第二节电网相间短路的方向性电流保护

第二节电网相间短路的方向性电流保护第1页，共47页，2023年，2月20日，星期三双侧电源网络相间短路时的功率方向

三段式电流保护是以单侧电源网络为基础进行分析的，各保护都安装在被保护线路靠近电源的一侧，或者说线路的始端。仅利用相间短路后电流幅值增大的特征来区分故障与正常运行状态的，以动作电流的大小和动作时限的长短配合来保证有选择的切除故障。

问题的提出第2页，共47页，2023年，2月20日，星期三在发生故障时，它们都是在短路功率从母线流向被保护线路的情况下，按选择性的条件来协调配合工作的。我们有时讲电流的流向通常是指功率的流向,电流的方向是不定的,而规定功率从母线流向线路称为正方向。第3页，共47页，2023年，2月20日，星期三现代电力系统都是由许多电源组成的复杂网络。例如：在双侧电源网络接线中,由于两侧均有电源,因此在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。当某条线路发生短路时，应由线路两侧保护动作跳开断路器以切除故障，这时不会造成停电，这正是双端供电的优点。ACB~~12k2第4页，共47页，2023年，2月20日，星期三⑴对电流速断保护的影响当k1点短路时,按照选择性的要求,应由保护2和保护6动作切除故障.但由于供给的短路电流也将通过保护1.若保护1采用电流速断且大于保护装置1的起动电流,则保护1的电流速断就要误动(母线上可能挂有其它分支线路)。造成C变电所全部停电。同样的分析其它短路点时，对有关的保护装置也能得出相应的结论。~~78654321k1ABCD第5页，共47页，2023年，2月20日，星期三(2)对过电流保护的影响~~78654321k1IⅠk1设保护1-8均装设有过电流保护，当线路k1点短路时，由电源提供的短路电流IⅠk1将流过保护8，7，1，6等，这些地方装设的过电流保护均要启动，为保证动作的选择性，需满足：

t4>t3>t5>t2>t6>t1>t7>t8k2当线路k2点短路时，由电源提供的短路电流将流过保护4，3，5，2等，这些地方装设的过电流保护均要启动，为保证动作的选择性，需满足：

t8>t7>t1>t6>t2>t5>t3>t4k1点短路时要求t7>t8，k2点短路时要求t8>t7，显然矛盾！第6页，共47页，2023年，2月20日，星期三分析双侧电源供电情况下所出现的这一新矛盾,可以发现,误动的保护均是在自己所保护的线路背后发生故障时,由对侧电源供给的短路电流所引起的.对误动的保护而言,实际短路功率的方向都是由线路流向母线(或者说功率的方向为负)第7页，共47页，2023年，2月20日，星期三措施为了消除这种无选择的动作需要在可能产生误动的保护上装设一个功率方向闭锁元件.I++I或该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，相反则不动作.第8页，共47页，2023年，2月20日，星期三方向元件的要求定义在正前方发生短路时:

它计算出的功率为正,方向元件能够动作.在背后发生短路时:

它计算出的功率为负,方向元件能够可靠不动作.用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器称为功率方向继电器.第9页，共47页，2023年，2月20日，星期三对保护1而言,当正方向d1点三相短路时,若短路电流给定正方向是从保护安装处母线流向线路,则它滞后于该母线电压一个相角(为从母线至d1点间的线路阻抗角)其值为㈡功率方向继电器的工作原理原理~U~21d1.Id1.线路阻抗呈感性，中低压线路阻抗角~。超高压线路阻抗角第10页，共47页，2023年，2月20日，星期三当反方向d2点短路时,流经1的短路电流是供给的.若仍按规定的正方向观察,则滞后于母线电压的相角将是,其值为如以母线电压为参考向量,并设,则和相差.

~~21d2U.I’d2.Id2.故利用判别短路功率方向或电流,电压之间的相位关系便可判别发生故障的方向.第11页，共47页，2023年，2月20日，星期三4.要求继电保护中对方向元件（继电器）的基本要求:应具有明确的方向性即正前方发生各种故障时，能可靠动作,而在反方向故障时，可靠不动作。故障时继电器的动作有足够的灵敏度。第12页，共47页，2023年，2月20日，星期三如果按电工技术中测量功率的概念，对A相的功率方向继电器，加入电压(=)和电流(=)，则当正方向d1短路时，继电器中电压、电流之间的相角为:反方向d2短路时:如果取，可画出相量关系

功率方向继电器的动作特性第13页，共47页，2023年，2月20日，星期三

一般的功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出(转矩或电压)值随两者相位差φ的大小而改变。

为了在最常见的短路情况下使方向元件动作最灵敏，采用上述接线的功率方向继电器应做成最大灵敏角。又为了保证短路点有过渡电阻、线路阻抗角在范围内变化时正方向故障，继电器都能可靠动作，继电器动作的角度应该是一个范围，考虑继电器实现的方便性，这个范围通常取为。其动作特性在复数平面上是一条直线。第14页，共47页，2023年，2月20日，星期三其动作方程可表示为：+1+j最大灵敏线或：不动作区第15页，共47页，2023年，2月20日，星期三+1+j最大灵敏线不动作区以电压为参考量，则当电流超前电压或滞后电压继电器均动作以电压为参考量，则当电压超前电流时，继电器动作最灵敏第16页，共47页，2023年，2月20日，星期三由当余弦项和UJ、IJ越大时，其值P也越大，继电器动作的灵敏度越高，而任一项等于零或余弦项为负时，继电器均不能动作。因此，在其正方向出口附近短路接地时，故障相对地的电压很低，使继电器不能动作，这称为方向继电器的“电压死区”。

可知：第17页，共47页，2023年，2月20日，星期三为了减小和消除死区，在实际上广泛采用非故障的相间电压作为接入功率继电器的电压参考量，判别电流的相位。例如对A相的方向继电器加入电流和电压。此时，，当正方向短路时，反方向短路时，

在这种情况下继电器的最大灵敏角设计为：

习惯上采用，称为功率方向继电器的内角

电流超前电压电流滞后电压正方向短路时，能灵敏动作。第18页，共47页，2023年，2月20日，星期三除正方向出口附近发生三相短路时，继电器具有很小的电压死区以外,其他故障继电器均无死区。动作方程为:+1+j最大灵敏线以电压为参考，电流超前30度最灵敏

不动作区第19页，共47页，2023年，2月20日，星期三㈢集成电路型功率方向继电器原理框图电压形成滤波移相方波电压形成滤波方波20ms20ms输出同时为正同时为负第20页，共47页，2023年，2月20日，星期三tt10ms≥5ms相位差为≤90°第21页，共47页，2023年，2月20日，星期三经50Hz带通滤波器滤除短路暂态过程中的非周期分量和各次谐波分量的影响由过零触发器形成方波,便于相位比较.把移相角加入继电器的电压和电流经电压形成回路,产生所需电压信号并与二次回路隔离.第22页，共47页，2023年，2月20日，星期三相位比较回路,比较两个电压瞬时值,同时为正(或同时为负)的持续时间当与同相位时,其瞬时值同时为正的时间等于工频的半个周期,若为50Hz,则为10ms.当两者相位差90°时,其瞬时值为正的时间减至1/4周波,即5ms.故通过比较两个电压瞬时值同时为正的时间,即可比较相位差.当两者相位差为≤90°即同时为正的时间≥5ms,则继电器应动作,将其信号展宽到20ms,即一个周波,即为方向继电器的输出.第23页，共47页，2023年，2月20日，星期三动作特性当任何一个变化时,继电器的起动条件均要随之改变,电子器件对电压信号有一定的门坎值.角度特性:表示当IJ固定不变时,继电器起动电压

的关系曲线

其动作范围位于以为中心的±90°以内,在此范围内,继电器的最小起动电压基本上与无关,只取决于器件门坎值.当UJ<Udz.J.min时,继电器将不起动,称为“电压死区”.0°90°第24页，共47页，2023年，2月20日，星期三伏安特性:表示固定不变时,继电器起动电压

的关系曲线。

IJ动作区只要加入继电器的电压和电流分别大于和继电器就可以动作。潜动：指只加入电流或只加入电压的情况下，继电器就能够动作的现象。发生潜动的最大危害就是在反方向出口处三相短路时，方向继电器本应不动作将保护闭锁，而此时出现潜动，可能使保护误动。造成潜动的主要原因：形成方波的开环运放的零点漂移在时,由于零点漂移使开环放大器输出正信号,引起正半周比相的误动作.第25页，共47页，2023年，2月20日，星期三㈣相间短路功率方向继电器的接线方式对接线方式的要求正方向任何型式的故障均能动作,而反方向故障则不动作.故障后加入继电器的电流和电压应尽可能地大些,并尽可能使接近于最大灵敏角,以便清除和减少方向继电器的死区.第26页，共47页，2023年，2月20日，星期三接线方式PA:IAUBCPB:IBUCAPC:ICUAB其中:为超前的角度;为方向继电器固有内角90o接线方式)0(arg1cos==AAIU&&时当j在三相对称的情况下，加入继电器的电流和电压之间的相位角为90o第27页，共47页，2023年，2月20日，星期三采用90°接线的动作分析由于三相对称，三个方向继电器工作情况完全一样，故可只取A相继电器来分析由图可见:

因为电流超前于电压正方向发生三相短路时的向量图如图所示，、、表示保护安装地点的母线电压，、

、为三相的短路电流，电流滞后对应相电压的角度为线路阻抗角。1)

正方向发生三相短路第28页，共47页，2023年，2月20日，星期三A相继电器的动作条件应为:

要求:当要求

当要求为使方向继电器在任何的情况下均能动作在三相短路时，应选择满足：

继电器均能够动作第29页，共47页，2023年，2月20日，星期三

2)正方向发生两相短路设B－C两相短路d(2)BC，此时可以有两种极限情况

a）短路点位于保护安装地点附近，短路阻抗Zd<<Zs（保护安装处到电源间的系统阻抗），极限时取Zd=0，短路电流 由电势EBC产生，滞后的角度为，电流=-，短路点（即保护安装地点）的电压为:.......第30页，共47页，2023年，2月20日，星期三对A相继电器而言，当忽略负荷电流时，，因此，继电器不动作

为使B相方向继电器在任何的情况下均能动作在两相短路时，应选择满足：

<

<

对于B相继电器:....则动作条件应为:第31页，共47页，2023年，2月20日，星期三对于C相继电器:为使C相方向继电器在任何的情况下均能动作在两相短路时，应选择满足：

....则动作条件应为:第32页，共47页，2023年，2月20日，星期三b）短路点远离保护安装地点，且系统容量很大，此时Zd>>Zs，极限时取Zs=0，电流仍由电势

产生，并滞后一个角度，保护安装地点的电压为:第33页，共47页，2023年，2月20日，星期三为使B相方向继电器在任何的情况下均能动作在两相短路时，应选择满足：

对于B相继电器:则动作条件应为:第34页，共47页，2023年，2月20日，星期三

对于C相继电器:则动作条件应为:为使C相方向继电器在任何的情况下均能动作在两相短路时，应选择满足：

第35页，共47页，2023年，2月20日，星期三综合三相和各种两相短路的分析得出:当时，使故障相方向继电器在一切故障情况下都能动作的条件应为:第36页，共47页，2023年，2月20日，星期三由以上分析可见，接线方式的主要优点是：第一，对各种两相短路都没有死区，因为继电器加入的是非故障的相间电压，其值很高；第二，适当地选择继电器的内角α后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。最后顺便指出，在正常运行情况下，位于线路送电侧的功率方向继电器，在负荷电流的作用下，一般都是处于动作状态，其触点是闭合的。第37页，共47页，2023年，2月20日，星期三（五）双侧电源网络中电流保护整定的特点~~d1d2AB12EⅡEⅠ当任一侧区外相邻线路出口处短路时(如d1或d2点),短路电流Id1或Id2要同时流过两侧的保护1和2,但按选择性要求,两保护均不应动作.因此为了防止保护误动.电流速断保护曲线①由电源EⅠ供给的电流.曲线②由电源EⅡ供给的电流.

功率大提供短路电流也大①②Id2Id1Id从图中可以看出，保护1从定值上就能躲开背后d1点短路时的短路电流第38页，共47页，2023年，2月20日，星期三两个保护的起动电流应选得相同,并按较大的一个短路电流进行整定.例如:则应取:这样,整定的结果,将使位于小电源侧保护2的保护范围缩小,灵敏度下降.为解决这一问题,就需要在保护2处装设方向元件,使其只当电流从母线流向被保护线路时才动作.这样,保护2的起动电流就可按躲开d1点短路来整定.选择:这样就增加了保护范围,同时保证了选择性。可以看出:保护1处无需装设方向元件,因为它已从定值上可靠地躲开了反向短路时流过保护1的最大电流Id1.max第39页，共47页，2023年，2月20日，星期三限时电流速断保护对于双侧电源网络中的限时电流速断保护,其整定原则仍应与下一级的电流速断保护相配合.但要考虑保护安装地点与短路点之间有电源或分支线路的影响.第40页，共47页，2023年，2月20日，星期三IABIBCMIAB.MId由于分支电路中有电源,故障线路中的短路电流IBC将大于IAB,其值:IBC=IAB+I’AB这种使故障线路电流增大的现象称为助增.~dAB12C~IBCIABI’AB助增电流的影响M点是保护2电流速断的保护范围末端第41页，共47页，2023年，2月20日，星期三保护2电流速断的整定值仍按躲开相邻线路出口短路整定为I’dz.2.其保护范围末端位于M点．这时流过保护1的电流为IAB.M,其值小于IBC.M(=I’dz.2).因此,保护1的限时速断的整定值应为I”dz.1=K”kIAB.M引入分支系数kfzKfz=故障线路流过的短路电流前一级保护所在线路上流过的短路电流则整定配合点M处的分支系数为:Kfz==IBC.MIAB.MI’dz.2I’AB.MI’AB.M==IBC.MKfzKfz1I’dz.2于是I”dz.1=×K”kKfzI’dz.2(比单侧电源线路,在分母上多了一个大于1的分支系数影响)I”dz.1变小,增大了保护范围,以与I’dz.2配合.第42页，共47页，2023年，2月20日，星期三外汲电流的影响~A2B1C由于分支电路为一并联线路,故障线路中的电流I’BC将小于IAB.其关系式为:这种使故障线路中电流减少的现象,称为外汲.IkI’BCIABIABIABMM这时分支系数Kfz<1当变电所B母线上既有电源又有并联的线路时,分支系数Kfz可能大于1也可能小于1.应以配合点Kfz最小值计算.第43页，共47页，2023年，2月20日，星期三3.过电流保护AB12IECE1d345678CD1dI&1dI&当d1点短路时流过各保护的短路电流A