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1、电力系统继电保护电力系统继电保护电力系统继电保护电力系统继电保护电力工程系电力工程系 杨会贤杨会贤西安电力高等专科学校西安电力高等专科学校Xian Electric Power College电力系统继电保护电力系统继电保护电网相间短路的方向电流保护 4电网相间短路的方向电流保护 1 1 1 14.1 方向电流保护的工作原理方向电流保护的工作原理2 2 2 24.2 功率方向元件功率方向元件 3 3 3 34.3 方向电流保护接线方式方向电流保护接线方式4.4 方向电流保护的整定原则方向电流保护的整定原则4 4 4 44.1 4.1 方向电流保护的工作原理方向电流保护的工作原理基本内容基本内容
2、一、电流保护用于双电源线路时的问题一、电流保护用于双电源线路时的问题一、电流保护用于双电源线路时的问题一、电流保护用于双电源线路时的问题二、方向性保护的概念二、方向性保护的概念二、方向性保护的概念二、方向性保护的概念三、方向过电流保护的工作原理三、方向过电流保护的工作原理四、三段式方向电流保护的构成四、三段式方向电流保护的构成一、电流保护用于双电源线路时的问题 双双电电源源多多电电源源和和环环形形电电网网供供电电更更可可靠靠,但但却却带带来来新新问问题题。在在双双电电源源现现路路上上，为为切切除除故故障障元元件件，应应在在线线路路两两侧侧装装设设断断路路器器和和保保护护装装置置。线线路路发发生
3、生故故障障时时线线路路两两侧侧的的保保护护均均应应动动作作，跳跳开开两两侧侧的的断断路路器器，这这样样才才能能切切除除故故障障线线路路，保保证证非非故故障障设设备继续运行。备继续运行。一、电流保护用于双电源线路时的问题1 1、段灵敏度可能下降段灵敏度可能下降整定电流保护整定电流保护段时也有类似的问题，除了与保护段时也有类似的问题，除了与保护P5P5的的段配段配合，还必须与保护合，还必须与保护P2P2的的段配合，可能导致灵敏度下降。段配合，可能导致灵敏度下降。2无法保证无法保证段动作选择性段动作选择性段动作时限采用段动作时限采用“阶梯特性阶梯特性”，图中保护，图中保护P2、P3的的段动作时限分别
4、为段动作时限分别为t2、t3，当，当k1故障时，保护故障时，保护P2、P3的电流的电流段同时启动，按选择性要求应该保护段同时启动，按选择性要求应该保护P3动作，即要求动作，即要求t3t2，显然无法，显然无法同时满足两种情况下后备保护的选择性。同时满足两种情况下后备保护的选择性。一、电流保护用于双电源线路时的问题一、电流保护用于双电源线路时的问题二、方向性保护的概念1原因分析造成电流保护在双电源线路上应用困难的原因是需要考虑“反向故障”。二、方向性保护的概念2解决办法 利用方向元件与电流元件结合就构成了方向电流保护。正方向故障时方向电流保护才可能动作，按正方向分组，图中的保护可以分为正方向故障时
5、方向电流保护才可能动作，按正方向分组，图中的保护可以分为两组：两组：P1P1、P3P3、P5P5为一组，整定动作电流时考虑为一组，整定动作电流时考虑A A侧电源提供的短路电流；侧电源提供的短路电流；P2P2、P4P4、P6P6为另一组，整定时考虑为另一组，整定时考虑B B侧电源提供的短路电流。侧电源提供的短路电流。在电流保护的基础上加一个方向元件构成的保护在电流保护的基础上加一个方向元件构成的保护方向过流保护。方向过流保护。三、方向过电流保护的工作原理三、方向过电流保护的工作原理 为了满足选择性为了满足选择性要求，保护要求，保护1 1、3 3、5 5动作时间需进行配合；动作时间需进行配合；保护
6、保护2 2、4 4、6 6动作时动作时间需进行配合。间需进行配合。相同动作方向保护的相同动作方向保护的动作时间仍按阶梯原动作时间仍按阶梯原则进行配合则进行配合。返回到上一级目录返回到上一级目录三、方向过电流保护的工作原理三、方向过电流保护的工作原理单相式方向过电流保护原理接线：单相式方向过电流保护原理接线：由起动元件、方向元件、时间元件和信号元件组由起动元件、方向元件、时间元件和信号元件组成。成。KWKW、KAKA的触点串在一起，构成与的逻辑关系的触点串在一起，构成与的逻辑关系只有两者都启动才能启动保护装置。只有两者都启动才能启动保护装置。四、三段式方向电流保护的构成四、三段式方向电流保护的构
7、成4.2 4.2 功率方向元件功率方向元件基本内容基本内容一、功率方向继电器的工作原理一、功率方向继电器的工作原理二、传统功率方向继电器二、传统功率方向继电器三、微机保护方向元件三、微机保护方向元件一、功率方向继电器的工作原理1 1比较相位原理的方向元件比较相位原理的方向元件 方向元件的作用是判别故障方向方向元件的作用是判别故障方向,如何由母线电压、线路电流判别故障方向如何由母线电压、线路电流判别故障方向,母母线电压参考方向为线电压参考方向为“母线指向大地母线指向大地”，电流参考方向为，电流参考方向为“母线指向线路母线指向线路”，依据在，依据在保护正、反方向短路时保护安装处母线电压和流过保护的
8、电流之间的相位变化判别保护正、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判别故障方向。故障方向。根据以上特点，可以构成反应保护安装处相应电压、电流之间根据以上特点，可以构成反应保护安装处相应电压、电流之间相位的方向元件，其动作方程为相位的方向元件，其动作方程为 ，即即 也就是说，当输入方向元件的电压、电流之间的相位在第一也就是说，当输入方向元件的电压、电流之间的相位在第一象限和第四象限时，方向元件会动作；反之不动作。这就是比相象限和第四象限时，方向元件会动作；反之不动作。这就是比相原理的方向元件的基本原理。它是反应出入方向元件的两个电量原理的方向元件的基本原理。它是反应出入方
9、向元件的两个电量的相位大小而动作的。的相位大小而动作的。一、功率方向继电器的工作原理一、功率方向继电器的工作原理2、比较幅值原理的方向元件、比较幅值原理的方向元件若令若令，、分别为电压变换器及电抗变换器的变换系数。设分别为电压变换器及电抗变换器的变换系数。设，因此，和之间的大小关系与加入方向元件的电流因此，和之间的大小关系与加入方向元件的电流、电压、电压之间的角度之间的角度有关。有关。当当时，一定满足时，一定满足；当；当或或一定有一定有。时，时，一、功率方向继电器的工作原理一、功率方向继电器的工作原理 若所设计的方向元件反应若所设计的方向元件反应 时动作，时动作，时不动作，则比较时不动作，则比
10、较、大小动作的方向元件亦可正确区分保护正、反方向的短路。当保护正方大小动作的方向元件亦可正确区分保护正、反方向的短路。当保护正方向短路时，有向短路时，有 和和 ，方向元件动作；而保护反方向短，方向元件动作；而保护反方向短路时有路时有或或和和，方向测量元件不动作。，方向测量元件不动作。根据以上特点又可构成直接比较两个电气量的大小动作的方向元件，其根据以上特点又可构成直接比较两个电气量的大小动作的方向元件，其动作方程为动作方程为 左边为动作量，右边为制动量，当动作量大于制动量时，继电器动作。左边为动作量，右边为制动量，当动作量大于制动量时，继电器动作。当满足上式时方向元件动作，否则不动作。当满足上
11、式时方向元件动作，否则不动作。一、功率方向继电器的工作原理一、功率方向继电器的工作原理 LG11整流型功率方向继电器是按幅值比较原理来实整流型功率方向继电器是按幅值比较原理来实现的。整流型方向继电器的基本环节包括：电压形成回路、现的。整流型方向继电器的基本环节包括：电压形成回路、整流滤波回路、比较回路和执行元件等几部分。这几部分整流滤波回路、比较回路和执行元件等几部分。这几部分的作用是：将输入电流、电压经过中间变压器或电抗变换的作用是：将输入电流、电压经过中间变压器或电抗变换器转换成适合于测量的电压，然后将该电压经过整流滤波器转换成适合于测量的电压，然后将该电压经过整流滤波回路变换成与之成正比
12、的直流电压，再送到比较回路进行回路变换成与之成正比的直流电压，再送到比较回路进行比较，以决定执行元件是否动作。比较，以决定执行元件是否动作。二、传统功率方向继电器二、传统功率方向继电器二、传统功率方向继电器二、传统功率方向继电器1动作特性方程动作特性方程其中其中称为继电器的内角（由继电器决定）。称为继电器的内角（由继电器决定）。，LGLG1111内角有内角有、两挡。两挡。，当当落在阴影区域里时功率方向继电器动作。落在阴影区域里时功率方向继电器动作。时，时，与与同相位，工作电压同相位，工作电压与制动电压与制动电压差值最大，继电器工作在最灵敏状态，称此时的差值最大，继电器工作在最灵敏状态，称此时的
13、为最灵敏角为最灵敏角，显然，显然。二、传统功率方向继电器二、传统功率方向继电器2死区死区虽然继电器的动作功率很小，但虽然继电器的动作功率很小，但当出口接地短路时，当出口接地短路时，LG LG1111是利用一个串联谐振回路（即记忆回路）来在记忆时间内消是利用一个串联谐振回路（即记忆回路）来在记忆时间内消除死区。除死区。，功率方向继电器不动作功率方向继电器不动作死区。死区。最小工作电压。最小工作电压。二、传统功率方向继电器二、传统功率方向继电器3潜动潜动从理论上讲，当从理论上讲，当 或或但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有或或
14、时，继电器动作时，继电器动作,即潜动。仅有即潜动。仅有时动，叫电压潜动，时动，叫电压潜动，时动，叫电流潜动。时动，叫电流潜动。时，继电器不动。时，继电器不动。叫电压潜动，仅有叫电压潜动，仅有 潜动对保护的影响潜动对保护的影响对正方向接地短路时，有利于保护正确对正方向接地短路时，有利于保护正确动作；当反方向接地短路时，可能导致动作；当反方向接地短路时，可能导致KWKW误动，使得保护误动；误动，使得保护误动；另外，增大另外，增大KWKW的动作功率，可降低灵敏性；的动作功率，可降低灵敏性；消除潜动方法消除潜动方法调调R1（电流潜动时），调（电流潜动时），调R2（电压潜动时）。（电压潜动时）。二、传统
15、功率方向继电器二、传统功率方向继电器 微机保护中有两大类方向元件：一类为以比相算法实现的工微机保护中有两大类方向元件：一类为以比相算法实现的工频量比相，动作方程与传统的功率方向继电器类似；另一类是以频量比相，动作方程与传统的功率方向继电器类似；另一类是以工频变化量构成的工频变化量构成的“工频变化量方向元件工频变化量方向元件”、“工频变化量方向工频变化量方向元件元件”等新型的方向元件，性能更为优越，用于等新型的方向元件，性能更为优越，用于110kV以上电压以上电压等级的线路纵联保护中。等级的线路纵联保护中。三、微机保护方向元件三、微机保护方向元件4.3 4.3 方向电流保护的接线方式方向电流保护
16、的接线方式基本内容基本内容一、功率方向继电器的一、功率方向继电器的90接线方式接线方式二、非故障相电流的影响及按相启动接线二、非故障相电流的影响及按相启动接线 功率方向继电器的接线方式是指它与电流互感器极电压互功率方向继电器的接线方式是指它与电流互感器极电压互感器的二次绕组之间的连接方式，应满足以下感器的二次绕组之间的连接方式，应满足以下要求：要求：接近接近 （1）必须保证功率方向继电器具有良好的方向性。即）必须保证功率方向继电器具有良好的方向性。即正向发生任何类型的故障都能动作，而反向故障时则不正向发生任何类型的故障都能动作，而反向故障时则不动作。动作。（2）尽量使功率方向继电器在正向故障时
17、具有较高的）尽量使功率方向继电器在正向故障时具有较高的灵敏度，灵敏度，一、功率方向继电器的一、功率方向继电器的90接线方式接线方式 方方向向元元件件的的接接线线方方式式主主要要要要求求相相间间短短路路是是有有良良好好的的方方向向性性和和很高的灵敏度，故相间短路的方向元件一般采用很高的灵敏度，故相间短路的方向元件一般采用9090接线方式。接线方式。所谓所谓90接线方式，是指系统三相对称且接线方式，是指系统三相对称且cos=1时，时，的接线方式。即系统在三相对称且功率因数为的情况下接入方向的接线方式。即系统在三相对称且功率因数为的情况下接入方向元件的电流超前所加电压元件的电流超前所加电压9090的
18、接线。的接线。方向元件方向元件123一、功率方向继电器的一、功率方向继电器的90接线方式接线方式 1三相短路三相短路（1 1）正方向三相短路）正方向三相短路 由于三相对称，三只继电器动作情况相同，由于三相对称，三只继电器动作情况相同，故以故以A A相为例分析。相为例分析。为线路阻抗角，为线路阻抗角，是继电器的测量相角。显然是继电器的测量相角。显然如果选择如果选择，则功率方向继电器工作在最灵敏状态。，则功率方向继电器工作在最灵敏状态。在动作区内，在动作区内，（2 2）反方向三相短路）反方向三相短路不在动作区内，功率方向继电器不会动作。不在动作区内，功率方向继电器不会动作。一、功率方向继电器的一、
19、功率方向继电器的90接线方式接线方式2 2两相短路两相短路 以以BCBC相短路为例分析，由于相短路为例分析，由于A A相无故障电流，所以相无故障电流，所以KWAKWA动作与动作与否取决于负荷电流（是非故障相电流，采用按相启动）。否取决于负荷电流（是非故障相电流，采用按相启动）。（1 1）近处）近处BCBC两相正方向短路两相正方向短路近处两相正方向短路时故障相近处两相正方向短路时故障相的功率方向继电器动作与三相的功率方向继电器动作与三相短路时相同。短路时相同。一、功率方向继电器的一、功率方向继电器的90接线方式接线方式（2 2）远处）远处BCBC两相正方向短路两相正方向短路 两个故障相功率方向继
20、电器均能正确判断故障方向。两个故障相功率方向继电器均能正确判断故障方向。一、功率方向继电器的一、功率方向继电器的90接线方式接线方式1非故障相电流的影响非故障相电流的影响不对称故障时非故障相仍有的电流，称为非故障相电流。不对称故障时非故障相仍有的电流，称为非故障相电流。小电流接地系统中非故障相电流为负荷电流。大电流接地系统中小电流接地系统中非故障相电流为负荷电流。大电流接地系统中还应考虑接地故障时由于零序电流分布系数与正负序电流分布系还应考虑接地故障时由于零序电流分布系数与正负序电流分布系数不同造成的非故障电流。数不同造成的非故障电流。二、非故障相电流的影响及按相启动接线二、非故障相电流的影响
21、及按相启动接线2按相启动按相启动 电流继电器触点与功率方向继电器触点之间的接线时必须考虑非故电流继电器触点与功率方向继电器触点之间的接线时必须考虑非故障相电流的影响。障相电流的影响。非按相起动接线（上左图）只要由任意一个电流继电器和任意一相非按相起动接线（上左图）只要由任意一个电流继电器和任意一相的功率方向继电器动作，触点回路就能导通。当出现反相故障时，保的功率方向继电器动作，触点回路就能导通。当出现反相故障时，保护有误动的可能。护有误动的可能。二、非故障相电流的影响及按相启动接线二、非故障相电流的影响及按相启动接线 按相启动接线按相启动接线是指某一相电流的方向元件的接点就与该相是指某一相电流
22、的方向元件的接点就与该相的电流元件的接点串联。的电流元件的接点串联。若按相起动，当保护反向发生若按相起动，当保护反向发生BCBC相短路时，相短路时，A A相功率方向继电相功率方向继电器流过非故障电流，方向依然从母线流向线路，所以器流过非故障电流，方向依然从母线流向线路，所以KWAKWA动作。动作。但是，因为但是，因为A A相电流继电器按多过非故障相电流整定，相电流继电器按多过非故障相电流整定，KAAKAA不动不动作。这样，保护就不会误动，即避免了方向元件受非故障相电作。这样，保护就不会误动，即避免了方向元件受非故障相电流的影响。所以方向电流保护必须采用按相起动接线。流的影响。所以方向电流保护必
23、须采用按相起动接线。二、非故障相电流的影响及按相启动接线二、非故障相电流的影响及按相启动接线4.4 4.4 方向电流保护的整定原则方向电流保护的整定原则基本内容基本内容一、方向电流保护的整定计算一、方向电流保护的整定计算二、非故障相电流的影响及按相启动接线二、非故障相电流的影响及按相启动接线 方向电流保护的整定计算有两个方面的内容，一是电流部分的整定，即动作电方向电流保护的整定计算有两个方面的内容，一是电流部分的整定，即动作电流、动作时间与灵敏度的校验；二是是否需要装设（投入）方向元件。对于其中流、动作时间与灵敏度的校验；二是是否需要装设（投入）方向元件。对于其中电流部分的整定，其原则与前述的
24、三段式电流保护整定原则基本相同。不同的是电流部分的整定，其原则与前述的三段式电流保护整定原则基本相同。不同的是与相邻保护的定值配合时，只需要与相邻的同方向保护的定值进行配合。与相邻保护的定值配合时，只需要与相邻的同方向保护的定值进行配合。在两端供电或单电源环网中，在两端供电或单电源环网中，I段、段、II段电流部分的整定计算可按照一般的不带段电流部分的整定计算可按照一般的不带方向的电流方向的电流I段、段、II段整定计算原则进行。段整定计算原则进行。III段整定时则与一般不带方向的电流段整定时则与一般不带方向的电流III段有所不同。段有所不同。一、方向电流保护的整定计算一、方向电流保护的整定计算（
25、1）动作电流）动作电流 方向过电流保护的动作电流按以下三个条件整定：方向过电流保护的动作电流按以下三个条件整定：躲过最大负荷电流。为防止保护装置在正常负荷电流下和外部躲过最大负荷电流。为防止保护装置在正常负荷电流下和外部短路切除后因电动机的自起动而误作，而按躲过最大负荷电流短路切除后因电动机的自起动而误作，而按躲过最大负荷电流 即即 。方向过电流保护的动作电流要躲过非故障相电流，即。方向过电流保护的动作电流要躲过非故障相电流，即 在中性不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统中，非故障相在中性不接地系统或中性点经消弧线圈接地系统中，非故障相电流就是负荷电流，可不必考虑非故障相电流。电流就是负荷电流
26、，可不必考虑非故障相电流。躲过非故障相电流。在中性点直接接地系统中，当相邻线路上躲过非故障相电流。在中性点直接接地系统中，当相邻线路上发生白对称短路时，在非故障相中仍有电流通过，这个电流为非故障发生白对称短路时，在非故障相中仍有电流通过，这个电流为非故障相电流相电流1方向过电流保护的整定方向过电流保护的整定一、方向电流保护的整定计算一、方向电流保护的整定计算（2）动作时限）动作时限 方向电流保护方向电流保护III段的动作时间按照同方向阶梯特性整定，即前一段段的动作时间按照同方向阶梯特性整定，即前一段线路保护的保护动作时间比同方向后一段线路保护的动作时间长。线路保护的保护动作时间比同方向后一段线
27、路保护的动作时间长。方向过电流保护常用作下一相邻线路的后备保护，所以各相邻方向过电流保护常用作下一相邻线路的后备保护，所以各相邻保护的灵敏度应加以配合，以保证动作的选择性。这就是使上一段线保护的灵敏度应加以配合，以保证动作的选择性。这就是使上一段线路保护的动作电流大于下一段线路保护装置的动作电流。也就是沿着路保护的动作电流大于下一段线路保护装置的动作电流。也就是沿着同一动作方向的保护装置，其动作电流应该距离电源最远处开始逐渐同一动作方向的保护装置，其动作电流应该距离电源最远处开始逐渐增大。增大。（3）保护的灵敏度配合）保护的灵敏度配合一、方向电流保护的整定计算一、方向电流保护的整定计算2方向元
28、件的装设方向元件的装设 与电流保护相比，方向电流保护会增加投资，所以力求不用方向元与电流保护相比，方向电流保护会增加投资，所以力求不用方向元件（如果用动作电流和延时能保证选择性）。件（如果用动作电流和延时能保证选择性）。装设方向元件的原则：同一母线两侧，动作时限短且相等须装方向装设方向元件的原则：同一母线两侧，动作时限短且相等须装方向元件。同一母线两侧，动作时限长者不须装方向元件。元件。同一母线两侧，动作时限长者不须装方向元件。一、方向电流保护的整定计算一、方向电流保护的整定计算对于电流速断保护（第对于电流速断保护（第、段）段）若若，故障，故障，保护保护1 1可不加可不加KWKW；故障，故障，
29、保护保护2 2要加要加KWKW对过流保护对过流保护故障时，故障时，保护保护2 2、3 3要加要加KWKW故障时，故障时，保护保护3 3要加要加KWKW 即：动作延时长的可不加即：动作延时长的可不加KWKW，动作延时小的或相等的要加，动作延时小的或相等的要加KWKW保护保护1 1可不加可不加KWKW一、方向电流保护的整定计算一、方向电流保护的整定计算3 3保护装置的相继动作保护装置的相继动作相继动作：同一条线路两侧保护按先后顺序动作。相继动作：同一条线路两侧保护按先后顺序动作。相继动作区：相继动作的线路长度。相继动作区：相继动作的线路长度。缺点：加长故障切除时间。缺点：加长故障切除时间。优点：可提高保护装置的灵敏系数。优点：可提高保护装置的灵敏系数。一、方向电流保护的整定计算一、方向电流保护的整定计算二、方向保护的逻辑框图二、方向保护的逻辑框图