的配合(即对同一故障点而言越靠近故障点的保护应具有越高的灵敏系数). ( 4 )对定时限过电流的评价
定时限过电流结构简单,工作可靠,对单侧电源的放射型电网能保证有选择性的动作.不仅能作本线路的近后备(有时作主保护),而且能作为下一条线路的远后备.在放射型电网中获得广泛的应用,一般在 35kv 及以下网络中作为主保护.定时限过电流保护的主要缺点是越靠近电源端其动作时限越大,对靠近电源端的故障不能快速切除.
6, 阶段式电流保护的应用及评价
电流速断保护只能保护线路的一部分,限时电流速断保护能保护线路全长,但却不能作为下一相相邻的后备保护,因此必须采用定时限过电流保护作为本条线路和下一段相邻线路的后备保护.由电流速断保护,限时电流速断保护及定时限过电流保护相配合构成一整套保护,叫做三段电流保护.
实际上,供配电线路并不一定都要装设三段式电流保护.比如,处于电网末端附近的保护装置,,当定时限过电流保护的时限不大于 0.5~0.7s 时,而且没有防止导线烧损及保护配合上的要求的情况下,就可以不装设电流速断保护和限时电流速断保护,而将过电流保护为主要保护.在某些情况下,常采用两段组成一套保护, ( 2 )阶段式电流保护的时限
阶段式电流保护的时限特性是指各段电流保护的保护范围与动作时限的关系曲线.电流三段式保护的保护特性及时限特性如图 2.14 所示.
图 2.14 电流三段式保护特性及时限特性分析图
继电保护的接线图一般可以用原理图和展开图形式来表示.电流三段式保护单相原理接线图如图 2.15 所示,
( 3 )阶段式保护的选择性
电流速断保护是通过选择动作电流保证选择性的,定时限过电流保护通过选择动作时限来保证选择性的,而限时电流速断保护则是通过同时选择动作电流和动作时限来保证选择性的.这是应当重点理解的环节. ( 4 )对阶段式电流保护的评价
三段式电流保护的优点是简单,可靠,并且一般情况下都能较快切除故障,一般用于 35kv 及以下电压等级的单侧电源电网中.缺点是它的灵敏度和保护范围受系统运行方式和短路类型的影响,此外,它只在单侧电源的网络中才有选择性. 7,电流保护接线方式
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的连接方式. ( 1 )三相完全星型接线主要接线方式
1 )三相完全星型接线方式如图 2.17 所示,三个电流互感器与三个电流继电器分别按相连接在一起,形成星型.三个继电器触点并联连接,相当于\或\回路.三相星型接线方式的保护对各种故障,如三相,两相短路,单相接地短路都能动作.
图 2.17 完全星型接线图 图 2.18 不完全星形接线图 2 )相不完全星型接线方式
两相不完全星型接线方式如图 2.18 所示.它与三相星形的保护的区别是能反应各种相间短路,但 B 相发生单相短路时,保护装置不会动作.
( 2 )各种接线方式在不同故障时的性能分析
1 )中性点直接接地或非直接接地电网中的各种相间短路.
前述三种接线方式均能反应这些故障(除两相电流接线不能保护变压器外),不同之处在于动作的继电器数目不同,对不同类型和相别的相间短路,各种接线的保护装置灵敏度有所不同. 2 )中性点非直接接地电网中的两点接地短路 图 2.20 串联内线路上两点接地的示意图
在中性点非直接接地电网(小接地电流)中,某点发生单相接地时,只有不大的对地电容电流流经故障点,一般
不需要跳闸,而只要给出信号,由值班人员在不停电的情况下找出接地点并消除之,这样就能提高供电的可靠性.因此,对于这种系统中的两点接地故障,希望只切除一个故障.
①串联线路上两点接地情况,如图 2.20 所示,在 和 点发生接地短路,希望切除距电源远的线路. 若保护 1 和保护 2 均采用三相星形接线时,如果它们的整定值和时限满足选择性,那么,就能保证 100% 地只切除 BC 段线路故障.如采用两相星形接线,则保护就不能切除 B 相接地故障,只能由保护 2 切除 BC 线路,使停电范围扩大.这种接线方式在不同相别的两点接地组合中,只能有 2/3 的机会有选择地后面的一个线路.
②放射性线路上两点接地情况如图 2.21 所示, 图 2.21 放射性线路上两点接地的示意图
在 点发生接地短路时,希望任意切除一条线路即可.当采用三相星型接线时,两套保护(若时限整定相同)均将起动.如采用两相星型接线,则保护有 2/3 的机会只切除任一线路.因此,在放射性的线路中,两相星型比三相星型应用更广泛. ( 3 )各种接线方式的应用
三相星形接线方式能反应各种类型的故障,保护装置的灵敏度不因故障相别的不同而变化.主要应用如下方面:
1 )广泛用于发电机,变压器,大型贵重电气设备的保护中.
2 )用在中性点直接接地电网中(大接地电流系统中),作为相同短路的保护,同时也可保护单相接地(对此一般都采用专门的零序电流保护).
3) 在采用其它更简单和经济的接线方式不能满足灵敏度的要求时,可采用这种接线方式. 两相星形接线方式较为经济简单,能反应各种类型的相同短路.主要应用于如下方面:
1 )在中性点直接接地电网和非直接接地电网中,广泛地采用它作为相间短路保护在 10kv 以上,特别在 35kv非直接接地电网中得到广泛应用.
2 )在分布很广的中性点非直接接地电网中,两点接地短路常发生在放射型线路上.在这种情况下,采用两相星形接线以保证有 2/3 的机会只切除一条线路(要使保护装置均安装在相同的两相上,一般为 AC 相).如在6 ~ 10kv 中性点不接地系统中对单相接地可不立即跳闸,允许运行 2 小时,因此在 6~10kv 中性点不接地系统中的过流保护装置广泛应用两相星形接线方式.
两相电流差接线方式具有接线简单,投资较少等优点,但是灵敏性较差,又不能保护 Y/ -11 接线变压器后面的短路,故在实际应用中很少作为配电线路的保护.这种接线主要用在 6 ~ 10kv 中性点不接地系统中,作为馈电线和较小容量高压电动机的保护. 二,双侧电源网络相间短路的方向性电流保护 1,方向性电流保护的工作原理
在单侧电源网络中,各个电流保护线路靠近电源的一侧,在发生故障时,它们都是在短路功率的方向从母线流向线路的情况下,有选择性地动作,但在双侧电源网络中,如只装过电流保护是不能满足选择性要求. ( 2 )几个概念
1 ) 短路功率 :指系统短路时某点电压与电流相乘所得到的感性功率.在不考虑串联电容和分布电容在线路上短路时,短路功率从电源流向短路点.
2 ) 故障方向 :指故障发生在保护安装处的哪一侧,通常有正向故障和反向故障之分,它实际上是根据短路功率的流向进行区分的.
3 )功率方向继电器 :用于判别短路功率方向或测定电压电流间的夹角的继电器,简称方向元件.由于正反向故障时短路功率方向不同,它将使保护的动作具有一定的方向性.
4 ) 方向性电流保护 :加装了方向元件的电流保护.由于元件动作具有一定的方向性,可在反向故障时把保护闭锁.
2,方向过电流保护的原理接线图
方向过电流保护的原理接线图如图 2.25 ( a )所示 . 图 2.25 方向过电流保护的原理接线图
方向过电流保护是利用功率方向元件与过电流保护配合使用的 一种保护装置,以保证在反方向故障时把保护闭锁起来而不致误动作.主要由方向元件 ` 电流元件和时间元件组成.只有电流元件和功率方向元件同时动作时,保护装置才能动作于跳闸. 3,功率方向继电器的 90 ° 接线方式 ( 1 )功率方向继电器的接线方式
由于功率方向继电器的主要任务是判断短路功率的方向,因此对其接线方式提出如下要求. 1 )正方向任何形式的故障都能动作,而当反方向故障时则不动作.
2 )故障以后加入继电器的电流和电压 应尽可能地大一些.并尽可能使 接近于最大灵敏度角 ,以便消除和减小方向继电器的死区.为了满足以上要求,广泛采用的功率方向继电器接线方式为 90 ° 接线方式.所谓 90 ° 接线方式是指在三相对称的情况下,当 cos =1 时,加入继电器的电流 和电压 相位相差90 ° . ( 2 )方向过电流保护装置的接线图 1 )接线图
如图 2.27 所示.电流继电器 1 , 3 是起动元件,功率方向继电器 2 , 4 是方向元件.各相的电流继电器和功率方向继电器的触点是串联的.时间继电器 5 使保护获得必要的动作时限,起触点闭合可以跳闸和发出信号.
2 )按相起动原则
按相起动原则是指接入同名相电流的电流继电器和方向元件的触点直接串联,而后再接入时间继电器线圈的接线, 3 )动作特性
功率方向继电器采用 90 ° 接线方式的保护装置,主要有两个优点:第一,对各种两相短路都没有死区,因为继电器加入的是非故障相的线电压,其值很高;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,且有较高的灵敏性.方向继电器在一切故障情况下都能动作的条件为
两相式接线适用于小接地电流系统,作为各种形式相间短路的保护,在大接地电流系统中,如果装有专门的接地保护,也以采用两相式接线作为相间短路的保护. 4,对方向性电流保护的评价
1 )方向性电流保护的主要优点是在单电源环形网络和多电源辐射型电网中,都能保证动作的选择性. 2 )理论上当保护安装地点附近正方向发生三相短路时,由于母线电压降低至零,保护装置拒动,出现\死区\运行经验指出,三相短路的几率很小.
3 )由于保护中采用了方向元件使接线复杂,投资增加,可靠性降低.因此,在应用中如果保护装置在起动值,动作时限整定以后,能够满足选择性要求,就可以不用方向元件.例如:
1 ,对电流速断保护来讲,如图 2.28 的保护 7 ,如果反方向线路 CD 出口处 短路时,由电源 供给的短路电流 ,那么,在反方向任何地点短路时,保护 7 都不会误动.即从整定值上躲开了反方向的,这时可以不用方向元件.
2 ,对过电流保护来讲,仍以上述保护 7 为例,如果其过电流保护的动作时限 大于保护 2 过电流保护的时限 ,即
在在反方向发生短路时,从时限上保证了动作的选择性,因此保护 7 可以不用方向元件(但保护 2 必须采用方向元件).
方向过电流保护,常用于 35KV 以下的两侧电源辐射型电网和单电源环型电网中作为主要保护,在电压为 35KV
及 110KV 辐射型电网,常常与电流速断保护配合使用,构成三段式方向电流保护,作为线路相间短路的整套保护.
三,中性点直接接地系统接 短路的零序电流及方向保护
1, 接地短路时零序电流,零序电压和功率的分布
中性点直接接地系统发生单相接地故障时,接地短路电流很大.接地故障具有如下特点: 1 )故障带内的零序电压最高,离故障点越远,零序电压越低.
2 ) 零序电流的分布,决定于线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗及变压器接地中性点的数目和位置,而与电源的数量和位置无关.
3 )故障线路零序功率的方向与正序功率的方向相反,是由线路流向母线的.
4 )某一保护(如保护 1 )安装地点处的零序电压与零序电流之间(如 与 )的相位差取决于背后元件(如变压器)的阻抗角,而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关. 2,零序电压,电流过滤器 ( 1 )零序电流过滤器
为取得零序电流,可以采用三个电流互感器按图 2.31 ( a )的方式连接,此时流入继电器中的电流为 接地故障时流入继电器的电流为零序电流,即
在正常运行和相间短路时,零序电流滤过器 也存在一个不平衡电流 ,即 它是由于三个互感器铁心的饱和程度不同,以及制造过程中的某些差别而引起的. ( 2 )零序电压过滤器
为了取得零序电压,通常采用如图 2.32 所示的三个单相电压互感器或三相五柱式电压互感器,其一次绕组接成星形并将中性点接地,二次绕组接成开口三角形.从 m,n 端子上得到的输出电压为 发生接地故障时,输出电压 U 为零序电压,即
正常运行和电网相间短路时,理想输出 .实际上由于电压互感器的误差及三相系统对地不完全平衡,在开口三角形侧也有电压输出,此电压称不平衡电压,以 表示,即 3, 零序电流速断保护
零序电流速断保护又称零序 I 段. ( 1 )整定计算
与相间短路的电流保护类似,零序电流速断保护起动值的整定原则如下:
1 )躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3 ,即 ( 2. 17 ) 2 )躲过断路器三相触头不同期合闸时出现的零序电流 3 ,即 ( 2. 18 )
根据式( 2. 17 ),式( 2. 18 )的计算结果进行比较,先取其中的较大值作为保护装置的整定值.
3 )如果线路上采用单相自动重合闸时,零序电流速断应躲过非全相运行又产生震荡时出现的最大零序电流. 4, 限时零序电流速断保护 限时零序电流速断保护又称Ⅱ段. ( 1 ) 整定计算 1 )动作电流
①零序Ⅱ段的起动电流应与下一段线路的Ⅰ段保护相配合.
当该保护与下一段线路保护之间无中性点接地变压器时,该保护的起动电流 为 ( 2.21 )
——下一段线路零序Ⅰ段保护的起动值.
② 当该保护与下一段线路保护有中性点接地变压器时,该保护的起动电流为 ( 2.22 )
——在下一段相邻线路保护零序Ⅰ段保护范围末端发生接地短路时,流过本保护装置的零序电流计算值. 2 )动作时限
零序Ⅱ段的动作时限与相邻线路保护零序Ⅰ段相配合,动作时限一般取 0.5 秒. ( 2 ) 灵敏度校验
零序Ⅱ段的灵敏系数,应按本线路末端接地短路时的最小零序电流来校验,并满足 ≥ 1.5 的要求,即
= ( 2.23 )
式中 ——本线路末端接地短路时的最小零序电流. 5,零序过电流保护
零序过电流保护又称Ⅲ段保护,它用于本线路接地故障的近后备保护和相邻元件(线路,母线,变压器)接地故 障的后备保护.在本线路零序电流保护Ⅰ,Ⅱ段拒动和相邻元件的保护或开关拒动时靠它来最终切除故障.在中
性点接地电网中的终端线路上也可作为主保护. ( 1 )整定计算
① 躲开在下一条线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流 即 ( 2.24 )
式中 ——可靠系数,取 1.1 ～ 1.2 ;
——下一条线路出口处相间短路时的最大不平衡电流.
②与下一线路零序Ⅲ段相配合就是本保护零序Ⅲ段的保护范围,不能超出相邻线路上零序Ⅲ段的保护范围.当两
个保护之间具有分支电路时(有中性点接地变压器时),起动电流整定为 ( 2.25 )
式中 ——可靠系数,取 1.1 ～ 1.2 ;
——在相邻线路的零序Ⅲ段保护范围末端发生接地短路时,流过本保护范围的最大零序电流计算值.如与相邻线路保护间有分支电路时,则 取下一条相邻线路零序Ⅲ段的起动值.取①,②中最大者. ( 2 ) 灵敏度校验
1 )作为本线路近后备保护时,按本线路末端发生接地故障时的最小零序电流 3 来校验,要求 ≥ 2 ,即 ( 2.26 )
2 )作为相邻线路的远后备保护时,按相邻线路保护范围末端发生接地故障时,流过本保护的最小零序电流 3 来校验,要求 ≥ 1.5 即 ( 3 ) 动作时限
零序Ⅲ段电流保护的起动值一般很小,在同电压级网络中发生接地短路时,都可能动作.为保证选择性,各保护的动作时限也按阶梯原则来选择.如图 2.33 所示,只有在两个变压器间发生接地故障时,才能引起零序电流,所以只有保护 4 , 5 , 6 才能采用零序保护.图 2.33 中同时示出了零序过电流保护和相间短路的过电流保护动作时限,相比可知前者具有较小的动作时限,这是它的优点之一. 6,方向性零序电流保护
( 1 )构成方向性零序电流保护时应注意的问题
1 )在多电源大接地电流系统中,每个变电站至少有一台变压器中性点直接接地,以防止单相接地短路时,非故障相产生危险的过电压.
2 )在图 2.34 所示双侧电源供电系统中,它的两侧电源处的变压器中性点均直接接地.如将 TM-1 侧的电源去掉,则为单电源供电网络,在相间短路的电流保护中, TM-2 变压器短路时,短路电流不流过保护 1 .但在零序电流保护中, TM-2 变压器短路时,零序电压侧流过保护 1 .此时,为了保证保护 1 动作的选择性,就须采用方向性零序电流保护,这一点应特别注意.即在零序电流保护正方向有中性点接地的变压器的情况下,不管被保护线路的对侧有无电源,为了防止保护的灵敏度过低和动作时间过长,就须采用方向性零序电流保护. (2) 动作特性
以图 2.34 为例,在 点接地短路时,一部分零序电流要经过 TM-2 变压器构成回路,一部分零序电流要经过
TM-1 变压器构成回路.断路器 1QF ～ 4QF 处的零序电流保护均可能动作,为保证动作的选择性, 2QF , 3QF 的动作时间应为 〈