实验三_三段式电流保护实验

实验三 三段式电流保护实验

【实验名称】

三段式电流保护实验

【实验目的】

1. 掌握无时限电流速断保护、限时电流速断保护及过电流保护的电路原理，工作特性及整定原则；

2. 理解输电线路阶段式电流保护的原理图及保护装置中各继电器的功用；

3. 掌握阶段式电流保护的电气接线和操作实验技术。

【预习要点】

1. 复习无时限电流速断保护、限时电流速断保护及过电流保护相关知识。

2. 根据给定技术参数，对三段式电流保护参数进行计算与整定。

【实验仪器设备】

【实验原理】

1．无时限电流速断保护

三段式电流保护通常用于3-66kV 电力线路的相间短路保护。在被保护线路上发生短路时，流过保护安装点的短路电流值，随短路点的位置不同而变化。在线路的始端短路时，短路电流值最大；短路点向后移动时，短路电流将随线路阻抗的增大而减小，直至线路末端短路时短路回路的阻抗最大，短路电流最小。短路电流值还与系统运行方式及短路的类型有关。图3-1曲线1表示在最大运行方式下发生三相短路时，线路各点短路电流变化的曲线；曲线2则为最小运行方式下两相短路时，短路电流变化的曲线。

图3-1 瞬时电流速断保护的整定及动作范围

由于本线路末端f1点短路和下一线路始端的f2点短路时，其短路电流几乎是相等的（因f1离f2很近，两点间的阻抗约为零）。如果要求在被保护线路的末端短路时，保护装置能够动作，那么，在下一线路始端短路时，保护装置不可避免地也将动作。这样，就不能保证应有的选择性。为了保证保护动作的选择性，将保护范围严格地限制在本线路以内，就应使保护的动作电流I op1.1（为保护1的动作电流折算到一次电路的值）大于最大运行方式下线路末端发生三相短路时的短路电流I f.B.max ，即

I op1.1 I f.b.max ， I op1.1=Krel I f.b.max

式中，K rel —可靠系数，当采用电磁型电流继电器时，取K rel =1.2~1.3。 显然，保护的动作电流是按躲过线路末端最大短路电流来整定，可保证在其

他各种运行方式和短路类型下，其保护范围均不至于超出本线路范围。但是，按照以上公式整定的结果（如图3-1中的直线3）。保护范围就必然不能包括被保护线路的全长。因为只有当短路电流大于保护的动作电流时，保护才能动作。从图3-1中能够得出保护装置的保护范围。还可以看出，这种保护的缺点是不能保护线路的全长，而且随着运行方式及故障类型的不同，其保护范围也要发生的相应变化。图3-1中在最大运行方式下三相短路时，其保护范围为l max ；而在最小运行方式下两相短路时，其保护范围则缩小至l min 。无时限电流速断保护的优点是：因为不反应下一线路的故障，所以动作时限将不受下一线路保护时限的牵制，可以瞬时动作。

无时限电流速断保护的灵敏度可用其保护范围占线路全长的百分数来表示。通常，在最大运行方式下保护区达到线路全长的50%、在最小运行方式下发生两相短路时能保护线路全长的15%—20%时，即可装设瞬时电流速断。所以在线路始端一定范围内短路时，无时限电流速断保护可以做到快速地切除附近故障。

2．带时限电流速断保护

无时限电流速断保护（也称第I 段保护）虽然能实现快速动作，但却不能保护线路的全长。因此，必须装设第II 段保护，即带时限电流速断保护，用以反应无时限电流速断保护区外的故障。对第II 段保护的要求是能保护线路的全长，还要有尽可能短的动作时限。

（1）带时限电流速断保护的保护范围分析

带时限电流速断保护要求保护线路的全长，那么保护区必然会延伸至下一线路，因为本线路末端短路时流过保护装置的短路电流与下一线路始端短路时的短路电流相等，再加上还有运行方式对短路电流的影响，如若较小运行方式下保护范围达到线路末端，则较大运行方式下保护范围必然延伸到下一线路。为尽量缩短保护的动作时限，通常要求带时限电流速断延伸至下一线路的保护范围不能超出下一线路无时限电流速断的保护范围，因此线路L1带时限电流速断保护的动

II I 作电流I op 1. 1应大于下一线路无时限电流速断保护的动作电流I op 1. 2，即

II I I op 1. 1>I op 1. 2

II I I op 1. 1=K rel I op 1. 2

式中，K rel —可靠系数，考虑到非周期分量的衰减一般取K rel =1.1~1.2。

图3-2 限时电流速断保护的保护范围分析

该保护的保护范围分析见图3-2。由图可知，为保证保护动作的选择性，带时限电流速断保护的动作时限需要与下一线路的无时限电流速断保护相配合，即应比后者的时限大一个时限级差Δt 。

时限级差，从快速性的角度要求，应愈短愈好，但太短了保证不了选择性。其时限配合如图3-3所示。当在下一线路首端f 点发生短路故障时，本线路L1的带时限电流速断保护和下一线路L2的无时限电流速断保护同时启动，但本线路L1的带时限电流速断保护需经过延时后才能跳闸，而下一线路L2的无时限电流速断保护瞬时跳闸将故障切除，这就保证了选择性。要做到这一点Δt 应在0.3-0.6s 间，一般取0.5s 。

图3-3 限时电流速断保护和瞬时电流速断的时限配合

（2）灵敏度校验

为了使带时限电流速断能够保护线路的全长，应以本线路的末端作为灵敏度的校验点，以最小运行方式下的两相短路作为计算条件，来校验保护的灵敏度。

其灵敏度为

K sen =I f . B . min

II I op 1

式中：If.B.min —在线路L1末端短路时流过保护装置的最小短路电流；

值。

根据规程要求，灵敏度系数应不小于1.3。如果保护的灵敏度不能满足要求，有时还采用降低动作电流的方法来提高其灵敏度。为此，应使线路L1上的带时限电流速断保护范围与线路L2上的带时限电流速断保护相配合，即

II II I op 1. 1=K rel I op 1. 2

II t 1II =t 2+∆t II I op 1—线路L1带时限电流速断保护的动作电流值折算到一次电路的

II 式中：I op 1. 2——L2上的带时限电流速断保护的一次动作电流值。

II ——L2上的带时限电流速断保护的动作时间。 t 2

显然，动作时限增大了，但灵敏度却提高了，而且仍保证了动作的选择性。

3．定时限过电流保护

无时限电流速断保护和带时限电流速断保护能保护线路全长，可作为线路的主保护用。为防止本线路的主保护发生拒动，必须给线路装设后备保护，以作为本线路的近后备和下一线路的远后备。这种后备保护通常采用定时限过电流保护（又称为第III 段保护），其动作电流按躲过最大负荷电流整定，动作时限按保证选择性的阶梯时限来整定。其原理接线图与带时限电流速断保护相同，但由于保护范围和保护的作用不同，其动作电流和动作时限则不同。

（1）定时限过电流保护的工作原理和动作电流

过电流保护工作原理：

正常运行时，线路流过负荷电流，保护不动。当线路发生短路故障时，保护启动，经过保证选择性的延时动作，将故障切除。

过电流保护动作电流：

过电流保护动作电流的整定，要考虑可靠性原则，即只有在线路存在短路故障的情况下，才允许保护装置动作。

过电流保护应按躲过最大的负荷电流计算保护的动作电流，根据可靠性要求，过电流保护的动作电流必须满足以下两个条件。

a ． 在被保护线路通过最大负荷电流的情况下，保护装置不应该动作，即

III I op 1>I L max 。

III 式中，I op 1——保护的一次动作电流值

I L m a ——被保护线路的最大负荷电流 x

最大负荷电流要考虑电动机自启动时的电流。由于短路时电压下降，变电所母线上所接负荷中的电动机被制动，在故障切除后电压恢复时，电动机有一个自启动过程，电动机自启动电流大于正常运行时的额定电流I N.M ，则线路的最大负荷电流I Lmax 也大于其正常值I R ，即I L max =K ast I R 。

式中，K ast ——自启动系数，一般取1.5~3。

图3-4 过电流保护动作电流

b ．对于已经启动的保护装置，故障切除后，在被保护线路通过最大负荷电流的情况下应能可靠地返回。如图3-4所示，在线路L1、L2分别装有过电流保护1和保护2，当在f 点短路时，短路电流流过保护1也流过保护2，它们都启动。按选择性的要求，应该由保护2动作将QF2跳开切除故障。但由于变电所B 仍有其他负荷，并且因电动机自启动，线路L1可能出最大负荷电流，为使保护1的电流继电器可靠返回，它的返回电流Irel （继电器的返回电流折算到一次电路的值），应大于故障切除后线路L1最大负荷电流ILmax 。

I rel >K ast I R

I rel =K rel K ast I R

式中，Irel ——保护1的返回电流 由于K re =I re I ，即I op 1=rel K re I op

III I op 1=K rel K ast I R K re

式中：K rel ——可靠系数，取1. 2 ~1.25。

K re ——电流继电器的返回系数，取0.85~0.95。

（2）动作时限的整定

定时限过电流保护的动作时限，应根据选择性的要求加以确定。例如，在图3-5所示的辐射形电网中，线路L1上装设有过电流保护1，线路L2和线路L3上也都分别装设有过电流保护2和3。那么当线路L3上的f2点发生短路故障时，短路电流将从电源经线路L1、线路L2和线路L3而流向短路点。这样，过电流保护1、2及3均启动。但是，根据选择性的要求，应该只由保护3动作使QF3跳闸。为此，就应使保护2的动作时限t2大于保护2的延时t2。由此可见，装于辐射形电网中的各定时限过电流保护装置，其动作时限必须按选择性的要求互相配合。配合的原则是：离电源较近的上一级保护的动作时限，应比相邻的、离电源较远的下一级保护的动作时限要长（注意：是过电流保护之间的配合）。在图3-5中将各级保护的整定时限特性画于图3-5b ）中，好似一个阶梯，这就是通常所说的阶梯形时限特性。

图3-5 定时限过电流保护的动作时限

若线路L3有几条并行的出线，那么保护2的时限应与其中最大的时限配合。由此可见，每条电力线路过电流保护的动作时限，不能脱离整个电网保护配置的实际情况及时限的配合要求，不能孤立地加以整定。处于电网终端的保护，其动作时限是无时限的或只带一个很短的时限，因为它没有下一线路保护需要配合。在这种情况下，过电流保护常可作为主保护，而无需再装设无时限动作的其他保护。

按照时限配合的要求，保护装设地点离电源愈近，其动作时限将愈长，而故障点离电源愈近，短路电流却愈大，对系统的影响也愈严重。所以，定时限过电流保护虽可满足选择性的要求，却不能满足快速性的要求。故障点离电源近，其动作时间反而长。这是它的缺点。正因为如此，定时限过电流保护在电网中一般用作其他快速保护的后备保护。

这种过电流保护的动作时限是由时间继电器建立的，整定后其定值与短路电流的大小无关，故称为定时限过电流保护。

（3）灵敏度校验

为了使保护达到预期的保护效果，还应进行灵敏度的校验，即在保护区内发生短路时，验算保护的灵敏系数是否满足要求。显然，这种验算应针对最不利的条件，亦即在短路电流的计算值为最小的条件下进行。因为只有在这种情况下的灵敏系数满足要求时，才能保证在其他任何情况下的灵敏系数都能满足要求。

电流保护的灵敏系数K sen ，等于保护区末端金属性短路时，短路电流的最小

III 计算值I fmin 与保护动作电流I op 1之比，即

K sen =I f min

III I op 1

作为本线路近后备保护时，I fmin 为本线路末端短路时流过保护的最小短路电流，要求灵敏系数K sen ≥1.3-1.5；作为下一线路远后备保护时，最小计算值为下一线路末端短路时流过保护的最小短路电流，要求灵敏系数K sen ≥1.2。

4．线路相同短路的三段式电流保护装置

由无时限电流速断保护、带时限电流速断保护、定时限过电流保护相配合而构成三段式电流保护装置。这三部分保护分别叫作I 、II 、III 段，其中I 段无时限电流速断保护、II 段带时限电流速断保护是主保护，III 段定时限过电流保护是后备保护。

（1）三段式电流保护的保护范围及时限配合

如图3-6所示，当在L1线路首端f1点短路时，保护1的I 、II 、III 段均启动，由I 段将故障瞬时切除，II 段和III 段返回；在线路末端f2点短路时，保护II 段和III 段启动，II 段以0.5s 时限切除故障，III 段返回。若I 、II 段拒动，则过电流保护以较长时限将QF1跳开，此为过电流保护的近后备作用。当在线路

L2上f3点发生故障时，应由保护2动作跳开QF2，但若QF2拒动，则由保护1的过电流保护动作将QF1跳开，这是过电流保护的远后备作用。

图3-6 三段式电流保护各段保护范围及时限配合

（2）三段式电流保护的原理图

三段式电流保护的原理图如图3-7所示，图中各元件均以完整的图形符号表示，有交流回路和直流回路，图中所示的接线方式是广泛应用于小接地电流系统电力线路的两相不完全是星形接线。接于A 相的三段式电流保护，由继电器KA1、KS1组成I 段；KA3、KT1、KS2组成II 段；KA5、KT2、KS3组成III 段。接于C 相的三段式电流保护，由继电器KA2、KS1组成I 段；KA4、KT1、KS2组成I 段，KA4、KT1、KS2组成II 段；KA6、KT2、KS3组成III 段。KA7反映A 相和C 相的电流和，它与KT2、KS3组成III 段，可提高保护的灵敏性。为使保护接线简单，节省继电器，A 相与C 相共用其中的中间继电器、信号继电器及时间继电器。

图3-7 三段式电流保护实验原理图

四．三段式电流保护实验参数整定计算

如图3-6所示，单侧电源辐射式线路，L1的继电保护方案拟定为三段式电流保护，保护采用二相二继电器接线，其接线系数k con =1，电流互感器采用1:1，在最大运行方式下及最小运行方式下f1、f2、f3、f4点三相短路电流值见下表：

表3-1

三段式保护的动作值的整定计算

1．线路L1的无时限电流速断保护

电流速断保护的动作电流I op1－1按大于本线路末端f2点在最大运行方式下发

) 生三相短路时流过的短路电流I (

f 3. B . max 来整定，即保护的一次动作电流为：

I (3) I op 1. 1=K rel I f . B . max =1. 3⨯1. 56=2. 028A

I I

继电保护的动作电流为： I dj . 1=K con I op 1. 1=2. 028A

选用DL －21C/6型电流继电器，其动作电流的整定范围为1.5～6A ，本段保护整定2A ，线圈采用串联接法。

2．线路L1的带时限电流速断保护

（1）要计算线路L 1的限时电流速断保护的动作电流，必须首先算出线路L2无时限电流速断保护的动作电流I op1.2，按大于本线路末端f4点在最大运行方

)

式下发生三相短路时流过的短路电流I (f 3. C . max 来整定。

I (3)

I op 1. 2=K rel I f . C . max =1. 3⨯0. 65=0. 845A

线路L1的带时限电流速断保护的一次动作电流为：

II I

I op 1. 1=K rel I op 1. 2=1. 1⨯0. 845=0. 93A

II II

继电器的动作电流为：I dj . 1=K con I op 1-1=0. 93A

选用DL －21C/3型电流继电器，其动作电流的整定范围为0.5～2A ，本保护整定为0.93A ，线圈采用串联接法。

动作时限应与线路L2的瞬时电流速断保护配合，即：

I t . II 1=t . 2+∆t =0+0. 5=0. 5s

选用DS －21型时间继电器，其时限调整范围为0.25～1.25s ，为了便于学生在操作中观察本保护整定为0.75秒。

（2）灵敏度校验

带时限电流速断保护应保证在本线路末端短路时可靠动作，为此以f2点最小短路电流来校验灵敏度，最小运行方式下的二相短路电流为：

) I (f 2. B . min =

(3)

I f . B . min =0. 866⨯1. 44=1. 247A 2

) I (f 2. B . min II I op 1. 1

则在线路末端短路时，灵敏系数为K sen =3．线路L1的定时限过流保护 （1）过电流保护的一次动作电流为：

III

I op 1=

=

1. 247

=1. 34>1. 3 0. 93

K rel K ast 1. 2⨯1. 5

I R =⨯0. 2=0. 423A K re 0. 85

继电器动作电流为

III III

I dj 1=K con I op 1=0. 423A

选用DL －21C/3型电流继电器，其动作电流的整定范围为0.5～2A ，本保护整定为0.5A ，线圈采用串联接法。 （2）过电流保护动作时限的整定

为了保证选择性，过电流保护的动作时限按阶梯原则整定，这个原则是从用户到电源的各保护装置的动作时限逐级增加一个△t ，所以动作时限t 1III 应与电路

III

L2过电流保护动作时限t 2相配合。如：L2过电流保护动作时间为2秒，L1过

电流保护动作时间为:

III

t 1III =t 2+∆t =2+0. 5=2. 5

选用DS －21型时间继电器，其时限调整范围为0.25～1.25s ，本保护整定为1.25秒。

（3）灵敏度校验：

保护作为近后备时，对本线路L1末端f2点短路校验，灵敏系数为：

K sen =

I (2)f . B .min f . B .min

III

I op 1.1

=

0.866⨯1.44

=2.49>1.5

0.5

4．三段式保护选用的继电器规格及整定值列表

【实验内容】

1．根据预习准备，将计算获得的动作参数整定值（电源线电压为100V ），对各段保护的每个继电器进行整定。

2. 实验接线见图3-8，按实验要求进行正确接线。

图3-8 三段式电流保护实验接线图

3．把各按钮、开关的初始位置设定如下：

系统运行方式切换开关置于“最小”，A 、B 站实验内容切换开关置于“正常工作”，A 相短路、B 相短路、C 相短路按钮处于弹出位置，并分别把EPL-03A 和EPL-03B 的线路故障点设置旋钮置于顺时针到底位置，三相调压器旋钮置于逆时针到底位置。

4．合上漏电断路器和线路电源绿色按钮开关及直流电源船形开关，按下合闸按钮。

缓慢调节三相调压器旋钮，注意观察交流电压表的读数至100V ； 5．把B 站实验内容切换开关置于“电流保护”，模拟BC 线路末端短路，观察各继电器动作情况，作好动作记录；

6．逆时针调节EPL-03B 的线路故障点设置旋钮，分别模拟BC 线路中间和始端短路，观察各继电器动作情况，作好动作记录；

7．把B 站实验内容切换开关置于“正常工作”，解除BC 线路的故障；分别按下A 相、B 相、C 相短路按钮，并把A 站实验内容切换开关置于“电流保护”，参考步骤5、6，分别模拟AB 线路末端、中间和始端短路，观察各继电器动作情况，作好动作记录；

8．系统运行方式切换开关置于“最大”，重复以上实验。 表3-1

【实验报告】

1. 整理实验数据，填入对应的数据表格中。 2. 问题与思考

1）三段式电流保护为什么要使各段的保护范围和时限特性相配合？ 2）三段式保护模拟动作操作前是否必须对每个继电器进行参数整定？为什么？........ 忽略此处.......