第2章电网的电流电压保护.ppt

第2章 电网的电流、电压保护 和方向性电流、电压保护,第一节 单侧电源网络相间短路的电流、电压保护电磁型电流继电器无时限电流速断保护限时电流速断保护定时限过电流保护三段式电流保护的应用电流保护的接线方式第二节 电网相间短路的方向性电流保护方向性电流保护的基本原理功率方向继电器的工作原理相间短路功率方向继电器的接线方式对方向性电流保护的评价,第三节 大接地电流系统的零序保护零序电压过滤器零序电流过滤器零序电流速断（零序I 段）保护零序过电流（零序段）保护方向性零序电流保护对零序电流保护的评价第四节 小接地电流系统的零序保护中性点不直接接地电网中单相接地故障的特点中性点经消弧线圈接地电网中单相接地故障的特点中性点不接地电网中单相接地的保护,1、电磁型电流继电器 电磁型电流继电器的工作原理可用图2 一1 说明。在线圈1 中的电流I，产生磁通，它将通过由铁心、空气隙和可动舌片组成的磁路。舌片被磁化后，即与铁心的磁极产生电磁吸力，企图吸引舌片向左转动，在它上面装有继电器的可动触点5，当电磁吸力足够大时，即可吸动舌片并使触点接通，称为继电器“动作”。图22 示出的电网中实际使用了半个世纪的电磁型电流继电器的结构。,第1节 单侧电源网络相间短路的电流、电压保护,图2 一1 电磁型电流继电器的原理结构,电网发生相间短路时，一个明显的特征就是故障相电流突然增大，因此，通过检测电流的变化可以判定故障的发生，这就是作为故障测量元件之一的电流继电器的功能。电流继电器是实现电流保护的基本元件，也是反映一个电气量而动作的简单继电器的典型。无论何种类型的电流继电器，它们总有一个动作电流()和一个返回电流()。动作电流:能使继电器动作的最小电流值。当继电器的输入电流 时，继电器根本不动作;而当 时，继电器能够突然迅速地动作。返回电流:能使继电器返回原位的最大电流值。在继电器动作以后，当电流减小到 时，继电器能立即突然地返回原位。无论启动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置。这种特性称之为“继电特性”。,返回系数:即继电器的返回电流与动作电流的比值。可表示为：,显然，反映电气量增长而动作的继电器（如电流继电器）的Kre小于1，而反映电气量降低而动作的继电器（如低电压继电器），其K re必大于1。在实际应用中，常常要求电流继电器有较高的返回系数，如0.80.9。,2、无时限电流速断保护 无时限电流速断保护又称为 段电流保护或瞬时电流速断保护。根据对继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间，必须满足系统稳定和保证重要用户供电可靠性、在简单、可靠和保证选择性的前提下，原则上总是越快越好。因此，应力求装设快速动作的继电保护，无时限电流速断保护就是这样的保护。它是反映电流增大而瞬时动作的电流保护，故又简称为电流速断保护。以图2.3所示的单侧电源网络接线为例，假定在每条线路上均装有电流速断保护，则当线路AB上发生故障时，希望保护2能瞬时动作，而当线路BC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。但这种希望能否实现，还需具体分析.,图2.3电流速断保护动作特性的分析,由图2.3所示，以保护2为例。当本线路末端K1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BC 出口处（即BC线路的始端）K2点短路时，按照选择性的要求，速断保护2就不应该动作，因为该处的故障应由速断保护1动作切除。实际上，K1点和K2点短路时，从保护2安装处所流过短路电流的数值几乎是一样的。因此，希望K1点短路时速断保护2能动作，而K2点短路时又不动作的要求不可能同时得到满足。同理，保护1 也无法区别K3和K4点的短路，这就产生了矛盾。为解决这个矛盾，可采取两种办法：第一，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保护不启动，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；第二，当快速切除故障为首要条件时，就采用无选择性的电流速断保护，而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。此处重点介绍优先保证选择性的电流速断保护。,根据电力系统短路的分析，当电源电势一定时，短路电流的大小决定于短路点和电源之间的总阻抗，三相短路电流可表示为：,式中：E系统等效电源的相电势；Zk短路点至保护安装处之间的阻抗；Zs保护安装处到系统等效电源之间的阻抗,由式（2.2）可见，在一定的系统运行方式下，和Zs是常数，流过保护的三相短路电流 i 将随Zk的增大而减小，因此，可以经计算后绘出Ikf(l）的变化曲线，如图2.3所示。当系统运行方式及故障类型改变时，Ik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。对于不同安装地点的保护装置，应根据网络接线的实际情况，选取最大和最小运行方式。在系统最大运行方式下发生三相短路故障时，通过保护装置的短路电流为最大；在系统最小运行方式下发生两相短路时，则短路电流为最小。这两种情况下短路电流的变化如图2.3中的曲线和所示。,为了保证电流速断保护动作的选择性，对于保护1，其启动电流必须整定得大于K4 点短路时可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下变电所C 母线上三相短路时的电流,式中：考虑短路电流计算误差、继电器动作电流误差、短路电流中非周期分量的影响和必要的裕度而引入的大于1 的系数。,对于保护2，按照同样的原则，其启动电流应整定得大于K2点短路时的最大短路电流，即,启动电流与Zk无关，即与L无关，所以在图2.3上是直线，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。对应这两点，保护有最大和最小保护范围。由此可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。,因此，速断保护对被保护线路内部故障的反映能力（即灵敏性），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2.3可见，当系统为最大运行方式且发生三相短路故障时，电流速断的保护范围为最大，当出现其他运行方式或两相短路时，速断的保护范围都要减小，而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。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验其保护范围。规程规定，最小保护范围不应小于线路全长的1520。无时限电流速断保护的单相原理接线如图2.4所示。它是由电流继电器（测量元件）1、中间继电器2和信号继电器3 组成。,图2.4 无时限电流速断保护的单相原理接线图,正常运行时，负荷电流流过线路，反映电流继电器中的电流小于1的启动电流，1不动作，其常开触点是断开的，2常开触点也是断开的，信号继电器3 线圈和断路器QF跳闸线圈中无电流，断路器主触头闭合处于送电状态。当线路短路时，短路电流超过保护装置的启动电流，电流继电器1常开触点闭合启动中间继电器2,2常开触点闭合将正电源接人3的线圈，并通过断路器的常开辅助触点QFI，接到跳闸线圈YR构成通路，断路器QF执行跳闸动作，QF跳闸后切除故障线路。中间继电器2 的作用，一方面是利用2 的常开触点（大容量）代替电流继电器1的小容量触点，接通YR线圈；另一方面是利用带有0.06 一0.08s延时的中间继电器，以增大保护的固有动作时间，躲过管型避雷器放电时间（一般放电时间可达0.040.06s)，以防止避雷器放电引起保护误动作。信号继电器3 的作用是用于指示该保护动作，以便运行人员处理和分析故障。,无时限电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的应用。它的缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。当系统运行方式变化很大，或者被保护线路的长度很短时，无时限电流速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。如图2.5 所示，当系统运行方式变化很大时，保护2 电流速断按最大运行方式下保护选择性的条件整定以后，在最小运行方式下就没有保护范围。图2.6 所示为被保护线路长短不同的情况。当线路较长时，其始端和末端短路电流的差别较大，因而短路电流变化曲线比较陡，保护范围比较大，如图（a）所示；而当线路较短时，由于短路电流曲线变化平缓，速断保护的整定值在考虑了可靠系数以后，其保护范围将很小，甚至等于零，如图（b）所示。,图2.5系统运行方式的变化对电流速断保护的影响,图2.6被保护线路长短不同对电流速断保护的影响,在个别情况下，有选择地电流速断也可以保护线路的全长，例如，当电网的终端线路上采用线路一变压器组的接线方式时（如图2.7所示），由于线路和变压器可以看成一个元件，而速断保护就可以按照躲开变压器低压侧出口处K1点的短路来整定，由于变压器的阻抗一般较大，因此，K1点的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断就可以保护线路AB的全长，并能保护变压器的一部分。当系统运行方式变化很大时，无时限电流速断保护的保护范围可能很小，甚至没有保护区。为了在不延长保护动作时间的条件下，增加保护范围，提高灵敏度，可采用电流电压联锁速断保护。它是兼用短路故障时电流增大和电压下降两种特征，以取得本线路故障的较高灵敏度和防止下一级线路故障时的误动作。电流电压联锁速断保护的单相原理接线如图2.8所示。由电压互感器TV供给低电压继电器以母线残压，由电流互感器TA供给电流继电器1 以相电流，只有当低电压继电器和电流继电器同时动作时，才能启动中间继电器2，从而启动信号继电器3，至断路器的跳闸线圈YR，执行跳闸动作。,图2.7 线路一变压器组的电流速断保护,图2.8电流电压联锁速断保护的单相原理接线图,图2.中表示了沿线路AB 各点发生相间短路时的短路电流Ik和母线残压Uk，其中，曲线1、4 是最大运行方式，2、5 是经常运行方式，3、6 是最小运行方式。电流电压联锁速断保护的一种整定原则是确保在经常运行方式下有较大的保护范围。例如，被保护线路全长为L，经常运行方式的保护区L=75%L，取电流继电器的动作电流为:,继电器的动作电压应取为：式（2.6）即经常运行方式下线路K 点三相短路时的残余线电压。,图2.9 电流电压联锁速断保护的动作特性分析,3 限时电流速断保护,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，可考虑增加一段新的保护，用来切除本线路上速断范围以外的故障，同时也能作为速断的后备，这就是限时电流速断保护，又称为段电流保护。对这个新设保护的要求，首先是在任何情况下都能保护本线路的全长，并具有足够的灵敏性，其次是在满足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限。正是由于它能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障，因此，称之为限时电流速断保护。,（l）工作原理和整定计算的基本原则,由于要求限时电流速断保护必须保护本线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下一条线路中去，这样当下一条线路出口处发生短路时，它就要误动。为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，此时限的大小与其延伸的范围有关。为尽量缩短此时限，首先规定其整定计算原则为限时电流速断的保护范围不超出下一条线路电流速断的保护范围；同时，动作时限比下一条线路的电流速断保护高出一个 的时间阶段，如图2.10 所示.,图2.10 单侧电源线路限时电流速断保护的配合整定图,启动电流整定为：,（2）动作时限的计算,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，其值又不能选择得太小，,式中：故障线路断路器的跳闸时间，即从操作电流送入 跳闸线圈TQ 的瞬间算起，直到电弧熄灭的瞬间为止；考虑故障线路保护1 中的时间继电器实际动作时间比整定值要大；考虑保护2 中的时间继电器可能比预定的时间提早；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而延迟返回的惯性时间；裕度时间。,按上式计算，的数值一般为0.350.6s，通常取0.5s。按此原则整定的时限特性如图2.10。在线路上装设了电流速断和限时电流速断保护以后，它们的联合工作就可以保证全线路范围内的故障都能在0.5s 的时间内予以切除，在一般情况下都能满足速动性的要求。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。对保护2 限时电流速断而言，的计算公式为：,图2.11 限时电流速断保护的单相原理接线图,4 定时限过电流保护,无时限电流速断保护可无时限地切除故障线路，但它不能保护线路的全长。限时电流速断保护虽然可以较小的时限切除线路全长上任一点的故障，但它不能作相邻线路故障的后备。因此，引入定时限过电流保护，又称为段电流保护，它是指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，它不仅能保护本线路的全长，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,为保证在正常运行情况下过电流保护不动作，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，保护装置应能立即返回。在如图2.12 所示的单侧电源网络接线中，当K1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。,图2.12 定时限过电流保护启动电流和动作时限的配合,式中：一般取为1.5-3。,当外部故障切除后，流经保护4 的电流是仍然在继续运行中的负荷电流。另外，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，电动机有一个自启动的过程。电动机的自启动电流要大于它正常工作的电流，因此，引入一个自启动系数来表示自启动时最大电流 与正常运行时最大负荷电流 之比，即,为保证过电流保护在正常运行时不动作，其启动电流 应大于最大负荷电流。为保证在相邻线路故障切除后保护能可靠返回，其返回电流应大于外部短路故障切除后流过保护的最大自启动电流，即,由式（.1)，引入返回系数，得,即得：,式中：可靠系数，考虑继电器启动电流误差和负荷电流计算不准确等因素而引入的大于1 的系数，一般取1.151.25;返回系数，一般取0.85。由上式可见，当 减小时，保护装置的启动电流越大，因而其灵敏性越差，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。,最大负荷电流必须按实际可能的严重情况确定。例如，图2.12(a)所示的平行线路，应考虑某一条线路断开时另一条线负荷电流增大一倍；图2.12(b)所示的装有备用电源自动投入装置（BZT）的情况，当一条线路因故障断开后，BZT动作将QF投入时，应考虑另一条线路出现的最大负荷电流。,图2.12 最大负荷说明图,(2)按选择性的要求整定定时限过电流保护的动作时限,如图2.13 所示，假定在每条线路上均装有定时限过电流保护，各保护装置的启动电流均按照躲开被保护线路上的最大负荷电流来整定。当K1点短路时，保护15在短路电流的作用下都可能启动，但按照选择性的要求，应该只有保护1 动作，切除故障，而保护25在故障切除后应立即返回。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位于线路的最末端，只要电动机内部发生故障，它就可以瞬时动作给予切除，t1即为保护装置本身的固有动作时间。对保护2来讲，为了保证K1点短路时动作的选择性，则应整定其动作时限t2 t1，引入t，则保护2 的动作时限为：,依此类推，保护4、5 的动作时限分别为：,保护2的动作时限确定以后，当k2点短路时，它将以t2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t3t2，引入t后，得：,图2.13 单侧电源串联线路中各过电流保护动作时限的确定,一般说来，任一过电流保护的动作时限，应选择比下一级线路过电流保护的动作时限至少高出一个t，只有这样才能充分保证动作的选择性。如在图2.12，对保护4而言应同时满足以下要求：t4=t1t t4=t3t t4=t2t 式中：t1保护l的动作时限；t2保护2的动作时限；t3保护3的动作时限;,当故障越靠近电源端时，短路电流越大，而由以上分析可见，此时过电流保护动作切除故障的时限反而越长，这是一个很大的缺点，因此，在电网中广泛采用电流速断和限时电流速断来作为线路的主保护，以快速切除故障，利用过电流保护来作为本线路和相邻元件的后备保护,由于它作为相邻元件的后备保护的作用是在远处实现的，因此它属于远后备保护。由以上分析也可以看出，处于电网终端附近的保护装置（如图2.13 中的保护1或2)，其过电流保护的动作时限并不长，在这种情况下，它就可以作为主保护兼后备保护，而无须再装设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类似式（2.10)，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时的电流进行校验，要求；作为相邻线路的后备保护时，应采用最运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流进行校验，此时要求。,此外，在各个过电流保护之间，还必须要求灵敏系数相互配合，即对同故障点而言，要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数。如图2.14所示，当k1点短路时，应要求各保护的灵敏系数之间有下列关系：,5 三段式电流保护的应用,电流速断、限时电流速断和过电流保护都是反映电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择启动电流。速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时电流速断是按照躲开下一级相邻元件电流速断保护的动作电流整定，而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。由于电流速断不能保护线路全长，限时电流速断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地切除故障，常将电流速断、限时电流速断和过电流保护组合在一起，构成三段式电流保护。,图2.14 分段式电流保护的配合和实际动作时间的示意图,图2.15 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,具有上述配合关系的保护装置配置情况，以及各点短路时实际切除故障的时间也相应地表示在图上。由图2.14可见，当全网任何地点发生短路时，则故障都可以在0.5s以内的时间予以切除。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如图2.15所示，电流速断部分由继电器13组成，限时电流速断部分由继电器4 一6 组成，过电流保护部分则由继电器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则分别用以发出、段动作的信号。使用段、段或段组成的阶段式电流保护，其最主要的优点就是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。因此，在电网中特别是在35kV及以下的较低电压的网络中获得了广泛的应用。,6 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线圈之间的连接方式。对于相间短路的电流保护，基本接线方式有3种：三相三继电器的完全星形接线方式、两相两继电器的不完全星形接线方式、两相一继电器的两相电流差接线方式。,图2.16 三相完全星形接线方式的原理接线图,1、完全星形接线（如图2.16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。2、不完全星形接线（如图2.17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，它和完全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，它不能反映B 相中所流过的电流。多用于中性点非直接接地系统，构成相间短路保护。,图2.17 两相不完全星形接线方式的原理接线图,两相不完全星形接线动作情况,（1）对中性点直接接地电网中的单相接地短路,在中性点直接接地的电网中发生单相接地短路故障时，要求保护切除故障线路。在此情况下，如果采用三相完全星形接线，则可以反映任一相的接地短路而动作于跳闸。对于后两种方式，由于在B 相上没有装设电流互感器和继电器，因此就不能反映B 相的接地。实际上，对于接地故障采用专用接地保护。,（2）对中性点非直接接地电网中的两点接地短路,在中性点非直接接地电网中某相上一点接地以后，由于电网上可能出现弧光接地过电压，因此，在绝缘薄弱的地方就可能发生一相上的第二点接地，这样就出现了两相经过大地形成回路的两点接地短路。而由于在中性点非直接接地电网中，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2.18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那条线路BC，而不要切除线路AB，这样可以继续保证对变电所B的供电。,图2.18 串联线路上两点接地的示意图,图2.19 两点异地接地示意图,(3)对Y、接线变压器后面的两相短路,在实际的电力系统中，大量采用Y 11接线的变压器，并在变压器的电源侧装设一套电流保护，以作为变压器的后备保护。,图2.20 Y 一11 接线降压变压器短路时电流分布及过电流保护的接线(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2.20(a)所示的Y 11接线的降压变压器为例，分析侧发生A、B 两相短路时的电流关系。在故障点，,设 侧各相绕组中的电流分别为 并设变压器变比nT=1，则：,根据变压器的工作原理，即可求得Y 侧电流的关系为,如果保护是采用三相完全星形接线，则接于B相上的继电器由于流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。如果保护采用的是两相不完全星形接线，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C相的电流决定，在同样的情况下，其数值要比采用三相完全星形接线时降低一半。为了克服这个缺点，可以在两相不完全星形接线的中线上再接入一个继电器（如图2.20(a)所示）。利用这个继电器就能提高灵敏系数。,第2节 电网相间短路的方向性电流保护,2.1 方向性电流保护的基本原理,问题的提出：前节所介绍的三段式电流保护是以单侧电源网络为基础分析的，各保护都安装在被保护线路靠近电源的一侧，发生故障时短路功率（一般指短路时某点电压与电流相乘所得的感性功率，在无串联电容、也不考虑分布电容的线路上短路时，认为短路功率从电源流向短路点）从母线流向被保护线路的情况下，按照选择性的条件来协调配合工作。随着电力工业的发展和用户对连续供电的要求，由原来的单侧电源供电的辐射型电网发展为多电源组成的复杂网络或单电源环网。因此，上述简单的保护方式不能满足系统运行的要求。,图2.21 双侧电源供电网络(a)k1点短路时的电流分布；(b)k2 点短路时的电流分布；(c)各保护功率方向的规定；(d)方向过电流保护的阶梯形时限特性,分析双侧电源供电情况下所出现的这一新矛盾可以发现，凡发生误动作的保护都是在自己所保护的线路反方向发生故障时，由对侧电源供给的短路电流所引起的。对误动作的保护而言，实际短路功率的方向都是由线路流向母线，这与其所保护的线路故障时的短路功率方向相反。因此，为了消除这种无选择的动作，就需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件，该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，从而使继电保护的动作具有一定的方向性。由此可见，方向性继电保护的主要特点就是在原有保护的基础上增加一个功率方向判别元件，以保证在反方向故障时把保护闭锁使其不致误动作。,图2.22方向过电流保护的单相原理接线图,2.2 功率方向继电器的工作原理,图2.23 方向继电器工作原理的分析(a）系统网络接线图；(b)K1 点短路；(c)K 2点短路,k1点短路：k2点短路：,对继电保护中方向继电器的基本要求是：应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障时，能可靠动作；而在反方向故障时，可靠不动作；故障时继电器的动作有足够的灵敏度。,方向性电流保护要解决的核心问题就是要判别短路电流或短路功率的方向，只有当它们的方向由母线指向线路时（电力系统规定此方向为“正方向”)，才允许保护动作。众所周知，交流电流的方向是呈周期性变换的，没有固定的方向。但是，交流电流与电压的相位关系随着短路电流方向的不同而有不同的固定关系。,反方向短路时，如图2.24(c)所示，继电器中电压、电流之间的相角为：,对于A 相的功率方向继电器，加入电压和电流时，则当正方向短路时，如图2.23(b)所示，继电器中电压、电流之间的相角为：,一般地，当功率方向继电器的输人电压和电流的幅值不变时，其输出值随两者间相位差的大小而改变，输出为最大时的相位差称为继电器的最大灵敏角。为了保证正方向故障时（即 范围内变化），继电器都能可靠动作，继电器动作的角度范围通常取为 其动作方程可以写为：,图2.24 功率方向继电器的工作原理,如果用 表示 超前于 的角度，并用功率的形式表示，则,采用这种特性和接线的继电器时，在其正方向出口附近发生三相短路、A、B 或C、A 两相接地短路，以及A 相接地短路时，由于 或数值很小，使继电器不能动作，称为继电器的“电压死区”。当上述故障发生在死区范围以内时，整套保护将要拒动，这是一个很大的缺点。,为了减小和消除死区，在实际应用中广泛地采用非故障相的相间电压作为参考量去判别电流的相位。例如，对A 相的功率方向继电器加入电流 和电压，此时，当正方向短路时，反方向短路时，图2.25为 的情况，在这种情况下，继电器的最大灵敏角应设计为,动作特性如图2.24(b)所示，其动作方程为：引入,习惯上采用 称为功率方向继电器的内角，则上式变为：,如用功率的形式表示,对A 相的功率方向继电器而言，可具体表示为：,2.3 相间短路功率方向继电器的接线方式,功率方向继电器的接线方式，是指它与电流互感器和电压互感器的连接方式，即加入继电器的电压和电流的一定组合方式。对于相间短路保护用的功率方向继电器，为满足上述要求，广泛采用90 度接线方式。这种接线方式的功率方向继电器，所加电流和电压列于表2.3 中。所谓“90度 接线”，是指三相对称且功率因数为1的情况下，各相功率方向继电器所加电流和电压间的相位差为90 度。,图2.25 功率方向继电器的90度接线,图2.26 三相短路的90度接线分析图,（1）三相短路 A 相功率方向继电器的动作条件为：,为了使继电器工作在最灵敏的条件下，应使，即要求。因此，如果线路的阻抗角，则应取内角；如果，则应取内角 等。故功率方向继电器应有可以调整的内角，其大小决定于功率方向继电器的内部参数。,(2）两相短路,图2.27 B、C 两相短路的系统接线图,图2.28 保护安装地点出口 处B、C 两相短路时的相量图,保护安装地点的电压此时，对于A相功率方向继电器，Ia0,因此，保护不动作此时，对于B相继电器，动作条件应为,对于C相继电器，动作条件应为,对于两相短路时的分析，为了保证在 的范围内，继电器均能动作，就要选择内角,短路点远离保护安装地点，且系统容量很大，此时，则相量图如图2.31 所示，保护安装地点的电压,图2.29 远离保护安装地点B、C 两相短路时的相量图,对于B 相继电器，由于电压，较出口处短路时相位滞后30度，因此，则动作条件应为：,因此、当,时，继电器能够动作的条件为：,。,对于C相继电器，由于电压，较出口处短路时相位超前30度，因此，则动作条件应为：,因此、当 时，继电器能够动作的条件为：,综合以上两种情况可得出，在正方向任何地点两相短路时，B 相继电器能够动作的条件是,C 相继电器为；反方向短路时，电流向量位于非动作区，功率方向继电器不会动作。,综上所述，采用900接线方式，除在保护安装出口处发生三相短路时出现死区外，对于线路上发生的各种相间短路均能正确地动作。当,时，继电器能够动作的条件是,通常厂家生产的继电器直接提供了 两种内角，这就满足了上述要求。,(3）按相启动 当电网中发生不对称故障时，在非故障相中仍然有电流流过，这个电流就称为非故障相电流，它可能使非故障相的方向元件误动作。现以发生两相短路为例，分析非故障相电流对保护的影响 在图2.32中线路BC上K点发生两相短路时，B、C两相中有短路电流流向故障点，而非故障相（A相）有负荷电流流过保护1，则保护l中A相功率方向继电器P将发生误动作。需要利用整定值躲过。,图 2.32两相短路电流对非故障相电流的影响,(4)90度接线方式的评价,优点：适当选择继电器的内角a，对线路上发生的各种相问短路都能保证正确地判断短路功率的方向，而不致误动作；各种两相短路均无电压死区，因为继电器接入非故障相间电压，其值很高；由于接入继电器的相间电压，故对三相短路的电压死区有一定的改善；如果再采用电压记忆回路。一般可以消除三相短路电压死区。缺点：连接在非故障相电流上的功率方向继电器，可能在两相短路或单相接地短路时误动作。,2.4 对方向性电流保护的评价,图2.30 双侧电源线路上电流速断保护的整定,1）助增电流的影响,分支线路中有电源，此时，故障线路中的短路电流 将大于,其值为。这种使故障线路电流增大的现象称为助增。有助增以后的短路电流分布曲线如图2.34 所示。保护2 限时电流速断的整定值应为：,图2.31 有助增电流时限时电流速断保护的整定,2）外汲电流的影响,分支线路为一并联线路，此时故障线路中的电流 将小于，其关系为，这种使故障线路中电流减小的现象称为外汲。此时，分支系数 Kbl，短路电流的分布曲线如图2.35 所示。,以上分析可见，在继电保护中应力求不用方向元件。实际上，是否能够取消方向元件而同时又不失掉动作的选择性，将根据电流保护的工作情况和具体的整定计算来确定。,图2.32 有外汲电流时限时电流速断保护的整定,第3节 大接地电流系统的零序保护,电力系统中性点的工作方式有：中性点直接接地、中性点不接地和中性点经消弧线圈接地。中性点的接地方式是综合考虑供电的可靠性、系统绝缘水平、系统过电压、继电保护的要求、对通信线路的干扰以及系统稳定运行的要求等因素确定的。一般110kV 及以上电压等级电网都采用中性点直接接地方式，3-35kV 的电网采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。当中性点直接接地的电网（又称大接地电流系统）中发生短路时，将出现很大的零序电流，而在正常运行情况下它们是不存在的。因此，利用零序电流来构成接地短路的保护，就有显著的优点。,图2.33 接地短路时的零序等效网络(a）系统接线；(b）零序网络；(C）零序电压的分布；(d）忽略电阻时的相量图；(e）考虑电阻时相量图（设）,零序分量的参数具有如下特点,故障点的零序电压最高，系统中距离故障点越远处的零序电压越低，零序电压的分布如图2.33(c)所示，在变电所A母线上零序电压为，变电所B母线上零序电压为。由于零序电流是 产生的，当忽略回路的电阻时，按照规定的正方向画出零序电流和电压的相量图，如图2.33(d）所示，;而考虑回路电阻时，例如，取零序阻抗角，如图2.33(e）所示，。对于发生故障的线路，两端零序功率的方向与正序功率的方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。从任一保护（例如保护1）安装处的零序电压与电流之间的关系看，由于A母线上的零序电压实际上是从该点到零序网络中性点之间零序阻抗上的电压降，因此，可表示为：在电力系统运行方式变化时，如果送电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。,2.3.1 零序电压过滤器,图2.34 取得零序电压的接线图(a）用三个单相式电压互感器；(b）用三相五柱式电压互感器；(c）用接于发电机中性点的电压互感器；(d）在集成电路保护装置内部合成零序,2.3.2 零序电流过滤器,图2.35 零序电流过滤器(a）原理接线；(b）等效电路,图2.36 电流互感器的等效电路,因此，零序电流过滤器的等效回路可用图2.35(b）来表示，此时流入继电器的电流为,在正常运行和不接地的相间短路时，三个电流互感器一次侧电流的相量和必然为零，因此，流入继电器中的电流为,图2.37 零序电流互感器接线示意图,2.3.3 零序电流速断（零序I 段）保护,零序电流速断保护的整定原则如下：躲开下一条线路出口处单相或两相接地短路时可能出现的最大零序电流，引入可靠系数（一般取为1.21.3)，即为：躲开断路器三相触头不同期合闸时所出现的最大零序电流，引入可靠系数 即为：如果保护装置的动作时间大于断路器三相不同期合闸的时间，则可以不考虑这一条件整定值应选取其中较大者。,当线路上采用单相自动重合闸时，按上述条件、整定的零序I 段，往往不能躲开在非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流，如果按这一条件整定，则正常情况下发生接地故障时，其保护范围又要缩小，不能充分发挥零序段的作用。因此，为了解决这个矛盾，通常可设置两个零序I 段保护，一个是按条件 或 整定（由于其定值较小，保护范围较大，因此称为灵敏段），其主要任务是对全相运行状态下的接地故障起保护作用，具有较大的保护范围，而当单相重合闸启动时，则将其自动闭锁，需待恢复全相运行时才能重新投入。另一个是按条件 整定，即按躲过非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流（由于它的定值较大，因此称为不灵敏段），装设它的主要目的是为了在单相重合闸过程中，其他两相又发生接地故障时，用于弥补失去灵敏段的缺陷，尽快地将故障切除。灵敏系数的校验，按照电流保护的方式。,2.3.4 零序电流限时速断（零序段）保护,零序段的启动电流应整定为：,零序段的灵敏系数应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流来效验，并应满足 的要求。当下一条线路比较短或运行方式变化比较大，不能满足对灵敏系数的要求时，可以考虑用其他方式解决。,使零序段保护与下一条线路的零序段相配合，时限再高出一个t，取为1.2s。保留0.5s的零序段，同时再增加一个按整定的保护，这样保护装置中，就有两个定值和时限均不相同的零序段，一个定值较大，能在正常运行方式和最大运行方式下以较短的时限延时切除本线路上所发生的接地故障，另一个则有较长的时限，但它能保证在各种运行方式下线路末端接地短路时保护装置具有足够的灵敏系数。,图2.38 有分支线路时零序段动作特性的分析(a）网络接线图；(b）零序等效网络；(c)零序电流变化曲线,2.3.5 零序过电流（零序段）保护,在零序过电流保护中，对继电器的启动电流，可按照躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，引入可靠系数，即为 最大不平衡电流式中：-下一线路始端三相短路的最大短路电流；-非周期分量系数，-电流互感器的同型系数，同型号取0.5，不同型号取1。-电流互感器的误差，取0.1,同时，还需考虑各保护之间在灵敏系数上要相互配合。实际上，对于零序过电流保护的计算，必须按逐级配合的原则来考虑。具体地讲，就是本线路零序段的保护范围不能超出相邻线路上零序段的保护范围，按照图2.38 的分析，保护装置的启动电流应整定为：式中：可靠系数，一般取1.11.2;在相邻线路的零序段的保护范围末端发生接地短路时，故障线路中零序电流与流过本保护装置中零序电流之比。,图2.39 零序过电流保护的时限特性,图2.40 零序方向保护工作原理的分析(a）网络接线；(b)K1点短路的零序电流；(c）K2点短路的零序电流,2.3.6 方向性零序电流保护,图2.41 三段式零序方向电流保护的原理接线图,2.3.7 对零序电流保护的评价,优点 零序过电流保护的灵敏度较高。此外，由图2.39可见，零序过电流保护的动作时限也较相间保护短。相间短路的电流速断和限时电流速断保护直接受系统运行方式变化的影响很大，而零序电流保护受系统运行方式变化的影响要小得多。当系统中发生某些不正常运行状态时（例如，系统振荡、短时过负荷等）三相是对称的，相间短路的电流保护均受它们的影响而可能误动作，因而需要采取必要的措施予以防止，而零序保护则不受它们的影响。在11OkV 及以上的高压和超高压系统中，单相接地故障约占全部故障的70一90%,而且其他的故障也