第三章__电力系统输电线路电流电压保护31.ppt

华中科技大学文华学院机电学部2009.9,电力系统继电保护,电气工程及其自动化专业课程,第二篇章电力系统输电线路保护和自动重合闸,相间短路保护接地保护方向电流保护距离保护高频保护,Chapter3电力系统输电线路电流电压保护,单侧电源相间短路的电流电压保护的工作原理、整定计算以及接线方式,电网相间短路的方向性电流电压保护,接地短路的电流电压保护（大接地电流系统中接地短路的多段式零序电流及方向零序电流保护，小接地电流系统中单相接地故障的零序电压、电流及方向保护）,继电器ProtectionRelay,继电器是一种能自动断续的控制器件，当其输入量达到一定值时，能使输出回路的被控电量发生预计的变化，是具有对被控电路实现“通”、“断”控制的执行机构。,3.1单侧电源网络相间短路的电流保护OvercurrentProtectionforPhaseFaultsinSingleSourceNetwork,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。,3.1单侧电源网络相间短路的电流保护OvercurrentProtectionforPhaseFaultsinSingleSourceNetwork,继电器分类,电磁型电流继电器的基本原理,作用电流继电器是实现电流保护的基本元件，它在电流保护中用作测量和起动元件，它是反应电流超过某一整定值而动作的继电器。,3.1单侧电源网络相间短路的电流保护,电磁型电流继电器主要有三种不同的结构型式，即螺管线圈式、吸引衔铁式和转动舌片式，如下图所式。,,电磁型电流继电器的基本原理,3.1单侧电源网络相间短路的电流保护,1－线圈,2－铁心；,3－空气间隙,4－固定触点,5－可动触点,6－止档,7－弹簧,8－被吸引的可动舌片,吸引衔铁式继电器,作用到舌片上的电磁力矩,,,,,正常情况下继电器不工作，弹簧对应于空气间隙长度产生一初始力矩。由于弹簧的张力与伸长量成正比，因此，弹簧产生的反抗力矩为,,摩擦力矩,弹簧产生的反抗力矩,另外，在可动舌片转动的过程中，还必须克服摩擦力矩Mf。,电磁型电流继电器的基本原理,继电器动作的条件为使继电器动作，必须增大电流IJ，增大电流IJ，以增大电磁转矩Mdc，使其满足关系式,,,动作电流（起动电流）能够满足上述条件，使继电器动作的最小电流值。对应此时的电磁转矩为,继电器动作后，为使它重新返回原位，舌片需向右移，即要减小电流。,,电磁型电流继电器的基本原理,返回电流能够满足上述条件，使继电器返回原位的最大电流值。,可见为使继电器返回需满足如下条件,,,总结当IJ＜IopJ时，继电器不动作，当IJ≥IopJ时，则继电器动作，触点闭合；当减小IJ使IJ≤IreJ时，继电器又立即返回原位，触点打开。,电磁型电流继电器的基本原理,,,,返回系数返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数，可表示为,在电流继电器实际应用中，要求有较高的返回系数，一般取如0.85～0.95。返回系数越大则保护装置的灵敏度越高，但过大的返回系数会使继电器触点闭合不够可靠。,吸引衔铁式结构的继电器一般被用作中间继电器，如DZ-10系列。螺管线圈式结构继电器多被用作时间继电器，如DS-100系列。,作用是一种辅助继电器，从激励量变化至规定值的瞬间起至继电器输出信号的瞬间止所经历的时间间隔为其动作时间。简而言之就是获得人为的延时。,时间继电器（KT）,中间继电器（ZJ、KM）,作用是一种辅助继电器，具体体现为①增加触点的数目;②扩展触点的容量;③获得一定的延时。,信号继电器（XJ、KS）,作用用来保持继电器或继电保护所处状态，并按通声、光信号电路。,电力线路相间短路的三段式电流保护,目前，我国电力系统主要使用的电压等级500kV，330kV，220kV，110kV，66kV，35kV，10kV，6kV,380/220V。,,U110kV电网承担输电任务；多电源环网；中性点直接接地运行方式；主保护由纵联保护承担，能够快速切除线路上任一点故障。,电网,U110kV电网主要承担供、配电任务；采用双电源互为备用，正常时单侧电源供电方式；为保证单相接地地后保护继续供电，中性点采用非直接接地运行方式；主保护采用阶段式动作特性的电流保护承担。,电力线路相间短路的三段式电流保护,定义以电流保护为例，三段式电流保护通常由无时限电流速断保护（也称瞬时电流速断保护）、带时限电流速断保护（简称延时电流速断保护）及定时限过电流保护（简称过电流保护），它们又分别称为三段式电流保护的第Ⅰ段、第Ⅱ段及第Ⅲ段。,其中第I、II段作为线路的主保护，第III段作为本线路主保护的后备保护和相邻线路或元件的远后备保护。,3.1.1、无时限电流速断保护电流保护第I段instantaneousovercurrentprotection,系统最大运行方式就是在被保护线路末端发生短路时，系统等值阻抗最小（Xsmin），而通过保护装置的短路电流为最大的运行方式。,系统最小运行方式就是被保护线路末端发生短路时，系统等值阻抗最大（Xsmax），而通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。,,系统等效电源的相电势,保护安装处之前的系统阻抗,从保护安装地点到电源的最小等值电抗,从保护安装地点到电源的最大等值电抗,令,对单侧电源供电线路，在输电线路上发生短路时,短路点至保护安装处的线路等值阻抗,故障类型系数,当时，系统处于最大运行方式；当时，系统处于最小运行方式。,,,结论流过保护安装地点的短路电流值随短路点的位置变化，且与系统的运行方式和短路类型有关。,,图中曲线1为最大运行方式下三相短路时，流经保护安装处的短路电流随短路点距离变化的曲线,图中曲线2为最小运行方式下两相短路时，流经保护安装处的短路电流随短路点距离变化的曲线,3.1.1无时限电流速断保护（电流Ⅰ段）,当所在线路保护范围内发生短路时，反应电流增大而瞬时动作切除故障的电流保护。,工作原理无时限电流速断保护为了保证其保护的选择性，一般情况下速断保护只保护被保护线路的一部分。,整定计算,可靠系数，一般取1.2～1.3,最大运行方式下的三相短路电流,整定原则为保证选择性，按躲开下一条线路出口处的最大短路电流来整定。,动作电流,结论无时限电流速断保护只能保护本条线路的一部分，而不能保护全线路，其最大和最小保护范围lmax和lmin。,,保护范围（灵敏度Ksen）计算（校验）规程规定，在最小运行方式下，无时限电流速断保护范围的相对值Lb＞（1520）时，为合乎要求，即100≥（1520）由下图可知所以,,,,,,,,,,,动作时限,无时限电流速断保护没有人为延时，即整定时间为0，只考虑继电保护固有动作时间，由于动作时间较小可认为t0s。,继电保护的动作时间保护的固有动作时间整定时间,3.1.1无时限电流速断保护（电流Ⅰ段）,特点,动作时限；完全用来保证选择性；灵敏度用最小保护范围来表示，lmin＞15l；最小保护范围受系统运行方式影响较大。,3.1.1无时限电流速断保护（电流Ⅰ段）,无时限电流速断保护的构成,单相原理框图,,,1电流测量元件,2与门,3信号元件,4、5组成闭锁元件，如雷击使线路避雷器对地放电等情况出现时输出闭锁信号,短路故障时,流过KA的二次电流大于KA动作值,KA触点闭合,KOM线圈得电,其触点闭合,,,KS起动，发出信号。,,,QF跳闸，切除故障。,正常状态,一次设备通过的电流为负载电流,流过KA的电流小于动作值,不发断路器跳闸脉冲。,,,,KA不动作，其触点不闭合,单相原理接线图,中间继电器增加接点的容量；躲过管型避雷器的放电时间，防止误动作。,无时限电流电压联锁速断保护,当上述无时限电流速断保护灵敏度不满足要求时，即保护范围时，该保护不宜使用，此时可采用无时限电流速断保护的改进方案即无时限电流电压联锁速断保护，以提高电流保护第I段的灵敏度。,,1电流测量元件,2电压测量元件,3逻辑元件,4断线信号元件，在电压互感器TV二次回路断线时发出告警信号,5闭锁元件,6保护动作的信号元件,无时限电流速断保护的评价,优点简单可靠，动作迅速,缺点,不可能保护线路的全长；,保护范围直接受系统运行方式变化的影响；受线路长短的影响较大；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。,,3.1.2带时限电流速断保护（电流保护第Ⅱ段）Timedelayinstantaneousovercurrentprotection,带时限电流速断保护按与相邻线路电流速断保护相配合且以较短时限获得选择性的电流保护,其切除本线路上无时限电流速断保护范围以外的故障，作为电流速断保护的后备保护。,电流速断保护在许多情况下均能保证选择性，且接线简单，动作迅速可靠。但是电流速断保护不能保护本线路的全长，怎么办,解决办法增设一套新的保护限时电流速断保护。,整定原则,保护范围必须延伸到下一条线路中去,动作带有一定的时限（选择性），为了保证速动性，时限应尽量缩短。,整定计算,动作电流动作电流按躲开下一条线路无时限电流速断保护的动作电流进行整定。,保护范围不超出下一条线路无时限电流速断保护的范围,可靠系数，一般取1.1～1.2,下一条线路电流速断保护的动作值,,分支系数,动作时限,为了保证选择性，限时电流速断保护按高出下一条线路无时限电流速断保护的动作时限一个时间阶段△t来确定动作时限，即,,时间阶梯为保证保护动作的选择性，△t一般取值为0.5s原因故障线路断路器的可靠动作故障电流的消失；故障线路保护动作时限的正误差，慢；上级线路保护动作时间的负误差，快；故障切除后，上级线路保护的可靠返回；考虑一定的时间裕度。,,灵敏度校验按最小灵敏度考虑,一般取最小运行方式下，被保护线路末端发生金属性两相短路时流过限时电流速断保护的最小短路电流,限时电流速断保护灵敏度,如果与相邻线路的瞬时电流速断保护配合，灵敏度不满足要求，可采用降低动作电流的方法，则考虑本线路限时速断保护与下一线路限时速断保护配合。,,,限时电流速断保护灵敏度,在确定限时电流速断保护整定值，有几个相邻线路时，要分别考虑与这几个相邻线路的瞬时电流速断，或限时电流速断，或变压器差动保护相配合，而且不能超出被配合保护的保护范围，因此，取上述整定值中最大的一个为最终的整定值。,3.1.2带时限电流速断保护（电流保护第Ⅱ段）,例如图中保护4的限时电流速断，必须与保护1、3的瞬时电流速断相配合，同时与保护2的变压器差动保护相配合，最后取最大值。,带时限电流速断保护的单相原理接线图,,,,对带时限电流速断保护的评价,优点,结构简单，动作可靠,能保护本条线路全长,缺点,不能作为相邻元件（下一条线路）的后备保护，只能对相邻元件的一部分起后备保护作用。,总结带时限电流速断保护范围大于被保护线路；带时限电流速断保护必须依靠延时元件与相邻线路或相邻元件保护配合，实现选择性；与无时限电流速断保护一起作为本线路的主保护，可作为本线路无时限电流速断保护的近后备。,3.1.2带时限电流速断保护（电流保护第Ⅱ段）,3.1.3.定时限过电流保护（电流III段）DefiniteTimeOvercurrentProtection,定时限过电流保护作为本线路的近后备保护及相邻线路的远后备保护。,思考问题无时限电流速断保护只能保护本线路一部分，限时电流速断能保护本线路全长，但不能做为相邻线路的后备保护。要想实现远后备保护，怎么办,1、工作原理,,反应电流增大而动作,它要求能保护本条线路的全长和下一条线路的全长。,作为近后备保护和远后备保护，其保护范围应包括下条线路或设备的末端。,过电流保护在最大负荷时，保护不应该动作。,3.1.3定时限过电流保护（电流III段）,2、整定计算,（1）动作电流按躲开被保护线路的最大负荷电流，且在自起动电流下继电器能可靠返回进行整定,,,继电器的动作电流,（2）时间整定,为保证保护动作的选择性，过电流保护动作延时是按阶梯原则整定的，即本线路的过电流保护动作延时应比下一条线路的电流Ⅲ段的动作时间长一个时限阶段△t,动作时限与电流大小无关，为此称为定时限。,例如上图，按阶梯原则确定动作时限,保护4的定时限过电流的动作时限,即与相邻线路中的电流Ⅲ段的动作时限的最大值相配合,（3）灵敏度校验,近后备灵敏度校验本线路末端发生金属性短路的最小短路电流与整定电流的比值，即,远后备灵敏度校验相邻线路末端发生金属性短路的最小短路电流与整定电流的比值，即,在校验定时限过电流保护远后备的灵敏度时，有几个相邻线路时，要分别考虑用这几个相邻线路末端发生短路时的最小短路电流来校验，取上述灵敏度中最小的一个为最终的灵敏度值，且应满足要求。,（3）灵敏度校验,例上图中保护4的定时限过电流远后备灵敏度校验，必须用变压器低压侧发生短路时的最小短路电流来校验。,（3）灵敏度校验,思考当定时限过电流保护的灵敏度不满足要求时，怎么办,可以采用低电压启动的过电流保护。,3、接线图电流Ⅲ段保护的原理接线与电流Ⅱ段保护相同。只是整定值不同。,4、对定时限过电流保护的评价,优点结构简单，工作可靠，对单侧电源的放射型电网能保证有选择性的动作。不仅能作本线路的近后备（有时作为主保护），而且能作为下一条线路的远后备。在放射型电网中获得广泛应用，一般在35千伏及以下网络中作为主保护。,缺点单侧电源供电线路中，越靠近电源侧，负荷电流越大，定时限过电流保护的动作时限越大，灵敏度越低，对靠电源端的故障不能快速切除。,,电流三段保护小结,无时限电流速断保护只能保护线路的一部分，限时电流速断保护能保护线路全长，但却不能作为下一相邻线路的后备保护，因此，必须采用定时限过电流保护作为本条线路和下一段相邻线路的后备保护。,,,,三段式电流保护的评价,由无时限电流速断保护，限时电流速断保护及定时限过电流保护相配合构成的一整套保护。评价优点简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。缺点直接受电网的接线以及电力系统运行方式变化的影响，而灵敏性则必须用系统最小运行方式来校验，故往往不能满足灵敏系数或保护范围的要求。,3.1.4电流保护的接线方式,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。目前广泛采用完全星形接线和不完全星形接线。,原理接线图,完全星形接线,不完全星形接线,各种相间短路完全星形接线均有两个继电器动作。不完全星形接线AB、BC相间短路时，只有一个继电器动作。,两种接线在各种故障时性能分析,中性点非直接接地电网中的两点接地短路允许单相接地时继续短时运行；希望只切除一个故障点。故两种接线方式的动作结果可能不同。,（2）采用不完全星形接线，只能有2/3的机会有选择的切除后面的一条线路（保护1动作）。,（1）采用完全星形接线时,能保证100的只切除后面的一条线路（即只有保护1动作）。,串联线路上两点接地的情况,A1B2A1C2B1A2,B1C2C1A2C1B2,（1）完全星形接线时,两套保护均将起动。,（2）不完全星形接线,2/3的机会只切除任一线路。,A1B2A1C2B1A2,B1C2C1A2C1B2,放射形线路上两点接地的情况,,,对于Y,d11接线变压器后面的两相短路,,,,,,,过电流保护接于降压变压器的高压侧（Y侧）以作为低压侧（△侧）线路故障的后备保护时，不同接线形式的保护有其不同的特点。,（a）采用完全星形接线时，则B相上继电器中的电流较其它两相大一倍。因此灵敏系数增大一倍。,（b）采用不完全星形接线时,由于B相上没有装设继电器,因此灵敏度只能由A、C相电流决定，灵敏度比三相接线降低一半。,解决方法在不完全星形接线的中线上再接入一个继电器,从而提高了这个继电器的灵敏度，称其为两相三接线方式。如下图。,三段式电流保护归总式原理图,三段式电流保护展开式原理图,两种接线方式的应用,完全星形接线方式用于发电机、变压器等大型贵重电气设备的电流保护中。中性点直接接地电网中，作为相间短路保护及单相接地保护（有专门的零序电流保护）。,不完全星形接线方式中性点不接地电网或不直接接地电网中，电流保护一般采用不完全星形接线方式。,思考题（Questions）,1、什么是启动电流，什么是返回电流返回系数指何而言2、试述无时限电流速断保护的工作原理、整定计算原则和整定计算方法、灵敏性校验方法和要求3、试述限时电流速断保护的工作原理、整定计算原则和整定计算方法、灵敏性校验方法和要求4、试述定时限过电流保护的工作原理、整定计算原则和整定计算方法、灵敏性校验方法和要求。为什么要考虑自起动系数,,5、三段式电流保护哪一段最灵敏，哪一段最不灵敏它们是采用什么措施来保证选择性的6、电流继电器的动作条件是什么返回条件是什么7、电流保护的交流回路有哪几种接线方式其应用范围如何8、当Y，d11接线的降压变压器△侧发生两相短路时，采用完全星形接线和不完全星形接线两继电器式接线的电流保护，其灵敏度为什么不同,