1、 電力系統繼電保護第 一章 緒 論一 , 電力系統的正常工作狀態, 不正常工作狀態和故障狀態電力系統在運行中可能發生各種故障和不正常運行狀態,最常見同時也是最危險的故障是各種類型的短路 .發生短路時可能產生以下后果:1) 通過故障點的短路電流和所燃起的電弧使故障設備或線路損壞.2) 短路電流通過非故障設備時, 由于發熱和電動力的作用 , 引起電氣設備損傷或損壞, 導致使用壽命大大縮減.3) 電力系統中部分地區的電壓大大降低, 破壞用戶工作的穩定性或影響產品的質量.4) 破壞電力系統并列運行的穩定性, 引起系統振蕩, 甚至導致整個系統瓦解 .繼電保護裝置的基本任務是:1) 自動地 ,迅速地和有選

2、擇地將故障元件從電力系統中切除,使故障元件免于繼續遭到破壞,保證其他無故障部分迅速恢復正常運行 .2) 反應電氣元件的不正常運行狀態,并根據運行維護的條件( 如有無經常值班人員 )而動作于信號的裝置.二 , 繼電保護的基本原理及其組成1, 繼電保護的基本原理電力系統發生故障后, 工頻電氣量變化的主要特征是:1) 電流增大 . 短路時故障點與電源之間的電氣設備和輸電線路上的電流將由負荷電流增大至大大超過負荷電流 .2) 電壓降低 . 當發生相間短路和接地短路故障時,系統各點的相間電壓或相電壓值下降,且越靠近短路點 , 電壓越低 .3) 電流與電壓之間的相位角改變. 正常運行時電流與電壓間的相位角

3、是負荷的功率因數角,一般約為20 ;三相短路時，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定，一般為60。85 ;而在保護反方向三相短路時，電流與電壓之間的限額將則是180 +(6085 ).4) 不對稱短路時, 出現相序分量, 如單相接地短路及兩相接地短路時, 出現負序和零序電流和電壓分量 . 這些分量在正 常運行時是不出現的 .利用短路故障時電氣量的變化 , 便可構成各種原理的繼電保護. 例如 , 據短路故障時電流的增大, 可構成 過電流保護 ; 據短路故障時電壓的降低 ,可構成 電壓保護 ; 據短路故障時電流與電壓之間相角的變化 ,可構成功率方向保護; 據電壓 與電流比值的變化 ,可構成

4、距離保護 ; 據故障時被保護元件兩端電流相位和大小的變化 , 可構成 差動保護 ; 據不對稱短路故障時出現的電流 , 電壓相序分量 , 可構成零序電流保護, 負序電流保護和負序功率方向保護等.2, 繼電保護的組成及分類模擬型繼電保護裝置的種類很多 ,它們都由測量回路 ,邏輯回路和執行回路 三個主要部分組成.3, 對繼電保護裝置的基本要求(l) , 選擇性選擇性就是指當電力系統中的設備或線路發生短路時, 其繼電保護僅將故障的設備或線路從電力系統中切除 , 當故障設 備或線路的保護或斷路器拒絕動作時, 應由相鄰設備或線路的保護將故障切除.(2), 速動性速動性就是指繼電保護裝置應能盡快地切除故障.

5、 對于反應短路故障的繼電保護, 要求快速動作的主要理由和必要性在于1 ) 快速切除故障可以提高電力系統并列運行的穩定性.2 ) 快速切除故障可以減少發電廠廠用電及用戶電壓降低的時間 , 加速恢復正常運行的過程 . 保證廠用電及 用戶工作的穩定性.3 ) 快速切除故障可以減輕電氣設備和線路的損壞程度 .4 ) 快速切除故障可以防止故障的擴大, 提高自動重合問和備用電源或設備自動投人的成功率 .對于反應不正常運行情況的繼電保護裝置 , 一般不要求快速動作, 而應按照選擇性的條件, 帶延時地發出信號3 , 靈敏性靈敏性是指電氣設備或線路在被保護范圍內發生短路故障或不正常運行情況時,保護裝置的反應能力

6、 .所謂系統 最大運行方式, 就是在被保護線路末端短路時, 系統等效阻抗最小 , 通過保護裝置的短路電流為最大的運行 方式 ; 系統 最小運行方式, 就是在同樣的短路故障情況下, 系統等效阻抗為最大 , 通過保護裝置的短路電流為最小的運行方式 .保護裝置的靈敏性用靈敏系數來衡量.靈敏系數表示式為 :l ) 對于反應故障參數量增加 ( 如過電流 ) 的保護裝置:保護區末端金屬性短路時故障參數的最小計算值2 ) 對于反應故障參數量降低 ( 如低電壓 ) 的保護裝置:保護區末端金屬性短路時故障參數的最小計算值4, 可靠性可靠性是指在保護范圍內發生了故障該保護應動作時, 不應由于它本身的缺陷而拒動作;

7、 而在不屬于它動作的任何情況下,則應可靠地不動作 .以上四個基本要求是設計, 配置和維護繼電器保護的依據, 又是分析評價繼電保護的基礎. 這四個基本要求之間,是相 互聯系的 ,但往往又存在著矛盾. 因此 ,在實際工作中,要根據電網的結構和用戶的性質 ,辯證地進行統一 . 第二章 , 電網的電流保護 一 , 單側電源網絡相間短路的電流保護 輸電線路發生相間短路時, 電流會突然增大, 故障相間的電壓會降低. 利用電流會這一特征, 就可以構成電流保護 .電流保護裝置的中心環節是反應于電流增大而動作的電流繼電器.電流繼電器是反應于一個電器量而電阻的簡單繼電器的典型.1, 繼電器(1) 電磁型繼電器電磁

8、繼電器的基本結構形式有螺管線圈式, 吸引銜鐵式和轉動舌片式三種 , 如圖 2.1 所示 . 電流繼電器在電流保護中用作測量和起動元件, 它是反應電流超過一整定值而動作的繼電器 . 電磁繼電器是利用電磁原理工作的 , 以吸引 銜鐵式繼電器例進行分析, 在線圈 1 中通以電流 , 則產生與其成正比的磁通, 通過由鐵心 , 空氣隙和可動舌片而成的磁路, 使舌片磁化于鐵心的磁極產生電磁吸力 , 其大小于 成正比 , 這樣由電磁吸引力作用到舌片上的電磁轉距可表示為( 2.1 ) 式中 比例常數 ; 電磁鐵與可動鐵心之間的氣隙.( a ) 螺管線圈式; (b) 吸引銜鐵式; (c) 轉動舌片式圖 2.1

9、電磁型繼電器的結構原理 1 線圈 ; 2 可動銜鐵 ; 3 電磁鐵 ; 4 止擋 ; 5 接點 ; 6 反作用彈簧 正常工作情況下, 線圈中流入負荷電流, 繼電器不工作, 這是由于彈簧對應于空氣隙產生一個初始力矩 . 由于彈簧的張力與伸長量成正比, 因此 , 當空氣長度由 減小到 時,彈簧產生的反作用力矩為式中 比例常數 .另外 , 在可動舌片轉動的過程中 , 還必須克服摩擦力力矩. 因此1 ) 繼電器動作的條件. 為使繼電器動作, 必須增大電流 , 通過增大電流來增大電磁電磁轉矩 , 使其滿足關系式:2 ) 動作電流 . 能夠滿足上述條件,使繼電器動作的最小電流值稱為繼電器的動作電流(起動電

10、流 ), 記作 .3 ) 繼電器的返回條件. 繼電器動作后, 當 減小時 , 繼電器在彈簧的作用下將返回 . 為使繼電器返回, 彈簧的作用力矩 必須大于電磁力矩及摩擦力矩 之和 , 即或4 ) 返回電流 . 滿足上述條件,使繼電器返回原位的最大值電流稱為繼電器的返回電流,記為 ,5 ) 返回系數 . 返回電流和起動電流的比值成為繼電器的返回系數 , 可表示為6 )動作電流的調整方法:改善繼電器線圈的匝數;改變彈簧的張力 ;改變初始空氣隙的長度.7 ) 剩余力矩 . 在繼電器的動作過程和返回過程中,隨著氣隙 的變化 ,都將出現一個剩余力矩 ,從而使繼電器的動作過程和返回過程都雪崩式的進行,繼電器

11、要么動作, 要么返回 ,它不可能停留在某一個中間狀態,具有明顯的 繼電特性 . 同時 , 該力矩還有利于繼電器的觸點可靠的接觸與斷開.2, 幾個基本概念1 ) 系統最大運行方式在被保護線末端發生短路時,系統等值阻抗最小,而通過保護裝置的短路電流為最大的運行方式.2 ) 最小運行方式在同樣短路條件下,系統等值阻抗最大,而通過保護裝置的電流為最小的運行方式.系統等值阻抗的大小與投入運行的電氣設備及線路的多少等有關.3 ) 最小短路電流與最大短路電流在最大運行方式下三相短路時通過保護裝置的電流為最大, 稱之為最大短路電流. 而在最小運行方式下兩相短路時 , 通過保護裝置的短路電流為最小 , 稱之為最

12、小短路電流.4 ) 保護裝置的起動值對因電流升高而動作的電流保護來講 ,使起動保護裝置的最小電流值稱為保護裝置的起動電流,記作. 保護裝置的起動值是用電力系統的一次側參數表示的 , 當一次側的短路電流達到這個數值時, 安裝在該處的這套保護裝置就能夠起動.5 ) 保護裝置的整定所謂整定就是根據對繼電保護的基本要求,確定保護裝置的起動值( 一般情況下是指電力系統一次側的參數), 靈敏性 ,動作時限等過程.3, 無時限電流速斷保護根據對保護速動性的要求, 在滿足可靠性和保護選擇性的前提下, 保護裝置的動作時間 , 原則上總是越快越好因此 , 各種電氣元件應力求裝設快速動作的繼電保護. 僅反應電流增大

13、而能瞬時動作切除故障的保護 , 稱為電流速斷保護, 也稱為無時限流速斷保護.(1), 工作原理無時限速斷保護是為了保證其動作的選擇性, 一般情況下速斷保護只保護被保護線路的一部分,具體工作原來如圖 2.6 所示 .對于單側電源供電線路,在每回電源側均裝有電流速斷保護.在輸電線上發生短路時,流過保護安裝地點的短路電流可用下式計算( 2.4 )圖 2.06 電流速斷保護的動作特性分析i一最大運行方式下三相短路電流；n 最小運行方式下兩相短路電流由式 ( 2.4 )和( 2.5 )可看出 ,流過保護安裝地點的短路電流值隨短路點的位置而變化 ,且與系統的運行方式和短路類型有關.和 與 的關系如圖2.6

14、中的曲線i和ii所示.從圖可看出，短路點距保護安裝點愈遠， 流過保護安裝地點的短路電流愈小 .(2), 整定計算1 ) 動作電流為了保證選擇性, 保護裝置的起動電流應按躲開下一條線路出口處( 如 點即 b 變電所短路時, 通過保護的最大保護電流( 最大運行下的三相短路電流) 來整定 . 即可靠系數對保護 1 ( 2.6 )把起動電流標于圖 2.6 中,可見在交點m 與保護 2 安裝處的一段線路上短路對 2 能夠動作 .在交點 m以后的線路上的短路時,保護 2 不動作 . 因此,一般情況下, 電流速斷保護只能保護本條線路的一部分 ,而不能保護全線路 .2 ) 保護范圍( 靈敏度) 計算 ( 校驗

15、 )規程規定 ,在最小運行方式下, 速斷保護范圍的相對值 為 15%20%,即式中 最小保護范圍 ;當系統為最大運行方式時, 三相短路時保護范圍最大; 當系統為最小運行方式時, 兩相短路時保護范圍最小.求保護范圍時考慮后者 . 由圖 2.6 可知( 2.7 )其中 , 代入式 ( 2.7 ) 整理得( 2.8 )3 3) 動作時限無時限電流速斷保護沒有人為延時, 只考慮繼電保護固有動作時間 . 考慮到線路中管型避雷器放電時間為 0.040.06s,在避雷器放電時速斷保護不應該動作 ,為此在速斷保護裝置中加裝一個保護出口中間繼電器,一方面擴大接點的容量和數量, 另一方面躲過管型避雷器的放電時間

16、, 防止誤動作 . 由于動作時間較小, 可認為 t=0 .( 4 ) 電流速斷保護的接線圖1 ) 單相原理接線圖電流繼電器接于電流互感器ta 的二次側 , 它動作后起動中間繼電器, 其觸點閉合后, 經信號繼電器發出信號和接通斷路器跳閘線圈 .(5), 對電流速斷保護的評價優點 : 簡單可靠 , 動作迅速 .缺點 : 不能保護線路全長 .運行方式變化較大時,可能無保護范圍 .如圖 2.9 所示 ,在最大運行方式整定后, 在最小運行方式下無保護范圍 . 在線 路較短時 ,可能無保護范圍 .4, 限時電流速斷保護由于電流速斷保護不能保護本線路的全長,因此必須增設一套新的保護,用來切除本線路 電流速斷

17、保護范圍以外的故障, 作為無時限速斷保護的后備保護, 這就是限時電流速斷保護.( 1 ) 對限時電流速斷保護的要求增設限時電流速斷保護的主要目的是為了保護線路全長 , 對它的要求是在任何情況下都能保護線路全長并具有足夠的靈敏性, 在滿足這個全體下具有較小的動作時限.( 2 )工作原理1 ) 為了保護本線路全長 , 限時電流速斷保護的保護范圍必須延伸到下一條線線路去, 這樣當下一條線路出口短路時 , 它就能切除故障.2 ) 為了保證選擇性,必須使限時電流速斷保護的動作帶有一定的時限.3 ) 為了保證速動性, 時限盡量縮短. 時限的大小與延伸的范圍有關,為使時限較小,使限時電流速斷的保護范圍不超出

18、下一條線路無時限電流速斷保護的范圍 . 因而動作時限 比下一條線路的速斷保護時限高出一個時間階段.( 3 )整定計算1 ) 動作電流動作電流 按躲開下一條線路無時限電流速斷保護的電流進行整定( 2.9 )2 ) 動作時限 . 為了保證選擇性, 時限速斷電流保護比下一條線路無時限電流速斷保護的動作時限高出一個時間階段 , 即( 2.10 )當線路上裝設了電流速斷和限時電流速斷保護以后,它們聯合工作就可以0.5s 內切除全線路范圍的故障,且能滿足速動性的要求,無時限電流速斷和限時速斷構成線路的主保護 .3 ) 靈敏度校驗. 保護裝置的靈敏度( 靈敏性 ), 是只在它的保護范圍內發生故障和不正常運行

19、狀態時, 保護裝置的反應能力 . 靈敏度的高低用靈敏系數來衡量, 限時電流速斷保護靈敏度為( 2.11 )式中 被保護線路末端兩相短路時流過限時電流速斷保護的最小短路電流;當 時,保護在故障時可能不動 ,就不能保護線路全長 ,故應采取以下措施:為了滿足靈敏性,就要降低該保護的起動電流, 進一步延伸限時電流一條線路限時電流速斷保護的保護范圍 ).為了滿足保護選擇性,動作限時應比下一條線路的限時電流速斷的時限高一個,即速斷保護的保護范圍 , 使之與下一條線路的限時電流速斷相配合 ( 但不超過下( 4 ) 限時電流速斷保護的接線圖1 ) 單相原理接線 如圖 2.11 所示 ,( 5 )對限時電流速斷

20、保護的評價限時電流速斷保護結構簡單,動作可靠,能保護本條線路全長,但不能作為相鄰元件(下一條線路 ) 的后備保護( 有時只能對相鄰元件的一部分起后備保護作用 ). 因此 , 必須尋求新的保護形式.5, 定時限過電流保護( 1 ) 工作原理過電流保護通常是指其動作電流按躲過最大負荷電流來整定 ,而時限按階梯性原則來整定的一種電流保護.在系統正常運行時它不起動, 而在電網發生故障時, 則能反應電流的增大而動作 ,它不僅能保護本線路的全長而且也能保護下一條線路的全長.作為本線路主保護拒動的近后備保護,也作為下一條線路保護和斷路器拒動的遠后備保護. 如圖 2.13 所示 ,( 2 )整定計算1 ) 動

21、作電流 . 按躲過被保護線路的最大負荷電流, 且在自起動電流下繼電器能可靠返回進行整定( 2.12 )2 ) 靈敏系數校驗. 要求對本線路及下一條線路或設備相間故障都有反應能力 ,反應能力用靈敏系數衡量. 本線路后備保護(近后備 )的靈敏系數有關規程中規定為( 2.13 )作為下一條線路后備保護的靈敏系數(遠后備 ), 規程中規定 ( 2.14 )當靈敏度不滿足要求時,可以采用電壓閉鎖的過流保護,這時過流保護自起動系數可以取13 )時間整定.由于電流hi段的動作保護的范圍很大，為保證保護動作的選擇性，其保護延時應比下一條線路的電流w段的電阻時間長一個時限階段為( 2.15 )( 3 )靈敏系數

22、和動作時限的配合過電流保護是一種常用的后備保護, 實際中使用非常廣泛. 但是 ,由于過電流保護僅是依靠選擇動作時限來保證選擇性的 , 因此在負責電網的后備保護之間 , 除要求各后備保護動作時限相互配合外, 還必須進行靈敏系數的配合 ( 即對同一故障點而言越靠近故障點的保護應具有越高的靈敏系數).( 4 )對定時限過電流的評價定時限過電流結構簡單,工作可靠 ,對單側電源的放射型電網能保證有選擇性的動作 .不僅能作本線路的近后備 ( 有時作主保護), 而且能作為下一條線路的遠后備 . 在放射型電網中獲得廣泛的應用 , 一般在 35kv 及以下網絡中作為主保護. 定時限過電流保護的主要缺點是越靠近電

23、源端其動作時限越大, 對靠近電源端的故障不能快速切除.6, 階段式電流保護的應用及評價電流速斷保護只能保護線路的一部分,限時電流速斷保護能保護線路全長,但卻不能作為下一相相鄰的后備保護 , 因此必須采用定時限過電流保護作為本條線路和下一段相鄰線路的后備保護. 由電流速斷保護, 限時電流速斷保護及定時限過電流保護相配合構成一整套保護, 叫做三段電流保護.實際上 , 供配電線路并不一定都要裝設三段式電流保護. 比如 , 處于電網末端附近的保護裝置 , 當定時限過電流保護的時限不大于0.50.7s 時,而且沒有防止導線燒損及保護配合上的要求的情況下,就可以不裝設電流速斷保護和限時電流速斷保護, 而將

24、過電流保護為主要保護. 在某些情況下, 常采用兩段組成一套保護,( 2 ) 階段式電流保護的時限階段式電流保護的時限特性是指各段電流保護的保護范圍與動作時限的關系曲線 . 電流三段式保護的保護 特性及時限特性如圖 2.14 所示 .圖 2.14 電流三段式保護特性及時限特性分析圖繼電保護的接線圖一般可以用原理圖和展開圖形式來表示. 電流三段式保護單相原理接線圖如圖 2.15 所示,( 3 ) 階段式保護的選擇性電流速斷保護是通過選擇動作電流保證選擇性的 ,定時限過電流保護通過選擇動作時限來保證選擇性的,而限時電流速斷保護則是通過同時選擇動作電流和動作時限來保證選擇性的.這是應當重點理解的環節.

25、( 4 )對階段式電流保護的評價三段式電流保護的優點是簡單, 可靠 , 并且一般情況下都能較快切除故障, 一般用于 35kv 及以下電壓等級的單側電源電網中.缺點是它的靈敏度和保護范圍受系統運行方式和短路類型的影響,此外 ,它只在單側電源的網絡中才有選擇性.7, 電流保護接線方式電流保護的接線方式就是指保護中電流繼電器與電流互感器二次繞組之間的連接方式.( 1 ) 三相完全星型接線主要接線方式1 ) 三相完全星型接線方式如圖 2.17 所示 ,三個電流互感器與三個電流繼電器分別按相連接在一起,形成星型 .三個繼電器觸點并聯連接 ,相當于或 回路.三相星型接線方式的保護對各種故障,如三相 ,兩相

26、短路 ,單相接地短路都能動作.圖 2.17 完全星型接線圖 圖 2.18 不完全星形接線圖2 ) 相不完全星型接線方式兩相不完全星型接線方式如圖 2.18 所示 . 它與三相星形的保護的區別是能反應各種相間短路 ,但 b 相發 生單相短路時, 保護裝置不會動作.3 2 )各種接線方式在不同故障時的性能分析1 ) 中性點直接接地或非直接接地電網中的各種相間短路 .前述三種接線方式均能反應這些故障( 除兩相電流接線不能保護變壓器外), 不同之處在于動作的繼電器數目不同 , 對不同類型和相別的相間短路 , 各種接線的保護裝置靈敏度有所不同 .2 ) 中性點非直接接地電網中的兩點接地短路 圖 2.20

27、 串聯內線路上兩點接地的示意圖在中性點非直接接地電網 ( 小接地電流 ) 中 , 某點發生單相接地時, 只有不大的對地電容電流流經故障點 ,一般 不需要跳閘 , 而只要給出信號 , 由值班人員在不停電的情況下找出接地點并消除之 , 這樣就能提高供電的可靠性. 因此 ,對于這種系統中的兩點接地故障,希望只切除一個故障.串聯線路上兩點接地情況,如圖 2.20 所示,在 和 點發生接地短路 ,希望切除距電源遠的線路 .若保護 1 和保護 2 均采用三相星形接線時, 如果它們的整定值和時限滿足選擇性, 那么 , 就能保證 100%地只切除 bc 段線路故障.如采用兩相星形接線 ,則保護就不能切除b 相

28、接地故障,只能由保護2 切除bc 線路 ,使停電范圍擴大.這種接線方式在不同相別的兩點接地組合中 ,只能有 2/3 的機會有選擇地后面的一個線路 .放射性線路上兩點接地情況如圖 2.21 所示 ,圖 2.21 放射性線路上兩點接地的示意圖在 點發生接地短路時, 希望任意切除一條線路即可. 當采用三相星型接線時, 兩套保護 ( 若時限整定相同 ) 均將起動 . 如采用兩相星型接線 , 則保護有 2/3 的機會只切除任一線路 . 因此 , 在放射性的線路中, 兩相星型比三相星型應用更廣泛.( 3 )各種接線方式的應用三相星形接線方式能反應各種類型的故障,保護裝置的靈敏度不因故障相別的不同而變化.主

29、要應用如下方面:1 ) 廣泛用于發電機, 變壓器 , 大型貴重電氣設備的保護中 .2 ) 用在中性點直接接地電網中 (大接地電流系統中 ), 作為相同短路的保護, 同時也可保護單相接地(對此一般都采用專門的零序電流保護).3 ) 在采用其它更簡單和經濟的接線方式不能滿足靈敏度的要求時, 可采用這種接線方式.兩相星形接線方式較為經濟簡單,能反應各種類型的相同短路 .主要應用于如下方面 :1 ) 在中性點直接接地電網和非直接接地電網中 , 廣泛地采用它作為相間短路保護在 10kv 以上,特別在35kv 非直接接地電網中得到廣泛應用 .2 ) 在分布很廣的中性點非直接接地電網中 , 兩點接地短路常發

30、生在放射型線路上 . 在這種情況下, 采用兩相星形接線以保證有2/3 的機會只切除一條線路 (要使保護裝置均安裝在相同的兩相上,一般為 ac 相). 如在 6 10kv 中性點不接地系統中對單相接地可不立即跳閘 ,允許運行 2 小時 , 因此在 610kv 中性點不接地系統中的過流保護裝置廣泛應用兩相星形接線方式.兩相電流差接線方式具有接線簡單, 投資較少等優點 , 但是靈敏性較差, 又不能保護y/ -11 接線變壓器后面的短路 , 故在實際應用中很少作為配電線路的保護. 這種接線主要用在 6 10kv 中性點不接地系統中 ,作為饋電線和較小容量高壓電動機的保護.二 , 雙側電源網絡相間短路的

31、方向性電流保護1, 方向性電流保護的工作原理在單側電源網絡中,各個電流保護線路靠近電源的一側,在發生故障時,它們都是在短路功率的方向從母線流向線路的情況下, 有選擇性地動作 , 但在雙側電源網絡中, 如只裝過電流保護是不能滿足選擇性要求.( 2 )幾個概念1 ) 短路功率 : 指系統短路時某點電壓與電流相乘所得到的感性功率 . 在不考慮串聯電容和分布電容在線 路上短路時, 短路功率從電源流向短路點 .2 ) 故障方向 :指故障發生在保護安裝處的哪一側 ,通常有正向故障和反向故障之分,它實際上是根據短路功率的流向進行區分的 .3 ) 功率方向繼電器 : 用于判別短路功率方向或測定電壓電流間的夾角

32、的繼電器, 簡稱方向元件. 由于正反向故障時短路功率方向不同 ,它將使保護的動作具有一定的方向性.4 ) 方向性電流保護:加裝了方向元件的電流保護. 由于元件動作具有一定的方向性,可在反向故障時把保護閉鎖 .2, 方向過電流保護的原理接線圖方向過電流保護的原理接線圖如圖 2.25 ( a )所示 .圖 2.25 方向過電流保護的原理接線圖方向過電流保護是利用功率方向元件與過電流保護配合使用的 一種保護裝置, 以保證在反方向故障時把保護閉鎖起來而不致誤動作.主要由方向元件 、 電流元件和時間元件組成.只有電流元件和功率方向元件同時動作時 , 保護裝置才能動作于跳閘.3, 功率方向繼電器的 90

33、接線方式( 1 ) 功率方向繼電器的接線方式由于功率方向繼電器的主要任務是判斷短路功率的方向, 因此對其接線方式提出如下要求.1 ) 正方向任何形式的故障都能動作 , 而當反方向故障時則不動作 .2 ) 故障以后加入繼電器的電流和電壓 應盡可能地大一些. 并盡可能使接近于最大靈敏度角 , 以便消除和減小方向繼電器的死區.為了滿足以上要求,廣泛采用的功率方向繼電器接線方式為 90 接線方式 .所謂90 接線方式是指在三相對稱的情況下, 當 cos =1 時,加入繼電器的電流 和電壓 相位相差 90 .( 2 )方向過電流保護裝置的接線圖1 ) 接線圖如圖 2.27 所示 . 電流繼電器1 , 3

34、 是起動元件,功率方向繼電器2 , 4 是方向元件.各相的電流繼電器和功率方向繼電器的觸點是串聯的 . 時間繼電器5 使保護獲得必要的動作時限,起觸點閉合可以跳閘和發出信號 .2 ) 按相起動原則按相起動原則是指接入同名相電流的電流繼電器和方向元件的觸點直接串聯 , 而后再接入時間繼電器線圈的接線 ,3 ) 動作特性功率方向繼電器采用 90 接線方式的保護裝置 , 主要有兩個優點 : 第一, 對各種兩相短路都沒有死區, 因為繼電器加入的是非故障相的線電壓 , 其值很高 ; 第二 , 適當地選擇繼電器的內角 后 , 對線路上發生的各種故障都能保證動作的方向性,且有較高的靈敏性.方向繼電器在一切故

35、障情況下都能動作的條件為兩相式接線適用于小接地電流系統, 作為各種形式相間短路的保護, 在大接地電流系統中 , 如果裝有專門的接地保護 , 也以采用兩相式接線作為相間短路的保護.4 , 對方向性電流保護的評價1 ) 方向性電流保護的主要優點是在單電源環形網絡和多電源輻射型電網中 , 都能保證動作的選擇性.2 ) 理論上當保護安裝地點附近正方向發生三相短路時, 由于母線電壓降低至零, 保護裝置拒動, 出現 死區 .運行經驗指出 , 三相短路的幾率很小.3 ) 由于保護中采用了方向元件使接線復雜, 投資增加 , 可靠性降低. 因此 , 在應用中如果保護裝置在起動值,動作時限整定以后,能夠滿足選擇性

36、要求,就可以不用方向元件.例如 :1 ,對電流速斷保護來講 ,如圖 2.28 的保護 7 ,如果反方向線路 cd 出口處 短路時 , 由電源 供給的短路電流 , 那么 , 在反方向任何地點短路時, 保護 7 都不會誤動. 即從整定值上躲開了反方向的 , 這時可以不用方向元件 .2 , 對過電流保護來講 , 仍以上述保護7 為例 , 如果其過電流保護的動作時限大于保護 2 過電流保護的時限 ,即在在反方向發生短路時,從時限上保證了動作的選擇性, 因此保護 7 可以不用方向元件(但保護 2 必須采用方向元件).方向過電流保護, 常用于 35kv 以下的兩側電源輻射型電網和單電源環型電網中作為主要保

37、護 , 在電壓為35kv及 110kv 輻射型電網 , 常常與電流速斷保護配合使用 , 構成三段式方向電流保護, 作為線路相間短路的整套保護 .三 , 中性點直接接地系統接短路的零序電流及方向保護1, 接地短路時零序電流, 零序電壓和功率的分布中性點直接接地系統發生單相接地故障時,接地短路電流很大. 接地故障具有如下特點 :1 ) 故障帶內的零序電壓最高 , 離故障點越遠, 零序電壓越低 .2 ) 零序電流的分布,決定于線路的零序阻抗和中性點接地變壓器的零序阻抗及變壓器接地中性點的數目和位置 , 而與電源的數量和位置無關.3 ) 故障線路零序功率的方向與正序功率的方向相反, 是由線路流向母線的

38、 .4 ) 某一保護 ( 如保護 1 ) 安裝地點處的零序電壓與零序電流之間 ( 如 與 ) 的相位差取決于背后元件( 如變壓器 ) 的阻抗角 , 而與被保護線路的零序阻抗及故障點的位置無關.2, 零序電壓 , 電流過濾器( 1 ) 零序電流過濾器為取得零序電流, 可以采用三個電流互感器按圖 2.31 ( a ) 的方式連接,此時流入繼電器中的電流為接地故障時流入繼電器的電流為零序電流,即在正常運行和相間短路時, 零序電流濾過器也存在一個不平衡電流, 即它是由于三個互感器鐵心的飽和程度不同,以及制造過程中的某些差別而引起的.( 2 )零序電壓過濾器為了取得零序電壓 ,通常采用如圖 2.32 所

39、示的三個單相電壓互感器或三相五柱式電壓互感器 , 其一次繞組接成星形并將中性點接地, 二次繞組接成開口三角形. 從 m,n 端子上得到的輸出電壓為發生接地故障時, 輸出電壓 u 為零序電壓 , 即正常運行和電網相間短路時,理想輸出 . 實際上由于電壓互感器的誤差及三相系統對地不完全平衡 ,在開口三角形側也有電壓輸出 ,此電壓稱不平衡電壓 , 以 表示 ,即3, 零序電流速斷保護零序電流速斷保護又稱零序i 段 .4, 1 ) 整定計算與相間短路的電流保護類似,零序電流速斷保護起動值的整定原則如下:1 ) 躲開下一條線路出口處單相接地或兩相接地短路時可能出現的最大零序電流3 , 即 ( 2. 17

40、 )2 ) 躲過斷路器三相觸頭不同期合閘時出現的零序電流3 , 即( 2. 18 )根據式 ( 2. 17 ), 式( 2. 18 ) 的計算結果進行比較,先取其中的較大值作為保護裝置的整定值 .3 ) 如果線路上采用單相自動重合閘時, 零序電流速斷應躲過非全相運行又產生震蕩時出現的最大零序電流4 , 限時零序電流速斷保護限時零序電流速斷保護又稱n段.( 1 ) 整定計算1 ) 動作電流零序n段的起動電流應與下一段線路的i段保護相配合 當該保護與下一段線路保護之間無中性點接地變壓器時,該保護的起動電流為( 2.21 )下一段線路零序i段保護的起動值. 當該保護與下一段線路保護有中性點接地變壓器

41、時, 該保護的起動電流為( 2.22 )在下一段相鄰線路保護零序i段保護范圍末端發生接地短路時，流過本保護裝置的零序電流計算值.2 ) 動作時限零序n段的動作時限與相鄰線路保護零序i段相配合，動作時限一般取0.5秒.( 2 ) 靈敏度校驗零序u段的靈敏系數，應按本線路末端接地短路時的最小零序電流來校驗，并滿足 1.5的要求，即= ( 2.23 )式中 本線路末端接地短路時的最小零序電流.5, 零序過電流保護零序過電流保護又稱hi段保護，它用于本線路接地故障的近后備保護和相鄰元件(線路，母線,變壓器)接地故障的后備保護.在本線路零序電流保護i, ii段拒動和相鄰元件的保護或開關拒動時靠它來最終切

42、除故障.在中 性點接地電網中的終端線路上也可作為主保護.( 1 ) 整定計算 躲開在下一條線路出口處相間短路時所出現的最大不平衡電流 即( 2.24 )式中可靠系數，取1.11.2 ; 下一條線路出口處相間短路時的最大不平衡電流.與下一線路零序m段相配合就是本保護零序w段的保護范圍，不能超出相鄰線路上零序w段的保護范圍.當兩 個保護之間具有分支電路時( 有中性點接地變壓器時), 起動電流整定為( 2.25 )式中可靠系數，取1.11.2 ;在相鄰線路的零序m段保護范圍末端發生接地短路時，流過本保護范圍的最大零序電流計算值.如與相鄰線路保護間有分支電路時，則 取下一條相鄰線路零序w段的起動值.取

43、，中最大者.( 2 ) 靈敏度校驗1 )作為本線路近后備保護時，按本線路末端發生接地故障時的最小零序電流3來校驗，要求學2 ,即( 2.26 )2 ) 作為相鄰線路的遠后備保護時, 按相鄰線路保護范圍末端發生接地故障時, 流過本保護的最小零序電流3來校驗，要求 1.5即( 3 ) 動作時限零序w段電流保護的起動值一般很小，在同電壓級網絡中發生接地短路時，都可能動作.為保證選擇性，各保 護的動作時限也按階梯原則來選擇 .如圖 2.33 所示 ,只有在兩個變壓器間發生接地故障時,才能引起零序電流 , 所以只有保護4 , 5 , 6 才能采用零序保護. 圖 2.33 中同時示出了零序過電流保護和相間

44、短路的過電流保護動作時限, 相比可知前者具有較小的動作時限, 這是它的優點之一.6, 方向性零序電流保護7, 1 ) 構成方向性零序電流保護時應注意的問題1 ) 在多電源大接地電流系統中 , 每個變電站至少有一臺變壓器中性點直接接地, 以防止單相接地短路時, 非故障相產生危險的過電壓 .2 )在圖 2.34 所示雙側電源供電系統中,它的兩側電源處的變壓器中性點均直接接地.如將 tm-1 側的電源去掉 , 則為單電源供電網絡, 在相間短路的電流保護中, tm-2 變壓器短路時, 短路電流不流過保護1 . 但在零序電流保護中 , tm-2 變壓器短路時,零序電壓側流過保護1 . 此時 ,為了保證保

45、護1 動作的選擇性,就須采用方向性零序電流保護, 這一點應特別注意. 即在零序電流保護正方向有中性點接地的變壓器的情況下 , 不管被保護線路的對側有無電源, 為了防止保護的靈敏度過低和動作時間過長 , 就須采用方向性零序電流保護 .3 2) 動作特性以圖 2.34 為例 ,在 點接地短路時,一部分零序電流要經過 tm-2 變壓器構成回路 ,一部分零序電流要經過tm-1變壓器構成回路.斷路器1qf4qf處的零序電流保護均可能動作，為保證動作的選擇性，2qf 3qf 的動作時間應為同理 , 在 點發生接地故障時,要求顯然 , 零序電流保護的動作時限同時滿足這兩個條件是不可能的 , 必須加裝功率方向

46、元件, 構成方向性零序電流保護 .( 3 )解決措施1 ) 假設母線零序電壓為正, 零序電流由母線流向線路方向為正. 故障線路兩側零序電流的實際方向為負, 零序功率為負 , 非故障線路遠離短路點側的零序電流也為負 , 近短路點側零序電流的方向為正 . 這時只須加裝反應零序功率而動作的繼電器就可保證選擇性.在 點接地 ,只需滿足 在 點接地 ,只需滿足即可保證選擇性.四, 中性點非直接接地系統中單相接地故障的保護在中性點非直接接地電網中發生單相接地時, 由于故障點的電流很小, 而且三相之間的線電壓仍然保持對稱對負荷供電沒有影響.在一般情況下都允許再繼續運行12h .因此單相接地時，一般只要求繼電

47、保護有選擇地發出信號 , 而不必跳閘.1, 中性點不接地系統的單相接地的特點( 1 ) 單電源單線路系統的單相接地如圖 2.39 所示的單電源單線路系統, 在正常運行情況下, 三相對地有相同的電容,在相電壓 作用下 ,每相都有一個電容電流流入地中 , 而三相電流之和等于零. 即在 a 相接地時 ( 圖 2.40 ), 各相對地的電壓為故障相電壓為零, 非故障相對地電壓升高為原來的 倍 . 因此 , 故障點 d 的零序電壓為可見 , 故障點的零序電壓 大小與相電壓相等 . 各相對地電容電流為其有效值為從接地點流回的電流為即為正常運行時, 三相對地電容電流的算術和.( 2 )單電源多線路系統的單相

48、接地如圖2.41所示，當線路u a相接地時，電容電流分布在圖中用表示.類似于簡單網絡的分析,在此接地電流為有效值式中 全系統每相對地電容的總和.從分析各元件( 發電機出線端 ,線路始端的 ) 電流互感器所反應的零序電流可得如下結論:1 ) 單相接地時, 全系統都將出現零序電壓 , 而短路點的零序電壓在數值上為相電壓 ;2 ) 在非故障元件上有零序電流,其數值等于本相原對地電容電流, 電容性無功功率的實際方向為由母線流向線路 ;3 ) 在故障元件上, 零序電流為全系統非故障元件對地電容電流之相量和, 電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線 .2, 中性點不接地系統的接地保護根據中性點不接地系統

49、的的但相接地時的以上特點,可構成相應的各種保護.( 1 ) 零序電流保護零序電流保護是利用故障線路另序電流較非故障線路為大的特點,來實現有選擇性地發出信號或動作于跳閘的保護裝置 .零序電流保護的原理接線圖如圖 2.42 所示 , 保護裝置由零序電流互感器 和零序電流繼電器所組成 . 零序電流保護裝置的起動電流 必須大于本線路的零序電容電流( 即非故障時本身的電容電流), 即零序電流保護裝置的靈敏度,可以按被保護線路上發生接地故障時流經保護的最小零序電流( 即為全網絡中非故障線路電容電流的總和 ) 來校驗 , 靈敏系數為由上式可見, 當系統出線越多時, 全網絡的電流越大; 或被保護線路的電容電流

50、越小時, 零序電流保護的靈敏系數就越容易滿足要求.( 2 )方向性零序電流保護在出線較少的情況下, 非故障線路零序電流與故障線路零序電流差別可能不大, 采用零序電流保護靈敏度很難滿足要求. 此時可采用方向性零序電流保護. 由上節分析可知, 中性點不接地電網發生單相接地時, 非故障線路零序電流超前零序電壓 ; 故障線路零序電流滯后零序電壓. 因此 , 利用零序功率方向繼電器可明顯區分故障線路和非故障線路 .此時 , 方向性零序電流保護的接線和工作原理與大電流接地系統的方向性零序電流保護極為類似, 只是在使用中應注意相應的零序功率方向繼電器要采用正極性接入方式接入 3 和 3 , 且最大靈敏角為

51、90 度 .4, 中性點經消弧線圈接地系統中單相接地的特點在36kv電網中，如果單相接地時接地電容電流的總和大于30a , 10kv電網大于20a , 2266kv 電網大于 10a ,那么單相接地短路會過渡到相間短路, 因此在電源中性點需加裝一個電感線圈 .單相接地時用它產生的感性電流,去補償全部或部分電容電流 .這樣就可以減少流經故障點的電流 ,避免在接地點燃起電弧 , 把這個電感線圈稱為消弧線圈 .在圖2.43所示電網中，在電源中性點接入一消弧線圈.當線路u上 a相接地時的電流分布如圖2.43所示,與圖 2.41 相比 ,不同之處是在接地點又增加了一個電感分量的電流 , 因此,從中性點流

52、回的總電流為 消弧線圈的電流, 設用 l 表示它的電感, 則 .由于 和 的相位大約相差, 因此 將因消弧線圈的補償而減少.根據對電容電流的補償程度不同 ,消弧線圈可以有完全補償 ,欠補償及過補償三種補償方式.( 1 ) 完全補償法完全補償就是使,接地點的電流近似為零 , 從消除故障點電弧,避免出現弧光過電壓的角度來看,這種補償方式是最好的 . 但是由于對于 交流電感 l 和三相對地電容將產生串聯諧振, 從而使電源中性點對地電壓嚴重升高, 這是不允許的 ,因此在實際上不能采用這種方式.( 2 )欠補償法欠補償法就是使, 補償后的接地點電流仍然是電容性的 . 如果系統運行方式發生變化 , 當某個

53、元件被切除或因故障跳閘 , 則電容電流就將減少, 很可能又出現 的情況 . 和 ( 1 ) 有相同的缺點 . 因此這種方式一般也是不采用的 . 這里順便說明 , 一般在電力網中欠補償方式是不采用的 .( 3 )過補償法過補償法就是使補償后的殘余電流是電感性的 . 采用這種方式不可能發生串聯諧振的過電壓問題 , 因此在實際中獲得了廣泛的應用 .大于 的程度用脫諧度p 來表示 , 其關系為一般選擇脫諧度p為5%10%，而不大于10% .采用過補償時，由于，所以 的實際方向與圖 2.43 所示的方向相反.距離保護 , 就是一種可以滿足高壓電網發展要求的新原理保護, 它可以在任何形式的電網中選擇性地切

54、除故障.并且有足夠的快速性和靈敏性.第三章 電網的距離保護一 , 距離保護的概念距離保護是反應保護安裝處至故障點的距離, 并根據距離的遠近而確定動作時限的一種保護裝置 . 測量保護安裝處至故障點的距離,實際上是測量保護安裝處至故障點之間的阻抗大小 ,故有時又稱阻抗保護 .正常運行時 , 保護安裝處測量到的線路阻抗為負荷阻抗, 即當發生線路故障時,母線測量電壓為,輸電線路上測量電流為,這時的測量阻抗為保護安裝處至故障點的短路阻抗 , 即在短路以后. 母線電壓下降, 而流經保護安裝處的電流增大, 這樣短路阻抗 比正常時測量到的 大大降低 ,距離保護的實質是用整定阻抗 與被保護線路的測量阻抗 比較 . 如圖 3.1 所示當短路點在保護范圍以內時,即當 時保護動作 ;當短路點在保護范圍以外時,即當 時,保護不動作.因此 , 距離保護又叫低阻抗保護.2, 距離保護的時限特性距離保護是利用測量阻抗來反應保護安裝處到至短路點這間距離的 , 為了保證選擇性, 獲得廣泛應用的是階梯型時限特性, 這種時限特性與三段式電流保護的時限