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1、电力系统继电保护,刘学军 编制,电网相间短路的方向 电流保护,主要内容,1 方向电流保护的工作 原理 2 功率方向继电器 3 相间短路保护中功率继电器的接线方式 4 功率方向继电器的按相启动 5 功率方向继电器的整定计算,.方向电流保护的工作原理,一、为什么在电流保护中装设方向性元件？（必要性） 在双侧电源电网或单侧电源环形网中： 1、对于I段保护，这时为了使保护在区外故障时不误动，其整定值不仅要躲过本线路末端短路时流经保护的最大短路电流，而且要躲过保护反方向故障时流经本保护的最大短路电流。 2、对于II段保护，这时不仅要下相邻下一线的第I段配合，而且还要与其在同一母线下的各条出线的第I段相配
2、合。 3、对于III段保护，这时仅靠时限的配合已无法获得选择性。 上述问题的产生，皆因双侧电源电网和环形电网中，在保护安装处反方向短路时，有可能使保护动作的缘故。 于是，为了解决上述问题，我们提出在原有的电流保护基础上，加装一个能判断故障方向的元件即功率方向继电器。,.方向电流保护的工作原理,图2-44供电网络图,第一节 方向电流保护的工作原理,如图2-44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
3、求。因此，要采用方向电流保护来解决这个问题。,图4两侧电源辐射形电网,2.2.1 方向电流保护的工作原理,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2和3上各加一个方向元件（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 。,2.2.3方向电流保护的工作原理,规定：短路功率的方向从母线指向线路为正方向。,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。,双侧电源电网线路方向过流保护时限特性,如图2-45（a）两侧电源供电的辐射形电网中，16均为方向过流保护，其中保护1、3和5为一组，2、4和6为另
4、一组，各同方向保护间的时限配合仍按阶梯原则来整定。,图2-45a双侧电源电网线路方向过流保护时限特性,双侧电源电网线路方向过流保护时限特性,图2-45 双侧电源电网线路方向过流保护的时限特性,第一节 方向电流保护的工作原理,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。,WL2,第一节 方向电流保护的工作原理,WL1上K2点短路时，只有保护1、2、4和6能启动，其中按动作方向时限最短的保护1和2动作，跳开断路器1和2，将故障线路WL1切除，保
5、护4和6便返回，同样保证了动作的选择性。,WL1,方向电流保护原理接线,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。,图2-46方向过流保护原理接线图,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。 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
6、，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。,方向电流保护的工作原理,（） 功率方向继电器,1）功率方向继电器工作原理 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
7、。 目前使用的功率方向继电器为感应型、整流型和晶体型。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 。功率方向继电器有感应型、整流型和半导体型，按相位比较或幅值比较原理构成。,功率方向继电器工作原理,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。,功率方向继电器工作原理,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、整流型和晶体型。整流型继电器灵敏性好，无电压
8、死区、调试方便及动作速度快等优点。,判断方向的实质,图2-47功率方向继电器工作原理说明图,图2-47 正反故障时电压、电流相量图,图2-47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。 当保护正方向（K1）短路时：电流 为正， 滞后 相角 。 = （0 90)。 短路功率 PK1=Ur1Ir1cos 0； 当保护反方向K2点发生短路时， （0 90，180 270)。 短路功率PK2=UrIr2cos 0。,在保护装置动作的正方向和反方向发生短路时，功率方向继电器测量的功率方向相反。,继电器动作的临界情况是一条与相量 相垂直的直线，通常称为功
9、率方向继电器的动作特性。,功率方向继电器的工作原理：实质就是判断母线电压和流入线路的电流之间的相位角。动作方程可表示为：,图2-48功率方向继电器的动作范围和最大灵敏线,考虑继电器内角a的动作方程,在实际应用中，为适应判别各种正方向短路故障时，功率方向继电器的测量功率最大，具有最好的灵敏性，继电器中应有可以调整的内角，这时功率方向继电器的动作方程为： （90+）arg （90） 或 90arg 90 （2-66）,其动作特性为逆时针移动的一条直线，移动的角度为继电器内角，常取45或30。,动作区：,动作区：,当电流相量Ir垂直于动作特性时，功率方向继电器的动作最灵敏，这一位置称为最大灵敏线，最
10、大灵敏线与电压Ur之间夹角 称为最大灵敏角， =-，因为这时Ir超前Ur，所以， 是负角度。 功率方向继电器可以直接比较电气量Ur和Ir之间的相位，也可以间接比较电气量Ur和Ir的线性函数 Uc和 UD之间相角来构成。,动作条件可以表示为：,相位比较原理与幅值比较原理的关系,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UA和UB，可以通过UC和UD经过线性变换得到：,（2-69）,若以为 动作量， 为制动量。则当UC与UD相位差=90时， = ,动作量等于制动量,动作的临界状态；当90时， 动作量大于制动量，继电器处于动作状态；当90时， ，动作量小于制动量，继电器不
11、动作。,电气量间变换关系：,相位比较原理与幅值比较原理的关系,三、幅值比较回路,幅值比较回路是由整流和滤波、幅值比较、执行元件三个单元构成的。 1、直接比较式比较回路 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,三、幅值比较回路,（4-9）,极化继电器动作条件,（1）幅值比较回路,图4-8直接比较式比较回路接线图,1）直接比较式比较回路,ZA：工作回路阻抗；ZB
12、：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）OP0时，继电器动作条件为,（4-9）,（1）幅值比较回路,2）循环电流式比较回路,2）循环电流式比较回路,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I1I2，继电器的动作电流为Iop.r，则继电器动作条件为I1I2Iop.r，即 当Z1=Z2，R1=R2，并满足Z1+R1=Z2+R2=Z，则极化继电器动作条件为：,2）循环电流式比较回路,忽略Iop.r时,上式变为 循环电流式比较回路接线简单，在执行元件的输入端，当动作电流小时，制动侧整流桥U2中二极管正向电阻大，
13、分流小，故有较高的灵敏性。而当动作电流大时，上述二极管又能限幅，起到保护执行元件的作用，因此这种比较回路使用广泛。,（1）幅值比较回路,3）均压式比较回路接线图,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、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=U1U2，若极化继电器动作电压为Uop.r，则继电器动作条件为：,3）均压式比较回路,当Z1=Z2，R1=R2，并忽略Uop.r，则动作条件为,（2）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
14、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。,图4-11极化继电器原理结构图,（极化继电器）,极化继电器是由绕组,永久磁铁,可动舌片,接点,铁芯等组成。其主要特点:是继电器的可动舌片处于两个磁通的作用之下，一个是由线圈的电流产生的工作磁通，另一个是由永久磁铁产生的极化磁通。,当线圈没有电流时: 21,舌片被吸引向右边，接点断开. 当线圈中通以电流Ij 时: 1 2 时，舌片被吸向左侧磁极，继电器触点闭合，对应此时所加入的电流，即为继电器的起动电流继电器动作以后: 逐渐减小工作电流，则1 减小，2 增加，
15、当21 时，则舌片又被吸向右侧磁极，继电器返回，当继电器线圈通入相反方向的电流时，1 的磁通更减小， 2的磁通更增加，继电器不动作。结论：该继电器的动作具有方向性。,（极化继电器）,（3）整流型功率方向继电器,1）继电器的原理及动作区 按幅值比较原理构成的，故动作方程为 即 根据幅值比较和相位比较互换关系有,LG-11功率方向继电器 2）工作原理,图4-13整流型功率方向继电器的接线图,继电器动作条件也可以用余函数表示,临界动作条件为垂直于最大灵敏线且过原点的直线，动作区在带有阴影的半平面范围，最大灵敏线为超前Ur相角a的一条直线。,2）整流型功率方向继电器工作原理,电流Ir的相位可以改变，Ir 顺时针旋转落在动作边界线AB直线上时 ，是继电器动作下边界，Ir逆时针转到直线AB上时， 为继电器动作上边界。当Ir落在动作区内，继电器动作。 当电流Ir落在最大灵敏线上，即 电压分量 与超前Ur相角90的电压分量 同相位，此时动作量最大，制动量最小，故继电器最灵敏，所以称 为方向继电器的最大灵敏角。,3）最小动作功率,当Ir足够大时，使继电器动作的最小电压为方向继电器的最小动作电压：,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：,
