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1、第四章 电网相间短路的方向电流保护,4.1方向性问题的提出及解决方法 4.2 功率方向继电器 4.3 功率方向继电器的接线方式 4.4 方向电流保护的整定原则,4.1方向性问题的提出及解决方法,为提高供电可靠性可采用双电源或单电源环形电网供电更可靠，但却带来新问题: (1)、段灵敏度可能下降 (2)无法保证段动作选择性,在两侧电源辐射形电网及单电源环形电网，须考虑保护的方向性问题。,(a) 两侧电源辐射形电网 (b) 单侧电源环形电网,(1)、段灵敏度可能下降,以P3段为例，整定电流应躲过本线路末端短路时的最大短路电流，除了躲过P母线处短路时A侧电源提供的短路电流，还必须躲过N母线背侧短路时B
2、侧电源提供的短路电流。当两侧电源相差较大且B侧电源强于A侧电源时，可能使整定电流增大，缩短段保护区，严重时丧失保护区；电流保护段时也有类似的问题，除了与P5的段配合，还须与P2的段配合，可能导致灵敏度下降。,(2)无法保证段动作选择性,段动作时限采用“阶梯特性”，保护P2、P3的段动作时限分别为t2、 t3，当k1故障时，保护P2、P3的电流段同时启动，按选择性要求应该保护P3动作，即要求t3t2，显然无法同时满足两种情况下后备保护选择性。,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” . 以上图中保护P3为例 . 从保护安装处看出去，在“母线指向线路”方向上发生的
3、故障称为正向故障，反之称为反向故障。,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，图中保护可以分为两组：P1、P3、P5为一组，整定动作电流时考虑A侧电源提供的短路电流；P2、P4、P6为另一组，整定时考虑B侧电源提供的短路电流。,双侧电源电网线路方向过流保护时限特性 (a)网络图；(b)保护时限特性,加装了方向元件的电流保护叫做方向电流保护。 这样，当双侧电源网络上的电流保护加装了方向元件后，就可以把它们拆开看成两个单侧电源网络的保护，其中保护13反应于G1供给的短路电流而动作，保护26反应于G2供给的短路电流而动作，这样前面
4、所讲的三段式电流保护的工作原理和整定计算就可应用了。 保护1、3、5为一组，保护2、4、6为另一组，各同方向保护间的时限配合仍按阶梯原则来整定。当k1点短路时，保护1、3、4、6因短路功率由母线流向线路，故都能起动，其中按动作方向时限最短的保护3和4动作，跳开QF3、4，将wl2切除，保护1、6返回，保证动作选择性。,方向过流保护原理接线图,方向过电流保护主要由方向元件（功率方向继电器）、启动元件（电流继电器）、时间元件组成 。,两相式方向过电流保护接线图（原理图及展开图）,阶段式方向电流保护主要用于双电源辐射形网络和单电源环形网络，作为输电线路相间短路的主保护和后备保护 。,4.2 功率方向
5、继电器,电压电流相量图 (a)正向故障时；(b)反向故障时,图中母线电压参考方向为“母线指向大地”，电流参考方向为“母线指向线路”。,正向故障,反向故障,利用判别短路功率的方向或电流与电压之间的相位关系，就可以判别故障方向。 即用短路功率的正负来判断故障的方向，依此原理构成的继电器称为功率方向继电器（方向元件）。 k1点短路时 k2点短路时,短路功率,所谓短路功率，一般指短路时某点电压与电流相乘所得到的感性功率，在无串联电容也不考虑分布电容的线路上短路时，认为短路功率从电源流向短路点。,由此可见，随着短路电流的方向不同，功率方向继电器感受的功率也不相同。对于正方向的故障，其功率为正值，反方向故
6、障，其功率为负值。因此，根据功率方向继电器的感受功率的正、负来判别短路功率方向即短路电流的方向，并决定保护是否动作于跳闸。这就是功率方向继电器之所以能判别短路电流方向的基本原理 。,功率方向继电器的基本要求,应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障（包括故障点有过渡电阻）时能可靠动作，而在反方向故障时，可靠不动作。 故障时功率方向继电器的动作有足够的灵敏度。 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）随两者间相位差的大小而改变，输出为最大时的相位差称为方向继电器的最大灵敏角。,功率方向继电器动作方程,功率方向继电器动作方程,未采用90接线方式:,采用90接线方式:
7、,功率方向继电器比相式动作方程,功率方向继电器比幅式动作方程,功率方向继电器的构成,相位比较的两相量为: 此时，动作方程为： 比较两电气量相位原理构成的功率方向继电器，称为相位比较式功率方向继电器。 可按比较两电气量的相位原理来构成,也可按幅值比较原理来构成。,(a)=90动作边界 (b) 90不动作,相位比较与幅值比较之间的转换关系,动作情况,相位比较与幅值比较之间的关系,相位比较与幅值比较之间具有互换性。 条件： 均为正弦量。 动作方程满足：,IC-11整流型功率方向继电器接线图（幅值比较）,交流回路图（电压形成）,直流回路图（电压比较）,幅值比较回路由整流和滤波、幅值比较、执行元件三个单
8、元组成。常用的有循环电流比较式、均压比较式二种。,幅值比较回路,循环电流式比较回路接线图,均压式比较回路接线图,1-铁芯；2-永久磁铁；3-衔铁；4-触点；5-右止档；6-左止档,极化继电器原理结构图,晶体管零指示器,*集成电路型功率方向继电器,构成方向继电器的框图,滤波,滤波,方波,方波,相位比较回路（用何种方法实现相位差比较？）,目前广泛使用的相位比较方法之一是测量两个电压瞬时值同时为正（或同时为负）的持续时间来进行的，例如当同相位时，其瞬时值同时为正的时间等于工频的半个周期，对50HZ而言，即为10ms，而当两个电压的相位差增至90时，其瞬时值同时为正的时间减至5ms，因此，比较的相位差
9、，可通过一定的逻辑关系，用测量两个电压量同时为正的时间来实现相位比较，当两者之间的相差90时，其瞬时值同时为正的时间必然5ms，满足这个关系时，继电器应该动作。,(a) 临界动作条件 (b) 动作最灵敏条件,功率方向继电器的动作特性,功率方向继电器的动作特性,功率方向继电器的动作特性,功率方向继电器的动作特性,4.3 功率方向继电器的接线方式,功率方向继电器的接线方式:继电器与电流互感器和电压互感器之间的连接方式。 应满足如下要求： (1)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，而反向故障时则不动作。 (2)尽量使功率方向继电器在正向故障时具有较高的灵敏度，
10、k接近 sen 。,减小电压死区的措施,为减小和消除死区，实际上广泛采用非故障相的相间电压作为参考量去判别电流的相位，如对A相的方向继电器加入电流 和电压 。 对于相间短路保护用的功率方向继电器为满足上述要求，广泛采用90接线，所谓90接线是指系统三相对称且相电流与相电压又同相（即当系统为纯有功负荷时的功率因数），每个功率方向继电器的电流之间的相位角都为90，这个定义仅是为了称呼，无特别物理意义。,功率方向继电器的90o接线,功率方向继电器90接线方式的相量图和接线图 (a)以a相为例的相量图；(b)接线图,功率方向继电器的90o接线,优点： 各种两相故障均没有电压死区，因为继电器加入的是非故
11、障的两相电压，其值很高。 适当选择a角后，对线路上各种相间故障都保证动作的方向性。 缺点： 正方向出口三相短路时仍有死区。,非故障相电流的影响及按相起动接线,不对称故障时非故障相仍有电流，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。,两相短路对非故障相电流的影响,所谓“按相启动”接线是指接入同名相电流的电流测量元件和方向元件的触点直接串联，而后再接入时间继电器线圈的接线形式。 可避免反方向不对称短路时仅非故障相电流测量元件动作导致的保护误动或仅由于功率方向元件误动而导致的保护误动。
12、,非按相启动,按相启动,4.4 方向电流保护的整定原则,方向电流保护的整定有两个方面的内容： 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； 二是方向元件是否需要装设(投入)。,1.方向电流保护电流部分的整定,对于其中电流部分的整定，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 。 在两端供电或单电源环形网络中，段、段电流部分的整定计算可按照一般的不带方向的电流段、段整定计算原则进行。,第段整定原则,一、段保护动作电流 段动作电流需躲过被保护线路的最大负荷电流，即 其中IL.max为考虑故障切除后电动机自启动的最
13、大负荷电流。,段动作电流还需要躲过非故障相的电流Iunf。 在小接地电流电网中，非故障相电流为负荷电流。 对于大电流接地系统，非故障相电流除了负荷电流外，还包括零序电流I0，则按照下式整定动作电流 式中K为非故障相中的零序电流与故障相电流的比例系数，显然，对于单相接地故障K为1/3。,段保护动作时间 方向电流保护段动作时间按照同方向阶梯原则整定，即前一段线路保护的动作时间比同方向后一段线路保护的动作时间长一个级差。 保护的灵敏度配合 方向电流保护的灵敏度，主要由电流元件决定，其电流元件的灵敏度校验方法与不带方向性的电流保护相同。对于方向元件，一般因为方向元件的灵敏度较高，故不需要校验灵敏度。,
14、图中标明了各个保护的动作方向，其中1、3、5、7为动作方向相同的一组保护，2、4、6、8为另一组同方向保护，于是它们的动作电流、动作时间的配合关系应为：,方向电流保护的动作时限,是否装设方向元件,图中如果t4 t5 +t ,则动作时间较长的一侧(保护4)可以不装方向元件,保护5必须加装方向元件. 结论:对装设在同一母线上的保护来说,动作时间较长者,可不装设方向元件;动作时间较短者,必须装设方向元件;如两保护动作时间相同,则在两保护上都必须装设方向元件.,单侧电源环形网络同方向保护的灵敏系数配合问题,双侧电源网络中电流保护整定特点,在两个及两个以上电源的网络接线中，必须采用方向性保护才有可能保证
15、各保护之间动作的选择性，这是方向保护的主要优点。但当增加方向元件后将使接线复杂、投资增加；同时方向元件还存在电压死区的问题。 鉴于此，在继电保护中，应根据各个地点、各段电流保护的工作情况和具体的整定计算来确定是否有必要加设方向元件。,电流速断保护,图中红色曲线为电源EI 供给的电流，紫色曲线为电源E供给的电流，两端电源容量不同，因此电流大小也不同。EI 的容量E的容量。,对保护1而言，如果反方向线路出口处K1点短路时，由电源EII供给的最大短路电流IK1max小于本保护装置的起动电流，则反方向任何地点短路时，由电流EII供给的短路电流都不会引起保护1误动作。这时保护1的第I段已从定值上躲开了反
16、方向短路，因此可不设方向元件（电源容量大的一侧的保护可不设方向）。但保护2必须装设方向元件。这样保护1和保护2的电流I段整定仍按前面介绍的进行。,限时电流速断保护,对用于双侧电源网络中的限时电流速断保护，其整定原则基本同于单侧电源网络，仍应与下一级保护的电流速断相配合，但要考虑保护安装地点与短路点之间有电源或有分支电路的影响。,电网相间短路方向电流保护的总体评价,选择性 电流速断保护是依靠选择动作电流的方法来获得选择性； 限时电流保护则同时依靠选择动作电流和动作时限的方法获得选择性。而过电流保护依靠选择动作时限的方法保证选择性。 当它们用于单侧电源电网组成三段式保护时，一般能满足电力系统对选择性的要求； 当它们用于双侧电源网络或单电源环形网络时，借助于方向元件，一般也能满足电力系统对选择性的要求。,快速性 速段保护无时间元件，只有保护本身继电器固有动作时间（0.060.1s），所以动作迅速； 限时电流速断保护
