继电保护第2章电网的电流、电压保护课件

第2章电网的电流、电压保护和方向性电流、电压保护1、电磁型电流继电器电磁型电流继电器的工作原理可用图2一1说明。在线圈1中的电流I，产生磁通Φ，它将通过由铁心、空气隙和可动舌片组成的磁路。舌片被磁化后，即与铁心的磁极产生电磁吸力，企图吸引舌片向左转动，在它上面装有继电器的可动触点5，当电磁吸力足够大时，即可吸动舌片并使触点接通，称为继电器“动作”。图2—2示出的电网中实际使用了半个世纪的电磁型电流继电器的结构。第1节单侧电源网络相间短路的电流、电压保护图2一1电磁型电流继电器的原理结构电网发生相间短路时，一个明显的特征就是故障相电流突然增大，因此，通过检测电流的变化可以判定故障的发生，这就是作为故障测量元件之一的电流继电器的功能。电流继电器是实现电流保护的基本元件，也是反映一个电气量而动作的简单继电器的典型。无论何种类型的电流继电器，它们总有一个动作电流()和一个返回电流()。动作电流:能使继电器动作的最小电流值。当继电器的输入电流时，继电器根本不动作;而当时，继电器能够突然迅速地动作。返回电流:能使继电器返回原位的最大电流值。在继电器动作以后，当电流减小到时，继电器能立即突然地返回原位。无论启动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置。这种特性称之为“继电特性”。oprIrerIroprIIroprIIrrerII返回系数:即继电器的返回电流与动作电流的比值。可表示为：显然，反映电气量增长而动作的继电器（如电流继电器）的Kre小于1，而反映电气量降低而动作的继电器（如低电压继电器），其Kre必大于1。在实际应用中，常常要求电流继电器有较高的返回系数，如0.8—0.9。..2.1rerreoprIKI2、无时限电流速断保护无时限电流速断保护又称为Ⅰ段电流保护或瞬时电流速断保护。根据对继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间，必须满足系统稳定和保证重要用户供电可靠性。在简单、可靠和保证选择性的前提下，原则上总是越快越好。因此，应力求装设快速动作的继电保护，无时限电流速断保护就是这样的保护。它是反映电流增大而瞬时动作的电流保护，故又简称为电流速断保护。以图2.3所示的单侧电源网络接线为例，假定在每条线路上均装有电流速断保护，则当线路A—B上发生故障时，希望保护2能瞬时动作，而当线路B—C上故障时，希望保护1能瞬时动作，且它们的保护范围最好能达到本线路全长的100％。但这种希望能否实现，还需具体分析.图2.3电流速断保护动作特性的分析由图2.3所示，以保护2为例。当本线路末端K1点短路时，希望速断保护2能够瞬时动作切除故障，而当相邻线路B—C出口处（即B—C线路的始端）K2点短路时，按照选择性的要求，速断保护2就不应该动作，因为该处的故障应由速断保护1动作切除。实际上，K1点和K2点短路时，从保护2安装处所流过短路电流的数值几乎是一样的。因此，希望K1点短路时速断保护2能动作，而K2点短路时又不动作的要求不可能同时得到满足。同理，保护1也无法区别K3和K4点的短路，这就产生了矛盾。为解决这个矛盾，可采取两种办法：第一，优先保证动作的选择性，即从保护装置启动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时保护不启动，在继电保护技术中，这又称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定；第二，当快速切除故障为首要条件时，就采用无选择性的电流速断保护，而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。此处重点介绍优先保证选择性的电流速断保护。根据电力系统短路的分析，当电源电势一定时，短路电流的大小决定于短路点和电源之间的总阻抗，三相短路电流可表示为：(3)2.2kskEEIZZZ式中：E——系统等效电源的相电势；Zk——短路点至保护安装处之间的阻抗；Zs——保护安装处到系统等效电源之间的阻抗Z由式（2.2）可见，在一定的系统运行方式下，和Zs是常数，流过保护的三相短路电流i将随Zk的增大而减小，因此，可以经计算后绘出Ik＝f(l）的变化曲线，如图2.3所示。当系统运行方式及故障类型改变时，Ik将随之变化。对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式，称为系统最大运行方式；而短路电流为最小的方式，则称为系统最小运行方式。对于不同安装地点的保护装置，应根据网络接线的实际情况，选取最大和最小运行方式。在系统最大运行方式下发生三相短路故障时，通过保护装置的短路电流为最大；在系统最小运行方式下发生两相短路时，则短路电流为最小。这两种情况下短路电流的变化如图2.3中的曲线Ⅰ和Ⅱ所示。E为了保证电流速断保护动作的选择性，对于保护1，其启动电流必须整定得大于K4点短路时可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下变电所C母线上三相短路时的电流,''1..max*2.3oprelkcIkI式中：——考虑短路电流计算误差、继电器动作电流误差、短路电流中非周期分量的影响和必要的裕度而引入的大于1的系数。'relk对于保护2，按照同样的原则，其启动电流应整定得大于K2点短路时的最大短路电流，即''2..max*2.4oprelkBIkI启动电流与Zk无关，即与L无关，所以在图2.3上是直线，它与曲线Ⅰ和Ⅱ各有一个交点。在交点以前短路时，由于短路电流大于启动电流，保护装置都能动作；而在交点以后短路时，由于短路电流小于启动电流，保护将不能启动。对应这两点，保护有最大和最小保护范围。由此可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。因此，速断保护对被保护线路内部故障的反映能力（即灵敏性），只能用保护范围的大小来衡量，此保护范围通常用线路全长的百分数来表示。由图2.3可见，当系统为最大运行方式且发生三相短路故障时，电流速断的保护范围为最大，当出现其他运行方式或两相短路时，速断的保护范围都要减小，而当出现系统最小运行方式下的两相短路时，电流速断的保护范围为最小。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验其保护范围。规程规定，最小保护范围不应小于线路全长的15％—20％。无时限电流速断保护的单相原理接线如图2.4所示。它是由电流继电器（测量元件）1、中间继电器2和信号继电器3组成。图2.4无时限电流速断保护的单相原理接线图正常运行时，负荷电流流过线路，反映电流继电器中的电流小于1的启动电流，1不动作，其常开触点是断开的，2常开触点也是断开的，信号继电器3线圈和断路器QF跳闸线圈中无电流，断路器主触头闭合处于送电状态。当线路短路时，短路电流超过保护装置的启动电流，电流继电器1常开触点闭合启动中间继电器2,2常开触点闭合将正电源接人3的线圈，并通过断路器的常开辅助触点QFI，接到跳闸线圈YR构成通路，断路器QF执行跳闸动作，QF跳闸后切除故障线路。中间继电器2的作用，一方面是利用2的常开触点（大容量）代替电流继电器1的小容量触点，接通YR线圈；另一方面是利用带有0.06一0.08s延时的中间继电器，以增大保护的固有动作时间，躲过管型避雷器放电时间（一般放电时间可达0.04—0.06s)，以防止避雷器放电引起保护误动作。信号继电器3的作用是用于指示该保护动作，以便运行人员处理和分析故障。无时限电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的应用。它的缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。当系统运行方式变化很大，或者被保护线路的长度很短时，无时限电流速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。如图2.5所示，当系统运行方式变化很大时，保护2电流速断按最大运行方式下保护选择性的条件整定以后，在最小运行方式下就没有保护范围。图2.6所示为被保护线路长短不同的情况。当线路较长时，其始端和末端短路电流的差别较大，因而短路电流变化曲线比较陡，保护范围比较大，如图（a）所示；而当线路较短时，由于短路电流曲线变化平缓，速断保护的整定值在考虑了可靠系数以后，其保护范围将很小，甚至等于零，如图（b）所示。重载线路图2.5系统运行方式的变化对电流速断保护的影响图2.6被保护线路长短不同对电流速断保护的影响在个别情况下，有选择地电流速断也可以保护线路的全长，例如，当电网的终端线路上采用线路一变压器组的接线方式时（如图2.7所示），由于线路和变压器可以看成一个元件，而速断保护就可以按照躲开变压器低压侧出口处K1点的短路来整定，由于变压器的阻抗一般较大，因此，K1点的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断就可以保护线路A—B的全长，并能保护变压器的一部分。当系统运行方式变化很大时，无时限电流速断保护的保护范围可能很小，甚至没有保护区。为了在不延长保护动作时间的条件下，增加保护范围，提高灵敏度，可采用电流电压联锁速断保护。它是兼用短路故障时电流增大和电压下降两种特征，以取得本线路故障的较高灵敏度和防止下一级线路故障时的误动作。电流电压联锁速断保护的单相原理接线如图2.8所示。由电压互感器TV供给低电压继电器以母线残压，由电流互感器TA供给电流继电器1以相电流，只有当低电压继电器和电流继电器同时动作时，才能启动中间继电器2，从而启动信号继电器3，至断路器的跳闸线圈YR，执行跳闸动作。图2.7线路一变压器组的电流速断保护图2.8电流电压联锁速断保护的单相原理接线图图2.９中表示了沿线路A—B各点发生相间短路时的短路电流Ik和母线残压Uk，其中，曲线1、4是最大运行方式，2、5是经常运行方式，3、6是最小运行方式。电流电压联锁速断保护的一种整定原则是确保在经常运行方式下有较大的保护范围。例如，被保护线路全长为L，经常运行方式的保护区L'=75%L，取电流继电器的动作电流为:2.5uopskEIZZZEsk式中：系统等效电源相电势Z保护安装处至等效电源之间的阻抗被保护线路阻抗值继电器的动作电压应取为：式（2.6）即经常运行方式下线路K点三相短路时的残余线电压。1'132.6uopopUIlZ图2.9电流电压联锁速断保护的动作特性分析3限时电流速断保护由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此，可考虑增加一段新的保护，用来切除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为速断的后备，这就是限时电流速断保护，又称为Ⅱ段电流保护。对这个新设保护的要求，首先是在任何情况下都能保护本线路的全长，并具有足够的灵敏性，其次是在满足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限。正是由于它能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障，因此，称之为限时电流速断保护。（l）工作原理和整定计算的基本原则t由于要求限时电流速断保护必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时，它就要误动。为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，此时限的大小与其延伸的范围有关。为尽量缩短此时限，首先规定其整定计算原则为限时电流速断的保护范围不超出下一条线路电流速断的保护范围；同时，动作时限比下一条线路的电流速断保护高出一个的时间阶段，如图2.10所示.图2.10单侧电源线路限时电流速断保护的配合整定图启动电流整定为：'.2.1*2.7oprelopIkI'1.11.2relrelKK考虑到短路电流中的非周期分量已经衰减，故可选得比速断保护的小，一般取为。（2）动作时限的计算'212.8ttt从尽快切除故障的观点看，应越小越好，但是，为了保证两个保护之间动作的选择性，其值又不能选择得太小，.1.1.2.22.9QFttgYttttttt式中：故障线路断路器QF的跳闸时间，即从操作电流送入跳闸线圈TQ的瞬间算起，直到电弧熄灭的瞬间为止；考虑故障线路保护1中的时间继电器实际动作时间比整定值要大；考虑保护2中的时间继电器可能比预定的时间提早；保护2中的测量元件（电流继电器）在外部故障切除后由于惯性的影响而延迟返回的惯性时间；裕度时间。.1QFt.1tt.2tt.2gtYtt按上式计算，的数值一般为0.35—0.6s，通常取0.5s。按此原则整定的时限特性如图2.10。在线路上装设了电