電力系統(tǒng)繼電保護(hù) 第2版 課件 2.2.1 電網(wǎng)相間短路的方向電流保護(hù)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)

第二版２．２電網(wǎng)相間短路的方向

電流保護(hù)

主要內(nèi)容§1方向電流保護(hù)的工作原理§2功率方向繼電器

§3相間短路保護(hù)中功率繼電器的接線方式§4功率方向繼電器的按相啟動(dòng)§5功率方向繼電器的整定計(jì)算２.２.１方向電流保護(hù)的工作原理一、為什么在電流保護(hù)中裝設(shè)方向性元件？（必要性）在雙側(cè)電源電網(wǎng)或單側(cè)電源環(huán)形網(wǎng)中：1、對(duì)于I段保護(hù)，這時(shí)為了使保護(hù)在區(qū)外故障時(shí)不誤動(dòng)，其整定值不僅要躲過(guò)本線路末端短路時(shí)流經(jīng)保護(hù)的最大短路電流，而且要躲過(guò)保護(hù)反方向故障時(shí)流經(jīng)本保護(hù)的最大短路電流。

2、對(duì)于II段保護(hù)，這時(shí)不僅要下相鄰下一線的第I段配合，而且還要與其在同一母線下的各條出線的第I段相配合。3、對(duì)于III段保護(hù)，這時(shí)僅靠時(shí)限的配合已無(wú)法獲得選擇性。上述問(wèn)題的產(chǎn)生，皆因雙側(cè)電源電網(wǎng)和環(huán)形電網(wǎng)中，在保護(hù)安裝處反方向短路時(shí)，有可能使保護(hù)動(dòng)作的緣故。為了解決上述問(wèn)題，我們提出在原有的電流保護(hù)基礎(chǔ)上，加裝一個(gè)能判斷故障方向的元件即功率方向繼電器。２.２.１方向電流保護(hù)的工作原理圖2-44供電網(wǎng)絡(luò)圖2.2.1方向電流保護(hù)的工作原理如圖2-44所示，當(dāng)在K1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，要求保護(hù)3、4動(dòng)作，斷開3、4兩個(gè)斷路器；如在K2點(diǎn)發(fā)生短路，要求保護(hù)1、2動(dòng)作，斷開1、2兩個(gè)斷路器。對(duì)K1點(diǎn)短路，為實(shí)現(xiàn)選擇性要求：對(duì)K2點(diǎn)短路，為實(shí)現(xiàn)選擇性要求：可見(jiàn)，一般電流保護(hù)不能滿足保護(hù)選擇性要求。因此，要采用方向電流保護(hù)來(lái)解決這個(gè)問(wèn)題。圖2-44側(cè)電源輻射形電網(wǎng)2.2.1方向電流保護(hù)的工作原理

方向過(guò)流保護(hù)是在過(guò)流保護(hù)基礎(chǔ)上加裝方向元件的保護(hù)。在一般過(guò)流保護(hù)2和3上各加一個(gè)方向元件（功率方向繼電器），它只有當(dāng)短路功率由母線流向線路時(shí)，才允許保護(hù)動(dòng)作，這樣就解決了過(guò)流保護(hù)的選擇性問(wèn)題。2.2.1方向電流保護(hù)的工作原理規(guī)定：短路功率的方向從母線指向線路為正方向。K1點(diǎn)短路時(shí)，保護(hù)1、2、4、6為正方向；保護(hù)3和5反方向，不應(yīng)起動(dòng)。2.2.1雙側(cè)電源電網(wǎng)線路方向過(guò)流保護(hù)時(shí)限特性如圖2-45（a）兩側(cè)電源供電的輻射形電網(wǎng)中，1～6均為方向過(guò)流保護(hù)，其中保護(hù)1、3和5為一組，2、4和6為另一組，各同方向保護(hù)間的時(shí)限配合仍按階梯原則來(lái)整定。圖2-45a雙側(cè)電源電網(wǎng)線路方向過(guò)流保護(hù)時(shí)限特性2.2.1雙側(cè)電源電網(wǎng)線路方向過(guò)流保護(hù)時(shí)限特性圖2-45雙側(cè)電源電網(wǎng)線路方向過(guò)流保護(hù)的時(shí)限特性2.2.1方向電流保護(hù)的工作原理WL2上K1點(diǎn)短路時(shí)，保護(hù)1、3、4、6因短路功率由母線流向線路，故都能啟動(dòng)，而其中按動(dòng)作方向時(shí)限最短的保護(hù)3和4動(dòng)作，跳開斷路器3、4，將故障線路WL2切除，保護(hù)1和6便返回，從而保證了動(dòng)作選擇性。WL22.2.1方向電流保護(hù)的工作原理WL1上K2點(diǎn)短路時(shí)，只有保護(hù)1、2、4和6能啟動(dòng)，其中按動(dòng)作方向時(shí)限最短的保護(hù)1和2動(dòng)作，跳開斷路器1和2，將故障線路WL1切除，保護(hù)4和6便返回，同樣保證了動(dòng)作的選擇性。WL12.2.2方向電流保護(hù)原理接線方向過(guò)流保護(hù)裝置由三個(gè)主要元件組成，啟動(dòng)元件（電流繼電器），功率方向元件（功率方向繼電器）和時(shí)限元件（時(shí)間繼電器）。工作原理是方向元件KW和啟動(dòng)元件KA構(gòu)成與門，二者同時(shí)動(dòng)作才能啟動(dòng)時(shí)間繼電器KT。

圖2-46方向過(guò)流保護(hù)原理接線圖

在雙側(cè)電源線路上，并不是所有過(guò)流保護(hù)裝置中都需要裝設(shè)功率方向元件，只有在僅靠時(shí)限不能滿足動(dòng)作選擇性時(shí)，才需要裝設(shè)功率方向元件。無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)在原理上用于雙側(cè)電源線路時(shí)，其動(dòng)作電流要按同時(shí)躲過(guò)線路首端和末端短路的最大短路電流，才能保證動(dòng)作的選擇性。但是，由于線路兩側(cè)電源的容量和系統(tǒng)阻抗不同，當(dāng)在線路發(fā)生短路時(shí)，兩側(cè)電源供給的短路電流大小并不相同，甚至數(shù)值相差很大，這時(shí)安裝在小電源一側(cè)的電流速斷保護(hù)范圍就不能滿足靈敏度的要求，甚至可能沒(méi)有保護(hù)范圍。在這種情況下，小電源一側(cè)需要采用方向電流速斷保護(hù)，當(dāng)保護(hù)背后發(fā)生短路時(shí)，利用功率方向元件閉鎖，使保護(hù)只根據(jù)小電源一側(cè)的短路功率方向來(lái)動(dòng)作。因此，這時(shí)小電源側(cè)方向電流速斷保護(hù)只需躲過(guò)線路末端短路時(shí)通過(guò)該保護(hù)處的短路電流來(lái)整定即可，從而大大提高了保護(hù)的靈敏性，滿足保護(hù)范圍的要求。2.2.2方向電流保護(hù)的工作原理功率方向繼電器1）功率方向繼電器工作原理功率方向繼電器的任務(wù)是測(cè)量送入繼電器的電壓Ur和電流Ir之間的相位，以判別正、反向故障。目前使用的功率方向繼電器為感應(yīng)型、整流型和半導(dǎo)體型。整流型繼電器靈敏性好，無(wú)電壓死區(qū)、調(diào)試方便及動(dòng)作速度快等。按相位比較或幅值比較原理構(gòu)成。功率方向繼電器工作原理判斷方向的實(shí)質(zhì)方向元件（功率方向繼電器）之所以能判別正、反向故障是因?yàn)檎?、反向故障時(shí)，保護(hù)安裝處的母線殘壓與被保護(hù)線路上的電流之間的相位關(guān)系不同。方向元件正是根據(jù)這種不同來(lái)識(shí)別正、反向故障的。功率方向繼電器工作原理功率方向繼電器的任務(wù)是測(cè)量送入繼電器的電壓Ur和電流Ir之間的相位，以判別正、反向故障。目前使用的功率方向繼電器為感應(yīng)型、整流型和晶體型。整流型繼電器靈敏性好，無(wú)電壓死區(qū)、調(diào)試方便及動(dòng)作速度快等優(yōu)點(diǎn)。判斷方向的實(shí)質(zhì)圖2-47功率方向繼電器工作原理說(shuō)明圖圖2-47正反故障時(shí)電壓、電流相量圖圖2-47功率方向繼電器的工作原理以母線電壓為參考相量，電壓高于地時(shí)為正，電流以母線流向線路為正。當(dāng)保護(hù)正方向（K1）短路時(shí)：電流為正，滯后相角。

=（0°＜＜90°)。短路功率PK1=Ur1Ir1cos＞0；當(dāng)保護(hù)反方向K2點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，（0°＜＜90°，180°＜＜270°)。短路功率PK2=UrIr2cos＜0。在保護(hù)裝置動(dòng)作的正方向和反方向發(fā)生短路時(shí)，功率方向繼電器測(cè)量的功率方向相反。

繼電器動(dòng)作的臨界情況是一條與相量相垂直的直線，通常稱為功率方向繼電器的動(dòng)作特性。功率方向繼電器的工作原理：實(shí)質(zhì)就是判斷母線電壓和流入線路的電流之間的相位角。動(dòng)作方程可表示為：

圖2-48功率方向繼電器的動(dòng)作范圍和最大靈敏線考慮繼電器內(nèi)角a的動(dòng)作方程在實(shí)際應(yīng)用中，為適應(yīng)判別各種正方向短路故障時(shí)，功率方向繼電器的測(cè)量功率最大，具有最好的靈敏性，繼電器中應(yīng)有可以調(diào)整的內(nèi)角α，這時(shí)功率方向繼電器的動(dòng)作方程為：

—（90°+α）≤arg≤（90°—α）

或—90°≤arg≤90°（2-66）其動(dòng)作特性為逆時(shí)針移動(dòng)的一條直線，移動(dòng)的角度為繼電器內(nèi)角α，α常取45°或30°。動(dòng)作區(qū)：動(dòng)作區(qū)：當(dāng)電流相量Ir垂直于動(dòng)作特性時(shí)，功率方向繼電器的動(dòng)作最靈敏，這一位置稱為最大靈敏線，最大靈敏線與電壓Ur之間夾角稱為最大靈敏角，=-α，因?yàn)檫@時(shí)Ir超前Ur，所以，是負(fù)角度。功率方向繼電器可以直接比較電氣量Ur和Ir之間的相位，也可以間接比較電氣量Ur和Ir的線性函數(shù)

Uc和UD之間相角來(lái)構(gòu)成。

動(dòng)作條件可以表示為：相位比較原理與幅值比較原理的關(guān)系相位比較原理與幅值比較原理的關(guān)系功率方向繼電器的幅值比較的兩個(gè)電氣量UA和UB，可以通過(guò)和經(jīng)過(guò)線性變換得到：（2-69）若以為動(dòng)作量，為制動(dòng)量。則當(dāng)UC與UD相位差θ=90°時(shí)，=,動(dòng)作量等于制動(dòng)量,動(dòng)作的臨界狀態(tài)；當(dāng)θ＜90°時(shí)，＞動(dòng)作量大于制動(dòng)量，繼電器處于動(dòng)作狀態(tài)；當(dāng)θ＞90°時(shí)，＜，動(dòng)作量小于制動(dòng)量，繼電器不動(dòng)作。電氣量間變換關(guān)系：相位比較原理與幅值比較原理的關(guān)系三、幅值比較回路幅值比較回路是由整流和濾波、幅值比較、執(zhí)行元件三個(gè)單元構(gòu)成的。1、直接比較式比較回路極化繼電器KP有兩個(gè)繞組，其中W1為動(dòng)作繞組，W2為制動(dòng)繞組。動(dòng)作量經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生動(dòng)作電流I1以帶“·”號(hào)極性端子流入W1繞組，產(chǎn)生動(dòng)作安匝；制動(dòng)量經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生制動(dòng)電流I2，從非極性端子流入W2，產(chǎn)生制動(dòng)安匝。若極化繼電器的動(dòng)作安匝為(IW)OP，則極化繼電器動(dòng)作條件為三、幅值比較回路（4-9）極化繼電器動(dòng)作條件（1）幅值比較回路W1W2Z1U1UAC1I1I2C2U2UBKPZ2R1R2圖4-8直接比較式比較回路接線圖1）直接比較式比較回路ZA：工作回路阻抗；ZB：制動(dòng)回路阻抗；0.9：有效值轉(zhuǎn)換為平均值的系數(shù)。當(dāng)ZA=ZB且（IW）OP≈0時(shí)，繼電器動(dòng)作條件為（4-9）（1）幅值比較回路2）循環(huán)電流式比較回路Z1U1UAC1I1I2C2U2UBKPZ2R1R22）循環(huán)電流式比較回路動(dòng)作量UA經(jīng)整流濾波后得到電流I1，制動(dòng)量UB經(jīng)整流濾波后得到電流I2，通過(guò)執(zhí)行元件KP的電流為I1—I2，繼電器的動(dòng)作電流為Iop.r，則繼電器動(dòng)作條件為I1—I2≥Iop.r，即當(dāng)Z1=Z2，R1=R2，并滿足Z1+R1=Z2+R2=Z，則極化繼電器動(dòng)作條件為：

2）循環(huán)電流式比較回路忽略Iop.r時(shí),上式變?yōu)檠h(huán)電流式比較回路接線簡(jiǎn)單，在執(zhí)行元件的輸入端，當(dāng)動(dòng)作電流小時(shí)，制動(dòng)側(cè)整流橋U2中二極管正向電阻大，分流小，故有較高的靈敏性。而當(dāng)動(dòng)作電流大時(shí)，上述二極管又能限幅，起到保護(hù)執(zhí)行元件的作用，因此這種比較回路使用廣泛。（3）整流型功率方向繼電器1）繼電器的原理及動(dòng)作區(qū)按幅值比較原理構(gòu)成的，故動(dòng)作方程為即根據(jù)幅值比較和相位比較互換關(guān)系有

LG-11功率方向繼電器

2）工作原理圖4-13整流型功率方向繼電器的接線圖繼電器動(dòng)作條件也可以用余函數(shù)表示

臨界動(dòng)作條件為垂直于最大靈敏線且過(guò)原點(diǎn)的直線，動(dòng)作區(qū)在帶有陰影的半平面范圍，最大靈敏線為超前Ur相角a的一條直線。最大靈敏線動(dòng)作區(qū)2）整流型功率方向繼電器工作原理電流Ir的相位可以改變，Ir

順時(shí)針旋轉(zhuǎn)落在動(dòng)作邊界線AB直線上時(shí)，是繼電器動(dòng)作下邊界，

逆時(shí)針轉(zhuǎn)到直線AB上時(shí)，為繼電器動(dòng)作上邊界。當(dāng)

落在動(dòng)作區(qū)內(nèi)，繼電器動(dòng)作。當(dāng)電流Ir落在最大靈敏線上，即電壓分量與超前

相角90°的電壓分量同相位，此時(shí)動(dòng)作量最大，制動(dòng)量最小，故繼電器最靈敏，所以稱為方向繼電器的最大靈敏角。3）最小動(dòng)作功率

當(dāng)Ir足夠大時(shí)，使繼電器動(dòng)作的最小電壓為方向繼電器的最小動(dòng)作電壓：

當(dāng)電壓Ur足夠大時(shí)，使繼電器動(dòng)作的最小電流為方向繼電器的最小動(dòng)作電流：幅值比較原理方向繼電器的最小動(dòng)作功率，用Sop·min表示：方向繼電器的最小動(dòng)作電流、電壓和功率是衡量方向繼電器靈敏性的參數(shù)。執(zhí)行元件越靈敏（U0越?。?，則KU、KI越大，方向功率繼電器的Iop·min、Uop·min和Sop·min就越小，方向繼電器也就越靈敏。功率方向繼電器的動(dòng)作特性：

4）LG-11整流型功率方向繼電器電壓死區(qū)和潛動(dòng)在保護(hù)安裝處附近發(fā)生金屬性三相短路時(shí)，母線殘壓接近于零，此時(shí)，繼電器不能可靠動(dòng)作，使功率繼電器不能可靠動(dòng)作的靠近保護(hù)按裝處這段范圍稱為繼電器的死區(qū)。消除死區(qū)的方法是在