第二章的第二節(jié)多側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路的方向性電流保護(hù)

第二節(jié)多側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路的方向性電流保護(hù)一、方向性電流保護(hù)的工作原理實(shí)際的電力系統(tǒng)是由很多電源組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)，此時(shí)，采用第一節(jié)中介紹的三段式電流保護(hù)不能滿足選擇性的要求。圖2—13雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)接線及保護(hù)動(dòng)作方向的規(guī)定(a)氣點(diǎn)短路時(shí)的電流分布；(b)d2點(diǎn)短路時(shí)的電流分布；(c)各保護(hù)動(dòng)作方向的規(guī)定；例如在圖2-13所示的雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)接線中，每條線路的兩側(cè)均需裝設(shè)斷路器和保護(hù)裝置。因?yàn)楫?dāng)線路上發(fā)生短路故障時(shí)，線路兩側(cè)分別流過各側(cè)電源提供的短路電流，如果只在線路的一側(cè)裝設(shè)斷路器和保護(hù)裝置，實(shí)際上并不能真正切除故障。假設(shè)保護(hù)1、2、3、4的電流速斷仍按第一節(jié)中的整定原則，其起TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument" 一 ..一一 二 ..動(dòng)電流依據(jù)電源E單獨(dú)存在情況下整定；保護(hù)5、6、7、8的電流速斷依據(jù)電源E單獨(dú)存在情況下整定。i n在圖2-13(a)中幺點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，按照選擇性的要求應(yīng)該由距故障點(diǎn)最近的保護(hù)2和6動(dòng)作切除故障。然而，由電源E供給的短路電流I"也將通過保護(hù)1，如果尸大于保護(hù)1電流速斷的起動(dòng)電流If，則n d1 d1 dz.1保護(hù)1的電流速斷就要誤動(dòng)作。因此，可以得出這樣的結(jié)論：在雙側(cè)或多側(cè)電源的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)中，采用電流速斷不能滿足選擇性的要求。那么，此類網(wǎng)絡(luò)中能否采用定時(shí)限過電流保護(hù)呢？結(jié)論也是否定的。因?yàn)楫?dāng)d1點(diǎn)短路時(shí)，要求t5＞七；但是，當(dāng)d2點(diǎn)短路時(shí)，又要求七＞t5。這兩個(gè)要求是不可能同時(shí)得到滿足的。對(duì)誤動(dòng)作的保護(hù)進(jìn)行分析可知，誤動(dòng)作的原因是由對(duì)側(cè)電源供給的短路電流引起的；此時(shí)誤動(dòng)作保護(hù)的實(shí)際短路功率方向是由線路流向母線的。因此，為了消除雙側(cè)電源或多側(cè)電源中三段式電流保護(hù)的無選擇動(dòng)作，需要在可能誤動(dòng)作的保護(hù)上增設(shè)一個(gè)功率方向閉鎖元件。該元件當(dāng)短路功率方向由母線流向線路時(shí)動(dòng)作，開放電流保護(hù)；而當(dāng)短路功率方向由線路流向母線時(shí)不動(dòng)作，閉鎖電流保護(hù)。按照上述原理構(gòu)成的保護(hù)就是方向性電流保護(hù)，每個(gè)保護(hù)的規(guī)定動(dòng)作方向（也稱為規(guī)定正方向）都是指短路功率（或短路電流）由母線流向線路的方向，如圖2-13（c）所示。裝設(shè)了方向元件以后，可以把雙側(cè)電源網(wǎng)拆開看成兩個(gè)單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)，這樣上一節(jié)所講的三段式電流保護(hù)的工作原理和整定計(jì)算原則就仍然可以應(yīng)用了。方向性的過電流保護(hù)的單相原理接線如圖2-14所示，主要由方向元件（即功率方向繼電器）、電流元件（即電流繼電器）和時(shí)間元件（即時(shí)間繼電器）組成。方向元件和電流元件必須都動(dòng)作以后，才能去起動(dòng)時(shí)間元件，再經(jīng)過預(yù)定的延時(shí)后動(dòng)作于跳閘。為了簡(jiǎn)化接線，同一斷路器對(duì)應(yīng)的三段保護(hù)可共用一個(gè)方向元件。YH圖YH圖2—14方向過電流保護(hù)的原理接線圖二、功率方向繼電器的工作原理和動(dòng)作方程如果短路功率的實(shí)際方向是由母線流向線路的，稱該短路對(duì)于保護(hù)來說是正方向短路；反之稱為反方向短路，例如圖2-13（a）中幺點(diǎn)短路對(duì)保護(hù)2、3、6、7是正方向短路；對(duì)保護(hù)1和5是反方向短路。由此可見，故障的方向可以利用短路功率的方向判斷；而短路功率的方向又取決于保護(hù)安裝處電流、電壓之間的相位關(guān)系。因此，功率方向繼電器的基本原理就是反應(yīng)于加入繼電器中電流和電壓的相位而動(dòng)作。圖2—15方向繼電器工作原理的分析（a）網(wǎng)絡(luò)接線；（b）研點(diǎn)短路向量圖；（c）d2點(diǎn)短路向量圖按電工技術(shù)中測(cè)量功率的概念，對(duì)A相的功率方向繼電器應(yīng)加入電壓#-U和電流1-1。下面JA JA以圖2-15（a）網(wǎng)絡(luò)中的保護(hù)1為例，分析正、反方向短路時(shí)，保護(hù)安裝處電壓和電流之間的相位關(guān)系，? . 一. . 一 4 -二 .以推導(dǎo)出功率方向繼電器的動(dòng)作方程。當(dāng)正方向d1點(diǎn)三相短路時(shí)，短路電流七1滯后母線電壓UA一個(gè)相位角Pd1，Pd1為從母線至d1點(diǎn)之間的線路阻抗角，其值為0?！粗衐1<90。，如圖2—15(b)所示。因此，功率方向繼電器中電壓、電流之間的相角可表達(dá)為UPJ=arg廠」=Pd1 (2-25)d1.A式中符號(hào)arg表示分子的向量超前于分母向量的角度。?一一 一一 ?.二. 、當(dāng)反方向d2點(diǎn)短路時(shí)，通過保護(hù)1的短路電流是由電源E^供給的，對(duì)保護(hù)1來說，該電流的實(shí)際方向是由線路流向母線的。但是，由于保護(hù)是以規(guī)定正方向觀測(cè)電流的，因此，此時(shí)保護(hù)1按規(guī)定的電流正方向觀測(cè)到的I將滯后于母線電壓180°+p ，p為從該母線至d點(diǎn)之間的線路阻抗角，其值為d2 d2 d2 2180。<(180°+p.2)<270。，如圖2-15(c)所示。此時(shí)，繼電器中電壓和電流之間的相位可表達(dá)為P了=arg =180。+pd2 (2—26)d2.A ...?? 如以母線電壓作為參考向量，并設(shè)Pd1=Pd2=Pd，則。1和I22的相位相差180。由以上分析可見，用于反應(yīng)相間短路的功率方向繼電器在加入其上電壓超前電流的夾角為Pd時(shí)應(yīng)該動(dòng)作，而電壓超前電流的夾角為180°+p』時(shí)不應(yīng)動(dòng)作?？紤]到實(shí)際短路時(shí)，故障點(diǎn)存在過渡電阻，且保護(hù)裝置本身具有測(cè)量誤差，因此為保證正方向發(fā)生短路時(shí)功率方向繼電器能可靠動(dòng)作，動(dòng)作角度不能只局限于P這一個(gè)值，而是應(yīng)該有一定的角度范圍。為d了制作方便，這個(gè)角度范圍通常取為180。，而位于180。動(dòng)作范圍中間的那條線就稱為功率方向繼電器的最大靈敏線，該直線與電流之間的夾角稱為最大靈敏角，用P表示。為了讓繼電器在正方向短路時(shí)動(dòng)作最靈敏，采用上述相電壓和相電流接線的功率方向繼電器應(yīng)做成最大靈敏角P=Pd，其動(dòng)作角度以Pd為中心向兩邊各擴(kuò)展90。。這樣一來，功率方向繼電器動(dòng)作方程可表示為,…U…P+90°>arg^j>p—90° (2—27)j或 90°>argUj［，，m>—90。 (2—28)J-L . .當(dāng)以UJ為參考向量時(shí)，對(duì)應(yīng)的動(dòng)作特性在復(fù)數(shù)平面上是一條直線，如圖2—16(a)所示，陰影部分為動(dòng)作區(qū)。

式（2-28）也可用功率的形式表示為(2—29)當(dāng)余弦項(xiàng)和Uj、I了越大時(shí)，為負(fù)時(shí)，繼電器將不能動(dòng)作。UIcos(2—29)當(dāng)余弦項(xiàng)和Uj、I了越大時(shí)，為負(fù)時(shí)，繼電器將不能動(dòng)作。其功率輸出值也越大，繼電器動(dòng)作的靈敏度越高；而任一項(xiàng)等于零或余弦項(xiàng)圖2-16功率方向繼電器的動(dòng)作特性3）按（2-28）式構(gòu)成（2按（2-30）式構(gòu)成實(shí)際應(yīng)用中，這種接線和特性的繼電器，在其正方向出口附近發(fā)生三相短路、A—B或C—A兩相接地短路，以及A相接地短路時(shí)，由于UA"0或數(shù)值很小，繼電器將不能動(dòng)作，這稱為繼電器的“電壓死區(qū)”。為了減小和消除死區(qū)，在實(shí)際中廣泛采用非故障的相間電壓作為參考量去判別相電流的相位。例如對(duì)A相的功率方向繼電器加入電流I=I和電壓U=U（詳見本節(jié)第五項(xiàng)的分析），此時(shí)，A JBC中=argU/1。顯然，這種接線繼電器中接入的電壓比前述接線中接入的電壓滯后90°。所以，為了J BCA讓繼電器在正方向短路時(shí)仍然最靈敏，其靈敏角也應(yīng)該向滯后方向旋轉(zhuǎn)90°，而取為：g=甲廣90° （2-29）將此靈敏角代入式（2-28），得到繼電器對(duì)應(yīng)的動(dòng)作方程為90°>arg"「%）>—90。 （2—30）J動(dòng)作特性示于圖2-16（b）中。習(xí)慣上采用90。-甲=a，a稱為功率方向繼電器的內(nèi)角。內(nèi)角和靈敏角d之間存在如下關(guān)系a=—g （2—31）式（2-30）如用功率形式表示，則為UIcos（甲+a）>0 （2—32）這種接入相電流和非故障相間電壓的功率方向繼電器，在發(fā)生任何包含A相的不對(duì)稱短路時(shí)，Ia的電流很大，U的電壓很高，因此繼電器不僅沒有死區(qū)，而且動(dòng)作靈敏度很高；只有正方向出口附近發(fā)生BC三相短路時(shí)，由于UCO0會(huì)產(chǎn)生很小的電壓死區(qū)。消除這一死區(qū)可以采用電壓記憶回路（見本書第三章第四節(jié)）。用（2—30）式或（2—32）式實(shí)現(xiàn)功率方向繼電器時(shí)，根據(jù)構(gòu)成元件的不同可分為感應(yīng)型、整流型、晶體管型、集成電路型和微機(jī)型。本節(jié)只討論集成電路型功率方向繼電器，其他的可參考有關(guān)資料［21三、集成電路型功率方向繼電器TOC\o"1-5"\h\z.. ..... ..按（2—30）式構(gòu)成的集成電路型功率方向繼電器的框圖如圖2-17所示。加入繼電器的電壓U和電J?Z 、 ... . .. … 一流I經(jīng)電壓形成回路后，變換成適合于集成運(yùn)算放大器所需要的電壓；并與電壓、電流互感器的二次回路J相隔離，以防止來自二次回路干擾的影響。然后使U移相a角，以獲得參考向量Uej。Uej與IR均J J J J經(jīng)50Hz帶通有源濾波器，以消除短路暫態(tài)過程中非周期分量和各種諧波分量的影響，而后形成方波。方波形成回路通常采用開環(huán)的運(yùn)算放大器構(gòu)成，具有很高的靈敏度，其負(fù)半周輸出經(jīng)二極管消波后，變?yōu)?V信號(hào)（參見圖2—18中的U3和U4），以便與CMOS門電路配合工作。由與門、或非門、延時(shí)5ms、展寬20ms等器件組成的相位比較回路，可對(duì)兩個(gè)方波進(jìn)行相位比較，當(dāng)滿足（2—30）式的條件后，輸出高電平1態(tài)信號(hào)，表示繼電器動(dòng)作。圖2—17實(shí)現(xiàn)相位比較的方法之一是測(cè)量?jī)蓚€(gè)電壓瞬時(shí)值同時(shí)為正（或同時(shí)為負(fù)，以下相同）的持續(xù)時(shí)間。例如當(dāng)Ueja與IR同相位時(shí)，如圖2—18（b）所示，其瞬時(shí)值同時(shí)為正的時(shí)間等于工頻的半個(gè)周期，對(duì)50HzJJ而言，即為10ms。而當(dāng)上述兩個(gè)電壓的相位差增至90。時(shí)，如圖2—18（a）所示，其瞬時(shí)值同時(shí)為正的時(shí)間減至5ms。因此比較Ueja與IR的相位差，可通過測(cè)量這兩個(gè)電壓瞬時(shí)值同時(shí)為正的時(shí)間來實(shí)現(xiàn)。JJ當(dāng)兩者之間的相位差＜90。時(shí)，其瞬時(shí)值同時(shí)為正的時(shí)間必然35ms，滿足這個(gè)關(guān)系時(shí)，繼電器就應(yīng)該動(dòng)作。在圖2—18中，兩個(gè)方波接入與門后的輸出電壓U5，能反應(yīng)瞬時(shí)值同時(shí)為正的時(shí)間；而接入或非門后的輸出電壓U6則能反應(yīng)瞬時(shí)值同時(shí)為負(fù)的時(shí)間。因此這個(gè)電路可以同時(shí)進(jìn)行正、負(fù)半周的比相。當(dāng)七為高電平的持續(xù)時(shí)間35ms時(shí)，即可經(jīng)20ms的展寬回路，使U7輸出高電平。由于U5每隔20ms輸出一次高電平，是一個(gè)間斷的信號(hào)，故必須予以展寬后，才能變?yōu)殚L(zhǎng)信號(hào)輸出。同理，當(dāng)U6電壓為高電平的持續(xù)時(shí)間Es時(shí)，經(jīng)2。ms展寬后，叩輸出高電平長(zhǎng)信號(hào)圖2-18相位比較回路中各點(diǎn)輸出電壓波形圖Ueja Ueja（a）臨界動(dòng)作條件arg—=900（b）臨界動(dòng)作條件arg—=ooj j為提高繼電器動(dòng)作的可靠性，在圖2—17中，采用正、負(fù)半周比相，與門輸出的方式，即匕和U8必須同時(shí)為高電平后，U9才輸出高電平，表示繼電器動(dòng)作。這種輸出方式的繼電器動(dòng)作速度較慢，最快的動(dòng)作時(shí)間為15ms，如圖2—180）所示。在有些情況下，當(dāng)要求繼電器快速動(dòng)作時(shí)，則可以采用正、負(fù)半周比相，或門輸出的方式，即讓U7和U8經(jīng)或門輸出。任一個(gè)為高電平后，U9就可以輸出高電平，其最快的動(dòng)作時(shí)間為5ms。功率方向繼電器的動(dòng)作特性功率方向繼電器的動(dòng)作方程中有三個(gè)變量：U,、Ij和甲j。其中任一個(gè)變量發(fā)生變化時(shí)，都會(huì)影響到繼電器的起動(dòng)條件，通常采用下面兩種特性予以表示。（1）角度特性：表示匕固定不變時(shí)，繼電器起動(dòng)電壓Udj=f（pj）的關(guān)系曲線。在直角坐標(biāo)中，角度特性如圖2—19(a)所示，是一條U形曲線，其最大靈敏角為平饑=T，動(dòng)作范圍位于以甲加為中心的士90°以內(nèi)。匕心為繼電器的最小起動(dòng)電壓。當(dāng)加入繼電器的電壓U」＜U心心時(shí)，繼電器將不能起動(dòng)，這就是出現(xiàn)“電壓死區(qū)”的原因。在極坐標(biāo)系中，角度特性如圖2-19(b)所示，陰影部分為動(dòng)作區(qū)。(2)伏安特性：表示甲j=甲加固定不變時(shí)，繼電器起動(dòng)電壓Ud〃=f(Ij)的關(guān)系曲線，如圖2—20所示。當(dāng)加入繼電器的電流和電壓分別小于最小起動(dòng)電流、Jmin和最小起動(dòng)電壓U^mm時(shí)，繼電器不會(huì)動(dòng)作。在功率方向繼電器的實(shí)際應(yīng)用中，還必須考慮它的“潛動(dòng)”問題。所謂潛動(dòng)就是指：在只加入電流或只加入電壓的情況下，繼電器就能夠動(dòng)作的現(xiàn)象。按照繼電器功率形式的動(dòng)作方程(2-32)式，當(dāng)U和IJJ任何一個(gè)量為零時(shí)，繼電器都不應(yīng)該動(dòng)作。但是，由于構(gòu)成繼電器的某個(gè)環(huán)節(jié)的不平衡輸出，例如集成電路型功率方向繼電器方波形成回路的零點(diǎn)漂移會(huì)引起繼電器的“潛動(dòng)”。發(fā)生潛動(dòng)的最大危害是在反方向出口處三相短路時(shí)，此時(shí)UJQ0，而Ij很大，如果此時(shí)出現(xiàn)了潛動(dòng)，就可能使保護(hù)裝置失去方向性而誤動(dòng)作。必須采取其它措施消除繼電器的“潛動(dòng)”。在如圖2—17所示的框圖中，采用正、負(fù)半周比相，與門輸出的方式，就能夠可靠地防止?jié)搫?dòng)的發(fā)生。圖2—20圖2—19圖2—20相間短路功率方向繼電器的接線方式功率方向繼電器的接線方式是指它與電流互感器和電壓互感器之間的連接方式。對(duì)功率方向繼電器接線方式的要求是：正方向短路時(shí)動(dòng)作，反方向短路時(shí)不動(dòng)作。故障以后加入繼電器的電流I和電壓U應(yīng)盡可能數(shù)值大一些，并盡可能使中接近于最大靈敏J J J角平，以提高繼電器動(dòng)作的靈敏度并減小繼電器的的“電壓死區(qū)”。lm ..... ....?相間短路的功率方向繼電器普遍采用的是90°接線方式，這種接線方式的三個(gè)繼電器分別接于I、AU，I、U和I、U。稱其為90°接線方式是由于在三相對(duì)稱情況下，當(dāng)cos^=1時(shí)，如圖2一BCBCACAB ?-? 一?^?21所示，加入繼電器的電流如/和電壓U廠相位相差90°。這個(gè)定義僅僅是為了稱呼的方便，無任何物a BC理意義。圖2-21 圖2-22三段式方向過電流保護(hù)的原理接線圖2-22為采用這種接線方式構(gòu)成的三相式方向過電流保護(hù)的原理接線圖。接線時(shí)，必須十分注意繼電器電流線圈和電壓線圈的極性問題，如果有一個(gè)線圈的極性接錯(cuò)時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)正方向短路時(shí)拒絕功作，而反方向短路時(shí)誤動(dòng)作的現(xiàn)象。實(shí)際上，功率方向繼電器的動(dòng)作方程(2-30)式就是按這種接線方式推導(dǎo)出的，這種接線對(duì)各種兩相短路都沒有死區(qū)，因?yàn)槔^電器加入的是非故障的相間電壓，相間短路時(shí)，非故障相電壓值很高；但是對(duì)三相短路存在“電壓死區(qū)”。廠家生產(chǎn)的用于相間短路的功率方向繼電器一般都提供了以=45°和a=30°兩個(gè)內(nèi)角。實(shí)際應(yīng)用中，選用兩個(gè)角中的任一個(gè)作為內(nèi)角都能保證被保護(hù)線路上在任何地點(diǎn)發(fā)生各種相間短路時(shí)，繼電器都能可靠動(dòng)作［1。但是，繼電器動(dòng)作最靈敏的條件，應(yīng)根據(jù)三相短路時(shí)使cos(p^+a)=1來決定。因此，對(duì)某一已經(jīng)確定了阻抗角的送電線路而言，應(yīng)采用。=90。-甲』以便獲得最大的靈敏度，如線路阻抗角為60°，那么選用a=30°的內(nèi)角最好。雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中電流保護(hù)整定的特點(diǎn)在具有兩個(gè)以上電源的網(wǎng)絡(luò)接線中，必須采用方向性電流保護(hù)才能保證各保護(hù)之間動(dòng)作的選擇性。但繼電保護(hù)中應(yīng)用方向元件后，使接線復(fù)雜、投資增加；同時(shí)保護(hù)安裝地點(diǎn)附近正方向發(fā)生三相短路時(shí)，由于母線電壓降低至零，方向元件將失去判別相位的依據(jù)，從而不能動(dòng)作，其結(jié)果是導(dǎo)致整套保護(hù)裝置拒動(dòng)，出現(xiàn)方向保護(hù)的“死區(qū)”。鑒于上述缺點(diǎn)的存在，方向性電流保護(hù)在不失掉動(dòng)作選擇性的前提下應(yīng)力求不用方向元件。因此雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中電流保護(hù)的整定計(jì)算有其自身的特點(diǎn)。電流速斷保護(hù)以圖2-23為例，先分別計(jì)算出d點(diǎn)和d點(diǎn)的最大短路電流I 和I ，則保護(hù)1、2的電流速1 2 d1.maxd2.max斷起動(dòng)電流應(yīng)該分別整定為：(2-33(2-33)dz.2kdl.max圖2—23然后將尸與I 進(jìn)行比較，如果If<I，說明保護(hù)1反方向d點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，由對(duì)側(cè)電源dz.1 dl.max dz.l dl.max 1E提供的短路電流會(huì)使其電流速斷誤動(dòng)作，因此為了保證選擇性，保護(hù) 1必須裝設(shè)方向元件；如果nI'>I，說明保護(hù)1的電流速斷從定值上可靠地躲開了反向短路時(shí)流過保護(hù)的最大電流，因此保護(hù)dz.1 d1.max1就不必裝設(shè)方向元件了。同理將I]2與I22max進(jìn)行比較，可決定其是否可以不裝設(shè)方向元件。限時(shí)電流速斷保護(hù)同方向性電流速斷保護(hù)一樣，對(duì)應(yīng)用于雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中的限時(shí)電流速斷保護(hù)，只有當(dāng)起動(dòng)電流大于反向短路的最大電流時(shí)，才可以不裝設(shè)方向元件。而其基本的整定原則仍應(yīng)與下一級(jí)保護(hù)的電流速斷相配合，但需考慮保護(hù)安裝地點(diǎn)與短路點(diǎn)之間有電源或線路（通稱為分支電路）的影響。（1）助增電流的影響。如圖2—24所示，要對(duì)保護(hù)2的限時(shí)電流速斷進(jìn)行整定，它應(yīng)與保護(hù)1的電流速斷相配合。但是在兩個(gè)保護(hù)的中間母線上出現(xiàn)了分支電路，分支電路中有電源。此時(shí)故障線路中的短路電流IC將大于、，其值為IC=Iab+I、。這種使故障線路電流增大的現(xiàn)象，稱為助增。圖2—24保護(hù)l電流速斷的整定值仍按躲開相鄰線路出口短路整定為I；]，其保護(hù)范圍末端位于肱點(diǎn)。在此情況下，流過保護(hù)2的電流為、m，其值小于ICm（=I；「。保護(hù)2限時(shí)電流速斷的整定值