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第一章 緒論
1.1 電力系統繼電保護的作用 1.繼電保護的含義 2.電力系統的故障和不正常運作狀态：（三相交流系統） 1.2 繼電保護的基本原理、構成與分類 1.2.1 基本原理 1.2.2 保護裝置的構成 1.2.3 繼電保護的分類 1.3 對電力系統繼電保護的基本要求 1.3.1 選擇性 1.3.2 速動性 1.3.3 靈敏性 1.3.4 可靠性 1.4 繼電保護的發展 第二章 電網的電流保護和方向性電流保護 2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護 2.1.1 反應單一電氣量的繼電器 一、電磁型電流繼電器 2.1.2 電流速斷保護 一、同個基本概念 二、電流速斷保護原理及整定計算 2.1.3 限時電流速斷保護 一、保護的原理及基本工作原理 二、整定計算的基本原則 2.1.4 定時限過電流保護 一、工作原理和整定計算的基本原則 二、小結 三、階段式電流保護的整定計算原則 四、例題 2.1.7 電流保護的接線方式 1、含義 2、常用的兩種接線方式 3、兩種接線方式的性能比較 4、兩種接線方式的應用 2.1.8 階段式電流保護的應用與評價 一、評價 二、應用範圍 2.2 電網相間短路的方向性電流保護 2.2.1 方向性電流保護的工作原理 一、問題的提出 二、幾個概念 三、原因分析 四、解決方法 2.2.2 功率方向繼電器的工作原理 一、功率方向繼電器的工作原理 三、功率方向繼電器的動作特性 2.2.4 相間短路功率方向繼電器的接線方式 一、功率方向繼電器的接線方式 二、相間短路情況下90°接線功率方向繼電器動作行為分析 2.2.5 雙側電源網絡中電流保護整定的特點 一、電流速斷保護 二、限時電流速斷保護 三、定時限過電流保護 2.2.6 對方向性電流保護的評價 2.3 中性點直接接地電網中接地短路的零序電流及方向保護 2.3.1 零序電壓濾過器 2.3.2 零序電流濾過器 2.3.3 零序電流速斷保護（零序一段） 2.3.4 零序電流限時速斷保護（零序二段） 2.3.5 零序電流限時速斷保護（零序三段） 2.3.6 方向性零序電流保護 一、方向性零序電流保護工作原理 二、零序功率方向繼電器的接線方式 三、三段式方向性零序電流保護的原理接線 2.3.7 對零序電流保護的評價 2.4 中性點非直接接地電網中單相接地故障的零序電壓、電流及方向保護 2.4.1 中性點不接地系統的單相接地的特點 1、單電源單線路系統的單相接地 2、單電源多線路系統的單相接地 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第一章 緒論 1.1 電力系統繼電保護的作用 1.繼電保護的含義 它包括繼電保護技術和繼電保護裝置 繼電保護技術是一個完整的體系，它主要包括電力系統故障分析、各種繼電保護原理及實作方法、繼電保護的設計、繼電保護運作及維護等技術。 繼電保護裝置是完成保護功能的核心。它能反應電力系統中電氣元件發生故障或不正常狀态，并動作于斷路器跳閘或發出信号的一種自動裝置。 -------------------------------------------------------- 2.電力系統的故障和不正常運作狀态：（三相交流系統） *故障：各種短路（三相短路d(3)、兩相短路d(2)、單相接地d(1)、兩相接地d(1-1)）和斷線（單相、兩相） 其中最常見且最危險的是各種類型的短路。 短路的危害 -1.電流I增加 與外界通過短路點的隔離，是以阻抗值明顯減小，I^2*R*t發熱量按I^2級數增加。 -2.電壓U降低或增加 電壓下降會使電動機的轉速下降，影響使用者的正常工作 -3.破壞系統穩定性，由于有短路點，使有功功率和無功功率的輸送受到限制，使事故進一步擴大（系統震蕩，電壓崩潰） -4.發生不對稱故障時，出現負序電壓、I2負序電流，産生反轉磁場切割電機轉子繞組部分，在繞組上産生差頻電流，使旋轉電機産生附加發熱；發生接地故障時會出現零序分量I0，除發熱外，由于其大小相等，方向相同，在空間中産生的磁場不會互相抵消，對相鄰通訊系統造成幹擾。 *不正常運作狀态： 電力系統中電氣元件的正常工作遭到破壞，但沒有發生故障的運作狀态，如：過負荷、過電壓、頻率降低、系統振蕩等。電能名額中電壓在正常狀态允許±5%，事故狀态允許±10%。 -------------------------------------------------------- 3.斷電保護的作用 故障時自動、迅速、有選擇性的将故障元件從電力系統中切除，使故障元件免于繼續遭到破壞，保證其它無故障裝置迅速恢複正常運作； 不正常運作狀态，根據運作維護的條件（例如有無經常值班人員）而動作于發出告警信号、減負荷或延時跳閘。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.2 繼電保護的基本原理、構成與分類 1.2.1 基本原理 原則上來說：隻要找出正常運作與故障時系統中電氣量或非電氣量的變化特征（差别），即可找出一種原理，且差别越明顯，保護性能越好。 為區分系統正常運作與故障或不正常運作狀态—必須找出兩種情況下的差別。 -I增加 故障點與電源間 -->過電流保護 -U降低 母線電壓 -->低電壓保護 -相位變化 正常：為負荷的功率因數（電壓與電流的夾角）一般為0-30度左右 短路：為輸電線路的阻抗角一般60-80度 -->方向保護 -測量阻抗（U/I）降低，模值減少 -->阻抗保護，對輸電線路又叫距離保護 -雙側電源線路外部故障I入=I出：内部故障I入≠I出 -->電流差動保護 -反映負序、零序的序分量保護等 -->序分量保護 -非電氣量：瓦斯保護、過熱保護 -------------------------------------------------------- 1.2.2 保護裝置的構成 -以過電流保護為例
一般則測量部分、邏輯部分和執行部分三個部分構成。
-測量部分：測量從被保護對象輸入的有關實體量（如電流、電壓、阻抗、功率等）并與給定的整定值進行比較，根據比較結果給出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性質的一組邏輯信号，進而判斷保護是否該動作。 -邏輯部分：根據測量部分輸出量的大小、性質、輸出的邏輯狀态、出現的順序或它們的組合，使保護裝置按一定的布爾邏輯及時序邏輯工作，最後确定是否應跳閘或發信号，并将有關指令傳給執行元件 。 邏輯回路有：與、或、非、延時動作、延時傳回、記憶等。 -執行元件：根據邏輯元件傳送給的信号，最後完成保護裝置所擔負的任務。 故障時->跳閘；不正常運作時->發告警信号；正常運作時->不動作 -------------------------------------------------------- 1.2.3 繼電保護的分類 按照保護原理分類 過電流保護，低電壓保護，高（過）電壓保護 大容量、超高壓裝置，絕緣餘度較低，功率方向保護，阻抗（距離）保護，差動保護，暫态分量保護，非電氣量保護。 ------------------------------ 按照故障類型分類 相間故障保護，接地故障保護：單相接地故障、兩相接地故障，匝間短路保護(對于有繞組的裝置)，非全相運作保護等，斷線保護。 ------------------------------ 按照保護所起的作用分類 主保護 -滿足系統穩定和裝置安全要求，能以最快速度有選擇地切除被保護裝置和線路故障的保護 後備保護[近後備、遠後備（離發電機越近，相對于主保護越遠）] -主保護或斷路器拒動時用來切除故障的保護 輔助保護 -為補充主保護和後備保護的性能或當主保護和後備保護退出運作而增設的簡單保護 ------------------------------ 按照被保護裝置分類（廠家按此生産相應産品） 線路保護，發電機變壓組保護，變壓器保護，母線保護，斷路器失靈保護，電動機保護等 ------------------------------ 按照保護裝置的硬體結構分類 電磁型保護，半導體保護，內建電路型保護，微機型保護 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.3 對電力系統繼電保護的基本要求 對于反映電力系統故障而作用于斷路器的跳閘的繼電保護，電力系統對其的基本要求為具有選擇性、速動性、靈敏性和可靠性（四性）。 1.3.1 選擇性 指繼電保護動作時，僅将故障元件或線路從電力系統中切除，使系統無故障部分繼續運作。 選擇性就是故障點區内就動作，區外不動作。 當主保護未動作時，由近後備或遠後備切除故障，使停電面積最小。 -------------------------------------------------------- 1.3.2 速動性 指繼電保護以允許而又可能（保證選擇性要求，同時又實作自身邏輯判斷）的最快速度動作于斷路器的跳閘。 快速切除故障的好處：1提供系統穩定性；2減少使用者在低電壓的動作時間（電動機的電磁轉距和其電壓的平方呈正比例關系，電壓下降，轉速下降甚至停轉）；3減少故障元件的損壞程式，避免故障進一步擴大，I^2*R*T，T越小，産生的熱量越小。 -一般的快速保護動作時間為0.06-0.12S，最快可達0.01-0.04S -一般的斷路器動作時間為0.06-0.15S，最快可達0.02-0.06S -切除故障的最快時間為：0.03-0.1S -------------------------------------------------------- 1.3.3 靈敏性 繼電保護對設計規定的保護範圍内發生故障及異常運作狀态的反應能力。 －靈敏性一般指在最不利（最接近正常的情況）的條件下，保護裝置對故障的反應能力 －對反應于數值上升而動作的過量保護（如電流保護） K1m=Idmin/Idt>1 －對反應于數值下降而動作的欠量保護（如低電壓保護） K1m=Udt/Udmax>1 -------------------------------------------------------- 1.3.4 可靠性 不拒動、不誤動 影響可靠性有内在和外在的因素： －内在：裝置本身的品質，包括元件好壞、結構設計的合理性、制造技術水準、内外接線簡明，觸點多少等； －外在：運作維護水準、安裝調試是否正确 -------------------------------------------------------- 以選擇性為出發點，滿足選擇性的前提下，盡量縮短時間，以靈敏性檢驗保護的優劣，而可靠性是基本也是最重要的要求了。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 1.4 繼電保護的發展
對于微機型，其硬體是物質平台，固件是技術。繼電保護及自動裝置技術未來趨勢是向計算機化，網絡化，一體化發展。 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 第二章 電網的電流保護和方向性電流保護 2.1 單側電源網絡相間短路的電流保護 輸電線路發生相間短路時，電流會突然增大，故障相間的電壓會降低。利用電流會這一特征，就可以構成電流保護。 電流保護主要包括： -無時限電流速斷保護 電流段 -限時電流速斷保護 電流段 -定時限過電流保護 電流段 2.1.1 反應單一電氣量的繼電器 一、電磁型電流繼電器 實作電流保護的基本元件，反應于一個電氣量而動作的簡單繼電器的典型。參數有：動作電流、傳回電流、傳回系數、繼電特性。 電磁型繼電器動作分析
傳回系數：
傳回電流Ire與啟動電流Iop的比值。
動作電流：使繼電器動作的最小電流值； 傳回電流：使繼電器傳回原位的最大值； 輔助繼電器：時間繼電器KT、中間繼電器KM、電磁型信号繼電器KS。 -------------------------------------------------------- 2.1.2 電流速斷保護 僅反應電流增大而能瞬時動作切除故障的保護，稱為電流速斷保護，也稱為無時限速斷保護（也稱電流段） 一、同個基本概念 1.短路電流與故障點位置的關系 三相短路電流計算如下圖，在同一點發生故障時短路電流最大（1投入所有裝置、三相短路）與最小（2投放部分裝置、兩相短路）對應的曲線，其它情況在這兩條曲線之間；故障點離電源越遠，流過互感器的電流越小，否則越大。
-1）系統最大運作方式 -在被保護末端發生短路（同一種故障類型）時，系統等值阻抗最小（并聯裝置越多），通過保護裝置的短路電流為最大的運作方式。 -2）系統最小運作方式 -在同樣短路條件下，系統等值阻抗最大（投入的裝置較少，并聯裝置較少），通過保護裝置的電流為最小的運作方式。 -3）最大短路電流：在最大運作方式下三豐短路時通過保護裝置的電流為最大，稱之為最大短路電流 -4）最小短路電流：在最小運作方式下兩相短路時，通過保護裝置的短路電流最小，稱之為最小短路電流 ----------------------------- 2.保護裝置的整定 -1）保護裝置的起動值 -對因電流升高而動作的電流保護來講，使起動保護裝置的最小電流值稱為起動電流 -保護裝置的起動值是用電力系統的一次側參數表示的，當一次側的短路電流達到這個數值時，安裝在該處的這套保護裝置就能起動 -2）保護裝置的整定 -所謂整定就是根據對繼電保護的基本要求，确定保護裝置的起動值（一般是指電力系統一次側的參數）、靈敏性、動作時限等過程 -------------------------------------------------------- 二、電流速斷保護原理及整定計算 -1.基本原理
－以保護2為例， 當本線路末端d1點短路時，希望速斷保護2能瞬時動作切除故障 當相鄰線路(不是母線)的始端（習慣上又稱為出口處）d2點短路時，按照選擇性的要求。速斷保護2就不應該動作，因為該處的故障應由速斷保護1動作切除。但d1和d2兩處可認為是同一點。 -優先保證動作的選擇性 從保護裝置起動參數的整定上保證下一條線路出口處短路時不起動，在繼電保護技術中，這又稱為按躲過下一條線路出口處短路的條件整定。一般情況下速斷保護隻保護被保護線路的一部分。 ----------------------------- -2.整定計算 -1）動作電流 整定原則：保護裝置的起動電流應按躲過下一條線路出口處通過保護的最大短路電流（最大運作方式下的三相短路電流）來整定。
----------------------------- -3.保護的靈敏性 -用保護範圍的大小來衡量，通常用線路全長的百分數來表示 -由上圖可見，當系統為最大運作方式時，電流速斷保護範圍為最大 -當出現系統最小運作方式下的兩相短路時，電流速斷保護的保護範圍最小 -一般情況下，應按最小運作方式、兩相短路電流來校驗其保護範圍 最大保護範圍Lmax≥50% 最小保護範圍Lmin≤15%L無意義 ----------------------------- -4.特點 優點：動作迅速，簡單可靠 缺點：不能保護線路全長，單獨使用不能作為主保護，保護範圍直接受系統運作方式變化的影響 當系統運作方式變化很大，或被保護線路的長度很短時，速斷保護就可能沒有保護範圍，因而不能采用。 -------------------------------------------------------- 2.1.3 限時電流速斷保護 限時電流速斷保護（也稱為電流段）：能以較小的時限快速切除全線路範圍以内的故障的保護。 一、保護的原理及基本工作原理 1、要求 -1）在任何情況下都能保護本線路的全長，并具有足夠的靈敏性， -2）在滿足上述要求 的前提下，具有最小的動作時限 2、特點 -能保護線路全長，快速切除故障，兼作電流速斷保護的後備 3、工作原理 -保護範圍必須要延伸到下一條線路中去，當下一條線路出口處發生短路時，保護起動 -為了保證動作的選擇性，就必須使保護的動作帶有一定的時限 -為了盡量縮短時限，其保護範圍不超出下一條線路速斷保護的範圍
如上圖處發生故障，保護1和保護2都有反應，保護1的段動作于跳閘，線路上沒有電流，保護2的段不再動作，打了個時間差。 ----------------------------- 二、整定計算的基本原則 -1.動作電流 整定原則：保護裝置的起動電流應按躲過下一條線路電流速斷保護範圍末端發生短路時最大短路電流（或躲過下一條線路電流段的整定值）
可靠系數
，這裡的系數比速斷保護要小，因為有個時限，故直流分量、短路電流中的二次諧波分量已衰竭。 -2.動作時限的選擇 ----------------------------- 限時速斷的動作時限應選擇得比下一條線路電流速斷保護的動作時間高出一個時間階段
Δt的大小與斷路器跳閘時間、時間繼電器動作時間的誤差、延時傳回的慣性時間等有關，一般取0.5S。
----------------------------- -3.限時電流速斷保護動作的配合 當線路上裝設了電流速斷和限時速斷保護以後，它們的聯合工作就可保證線路範圍内的故障都能在0.5S的時間以内予以切除。 ----------------------------- -4.保護裝置靈敏性校驗 -為了能保護本線路全長，限時電流速斷保護必須在系統最小運作方式下，線路末端發生兩相短路時，具有足夠的反應能力。 -通常用靈敏來衡量Kim=Idmin/Idz -1）靈敏系數的計算 -一般采用最小運作方式下發生兩相短路時的短路電流來計算
（B點發生故障時最小電流）
-保證靈敏系數的大于1的原因 （1）可能為非金屬性短路，使短路電流減小 （2）實際的短路電流小于計算值 （3）電流互感器引起的負誤差 （4）保護裝置中的繼電器可能具有的正誤差 （5）考慮一定的裕量 -2）靈敏度不滿足要求時的調整 動作電流
，延長保護範圍，電流降低 動作時限
-------------------------------------------------------- 2.1.4 定時限過電流保護 定時限過電流保護（也稱電流段）：指其起動電流按照躲開最大負荷電流來整定的一種保護裝置。 -保護作用 作為本線路主保護的近後備以及相鄰線下一線路保護的遠後備。即保護本線路和下一條線路。 一、工作原理和整定計算的基本原則 1、工作原理 -正常不應該動作，短路時起動并以時間來保證動作的選擇性。 2、整定計算的基本原則 -1、動作電流 整定原則：按躲過本線路最大負荷電流來整定。同時保證在外部故障切除後，保護裝置能傳回。
線路2發生故障時，線路上的電壓下降，電動機轉速下降甚至停轉；斷路器2動作于跳閘，線路1上的電壓上升，電動機開始運轉，其電流大于額定電流數倍；傳回電流>最大自啟動電流，故還要乘以自啟動系數。 保護裝置的起動電流
（Kk*Kzq/Kh>1） 可靠系數
-------------- -2、動作時限的選擇
保護裝置的選擇性隻有依靠使各保護裝置帶有不同的時限來滿足。 按階梯原則整定，即t上＝t下+Δt 動作時限與流過電流大小無關。
f1點故障，斷路器1的時間最短，動作于跳閘。 -一般說來，任一過電流保護的動作時限，應選擇得比相鄰各元件保護的動作時限均高出至少一個Δt，隻有這樣才能充分保證動作的選擇性。即t上=max{ti下}+Δt
f1點發生故障，主保護拒動，斷路器4的動作時間比斷路器3的動作時間大一個t； 電動機回路發生故障，斷路器1動作于跳閘； 變壓器回路發生故障，斷路器2動作于跳閘； 取斷路器1、2、3最長的時間+Δt。 -------------- 4、保護裝置靈敏性校驗——靈敏系數的計算 -1）本線路近後備： -采用最小運作方式下本線路末端兩相短路時的短路電流來校驗，即
-2）下一條線路遠後備
-采用最小運作方式下相鄰線路末端兩相短路時的電流進行校驗，即
----------------------------- 二、小結 -段動作電流值按照躲過本線路最大短路電流整定，段動作電流值按照躲過下一條線路段保護的整定值，段保護按照躲過負荷電流來整定，是以第段的動作電流比第、段的動作電流小得多，其靈敏度比第、段更高； -在後保護之間，隻有靈敏系數和動作時限都互相配合時，才能保證選擇性； -保護範圍是本線路和相鄰下一線路全長； -電網末端第段的動作時間可以是保護中所有元件的固有動作時間之和（可瞬時動作），故可不設電流速斷保護；末端線路保護亦可簡化（+或+），越接近電源，動作時間越長，應設三段保護。 ----------------------------- 三、階段式電流保護的整定計算原則 1、電流速斷保護 以保護範圍衡量，最大保護範圍≥50%L，最小保護範圍＞15%L。 2、限時電流速斷保護 不是以保護範圍衡量，是以本線路末端能不能反應，用靈敏系數計算來衡量。 3、定時限過電流保護 以負荷電流衡量 ----------------------------- 四、例題 1、如圖所示網絡和已知條件，試對保護1進行三段式電流保護整定計算。 設Z1=0.5R/km，K'k=1.25，K"k=1.1，Kk=1.2，Kzq=1.5，Kh=0.85，t3.max=0.5S
1、保護1電流段整定計算 （1）動作電流
平均額定電壓=10KV*1.05=10.5KV，10.5是線電壓，由于保護是按相工作，同是阻抗也是對應每一相阻抗值。 （2）動作時限 0S （3）靈敏校驗 -在最大運作方式下發生三相短路時的保護範圍為
-最小運作方式下發生兩相短時的保護範圍為
-------------- 2、保護1電流段整定計算 （1）動作電流
（2）動作時限 應比相鄰線路保護2的段動作時限高一個時限差Δt
（3）靈敏系數校驗 利用最小運作方式下本線路末端（即B母線處）發生兩相金屬性短路保護的電流（兩相短路電流＝根号3/2*三相短路電流）來校驗，即
-------------- 3、保護1電流段整定計算 （1）動作電流
（2）動作時限
-------------- 4、靈敏系數校驗 1）作近後備時
2）作遠後備時
-------------------------------------------------------- 2.1.7 電流保護的接線方式 1、含義 -指保護中電流繼電器與電流互感器二次線圈之間的連接配接方式 -接線系數指流入電流繼電器的電流與電流互感器二次側電流的比值 2、常用的兩種接線方式 -分類：對相間短路的電流保護，目前廣泛使用的是 三相星形接線（也稱為完全星形接線）
兩相星形接線（也稱為不完全星形接線）
-1）三相星形接線的特點 （1）每相上均有CT(TA)和LJ(KA)，均為Y形接線 （2）LJ觸點并聯（或） （3）接線系數為1 （4）可以反應各種相間短路和中性點直接接地電網中的單相接地短路 -2）兩相星形接線的特點 （1）僅在兩相上裝設CT和LJ，構成不完全Y形接線 （2）LJ的觸點并聯（或），通常接A、C （3）接線系數為1 （4）可以反應各種相間短路 -------------------------------------------------------- 3、兩種接線方式的性能比較 1）對中性點直接接地電網和非直接接地電網中的各種短路 對各種相間短路，兩種接線方式均能正确反映 2）對于中性點直接接地電網的單相接地短路 完全星形接線可以反應各種單相接地短路 不完全星形接線不能反應全部的單相接地短路（如B相接地）是以不适用于中性點直接接地電網。 3）對中性點非直接地電網中不同線路不同相的兩點接地短路 -在小接地電流系統中，發生異地兩點接地時，一般隻要求切除一個接地點，而允許帶一個接地點繼續運作一段時間。 （1）異地兩點接地發生在互相串聯的兩條線路上： -三相星形接線：保護1和保護2之間有配合關系：100%切除後一線路 -兩相星形接線：2/3機會切除後一條線（1/3機會無選擇性動作）
（2）異地兩點接地發生在互相并聯的兩條線路上 -三相星形接線：當線路和線路的過流保護動作時間相同時，保護1和保護2同時動作，切除線路、，實際我們需要切除一條線路，另一條線路帶故障運作一段時間，100%失去選擇性 -兩相星行接線：2/3機會隻切一條線路，1/3失去選擇性 -注意：兩個電流互感器LH必須裝置同名的兩相上，否則可能出現兩套保護均不工作的情況
如果線路是重要負荷線路，線路是非重要負荷線路，為了保證選擇性可以将設定保護1的時限比保護2長，非重要負荷切除，若線路仍有接地故障，短時帶故障運作。 4）Y/Δ接線變壓器後d(2) -以Y/Δ-11接線降壓變為例d(A、B)
結論： -當在Y/Δ變壓器的後側發生兩相短路時，滞後相電流是其它兩相電流的兩倍并與它們反相位 -當在Y/Δ變壓器的Y側發生兩相短路時：超前相電流是其它兩相電流的兩倍，并與它們反相位 -三相星形接線靈敏度是兩相星形接線的兩倍 當過電流保護接于降壓變壓器的高壓加以作為低壓側線路故障的後備保護時，如果保護是采用三相星形接線，則接于B相上的繼電器則于流有較其它兩相大一倍的電流，是以靈敏系數增大一倍 -為提高電流保護對Y/Δ變壓器後兩相短路的靈敏度，采取的措施：在兩相星形接線的中線上再接入一個LJ（電流繼電器），此種接線方式稱為兩相三繼電器接線方式，以提高靈敏性。
當IA與IB發生兩相短路時，B相電流最大，但采集不到，但KA3上流過(IA+IC，IA與IC大小相等，相位一緻，也就是2IA值)電流。 -------------------------------------------------------- 4、兩種接線方式的應用 -三相星形接線：适用于發電機、變壓器的後備保護，采用電流保護作為大電流接地系統的保護（要求較高的可靠性和靈敏性） -兩相星形接線：适用于中性點不接地電網或經高阻接地電網輸電線路中使用 -------------------------------------------------------- 2.1.8 階段式電流保護的應用與評價 一、評價 -選擇性：在單側電源輻射網中，保護具有較好的選擇性（靠動作電流、動作時限），但在多電源或單電源環網中可能無法保證選擇性。 -靈敏性：受運作方式的影響大，往往滿足不了要求。——電流保護的缺點 -速斷性：第、段滿足；第段按照離電源最遠處按Δt階梯增加， 越靠近電源電流越大，動作時限越長，對裝置沖擊越大——缺點 -可靠性：線路越簡單，可靠性越高——優點 ----------------------------- 二、應用範圍 -35KV及以下的單電源輻射狀網絡中，主要是中性點不接地的單電源 -中性點接地的系統中較少使用階段式電流保護，但第段110KV以上輸電線路中作為輔助保護 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2.2 電網相間短路的方向性電流保護 2.2.1 方向性電流保護的工作原理 一、問題的提出 為提供供電的可靠性，出現了單電源環形供電網絡、雙電源或多電源網絡。但在這樣的網絡中簡單的電流保護不能滿足要求。分析如下：
對電流速斷保護：d1處短路，要求
，否則保護3誤動，d2處短路，要求
，否則保護2誤動。
對過電流保護：d1處短路，要求
；d2處短路，要求
顯然，這兩種要求是沖突的。
----------------------------- 二、幾個概念 1）短路功率：指系統短路時某點電壓與電流相乘所得到的感性功率。在不考慮串聯電容和分布電容線上路上短路時，短路功率從電源流向短路點。 2）故障方向：指故障發生在保護安裝處的哪一側，通常有正向故障和反向故障之分，它實際上是根據短路功率的流向進行區分的。 -正方向故障：從保護安裝處看出去，在“母線指向線路”方向上發生的故障 -反方向故障：從保護安裝處看出去，在“線路指向母線”方向上發生的故障
----------------------------- 三、原因分析：反方向故障時對側電源的提供的短路電流引起保護誤動。 ----------------------------- 四、解決方法： 利用方向元件與電流元件結合就構成了方向電流保護 由于元件動作具有一定的方向性，可在反向故障時把保護閉鎖 正方向故障時方向電流保護才可能動作，按正方向分組
這樣雙側電源系統保護系統變成針對兩個單側電源的的子系統
-由上可見， 保護1、3、5隻反映由左側電源提供的短路電流，它們之間應互相配合 保護2、4、6僅反映由右側電源提供的短路電流，它們之間應互相配合 ----------------------------- 五、方向過電流保護的原理接線圖
如上圖短路電流從母線流向線路，電壓U的方向為正，電流I的方向從同名端順時針流過，方向為正，P=UI>0，方向元件動作；否則P<0，方向元件不動作。 假如故障點離保護安裝點比較遠，但P>0正方向故障，仍然有電流流過方向元件使其動作，此電流不足以動作電流互感器，無法形成回路。 -------------------------------------------------------- 2.2.2 功率方向繼電器的工作原理 含義： -功率方向繼電器：用于判别短路功率方向或測得電壓電流間的夾角的繼電器，簡稱方向元件。由于正、反向故障時短路功率方向不同，它将使保護的動作具有一定的方向性。 一、功率方向繼電器的工作原理 -母線電壓參考方向為“母線指向大地”，電流參考方向為“母線指向線路”。 1.故障方向的判斷 利用判斷短路功率方向或電流、電壓之間的相位關系，就可以判别發生故障的方向。
阻抗公式：Z= R+j ( XL–XC)
理論上可以通過功率正負判斷正反向故障，但是事實上，對于輸電線路，由于電阻相對于電抗值小得多，往往忽略電阻值，阻抗角度近似90度（阻抗＝電阻+j電抗，即阻抗＝0+j電抗，j=90）。取極端情況，阻抗角度取90度，正向故障Una與Id1a的夾角為90，COS90=0，P=0；反向故障Una與Id1a的夾角為270，COS270=0，P=0。這樣根本判斷不出正反向故障。 -2.對繼電保護中方向繼電器的基本要求： （1）應隻有明确的方向性，即在正方向發生各種故障（包括故障點有過渡電阻的情況）時，能可靠動作，而在反方向故障時，可靠不動作； （2）故障時繼電器的動作足夠靈敏度。 -------------- 3.功率方向繼電器的實作——動作特性 1）最大靈敏角：在Uj（輸入給繼電器電壓值）、Ij（輸入給繼電器電流值）幅值不變時，其輸出（轉矩或電壓）值随兩者之間的相位差的大小而改變。當輸出為最大時的相位差稱最大靈敏角。取極端情況Φ角為0度，功率為正；Φ角為180度，功率為負。 2）
----------------------------- 三、功率方向繼電器的動作特性 -1、角度特性：當Ij（輸入給繼電器電流）為常數時，動作電壓Uj與Φj之間的關系曲線 -2、伏安特性：表示當Φ=Φlm固定不變時，繼電器起動電壓Uj=f(Ij)的關系曲線 -3、潛動：指在隻加入電流或隻加入電電的情況下，繼電器就能動作的現象 四、幅值比較原量和相位比較原理及其互換關系 -對于比較兩個電氣量的繼電器，可按幅值比較或相位比較原理來實作。 幅值比較原理：
相位比較原理：
-幅值比較原理與相位比較原理之間具有互換性。 注： -1
必須是同一頻率的正弦交流量 -2 相位比較原理的動作邊界為±90° -用四邊形法則來分析它們之間的關系：
三相短路或三相均對地短路時，電壓U接近于0，P=Uj*Ij*COS(Φ-Φlm)=0，保護将失去方向性。 -------------------------------------------------------- 2.2.4 相間短路功率方向繼電器的接線方式 一、功率方向繼電器的接線方式 -1. 含義：功率方向繼電器的接線方式：繼電器與電流互感器和電壓互感器之間的連接配接方式。 -2. 要求： （1）必須保證功率方向繼電器具有良好的方向性。即正向發生任何類型的故障都能動作，而反向故障時則不動作 （2）盡量使功率方向繼電器在正向故障時具有較高的靈敏度，Φk接近Φlm -3. 90°接線方式 指系統三相對稱且COSΦ=1時，
。注意：此處是假定純電阻無電抗，實際不可能，隻是對90°接線方式叫起來友善，往往是接近于0，線路阻抗角度接近于90°。
A->B->C->A->B->C 采用該接線方式構成的三相式方向過電流保護的原理接線圖：
----------------------------- 二、相間短路情況下90°接線功率方向繼電器動作行為分析 1.正方向三相短路 （1）動作分析 由于三相對稱，三隻繼電器動作情況相同，故以A相為例分析：
從圖中可見，
[電流超前于電壓，角度為負，即Φd+(-Φja)=90°]
為使功率方向繼電器動作最靈敏
取功率方向繼電器内角
（2）内角的選擇 為使Pja>0，即Uj*Ij*COS(Φd-90°+α)>0，一般0°<Φd<90° 當Φd=0°，0°<α<180°；當Φd=90°線路更靠近此值，-90°<α<90° 是以，在三相短路時，選擇0°<α<90°，可保證功率方向繼電器GJ動作。 -------------- 2、正方向兩相短路，以BC兩相短路為例，且空載運作，忽略負荷電流影響 -有兩種極限情況：出口和遠處 -（1）近處BC相短路動作分析
故障相Ib=-Ic，Ub=Uc；非故障相Ua=2Ub，方向與故障點相反 GJA：
（不考慮負荷電流），不動作； GJB：
，同三相短路 GJC：
，同三相短路 應選擇0°<α<90°，使得0°<Φd<90°時Gj能動作 注：出口BC兩相短路，
、幅值很大，B、C相功率方向繼電器動作。 該接線方式可消除各種兩相短路的死區。
（2）遠處BC相短路動作分析Zd>>Zs
-------------- 3、功率方向繼電器内角的确定 為保證0°<Φd<90°時，GJ在正方向任何相間短路時均能動作，30°<α<60° 用于保護相間短路的LG-11型功率方向繼電器，内角具有兩個值α=45°和α=30° -------------- 4、對90°接線方式的評價 優點：（1）對各種兩相短路都沒有死區；（2）适當選擇内角後，對線路上各種相間故障保證動作的方向性； 缺點：不能清除d(3)死區 -------------------------------------------------------- 2.2.5 雙側電源網絡中電流保護整定的特點 方向電流保護的整定有兩個方面的内容： -一是電流部分的整定，即動作電流、動作時間與靈敏度的校驗 -二是方向元件是否需要裝設（投入） 一、電流速斷保護
甚至于兩側都不能瞬時切除故障，如左圖虛線
----------------------------- 二、限時電流速斷保護 -其基本的整定原則仍應與下一級保護的電流速相配合 -需考慮保護安裝地點與短路之間電源或線路的影響 1.助增、外汲 助增：分支電路上有電源時，使故障線路電流增大的現象
保護範圍減小 外汲：分支電路為一并聯線路，使故障線路短路電流減小現象
保護範圍增大，失去選擇性
-------------- 2、分支系數
僅有助增時：Kfz>1；僅有外汲時：Kfz<1。 當變電所母線上既有電源又有并聯的線路時，其分支系數可能大于1也可能小于1，此時應根據實際可能的運作方式确定。 單側電源供電的線路，即為Kfz=1的一種特殊情況。 -------------- 3、動作電流的整定計算
分支系數的選取應根據實際可能的運作方式，選取最小值進行整定計算。 ----------------------------- 三、定時限過電流保護 1、動作電流：其動作電流的整定按躲過最負荷電流及靈敏度相配合等原則來整定。 2、動作時限：加入方向性元件後，将動作方向一緻的保護，各自獨立按階梯性原則進行。
-------------------------------------------------------- 2.2.6 對方向性電流保護的評價 1、優點：在單電源環形網絡和多電源輻射型電網中，都能保證動作的選擇性。
-------------- 2、缺點： -理論上當保護安裝地點附近正方向發生三相短路時，由于母線電壓降低至零，保護裝置拒動，出現“死區”。運作經驗指出，三相短路的幾率很小。 -保護中采用了方向元件使可靠性降低。 -------------- 3、方向元件的加裝原則 -在保證選擇性和靈敏性的情況下，在繼電保護中應力求不用方向元件 -1.對電流速斷（、段）保護來講，若反方向線路出口處短路時由電源供給的最大短路電流小于本保護裝置的動作電流時，可以不用方向元件。 -2.對過電流保護來講，若反方向保護的延時小于本保護的動作延時時，可以不用方向元件（但反方向的保護必須采用方向元件）。 -------------- 4、例題
假如保護
假如保護12的時間是2S，5需要加裝
--------------------------------------------------------------------------------------------------------------
2.3 中性點直接接地電網中接地短路的零序電流及方向保護 接地短路進的零序等效網絡：
當中性點直接接地的電網中發生接地短路時，将出現很大的零序電流，可利用零序電流來構成接地短路的保護。 接地故障時零序電流，零序電壓及零序功率的特點 正方向的規定： 零序電流的方向：由母線流向故障點為正； 零序電壓的方向：線路高于大地的電壓為正 零序分量的特點： （1）零序電壓（相當于在故障點上疊加一個零序電源） 故障點Uk0最高，離故障點越遠，Uk0越低，變壓器中性點接地處Uk0=0 （2）零序電流 其數值和分布與變壓器中性點接地的多少和位置有關，而與電源的數目和位置無關，其中單相接地故障中零序電流是短路電流的1/3 （3）零序電壓和零序電流的相位 在正方向短路下，保護安裝處母線零序電壓與零序電流的相位關系，取決于母線背後元件的零序阻抗（一般零序電流超前于零序電壓95°-110°），而與被保護線路的零序阻抗和故障點的位置無關。 （4）零序功率 線上路正方向故障時，零序功率由故障線路流向母線，為負值；線上路反方向故障時，零序功率由母線流向故障線路，為正值。 打個比方：相功率相當于手部受傷流血，從心髒（電源處）向傷口（故障點處）流動；零序功率相當于感染，有傷口不一定有感染，三相短路時和兩相不接地短路時沒有零序功率；但是如果有感染(單相接地和兩相短路)總從傷口周圍擴散，零序功率總是從故障點處往外流。 -------------------------------------------------------- 2.3.1 零序電壓濾過器 1、原理：
2、構成方式
-----------------------------
2.3.2 零序電流濾過器 1、原理：
2、構成方式
（1）零序電流濾過器：采用三個電流互感器連接配接方式，此時流過繼電器的電流為
在正常運作和相間短路時，零序電流濾過器存在不平衡電流 由于三個互感器鐵心的飽和程度不同，以及制造過程的某些差别而引起的
（2）零序電流互感器：采用電纜引出的送電線路 沒有平衡電流，同時接線也更簡單。 ----------------------------- 2.3.3 零序電流速斷保護（零序一段） 無時限零序電流速斷保護工作原理，與無時限電流速婁保護相似，靠整定零序電流的大小來獲得選擇性。 1、整定計算原則 1）躲開下一條線路出口處單相接地或兩相接地短路時可能出現的最大零序電流，即
求
-（1）故障點：本線路末端 -（2）故障類型：（假設X1∑=X2∑） -（3）整定時應按照最大運作方式考慮，即系統的零序等值阻抗最小
2）躲過繼電器三相觸頭不同期合閘時出現的零序電流3，即
求
：（1）兩相先合——一相斷線 并
（2）一相先合——兩相斷線 串
兩者取最大者
根據以上兩個原則的計算結果進行比較，先取其中的較大值作為保護裝置的整定值。 原則2）所得定值一般較大，保護範圍縮小，靈敏度降低，此時可考慮使段帶一小的延時（0.1S）躲開不同時合閘時間。 -------------- 2、靈敏性校驗 要求與段電流保護相同≥（15%-20%） ----------------------------- 2.3.4 零序電流限時速斷保護（零序二段） 1、整定計算原則 動作電流：與相鄰線路零序電流段配合
動作時限：比下一條線路零序電流段的動作時限大一個時限差Δt
靈敏性校驗： 當靈敏系數不能滿足要求時，可采取以下措施： -（1）與相鄰線路零序段配合整定，其動作時限應較相鄰線路零序段時限長一個時間級差Δt -（2）保留0.5S，同時再增加一個按第1）原則整定的保護 -改用接地距離保護 ----------------------------- 2.3.5 零序電流限時速斷保護（零序三段） 作用： -用于本線路接地故障的近後備保護和相鄰元件（線路、母線、變壓器）接地故障的後備保護 -在本線路零序電流保護、段拒動和相鄰元件的保護或開關拒動時靠它來最終切除故障 -在中性點接地電網中的終端線路上也可作為主保護 整定計算： （1）躲開在下一條線路出口處相間短路時所出現的最大不平衡電流（Ibp max）
（2）與下一條線路零序段相配合就是本保護零序段的保護範圍，不能超出相鄰線路上零序段的保護範圍
取（1）、（2）中最大值。 靈敏性：近後備和遠後備時均校驗 動作時限：從零序網的最末級（受電端變壓器）開始按階梯原則向電流方向推算。
----------------------------- 2.3.6 方向性零序電流保護 在多電源的大接地電流系統中，為保證選擇性，需要裝設零序功率方向繼電器，構成方向性零序電流保護 構成方向性零序電流保護時應該注意的問題 1）在多電源大接地電流系統中，每個變電站至少有一台變壓器中性點直接接地，以防止單相接地短路時，非故障相産生危險的過電壓。 2）在零序電流保護正方向有中性點接地的變壓器的情況下，不管被保護線路的對側有無電源，為了防止保護的靈敏度過低和動作時間過長，就須采用方向性零序電流保護。 一、方向性零序電流保護工作原理
保護1、2正方向 f1點發生接地故障，相當于在故障點處疊加了一個零序電壓，零序電流如上圖紅線向外流。零序電壓與紅線零序電流之間的相位夾角是阻抗角度。 保護安裝處零序電流與零序電壓的相位關系： 正方向接地時，零序電流超前于零序電壓90°-110°，零序功率為負； 反方向接地時，零序電流滞後于零序電壓70°-85°，零序功率為正。 -------------- 二、零序功率方向繼電器的接線方式
由于越靠近故障點的零序電壓越高，是以出口短路時GJ0無死區。 -------------- 三、三段式方向性零序電流保護的原理接線
----------------------------- 2.3.7 對零序電流保護的評價 優點： （1）零序電流保護更靈敏 、受運作方式影響較小，段保護範圍長且穩定，段靈敏性易于滿足；段躲不平衡電流，定值低更靈敏且時間較短 （2）GJ0出口無死區，接線簡單、經濟、可靠 （3）系統振蕩、短時過負荷等情況下（三相對稱）I0不受影響 缺點：不能反映不接地的相間短路故障 -------------------------------------------------------------------------------------------------------------- 2.4 中性點非直接接地電網中單相接地故障的零序電壓、電流及方向保護 在性點非直接接地電網中發生單相接地時， -由于故障點的電流很小，一般隻要求繼電保護有選擇地發出信号，而不必跳閘。 -非故障相電壓升高根号3倍 -線電壓仍對稱 對保護的要求 -一般隻要求繼電保護能有選擇性地發出信号，而不必跳閘 -當單相接地對人身和裝置的安全有危險時，則應動作于跳閘 2.4.1 中性點不接地系統的單相接地的特點 1、單電源單線路系統的單相接地
（1）在正常運作情況下，三相對地有相同的電容，在相電壓作用下，每相都有一個電容電流流入地中，而三相電流之和等于零 每相對地電容電流：
由于零序電流相量和為0，是以隻能通過零序電壓來判斷故障點。 -------------- 2、單電源多線路系統的單相接地
如圖A相單相接地，全網A相電壓為0（忽略負荷電流），全網的電容電流都流過故障點。 單相接地故障時的零序等效網絡及向量圖：
故障點處的零序電流：
對于非故障線路：
零序電流為線路本身的電容電流，電容性無功功率的方向為由母線流向線路（電感性無功功率與此反）。
對于非故障的發電機
零序電流為發電機本身的電容電流，其電容性無功功率的方向是由母線流向電機 對于故障線路
零序電流等于全系統非故障元件對一電容電流之總和（但不包括故障線路本身），其電容性無功功率的方向為由線路流向母線。
結論： 1）單相接地時，全系統都将出現零序電壓，而短路點的零序電壓在數值上為相電壓； 2）在非故障元件上有零序電流，其數值等于本相原對地電容電流，電容性無功功率的實際方向為由母線流向線路；零序電流超前零序電壓； 3）在故障元件上，零序電流為全系統非故障元件對地電容電流之相量和，電容性無功功率的實際方向為由線路流向母線。 --------------------------------------------------------------------------------------------------------------