电力线路的继电保护

电力线路因各种原因可能发生相间和相地短路故障。因此，必须有相应的保护装置来反映这些故障并控制断路器跳闸，以切除故障。本节主要阐述电力线路保护的原理和保护的整定计算。为便于学习，先介绍几个继电保护的基本概念。

启动电流：对反映于电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置启动的最小电流值，称为保护装置的启动电流。

返回电流：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。

继电特性：无论启动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置，这种特性称为继电特性。

系统最大运行方式：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，称为系统最大运行方式。

系统最小运行方式：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，称为系统最小运行方式。

电压死区：当功率方向继电器正方向出口附近发生三相短路、两相接地短路以及单相短路时，由于故障相电压数值很小，使继电器不能动作，这称为继电器的电压死区。

6.2.1 三段式电流保护

根据线路故障对主、后备保护的要求，线路相间短路的电流保护有三种，即无时限电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护。这三种电流保护分别称为相间短路电流保护第Ⅰ段、第Ⅱ段和第Ⅲ段。其中，第Ⅰ、Ⅱ段作为线路主保护，第Ⅲ段作为本线路主保护的近后备保护和相邻线路或元件的远后备保护。第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护，统称为线路相间短路的三段式电流保护。

1.电流速断保护（电流Ⅰ段）

电力线路上发生相间短路时，故障相的电流会增大，当线路电流超过规定值时，继电器将会动作于跳闸，这就是线路的电流保护。其中，最简单、能瞬时动作的，按流过相邻元件首端短路整定的一种电流保护，叫做无时限电流速断保护。

电流速断保护的作用是保护在任何情况下只切除本线路上的故障，其原理可用图6.2.1所示的单电源辐射网络来说明。假定图中断路器1QF、2QF处均装有无时限电流速断保护。以AB线路断路器1QF处的无时限电流速断保护为例，则必须首先计算AB线路各处三相和两相短路时的短路电流，以确定如何计算该保护的动作电流和如何校验该保护的灵敏度。

整定原则。根据电力系统短路的分析，当电源电势一定时，短路电流的大小取决于短路点和电源之间的总阻抗Z。若忽略线路的电阻分量，则阻抗值等于电抗值。归算至断路器1QF处的系统等效电源的相电势为Es，等效电源的阻抗最大值为Xsmax（对应该等效电源系统最小运行方式），最小值为Xsmin（对应该等效电源系统最大运行方式），故障点至保护安装处的距离为l，设每千米线路的电抗为x1，则在线路各点三相和两相短路时的短路电流分别为

图6.2.1 无时限电流速断保护整定示意图

其对应的短路电流值如图6.2.1中的曲线1和2所示。

若将断路器1QF处无时限电流速断保护装置中使测量元件动作的一次电流称为保护的动作电流，用表示。应整定为

式中：称为电流保护第Ⅰ段的可靠系数，可取1.2～1.3，以保证存在各种误差的情况下（如元件整定误差和非周期分量影响等），该保护在区外短路时不动作；Ik Bmax为母线B处短路即被保护线路AB末端短路时的最大短路电流，AB线路断路器1QF处电流保护第Ⅰ段的动作电流可用图6.2.1的直线3表示。

通过以上分析，可得到下述结论。

（1）电流速断保护依靠动作电流保证选择性，即被保护线路外部短路时流过该保护的电流总是小于其动作电流，不能动作，而只有在内部短路时，才有可能使流过保护的电流大于其动作电流，使保护动作。也就是说，1QF处电流保护第Ⅰ段的人为延时为0s，即电流保护第Ⅰ段的动作时间为＝0s。

（2）电流速断保护的灵敏度可用保护范围，即它所保护的线路的长度的百分数来表示。因此，在不同运行方式和短路类型时，保护范围（或灵敏度）各不相同，如图6.2.1所示，当系统在最大运行方式下三相短路时保护范围最大为lmax，而系统在最小运行方式下两相短路时保护范围最小为lmin。

（3）电流速断保护不能保护线路全长。应按最小运行方式下的两相短路来校验其保护范围，即采用最不利情况下保护的保护范围来校验保护的灵敏度。一般要求保护范围不小于线路长度的15％，即lmin≥15％l AB。从图6.2.1可知，lmin可由解析法求得。

由式（6－1）知

可求得

电流速断保护的优点是简单可靠、动作迅速，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。

2.限时电流速断保护（电流Ⅱ段）

电流速断保护（电流Ⅰ段）不能保护线路的全长，因此，必须加装限时电流速断保护（电流Ⅱ段），用来切除本线路上电流Ⅰ段保护范围以外的故障，同时也作为电流Ⅰ段的后备保护。这样，线路上的电流保护第Ⅰ段和第Ⅱ段共同构成整个被保护线路的主保护，以尽可能快的速度、可靠并有选择性地切除本线路上任一处包括被保护线路末端的相间短路故障。

由于本线路末端和相邻下一线路首端的电气距离完全一样，因此，保护范围必须延伸至相邻的下一线路，方可保证在有各种误差的情况下仍能保护本线路的全长。

为了保证在相邻下一线路出口处短路时保护的选择性，本线路的电流Ⅱ段在动作时间和动作电流两个方面均必须和相邻线的无时限电流速断保护配合。

电流Ⅱ段的动作电流、动作时间的整定计算如图6.2.2所示。

图6.2.2 限时电流速断保护（电流Ⅱ段）整定计算

图6.2.2中，设断路器1QF处的电流Ⅱ段的动作电流和动作时间分别为和，为保证保护范围超过l AB，必须满足

为保证和相邻线路电流保护第Ⅰ段（即断路器2QF处的无时限电流速断保护）配合，必须满足

为保证在相邻下一线路断路器出口短路时的选择性，即保证相邻下一线路保护出口短路时只由相邻下一线路的无时限电流速断保护动作跳断路器2QF，则应该使断路器1QF处的电流Ⅱ段动作时间比断路器2QF处无时限电流速断保护的动作时限大，即

以保证在相邻下一线路的出口处短路时，由断路器2QF处的无时限电流速断保护首先动作，使断路器2QF跳闸切除故障。这时故障电流消失，而断路器1QF处的电流Ⅱ段的测量元件和逻辑元件均会返回，且无输出，故不能动作跳断路器1QF。可见，断路器1QF处电流Ⅱ段的动作电流和动作时间应分别整定为

式中，为断路器2QF处无时限电流速断保护的动作电流。参照式（6－2）计算，即

式中：为断路器1QF处带时限流速断保护的动作时间；为断路器2QF处无时限电流速断保护的动作时间，一般为0s；为电流保护第Ⅱ段的可靠系数，一般取1.1～1.2；Δt为时限阶段，它与断路器的动作时间、被保护线路的保护的动作时间误差、相邻保护动作时间误差等因素有关，一般取0.3～0.6s，在我国通常取0.5s；Kbmin为分支系数最小值。

分支系数Kb的定义为在相邻线路第Ⅰ段保护范围末端即k1点短路时，流过故障线短路电流与流过被保护线短路电流的比值。如图6.2.2中，其分支系数

Kb大小因A、B两母线处等值电源的阻抗值不同而不同，也因BC之间是否存在并联回路或环路而不同。在图6.2.2中，若仅B母线有助增电源而BC线无并联回路，因为k1点短路时有助增电流IB，故Kb＞1；若B母线处无电源而与BC线有并联回路时，因并联回路有分流而使Kb＜1；若B母线处有电源且BC间有并联回路时，则Kb可能大于1也可能小于1。

电流保护第Ⅱ段整定值确定后，也须校验其灵敏度是否满足技术规程的要求，即必须满足

式中，Ik Bmin为在本线末端短路时流过1QF处保护的最小短路电流；为电流Ⅱ段的灵敏度，其值在技术规程中规定：当线路长度小于50km时，大于或等于1.5；当线路长度在50～200km时，大于或等于1.4；当线路长度大于200km时，大于或等于1.3。

当该保护灵敏度不满足要求时，动作电流可采用和相邻线路电流保护第Ⅱ段整定值配合方案，以降低本线路电流保护第Ⅱ段的整定值而提高其灵敏度，整定值为动作时间亦和相邻线电流保护第Ⅱ段动作时间配合。这种提高灵敏度的办法牺牲了断路器1QF处电流保护第Ⅱ段的速动性。当上述电流保护仍不满足灵敏度或动作时间要求时，应考虑采用基于其他原理而灵敏度更高的继电保护，如距离保护、纵联保护等。

3.定时限过电流保护（电流Ⅲ段）

定时限过电流保护简称过电流保护或过负荷保护。它一般用作本线路主保护的后备保护即近后备保护，并作相邻下一线路（或元件）的后备保护即远后备保护，因此，它的保护范围要求超过相邻线路（或元件）的末端。

仍以图6.2.2中断路器1QF处定时限过电流保护为例，其电流保护第Ⅲ段的动作电流应按以下条件进行整定。

（1）正常运行并伴有电动机自启动而流过最大负荷电流时，该电流保护不动作，即要求动作电流满足下式

式中：Kss为电动机的自启动系数，由具体接线、负荷性质、试验数据及运行经验等因素确定，一般Kss＞1；ILmax为正常情况下，流过被保护线路可能的最大负荷电流。

（2）外部故障切除后，非故障线路的电流Ⅲ段在下一母线有电动机启动，且流过最大负荷电流时，应能可靠返回，即要求满足

式中，Ire为电流测量元件的返回电流。

若电流满足式（6－8），则必然满足式（6－7），故取式（6－8）作为整定电流的计算公式，并将返回系数代入式（6－8）后，整理得到

式中：为电流Ⅲ段的可靠系数，一般取1.15～1.25；Kre为电流测量元件的返回系数，一般取0.85。

由于电流Ⅲ段的动作值只考虑在最大负荷电流情况下保护不动作和保护能可靠返回，而无时限电流速断保护和带时限电流速断保护的动作电流必须躲过某一个短路电流，因此，电流Ⅲ段动作电流通常比电流Ⅰ段和电流Ⅱ段的动作电流小得多，故其灵敏度比电流Ⅰ段和电流Ⅱ段更高。在线路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段的电测量元件均可能动作。为了保证选择性，各线路第Ⅲ段电流保护均需增加延时元件且各线路第Ⅲ段保护的延时必须相互配合。例如在图6.2.2中，断路器1QF处第Ⅲ段电流保护的动作时间应和相邻线路断路器2QF所在线段的第Ⅲ段电流保护动作时间配合，断路器2QF所在线路的第Ⅲ段保护的动作时间应和断路器3QF所在线路第Ⅲ段保护的动作时间配合，以此类推。各线路定时限过电流保护动作时间的相互配合关系为两相邻线路电流保护第Ⅲ段动作时间之间相差一个时限阶段，这种整定方法称为阶梯原则整定方法。

对于所计算的动作电流必须按其保护范围末端最小可能的短路电流进行灵敏度校验。例如，断路器1QF处定时限过电流保护的灵敏度校验：当它作为近后备保护时，灵敏度要求大于1.3；当它作为远后备保护时，灵敏度要求大于1.2。当灵敏度不满足要求时，可采用低电压启动的过电流保护或基于其他原理而灵敏度更高的继电保护。

电流Ⅲ段的主要优点是只需躲过最大负荷电流，因而动作电流小、灵敏度好；其主要缺点是，当故障越靠近电源端，短路电流越大，此时，过电流保护动作切除故障的时限反而越长。正因为如此，过电流保护很少用作主保护。

4.电流保护的基本接线方式

电流保护的接线方式，是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。目前广泛应用的是三相星形接线（见图6.2.3）和两相星形接线（见图6.2.4）。

图6.2.3 电流保护的三相星形接线

图6.2.4 电流保护的两相星形接线

三相星形接线是将三个电流互感器与三个电流继电器分别按相连接在一起，互感器和继电器均接成星形，在中线上流回的电流正常时为零，在发生接地短路时，则为三倍零序电流。三个继电器的触点是并联接线的，相当于“或”回路，当其中任一触点闭合后，均可动作与跳闸或启动时间继电器等。由于在每相上均有电流继电器，因此，它可以反映各种相间短路和中性点直接接地电网中的单相接地短路。

两相星形接线用装设在两相（如A、C相）上的两个电流互感器与两个电流继电器分别按相连接在一起，它和三相星形接线的主要区别在于B相上不装设电流互感器和相应的继电器，因此，它不能反应B相中所流过的电流。

三相星形接线广泛应用于发电机、变压器等大型贵重电力设备的保护中，因为它能提高保护动作的可靠性和灵敏度。此外，它也可用于中性点直接接地电网中，作为相间短路和单相接地短路的保护。由于两相星形接线较为简单经济，因此，在中性点直接接地电网和非直接接地电网中，都是广泛地采用它作为相间短路的保护，此外，在分布很广的中性点非直接接地电网中，采用两相星形可以保证有2／3的机会只切除一条线路，这一点比使用三相星形接线是有优越性的。当电网中的电流保护采用两相星形接线方式时，应在所有的线路上将保护装置安装在相同的两相上，以保证在不同线路上发生两点及多点接地时，能切除故障。

5.阶段性电流保护总体评价

电流速断（电流Ⅰ段）、限时电流速断（电流Ⅱ段）和过电流保护（电流Ⅲ段）都是反应于电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择启动电流，即速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时速断是按照躲开前方各相邻元件电流速断保护的动作电流来整定，而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。

由于电流速断不能保护线路全长，限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护，因此，为保证迅速而有选择性地切除故障，常常将电流速断、限时电流速断和过电流保护组合在一起，构成阶段式电流保护。具体应用时，可以只采用速断加过电流保护，或限时速断加过电流保护，也可以三者同时采用。

电流速断（电流Ⅰ段）、限时电流速断（电流Ⅱ段）和过电流保护（电流Ⅲ段）组成的三段式电流保护，最主要的优点就是简单、可靠，且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。因此，在电网中，特别是在35kV及以下的较低电压的网络中获得了广泛的应用。三段式电流保护的缺点是它直接受电网的接线，以及电力系统运行方式变化的影响，例如，整定值必须按系统最大运行方式来选择，而灵敏度则必须用系统最小运行方式来校验，这就使它往往不能满足灵敏系数或保护范围的要求。

6.2.2 方向电流保护

1.方向电流保护的提出

现代电力系统是多电源系统。三段式电流保护应用于多电源网络时，存在固有的选择性难题。

如图6.2.5所示两端有电源的线路上，为了切除线路上的故障必须在线路两侧均装设断路器及其相应的保护。

图6.2.5 双电源网络中电流保护的选择性

假设断路器8断开，电源不存在，发生短路时，保护1、2、3、4的动作情况和由电源单独供电时一样，它们之间的选择性是能够保证的。

同理，如果不存在，由电源单独供电，此时保护5、6、7、8也同样能够保证动作的选择性。若两个电源同时存在，当k1点短路时，按选择性要求，应由距故障点最近的保护2和6动作切除故障。然而由电源供给的短路电流也将通过保护1：如果保护1采用电流速断且短路电流大于保护装置的启动电流，则保护1的电流速断就要误动作；如果保护1采用过电流保护，则保护1的过电流保护也可能误动作。同理，其他地点短路时，对有关的保护装置也能得出相应的结论。误动作的保护都是在自己所保护的线路反方向发生故障时，由对侧电源供给的短路电流引起的对误动作的保护而言，实际短路功率的方向都是由线路流向母线的。

为了消除这种无选择性的动作，需要在可能误动作的保护上装设一个功率方向闭锁元件，该元件只当短路功率方向由母线流向线路（规定此方向为正）时动作，由线路流向母线（规定此方向为负）时不动作，从而继电保护的动作具有一定的方向性。方向性过电流保护的单相原理接线如图6.2.6所示，主要由方向元件、电流元件和时间元件组成。方向元件和电流元件必须都动作以后，才能启动时间元件，再经过预定延时后动作于跳闸。

2.方向电流保护的构成

方向电流保护的构成，可用图6.2.6所示的原理框图来说明。图中：TV为电压互感器；TA为电流互感器；KA为电流测量元件；KW为功率方向测量元件，在保护线路正方向短路时动作，即短路功率为正（由母线流向线路）时动作；KT为延时逻辑元件；KS为信号元件。

为简化保护接线和提高保护的可靠性，电流保护每相的第Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段可共用一个方向元件。实际上各开关处电流保护并非一定装设方向元件，而仅在动作电流、动作时间不满足选择性时才加方向元件。一般来说，电流保护的第Ⅰ段在动作电流满足选择性时，不加方向元件，电流保护的第Ⅱ段在动作电流和动作时间能满足选择性时，不加方向元件。

图6.2.6 方向电流保护的构成原理

图6.2.7 功率方向元件90°接线的电流、电压关系

3.功率方向元件

方向电流保护与一般电流保护的差别仅多了一个功率方向元件。功率方向元件原理是利用在保护正、反方向短路时，保护安装处母线电压和流过保护的电流之间的相位变化构成的。

为了保证功率方向元件的方向性和灵敏度，相间短路的功率方向元件一般采用90°接线方式。

所谓90°接线方式是指系统在三相对称且功率因数为1的情况下，接入功率方向元件的电流超前所加电压90°的接线。

如图6.2.7所示，若接入功率方向测量元件的电流为，则按90°接线，加入该功率方向测量元件的电压应为。

功率方向元件的动作方程为

将式（6－10）的关系用图形表示，即为功率方向元件的动作区域，如图6.2.8（a）所示的阴影区。

在图6.2.8（a）中，若反时针旋转α角后与同相，这时功率方向元件处于最灵敏状态，称α为功率方向元件的内角，且将此时所加电压和电流之间的角φr称为功率方向元件的最大灵敏角，用φsen表示。

显然，由其定义，参见图6.2.8，最灵敏角、内角和线路阻抗角之间的关系是

α＝－φsen＝－φr＝－（90°－φk） （6－11）

功率方向元件的动作不仅与所加的电流、电压间的角度大小有关，还与电流、电压值的大小有关。当Ir＜Ioprmin或Ur＜Uoprmin时，实际上功率方向元件因内部机械运动中的摩擦或电路损耗等都将不会动作。Ioprmin为功率方向元件的最小动作电流，Uoprmin为功率方向元件的最小动作电压。当功率方向元件所加电压小于其最小动作电压时，功率方向元件将拒绝动作，这个使功率方向元件拒绝动作的区域，叫做功率方向元件的死区。

若功率方向元件的内角α＝30°，且一定时，功率方向元件的动作电压与线路阻抗角之间的关系即Uopr＝f（φr）的函数关系称为功率方向元件的角度特性，如图6.2.8（b）所示。当φr＝－α时，Uopr＝f（Ir）的函数关系称功率方向元件的伏安特性，如图6.2.8（c）所示。两图中所示阴影区，均为功率方向元件的动作区。

图6.2.8 功率方向元件的动作特性

（a）动作区；（b）角度特性；（c）伏安特性

4.三段式电流保护整定举例

例6－1 图6.2.9所示网络中，已知：

（1）线路装有三段式电流保护1、2、3和4。流过线路AB和线路BC的最大负荷电流分别为120A和100A，负荷的自启动系数为1.8；

（2）保护3的第Ⅱ段保护的延时为0.5s，第Ⅲ段保护的延时为1.0s；线路AB第Ⅱ段保护的延时允许大于1s；

（3）A电源电抗Xs Amin＝15Ω，Xs Amax＝20Ω；B电源电抗Xs Bmin＝20Ω，Xs Bmax＝25Ω；线路电抗XAB＝40Ω，XBC＝24Ω；

（4）AB电源振荡时，流过A侧开关最大电流为1 770A；

（5）可靠系数；躲开最大振荡电流的可靠系数 1.15；返回系数Kre＝0.85。

试对保护1进行整定（即计算其动作电流、灵敏系数和动作时限）。

图6.2.9 例6－1网络一次接线图

解 （1）电流Ⅰ段保护整定。

AB线路接有双电源，因此，动作电流必须大于流过A侧开关的可能最大电流。

A电源最大运行方式下，B母线处最大三相短路电流

B电源最大运行方式下，A母线处最大三相短路电流

因为1.15×1 770＝2 040＞1.25×1 210＝1 513A，所以动作电流整定应以躲过AB电源振荡时流过A侧开关最大电流为原则，即

其灵敏度（保护范围）应通过最小运行方式下两相短路电流来校验。对应动作电流的最小保护范围（距离可用电抗表示）可由式（6－3）推得

用百分值表示的最小保护范围

可见，满足灵敏度要求。

电流I段的动作时限为0s。

（2）电流Ⅱ段整定。

电流Ⅱ段的动作电流按式（6－4）整定，即

此处

最小分支系数（按电抗分流计算）

故动作电流

灵敏系数

灵敏系数不满足要求。

计算电流Ⅱ段动作时限。如前所述，当该保护灵敏度不满足要求时，动作电流可采用和相邻线路电流保护第Ⅱ段整定值配合方案，即

（3）电流Ⅲ段整定。

作近后备时的灵敏系数，同（2）理，求得

可见灵敏度满足要求。

作远后备时，应以C母线处两相最小短路电流，并考虑分支电流的影响，此时分支系数应取最小运行方式下的最大值，即

灵敏度也满足要求。

电流Ⅲ段的动作时限

6.2.3 零序电流保护

前述电流保护如果采用三相完全星形接线，虽然也可以反映中性点接地电网的单相接地短路，但灵敏度不够理想，时限也较长，因此，要考虑装设专用的接地保护即零序电流保护。至于中性点不接地或经高阻抗接地的系统，由于接地电容电流相对较小，同时尚无较完善的保护方式，此处只作简略介绍。

接地短路是电力系统中架空线路上出现最多的一类故障，尤其是单相接地故障可能占所有故障中的90％左右。对于大接地电流系统中的单相接地短路，用完全星形接线的相间电流保护可能不满足灵敏度要求，因此，必须装设专门的接地短路保护。反映接地短路的保护主要有反映零序电流、零序电压和零序功率方向的电流保护，接地距离保护及纵联保护等。

1.中性点直接接地系统中，接地时零序分量的特点

当中性点直接接地电网（或者大接地电流系统）中发生接地短路时，系统中将出现很大的零序电流，这在正常运行时是不存在的，因此，利用零序电流来构成接地保护就具有非常大的优点。

在大接地电流系统中发生接地短路时，可以利用对称分量法将电流、电压分解为正序、负序和零序分量，并利用复合序网表示它们之间的关系。图6.2.10绘出了某系统发生单相接地时的零序网络及零序电流电压的分布。

图6.2.10 单相接地时零序电流与零序电压

由图6.2.10可以看出：当发生单相接地时，故障点出现了零序电压，规定零序电压的方向是线路高于大地为正。零序电流可以看成是由故障点的零序电压所产生的，它们经过变压器中性点构成回路。零序电流的正方向，仍然采用由母线流向故障点为正。

由图6.2.10零序网络图可见，零序分量具有以下特点。

（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，到变压器接地的中性点处零序电压为0。

（2）由于零序电流是由零序电压产生的，因此，零序电流的大小和相位由零序电压和电网中性点至接地故障点的零序阻抗所决定。换言之，零序电流的分布主要取决于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。当变压器中性点不接地时，零序电流将变为0，如图中变压器T1不接地时，零序电流则为0。

同时也应指出，即使中性点接地数不变、零序网络及零序阻抗不变，但当电力系统运行方式变化时，由于正序阻抗及负序阻抗的改变，也会间接影响零序电流的大小，但这个影响一般不太大。

（3）零序功率的正方向与正序功率的正方向相反，而是由故障点指向母线。正序电流滞后正序电压90°，而零序电流却超前零序电压90°，都以电压为参考相量时，两者电流方向相差180°，所以它们的功率方向相反。

（4）保护安装处（如A点）的零序电压为

亦即接入保护装置的零序电压与零序电流的相位差，只取决于保护安装处背后变压器的零序阻抗，而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。

2.大接地电流系统中的零序电流保护

在大接地电流系统中的零序电流保护是利用中性点直接接地，电网中发生接地故障时出现零序电流的特点而构成。在110kV以上的单电源辐射形网络，常常采用无方向的三段式零序电流保护作为接地故障的主保护及后备保护。通常三段式零序电流保护由以下三部分组成。

（1）无时限零序电流速断保护，又称零序Ⅰ段保护。

（2）带时限零序电流速断保护，又称零序Ⅱ段保护。

（3）零序过电流保护，又称零序Ⅲ段保护。

从保护构成情况看，三段式零序电流保护与三段式相间电流保护相类似，其主要区别在于零序电流保护的测量元件（电流继电器）接入的电流量的性质不同，零序电流保护的测量元件是接在零序电流滤过器的出口。

1）零序电流Ⅰ段

无时限零序电流速断保护与反映相间短路的电流Ⅰ段在动作原理上是相似的。

当在被保护线路AB上发生接地短路时，流过保护A的最大3倍零序电流3I0。为了保证保护的选择性，其动作电流按下述原则整定。

（1）躲过被保护线路末端单相或两相接地短路时，流过保护的最大零序电流3I0max。

零序Ⅰ段与电流Ⅰ段一样，它是躲开末端短路整定，因此，它也只能保护本线路的一部分，但是由于线路的零序阻抗远比正序阻抗大（约为三倍），故3I0＝f（l）的曲线较陡，因此，零序Ⅰ段的保护范围比相间电流Ⅰ段的保护范围大得多。另一方面由于零序电流受运行方式的变化影响小，因此，它的保护范围也比较稳定。

在零序保护中还有一个特殊的问题，那就是即使在单侧电源供电网络中，如果线路末端处的变压器中性点也是接地的，就出现了一个类似“双端供电”网络的状况，因此，零序Ⅰ段的整定动作电流也必须大于最大的3I0值（即3I0max），以免发生误动。

（2）躲过断路器三相触头不同时闭合时所出现的最大零序电流。若保护动作时间大于断路器三相不同期时间（快速开关），本条件可不考虑。

（3）在220kV及以上的电网中普遍采用综合重合闸，若在非全相运行时又发生振荡，此时将出现较大的零序电流，有可能使零序保护误动。为此，用综合重合闸闭锁零序Ⅰ段（动作电流按条件（1）、（2）所整定的零序Ⅰ段，称为灵敏Ⅰ段），为了保证此时仍有快速的零序保护，特专门增设一个不灵敏的零序Ⅰ段，它按躲过非全相振荡时出现的最大零序电流整定。

综上所述，零序电流Ⅰ段可分为两种，灵敏零序Ⅰ段的动作电流按（1）、（2）条件中的大的来整定；不灵敏零序Ⅰ段的动作电流按第（3）条件整定。

零序Ⅰ段的灵敏度应按保护安装处接地短路时的最小零序电流校验，要求大于2。

2）零序电流Ⅱ段

零序Ⅱ段即带时限零序电流速断保护，它的原理及整定计算与用于相间短路保护的电流Ⅱ段相似。它能够保护线路全长，但在时间上要比相邻下一线路的零序Ⅰ段长一个时限Δt。它的动作电流应与下一线路的零序Ⅰ段相配合，其保护范围不应超过下一线路的零序Ⅰ段的保护范围。

零序Ⅱ段的灵敏系数应按最小运行方式下，被保护线路AB末端发生非对称接地故障时，流经保护安装点的最小零序电流进行校验。

若灵敏度校验不合格，可考虑与相邻线路零序Ⅱ段相配合。

零序Ⅱ段动作时间的整定方法如下：零序Ⅱ段与相邻下一线路零序Ⅰ段相配合时，其动作时限一般为0.5s；而当零序Ⅱ段与相邻下一线路零序Ⅱ段相配合时，时限再抬高一级，取为1～1.2s。

3）零序Ⅲ段

零序Ⅲ段的作用与相间短路过电流保护类似，在一般情况下用作本线路接地故障的近后备保护和相邻元件接地故障的远后备保护。但在中性点直接接地电网中的终端线路上，它也可以作为接地短路的主保护使用。

零序Ⅲ段动作电流的整定可以分为以下三种情况。

（1）本线路零序过电流保护的电流继电器的动作电流原则上应躲开下一条线路出口处发生三相短路时，保护装置零序电流滤过器中的最大不平衡电流。根据运行经验，一般取零序Ⅲ段电流继电器的动作电流为2～4A就可以躲开不平衡电流，又能保证保护的灵敏度。

（2）与相邻线路零序Ⅲ段保护进行灵敏度配合，即本级灵敏系数一定要小于下一级的灵敏系数。为此，零序Ⅲ段的启动电流必须进行逐级配合。

（3）如果在被保护的安装电网中，任一线路允许非全相运行，则动作电流应躲过非全相运行时出现的零序电流3I0。

根据上述三条件所确定的整定值，取较大者作为保护1零序Ⅲ段的整定值。

零序Ⅲ段的灵敏度按保护范围末端接地短路时，流过本保护的最小零序电流3I0min来校验。作为近后备保护时，灵敏度校验点选在本线末端，要求大于1.3～1.5；作为相邻线路的远后备保护时，灵敏度校验点选在相邻线路的末端，要求大于1.2。

零序Ⅲ段的动作时间和相间短路的定时限过电流保护一样，也按逆向阶梯原则整定。应该注意，对相间短路电流保护来说，不论短路故障发生在变化器的Y侧还是Δ侧，短路电流都是从电源流向故障点，其动作时限必须从离电源最远处开始，按阶梯原则选择。而对零序Ⅲ段来说，因为Y，d接线变压器的Δ侧发生任何故障时，在Y侧的电网不会出现零序电流，在Y侧发生接地故障时，变压器Δ侧绕组中虽然会出现零序电流，但它们只在绕组内形成环流，其引出线上没有零序电流，因此，这种情况下的零序电流保护动作时间不需要和下一级的保护动作时间配合，故其动作时限可取为0s，即其零序电流保护是瞬时动作的。可见，通常在同一线路上，零序Ⅲ段的动作时限分别小于相间短路过电流保护的动作时限，这是零序Ⅲ段的一大优点。

3.中性点直接接地电网接地短路的零序方向电流保护

在双侧或多侧电源中性点直接接地电网中，电源处变压器中性点一般至少有一台是接地的。由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器，因此，在变压器接地数目比较多的复杂网络中，如果仅配置无方向的零序电流保护，就可能失去选择性，导致保护的误动作。为了解决这一矛盾，应在零序电流保护的基础上，加装方向元件，以判别正、反方向的故障，这样的保护称之为零序方向电流保护。

取保护安装处零序电流的正方向为由母线指向线路，零序电压的方向是线路高于大地的电压为正方向。通常保护背侧系统零序阻抗角约为70°～80°，故零序电流超前零序电压的相角一般为95°～110°。

零序功率方向继电器的电流线圈接于零序电流滤过器回路，输入电流为3I0；电压线圈接于电压互感器二次侧开口三角形绕组的输出端，输入电压为3U0。零序功率方向继电器只反映被保护线路正方向接地短路时的零序功率方向。按规定的电流、电压正方向，当被保护线路发生接地短路时，3I0超前3U0约95°～110°，这时继电器应正确动作，并应工作在最灵敏的条件下，亦即继电器的最大灵敏角应为－90°～－110°。

目前，在电力系统中，实际使用的零序功率方向继电器都是把最大灵敏角制成70°～85°，即若从其正极性端输入的电流3I0滞后于按正极性端子接入的电压3U0为70°～85°，继电器最灵敏。所以，如把3I0和3U0不加任何改变地均从正极性端子接入继电器，则继电器肯定不工作在最灵敏状态。只有把3U0以相反方向加到继电器正极性端子上时，才能使断电器在最灵敏条件下工作。

因此，实际工作中，应把零序功率方向继电器的电流线圈中标有“＊”号的端子与零序电流滤过器上有“＊”的端子相连（即同极性相连），以取得3I0。而把继电器电压线圈上有“＊”的端子与零序电压滤过器上没有“＊”的端子相连（即异极性相连），以取得－3U0，保证正方向发生接地故障时，继电器工作在最灵敏的状态下。

根据图6.2.10零序电压分布的特点，故障点零序电压最高。当故障点越靠近保护安装处，作用在零序功率方向继电器上的零序电压越高，故零序方向元件没有电压死区。这也是零序方向保护的一大优点。

4.中性点非直接接地系统保护

1）中性点不接地系统单相接地的特点

图6.2.11所示为一中性点不接地系统。假定电网为空载，并忽略电源和线路上的压降，电网各相对地电容均为C0，则三个电容构成一对称负载。正常情况下，电源中性点对地电压为0，各相对地电压即为相电势。三相对地电压之和与三相电容电流之和均为0，此时电网中没有零序电压和零序电流。

当发生单相接地时，接地相（如A相）的对地电容被短接，则A相电位变为0，此时大地的电位不再和电网中性点等电位，而B、C两相对地电压将升高倍，而电网中性点电压则由0升高至相电压。

由于故障相（本例A相）电压为0，所以，电网内所有线路A相对地电容电流均为零，而非故障相（本例B、C相）由于电压升高其电容电流不为0，从而出现了零序电容电流。

图6.2.11 中性点不接地系统单相接地

而所有零序电流将全部汇流到接地点（即故障点），亦即接地点处的电流为各条线路非故障相对地电容电流的总和。

由图6.2.11可以看出，所有非故障相的电流都是从母线流向线路的。故障线路始端的零序电流为整个电网非故障线路的零序电流之和，其方向由线路流向母线。

根据对中性点不接地系统接地时电流电压分析，可以总结为以下几点。

（1）接地相电压为0，非接地相电压升高倍，系统内出现零序电压，其大小等于故障前电网的相电压，且系统各处零序电压相等。

（2）非故障线路的保护安装处通过的零序电流为该线路本身非故障相对地电容电流之和，方向从母线流向线路，超前零序电压90°。

（3）故障线路的保护通过的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向从线路指向母线，滞后零序电压90°。

根据以上分析，又考虑到单相接地故障时，故障电流数值不大，三个线电压仍然对称，对负荷供电短时不致有很大影响，线路可以继续供电1～2h。

2）中性点不接地系统的接地保护对策

（1）安装绝缘监视装置。利用单相接地时，系统会出现零序电压这一特征而构成的绝缘监视装置是最简单实用的中性点不接地系统单相接地保护方式。

绝缘监视装置的核心是一个零序电压滤过器，它的构成原理已在第1章中介绍过。在零序电压滤过器出口接上一个电压继电器及相应的出口回路就可以在系统接地时发出信号。值班人员根据这个信号结合电压表的指示，可以判定接地的相别。如要查寻接地线路，运行人员可依次断开线路，根据零序电压信号是否消失来找到故障线路。根据这个原理，目前已开发了多种形式的自动接地寻找装置，已在部分变电站中使用。

（2）采用零序电流保护。利用故障线路的零序电流大于非故障线路零序电流的特点，可以构成有选择性的零序电流保护并可动作于信号或跳闸。

保护装置动作电流，应按躲开本线路的零序电流来整定。

保护的灵敏度，应按在被保护线路上发生单相接地故障时，流过保护的最小零序电流校验，要求灵敏度大于1.25。

显然，电网中的线路越多、越长，保护的灵敏度越高，但电网的电容电流过大，就会在接地处产生电弧，引起间歇性弧光过电压，导致非故障相绝缘破坏，这是我们不希望的。我国国标规定，35kV电网接地电容电流不得大于10A，10kV电网接地电容电流不大于20A，因此，这种保护的灵敏度不可能很高。

（3）采用零序方向保护。利用接地时故障线路与非故障线路保护安装处零序电流的方向恰好相差180°的特点，可以构成有选择性的零序方向保护。

零序功率方向继电器的零序电流及零序电压均由装在保护安装处的零序滤过器取得。

从理论上说，零序方向保护的灵敏度要高于零序电流保护，而且不受运行方式变化影响。

3）中性点经消弧线圈接地的系统单相接地的特点及其保护

我国对小电流接地系统规定了接地电容电流的限制，那么，当电网实际的电容电流超过限值时，就必须采取措施，即在电源中性点处接入消弧线圈，使系统变为中性点经消弧线圈接地系统。

中性点经消弧线圈接地的系统单相接地如图6.2.12所示。

图6.2.12 中性点经消弧线圈接地系统单相接地

消弧线圈是一种带铁芯的特殊电抗器。在中性点经消弧线圈接地的系统中发生单相接地时，零序电容电流的分布与未接消弧线圈前是相同的，其不同点在于，当系统出现零序电压时，消弧线圈中有一感性电流流过，这样流过接地点的电流变成电感电流和电容电流的向量和。

因为电感电流与电容电流的方向相反，故电感电流实际上起“补偿作用”，从而使接地电流减小。根据电感电流对电容电流的补偿程度，可分为完全补偿、欠补偿和过补偿三种补偿方式。为避免谐振，一般采用过补偿（IL＞IC∑）方式。此时接地电流将呈感性，流经故障线路和非故障线路保护装置安装处的零序电流都是本线路的电容电流，其方向均为母线指向线路，其大小差异也不大，因此，原来用以构成单相接地保护的方式已不再适用。在这类系统中，主要依靠零序电压的监视来检测接地。

6.2.4 距离保护

1.距离保护的基本概念

距离保护是反映故障点至保护装置安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。

电力系统发展迅速，系统的运行方式变化增大，长距离重负荷线路增多，网络结构复杂化。在这些情况下，电流、电压保护的灵敏度、快速性、选择性往往不能满足要求。

距离保护的基本原理参见图6.2.13。图中线路A侧装设距离保护，由故障点到保护装置安装处间的距离为l，该保护的保护范围整定的距离为lset。如上所述，距离保护的动作原理可用方程表示为

l＜lset

满足此方程时表示故障点在保护范围内，保护装置动作；反之，则不应动作。

图6.2.13 距离保护的原理与时限特性

上述距离比较方程两端同乘以一个大于零的输电线每千米的正序阻抗值z1，距离的比较就转换成了阻抗的比较，即当保护测量到的阻抗（测量阻抗）小于整定阻抗时，表明故障发生在保护范围内，保护应动作；反之，表明故障发生在保护范围外，保护不应动作。所以，距离保护又称为低阻抗保护。距离保护由阻抗继电器来实现阻抗（即距离）的测量。

2.距离保护的时限特性

为了满足对保护的基本要求，距离保护也构成阶段式。描述其动作时限，与故障点至保护装置安装点间的距离l的关系曲线，称为距离保护的时限特性。广泛应用的三段式阶梯时限特性如图6.2.13所示。

距离保护Ⅰ段，为保证选择性，其保护范围应限制在本线路内。以保护1段为例，它的整定阻抗应小于ZAB，通常整定为（0.8～0.85）ZAB。由于不必和其他线路的保护配合，故第Ⅰ段动作不需带时限，仅由继电器的固有动作时间决定。

距离保护Ⅱ段，用以弥补第Ⅰ段之不足，尽快切除本线路末端15％～20％范围内的故障，但为了切除全线上的故障，势必延伸到下一条线路首端部分区域。为了缩短动作时限，距离保护Ⅱ段的保护范围要与相邻下一线距距离保护Ⅰ段配合。时限也与相邻下一线的保护Ⅰ段时限配合。距离保护Ⅰ段和距离保护Ⅱ段共同作为线路的主保护。

距离保护Ⅲ段，作为本线路距离保护Ⅰ段和距离保护Ⅱ段的近后备及相邻线路的远后备。其动作时限可与相邻下一线的保护Ⅲ段或保护Ⅱ段动作时限配合。

在超高压网络中，为简化距离保护的接线，也可采用只有Ⅰ、Ⅱ段或只有Ⅱ、Ⅲ段的两段式简化距离保护。

3.距离保护评价

距离保护的主要优点在于阻抗继电器同时反映电压的降低与电流的增大而动作，因此，距离保护较电流、电压保护有较高的灵敏度。其中，距离Ⅰ段的保护范围不受运行方式变化的影响而保持恒定；Ⅱ、Ⅲ段虽可能因系统运行方式的变化而影响其保护范围或灵敏度，但仍优于电流、电压保护。

距离保护的主要缺点有以下几点。

（1）不能实现全线瞬动。对双侧电源线路，将有全线30％～40％的范围采用第Ⅱ段时限。这使得距离保护可能不满足一般220kV及以上电压等级输电线路暂态稳定要求的极限切除时间，因而不便作为主保护。

（2）装置本身构成的元件多、接线复杂，因而维护较难，可靠性相对也较低。

距离保护的应用范围很广。对于不要求全线速动的高压和部分超高压线路（如35kV、110kV及部分220kV线）可作为相间主保护；对于一般的220kV及以上线路（包括部分110kV线），可作为相间及接地故障的后备保护。

6.2.5 高频保护

高频保护是以输电线载波通道作为通信通道的保护。高频保护广泛应用于高压和超高压输电线路，是比较成熟和完善的一种无时限快速保护。

高频保护将线路两端的电流相位（或功率方向）转化为高频信号，然后利用输电线路本身构成一高频（载波）电流的通道，将此信号送至对端，进行比较。因为它不反映被保护输电线范围以外的故障，在定值选择上也无需与下一条线路相配合，故可不带动作延时。

利用输电线路本身作为高频通道时，在传送50Hz工频电流的输电线上，叠加传送一个高频信号（或称载波信号），高频信号一般采用40～300k Hz的频率，以便与输电线路的工频相区别。输电线经高频加工后就可作为高频通道。高频加工所需的设备称高频加工设备。

目前广泛采用的高频保护，按工作原理的不同可分为两大类，即方向高频保护和相差高频保护。方向高频保护的基本原理是比较线路两端的功率方向，而相差高频保护的基本原理则是比较两端电流的相位。在实现上述两类保护的过程中，都需要解决一个如何将功率方向或电流相位转化为高频信号，以及如何进行比较的问题。

1.高频闭锁方向保护

目前广泛应用的高频闭锁方向保护，是以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭锁信号的方式构成的。此闭锁信号由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的受信机所接收，而把保护闭锁，故称为高频闭锁方向保护。

这种保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端保护的高频信号，而对于故障线路的两端则不需要发出高频信号使保护动作于跳闸，这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏时（如通道所在的一相接地或是断线），保护装置仍能够正确动作，这是它的主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。

对接于相电流和相电压（或线电压）上的功率方向元件，当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于两端的功率方向均为正，保护将要误动，这是一个严重的缺点。而对于反映负序或另序的功率方向元件，则不受振荡的影响。

由以上分析可以看出，距故障点较远一端的保护所感觉到的情况，和内部故障时完全一样，此时主要是利用靠近故障点一端的保护发出的高频闭锁信号，来防止远端保护的误动作。因此，在外部故障时，保护正确动作的必要条件是靠近故障点一端的高频发信机必须启动，而如果两端启动元件的灵敏度不相配合时，就可能发生误动作。

由于采用了两个灵敏度不同的启动元件，在内部故障时，必须启动远端元件，使之动作后断路器才能跳闸，因而降低了整套保护的灵敏度，同时也使接线复杂化。此外，对于这种工作方式，当外部故障时，在远离故障点一端的保护，为了等待对端发来的高频闭锁信号，还必须要求启动元件远端的动作时间大于近端启动元件的动作时间，这样就降低了整套保护的动作速度。以上便是这种保护的主要缺点。

2.相差动高频保护

其基本原理在于比较被保护线路两端短路电流的相位。在此仍采用电流的给定正方向是由母线流向线路。当保护范围内部故障时，理想情况下，两端电流相位相同，两端保护装置应动作，使两端的断路器跳闸；当保护范围外部故障时，两端电流相位相差接近180°，保护装置则不应动作。

为了满足以上要求，当高频通道经常无电流，而在外部故障时发出高频电流（即闭锁信号）的方式来构成保护时，在实际上可以做成当短路电流为正半周，使它操作高频发信机发出高频电流，而在负半周则不发，如此不断的交替进行。

这样当保护范围内部故障时，由于两端的电流同相位，它们将同时发出闭锁信号，也同时停止闭锁信号，因此，两端收信机所收到的高频电流是间断的。

当保护范围外部故障时，由于两端电流的相位相反，两个电流仍然在它们自己的正半周发出高频信号。因此，两个高频电流发出的时间就相差半个周期（0.01s）。这样，从两端收信机中所收到的总信号就是一个连续不断的高频电流。相差动高频保护也是一种传送闭锁信号的保护，也具有闭锁式保护所具有的缺点，需要两套启动元件。用来鉴别高频电流信号是连续的还是间断的，并鉴别间断角度的大小，完成这一功能的回路称为相位比较回路。