第二節(jié)電網(wǎng)相間短路的方向性電流保護(hù)

第二節(jié)電網(wǎng)相間短路的方向性電流保護(hù)第1頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)相間短路時(shí)的功率方向

三段式電流保護(hù)是以單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)為基礎(chǔ)進(jìn)行分析的，各保護(hù)都安裝在被保護(hù)線路靠近電源的一側(cè)，或者說線路的始端。僅利用相間短路后電流幅值增大的特征來區(qū)分故障與正常運(yùn)行狀態(tài)的，以動(dòng)作電流的大小和動(dòng)作時(shí)限的長(zhǎng)短配合來保證有選擇的切除故障。

問題的提出第2頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三在發(fā)生故障時(shí)，它們都是在短路功率從母線流向被保護(hù)線路的情況下，按選擇性的條件來協(xié)調(diào)配合工作的。我們有時(shí)講電流的流向通常是指功率的流向,電流的方向是不定的,而規(guī)定功率從母線流向線路稱為正方向。第3頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三現(xiàn)代電力系統(tǒng)都是由許多電源組成的復(fù)雜網(wǎng)絡(luò)。例如：在雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)接線中,由于兩側(cè)均有電源,因此在每條線路的兩側(cè)均需裝設(shè)斷路器和保護(hù)裝置。當(dāng)某條線路發(fā)生短路時(shí)，應(yīng)由線路兩側(cè)保護(hù)動(dòng)作跳開斷路器以切除故障，這時(shí)不會(huì)造成停電，這正是雙端供電的優(yōu)點(diǎn)。ACB~~12k2第4頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三⑴對(duì)電流速斷保護(hù)的影響當(dāng)k1點(diǎn)短路時(shí),按照選擇性的要求,應(yīng)由保護(hù)2和保護(hù)6動(dòng)作切除故障.但由于供給的短路電流也將通過保護(hù)1.若保護(hù)1采用電流速斷且大于保護(hù)裝置1的起動(dòng)電流,則保護(hù)1的電流速斷就要誤動(dòng)(母線上可能掛有其它分支線路)。造成C變電所全部停電。同樣的分析其它短路點(diǎn)時(shí)，對(duì)有關(guān)的保護(hù)裝置也能得出相應(yīng)的結(jié)論。~~78654321k1ABCD第5頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三(2)對(duì)過電流保護(hù)的影響~~78654321k1IⅠk1設(shè)保護(hù)1-8均裝設(shè)有過電流保護(hù)，當(dāng)線路k1點(diǎn)短路時(shí)，由電源提供的短路電流IⅠk1將流過保護(hù)8，7，1，6等，這些地方裝設(shè)的過電流保護(hù)均要啟動(dòng)，為保證動(dòng)作的選擇性，需滿足：

t4>t3>t5>t2>t6>t1>t7>t8k2當(dāng)線路k2點(diǎn)短路時(shí)，由電源提供的短路電流將流過保護(hù)4，3，5，2等，這些地方裝設(shè)的過電流保護(hù)均要啟動(dòng)，為保證動(dòng)作的選擇性，需滿足：

t8>t7>t1>t6>t2>t5>t3>t4k1點(diǎn)短路時(shí)要求t7>t8，k2點(diǎn)短路時(shí)要求t8>t7，顯然矛盾！第6頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三分析雙側(cè)電源供電情況下所出現(xiàn)的這一新矛盾,可以發(fā)現(xiàn),誤動(dòng)的保護(hù)均是在自己所保護(hù)的線路背后發(fā)生故障時(shí),由對(duì)側(cè)電源供給的短路電流所引起的.對(duì)誤動(dòng)的保護(hù)而言,實(shí)際短路功率的方向都是由線路流向母線(或者說功率的方向?yàn)樨?fù))第7頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三措施為了消除這種無選擇的動(dòng)作需要在可能產(chǎn)生誤動(dòng)的保護(hù)上裝設(shè)一個(gè)功率方向閉鎖元件.I++I或該元件只當(dāng)短路功率方向由母線流向線路時(shí)動(dòng)作，相反則不動(dòng)作.第8頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三方向元件的要求定義在正前方發(fā)生短路時(shí):

它計(jì)算出的功率為正,方向元件能夠動(dòng)作.在背后發(fā)生短路時(shí):

它計(jì)算出的功率為負(fù),方向元件能夠可靠不動(dòng)作.用以判別功率方向或測(cè)定電流、電壓間相位角的繼電器稱為功率方向繼電器.第9頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)保護(hù)1而言,當(dāng)正方向d1點(diǎn)三相短路時(shí),若短路電流給定正方向是從保護(hù)安裝處母線流向線路,則它滯后于該母線電壓一個(gè)相角(為從母線至d1點(diǎn)間的線路阻抗角)其值為㈡功率方向繼電器的工作原理原理~U~21d1.Id1.線路阻抗呈感性，中低壓線路阻抗角~。超高壓線路阻抗角第10頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三當(dāng)反方向d2點(diǎn)短路時(shí),流經(jīng)1的短路電流是供給的.若仍按規(guī)定的正方向觀察,則滯后于母線電壓的相角將是,其值為如以母線電壓為參考向量,并設(shè),則和相差.

~~21d2U.I’d2.Id2.故利用判別短路功率方向或電流,電壓之間的相位關(guān)系便可判別發(fā)生故障的方向.第11頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三4.要求繼電保護(hù)中對(duì)方向元件（繼電器）的基本要求:應(yīng)具有明確的方向性即正前方發(fā)生各種故障時(shí)，能可靠動(dòng)作,而在反方向故障時(shí)，可靠不動(dòng)作。故障時(shí)繼電器的動(dòng)作有足夠的靈敏度。第12頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三如果按電工技術(shù)中測(cè)量功率的概念，對(duì)A相的功率方向繼電器，加入電壓(=)和電流(=)，則當(dāng)正方向d1短路時(shí)，繼電器中電壓、電流之間的相角為:反方向d2短路時(shí):如果取，可畫出相量關(guān)系

功率方向繼電器的動(dòng)作特性第13頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

一般的功率方向繼電器當(dāng)輸入電壓和電流的幅值不變時(shí)，其輸出(轉(zhuǎn)矩或電壓)值隨兩者相位差φ的大小而改變。

為了在最常見的短路情況下使方向元件動(dòng)作最靈敏，采用上述接線的功率方向繼電器應(yīng)做成最大靈敏角。又為了保證短路點(diǎn)有過渡電阻、線路阻抗角在范圍內(nèi)變化時(shí)正方向故障，繼電器都能可靠動(dòng)作，繼電器動(dòng)作的角度應(yīng)該是一個(gè)范圍，考慮繼電器實(shí)現(xiàn)的方便性，這個(gè)范圍通常取為。其動(dòng)作特性在復(fù)數(shù)平面上是一條直線。第14頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三其動(dòng)作方程可表示為：+1+j最大靈敏線或：不動(dòng)作區(qū)第15頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三+1+j最大靈敏線不動(dòng)作區(qū)以電壓為參考量，則當(dāng)電流超前電壓或滯后電壓繼電器均動(dòng)作以電壓為參考量，則當(dāng)電壓超前電流時(shí)，繼電器動(dòng)作最靈敏第16頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由當(dāng)余弦項(xiàng)和UJ、IJ越大時(shí)，其值P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)為負(fù)時(shí)，繼電器均不能動(dòng)作。因此，在其正方向出口附近短路接地時(shí)，故障相對(duì)地的電壓很低，使繼電器不能動(dòng)作，這稱為方向繼電器的“電壓死區(qū)”。

可知：第17頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為了減小和消除死區(qū)，在實(shí)際上廣泛采用非故障的相間電壓作為接入功率繼電器的電壓參考量，判別電流的相位。例如對(duì)A相的方向繼電器加入電流和電壓。此時(shí)，，當(dāng)正方向短路時(shí)，反方向短路時(shí)，

在這種情況下繼電器的最大靈敏角設(shè)計(jì)為：

習(xí)慣上采用，稱為功率方向繼電器的內(nèi)角

電流超前電壓電流滯后電壓正方向短路時(shí)，能靈敏動(dòng)作。第18頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三除正方向出口附近發(fā)生三相短路時(shí)，繼電器具有很小的電壓死區(qū)以外,其他故障繼電器均無死區(qū)。動(dòng)作方程為:+1+j最大靈敏線以電壓為參考，電流超前30度最靈敏

不動(dòng)作區(qū)第19頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三㈢集成電路型功率方向繼電器原理框圖電壓形成濾波移相方波電壓形成濾波方波20ms20ms輸出同時(shí)為正同時(shí)為負(fù)第20頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三tt10ms≥5ms相位差為≤90°第21頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三經(jīng)50Hz帶通濾波器濾除短路暫態(tài)過程中的非周期分量和各次諧波分量的影響由過零觸發(fā)器形成方波,便于相位比較.把移相角加入繼電器的電壓和電流經(jīng)電壓形成回路,產(chǎn)生所需電壓信號(hào)并與二次回路隔離.第22頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三相位比較回路,比較兩個(gè)電壓瞬時(shí)值,同時(shí)為正(或同時(shí)為負(fù))的持續(xù)時(shí)間當(dāng)與同相位時(shí),其瞬時(shí)值同時(shí)為正的時(shí)間等于工頻的半個(gè)周期,若為50Hz,則為10ms.當(dāng)兩者相位差90°時(shí),其瞬時(shí)值為正的時(shí)間減至1/4周波,即5ms.故通過比較兩個(gè)電壓瞬時(shí)值同時(shí)為正的時(shí)間,即可比較相位差.當(dāng)兩者相位差為≤90°即同時(shí)為正的時(shí)間≥5ms,則繼電器應(yīng)動(dòng)作,將其信號(hào)展寬到20ms,即一個(gè)周波,即為方向繼電器的輸出.第23頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三動(dòng)作特性當(dāng)任何一個(gè)變化時(shí),繼電器的起動(dòng)條件均要隨之改變,電子器件對(duì)電壓信號(hào)有一定的門坎值.角度特性:表示當(dāng)IJ固定不變時(shí),繼電器起動(dòng)電壓

的關(guān)系曲線

其動(dòng)作范圍位于以為中心的±90°以內(nèi),在此范圍內(nèi),繼電器的最小起動(dòng)電壓基本上與無關(guān),只取決于器件門坎值.當(dāng)UJ<Udz.J.min時(shí),繼電器將不起動(dòng),稱為“電壓死區(qū)”.0°90°第24頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三伏安特性:表示固定不變時(shí),繼電器起動(dòng)電壓

的關(guān)系曲線。

IJ動(dòng)作區(qū)只要加入繼電器的電壓和電流分別大于和繼電器就可以動(dòng)作。潛動(dòng)：指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。發(fā)生潛動(dòng)的最大危害就是在反方向出口處三相短路時(shí)，方向繼電器本應(yīng)不動(dòng)作將保護(hù)閉鎖，而此時(shí)出現(xiàn)潛動(dòng)，可能使保護(hù)誤動(dòng)。造成潛動(dòng)的主要原因：形成方波的開環(huán)運(yùn)放的零點(diǎn)漂移在時(shí),由于零點(diǎn)漂移使開環(huán)放大器輸出正信號(hào),引起正半周比相的誤動(dòng)作.第25頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三㈣相間短路功率方向繼電器的接線方式對(duì)接線方式的要求正方向任何型式的故障均能動(dòng)作,而反方向故障則不動(dòng)作.故障后加入繼電器的電流和電壓應(yīng)盡可能地大些,并盡可能使接近于最大靈敏角,以便清除和減少方向繼電器的死區(qū).第26頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三接線方式PA:IAUBCPB:IBUCAPC:ICUAB其中:為超前的角度;為方向繼電器固有內(nèi)角90o接線方式)0(arg1cos==AAIU&&時(shí)當(dāng)j在三相對(duì)稱的情況下，加入繼電器的電流和電壓之間的相位角為90o第27頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三采用90°接線的動(dòng)作分析由于三相對(duì)稱，三個(gè)方向繼電器工作情況完全一樣，故可只取A相繼電器來分析由圖可見:

因?yàn)殡娏鞒坝陔妷赫较虬l(fā)生三相短路時(shí)的向量圖如圖所示，、、表示保護(hù)安裝地點(diǎn)的母線電壓，、

、為三相的短路電流，電流滯后對(duì)應(yīng)相電壓的角度為線路阻抗角。1)

正方向發(fā)生三相短路第28頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三A相繼電器的動(dòng)作條件應(yīng)為:

要求:當(dāng)要求

當(dāng)要求為使方向繼電器在任何的情況下均能動(dòng)作在三相短路時(shí)，應(yīng)選擇滿足：

繼電器均能夠動(dòng)作第29頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

2)正方向發(fā)生兩相短路設(shè)B－C兩相短路d(2)BC，此時(shí)可以有兩種極限情況

a）短路點(diǎn)位于保護(hù)安裝地點(diǎn)附近，短路阻抗Zd<<Zs（保護(hù)安裝處到電源間的系統(tǒng)阻抗），極限時(shí)取Zd=0，短路電流 由電勢(shì)EBC產(chǎn)生，滯后的角度為，電流=-，短路點(diǎn)（即保護(hù)安裝地點(diǎn)）的電壓為:.......第30頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)A相繼電器而言，當(dāng)忽略負(fù)荷電流時(shí)，，因此，繼電器不動(dòng)作

為使B相方向繼電器在任何的情況下均能動(dòng)作在兩相短路時(shí)，應(yīng)選擇滿足：

<

<

對(duì)于B相繼電器:....則動(dòng)作條件應(yīng)為:第31頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三對(duì)于C相繼電器:為使C相方向繼電器在任何的情況下均能動(dòng)作在兩相短路時(shí)，應(yīng)選擇滿足：

....則動(dòng)作條件應(yīng)為:第32頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三b）短路點(diǎn)遠(yuǎn)離保護(hù)安裝地點(diǎn)，且系統(tǒng)容量很大，此時(shí)Zd>>Zs，極限時(shí)取Zs=0，電流仍由電勢(shì)

產(chǎn)生，并滯后一個(gè)角度，保護(hù)安裝地點(diǎn)的電壓為:第33頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三為使B相方向繼電器在任何的情況下均能動(dòng)作在兩相短路時(shí)，應(yīng)選擇滿足：

對(duì)于B相繼電器:則動(dòng)作條件應(yīng)為:第34頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三

對(duì)于C相繼電器:則動(dòng)作條件應(yīng)為:為使C相方向繼電器在任何的情況下均能動(dòng)作在兩相短路時(shí)，應(yīng)選擇滿足：

第35頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三綜合三相和各種兩相短路的分析得出:當(dāng)時(shí)，使故障相方向繼電器在一切故障情況下都能動(dòng)作的條件應(yīng)為:第36頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三由以上分析可見，接線方式的主要優(yōu)點(diǎn)是：第一，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，其值很高；第二，適當(dāng)?shù)剡x擇繼電器的內(nèi)角α后，對(duì)線路上發(fā)生的各種故障，都能保證動(dòng)作的方向性。最后順便指出，在正常運(yùn)行情況下，位于線路送電側(cè)的功率方向繼電器，在負(fù)荷電流的作用下，一般都是處于動(dòng)作狀態(tài)，其觸點(diǎn)是閉合的。第37頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三（五）雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中電流保護(hù)整定的特點(diǎn)~~d1d2AB12EⅡEⅠ當(dāng)任一側(cè)區(qū)外相鄰線路出口處短路時(shí)(如d1或d2點(diǎn)),短路電流Id1或Id2要同時(shí)流過兩側(cè)的保護(hù)1和2,但按選擇性要求,兩保護(hù)均不應(yīng)動(dòng)作.因此為了防止保護(hù)誤動(dòng).電流速斷保護(hù)曲線①由電源EⅠ供給的電流.曲線②由電源EⅡ供給的電流.

功率大提供短路電流也大①②Id2Id1Id從圖中可以看出，保護(hù)1從定值上就能躲開背后d1點(diǎn)短路時(shí)的短路電流第38頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三兩個(gè)保護(hù)的起動(dòng)電流應(yīng)選得相同,并按較大的一個(gè)短路電流進(jìn)行整定.例如:則應(yīng)取:這樣,整定的結(jié)果,將使位于小電源側(cè)保護(hù)2的保護(hù)范圍縮小,靈敏度下降.為解決這一問題,就需要在保護(hù)2處裝設(shè)方向元件,使其只當(dāng)電流從母線流向被保護(hù)線路時(shí)才動(dòng)作.這樣,保護(hù)2的起動(dòng)電流就可按躲開d1點(diǎn)短路來整定.選擇:這樣就增加了保護(hù)范圍,同時(shí)保證了選擇性。可以看出:保護(hù)1處無需裝設(shè)方向元件,因?yàn)樗褟亩ㄖ瞪峡煽康囟汩_了反向短路時(shí)流過保護(hù)1的最大電流Id1.max第39頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三限時(shí)電流速斷保護(hù)對(duì)于雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)中的限時(shí)電流速斷保護(hù),其整定原則仍應(yīng)與下一級(jí)的電流速斷保護(hù)相配合.但要考慮保護(hù)安裝地點(diǎn)與短路點(diǎn)之間有電源或分支線路的影響.第40頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三IABIBCMIAB.MId由于分支電路中有電源,故障線路中的短路電流IBC將大于IAB,其值:IBC=IAB+I’AB這種使故障線路電流增大的現(xiàn)象稱為助增.~dAB12C~IBCIABI’AB助增電流的影響M點(diǎn)是保護(hù)2電流速斷的保護(hù)范圍末端第41頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三保護(hù)2電流速斷的整定值仍按躲開相鄰線路出口短路整定為I’dz.2.其保護(hù)范圍末端位于M點(diǎn)．這時(shí)流過保護(hù)1的電流為IAB.M,其值小于IBC.M(=I’dz.2).因此,保護(hù)1的限時(shí)速斷的整定值應(yīng)為I”dz.1=K”kIAB.M引入分支系數(shù)kfzKfz=故障線路流過的短路電流前一級(jí)保護(hù)所在線路上流過的短路電流則整定配合點(diǎn)M處的分支系數(shù)為:Kfz==IBC.MIAB.MI’dz.2I’AB.MI’AB.M==IBC.MKfzKfz1I’dz.2于是I”dz.1=×K”kKfzI’dz.2(比單側(cè)電源線路,在分母上多了一個(gè)大于1的分支系數(shù)影響)I”dz.1變小,增大了保護(hù)范圍,以與I’dz.2配合.第42頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三外汲電流的影響~A2B1C由于分支電路為一并聯(lián)線路,故障線路中的電流I’BC將小于IAB.其關(guān)系式為:這種使故障線路中電流減少的現(xiàn)象,稱為外汲.IkI’BCIABIABIABMM這時(shí)分支系數(shù)Kfz<1當(dāng)變電所B母線上既有電源又有并聯(lián)的線路時(shí),分支系數(shù)Kfz可能大于1也可能小于1.應(yīng)以配合點(diǎn)Kfz最小值計(jì)算.第43頁(yè)，共47頁(yè)，2023年，2月20日，星期三3.過電流保護(hù)AB12IECE1d345678CD1dI&1dI&當(dāng)d1點(diǎn)短路時(shí)流過各保護(hù)的短路電流A