【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 0 年代是晶體管繼電保護(hù)裝置在我國(guó)大量采用的時(shí)期，滿足了當(dāng)時(shí)電力系統(tǒng)向超 高壓、大容量方向發(fā)展的需要。 電子工業(yè)方面集成電路技術(shù)的發(fā)展，有可能將數(shù)十個(gè)或更多的晶體管集成在一個(gè)半導(dǎo) 體芯片亡，從而出現(xiàn)了體積更小，工作更 加可靠的集成運(yùn)算放大器和其它集成電路元件。這 促使靜態(tài)繼電保護(hù)裝置向集成電路化方向發(fā)展。 80 年代后期，標(biāo)志著靜態(tài)繼電保護(hù)從第一 、 代 (晶體管式 )向第二代 (集成電路式 )的過(guò)渡。目前，集成電路繼電保護(hù)裝置已取代晶 ： 體管繼電保護(hù)裝置，成為靜態(tài)繼電保護(hù)裝置的主要形式。 ． 在 60 年代末，有人提出用小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的設(shè)想。因當(dāng)時(shí)小型計(jì)算機(jī)價(jià)格昂 貴，難以在實(shí)用上采用。但由此開(kāi)始了對(duì)繼電保護(hù)計(jì)算機(jī)算法的大量研究，對(duì)后來(lái)微型計(jì)算機(jī)式繼電保護(hù) (簡(jiǎn)稱(chēng)微機(jī)保護(hù) )的發(fā)展奠定 了理論基礎(chǔ)。隨著微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展’及其價(jià)格急劇下降，在 70 年代后半期，出現(xiàn)了比較完善的微機(jī)保護(hù)樣機(jī)，并投入到電力系統(tǒng)中試運(yùn)行。 80 年代微機(jī)保護(hù)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面已趨成熟，并已在一些國(guó)家推廣；應(yīng)用，這就是第三代的靜態(tài)繼電保護(hù)裝宣。微機(jī)保護(hù)具有巨大的計(jì)算、分析和邏輯判斷能力，有存儲(chǔ)記憶功能，因而可用以實(shí)現(xiàn)任何性能完善且復(fù)雜的保護(hù)原理。微機(jī)保護(hù)可連續(xù)不斷地對(duì)本身的工作情況進(jìn)行自檢，其工作可靠性很高。此外，微機(jī)保護(hù)可用同一硬件實(shí)現(xiàn)不同的保護(hù)原理，這使保護(hù)裝置的制造大為簡(jiǎn)化，也容易實(shí)行保護(hù)裝置的標(biāo)準(zhǔn)化。微 機(jī)保護(hù)除了保護(hù)功能外，還可兼有故障錄波、故障測(cè)距、事件順序記錄，和調(diào)度計(jì)算機(jī)交換信息等輔助功能，這對(duì)簡(jiǎn)化保護(hù)的調(diào)試、事故分析和事故后的處理等都有重大意義。由于微機(jī)保護(hù)裝置的巨大優(yōu)越性和涪力， 因而受到運(yùn)行人員的歡迎，進(jìn)入 90 年代以來(lái)，在我國(guó)得到大量應(yīng)用，將成為繼電保護(hù)裝置的主要型式?？梢哉f(shuō)微機(jī)保護(hù)代表著電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的未來(lái)，將成為夫來(lái)電力系統(tǒng)保護(hù)、控制、運(yùn)行調(diào)度及事故處理的統(tǒng)一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成部分。 第二章 電網(wǎng)的電流保護(hù)和方向性電流保護(hù) 第一節(jié) 單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路的電流保護(hù) 一、電磁型、晶體管型和集成電路型電流繼電器 電流繼電器是實(shí)現(xiàn)電流保護(hù)的基本元件，也是反應(yīng)于一個(gè)電氣量而動(dòng)作的簡(jiǎn)單繼電器的典型。因此，將通過(guò)對(duì)它的分析來(lái)說(shuō)明一般繼電器的工作原理和主要特性。 1．電磁型過(guò)電流繼電器 電磁型過(guò)電流繼電器的工作原理可用圖 2— 1(o)說(shuō)明。在線圈 1 中的電流／，產(chǎn)生磁通由，它將通過(guò)由鐵心、空氣隙和可動(dòng)舌片組成的磁路。舌片被磁化后，即與鐵心的磁極JfhI.產(chǎn)生電磁吸力， 企圖吸引舌片向左轉(zhuǎn)動(dòng)，在它上面裝有繼電器的可動(dòng)觸點(diǎn) 5，當(dāng)電磁吸力足夠大時(shí)，即可吸動(dòng)舌片并使觸點(diǎn) 接通，稱(chēng)為繼電器“動(dòng)作”。 電磁吸力與 O’成正比。如果假定磁路的磁阻全部集中在空氣隙中，設(shè) d 表示氣隙的長(zhǎng)度， 則磁通 O 就與／，成正比而與 d 成反比。這樣， 由電磁吸力作用到舌片上的電磁轉(zhuǎn)矩即可表示為 比例常數(shù)。 正常情況下，線圈中流入負(fù)荷電流， 為保證繼電器不動(dòng)作，可動(dòng)舌片受彈簧 7 反作用力的控制而保持在原始位置，此時(shí)彈簧產(chǎn)生的力矩 A／／ A，稱(chēng)為初拉力矩，對(duì)應(yīng)此時(shí)的空氣隙長(zhǎng)度為 d。由于彈簧的張力與其伸長(zhǎng)成正比，因此，當(dāng)舌片向左移動(dòng)而使 d 減小時(shí)，例如由 d，減小到 d，則由彈簧所產(chǎn)生的 反抗力矩即可表示為 式中 比例常數(shù)。 此外，征古斤轉(zhuǎn)勸 ag 遼程甲， d：必壩兄服田厚源刀所廣土嗣厚憬朽怨 Mm， 具值 可認(rèn)為是一個(gè)常數(shù)，不隨 d 的改變而變化。因此，阻礙繼電器動(dòng)作的全部機(jī)械反抗轉(zhuǎn)矩就 為使繼電器起動(dòng)并閉合其觸點(diǎn)，就必須增大電流／， 以增大電磁轉(zhuǎn)矩 A／ d。繼電器能夠動(dòng)作的條件是 滿足這個(gè)條件的，能使繼電器動(dòng)作的最小電流值，稱(chēng)為繼電器的動(dòng)作電流 (習(xí)慣上又稱(chēng)為起動(dòng)電流 )，以／ d．．，表示，對(duì)應(yīng)此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩，根據(jù) (2— 1)式可表示為 圖 2— 1 電磁型電流繼電器的原理結(jié)構(gòu)和轉(zhuǎn)矩 曲線 (‘ 1 原理結(jié)構(gòu)圖 1 一線圈， 2 一鐵心： 3 一空氣隙： 4 一被吸引的可動(dòng)舌片： 5 一可動(dòng)觸點(diǎn)： 6 一固定 觸點(diǎn)， 7 一彈簧， 8 一止檔 (^)電磁轉(zhuǎn)矩及反作用轉(zhuǎn)矩與舌片行程的關(guān)系 1 一起動(dòng)電磁轉(zhuǎn)矩： 2 一起動(dòng)時(shí)的反作用轉(zhuǎn)矩， 3 一返 回時(shí)的反作用轉(zhuǎn)矩； 4 一返回時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩 圖 2— 1(凸 )表示了當(dāng)舌片由起始位置 (氣隙為 d， )轉(zhuǎn)動(dòng)到終端位置 (氣隙為 d： )時(shí)， 電磁轉(zhuǎn)矩及機(jī)械反抗轉(zhuǎn)矩與行程的關(guān)系曲線。當(dāng)／ d．，不變時(shí)，隨著 d 的減小，A／ ，；與其平 方倍成反比增加，按曲線 1 變化，而機(jī)械反抗轉(zhuǎn)矩則按線性關(guān)系增加，如直線 2 所示，因 此在行程的末端將出現(xiàn)一個(gè)剩余轉(zhuǎn)矩 M。，它有利于保證繼電器觸點(diǎn)的可靠接觸。 在繼電器動(dòng)作之后，布使它重新返回原位，就必須減小電流以減小電磁轉(zhuǎn)矩，然后由彈簧的反作用力把舌片拉回來(lái)。在這個(gè)過(guò)程中，摩擦力又起著阻礙返回的作用。因此繼電器能夠返回的條件是 對(duì)應(yīng)這一電磁轉(zhuǎn)矩、能使繼電器返回原位的最大電流值稱(chēng)為繼電器的返回電流， 以／。． +表示，代入 (2— 1)式，則得對(duì)應(yīng)于此時(shí)的電磁轉(zhuǎn)矩 在返回 過(guò)程中，轉(zhuǎn)矩與行程的關(guān)系如圖 3— 2 中的直線 3 和曲線 4。 JdzJ II .? 時(shí)，繼電器不動(dòng)作； JdzJ II .? 時(shí)，繼電器迅速動(dòng)作； JdzI.JfhJ II .? 時(shí)，繼電器保持動(dòng)作； JfhJ II .? 時(shí)，繼電器迅速返回； 閉合其觸點(diǎn)；在繼電器動(dòng)作以后，只當(dāng)電流減小到／ +／，．，時(shí)，繼 電器又能立即突然地返回原位，觸點(diǎn)重新打開(kāi)。無(wú)論起動(dòng)和返回，繼電器的動(dòng)作都是明確干脆 的，它不可能停留在某一個(gè)中間位置，這種特性我們稱(chēng)之為“繼電特性”。 返回電流與起動(dòng)電流的比值稱(chēng)為繼電器的返回系數(shù)，可表示為 自 T 在行程末端存在剩余轉(zhuǎn)矩以及摩擦轉(zhuǎn)矩的影響， 電磁型過(guò)電流繼電器 (以及一切過(guò)量動(dòng)作的繼電器 )的返回系數(shù)恒小于 1。在實(shí)際應(yīng)用中，常常要求過(guò)電流繼電器有較高的返 二、電流速斷保護(hù) 根據(jù)對(duì)繼電保護(hù)速動(dòng)性的要求，保護(hù)裝置動(dòng)作切除故障的時(shí)間，必須滿足系統(tǒng)穩(wěn)定和保證重要用戶(hù)供電可靠性。在簡(jiǎn)單、可靠和保證選擇性的前提下，原則上總是越快越好。 因此，在各種電氣元件上，應(yīng)力 求裝設(shè)快速動(dòng)作的繼電保護(hù)。對(duì)于僅反應(yīng)于電流增大而瞬時(shí)動(dòng)作的電流保護(hù)，稱(chēng)為電流速斷保護(hù)。 以圖 2— 5 所示的網(wǎng)絡(luò)接線為例，假定在每條線路上均裝有電流速斷保護(hù)，則當(dāng)線路／ 4— 月上發(fā)生故障時(shí)，希望保護(hù) 2 能瞬時(shí)動(dòng)作，而當(dāng)線路召 — C 上故障時(shí)，希望保護(hù) 1能瞬時(shí)動(dòng)作，它們的保護(hù)范圍最好能達(dá)到本線路全長(zhǎng)的 100％。但是這種愿望是否能 實(shí)現(xiàn)，需要作具體分析。 以保護(hù) 2 為例，當(dāng)本線路末端 dl 點(diǎn)短路時(shí)，希望速斷保護(hù) 2 能夠瞬時(shí)動(dòng)作切除故障，而當(dāng)相鄰線路月 — C 的始端 (習(xí)慣上又稱(chēng)為出口處 )2 點(diǎn)短路時(shí)，按照選擇性的要求 ，速斷保護(hù) 2 就不應(yīng)該動(dòng)作，因?yàn)樵撎幍墓收蠎?yīng)由速斷保護(hù) 1 動(dòng)作切除。但是實(shí)際上， dl 點(diǎn)和 d：點(diǎn)短路時(shí)，從保護(hù) 2 安裝處所流過(guò)短路電流的數(shù)值幾乎是一樣的。因此，希望 d，點(diǎn)短路時(shí)速斷保護(hù) 2 能動(dòng)作，而 d：點(diǎn)短路時(shí)又不動(dòng)作的要求就不可能同時(shí)得到滿足。同樣地，保護(hù)1 也無(wú)法區(qū)別 d，和 J4 點(diǎn)的短路。 為解決這個(gè)矛盾可以有兩種辦法，通常都是優(yōu)先保證動(dòng)作的選擇性，即從保護(hù)裝置起動(dòng)參數(shù)的整定上保證下一條線路出口處短路時(shí)不起動(dòng)，在繼電保護(hù)技術(shù)中，這又稱(chēng)為按躲開(kāi)下一條線路出口處短路的條件整定。另一種辦法就是在個(gè)別情況下，當(dāng)快速切 除故障是＼首要條件時(shí)，就采用無(wú)選擇性的速斷保護(hù)，而以自動(dòng)重合閘來(lái)糾正這種無(wú)選擇性動(dòng)作，對(duì) 批我們將在第五章里再進(jìn)行分析。以下只講有選擇性的電流速斷保護(hù)。 1 對(duì)反應(yīng)于電流升高而動(dòng)作的電流速斷保護(hù)而言，能使該保護(hù)裝置起動(dòng)的最小電流值稱(chēng)為保護(hù)裝置的起動(dòng)電流， 以／ l 表示， 顯然必須當(dāng)實(shí)際的短路電流／ d≥巧：時(shí)，保護(hù)裝置才 08 起動(dòng)。保護(hù)裝置的起動(dòng)值／ j。， 是用電力系統(tǒng)一次側(cè)的參數(shù)表示的，它所代表的意儀是： 當(dāng)在被保護(hù)線路的一次側(cè)電流達(dá)到這個(gè)數(shù)值時(shí)，安裝在該處的這套保護(hù)裝置就 能夠起動(dòng)。 現(xiàn)在來(lái)分析電流 速斷保護(hù)的整定計(jì)算原則。根據(jù)電力系統(tǒng)短路的分析，當(dāng)電源電勢(shì)一定時(shí)，短路電流的大小決定于短路點(diǎn)和電源之間的總阻抗 Zx，三相短路電流可表示為系統(tǒng)等效電源的相電勢(shì)；短路點(diǎn)至保護(hù)安裝處之間的阻抗；保護(hù)安裝處到系統(tǒng)等效電源之間的阻抗。 在一定的系統(tǒng)運(yùn)行方式下， f‘和 Zs 等于常數(shù)，此時(shí)／ d 將隨 Zd 的增大而減小，因此可以經(jīng)計(jì)算后繪出／ d‘／ (／ )的變化曲線，如圖 2— 5 所示。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式及故障類(lèi)型改變時(shí)， d 都將隨之變化。對(duì)每一套保護(hù)裝置來(lái)講，通過(guò)該保護(hù)裝置的短路電流為最大的方式，本書(shū)中稱(chēng)為系統(tǒng)最大運(yùn)行方式，而短路電流為最 小的方式，則稱(chēng)為系統(tǒng)最小運(yùn)行方式。對(duì)不同安裝地點(diǎn)的保護(hù)裝置，應(yīng)根據(jù)網(wǎng)絡(luò)接線的實(shí)際情況選取其最大和最小運(yùn)行方式。 在最大運(yùn)行方式下三相短路時(shí)，通過(guò)保護(hù)裝置的短路電流為最大，而在最小運(yùn)行．方式下兩相短路時(shí)，則短路電流為最小，這兩種情況下短路電流的變化如圖 2— 5 中的曲線 I和Ⅱ所示。 為了保證電流速斷保護(hù)動(dòng)作的選擇性，對(duì)保護(hù) 1 來(lái)講，其起動(dòng)電流“：● 1 必須整定得大于 d，點(diǎn)短路時(shí)，可能出現(xiàn)的最大短路電流，即在最大運(yùn)行方式下變邑所 f 母線上三相短路時(shí)的電流／ d++。， 亦即引入可靠系數(shù)” K6 二 1． 2— 1。 3，則上式即可 寫(xiě)為 對(duì)保護(hù) 2 來(lái)講，按照同樣的原則，其起動(dòng)電流應(yīng)整定得大于 ：點(diǎn)短路時(shí)的最大短路電流／ d．，． m。，即● 引入可靠系數(shù)的原因，是由于理論計(jì)算與實(shí)際情況之間存在著一定的差別， 即必須考慮實(shí)際上存在的各種誤差的影響，如： (1)實(shí)際的短路電流大于計(jì)算值； (2)對(duì)瞬時(shí)動(dòng)作的保護(hù)還應(yīng)考慮非周期分量使總電流增大的影響， (3)保護(hù)裝置中電流繼電器的實(shí)際起動(dòng)電流可能小于整定值， (4)考慮必要的裕度。從最不利的情況出 發(fā)，即使同時(shí)存在著以上幾個(gè)因素的影響，也能保證在預(yù)定的保護(hù)范圍以外故障時(shí)，保護(hù) 裝置不誤動(dòng)作，因而必須乘以大于 1 的可靠系數(shù)。 45 tt ? 起動(dòng)電流與 Zd 無(wú)關(guān)，所以在圖 2— 5 上是直線，它與曲線 I 和Ⅱ各有一個(gè)交點(diǎn)。在交點(diǎn) 以前短路時(shí)，由于短路電流大于起動(dòng)電流，保護(hù)裝置都能動(dòng)作。而在交點(diǎn)以后短路時(shí)，由 于短路電流小于起動(dòng)電流，保護(hù)將不能起動(dòng)，由此可見(jiàn)，有選擇性的電流速斷保護(hù)不可能 保護(hù)線路的全長(zhǎng)。因此，速斷保護(hù)對(duì)被保護(hù)線路內(nèi)部故障的反應(yīng)能力 (即靈敏性 )，只能用保護(hù)范圍的大小來(lái)衡量，此保護(hù)范圍通常用線路全長(zhǎng)的百分?jǐn)?shù)來(lái)表示。 由圖 2— 5 可見(jiàn)， 當(dāng)系統(tǒng)為最大運(yùn)行方式時(shí)，電流速斷的保護(hù)范圍為最大，當(dāng)出現(xiàn)其它運(yùn)行方式或兩相短路時(shí)，速斷的保護(hù)范圍都要減小，而當(dāng)出現(xiàn)系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的兩相短路時(shí)， 電流速斷的保護(hù)范圍為最小。一般情況下，應(yīng)按這種運(yùn)行方式和故障類(lèi)型來(lái)校驗(yàn)其保護(hù)范圍。 電流速斷保護(hù)的單相原理接線如圖 2— 6 所示，電流繼電器接于電流互感器乙 的二次 側(cè)，它動(dòng)作后起動(dòng)中間繼電器，其觸點(diǎn)閉合后，經(jīng)串聯(lián)信號(hào)繼電器而接通斷路器的跳閘線圈TO，使斷路器跳閘。接線中采用中間繼電器的原因是： (1)電流繼電器的觸點(diǎn)容量比較小，不能直接接通跳閘線圈了 Q， 因此，應(yīng)先起動(dòng)中間繼電器，然后再由中間繼電器的觸點(diǎn) (容量大 )去跳閘， (2)當(dāng)線路上裝有管型避雷器時(shí)，利用中間繼電器來(lái)增大保護(hù)裝置的固有動(dòng)作時(shí)間， 以防止管型避雷器放電時(shí)引起速斷保護(hù)誤動(dòng)作’。 圖 2— 6 電流速斷保護(hù)的單相 圖 2— 7 系統(tǒng)運(yùn)行方式變化對(duì)電流 原理接線圖 速斷保護(hù)的影響 電流速斷保護(hù)的主要優(yōu)點(diǎn)是簡(jiǎn)單可靠，動(dòng)作迅速，因而獲得了廣泛的應(yīng)用。它的缺點(diǎn) 是不可能保護(hù)線路的全長(zhǎng)，并且保護(hù)范圍直 接受系統(tǒng)運(yùn)行方式變化的影響。當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行方式變化很大，或者被保護(hù)線路的長(zhǎng)度很短時(shí)，速斷保護(hù)就可能沒(méi)有保護(hù)范圍，因而不能采用。例如： (1)如圖 2— 7 所示為系統(tǒng)運(yùn)行方式變化很大的情況，當(dāng)保護(hù) 2 電流速斷按最大運(yùn)行 方式下保護(hù)選擇性的條件整定以后，在最小運(yùn)行方式下就沒(méi)有保護(hù)范圍， ● 進(jìn)雷器放電時(shí)相當(dāng)于瞬時(shí)發(fā)生接地短路，連嘶保護(hù)要?jiǎng)幼饔谔l。但當(dāng)避霄器放完電以后，線路即恢復(fù)正常工作， 因此，保護(hù)不應(yīng)該誤動(dòng)作。為此，必須使保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間躲開(kāi)避雷器的放電時(shí)間。一般放電時(shí)間可能持續(xù)到 0． 04— 0． 06 9。因 此，利用延時(shí) 0． 06— 0．佃 s 動(dòng)作的中間縫電器即可槽足這一要求。 (2)如圖 2— 8 所示為被保護(hù)線路長(zhǎng)短不同的情況，當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，’其始端和末端短 路電流的差別較大，因而短路電流變化曲線比較陡，保護(hù)范圍比較大，如圖 2— 8(口 )