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1、理学第二章 电网的电流保护 Still waters run deep.流静水深流静水深,人静心深人静心深 Where there is life,there is hope。有生命必有希望。有生命必有希望 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。第一节第一节 单侧电源网络相间短路的电流保单侧电源网络相间短路的电流保 护护一、电磁型电流继电器及其继电特性一、电磁型电流继电器及其继电特性二、电流速断保护（二、电流速断保护（段）段）三、限时电流速断保护（三、限时电流速断保护（
2、段）段）四、定时限过电流保护（四、定时限过电流保护（段）段）五、阶段式电流保护的应用及对它的评价五、阶段式电流保护的应用及对它的评价六、反时限过电流保护六、反时限过电流保护七、电流保护接线方式七、电流保护接线方式八、三段式电流保护的接线图举例八、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。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一、电磁型
3、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
4、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
5、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）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
6、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 当当 时，继电器根本时，继电器根本不动作不动作;当当 时继电器能够时继电器能够突然迅速的动作，闭合其突然迅速的动作，闭合其触点；在继电器动作以后，触点；在继电器动作以后，只当电流减小到只当电流减小到 ，继电器才能立即突然地，继电器才能立即突然地返回原位，触点重
7、新打开。返回原位，触点重新打开。无论启动和返回，继电器无论启动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，的动作都是明确干脆的，不可能停留在某一个中间不可能停留在某一个中间位置，这种特性称为位置，这种特性称为“继继电特性电特性”。继电特性曲线继电特性曲线 图2-2继电特性曲线 图图2-2 中中 表示继电器动作时固定触点表示继电器动作时固定触点6两两端的电压，端的电压，表示继电器返回时固定触点表示继电器返回时固定触点6两端两端的电压。的电压。返回电流与启动电流的比值称为继电器的返回电流与启动电流的比值称为继电器的返返回系数回系数，可表示为可表示为 （2-7）由于在行程末端存在剩余转矩以及摩擦转矩的影响，
8、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0.850.9。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（二、电流速断保护（段）段）为了满足系统稳定和对重要用户
9、的供电可靠，在保证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。继电保护。对于仅反应电流幅值增大而瞬时动作切除故障的电流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。以图保护，称为电流速断保护。以图2-4（）所示的单侧电（）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，当线路护，当线路A-B上发
10、生故障时，希望保护上发生故障时，希望保护2能瞬时动作，能瞬时动作，而当线路而当线路B-C上故障时，希望保护上故障时，希望保护1能瞬时动作，它们的能瞬时动作，它们的保护范围最好能达到本线路全长的保护范围最好能达到本线路全长的100。但是这种愿望。但是这种愿望能否实现，需要具体分析。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）动作情况以保护以保护2为例，当为例，当A-B线线路末端路末端 点短路时，希望点短路时，希望速断保护速断保护2能够瞬时动作能够瞬时动作切除
11、故障，而当相邻线路切除故障，而当相邻线路B-C的始端（习惯上又称的始端（习惯上又称为出口处）为出口处）点短路时，点短路时，按照选择性的要求，速断按照选择性的要求，速断保护保护2就不应该动作，而就不应该动作，而应由速断保护应由速断保护1切除故障。切除故障。但是实际上，但是实际上，点和点和 点点短路时，从保护短路时，从保护2安装处安装处流过的短路电流的数值几流过的短路电流的数值几乎是一样的。因此，希望乎是一样的。因此，希望 点短路时速断保护点短路时速断保护2能动能动作，而作，而 点短路时保护点短路时保护2又不动作的要求不可能同又不动作的要求不可能同时得到满足。时得到满足。为了解决这个矛盾，通常的方
12、法是优先保证动为了解决这个矛盾，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中，这又称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定。整定。对反应于电流升高而动作的电流速断保护而言，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，以启动电流，以 表示，显然必须当实际的短路电表示，显然必须当实际的短路电流流 时，保护装
13、置才能启动。保护装置的整时，保护装置才能启动。保护装置的整定值定值 是利用电力系统一次侧的参数表示的，所是利用电力系统一次侧的参数表示的，所代表的代表的意义意义是：当在被保护线路的一次侧电流达到是：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这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能够启动。动。对于图对于图24（a）所示的单侧电源供电网络，）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电压之间的相
14、位角一般小于 。由由电力系统暂态分析电力系统暂态分析可知，当供电网络中可知，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。高频分量和非周期分量。由于暂态高频分量所占比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，其近似算式为及工频周期分量，其近似算式为 （2-8）式中式中 系统等效电源的相电势；系统等效电源的相电势；保护安装处到系统等效电源之间的阻抗；保
15、护安装处到系统等效电源之间的阻抗；保护安装处到短路点之间的阻抗；保护安装处到短路点之间的阻抗；短路类型系数，三相短路取短路类型系数，三相短路取1，两相短路，两相短路取取 。在一定的系统运行方式下，在一定的系统运行方式下，和和 等于常数，等于常数，的大小如图的大小如图2-4（b）所示，当）所示，当 、短路时，短路时，；当；当 、短路时，短路时，。此时此时 将随将随 的增大而减小，因此可以经计算后绘出的增大而减小，因此可以经计算后绘出 的的变化曲线，如图变化曲线，如图2-4（c）所示。）所示。当电源开机方式、保护安装处到电源之间电当电源开机方式、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
16、式变化。网的网络拓扑变化时，称为运行方式变化。随随运行方式变化而变化。当系统运行方式及短路类运行方式变化而变化。当系统运行方式及短路类型改变时，型改变时，都将随之变化。对每一套保护装置都将随之变化。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，应根据网络接线的实际情况选取其最保护装置，应根据网络接线的实际情况选取其最大和最小运行方式。大和最小运行方式。在最大运行方式
17、三相短路时在最大运行方式三相短路时 ，通，通过保护装置的短路电流为最大，而在最小方式下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，两相短路时，短路电流为最小。，短路电流为最小。这两种情况下，短路电流的变化如图这两种情况下，短路电流的变化如图2-4（c）中）中的曲线的曲线和和所示。所示。整定计算原则整定计算原则 保护保护1整定计算原则整定计算原则 为了保证电流速断保护动作的选择性，对保为了保证电流速断保护动作的选择性，对保护护1来讲，其启动电流来讲，其启动电流 必须整定得大于必须整定得大于 点点短路时可能出现的最大短路电流，即大于在最大短路时可能出现的最大短路电流，即大于在最大运行方式
18、下变电所运行方式下变电所C母线上三相短路时的电流母线上三相短路时的电流 ，亦即，亦即 （2-9）引入可靠系数引入可靠系数 ，则式（，则式（2-9）可写为）可写为 (2-10)引入可靠系数的引入可靠系数的原因原因是必须考虑非周期分量的影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的实际动作值可能小于整定值和一定的裕度等因素。素。保护保护2整定计算原则整定计算原则按照同样的原则，其启动电流应整定得大于按照同样的原则，其启动电流应整定得大于 点短路时的最大短路电流点短路时的最大短路电流 ，即即
19、(2-11)启启动动电电流流的的整整定定值值与与 无无关关，所所以以在在图图2-4（C）上上是是一一条条直直线线，它它与与曲曲线线和和各各有有一一个个交交点点。在在交交点点以以前前短短路路时时，由由于于短短路路电电流流大大于于启启动动电电流流，保保护护装装置置都都能能动动作作。而而在在交交点点以以后后短短路路时时，由由于于短短路路电电流流小小于于启启动动电电流流，保保护护将将不不能能启启动动。由由此此可可见见，有有选选择择性性的的电电流流速速断保护不可能保护本线路的全长。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
20、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
21、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。电流速断保护优缺点：优点是简单可靠、动作迅速，因而获得了广泛的应用。缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围直接受运行方式变化的影响。
22、三、限时电流速断保护（三、限时电流速断保护（段）段）由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此可以考虑增加一段带时限动作的保护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备，这就是限时电流速断保护 。对这个保护的要求，首先是在任何情况下能保护本线路的全长，并且具有足够的灵敏性；其次力求具有最小的动作时限，在下一条线路短路时，保证下一条线路保护优先切除故障，满足选择性的要求。1、工作原理和整定计算的基本原则 图2-6 限时电流速断动作特性的分析 为了使这一时限尽量短，保护2的限时电流速断不应超出保护1的电流速断的范围，因此在单侧电源供电的情况下，它的启动电流应整定
23、为 （2-13）因为保护2和保护1安装在不同的地点，使用的是不同的电流互感器和继电器，它们之间的特性很难完全一样，因此就必须采用 的整定方法 ，引入可靠系数 ，则得 （2-14）对 ，考虑到短路电流中非周期分量已经衰减，故可选取得比速断保护的 小一些，一般取为1.11.2。2、动作时限的选择 从以上分析中已得出，限时速断的动作时限 应选择得比下一条线路速断保护的动作时限 高出一个时间阶段 ，即 （2-15）从尽快切除故障的观点看，应越小越好，但是为了保证两个保护之间动作的选择性，其值又不能选择的太小。现以线路B-C上发生故障时，保护2与保护1的配合关系为例，说明确定 的原则如下：（1）应包括故
24、障线路断路器QF的跳闸时间 （从操作电流送入跳闸线圈Y的瞬间算起，直到电弧熄灭的瞬间为止），因为在这一段时间里故障并未消除，因此保护2在故障电流的作用下仍处于启动状态。（2）应包括故障线路保护1中时间继电器的实际动作时间比整定值 要大 才能动作（当保护1为速断保护时，保护装置中不用时间继电器，即可不考虑这一影响）。（3）应包括保护2中时间继电器可能比预定的时间提早 动作的负误差。（4）如果保护2中的测量元件（电流继电器）在外部故障切除后，由于惯性的影响不能立即返回，应包括这一延时 。（5）应考虑一定的裕度时间 。考虑这些因素后，则 （2-16）图2-7 限时电流速断动作时限的配合关系 对于机电
25、式时间继电器，因误差大，应选用0.50.6s；对于数字电路构成的时间继电器，由于精度高，选用0.35s左右。（a）和下一条线路的速断保护相配合；（b）和下一条线路的限时速断保护相配合 按照上述原则整定的时限特性如图2-7（a）所示。由图2-7（a）可见，在保护1电流速断范围内的故障，将以 的时间被切除，此时保护2的限时速断虽然可能启动，但由于 较 大一个 ，保护1电流速断动作切除故障后，保护2返回，从时间上保证了选择性。如果故障发生在保护2电流速断范围以内，将以 的时间被切除，而当故障发生在速断的范围以外，同时又在线路A-B的范围以内时，则将以 的时间被切除。由此可见，当线路上装设了电流速断和
26、限时电流速断保护后，它们联合工作就可保证全线路范围内的故障都能够在0.5s或0.35s的时间内予以切除，在一般情况下都能够满足速动性的要求，具有这种性能的保护称为该线路的“主保护”。3、保护装置灵敏性的校验 为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，具有足够的反应能力，这个能力通常用灵敏系数 来衡量。对于反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是 =（2-17）式（2-17）中故障参数（如电流、电压等）的计算值，应根据实际情况合理地采用不利于保护动作的正常（含正常检修）运行方式和不利的故障类型来选定，但不必考虑可能性很小的特殊情况。对
27、保护2的限时电流速断而言，即应采用系统最小运行方式下线路A-B末端发生两相短路电流作为故障参数的计算值。设此电流为 ，代入上式中则灵敏系数为 （2-18）为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，对限时电流速断保护应要求 1.31.5。要求灵敏系数大于1的原因是考虑到当线路末端短路时，可能会出现一些不利于保护启动的因素。而在实际上存在这些因素时，为了使保护仍然能够动作，显然就必须留一定的裕度，不利于保护启动的因素如下：（1）故障点一般不都是金属性短路，而是存在有弧光过渡电阻或接地过渡电阻，它将使短路电流减小，因而不利于保护装置动作；（2）实际的短路电流由于计算误差或其他原因而小于计算值；
28、（3）保护装置所使用的电流互感器，在短路电流通过的情况下，一般都具有负误差，因此使实际流入保护装置的电流小于按额定变比折合的数值；（4）保护装置中的继电器，其实际启动数值可能具有的正误差；（5）考虑一定的裕度。当校验灵敏系数不能满足要求时，就意味着真正发生内部故障时，由于上述因素的影响保护可能启动不了，达不到保护线路全长的目的，这是不允许的。为了解决这个问题，通常都是考虑降低电流速断的整定值，即进一步延伸限时电流速断的保护范围，使之与下一条线路的限时电流速断保护相配合，这样其动作时限就应该选择得比下一条线路限时速断的时限再高一个 ，一般取为0.71.2s，按照这个原则整定的时限特性如图2-7（
29、b）所示，此时 （2-19）因此，保护范围的伸长，必然导致动作时限的升高。4、限时电流速断保护的单相原理接线图图2-8 限时电流速断保护的单相原理接线图它与电流速断保护接线的主要区别是：用时间继电器代替了中间继电器，这样当电流继电器动作后，还必须经过时间继电器的延时 才能动作于跳闸，而如果在 以前故障已经切除，则电流继电器立即返回，整个保护即恢复原状，而不会形成误动作。四、定时限过电流保护（四、定时限过电流保护（段）段）过电流保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置，它在正常运行时不应该启动，而在电网发生故障时则能反应于电流的增大而动作。在一般情况下，它不仅能够保护本线路
30、的全长，而且也能保护相邻线路的全长，以起到后备保护的作用。1、工作原理和整定计算的基本原则 为了保证在正常运行情况下过电流保护绝不动作，显然保护装置的启动电流必须整定得大于该线路上可能出现的最大负荷电流 。然而，在实际上确定保护装置的启动电流时，还必须考虑在外部故障切除后，保护装置是否能够返回的问题。例如：图2-9 选择过电流保护启动电流和动作时间的网络接线图 例如在图2-9所示的网络接线图中，当 点短路时，短路电流将通过保护5、4、3，这些保护都要启动，但是按照选择性的要求应由保护3动作切除故障，然后保护4和5由于电流已经减小而立即返回原位。实际上当外部故障切除后，流经保护4的电流是仍然在继
31、续运行中的负荷电流。除了上述两原则外，还必须考虑到由于短路时电压降低，变电所B母线上所接负荷的电动机被制动，因此，在故障切除后电压恢复时，电动机要有一个自启动的过程，电动机的自启动电流大于正常工作电流。引入一个自启动系数 来表示自启动时的最大电流 与正常运行时最大负荷电流 之比，即 （2-20）保护4和5在这个电流的作用下必须立即返回，为此应使保护装置的返回电流 大于 。引入可靠系数，则 （2-21）由于保护装置的启动与返回是通过电流继电器实现的，因此，继电器返回电流与启动电流之间的关系也就代表着保护装置返回电流与启动电流之间的关系。根据式（2-7）引入继电器的返回系数 ，则保护装置的启动电流
32、为 （2-22）式中 可靠系数，一般采用1.15-1.25；自启动系数，数值大于1，应由网络具体接线和负荷性质确定；电流继电器的返回系数，对机电型继电器一般采用0.85，而对静态型继电器则可采用0.9-0.95。由式（2-22）可见，当 越小时，保护装置的启动电流越大，其灵敏性就越差，这是不利的。这就是为什么要求过电流继电器应有较高的返回系数的原因。2、按选择性的要求整定过电流保护的动作时限 图2-10 单侧电源放射形网络中过电流保护动作时限的选择说明 如图2-10所示，假定在每个电气元件上装有过电流保护，各保护装置的启动电流均按照躲开被保护元件上各自的最大负荷电流来整定，这样当 点短路时，保
33、护15在短路电流的作用下都可能启动，但要满足选择性的要求，应该只有保护1动作切除故障，而保护25在故障切除之后立即返回，这个要求只有依靠使各保护装置带有不同的时限来满足。保护1位于电网的最末端，只要电动机内部故障，它就可以瞬时动作予以切除，即为保护装置本身的固有动作时间。对保护2，为了保证 点短路时动作的选择性，应整定其动作时限 ，引入时间阶段 ，则保护2的动作时限为 保护2的时限确定以后，当 短路时，它将以 的时限切除故障，此时为了保证保护3动作的选择性，又必须整定 ，引入 后，则得 依此类推，保护4、5的动作时限分别为 如果相邻元件不是一个，任一过电流保护的动作时限，为了保证选择性应选择得
34、比相邻各元件保护的动作时限均高出至少一个 。例如图2-9所示的网络中，如果 ，则保护4的动作时限为式中 1号（电动机）保护动作时间；2号（变压器）保护的动作时间；3号（线路B-C）保护的动作时间。这种保护的动作时限，经整定计算确定之后，即由专门的时间继电器予以保证，其动作时限与短路电流的大小无关，因此称为定时限过电流保护。保护的单相式原理接线图与图2-8相同。当故障越靠近电源端时，短路电流越大，而由图2-10可见，过电流保护切除故障的时限反而越长。正是由于这个原因，电网中广泛采用电流速断和限时电流速断作为本线路的主保护，以快速切除故障，而利用过电流保护作为本线路和相邻元件的后备保护。由于它作为
35、相邻元件后备保护的作用是在远处实现的，因此属于远后备保护。由以上分析可以看出，处于电网终端附近的保护装置（如图2-10中的过电流保护1和2），其动作时限并不长，因此，它就可以作为主保护兼后备保护，而无须再装电流速断或限时电流速断保护。3、过电流保护灵敏系数的校验 过电流保护灵敏系数的校验仍采用式（2-16），当过电流保护作为本线路的主保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路电流进行校验，要求 。当作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路电流进行校验，此时要求 。在后备保护之间，只有当灵敏系数和动作时间都相互配合时，才能切实保证动作的选择性，这一点在复杂网络的保
36、护中尤其应该注意。以上要求同样适用于以后要讲的零序段和距离段保护。当过电流保护的灵敏系数不能满足要求时，应该采用性能更好的其它保护方式。五、阶段式电流保护的应用及对它的评价五、阶段式电流保护的应用及对它的评价 由于电流速断保护不能保护线路全长，限时电流速断保护又不能作为相邻元件的后备保护。因此，为保证迅速而有选择性地切除故障，常将电流速断、限时电流速断保护和过电流保护组合在一起，构成阶段式电流保护。具体应用时可以只采用速断保护加过电流保护，或限时速断保护加过电流保护，也可以三者同时采用。图2-11 阶段式电流保护的配合和实际动作时间的示意图图2-11 阶段式电流保护的配合和实际动作时间的示意图
37、 以图2-11所示的网络接线为例予以说明。在电网的最末端是电动机或其他用电设备，保护1采用瞬时动作的过电流保护即可满足要求，其启动电流按躲开电动机最大启动电流整定。在电网的倒数第二级上，保护2首先考虑采用0.5s的过电流保护，如果要求线路C-D上的故障必须快速切除，则可增设一个电流速断保护，此时保护2就是一个速断保护加过流保护的两段式保护。保护3的过电流保护由于要和保护2配合，因此动作时限要整定为0.71.2s，在这种情况下，需要增设电流速断保护和限时电流速断保护，保护3成为三段式，越靠近电源端过电流保护的动作时限就越长，因此都装三段式的保护。具有上述配合关系的保护装置配置情况，以及各点短路时
38、实际切除故障的时间也相应地表示在图2-11的中。由图可见，当全网任何地点发生短路时，如果不发生保护或断路器拒绝动作的情况，则故障都可以在0.350.5s以内予以切除。图2-12 具有电流速断、限时电流速断和过电流保护的单相原理接线图 具有电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护的单相式原理接线图如图2-12所示，电流速断保护部分由继电器13组成，限时电流速断保护部分由继电器46组成，过电流保护部分由继电器79组成，由于三段的启动电流和动作时间整定得均不相同，因此，必须分别使用三个电流继电器和两个时间继电器，而信号继电器3、6和9分别用作发生、段动作的信号。使用段、段或段组成的阶段式电流保护的
39、优缺点优点是简单、可靠，并且在一般情况下能够满足快速切除故障的要求，因此在35kV及以下电压级电网中获得了广泛的应用。缺点是它直接受电网接线以及电力系统运行方式变化的影响，例如整定值必须按系统最大运行方式来选择，而灵敏性则必须用系统最小运行方式来校验，这就使它在110kV及以上电力系统往往不能满足灵敏系数或保护范围的要求。六、反时限过电流保护六、反时限过电流保护 对于反时限过电流保护，当电流大时，保护动作时间短，而当电流小时，动作时限长，其原理接线及动作特性如图2-13（a）和(b)所示。为了获得这一特性，在保护装置中广泛应用了带有转动圆盘的感应型继电器和由静态电路、数值计算等构成的反时限继电
40、器。这种继电器的电流元件和时间元件的职能由同一个继电器来完成，在一定程度上它具有如图2-12所示的三段式电流保护的功能，即近处故障时动作时间短，而远处故障时动作时限随电流减小而自动加长，可以同时满足速动性和选择性的要求。图2-13 反时限过电流保护 （a）原理接线图 ；（b）动作特性 对于图2-13所示的常规反时限特性，一般用启动电流 、瞬时动作电流 和反时性特性曲线 三个参数来描述。常用的反时限过电流继电器的动作特性方程为 （2-23）式中 流入继电器中的电流；时间整定系数；动作时间。由于反时限保护整定配合复杂，因此它主要用于单侧电源供电的终端线路和较小容量的电动机上，作为主保护和后备保护使
41、用。七、电流保护的接线方式七、电流保护的接线方式 电流保护的接线方式就是指保护中电流继电器与电流互感器二次绕组之间连接方式。对相间短路的电流保护，广泛使用的是三相星形和两相星形接线这两种方式。图2-14 三相星形接线方式的原理接线图 三相星形接线方式的原理接线图如图2-14所示，是将三个电流互感器与三个电流继电器分别按相连接在一起，互感器和继电器均接成星形，在中线上流回的电流为 ,正常时此电流约为零，在发生接地短路时则为三倍零序电流 。三个继电器的触点是并联连接的，相当于“或”回路，当其中任一触点闭合后均可动作于跳闸或启动时间继电器等，因此，它可以反应各种相间短路和中性点直接接地电网中的单相接
42、地短路。两相星形接线如图 两相星形接线方式的原理接线图如图2-15所示，用装设在A、C相上的两个电流互感器与两个电流继电器分别按相连接在一起。它和三相星形接线的主要区别在于B相上不装设电流互感器和相应的继电器，因此，它不能反应B相中所流过的电流，在这种接线中中线上流回的电流是 。图2-15 两相星形接线方式的原理接线图 当采用以上两种接线方式时，流入继电器的电流 就是互感器的二次电流 ，设电流互感器的变比为 ，则 。因此，当保护装置的启动电流整定为 时，则反应到继电器上的启动电流即应为 （2-24）现对上述两种接线方式在各种故障时的性能进行分析比较 1、中性点直接接地电网和非直接接地电网中的各
43、种相间短路 相同之处：均能正确反应这些故障；不同之处：三相星形接线方式在各种两相短路时，均有两个继电器动作，而两相星形接线方式在AB和BC相间短路时只有一个继电器动作。2、中性点非直接接地电网中的两点接地短路 图2-16 串联线路上的两点接地示意图 由于中性点非直接接地电网中（不包括中性点经小电阻接地的电网，以下同），允许单相接地时继续短时运行，因此，希望只切除一个故障点。例如，在图2-16所示的串联线路上发生两点接地短路时，希望只切除距电源较远的线路B-C，而不切除线路A-B，以便继续保证对变电站B的供电，当保护1和保护2均采用三相星形接线时，由于两个保护之间在定值和时限上都是按照选择性的要
44、求配合整定的，因此，就能够100%地只切除线路B-C。而如果采用两相星形接线，则当接地点在B相上时，保护1就不能动作，只能由保护2动作切除线路A-B，因而扩大线路B-C的停电范围。由此可见，这种接线方式在不同相别的两点接地组合中，将有 的机会无选择性地切除前面一条线路。图2-16 串联线路上的两点接地示意图图2-17 并联线路上的单相接地示意图又如图2-17所示，在变电所引出的并联线路上，两点发生单相接地短路时，希望任意切除一条线路即可。当保护1和2均采用三相星形接线时，两套保护均将启动；如果保护1和2的时限整定得相同，即 ,则保护1和2将同时动作切除两条线路。如果采用两相星形接线，只要某一条
45、线路上具有B相一点接地，由于B相未装保护，因此该线路就不被切除。即使出现 的情况，也能保证有 的机会只切除非B相的另一条线路。由表2-1说明保护的动作情况。3、对Yd11接线变压器一侧两相短路，另一侧短路电流的分析 图2-18 Yd11接线降压变压器两相短路时的电流分析（a）接线图；（b）电流分布图；（c）三角形侧电流相量图；（d）星形侧电流相量图 现以图2-18（a）所示的Yd11接线的降压变压器为例，分析三角形侧发生A-B两相短路时在星形侧的各相电流关系。在故障点 ，设三角形侧各相绕组中的电流分别为 ，和 ，从图2-18(b)的短路点看进去，恰是a相绕组与c相绕组正向串联，然后与b相绕组反
46、向并联的等值电路，由此可以求出 （2-25）根据变压器的工作原理，即可求得星形侧电流关系为 （2-26）图2-18（b）为按规定的电流正方向画出的电流分布图，2-18（c）为三角形侧的电流相量图，2-18（d）为星形侧的电流相量图。当过电流保护接于降压变压器的高压侧作为低压侧线路故障的后备保护时，如果保护是采用三相星形接线，则接于B相的继电器由于有较其他两相大一倍的电流，因此灵敏系数增大一倍，这是十分有利的。如果保护用两相星形接线，则由于B相上没有装设继电器，因此，灵敏系数只能由A相和B相的电流决定，在同样的情况下，其数值要比采用三相星形接线时降低一半。为了克服这个缺点，可以在两相星型的接线上
47、再接一个继电器，如图2-18（a）所示，其中流过的电流为 ，即为 ，因此利用这个继电器就能提高灵敏系数。4、两种接线方式的应用 根据以上的分析和比较，三相星形接线广泛应用于发电机、变压器等大型贵重设备的保护中，因为它能提高保护动作的可靠性和灵敏性。在中性点非直接接地电网中，两点接地短路发生在图2-17所示的线路上的可能性要比发生在图2-16的可能性大得多。因此采用两相星形接线可以在图2-17的情况下保证有 的机会只切除一条线路，就这一点而言，两相星形接线比三相星形接线有优越性。当电网中的电流保护采用两相星形接线方式时，应在所有的线路上将保护装置安装在相同的两相上（一般都装于A、C相上），以保证
48、在不同线路上发生两点及多点接地时能切除故障。八、三段式电流保护的接线图举例八、三段式电流保护的接线图举例 图2-19 三段式电流保护接线图（a）原理图；（b）交流回路展开图；（c）直流回路展开图 继电保护的接线图一般可以用原理图和展开图两种形式来表示。图2-19（a）所示原理接线图包括装置的所有元件，每个继电器的线圈和触点都画在同一个图形内，所有元件都有图形符号和设备文字符号标准，如图中TA表示电流互感器，KA表示电流继电器，KM表示中间继电器，KT表示时间继电器，KS表示信号继电器，XB表示连接片等。原理接线图对整个保护的工作原理能给出一个完整的概念，使初学者容易理解，但是交直流回路合在一张
49、图上，接线较复杂，有时难以进行回路的分析和检查。展开图中交流回路和直流回路是分开表示的，分别如图2-19（b）和(c)所示。其特点是每个继电器的线圈和触点根据实际动作情况分别画在图中不同的位置上，但仍用同一个设备文字符号来标注，以便查对。在展开图中继电器线圈和触点的连接尽量按照故障后动作顺序，自左而右、自上而下地依次排列。展开图接线简单，层次分明，在掌握了其构成原理以后，便于阅读和检查，因此在生产中得到了广泛的应用。图2-19给出了一个三段式电流保护的原理接线图和相应展开图的例子，以便对照学习。图中电流速断保护和限时电流速断保护采用两相星形的接线方式，而过电流保护采用图2-18（a）所示接线，
50、以提高在Yd11接线变压器后面两相短路时的灵敏性。每段保护动作后都有自己的信号指示。在每段保护动作跳闸的回路中分别设有连接片XB，以便根据运行需要临时停用任一段的保护。图2-19（a）中Y表示短路器的跳闸线圈，QF表示断路器,Y右边为断路器的位置辅助触点，图（c）中QF表示断路器的位置辅助触点。图2-19中继电器触点的位置，对应于被保护线路的正常工作状态。第二节第二节 双侧电源网络相间短路的方向电流双侧电源网络相间短路的方向电流保护保护一、方向性电流保护的工作特性一、方向性电流保护的工作特性二、二、功率方向继电器的工作原理功率方向继电器的工作原理三、集成电路型功率方向继电器三、集成电路型功率方