第二章输电线路的相间短路的电流保护

第二章：输电线路的相间短路的电流保护

GB50062-92《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定：对3～63kV线路的下列故障或异常运行，应装设相应的保护装置：

(1) 相间短路。 (2) 单相接地。 (3) 过负荷。

1. 3~10kV 线路装设相间短路保护装置的配置原则

(1) 在3~10kV线路装设的相间短路保护装置，应符合下列要求：

1) 由电流继电器构成的保护装置,应接于两相电流互感器上，同一网络的所有线路均应装在相同的两相上。

2) 后备保护应采用远后备方式。

3) 当线路短路使发电厂厂用母线或重要用户电压低于额定电压的60%时,以及线路导线截面过小，不允许带时限切除短路时，应快速切除故障。

4) 当过电流保护的时限不大于 0.5~0.7s 时，且没有第3)款所列的情况，或没有配合上的要求时，可不装设瞬动的电流速断保护。

(2) 在 3~10kV 线路装设的相间短路保护装置，应符合下列规定：

1) 单侧电源线路。可装设两段过电流保护：第一段为不带时限的电流速断保护；第二段为带时限的过电流保护。可采用定时限或反时限特性的继电器。对单侧电源带电抗器的线路，当其断路器不能切断电抗器前的短路时，不应装设电流速断保护，此时，应由母线保护或其他保护切除电抗器前的故障。

保护装置仅在线路的电源侧装设。

2) 双侧电源线路。可装设带方向或不带方向的电流速断和过电流保护。对1~2km双侧电源的短线路，当采用上述保护不能满足选择性、灵敏性或速动性的要求时，可采用带辅助导线的纵差保护作主保护，并装设带方向或不带方向的电流保护作后备保护。

3) 并列运行的平行线路。宜装设横联差动保护作为主保护，并应以接于两回线电流之和的电流保护，作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后的主保护及后备保护。

4) 环形网络中的线路。为简化保护，可采用故障时先将网络自动解列而后恢复的办法， 对不宜解列的线路，可参照对并列平行线路的办法。

2.35~63kV线路相间短路保护装置配置原则

(1) 35~63kV线路装设的相间短路保护装置，应符合下列要求

l) 对单侧电源线路可采用一段或两段电流速断或电流闭锁电压速断作主保护并应以带时限过电流保护作后备保护。

当线路发生短路，使发电厂厂用母线电压或重要用户母线电压低于额定电压的60% 时，应能快速切除故障。

2) 双侧电源线路。可装设带方向或不带方向的电流保护。当采用电流、电压保护不能满足选择性、灵敏性和速动性时，可采用距离保护装置。双侧电源或环形网络中，不超过3～4km的短线路，当采用电流电压保护不能满足要求时，可采用带辅助导线的纵差保护作主保护，并应以带方向或不带方向的电流电压保护作保护。

3) 并列运行的平行线路。可装设横联差动保护作主保护，并应以接于两回线电流之和的阶段式保护或距离保护作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后的主保护及后备保护。

第一节 电流保护概述

一、保护装置的起动电流

保护装置中的继电器都具有继电特性。继电特性就是指当输入量（如通过的电流）变化到某一数值时，其触点的状态发生突变（反应在节点的输出），继电器具有明确而快速的动作特性，即继电特性，如图2-2所示。保护装置中使保护动作的最小电流叫保护的动作电流，用Iact表示；使保护返回的最大电流叫返回电流，用Ire表示；返回电流与动作电流的比值叫返回系数，用Kre表示。

Kre?Ire Iact二、电力系统的运行方式

在电源电动势一定的情况下，线路上任一点发生短路时，短路电流的大小与短路点至电源之间的总电抗及短路类型有关，三相短路电流大小可按下式计算

(3)IK?

图2-2 继电特性

Es （2-1）

Xs?X1lK式中 Es——系统等效电源的相电动势；

Xs——归算至保护安装处至电源的等效电抗； X1——线路单位长度的正序电抗；

lk——短路点至保护安装处的距离。

所谓最大运行方式是指：归算到保护安装处系统的等值阻抗最小，即Xs＝Xs。min，通过保护的短路电流最大的运行方式；最小运行方式是指：归算到保护安装处的系统等值阻抗最大，即Xs＝Xs。max，通过保护的短路电流最小的运行方式。

最大和最小运行方式的选取，对不同安装地点的保护，应视网络的实际情况而定。同一运行方式下，同一故障点的IK?

(2)3(3)IK。 2第二节 无时限电流速断保

护

一、无时限电流速断保护 无时限电流速断保护（又叫瞬时电流速断保护简称为电流速断保护），当电力系统的相间短路故障发生在靠近电源侧时，非常大的短路电流不仅对系统电力设备构成很大的损坏，还可能危及电力系统的安全，甚至造成电网的崩溃，这就要求能快速的切除故障来维护电网的安全。无时限电流速断保护的是反应电流的增大而瞬时动作的一种保护。它广泛地应用于输电

EsXsAL11lkkBk1k2L2C23Ik1Iset.123NIk.B.maxlminlmaxMIset.2Ik.C.maxlo 图2-3 单侧电源线路的无时限电流速断保护工作原理说明图 线路及电气设备保护中。

二、无时限电流速断保护动作电流的整定

根据继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间，必须满足系统稳定性和保证重要用户供电的可靠性。在简单、可靠和保证选择性的前提下，原则上保护动作越快越好。

为了保护选择性，无时限电流速断保护（电流Ⅰ段）的动作电流应大于本线路末端的最大短路电流IK.B.max。 即

I(3)IsetI > .1k.B.max

或 Iset.1=KrelIk.B.max （2-5）

式中 Iset.1——为保护装置1的整定电流，线路中的一次电流达到保护装置整定电流时保护起动；

IKrel——为可靠系数，考虑到继电器的误差、短路电流计算误

III(3)差和非周期量影响等，取1.2～1.3；

Ik(3).B.max——为最大运行方式下，被保护线路末端变电所B母

线上三相短路时的短路电流，一般，取短路最初瞬间，即t＝0时的短路电流周期分量有效值。

无时限电流速断保护是靠动作电流获得选择性。即使本线路以外发生短路故障也能保证选择性。

三、动作特性分析

图2-4 无时限电流速断保护动作特性

IIset与线路短路点的位置无关，图2-4中.1一经整定不再改变，

IIset.1可用直线3表示。它与曲线1、2分别交a、b两点，在交点

a、b之前对应的线路上短路时，由于短路电流大于Iset.1，保护1

能动作；当故障

点发生到a、b两交点之后对应的线路上时，其短路电流将

小于整定电流，

图2-5 系统运行方式变化时对速

保护1不动作。

断保护的影响

所以，从线路首

端至a点之间的范围为最大运行方式下的保护区lmax，也叫最大保护区；从线路首端至b点之间的范围是最小运行方式下保护区lmin，即最小保护区。

电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛的应用。它的缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。

当电力系统的运行方式变化很大，或者被保护线路的长度很短时，速断保护就可能没有保护范围，因

I

图2-6 线路长度对速断保护的影响

(a)长线路；(b)短线路

而不能采用。例如：

1. 如图2-5所示，当系统运行方式变化很大的情况，保护1电流速断按最大远行方式下保护选择性的条件整定以后，在最小运行方式下就没有保护范围；

2. 如图2-6所示，当被保护线路长短不同的情况，线路较长时，其始端和末端短路电流的差别较大，因而短路电流变化曲线比较陡，保护范围比较大，如图2-6(a)所示。而当线路较短时，由于短路电流曲线变化平缓，速断保护的整定值在考虑了可靠系数以后。其保护范围将很小甚至等于零，如图2-6(b)所示。

在个别情况下，电流速断保护也可以保护线路的全长。如图2-7所示，当电网的终端采用线路—变压器组的接线方式时，由于线路和变压器可以看成是—个元件，这样电流速断保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处Kl点的短路来整定，由于变压器的阻抗一般较大，所以K1点的短路电流就大为减小，这样整定之后，电流速断就可以保护线路Ａ-Ｂ的全长，并能保护变压器的一部分。

需要说明的是电流速断保护的选择性在此处没有得到满足，即保护失去选择性，为了减少停电范围，应与自动重合闸进行配合。当变压器故障时，线路首端的速断保护动作跳开断路器，变压器速断保护也动作跳变压

器，而线路首端的自动重合闸将线路断路器重合，恢复

图2-7 线路—变压器组的电流速断保护

线路供电。

四、灵敏度校验

无时限电流速断保护的灵敏度通常是用保护范围的大小来衡量，保护范围越大，说明保护越灵敏。图2-3所示，在不同的运行方式下，保护范围可能变化很大，所以无时限电流速断保护的灵敏度用最大保护范围和最小保护范围来衡量。

根据式（2-1），可求得最大运行方式下的最大保护范围

lmax?式中：Iset——动作电流。

I1Es(I?Xs.min) （2-6） X1Iset由于两相短路电流为三相短路电流的围

3倍，因此可求得最小运行方式下的两相短路的最小保护范2lmin?13E(?Is?Xs.max) （2-7） X12Iset规程规定：最小保护范围不小于被保护线路全长的15％；最大范围大于被保护线路全长50％，否则保护将不被采用。

第三节 限时电流速断保护

一、限时电流速断保护的作用

无时限电流速断保护的保护范围只是线路的一部分，为了保护线路的其余部分，又能较快的切除故障，往往需要再装设一套具有延时的电流速断保护(又称延时电流速断保护)。

限时电流速断保护就是在速断保护的基础上加

Bk1AEXssC一定的延时构成的。如图k2L1L22-8所示，本线路末端K1

点短路与相邻线路首端

123K2点短路时，其短路电流

基本相同。为了保护线路

图2-8 限时电流速断保护 全长，本线路限时电流速保护的保护范围必须延伸到相邻线路内。考虑到选择性，限时电流速断保护的动作时限和动作电流都必须与相邻元件无时限速断保护相配合。

二、动作时限的整定

在图2-9所示的电路中，如果线路L2和变压器B1都装有无时限电流速断保护，那么，线路Ll上的限时电流速断保护的动作时限tAII，应该选择得比无时限电流速断保护的动作时限(约0.1s)大⊿t，即

tAII=tBI+⊿t （2-8）

而它的保护范围允许延伸到L2和B1的无时限电流速断保护的保护范围内。因为在这段范围内发生短路时，L2和B1的无时限电流速断保护立即动作于跳闸。在跳闸前，L1的限时电流速断保护虽然会起动，但由于它的动作时限比无时限电流速断保护大⊿t，所以它不会无选择性动作于L1的断路器跳闸。

三、动作电流的整定

如果限时电流速断保护的保护范围末端与相邻元件的无时限电流速断保护的范围末端在同一地点，那么两者的动作电流(ＩsetII.1与 ＩI

但考虑到电流互感器set.2)是相等的。

和电流继电器误差等因素的影响，L1线路的限时电流速断保护的保护范围应缩小一些，也就是ＩIIset.1应大于ＩIset.2，即

ＩIIset.1=KrelIIＩIset.2 （2-9）

图2-9 限时电流速断保护特性图

式中 KrelII——可靠系数，考虑保护

带有延时，短路电流中的非周期分量已衰减，可以选得小些，通常取1.1～1.2。

在图2-9所示的例子中， L1的限时电流速断保护既要与L2的无时限电流速断保护相配合，又要与B1的电流速断保护相配合。因此，在按式(2-9)计算时，ＩIIset.1应为L2和B1无时限电流速断保护中动作电流较大的一个数值。否则，限时电流速断保护的保护范围会超过动作电流较大的那个元件的无时限电流速断保护的保护范围，而造成无选择性动作。

在上例中，如果变压器装有差动保护，那么整个变压器将处在差动保护的范围内。这时Ｌ1的限时电流速断保护的保护范围就允许延伸到整个变压器。它的动作电流就是根据在最大运行方式下低压侧三相短路时的短路电流Ik.max来选择，即

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