三段式电流保护的整定及计算

第1章输电线路保护配置与整定计算

重点：掌握110KV及以下电压等级输电线路保护配置方法与整定计算原则。

难点：保护的整定计算

能力培养要求：基本能对110KV及以下电压等级线路的保护进行整定计算。

学时：4学时

主保护：反映整个保护元件上的故障并能以最短的延时有选择地切除故障的保护称为主保护。

后备保护：主保护拒动时，用来切除故障的保护，称为后备保护。

辅助保护：为补充主保护或后备保护的不足而增设的简单保护。

一、线路上的故障类型及特征：

相间短路（三相相间短路、二相相间短路）

接地短路（单相接地短路、二相接地短路、三相接地短路）

其中，三相相间短路故障产生的危害最严重；单相接地短路最常见。相间短路的最基本特征是：故障相流动短路电流，故障相之间的电压为零，保护安装处母线电压降低；接地短路的特征：

1、中性点不直接接地系统

特点是：

①全系统都出现零序电压，且零序电压全系统均相等。

②非故障线路的零序电流由本线路对地电容形成，零序电流超前零序电压90°。

③故障线路的零序电流由全系统非故障元件、线路对地电容形成，零序电流滞后零序电压90°。显然，当母线上出线愈多时，故障线路流过的零序电流愈大。

④故障相电压（金属性故障）为零，非故障相电压升高为正常运行时的相间电压。

⑤故障线路与非故障线路的电容电流方向和大小不相同。

因此中性点不直接接地系统中，线路单相故障可以反应零序电压的出现构成零序电压保护；可以反应零序电流的大小构成零序电流保护；可以反应零序功率的方向构成零序功率方向保护。

2、中性点直接接地系统

接地时零序分量的特点：

①故障点的零序电压最高，离故障点越远处的零序电压越低，中性点接地变压器处零序电压为零。

②零序电流的分布，主要决定于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。

③在电力系统运行方式变化时，如果输电线路和中性点接地的变压器数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。但电力系统正序阻抗和负序阻抗要随着系统运行方式而变化，将间接影响零序分量的大小。

④对于发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。

二、保护的配置

小电流接地系统（35KV及以下）输电线路一般采用三段式电流保护反应相间短路故障；由于小电流接地系统没有接地点，故单相接地短路仅视为异常运行状态，一般利用母线上的绝缘监察装置发信号，由运行人员“分区”停电寻找接地设备。对于变电站来讲，母线上出线回路数较多，也涉及供电的连续性问题，故一般采用零序电流或零序方向保护反应接地故障。

对于短线路、运行方式变化较大时，可不考虑Ⅰ段保护，仅用Ⅱ段+Ⅲ段保护分别

作为主保护和后备保护使用。

110KV输电线路一般采用三段式相间距离保护作为相间短路故障的保护方式，采用阶段式零序电流保护作为接地短路的保护方式。对极个别非常短的线路，如有必要也可以考虑采用纵差保护作为主保护。

注意：

1、在双侧电源的输电线路上，当反方向短路时，如果保护可能失去选择性的话，就应该增设方向元件，构成方向电流保护。

2、变压器——线路组接线时，将线路视为变压器绕组的引出线，不再单独设置保护。

3、保护的配置没有定则，只要能反应对象上可能出现的所有故障且满足保护的四个基本要求的方案都可以，最经济的方案就是最好的。无论那种保护，其灵敏度都应满足规程要求，否则应改换其它保护方式。

三、三段式电流保护的整定计算

1、瞬时电流速断保护

整定计算原则：躲开本条线路末端最大短路电流

整定计算公式：

式中：

Iact——继电器动作电流

Kc——保护的接线系数

IkBmax——最大运行方式下，保护区末端B母线处三相相间短路时，流经保护的短路电流。

K1rel——可靠系数，一般取1.2～1.3。

I1op1——保护动作电流的一次侧数值。

nTA——保护安装处电流互感器的变比。

灵敏系数校验：

式中：

X1—

—线

路的

单位

阻抗，

一般

0.4Ω

/KM；

Xsma

x——

系统

最大

短路

阻抗。要求最小保护围不得低于15%～20%线路全长，才允许使用。

2、限时电流速断保护

整定计算原则：

不超出相邻下一元件的瞬时速断保护围。所以保护1的限时电流速断保护的动作电流大于保护2的瞬时速断保护动作电流，且为保证在下一元件首端短路时保护动作的选择性，保护1的动作时限应该比保护2大。故：

式中：

KⅡrel——限时速断保护可靠系数，一般取1.1～1.2；

△t——时限级差，一般取0.5S；

灵敏度校验：

规程要求：

3、定时限过电流保护

定时限过电流保护一般是作为后备保护使用。要求作为本线路主保护的后备

以及相邻线路或元件的远后备。

动作电流按躲过最大负荷

电流整定。

式中：

KⅢrel——可靠系数，一般

取1.15～1.25；

Krel——电流继电器返回系数，一般取0.85～0.95；

Kss——电动机自起动系数，一般取1.5～3.0；

动作时间按阶梯原则递推。

灵敏度分别按近后备和远后备进行计算。

式中：

Ikmin——保护区末端短路时，流经保护的最小短路电流。即：最小运行方式下，两相相间短路电流。

要求：作近后备使用时，Ksen≥1.3～1.5

作远后备使用时，Ksen≥1.2

注意：作近后备使用时，灵敏系数校验点取本条线路最末端；作远后备使用时，灵敏系数校验点取相邻元件或线路的最末端；

4、三段式电流保护整定计算实例

如图所示单侧电源放射状网络，AB和BC均设有三段式电流保护。已知：1）线路AB长20km，线路BC长30km，线路电抗每公里0.4欧姆；2)变电所B、C中变压器连接组别为Y，d11，且在变压器上装设差动保护；3）线路AB的最大传输功率

为9.5MW，功率因数0.9，自起动系数取1.3；4）

T1变压器归算至被保护线路电压等级的阻抗为28

欧；5）系统最大电抗7.9欧，系统最小电抗4.5欧。试对AB线路的保护进行整定计算并校验其灵敏度。

解：

（1）短路电流计算

注意：短路电流计算值要注意归算至保护安装处电压等级，否则会出现错误；双侧甚至多侧电源网络中，应取流经保护的短路电流值；在有限系统中，短路电流数值会随时间衰减，整定计算及灵敏度校验时，精确计算应取相应时间处的短路电流数值。

B母线短路三相、两相最大和最小短路电流为：

=1590（A）

=1160（A）

C母线短路电流为：

E母线短路电流为：

整定计算

①保护1的Ⅰ段定值计算

工程实践中，还应根据保护安装处TA变比，折算出电流继电器的动作值，以便于设定。

最小保护围的校验：

=3.49KM

满足要求

②保护1限时电流速断保护

按躲过变压器低压侧母线短路电流整定：

与相邻线路瞬时电流速断保护配合

=1.15×1.25×840

=1210A

选上述计算较大值为动作电流计算值，动作时间0.5S。

灵敏系数校验：

可见，如与相邻线路配合，将不满足要求，改为与变压器配合。

③保护1定限时过电流保护

按躲过AB线路最大负荷电流整定：

=501.8A

动作时限按阶梯原则推。此处假定BC段保护最大时限为1.5S，T1上保护动作最大时限为0.5S，则该保护的动作时限为1.5+0.5=2.0S。

灵敏度校验：

近后备时：

远后备时：

注意：不能作T1的远后备。

四、距离保护的整定计算

相间距离保护多采用阶段式保护,三段式距离保护整定计算原则与三段式电流保护基本相同.

1、相间距离Ⅰ段保护的整定

相间距离保护第Ⅰ段动作阻抗为：

可靠系数取0.8～0.85。

若被保护对象为线路变压器组，则动作阻抗为：

如果整定阻抗角与线路阻抗角相等，则保护区为被保护线路全长的80%～85%。

2、相间距离Ⅱ段保护的整定

相间距离Ⅱ段应与相邻线路相间距离第Ⅰ段或与相邻元件速动保护配合。

①与相邻线路第Ⅰ段配合

动作阻抗为：

式中：

Kbmin——最小分支系数。

KⅡrel——可靠系数，一般取0.8。

关于分支系数：

助增分支（保护安装处至故障点有电源注入，保护测量阻抗将增大）

B、汲出分支（保护安装处至故障点有负荷引出，保护测量阻抗将减小。）

Znp1——引出负荷线路全长阻抗

Znp2——被影响线路全长阻抗

Zset——被影响线路距离Ⅰ段保护整定阻抗

汲出系数是小于1的数值。

C、助增分支、汲出分支同时存在时

总分支系数为助增系数与汲出系数相乘。

例题：分支系数计算

已知，线路正序阻抗0.45Ω/KM ，平行线路70km、MN线路为40km，距离Ⅰ段保护可靠系数取0.85。M侧电源最大阻抗ZsM.max=25Ω、最小等值阻抗为ZsM.min=20Ω;N侧电源最大ZsN.max=25Ω、最小等值阻抗分别为ZsN.min=15Ω，试求MN线路M侧距离保护的最大、最小分支系数。

解：

（1）求最大分支系数

最大助增系数：

最大汲出系数：

最大汲出系数为1。

总的最大分支系数为：

（2）求最小分支系数

最小助增系数：

=2.52

最小汲出系数：

总分支系数：

②与相邻元件的速动保护配合

灵敏度校验：

要求：≥1.3～1.5

若灵敏系数不满足要求，可与相邻Ⅱ段配合，动作阻抗为

动作时间：

3、相间距离Ⅲ段保护的整定

整定计算原则：按躲过最小负荷阻抗整定

①按躲过最小负荷阻抗整定

可靠系数取1.2～1.3；全阻抗继电器返回系数取1.15～1.25。若测量元件采用方向阻抗继电器：

Ψlm——方向阻抗继电器灵敏角

Ψld——负荷阻抗角

②灵敏度校验

近后备时：

要求≥1.3～1.5

远后备时：

要求≥1.2

注意：以上动作阻抗为一次侧计算值，工程实践中还应换算成继电器的整定值：

五、阶段式零序电流保护的整定

三段式零序电流保护原理接线图

1、零序电流速断保护

与反应相间短路故障的电流保护相似，零序电流保护只反应电流中的零序分量。躲过被保护线路末端接地短路时，保护安装处测量到的最大零序电流整定。

由于是保护动作速度很快，动作值还应与“断路器三相触头不同时闭合”、“非全相运行伴随振荡”等现象产生的零序电流配合，以保证选择性。按非全相且振荡条

件整定定值可能过高，灵敏度将不满足要求。

措施：通常设置两个速断保护，灵敏Ⅰ段按条件①和②整定；不灵敏Ⅰ段按条件③整定。在出现非全相运行时闭锁灵敏Ⅰ段。

2、限时零序电流速断保护

基本原理与相间短路时阶段式电流保护相同，不再赘述。当灵敏度不满足要求时：可采用与相邻线路的零序Ⅱ段配合，其动作电流、动作时间均要配合。

3、零序过电流保护

动作电流整定条件：

①躲过下级线路相间短路时最大不平衡电流

②零序Ⅲ段保护之间在灵敏度上要逐级配合