大学课件 电力系统继电保护 第二章2-3节.ppt

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1、2.2 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,2.2.1 双侧电源网络相间短路时的功率方向 短路功率：指短路时母线电压与线路电流相乘所得到的感性功率。矛盾分析 短路功率正方向：一般规定为功率方向由母线流向线路,k1点短路时的电流分布,k2点短路时的电流分布,各保护动作方向的规定,分析k1点发生短路流过线路的短路功率方向，是从电源经由线路流向短路点，与保护2、3、4和6、7、8的正方向一致。,分析k2点和其它任意点短路，都有相同的特征，即短路功率的流动方向为正，是保护应该动作的方向。,短路点两侧的保护只需要按照单电源的配合方式整定配合，即可满足选择性要求。下图所示为方向过电流保护的时限特性。,方

2、向性电流保护,电流保护,方向元件,=,+,利用了电流的幅值特征,利用了功率方向的特征,其中的方向元件可以判别短路功率的流动方向，只当功率方向为正方向时才动作。,2.2.2 方向性电流保护的基本原理 双侧电源网络接线如下图所示：,保护规定的正方向,电源E不存在,电源E不存在,两电源同时存在,保护1、2、3、4由电源E单独供电,保护5、6、7、8由电源E单独供电,将其看成两个单侧电源网络的保护,保护1、2、3、4之间能保证选择性,保护5、6、7、8之间能保证选择性,保护1、2、3、4反应于电源E作供给的电流而动作,保护5、6、7、8反应于电源E作供给的电流而动作,发生短路时,发生短路时,每个保护装

3、设功率方向元件,方向性继电保护的主要特点-在原有保护的基础上增加一个功率方向判别元件，以保证在反方向故障时把保护闭锁使其不致误动作。 具有方向性的过电流保护的单相原理接线如下图所示：,方向过电流保护的单相原理接线图,由图可见，方向元件和电流元件必须都动作以后才能去起动时间元件，再经过预定的延时后动作于跳闸。 KW-方向元件 KA-电流元件 KT-时间元件,2.2.3 功率方向判别元件 1 对功率方向元件的要求 以下图所示的网络接线中的保护1为例进行说明：,k1-母线至k1点之间的线路阻抗角，k2-从该母线至k2点之间的线路阻抗角，如以母线电压U为参考相量，并设k1=k2=k，则流过保护安装处的

4、电流Ir相位相差180,功率方向元件（继电器）指用以判别功率或测定电流电压之间的相位角，以判别发生故障的方向的元件（继电器）。 对继电保护中方向元件的基本要求是： （1）应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障（包括故障点有过渡电阻的情况）时，能可靠动作，而在反方向故障时，可靠不动作； （2）故障时可靠动作并有足够的灵敏度。,2 功率方向元件（继电器）的动作特性 以A相的功率方向元件为例进行分析： （1）加入的电压Ur=UA，加入的电流Ir=IA。,当正方向短路时，元件中电压、电流之间的相角为：,当反方向短路时，元件中电压、电流之间的相角为：,如果取k1 =k2 = k= 60 ，可画出在相

5、量关系如右图所示：,正方向故障时，若将电压顺时针旋转60度，则电流、电压相量重合，两者形成的功率最大。,对最大灵敏角的整定-一般功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者相位差的大小而改变，为了在最常见的短路情况下使方向元件动作最灵敏，采用上述接线的功率方向元件的最大灵敏角应取： 为了保证当短路点有过渡电阻、线路阻抗角 k在0至90内变化情况下正方向故障时，继电器都能可靠动作，功率方向元件动作的角度应该是一个范围，考虑实现的方便性，这个范围通常取为 sen90 。（电流作为参考，电压变化的范围）,功率方向元件的动作特性如下图所示，在复数平面上是一条直线，阴影部分为

6、动作区。,相应动作方程可有如下 三种表示方式：,当采用刚才提到的功率方向继电器时，即采用的A相功率方向元件输入电压Ur=UA，输入电流Ir=IA，相应的动作方程可表示为UrIrcos(r sen )0时，A相功率方向元件可能会出现“电压死区”问题，如下所示： 为了减少和消除死区，在实际应用中广泛采用非故障的相间电压作为接入功率方向元件的电压参考量，判别故障相电流的相位。例如，对于A相功率方向元件，输入的电压Ur=UBC，输入的电流Ir=IA。下面就来分析一下采用这种接法的功率方向元件的动作特性。,正方向出口附近,A相单相接地短路,AB两相接地短路,三相接地短路,Ur=UA 0,功率方向元件不能

7、动作,（2）加入A相的功率方向继电器的电压Ur=UBC，加入的电流Ir=IA。,此时,正向短路时,反向短路时,最大灵敏角应设计为：,动作特性如下图所示：,动作方程为：,或写为：,-称为功率方向继电器的内角,相量图,正方向出口附近,三相短路,Ur=UBC 0,继电器有很小的电压死区,其他任何包含A相的不对称短路,IA的电流很大UBC的电压很高,继电器没有死区，且动作灵敏度很高,为了减小和消除三相短路时的死区，可以采用电压记忆回路（见教材距离保护部分）并尽量提高继电器动作时的灵敏度。,3 功率方向判别元件的构成框图 按2-37式：,用相位比较方式构成的集成电路型功率方向元件的框图如下图所示：,加入

8、Ur和Ir,经过电压形成回路,使Ur移相,对Urej,IrR滤波,形成方波,进行相位比较,对Urej，IrR滤波： Urej与IrR均经过50Hz带通滤波器，以消除短路暂态过程中非周期分量和各种谐波分量的影响。 形成方波：方波形成回路通常采用开环的运算放大器构成，具有很高的灵敏度，其负半周期输出经二极管检波后，变为0V信号。 进行相位比较：由与门、或非门、延时5ms、展宽20ms等器件组成的相位比较回路，可对两个方波进行相位比较，当满足（2-37）式的条件后，即输出高电平1态信号，表示继电器动作。,经过电压形成回路：加入继电器的电压Ur和电流Ir经过电压形成回路后，变换成适合于运算放大器所需要

9、的电压，并与电压、电流互感器的二次回路相隔离。 使Ur移相：使Ur移相角，以获得相量Urej 。,功率方向判别元件的“潜动”问题-所谓潜动是指在只加入电流或只加入电压信号的情况下，继电器就能够动作的现象。 发生潜动的最大危害如下： 就集成电路型功率方向元件而言，造成潜动的原因主要是形成方波的开环运算放大器的零点漂移。所有的功率方向元件都必须采取措施，可靠地防止潜动的发生。,反方向出口处三相短路,Ur0，Ir很大,方向元件本应将保护闭锁,保护失去方向性而误动,出现潜动,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： （1）正方向任何类型的短路故障都能动作

10、，而当反方向故障时则不动作； （2）故障以后加入继电器的电流Ir和电压Ur应尽可能地大一些，并尽可能使k接近于最大灵敏角sen，以便消除和减小方向元件的死区。 90接线方式-功率方向继电器广泛采用的是90接线方式，它是指在三相对称的情况下，当cos=1时，加入继电器的电流和电压相位差90。 下面给出一个采用90接线方式，即将三个继电器分别接于IA、UBC，IB、UCA和IC、UAB，并且与对应相的过电流继电器按相连接而构成的三相式方向过电流保护的原理接线图。,功率方向继电器采用90接线时，三相式方向过电流保护的原理接线图： 顺便指出，对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈

11、的极性问题，如果有一个线圈的极性接错时，就会出现正方向短路时拒绝动作，而反方向短路时误动作的现象，从而造成严重事故。,1 正方向发生三相短路（分析电压电流间的相位关系） 正方向发生三相短路时的相量图如下图所示： 由于三相对称，三个方向继电器工作情况完全一样，故可只取A相继电器分析，由图可见：,三相短路时，对90接线方式的分析,UA、UB、UC-保护安装地点的母线电压 IA、IB、IC-三相的短路电流 k-线路阻抗角,A相继电器的动作条件为：,一般而言，电力系统任何电缆或架空线阻抗角都位于090之间，为使方向继电器在任何情况下均能动作，就必须要求（2-40）式始终大于0，为此应选择090之间才能

12、满足。,2 正方向发生两相短路 第一种极端情况：,如左图所示，设B-C两相短路，此时可有两种极端情况：,第一种：短路点位于保护安装点附近，短路阻抗ZkZS，极限时取ZS=0。,相量图,保护安装点电压,继电器动作条件及对应范围,B相,C相,第二种极端情况：,备注： 1、A相为非故障相，当忽略负荷电流时，流入A相继电器的电流近似为0，A相继电器不动作。 2、“对应范围” 指当0k90时使继电器动作的内角 的取值范围。,保护安装点电压,继电器动作条件及对应范围,B相,C相,综合三相和各种两相短路的分析得出，当0k90时，使故障相方向继电器在一切故障情况下都能动作的条件应为3060。 对某一已经确定了

13、阻抗角的送电线路而言，应采用=90k，以便短路时获得最大的灵敏角。 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含非故障相的相间电压，其值很高； 第二、选择继电器的内角 =90k 后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。,2.2.5 方向性电流保护的应用特点 在方向性电流保护应用时，如果能用电流整定值或动作时限保证选择性，就不加方向元件。另外，由于有多个电源存在，短路点到电源之间的线路上流过的短路电流大小可能不同，上下级保护的整定值配合出现新问题。 1 电流速断保护可以取消方向元件的情况 在电流速断保护中：原则 能用电流整定值保证选择性的，尽量不加方

14、向元件； 线路两端的保护，能在一端加方向元件后满足选择性要求的，不在两端加方向元件。,曲线1是由电源E供给短路点的电流 曲线2是由电源E 供给短路点的电流,保护1、2未装方向元件,K1 短路,K2 短路,保护1、2均不应动作,保护1、2均不应动作,当,这样整定的结果，虽然保证了选择性，但使位于小电源侧保护2的保护范围缩小。当两端电源容量的差别越大时，对保护2的影响就越大。,2 限时电流速断保护整定时分支电路的影响 双侧电源网络中的限时电流速断保护需要考虑保护安装地点与短路点之间有电源或线路（通常称为分支电路）的影响。引入分支系数，其定义为：,保护2装设方向元件,保护1的整定如前所述，由于它从定

15、值上已经可靠地躲开了反方向短路时流过保护的最大电流，所以保护1处无需装设方向元件。,保护2装设方向元件,其起动电流可按躲开正方向k1点短路来整定,如图中的虚线所示，其保护范围较前增加了很多。,故障线路流过的短路电流,前一级保护所在线路上流过的短路电流,（1）助增电流的影响：分支电源使故障线路电流增大的现象，称为助增。 有助增以后的短路电流分布曲线亦示于下图中：,设保护1电流速断的整定值按躲开相邻线路出口短路整定为 其保护范围末端位于M点，该点为保护配合点。,整定配合点M处的分支系数：,保护2限时电流速断整定值为：,图：有助增电流时，限时电流速断保护的整定,（2） 外汲电流的影响：故障线路中电流

16、减小的现象，称为外汲。 如下图所示：分支电路为一并联的线路，此时分支系数Kb1 当变电所B母线上既有电源又有并联的线路时，其分支系数可能大于1也可能小于1，此时应根据实际可能的运行方式，确保选择性，选取分支系数的最小值进行整定计算。对单侧电源供电的单回线路Kb=1，是一种特殊情况。,有外汲电流影响时的分析方法同有助增电流的情况，限时电流速断的起动电流仍按下式整定：,图：有外汲电流时，限时电流速断保护的整定,3 过电流保护装设方向元件的一般方法 过电流保护中，反方向短路一般都很难从电流整定值躲开，而主要决定于动作时限的大小。以图2-24中的保护6为例： 当一条母线上有多条电源线路时，除动作时限最

17、长的一个过电流保护不需要装设方向元件外，其余都要装方向元件,当t6t1+t时,保护6可以不用方向元件-因为当反方向线路C-D上短路时，它能以较长的时限来保证动作的选择性。,保护1必须有方向元件-否则，当在线路B-C上短路时，它将先于保护6而误动作。,保护1和6都需装设方向元件。,当t6=t1时,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、电流和功率的分布 当中性点直接接地系统（又称大接地电流系统）中发生接地短路时，将出现很大的零序电压和电流，利用零序电压、电流来构成接地短路的保护，被广泛应用在110kV及以上电压等级的电网中。 1 零序电压 零序

18、电压的分布如下图所示： 零序电压的特点-零序电源在故障点，故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低，取决于到大地间阻抗的大小。 零序电压的正方向-规定线路高于大地的电压为正。,2 零序电流 零序网络图如下： 忽略回路电阻 取零序阻抗角k0=90，此时，流过故障点两侧线路保护的电流 和 将超前 90。 计及回路电阻 设零序阻抗角k0=80，此时，流过故障 点两侧线路保护的电流 和 将 超前 100。,零序电流的特点-零序电流的分布，主要决定于送电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。 零序电流的正方向-零序电流是由零序电压 产生的，由故障点经由线

19、路流向大地。零序电流的正方向，规定由母线流向线路为正。 3 零序功率及电压、电流相位关系 零序功率方向-对于发生故障的线路，两端零序功率的方向与正序功率的方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。,从任一保护安装处的零序电压和电流之间的关系看，例如保护1，由于A母线上的零序电压实际是从该点到零序网络中性点之间零序阻抗上的电压降，因此可表示为： ZT1.0-变压器T1的零序阻抗。该处零序电流和零序电压之间的相位差也将由其阻抗角决定，而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。 用零序电流和零序电压的幅值以及它们的相位关系即可实现接地短路的零序电流和方向保护。,2.3.2 零序电压、电流滤

20、过器 1 零序电压滤过器 （1）为了取得零序电压，通常采用如图2-39a所示的三相式电压互感器或图2-39b所示的三相五柱式电压互感器。 一次绕组接成星形 并将中性点接地。 二次绕组接成开口 三角形，从m，n端 子得到输出电压为： （2）当发电机的中性点经电压互感器 或消弧线圈接地时，如图2-39c所示， 从它的二次绕组中也能够取得零序电 压。,（3）在集成电路保护和数字保护中，由电压形成回路取得三个相电压后，利用加法器将三个相电压相加，如图2-39d所示。 2 零序电流过滤器 为了取得零序电流，通常采用三相电流 互感器按图2-40a接线，此时流入继电器回 路中的电流为： 零序电流过滤器也会产

21、生不平衡电流， 右图所示为一电流互感器的等效回路， 考虑励磁电流的影响后，二次电流和一次 电流的关系应为：,因此，零序电流过滤器的等效回路即可用2-40b来表示，此 时流入继电器的电流为： 在正常运行和一切不伴随有接地的相间短路时： 即零序电流过滤器的不平衡电流为： 不平衡电流产生原因如下： 当发生相间短路时，电流互感器一次侧流过的电流最大并且 包含非周期分量，因此不平衡电流也达到最大值，以 表示。,铁心的磁化曲线不完全相同以及制造过程中的某些差别,三个互感器励磁电流不相等,产生Iunb,对于采用电缆引出的送电线路，还广泛地采用了零序电流 互感器的接线以获得3I0，如图2-42所示。 此电流互

22、感器就套在电缆的外面，从其 铁芯中穿过的电缆就是其一次绕组，这 个互感器的一次电流就是： 只 当一次侧有零序电流时，在互感器的二 次侧才有相应的3I0输出，故称它为零序 电流互感器。 采用零序电流互感器的优点：和零序电流过滤器相比，主要的是没有不平衡电流，同时接线也更简单。,2.3.3 零序电流段（速断）保护 1.引入可靠系数 ， 即为： 2.引入可靠系数 ， 即为： 如果保护装置的动作时间大于断路器三相不同期合闸的时间，则可以不考虑原则2。 灵敏段：按原则1或2整定，整定值选两者较大者。它的定值较小，保护范围较大，主要任务是对全相运行状态下的接地故障起保护作用。而当单相重合闸起动时，为防止误

23、动，则将其自动闭锁，待恢复全相运行时才重新投入。,整定原则,1.躲开下级线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流,2.躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流,3.当线路上采用单相自动重合闸时，按能躲开在非全相运行状态下又发生系统振荡时，所出现的最大零序电流整定,灵敏段,不灵敏段,不灵敏段：按原则3整定，用于在单相重合闸过程中，其它两相又发生接地故障的保护。当然，不灵敏 段也能反应全相运行状态下的接地故障，只是其保护范围较灵敏 段小。,2.3.4 零序电流段保护 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，零序等效网络和零序电流的变化曲线如下所示：,零序段的起动电

24、流,与下一条线路的零序电流速断保护范围的末端相配合,带有高出一个t的时限，以保证动作的选择性,线路B-C上发生接地短路时，流过保护1和2的零序电流分别为Ik0.BC和Ik0.AB，两者之差就是从变压器T2中性点流回的电流。引入零序电流的分支系数K0.b之后，则零序 段起动电流应整定为：,零序段的灵敏系数：应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验，并应满足ksen1.5的要求。,不能满足对灵敏系数的要求时的解决方法,方法1-与下级线路的零序段保护配合,方法2-用两个灵敏度不同的零序 段,方法3-改用接地距离保护,一、保留0.5s的零序 段，快速切除正常运行方式和最大运行方式下线路上所发生的

25、接地故障；,二、同时再增加一个与下级线路零序 段配合的段保护，它能保证在各种运行方式下线路上所发生短路时，保护装置具有足够的灵敏系数。,2.3.5 零序电流段保护 起动电流及灵敏系数 起动电流的整定： 原则1：按照躲开在下级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，引入可靠系数 ，即为： 原则2：按逐级配合的原则来考虑。即本保护零序 段的保护范围，不能超出相邻线路的零序 段的保护范围。当两个保护间具有分支电路时，参照上一小节分析，保护装置的起动电流应整定为： 灵敏系数：当作为相邻元件的 后备保护时，应按照相邻元件末端接地短路时，流过本保护 的最小零序电流来校验。（考虑分支电路使电流减小

26、的影响）,-可靠系数，一般取为1.11.2； -在相邻线路的零序 段保护范围末端发生接地短路时，故障线路中零序电流与流过本保护装置中零序电流之比。,动作时限 零序过电流保护的时限特性如下所示： 相间保护：上图绘出了相间短路过电流保护的动作时限，它是从保护1开始逐级配合的。 零序保护： 同一线路上零序过电流保护与相间短路的过电流保护相比， 具有较小的时限。,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,无需和保护13配合,保护4可瞬时动作,保护 5比保护4高一个t,保护6比保护5高一个t,2.3.6 方向性零序电流保护 1 方向性零序电流保护原理 网络接线如下所示： k1短路： 此时零序

27、网络如右：,k1短路,保护1和2应动作切除故障,保护3可能误动,按选择性要求,零序电流 流过保护3,1 2 3,k2短路,保护3应动作切除故障,保护2可能误动,按选择性要求,零序电流 流过保护2,k2短路 此时零序网络如下： 必须在零序电流保护中增加功率方向元件，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。,1 2 3,2 零序功率方向元件 零序功率方向元件接入零序电压3U0和零序电流3I0，反应于零序功率的方向而动作，其工作原理与实现方法同前述的功率方向元件。 注意：当保护范围内部故障时，按规定的电流、电压正方向看，3I0超前于3U0为9511

28、0（对应保护安装地点背后零序阻抗角为8570的情况）， =-95-110，继电器此时应正确动作，并应工作在最灵敏的条件之下。 实际中：接线方式 ； 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，因此零序方向元件没有电压死区。相反，当故障点距保护安装地点越远时，由于保护安装处的零序电压较低，零序电流较小，必须校验方向元件的灵敏系数。,2.3.7 对零序电流保护的评价 零序电流保护简单、经济、可靠，作为辅助保护和后备保护获得了广泛应用，具有独特的优点，如： （1）零序过电流保护的灵敏度较相间保护高；零序过电流保护的动作时限较相间保护短。 （2）零序电流保护受系统运行方式变化的影响小；零

29、序段的保护范围较大，也较稳定，零序段的灵敏系数也易于满足要求。 （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。,零序电流保护 的不足,保护往往不能满足系统运行要求,重合闸动作的过程中将出现非全相运行状态,系统两侧的发电机发生摇摆,影响保护正确工作,从整定计算上予以考虑或在单相重合闸过程中使之短时退出运行,任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流,零序保护的整定配合复杂化,增大零序段保护的动作时间,对于运行方式变化很大或接地点变化很大的网络,可能出现较大零序电流,解决方法,当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时,将导致,