理学电网的电流保护

1、 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（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

2、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

3、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 k I 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

4、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 。 2 2 12 2 k e I MKK 1312 () ss MMK sf MM 2 k I 12 KK、 3 K e M 1s M 1 1 2 f M 为使继电器动

5、作并闭合其触点，就必须增大电流 ，以增大电 磁转矩 ，继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） esf MMM 2 2 2 k act act I MK actk I . k I e M 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

6、的返回电流，以 表示， 对应于此时的电磁转矩 （2-6） esf MMM 2 2 2 K re re I MK k re I 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

7、电磁转矩曲线 1 2 actk I . act M r M 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返继电器才能立即突然地返 回原位，触点重新打开。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-

8、2继电特性曲线 kk act II kk act II kk re II 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） K re re K act I K I 1 U 0 U 由于在行程末端存在剩余转矩以及摩擦转矩的影响，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.

9、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

10、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

11、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

12、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。 1 k 2 k 2 k 1 k 1 k 2 k 为了解决这个矛

13、盾，通常的方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，在继电保护证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。的条件整定。 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，以的启动电流，以 表示，显然必须当实际的短路表示，显然必须当实际

14、的短路 电流电流 时，保护装置才能启动。保护装置的时，保护装置才能启动。保护装置的 整定值整定值 是利用电力系统一次侧的参数表示的，是利用电力系统一次侧的参数表示的， 所代表的所代表的意义意义是：当在被保护线路的一次侧电流是：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达到这个数值时，安装在该处的这套保护装置就 能够启动。能够启动。 act I actk II act I 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

15、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位角一般小于 。 30 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

16、 （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 。 kk k Sk K EK E I ZZZ E S Z k Z k K 2 3 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 、 短路短路 时，时， ；当；当 、 短路时，短路时， 。 此此 时时 将随将随 的增大而减小，因此可以

17、经计算后的增大而减小，因此可以经计算后 绘出绘出 的变化曲线，如图的变化曲线，如图2-4（c）所示。）所示。 klABlBC ZZZ ( ) k If l E S Z k Z 1 k 2 k klAB ZZ 4 k 3 k k I k Z 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

18、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

19、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。 S Z k I min. SS ZZ 1 k K max.SS ZZ 3 2 k K 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 点短路时可能出现的最大短路电流，即大于在最点短路时可能出现的最大短路电流，即大于在最 大运行方式下变电所大运行方式下变电所C母线上三相短路时的电母线上三相短路时的电 流流 ，亦即，亦即 （2-9） 引入可靠系数引入可靠

20、系数 ，则式（，则式（2-9）可写）可写 为为 (2-10) maxk c I .1maxactk c II 1.21.3 rel K .1max .min. rel actrelk c Sl ABl BC KE IKI ZZZ 1 .act I 4 k 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

21、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 (2-11) 启动电流的整定值与启动电流的整定值与 无关，所以在图无关，所以在图2-4 （C）上是一条直线，它与曲线）上是一条直线，它与曲线和和各有一各有一 个交点。在交点以前短路时，由于短路电流大个交点。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，保护后短路时，由于短路电流小于启动电流，保护 将不能启动。由此可见，有选择性的电流速断将不能启动。由此可见，有选择性的电流速断 保护不可能保护本线路

22、的全长。保护不可能保护本线路的全长。 m axk B I .2max .min. rel actrelk B Sl AB KE IKI ZZ 2 k k Z 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 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

23、（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。 .1. .min .max1 min 3 2 actk l s E II ZZ l min l 1 Z minmax 11 3 1 () 2 s act E lZ ZI min 100 AB l l 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

24、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。 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

25、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 2 ,act I .1act I 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为 （2-13） 因

26、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。 .2.1actact II rel K .2.1actrelact IKI rel K .2.1actact II rel K 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

27、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，

28、 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） 2 t 1 t t ttt 12 t t 1 .QF t 1 t 1 . t t 2 . t t t2 .in t r t rinttQF tttttt 2 .2 .1 .1 . 图2-7 限时电流速断动作时限的配合关系 对于机电式时间继电器，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

29、（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。 1 t 2 t 1 t t 2 t t t 2 t 由此可见，当线路上装设了电流速断 和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

30、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。 sen K sen K 保 护 范 围 内 发 生 金 属 性 短 路 时 故 障 参 数 计 算 值 保 护 装 置 的 动 作 参 数 对保护

31、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。 . .mink B I .min .2 k B sen act I K I sen K 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

32、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； （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

33、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（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。 t ttt 12 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。 2 t 2 t 四、定时限过电流保护（四、定时

34、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。 max. L I 例如： 图2-9 选择过电流保护启动电流和动作时间的网

35、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

36、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） Ms K .maxMs I max.L I re I .maxMs I .max.maxrerelMsrelMs L IK IK K I .max.maxMsMsL IKI 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

37、，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。 relMs actre.max rere KK1 III KK L rel K Ms K re K re K re K 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

38、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 1 t 1 k 12 tt t ttt 12

39、 2 k 2 t 23 tt t ttt 23 ttt ttt 45 34 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。 t 123 ttt ttt 34 1 t 2 t 3 t 当故障越靠近

40、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

41、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。 sen K1 .31 .5 2 . 1Ksen 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

42、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 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

43、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

44、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 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

45、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，

46、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 护和后备保护使用。 act IK I ( )tf I 0.02 act 0.14K 1 K t I I I t K 七、电流保护的接线方

47、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

48、地短路。 cba III 0 3I 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 。 ca II 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） k I 2 I 1 2

49、n TA I I 1 k2 nTA I II a c t I act K act nTA I I 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。

50、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。 1 3 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

51、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。 21 tt 21 tt 3/2 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

52、（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 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） AB II 0 C I a I b I c I 1 3 22 33 acA bAB III III 2 YY AC YY BA II II 图2

53、-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

54、器就能提高灵敏系数。 ( YY ACTA IIn ） / Y BTA In 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）， 以保证在不同线

55、路上发生两点及多点接地时能切除故障。 23 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

56、流回路合在一张图上，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

57、电 流保护采用图2-18（a）所示接线，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

58、方向继电器的工作原理 三、集成电路型功率方向继电器三、集成电路型功率方向继电器 四、相间短路功率方向继电器的接线方式四、相间短路功率方向继电器的接线方式 五、双侧电源网络中电流保护整定的特点五、双侧电源网络中电流保护整定的特点 六、对方向性电流保护的评价六、对方向性电流保护的评价 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 上节所讲的三段式电流保护是仅利用相间短路后电流幅值增大 的特征来区分故障与正常运行状态的，在多侧电源组成的复杂网络 中已不能满足系统的运行要求。 图2-20 双侧电源网络接线及保护动作方向的规定 （a） 点短路时的电流分布；（b） 点短路时的电流分布； （c）

59、各保护动作方向的规定；（d）方向过电流保护的阶梯形时限特性 1 k 2 k 例如在图2-20所示的双侧电源网络接线中，由于两侧都有电源， 因此，在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置，以便合上和 断开线路。在图2-20（a）中当 点短路时，按照选择性的要求，应 该由距离故障点最近的保护2和6动作切除故障，然而由电源 供给的短路电流 也将通过保护1，如果保护1采用电流速断保 护且 大于保护装置的启动电流 ，则保护1的电流速断就要误动 作；如果保护1采用过电流保护而其动作时限 ，则保护1的过电 流保护也将误动作，此时希望动作时限为 。同理，当图2-20（b） 中 点短路时，本应当由保护1和7动作

60、切除故障，但是由电源 供 给的短路电流 将通过保护6，如果 ，则保护6的电流速断 要误动；如果过电流保护的动作时限 ，则保护6的过电流保护 也要误动作，此时希望动作时限为 。由于时限的配合方式只能 整定成一种，因此过电流保护的动作时限若要满足 点短路时的要 求 ，就不能同时满足 点短路的要求 。同样地分析其他 地点短路时，对有关的保护装置也能得出相应的结论。 1 k E 1k I 1act I 16 tt 2 k E 2.6Kact II 61 tt 61 tt 1 k 16 tt 2 k 16 tt 2K I 16 tt 1k I 在规定保护的正方向是由母线指向线路的条件下，分析双侧电 源供