《电力系统继电保护》辅导资料二.docx

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《电力系统继电保护》辅导资料二

电力系统继电保护辅导资料二

主题：

课件第二章电网的电流保护第1-2节——单侧电源网络相间短路的电流保护、电网相间短路的方向性电流保护

学习时间：

2013年10月7日－10月13日

内容：

我们这周主要学习第二章的第1-2节，单侧电源网络相间短路的电流保护和电网相间短路的方向性电流保护的相关内容。

希望通过下面的内容能使同学们加深电网电流保护相关知识的理解。

一、学习要求

1．掌握三段式电流保护的配合原则、整定计算，会阅读三段式电流保护的原理图；

2．理解方向性电流保护中方向元件的作用，能正确按动作方向分组配合、整定计算。

二、主要内容

（一）单侧电源网络相间短路的电流保护

1．继电器

（1）基本原理

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。

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。

继电器的继电特性：

（也称控制特性）继电器的输入量和输出量在整个变化过程中的相互关系。

图1继电特性

继电器的返回系数

：

返回值

与动作值

的比值。

即

过量继电器：

反应电气量增加而动作的继电器。

其返回系数小于1，不小于0.85。

欠量继电器：

反应电气量降低而动作的继电器。

其返回系数大于1，不大于1.2。

（2）继电保护装置的基本分类

●按动作原理：

电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型等继电器。

●按反应的物理量：

电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器和频率继电器等。

●按作用：

起动继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器和出口继电器等。

（3）过电流继电器

动作电流（Iop）：

使继电器动作的最小电流。

返回电流（Ire）：

使继电器由动作状态返回到起始位置时的最大电流。

2.单侧电源网络相间短路时电流量值特征

正常运行：

负荷电流

短路：

三相短路、两相短路

式中，

——系统等效电源的相电动势；

——保护安装处至系统等效电源之间的阻抗；

——短路点至保护安装处之间的阻抗；

——短路类型系数（三相短路取１，两相短路取

）。

最大运行方式：

系统等值阻抗最小，流过保护安装处的短路电流最大

最小运行方式：

系统等值阻抗最大，流过保护安装处的短路电流最小

3.电流速断保护

（1）工作原理

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。

（2）电流速断保护的整定

①动作电流的整定

原则:

保护装置的动作电流要躲过本线路末端的最大短路电流。

继电保护的一次动作电流

继电器的二次动作电流

②动作时间

③保护范围的校验

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。

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。

保护范围通常用线路全长的百分数表示，一般要求最大保护范围≥50%，最小保护范围≥15%。

电流速断保护的保护范围的计算：

在最大运行方式下，保护范围末端发生三相短路时，由于短路电流与动作电流相等，得到保护范围最大值；在最小运行方式下，保护范围末端发生两相短路时，由于短路电流与动作电流相等，得到保护范围最小值。

（3）电流速断保护的构成

图2电流速断保护的单相原理接线

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，KM触点闭合后，经信号继电器线圈、断路器辅助触点接通跳闸线圈，使断路器跳闸。

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。

4.限时电流速断保护

（1）工作原理

图3限时电流速断动作特性的分析

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，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。

（2）限时电流速断保护的整定

①动作电流的整定

原则:

保护装置的动作电流要躲过下级线路电流速断保护的动作电流。

继电保护的一次动作电流

②动作时限的整定

（3）灵敏性的校验

原则：

用系统最小运行方式下的本线路末端的最小短路电流

当灵敏系数不满足要求时，与下级线路的限时电流速断配合（动作电流、动作时间配合）

（4）限时电流速断保护的组成

图4限时电流速断保护的单相原理接线

5.定时限过电流保护

（1）工作原理

过电流保护通常是指其动作电流按躲过最大负荷电流来整定的保护，它分为两种类型：

一种是保护启动后出口的动作时间是固定的整定时间，称为定时限过电流保护；另一种是出口动作时间与过电流的倍数有关，电流越大，出口动作越快，称为反时限过电流保护。

定时限过电流保护（也可简称为过电流保护）在正常运行时，不会动作。

当电网发生短路时，则能反应于电流的增大而动作。

由于短路电流一般比最大负荷电流大得多，所以保护的灵敏性较高，不仅能保护本线路的全长，作本线路的近后备保护，而且还能保护相邻线路全长，作相邻线路的远后备保护。

为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对不动作，过电流保护的动作电流应大于该线路上可能出现且通过保护装置的最大负荷电流，同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复时负荷自启动电流作用下保护装置必须能够可靠返回，即返回电流应大于负荷自启动电流。

（2）定时限过电流保护的整定

①动作电流的整定

原则：

保护装置的动作电流要躲过本线路出现的最大负荷电流，返回电流也应大于负荷自启动电流。

继电保护的一次动作电流

②动作时限的整定

过电流保护的动作时限是按阶梯原则来选择的。

保护的动作时间向电源侧逐级增加至少一个，只有这样才能充分保证动作的选择性。

过电流保护的动作时限在按上述阶梯原则整定的同时，还需要与各线路末端变电所母线上所有出线保护动作时限最长者配合。

（3）灵敏度的校验

原则：

①本线路的保护：

用系统最小运行方式下本线路末端的最小短路电流

②下级线路的远后备保护：

用系统最小运行方式下下级线路末端的最小短路电流

③要求各级过电流保护灵敏系数相配合，下级的灵敏系数要比上级的大

（4）定时限过电流保护的的组成（同限时电流保护的组成）

6.阶段式电流保护的配合及应用

电流速断保护是按照躲开本线路末端的最大短路电流来整定，它虽能无延时动作，但却不能保护本线路全长；限时电流速断保护是按照躲开下级线路各相邻元件电流速断保护的最大动作范围来整定，它虽能保护本线路的全长，却不能作为相邻线路的后备保护；而定时限过电流保护则是按照躲开本线路最大负荷电流来整定，可作为本线路及相邻线路的后备保护，但动作时间较长。

为保证迅速、可靠而有选择性地切除故障，可将这三种电流保护，根据需要组合在一起构成一整套保护，称为阶段式电流保护。

图5阶段式电流保护的配合和实际动作时间的示意图

具体应用时，可以采用电流速断保护加定时限过电流保护，或限时电流速断保护加定时限过电流保护，也可以三者同时采用。

应用较多的就是三段式电流保护。

图6具有三段式电流保护的单相原理框图

7.电流保护的接线方式

电流保护的接线方式是指保护中电流继电器与电流互感器二次绕组之间的连接方式。

对于相间短路的电流保护，主要有三种接线方式：

三相三继电器的完全星形接线，两相两继电器的不完全星形接线，两相一继电器的两相电流差接线。

（二）电网相间短路的方向性电流保护

对于单电源辐射形供电的网络，每条线路上只在电源侧装设保护装置就可以了。

当线路发生故障时，只要相应的保护装置动作于断路器跳闸，便可以将故障元件与其他元件断开，但却要造成一部分变电所停电。

为了提高电网供电的可靠性，在电力系统中多采用双侧电源供电的辐射形电网或单侧电源环形电网供电。

此时，采用阶段式电流保护将难以满足选择性要求，应采用方向性电流保护。

1.方向电流保护的基本原理

为解决在双侧电源供电的电网或单侧电源环网中相间短路电流保护失去选择性和动作时限难以整定的问题，引入短路功率方向的概念：

短路电流方向由母线流向线路称为正方向故障，允许保护动作；短路电流方向由线路流向母线称为反方向故障，不允许保护动作。

在电流保护的基础上加装一个能判断短路功率流向的方向元件，即功率方向继电器，并且只有当短路功率由母线流向线路时才允许动作，而由线路流向母线时则不允许动作，从而使保护的动作具有一定的方向性。

这样就可以解决反方向短路保护误动作的问题。

这种在电流保护的基础上加装方向元件的保护称为方向电流保护。

方向电流保护既利用了电流的幅值特征，又利用了短路功率的方向特征。

图7方向过电流保护的单相原理接线图

2.功率方向继电器

功率方向继电器是用来判断短路功率方向的，是方向电流保护中的主要元件。

（1）对功率方向元件的基本要求

①应具有明确的方向性

②正方向故障时有足够的灵敏度

（2）功率方向元件的动作特性

①具有明确的方向性

继电器的内角：

动作特性：

动作方程：

②正方向故障时有足够的灵敏度

最大灵敏度角

3.相间短路功率方向判别元件的接线方式

对功率方向元件接线方式的要求：

（1）正方向任何类型的短路故障都能动作，当反方向故障时则不动作；

（2）故障后加入继电器的电压和电流应尽可能大一些，使电压和电流的相位差接近于最大灵敏度角，以便消除和减小方向元件的死区。

采用90°接线方式：

在三相对称的情况下，当功率因数为１时，加入继电器的电流和电压相位相差90°（这只是加入继电器的电压和电流的一种组合，并无实际意义）

注意：

（1）按相连接（按相起动）：

同一相的电流元件与功率元件必须串联，然后再与其他相并联，一起起动时间继电器。

（2）功率方向元件电流线圈和电压线圈的极性

90°接线方式，线路上发生各种故障时可能动作的内角的范围：

①正方向发生三相短路

为使方向继电器在任何

的情况下均能动作，应选择

之间才能满足要求。

②正方向发生两相短路

图8B、C两相短路的系统接线图

a．短路点位于保护安装地点附近

为使方向继电器在任何

的情况下均能动作，应选择

之间才能满足要求

b．短路点远离保护安装地点

Ｂ相继电器能够动作的条件

Ｃ相继电器能够动作的条件

正方向发生两相短路

Ｂ相继电器能够动作的条件

Ｃ相继电器能够动作的条件

分析结论:

三相短路和任意两相短路，当

使故障相方向继电器动作的条件为

90°接线方式的优点：

两相短路没有死区；选择继电器的内角在３０°和６０°之间，各种相间短路都能保证动作的方向性

缺点：

在保护安装地点附近正方向发生三相短路时，方向保护存在动作的死区。

三、习题

（一）单选题

1．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，第一段为（）保护。

A．限时电流速断保护

B.无时限电流速断保护

C．定时限电流速断保护

D.反时限电流速断保护

答案：

B

2.继电器主要由哪三个部分组成？

（）

A．反应机构、执行机构、响应机构

B.反应机构、延迟机构、中间机构

C.响应机构、执行机构、中间机构

D.反应机构、执行机构、中间机构

答案：

D

（二）判断题

1.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。

（）

答案：

√

2.继电器的比较机构也称中间部分，它处于反应机构和执行机构之间，其作用是将输出部分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）。

（）

答案：

×

3．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。

（）

答案：

√

（三）计算题

如下图所示的网络，试对保护1进行三段式电流保护整定计算，并计算继电器的动作电流。

已知

，

，

，

，

，

，

。

解：

（1）保护1电流Ⅰ段整定计算：

①求动作电流。

按躲过最大运行方式下本线路末端（即k1点）三相短路时流过保护的最大短路电流来整定，即：

注意：

计算时，母线电压应考虑5%的裕量。

采用两相不完全星形接线方式时，流过继电器的动作电流为：

②动作时限。

第Ⅰ段为电流速断，动作时间为保护装置的固有动作时间，即

。

③灵敏系数校验，即求保护范围。

在最大运行方式下发生三相短路时的保护范围为：

则

，满足要求。

在最小运行方式下的保护范围为：

则

，满足要求。

（2）保护1电流Ⅱ段整定计算：

①求动作电流

。

按与相邻线路保护I段动作电流相配合的原则来整定，即：

采用两相不完全星形接线方式时流过继电器的动作电流为：

②动作时限。

应比相邻线路保护I段动作时限高一个时限级差

，即：

③灵敏系数校验。

利用最小运行方式下本线路末端（即k1点）发生两相金属性短路时流过保护的电流来校验灵敏系数，即：

，满足要求。

（3）保护1电流Ⅲ段整定计算：

①求动作电流

。

按躲过本线路可能流过的最大负荷电流来整定，即

采用两相不完全星形接线方式时流过继电器的动作电流为：

②动作时限。

应比相邻线路保护的最大动作时限高一个时限级差

，即

③灵敏系数校验。

作近后备保护时，利用最小运行方式下本线路末端（即k1点）发生两相金属性短路时流过保护装置的电流来校验灵敏系数，即：

，满足要求。

作远后备保护时，利用最小运行方式下相邻线路末端（即k2点）发生两相金属性短路时流过保护装置的电流来校验灵敏系数，即：

，满足要求。