继电保护 第3章电网相间短路的方向电流保护

1、第三章 电网相间短路的方向电流保护第一节 方向电流保护的工作原理如图3-1所示，系统采用双电源辐射形电网或单电源环形电网供电，可以提高供电的可靠性。当电网中线路发生故障时，保护动作于故障线路两侧的断路器跳闸，将故障切除，可以保证母线不停电。为此，在线路两侧均应装设断路器和保护装置。1. 对于过电流保护来说，在图3-1中，当K1点发生短路，由M侧电源提供的短路电流流过母线两侧的保护2和3，为了保证选择性，要求保护的动作时限t2>t3；而当K2点短路时，由N侧电源提供的短路电流流过母线两侧的保护3和2，为了保证选择性，又要求保护的动作时限t3> t2，过电流保护不能满足矛盾的要求，必然

2、会造成某些保护误动作，失去选择性。 显然，以相同的方法对C母线两侧的保护以及单电源环网中各母线两侧的保护进行分析，可以得出同样的结论。 为了使过电流保护具有选择性，可将母线两侧的保护加装方向闭锁元件，其正方向规定为母线指向线路，如图3-2（a）短箭头所示。当K1点发生短路时，短路功率PKM的方向与保护2、4方向元件的正方向不同，将保护2、4闭锁；而短路功率PKM的方向与保护保护1、3、5方向元件的正方向相同，将保护1、3、5开放，为了保证选择性，保护1、3、5的动作时限按阶梯形原则确定，即t1>t3>t5。同理，K2点短路时，短路功率PKN的方向与保护5、3方向元件的正方向不同，保

3、护5、3应闭锁，保护6、4、2的动作时限只要满足t6>t4>t2，即可具有选择性，如图3-2（b）所示。因此，过电流保护加装方向元件就构成了方向过电流保护。方向闭锁元件即功率方向继电器，用符号KPD表示。母线出口保护1、3、5和6、4、2为两组同方向保护，分别反应保护背后电源M及N提供的短路功率。由图3-2可知：当K1点短路时，短路功率PKM通过同一母线两侧的保护4、5，若动作时限t4<t5，保护4将误动作，应加装方向元件闭锁；若t4=t5，保护4也会误动作，也应加装方向元件闭锁；若t4>t5，保护4动作时限大，在保护5动作切除故障后，保护4将返回而不会误动作，因此可以

4、不加装方向闭锁元件。35KV及以下双电源辐射形电网和单电源环形电网中，过电流保护加装方向闭锁元件的原则是：同一母线两侧的保护，其动作时限小的应加装方向闭锁元件；动作时限相同的保护也应加装方向闭锁元件；只有动作时限最大的保护可以不装方向闭锁元件。 方向过电流保护原理接线如图3-3所示，通过功率方向继电器的常开接点与过电流保护测量电流继电器的常开接点串连，达到闭锁保护跳闸操作回路的目的。2. 对于无时限电流速断保护（或限时电流速断保护）而言，首先应考虑通过确定动作值整定来保证选择性，经校验，如果保护范围不能满足灵敏性要求，也可以加装方向闭锁元件来保证选择性。如图3-4所示为双电源辐射形（或单电源环

5、形）电网，其中M侧为小电源侧，N侧为无限大系统，最大运行方式下三相短路电流曲线如图3-3曲线和所示，保护1的动作值为；保护2的动作值为,显然。当最大运行方式下，A母线出口发生三相短路时，对侧N电源提供的短路电流，保护1将误动作，失去选择性。因此，无时限电流速断保护应按躲开最大运行方式下，线路两侧母线发生三相短路时的短路电流整定，取较大值作为动作值，当由于动作值的提高而使保护范围不满足灵敏性的要求时，可取较小值作为动作值以提高灵敏性，通过加装方向闭锁元件来保证选择性。如图3-4所示，保护1装设方向闭锁元件。第二节 功率方向继电器一 功率方向继电器的工作原理如图3-5（a）所示，互感器采用减极性标

6、注，同名端用符号“*”表示，电压以母线高于大地为正方向，电流以母线流向线路为正方向，二次电压与二次电流加入功率方向继电器KPD。当保护正方向K1点发生三相短路时，以母线故障相电压作为参考量，短路电流落后于电压的角度为线路阻抗角，如图3-5（b）所示，其短路功率；当保护反方向K2点发生三相短路时，以电压作为参考量，短路电流落后于电压的角度为，如图3-5（c）所示，其短路功率。可见，功率方向继电器是根据短路时电压与电流之间的角度判别短路功率方向,进而判别短路故障是处于保护的正方向还是反方向。（一） 比相原理够成的功率方向继电器当正方向短路时，短路功率，即 ，用幅角表示为即功率方向继电器的动作边界为

7、，动作方程为依此构成相位比较式功率方向继电器。为了提高功率方向继电器的灵敏度，通常加入继电器的电压是较高的非故障相电压，要保持继电器动作的相位条件与故障相相同，必须在继电器内部进行相位调整，即以电压作参考量，动作方程为式中称为功率方向继电器的内角，其作用是修正采用非故障相电压后相对于故障相电压的相位偏移。（二） 比幅原理够成的功率方向继电器取向量 ，由动作方程 可得当处于动作边界时 ，如图3-6（a）所示，构成平行四边形的两个对角线向量与，有以下关系比较向量的幅值 ，将 作为继电器的动作量， 作为制动量，此时，继电器刚好处于动作边界；如图3-6（b）所示，当处于动作区时 ，此时，继电器能够动作

8、；如图3-6（c）所示，当处于动作区外时 ，此时，继电器不动作。因此，继电器比较相位可以转化为比较幅值，反之，也然。因此比幅原理够成的功率方向继电器动作方程为（三） 幅值比较回路通常，幅值比较回路是将电压相量 整流后，经执行元件进行幅值比较。比较的方法主要有差磁法、均压法、环流法三种。如图3-7所示。1 差磁法如图3-7（a）所示，执行元件采用极化继电器KP，电压相量经整流桥VU1整流后，构成动作量，经工作回路中的阻抗Zop，从极性点“*”通入KP的工作线圈Nop，产生工作安匝Nop；电压相量经整流桥VU2整流后，构成制动量，经制动回路中的阻抗Zbrk，从非极性点通入KP的制动线圈Nbrk，产

9、生制动安匝Nbrk，若KP的动作安匝为（IN）op，并将有效值转化为平均值，则0.9NOP - 0.9Nbrk （IN）op时，KP动作。理想状况下，回路对称，KP动作安匝（或称为门槛安匝）（IN）op为0，差磁法幅值比较回路的动作方程为2 均压法如图3-7（b）所示，、整流后产生的Ua、Ub，其差值大于KP的动作电压（或称为门槛电压）U0，UaUbU0，KP动作，即 - U0理想状况下，回路对称，KP动作值U0为0，均压法幅值比较回路的动作方程为3 环流法如图3-7（b）所示，、整流后产生的Ia、Ib，其差值大于KP的动作电流（或称为门槛电流）I0，IaIbI0，KP动作，即 - I0理想状

10、况下，回路对称，KP动作电流I0为0，环流法幅值比较回路的动作方程为二 LG-11型功率方向继电器（一） LG-11型功率方向继电器原理接线及其动作条件整流型幅值比较原理构成的LG-11型功率方向继电器由电压形成回路和环流法接线的幅值比较回路两部分组成，原理接线如图3-8所示，电压变换器TVA的铁芯带有气隙，使绕组N1的电抗接近常数，并在一次线圈N1中串有电容C，其容抗与一次线圈回路总电抗相等，构成工频串联谐振回路，若忽略铜耗、铁耗，二次感应的电压超前磁通90º，即 电抗变换器TL转移阻抗的幅角利用其辅助二次绕组N4上的电阻调整，当选用电阻时，= 45º；选用电阻时，= 3

11、0 º。1. 电压形成回路形成电压 2. 幅值比较回路采用环流法接线，执行元件采用极化继电器KP。 时，KP动作。（二） LG-11型功率方向继电器的动作区和最大灵敏角由幅值比较和相位比较的转换关系，可得依此，可作出功率方向继电器的动作区，如图3-9（a）阴影部分所示， 以为参考量，当逆时针变化到位置时，超前于的角度为，处于动作的上边界；当顺时针变化到位置时，落后于的角度为，处于动作的下边界。则动作区为并包含的180º平面，垂直于动作区的直线即为最灵敏线。当落在动作区内时，极化继电器KP动作。 当逆时针变化到最灵敏线位置时，超前于角度为，此时，与同相位，动作量最大，制动量最

12、小，继电器工作最灵敏。此时，超前于的角度称为灵敏角，用符号表示，习惯上，电压超前电流的角度为正，电流超前电压的角度为负，因此，灵敏角，如图3-9（b）所示。当时，与同相位，动作方程为当保护出口短路时，则上式可写为U0称为功率方向继电器的最小动作电压。当母线出口附近一段区域发生三相短路，若母线残压Urest小于U0时，功率方向继电器不动作，因此，使功率方向继电器不能动作的区域称为功率方向继电器的电压“死区”。LG-11型功率方向继电器通过电压谐振回路短时“记忆”短路前电压的大小和相位来消除电压“死区”。在图3-8中，将电压输入端短接，只通入电流，极化继电器线圈上出现动作电压或制动电压的现象，称为

13、方向元件电流潜动；当TL一次开路，只加入电压时，KP绕组上出现动作电压或制动电压的现象，称为电压潜动。KP绕组上出现动作电压为正潜动，出现制动电压为负潜动。反方向出口、正方向出口及远处发生短路，功率方向继电器KPD潜动严重时，会造成误动、拒动或降低灵敏度。产生潜动的主要原因是比较回路参数不对称，调整电阻R2消除电流启动；调整电阻R1消除电压潜动。KPD接入互感器二次侧时，必须注意同名端“*”。第三节 相间短路功率方向继电器的接线方式功率方向继电器的接线方式是指功率方向继电器KPD与电流互感器TA和电压互感器TV的连接方式。短路时，故障相电流很大，但故障相电压却较低，为了使功率方向继电器工作于最

14、灵敏状态，接线要求为（1） 加入功率方向继电器KPD的电流、电压尽量大；（2） 电流超前电压的角度接近KPD的最灵敏角。目前，功率方向继电器广泛采用能够满足要求的90º接线。所谓90º接线，是假设系统对称，cos=1，加入继电器的电流超前电压的角度为90º，如图3-10（a）所示。功率方向继电器KPD加入故障相电流、非故障相电压，满足功率方向继电器接线的第一个要求，其原理接线如图3-10（b）所示。由图3-10可知，采用90º接线时， A、B、C各相功率方向继电器加入的电流、电压分别为KPDa ；KPDb ；KPDc 注意：接线错误，将导致保护在正方向短

15、路时拒动，反方向短路时误动作。 分析采用90º接线，发生各种相间短路时，电流超前于电压的角度，以便调整功率方向继电器的最灵敏角与相接近，使继电器工作最灵敏。一. 各种相间短路时的变化范围(一) 三相短路三相短路是对称短路，功率方向继电器KPDa 、KPDb 、KPDc 工作状况相同，故仅以A相功率方向继电器KPDa 为例分析。接入A相继电器KPDa 的电流、电压为，如图3-11所示。可知 ，考虑过渡电阻的影响，线路阻抗角的变化范围是，则的变化范围是(二) 两相短路1 近保护安装处短路近处K（bc）两相短路时，故障相功率方向继电器KPDb 、KPDc 工作状况相同，接入的电流、电压分别

16、为、，如图3-12所示。可知 ，考虑过渡电阻的影响，线路阻抗角的变化范围是，则的变化范围是2 远保护安装处短路远处K（bc）两相短路时，故障相功率方向继电器KPDb 、KPDc 工作状况不同，接入的电流、电压分别为、，如图3-13所示。可知 ，考虑过渡电阻的影响，线路阻抗角的变化范围在，的变化范围是二. 的取值范围如图3-14所示为数轴表示的各种故障时的范围，可知，功率方向继电器最灵敏角取值为，即，则可反应各种相间故障。满足功率方向继电器接线的第二个要求。LG-11型功率方向继电器具有两个可供选用的最灵敏角和，由图3-15可知，各种相间故障时的最大变化范围是，处于功率方向继电器的动作区域。第四

17、节 非故障相电流的影响和按相起动一. 非故障相电流的影响电网发生不对称短路时，非故障相流过的电流称为非故障相电流。如图3-16所示，非故障相电流将对保护的电流元件和功率方向继电器的工作造成影响。图3-16（a）中，在线路WL2 的K点发生BC相不对称短路时，非故障A相中的负荷电流IL将使保护1的A相功率方向继电器误动作。 图3-16（b）中，假定线路为纯电抗，当WL1的K点A相单相接地短路，保护1、2的非故障相中流过的电流为，为防止电流元件误动作，其动作值应躲过非故障相电流。非故障相电流对保护的功率方向继电器工作情况的影响保护1：；保护2：， 非故障相电流的作用将使保护2的功率方向继电器误动作

18、。二. 按相起动将同名相的电流元件和同名相的功率方向元件的直流操作回路按相连接，构成同名相的独立直流操作回路。 如此，即可消除非故障相电流的影响，原理接线如图3-17所示。对于图3-16（a）中的保护1，反方向K点发生BC两相故障，非故障A相功率方向继电器误动作，故障B、C相电流继电器动作，如果操作回路采用非按相起动，如图3-17（a），则直流操作回路通过KPDa和KAb或KAc接通，引起保护1误动作，采用3-17（b）所示按相起动，则不会误动作。对于图3-16（b）中的保护2，反方向K点发生A相单相接地故障，非故障B、C相功率方向继电器误动作，非故障B、C相电流继电器在非故障相电流的作用下误动作，如果操作回路采用按相起动，并且电流元件的动作值躲开该电流值，则不会误动作。若电流元件的动作值按躲开非故障相电流整定，灵敏度不满足要求时，可采用零序过电流保护闭锁方向过电流保护的接线，动作电流值可不按躲非故障相电流整定。第四节 方向电流保护的整定计算双电源辐射形电网和单电源环网方向电流保护的整定计算与单电源辐射形电网的电流保护的整定计算相同，另外考虑：在中性点直接接地系统中，方向过电流保护应躲过非故障相电流整定，即式中 -可靠