（电气工程专业论文）电流互感器特性及其对电流保护影响的仿真研究.pdf

摘要 摘 要 电流互感器是发电厂和变配电所的重要电气设备。在正常运行情况下，电 流互感器 能够保证所在电气回路电流量的准确传变。但是，由于电流互感器主要由非线性的电磁 元件组成，当故障发生时，非线性元件会对互感器的暂态响应特性产生不良影响，致使 电流互感器的二次侧无法如实反映一次侧电流的变化情况。特别是目 前在中压系统中， 随着系统规模的增大，短路电流较以前有很大增长，为了满足测量精度和过电流保护灵 敏度，某些回路的短路电流大于甚至是远大于该回路电流互感器的额定准确限值电流， 严重的电流传变误差发生在短路全过程 ( 含暂态和稳态) ， 由此可能引发保护拒动， 后果 严重。因此在工程中采取措施尽量减轻电流互感器的饱和程度及分析互感器饱和程度对 保护装置正确动作的影响及规律是目前工程中急需解决的问题。 本文阐述了三段式电流保护的原理及其在广州电网中压系统中的实际运用，详细说 明了目前各回路电流保护的整定原则。论述了实际工程设计中确定电流互感器合理技术 参数的通用方法和步骤。 分析了影响电流互感器暂态饱和特性的主要因素: 非周期分量、 一次系统时间常数、 铁芯剩磁、 一次电流及二次负载等。 建立了电 流互感器的e m t p 仿真 模型，利用此模型结合工程实际对不同的系统短路电流水平、电流互感器参数和二次负 载情况下电流互感器的二次输出误差和电流保护动作进行了仿真分析，得出影响保护正 确动作的因素及影响程度，并建立量化关系。最后利用 e m t p 对广州电网i o k v 系统的工 程实例进行了仿真分析，定量分析其电流保护是否会因 c t饱和而造成保护的不正确动 作，并进一步明确可有效增强中压系统电流互感器抗饱和能力的实用措施。 关键词: 电流互感器e mt p 饱和 继电保护 华南理1大学 _ 程硕士学位论文 ab s t r a c t c u r r e n t t r a n s f o r m e r s ( c t ) a r e v e ry i m p o r t a n t i n s t r u m e n t s i n p o w e r p l a n t a n d t r a n s f o r m e r s u b s t a t i o n . i n n o r m a l o p e r a t i o n , c u r r e n t t r a n s f o r m e r s c a n t r a n s f e r c u r r e n t a s e x p e c t e d . h o w e v e r , b e c a u s e o f t h e b u i l t - u p o f n o n l i n e a r c o r e i n c u r r e n t t r a n s f o r m e r s , w h e n a f a u l t o c c u r s , t h e i r n o n l i n e a r c h a r a c t e r i s t ic i s l i k e l y t o c a u s e s a t u r a t i o n a n d s u b s e q u e n t l y s u b s t a n t i a l e r r o r s i n t h e m a g n i t u d e a n d p h a s e a n g l e o f th e g e n e r a t e d s ig n a l s . e s p e c i a l l y i n l o w a n d m i d d l e v o l t a g e , t h e c t r a t i o i s l i m i t e d b y t h e s c a l e m a r g i n . b u t a s t h e g r o w t h o f t h e p o w e r s y s t e m , th e f a u lt c u r r e n t i n c r e a s e s a l o t w h i c h i s m u c h b i g g e r t h a n t h e r a t i n g c u r r e n t o f c t . a n d i t m a k e s s a t u r a t io n o c c u r n o t o n l y i n t r a n s i e n t b u t a l s o i n s t e a d y s t a t e s o m e t i m e s . a s a r e s u l t , d e l a y e d o p e r a t i o n s , o r f a il u r e s t o o p e r a t e o f t h e p r o t e c t i v e r e l a y s m a y h a p p e n . s o t h e m e as u r e m e n t s t o d e c r e a s e i m p a c t o f c t s a t u r a t i o n o n p r o t e c t i v e r e l a y s a r e t o b e s o lv e d i n e n g i n e e r i n g . t h i s t h e s i s f i r s t d e s c r i b e s p r i n c i p l e o f c u r r e n t p r o t e c t a n d it s a p p l i c a t i o n i n g u a n g z h o u n e t w o r k , to g i v e t h e s t e p s o f s e t t i n g u p t h e p a r a m e t e r o f c t i n e n g i n e e r i n g d e s i g n . t h e n i t a n a l y z e s a n u m b e r o f f a c t o r s t h a t c a n i n fl u e n c e t h e t r a n s i e n t b e h a v i o r s u c h a s t h e e x p o n e n t i a l l y d e c a y i n g d o c o m p o n e n t o f t h e p r i m a ry c u r r e n t , i n i t i a l c o r e re m a n e n c e , p r i m a r y c u r r e n t , s e c o n d a ry b u r d e n a n d s o o n . u s i n g t h e m o d e l s e t u p b y e l e c t r o m a g n e t i c t r a n s i e n t p r o g r a m s ( e mt p ) , s e v e r a l s i t u a t i o n s s u c h a s d i ff e re n t f a u l t c u r r e n ts , c t r a t i o s , s e c o n d a r y b u r d e n s , h a v e i n v e s t i g a t e d t o a n a l y z e q u a n t i z a t i o n b e t w e e n th e m . a t l a s t , t h e s i m u l a t io n s o f 1 0 k v o f g u a n g z h o u n e t w o r k a re g i v e n t o a n a l y z e q u a n t i z a t i o n o f c t s a t u r a t i o n i m p a c t o n p r o t e c t i v e r e l a y s a n d f in d u s e f u l m e a s u re m e n t s o f c t a n t i - s a t u r a t i o n . k e y w o r d s : c u r re n t t r a n s f o r m e r s , e mt p , s a t u r a t io n , p r o t e c t i v e r e l a y i n g 华南理工大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明:所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研 究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文 不包含任何其他个人或集体己经发表或撰写的成果作品。对本文的研 究做出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式标明。本人完 全意识到本声明的法律后果由本人承担。 作 者 签 名 : f f 6日 期 : 卿 ;0 年 “ 月 弓 日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定， 同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权华南理工大学可以将本学位论文的 全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫 描等复制手段保存和汇编本学位论文口 保密口，在_ 年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不 保 密 斌 ( 请在以上相应方框内打 “j ) 日口 弓必 作者签名 导师签名 : 弃 ti t 子 州 日 期 : 9 d 乡 年/ l 月 日 期 : wv 厂 年 z a 第 一 章 绪论 第一章 绪论 电流互感器是一次系统和二次系统间的联络元件 ( 通常其 一 次侧绕组称为原绕组或 一次绕组， 二次侧绕组称为副绕组或二次绕组) ， 用以向继电保护、自动装置和测量仪表 的电流回路供电， 正确反映电气设备的正常运行和故障情况。 其作用体现在以 下几方面: i .将一次回路的大电流变为二次回路的标准值，通常额定二次电流为5 a 或 i a ，使保护装置和测量仪表标准化，以及二次设备的绝缘水平可按低电压设计，从而结 构轻巧，价格便宜。 2 .所有二次设备可用小电流的控制电缆联接，使屏内布线简单、安装方便。 同时便于集中管理，可实现远方控制和测量。 3 .二次回路不受一次回路的限制，可采用星形、三角形和v 型接法，因而 接线灵活方便。同时，对二次设备进行维护、调换以及调试试验时，不需中断一次系统 的运行，仅适当地改变二次接线即可实现。 4 .使二次设备和工作人员与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从 而保证了设备和人身的安全。 1 . 1 电流互感器的工作原理及相量图 电流互感器是一特种变压器，其原绕组串联于一次电路内，而副绕组与继电保护等 装置的电流输入回路串联。 由于电流互感器的原绕组匝数 n1较少，通常仅一匝或几匝，而副绕组的匝数 n 2 却 较多 ， 为 原 绕组的 若干 倍， 因 此， 二次电 路内 的电 流i s 小 于一次电 路内 的电 流i p o 电 流互感器的额定变比k n 为: k n = i p n / i s n - n 2 / n 1 ( i 一 1 ) 式中: i p n 原边额定电 流; i s n 副边额定电流，有5 a和 i a两种规格。 由于电流互感器二次回路中串接的负载，是测量仪表或保护装置的电流线圈，阻抗 很小， 因此， 电流互感器正常工作时， 接近于短路状态。电流互感器在正常工作状态时， 二次负荷电流所产生的二次磁势f 2 对一次磁势f 1 有去磁作用，因此合成磁势f o 及铁 芯中的合成磁通小 数值都不大，在副绕组内所感应的电势e 2 的数值不超过几十伏。 运行中电流互感器如果二次回路开路，则二次去磁磁势f 2 等于零，而一次磁势f 1 仍保持不变，且全部用于激磁，此时合成磁势f o 等于f 1 ，较正常状态的合成磁势增大 了许多倍，使铁芯中的磁通急剧增加而达饱和状态。铁芯饱和致使随时间变化的磁通波 第 一 章 绪论 第一章 绪论 电流互感器是一次系统和二次系统间的联络元件 ( 通常其 一 次侧绕组称为原绕组或 一次绕组， 二次侧绕组称为副绕组或二次绕组) ， 用以向继电保护、自动装置和测量仪表 的电流回路供电， 正确反映电气设备的正常运行和故障情况。 其作用体现在以 下几方面: i .将一次回路的大电流变为二次回路的标准值，通常额定二次电流为5 a 或 i a ，使保护装置和测量仪表标准化，以及二次设备的绝缘水平可按低电压设计，从而结 构轻巧，价格便宜。 2 .所有二次设备可用小电流的控制电缆联接，使屏内布线简单、安装方便。 同时便于集中管理，可实现远方控制和测量。 3 .二次回路不受一次回路的限制，可采用星形、三角形和v 型接法，因而 接线灵活方便。同时，对二次设备进行维护、调换以及调试试验时，不需中断一次系统 的运行，仅适当地改变二次接线即可实现。 4 .使二次设备和工作人员与高电压部分隔离，且互感器二次侧均接地，从 而保证了设备和人身的安全。 1 . 1 电流互感器的工作原理及相量图 电流互感器是一特种变压器，其原绕组串联于一次电路内，而副绕组与继电保护等 装置的电流输入回路串联。 由于电流互感器的原绕组匝数 n1较少，通常仅一匝或几匝，而副绕组的匝数 n 2 却 较多 ， 为 原 绕组的 若干 倍， 因 此， 二次电 路内 的电 流i s 小 于一次电 路内 的电 流i p o 电 流互感器的额定变比k n 为: k n = i p n / i s n - n 2 / n 1 ( i 一 1 ) 式中: i p n 原边额定电 流; i s n 副边额定电流，有5 a和 i a两种规格。 由于电流互感器二次回路中串接的负载，是测量仪表或保护装置的电流线圈，阻抗 很小， 因此， 电流互感器正常工作时， 接近于短路状态。电流互感器在正常工作状态时， 二次负荷电流所产生的二次磁势f 2 对一次磁势f 1 有去磁作用，因此合成磁势f o 及铁 芯中的合成磁通小 数值都不大，在副绕组内所感应的电势e 2 的数值不超过几十伏。 运行中电流互感器如果二次回路开路，则二次去磁磁势f 2 等于零，而一次磁势f 1 仍保持不变，且全部用于激磁，此时合成磁势f o 等于f 1 ，较正常状态的合成磁势增大 了许多倍，使铁芯中的磁通急剧增加而达饱和状态。铁芯饱和致使随时间变化的磁通波 华南理 大学 l _ 程硕士学位论文 形变为平顶波，由于感应电势正比于磁通的变化率 d ,b / d t ，因此在磁通急剧变化时，开 路的副绕组内 将感应出很高的电势e 2 ， 其峰值可达数千伏甚至更高， 这对工作人员的安 全、仪表和保护装置，以及连接导线和控制电缆的绝缘都是及其危险的。因此，电流互 感器的二次回路严禁开路，在工程实际有严格的防电流互感器二次侧开路措施。 磁势f o 为原绕组f 1 和副绕组f 2 的相量和，即: ( 1 - 2 ) 因为 式中 f o=f1 +f2 :f l = 1 p n 1 , f 2 = 1 s n 2 , f o = 1 o n 1 ， 所以: i p m =- a n2 十i o ni(1 - 3) ，n2， i p = - i s -丁+m iv i ( 1 一 ) :i o 电流互感器正常工作状态的激磁电流。 由于电流互感器在正常工作时，副绕组接近于短路状态，其中的感应电势e o 很小， 因此， 铁芯内的总磁通巾 和激磁电流i o 也都很小。 如果忽略t o 后， 则原、副绕组的电流 关系 为 :k n 二 ip i l s = n , i n , a 电流互感器的等值电路如图 1 - 1 所示。 i p / k n i s 竺 竺 肠 t|肖日lwe q 引u 二 一n1一 n2 一二 速 醒 ， - - - -一 小 接 a . 图1 - 1 电 流互感器的等值电路 f i g . l - 1 e q u i v a l e n t c i r c u i t o f c u r r e n t t r a n s f o r m e r e 2 一 二次感应电动势; u 2 一 二次负荷电压: 工 p 一 次电流: i s 一 二次电流; i p / k n - 二次全电流: 工 。 一 励磁电流; n 卜一 次绕组匝数;n 2 一 二次绕组匝数; i 1 - 磁滞损失电流;i 。 一 磁化电流;k n - 匝数比; x c t 一 互感器二次绕组电抗; r c t - 互感器二次 绕组电阻:z b 一 二次负荷阻抗 ( 包括连接导线及保护等二次设备) 按电磁感应原理，电流互感器二次电动势为与线圈相链的磁链对时f a l 的导数。设铁 心中磁通为正法函数，即t p = b a c s i n w t ，则: e 2 = n 2 票= n zcu b a c c o s o x ( 1 - 5 ) 第一章 绪论 n2 x 2 习 b a c 扼 二 二 一 =2 21 n2 b ac( 卜 6 ) 式中 e 2 - 一 二次电压瞬时值， v ; e 2 二次电压方均根值，v ; b 铁心中的磁通密度，t ; a c 一 - - 铁芯截面积， m 2i r ; 根据以上关系式和电流互感器的等值电路，可以得出其相量图如下:二次感应电动 势e 2 领先铁心中磁通相量(t 9 0 0。e 2 是由u 2 加上二次电压降i s r c t 和 i s x c t 组成。 励磁 电流1 0 是由在铁心中产生磁通的磁化电流i m和磁滞损失电流i ， 组成。 磁化电流i m与磁 通小 同 相位， 滞后电动势e s 9 0 0;磁滞损失电流i : 与e s 同相位。_二 次负荷电 流i s 加励 磁电 流1 0 等于一 次电流i p 。图 1 - 2 ( a ) , 1 - 2 ( b )分别表示电流互感器带纯电阻性二次 负载和带功率因数为0 .5 二次负载的相量图。 e z ，。 厂 io 2汀llrll烤 应服飞|川 les.r了ij一一一11 ，目 目口 气 _ v 工 i s h c t 一 拼 / 2 / 卜e i s r c t 一兰 士上卜 。 ( a ) 带纯电 阻二次负荷( b ) 二次负 荷功率因数0 . 5 图1 - 2 电 流互感器相量图 f i g . 1 - 2 p h a s o r d i a g r a m o f c t 1 . 2 电流互感器的误差 电流互感器的误差有电流误差 ( 比值差) 、相位差和复合误差三种。 电流互感器在测量电流时所出现的数值误差称为电流误差或比值差。 它是由于存在 励磁电流引起实际电流比与额定电流比不相等造成的。电流误差按一次电流的百分数用 f 式表示: a.k ,j s - i p x 1 0 0 % i p ( 1 - 7) 第一章 绪论 n2 x 2 习 b a c 扼 二 二 一 =2 21 n2 b ac( 卜 6 ) 式中 e 2 - 一 二次电压瞬时值， v ; e 2 二次电压方均根值，v ; b 铁心中的磁通密度，t ; a c 一 - - 铁芯截面积， m 2i r ; 根据以上关系式和电流互感器的等值电路，可以得出其相量图如下:二次感应电动 势e 2 领先铁心中磁通相量(t 9 0 0。e 2 是由u 2 加上二次电压降i s r c t 和 i s x c t 组成。 励磁 电流1 0 是由在铁心中产生磁通的磁化电流i m和磁滞损失电流i ， 组成。 磁化电流i m与磁 通小 同 相位， 滞后电动势e s 9 0 0;磁滞损失电流i : 与e s 同相位。_二 次负荷电 流i s 加励 磁电 流1 0 等于一 次电流i p 。图 1 - 2 ( a ) , 1 - 2 ( b )分别表示电流互感器带纯电阻性二次 负载和带功率因数为0 .5 二次负载的相量图。 e z ，。 厂 io 2汀llrll烤 应服飞|川 les.r了ij一一一11 ，目 目口 气 _ v 工 i s h c t 一 拼 / 2 / 卜e i s r c t 一兰 士上卜 。 ( a ) 带纯电 阻二次负荷( b ) 二次负 荷功率因数0 . 5 图1 - 2 电 流互感器相量图 f i g . 1 - 2 p h a s o r d i a g r a m o f c t 1 . 2 电流互感器的误差 电流互感器的误差有电流误差 ( 比值差) 、相位差和复合误差三种。 电流互感器在测量电流时所出现的数值误差称为电流误差或比值差。 它是由于存在 励磁电流引起实际电流比与额定电流比不相等造成的。电流误差按一次电流的百分数用 f 式表示: a.k ,j s - i p x 1 0 0 % i p ( 1 - 7) 华南理1 _ 大学 _ 程硕十学位论文 式中 l p - 实际一次电 流方均根值，a ; i s 测量条 件下通过i p 时的二次电流方均根值，a ; 由图1 - 2 可以看出，电流互感器的误差是由励磁电流l o 引起的。此值一般为负。 一次电 流i p 与二次电 流i s 相量的 相位差称为是电 流互感器的相位差a( 。 按规定 的正方向，若二次电流相量超前一次电流相量时，相位差为正值。由图 1 - 2可以看出相 位差一般为正。 在有些情况下，电流不是准确的正弦函数，不能用方均根值和相量相位来准确表示 其误差。在铁心中磁通密度接近饱和时，这种情况更为明显。为此定义复合误差为一次 电流瞬时值与k n 倍的二次电流瞬时值差的方均根值。 复合误差通常用一次电流的方均根 值百分数表示: j/= f (k .9 t 一 ，zdt ( 1 - 8 ) 100一ip 一次电流方均根值: 一次电流瞬时值; 二次电流瞬时值; 一个周波的时间: ，pil， 中 式 钻t 1 . 3 问题的提出 电流互感器是发电厂和变配电所的重要电气设备， 它主要由非线性的电磁元件组成， 其在正常工作和故障情况下二次输出电流的大小完全取决于励磁电流的大小。当其运行 于电磁元件的线性工作区时，二次输出电流的误差在规定的允许范围内，而当其运行于 短路状态时，若短路电流大于电流互感器的额定准确限值电流，则非线性元件会对互感 器的暂态和稳态响应特性产生不良影响，致使电流互感器的二次侧无法如实反映一次侧 电流的变化情况，而其二次电流输出误差的大小决定着保护是否能够正确动作。 随着电力系统不断扩大和大机组的增多，中压系统短路电流较以前有很大增长。受 测量精度和过电流保护灵敏度的限制，许多馈线回路的电流互感器变比不宜选择过大， 以致形成短路电流与电流互感器额定一次电流之比高达几十倍至上百倍，远大于其准确 限值系数。以目 前广州电网的 l o k v系统为例，在系统大方式下的母线短路电流可达到 2 0 k a以上，当发生馈线出口短路时，各回路的电流互感器肯定会发生不同程度的饱和， 而目 前中压系统的保护装置并未考虑抗电流互感器饱和的措施，那么此时电流互感器的 二次输出误差有多大?误差是否大到使保护不能正确动作的程度?如果保护不能正确动 作，采用何种措施可以减轻电流互感器的饱和程度，或者说采用何种措施可以将误差控 制在保护正确动作的允许范围内?这些问题都是工程中急于解决，却难以定量分析的问 题。 华南理1 _ 大学 _ 程硕十学位论文 式中 l p - 实际一次电 流方均根值，a ; i s 测量条 件下通过i p 时的二次电流方均根值，a ; 由图1 - 2 可以看出，电流互感器的误差是由励磁电流l o 引起的。此值一般为负。 一次电 流i p 与二次电 流i s 相量的 相位差称为是电 流互感器的相位差a( 。 按规定 的正方向，若二次电流相量超前一次电流相量时，相位差为正值。由图 1 - 2可以看出相 位差一般为正。 在有些情况下，电流不是准确的正弦函数，不能用方均根值和相量相位来准确表示 其误差。在铁心中磁通密度接近饱和时，这种情况更为明显。为此定义复合误差为一次 电流瞬时值与k n 倍的二次电流瞬时值差的方均根值。 复合误差通常用一次电流的方均根 值百分数表示: j/= f (k .9 t 一 ，zdt ( 1 - 8 ) 100一ip 一次电流方均根值: 一次电流瞬时值; 二次电流瞬时值; 一个周波的时间: ，pil， 中 式 钻t 1 . 3 问题的提出 电流互感器是发电厂和变配电所的重要电气设备， 它主要由非线性的电磁元件组成， 其在正常工作和故障情况下二次输出电流的大小完全取决于励磁电流的大小。当其运行 于电磁元件的线性工作区时，二次输出电流的误差在规定的允许范围内，而当其运行于 短路状态时，若短路电流大于电流互感器的额定准确限值电流，则非线性元件会对互感 器的暂态和稳态响应特性产生不良影响，致使电流互感器的二次侧无法如实反映一次侧 电流的变化情况，而其二次电流输出误差的大小决定着保护是否能够正确动作。 随着电力系统不断扩大和大机组的增多，中压系统短路电流较以前有很大增长。受 测量精度和过电流保护灵敏度的限制，许多馈线回路的电流互感器变比不宜选择过大， 以致形成短路电流与电流互感器额定一次电流之比高达几十倍至上百倍，远大于其准确 限值系数。以目 前广州电网的 l o k v系统为例，在系统大方式下的母线短路电流可达到 2 0 k a以上，当发生馈线出口短路时，各回路的电流互感器肯定会发生不同程度的饱和， 而目 前中压系统的保护装置并未考虑抗电流互感器饱和的措施，那么此时电流互感器的 二次输出误差有多大?误差是否大到使保护不能正确动作的程度?如果保护不能正确动 作，采用何种措施可以减轻电流互感器的饱和程度，或者说采用何种措施可以将误差控 制在保护正确动作的允许范围内?这些问题都是工程中急于解决，却难以定量分析的问 题。 第一章 绪论 1 . 4 本文主要工作 ， ) 阐 述 了 三 段 式 电 流 保 护 的 原 理 及 其 在 广 州 电 网 中 压 撬 中 的 实 际 运 用 ， 详 细 说 明 了目 前各回路电流保护的整定原则。 2 ) 论述了实际工程设计中确定电流互感器合理技术参数的通用方法和步骤。 分析了 影响电流互感器暂态饱和特性的主要因素: 非周期分量、 一次系统时间常数、 铁芯剩磁、 一 次电流及二次负载等。 3 )建立电流互感器的 e mt p仿真模型，利用该模型可实现对电流互感器暂态特性 的仿真研究。 4 ) 结合工程实际对不同的系统短路电流水平、 电 流互感器参数和二次负载情况电流 互感器的二次输出误差进行了仿真分析， 得出影响电流保护正确动作的因素及影响程度， 并建立量化关系。 5 )以广州电网运行 l o k v系统中饱和程度最严重的电流互感器回路为例，建立其 e mt p仿真模型，分析是否会因其饱和而造成保护的不正确动作。并进一步明确可有效 增强中压系统电流互感器抗饱和能力的实用措施。 华南理工人学 程硕士学位论文 第二章三段式电流保护 2 . 1 三段式电流保护的原理 中压线路普遍采用二段式电流保护原理。 正常运行时输电线路上流过的电流为负荷电流，当输电线路上发生相间短路 故障时，故障相电流突然增大。根据这个特点，可构成反应电流增大而动作的电 流保护。反映输电线路相间短路 ( 即二相短路和两相短路)的电流保护，通常采 用三段式， 即第 i 段为电流速断保护， 第 h 段为限时电流速断保护， 第 工 h 段为 过电流保护。 其中， 第 i 段和第 h 段的联合作用构成线路的主保护， 第 工 h段作 为后备保护。当第 工 、h 段灵敏系数不够时，可采用电流、电压联锁速断保护。 2 . 1 . 1电流速断保护 图2 - 1 电流速断保护动作特性的分析 f i g . 2 - 1 o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f f a s t - t r i p p i n g c u r r e n t p r o t e c t t o n 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， 在各种电气元件上，应力求装设快速 动作的继电保护。对于仅反映于电流 增大而瞬时动作的电流保护，称为电 以图2 - 1 所示的网络接线为例，假定在每条线路上均装有电流速断保护，则 当线路 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 1 0 0 % 。 但事实上 这是不可能的。因为在 d l 点和 d 2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 d l 点短路时速断保护 2能动作，而 d 2点短路时又 不动作的要求就不可能同时得到满足。同样，保护 1 也无法区别d 3 和 d 4 点的短 路。 解决这个问题有两个办法，一种办法是在个别情况下，当快速切除故障是首 要条件时，采用无选择性的速断保护，而以重合闸来纠正这种无选择性动作;另 一种办法也是工程实际中常采用的办法，即:优先保证动作的选择性，从保护装 华南理工人学 程硕士学位论文 第二章三段式电流保护 2 . 1 三段式电流保护的原理 中压线路普遍采用二段式电流保护原理。 正常运行时输电线路上流过的电流为负荷电流，当输电线路上发生相间短路 故障时，故障相电流突然增大。根据这个特点，可构成反应电流增大而动作的电 流保护。反映输电线路相间短路 ( 即二相短路和两相短路)的电流保护，通常采 用三段式， 即第 i 段为电流速断保护， 第 h 段为限时电流速断保护， 第 工 h 段为 过电流保护。 其中， 第 i 段和第 h 段的联合作用构成线路的主保护， 第 工 h段作 为后备保护。当第 工 、h 段灵敏系数不够时，可采用电流、电压联锁速断保护。 2 . 1 . 1电流速断保护 图2 - 1 电流速断保护动作特性的分析 f i g . 2 - 1 o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f f a s t - t r i p p i n g c u r r e n t p r o t e c t t o n 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， 在各种电气元件上，应力求装设快速 动作的继电保护。对于仅反映于电流 增大而瞬时动作的电流保护，称为电 以图2 - 1 所示的网络接线为例，假定在每条线路上均装有电流速断保护，则 当线路 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 1 0 0 % 。 但事实上 这是不可能的。因为在 d l 点和 d 2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 d l 点短路时速断保护 2能动作，而 d 2点短路时又 不动作的要求就不可能同时得到满足。同样，保护 1 也无法区别d 3 和 d 4 点的短 路。 解决这个问题有两个办法，一种办法是在个别情况下，当快速切除故障是首 要条件时，采用无选择性的速断保护，而以重合闸来纠正这种无选择性动作;另 一种办法也是工程实际中常采用的办法，即:优先保证动作的选择性，从保护装 第二章 三段式电流保护 置起动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不起动，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。 在最大运行方式下三相短路时，通过保护装置的短路电流最大，而在最小运 行方式下两相短路时，通过保护装置的短路电流最小。系统运行方式及故障类型 改变时，短路电流 i d将随之变化。图 2 - 1 中两条曲线反映的是 工 d = f ( 1 ) ，即: i d 随 z d的变化曲线。曲线 i 对应大方式下三相短路电流，曲线 i i 对应小方式下 两相短路电流。为保证电流速断保护的选择性，应使 式中i d z . 1 i d . c . m a x i d z . 1 i d . c . m a x( 2 - i ) i d z . 2 ) t d . b . m a x ( 2 - 2 ) 2 一一保护 1 和2 的电流速断保护起动值; b . m a x 一一最大运行方式下 c 母线和 b 母线上的三相短路电 流值。 将上式写成等式为 i d z . 1 = k k i d . c . m a x ( 2 - 3 ) i d z . 2 = k k i d . b . m a x( 2 - 4 ) 式中k k 一一可靠系数，一般取 k k = 1 . 2 -1 . 3 0 起动电流与 z d 无关，所以在图 2 - 1中是直线，它 与曲线 工 和 h 各有一个交 点。在交点以前短路时，由于短路电流大于起动电流，保护装置都能动作。而在 交点以后短路时，由于短路电流小于起动电流，保护将不能起动。由此可见，有 选择性的电流速断保护不能保护线路的全长。 电流速断保护的灵敏度用保护线路范围的大小来衡量， 即线路全长的百分数。 由图2 - 1 可见，当系统为最大运行方式时，电流速断的保护范围最大:对应系统 最小运行方式下两相短路时，电流速断的保护范围最小。一般电流速断保护在系 统的最大运行方式下，能够保护到线路全长的 5 0 % 即认为有良好的保护效果:在 最小运行方式下可以保护到线路全长的 1 5 % -2 0 % ，即可装设。因此，电流速断的 任务是在线路始端短路时能快速切除故障。 综上所述，电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速;缺点是不可能 图2 - 2用于线路一 变压器组的电流速断保护 f i g 2 - 2 f a s t - t r i p p i n g c u r r e n t p r g t e c t io n f o r t i ne- t ransf or m er unu 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， 或者被保护的线路长度很短时， 速断保护就可能没有保护范围， 因而不能被采用。但在某些情况 下，有选择性的速断保护也可以 华南理 ! _ 大学 i 程硕士学位论文 保护线路的全长，例如当电网的终端线路 l 采用线路一 变压器组接线 方式时，如图 2 - 2 所示，由于线路和变压器可以看成是一个元件，因此，速断保 护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处d l 点短路来整定， 由于变压器的阻抗 一般较大，因此，d l 点的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断保护就 可以保护线路 a - b的全长，并能保护变压器的一部分。 2 . 1 . 2限时电流速断保护 由于电流速断保护不能保护本线路的全长，因此需要增加一段新的保护，用 来切除本线路电流速断保护范围以外的故障，这就是限时电流速断保护 ( 也称电 流保护 h 段) 。 限时电流速断保护必须满足两个要求。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。正是由干它能以较小的时限快速切除全线范围以内的故障，因此，称 之为限时电流速断保护。 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短路时，它就要起动，在这 种情况下，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。为了使这一时限尽量缩短，照例都是首先考虑使 它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围，而动作时限则比下一条线路的 速断保护高出一个时间阶段。 分 m i.一 (a)一 一_ 角 图2 - 3限时电流速断动作特性的分析 f i g 2 - 3 o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t i m i n g c u r r e n t p r o t e c t i o n a 1 ( 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 图 2 - 4限时电流速断动作时限的配合关系 f i g 2 - 4 o p e r a t i o n t i m e m a t c h o f t i m i n g c u r r e n t p r o t e c t i o n 以图 2 - 3为例，当保护 1 的电流速断保护定值 为 工 d z . 1 ， 它与短路电流变 化曲线的交点 m即为其速断保护范围，保护 2的限时电流速断不应超过保护 1 的 华南理 ! _ 大学 i 程硕士学位论文 保护线路的全长，例如当电网的终端线路 l 采用线路一 变压器组接线 方式时，如图 2 - 2 所示，由于线路和变压器可以看成是一个元件，因此，速断保 护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处d l 点短路来整定， 由于变压器的阻抗 一般较大，因此，d l 点的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断保护就 可以保护线路 a - b的全长，并能保护变压器的一部分。 2 . 1 . 2限时电流速断保护 由于电流速断保护不能保护本线路的全长，因此需要增加一段新的保护，用 来切除本线路电流速断保护范围以外的故障，这就是限时电流速断保护 ( 也称电 流保护 h 段) 。 限时电流速断保护必须满足两个要求。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。正是由干它能以较小的时限快速切除全线范围以内的故障，因此，称 之为限时电流速断保护。 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短路时，它就要起动，在这 种情况下，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。为了使这一时限尽量缩短，照例都是首先考虑使 它的保护范围不超出下一条线路速断保护的范围，而动作时限则比下一条线路的 速断保护高出一个时间阶段。 分 m i.一 (a)一 一_ 角 图2 - 3限时电流速断动作特性的分析 f i g 2 - 3 o p e r a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s o f t i m i n g c u r r e n t p r o t e c t i o n a 1 ( 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 图 2 - 4限时电流速断动作时限的配合关系 f i g 2 - 4 o p e r a t i o n t i m e m a t c h o f t i m i n g c u r r e n t p r o t e c t i o n 以图 2 - 3为例，当保护 1 的电流速断保护定值 为 工 d z . 1 ， 它与短路电流变 化曲线的交点 m即为其速断保护范围，保护 2的限时电流速断不应超过保护 1 的 第二章 三段式电流保护 电流速断保护范围。因此在单电源供电的情况下，应使保护 2的限时电流速断保 护起动电流满足 i d z . 2 ”i d z . 1 ( 2 - 5 ) 式中i d z . 2 ”一一保护 2 的限时电流速断保护起动值; 将上式写成等式为 i d z . 2 ，= k k i d z . i ( 2 - 6 ) 式中k k 一一可靠系数，一般取 k k = 1 . 1 -1 . 2 0 由于保护 2的限时电流速断和保护 1 的电流速断有一个线路重叠保护区，因 此为保证选择性，在动作时限上应满足 t 2 ”二 t i + t( 2 - 7 ) 式中t 2 ”一一保护 2 的限时电流速断保护动作时限; t 1 一一保护 1 的电流速断保护动作时限; ot一一时间级差，电磁型保护一般取0 . 5 s ,微机保护取 o as . 按照上述原则整定的时限特性如图 2 - 4 ( a )所示。由图可见，在保护 1 电流 速断范围以内的故障， 将以 t 1 的时间被切除， 此时保护 2的限时速断虽然可以 起动，但由于 t 2 ”较 t 1 大一个t ，因而从时间上保证了选择性。又如当故障 发生在保护 2电流速断的范围以内时，则将以t 2 的时间