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1、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。,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（段） 三、限时电流速断保护（段） 四、定时限过电流保护（段） 五、阶段式电流保护的应用及对它的评价 六、反时
2、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（）说明，当继电器线圈通入电流 ，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，企图吸引衔铁向左转动，衔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”。,图2-1 （a）电磁型电流继电器的
3、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,电磁吸力与 成正比。如果假定磁路的磁阻全部集中在空气隙中，设 表示气隙的长度，则磁通 就与 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 可表示为 （2-1） 式中 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，为保证继电器不动作，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 称为初拉力矩，对应此时的空气隙长度为 。由于弹簧的张力与其伸长成正比，因此，当衔铁向左移动而使 减小，例如 由减小到 ，由弹簧所产生的反抗力矩即可表示为 （2-2）式
4、中 比例常数。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 ，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 。,为使继电器动作并闭合其触点，就必须增大电流 ，以增大电磁转矩 ，继电器能够动作的条件是（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 表示，对应此时的电磁转矩，根据（2-1）式可表示为（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 （2
5、-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 表示，对应于此时的电磁转矩 （2-6）,图2-1（b）表示了当可动衔铁由起始位置（气隙为 ）转动到终端位置（气隙为 ）时，电磁转矩及机械反抗转矩与可动衔铁行程行程的关系曲线。当 不变时，随着 的减小， 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 ，它有利于保证继电器触点的可靠接触。,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,当 时，继电器根本不动
6、作 ; 当 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 ，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”。,继电特性曲线 图2-2 继电特性曲线,图2-2 中 表示继电器动作时固定触点6两端的电压， 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（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0.8
7、50.9。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。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；2Z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（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。对于仅反应电流
8、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（）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。,图2-4 电流速断保护动作特性的分析 （a）网络接线图；（b）网络阻抗图；（c）动作情况,图2-4 电流速断保护动作特性的分析 （a）网络接线图；（b）网络阻抗图；（c）动作情况,以保护2为例，当A-B线路末端 点短路时，希望速断保护2能够瞬时动作切除故障，而当相邻线路B-C的始端（习惯
9、上又称为出口处） 点短路时，按照选择性的要求，速断保护2就不应该动作，而应由速断保护1切除故障。但是实际上， 点和 点短路时，从保护2安装处流过的短路电流的数值几乎是一样的。因此，希望 点短路时速断保护2能动作，而 点短路时保护2又不动作的要求不可能同时得到满足。,为了解决这个矛盾，通常的方法是优先保证动作的选择性，即从保护装置启动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不启动，在继电保护技术中，这又称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定。对反应于电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置启动的最小电流值称为保护装置的启动电流，以 表示，显然必须当实际的短路电流 时，保护装置才能启动。保
10、护装置的整定值 是利用电力系统一次侧的参数表示的，所代表的意义是：当在被保护线路的一次侧电流达到这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能够启动。,对于图24（a）所示的单侧电源供电网络，正常运行下，各条线路中流过负荷电流，越靠近电源侧的线路流过的电流越大。负荷电流与供电电压之间的相位角一般小于 。,由电力系统暂态分析可知，当供电网络中任意点发生三相和两相短路时，流过短路点与电源间线路中的短路电流包括短路工频周期分量、暂态高频分量和非周期分量。 由于暂态高频分量所占比例较小，非周期分量衰减较快，短路电流计算只计及工频周期分量，其近似算式为（2-8）式中 系统等效电源的相电势；保护安装处到系统等效
11、电源之间的阻抗；保护安装处到短路点之间的阻抗；短路类型系数，三相短路取1，两相短路取 。,在一定的系统运行方式下， 和 等于常数， 的大小如图2-4（b）所示，当 、 短路时， ；当 、 短路时， 。 此时 将随 的增大而减小，因此可以经计算后绘出 的变化曲线，如图2-4（c）所示。,当电源开机方式、保护安装处到电源之间电网的网络拓扑变化时，称为运行方式变化。 随运行方式变化而变化。当系统运行方式及短路类型改变时， 都将随之变化。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称为系统最大运行方式，而短路电流为最小的方式则称为系统最小运行方式。对不同安装地点的保护装置，应根据网络接线
12、的实际情况选取其最大和最小运行方式。在最大运行方式三相短路时 ， ，通过保护装置的短路电流为最大，而在最小方式下两相短路时， ， ，短路电流为最小。这两种情况下，短路电流的变化如图2-4（c）中的曲线和所示。,整定计算原则 保护1整定计算原则为了保证电流速断保护动作的选择性，对保护1来讲，其启动电流 必须整定得大于 点短路时可能出现的最大短路电流，即大于在最大运行方式下变电所C母线上三相短路时的电流 ，亦即（2-9） 引入可靠系数 ，则式（2-9）可写为(2-10),引入可靠系数的原因是必须考虑非周期分量的影响，实际的短路电流可能大于计算值，保护装置的实际动作值可能小于整定值和一定的裕度等因素
13、。,保护2整定计算原则 按照同样的原则，其启动电流应整定得大于点短路时的最大短路电流 ， 即 (2-11) 启动电流的整定值与 无关，所以在图2-4（C）上是一条直线，它与曲线和各有一个交点。在交点以前短路时，由于短路电流大于启动电流，保护装置都能动作。而在交点以后短路时，由于短路电流小于启动电流，保护将不能启动。由此可见，有选择性的电流速断保护不可能保护本线路的全长。,速断保护对被保护线路内部故障的反应能力又称为灵敏性，只能用保护范围的大小来衡量，此保护范围通常用线路全长的百分数 来表示。由图2-4可见，当系统为最大运行方式下三相短路时，电流速断的保护范围为最大；当出现系统最小运行方式下的两
14、相短路时，电流速断的保护范围为最小；当出现其它运行方式时，保护范围在两者之间。一般情况下；应按最小运行方式下两相短路来校验保护范围。要求保护范围大于被保护线路全长的15%20%，最小保护范围计算式为（2-12）式中 电流速断保护的最大保护范围长度； 线路单位长度的正序阻抗。由式（2-12）得 ， %即为保护的最小保护范围。,图2-5所示为电流速断保护的单相原理接线，电流继电器接于电流互感器TA的二次侧，动作后启动中间继电器，其触点闭合后串联信号继电器而接通断路器的跳闸线圈Y，使断路器跳闸。图2-5 电流速断保护的单相原理接线图,接线中采用中间继电器的原因如下：（1）电流继电器的触点容量比较小，不能直接接通跳闸线圈Y，因此，应先启动中间继电器，然后再由中间继电器的触点（容量大）去跳闸。（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速断保护误动作，避雷器放电时间为4060ms，中间继电器动作时间为6080ms，速断保护的动作时间取决于继电器本身的固有时间，一般小于100ms。,
