单侧电源网络相间短路的电流保护ppt课件

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 继电器是一种能自动执行断续控制的部件 当其输入量达到一定值时 能使其输出的被控制量发生预计的状态变化 如触点打开 闭合或电平由高变低 由低变高等 具有对被控电路实现 通 断 控制的作用 2 1 1继电器 1 继电器的分类和要求 按照动作原理可分为 按照反应的物理量可分为 按照作用可分为 电磁型感应型整流型电子型数字型 电流继电器电压继电器功率方向继电器阻抗继电器频率继电器瓦斯 气体 继电器 起动继电器量度继电器时间继电器中间继电器信号继电器出口继电器 2 过电流继电器 过电流继电器是实现电流保护的基本元件 也是反映于一个电气量而动作的简单继电器的典型 它是一个量度继电器 量度继电器 过量继电器 欠量继电器 过电流继电器过电压继电器高周波继电器 低电压继电器阻抗继电器低周波继电器 反映故障参数增大而动作 电磁型过电流继电器结构 电磁型过电流继电器 铁心 空气隙 可动舌片组成的磁路 舌片被磁化后与铁心产生电磁吸力 吸引舌片向铁心靠近 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 因此 由电磁力作用到舌片上的电磁转矩为 5 1 2 3 4 6 7 8 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舌片受弹簧7拉力的控制而保持在原始位置 此时 弹簧产生的力矩Mth1称为初拉力矩 此外 舌片转动须克服由摩擦力所产生的摩擦力矩Mm 其值认为是一个常数 故阻碍继电器动作的全部机械反抗转矩就是Mth Mm 5 1 2 3 4 6 8 为使继电器起动并闭合其触点 须IJ变大 Mdc增大 继电器能够动作的条件为 把能使继电器动作的最小电流值 称为继电器的动作电流 起动电流 以Iop J表示 对应此时的电磁转矩 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Ire J表示 则此时的电磁转矩为 在继电器动作之后 为使它重新返回原位 需使IJ减小以使Mdc减小 然后由弹簧的反作用力把舌片拉回 这时摩擦力又起阻碍返回的作用 故返回的条件是 由此可知 继电器根本不动作 继电器能够突然迅速地动作闭合其触点 继电器又能突然地返回原位 触点重新打开 继电特性图 无论起动和返回 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 这种特性称为 继电特性 返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数 由于剩余转矩以及摩擦转矩的影响 Kre恒小于1 一般要求Kre 0 85 0 9 Kre 0 85 0 9 晶体管型过电流继电器 R1 UR1 IJ I2 D1 D4 C1 C2 R2 R3 R4 R5 R6 R8 R7 R9 D5 D6 T1 T2 W 0V E1 UC2 UR3 a b I1 I2 Ib1 Ib2 ID5 电压形成回路的作用是用中间交流器LB将加入继电器的电流转换成一个在电阻R1的电压降UR1 以便与电流互感器的二次回路相隔离 并取得晶体管回路所需要的信号电压 当整流滤波回路以后的负载电阻远大于R1时 LB 整流滤波回路由二极管D1 D4和兀型滤波器 C1 C2 R2 组成 它将交流输出电压UR1变成一个比较平滑的直流电压加于电位器R3上 从R3活动头取出的电压以UR3表示 它与加入继电器的电流IJ成正比 比较回路由R4和稳压管W组成 W两端给出稳定的电压Ub 一般为3V左右 称为比较电压 继电器能够动作的条件 故调节UR3就可调整Idz J Ua Ub UR3 执行回路是由T1 T2组成单稳触发器 T2集电极输出Uc2的变化 即表示继电器的不同工作状态 正常工作时 IJ Idz J 调节电位器R3使UR3 Ub 故触头输入端的a点具有正电位 D5截止 I3 0 输入信号回路对触发器的工作不产生影响 此时 T1的基极电流由两部分组成 Ib1 I1 I2 在Ib1的作用下 T1处于饱和导通状态 其集电极电压UC1 0 1 0 2V不足以使T2导通 故T2处于截止状态 T2集电极输出电压UC2约等于E1 对应于继电器的不动作状态 当IJ增大到Idz J时 UR3开始大于Ub a点电位由正变为负 D5导通 故T1的Ib1被输入回路所分流而开始减少 随着Ib1的减少 T1开始由饱和经放大区而向截止状态过渡 由于反馈电阻R9的存在 使这一过程进行得很迅速 故具有触发器特性 触发器翻转过程 T1进入放大区Vc1升高 T2由截止区向放大区过渡Vc2下降 T1截止Vc2下降T2导通对应于继电器的动作状态 2 1 2单侧电源网络相间短路时电流量值特征 1 2 A B C D 2 1 I l 正常运行时 各条线路中流过所供的负荷电流 越是靠近电源侧的线路 流过的电流越大 负荷电流的大小 取决于用户负荷接入的多少 当用户的负荷同时都接入时 流过线路的是最大负荷电流 功率因数角一般小于300 根据电力系统短路分析 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 系统等效电源的相电势 短路点到保护安装处的阻抗 保护安装处至系统的等效阻抗 在一定的系统运行方式下 和等于常数 可经计算绘出的变化曲线 当系统运行方式及故障类型改变时 Ik均将随之变化 2 1 2单侧电源网络相间短路时电流量值特征 1 2 k1 A B C D k2 k3 k4 3 2 1 I l 随整个电力系统开机方式 保护安装处到电源之间电网的网络拓扑 负荷水平的变化 Zk和Zs都会变化 造成短路电流的变化 随短路点距离保护安装处远近的变化和短路类型的不同 Zk和Zs的值不同 短路电流也不同 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 保护安装处到系统等效电源之间的系统等效阻抗最小 即Zs Zs min 的方式 称为系统最大运行方式 而短路电流为最小 系统等值阻抗Zs最大 即Zs Zs max 的方式 则称为系统最小运行方式 在最大运行方式下 三相短路时 通过保护装置的短路电流为最大 而在最小运行方式下 两相短路时 则短路电流为最小 电流保护一般用于35kV以下配电网中 在35kV和10kV以下的低压线路中 采用中性点不接地方式 所以当单相接地 系统影响不大 系统运行方式变化举例 开机方式 网络拓扑 A C B D 1 2 Ik 最大运行方式下三相短路 最小运行方式下二相短路 短路点的位置不同 流经保护2的短路电流也不同运行方式不同 同一地点发生短路时的短路电流也不同故障类型不同 同一地点发生短路时的短路电流也不同 综上分析 流过保护安装处短路电流的大小与以下因素紧密相关 1 电力系统运行方式 Zs 的变化 2 电力系统正常运行状态 E 的变化 3 不同的短路类型 4 随短路点距等值电源的距离变化 短路电流连续变化 越远电流越小 并且在本线路末端和下级线路出口短路 短路电流没有差别 2 1 3电流速断保护 电流速断保护装置 概念 对于仅反应于电流增大而瞬时动作的电流保护 称为电流速断保护 假设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 并且它们的保护范围最好能达到本线路全长的100 以保护2为例 当本线路末端k1点发生故障时希望保护2能够瞬时动作切除故障 而当相邻线路B C的始端k2点短路时 按选择性的要求 速断保护2不应动作 而应由速断保护1动作切除 但实际上 k1点和k2点短路时从保护安装2处看所流过的短路电流的数值几乎一样 因此 希望k1点短路时速断保护2能动作 而k2点短路时速断保护2又不动作的要求就不可能同时得到满足 解决方法 优先保证动作的选择性 即从保护装置起动参数的整定上保证下一线路出口处短路时不动作 继保中称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定 采用无选择性的速断保护 而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作 牺牲灵敏性保选择性 牺牲选择性保灵敏性 A C B D 1 2 对反应电流升高而动作的电流速断保护而言 能使该保护装置起动的最小电流值称为保护装置的整定电流 以Iset表示 保护装置的起动值Iset是用电力系统一次侧的参数表示的 显然必须当实际的短路电流保护装置才能起动 它所表示的意义是 当在被保护线路的一次侧电流达到这个数值时 安装在该处的保护装置就能够起动 四性中选择性是第一位的 为保选择性 对保护1 I set 1须整定得大于k4短路时 可能出现的最大短路电流 保选择性 A C B D k3 k4 1 2 引入可靠系数 K rel 1 2 1 3 则有 因此 有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长 选择性 只要大于I set 故障肯定在被保护范围以内 保护装置一定动作 以外不动作 速动性 t 0 速度非常快 由于继电器闭合 跳闸线圈的熄弧时间 其固有延时10 30ms 灵敏性 15 的范围内 具有灵敏性 一般整定值选好后 再来校验灵敏性 可靠性 只要大于I set 肯定动作 小于I set不动作 评价 优点 非常简单 动作速度快不足 保护范围太小 15 受故障类别 运行方式影响大 不能单独作为主保护 在系统 辐射型网络 末梢线路 电流速断满足 四性 单相原理接线 I sel 2 K rel Ik B max A B Ik 1 2 保护范围校验 A C B 1 2 Ik N M I set 1 在最大运行方式的最小保护范围为 最大运行方式下两相短路M点短路电流等于I set 1 在M点发生三相短路时 在M点发生二相短路时 M点为最大运行方式下的最小保护范围未端 I 2 k max I 2 k min 在最小运行方式的最小保护范围为 最小运行方式下两相短路N点短路电流等于I set 1 在N点发生三相短路时 在N点发生二相短路时 N点为最小运行方式下的最小保护范围未端 要求 概念 有选择性的电流速断不能保护本线路的全长 增加一级保护 用来切除本线路上速断范围以外的故障 同时也能作为速断保护的后备 这就是限时速断保护 2 1 4限时速断保护 延时一段时间 启动继电器动作 1 原理 由于要求限时速断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 它就要起动 满足不了选择性 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 为使这一时限尽量缩短 一般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 而动作的时限则比下一条线路的速断保护延时一个时间阶段rt 主保护的定义 2 整定 A C B 2 Ik I set 2 I set 2 I set 1 1 保护1 速断保护起动电流I set 1 从B至M为保护1电流速断的保护范围 保护2的限时速断不应超出I set 1 因此 保护2限时速断的起动电流应整定为 I set 2 I set 1 引入可靠系数 K rel I set 2 K relI set 1 K rel 1 1 1 2 短路电流中的非周期分量已经减少 I 3 k max 保护2限时速断范围 保护2电流速断范围 保护1电流速断范围 A C B 2 Ik I set 2 M I set 2 I set 1 1 I 3 k max 限时速断 电流速断 当线路B C的k2点故障时 保护1处的电流速断和限时速断以及保护2处的限时速断均启动 这时由保护1的电流速断以t 1的时间切除k2点故障 在k2点故障切除短路电流消失后 保护1和保护2的限时速断自动返回 线路A B末端k1点故障时 只有保护处2的限时速断启动 其以t 2 t 1 t的时间切除k1点故障 当线路B C的k3点故障时 哪些保护启动 由哪个保护动作切除故障呢 动作时限选择 从速动性讲 t越小越好 为保证选择性 t又不能太少 通常 t 0 35 0 6s 多取 t 0 5s t tQF 1 tt 1 tt 2 tg 2 ty t tQF 1 包括故障线路断路器的跳闸时间 灭弧时间 tt 1 故障线路保护1中时间继电器的实际动作时间比整定时间大的正误差 tt 2 保护2中时间继电器可能比预定时间提早动作的负误差 tg 2 保护2中的测量元件 电流继电器 在外部故障切除后 由于惯性的影响而不能立即返回的延时 ty 考虑一定的裕度 当线路上装设了电流速断和限时电流速断保护后 它们的联合工作就可以保证本线路范围内的故障都能够在0 5s的时间内予于切除 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 可见 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 用灵敏系数Ksen来衡量 灵敏性校验 对于反应数值上升而动作的过量保护装置 灵敏系数Ksen定义 对保护2限时速断 应采用系统最小运行方式下线路A B末端发生两相短路时的短路电流作为故障参数的计算值 设此电流为I 2 k B min 则 要求Ksen 1 3 1 5 单相原理接线 灵敏性不满足怎么办 若不满足Ksen 1 3 1 5则 I set 2 K relI set 1 t 2 t 1 t 限时速断的单相原理接线图 TQ t 信号 TA 2KA 2KT 2KS 经t 时间后时间继电器2KT动作 触点闭合 当电流达到整定值后电流继电器2KA动作 触点闭合 保护用直流经其触点加入时间继电器2KT绕组 启动时间继电器2KT 保护用直流经其触点再经信号继电器绕组驱动跳闸线圈跳闸 线路流过一次电流 经TA二次电流流入电流继电器绕组 2 1 5定时限过电流保护 概念 过电流保护通常指其起动电流按照躲开流过本线路的最大负荷电流来整定的一种保护装置 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 限时电流速断不能作为下一条线路的远后备 它可作为下级线路主保护拒动和断路器拒动时的远后备保护 同时又可作为本线路主保护拒动时的近后备保护 也作为过负荷时的保护 原理整定 为保证在正常运行情况下过电流保护绝不动作 保护装置的起动电流整定应大于该线路上可能出现的最大负荷电流IL max 在实际中还须考虑在外部故障切除后 保护装置能否返回 当k1点短路时 短路电流将通过保护5 4 3 这些地方装设的过电流保护都要起动 但按选择性要求应由保护3动作切除故障 然后保护4 5由于电流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的电流是仍在继续运行中的负荷电流 M M 5 4 3 2 1 C B A 由继电器的返回系数定义 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 电机的自起动电流要大于它正常的工作电流 故引入一个自起动系数Kss来表示自起动时最大电流Iss max 与正常运行时最大负荷电流之比 同时引入可靠系数K rel 得 Kre 电流继电器返回系数 Kre 0 85 K rel 1 15 1 25 Kss 自启动系数 大于1 应视网络具体接线和负荷性质确定 自起动系数 最大自起动电流 最大负荷电流 按选择性要求 整定过电流保护的动作时限 当k1点短路时 保护1 5在短路电流的作用下 均可能起动 但要满足选择性 应只有保护1起动 切除故障 而保护2 5在故障切除后应立即返回 这个要求只有靠各保护装置不同的时限来满足 A B C D M 4 5 3 2 1 t 4 t t t t t 3 t 2 t 1 t 5 保护1位于电网末端 只要电机内部故障 它便可以瞬时动作切除 t 1为保护装置本身的固有动作时间 对保护2 为保证k1点短路时动作的选择性 则应整定其动作时限 t 2 t 1 引入时间阶段 t 则应保护2的动作时限为t 2 t 1 t 保护2的时限确定后 当k2点短路时 它将以t 2的时限切除故障 此时 为了保证保护3动作的选择性 则必须整定t 3 t 2 t 3 t 2 t 同理 t 4 t 3 t t 5 t 4 t M 4 5 3 2 1 A B C D t 4 t t t t t 3 t 2 t 1 t 5 任一过电流保护的动作时限 应选择得比相邻各元件保护的动作时限均高出至少一个 t 只有这样才能充分保证动作的选择性 结论 当故障越靠近电源端时 短路电流越大 而此时过电流保护动作切除故障的时间反而越长 故在电网中 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 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 称为阶梯型时限特性 过电流保护灵敏系数的校验 作为本线路的主保护和近后备 作为相邻线路的远后备保护 思考 为什么 段不考虑Kss Kre而 段要考虑 什么情况下 过电流动作时限可以整定为0s 注意 在各个过电流保护之间 还必须要求灵敏系数互相配合 即对同一故障点而言 要求越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数 例如当k1点短路时 应要求各保护的灵敏系数之间具有下列关系 在后备保护之间 只有当灵敏系数和动作时限都互相配合时 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 电流速断保护只能保护线路始端的一部分 限时电流速断保护虽能保护本线路的全长 但不能作为相邻线路的后备 定时限过电流保护能保护本线路的全长及相邻下一条线路的全长 然而动作时限太长 且越靠近电源 动作时间越长 2 1 6阶段式电流保护 概念 为了迅速可靠地切除被保护线路的故障 将三种电流保护组合在一起构成一整套保护 称为阶段式电流保护 电流速断 段 限时电流速断 段 由 段共同构成主保护 过电流 段 近后备和远后备 注 不一定三段全用 也可只用两段即用电流速断或限时速断做为 段 过电流作为 段 一般对于电网末梢线路 只装带0 5s延时的过电流保护 而对靠近电源处的线路 因过电流保护时限太长 需装设三段式电流保护 具有电流速断 限时电流速断和过电流的单相原理接线图 TA TQ 1 2 3 4 5 6 7 8 9 信号 信号 信号 KT KA KA KA KT KS KS KS 电流 段 电流 段 电流 段 TAA TQ TAC 1 2 4 5 6 7 8 9 11 12 13 DL LP LP LP 3 10 信号 信号 信号 KA a KA c KA a KA c KA KA KA KT KT KS KS KS 具有电流速断 限时电流速断和过电流的三相原理接线图 电流 段 电流 段 电流 段 A相二次电流 两相不完全星形接线 LP 电流速断保护 限时电流速断保护 过电流保护 跳闸及信号回路 KA a KA c KA a KA c KT K K KT KA a KA b KA b KS KS KT KT KT QF 两相三继电器接线 2 1 8电流保护的接线方式 常用电流保护接线方式 三相完全星形接线方式 二相不完全星形接线方式 三相完全星形接线方式 可反应各种相间短路和中性点接地系统的单相接地短路 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 两相不完全星形接线方式 可反应各种相间短路 但不反应B相单相接地短路 可反应各种相间短路和中性点接地系统的单相接地短路 两相三继电器接线 回顾刚才的三相原理接线 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 当保护装置的起动电流整定为时 则反应到继电器上的起动电流即应为 称为二次动作电流 两相电流差接线法 把流入继电器的电流与电流互感器的二次电流之比称为接线系数 在求得保护的动作电流之后则 正常运行和三相短路时 AC两相短路时 AB和BC两相短路时 三段式电流保护整定计算 试对线路AB进行三段式电流保护整定 计算保护各段的一次动作电流 二次动作电流 最小保护范围 灵敏系数和动作时限 已知 采用两相星形接线方式 Kss 2线路的最大负荷电流IL max 100A 互感器变比nTA 300 5 保护2的过电流保护动作时限为2 2s 母线ABC等处三相短路时流过线路AB的短路电流值为 kA Z1 0 4 km 解 段 动作电流 灵敏性校验 最小运行方式下 其中 37为35kV电网的平均线电压 35 1 05 37电网始端调高 最大运行方式下Ik最大 最小运行方式下最小保护范围 满足要求 动作时限整定t 0s 段 动作电流 AB的 段应与BC的 段配合 继电器动作电流 灵敏性校验 动作时限 段 动作电流的整定 继电器的动作电流 灵敏性 近后备 远后备 对Y d接线变压器一侧两相短路流过另一侧保护中电流的分析 I 3 I 1 I 2 a 接线图 Y d11接线降压变压器两相短路时的电流分析及过电流保护的接线 对线路变压器组 一般保护到变压器低压侧出口 主要是保护变压器 保护安装在高压侧 反应变压器绕组和引出线故障 也作为低压侧线路故障的后备保护 高压侧 低压侧 Y d11 接线的降压变压器 分析当三角形 低压 侧发生A B两相短路时在星 高压 侧各相电流的关系 由此可求出 设侧各相绕组中的电流分别为 和 则 三角形侧电流向量图 当三角形 低压 侧发生A B两相短路时 根据变压器的工作原理 即可求得星形 高压 侧电流的关系为 当Y d11接线的降压变压器低压侧A B两相短路时 在高压侧各相的电流具有和的关系 而当Y d11接线的升压变压器高压 星型 侧B C两相短路时 在低压 三角 侧各相的电流为和 0 当过电流保护接于降压变压器的高压侧以作为低压侧线路故障的后备保护时 如果保护采用三相星形接线 则接于B相上的继电器由于流有较其它两相大一倍的电流 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星形接线时降低一半 例 如图所示 35kV单侧电源辐射网 确定线路AB的保护方案 变电所B C中变压器连接组别为Y d11 且在变压器上装设差动保护 线路AB的最大传输功率为Pmax 9MW cos 0 9 KSS 1 3 网络中阻抗为归算至37kV电压级有名值 线路AB的过流保护要保护到变压器T1低压侧短路 1 电流速断保护 B母线短路最大三相短路电流 灵敏度校验 最小运行方式15 处两相短路灵敏度 故灵敏度满足要求 2 限时电流速断保护 1 按躲开变压器T1低压侧母线短路整定 2 与相邻线路电流速断保护配合 选取较大值作为动作电流 则 3 灵敏度校验 不满足要求 改用与T1低压侧母线短路配合 则 动作时间取1s 即 3 定限时过电流保护 灵敏度校验 1 作为本线路近后备保护 2 作为相邻线路远后备保护 3 作为相邻元件变压器远后备保护 灵敏度满足要求 灵敏度满足要求 灵敏度满足要求 填空题 2 1瞬时电流速断的保护范围随 和 而变 2 2瞬时电流速断保护的保护范围在被保护线路 端 在 运行方式下 保护范围最小 2 3本线路限时电流速断保护的保护范围一般不超过相邻下 线路的 保护的保护范围 故只需带 延时即保证选择性 2 4线路装设过电流保护一般是为了作本线路的 及作相邻下一条线路的 2 5为使过电流保护在正常运行时不动作 其动作电流应大于 为使过电流保护在外部故障切除后能可靠返回 其返回电流应大于 2