电网的电流保护

第2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
若 和E S 为Z常S 数，则短路电流将随着 L k 的减小而增大，经计算后可绘
出其变化曲线，如图2.2所示。若Z S 变化，即当系统运行方式变化时，短 路电流都将随着变化。 当系统阻抗最小时，流经被保护元件短路电流最大的运行方式称为最大运 行方式。 图2.2中曲线1表示系统在最大运行方式下短路点沿线路移动 时三相短路电流的变化曲线。 短路时系统阻抗最大，流经被保护元件短路电流最小的运行方式称为最小 运行方式。在最小运行方式下，发生两相短路时通过被保护元件的电流最 小，即最小短路电流为
E S ——系统等效电源的相电势，也可以是母线上的电压；
Z S — 保护安装处到系统等效电源之间的阻抗，即系统阻抗；
Z 1 ——线路单位长度的正序阻抗，单位为；
1.10
L k ——短路点至保护安装处之间的距离。
第2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
图2.2 单侧电源辐射形电网电流速断保护工作原理图 1.11
1.2
第2章 电网的电流保护 本章内容
● 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护 ● 2.2 电网相间短路的方向性电流保护 ● 2.3 大电流接地系统的零序电流保护 ● 2.4 小电流接地系统的零序电流保护 ● 思考题与习题
1.3
第2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
对于单侧电源网络的相间短路保护主要采用三段式电流保护，即第一 段为无时限电流速断保护，第二段为限时电流速断保护，第三段为定时 限过电流保护。其中第一段、第二段共同构成线路的主保护，第三段作 为后备保护。
1. 工作原理
对于图2.2所示的单侧电源辐射形电网，为切除故障线路，需在每条线路的电源侧装
设断路器和相应的保护装置，即无时限电流速断保护分别装设在线路L1、L2的电源侧 (也称为线路的首端)。当线路上任一点发生三相短路时，通过被保护元件(即线路)
的电流为
I (3) k
ZS
ES Z1Lk
(2-2)
式中
1.5
第2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
温度继电器、压力继电器、速度继电器、瓦斯继电器等)两类；按工作原理可 分为电磁式、感应式、电动式、电子式(如晶体管型)、整流式、热式(利用电 流热效应的原理)、数字式等；按输出形式可分为有触点式和无触点式；按用 途可分为控制继电器(用于自动控制电路中)和保护继电器(用于继电保护电路 中)。保护继电器按其在继电保护装置中的功能，可分为主继电器(如电流继 电器、电压继电器、阻抗继电器等)和辅助继电器(如时间继电器、信号继电 器、中间继电器等)。 2. 继电器的基本组成 继电器主要由反应机构、执行机构和中间机构三个部分组成。反应机构也称 输入部分，其作用是能够反应外界一定的输入信号，并将其变换成继电器动 作的某种特定的物理量(也称其为感受和变换功能)，如电磁式电流继电器的 电磁系统，它反应输入的电流信号并将其变换为电磁力。执行机构也称输出 部分，其作用是对被控制电路实现通断控制，它分为有触点式的(如电磁式电 流继电器的触头系统)和无触点式的(如电子式继电器，其中的晶体管、晶闸 管具有导通和截止两种状态，可实现通断控制，所以是执行机构)。比较机构 也称中间部分，它处于反应机构和执行机构之间，其作用是将输入部分
式下两相短路时，保护范围最小为 。保护范围通常用线路全长的百分L m数a x 表示，
一电般流要速求断最保大护保的护保范护围范≥围5可0%通，过最下小面保的护方范法围求≥L 得m1in5：%。在最大运行方式下(
)，保
护范围末端( 解之，得
)发生三相短路时，短路电流 Lk Lmax
与动作电流
I
Ι O
P
1.6
第2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
反应并变换的物理量与继电器的动作值进行比较，以决定执行机构是否 动作(简称为比较功能)。为什么要进行比较？因为继电器并不是在任意 一个输入量下都可以使执行机构动作的，只有输入量达到一定值时才动 作。如电磁式电流继电器的复位弹簧，事先对其调整使其具有一定的弹 簧力，只有当电磁力的作用大于此弹簧力的作用时，才能使执行机构动 作，所以复位弹簧就是比较机构。 3. 继电器的继电特性 继电器的继电特性(也称控制特性)是指继电器的输入量和输出量在整个 变化过程中的相互关系。对于电磁式电流继电器，其继电特性如图2.1 所示。
1.7
第2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
4. 继电器的返回系数 继电器的返回系数是指返回电流与动作电流的比值， 即 是一个重要的参数，在实际应用中要求继电器有较高 的返回系数。对于电磁式电流继电器来说，可以采用 坚硬的轴承以减小摩擦转矩，或改善磁路系统的结构 以适当减小剩余转矩等方法来提高返回系数。 一般情况下，反应电气量增加而动作的继电器，称过 量继电器。其返回系数小于1，但要求其不小于0.85 。反应电气量降低而动作的继电器，称欠量继电器。 其返回系数大于1，但要求其不大于1.2。
第2章 电网的电流保护
第2章
电网的电流保护
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1.1
第2章 电网的电流保护
电网正常运行时，输电线路上流过正常的负荷电流，母线电压约为 额定电压。当输电线路发生短路时，故障相电流增大。根据这一特征， 可以构成反应故障时电流增大而动作的电流保护。
本章根据电网相间短路及单相接地故障的特征，主要介绍单侧电源 网络的相间短路保护的三段式电流保护和多侧电源网络相间短路保护 的方向电流保护，以及电网单相接地故障的零序电流保护，重点介绍 这些保护的工作原理、保护装置的整定计算和接线方式。
最
大短
路电流变化
曲
线1的交点为P，这就是它的保护范围。而保护1限时电流速断保护的保护范围不能
超过保护2电流速断保护的保护范围，即P点所对应的短路点k2之前，所以在单侧 电源供电的情况下，保护1的限时电流速断保护的保护范围应在k1点和k2点
1.17
第2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
，短路电流
与动I k( 2作m) in电流
相等I ，O P 即
Lk )发L生min两相短路时
I(2) kmin
3
ES
2 ZSmaxZ1Lmin
IO P
解之，得
Lmin
1 Z1
3 2
ES IO P
ZSmax
(2-6)
1.14
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2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护
3. 电流速断保护的构成 电流速断保护的单相原理接线如图2.3所示。电流继电器KA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，电流继电器KA动作 ，启动中间继电器KM，
1.9
ES
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2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护
2.1.2 电流速断保护
在保证选择性和可靠性要求的前提下，根据对继电保护快速性的要求，原则上
应装设快速动作的保护装置，使切除故障的时间尽可能短。反应电流增加，且不带
时限(瞬时)动作的电流保护称为无时限电流速断保护，简称电流速断保护。
流速断保护的保护范围，动作时限比下一线路电流速断保护高出一个时限级
差 t ,这种带有一定延时的电流速断保护称为限时电流速断保护。
1. 工作原理与动作电流
现以图2.4中的保护1为例，来说明限时电流速断保护的整定计算。假设保护2装有
电流速断保护，其动作电流整定为
I OP2
KrΙel
I，k(33)m 它ax与
作；在交点以后的线路上短路时，由于 ＜
，保护I k 不能I O动P 1 作。因此电流速断保
护不能保护本线路的全长，而且保护的范围随运行方式和故障类型的变化而变化。
2. 保护范围校验
电流速断保护的灵敏系数通常用保护范围来衡量，保护范围越长，表明保护越灵敏
。由图2.2可见，最大运行方式下三相短路时，保护范围最大为 ；最 小运行方
1.16
t
第2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
2.1.3 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，为快速切除本线路其余
部分的短路，应增设第二套保护。为保证选择性和快速性，该保护应与下一线路
的电流速断保护在保护范围和动作时限上相配合，即保护范围不超过下一线路电
1.15 用：
图2.3 电流速断保护原理接线 KM触点闭合后，经信号继电器KS线圈、断路器辅助触点 QF接通跳闸线圈YR，使断路器跳闸。接入中间继电器KM的作
第2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
(1) 增大触点容量，防止由KA触点直接接通跳闸回路时因容量过小而被破坏； (2) 当线路上装有管型避雷器时，利用中间继电器来增大保护装置的固有动作时 间，以防止管型避雷器放电时引起电流速断保护误动作。 信号继电器KS的作用是，在整套保护装置动作后，指示并记录该保护的动作，供 运行人员查找和分析故障。跳闸回路中接入断路器QF的辅助触点QF，在断路器跳 闸时，其辅助触点随之打开，切断跳闸回路电流。否则，由中间继电器的触点切 断跳闸回路，将会烧坏中间继电器的触点。 电流速断保护的主要优点是动作迅速、简单可靠。缺点是不能保护线路的全长， 且保护范围受系统运行方式和线路结构的影响。当系统运行方式变化很大或被保 护线路很短时，甚至没有保护范围。
当动时作I。IKKAA动＜≤作I I后O O，P P，时继当，电保继器持电才器突不然＞动I返K作A回，到时而I 原，O P 位继。电无器IKA论保≥是持当I动动时OP作作，还后继是状电返态器回。突，只然继有迅电当速
器都是从起始位置到最终位置，它不可能停留在某一个中间位置上。这 种特性就称之为继电器的“继电特性”。
之间。为什么？因为：若在k1点之前，则不能保护本线路的全长；若在k2 点之后，则失去与保护2电流速断保护的选择性。所以保护1限时电流速断
保护的动作电流应整定为
I ＞ O P 1
I O P 2
，考虑到各种误差的影响，则有
5. 对继电器的基本要求
图2.1 继电器的继电特性
对继电器的基本要求是工作可靠，动作过程具有“继电特性”。继电器的工作可靠
是最重要的，主要是通过各部分结构设计合理、制造工艺先进、经过高质量检测等
来
1.8
第2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
保证。其次要求继电器动作值误差小、功率损耗小、动作迅速、动稳定性 和热稳定性好以及抗干扰能力强。另外，还要求继电器安装、整定方便， 运行维护少，价格便宜等。
相等，ZS即ZSmin
I (3) k m ax
I(3) kmax
ES
ZSmin Z1Lmax
IO ΙP
(2-5)
1.13
第2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
解之，得
Lmax
1 Z1
ES IO P
ZSmin
(2-5)
在最小运行方式下(
ZS )Z，Sm 保ax护范围末端(
1.4
a
第2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
2.1.1 反应单一电气量的继电器
1. 继电器的分类 继电器是根据某种输入信号来实现自动切换电路的自动控制电器。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，具有对被控制电路实现“通”、“断”控制 的作用，所以它“类似于开关”。 继电器的基本原理是：当输入信号达到某一定值或由某一定值突跳到零时，继 电器就动作，使被控制电路通断。它的功能是反应输入信号的变化以实现自动 控制和保护。所以，继电器也可以这样定义：能自动地使被控制量发生跳跃变 化的控制元件称为继电器。 在电力系统继电保护回路中，常用继电器的实现原理随着相关技术的发展而变 化。目前仍在使用的继电器按输入信号的性质可分为电气继电器(如电流继电 器、电压继电器、功率继电器、阻抗继电器等)和非电气继电器(如
1.12
I(2) kmin
3 2
ES ZSmax Z1Lk
(2-3)
I O P 1 第2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
Ik
I K I O P2
Ι
(3)
rel k3m ax
(2-4b)
动作电流整定后是不变的，如图2.2中的直线3，它与曲线1、2各有一个交点M和N。
在交点以前的线路上发生短路故障时，由于 ＞ ，I 保k 护I 1O P的1 电流速断保护能够动