接地时有以下特征：1、在发生单相接地时，全系统出现零序电压和零序电流；2、非故障线的零序电流为该线非故障相对地电容电流之和，方向为由母线指向线路且超前零序电压90。；3、故障点的电流为全系统非故障相对地电容电流之和，其相位超前零序电压90。；4、故障线的零序电流等于除故障线外的全系统中其他元件非故障相的电容电流之和，其值远大于非故障线的零序电流，且方向与非故障线电流的方向相反，由线路指向母线，且滞后零序电压90。；5、故障线的零序功率与非故障线的零序功率方向相反。根据中性点不接地系统发生单相接地时的各种特征，这种系统可构成以下原理的接地短路保护方式。1、绝缘监视装置2、零序电流保护3、零序功率方向保护二、中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障的特点及保护方式。在中性点和大地之间接入一个带铁芯的电感线圈L，当发生单相接地故障时，在接地点就有一个电感分量的电流通过，此电流和原系统中的电容电流相抵消，就可以减少故障点的接地电流，因此称它为消弧线圈。根据对电容电流补偿程度的不同，消弧线圈可以有下列三种补偿方式：完全补偿、欠补偿、过补偿。采用过补偿后，该系统中零序分量的特征如下：1、全系统出现零序电压和零序电流；2、由于过补偿作用使流经故障点、故障线路的零序电流大大减小，因此它的大小与非故障线路的零序电流值差别不大，其次由于补偿系数不大，所以采用零序电流保护很难满足灵敏系数的要求；3、