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

電力系統(tǒng)繼電保護

第二版２．２電網(wǎng)相間短路的方向

電流保護

主要內(nèi)容§1方向電流保護的工作原理§2功率方向繼電器

§3相間短路保護中功率繼電器的接線方式§4功率方向繼電器的按相啟動§5功率方向繼電器的整定計算２.２.１方向電流保護的工作原理一、為什么在電流保護中裝設(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、對于I段保護，這時為了使保護在區(qū)外故障時不誤動，其整定值不僅要躲過本線路末端短路時流經(jīng)保護的最大短路電流，而且要躲過保護反方向故障時流經(jīng)本保護的最大短路電流。

2、對于II段保護，這時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、對于III段保護，這時僅靠時限的配合已無法獲得選擇性。上述問題的產(chǎn)生，皆因雙側(cè)電源電網(wǎng)和環(huán)形電網(wǎng)中，在保護安裝處反方向短路時，有可能使保護動作的緣故。為了解決上述問題，我們提出在原有的電流保護基礎(chǔ)上，加裝一個能判斷故障方向的元件即功率方向繼電器。２.２.１方向電流保護的工作原理圖2-44供電網(wǎng)絡(luò)圖2.2.1方向電流保護的工作原理如圖2-44所示，當(dāng)在K1點發(fā)生短路時，要求保護3、4動作，斷開3、4兩個斷路器；如在K2點發(fā)生短路，要求保護1、2動作，斷開1、2兩個斷路器。對K1點短路，為實現(xiàn)選擇性要求：對K2點短路，為實現(xiàn)選擇性要求：可見，一般電流保護不能滿足保護選擇性要求。因此，要采用方向電流保護來解決這個問題。圖2-44側(cè)電源輻射形電網(wǎng)2.2.1方向電流保護的工作原理

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

圖2-46方向過流保護原理接線圖

在雙側(cè)電源線路上，并不是所有過流保護裝置中都需要裝設(shè)功率方向元件，只有在僅靠時限不能滿足動作選擇性時，才需要裝設(shè)功率方向元件。無時限電流速斷保護在原理上用于雙側(cè)電源線路時，其動作電流要按同時躲過線路首端和末端短路的最大短路電流，才能保證動作的選擇性。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，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，這時安裝在小電源一側(cè)的電流速斷保護范圍就不能滿足靈敏度的要求，甚至可能沒有保護范圍。在這種情況下，小電源一側(cè)需要采用方向電流速斷保護，當(dāng)保護背后發(fā)生短路時，利用功率方向元件閉鎖，使保護只根據(jù)小電源一側(cè)的短路功率方向來動作。因此，這時小電源側(cè)方向電流速斷保護只需躲過線路末端短路時通過該保護處的短路電流來整定即可，從而大大提高了保護的靈敏性，滿足保護范圍的要求。2.2.2方向電流保護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，無電壓死區(qū)、調(diào)試方便及動作速度快等。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、反向故障是因為正、反向故障時，保護安裝處的母線殘壓與被保護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)這種不同來識別正、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，無電壓死區(qū)、調(diào)試方便及動作速度快等優(yōu)點。判斷方向的實質(zhì)圖2-47功率方向繼電器工作原理說明圖圖2-47正反故障時電壓、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，電壓高于地時為正，電流以母線流向線路為正。當(dāng)保護正方向（K1）短路時：電流為正，滯后相角。

=（0°＜＜90°)。短路功率PK1=Ur1Ir1cos＞0；當(dāng)保護反方向K2點發(fā)生短路時，（0°＜＜90°，180°＜＜270°)。短路功率PK2=UrIr2cos＜0。在保護裝置動作的正方向和反方向發(fā)生短路時，功率方向繼電器測量的功率方向相反。

繼電器動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作特性。功率方向繼電器的工作原理：實質(zhì)就是判斷母線電壓和流入線路的電流之間的相位角。動作方程可表示為：

圖2-48功率方向繼電器的動作范圍和最大靈敏線考慮繼電器內(nèi)角a的動作方程在實際應(yīng)用中，為適應(yīng)判別各種正方向短路故障時，功率方向繼電器的測量功率最大，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，這時功率方向繼電器的動作方程為：

—（90°+α）≤arg≤（90°—α）

或—90°≤arg≤90°（2-66）其動作特性為逆時針移動的一條直線，移動的角度為繼電器內(nèi)角α，α常取45°或30°。動作區(qū)：動作區(qū)：當(dāng)電流相量Ir垂直于動作特性時，功率方向繼電器的動作最靈敏，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，因為這時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之間相角來構(gòu)成。

動作條件可以表示為：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電氣量UA和UB，可以通過和經(jīng)過線性變換得到：（2-69）若以為動作量，為制動量。則當(dāng)UC與UD相位差θ=90°時，=,動作量等于制動量,動作的臨界狀態(tài)；當(dāng)θ＜90°時，＞動作量大于制動量，繼電器處于動作狀態(tài)；當(dāng)θ＞90°時，＜，動作量小于制動量，繼電器不動作。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有兩個繞組，其中W1為動作繞組，W2為制動繞組。動作量經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生動作電流I1以帶“·”號極性端子流入W1繞組，產(chǎn)生動作安匝；制動量經(jīng)整流濾波后產(chǎn)生制動電流I2，從非極性端子流入W2，產(chǎn)生制動安匝。若極化繼電器的動作安匝為(IW)OP，則極化繼電器動作條件為三、幅值比較回路（4-9）極化繼電器動作條件（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，繼電器動作條件為（4-9）（1）幅值比較回路2）循環(huán)電流式比較回路Z1U1UAC1I1I2C2U2UBKPZ2R1R22）循環(huán)電流式比較回路動作量UA經(jīng)整流濾波后得到電流I1，制動量UB經(jīng)整流濾波后得到電流I2，通過執(zhí)行元件KP的電流為I1—I2，繼電器的動作電流為Iop.r，則繼電器動作條件為I1—I2≥Iop.r，即當(dāng)Z1=Z2，R1=R2，并滿足Z1+R1=Z2+R2=Z，則極化繼電器動作條件為：

2）循環(huán)電流式比較回路忽略Iop.r時,上式變?yōu)檠h(huán)電流式比較回路接線簡單，在執(zhí)行元件的輸入端，當(dāng)動作電流小時，制動側(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)動作電流大時，上述二極管又能限幅，起到保護執(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）繼電器的原理及動作區(qū)按幅值比較原理構(gòu)成的，故動作方程為即根據(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作條件也可以用余函數(shù)表示

臨界動作條件為垂直于最大靈敏線且過原點的直線，動作區(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

順時針旋轉(zhuǎn)落在動作邊界線AB直線上時，是繼電器動作下邊界，

逆時針轉(zhuǎn)到直線AB上時，為繼電器動作上邊界。當(dāng)

落在動作區(qū)內(nèi)，繼電器動作。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，此時動作量最大，制動量最小，故繼電器最靈敏，所以稱為方向繼電器的最大靈敏角。3）最小動作功率

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

當(dāng)電壓Ur足夠大時，使繼電器動作的最小電流為方向繼電器的最小動作電流：幅值比較原理方向繼電器的最小動作功率，用Sop·min表示：方向繼電器的最小動作電流、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越小），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作特性：

4）LG-11整流型功率方向繼電器電壓死區(qū)和潛動在保護安裝處附近發(fā)生金屬性三相短路時，母線殘壓接近于零，此時，繼電器不能可靠動作，使功率繼電器不能可靠動作的靠近保護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