雪狼导读计划·继保篇
第02讲 | 电 流 保 护
Part 1：电网的电流保护简介
=Overview=
电网由输电网和配电网组成，包括了各电压等级的电力线路、变压器和相应的配电装置，其结构通常按电压等级进行分层。输电网主要是将远离负荷中心的发电厂的大量电能经过变压器升高电压，通过高压线路，送到临近负荷中心的枢纽变电站，也可起到联络相邻电力系统或相邻变电站的作用。输电网的额定电压通常为220~1000kV，它的结构与系统运行的安全性及经济性关系极大，对继电保护的要求也很高。
输电线路的电流保护是反应输电线路一端电流的保护。根据保护的范围以及动作时间的配合要求，通常将电流保护配置为三段式电流保护。
三段式电流保护指的是电流速断保护（第I段）、限时电流速断保护（第II段）、定时限过电流保护（第III段），相互配合构成的一套保护。
图1 阶段式电流保护配合示意图
由三段式电流保护的作用范围不同，可以得到各段的整定值也是不同的。I段的保护范围最小，保护范围内短路时故障电流最大，所以其整定值最大。III段的保护范围最大，保护范围末端短路时故障电流最小，所以其整定值最小。
下面详细介绍三段式电流保护的工作原理和整定计算方法。
图2 典型的辐射型接线网络
当MN线路末端k1点短路时，由于超出了保护1电流速断保护的范围，则由保护1的限时电流速断保护动作，跳开QF2；当线路NO中段k2点短路时，则由保护3的电流速断保护动作跳开断路器QF1。
电流速断保护不带动作延时，一旦电流大于整定值，保护动作直接发出跳闸命令。限时电流速断及定时限过流保护带有延时，只有电流持续大于整定值的时间达到规定时限后，保护才动作发出跳闸命令。
电流保护分为相电流保护和零序电流保护。
▶相电流保护是反应各相电流是否大于整定值的电流保护。相电流保护又分为纯过流保护和复压闭锁过流保护。纯过流保护就是相电流达到整定值后即发生保护动作的保护，复压闭锁过流保护是不光相电流要达到整定值，而电压还要跌至动作门槛值以下，保护才会开放动作，否则闭锁过流保护，不会发生动作。在变压器的后备保护中，为提高保护的可靠性，避免外部故障引起变压器绕组产生过流导致保护的误动，往往会采用复压闭锁过流保护。
▶零序电流保护是反应三相不平衡电流分量是否超过整定值的保护。零序电流保护只能用来保护接地短路故障，所以对于两相不接地短路和三相短路不能起保护作用。另外零序I段保护范围受运行方式的影响较大，有时可能保护范围缩得很小，这点比同样保护接地故障的接地距离I段要逊色的多。现有些厂家考虑到在高压电网中已有纵联差动保护，所以在保护装置中把速动的零序电流保护的I段省略而只配零序电流保护II、III段。
Part 2：
零序方向继电器的原理及实现方法
=Theory=
在大接地的电流系统中，中性点接地的变压器可以视为零序电流电源。在双侧或多侧电源的网络中，电源处变压器的中性点一般至少有一台接地，因而在变压器接地数目较多的复杂网络中，就要考虑零序电流保护动作的方向性问题。双侧电源线路上的电流保护有时必须加方向继电器才能保证它的选择性、提高它的灵敏性。零序电流II、III段加了方向后，可以不必考虑与反方向的保护的配合问题。
零序方向继电器的最基本思想是通过比较零序电压和零序电流的相位来区分正、反方向的接地短路。
1.
正、反方向接地短路时，零序电压和零序电流的夹角
设零序方向继电器F0装在MN线路的M侧。在下图所示的零序序网图中，加载继电器上的零序电压、电流按传统方式规定它的正方向。零序电压正方向是母线电位为正、中性点电位为负，图中电压箭头表示电位降方向。零序电流以母线流向被保护线路的方向为其正方向，假设系统中各元件的零序阻抗角都为80°。
图3 正方向接地短路时零序序网图
图4 反方向接地短路时零序序网图
图5 正方向短路时相量图
图6 反方向短路时相量图
以上相量图表明，正、反方向接地短路时零序电压超前零序电流的角度都只与保护安装处与短路方向相反一侧零序阻抗的阻抗角有关。
✅在正方向短路时，零序电压超前零序电流的角度是保护安装处反方向零序阻抗的阻抗角再反一个180°，是一个负角，零序电流超前于零序电压。
✅在反方向短路时，零序电压超前零序电流的角度是保护安装处正方向零序阻抗的阻抗角，是一个正角，零序电流滞后零序电压。
正、反方向短路时零序电压超前于零序电流的角度截然相反，因此可用于区分正、反方向短路。
2.
零序方向继电器的实现方法
（1）零序方向继电器的两种实现方式
按零序电压、零序电流的相位比较实现和按零序功率的幅值比较方式实现。现在的微机型线路保护常用的是按相位比较实现方式。
（2）零序电压、零序电流的相位比较原理
测量零序电压和零序电流的夹角，满足下述动作方程继电器动作，反之继电器不动作。
正方向短路时，据零序电压超前零序电流-100°，该角度满足动作方程且距两个边界最远，所以继电器最灵敏动作。反方向短路时，由于零序电压超前零序电流80°，该角度不满足动作方程且距两个边界最远，所以继电器可靠不动作！
一般来说，零序过流II段保护动作除了要求零序电流超过整定值外，还要求零序电流和零序电压的夹角满足条件，由保护程序设置实现。例如，假设某型号线路保护装置对于零序过流II段中零序电流和零序电压的角度要求如下图所示。
图7 零序电流、电压边界条件图
在做零序电流保护的校验时，除了校验动作的电流整定值和动作时间外，还应该检验动作区的范围是否正确。一般方法是检验两侧的边界。检验时，在满足零序过流和零序电压定值条件的基础上：
这样可确定180°是一个临界角，同理可确定另一侧的临界角。
3.
零序方向继电器的性能评价
（1）正、反方向短路时零序电压和零序电流的夹角截然相反，动作边界十分清晰，因此性能良好，有良好的方向性。
（2）继电器的动作行为与负荷电流无关（负荷电流是正序电流，不会影响零序方向继电器的动作行为），与过渡电阻大小无关。
（3）由于系统震荡没有零序分量，因此零序方向继电器不会误动。
（4）零序方向继电器只能保护接地故障，对两相短路和三相短路无能为力，这是它的一个缺陷。但是两相短路和三相短路发生的机率较小。
Part 3：
零序电流和零序电压的获取方式
=Methods=
1.
零序电流的获取方法
（1）零序电流滤过器方式
在微机保护装置内3I0电流专门有个小变换器，在二次回路上将电流互感器二次侧各相连在一起后再加到该小变换器的输入端子上。加在此输入端中的电流就是三相电流的矢量和3I0。模拟型保护就是用这种方法得到3I0的。
（2）自产3I0方式
目前普遍采用的是在软件中获取3I0的方法。微机保护将采样得到的三相电流值在程序软件中相加得到3I0，这种获取方法就是自产3I0方式。
2.
零序电压的获取方法
（1）自产3U0方式
这也是一种在软件中获取3U0的方法。微机保护将采样得到的三相电压在软件中相加得到3U0值，这种3U0值的获取方法称作自产3U0方式。
（2）从电压互感器开口三角处获得
在开口三角处将电压互感器的第三个线圈的三相绕组首尾相连后开口处输出的电压就是三相电压的矢量和，这就是3U0电压。
在线路保护中，3U0电压主要用在零序方向保护中。在220kV以上系统里，各元件的阻抗角都在80°左右。因此正方向短路时，零序电压滞后零序电流的角度约为-100°，在110kV系统中各元件的阻抗角大约70°。因此正方向短路时，零序电压滞后零序电流约为-110°。
注意：零序电压可以取自开口三角电压，也可以自产，但零序电流必须取自自产，而不能取中性点零序电流。其原因在于，中性点零序电流对方向没有选择性。
Part 4：
电流二次回路工作注意事项
=Tips=
在结束保护的校验任务后，进行电流二次回路的检查时，需要进行连续性试验。电流连续性试验一是为了严防电流回路的开路，二是为了测试电流回路各相负载的平衡。若三相负载平衡，则万用表搭出的各相欧姆数应一致，这样才能保证线路送电后各相二次电流的平衡，避免由于不平衡电流过大造成零序电流保护的误动作。
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