南昌大学继电保护第四章电网相间短路的方向电流保护

1、 第四章第四章 电网相间短路的方向性电流保护电网相间短路的方向性电流保护 对于单电源辐射形供电的网络，每条线路上只在电源侧装设保护装置就可以了。对于单电源辐射形供电的网络，每条线路上只在电源侧装设保护装置就可以了。 当线路发生故障时，只要相应的保护装置动作于断路器跳闸，便可以将故障元件与当线路发生故障时，只要相应的保护装置动作于断路器跳闸，便可以将故障元件与 其他元件断开，但却要造成一部分变电所停电。为了提高电网供电的可靠性，在电其他元件断开，但却要造成一部分变电所停电。为了提高电网供电的可靠性，在电 力系统中多采用双侧电源供电的辐射形电网或单侧电源环形电网供电。此时，采用力系统中多采用双侧电

2、源供电的辐射形电网或单侧电源环形电网供电。此时，采用 阶段式电流保护将难以满足选择性要求，应采用方向性电流保护。本节主要介绍方阶段式电流保护将难以满足选择性要求，应采用方向性电流保护。本节主要介绍方 向性电流保护的工作原理、整定计算、方向继电器及其接线方式等内容。向性电流保护的工作原理、整定计算、方向继电器及其接线方式等内容。 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 方向电流保护的基本原理方向电流保护的基本原理 (1(1）问题的提出）问题的提出 对于如图对于如图4-14-1所示的双侧电源网络，由于两侧都有电源，所以在每条线路的两侧均所示的双侧电源网络，由于两侧都有电源，所以

3、在每条线路的两侧均 需装设断路器和保护装置。当线路上发生相间短路时，应跳开故障线路两侧的断路需装设断路器和保护装置。当线路上发生相间短路时，应跳开故障线路两侧的断路 器，而非故障线路仍能继续运行。例如，当器，而非故障线路仍能继续运行。例如，当k1k1点发生短路时，应由保护点发生短路时，应由保护3 3、4 4动作跳动作跳 开断路器切除故障，而其他线路不会造成停电，这正是双侧电源供电的优点。但是开断路器切除故障，而其他线路不会造成停电，这正是双侧电源供电的优点。但是 单靠电流的幅值大小能否保证保护单靠电流的幅值大小能否保证保护2 2、5 5不误动作呢？由图可知，当不误动作呢？由图可知，当k1k1点

4、短路时，由点短路时，由 左侧电源提供的短路电流同时流过保护左侧电源提供的短路电流同时流过保护2 2和保护和保护3 3，使保护，使保护3 3的电流速断保护启动，的电流速断保护启动， 跳开跳开QF3QF3。如果此短路电流也大于保护。如果此短路电流也大于保护2 2的电流速断保护的整定值，则保护的电流速断保护的整定值，则保护2 2可能在可能在 保护保护3 3跳开跳开QF3QF3之前或同时跳开之前或同时跳开QF2QF2，这样保护，这样保护2 2的动作将失去选择性。同时给动作值的动作将失去选择性。同时给动作值 的整定带来麻烦。的整定带来麻烦。又如对于定时限过电流保护，为满足选择性要求，在又如对于定时限过电

5、流保护，为满足选择性要求，在k1k1点短路时，点短路时， 要求保护要求保护2 2大于保护大于保护3 3的动作时限；在的动作时限；在k2k2点短路时，又要求保护点短路时，又要求保护2 2小于保护小于保护3 3的动作时的动作时 限，给保护动作时限的整定造成困难。同理，对于单侧电源环网也会出现这样的问限，给保护动作时限的整定造成困难。同理，对于单侧电源环网也会出现这样的问 题。题。 （2）解决方法）解决方法 分析：线路分析：线路WL1的的1点发生短路时，流经保护点发生短路时，流经保护2的短路功率方向的短路功率方向 是由母线指向线路，保护是由母线指向线路，保护2应该动作；而流经保护应该动作；而流经保护

6、3 的短路功率是的短路功率是 由线路指向母线，保护由线路指向母线，保护3不应该动作。当线路不应该动作。当线路L2的的2点发生短路点发生短路 时，流经保护时，流经保护2的短路功率方向是由线路指向母线，保护的短路功率方向是由线路指向母线，保护2不应动不应动 作；而流过保护作；而流过保护3的短路功率方向是由母线指向线路，保护的短路功率方向是由母线指向线路，保护3应该应该 动作。动作。 从分析可看出，只有当短路功率的方向从母线指向线路时，保护从分析可看出，只有当短路功率的方向从母线指向线路时，保护 动作才是有选择性的。若在过电流保护的基础上加装一个功率方动作才是有选择性的。若在过电流保护的基础上加装一

7、个功率方 向判别元件向判别元件功率方向元件功率方向元件, 并且规定短路功率方向由母线指向并且规定短路功率方向由母线指向 线路为正方向。只有当线路中的短路功率方向与规定的正方向相线路为正方向。只有当线路中的短路功率方向与规定的正方向相 同，保护才动作。同，保护才动作。 这种在电流保护的基础上加装方向元件的保护称为方向电流保护。这种在电流保护的基础上加装方向元件的保护称为方向电流保护。 方向电流保护既利用了电流的幅值特征，又利用了短路功率的方方向电流保护既利用了电流的幅值特征，又利用了短路功率的方 向特征向特征. . 在图所示的电网中，各电流保护均加装了方向元件构成了方向电在图所示的电网中，各电流

8、保护均加装了方向元件构成了方向电 流保护，图中箭头方向为各保护的动作方向。把同一方向的保护流保护，图中箭头方向为各保护的动作方向。把同一方向的保护 如如1 1、3 3、5 5作为一组，保护作为一组，保护2 2、4 4、6 6为另一组，这样就可将两个方为另一组，这样就可将两个方 向上的保护拆开成两个单电源辐射形电网的保护。当向上的保护拆开成两个单电源辐射形电网的保护。当k2k2点短路时，点短路时， 流经保护流经保护1 1、3 3、5 5的短路功率方向均由母线流向线路，与保护的动的短路功率方向均由母线流向线路，与保护的动 作方向相同，此时只需考虑保护作方向相同，此时只需考虑保护1 1、3 3、5

9、5之间的动作电流和动作时之间的动作电流和动作时 限的配合即可，方法与上一节所述的单电源辐射形电网的阶段式限的配合即可，方法与上一节所述的单电源辐射形电网的阶段式 保护相同。而流经保护保护相同。而流经保护2 2、4 4的短路功率方向均由线路流向母线，的短路功率方向均由线路流向母线， 与保护的动作方向相反，保护不会动作，也就不需要考虑与保护与保护的动作方向相反，保护不会动作，也就不需要考虑与保护1 1、 3 3、5 5之间的整定配合。同理，其他各点短路时，动作方向相反的之间的整定配合。同理，其他各点短路时，动作方向相反的 保护均不会误动作。保护均不会误动作。 2. 2. 方向电流保护的单相原理接线

10、方向电流保护的单相原理接线 具有方向性的过电流保护的单相原理接线如图所示，与图所示的限时电流速断保具有方向性的过电流保护的单相原理接线如图所示，与图所示的限时电流速断保 护单相原理接线图相比，只是多了一个用作判断短路功率方向护单相原理接线图相比，只是多了一个用作判断短路功率方向( (即故障方向即故障方向) )的功的功 率方向继电器。由图可知，电流元件和方向元件的触点是串联的，它们必须都启率方向继电器。由图可知，电流元件和方向元件的触点是串联的，它们必须都启 动后，才能去启动时间元件，经预定的延时后动作于跳闸。动后，才能去启动时间元件，经预定的延时后动作于跳闸。 需要说明的是，对于双侧电源辐射形

11、电网或单侧电源环网中的电流保护，在某些需要说明的是，对于双侧电源辐射形电网或单侧电源环网中的电流保护，在某些 情况下不需要方向元件同样可以实现动作的选择性，但必须通过比较保护之间的情况下不需要方向元件同样可以实现动作的选择性，但必须通过比较保护之间的 整定值和动作时限的大小来实现，这样有利于简化保护的接线，提高动作的可靠整定值和动作时限的大小来实现，这样有利于简化保护的接线，提高动作的可靠 性。性。 方向电流保护装置的组成方向电流保护装置的组成 1。启动元件：。启动元件： 2。功率方向继电器：用来判别通过被保护线路短路功率。功率方向继电器：用来判别通过被保护线路短路功率 方向的。方向的。 3。

12、时限元件：。时限元件： 第二节第二节 功率方向继电器功率方向继电器 功率方向继电器有感应型、整流型和半导体型功率方向继电器有感应型、整流型和半导体型。但都是按相位比但都是按相位比 较或幅值比较原理构成的，其动作特性极为相似。较或幅值比较原理构成的，其动作特性极为相似。 一。一。功率方向继电器的工作原理功率方向继电器的工作原理： 功率方向继电器是通过测量保护安装处的电压和电流之间的相位功率方向继电器是通过测量保护安装处的电压和电流之间的相位 关系来判断短路功率方向的。以图所示网络为例，规定电流由母关系来判断短路功率方向的。以图所示网络为例，规定电流由母 线流向线路为正，电压以母线高于大地为正。当

13、线流向线路为正，电压以母线高于大地为正。当k1k1点发生三相短点发生三相短 路时，流过保护的电流路时，流过保护的电流 为正向电流，它与母线为正向电流，它与母线B B上的电压上的电压 之之 间的夹角为线路的阻抗角间的夹角为线路的阻抗角 ，其值的变化范围为其值的变化范围为 ， 且电压超前电流且电压超前电流( (因为线路主要以感性为主因为线路主要以感性为主) )，则短，则短 路功率为路功率为 。而当。而当k2k2点三相短路时，流过保护的点三相短路时，流过保护的 电流电流 为反向电流为反向电流 ， 和和 的相量如图。的相量如图。 ， 进入进入功率方向继电器功率方向继电器的的短路功率短路功率 可见，可见

14、，即发生正方向故障即发生正方向故障( (短路功率由母线流短路功率由母线流 向线路向线路) )时，短路功率时，短路功率为正，为正，GJGJ能可靠动作，而在发生反方向故障能可靠动作，而在发生反方向故障 ( (短路功率由线路流向母线短路功率由线路流向母线) )时，短路功率时，短路功率为负，为负，GJGJ可靠不动作。可靠不动作。U r U r I 11kr 0 1 0 900 r 2r I r U 0cos 111 rrrk IUP 2r I 0 22 180 kr 0 2 0 , 0 2 0 270180900 rk 0cos 222 rrrk IUP (a) (a) 正方向故障正方向故障 (b)

15、(b) 反方向故障反方向故障 图图4-5 4-5 反向故障时电压与电流的相位关系反向故障时电压与电流的相位关系 功率方向继电器是用来判断短路功率方向的，是方向电流保护中功率方向继电器是用来判断短路功率方向的，是方向电流保护中 的主要元件。所以它必须具有足够的灵敏性和明确的方向性，即的主要元件。所以它必须具有足够的灵敏性和明确的方向性，即 发生正方向故障发生正方向故障( (短路功率由母线流向线路短路功率由母线流向线路) )时，能可靠动作，而时，能可靠动作，而 在发生反方向故障在发生反方向故障( (短路功率由线路流向母线短路功率由线路流向母线) )时，可靠不动作。时，可靠不动作。 1。动作方程：

16、00 90arg90 r r I U 2。动作特性 3。在实际应用中 )90(arg)90( 00 r r I U 00 90arg90 r j r I eU 1。继电器内角 ： 常取45度或30度。 2。最大灵敏线：当电流相量垂直于动作特性时，功率方向继电器 的动作最灵敏，因此，这一位置称为最大灵敏线。 3。最大灵敏角：最大灵敏线与电压之间的夹角称为最大灵敏角 4。功率方向继电器可按比较两电气量的相位原理来构成： rID rUc IKU UKU 00 90arg90 D C I U 二、相位比较原理和幅值比较原理的关系 )( 2 1 )( 2 1 BAc BAD UUU UUU 三。幅值比较

17、回路 1。直接比较式比较回路 2。循环电流式比较回路 3。均压式比较回路 （二）功率方向继电器的执行元件 1。极化继电器： 工作绕组从极性端子通入工作 电流时，且等于动作电流时， 则继电器动作，触点闭合。注 意：动作电流有方向性。动作 很灵敏。 极化继电器系指由极化磁场与控制电流通过控制线圈所产生的磁 场的综合作用而动作的继电器。其极化磁场一般由磁钢或通直流 的极化线圈产生；继电器衔铁的吸动方向取决于控制绕组中流过 的电流方向。它具有灵敏度高和动作速度快的突出优点。 继电器是一种基本的电气设备，它用来打开或关闭一定数量互相 独立的电路。这种操作是利用由电压控制的线圈绕组所产生的电 磁场来实现的

18、。当输入量（电、磁、声、光、热）达到一定值时， 输出量将发生跳跃式变化的自动控制器件。 四、整流型功率方向继电器 rUIrIrU UKIKIKUK 注意：注意：1。死区：当靠近母线的某一段线路上发生。死区：当靠近母线的某一段线路上发生 三相短路时，使母线残压小于最小动作电压，这三相短路时，使母线残压小于最小动作电压，这 段区域方向继电器不动作，称这段区域为方向继段区域方向继电器不动作，称这段区域为方向继 电器死区。电器死区。 2。记忆回路：。记忆回路： 3。潜动：将电压输入端短接，只通入电流，或将。潜动：将电压输入端短接，只通入电流，或将 UX开路，只加输入电压时，极化继电器绕组上出开路，只加

19、输入电压时，极化继电器绕组上出 现动作电压或制动电压的现象，称为方向元件的现动作电压或制动电压的现象，称为方向元件的 潜动。潜动。 第三节第三节 相间短路保护相间短路保护中中功率方向继电器的接线方式功率方向继电器的接线方式 功率方向继电器是通过测量保护安装处的电压和电流之间的相位关功率方向继电器是通过测量保护安装处的电压和电流之间的相位关 系来判别短路功率方向的，所以它必须同时输入母线电压和线路电系来判别短路功率方向的，所以它必须同时输入母线电压和线路电 流。流。功率方向继电器的接线方式就是指它与电压互感器和电流互感功率方向继电器的接线方式就是指它与电压互感器和电流互感 器之间的连接方式器之间

20、的连接方式。在考虑接线方式时，应满足以下要求：。在考虑接线方式时，应满足以下要求： (1) (1) 必须保证功率方向继电器具有良好的方向性，即正方向发生任必须保证功率方向继电器具有良好的方向性，即正方向发生任 何类型的相间短路故障都能动作，而反方向短路时则不动作。何类型的相间短路故障都能动作，而反方向短路时则不动作。 (2) (2) 尽量使功率方向继电器在正向短路时具有较高的灵敏性，即短尽量使功率方向继电器在正向短路时具有较高的灵敏性，即短 路时加入继电器的电压路时加入继电器的电压 和电流和电流 的数值足够大，并使的数值足够大，并使 尽可尽可 能接近于最大灵敏角能接近于最大灵敏角 。 1. 1

21、. 功率方向继电器的功率方向继电器的9090接线方式接线方式 为满足功率方向继电器接线方式的要求，目前功率方向继电器广为满足功率方向继电器接线方式的要求，目前功率方向继电器广 泛采用的是泛采用的是9090接线方式。接线方式。 9090接线方式是指在三相对称且功率因数接线方式是指在三相对称且功率因数 的情况下，的情况下，接接 入入各功率方向继电器电流各功率方向继电器电流 超前超前电压电压 的相的相角是角是9090 cos1 r U r I r m r I r U 9090接线方式接线方式电流和电压的组合电流和电压的组合 功率方向继电器测量角度的变化范围：下面分析采用功率方向继电器测量角度的变化范

22、围：下面分析采用90接线方接线方 式时功率方向继电器在各种相间短路时功率方向继电器动作时内式时功率方向继电器在各种相间短路时功率方向继电器动作时内 角的变化范围。角的变化范围。 （1）三相对称短路（板书推导）三相对称短路（板书推导） 当发生三相对称短路时，三只方向继电器的工作情况是相同的，当发生三相对称短路时，三只方向继电器的工作情况是相同的， 所以只分析一相即可。当采用所以只分析一相即可。当采用90接线方式时，接线方式时， 当发生三相对称当发生三相对称 短路时，各量的关系如图短路时，各量的关系如图4-16所示，输入的电流是所示，输入的电流是 ，输，输 入的电压是入的电压是 电流超前电压的相角

23、为电流超前电压的相角为 功率方向继电器的动作方程：功率方向继电器的动作方程： 即即 ar II bcr UU )90( 0 kara 00 900 ka 00 90arg90 r j r I eU 00 9090ra 000 909090ka 000 1800 ,0 ka 000 9090,90ka 所以，满足所以，满足功率方向继电器的动作时应选择的内角功率方向继电器的动作时应选择的内角 为：为： 00 900 （二）两相短路（二）两相短路 以以B、C相短路为例，有以下两种情况。相短路为例，有以下两种情况。 (1) 近处两相短路近处两相短路 短路点位于保护安装处附近。设系统三相电势短路点位于保

24、护安装处附近。设系统三相电势 是对称的，如图所示是对称的，如图所示 。而。而B相和相和C相的短路电流相的短路电流 ， 由由 产生产生 ，滞后，滞后 的相位角为的相位角为 (短路点至保护安装处之间线路的阻抗角，其变化范短路点至保护安装处之间线路的阻抗角，其变化范 围为围为 ，如图，如图4-18所示）。所示）。 因为因为B、C相短路，且短路点距保护安装处较近，则有相短路，且短路点距保护安装处较近，则有 ， ，所以有，所以有 aa UE bca 1 2 UUE aba 3 2 UE bc 0U caa 3 2 UE bc II bc E b Ibc E k 00 900 k 对对A相而言，忽略负荷电

25、流时相而言，忽略负荷电流时 ，所以，所以A相继电器不动作。相继电器不动作。 功率方向继电器功率方向继电器2KW， 功率方向继电器功率方向继电器3KW a 0I 因为短路点远离保护安装处，所以可认为保护安装处三相电压是对因为短路点远离保护安装处，所以可认为保护安装处三相电压是对 称的，即称的，即 ， ， ，当，当B、C两相短路时，两相短路时， ，而，而 由由 产生，并滞后于产生，并滞后于 的相位角为的相位角为 (短路点至短路点至 保护安装处之间线路的阻抗角，其变化范围为保护安装处之间线路的阻抗角，其变化范围为 )，如，如 图图4-18所示。所示。 保护安装处母线电压为保护安装处母线电压为 接入接

26、入功率方向继电器的电压为功率方向继电器的电压为 aa UE bb UE cc UE b I 2。远处两相短路。远处两相短路 bc E bc E k 00 900 k 对于非故障的对于非故障的A相功率方向继电器，若不考虑负荷电流，相功率方向继电器，若不考虑负荷电流， 则则 继电器不动作。继电器不动作。 功率方向继电器功率方向继电器2KW， 因此，因此， 当当 使使功率方向继电器能动作的内角为功率方向继电器能动作的内角为 功率方向继电器功率方向继电器3KW ， 0 a I , , ababrcr EUUII , , cacarbr EUUII 000 60)3090( kkrc 000 120)3

27、090( kkrb 00 900 k 00 900 k 00 12030 使使功率方向继电器能动作的内角为功率方向继电器能动作的内角为 00 6030 可见，为了满足以上情况；00 6030 第四节第四节 功率方向继电器按相启动接线功率方向继电器按相启动接线 一。非故障相电流的影响一。非故障相电流的影响 1 1。非故障相电流：在电网中发生不对称短路时，。非故障相电流：在电网中发生不对称短路时， 非故障相仍有电流流过，此电流称为非故障相电非故障相仍有电流流过，此电流称为非故障相电 流。流。 2 2。如图。如图4-19,B,C4-19,B,C两相短路两相短路 可见，保护可见，保护1 1中中A A相

28、相功率方向继电器功率方向继电器可能发生误动可能发生误动 作作. . 二、二、按相启动按相启动 按相启动接线是指同名相按相启动接线是指同名相( (如如A A相相) )的电流元件触点的电流元件触点 与功率方向继电器的触点与功率方向继电器的触点 直接串联，构成直接串联，构成“与与” 门后再三相并联，然后再接入时间元件门后再三相并联，然后再接入时间元件KTKT的线圈的线圈 ，如图，如图b b所示。所示。 分析分析: :如图如图4-20a4-20a所示，则故障相电流将通过非故所示，则故障相电流将通过非故 障相的功率方向继电器启动时间继电器，造成保障相的功率方向继电器启动时间继电器，造成保 护护1 1的误

29、动作。的误动作。 如图如图4-20b4-20b所示这种按相启动接线方式能够保证在所示这种按相启动接线方式能够保证在 反方向发生不对称短路时，故障相反方向发生不对称短路时，故障相方向方向元件不会元件不会 动作动作, ,非故障相电流元件不会动作，所以保护不会非故障相电流元件不会动作，所以保护不会 误启动。误启动。 当大接地电网中发生单相接地时,非故障相中不仅有负荷电流,而 且还有一部分故障电流,故这时对保护影响更加严重. 如图4-21,线路在K点发生A相单相接地短路. 分析分析:对于保护对于保护1的故障相的故障相A相功率方向继电器，相功率方向继电器， 则继电器动作。则继电器动作。功功 率方向继电器

30、率方向继电器2KW和功率方向继电器和功率方向继电器3KW 都不会动作都不会动作, 但对整个但对整个 保护保护1来说来说,只要只要故障相功率方向继电器能正确故障相功率方向继电器能正确 动作动作,则整个保护也则整个保护也 能正确动作能正确动作.所以对应该动作的保护所以对应该动作的保护1来说不会带来什么不良影响来说不会带来什么不良影响. 对于保护对于保护2的的A相功率方向继电器，相功率方向继电器， 继电器不动作。继电器不动作。功率方向继功率方向继 电器电器2KW和功率方向继电器和功率方向继电器3KW 都会误动作都会误动作, 则保护则保护2可能误动作可能误动作. 为了消除保护为了消除保护2的误动作的误

31、动作,除采用按相启动外除采用按相启动外,电流元件的启动电流要电流元件的启动电流要 按躲过非故障相的电流按躲过非故障相的电流(包括负荷电流和零序电流之和包括负荷电流和零序电流之和). 一般一般,中心中心 点直接接地电网中相间短路保护和接地保护是分开的点直接接地电网中相间短路保护和接地保护是分开的.所以还可用图所以还可用图 4-22 2.2.4 方向性电流保护的整定计算方向性电流保护的整定计算 方向性电流保护的整定计算与单侧电源三段式电方向性电流保护的整定计算与单侧电源三段式电 流保护的整定原则基本相同，但有几点不同需要流保护的整定原则基本相同，但有几点不同需要 说明。说明。 一、方向电流速断保护

32、整定计算一、方向电流速断保护整定计算 同前同前 二、方向过电流保护整定计算二、方向过电流保护整定计算 (1) max,L re rel op I K K I (2)躲过非故障相电流整定躲过非故障相电流整定 小接地电流电网小接地电流电网 按式按式(4-28) 大接地电流电网大接地电流电网 单相接地短路单相接地短路 如有图如有图4-22,则按式则按式(4-28) 0 3IKII Lunf )3( 0 IKIKIKI Lrelunfrelop (3)同方向的保护同方向的保护 即沿着同一保护方向即沿着同一保护方向,保护装置的动作电流保护装置的动作电流,从远离电源最远处开始从远离电源最远处开始 逐级增大逐级增大,这称为与相邻线路保护的灵敏系数配合这称为与相邻线路保护的灵敏系数配合. 如不满足如不满足,则图中则图中,保护保护4将误动将误动. 三、保护的相继动作和灵敏系数校验三、保护的相继动作和灵敏系数校验 相继动作：在图中，相继动作：在图中，1QF动作后，动作后，2 1QF才动作。保护的这种动作称相继才动作。保护的这种动作称相继 动作。动作。 能产生相继动作的某段区域，称相继能产生相继动作的某段区域，称相继 动作区。动作区