大学课件 电力系统继电保护 单侧电源网络相间短路的电流保护.ppt

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1、第二章 电网的电流保护,2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护,继电器是一种能自动执行断续控制的部件，当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合或电平由高变低、由低变高等，具有对被控电路实现“通”、“断”控制的作用。,2.1.1 继电器,1. 继电器的分类和要求,按照动作原理可分为：,按照反应的物理量可分为：,按照作用可分为：,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 频率继电器 瓦斯（气体）继电器,起动继电器 量度继电器 时间继电器 中间继电器 信号继电器 出口继电器,2. 过电流继电器,过电流继电器是实

2、现电流保护的基本元件，也是一个反映电气量而动作的简单继电器的典型，它是一个量度继电器。,量度继电器,过量继电器,欠量继电器,过电流继电器 过电压继电器 高周波继电器,低电压继电器 阻抗继电器 低周波继电器,过流继电器框图,来自电流互感器二次侧,加入继电器的电流,根据继电器的安装位置和工作任务给定动作值，为使继电器具有普遍的使用价值，动作值可以调整,小延时作用：对于电子型和数字型继电器，动作速度快，功率小，为提高动作 的可靠性，防止干扰信号引起的误动作，要考虑测量值大于动作值的持续时间23ms，才能动作于输出。,继电器根本不动作,继电器能够突然迅速地动作，稳定可靠输出低电平或闭合其触点.,继电器

3、又能突然地返回原位,稳定可靠输出高电平，或触点重新打开.,继电特性图,3. 继电器的继电特性,继电特性无论起动和返回，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。,动作,返回,返回电流与启动电流的比值称为继电器的返回系数,k,过量继电器、欠量继电器的返回系数,2.1.2 单侧电源网络相间短路时电流量值特征,最大负荷电流正常运行时，各条线路中流过所供的负荷电流，越靠近电源侧的线路，流过的电流越大。负荷电流的大小，取决于用户负荷接入的多少，当用户的负荷同时都接入时，形成最大负荷电流。,短路电流=短路工频周期分量（主要）+暂态高频分量+衰减直流分量,电流保护采用工频周期分量电流构成，可

4、近似认为是起始次暂态电流,短路工频周期分量可以用下式近似计算,短路类型系数，三相短路取1，两相短路取,系统等效电源的相电势,保护安装处到系统等效电源之间的阻抗,短路点到保护安装处之间的阻抗,最大运行方式在相同地点发生相同类型的短路时，流过保护安装处电流最大，对继电保护而言称为系统最大运行方式，对应的系统等值阻抗最小。 最小运行方式在相同地点发生相同类型的短路时流过保护安装处电流最小，对继电保护而言称为系统最小运行方式，对应的系统等值阻抗最大。,利用流过保护安装处电流幅值的大小来区分正常与短路运行状态，实现的保护简单可靠、方便易行。构成完善的电流保护时必须考虑的因素：,1. 电力系统运行方式（Z

5、s）的变化； 2. 电力系统正常运行状态（E）的变化； 3. 不同的短路类型； 4. 随短路点距等值电源的距离变化，短路电流连续变化，越远电流越小，并且在本线路末端和下级线路出口短路，短路电流没有差别。,2.1.3 电流速断保护,概念:对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护,称为电流速断保护,1 工作原理（以保护2为例）,对于保护2而言希望：,本线路末端k1点发生故障时，保护2能够瞬时动作切除.,而当相邻线路BC的始端k2点短路时,按选择性的要求,速断保护2不应动作,k1点、k2点短路时,保护2中流过电流相同,希望不能同时实现,解决办法,优先保证选择性， 即k2点短路时，保护2不动作。 按躲

6、开下一条线路出口处短路的条件整定 保护2的整定电流须大于下一条线路出口处短路的最大短路电流 本线路末端短路时保护不能起动,按躲开下一条线路出口处短路的条件整定指在继电保护技术中，从保护装置起动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不起动。 保护装置的整定电流对反应电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置起动的最小电流值，以 表示。 保护不能起动的范围随运行方式、故障类型的变化而变化。在各种运行方式下发生各种短路保护都能动作切除故障的短路点位置的最小范围称为最小保护范围。,2 电流速断保护的整定计算原则,动作电流的整定 动作时间的整定 保护范围的校验,以保护1为例：其整定的动作电流 必须

7、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母线上三相短路时电流，即： 动作电流为： 继电器的二次动作电流：,速断保护的动作时间取决于继电器本身固有的动作时间，一般小于10ms,保护范围的校验最小的保护范围在系统最小运行方式下两相短路时出现。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验其保护的最小范围，要求大于被保护线路全长的15%20%。 保护的最小范围可按下式求出： 电流速断保护的最小保护线路长度 线路单位长度的正序阻抗,3 电流速断保护的构成,动作过程：,过电流继电器接于电流互感器TA的二次侧，当流过它的电流大于它的动作电流后，比较环节KA有输出。在某些特殊情况下需

8、要闭锁跳闸回路，设置闭锁环节。当比较环节KA有输出并且不被闭锁，与门有输出，发出跳闸命令的同时，起动信号回路KS,4 电流速断保护的主要优、缺点,优点：简单可靠+动作迅速 缺点：不能保护线路全长+保护范围受运行方式影响,灵敏性与速动性的矛盾,长线路：始端和末端短路电流差别较大 短路电流变化曲线较陡 保护范围较大 短线路：始端和末端短路电流差别较小 短路电流曲线变化平缓 保护范围较小,系统运行方式变化很大时 以保护2电流速断为例：,按最大运行方式下保护选择性的条件整定,最小运行方式下没有保护范围,但在个别情况下，有选择性的电流速断也可以保护线路全长：如下所示，例如当电网的终端线路上采用线路变压器

9、的接线方式时，速断保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处K1点短路来整定： 变压器的阻抗较大 K1点的短路电流就大为减小 电流速断可以保护线路A-B的全长及变压器的一部分,1 工作原理 限时速断保护带有时限动作的电流保护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备。 要求： （a）在任何情况下能保护本段线路的全长，并且有足够的灵敏性； （b）力求具有最小动作时限； （c）在下级线路短路时，保证下级保护优先切除故障，满足选择性要求。,2.1.4 限时速断保护,以下图中保护2的限时速断保护为例进行分析：,保 护 2,保护线路全长,保证选择性,保护范围须延伸至下一条 线路中

10、,动作须带一定时限,首先考虑与下级线路的 速断保护配合,与下级线路限时电流速断 保护配合,保护范围不超过下级 线路速断保护的范围,动作时限比下级线路的 速断保护高一个时间阶梯,保护范围不超过下级 限时速断保护的范围,动作时限比下级线路的 限时速断保护高一个 时间阶梯,灵敏性不足,本线末端短路,力求动作时限最短,2. 限时电流速断保护的整定,保护2的限时电流速断不应超出保护1电流速断的范围M点，因此在单侧电源供电的情况下，它的起动电流就应该整定为,是否取“=”？,（1）起动电流,若正好遇上如下情况：,保护1的电流速断 出现负误差,保护范围比计算值缩小,保护2的电流速断 出现正误差,保护范围比计算

11、值增大,保护1的电流速断不起动 保护2的限时速断起动,计算的保护范围末端短路时,失去 选择性,为避免这种情况发生，就不能采用两个电流相等的整定方法，而必须采用 ：,引入可靠性配合系数 ，则得 一般取1.11.2,（2）动作时限的选择,限时速断的动作时限 应选择得比下一条线路速断保护的动作时间 高出一个时间阶梯 ，即,包括,故障线路断路器的跳闸、灭弧时间,故障线路保护时间继电器实际动作时间比整定时间 大的正误差,保护2中时间继电器可能比预定时间提早动作 的负误差,保护2测量元件外部故障切除后由于惯性不能 立即返回的延时,考虑一定的裕度,位于0.30.5之间，多取0.5s，微机保护取0.3s,限时

12、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，具有足够的反应能力，用灵敏系数Ksen来衡量。,3 保护装置灵敏性的校验,对于反应数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数Ksen定义,对保护2限时速断，应采用系统最小运行方式下线路AB末端发生两相短路时的短路电流作为故障参数的计算值，设此电流为I(2)k.B.min，则：,要求 Ksen1.31.5,当校验灵敏系数不能满足要求时，那就意味着将来真正发生内部故障时，由于不利因素的影响保护可能起动不了，达不到保护全长的目的，这是不允许的。 为了解决这个问题，通常都是考虑降低限时电流速断的整定值，使之与下一条线路的限时电流速断相配合，这样

13、其动作时限就应选择得比下一条线路限时速断的时限再高一个级差 ，一般取为11.2s。此时,可见，保护范围的伸长，必然导致动作时限的升高。,4 限时速断保护的单相原理框图,KA起动,与门2起动,跳闸,KA返回,保护复归,发信号,无闭锁信号,经 延时,故障仍存在,在 以前,故障切除,2.1.5 定时限过电流保护,过电流保护通常指其起动电流按照躲开流过本线路的最大负荷电流来整定的一种保护装置，它不仅能保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长,以起到后备保护的作用.,它可作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护，同时又可作为本线路主保护拒动时的近后备保护，也作为过负荷时的保护。,过电流保护,

14、定时限过电流保护,反时限过电流保护,1 工作原理和起动电流计算,起动电流 的计算,在正常情况下各条线路上 的过电流保护绝不动作,在外部故障切除后电压恢复， 负荷自起动电流作用下保护 装置必须能够返回,过电流保护装置的起动电流,过电流保护装置的返回电流,线路上出现的最大负荷电流,外部故障切除后电压恢复时负荷自起动电流,单侧电源放射形网络中过电流保护动作情况说明,K2点短路,保护2、3、4、 5均起动,A、B、C母线所接 负荷电动机被制动,保护2动作切除 故障,短路电流流经保护2、3、4、5,电压降低,按选择性要求,电流减小,电压 恢复,自起动电流,电动机自起动,保护返回,电动机自起动电流要大于它

15、正常工作电流，引入一个自起动系数 来表示自起动时最大电流 与正常运行时最大负荷电流 之比，即：,保护3、4、5在各自起动电流的作用下必须立即返回。为此应使保护装置的返回电流（一次值） 大于 。引入可靠系数 ，则,自起动系数。数值大于1，应由网络具体接线和负荷性质确定,可靠系数，采用1.151.25,电流继电器返回系数，采用0.850.95,2 按选择性的要求整定过电流保护的动作时限,保护1位于电网的最末端，只要电动机内部故障，它就可以瞬时动作予以切除， 即为保护装置本身的固有动作时间。 保护2为保证K1点短路动作的选择性，则应整定其动作时限 ， 引入时间级差 ，则保护2的动作时限为：,以此类推

16、，保护3、4、5的动作时限均比相邻各元件保护动作时限高出至少一个 ，只有这样才能充分保证动作的选择性。,阶梯原则,选择过电流保护起动电流和动作时间的网络图,例如在上图所示的网络中，对保护4而言即应满足以下要求：,保护1的动作时限,保护2的动作时限,保护3的动作时限,3 过电流保护灵敏系数的校验,作为本线路近后备,作为相邻线路的远后备保护,过电流保护灵敏系数校验仍采用式,最小运行方式下，本线路末端两相短路时的流过保护安装处的电流,最小运行方式下，相邻线路末端两相短路时的流过保护安装处的电流,注意：,在各个过电流保护之间，还必须要求灵敏系数互相配合，即对同一故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有

17、越高的灵敏系数。,例如当k1点短路时，应要求各保护的灵敏系数之间具有下列关系:,在后备保护之间，只有当灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能切实保证动作的选择性，这一点在复杂网络的保护中，尤其应该注意。以上要求同样适用于以后要讲的零序段和距离段保护。,电流速断保护（整定原则）只能保护线路始端的一部分。 限时电流速断保护（整定原则）虽能保护本线路的全长,但不能作为相邻线路的后备。 定时限过电流保护（整定原则）能保护本线路的全长及相邻下一条线路的全长,然而动作时限太长,且越靠近电源,动作时间越长。,2.1.6 阶段式电流保护的配合及应用,阶段式电流保护的配合和实际动作时间的示意图,由图可见，当全网任

18、意地点发生短路时，如果不发生保护或断路器拒绝动作的情况，则故障都可以在0.5s内予以切除。,保护配置方案,具有三段式电流保护的单相原理框图,电流速断部分由电流元件KA和信号元件KS组成 限时电流速断部分由电流元件KA、时间元件KT和信号元件KS组成 过电流保护由电流元件KA、时间元件KT和信号元件KS组成,阶段式电流保护的优点简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求，因此在电网中特别是在35kV及以下的较低电压的网络中获得广泛的应用。 阶段式电流保护的缺点它直接受电网的接线以及电力系统的运行方式变化的影响，例如整定值必须按系统最大运行方式来选择，而灵敏性则必须用系统最小运行方式

19、来校验，这就使它往往不能满足灵敏系数或保护范围的要求。,2.1.7 反时限特性的电流保护,反时限电流保护采用动作时间与流过继电器中电流的大小有关的继电器，利用继电器的反时限动作特性，当电流大时，保护动作时限短，而电流小时动作时限长。,1 反时限动作特性,反时限电流继电器的时限特性图,K为时间整定系数，选择不同的K值，可以获得不同的动作时间曲线，K值越大，动作时间越长,当流过继电器的电流小于起动电流时，继电器不动。,当流过继电器的电流在启动电流和瞬时动作电流之间时，延时接点的闭合时间与 有关,2.1.7 反时限特性的电流保护,反时限电流保护采用动作时间与流过继电器中电流的大小有关的继电器，利用继

20、电器的反时限动作特性，当电流大时，保护动作时限短，而电流小时动作时限长。,1 反时限动作特性,反时限电流继电器的时限特性图,K为时间整定系数，选择不同的K值，可以获得不同的动作时间曲线，K值越大，动作时间越长,当流过继电器的电流小于起动电流时，继电器不动。,当流过继电器的电流在启动电流和瞬时动作电流之间时，延时接点的闭合时间与 有关,当流过继电器的电流大于瞬时动作电流时，继电器以最小动作时间动作,常规反时限过电流继电器的特性曲线族,2 反时限过电流保护的整定配合,反时限过电流保护整定的配合图,（a）网络接线 （b）短路电流分布 （c）保护动作时限特性 （d）整定值选择与配合,（1）反时限特性上

21、下级间的配合,配合原则,起动电流,动作时限,按照躲过最大负荷电流的原则,为保证保护动作选择性，逐级配合确定,最大运行方式下短路电流的分布曲线,每条线路始端短路时的最大短路电流见上图所示，则在此电流作用下，各线路自身保护装置的动作时限均应为最小，为了在各线路保护装置之间保证动作选择性，各保护可按下列步骤整定。,整定保护1,起动电流按躲过最大 负荷电流原则整定,d1点短路时电流,相应动作时间为t1,断路器固有动作时间 为tb,确定a1点,确定b点,确定 曲线 ,+,+,图,整定保护2,起动电流按躲过最大 负荷电流原则整定,d1点短路时电流,相应动作时间为 t2=t1+t,断路器固有动作时间 为tc

22、=tb+ t,确定a2点,确定c点,确定 曲线 ,+,+,图,整定保护3,起动电流按躲过最大 负荷电流原则整定,d2点短路时电流,相应动作时间为 t3=t1+2t,断路器固有动作时间 为te=td+ t,确定a3点,确定e点,确定 曲线 ,+,+,图,（2）反时限过电流保护与电源侧定时限过电流保护配合,对于安装在发电机侧的保护5，一般采用定时限特性作为后备保护，其动作时间应于保护4的反时限特性配合。作为远后备，在k3点短路时，保护5的动作时间应比保护4延迟t，在保护4的动作特性曲线上查处对应k3点短路时的动作时间，保护5的动作时间比它大t，或者比在k4点短路时保护4的动作时间大2t。,（3）反

23、时限过电流继电器电流速断段的整定,反时限过电流继电器带有独立整定的电流速断段，当达到其整定的动作时间时，其出口触电瞬时闭合。正定原则仍是躲开下级母线的最大短路电流。 反时限保护的优点可使靠近电源故障具有较小的切除时间； 反时限保护的缺点整定配合比较复杂，以及当系统最小运行方式下短路时，其动作时间可能较长； 反时限保护主要应用范围主要用与单侧电源供电的终端线路和容量较小的电动机上，作为主保护和后备保护使用。,2.1.8 电流保护的接线方式,电流保护的接线方式保护中电流继电器与电流互感器之间的连接方式,三相星形接线方式的原理接线图,三相星形接线方式 它是将三个电流互感器和三个电流继电器分别按相连接

24、在一起，互感器和继电器均接成星形，在中性线上流回的电流为 ，正常时此电流约为零，在发生接地短路时则为三倍零序电流；三个继电器的启动跳闸回路是并联连接的，相当于“或”回路，其中任一输出均可动作于跳闸或启动时间继电器。由于在每相上均装有电流继电器，因此，可以反应各种相间短路和中性点直接接地系统中单相接地短路。,两相星形接线方式的原理接线图,两相星形接线图如左图所示，用装设在A、C相上的两相电流互感器与两个电流继电器分别按相连接在一起。B相上不装设电流互感器和电流继电器，因此它不能反应B相中流过的电流。在这种接线中，中性线上的电流是,采用以上两种接线方式，当保护装置的一次起动电流整定为 时，则反应到

25、继电器上的起动电流应为,两相星形接线方式,现对上述两种接线方式在各种故障时的性能分析比较如下,1 中性点直接接地电网和非直接接地电网中各种相间短路 相同点两种接线方式均能正确反应故障。 不同点动作的继电器数不一样。三相星形接线方式在各种两相短路时，均有两个继电器动作；两相星形接线方式在AB和BC相间短路时只有一个继电器动作。,2 中性点非直接接地系统中两点接地 由于中性点非直接接地电网中，允许单相接地时继续短时运行，因此希望只切除一个故障点。,例如，在左图所示的串联线路上发生两点接地短路时，希望只切除距电源远的那条线路BC，而不要切除线路AB，这样可以继续保证对变电所B的供电。当保护1、2均采

26、用三相星形接线时，由于两个保护之间在定值和时限上都是按照选择性要求配合整定的，因此就能够100%地保证只切除线路BC。,而如果采用两相星形接线，则当线路BC上b相接地时，则保护1就不能动作，因此只能由保护2动作切除AB，因而扩大停电范围。 其只有2/3的机会切除后一条线路。,并联线路上两点接地示意图,又如图所示，在变电所引出的并联形线路上，发生两点接地短路时，希望任意切除一条线路即可。当保护1、2均采用三相星形接线时，两套保护动作，如保护1和保护2的时限整定得相同，则保护1、2将同时动作切除两条线路，因此不必要的切除两条线路的机会就比较多了。如采用两相星形接线，只要某一条线路上具有b相一点接地

27、，由于b相未装保护，因此该线路就不被切除。,有2/3的机会切除一条线路,3 Y，d11接线变压器一侧两相短路流过另一侧保护中电流的分析,思考星形绕组中电流与短路点电流的关系,（1）三角形侧发生AB两相短路时，星形各相电流关系,（1）三角形侧发生AB两相短路时，星形各相电流关系,在故障点 ， ，设侧各相绕组中的电流分别为 则,根据变压器的工作原理可求得星形侧电流的关系为,（2）星形侧BC两相短路时，三角形侧各相电流关系为：,由相量图可见,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的后备保护时：,采用三相 星形接线,B相上电流有较其他两相电流大1倍的机会,灵敏系数增大1倍,采用两相 星形接

28、线,B相无 继电器,灵敏系数由A相和C相电流决定,其数值比同样情况下三相星形接法降低一半,解决方法：在中性线上再加 一个电流继电器，增加灵敏度,4 两种接线方式的应用,三相星形 （1）需要三个电路互感器，三个电流继电器和四根二次电缆，相对来讲复杂和不经济。 （2）广泛用于发电机，变压器等大型贵重电气设备保护中，因为它能够提高保护动作的可靠性和灵敏性。 （3）用在中性点直接接地系统中，作为相间短路和单相接地短路的保护。 两相星形 （1）两相星形较简单经济。 （2）在中性点非直接接地电网中，采用两相星形接线就可以保证有2/3的机会只切除一条线路。,5 三段式电流保护的接线图,如上图所示，每个继电器的线圈和触点都画在一个图形内，同一符号标注，图中KA表示电流继电器，KT表示时间继电器，KS表示信号继电器等等,功能原理图,交流回路展开图,每个继电器的线圈和触点根据实际动作的回路情况分别画在不同的位置上，但仍用同一个符号来标注，以便查对。继电器线圈和触点的连接尽量按照故障后动作顺序，自左而右，自上而下依次排列,原理展开图,直流回路,