第二章电网的电流保护和方向性电流保护第一节单测电源网络相间短路的电流保护配置：三段式

第Ⅰ段―――电流速断保护

第Ⅱ段―――限时电流速断保护

第Ⅲ段―――过电流保护

主保护

后备保护

一、电流速断保护（第Ⅰ段）：对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。1、短路电流的计算：
图中、1――最大运行方式下d(3)2――最小运行方式下d(2)3――保护1第一段动作电流
可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。（Zs.min）最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Zs.max）2、整定值计算及灵敏性校验为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定
保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。（IdZ）在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a、b点可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长灵敏性：用保护范围的大小来衡量lmax、lmin一般用lmin来校验、
要求：≥（15～20）％希望值50％方法：①图解法②解析法：可得
式中ZL=Z1l――被保护线路全长的阻抗值动作时间t=0s3、构成
中间继电器的作用：①接点容量大，可直接接TQ去跳闸②当线路上装有管型避雷器时，利用其固有动作时间（60ms）防止避雷器放电时保护误动4、小结①仅靠动作电流值来保证其选择性②能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。二、限时电流速断保护（第Ⅱ段）1、要求①任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性②在满足要求①的前提下，力求动作时限最小。因动作带有延时，故称限时电流速断保护。2、整定值的计算和灵敏性校验为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第Ⅰ段的保护范围。即整定值与相邻线路第Ⅰ段配合。动作电流：
动作时间：Δt取0.5"，称时间阶梯，其确定原则参看P18.灵敏性：要求：≥1.3～1.5若灵敏性不满足要求，与相邻线路第Ⅱ段配合。此时：动作电流：
动作时间：
3、构成：与第Ⅰ段相同：仅中间继电器变为时间继电器。4、小结：①限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长②依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性③与第Ⅰ段共同构成被保护线路的主保护，兼作第Ⅰ段的金后备保护。三、定时限过电流保护（第Ⅲ段）1、作用：作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。2、整定值的计算和灵敏性校验：1）、动作电流：①躲最大负荷电流（1）②在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。
电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数KZq
（2）式中，显然，应按（2）式计算动作电流，且由（2）式可见，Kh越大，IdZ越小，Klm越大。因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.85～0.9）2）、动作时间在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第Ⅲ段的测量元件均可能动作。例如：下图中d1短路时，保护1～4都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。
即、、、―――――阶梯时间特性注：当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的配合3）、灵敏性近后备：Id1.min―――本线路末端短路时的短路电流远后备：Id2min―――相邻线路末端短路时的短路电流3、构成：与第Ⅱ段相同Ⅲ4、小结：①第Ⅲ段的IdZ比第Ⅰ、Ⅱ段的IdZ小得多，其灵敏度比第Ⅰ、Ⅱ段更高；②在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；③保护范围是本线路和相邻下一线路全长；④电网末端第Ⅲ段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（Ⅰ＋Ⅲ或Ⅲ），越接近电源，tⅢ越长，应设三段式保护。四、电流保护的接线方式1、定义：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。2、常用的两种接线方式：三相星行接线和两相星行接线。1）、三相星行接线的特点：①每相上均装有CT和LJ、Y形接线②LJ的触点并联（或）2）、两相星行接线的特点：①某一相上不装设CT和LJ、Y形接线②LJ的触点并联（或）（通常接A、C相）上述两种接线方式中，流入电流继电器的电流IJ与电流互感器的二次电流I2相等。接线系数：
3、IdZ与IdZ..J之间的关系：或
4、比较：①对各种相角短路，两种接线方式均能正确反映。②在小接地电流系统中，在不同线路的不同相上发生两点接地时，一般只要求切除一个接地点，而允许带一个接地点继续运行一段时间。串联线路
a、三相星行接线：保护1和保护2之间有配合关系，100％切除NP线b、两相星行接线：2/3机会切除NP线。（即1/3机会无选择性动作）并行线路上：（可能性大）
a、三相星行接线：保护1和保护2同时动作，切除线路Ⅰ、Ⅱ。b、两相星行接线：2/3机会只切一条线路。③Y／△接线变压器后d(2)以Y／△－11接线降压变为例


结论：滞后相电流是其它两相电流的两倍并与它们反相位Y／△－11升压变：超前相电流是其它两相电流的两倍，并与它们反相位。（作业：推得此结果）④经济性：两相星行接线优于三相星行接线三相星行接线灵敏度是两相星行接线的两倍针对措施：在两相星行接线的中线上再接入一个LJ，其电流为：，以提高灵敏性。5、应用三相星行接线：发电机、变压器等（要求较高的可靠性和灵敏性）。两相星行接线：中性点直接接地电网和非直接接地电网中。（注：所有线路上的保护装置应安装在相同的两相上。）五、评价：1、选择性：在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠IdZ、t），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。2、灵敏性：受运行方式的影响大，往往满足不了要求。——电流保护的缺点例：第Ⅰ段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围；第Ⅲ段：长线路重负荷（If增大，Id减小），灵敏性不满足要求。3、速动性：第Ⅰ、Ⅱ段满足；第Ⅲ段越靠近电源，t越长——缺点4、可靠性：线路越简单，可靠性越高——优点六、应用范围：35KV及以下的单电源辐射状网络中；第Ⅰ段：110KV等，辅助保护作业：习题集：P11,题1；预习实验一、二第二节电网相间短路的方向性电流保护一.问题的提出双电源多电源和环形电网供电更可靠,但却带来新问题。对电流速断保护：d1处短路，
d2处短路，
对过电流保护：d1处短路，
d2处短路，
有选择性，但是产生了矛盾。上述矛盾的要求不可能同时满足。原因分析：反方向故障时对侧电源提供的短路电流引起误动。解决办法：加装方向元件——功率方向继电器。仅当它和电流测量元件均动作时才启动逻辑元件。这样双侧电源系统保护系统变成针对两个单侧电源子系统。保护1、3、5只反映由左侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合。而保护2、4、6仅反映由右侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合，矛盾得以解决。二、功率方向继电器的工作原理电流规定方向：从母电流向线路为正。电流本身无法判定方向，需要一个基准——电压。d1处短路d2处短路


因此：利用判别短路功率方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。实现：1、最大灵敏角：在UJ、IJ幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者之间的相位差的大小而改变。当输出为最大时的相位差称最大灵敏角。2、动作范围：
动作方程：
或
3、动作特性:
当线路发生三相短路所以4、死区：当正方向出口短路时，，GJ不动——电压死区。消除办法：采用90度接线方式，加记忆回路。三、幅值比较原理和相位比较原理及其互换关系对于比较两个电气量的继电器，可按幅值比较原理或相位比较原理来实现。幅值比较原理：
相位比较原理：
用四边形法则来分析它们之间的关系：


或
可见，幅值比较远路与相位比较原理之间具有互换性。注：1必须是同一频率的正弦交流量2相位比较原理的动作边界为
四、LG－11整流型功率方向继电器它是按幅值比较原理来实现的：1、构成：
①电压形成回路：由DKB、YB组成：R1、R2——消除潜动、调整平衡。C1——与YB的励磁电抗形成谐振，使超前90o,其记忆作用用于消除死区，记忆时间为几十毫秒；②比较回路：由半导体整流桥BZ1,BZ2组成的环流是比较回路。
③执行元件——极化继电器J,非常灵敏标记“＊”，当电流从＊端流入时，J动作，反之则不动。时，J动作；2、动作方程：
3、动作特性：
――内角（由继电器决定）
4、死区：虽然J的动作功率很小，但———最小工作电压。当出口接地短路时，，GJ不动作——死区。在记忆时间内消除死区。5、角度特性：当IJ为常数时，动作电压UJ与φJ之间的关系曲线，以α＝30º为例：
当φJ＝－α＝－30º时，继电器的动作电压最小，J最灵敏。J动作范围：以φJ＝－30º为中心的90º的区域，即图中阴影区。6、潜动：从理论上讲，当或时，J不动。但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有或时，J动作,即潜动。仅有时动，叫电压潜动，仅有时动，叫电流潜动潜动对保护的影响：对正方向接地短路时，有利于保护正确动作；当反方向接地短路时，可能导致GJ误动，使得保护误动；另外，增大GJ的动作功率，可降低灵敏性；消除方法：调R1（电流潜动时），调R2（电压潜动时）。五、相间短路功率方向继电器的接线方式：1、要求：良好的方向性（与故障类型无关）和较高的灵敏性。2、90º接线方式：指系统三相对称且cosφ=1时，的接线方式。
注：90º接线方式仅为了称呼方便，且仅在定义中成立。采用该接线方式构成的三相式方向过电流保护的原理接线图参看第40页，图2－37。提示：三相星形接线且按相启动（指接入同名相电流的测量元件和功率方向元件的结点串联，而后于其他元件相并联后启动逻辑元件。）3、相间短路情况下90º接线功率方向继电器动作行为分析：（1）正方向三相短路：由于三相对称，三只继电器动作情况相同，故以A相为例分析：
从图中可见，φJA＝φJd－90º①为使功率方向继电器动作最灵敏

②为使PJA>0一般
当，
当，
所以,在三相短路时,选择,可保证GJ动作。（2）正方向两相短路，以BC两相短路为例,且空载运行.有两种极限情况:出口和远处
①出口短路GJA:,不动作；GJB：，同三相短路；GJC：，同三相短路。所以应选择，使得时GJ能动作注：出口BC两相短路，、幅值很大，B、C相功率方向继电器动作。该接线方式可消除各种两相短路的死区。②远处短路GJA:,不动作；GJB：，所以应选择，使得B相GJ能动作；GJC：，所以应选择，使得C相GJ能动作综合两种极限情况：在正方向任何地点：：
：
同理：和时可得到相应的结论，参看P43表2—2。综上所述：为保证时，GJ在正方向任何相间短路时均能动作：
（例：LG—11型或）总结：优点：①对各种两相短路都没有死区；②适当选择内角后，对线路上各种相间故障保证动作的方向性；缺点：不能清除死区。顺便指出：在正常运行情况下，位于送电侧的GJ在负荷电流的作用下一般都处于动作状态。六．双侧电源网络中电流保护整定的特点：1．电流速断保护
无方向元件：
有方向元件：此时保护1不需方向元件。2．限时电流速断保护原则与单侧电源网络中第Ⅱ段的整定原则相同，与相邻线路Ⅰ段保护配合。但需考虑保护安装点与短路点之间有分支的影响，即分支电路的影响。分支电路分两种典型情况：助增，外汲。助增：使故障线路电流增大的现象外汲：使故障线路电流减小的现象引入分支系数：当仅有助增时：∵∴
仅有外汲时：∵∴
无分支时：
既有助增，又有外汲时，可能大于1也可能小于1整定时，应取实际可能的最小值以保证选择性。七．对方向性电流保护的评价1．在多电源网络及单电源环网中能保证选择性2．快速性和灵敏性同前述单侧电源网络的电流保护3．接线较复杂，可靠性稍差，且增加投资4．出口时，GJ有死区，使保护有死区——缺点∴力求不用方向元件（如果用动作电流和延时能保证选择性）原则：①对于电流速断保护（第Ⅰ、Ⅱ段）如：
故障，保护1可不加GJ故障，保护2要加GJ②对过流保护故障时，∵∴保护2、3要加GJ故障时，∵∴保护3要加GJ保护1可不加GJ即：动作延时长的可不加GJ，动作延时小的或相等的要加GJ。作业：P17题1，P14题4，P18题4第三节输电线路的接地保护
大接地电流系统:系统中主变压器中性点直接接地
在此系统中,当发生接地故障时,通过变压器接地点构成短路通路,使故障相流过很大的短路电流.110KV及以上电网中性点直接接地系统60KV及以下电网中性点不接地或不直接接地(小接地电流系统)运行经验表明,在中性点直接接地系统中,d(1)几率占总故障率的70∽90.所以如何正确设置接地故障的保护是该系统的中心问题之一.而在该系统中发生d(1),系统中会出现零序分量,而正常运行时无零序分量.故可利用零序分量构成接地短路的保护.一、零序分量的特点(一)零序电压:故障点U0最高,离故障点越远,U0越低.变压器中性点接地处U0=0(二)零序电流分布:中性点接地变压器的位置有关大小:线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关(三)零序功率短路点最大(与U0相同).方向:与正序相反,从线路→母线(四)

相位差由ZB10的阻抗角决定与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关二、零序电流保护三段式或四段式Ⅰ段:速动段保护Ⅱ段(Ⅱ、Ⅲ段)应能有选择性切除本线路范围的接地故障，其动作时间应尽量缩短最末一段：后备三段式零序电流保护原理与三段式电流保护是相似的（一）Ⅰ段<1>躲过下一个线路出口接地短路的最大三倍零序电流3I0max
＝1.2∽1.3求3I0max①故障点：本线路末端②故障类型：（假设X1∑＝X2∑）(串)（并）当Z0∑>Z1∑I0(1)>I0(1.1)采用I0（1）当Z0∑<Z1∑I0(1)<I0(1.1)采用I0（1.1）当Z0∑=Z1∑I0(1)=I0(1.1)任取③运行方式各系统最大运行方式Z1∑↓Z2∑↓接地点：保护安装侧接地点最多Z0m↓对侧接地点最少Z0n↓（2）躲短路器三相触头不同时合闸而出现的三倍零序电流3I0btII0dz＝KKI.3I0btKKI＝1.1∽1.2求3I0bt：①两相先合———一相断线并
②一相先合——两相断线串取大者原则（2）所得定值一般较大，保护范围缩小，灵敏度降低，此时渴考虑使Ⅰ段带一小的延时（0.1s）躲开不同时合闸时间。灵敏性：要求与Ⅰ段电流保护相同≥（15～20）(二)Ⅱ段与相邻线路零序电流Ⅰ段配合
KKⅡ＝1.1∽1.2
灵敏性校验：
若不满足要求：与相邻线Ⅱ段配合或接地距离保护（三）Ⅲ段：躲线路末端变压器为另一侧短路时可能出现的最大不平衡电流Ibp.max――非周期分量系数t＝0s时取1.5～2t=0.5s时取1；――同型系数。同型时取0.5、不同型时取1；――CT误差取0.1；――线末变压器另一侧短路时流过保护的最大短路电流。灵敏性：近后备和远后备时均校验动作时间（限）：从零序网的最末级开始按阶梯原则向电源方向推算三、方向性零序电流保护在多电源的大接地电流系统中，为保证选择性，需要装设零序功率方向继电器，构成方向性零序电流保护（P55图2－55）1、零序功率方向继电器正方向接地故障
φd0＝70o∽80o∴φo＝－（110o～100o）∴φlm≈－105o左右（）目前，整流型和晶体管型：φlm＝70o～85o∴接线:由于越靠近故障点的零序电压越高∴出口短路时GT0无死区远处故障时U0↓I0↓可能不动。为此须校验灵敏性（作相邻元件后备）相邻元件末端短路（二次侧）四、评价三相星形接线相间短路电流保护，也可反映d（1），作比较优点：（1）零序电流保护更灵敏Ⅰ、Ⅱ受运行方式影响较小，Ⅰ段保护范围长且稳定，Ⅱ段灵敏性易于满足Ⅲ段躲不平衡电流，定值低更灵敏且时间较短（2）GT0出口无死区，接线简单、经济、可靠。（3）系统振荡、短时过负荷等情况下（三相对称）I0不受影响缺点：不能反映相间短路故障作业P22题1P25题5、6