继电保护教程 第二章 电流保护

配置：

第Ⅰ段―――电流速断保护 三段式

第Ⅱ段―――限时电流速断保第Ⅲ段―――过电流保护 一、电流速断保护（第Ⅰ段）：

对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。 1、短路电流的计算：

主保护 后备保护

图中、1――最大运行方式下d

2――最小运行方式下d(2) 3――保护1第一段动作电流

(3)Id(3)

EZsZdEZsZ1ld(2) IdE3(3)3 Id22ZsZ1ld可见，Id的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关

最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。（Zs.min） 最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Zs.max） 2、整定值计算及灵敏性校验

为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定

 Idz注①）.1KkId.B.max Kk1.2~1.3(参看p15保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。（IdZ）

Idz.1在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a、b点

可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长

灵敏性：用保护范围的大小来衡量 lmax 、lmin 一般用lmin来校验、

lmin100% l要求：≥（15～20）％ 希望值50％ 方法：① 图解法

② 解析法：

IdZ.1E32ZsmaxZ1ld.min 可得

lmin13E100%(Zsmax) lZL2IdZ.1式中 ZL=Z1l――被保护线路全长的阻抗值 动作时间t=0s 3、构成

中间继电器的作用：

① 接点容量大，可直接接TQ去跳闸

② 当线路上装有管型避雷器时，利用其固有动作时间（60ms）防止避雷器放电时保护误动 4、小结 ① 仅靠动作电流值来保证其选择性 ② 能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。 二、限时电流速断保护（第Ⅱ段） 1、 要求 ① 任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性 ② 在满足要求①的前提下，力求动作时限最小。 因动作带有延时，故称限时电流速断保护。 2、 整定值的计算和灵敏性校验

为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第Ⅰ段的保护范围。即整定值与相邻线路第Ⅰ段配合。

动作电流：IdZ ＝KIK.1kdZ.2k1.1~1.2(非周期分量已衰减）动作时间：t1t2tt Δt取0.5\"，称时间阶梯，其确定原则参看P18.

灵敏性：KlmIdB.min 要求：≥1.3～1.5 IdZ.1若灵敏性不满足要求，与相邻线路第Ⅱ段配合。此时：

动作电流：IdZ.1＝KkIdZ.2 动作时间：t1t2t

3、 构成：

与第Ⅰ段相同：仅中间继电器变为时间继电器。 4、 小结：

① 限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长 ② 依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性 ③ 与第Ⅰ段共同构成被保护线路的主保护，兼作第Ⅰ段的金后备保护。 三、定时限过电流保护（第Ⅲ段） 1、 作用：

作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。

2、 整定值的计算和灵敏性校验：

1）、动作电流：①躲最大负荷电流 IdZ.1＝KkIf.max （1）

②在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。

ⅢⅢ

电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数KZq

ⅢⅢ IZqmaxKZqIf.max IhKkIZqmaxKkKZqIf.maxKkⅢKZqIhI＝Ifmax （2）

KhKhⅢdZⅢ式中，Kk＝1.15～1.25 KZq1.3~3 Kh0.85

显然，应按（2）式计算动作电流，且由（2）式可见，Kh越大，IdZ越小，Klm越大。因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.85～0.9） 2）、动作时间

在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第Ⅲ段的测量元件均可能动作。例如：下图中d1短路时，保护1～4都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。

即

ⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢⅢ、t3t t1Ⅲt2t3t4＝t4t 、t2＝t3t、t1Ⅲ＝t2―――――阶梯时间特性

注：当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的配合

3）、灵敏性 近后备：Klm1ⅢId1.min1.3 ⅢIdZId1.min―――本线路末端短路时的短路电流

远后备：Klm2ⅢId2.min1.2 Id2min ―――相邻线路末端短路时的短路电流 ⅢIdZ3、 构成：与第Ⅱ段相同Ⅲ 4、 小结： ① 第Ⅲ段的IdZ比第Ⅰ、Ⅱ段的IdZ小得多，其灵敏度比第Ⅰ、Ⅱ段更高； ② 在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性； ③ 保护范围是本线路和相邻下一线路全长； ④ 电网末端第Ⅲ段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），

Ⅲ故可不设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（Ⅰ＋Ⅲ或Ⅲ），越接近电源，t越长，应设三段式保护。 四、电流保护的接线方式

1、 定义：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。 2、 常用的两种接线方式：三相星行接线和两相星行接线。

1）、三相星行接线的特点：

① 每相上均装有CT和LJ、Y形接线 ② LJ的触点并联（或） 2）、两相星行接线的特点：

① 某一相上不装设CT和LJ、Y形接线 ② LJ的触点并联（或）

（通常接A、C相）

上述两种接线方式中，流入电流继电器的电流IJ与电流互感器的二次电流I2相等。接线系数： KconIJ1 I23、 IdZ与IdZ..J之间的关系：

nlIII1 dZnl 或IdZ.JdZ I2IdZ.Jnl4、 比较：

① 对各种相角短路，两种接线方式均能正确反映。 ② 在小接地电流系统中，在不同线路的不同相上发生两点接地时，一般只要求切除一

个接地点，而允许带一个接地点继续运行一段时间。

串联线路

a、 三相星行接线：保护1和保护2之间有配合关系，100％切除NP线 b、 两相星行接线：2/3机会切除NP线。（即1/3机会无选择性动作） 并行线路上：（可能性大）

a、三相星行接线：保护1和保护2同时动作，切除线路Ⅰ、Ⅱ。 b、 两相星行接线：2/3机会只切一条线路。 ③ Y／△接线变压器后d(2)

以Y／△－11接线降压变为例 dAB

(2)

IAIB IC0

.1.2.IaIcIA IbIA

33.....IAIC IB2IA

.Y.Y.Y.Y

结论：滞后相电流是其它两相电流的两倍并与它们反相位

Y／△－11升压变：超前相电流是其它两相电流的两倍，并与它们反相位。（作业：推得此结果） ④ 经济性：两相星行接线优于三相星行接线 三相星行接线灵敏度是两相星行接线的两倍

针对措施：在两相星行接线的中线上再接入一个LJ，其电流为：

(IAIC)/nlIB/nl，以提高灵敏性。

5、 应用

三相星行接线：发电机、变压器等（要求较高的可靠性和灵敏性）。 两相星行接线：中性点直接接地电网和非直接接地电网中。（注：所有线路上的保护装置应安装在相同的两相上。） 五、评价： 1、 选择性：

在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠IdZ、t），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。 2、 灵敏性：

受运行方式的影响大，往往满足不了要求。——电流保护的缺点 例：第Ⅰ段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围；

第Ⅲ段：长线路重负荷（If增大，Id减小），灵敏性不满足要求。 3、 速动性：

第Ⅰ、Ⅱ段满足；

第Ⅲ段越靠近电源，t越长——缺点 4、 可靠性：

线路越简单，可靠性越高——优点 六、应用范围：

35KV及以下的单电源辐射状网络中；第Ⅰ段：110KV等，辅助保护 作业：习题集：P11,题1；预习实验一、二

.Y.Y.Y第二节 电网相间短路的方向性电流保护

一. 问题的提出

双电源多电源和环形电网供电更可靠,但却带来新问题。

对电流速断保护：d1处短路，Idz3II1Idz2I d2处短路，Idz2II1Idz3I 对过电流保护：d1处短路，t3t2

d2处短路，t2t3

有选择性，但是产生了矛盾。上述矛盾的要求不可能同时满足。

原因分析：反方向故障时对侧电源提供的短路电流引起误动。 解决办法：加装方向元件——功率方向继电器。仅当它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子系统。

保护1、3、5只反映由左侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配 合。而保护2、4、6仅反映由右侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合，矛盾得以解决。

二、功率方向继电器的工作原理

电流规定方向：从母电流向线路为正。

电流本身无法判定方向，需要一个基准——电压。 d1处短路 d2处短路

UNAId1AZ1ld1 UNAI2Z1ld2



argUNAId1AUNAd2180 d1 argId1A090 180270 PUAIAcos0 PUAIAcos0

因此：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。

实现：

1、最大灵敏角：在UJ、IJ幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者之间的相位差的大小而改变。当输出为最大时的相位差称最大灵敏角lm。

2、 动作范围： lm90

动作方程：90argUJejlmIJ90

或90lmarg3、 动作特性:

UJIJ90lm

当UJUA,IJIA,d160,线路发生三相短路 所以lmd160



4、 死区：当正方向出口短路时，UJUA0，GJ不动——电压死区。

消除办法：采用90度接线方式，加记忆回路。

三、幅值比较原理和相位比较原理及其互换关系

对于比较两个电气量的继电器，可按幅值比较原理或相位比较原理来实现。

幅值比较原理：UAUB

相位比较原理：90argUCUD90

用四边形法则来分析它们之间的关系：

argUCUD90 argUCUD90 argUCUD90

UAUB UAUB U1UC2(UAUB)

1UD2(UAUB)AUB

UAUCUD 或 UBUCUD可见，幅值比较远路与相位比较原理之间具有互换性。 注： 1 UA,UB,UC,UD必须是同一频率的正弦交流量

2 相位比较原理的动作边界为90

四、LG－11整流型功率方向继电器

它是按幅值比较原理来实现的： 1、 构成：



① 电压形成回路：由DKB、YB组成：

UAKUUJKIIJ

UBKUUJKIIJ

R1、R2——消除潜动、调整平衡。

C1——与YB的励磁电抗形成谐振，使超前90o,其记忆作用用于消除死区，记忆时间为几十毫秒； ② 比较回路：

由半导体整流桥BZ1,BZ2组成的环流是比较回路。

UAia UBib

③ 执行元件——极化继电器J,非常灵敏

标记“＊”，当电流从＊端流入时，J动作，反之则不动。

iaib0时，J动作；

2、 动作方程：

UAUBKUUJKIIJKUUJ－KIIJKUUJKIIJ90arg90

3、 动作特性：

KI:I45或60 KU:U90(串联C1)

uI30 ――内角（由继电器决定）

90argUJIJ90

lm30

4、 死区：

虽然J的动作功率很小，但UAUBU0———最小工作电压。

当出口接地短路时，UJ0，GJ不动作——死区。 在记忆时间内消除死区。 5、 角度特性：

当IJ为常数时，动作电压UJ与φJ之间的关系曲线，以α＝ 30º为例：



当φJ＝－α＝－30º时，继电器的动作电压最小，J最灵敏。 J动作范围：以φJ＝－30º为中心的90º的区域，即图中阴影

区。 6、 潜动：

从理论上讲，当 UJ0或IJ0 时，J不动。

但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有UJ或IJ时，J动作,即潜动。

仅有UJ时动，叫电压潜动，仅有IJ时动，叫电流潜动 潜动对保护的影响：

对正方向接地短路时，有利于保护正确动作；

当反方向接地短路时，可能导致GJ误动，使得保护误动； 另外，增大GJ的动作功率，可降低灵敏性；

消除方法：调R1（电流潜动时），调R2（电压潜动时）。 五、相间短路功率方向继电器的接线方式：

1、 要求：良好的方向性（与故障类型无关）和较高的灵敏性。 2、 90º接线方式：

指系统三相对称且cosφ=1时，argIJUJ90的接线方式。

注：90º接线方式仅为了称呼方便，且仅在定义中成立。 采用该接线方式构成的三相式方向过电流保护的原理接线图参看第40页，图2－37。

提示：三相星形接线且按相启动（指接入同名相电流的测量元件和功率方向元件的结点串联，而后于其他元件相并联后启动逻辑元件。）

3、 相间短路情况下90º接线功率方向继电器动作行为分析： （1） 正方向三相短路：

由于三相对称，三只继电器动作情况相同，故以A相为例分析：

从图中可见，φJA＝φJd－90º ① 为使功率方向继电器动作最灵敏

 cos(d90)1

 90d

② 为使PJA>0

一般0d90 当d0，0180 当d90，9090

所以,在三相短路时,选择,可保证GJ动作。

（2） 正方向两相短路，以BC两相短路为例,且空载运行.

有两种极限情况:出口和远处

①出口短路 ZdZs

GJA:IA0,不动作；

GJB：JBd90，同三相短路； GJC：JCd90，同三相短路。

所以应选择090，使得0d90时GJ能动作 注：出口BC两相短路，UCA、UAB幅值很大，B、C

相功率方向继电器动作。

该接线方式可消除各种两相短路的死区。 ②远处短路 ZdZs



GJA: IA0,不动作；

GJB：JBd120，所以应选择30120，使得B

相GJ能动作；

GJC：JCd60，所以应选择3060，使得C

相GJ能动作

综合两种极限情况：在正方向任何地点d(2)： GJB： 300900 GJC： 00600

(2)(2) 同理： dAB和dCA时可得到相应的结论，参看P43表2—2。

综上所述：为保证00d900时，GJ在正方向任何相间短路时均能动作：300600

（例：LG—11型 450或300）

总结：优点：①对各种两相短路都没有死区；

②适当选择内角后，对线路上各种相间故障保证动作的

方向性；

缺点：不能清除d(3)死区。

顺便指出：在正常运行情况下，位于送电侧的GJ在负荷电流的 作用下一般都处于动作状态。

六．双侧电源网络中电流保护整定的特点：

1． 电流速断保护

III无方向元件：Idz1Idz2KKIdzmax

II有方向元件：Idz1KKId2max

IIIdzK2KId1max

此时保护1不需方向元件。

2． 限时电流速断保护

原则与单侧电源网络中第Ⅱ段的整定原则相同，与相邻线路Ⅰ段保护配合。但需考虑保护安装点与短路点之间有分支的影响，

即分支电路的影响。分支电路分两种典型情况：助增，外汲。

' IABIBC助增：使故障线路电流增大的现象 外汲：使故障线路电流减小的现象

'IBC故障线路流过的电流引入分支系数：Kfz IAB被保护线路流过的电流IIIdz1KIIKIIdz2 Kfz'当仅有助增时：∵IBCIAB∴Kfz1 ' 仅有外汲时：∵IBCIAB∴Kfz1 '无分支时：IBCIAB Kfz1

既有助增，又有外汲时，可能大于1也可能小于1 整定时，应取实际可能的最小值以保证选择性。 七．对方向性电流保护的评价

1． 在多电源网络及单电源环网中能保证选择性 2． 快速性和灵敏性同前述单侧电源网络的电流保护 3． 接线较复杂，可靠性稍差，且增加投资 4． 出口d(3)时，GJ有死区，使保护有死区——缺点

∴力求不用方向元件（如果用动作电流和延时能保证选择性）

原则：①对于电流速断保护（第Ⅰ、Ⅱ段）

如：

Idz1Idz2 d1故障，Id1Idz1保护1可不加GJ

d2故障，Id2Idz2保护2要加GJ ②对过流保护

d1故障时，∵ t2t3t1 ∴ 保护2、3要加GJ d2故障时，∵ t2t3 ∴保护3要加GJ

t1t2

保护1可不加GJ

即：动作延时长的可不加GJ，动作延时小的或相等的要加GJ。 作业：P17题1，P14题4，P18题4

第三节 输电线路的接地保护

大接地电流系统:系统中主变压器中性点直接接地

X0/X13

在此系统中,当发生接地故障时,通过变压器接地点构成短路通路,使故障相流过很大的短路电流.

110KV及以上电网 中性点直接接地系统

60KV及以下电网 中性点不接地或不直接接地(小接地电流系统)

运行经验表明,在中性点直接接地系统中,d(1)几率占总故障率的70%∽90% .所以如何正确设置接地故障的保护是该系统的中心问题之一.而在该系统中发生d(1),系统中会出现零序分量,而正常运行时无零序分量.故可利用零序分量构成接地短路的保护.

一、 零序分量的特点

(一) 零序电压 : 故障点U0最高,离故障点越远, U0越低.变压器中性点接地处U0=0 (二) 零序电流

分布: 中性点接地变压器的位置有关

大小: 线路及中性点接地变压器的零序阻抗有关 (三) 零序功率

短路点最大(与U0相同). 方向:与正序相反,从线路→母线

(四)

argUd0Id0

UM0I0ZB10

相位差由ZB10的阻抗角决定

与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关

'二、 零序电流保护

三段式或四段式

Ⅰ段:速动段保护

Ⅱ段(Ⅱ、Ⅲ段)应能有选择性切除本线路范围的接地故障，其动作时间应尽量缩短 最末一段：后备

三段式零序电流保护原理与三段式电流保护是相似的 （一）Ⅰ段

<1>躲过下一个线路出口接地短路的最大三倍零序电流3I0max

I I0dz＝KK3I0ma x KIK＝1.2∽1.3

求3 I0max ①故障点：本线路末端

②故障类型： （假设X1∑＝X2∑）

(1) 3I03E2Z1Z0 (串)

3I0(1.1)3EZ2E3 （并）

Z2Z0Z2Z0Z12Z0Z1Z2Z0(1)

(1.1)

（1）

当Z0∑>Z1∑ I0>I0 采用I0

(1)(1.1)（1.1）

当Z0∑(1)(1.1)

当Z0∑=Z1∑ I0=I0 任取 ③运行方式

各系统最大运行方式 Z1∑↓ Z2∑ ↓

接地点： 保护安装侧 接地点最多Z0m ↓ 对侧 接地点最少Z0n ↓

（2）躲短路器三相触头不同时合闸而出现的三倍零序电流 3I0bt

III

I0dz＝KK.3I0bt KK＝1.1∽1.2 求 3I0bt ： ①两相先合——— 一相断线 并

3I0btZ2EM－ENEM－EN33Z2Z0Z2Z0Z12Z0Z1Z2Z0

②一相先合—— 两相断线 串

3I0bt3EM－EN

2Z1Z0 取大者

原则（2）所得定值一般较大，保护范围缩小，灵敏度降低，此时渴考虑使Ⅰ段带一小的延时（0.1s）躲开不同时合闸时间。

灵敏性： 要求与Ⅰ段电流保护相同 ≥（15%～20%） (二)Ⅱ段

与相邻线路零序电流Ⅰ段配合

IIIII I0dz1KKI0dz2/Kf2min KK＝1.1∽1.2

Ⅱ

IIIt01t02tt0.5\"

灵敏性校验： Klm3I0min1.5 I0Idz若不满足要求： 与相邻线Ⅱ段配合或接地距离保护 （三）Ⅲ段：

躲线路末端变压器为另一侧短路时可能出现的最大不平衡电流Ibp.max

IIIIIII0dzKK.Ibp.max

(3)Ibp.maxKfzqKtxKerIdmax

Kfzq―― 非周期分量系数 t＝0s时取1.5～2 t=0.5 s时取1； Ktx―― 同型系数。同型时取0.5、不同型时取1； Ker―― CT误差 取0.1；

(3)Idmax――线末变压器另一侧短路时流过保护的最大短路电流。

灵敏性： 近后备和远后备时均校验 动作时间（限）：从零序网的最末级开始按阶梯原则向电源方向推算

三、 方向性零序电流保护

在多电源的大接地电流系统中，为保证选择性，需要装设零序功率方向继电器，构成方向性零序电流保护（P55 图2－55）

1、 零序功率方向继电器 正方向接地故障

0＝arg。＝－（180o－d0）UI。φd0＝70

o

∽80o ∴φo＝－（110～100）

o

o

∴φlm≈－105左右（UJ3U0 IJ3I0）

o

目前，整流型和晶体管型：φ

lm＝70

o

～85o

∴接线: UJ－3U0 IJ3I0



由于越靠近故障点的零序电压越高 ∴出口短路时 GT0无死区

远处故障时 U0 ↓ I0 ↓ 可能不动 。为此须校验灵敏性（作相邻元件后备）

KlmSmin1.5 相邻元件末端短路（二次侧） Sdz（1）

四、 评价

三相星形接线相间短路电流保护 ，也可反映d，作比较 优点：（1） 零序电流保护更灵敏

Ⅰ、Ⅱ受运行方式影响较小，Ⅰ段保护范围长且稳定，Ⅱ段灵敏性易于满足 Ⅲ段躲不平衡电流，定值低更灵敏且时间较短 （2） GT0 出口无死区，接线简单、经济、可靠。

（3） 系统振荡、短时过负荷等情况下（三相对称）I0不受影响 缺点： 不能反映相间短路故障

作业 P22 题1 P25 题5、6