输电线路方向电流保护设计
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
输电线路的电流保护
1.简单网络
从接地点流回的电流ID为 ：
.
...
.
.
ID(IAIBIC)IBIC
电流速断保护是依靠动作电流定值取得选择性，动作速 度快，但不能保护线路全长，灵敏性差，即牺牲了灵敏性， 换取了快速性。
4.电流速断保护的接线图 单相原理接线图
正常状态： 一次设备通过的电流为负载电流
流过KA的电流小于动作值 KA不动作，其触点不闭合 不发断路器跳闸脉冲 。
4.电流速断保护的接线图 单相原理接线图 短路故障时：
3.灵敏度校验 零序Ⅱ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，并满足Ksen≥1.3~1.5,即
Ksen 3II0O'.'mPin1.5
式中I0。min—本线路末端接地短路时的最小零序电流。
如果灵敏度不满足要求，则增加一段零序，并与相邻线 路零序Ⅱ段配合
七、定时限零序过电流保护（零序Ⅲ段）
1.起动电流 (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Iunb.max,即
I K I ''' OP
''' rel un.bmax
（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。
2. 灵敏度校验 作为本条线路近后备保护时，按本线路末端发生接地故
送电线路，还广泛采用 零序电流互感器接线以 获得3I0 ，如右图所示 它和零序电流过滤器相 比，主要是没有不平衡 电流，同时接线也更简 单。
四、零序电压互感器
零序电压的取得，通常采用三个单相电压互感器或
三相五柱式电压互感器。
发生接地故障时，从 mn 端子上得到的零序电压为：
4输电线路继电保护
P UICOS
(2) 接线方式
① 零度接线
对A相的功率方向继电器，加入电压UK ( U A)和电
流 IK ( IA)，则当正方向短路时
KA
arg
U A Ik1A
k1
反方向短路时，KA
arg
k
U A Ik2A
180 k2
Krel Kss K re
I lm ax
(4-12)
式中 Krel ——可靠系数，一般采用1.15~1.25；
K—ss 自起动系数，数值大于1； K—re —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
k2
k1
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
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 起动
所示。
Z
Z
t
≥1
&
出口
跳闸
Z
t
图4-21 三段式距离保护的组成元件和逻辑框图
4.3 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。
set
情况，此时为负值，如图4-13所示。
set k set
k
k set
set k
set k
k set
k set
set
k
k set
图4-11测量阻抗在圆内 图4-12 测量阻抗在圆外 图4-13 ZK超前于Zset的向量关系
图9-20 距离保护的作用原理 (a) 网络接线ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ(b) 时限特性
电力系统继电保护 中国电力出版社方向保护(2-2)
为此，如果我们设计一个方法能够区分“正方向”
和“反方向”(差异)，那么，问题就迎刃而解了。
4/48
M 1
N
2
3
P 4
IK
K1
区分方向的问题，必须采用至少 2 个电气量的相
量比较。
经过研究、分析，采用：以保护安装处的电压作
算出口短路？何处算正方向短路？何处算反方向
（或区外）短路？
44/48
图2.29供了解，那是晶体管、集成电路的实现 框图。
提前说明：在后续介绍的距离保护（阻抗保护） 中，既可以实现短路范围的判别（现在已学习的 是：电流判别），还可以识别短路的方向（现在 已学习的是：方向元件），另外，距离保护受系 统运行方式的影响要小很多。
9、2段、3段的整定原则？灵敏度校验的公式 10、延时的选择 11、近后备？远后备？ 12、TA接线方式 13、方向元件为什么能够判别短路方向？ 14、方向元件的接线方式 15、最大灵敏角 16、方向元件的动作特性（动作区域） 17、配置方向元件的原则 18、何谓方向元件的死区？
29/48
为此，方向元件的配置应该按照 “少而精” 的原则。 1）电流整定值能保证选择性时，不加方向元
件； 2）在线路一端加方向元件后满足选择性要求
时，不必在线路两端都加方向元件。
30/48
具体选择的方法： （1）对于电流速断（1段、2段）
如果反方向的最大短路电流小于本保护的定值， 可以不加方向元件(不会误动)。 （2）对于过电流保护（3段）
取何
m
值
，
后面再说明
。
U'm Im.3 U'm－Im.3 类似于判别：
输电线路相间短路电流保护课件
电流保护的可靠性也受到电流互感器误差、二次回路断线等因素的影响 ，可能导致保护装置误动作或拒动作。
Part
03
输电线路相间短路电流保护装 置
电流保护装置的构成
STEP 01
电流互感器
STEP 02
继电器
用装置提供信号。
动作执行
在发生相间短路时，继电 器触发断路器执行跳闸操 作，切除故障线路。
电流保护装置的配置与整定
配置
根据输电线路的电压等级、输送 容量、线路长度等因素，选择合 适的电流保护装置并进行配置。
整定
根据输电线路的实际运行情况，对 电流保护装置的整定值进行设定， 以确保保护装置能够准确判断故障 并快速切除故障线路。
案例概述
某企业为保障输电线路安全，配 置相间短路电流保护装置。
配置方案
采用差动保护原理，通过比较线 路两侧电流的相位和幅值，检测 到相间短路时迅速切断故障线路
。
实施效果
有效降低了相间短路事故的发生 率，提高了企业供电的可靠性和
稳定性。
某高校输电线路相间短路电流保护优化案例
案例概述
某高校对原有的输电线路相间短路电流保护进行优化改造。
设备损坏
相间短路可能导致输电线 路和相关设备的严重损坏 ，增加维修成本。
安全风险
相间短路可能导致火灾、 爆炸等安全事故，对人员 和财产安全造成威胁。
Part
02
相间短路电流保护原理
电流保护基本原理
电流保护是利用电流继电器实现电流保护的装置，当电流超过设定值时，继电器动 作，执行元件跳闸或发出信号。
STEP 03
3.2 输电线路相间短路的方向电流保护详解
➢ 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。 ➢ 在常规保护中，方向元件有电磁型、感应型、整流型、晶 体管型、集成电路型等，常用的是整流型和晶体管型。
➢ 母线电压参考方向为“母线指向大地”，电流参考方向为 “母线指向线路”。
其之输间出的（相转位UC矩差或的电大压小24）而00 值改随变两。U者当B
输出为最大时的相位差称为最大
灵敏角。
arg
U K IK
Network Optimization Expert Team
k23
U
1
EI
Ik 2
k1处短路（对保护1为正方向）
U Ik1 Z1lk1
U
Ik1
k1
0 k1 90
第三章 电网的相间电流、电压保护 和方向性相间电流、电压保护
一、单侧电源网络的相间电流、电压保护 二、电网相间短路的方向性电流、电压保护
2021/4/6
1
问题的提出
2
1
A
B
C
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地切除故障。
动作范围： senmax 900 ∵ 过渡电阻、线路阻抗角会变化， k最大0灵~敏90线
+j ∴ 功率方向继电器在正方向故障时，动作的角度应该是一个
范围。
动作区 .
考虑实现的方便性，这个角度通常U 取为：
方向过电流保护
K1
当K1点短路,按选择性，保护1、2动作，断 开QF1和QF2，接在A、B、C、D母线上的用 户，仍然由A侧电源和D侧电源分别供电， 提高了对用户供电可靠性。
３).阶段式电流保护用于双侧电源的网络 中，不能完全满足选择性要求。
对电流速断保护：
d1处短路，若
I d1
>
II op3
，则保护3误动．
d2处短路，若
当方向元件和电流测量元件均动作时才启 动逻辑元件。这样双侧电源系统保护系统变 成针对两个单侧电源的子系统。
二、方向过电流保护工作原理
在原有保护上增设一个功率方向判别元件, 反向故障时，闭锁保护。
K1
规定：短路功率的方向从母线指向线路 为正方向。
增设功率方向判别元件后,短路功率方向从母线指
向线路时，保护才会有选择性动作。
= k 2
+ 180
I k2
0 90
180 270
Pk1 = Ures Ik1 cosk1 ＞0
Pk2 = -UresIk2 cosk1 ＜ 0
2.功率方向继电器动作条件：
Pk ＞0 动作；
Pk＜0时不动作。
利用判别短路功率方向或电流、电压之间的 相位关系，就可以判别发生故障的方向。
Id2
>
II op2
则保护2误动
对于过电流保护而言，利用动作时间 是无法满足要求的。
K1
K2
当在K1点短路时，按选择性要求 t3 ＞ t2
当K2点短路时，要求 t2 ＞ t3 。 显然，这两个要求是相互矛盾。
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。
解决办法： 在可能误动的保护上加装方向元件 ——功率方向继电器。
继电保护原理 第四章 第一、二节 线路电流保护
电流速断保护方向元件的装设原则
例如：
同一线路两侧，定值小者加方向元件，定值大者可不 加方向元件。
EI
k2
M 1 2
N
k1 E II
I I I set1 I set2
保护1可不加KW
(二)限时电流速断保护的整定计算
仍然是与下一级保护的第一段配合，但需考 虑保护安装点与短路点之间有分支电路的影响。 k C B A I AB I
o
Ik2
（2）功率方向继电器的动作方程 比相式动作方程：
e jα Ur 90 arg 90 Ir
Ur 90 arg 90 Ir
KU r I r cos( r ) 0
①四个角度： r： 加入功率方向继电器的电压和电流之夹角
I k1B
k1点短路时,若
I I I k1 A I set2
保护2误动；
EA
A
1
k2
B
2 3
k1
C
4 5 6
D EB
I k2 A
对电流速断保护: k2点短路时,若
I k2 B
I I I k2 B I set3 保护3误动；
EA
A
1 2
B
3
k1
4
C
5 6
D
EB
I k1 A
对过电流保护:
I k1B
动作
小结: 采用90°接线方式的优缺点 优点： ① 对各种两相短路都没有死区。 ② 适当选择内角α后，对线路上各种相 间故障都能保证动作的方向性。 缺点： 三相短路时仍有死区。
三、方向性电流保护整定计算特点
(一)电流速断保护的整定计算 k2
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辽宁工业大学电力系统继电保护课程设计（论文）题目：输电线路方向电流保护设计（5）院（系）：专业班级：学号：学生姓名：指导教师：（签字）起止时间： 2012.12.31—2013.01.11课程设计（论文）任务及评语学号学生姓名专业班级课程设计（论文）题目输电线路方向电流保护设计（5）课程设计（论文）任务系统接线图如图：课程设计的内容及技术参数参见下表设计技术参数工作量,20,3/1151Ω==GXkVEφ,12,1232Ω=Ω=GGXXL1=L2=60km,L3=50km,LB-C=40km,LC-D=50km,LD-E=20km,线路阻抗0.4Ω/km,2.1=IrelK,=∏relK15.1=I∏relK,最大负荷电流IB-C.Lmax=360A,IC-D.Lmax=210A,ID-E.Lmax=110A,电动机自启动系数Kss=1.5，电流继电器返回系数Kre=0.85。
最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行；最小运行方式：G2、L2退出运行。
1.等值电抗计算、短路电流计算。
2. 整定保护4、5的电流速断保护定值，并尽可能在一端加装方向元件。
3．确定保护5、7、9限时电流速断保护的电流定值，并校验灵敏度。
4．确定保护4、5、6、7、8、9过电流保护的时间定值，并说明何处需要安装方向元件。
5．绘制方向过电流保护的原理接线图。
并分析动作过程。
6、采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析。
BAG123LLLEDCGG9 87 65 4 系统接线图续表进度计划第一天：收集资料，确定设计方案。
第二天：等值电抗计算、短路电流计算。
第三天：整定保护4、5的电流速断保护定值，并尽可能在一端加装方向元件。
第四天：确定保护5、7、9限时电流速断保护的电流定值，并校验灵敏度。
第五天：确定保护4、5、6、7、8、9过电流保护的时间定值，说明何处需安装方向元件。
第六天：绘制保护原理图。
第七、八天：MATLAB建模仿真分析。
第九天：撰写说明书。
第十天：课设总结，迎接答辩。
指导教师评语及成绩平时：论文质量：答辩：总成绩：指导教师签字：年月日注：成绩：平时20% 论文质量60% 答辩20% 以百分制计算摘要电力系统的输、配线路因各种原因可能会发生相间或相地短路故障,因此,必须有相应的保护装置来反映这些故障，方向保护是利用电压和电流的乘积判明电流流向（相位）的继电保护。
以判明短路故障位于保护装置处的正向或反向。
本设计题目为输电线路方向电流保护设计，经过保护4、5的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定、保护5、7、9方向电流Ⅱ段的整定计算和方向电流Ⅲ段动作时间整定计算，绘制方向电流保护原理图，并对动作过程进行分析。
利用MATLAB软件建立系统仿真模型，根据给定参数对电气元件设定，对仿真结果分析，符合设计要求。
关键词：电力系统；电流保护；方向保护；方向元件目录第1章绪论 (4)1.1 输电线路电流保护概述 (4)1.2 本文主要内容 (4)第2章输电线路方向电流保护整定计算 (6)2.1 方向电流Ι段整定计算 (6)2.1.1 保护4、5的Ι段动作电流的整定 (6)2.1.2 灵敏度校验 (6)2.1.3 动作时间的整定 (7)2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算 (7)2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装 (8)第3章方向电流保护原理图的绘制与动作过程分析 (10)3.1 保护原理图 (10)3.2 动作过程分析 (10)第4章 MATLAB建模仿真分析 (11)第5章课程设计总结 (13)参考文献 (14)第1章绪论1.1输电线路电流保护概述电力系统的输、配线路因各种原因可能会发生相间或相地短路故障,因此,必须有相应的保护装置来反映这些故障,并控制故障线路的断路器,使其跳闸以切除故障.对各种不同电压等级的线路应该装设不同的相间短路和接地短路的保护。
对于3KV及以上的电力设备和线路的短路故障，应有主保护和后备保护，对于电压等级在220KV及以上的线路，应考虑或者必须装设双重化的主保护，对于整个线路的故障，应无延时控制其短路器跳闸。
线路的相间短路、接地短路保护有：电流电压保护，方向电流电压保护，接地零序流电压保护，距离保护和纵联保护等。
电力系统中线路的电流电压保护包括：带方向判别和不带方向判别的相间短路电流电压保护，带方向判别和不带方向判别的接地短路电流电压保护。
他们分别是用于双电源网络、单电源环形网络及单电源辐射网络的线路上切除相间或接地短路故障。
1.2本文主要内容通过对保护段的Ι段动作电流的整定、灵敏度的校验、动作时间的整定、方向电流Ⅱ段的整定计算和方向电流Ⅲ段动作时间整定计算，绘制方向电流保护原理图，并对动作过程进行分析。
在对电流保护段来说，因为反方向短路时功率方向测量元件不动作，其整定值就只需躲过正方向线路末端短路电流最大值，而不必躲过反方向短路的最大短路电流，因而提高了灵敏度。
这种增加了功率方向测量元件的电流保护即为方向电流保护。
在双电源网络或其他复杂网络中，可以采用带方向的三段式电流保护，以满足保护的各种性能要求。
方向电流保护用于双电源网络和单电源环形网络时，在构成、整定、相互配合等问题上还有以下特点：在保护构成中增加功率方向测量原件，并与电流测量元件共同判别是否在保护线路的正方向上发生故障。
方向电流保护第Ⅰ段，即无时限方向电流速度保护的动作电流整定可以不必躲过反方向外部最大短路电流；第段电流保护动作电流还应考虑躲过反向不对称短路时，流过非故障相的电流，这样可防止在反方向发生不对称故障时非故障线功率方向测量元件误动作而造成的保护误动作；在环网和双电源网中，功率方向可能相同的电流保护第段的动作电流之间和动作时间之间应相互配合，以保证保护的选择性。
本次设计包含了运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。
第2章 输电线路方向电流保护整定计算2.1 方向电流Ι段整定计算2.1.1 保护4、5的Ι段动作电流的整定根据任务书中的系统接线图计算各段线路的阻抗。
1L X =2L X =60*0.4=24Ω 3L X =50*0.4=20Ω BC X =40*0.4=16Ω CD X =50*0.4=20Ω DE X =20*0.4=8Ω由电流速断保护的动作电流应躲过本线末端的最大短路电流，可计算： 保护4X )X (X ∥ )(L3L2G211)3(max +++=L G KA X X E I ϕ= =+++2024)(12∥ )2420(3115 1.668kA)3(max 4KA I rel I OP I K I ⨯==1.2⨯1.668=2.002kA保护5kA X E I G KB 075.220123115 X L33)3(max =+=+=ϕkA I K I KB I rel I OP 49.2075.22.1)3(max 5=⨯=⨯= 因为 )3(max 4KB I OP I I <，所以在4QF 加方向元件。
2.1.2 灵敏度校验I sen K 校验，应按电流、电压元件中保护范围小的元件确定，整定值满足可靠系数的要求。
314min 134min 4l x l x l l K I sen ==保护4的灵敏度校验：－＝IOPmin 142I 3S E l x m ax s X =002.223/1153⨯⨯-20=8.72Ω31l x ==+=3214//L L L OP X X X X 24//24+20=32ΩI sen K =4min 1OP X l x =3272.8⨯100%=27.25%>15% 满足灵敏度要求，所以合格。
保护5的灵敏度校验：315min 135min 5l x l x l l K Isen ==＝－＝max min 1523x OP SX I E l x 3115316⨯=7.09Ω 31l x =＝＝35L OP X X 20ΩIsen K =315min 1l x l x =2009.7⨯100%=35.45%>15% 满足灵敏度要求，所以合格。
2.1.3 动作时间的整定因为无时限电流速断保护不必外加延时元件即可保证保护的选择性，所以电流保护第I 段的动作时间为0，即t I 4op =t I 5op =0。
2.2 保护5、7、9方向电流Ⅱ段整定计算无时限电流速断保护在任何情况下只能切除本线路上的故障，外部短路故障应依靠另外一种电流保护,即带时限的电流速断保护对于此种保护的动作电流整定为。
保护5Ⅱ段与保护3配合I I 5op I =b OP rel K K /I I I ３Ｉ ＝Ｉ３I OP IB-C.Lmax=360A b K :分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流。
b K =1+AB BI I =1+3311L G SL G S X X E X X E ++=1.42b OP rel K I K I I I I I ３＝5OP I =36015.1⨯/1.42=291.54A＝＋＝33)2(KB 23I L G S X X E ⨯2012311523＋⨯kA=1796.875A I IsenK=I I 5)2(OP KBI I =54.29175.81796=6.16>1.4 所以满足灵敏度要求。
与相邻保护3Ⅱ段配合b K =1+AB B I I =1+3311L G SL G S X X E X X E ++=1.42I I I I 5OP 2)KB I I（＝senK =I 2OP I IC-D.Lmax=210A 分支系数=流过故障线电流/流过保护线电流，且两电流相等。
所以：4b K =1I I 3OP I =II I 2OP rel I K /4b K =1/21015.1⨯=264.5A I I 5OP I =I I I 3OP rel I K /b K =42.1/5.26415.1⨯=214.21A I II I5OP 2)KB I I （＝senK =21.21475.81796=8.38>1.4此结果满足灵敏度要求。
＝I I5OP t t t 3∆+I I OP =t t t 2∆+∆+I OP =1s 保护7,9与保护5相同。
2.3方向电流Ⅲ段动作时间整定计算及方向元件的安装为保证选择性，则必须加延时元件，且应按照阶梯形原则整定，即两相邻线路的电流Ⅲ动作时间相差一个△t 。
上一线路与动作时间长的下一段线路相配合；末级不装延时元件；越靠近电源，延时越长。
0t 1=I I I s （线路末端），t t t 12∆+=I I II I I ，t 2t t t 23∆=∆+=I I I I I I 5793t t t t 1.5s t III III III III ===+∆=，0s t t t 864===I I II I I I I I （无下一级，相当于末级）若BC K :Ⅲ5op t >Ⅲ4op t ，AB K :Ⅲ5op t <Ⅲ4op t 矛盾，则Ⅲ需加方向元件。