第二章电网的电流保护和方向性电流保护
电网的电流保护
第2章 电网的电流保护 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护
若 和E S 为Z常S 数，则短路电流将随着 L k 的减小而增大，经计算后可绘
出其变化曲线，如图2.2所示。若Z S 变化，即当系统运行方式变化时，短 路电流都将随着变化。 当系统阻抗最小时，流经被保护元件短路电流最大的运行方式称为最大运 行方式。 图2.2中曲线1表示系统在最大运行方式下短路点沿线路移动 时三相短路电流的变化曲线。 短路时系统阻抗最大，流经被保护元件短路电流最小的运行方式称为最小 运行方式。在最小运行方式下，发生两相短路时通过被保护元件的电流最 小，即最小短路电流为
E S ——系统等效电源的相电势，也可以是母线上的电压；
Z S — 保护安装处到系统等效电源之间的阻抗，即系统阻抗；
Z 1 ——线路单位长度的正序阻抗，单位为；
1.10
L k ——短路点至保护安装处之间的距离。
第2章 电网的电流保护 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护
图2.2 单侧电源辐射形电网电流速断保护工作原理图 1.11
1.2
第2章 电网的电流保护 本章内容
● 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护 ● 2.2 电网相间短路的方向性电流保护 ● 2.3 大电流接地系统的零序电流保护 ● 2.4 小电流接地系统的零序电流保护 ● 思考题与习题
1.3
第2章 电网的电流保护 2.1 单侧电源网络相间短路的电流保护
对于单侧电源网络的相间短路保护主要采用三段式电流保护，即第一 段为无时限电流速断保护，第二段为限时电流速断保护，第三段为定时 限过电流保护。其中第一段、第二段共同构成线路的主保护，第三段作 为后备保护。
1. 工作原理
对于图2.2所示的单侧电源辐射形电网，为切除故障线路，需在每条线路的电源侧装
(完整word版)继电保护教材(超实用)
第一章绪论第一节电力系统继电保护的作用一、电力系统的故障和不正常运行状态1.电力系统的故障：三相短路f (3)、两相短路f (2)、单相短路接地f (1)、两相短路接地f (1,1)、断线、变压器绕组匝间短路、复合故障等。
2. 不正常运行状态：小接地电流系统的单相接地、过负荷、变压器过热、系统振荡、电压升高、频率降低等。
二、发生故障可能引起的后果是：1、故障点通过很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障设备烧坏；2、系统中设备，在通过短路电流时所产生的热和电动力使设备缩短使用寿命；3、因电压降低，破坏用户工作的稳定性或影响产品质量；破坏系统并列运行的稳定性，产生振荡，甚至使整个系统瓦解。
事故：指系统的全部或部分的正常运行遭到破坏，以致造成对用户的停止送电、少送电、电能质量变坏到不能容许的程度，甚至毁坏设备等等。
三、电保护装置及其任务1．继电保护装置：就是指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自动装置。
2．它的基本任务是：（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。
（2）对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。
第二节继电保护的基本原理和保护装置的组成一、继电保护的基本原理继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信息量，当突变量达到一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。
1、利用基本电气参数的区别发生短路后，利用电流、电压、线路测量阻抗等的变化，可以构成如下保护。
（1）过电流保护：反映电流的增大而动作，如图1-1所示，（2）低电压保护：反应于电压的降低而动作。
（3）距离保护（或低阻抗保护）：反应于短路点到保护安装地之间的距离（或测量阻抗的减小）而动作。
2、利用内部故障和外部故障时被保护元件两侧电流相位（或功率方向）的差别。
国网考试之电力系统继电保护：电力系统继电保护(weiwancheng) 题库
第一章绪论习题1-1 在图1-1所示的网络中，设在d点发生短路，试就以下几种情况评述保护1和保护2对四项基本要求的满足情况：（1）保护1按整定时间先动作跳开1DL,保护2起动并在故障切除后返回；（2）保护1和保护2同时按保护1整定时间动作并跳开1DL和2DL；（3）保护1和保护2同时按保护2整定时间动作并跳开1DL和2DL；（4）保护1起动但未跳闸，保护2动作跳开2DL；（5）保护1未动，保护2动作并跳开2DL；（6）保护1和保护2均未动作图1-1 习题1-1图第二章电网的电流保护和方向性电流保护一、三段式相间电流保护例题例题2.1欲在图2-1所示的35KV中性点不接地电网中变电所A母线引出的线路AB上，装设三段式电流保护，保护拟采用两相星形接线。
试选择电流互感器的变比并进行I段、II段、III段电流保护的整定计算，即求I、II、III段的一次和二次动作电流（I’dz、I’dz·J、I’’dz、I’’dz·J、I dz、I dz·J）、动作时间（t’、t’’、t）和I段的最小保护范围l min%，以及II段和III段的灵敏系数K’’lm、K lm(1)、K lm(2)。
对非快速切除的故障要计算变电所母线A的残余电压。
已知在变压器上装有瞬动保护，被保护线路的电抗为0.4Ω/km，可靠系数取K’k=1.3，K’’k=1.1，K k=1.2，电动机自启动系数K zq=1.5，返回系数K h＝0.85，时限阶段△t=0.5s，计算短路电流时可以忽略有效电阻。
其他有关数据按3种方案列于表1中。
图2-1 例题2.1图表1 三种方案解参见图2-1。
已知X s=0.3Ω，l =10km，S B=2×10 MV A，U d%=7.5，S fh=15MV A，t10＝2.5s。
1 求电流I段定值（1）动作电流I’dzI’dz＝K’k×Ｉd·B·max＝1.3×4.97＝6.46（kA）其中Ｉd·B·max＝E S/（X s＋X AB）＝（37/3）/（0.3＋10×0.4）＝4.97（kA）(2) 灵敏性校验，即求l minl min = 1/Z b×(（3/2)·E x/ I’dz－X s,max) = 1/0.4×( (37/2) / 6.46 －0.3)=6.4 (km)l min % = 6.4/10 ×100% = 64% > 15%2 求电流II段定值(1) 求动作电流I’’dz为与相邻变压器的瞬动保护相配合，按躲过母线C最大运行方式时流过被整定保护的最大短路电流来整定（取变压器为并列运行）于是Ｉd·C·max＝E S/（X s＋X AB＋X B／2）＝（37/3）/（0.3＋4＋9.2/2）＝2.4（kA）I’’dz＝K’’k·Ｉd·C·max＝ 1.1×2.4＝2.64（kA）式中X B＝Ud%×（U2B / S B）＝0.075×（352／10）＝9.2（Ω）（2）灵敏性校验K’’lm=Ｉd·B·min / I’’dz＝3/ 2×4.97／2.64＝1.63 > 1.5满足要求（3）求动作时间t（设相邻瞬动保护动作时间为0s）t’’ = 0+0.5 = 0.5 (s)3 求电流III段定值（1）求动作电流IdzI dz =(Kk/Kh)×Kzq×Imaxfh=(1.2/ 0.85)×1.5×247=523(A)式中Imaxfh =Sfh/（3U ming）=15/（3×35）=247（A）（2）灵敏性校验本线路末端短路时K lm (1) =((3/2) ×4.97)/0.523=8.22>1.5 满足要求相邻变压器出口母线C（变压器为单台运行）三相短路时Ｉ（3）d·C·max＝E S/（X s＋X AB＋X B）＝（37/3）/ (0.3+4+9.2) = 1.58（kA）考虑C点短路为y，d11接线变压器后短路，当该点为两相短路时，对所研究的保护动作最不利，又因保护接线采用两继电器式两相星形接线，故有Ｉ（2）d·min＝(1/2)Ｉ（3）d·C·min故K lm (2) =0.5×1580／523＝1.5 > 1.2满足要求如采用三继电器式两相星形接线，灵敏系数还可提高1倍。
电网相间短路的方向性电流保护
二、方向过电流保护单相原理接线图
方向过电流保护装置构成： 启动元件 功率方向元件 时限元件
四、功率方向继电器的接线方式
1.含义： 继电器与电流互感器和电压互感器之间的连接方式。
2.基本要求 ➢ 保证选择性和较高的灵敏性 ➢ 保证继电器正方向故障时动作，反方时制动。
原因分析：
➢ 反方向故障时，对侧电源提供的短路电流引起保护误动。
解决方法：
➢ 加装方向元件----功率方向继电器，构成方向性电流保护， 仅当方向元件和电流测量元件均启动时才启动逻辑元件。 双侧电源系统保护变成针对两个单侧电源的子系统。
发生正方向故障时，保护启动，反方向故障时，保护闭锁。
3、方向性电流保护的工作原理
引入分支系数：
Kfz
I'BC IAB
故障线障线路流过的 前一级保护护所在线路流过的流
I II op1
K II rel
I
I op
2
K fz
当仅有助增时：
I
' BC
I AB
K fz 1
仅有外汲时：I
' BC
I AB
K fz 1
无分支时：
I
' BC
I AB
K fz 1
既有助增，又有外汲时，可能大于1也可能小于1
第二节 电网相间短路的方向性电流保护
一、方向性电流保护的工作原理
1、问题的提出
为提高供电可靠性，出现了单电源环形供电网络、双电源 或多电源网络。但在这样的网络中简单的电流保护不能满足 要求。分析如下：
电力系统继电保护 (第2版)第二章 电流保护
对于单侧电源网络的相间短路保护主要采用三段式电 流保护，即第一段为无时限电流速断保护，第二段为限时 电流速断保护，第三段为定时限过电流保护。其中第一段 、第二段共同构成线路的主保护，第三段作为后备保护 电流互感器和电流继电器是实现电流保护的基本元件。
一、保护用电流互感器 将电力系统的一次电流按一定的变比变换成二次较小电流 ，供给测量表计和继电器，同时还可以使二次设备与一次高压 隔离，保证工作人员的安全。 （一）电流互感器
2.1.2 单侧电源网络相间短路时电流值特征
保护装臵的起动值：对因电流升高而动作的电流保护来讲，
使保护装臵能起动的最小电流值称保护装臵的起动电流。通常 指一次侧电流。
保护装臵的整定：根据继电保护要求，确定保护装臵的起动
值、灵敏性、动作时限。
最大运行方式：指系统投入运行的电源容量最大，系统的等
一次侧同名端流进 二次侧同名端流出
等值电路 Z1a
I1
I
Z 2a
I2
极性端
I1
L1
I1
K1
Z
Z loa
I2
Z loa
由等值电路可见： 由电磁平衡原理： 所以
I2
L2
I1 I I 2 IW I W
1 1 2 2
I1 I2
阶段式电流保护
包括无时限电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护
三种。 都是反应于电流增大而动作的保护，它们之间的区别主要在
于按照不同的原则来整定动作电流。 为保证迅速、可靠而有选择性地切除故障，可将这三种电流 保护，根据需要组合在一起构成一整套保护，称为阶段式电流 保护。广泛应用在35kV及以下电力线路。 优点：简单、可靠，在一般情况下也能满足快速切除故障的 要求。 缺点：受电网的接线及运行方式的影响。
2011继电保护 第2章 电网的电流保护双侧电源
（２）外汲电流的影响 限时电流速断保护整定时 分支电路的影响 考虑分支系数
I
set
K rel I set .下一级 K b
３.过电流保护装设方向元件的一般方法 反方向保护的延时小于本线路保护的动作延时，本保护可不用方向元件
0 60 Ｃ相继电器能够动作的条件 分析结论:三相短路和任意两相短路，当 0 90 K 使故障相方向继电器动作的条件为 30 60 ９０°接线方式的优点 缺点 （１）两相短路没有死区
（２）选择继电器的内角在30°和 60° 之间，各种相间短路都能保证动作的方向性 在保护安装地点附近正方向发生三相短路时，方 向保护存在动作的死区
0 90 K
的情况下均能动作，应选择
0 90
在三相对称的情况下，当功率因数为１时，加入继电 器的电流和电压相位相差90°（这只是加入继电器的 电压和电流的一种组合，并无实际意义）
之间才能满足要求
同一相的电流元件与功率元件必须串联，然后再 与其它相并联，一起起动其它元件
2.正方向发生两相短路 （１）短路点位于保护安装地点附近 为使故障相方向继电器在任何 0 90 K 的情况下均能动作，应选择 之间才能满足要求 0 90 （２）短路点远离保护安装地点 120 Ｂ相继电器能够动作的条件 30 Ｃ相继电器能够动作的条件 30 60 正方向发生两相短路 Ｂ相继电器能够动作的条件 30 90
五、方向性电流保护的应用特点 １.电流速断保护可以取消方向元件的情况 速断保护的整定值躲过反方向短路时流过保护的最大短路电流， 保护可以不用方向元件
２.限时电流速断保护整定时分支电路的影响 （１）助增电流的影响 分支系数 故障线路流过的短路电 流 K b 前一级保护所在线路上 流过的短路电流
电力系统继电保护第二节 电网相间短路的方向性电流保护
第二节 双侧电源网络相间短路的 方向性电流保护
都
洪
基
双侧电源网络相间短路时的功率方向
1. 问题的提出
三段式电流保护是以单侧电源网络为基础进 行分析的，各保护都安装在被保护线路靠近 电源的一侧，或者说线路的始端。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，以动作电流的大小和动作 时限的长短配合来保证有选择的切除故障。
k 2
~
Ik 2
180o k 2
故利用判别短路功率方向或电流、电压
之间的相位关系便可判别发生故障的方向.
4. 要求
继电保护中对方向元件（继电器）的基本要求: 1) 应具有明确的方向性 即正前方发生各种故障时，能可靠动作, 而在反方向故障时，可靠不动作。 2) 故障时继电器的动作有足够的灵敏度。
UA
60o
电流超前电压 I k1A
在这种情况下继电器 的最大灵敏角设计为：
sen k 90 30
0
0
30o
UBC
UC 正方向短路时，能灵敏动作。
I k 2 A 150o
电流滞后电压
UB
习惯上采用 90o k 方向继电器的内角。
， 称为功率
e j 动作方程为: arg U J 90o IJ
8
~
当k1点短路时,按照选择性的要求,应由保护2和保护 EⅡ 供给的短路电流 I k1 也将通 6动作切除故障.但由于 I k1 大于保护装置1 过保护1.若保护1采用电流速断且 的起动电流 I set 1 ,则保护1的电流速断就要误动(母线 上可能挂有其它分支线路)。造成C变电所全部停电。
同样的分析其它短路点时，对有关的保护装置也能 得出相应的结论。
第二章电流保护和方向性电流保护
曲线 max ：系统最大运行方式下发生三相 短路情况。 曲线min：系统最小运行方式下发生两相 短路情况。
（线路上某点两相短路电流
为该点三相短路电流的 倍）
3 2
(2) 动作电流整定
原则：按躲开下条线路出口（始端）短路时流过本保护的 最大短路电流整定（以保证选择性）： IIdz.1 > I(3)d.B.max 取：IIdz.1= KБайду номын сангаасI· I(3)d.B.max IIdz.2 > I(3)d.c.max IIdz.2= KkI· I(3)d.C.max
可靠系数： KkII = 1.1～1.2
（Id中非周期分量已
衰减，故比K I稍小）
2、动作时限的配合 为保证本线路电流II段与
下条线路电流I段的保护范围
重叠区内短路时的动作选择 性，动作时限按下式配合： tII1=tI2+t≈t （t: 0.35s～0.6s,一般取0.5s） 3、保护装置灵敏性的校验 对于过量保护,灵敏系数：
（可靠系数：KkI = 1.2～1.3）
(3) 灵敏性校验
该保护不能保护本线路全长， 故用保护范围来衡量： max：最大保护范围. min：最小保护范围.
Exx / 3 Exx / 3 3 I 由： Kk 2 Z s.max z1lmin Z s.min z1L
3 Z s.min z1L 可求得：lmin ( Z s.max ) / z1 I 2 Kk
为保证动作选择性，动作
时限按“阶梯原则”整定:
tIII1=Max{tIII2,tIII3,tIII4}+t
对定时限过流保护，当故障越靠近电源端时，此时短路电
流Id越大,但过流保护的动作时限反而越长 ——— 缺点 ∴ 定时限过流保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以 作为主保护。
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4. 定时限过电流保护的构成
2.1.6 阶段式电流保护的配合及应用
2.1.7 电流保护的接线方式
接线方式：电流互感器二次侧和继电器之间的联接方式
A B
C
6.三段式电流保护的接线图举例
三段式电流保护的原理接线图
三段式电流保护的展开图
2.2 双侧电源电网相间短路的方向性电流保护
若以P代表继电器动作的逻辑状态，通常 继电器动作：P=1 （逻辑“1”） 继电器返回：P=0 （逻辑“0” ）
DL型电流继电器结构图
返回 电流 动作 电流
Kre=0.8-0.9
2.1.2 单侧电源网络相间短路时的电流特征
目前，我国电力系统主要的电压等级：1000kV, 750kV, 500kV, 330kV, 220kV, 110kV, 66kV, 35kV, 10kV, 6kV, 380/220V。
继电器延时60-80ms， ➢ 中间继电器的延时,一方面延时动作可以躲过线路
中避雷器的放电时间40-60ms，另一方面扩大触 点容量和数量。可见，速断保护并不是瞬间完成 的，也有一定的延时。
4.电流速断保护的特点
❖ 简单可靠，动作迅速，因而获得广泛应用
❖ 不能保护线路的全长
❖ 保护范围直接受系统运行方式变化的影响 : 系统运行方式变化很大时，速断保护可能没有保护 范围 被保护线路的长度很短时，速断保护可能没有保护 范围 当采用线路变压器组时也有可能保护线路全长（见 例1）
2.1 单侧电源电网相间短路的电流保护 2.2 多侧电源电网相间短路的方向性电流保护 2.3 中性点直接接地电网单相接地故障的零序
电流及方向保护 2.4 小电流接地系统单相接地故障的零序电流、
电压及方向保护(自学）
2.1 单侧电源电网相间短路的电流保护
2.1.1 继电器
继电器是实现继电保护的基本元件，一套 复杂的继电保护装置是由各种继电器组成的。
2.1.4 电流定时限速断保护(II段)
❖ 切除本线路速断范围以外的故障，保护本线路 的全长
❖ 作为速断的后备
动作原理
❖ 保护范围延伸到下பைடு நூலகம்条线路 ❖ 为保证选择性，必须使保护的动作带有一定的
时限 ❖ 为了使动作时限尽量缩短，考虑使它的保护范
围不超出下一条线路速断保护的范围 ❖ 其动作时限比下一条线路的速断高出一个时间
2.2.1 双侧电源网络相间短路的功率方向 1. 问题的提出
IK1A
I K1B
IK2A
IK2B
两种情况矛盾！
2.解决办法分析
S+
S+
S-
S+
S-
S+
误动
S+
误动 S-
S+
S+
S-
S+
3 采取的措施
2.2.2方向性电流保护的基本原理
分解为二个单电源网络
方向性电流保护的单相原理接线图
2.2.3 功率方向判断元件
工作原理
❖ 起动电流大于（躲开）最大负荷电流 ❖ 起动电流大于（躲开）最大负荷自起动电流,
外部故障能可靠返回 ❖ 保护定值不能保证选择性 ❖ 为保证选择性，必须使保护的动作带有一定
的时限 ❖ 与相邻线路动作时限配合：阶梯时限特性
1.动作电流的整定
动作电流: ①躲过最大负荷电流 ②在外部故障切除后，电动机自启动时，应可靠返回。
承担输电任务
U
N
电网
110kV电网：中 多性 电点 源直 环接 网接地运行方式 主保护由纵联保护承担 能够快速切除线路上任一点故障
主要承担供、配电任务
U N
110kV电网正 采常 用时 双单 电侧 源电 互源 为供 备电 用方式
中性点非直接接地（为什么？）
主保护采用阶段式特性的电流保护承担
阶段
1
2
3
set.1
11
2
3
tt2I2I1I1I
tt112tt 2
△△tt通通常常取取00..55SS
sen
set
,可与下一级线路的II段配合
配合
4. 限时电流速断保护的构成
2.1.5 定时限过电流保护（III段 ）
❖ 保护本线路及相邻下条线路的全长 ❖ 本线路I、II段保护的近后备（装置故障） ❖ 相邻线路的保护的远后备（装置故障及开关失灵）
1.功率方向元件的工作原理和要求
对功率方向元件的基本要求： 1）有明确的方向性 2）有足够的灵敏度
2.功率方向元件的动作特性
怎么才能让正向故障时方向元件获得最大灵敏性呢？
根据 P UI cosr 采用移相，使 cos(r sen ) 1 考虑相应动作范围，则有
Ur Ir cos(r sem ) 0
用功率形式表示 Ur Ir cos(r ) 0
A相功率形式表示 UBC IA cos(r ) 0
K
3.功率方向判别元件的构成框图
潜动
2.2.4 相间短路功率方向判别元件的接线方式
.
e .
90 arg U r
jsen
90
.
I r.
90 sen
arg
U
.
r
90
sen
Ir
灵敏度角 sen r
可在实际使用中，又有一个问题：按上式，故障 发生在保护出口处时，因电压为0，出现死区！
解决思路：把故障相的电压改成另外两相的电压，如A相 元件采用BC相电压。
.
.
U U arg r arg BC
rA
.
.
Ir
IA
rA k 90o 30o
此时的最大灵敏角变为(线路阻抗角为60度） sen k 90o 30o
动作方程为表示
.
e .
90 arg Ur
j (90K )
.
90
Ir
令 90 K 称为功率方向元件的内角 sen r
.
90 arg U r 90 . Ir
大
两种运行方式下的短路电流分布
继电保护整定计算的三步曲：
❖ 1 动作值的整定 ❖ 2 动作时限的整定 ❖ 3 灵敏度校验
2.1.3 电流速断保护(I段)
反应于电流增大而瞬时动作的电流保护 称为电流速断保护，也称为电流I段
A
B
C
可靠系数
A
B
C
2. 最小保护范围校验
对保护A要求: (1)图解法
lm in lAB
100
%
(15
~
20%)
lAB
直接利用最大/最小短路电流曲线进行校验（见
上图）
(2)解法析
令
I I set.1
(2)
k min.b
解得
3
Es
2 Zs.max Z1 lmin
lmin
1 (
Z1
3 Es 2 I set.1
Zs.max)
动作时间
➢ 保护本身没有设定人为的延时，即t1=0s ➢ 电流继电器延时一般小于10ms；保护出口中间