第二章 电网的电流保护

第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护
一、电磁型电流继电器及其继电特性 二、电流速断保护（Ⅰ段） 三、限时电流速断保护（Ⅱ段） 四、定时限过电流保护（Ⅲ段） 五、阶段式电流保护的应用及对它的评价 六、反时限过电流保护 七、电流保护接线方式 八、三段式电流保护的接线图举例
电流继电器是实现电流保护的基本元件，也
企图吸引衔铁向左转动，衔
图2-1 （a）电磁型电流继电器的原理结构图
1—线圈；2—铁芯；3—空气隙；4— 可动衔铁；5—可动触点；6—固定触 点；7—弹簧；8—止档
铁上装有继电器的可动触点 5，当电流增大，电磁吸力 足够大时，即可吸动衔铁并 使触点6接通，称为继电器 “动作”。
电磁吸力与 2成正比。如果假定磁路的磁阻全
图2-3示出电网中实际使用了半个世纪的电磁型电流继 电器（即转动舌片式电流继电器）的结构，这种继电器 用Z型旋转舌片代替了可动衔铁，剩余转矩较小，返回系 数较高。
图2-3 转动舌片式电流继电器 1—电磁铁；2—Z型旋转舌片；3—线圈；4—触点；5— 反作用弹簧；6—止档
二、电流速断保护（Ⅰ段） 为了满足系统稳定和对重要用户的供电可 靠，在保证选择性的前提条件下，保护装置 动作切除故障的时间原则上越快越好，因此 各种电气元件上应力求装设快速动作的继电 保护。
K2
I2 k act 2
（2-4）
在继电器动作之后，为使它重新返回原位，就必须减 小电流以减小电磁转矩，然后由弹簧的反作用力把可动 衔铁拉回来。在这个过程中，摩擦力又起着阻碍返回的 作用，因此继电器能够返回的条件是
Me Ms M f
（2-5）
对应这一电磁转矩，能使继电器返回原位的最大电
流值称为继电器的返回电流，以 I k re 表示，对应于此时
机械反抗转矩与可动衔铁 行程行程的关系曲线。
当 I k.act 不变时，随着
的减小， M act 与其平方倍 成反比增加，按曲线9变 化，而机械反抗转矩则按 线性关系增加，如直线10 所示，因此在行程末端将 出现一个剩余转矩 M r ， 它有利于保证继电器触点 的可靠接触。
继电特性曲线
图2-2 继电特性曲线
是反应于一个电气量而动作的简单继电器的典 型，因此本节通过对它的分析来说明一般继电 器的工作原理和主要特性。
一、电磁型电流继电器及其继电特性
电磁型电流继电器的工
作原理可用图2-1（ａ）说 明，当继电器线圈通入电流
I k 时，在磁路中产生与电流 成正比的磁通 ，磁通经铁 芯2、空气隙3和可动衔铁4 形成回路，磁化后的衔铁与 铁芯的磁极产生电磁吸力，
部集中在空气隙中，设 表示气隙的长度，则磁通
就与I k 成正比而与 成反比，这样，由电磁吸力作用 在衔铁上的电磁转矩 M e可表示为
Me
K1 2
K2
I
2 k
2
（2-1）
式中 K1、K2－比例常数；
－铁芯与可动衔铁之间的空气隙长度。
正常情况下，线圈中流入负荷电流，为保证
继电器不作，可动衔铁受弹簧7反作用力的控制 而保持在原始位置，此时弹簧产生的力矩M s1 称为 初拉力矩，对应此时的空气隙长度为 1 。由于 弹簧的张力与其伸长成正比，因此，当衔铁向左
图2-2 中U1表示继电器动作时固定触点6两端的电压， U0 表示继电器返回时固定触点6两端的电压。
返回电流与启动电流的比值称为继电器的返回系数，
可表示为
K re
I K re I K act
（2-7）
由于在行程末端存在剩余转矩以及摩擦转 矩的影响，电磁型过电流继电器（以及一切 过量动作的继电器）的返回系数恒小于1，在 实际应用中，常常要求过电流继电器有较高 的返回系数，如0.85～0.9。提高返回系数的 方法是采用坚硬的轴承，以减小摩擦转矩和 改善磁路系统的结构，适当减小剩余转矩。 继电器启动电流的调整方法为改变线圈的匝 数和弹簧的张力。
移动而使 减小，例如 1由减小到 2 ，由弹簧
所产生的反抗力矩即可表示为
M s M s1 K3 (1 2 )
式中 K3 －比例常数。
（2-2）
此外，在衔铁转动的过程中，还必须克服由摩 擦力所产生的摩擦转矩 M f ，其值可认为是一个常 数，不随 的改变而变化。因此，阻碍继电器动 作的全部机械反抗转矩就是 Ms M f 。
电流保护 第二节 双侧电源网络相间短路的方向电流保护 第三节 中性点直接接地电网中接地短路的零序电流及方
向保护 第四节 中性点非直接接地电网中单相接地故障的零序电
压、电流及方向保护
电网中的输电线路发生短路时，电流突然增
大，电压降低，利用电流突然增大使保护动作断 路器跳闸而构成的保护装置称为电流保护。电流 保护在35kV及以下输电线路中被广泛采用。
的电磁转矩
M re
K2
I2 K re
2
（2-6）
图2-1 电磁型电流继电器的转矩曲线
9—启动电磁转矩曲线；10—启动时的 反作用转矩曲线；11—返回时的反作 用转矩曲线；12—返回时的电磁转矩 曲线
图2-1（b）表示了当可动 衔铁由起始位置（气隙为 1 ）转动到终端位置（气隙 为 2 ）时，电磁转矩及
为使继电器动作并闭合其触点，就必须增大电流I k ， 以增大电磁转矩 M e ，继电器能够动作的条件是
Me Ms M f
（2-3）
满足这个条件的，能使继电器动作的最小电流值，称 为继电器的动作电流（习惯上又称为启动电流），以 I k.act表示，对应此时的电磁转矩，根据（2-1）式可表示为
M act
对于仅反应电流幅值增大而瞬时动作切除故 障的电流保护，称为电流速断保护。以图2-4 （ａ）所示的单侧电源网络接线为例，假定 在每条线路始端均装有电流速断保护，当线 路A-B上发生故障时，希望保护2能瞬时动作 ，而当线路B-C上故障时，希望保护1能瞬时 动作，它们的保护范围最好能达到本线路全 长的100％。但是这种愿望能否实现，需要具 体分析。
当 Ik Ikact 时，继电器根本不动 作;
当 Ik Ikact 时继电器能够突然 迅速的动作，闭合其触点；在 继电器动作以后，只当电流减 小到 Ik Ikre ，继电器才能立 即突然地返回原位，触点重新 打开。无论启动和返回，继电 器的动作都是明确干脆的，不 可能停留在某一个中间位置， 这种特性称为“继电特性”。