河北科技大学电气工程系,*,*,第六章 电力系统继电保护,河北科技大学电气工程系,电力工程基础,11/19/2024,1,河北科技大学电气工程系,第六章 电力系统继电保护河北科技大学电气工程系电力工程基础,第六章 电力系统继电保护,6.1,继电保护的基本知识,6.2,常用保护继电器,6.3,线路的电流电压保护,6.4,电网的方向电流保护,6.5,输电线路的接地保护,6.6,距离保护简介,6.7,电力变压器的保护,6.8,电动机保护,6.9,电力电容器的保护,6.10,微机保护简介,11/19/2024,2,河北科技大学电气工程系,第六章 电力系统继电保护6.1 继电保护的基本知识10/,6.1 继电保护的基本知识,电力系统继电保护装置是一种能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种反事故自动装置。,一、继电保护的作用,自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使其他非故障部分迅速恢复正常运行。,能正确反应电气设备的不正常运行状态，并根据要求发出报警信号、减负荷或延时跳闸。,它的基本任务是：,11/19/2024,3,河北科技大学电气工程系,6.1 继电保护的基本知识 电力系统继电保护装置,测量部分：,从被保护对象输入有关信号，并与给定的整定值进行比较，决定保护是否动作；,逻辑部分：,根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，进行逻辑判断，以确定保护装置是否应该动作；,执行部分：,根据逻辑部分做出的判断，执行保护装置所担负的任务（跳闸或发信号）。,6.1 继电保护的基本知识,二、继电保护的基本原理,图6-1 继电保护装置组成方框图,11/19/2024,4,河北科技大学电气工程系,测量部分：从被保护对象输入有关信号，并与给定的整定值进行比较,6.1 继电保护的基本知识,三、对继电保护的基本要求,选择性：,保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，最大限度地保证系统中的非故障部分继续运行。,速动性：,继电保护装置应以尽可能快的速度将故障元件从电网中切除。,图6-2 电力系统继电保护选择性说明图,11/19/2024,5,河北科技大学电气工程系,6.1 继电保护的基本知识 三、对继电保护的基本要求,6.1 继电保护的基本知识,灵敏性：,指保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反映能力。,保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数,K,s,来衡量。,对于反应故障时参数量增加的保护（如过电流保护）：,对于反应故障时参数量降低的保护（如低电压保护）：,可靠性：,指保护装置该动时不能拒动；不该动时不能误动。,11/19/2024,6,河北科技大学电气工程系,6.1 继电保护的基本知识 灵敏性：指保护装置对其保护范,6.2 常用保护继电器,一、,电磁型继电器（DL型）,1电磁型电流继电器,结构：如图6-3所示。,工作原理：当在继电器线圈中通入电流,I,K,时，电磁铁产生的电磁力,F,em,为：,当电磁力,F,em,大于弹簧的反作用力,F,sp,和摩擦力,F,fr,时，继电器便产生动作。,图6-3 电磁式电流继电器结构图,1线圈 2电磁铁 3钢舌片 4静触点 5动触点 6起动电流调节转杆,7标度盘（铭牌） 8轴承,9反作用弹簧 10转轴,11/19/2024,7,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 一、电磁型继电器（DL型）1,6.2 常用保护继电器,因此，欲使继电器动作的必要条件是：,F,em,F,sp,+,F,fr,动作电流：,能使继电器产生动作的最小电流，称为继电器的动作电流，用,I,op.K,表示。,调整继电器动作电流的方法有：,改变继电器线圈匝数,N,K,（级进调节）；,调节反作用弹簧的松紧，即调节,F,sp,（平滑调节）；,调整衔铁与电磁铁之间的气隙长度，即调节,R,m,。,11/19/2024,8,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 因此，欲使继电器动作的必要条件是,6.2 常用保护继电器,返回电流：,能使继电器返回到原始位置的最大电流，称为继电器的返回电流，用,I,re.K,表示。,返回系数：,是指继电器的返回电流与动作电流的比值，用,K,re,表示，即,继电器动作后，减小,I,K,就能使继电器返回原位。欲使继电器返回的必要条件是：,F,sp,F,em,+,F,fr,对于过电流继电器，,K,re,1，一般要求,K,re,=0.80.9；,对于欠电流继电器，,K,re,1，一般要求,K,re,=1.061.2。,11/19/2024,9,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 返回电流：能使继电器返回到原始位,6.2 常用保护继电器,2电磁型电压继电器,其结构和原理与电磁型电流继电器相似，在供配电系统中多用低电压（欠电压）继电器。,动作电压：,能使继电器产生动作的最高电压，称为继电器的动作电压，用,U,op.K,表示。,返回电压：,能使继电器返回到原始位置的最低电压，称为继电器的返回电压，用,U,re.K,表示。,返回系数：,是指继电器的返回电压与动作电压的比值。,说明：,低电压继电器的返回系数,K,re,1，一般为1.25。,11/19/2024,10,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 2电磁型电压继电器 其结构,6.2 常用保护继电器,3时间继电器的作用：使保护装置获得一定的延时，以保证保护装置动作的选择性。,4. 中间继电器的作用:,5. 信号继电器的作用：用于各保护装置回路中，作为保护动作的指示信号，以提醒运行人员注意。,为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量；,使触点闭合或断开时带有不大的延时(0.40.8s)；,通过继电器的自保持，以适应保护装置的需要。,11/19/2024,11,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 3时间继电器的作用：使保护装置,6.2 常用保护继电器,二、感应,型继电器（GL型）,结构：如图6-4所示。,感应系统：,由线圈1、带短路环3的电磁铁2和铝盘4组成，它的动作是有时限的；,电磁系统：,由线圈1、电磁铁2和衔铁15组成，它的动作是瞬时的。,图6-4 感应式电流继电器结构图,1线圈 2电磁铁 3短路环 4可转铝盘 5钢片,6可偏铝框架 7调节弹簧 8制动永久磁铁,9扇形齿轮 10蜗杆 11扁杆 12继电器触点 13时限调节螺杆 14速断电流调节螺钉,15衔铁 16动作电流调节插销,11/19/2024,12,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 二、感应型继电器（GL型）,6.2 常用保护继电器,工作原理：当在继电器线圈中通入电流 时，在铁心中产生主磁通 （分为 和 ）， 在短路环中产生感应电流 ，它又产生磁通 ，因此,有短路环的磁极穿过铝盘的磁通为：,无短路环的磁极穿过铝盘的磁通为：,在铝盘中感应电势产生涡流 ，二者产生电磁力 ；,在铝盘中感应电势产生涡流 ，二者产生电磁力 。,因此，铝盘受到的合成电磁力为：,则电磁转矩 。,11/19/2024,13,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 工作原理：当在继电器线圈中通入电,6.2 常用保护继电器,铝盘在转矩,M,1,作用下转动后，切割永久磁铁的磁通而在铝盘中产生涡流，产生制动力矩 。,感应系统的动作电流：,指蜗杆与扇形齿轮相咬合时，线圈所需要通入的最小电流。,返回电流：,指使扇形齿轮脱离蜗杆返回到原来位置时的最大电流。,动作时间：,指从蜗杆与扇形齿片相咬合起到接点闭合这一段时间。,当 时，铝盘匀速旋转；当铝盘受到的合力克服弹簧的阻力时，蜗杆与扇形齿片相咬合，继电器动作。,11/19/2024,14,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 铝盘在转矩M1作用下转,电磁系统的速断电流：,指当通入继电器线圈的电流大到整定值的某个倍数时，未等感应系统动作，衔铁右端瞬时被吸下，接点立即闭合。,6.2 常用保护继电器,时限特性：如图6-5所示。,ab,段“,反时限特性,”（此时继电器铁心尚未饱和）；,bc,段“,定时限,”（铁心已达到饱和）；,de,段“,速断特性,”。,图6-5 感应型电流继电器的动作特性曲线,说明：,“速断电流倍数”是速断电流与感应元件动作电流之比。,11/19/2024,15,河北科技大学电气工程系,电磁系统的速断电流：指当通入继电器线圈的电流大到整定值的某个,6.2 常用保护继电器,动作电流与动作时限调节方法,感应系统的动作电流调节：,改变线圈的匝数（级进调节）；改变弹簧的拉力（平滑调节）。,电磁系统动作电流调节：,改变衔铁与电磁铁之间的气隙。,感应系统的动作时限：,改变扇形齿轮顶杆行程的起点，使动作特性上下移动。,动作电流的整定值通过插孔板拧入螺钉来改变线圈的匝数来调整（2，2.5，34.5，5，69，10A）。,其速断动作电流调整范围是感应系统整定电流值的28倍。,注意：继电器动作时限调节螺杆的标度尺，是以,10倍动作电流的动作时限,来标度的。,11/19/2024,16,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 动作电流与动作时限调节方法感应,6.2 常用保护继电器,GL型电流继电器的功能：兼有电磁型电流继电器、时间继电器、信号继电器和中间继电器的功能。因此，可用感应型电流继电器实现过电流保护和电流速断保护，从而使保护接线大大简化。,三、静态继电器,静态继电器是指用模拟电子电路及部分数字电路构成的电子型继电器，分为晶体管型和集成电路型继电器两类。,静态继电器的“静态”是相对于电磁型继电器的“触点”动作而言的，它的信息传递是通过“0、1”开关信息传递的。,静态继电器是用硅材料为主构成的继电器，因此又叫“固体”继电器。,11/19/2024,17,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 GL型电流继电器的功能：兼有电,6.2 常用保护继电器,1晶体管型电流继电器,晶体管型电流继电器的组成 ：如图6-6所示。,图6-6 晶体管型过电流继电器原理接线图,11/19/2024,18,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 1晶体管型电流继电器晶体管型电,6.2 常用保护继电器,晶体管型电流继电器的动作情况,当,I,K,I,op,时，,U,R,3,U,d,，a点为正电位，V6承受反向电压，,I,6,=0，VT1饱和导通，VT2截止，触发器输出电压,U,0,=E，,继电器不动作,。,当,I,K,I,op,时，,U,R,3,U,d,，a点电位由正变负，V6导通，VT1基极电流减小,VT1进入放大区,VT1集电极电压升高,VT2基极电流增大,VT2进入放大区,U,0,下降,I,f,减小,VT1基极电流进一步减小,VT1截止，VT2导通，触发器输出电压,U,0,=0 ，,继电器动作,。,当,I,K,I,re,时，VT1又变为导通，VT2又变为截止，触发器又翻转到起始状态，,继电器也随之复位,。,11/19/2024,19,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 晶体管型电流继电器的动作情况当I,6.2 常用保护继电器,2集成电路型电流继电器,由集成电路构成的静态继电器，也是由电压形成回路、整流滤波回路、逻辑回路和执行回路四部分组成，但在具体构成时也有些差别。,电压形成回路与晶体管继电器相同，整流滤波回路由运算放大器构成，逻辑回路由CMOS等数字电路构成。,为了减小直流电压的脉动系数，减轻滤波负担，在整流电路中采用的是由运算放大器构成的全波整流电路或裂相整流电路。,为了消除暂态过程中非周期分量及各种谐波分量的影响，滤波回路一般都采用高品质因数的带通有源滤波器。,11/19/2024,20,河北科技大学电气工程系,6.2 常用保护继电器 2集成电路型电流继电器由集成电,6.3 线路的电流电压保护,一、保护装置的接线方式,接线系数：,在继电保护回路中，流入继电器中的电流,I,K,与对应电流互感器的二次电流,I,2,的比值，称为接线系数，即,设电流互感器的变比为 ，保护装置的动作电流为,I,op,，则相应的电流继电器的动作电流为,11/19/2024,21,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 一、保护装置的接线方式,6.3 线路的电流电压保护,1三相完全星形接线方式（图6-7）,特点：,可以反映各种形式的故障，其接线系数,K,w,=1,。,2三相不完全星形接线方式（图6-8）,特点：,可以反映除B相单相接地短路以外的所有故障，其接线系数,K,w,=1,。,图6-7 三相完全星形接线方式,图6-8 两相不完全星形接线方式,11/19/2024,22,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 1三相完全星形接线方式（图,6.3 线路的电流电压保护,3两相电流差接线方式（图6-9）,流入继电器中的电流等于A、C两相电流互感器二次电流之差，即,特点：,各种短路形式下的接线系数不同，如,图6-10,所示。,正常运行或三相短路时：,发生A、C两相短路时：,A、B或B、C两相短路时：,图6-9 两相电流差接线方式,11/19/2024,23,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 3两相电流差接线方式（图6,图6-9 两相电流差接线方式在不同短路形式下的电流相量图,6.3 线路的电流电压保护,一般情况下：,Why?!,保护整定时取 ；灵敏度校验时取,K,w,1 。,11/19/2024,24,河北科技大学电气工程系,图6-9 两相电流差接线方式在不同短路形式下的电流相量图,6.3 线路的电流电压保护,二、过电流保护,1. 过电流保护的原理和组成,定时限过电流保护的动作原理和组成（图6-11）,图6-11 定时限过电流保护的原理图和展开图,a）原理图 b）展开图,11/19/2024,25,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 二、过电流保护1. 过,6.3 线路的电流电压保护,反时限过电流保护的动作原理和组成（图6-12）,图6-12 反时限过电流保护的原理图和展开图,a）原理图 b）展开图,11/19/2024,26,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 反时限过电流保护的动作原理和,6.3 线路的电流电压保护,2. 过电流保护装置的整定计算,动作电流：,I,op,I,L.,max,保护装置的动作电流,I,op,应躲过线路的最大负荷电流,I,L,.max,，即,保护装置在外部故障切除后应可靠返回到原始位置（见图6-13）。,图6-13 过电流保护的计算示意图,11/19/2024,27,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 2. 过电流保护装置的整定,6.3 线路的电流电压保护,为此，要求装置保护的返回电流,I,re,必须躲过外部短路切除后流过保护装置的最大自起动电流,K,st,I,L,.max,，即,I,re,K,st,I,L,.max,考虑,I,re,I,op,，引入一个可靠系数,K,rel,后，上式可改写为：,因此，保护装置的动作电流为：,则继电器的动作电流为：,式中，,K,rel,取1.151.25；,K,re,取0.80.85；,K,st,取1.53。,11/19/2024,28,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 为此，要求装,6.3 线路的电流电压保护,动作时限：,应按“阶梯原则”整定（见图6-14）,定时限过电流保护：,反时限过电流保护：,说明：,定时限过电流保护的动作时间取决于时间继电器预先整定的时间，与短路电流的大小无关；反时限过电流保护的动作时间需要根据前后两级保护的GL型电流继电器的动作特性曲线来整定。,图6-14 过电流保护整定说明图,a）电路 b）定时限过电流保护的时限整定,c）反时限过电流保护的时限整定,即,11/19/2024,29,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 动作时限：应按“阶梯原则”整,6.3 线路的电流电压保护,设,图6-14a,中，KA2的10倍动作电流的动作时间已整定为,t,2,，则KA1的10倍动作电流的动作时间,t,1,的整定方法步骤如下（见图6-15）：,计算WL2首端的三相短路电流,I,k,反应到KA2中去的电流值：,计算 对KA2的动作电流,的倍数，即,图6-15 反时限过电流保护的动作时间整定,11/19/2024,30,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 设图6-14a中,6.3 线路的电流电压保护,确定,KA2的实际动作时间,：由,n,2,点,a,点 。,计算WL1首端的三相短路电流,I,k,反应到KA1中去的电流值：,计算 对KA2的动作电流,的倍数，即,确定,KA2的10倍动作时间,：由,n,1,点和 找到交点,b,点，从过点,b,所在的曲线上找出,n,=10时对应的时间,t,1,即为所求。,计算KA1的实际动作时间： （取 ）,11/19/2024,31,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 确定KA2的实际动作时间：由,6.3 线路的电流电压保护,灵敏度校验：,式中， 为系统最小运行方式下本线路末端（作近后备时）或相邻线路末端（作远后备时）的两相短路电流。,作远后备时，要求,K,s,1.2；作近后备时，要求,K,s,1.31.5。,过电流保护的评价：,优点：,既可作本级近后备，又可作下级 远后备。,缺点：,越靠近电源端，定时限过电流保护的动作时限反而越长，因此不能作为主保护；反时限过电流保护的接线简单，但动作时限整定复杂。,若灵敏度不满足要求，可采用低电压闭锁的过电流保护来提高其灵敏度。,11/19/2024,32,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 灵敏度校验：式中，,6.3 线路的电流电压保护,三、低电压闭锁的过电流保护,（图6-16）,保护装置有两个测量元件:,过电流继电器KA,欠电压继电器KV,式中，,U,w,.min,为母线的最小工作电压，取 0.9,U,N,；,K,re,取1.25；,K,re1,取1.11.2。,过电流继电器的,动作电流,低电压继电器的,动作电压,图6-16 低电压闭锁的过电流保护单相原理接线图,11/19/2024,33,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 三、低电压闭锁的过电流保,6.3 线路的电流电压保护,四、瞬时电流速断保护,1瞬时电流速断保护的作用原理与整定计算（图6-17）,曲线1,曲线2,直线3瞬时电流速保护的动作电流。,动作电流：,躲过本保护区末端B处的最大短路电流 ，即,式中，,K,rel,取1.21.3。,图6-17 瞬时电流速断保护的工作原理图,11/19/2024,34,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 四、瞬时电流速断保护1,6.3 线路的电流电压保护,灵敏度校验：,要求其,最小保护范围,l,min,不小于线路全长的15%20%。,也可以按本线路首端的最小两相短路电流来校验保护的灵敏度，以保护1为例，其灵敏系数为：,2.0,2瞬时电流速断保护的原理接线图（图6-18）,瞬时电流速断保护的评价：,优点：,简单可靠，动作迅速；,缺点：,不能保护线路全长，有保护死区。,图6-18 瞬时电流速断保护的单相原理接线图,若灵敏度不满足要求，可采用电流电压联锁保护,11/19/2024,35,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 灵敏度校验：要求其最小保护范,6.3 线路的电流电压保护,五、电流电压联锁速断保护,（图6-19）,整定原则：和瞬时电流速断保护一样，按躲过线路末端故障来整定。通常按经常运行方式下,电流元件和电压元件的保护范围相等,来进行整定计算。,设经常运行方式下的保护区为 ，则,电流继电器的,动作电流,为：,图6-19 电流电压联锁速断保护原理说明图,11/19/2024,36,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 五、电流电压联锁速断保护,6.3 线路的电流电压保护,电压继电器的,动作电压,为：,当下一级线路首端,发生短路时：,保护范围由电流继电器决定,保护范围由电压继电器决定,可见，在这两种情况下都能保证选择性，且保护范围均比正常情况下的保护范围小。,由,图6-19,知，电流电压联锁速断保护的最小保护范围比瞬时电流速断保护的保护范围大，即 ，所以灵敏度比瞬时速断保护高。,11/19/2024,37,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 电压继电器的动作电压为： 当,6.3 线路的电流电压保护,六、带时限电流速断保护,（图6-20）,动作电流：,躲过相邻线路瞬时电流速断保护的动作电流，即,式中，,K,rel,取1.11.2。,动作时限：,灵敏度校验：,1.31.5,图6-20 带时限电流速断保护的工作原理图,若灵敏度不满足要求，可与下一级相邻线路的带时限电流速断保护相配合,11/19/2024,38,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 六、带时限电流速断保护（,6.3 线路的电流电压保护,七、三段式过电流保护,由,瞬时电流速断保护,（第段）、,带时限电流速断保护,（第段）和,定时限过电流保护,（第段）配合构成的一整套保护，称为三段式过电流保护。,1. 三段式过电流保护的保护范围及时限配合（,图6-21,）,第段：,为本线路的辅助保护，动作电流为 ，保护范围为 ，动作时间 为继电器的固有动作时间；,第段：,为本线路的辅助保护，动作电流为 ，保护范围为 ，动作时间 ；,第段：,作为本线路的近后备和相邻线路保护的远后备，动作电流为 ，保护范围为 ，动作时限 。,11/19/2024,39,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 七、三段式过电流保护,6.3 线路的电流电压保护,图6-21 三段式过电流保护的保护范围及时限配合,11/19/2024,40,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 图6-21 三段式过电,6.3 线路的电流电压保护,2. 三段式过电流保护的构成（图6-22）,第I段：,由KA1、KA2、KM和KS1组成；,第II段：,由KA3、KA4、KT1和KS2组成；,第III段：,由KA5、KA6、KA7、KT2和KS3组成。,例6-1 （见教材194页）,图6-22 三段式过电流保护的原理接线图和展开图,a）原理接线图 b）展开图,11/19/2024,41,河北科技大学电气工程系,6.3 线路的电流电压保护 2. 三段式过电流保护的构,6.4 电网的方向电流保护,一、方向电流保护的基本原理,1. 问题的提出（图6-23）,k,1,点短路时要求,：,t,5,t,4,k,2,点短路时要求,：,t,5,t,4,两者矛盾,装方向保护,图6-23 双侧电源供电网络,11/19/2024,42,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护 一、方向电流保护的基本原理,6.4 电网的方向电流保护,保护原理：,双电源系统中的过电流保护一定要装设方向保护。,并规定：,短路功率从,母线,线路,（为正）时，,短路功率从,线路,母线,（为负）时，,保护动作,保护不动作,单方向过电流保护的动作时间按阶梯原则进行配合。,图6-23,中，应满足,t,1,t,3,t,5,和,t,6,t,4,t,2,。,同一母线两侧的保护，时限长的可不装方向保护，时限相同时都要装方向保护。,11/19/2024,43,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护保护原理：双电源系统中的过电流,6.4 电网的方向电流保护,2. 方向过电流保护的单相原理接线图（图6-24）,主要由方向元件、电流元件、时间元件和信号元件等组成。,图6-24 方向过电流保护的单相原理接线图,图中方向元件KP和电流元件KA的触点串联，只有当两个元件都动作时，保护才能动作跳闸。,11/19/2024,44,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护2. 方向过电流保护的单相原,6.4 电网的方向电流保护,二、功率方向继电器的工作原理,1相位比较式功率方向继电器,对,图6-25a,所中的保护1而言：,k,1,点短路时，短路电流从母线流向线路（为正），,0, 90,功率方向继电器动作。,k,2,点短路时，短路电流从线路流向母线（为负），,180, 270,功率方向继电器不动作。,则功率方向继电器的动作方程为：,90 90,其动作特性可用,图6-26a,所示的相量图表示。,11/19/2024,45,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护 二、功率方向继电器的工作原,图6-25 功率方向继电器工作原理的分析,a）网络接线 b）正方向k,1,点短路相量图 c）反方向k,2,点短路相量图,6.4 电网的方向电流保护,实际应用中，为使正方向短路时功率方向继电器的测量功率最大，可以调整继电器应的内角,（,为30或45），此时，功率方向继电器的动作方程为：,11/19/2024,46,河北科技大学电气工程系,图6-25 功率方向继电器工作原理的分析6.4 电,6.4 电网的方向电流保护,图6-26 功率方向继电器的动作范围,90-, 90-,上式表明，继电器的动作特性需逆时针转动,角，如图6-26b所示。,图中， 为最大灵敏角。,11/19/2024,47,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护图6-26 功率方向继电器的,6.4 电网的方向电流保护,相位比较式功率方向继电器也可以经电压形成回路间接比较电压 和 之间的相角，此时动作方程变为,90 90,图6-27为相位比较式功率方向继电器的原理框图。,图6-27 相位比较式功率方向继电器的原理框图,11/19/2024,48,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护 相位比较式功率,6.4 电网的方向电流保护,2幅值比较式功率方向继电器,设相位比较原理的动作条件为：,90 90,幅值比较原理的动作条件为：,如果 和 组成一个平行四边形，则 和 就是平行四边形的对角线，如图6-28所示。,图中：,且当 超前于 时为正。,图6-28 相位比较与幅值比较的对应关系,11/19/2024,49,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护2幅值比较式功率方向继电器,6.4 电网的方向电流保护,当,=90时，继电器处于,临界动作状态,，此时,当,90时，继电器处于,动作状态,，此时,当, 90时，继电器处于,不动作状态,，此时,两种比较原理的两组比较量之间的对应关系为：,幅值比较式功率方向继电器的构成原理框图如,图6-29,所示。它主要由电压形成回路、整流滤波回路、比较回路和执行元件等部分构成。,11/19/2024,50,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护当=90时，继电器处于临界,6.4 电网的方向电流保护,功率方向继电器进行幅值比较的两个电气量为,：,因此，继电器的动作条件为,：,图6-29 幅值比较式功率方向继电器的构成框图,11/19/2024,51,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护功率方向继电器进行幅值比较的两,6.4 电网的方向电流保护,三、功率方向继电器的接线方式,对继电器接线的要求,正方向发生任何形式的短路故障时继电器都能动作，反方向都不能动作。,正方向短路时，加入继电器的,U,K,和,I,K,尽可能大，并使尽可能接近最大灵敏角，以使继电器灵敏动作，减小死区。,功率方向继电器的90接线,90接线：,在三相对称且功率因数为1的情况下，接入功率方向继电器的电流超前电压90，如图6-30所示。,图6-30 功率方向继电器的90接线,11/19/2024,52,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护三、功率方向继电器的接线方式对,6.4 电网的方向电流保护,功率方向继电器接入的电流和电压如表6-1所示。,表6-1 功率方向继电器应接入的电流和电压,方向继电器相别,电流,电压,A相,B相,C相,功率方向继电器的接线原理图如,图6-31,所示。图中采用“,按相起动,”接线，可以避免非故障相电流对方向电流保护的影响。,电流继电器的常开触点与功率方向继电器的常开触点先按相串联，然后再三相并联连接。,11/19/2024,53,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护 功率方向继电器,6.4 电网的方向电流保护,图6-31 三相方向过电流保护原理接线图,11/19/2024,54,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护图6-31 三相方向过电,6.4 电网的方向电流保护,四、三段式方向性电流保护的特点,三段式方向性电流保护的整定计算与三段式电流保护基本相同，但有以下特点：,在保护构成中应加功率方向测量元件，并与电流测量元件共同判别是否在保护线路的正方向发生故障。,第I段方向电流保护的动作电流可不必躲过反方向外部最大短路电流，只需按正方向短路计算即可。,第III段方向电流保护的动作电流还应考虑躲过反方向不对称短路时，流过非故障相的电流,I,nk,，即,11/19/2024,55,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护四、三段式方向性电流保护的特点,6.4 电网的方向电流保护,在环网和双电源网中，功率方向相同的各线路保护第III段的动作电流和动作时间应相互配合。,例如，在,图6-23,中，应满足,I,op.1,I,op.3,I,op.5,，,t,1,t,3,t,5,I,op.6,I,op.4,I,op.2,，,t,6,t,4,t,2,方向电流保护必须采用,按相起动,接线方式。,按相起动：,只有当同一相的功率方向元件和电流元件同时起动时，保护才能动作跳闸。,11/19/2024,56,河北科技大学电气工程系,6.4 电网的方向电流保护在环网和双电源网中，功率方向相,6.5 输电线路的接地保护,一、概述,大接地电流系统中的单相接地短路保护：,采用完全星形接线的相间电流电压保护灵敏度常常不能满足要求；,装设专门的接地短路保护反映零序电流、零序电压和零序功率的保护。,小接地电流系统中的单相接地短路保护：当单相接地电流较大时，应装设单相接地保护，使之动作于信号，以便让运行人员及时采取措施消除故障。,11/19/2024,57,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 一、概述大接地电流系统中的单,6.5 输电线路的接地保护,二、大接地电流系统中的接地保护,1. 零序电流、零序电压和零序功率的分布（图6-32）,图6-32 接地短路时的零序等效网络,11/19/2024,58,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 二、大接地电流系统中的接地保,6.5 输电线路的接地保护,由,图6-32,可见，零序分量具有以下特点：,故障点的零序电压最高，变压器中性点接地处的零序电压为0。保护安装设处母线A、B的零序电压分别为,和 ;,零序电流的分布与中性点接地的位置和数目有关。,在,图6-32,所示网络中发生单相接地短路时，有,和,若发电厂A的中性点接地变压器台数增多， 将减小，从而使 和 增大， 减小；若变电所B内的变压器中性点不接地，则 ， 也将增大且等于,。,11/19/2024,59,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 由图6-32可见，零序分量具,6.5 输电线路的接地保护,零序功率 。由于故障点的零序电压最高，所以故障点的零序功率也最大。,注意：,由于在故障线路上，零序功率的方向是由线路指向母线（与正序功率相反），因此，零序功率方向继电器都是在负值零序功率下动作的。,2. 零序分量的获取方法,零序电流的获取,架空线路：用零序电流滤过器（图6-33a）。,电缆线路：用零序电流互感器（图6-33b）。,图6-33 零序电流的获取,a）零序电流滤过器 b）零序电流互感器,11/19/2024,60,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 零序功率,6.5 输电线路的接地保护,零序电压的获取：通过电压互感器获得 。,将三个单相电压互感器的副方绕组接成开口三角形绕组来获取（图6-34a）,从三相五柱式电压互感器二次侧的开口三角形绕组来获取（图6-34b）,图6-34 零序电压互感器,a）三单相式 b）三相五柱式,11/19/2024,61,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 零序电压的获取：通过电压互感,6.5 输电线路的接地保护,3. 大接地电流系统的零序电流保护,通常采用三段式零序电流保护。第段为瞬时零序电流速断保护，第段为带时限零序电流速断保护，第段为定时限零序过电流保护，其原理接线图如图6-35所示。,图6-35 三段式零序电流保护原理接线图,11/19/2024,62,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 3. 大接地电流系统的零,动作电流：,躲过下一级相邻线路首端发生短路时，流过保护安装处的最大零序电流，即,6.5 输电线路的接地保护,瞬时零序电流速断保护,式中，,K,rel,取1.21.3。,灵敏度校验：,零序电流I段的保护范围也应不小于本线路全长的15%20%。,注意：,由于线路的零序阻抗比正序阻抗大，故 的曲线较陡，因此，零序电流I段的保护范围比一般的电流I段大得多，且保护范围也比较稳定。,计算3,I,0.max,的运行方式是：故障点的 最小，保护安装侧变压器中性点接地最多，线路末端变压器不接地。当 时，采用单相接地短路，反之则采用两相接地短路,11/19/2024,63,河北科技大学电气工程系,动作电流：躲过下一级相邻线路首端发生短路时，流过保护安装处的,6.5 输电线路的接地保护,带时限零序电流速断保护,动作电流：,应与下一级线路的零序I段相配合。但是，当两个保护之间的变电所母线上接有中性点接地的变压器时，如图6-36所示，应考虑该变压器的影响。,因此,式中，,K,rel,取1.11.2；,K,b,为分支系数。,图6-36 带时限零序电流速断保护的作用原理,等于下一级线路零序电流速断保护范围末端接地短路时，流过故障线路和被保护线路的零序电流之比，即 ，应取最小值,。,11/19/2024,64,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 带时限零序电流速断保护动作,6.5 输电线路的接地保护,零序过电流保护,动作时间：,与下一级线路零序I段相配合，一般取0.5s。,灵敏度校验：,按最小运行方式下被保护线路末端发生接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流 来校验，要求,K,s,1.31.5。,若灵敏度不满足要求，可与下一级线路的零序电流II段相配合。,动作电流：,躲过下一线路首端三相短路时，流过保护装置的最大零序不平衡电流 ，即,式中，,K,rel,取1.21.3。,11/19/2024,65,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 零序过电流保护动作时间：与下,6.5 输电线路的接地保护,灵敏度校验：,按被保护范围末端发生接地短路时，流过保护的最小3倍零序电流 来校验，作近后备时（本线路末端短路），要求,K,s,1.31.5；作远后备时（相邻线路末端短路），要求,K,s,1.2 。,动作时间：,按阶梯原则整定，如图6-37所示。,图6-37 零序过电流保护的动作时限,由图可知，同一线路上零序过电流保护的动作时限比相间短路过电流保护的动作时限小。,11/19/2024,66,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 灵敏度校验：按被保护范围末端,6.5 输电线路的接地保护,4. 方向性零序电流保护,在双电源和多电源的大接地电流系统中，为了保证接地故障时零序电流保护动作的选择性，要加装零序功率方向继电器，以构成零序功率方向保护。,零序功率方向继电器的接线（,图6-38a,）,而电力系统中实际使用的零序功率方向继电器最大最灵敏角为70,8,5，,由于在规定的电流、电压正方向下，当被保护线路正方向发生接地短路时， 超前 约90,110,，,因此，在使用零序功率方向继电器时，若以正极性端接入继电器电流线圈的极性端，则必须以负极性端接入继电器电压线圈的极性端，这时接入继电器的电流和电压分别为：,即继电器的最大灵敏角为90110,11/19/2024,67,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 4. 方向性零序电流保护,6.5 输电线路的接地保护,由图6-38b的相量图可以看出，此时 滞后 70，即,，则正方向发生接地故障时继电器最灵敏。,图6-38 零序功率方向继电器的接线,a）接线原理图 b）接入 和 的相量图,11/19/2024,68,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 由图6-3,零序功率方向继电器的灵敏度校验,6.5 输电线路的接地保护,式中， 为保护区末端接地短路时，,保护安装处,的最小零序功率； 为零序功率方向继电器的动作功率。,说明：,由于接地故障点的零序电压最高，所以当接地故障位于保护安装处附近时，不会出现零序方向继电器的电压死区。,根据规程要求，作近后备时（本线路末端接地短路），,K,s,1.5,；作远后备时（相邻线路末端接地短路），,K,s,2 。,11/19/2024,69,河北科技大学电气工程系,零序功率方向继电器的灵敏度校验6.5 输电线路的接地保护,6.5 输电线路的接地保护,三、小接地电流系统的接地保护,1. 小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布（图6-39）,图6-39 小接地电流系统中单相接地时电容电流的分布,11/19/2024,70,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 三、小接地电流系统的接地保护,6.5 输电线路的接地保护,由,图6-39,可知，电容电流分布的特点如下：,发生单相接地，全系统都会出现零序电压。,非故障线路的C相对地电容电流为零，只有A相和B相有电容电流；而故障线路的C相对地电容电流不为零。,非故障线路的零序电流为该线路本身对地的电容电流，其方向由母线指向线路。,对故障线路WL3而言，C相中有 从线路流向母线，B、C相中有 从母线流向线路，所以，故障线路始端所反应的零序电流为：,上式说明，故障线路的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向是从由线路流向母线。,11/19/2024,71,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 由图6-39可知，电容电流分,6.5 输电线路的接地保护,2. 小接地电流系统的单相接地保护,绝缘监视装置：,发生单相接地故障时，利用母线电压互感器二次侧开口三角形端子上零序电压来起动过电压继电器，动作于信号。,零序电流保护：,根据故障线路零序电流大于非故障线路零序电流这一特点，可以构成有选择性的零序电流保护，并可动作于信号或跳闸。,对于架空线路：采用零序电流滤过器，动作电流为：,特点：保护比较简单，但给出的信号没有选择性。,为正常负荷电流产生的不平衡电流,说明：,按上式确定的动作电流，一般不能躲开本线路外部三相短路时所出现的不平衡电流，因此应加装时限元件来保证选择性，其动作时限应比相间短路的过电流保护大一个 。,动作电流,11/19/2024,72,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 2. 小接地电流系统的单相,6.5 输电线路的接地保护,对于电缆线路：采用零序电流互感器 ，其动作电流为：,电缆线路正常运行时的不平衡电流 很小，可忽略,灵敏度校验,：,式中， 为本线路单相接地时，非故障线路对地电容电流的总和，应取最小值。对架空线路，要求,K,s,1.5；对电缆线路，要求,K,s,1.25。,零序功率方向保护：,利用故障线路和非故障线路的保护安装处零序功率方向相反的特点来实现有选择性的保护，动作于信号或跳闸。适用于零序电流保护的灵敏度不满足要求和接线复杂的网络中。,11/19/2024,73,河北科技大学电气工程系,6.5 输电线路的接地保护 对于电缆线路：采用零序电流互,6.6 距离保护简介,一、距离保护的基本概念,距离保护是反应保护安装处至故障点的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定是否动作的一种保护装置。,正常工作时，保护安装处测量到的电压为 ，电流为负荷电流 ，比值 基本上是负荷阻抗，其值较大。当系统短路时，保护安装处测量到的电压为残余电压 ，电流为短路电流 ，比值 为短路阻抗，其值较小。,距离保护的工作原理,距离保护的,优点,：由于 只与短路点到保护安装处的距离有关，因此，用,构成的距离保护,，,其保护范围基本上不受运行方式变化的影响。,11/19/2024,74,河北科技大学电气工程系,6.6 距离保护简介一、距离保护的基本概念,6.6 距离保护简介,距离保护的保护范围,距离保护的保护范围用整定阻抗,Z,set,值的大小来表示。,当线路发生短路时，若距离保护的测量阻抗,Z,m,小于整定阻抗，即,Z,m,Z,set,，保护动作；若,Z,m,Z,set,，则保护不动作。因此，距离保护实质上是一种,低量动作,保护。,二、距离保护的时限特性,采用三段式阶梯延时特性，如,图6-40,所示。,第I段：,保护范围为本线路全长的80%85%，动作时限为继电器本身的固有时间。,第II段：,保护范围为本线路全长的125%，其动作时限应比下一线的第I段保护动作时限大,。,11/19/2024,75,河北科技大学电气工程系,6.6 距离保护简介距离保护的保护范围 距离保护的保护范围,6.6 距离保护简介,第III段：,保护范围较长，包括本线路和下一线路全长乃至更远，其动作时限应比下一线路第III段的动作时限大 。,图6-40 距离保护的时限特性,11/19/2024,76,河北科技大学电气工程系,6.6 距离保护简介第III段：保护范围较长，包括本线路和,6.6 距离保护简介,三、距离保护的主要组成元件,三段式距离保护装置的简化逻辑框图如图6-41所示。,起动元件：,采用过电流继电器或阻抗继电器。,图6-41 三段式距离保护的组成元件框图,11/19/2024,77,河北科技大学电气工程系,6.6 距离保护简介三、距离保护的主要组成元件 三段,方向元件：,可采用单独的功率方向继电器，但更多的是采用方向阻抗继电器，既作为方向元件，又作为阻抗元件。,测量元件：,采用带方向性的阻抗继电器。,时间元件：,采用时间继电器或延时电路。,6.6 距离保护简介,四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性,图6-42,中，设BC线路距离段的整定阻抗,Z,set,=0.85,Z,BC,，并设 ，则阻抗继电器的动作特性应是在,Z,set,范围内的一条线段，由于受短路点过渡电阻和互感器角误差的影响,，,通常用包含该线段在内的一个圆来表示。,11/19/2024,78,河北科技大学电气工程系,方向元件：可采用单独的功率方向继电器，但更多的是采用方向阻抗,6.6 距离保护简介,图6-42 阻抗继电器的动作特性,1全阻抗继电器特性圆 2方向阻抗继电器特性圆,11/19/2024,79,河北科技大学电气工程系,6.6 距离保护简介图6-42 阻抗继电器的动作特性,6.6 距离保护简介,全阻抗继电器：,以B点为圆心，以,Z,set,为半径得到的,圆1,，称为全阻抗继电器的特性圆。,方向阻抗继电器：,以B点为圆心，以,Z,set,为直径得到的,圆2,，称为方向抗继电器的特性圆。,由,特性圆2,可以看出，当方向阻抗继电器的整定阻抗角与线路的阻抗角相等，即 时，继电器的动作阻抗,Z,op,最大（等于圆的直径），保护范围最长，继电器最灵敏。此时的整定阻抗角称为阻抗继电器的最大灵敏角，用 表示。,注意：,全阻抗继电器在线路反方向短路时也动作，即继电器没有方向性，因此，必须和方向元件配合使用使以其反方向短路时不动作。,11/19/2024,80,河北科技大学电气工程系,6.6 距离保护简介全阻抗继电器：以B点为圆心，以Zset,6.6 距离保护简介,五、阻抗继电器的接线方式,KZ3,KZ2,KZ1,（30）,（30）,（0）,表6-2 阻抗继电器的常用接线