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1、电力系统继电保护,华中科技大学文华学院机电学部 2009,电气工程及其自动化专业课程,3.2 电网相间短路的方向性电流保护,3.2.1 方向性电流保护的工作原理 假定电流的正方向由母线流向线路为正； 假定电压的正方向由高电位指向低电位为正； 线路上发生故障时，短路电流均流向故障点； 双侧电源供电线路中，故障线路两侧的电流均由母线流向线路； 非故障线路近故障点侧的电流由线路流向母线，远故障点侧由母线流向线路。,3.2 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护（Directional Overcurrent Protection for Phase Faults in Double Ended Sou
2、rce System）,3.2.1 方向性电流保护的基本原理（Basic Principle of Directional Overcurrent Protection）,问题的提出,k1点短路,保护3、4动作,选择性,A,B,k1,C,D,5,3,1,2,4,6,E,1,E,2,Ik1,Ik1,7,8,3.2 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护,3.2.1 方向性电流保护的工作原理,问题的提出,k1点短路,保护3、4动作,选择性,保护5可能误动,若保护5为定时限过电流保护，且,A,B,k1,C,D,5,3,1,2,4,6,E,1,E,2,Ik1,Ik1,但是单靠电流的幅值大小能否保证保护2
3、、5不误动？,若保护5为无时限电流速动保护，且,7,8,解决方法,加设一个功率方向元件,3,1,2,4,6,K1点短路：保护5的短路功率由线路指向母线，保护4的短路功率由母线指向线路 。,K2点短路：保护5的短路功率由母线指向线路，保护4的短路功率由线路指向母线。,利用这个特点可构成一种保护，这种保护要求：凡是流过保护的短路功率是由母线指向线路时（正），保护就起动；凡是流过保护的短路功率是由线路指向母线时（负），保护就不起动。,K1点短路：保护1、3、4、6起动，根据阶梯时限原则t3 t1，t4t6 , 保护3和4动作，保护1、6返回， 从而保证有选择地切除故障,K2点短路：保护1、3、5、6
4、起动，t5t3 t1 ， 故保护5和6起动，保护1、3返回,A,B,C,D,E,1,E,2,Ik1,Ik1,A,B,k2,C,D,5,3,1,2,4,6,E,1,E,2,Ik2,Ik2,7,8,解决方法,加设一个功率方向元件,k1,5,3,1,2,4,6,7,8,思考：是不是所有的保护都需要加设方向元件？,（1）对于无时限电流速断保护：若从整定值上躲开了反方向的短路（即保护的整定值大于反方向上的短路电流），这时可以不用方向元件。,（2）对于定时限过电流保护：若靠延时能保证动作的选择性时（即保护的动作时限大于装在变电所同一母线上的其他保护的动作时限），就不需装设方向元件。 （3）其他情况均应配置
5、方向元件。,3.2.2 方向过电流保护的原理接线图,可见，只有方向元件和电流元件同时动作（即短路电流由母线流向线路，同时短路电流大于整定值），保护装置才能启动时间元件。,3.2.3 功率方向继电器的工作原理,用以判断短路功率方向或测定电压电流相位角的元件，称为功率方向元件或功率方向继电器。,k为线路阻抗角或短路阻抗角,K1点短路，P =UrIk1cosr 为正值，功率方向继电器动作。,K2点短路，P=UrIk2 cos r 为负值 ，功率方向继电器不动作。,3.2.3 功率方向继电器的工作原理,3.2.3 功率方向继电器的工作原理,若在 时，使保护的功率方向测量元件动作，而 或 时，不让功率方
6、向测量元件动作，则功率方向测量元件可以通过判别角度大小而正确区分保护正、反方向短路。,3.2.3 功率方向继电器的工作原理,推广：,因此，A和B之间的大小关系与加入功率方向元件的电流 、电压 之间的角度 有关。,当 或 时，一定有AB。若所设计的功率方向测量元件反应在 时动作，而在A B不动作，则通过比较A、B大小动作的功率方向测量元件亦可正确区分保护正、反方向的短路点。,3.2.3 功率方向继电器的工作原理,当保护正方向短路时，有 和 则功率方向测量元件动作；保护反方向短路时，有 或 和AB，功率方向测量元件不动作。,为了减小和消除死区，在实际中广泛采用 接线方式,所谓90接线是假设三相电压
7、对称负载为纯电阻（cos=1）时，对任何一个方向继电器所施加的电流和电压相位相差90的一种接线方式。,加入三个继电器的电流和电压分别为：,90接线方式,功率方向继电器的内角：,方向性过电流保护的接线方式,适当选择继电器的内角后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。,接线方式的优点,功率方向测量元件的构成及特性,(1)构成原理,相位比较式 幅值比较式,a.相位比较式：,功率方向继电器是反应正功率动作，负功率不动作的继电器，也就是说，功率方向继电器反应加于继电器的电压及电流之间的相位关系。令,动作条件为：,a.相位比较式： P93,即,为功率方向测量元件的内角,若 反时针旋转角后与 同相
8、，则这时功率方向元件处于最灵敏状态，故将此时功率方向元件所加电压 和电流 之间的相角 角称为功率方向的最大灵敏角，用 表示：,若功率方向元件的内角=30，,称为功率方向元件的角度特性，如图3-21(b)所示。,为功率方向元件的最小动作电压,为功率方向元件的最小动作电流,一定时，功率方向元件动作电压与其所加电压、电流间角度 间的关系曲线即,时，功率方向元件动作电压与所加电流间的关系曲线即,当,称功率方向元件的伏安特性，如图3-21(c)所示。,b. 幅值比较式 P95,利用幅值比较原理构成的，即用比较两个电量绝对值的大小确定功率方向元件的动作行为，故称这种原理的方向元件为幅值比较式功率方向元件。
9、,该功率方向元件的动作方程为：,仅当,时，继电器动作,b.幅值比较式,令,改写成相位比较形式为：,式中,不管是相位比较原理还是幅值比较原理构成的功率方向元件，本质上都是反映功率方向元件输入量电压和电流间的相位大小而动作的。,1、正方向发生三相对称短路,以A相继电器为例：,功率方向测量元件在各种工作情况下的动作,2、正方向两相短路,(1）短路点位于保护安装地点附近 正方向出口处发生BC两相短路：,设保护安装处到系统中性点的系统阻抗为Zs; 保护安装处到短路点的线路阻抗（短路阻抗）为Zk ，那么ZkZs,A相继电器：IA0， 故继电器不动作。,B相继电器：,C相继电器：, rb=-(90- k )
10、, rc=-(90- k ),此时短路点电压为,（2）短路点远离保护安装地点,设B、C两相短路， ZkZS 0,保护安装地点的电压为：,B相继电器：,C相继电器：,当k=70时, r=-50,满足比相动作条件。, rb=-(120- k ), rc=-(60- k ),当I=k=70时, r=10,满足比相动作条件。,90接线方式的主要优点：,(1) 对各种两相短路没有死区。 （2）适当选择继电器内角后，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。,四、方向性电流保护的整定计算,1、保护装置的动作电流 在作用原理、整定计算原则等方面与无方向三段式电流保护的基本相同,（2）第III段
11、电流保护除了躲过被保护线路中的最大负荷电流外，还应躲过反方向不对称短路时，流过非故障相的电流 。,（1）方向电流保护第I段可以不必躲过反方向外部最大短路电流。,（3）电流保护第III段与相邻线路过电流保护动作电流以及动作时间应相配合，以保证保护的选择性。,2、保护装置的灵敏度校验,方向过电流保护电流元件的灵敏度校验方法与不带方向的过电流保护相同。 作为本线路的近后备保护时，其灵敏系数要求Ksen1.251.5； 作为下一相邻线路的远后备保护，其灵敏系数要求Ksen1.2。,方向过电流保护的方向元件（功率方向继电器）灵敏度较高。故不需校验。,四、 对方向性电流保护的评价,优点 在具有两个以上电源的网络接线中，采用方向性保护能保证各保护之间的选择性。,缺点 在保护安装地点附近发生三相短路时， 有“死区”。,35kV及110kV辐射型电网，常与电流速断保护配合使用，构成三段式方向电流保护，作为相间短路的整套保护。,应用 35kV以下的两侧电源辐射型电网和单电源环网中作为主要保护,思考题：画出下图保护18的时限配合。,
