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1、第四章电网相间短路的方向电流保护本讲稿第一页，共三十六页1、掌握在双侧电源网络中继电保护动作带有方向性的必要、掌握在双侧电源网络中继电保护动作带有方向性的必要性，以及可以省略方向元件的条件。性，以及可以省略方向元件的条件。2、掌握方向元件（功率方向继电器）的工作原理，构造及动、掌握方向元件（功率方向继电器）的工作原理，构造及动作特性。通过型功率方向继电器的研究，初步弄清反应两个作特性。通过型功率方向继电器的研究，初步弄清反应两个电气量的继电器的基本构成原理电气量的继电器的基本构成原理基于两个电气量相位比较基于两个电气量相位比较的原理和基于两个电气量幅值比较的原理及其互换性。的原理和基于两个电气
2、量幅值比较的原理及其互换性。通过对整流型功率方向继电器研究，弄清中间电压变换通过对整流型功率方向继电器研究，弄清中间电压变换器和电抗变换器的作用、构造及作原理。器和电抗变换器的作用、构造及作原理。3、掌握用于相间短路的功率方向继电器的典型接线方式、掌握用于相间短路的功率方向继电器的典型接线方式90接线及其工作分析。接线及其工作分析。4、了解对方向性电流保护的评价。、了解对方向性电流保护的评价。本章基本要求本章基本要求本讲稿第二页，共三十六页第一节第一节 方向电流保护的工作原理方向电流保护的工作原理一、引入方向性过电流保护的必要性一、引入方向性过电流保护的必要性 如图所示，当在K1点发生短路时，
3、要求保护3、4动作，断开3、4两个断路器；如在K2点发生短路，要求保护1、2动作，断开1、2两个断路器。对K1点短路，为实现选择性要求：对K2点短路，为实现选择性要求：可见，一般电流保护不能满足保护选择性要求。因此，要采用其他方法来解决这个问题。本讲稿第三页，共三十六页 方向过流保护是在过流保护基础上加装方向元件的保护。在一般过流保护上加一个方向元件（功率方向继电器），它只有当短路功率由母线流向线路时，才允许保护动作，这样就解决了过流保护的选择性问题 规定：短路功率的方向从母线指向线路为正方向。本讲稿第四页，共三十六页例如，途中K1点发生了短路 K1点短路时，保护1、2、4、6为正方向；保护3
4、和5反方向，不应起动。WL2WL2本讲稿第五页，共三十六页 WL2上K1点短路时，保护1、3、4、6因短路功率由母线流向线路，故都能启动，而其中按动作方向时限最短的保护3和4动作，跳开断路器3、4，将故障线路WL2切除，保护1和6便返回，从而保证了动作选择性。二、方向过流保护原理接线图二、方向过流保护原理接线图二、方向过流保护原理接线图二、方向过流保护原理接线图 方向过流保护装置由三方向过流保护装置由三个主要元件组成，启动元件个主要元件组成，启动元件（电流继电器），功率方向（电流继电器），功率方向元件（功率方向继电器）和元件（功率方向继电器）和时限元件（时间继电器）。时限元件（时间继电器）。工
5、作原理是方向元件工作原理是方向元件KW和和启动元件启动元件KA构成与门，二者构成与门，二者同时动作才能启动时间继电同时动作才能启动时间继电器器KT。本讲稿第六页，共三十六页三、双侧电源电网线路方向过流保护时限特性三、双侧电源电网线路方向过流保护时限特性四、特殊问题四、特殊问题 在双侧电源线路上，并不是所有过流保护装置中都需要装在双侧电源线路上，并不是所有过流保护装置中都需要装设功率方向元件，只有在仅靠时限不能满足动作选择性时，才设功率方向元件，只有在仅靠时限不能满足动作选择性时，才需要装设功率方向元件。需要装设功率方向元件。本讲稿第七页，共三十六页无时限电流速断保护在原理上用于双侧电源线路时，
6、其动作电流要按同时躲过线路首端和末端短路的最大短路电流，才能保证动作的选择性。但是，由于线路两侧电源的容量和系统阻抗不同，当在线路发生短路时，两侧电源供给的短路电流大小并不相同，甚至数值相差很大，这时安装在小电源一侧的电流速断保护范围就不能满足灵敏度的要求，甚至可能没有保护范围。在这种情况下，小电源一侧需要采用方向电在这种情况下，小电源一侧需要采用方向电流速断保护，流速断保护，当保护背后发生短路时，利用功率方向元件闭锁，使保护只根据小电源一侧的短路功率方向来动作。因此，这时小电源侧方向电流速断保护只需躲过线路末端短路时通过该保护处的短路电流来整定即可，从而大大提高了保护的灵敏性，满足保护范围的
7、要求。本讲稿第八页，共三十六页第二节第二节 功率方向继电器功率方向继电器一、功率方向继电器工作原理一、功率方向继电器工作原理1、功率方向继电器的任务是测量送入继电器的电压Ur和电流Ir之间的相位，以判别正、反向故障。目前使用的功率方向继电器为感应型、整流型和半导体型按相位比较或幅值比较原理构成。整流型继电器灵敏性好，无电压死区、调试方便及动作速度快等。2、判断方向的实质 方向元件（功率方向继电器）之所以能判别正、反向故障是因为正、反向故障时，保护安装处的母线残压与被保护线路上的电流之间的相位关系不同。方向元件正是根据这种不同来识别正、反向故障的。3、相位比较式功率方向继电器的工作原理 以母线电
8、压 为参考相量，电压高于地时为正，电流 以母线流向线路为正。本讲稿第九页，共三十六页本讲稿第十页，共三十六页继电器内角常取45或30。最大灵敏线与电压Ur之间夹角 称为最大灵敏角，=-，因为这时Ir超前Ur，所以，是负角度。这个 角度在功率方向继电器上是人为可调的，有专门的调节旋钮。其实质是人们与对短路阻抗角的一种粗略估计值有关。本讲稿第十一页，共三十六页 一般来说，上面这个相位比较原理的实现是借助于电压互感器提供的信号 和电流互感器提供的信号 构造出其他的复合信号后再设计一个相位比较电路才间接实现的。例如，我们可以构造下面两个信号来实现相位比较：从而实现或近似实现功率方向继电器将功率方向继电
9、器将有望产生最强转矩，有望产生最强转矩，提高功率方向甄别提高功率方向甄别的可靠性。的可靠性。等等 效效只要比较这两个向只要比较这两个向量的长短，就可以量的长短，就可以实现对角度的判别。实现对角度的判别。（按相电压和相电流信号来理解）（按90接线方式信号来理解）本讲稿第十二页，共三十六页二、相位比较原理与幅值比较原理的关系二、相位比较原理与幅值比较原理的关系二、相位比较原理与幅值比较原理的关系二、相位比较原理与幅值比较原理的关系 功率方向继电器的幅值比较的两个电气量 和 ，可以通过相位比较的两个向量 和 经过线性变换得到：若以为 动作量，为制动量。则当UC与UD相位差=90时，动作量等于制动量，
10、动作的临界状态；当90时，动作量大于制动量，继电本讲稿第十三页，共三十六页器处于动作状态；当90时，动作量小于制动量，继电器不动作。由上图可知：即 如果已知幅值比较的两个向量，也可以求得相位比较的两个向量：三、幅值比较方案三、幅值比较方案 幅值比较方案由整流和滤波环节、幅值比较环节、执行元件三个部分构成。1、幅值比较环节方案1直接比较式本讲稿第十四页，共三十六页 极化继电器KP有两个绕组，其中W1为动作绕组，W2为制动绕组。动作量经整流滤波后产生动作电流I1以带“”号极性端子流入W1绕组，产生动作安匝；制动量经整流滤波后产生制动电流I2，从非极性端子流入W2，产生制动安匝。若极化继电器的动作安
11、匝为(IW)OP，则极化继电器动作条件为本讲稿第十五页，共三十六页 ZA：工作回路阻抗；ZB：制动回路阻抗；0.9：有效值转换为平均值的系数。当ZA=ZB且（IW）OP0时(此值大小与 是否真的接近0有关：如越近于0，则（IW）OP)就可以设置得大一些，因为此时动作转矩较大，动作安匝数大些，可以提高可靠性，防止误动作），继电器动作条件就等效为：方案2循环电流式比较回路本讲稿第十六页，共三十六页 当Z1=Z2，R1=R2，并满足Z1+R1=Z2+R2=Z，则极化继电器动作条件等效为：即 动作量UA经整流滤波后得到电流I1，制动量UB经整流滤波后得到电流I2，通过执行元件KP的电流为I1I2，继电
12、器的动作电流为Iop.r，则继电器动作条件为：I1I2Iop.r。忽略Iop.r时,上式变为本讲稿第十七页，共三十六页 循环电流式比较回路接线简单，动作灵敏，构造可靠，在实际中得到了广泛应用。方案3均压式比较回路 执行元件的输入端m、n所加电压是两电气量 和 整流电压的差值，所以称这种接线方式为均压式接线。动作量整流滤波后接于电阻R1上，其电压为U1；制动量整流滤波后接于电阻R2上，其电压为U2，执行元件的电压为Umn=U1U2，若极化继电器动作电压为Uop.r，本讲稿第十八页，共三十六页当当Z Z1 1=Z=Z2 2，R R1 1=R=R2 2，并忽略，并忽略U Uop.rop.r，则动作条
13、件为，则动作条件为四、功率方向继电器执行元件（极化继电器）四、功率方向继电器执行元件（极化继电器）继电器幅值比较回路中要求动作具有方向性，消耗功率小，动作迅速的直流继电器作执行元件，目前常用极化继电器或晶体管零指示器。差分式极化继电器属于电磁式直流继电器。则继电器动作条件为：则继电器动作条件为：本讲稿第十九页，共三十六页极化继电器原理结构图极化继电器原理结构图本讲稿第二十页，共三十六页五、整流型功率方向继电器（幅值比较动作的功率方向继电五、整流型功率方向继电器（幅值比较动作的功率方向继电器）器）1、GL-11功率方向继电器的原理图本讲稿第二十一页，共三十六页2、GL-11功率方向继电器的原理
14、GL-11功率方向继电器按幅值比较原理制成，故动作方程为 。由于上面的相位比较关系中的比较向量 和 已经知道，根据相位比较原理与幅值比较原理的关系构造出用于执行幅值比较的向量 和 。本讲稿第二十二页，共三十六页 继电器内角常取45或 30，对应的继电器最大灵敏度角也有两个：和 。本讲稿第二十三页，共三十六页 其实，要选对功率方向继电器的内角 ，关键是要正确估计线路的短路阻抗角 。二者之间的目标关系为：显然，是客观存在的角度，选择的 越能满足上面的目标关系，就越能使线路发生区间内短路时使功率方向继电器的执行机构产生最大的转矩，保证可靠动作。3、对GL-11功率方向继电器动作条件的要求（动作门槛）
15、动作条件动作要求 当Ir足够大时，有 ，现假设 和 方向相同，则有：本讲稿第二十四页，共三十六页 当电压Ur足够大时，使继电器动作的最小电流为方向继电器的最小动作电流：由此决定了方向继电器的最小动作功率，用Sopmin表示：方向继电器的最小动作电流、电压和功率是衡量方向继电器灵敏性的参数。执行元件越灵敏（U0越小），则KU、KI越大，方向功率继电器的Iopmin、Uopmin和本讲稿第二十五页，共三十六页Sopmin就越小，方向继电器也就越灵敏。功率方向继电器的动作特性：六、六、LG-11LG-11整流型功率方向继电器电压死区和潜动整流型功率方向继电器电压死区和潜动 在保护安装处附近发生金属性
16、三相短路时，母线残压接近于零，此时，继电器不能可靠动作，使功率继电器不能可靠动作的靠近保护按装处这段范围称为继电器的死区。消除死区的方法是在继电器电压回路串如入电容C可构成“电压信号记忆回路”，这就是电压变换器UV一次绕组的等效电感、电阻一起构成50Hz频率的串联谐振回路。这样，当信号 突然降为很小时，电压回路中的电流 却并不消失，W1上仍然可以得到 的电压信号，这样，确保在保护安装处附近发生金属性三相短路时保护也能动作。（注意：即便如此，也不能保证在非常接近保护安装处金属性短路时保护能够可靠动作。因本讲稿第二十六页，共三十六页为Q不可能很大，通常34，太大会使故障较远时的 太大。中的 的含义
17、就是 ，这一点要十分清楚。功率继电器潜动是指当输入电压或输入电流中只要有一个量输入继电器时，继电器不应动作。实际中，由于比较回路各元件参数不完全对称，继电器可能动作，这称为潜动。潜动分为电压潜动和电流潜动，正向潜动和反向潜动。潜动的危害表现在保护安装处正向出口短路时，继电器可能拒动；反向出口短路时，继电器可能误动或灵敏系数降低。消除电流潜动，调整电阻R2,消除电压潜动，调整电阻R1。本讲稿第二十七页，共三十六页第三节第三节 功率方向继电器的接线方式功率方向继电器的接线方式一、功率方向继电器的90接线方式1、对方向继电器的要求：正方向任何形式的短路，继电器都能动作；反方向短路，继电器不动作。故障
18、以后，加入继电器的电流 和电压 尽可能大，灵敏度尽可能高。2、反应相间短路的方向继电器广泛采用90接线。所谓90接线是假设三相电压对称且cos=1时，加入方向继电器的电流和电压相位相差90的一种接线方式3、功率继电器90接线方式的接线图和相量图本讲稿第二十八页，共三十六页本讲稿第二十九页，共三十六页 对方向继电器的接线应注意电流线圈和电压线圈的极性，极性接反了就会造成正方向短路拒动，反方向短路误动的后果。二、90接线方式的特点：1、90接线方式的主要特点对各种两相短路没有死区。适当选择内角之后，对各种相间短路，都有能保证动作的方向性；且有较高灵敏度。2、90接线方式的主要缺点正方向三相出口处发
19、生三相短路时仍然存在电压死区（虽然电压信号使用电容起到了对信号的记忆作用）；保护接线较为复杂，投资增加。三、各种短路情况下线路的阻抗角、向量图和对功率方向继电器内角范围的限制本讲稿第三十页，共三十六页结论：只要 ，实际中的功率方向继电器在各种常见相间短路情况均能可靠动作。为此，GL-11型功率方向继电器设定了两个功率方向继电器内角（30 和45）可供选择。本讲稿第三十一页，共三十六页第五节第五节 方向过电流保护整定计算方向过电流保护整定计算一、方向电流速断保护的整定计算一、方向电流速断保护的整定计算 在两端供电或单电源环形网络中，同样可构成瞬时方向电流速断保护和限时方向电流速断保护。它们的整定
20、计算可按一般不带方向的电流速断保护整定计算原则进行。二、方向过电流保护整定计算的一般方法二、方向过电流保护整定计算的一般方法1、躲开被保护线路中最大负荷电流ILmax，即 式中 ILmax考虑电动机自启动最大负荷电流。2、躲过非故障相电流整定本讲稿第三十二页，共三十六页在小接地电流电网中，非故障相电流为负荷电流，保护装置的动作电流还按躲开被保护线路中最大负荷电流ILmax即可：大接地电流电网中，非故障相电流Iunf除负荷电流IL外，还包括故障电流的零序分量3I0，可用下式计算：K非故障相中零序电流与故障相电流的比例系数，单相短路取1/3。同方向保护的数值配合：以保护2、4、6为例，保护4动作电
21、流表示为：配合系数，一般取1.1本讲稿第三十三页，共三十六页三、相继动作三、相继动作 当短路点靠近A母线时，几乎全部短路电流经过1QF，流向故障点，经过2、3、4、5、6QF流向短路点的电流可忽略不计。故保护2只有在保护1动作断开1QF后，2QF才能动作。保护的这种动作称为相继动作，能产生相继动作的某段区域称为相继动作区。相继动作的结果使得切除故障的时间加长，对电力系统是不利的；但在环形网络中，发生相继动作却是不可避免的。四、方向电流保护灵敏度校验四、方向电流保护灵敏度校验 方向电流保护灵敏系数，主要取决于电流元件的灵敏系数，其校验方法与不带方向的过流保护相同。即当作本线路主保护时，在本线路末
22、端发生短路时，电流启动元件的最小灵敏系数不应小于1.5，作相邻线路后备保护时，在相邻线路末端短路时最小灵敏系数为1.2。本讲稿第三十四页，共三十六页五、保护装置的动作时限五、保护装置的动作时限 方向过流保护的动作时限是按逆向阶梯原则整定的，即同一动作方向的保护装置，其动作时限按阶梯原则来整定。本讲稿第三十五页，共三十六页第六节第六节 对方向过流保护的评价对方向过流保护的评价一、对四性的评价一、对四性的评价1、选择性：依靠逆向阶梯原则的时限特性和方向元件保证。2、快速性：动作时限长。3、灵敏性：由电流元件决定，受网络结构和运行方式变化影响，一般具有足够的灵敏系数，但在长距离、大负荷的线路往往不能满足要求。4、可靠性：采用继电器及接线简单，可靠性高。二、应用二、应用 主要应用于35kV及以下的两侧电源辐射形网络和单电源环形网络。常采用三段式方向电流保护作为相间短路的主保护。本讲稿第三十六页，共三十六页