第四章电网相间短路的方向电流保护

第四章电网相间短路的方向电流保护第一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五1、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—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。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。3、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。4、了解对方向性电流保护的评价。本章基本要求第二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五第一节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

如图所示，当在K1点发生短路时，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。第三页，共三十六页，编辑于2023年，星期五

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。第四页，共三十六页，编辑于2023年，星期五例如，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和5反方向，不应起动。WL2第五页，共三十六页，编辑于2023年，星期五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方向过流保护装置由三个主要元件组成，启动元件（电流继电器），功率方向元件（功率方向继电器）和时限元件（时间继电器）。工作原理是方向元件KW和启动元件KA构成与门，二者同时动作才能启动时间继电器KT。第六页，共三十六页，编辑于2023年，星期五三、双侧电源电网线路方向过流保护时限特性四、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。第七页，共三十六页，编辑于2023年，星期五无时限电流速断保护在原理上用于双侧电源线路时，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，满足保护范围的要求。第八页，共三十六页，编辑于2023年，星期五第二节功率方向继电器一、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。第九页，共三十六页，编辑于2023年，星期五第十页，共三十六页，编辑于2023年，星期五继电器内角α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，=-α，因为这时Ir超前Ur，所以，是负角度。这个角度α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。第十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五一般来说，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有望产生最强转矩，提高功率方向甄别的可靠性。等效只要比较这两个向量的长短，就可以实现对角度的判别。（按相电压和相电流信号来理解）（按90°接线方式信号来理解）第十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五二、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θ=90°时，，动作量等于制动量，动作的临界状态；当θ＜90°时，＞动作量大于制动量，继电第十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期五器处于动作状态；当θ＞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①方案1——直接比较式第十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期五极化继电器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匝为(IW)OP，则极化继电器动作条件为第十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期五

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）OP≈0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：

②方案2—循环电流式比较回路第十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期五当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I1—I2，继电器的动作电流为Iop.r，则继电器动作条件为：

I1—I2≥Iop.r。忽略Iop.r时,上式变为第十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期五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。③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=U1－U2，若极化继电器动作电压为Uop.r，第十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期五当Z1=Z2，R1=R2，并忽略Uop.r，则动作条件为四、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：第十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期五极化继电器原理结构图第二十页，共三十六页，编辑于2023年，星期五五、整流型功率方向继电器（幅值比较动作的功率方向继电器）1、GL-11功率方向继电器的原理图第二十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五2、GL-11功率方向继电器的原理

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。第二十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五继电器内角α常取45°或30°，对应的继电器最大灵敏度角也有两个：和。第二十三页，共三十六页，编辑于2023年，星期五其实，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）①动作条件②动作要求当Ir足够大时，有，现假设和方向相同，则有：第二十四页，共三十六页，编辑于2023年，星期五当电压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Sop·min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Iop·min、Uop·min和第二十五页，共三十六页，编辑于2023年，星期五Sop·min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、LG-11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。因第二十六页，共三十六页，编辑于2023年，星期五为Q不可能很大，通常3～4，太大会使故障较远时的太大。中的的含义就是，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。第二十七页，共三十六页，编辑于2023年，星期五第三节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：①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。②故障以后，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90º接线。所谓90º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90º的一种接线方式3、功率继电器90º接线方式的接线图和相量图第二十八页，共三十六页，编辑于2023年，星期五第二十九页，共三十六页，编辑于2023年，星期五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、90º接线方式的特点：1、90º接线方式的主要特点①对各种两相短路没有死区。②适当选择内角α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、90º接线方式的主要缺点①正方向三相出口处发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）；②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α范围的限制第三十页，共三十六页，编辑于2023年，星期五结论：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。第三十一页，共三十六页，编辑于2023年，星期五第五节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1、躲开被保护线路中最大负荷电流IL·max，即

式中IL·max——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第三十二页，共三十六页，编辑于2023年，星期五①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IL·max即可：②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动作电流表示为：配合系数，一般取1.1第三十三页