Transcript 电力系统继电保护
第 二 章 电流保护和方向性电流保护 主讲人：肖仕武 电力工程系四方研究所 Office: 教五B309 North China Electric Power University 第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护 一、电磁型、晶体管型电流继电器 1．电磁型过电流继电器 工作特性： 过电流继 电器符号 （a）动作特性：I J I dz. J ，过电流继电器动作（触点闭合） （b）返回特性：I J I h. J ，过电流继电器返回（触点打开） 动作电流 I dz. J : 使继电器动作的最小电流 返回电流 I h. J : 使继电器恢复原位的最大电流 返回系数 K h I h. J 1 I dz. J 继电器的工作特性曲线 返回系数： I h. J Kh 1 I dz. J “继电特性”：继电器的动作是明确的，例如触点只 能处于闭合和断开位置。无论起动和返回，继电 器不可能停留在某一个中间位置。 电磁型电流继电器工作原理 电磁转矩：M dc K1 2 K 2 I J2 2 弹簧反抗力矩：M th M th.1 K3 (1 ) 动作： M M M 所以：I h. J I dz. J dc th m 返回： M dc M th M m 另外一种电磁型过电流继电器 动作： I I ，触点闭合 J dz. J 返回： I I ，触点打开 J h. J 返回系数： K h I h. J 1 I dz. J 2、晶体管型过电流继电器 触发特性曲线图 硬件原理图 特点： （1）由二极管、三极管等晶体管元件构成； （2）仍具有电磁型继电器的“继电特性”，并满 I h. J 足 。 I dz. J 其它几种常见的继电器 1、时间继电器 作用是建立必要的延时，以保证保护动作的选择性和某种逻 辑关系。 ①延时动作。线圈通电后主触点经过一段延时后闭合。 ②瞬时返回。对正在动作的继电器，一旦线圈所加电压消 失，则迅速返回原始状态。 2、中间继电器 起中间桥梁作用 ①触点容量大，可直接用作于跳闸。 ②触点数目多 3、信号继电器 作为装置动作的信号指示，标示所处的状态，或 接通灯光信号（音响）回路。信号继电器的触点 自保持，由值班人员手动复归或电动复归。 二、三段式电流保护 包括： 1、电流速断保护（电流Ⅰ段）； 2、限时电流速断保护（电流Ⅱ段）； 3、定时限过电流保护（电流Ⅲ段）。 1. 电流速断保护（电流Ⅰ段） 定义：仅反映电流增大而瞬时动作的保护。 特点：在保证选择性的前提下，动作（跳闸）速度 越快越好。 为提高系统运行的稳定性，保证向重要用户的可靠供 电，防止短路电流损坏故障设备，要求各种电气设备 必须配备电流速断保护，以快速切除故障。 电流速断保护（电流Ⅰ段）的单相原理接线图 电流速断保护中的过电流继电器I1反映一次线路侧电流I增 大而动作，跳开断路器QF。 （1）电流速断保护（电流Ⅰ段）的动作原理 从电流Ⅰ段保护的单相接线图可见， 决定保护动作的关键因素是过电流 继电器I1，过电流继电器I1触点闭合 则断路器跳闸线圈TQ通过电流，断 路器QF断开。 过电流继电器I1的动作电流 I dz. J 就是电流速断保护（电流Ⅰ 段）的起动电流值。 过电流继电器I1的动作电流如何整定（计算）？ 必须根据所保护范围内的短路故障电流来整定，即保证其保 护范围内所有地点发生短路，其都可以动作。 线路相间短路电流计算 a 三相短路电流计算 Id(3) E ZS Zd E - 系统等效电源的相电势 Z d - 短路点至保护安装处的阻抗 Z S －保护安装处到系统等效电源之间的系统阻抗 线路相间短路电流计算 b 两相相间短路电流计算 I ( 2) d 3 E 3 ( 3) Id 2 ZS Zd 2 相同地点发生两相相间短路是三相短路电流的 3 2 倍。 希望电流速断保护2的保护范围包括线路AB的整个范围。 但是当线路AB段的末端d1点短路时的短路电流 I d .d 1 ， 和线路BC段的首端d2点（BC线路出口处）短路时的短路 电流 I d .d 2 基本是相等的。因为 Z L.d 1 d 2 非常小。 为了满足选择性，电流速断保护2的保护范围不能包括线 路AB全长，只能保护本线路AB首端一部分。 （2）电流速断保护（电流Ⅰ段）的整定原则 对上图中的电流 速断保护2进行整 定计算。 ① 起动电流整定值 躲开本线路AB段末端（或相邻下一线路出口处）B处最大短路 电流。即大于本线路末端（即母线B处） 的最大短路电流。 .2 K k I d .B.max I dz ，K k 是电流Ⅰ段的可靠系数，取1.2~1.3 所以电流Ⅰ段只能保护本线路首端一部分。 ② 动作时限整定值 t2＝0秒 电流速断保护（电流Ⅰ段）的起动（动作）电流整定值 以电流速断 保护2为例。 .2 K k I d .B.max I dz , I d .B.max 是本线路末端B处最大短路电流。 产生本线路末端B处最大短路电流的条件： ① 系统处于最大运行方式 系统的最大运行方式：流过该保护装置的短路电流最大. 系统阻抗 Z S 最小。 系统的最小运行方式：流过该保护装置的短路电流最小. 系统阻抗 Z S 最大。 ② 短路形式是三相短路 同一地点的三相短路电流大于 两相短路电流 I ( 2 ) 3 I ( 3) d 2 d 电流速断保护（电流Ⅰ段）的保护范围 Id(3) I ( 2) d E ZS Zd 3 ( 3) Id 2 1、最大保护范围lmax%出现在系统最大运行方式下发生三相短路； 2、最小保护范围lmin%出现在系统最小运行方式下发生两相短路。 （3） 原理接线图 电流速断保护的单相原理接线图 （4）电流速断保护的优缺点 优点: 简单可靠,动作迅速 缺点: （1）不能保护本线路全长。 （2）保护范围受影响： （a）系统运行方式； （b）故障类型。 在运行方式变化较大、短线路的情况下可能失去保护范围。 特例：当线路与变压器组相连接时，电流速断保护可以 保护线路的全长，并能够保护变压器的一部分 2、限时电流速断保护（电流Ⅱ段） 定义：能够以较小的时限切除全线路范围以内的故障。 特点： · 保护线路的全长； · 具有较小的动作时限。 （1）工作原理 以限时电流速断保护2为例。 由于要求保护本线路全长，则保护范围必然延伸到下一线路出口。 为了保证选择性，需带时限。比下一线路电流速断保护高t。 （2）限时电流速断保护（电流Ⅱ段）的整定原则 ① 起动电流整定值 限时电流速断保护2的保护范围不应超过保护1的Ⅰ段保护范围 .2 K k I dz .1 （ 电流Ⅱ段可靠系数K k″＝1.1～1.2 ） I dz ② 动作时限 t2 t1 t （ △t＝0.5s ） t2 0.5秒 时限特性（d2故障虽保护2限时电流速断起动但不动作） 灵敏度校验 保护范围末端金属性短路时的最小电流 I d .B.min K lm ＝ .2 保护的起动电流整定值 I dz Klm 1.3 ~ 1.5 按照最小运行方式、末端两相相间短路时的短路电流进行校验。 若不满足,考虑与保护1的限时电流速断（电流Ⅱ段）配合。 限时电流速断保护（电流Ⅱ段）的动作特性和时限特性 （3）原理接线图 限时电流速断保护的单相原理接线图 （4）电流Ⅱ段保护优缺点： 优点：灵敏度好，能保护线路全长。 缺点： 带 0.5 秒左右的延时，速动性较差； 不能做下一段线路的远后备, 加装定时限过电流保护。 电流Ⅰ、Ⅱ段联合工作就可以保证全线路的故障 在0.5秒内予以切除，一般情况下能够满足速动性 的要求，可以作为“主保护”。 3.定时限过电流保护 定义：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。其起动电流是按照躲开最大负荷电流来整定的。 特点： （1）保护范围不仅包括本线路全长，也包括相邻下一线路全 长，甚至更远。 （2）为了保证选择性，动作时限一般较长。是一种后备保护。 （1）定时限过电流保护的整定计算原则 ① 起动电流整定值 起动电流整定值应满足： · 大于最大负荷电流：I f . max · 外部故障切除后保护装置能够可靠返回，即返回电流 要满足 I h I zq. max B A 1 5 2 3 M d C 4 M 以定时限过电流保护1为例。要求 .1 I f .max （a）起动电流要躲开最大负荷电流 I dz （b）在外部故障切除后，电动机M发生自起动时仍然能够 返回，即 I h.1 I zq. max 所以， I h I zq.max K zq I f .max I h K k''' K zq I f .max 起动电流：I ''' dz.1 Ih Kh K k''' K zq I f .max Kh K k''' －可靠系数，1.15 ～1.25 K h －返回系数，0.85 K zq －自起动系数，与负荷性质与接线有关，大于1 ② 动作时限 ，与相邻下一线路的电流Ⅲ段动作时限相配合。 阶梯型的时限特性：tn tn1 t ，一般 t 0.5秒 定时限过电流保护的动作时限 1、 处于电网终端的保护装置，其过电流保护的动作时限为 零。这种情况下过电流保护可作为主保护兼后备保护，不 需装设电流速断保护和限时电流速断保护。 保护3：设定时限过电流保护（电流Ⅲ段），无延时动作。 保护2：设电流速断（电流Ⅰ段）和过电流保护（电流Ⅲ段）。 保护1：按一般原则装设三段式电流保护。 2、 应与相邻多条线路中的最大动作时限配合。 （2）灵敏度校验 最小运行方式，本线路（相邻线路）末端相间短路。 近后备：作为本线路AB段的后备。 K lm I d .B.min I dz.1 1.3 ~ 1.5 远后备：作为相邻下一线路BC段的后备。 K lm I d .C .min I dz.1 1.2 灵敏度应相互配合：越靠近故障点保护灵敏度应越高 （3）原理接线 同限时电流速断保护，时间继电器的时间整定值不同 （4）评价 简单可靠。但越靠近电源端，保护的动作时限越长 定时限过电流保护：动作时限与短路电流的大小无关, 动作时限是人为事先整定的。 定时限过电流保护（电流Ⅲ段）由于时限的配合原因， 造成故障靠电源越近，短路电流越大，过电流保护切除故 障的时间越长，这是其缺陷。 反时限电流保护：也是一种过电流后备保护，其动作 时间是电流的函数。电流小时，动作时间长；电流大时， 动作时间短。 Ⅰ 是瞬时动作电流； op I I op 是起动电流； t b 是瞬时动作触点闭合时间。 4.阶段式电流保护 每一线路装设有三段式继电保护，Ⅰ段、Ⅱ段、Ⅲ段之间， 并与相邻线路三段式继电保护共同构成了较完善的保护系统。 三、电流保护的接线方式 接线方式：电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。 主要有2种接线方式： （a）三相星形接线方式； （b）两相星形接线方式。 （a）三相星形接线方式； ① 每相上均装有CT和LJ、Y形接线 ② LJ的触点并联（或） （b）两相星形接线方式 ① 一相上不装设CT和LJ、Y形接线 ② LJ的触点并联（或）（接A、C相） 1.三相星形接线和两相星形接线的性能比较 （1）相间短路 中性点直接接地电网和非直接接地电网，都能够正确动作， 但动作的继电器数目不同。 （2）中性点直接接地电网单相接地短路 两相星形接线不能反应中性点直接接地电网的B相接地短路。 中性点直接接地电网 中发生单相接地故障， 接地相故障电流很大。 中性点非直接（不） 接地电网中发生单相接 地故障，接地相故障电 流很小。 （3）中性点非直接接地电网（异相）两点接地短路 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，希望只切除一个故障点。 串 联 线 路 辐 射 线 路 性 能 比 较 （4）Y/d接线变压器后面（d侧）的两相短路 Ia IAY IBY ICY IA I B IC 0 IA△ IB△ I I I A a b ， I B Ib Ic I I I △ c a C IC ＝0 设Y / 两侧绕组的匝数比为 K (1,1) Ia n Y IA 1 Y 1 Y 1 Y 有，I A I a，I B I b，I C I c n n n Ia Ic IA△ / 3 △ I b 2 IA / 3 Y Ia 1 △ IA I A n 3 n I Y I Y A C IB Y 2 IAY I AY I CY , I BY 2 I AY 当过电流保护接于降压变压器的高压侧作为低压侧线路的 后备时，三相星形接线可使灵敏系数增大一倍；两相星形 接线的灵敏系数只能由A,C 相决定，较三相星形接线灵敏 系数降低一半。 措施：在中线上接入一个继电器，以提高灵敏系数。 （5）评价及应用 三相星形接线： 广泛应用于发电机、变压器等大型贵重设备的保护 中，因为它能提高保护动作的可靠性和灵敏性。 还应用于中性点直接接地电网中，作为相间短路和 单相接地短路的保护。 两相星形接线： 由于两相星形接线较为简单经济，因此在中性点非 直接接地配电网中（辐射线路较普遍）广泛使用。 ※ 两相星形接线时，应在所有的线路上将保护装置 安装在相同的两相上（一般都装于A、C相上），以保证 在不同的线路上发生两点及多点接地时，能切除故障。 三段式电流 保护接线图 举例 LH a 1LJ LH c 2LJ 5LJ 6LJ 9LJ 10LJ 11LJ （a）交流回路展开图 1LJ 2LJ 5LJ 6LJ 9LJ 10LJ 11LJ 3ZJ 4XJ 7SJ 8XJ LP LP 12SJ 13XJ LP 3ZJ 电流速断 保护 限时电流 速断保护 7SJ 12SJ 过电流 保护 TQ DL (b) 直流回路展开图 跳闸及 信号回路 五.三段式电流保护的评价及应用 选择性：通过动作电流、动作时间来保证选择性。 单电源辐射网络上可保证获得选择性； 多电源网络上在某些特殊情况下才获得选择性。 速动性：无时限速断和带时限速断保护动作是迅速的； 过电流保护则常常不能满足速动性的要求。 灵敏性：运行方式变化较大时，速断保护往往不能满足要求。 被保护线路很短时，无限时电流速断保护常为零。 长距离重负荷线路过电流保护的灵敏度常常也很小。 灵敏度差是电流电压保护的主要缺点。 可靠性：继电器简单、数量少，整定计算和校验容易。 可靠性好是它的主要优点。 应用：主要用在35kv及以下的单电源辐射网上。