同理,在 点发生接地故障时,要求 >
显然,零序电流保护的动作时限同时满足这两个条件是不可能的,必须加装功率方向元件,构成方向性零序电流保护. ( 3 )解决措施
1 )假设母线零序电压为正,零序电流由母线流向线路方向为正.故障线路两侧零序电流的实际方向为负,零序
功率为负,非故障线路远离短路点侧的零序电流也为负,近短路点侧零序电流的方向为正.这时只须加装反应零序功率而动作的继电器就可保证选择性.在 点接地,只需满足 >在 点接地,只需满足 即可保证选择性.
四,中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护
在中性点非直接接地电网中发生单相接地时,由于故障点的电流很小,而且三相之间的线电压仍然保持对称,对负荷供电没有影响.在一般情况下都允许再继续运行 1 ～ 2h .因此单相接地时,一般只要求继电保护有选择地发出信号,而不必跳闸.
1,中性点不接地系统的单相接地的特点 ( 1 )单电源单线路系统的单相接地
如图 2.39 所示的单电源单线路系统,在正常运行情况下,三相对地有相同的电容 ,在相电压 作用下,每相都有一个电容电流 流入地中,而三相电流之和等于零.即 在 A 相接地时(图 2.40 ),各相对地的电压为
故障相电压为零,非故障相对地电压升高为原来的 倍.因此,故障点 D 的零序电压为 可见,故障点的零序电压 大小与相电压 相等.各相对地电容电流为 其有效值为
从接地点流回的电流 为
即为正常运行时,三相对地电容电流的算术和. ( 2 )单电源多线路系统的单相接地
如图 2.41 所示,当线路Ⅱ A 相接地时,电容电流分布在图中用\\表示. 类似于简单网络的分析,在此接地电流 为 有效值
式中 ——全系统每相对地电容的总和.
从分析各元件(发电机出线端,线路始端的)电流互感器所反应的零序电流可得如下结论: 1 )单相接地时,全系统都将出现零序电压,而短路点的零序电压在数值上为 相电压 ;
2 ) 在非故障元件上有零序电流,其数值等于本相原对地电容电流,电容性无 功功率的实际方向为由母线流向线路;
3 )在故障元件上,零序电流为全系统非故障元件对地电容电流之相量和,电 容性无功功率的实际方向为由线路流向母线. 2,中性点不接地系统的接地保护
根据中性点不接地系统的的但相接地时的以上特点,可构成相应的各种保护. ( 1 )零序电流保护
零序电流保护是利用故障线路另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的保护装置.
零序电流保护的原理接线图如图 2.42 所示,保护装置由零序电流互感器 和零序电流继电器 所组成. 零
序电流保护装置的起动电流 必须大于本线路的零序电容电流(即非故障时本身的电容电流),即
零序电流保护装置的灵敏度,可以按被保护线路上发生接地故障时流经保护的最小零序电流(即为全网络中非故障线路电容电流的总和)来校验,灵敏系数为
由上式可见,当系统出线越多时,全网络的电流越大;或被保护线路的电容电流越小时,零序电流保护的灵敏系数就越容易满足要求. ( 2 )方向性零序电流保护
在出线较少的情况下,非故障线路零序电流与故障线路零序电流差别可能不大,采用零序电流保护灵敏度很难满足要求.此时可采用方向性零序电流保护.由上节分析可知,中性点不接地电网发生单相接地时,非故障线路零序电流超前零序电压 ;故障线路零序电流滞后零序电压 .因此,利用零序功率方向继电器可明显区分故障线路和非故障线路.
此时,方向性零序电流保护的接线和工作原理与大电流接地系统的方向性零序电流保护极为类似,只是在使用中应注意相应的零序功率方向继电器要采用正极性接入方式接入 3 和 3 ,且最大灵敏角为 90 度. 4,中性点经消弧线圈接地系统中单相接地的特点
在 3 ～ 6KV 电网中,如果单相接地时接地电容电流的总和大于 30A , 10KV 电网大于 20A , 22 ～ 66KV电网大于 10A ,那么单相接地短路会过渡到相间短路,因此在电源中性点需加装一个电感线圈.单相接地时用它产生的感性电流,去补偿全部或部分电容电流.这样就可以减少流经故障点的电流,避免在接地点燃起电弧,把这个电感线圈称为消弧线圈.
在图 2.43 所示电网中,在电源中性点接入一消弧线圈.当线路Ⅱ上 A 相接地时的电流分布如图 2.43 所示,与图 2.41 相比,不同之处是在接地点又增加了一个电感分量的电流 ,因此,从中性点流回的总电流为 ——消弧线圈的电流,设用 L 表示它的电感,则 .
由于 和 的相位大约相差 ,因此 将因消弧线圈的补偿而减少.
根据对电容电流的补偿程度不同,消弧线圈可以有完全补偿,欠补偿及过补偿三种补偿方式. ( 1 )完全补偿法
完全补偿就是使 ,接地点的电流 近似为零,从消除故障点电弧,避免出现弧光过电压的角度来看,这种补偿方式是最好的.但是由于
对于 交流电感 L 和三相对地电容 将产生串联谐振,从而使电源中性点对地电压严重升高,这是不允许的,因此在实际上不能采用这种方式. ( 2 )欠补偿法
欠补偿法就是使 ,补偿后的接地点电流仍然是电容性的.如果系统运行方式发生变化,当某个元件被切除或因故障跳闸,则电容电流就将减少,很可能又出现 的情况.和( 1 )有相同的缺点.因此这种方式一般也是不采用的.这里顺便说明,一般在电力网中欠补偿方式是不采用的. ( 3 )过补偿法
过补偿法就是使 补偿后的残余电流是电感性的.采用这种方式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.
大于 的程度用脱谐度 P 来表示,其关系为
一般选择脱谐度 P 为 5% ～ 10% ,而不大于 10% .采用过补偿时,由于 , 所以 的实际方向与图 2.43 所示的方向相反.
距离保护,就是一种可以满足高压电网发展要求的新原理保护,它可以在任何形式的电网中选择性地切除故障.并且有足够的快速性和灵敏性. 第三章 电网的距离保护 一, 距离保护的概念
距离保护是反应保护安装处至故障点的距离,并根据距离的远近而确定动作时限的一种保护装置.测量保护安装处至故障点的距离,实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗大小,故有时又称阻抗保护.正常运行时,保护安装处测量到的线路阻抗为负荷阻抗 , 即
当发生线路故障时,母线测量电压为 ,输电线路上测量电流为 ,这时的测量阻抗为保护安装处至故障点的短路阻抗 ,即
在短路以后.母线电压下降,而流经保护安装处的电流增大,这样短路阻抗 比正常时测量到的 大大降低, 距离保护的实质是用整定阻抗 与被保护线路的测量阻抗 比较. 如图 3.1 所示
当短路点在保护范围以内时,即当 时保护动作; 当短路点在保护范围以外时,即当 时,保护不动作. 因此,距离保护又叫低阻抗保护 . 2,距离保护的时限特性
距离保护是利用测量阻抗来反应保护安装处到至短路点这间距离的,为了保证选择性,获得广泛应用的是阶梯型时限特性,这种时限特性与三段式电流保护的时限特性相同.
距离保护第Ⅰ段是瞬间动作的,其动作时限 仅为保护装置的固有动作时间.为了与下一条线路保护的Ⅰ段有选择性地配合,两者保护范围不能重叠,因此,三段的保护范围不能延伸到下一线路中去,而为本线路全长的 80%~85% ,即Ⅰ段的动作阻抗整定为 80%~85% 线路全长的阻抗.为了有选择性地动作,距离Ⅱ段的动作时限和起动值要与相邻下一条线路保护的Ⅰ段和Ⅱ段相配合.根据相邻线路之间选择性地配合的原则:如两者的保护范围重叠,则两保护的动作时限整定不同;如动作时限相同,则保护范围不能重叠. 距离Ⅲ段为本线路和相邻线路(元件)的后备保护,其动作时限 的整定原则与过电流保护相同,即大于下一条变电站母线出线保护的最大动作时限一个 ,其动作阻抗应按躲过正常运行时的最小负荷阻抗来整定. 3, 距离保护的主要组成元件
距离保护装置一般由以下五个主要元件组成. 1 )起动元件
当被保护线路发生故障时,起动元件瞬间起动保护装置,以判断线路是否发生了故障,并兼有后备保护的作用.通常起动元件采用过电流继电器或阻抗继电器.为了提高元件的灵敏度,也可采用反应负序电流或零序电流分量的复合滤过器来作为起动元件. 2 )测量元件
用来测量保护安装处至故障点之间的距离,并判断短路故障的方向.通常采用带方向性的阻抗继电器作测量元件.如果阻抗继电器是不带方向性的,则需增加功率方向元件来判别故障的方向. 3 )时间元件
用来建立距离保护 II 段, III 段的动作时限,以获得其所需要的动作时限特性.通常采用时间继电器或延时电路作为时间元件 4 )振荡闭锁元件
用来防止当电力系统发生振荡时,距离保护的误动作.在正常运行或系统振荡时,振荡闭锁元件将保护闭锁,而当系统发生短路故障时,解除闭锁开放保护,使保护装置根据故障点的远近有选择性地动作. 5 )电压回路断线失压闭锁元件
用来防止电压互感器二次回路断线失压时,引起阻抗继电器的误动作. 二, 阻抗继电器及其动作特性
阻抗继电器是距离保护装置的核心元件,它主要用来作测量元件,也可以作起动元件和兼作功率方向元件. 1,阻抗继电器的特性
按相测量阻抗继电器称为单相式阻抗继电器,加入继电器的只有一个电压 和一个电流 .由于电压与电流之比是阻抗,即 ,所以测量阻抗电压和电流来实现. 继电器动作情况取决于 的值(即测量阻抗),当测量阻抗 小于预定的整定值 时动作,大于整定值时不动作.运行中的阻抗器是接入电流互感器 TA 和 电压互感器 TV 的二次侧,其测量阻抗与系统一次 侧阻抗之间的关系为 ( 3.1 )
对于单相阻抗继电器的动作范围,原则上在阻抗复数平面上用一个小方框可以满足要求.但是当短路点有过渡电 阻存在时,阻抗继电器的测量阻抗将不在幅角为 的直线上,此外,应电压互感器,电流互感器都存在角误差,使测量阻抗角发生变化.所以,要求阻抗继电器的动作范围不是以 为幅角的直线,而应将其动作范围扩大,扩大为一个面或圆(但整定值不变). 3,全阻抗继电器
( 1 )全阻抗继电器的动作特性
全阻抗继电器动作边界的轨迹在复数阻抗平面上是一个以坐标原点为圆心(相当于继电器安装点),以整定阻抗 为半径的圆,如图 3.10 所示,圆内为动作区,圆外为非动作区. 其特点如下:
1 )无方向性. 当测量阻抗位于圆外时,不满足动作条件,继电器不动作;当测量正好位于圆周上时,处于临界状态,继电器刚好动作,对应此时的阻抗就是继电器的起动阻抗 ;当保护正方向短路时,测量阻抗位于第Ⅰ象限,当保护反方向短路时,测量阻抗位于第Ⅲ象限,但保护的动作行为与方向无关,只要测量阻抗小于整定阻抗,落在动作特性圆内,阻抗继电器就动作.
2 ) 无论加入继电器的电压与电流之间的相角 为多大,继电器的动作与整定阻抗在数值上都相等,即 ( 3.7 )
4, 方向阻抗继电器
由于全阻抗继电器的动作没有方向性,在使用中,将它作为距离保护的测量元件,还必须加装方向元件,从而使保护装置复杂化.为了简化保护装置的接线,选用方向阻抗继电器,它既能测量短路阻抗,又能判断故障的方向.
4, 影响距离保护正确工作的因素
为了保证距离保护正确测量短路点至保护安装处的距离,除了采用正确的接线方式外,还应充分考虑在实际运行中,保护装置会受到一些不利因素的影响,使之发生误动.一般来说,影响距离保护正确动作的因素有: 1 )短路点的过渡电阻;
2 )在短路点与保护安装处之间有分支电路; 3 )电力系统振荡; 4 )测量互感器误差; 5 )电网频率的变化;
6 )在 Y/ -11 变压器后发生短路故障; 7 )线路串联补偿电容的影响; 8 )过渡过程及二次回路断线; 9 )平行双回线互感的影响等等. 5,距离保护的整定原则和计算方法 1),距离保护的整定计算 (1),距离保护 I 段整定计算
当被保护线路无中间分支线路 ( 或分支变压器 ) 时
定植计算按躲过本线路末端故障整定,一般可按被保护正序阻抗的 80 %～ 85%计算,即 (3.50)
对方向阻抗继电器则有
线路末端仅为一台变压器 ( 即线路 ) 时
其定值计算按不伸出线路变压器内部整定,即按躲过变压器其他各侧的母线故障整定 (3.51)
保护的动作时间按 0 s ,即保护固有动作时间整定.
当线路末端变电所为两台及以上变压器并列运行且变压器均装设差动保护时
如果本线路上装设有高频保护时,距离 I 段仍可按 1) 项的方式计算 . ,当本线路上未装设有高频保护时,
则
可按躲过本线路末端故障或按躲过终端变电所其他母线故障整定 或
4) 当线路终端变电所为两台及以上变压器并列运行且变压器未装设差动保护时 此时电流速断保护范围末端故障整定按下式计算 (3.53)
式中 — 终端变电所变压器并列运行时, 电流速断保护范围最小阻抗值.
5) 当被保护线路中间接有分支线路或分支变压器时按躲过本线路末端和躲过分支线路 ( 分支变压器 ) 末端故障整定,即 (3.54)
(2) 距离保护 II 段整定计算
1) 按与相邻线路距离保护 段配合整定 (3.55)
2 )躲过相邻变压器其他侧母线故障整定 ( 3.56 )
3)按与相邻线路距离保护II段配合 整定 (3.57) 最大灵敏角
式中 —线路正序阻抗角. 保护动作时间
式中 —相邻距离保护 II 段动作时间.
4 )按保证被保护线路末端故障保护有足够的灵敏度整定
当按 1 ), 2 ), 3 )各项条件所计算的动作阻抗,在本线路末端故障时保护的灵敏度很高,与此同时有出现保护的 段与 II 段之间的动作阻抗相差很大,使继电器的整定范围受到限制而无法满足 段, II 段计算定值的要求时,则可改为按保证本线路末端故障时有足够的灵敏度条件整定,即 ( 3.58 )
式中 —被保护线路正序阻抗 ;
—被保护线路 末端故障时保护的灵敏度. ( 3 ) 距离保护 Ⅲ 段整定计算 按躲过线路最大负荷阻抗配合整定
1 ,当距离 Ⅲ 段为电流起动元件时,其整定值为 ( 3.69 )
2 ,当距离 Ⅲ 段为全阻抗起动起动元件时,其整定值为 最小负荷计算为 (3.71)
3,当为方向阻抗起动元件时, 其整定值为 当方向阻抗元件为 接线方式时, Ⅲ 段整定值为 ( 3.72 )
5)距离Ⅲ 段的灵敏度
线路末端灵敏度计算为 ( 3.74 ) 后备保护灵敏度计算为 ( 3.75 ) 对距离Ⅲ 段灵敏度的要求:
对于110KV线路,在考虑相邻线路相继动作后,对相邻元件后备灵敏度要求 ;对于220KV及以上线路,对相