第二章的第一节单侧电源网络相间短路的电流保护

第二章 电网的电流保护

第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护

一、电磁型电流继电器

电流继电器是实现电流保护的基本元件，也是反应于一个电气量而动作的简单继电器的典型。它可以是机电式的，也可以是静态式的。下面，通过对机电式的电磁型过电流继电器的分析来说明继电器的工作原理和继电特性。

图2－1是电磁型电流继电器的原理结构图。1为线圈，2为铁芯，3是空气隙，4为可动舌片，5和6分别为可动触点和固定触点，7是弹簧，8为止档。

图2-1 电磁型电流继电器的原理结构

1—线圈；2—铁芯；3—空气隙；4—可动舌片；5—可动触点；6—固定触点

?产生出磁通?，它通过由铁芯、空气隙和可动舌片组成的磁路。舌片被磁化后，通过线圈l的电流IJ与铁芯的磁极产生电磁吸力，企图吸引舌片向左转动；当电磁吸力足够大时，即可吸动舌片并使可动触点

5与固定触点6接通，称为继电器“动作”。

当铁芯不饱和时，?与IJ成正比，而与磁路的磁阻成反比。由于磁路的磁阻几乎都集中在空气隙中，因此磁阻与气隙的长度?成正比，则磁通就与?成反比。因此与?成正比的电磁吸力作用到舌片上产生的电磁转矩可表示为

2Mdc?K1??K2式中 K1、K2——比例常数。

22IJ?2 （2－1）

电力系统正常运行时，继电器线圈中流入负荷电流，作用于可动舌片上的工作转矩就是上述电磁转矩；

1

而作用于其上的制动转矩为弹簧的初拉力矩Mth1，对应此时的空气隙长度为?1。两者平衡，这样可动舌片不会向左转动，继电器触点不闭合。

当电流增大时，Mdc增大，可动舌片向左转动；而可动舌片受到的制动转矩有二个：一个是与弹簧伸长成正比的反抗转矩，当舌片向左移动使气隙由?1减小到?时，该转矩可表示为

Mth＝Mth1＋K3（?1－?） （2－2）

式中 K3——比例常数。另一个是舌片转动的过程中所必须克服的摩擦转矩Mm，其值可认为是一个常数，不随?的改变而变化。因此，阻碍继电器动作的全部制动转矩就是Mth＋Mm。继电器能够动作的条件是

Mdc?Mth＋Mm （2－3）

满足上述条件的，能使继电器动作的最小电流值称为继电器的动作电流，也称为起动电流，以Idz.J表示。对应此时的电磁转矩，根据（2－1）式可表示为

Mdz＝K2I2dz.J?2 （2－4）

图2－2表示了当舌片由起始位置（气隙为?1）转动到终端位置（气隙为?2）时，电磁转矩及制动转矩与行程的关系曲线。当Idz.J不变时，随着?的减小，Mdz与其平方成反比增加，按曲线1变化；而制动转矩则按线性关系增加，如直线2所示。因此在行程的末端将出现一个剩余转矩Msh，它有利于保证继电器触点的可靠闭合。

继电器动作后，逐渐减小电流以减小电磁转矩，处于吸起状态的可动舌片在弹簧的作用下会返回原位。在这个过程中，摩擦力又起着阻碍返回的作用。因此继电器能够返回的条件是

Mdc?Mth?Mm （2－5）

满足上述条件的、能使继电器返回原位的最大电流值称为继电器的返回电流，以Ih.J表示。代入(2—1)式，则得对应于此时的电磁转矩

Mh＝K2I2h.J?2 （2－6）

在返回过程中，转矩与行程的关系如图2—2中的直线3和曲线4。

返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数，用Kh表示

2

Kh＝

Ih.J （2－7） Idz.J返回系数是表征继电器性能好坏的重要参数。由以上分析可见，由于行程末端存在剩余转矩以及摩擦转矩的影响，电磁型过电流继电器的返回系数约为0.8~0.85。一切过量动作的继电器返回系数恒小于l。为使继电器在电力系统故障切除后易于返回，其返回系数应尽可能接近于1。可以采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩，改善磁路系统的结构以适当减小剩余转矩等方法。

继电器起动电流的调整，一般是利用改变线路的匝数和弹簧的初拉力来实现。

上面分析的电流继电器具有如下特性：当IJ

以上所述的电磁型电流继电器，当线圈不通电时，触点是断开的，而当继电器动作时，其触点瞬时闭合。这类继电器触点被称为瞬时动作的常开触点。

图2-2 电磁型电流继电器转矩曲线

1—起动电磁转矩；2—起动时的反作用转矩；3—返回时的反作用转矩；4—返回时的电磁转矩

二、电流速断保护

当电网中发生相间短路时，短路电流比正常时的负荷电流大得多；并且短路点越靠近电源处，短路电流越大。根据对继电保护速动性的要求，保护装置动作切除故障的时间原则上总是越快越好，因此，在输电线路上一般总是考虑装设既能快速动作而又简单可靠的保护，电流速断保护就属于这样的保护。仅反应于被保护线路一侧电流增大而瞬时动作的保护就称为电流速断保护。

在图2－3所示的单侧电源放射网中，假定每条线路上均装有电流速断保护，我们希望每一个速断保护都能保护自己线路的全长，这是对继电保护全线速动性的要求；同时在下一条线路出口短路时又不动作，这是对继电保护选择性的要求。但是全线速动性和选择性的要求是不能同时满足的。

以保护2为例，实际上d1点和d2点短路时，从保护2安装处所流过短路电流的数值几乎是一样的。

3

因此，d1点短路时速断保护2能动作，则d2点短路时保护2必然也会动作。同样地，保护l也无法区别d3和d4点的短路。

图2-3

解决这个矛盾的办法就是优先保证动作的选择性，即从保护装置起动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不起动，在继电保护技术中，这又称为按躲开下一条线路出口短路的条件整定。

由于电流速断保护整定计算是以电网中发生相间短路时流过的短路电流为基础的，因此定义保护装置的起动电流这一概念，它是指能使该保护装置起动的最小电流值，以I'dz表示。它所代表的意义是：当被保护线路的一次侧电流等于或大于这个数值时，安装在该处的保护装置就能够起动。I'dz和继电器起动电

?.J之间满足如下关系 流Idz?.J?Idz?Idz （2－8） nl其中，nl是电流互感器的变比。

根据电力系统短路的分析，当电源电势一定时，短路电流的大小与短路点和电源之间的总阻抗及短路类型有关。三相短路电流的数值可表示为

Id＝

E?Z?＝

E?Zs?Zd （2－9）

式中 E?——系统等效电源的相电势；

Zd——短路点至保护安装处之间的阻抗； Zs——保护安装处到系统等效电源之间的阻抗。

从（2-9）式可以看出：短路地点不同，Zd不同，Id就不同；系统运行方式变化时，E?和Zs变化，

Id也不同；两相短路电流的表达式也与（2-9）式不同，Id还决定于短路类型。所以，同一个系统有多条

短路电流曲线Id?f(l)，l为短路点至保护安装处的距离。对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的

4

短路电流为最大的方式称为系统最大运行方式；而短路电流为最小的方式则称为系统最小运行方式。在最大运行方式下三相短路时，通过保护装置的短路电流为最大，此时的短路电流变化曲线如图2-3中曲线Ⅰ所示；而在最小运行方式下两相短路时短路电流为最小，对应的短路电流变化曲线如图2-3中的曲线Ⅱ所示。

为了保证电流速断保护动作的选择性，其起动电流I'dz必须大于系统最大运行方式下被保护线路末端发生三相短路时的电流，即

?.1?Id.c.max?Idz ??I?Id.b.max?dz.2考虑到电流继电器实际起动值可能小于整定值、短路电流计算误差以及短路电流计算采用的是次暂态电流

'而未计及衰减非周期分量的影响等因素，引入可靠系数Kk=1.2~1.3，则可写为

?.1?Kk?Id.c.max?Idz （2－10） ????Idz.2?KkId.b.max这样整定好的起动电流是不变的，与短路点远近（或Zd）无关，故在图2-3中是一条直线，它与曲线?和Ⅱ各有一个交点。在交点至保护安装处的一段线路上短路时，由于短路电流大于起动电流，保护装

置能动作。而在交点以右的线路上短路时，由于短路电流小于起动电流，保护将不能起动。由此可见，电流速断保护不能保护线路的全长。系统最大运行方式下发生三相短路时，电流速断的保护范围最大为lmax；而当出现系统最小运行方式下的两相短路时，电流速断的保护范围最小为lmin。保护范围随系统运行方式的变化而变化。

速断保护的灵敏性用保护范围的大小来衡量，此保护范围用线路全长的百分数表示；一般要求该保护范围不小于线路全长的15%，应按系统最小运行方式下两相短路来校验保护范围。

设线路及系统其他元件只考虑电抗，当起动电流I'dz算出后，最小保护范围用解析法由下式推出：

(2)??Id令Idz.l.min （2-11）

式中：Id.l.min——系统最小运行方式下，最小保护范围末端发生相间短路的最小短路电流。在系统正、负序阻抗相等情况下，该电流是同一点同一系统运行方式下三相短路电流的

3倍。 2(2)??Id将 Idz.l.min?E?3(3)3 代入上式得： Id.l.max?22xs.max?xl.minE?3? （2-12） Kk?xs.min?xl2xs.max?xl.min式中：xs.max——系统最小运行方式下的最大等值阻抗。

E? 5

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