1、 4 电网的电流、电压、阻抗及方向 保护4、1 单侧电源辐射网络相间短路的电流保护 输电线路阶段式电流保护主要有电流速断、限时电流速断和定时过流等，视网络结构不同，可有三段式，两段式或一段式等配置。传统电流保护由电流继电器、时间继电器、中间继电器和信号继电器等构成。微机保护则由一单片机（或 DSP)为核心的微机系统完成。机电式电流继电器集检测、比较判断等功能于一身。其动作特性常以返回系数表征。返回系数=返回值/动作值 电流继电器返回系数横小于 1。1 电流速断保护电流速断保护 仅反映电流增加而瞬时动作的电路保护被称作电流速断保护。图 4-1 电流速断保护动作特性的分析 k 1 A 2 B 1
2、k 2 C D k 4 k 3 I k op2 op1 对电流速断保护而言，能使该保护装置起动的最小电流值称为保护装置的起动电流，以 表示。短路电流可由下式求得式中 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。对保护 1 而言有:（4-1）opIksrkZZEZEIE 在最大运行方式下变电所 C 母线上三相短路时的电流是 ，因此动作电流 引入可靠系数 ，则上式即可写为 对保护 2 来讲，按照同样的原则，其起动电流应整定得大于 B 母线短路时的最大短路电流，即（4-2）（4-3）（4-4）maxckImax1ckopII3.12.1relK
3、max1ckrelopIKImaxBkImax2BkrelopIKI 在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。保护2 的最小保护范围是：式中 Z1 为线路单位长度(1km)正序阻抗，为相电势。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大。E1max22min23ZZIELsopl图 4-2 系统运行方式变化对电流速断保护的影响 I k op2 图 4-3 被保护线路长短不同时，对电流速断保护的影响(a)长线路；(b)短线路
4、I k op2 I k op1 当系统运行方式变化很大而电流速断的保护范围很小或失去保护范围时，可考虑用电流、电压相等范围保护，用以在不增加时延情况下，增加保护范围和提高灵敏度。所谓等范围保护是指电流元件和电压元件的起动值均按系统在经常运行方式下有较大的保护范围确定(一般按经常运行方式的保护区为线路全长的 75%考虑，即 )。因此，等范围保护（又称电流电压联锁保护）动作值为：LL%75LZIULZZEZZEIuopIopsksuop113式中：系统等效电源相电势 保护安装处至等效电源之间的阻抗 被保护线路每公里正序阻抗 经常运行方式下的保护范围。2 限时电流速断保护限时电流速断保护 由于它能以
5、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。(1)工作原理和整定计算的基本原则EsZ1ZL图 4-4 用于线路-变压器组的电流速断保护 图 4-5 限时电流速断动作特性的分析 A I k op1 1 k1 B 2 A B 1 C I k op2 op2 op1(4-5)对 ，考虑到短路电流中的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)动作时限的选择(4-6)确定 的原则(4-7)(3)保护装置灵敏性的校验(4-8)12 oprelopIKIrelK relKttt 12trgQFtttt1保护装置的动作参数计算值短路时故障参数
6、的最小保护范围内发生金属性senK图 4-6 限时电流速断动作时限的配合关系(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。(4-9)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 。当校验灵敏系数不能满足要求时，通常都是考虑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 11.2s，按照这个原则整定的时限特性如图 4-6(b)所示，此时 (4-10)2min opBksenIIK5.13.1senKtttt 12 3 定时限过电流保护定时限过
7、电流保护 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。(1)工作原理和整定计算的基本原则图 4-7 选择过电流保护起动电流和动作时间的网络图(4-12)式中 可靠系数，一般采用 1.151.25；max41 lressrelrereopIKKKIKI k 1 relK 自起动系数，数值大于 1；电流继电器的返回系数，一般采用 0.85。(2)按选择性的要求整定过电流保护的动作时限图 4-8 单侧电源放射形网络中过电流保护动作时限选择说明 缺点：当故障越靠近电源端时，短路电流越大，此时过电流保护动作切除故障的时限反而越长。k 2 k 1 reKssK 此外，处于电网终端附近的保护装
8、置，过电流保护的动作时限并不长，可以作为主保护兼后备保护，而无需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 要求 ；当作为相邻线路的后备保护时，。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。(4-13)5.13.1senK2.1senK4321sensensensenKKKK110KV142356ABC30KM20KMT=1sP=50MW已知对保护 1 的第三段电流保护进行整定计算。9.0COS4.0,1,85.0,2.11 zKKKssrerel30,40minmax.ZZS)(324.0999
9、.0350cos3minmax.KAUPIL)(457.085.0324.012.1max.1.KAkIkKIreLssrelOP)(852.0812409.03/1102323min.min.KAZZZEIBCABsSck8.1457.0825.01.min.OPckcsenIIK4、2 单侧电源辐射网络相间短路的距离保护 1 阻抗继电器（4-14)图 4-9 用复数平面分析阻抗继电器的特性(a)网络接线；(b)被保护线路的测量阻抗及动作特性 KKKIUZ.k KZ (1)构成阻抗继电器的基本原则 继电器的动作阻抗应该选择为(4-16)(2)利用复数平面分析全阻抗继电器特性 幅值比较方式（4
10、-17)上式两端乘以电流 ，因 ，变成为(4-18)setopZZsetKZZKI.KKKUZI.setKKZIU.图 4-10 全阻抗继电器的动作特性(a)幅值比较式；(b)相位比较式 (2)相位比较方式全阻抗继电器的动作特性 当测量阻抗 ZK 位于圆周上时，向量(ZK+Zset)超前于(ZKZset)的角度=90，而当 ZK 位于圆内时，90；ZK 位于圆外时，90。set k k set k set k k set(4-19)式中 对应于 ZK 超前于 Zset时的情况，此时为负值，如图 4-13 所示。图 4-11 测量阻抗在圆内 图 4-12 测量阻抗在圆外 图 4-13 ZK 超前
11、于 Zset的向量关系 90arg270setKsetKZZZZ270argsetKsetKZZZZ set k set k k set k set set k set k k set set k k set 图 9-20 距离保护的作用原理(a)网络接线；(b)时限特性距离一段 （4-27）（4-28）距离二段 （4-29）灵敏系数 （4-30）ABrelopZKZ2BCrelopZKZ1 8.0)(12BCrelABopABrelopZKZZZKZ 算值性短路时故障阻抗的计保护范围末端发生金属保护装置的动作阻抗senKABopsenZZK2,距离三段：(4-33）可靠系数、自起动系数和返回
12、系数均为大于等于 1 的数值。正常运行时的最小负荷阻抗，动作时限应比距离段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个 。(2)距离保护的主要组成元件 在一般情况下，距离保护装置由以下元件组成，其逻辑关系如图 4-21所示。图 4-21 三段式距离保护的组成元件和逻辑框图 min.2,1lressrelopZKKKZ t 起动 1 出口 跳闸&Z Z Z t t min.lZ4.3 双侧电源网络相间短路保护 在线路两侧都装上阶段式电流保护(因为两侧均有电源)，则误动的保护都是在自己保护线路的反方向发生故障时，由对侧电源供给的短路电流所致。图 4-22 方向继电器工作原理的分析 (a)网络接线；(
13、b)短路点 1 向量图；(c)短路点 2 向量图 1k1k1k 双侧电源网络相间短路方向保护就是在单侧电源网络相间保护的基础上增加方向元件以保证其选择性的保护。1 1 功率方向继电器的工作原理及相间功率方向继功率方向继电器的工作原理及相间功率方向继电器接线方式电器接线方式 （1）原理 用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器称为功率方向继电器。UICOSP(2)接线方式 零度接线 对A相的功率方向继电器，加入电压 和电流 ，则当正方向短路时 （4-34）反方向短路时，（4-35）输出为最大时的相位差称为继电器的最大灵敏角 。此时 =0 度。)(AKUU)(AKIIkkAkAKAIU11
14、arg22180argkAkAKAIUsensen 继电器动作角度 的范围通常取为其动作方程可表示为 或 （4-36）图 4-23 0 接线时的动作特性()图 4-24 90 接线时的动作特性（）)(kop90sen90arg90KjKIeUsen90arg90senKKsenIU sen sen 60k60k90接线 为了减小和消除死区，在实际上广泛采用非故障的相间电压作参考量去判别电流的相位。如对的方向继电器加入电流 和电压 。继电器的最大灵敏角应设计为 ，动作方程为：（4-37）式中 称为功率方向继电器的内角。用内角表示的动作方程：（4-39)用功率表示：(4-30)AIBCU90kse
15、n90arg90)90(KjKIeUkk9090arg90KKIU0)cos(KKKIU 综合三相和各种两相短路的分析可以得出，当 时，方向继电器在一切相间故障情况下都能动作的条件应为 (4-41)90 接线方式的主要优点是：第一，对各种两相短路都没有死区，第二，适当地选择继电器的内角后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。2 2 双侧电源网络中电流保护整定的特点双侧电源网络中电流保护整定的特点(1)电流速断保护 为了同是满足选择性和灵敏性的最佳配合，必须在单侧电源网络电流速断的基础上增加功率方向元件。3060900k (2)限时电流速断保护.助增电流的影响。图 4-26 有助增电流
16、时，限时电流速断保护的整定 V 故障线路中的短路电流 将大于 ，这种使故障线路电流增大的现象，称为助增。由于 但考虑助增后 因此引入分支系数，其定义为:此例为：BCIABI2relOP.1relBC.MKIKIopI.MBC.MIABI短路电流保护所在线路上流过的流故障线路流过的短路电bKOP.1AB.MIBC MIAB MIIbK=.动作定值：（4-47）外汲电流的影响。图 4-27 有外汲电流时电流速断保的整定 12 opbrelopIKKI 使故障线路中电流减小的现象称外汲。此时分支系数 。当变电所 B 母线上既有电源又有并联的线路时 （4-48）3 3 方向阻抗继电器和偏移特性阻抗继电
17、器方向阻抗继电器和偏移特性阻抗继电器 方向距离保护的核心是方向阻抗继电器，或带偏移特性的阻抗继电器。(1)方向阻抗继电器 图 4-28 继电器的动作特性 a)幅值比较式的分析；(b)相位比较式的分析 1bK1min2 opbrelopIKKI 方向阻抗继电器的特性是以整定阻抗为直径经坐标原点的一个圆(即坐标原点在圆周上)当 等于 的阻抗角时，继电器的起动阻抗达到最大，阻抗继电器的保护范围最大，工作最灵敏，这个角度称为继电器的最大灵敏角 。应该调整继电器的最大灵敏角使 ，以便继电器工作在最灵敏的条件下。当反方向发生短路时，测量阻抗位于第三象限，继电器不能动作，因此它本身就具有方向性，故称之为方向
18、阻抗继电器。幅值比较式继电器的起动的条件：(4-49)KsetZsenksensetsetKZZZ2121 相位比较式继电器的起动的条件：将 与 乘以电流 ，即可得到比较相位的两个电压：极化电压 补偿电压(2)偏移特性的阻抗继电器偏移特性阻抗继电器的特性是当正方向的整定阻抗为 ，同时向反方向偏移一个 ，式中图 4-29 具有偏移特性的阻抗继电器(a)幅值比较式的分析；(b)相位比较式的分析 90270KZ)(setKZZKIsetKKKPZIUUUUsetZsetZ10圆的直径为 圆心的坐标 圆的半径为 。幅值比较式.继电器的起动条件为 (4-52)相位比较式继电器起动的条件也是比较其相位的两
19、个电为压 (4-55)4、多边形阻抗继电器 阻抗继电器的非圆形特性有三条直线,四条直线及多条直线曲线围成的多边形特性。setsetZZ)(210setsetZZZsetsetsetZZZZ21000ZZZZsetK90270setKKsetKKpZIUUZI aUU 5 双测电源网络距离保护的特点双测电源网络距离保护的特点 (1)整定计算原则 距离保护第段的整定 考虑采用方向阻抗元件，一般按躲开下一条线路出口处短路的原则来确定，按(4-27)式和(4-28)式计算，在一般线路上，可靠系数取 0.8。距离保护第段的整定n图 4-32 整定阻抗的网络接线 考虑用方向阻抗元件与分支系数。1)与相邻线
20、路距离保护第段相配合，参照(4-29)式的原则并考虑分支系数的影响.(4-59)2)躲开线路末端变电所变压器低压侧出口处(图4-32 中 k 点)短路时的阻抗值。，（4-61）定值取(4-59),和(4-61)两式中数值较小的一个。时限应与相邻线路的段相配合，一般取为 0.5s。3)校验距离段在本线路末端短路的灵敏系数按(4-31)式计算。时限整定与单侧电源网络距离段相同)(1min2 opbABrelopZKZKZ)(min2TbABrelopZKZKZ 7.0relK 距离保护第段的整定 定值按(4-32)式、(4-33)式整定计算。时限整定原则与单侧电源网络段距离保护相同。但考虑方向阻抗
21、元件与全阻抗元件的区别，应将动作特性归算到最大灵敏角方向的值。灵敏度校验：一般要求动作时限整定：一般应比保护范围内其他保护动作时限的最大者高出 。距离保护可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性，并有较高的灵敏度。距离段的保护范围不受系统运行方式变化影响（其他两段也较小），保护范围比较稳定。2t tBCbABopsenZKZZKmax22 2.1 senKOPset.rkLZZCOS()jj=-例题：如图所示各线均装距离保护，对保护 I 的距离段进行整定计算。kmZ/4.01relrelKK 8.0 A B C 1 2 3 5 4 6 30KM ZS=10 110kV 50KM 70KM D
22、10 11 9 7 8 60KM 50KM E 解：)(4.22)4.0508.04.030(8.0)(8.021 setABsetZZZ)(8.04min41 setbABsetZKZZ4.224.0708.08.04BDsetZZ69.0605070)6050(702.014min4IIKb比较、取其最小者 92.21)4.2269.04.030(8.0)(8.04min41setbABsetZKZZ)(8.06min61 setbABsetZKZZ2.194.0608.08.06BEsetZZ73.07050607050602.016min6IIKb 8.20)2.1973.012(8.
23、01setZ 8.201setZ5.01 t73.1128.201 ABsetsenZZK 4.4 中性点直接接地电网中接地短路保护 零序分量的参数具有如下特点：零序电流可以看成是在故障点出现一个零序电压而产生的，它必须经过变压器接地的中性点构成回路。对零序电流的参考方向，仍然采用母线流向故障点为正，零序电压的方向，仍是线路高于大地的电压为正。故障点的零序电压最高。零序电流的分布主要决定于电线路和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。运行方式变化时，如果中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗就不变。图 4-34 接地短路时的零序 等效网络
24、 (a)系统接线；(b)零序网络；(c)零序电压的分布；(d)忽略电阻时的向量图；(e)计及电阻时的向量图(设)3 零序电流速断(零序段)保护 零序电流速断保护的整定原则。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 (4-67)不灵敏段：目的是为了在单相重合闸过程中，其它两相又发生接地故障时，用以弥补失去灵敏段的缺陷，尽快切除故障。其整定原则是：躲开在非全相运行状态下发生系统振荡时，所出现的最大零序电流。两个段在非全相和全相运行之间互相切换。4 零序电流限时速断(零序段)保护 （4-69）max03IKIrelop1min02
25、opbrelopIKKI 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校验，并应满足的要求。5 零序过电流(零序段)保护一般作为后备保护使用，但在中性点直接接地电网中的终端线路上也可以作为主保护使用。图 4-39 有分支电路时，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 5.1senKmax dsqrelKopIKI同时还必须要求各保护之间在灵敏系数上要互相配合即 (4-71)灵敏系数：当作为相邻元件的后备保护时，应按照相邻元件末端接地短路时，流过本保护的最小零序电流(应考虑 图 4-40 零序过电流保护的时限特性 分支电流的影响)来校验
26、。6 方向性零序电流保护 由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此在变压器接地数目比较多的复杂网络中，就需要考虑零序电流保护动作的方向性问题。1min02 opbrelopIKKI t 接线方式：零序功率方向继电器接于零序电压 和零序电流 之上。图 9-41 零序方向保护工作原理的分析 (a)网络接线；(b)点短路的零序网络；(c)点短路的零序网 内部故障时按规定正方向，超前于 为95110(对应于保护安装地点背后的零序阻抗角为 8570)，继电器最灵敏。根据零序分量的特点，零序功率方向继电器应采用最大灵敏角为：03U03I1k2k03I03U11095sen 7 对零
27、序电流保护的评价 总的故障切除时间更短，受系统运行方式变化的影响要小，零序段的保护范围较大，也较稳定，零序段的灵敏系数也易于满足要求。不受系统振荡的影响。对于短线路或运行方式变化很大的情况，保护往往不能满足系统运行所提出的要求；在重合闸动作的过程中将出现非全相运行状态，再考虑系统两侧的电机发生摇摆，则可能出现较大的零序电流，因而影响零序电流保护的正确工作。当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时整定配合复杂化，并将增大第段保护的动作时限。8、接地距离保护及其接线 在中性点直接接地系统中，当零序电流不能满足要求时，一般考虑采用接地距离保护。如果仍按相间距离的接线方式，且用相电量即：看在此接线
28、方式下对接地距离是否可行?AKAKIIUU;采用 和 的接线方式时，则继电器的测量阻抗为 阻抗继电器加入如下的电压和电流 (4-76)式中 。一般可近似为零序阻抗角和正序阻抗角相等，因而 K 是一个实数，这 时：（4-77）接地距离保护必须采用三个阻抗继电器，其接线分别为：，；，；，。AKUUAKIIlZZIIlZIUZAKKK)(1001011003IKIZZZIIIUUAAKAK1103ZZZKlZIKIIKIlZIUZAAKKK10013)3(AU03IKIABU03IKIBCU03IKIC第五节 中性点非直接接地电网单相接地保护 一、中性点不接地电网中单相接地故障的特点 图 4-43
29、简单网络接线示意图 图 4-44 A 相接地时的向量图 图 4-45 单相接地时，用三相系统表示的电容电流分布图 图 4-46 单相接地时的零序等效网络(对应图 4-45)及向量图(a)等效网络；(b)向量图结论：(1)在发生单相接地时，全系统都将出现零序电压。(2)在非故障的元件上有零序电流，其数值等于本身的对地电容电流，电容性无功功率的实际方向为由母线流向线路。(3)在故障线路上，零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之总和，数值一般较大，电容性无功功率的实际方向为由线路流向母线。二、中性点经消弧线圈接地电网中的单相接地 故障的特点图 4-47 消弧线圈接地电网中，单相接地时的电流分布(a
30、)用三相系统表示；(b)零序等效网络(1)完全补偿 此时 正是电感L和三相对地电容对 50Hz 交流串联谐振的条件。(2)欠补偿 当系统运行方式变化时，很可能又出现和两个电流相等的情况，而又引起谐振过电压。(3)过补偿 补偿后的残余电流是电感性的。采用这种方法不可能发生串联谐振的过电压问题，因此，在实际中获得了广泛的应用。补偿度 一般选度 ，而不大于 10%。CLIICL31CLIICLIICCLIIIP%10%5P结论：(1)当采用完全补偿方式时，流经故障线路和非故障 线路的零序电流都是本身的电容电流，电容性无功功率的实际方向都是由母线流向线路，因此，在这种情况下，利用稳态零序电流的大小和功
31、率方向都无法判断出哪一条线路上发生了故障。(2)当采用过补偿方式时，流经故障线路的零序电流将大于本身的电容电流，而电容性无功功率的实际方向仍然是由母线流向线路，和非故障线路的方向一样，因此，在这种情况下，首先就无法利用功率方向的差别来判别故障线路，其次由于过补偿度不大，因此，也很难象中性点不接地电网那样，利用零序电流大小的不同来找出故障线路。三、中性点不接地电网中单相接地的保护 图 4-49 网络单相接地的信号装置原理接线图 1 绝缘监视装置 2 零序电流保护 利用故障线路零序电流较非故障线路为大的特点来实现有选择性地发出信号或动作于跳闸。3 零序功率方向保护 利用故障线路与非故障线路零序功率
32、方向不同的特点来实现有选择性的保护，动作于信号或跳闸。这种方式适用于零序电流保护不能满足灵敏系数的要求时和接线复杂的网络中。03CUKIrelop00003)_(3CKCCCUKCCUKrelrelsen4.6、影响距离保护的主要因素及对策影响距离保护的主要因素及对策1、短路点过渡电阻对距离保护的影响1）单侧电源线路上过渡电阻的影响 保护装置离短路点越近时，受过渡电阻的影越大；同时保护装置的整定值越小，则受过渡电阻的影响也越大。因此对短线路的距离保护应特别注意过渡电阻的影响 2）、双侧电源线路上过渡电阻的影响 jagkkgkkkBmeRIIRIIIUZ1jagkkABkAmeRIIZIUZ23
33、）过渡电阻对不同动作特性阻抗元件的影响4）、解决办法 a 采用能容许较大的过渡电阻而不致拒动的阻抗继电器；b 过渡电阻大约经过 0.10.15s 后才迅速增大。通常距 离保护的第段与第 1 段同时启动，将短路瞬间的测量阻抗值固定保持下来（此时的阻抗受过渡电阻影响小），但经延时出口（只适用于相间故障）。c 采用舜态保护（小波算法，故障分量算法等）2、振荡对保护的影响及防范措施 1 电力系统 振荡时电压 电流及阻抗 变化 NE 由此可见振荡时随振荡角的变化，电流、电压的幅值均会忽大忽小变化。2sin22sin2MMNjMMEEZEZEeEZEINjMMEmeEmU)1(ZZmZZZZMMNNM 振荡时 M 侧的视在阻抗当 时，为最小。此时，为最大。该点称为振荡中心。的振荡轨迹称为电网的零电位线，在此线上任意一点电压均为 0。电力系统发生振荡和短路的主要区别如下：(1)振荡时，电流和各点电压的幅
