电力系统继电保护PPT电子课件教案-第二章电网的电流保护第二节.ppt

第二章 电网的电流保护,第二节 双侧电源网络相间短路的 方向性电流保护,都 洪 基,双侧电源网络相间短路时的功率方向,三段式电流保护是以单侧电源网络为基础进行分析的，各保护都安装在被保护线路靠近电源的一侧，或者说线路的始端。仅利用相间短路后电流幅值增大的特征来区分故障与正常运行状态的，以动作电流的大小和动作时限的长短配合来保证有选择的切除故障。,问题的提出,在发生故障时，它们都是在短路功率从母线流向被保护线路的情况下，按选择性的条件来协调配合工作的。 我们有时讲电流的流向通常是指功率的流向,电流的方向是不定的,而规定功率从母线流向线路称为正方向。,现代电力系统都是由许多电源组成的复杂网络。 例如：在双侧电源网络接线中,由于两侧均有电源,因此在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。,当某条线路发生短路时，应由线路两侧保护动作跳开断路器以切除故障，这时不会造成停电，这正是双端供电的优点。,a,c,b,1,2,对电流速断保护的影响,当k1点短路时,按照选择性的要求,应由保护2和保护6动作切除故障.但由于 供给的短路电流 也将通过保护1.若保护1采用电流速断且 大于保护装置1的起动电流 ,则保护1的电流速断就要误动(母线上可能挂有其它分支线路)。造成c变电所全部停电。 同样的分析其它短路点时，对有关的保护装置也能得出相应的结论。,7,8,6,5,4,3,2,1,k1,a,b,c,d,(2)对过电流保护的影响,7,8,6,5,4,3,2,1,k1,ik1,设保护1-8均装设有过电流保护，当线路k1点短路时，由电源 提供的短路电流ik1将流过保护8，7，1，6等，这些地方装设的过电流保护均要启动，为保证动作的选择性，需满足： t4 t3 t5 t2 t6 t1 t7 t8,k2,当线路k2点短路时，由电源 提供的短路电流 将流过保护4，3，5，2等，这些地方装设的过电流保护均要启动，为保证动作的选择性，需满足： t8 t7 t1 t6 t2 t5 t3 t4 k1点短路时要求t7 t8， k2点短路时要求t8 t7 ，显然矛盾！,分析双侧电源供电情况下所出现的这一新矛盾,可以发现,误动的保护均是在自己所保护的线路背后发生故障时,由对侧电源供给的短路电流所引起的.对误动的保护而言,实际短路功率的方向都是由线路流向母线(或者说功率的方向为负),措施,为了消除这种无选择的动作需要在可能产生误动的保护上装设一个功率方向闭锁元件。,该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，相反则不动作。,当两个电源同时存在时，在每个保护上加装功率方向元件，该元件只当功率方向由母线流向线路时动作，而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，从而使保护的动作具有一定的方向性。,方向过电流保护的原理接线图,+,-,+,ta,tq,+,tv,-,kw,ka,kt,ks,主要由 方向元件电流元件时间元件组成,方向元件和电流元件必须都动作以后，才能去起动时间元件，再经过预定的延时后动作于跳闸。,方向元件,电流元件,时间元件,时间到！,当双侧电源网络上的电流保护装设方向元件以后，就可以把它们拆开看成两个单侧电源网络的保护。 保护14反应于电源e供给的短路电流而动作。 保护58反应于电源e供给的短路电流而动作。 两组方向保护之间不要求有配合关系，这样单侧电源网络的三段式电流保护的工作原理和整定计算原则就可以直接应用了。,其 中,1. 对功率方向元件的要求,2.定义,在正前方发生短路时: 它计算出的功率为正,方向元件能够动作.,在背后发生短路时: 它计算出的功率为负,方向元件能够可靠不动作.,用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角 的继电器称为功率方向元件（继电器）。,功率方向判别元件,对保护1而言,当正方向k1点三相短路时,若短路 电流 给定正方向是从保护安装处母线流向线路, 则它滞后于该母线电压 一个相 角 ( 为从母线至k1点间的线 路阻抗角)其值为,3.功率方向继电器的工作原理,u,2,1,ik1,.,.,线路阻抗呈感性，中低压线路阻抗角500 -600。 超高压线路阻抗角750,当反方向k2点短路时,流经1的短路电流是 供给 的.若仍按规定的正方向观察,则 滞后于母线电压 的相角将是 ,其值为 如以母线电压 为参考向量,并设 ,则 和 相差 .,2,1,u,.,故利用判别短路功率方向或电流、电压 之间的相位关系便可判别发生故障的方向.,4. 要求,继电保护中对方向元件（继电器）的基本要求:,应具有明确的方向性 即正前方发生各种故障时，能可靠动作,而在反方向故障时，可靠不动作。,故障时继电器的动作有足够的灵敏度。,如果按电工技术中测量功率的概念，对a相的功率方向继电器，加入电压 (= ) 和电流 (= ) ，则当正方向k1短路时，继电器中电压、电流之间的相角为:,反方向k2短路时 :,如果取 ，可画出相量关系,5. 功率方向继电器的动作特性,一般的功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出 ( 转矩或电压 ) 值随两者相位差的大小而改变。,为了在最常见的短路情况下使方向元件动作最灵敏，采用上述接线的功率方向继电器应做成最大灵敏角 。又为了保证短路点有过渡电阻、线路阻抗角 在 范围内变化时正方向故障，继电器都能可靠动作，继电器动作的角度应该是一个范围，考虑继电器实现的方便性，这个范围通常取为 。,其动作特性在复数平面上是一条直线。,其动作方程可表示为：,+1,+j,最大灵敏线,或：,不动作区,+1,+j,最大灵敏线,不动作区,以电压为参考量，则当电流超前电压300或滞后电压1500 继电器均动作,以电压为参考量，则当电压超前电流 时继电器动作最灵敏,由,当余弦项和uk，ik越大时，其值p也越大，继电器动作的灵敏度越高，而任一项等于零或余弦项为负时，继电器均不能动作 。,因此，在其正方向出口附近短路接地时，故障相对地的电压很低，使继电器不能动作，这称为方向继电器的“电压死区”。,可知：,为了减小和消除死区，在实际上广泛采用非故障的相间电压作为接入功率继电器的电压参考量，判别电流的相位。例如对a相的方向继电器加入电流 和电压 。此时， ，当正方向短路时， 反方向短路时，,在这种情况下继电器的最大灵敏角设计为：,习惯上采用 ， 称为功率方向继电器的内角。,电流超前电压,电流滞后电压,正方向短路时，能灵敏动作。,除正方向出口附近发生三相短路时，继电器具有很小的电压死区以外 ,其他故障继电器均无死区。,动作方程为:,+1,+j,最大灵敏线,以电压为参考，电流超前电压300最灵敏,不动作区,集成电路型功率方向继电器,原理框图,电 压 形 成,滤 波,移 相,方 波,电 压 形 成,滤 波,方 波,输出,同时为正,同时为负,鉴宽展宽电路,t,t,10ms,与 相位相差900时，同时为正的时间刚好等于5ms,经50hz带通滤波器滤除短路暂态过程中的非周期分量和各次谐波分量的影响,由过零触发器形成方波,便于相位比较.,把 移相 角,加入继电器的电压 和电流 经电压形成回路,产生所需电压信号并与二次回路隔离.,相位比较回路,比较两个电压瞬时值,同时为正(或同时为负)的持续时间当 与 同相位时,其瞬时值同时为正的时间等于工频的半个周期,若为50hz,则为10ms.当两者相位差 90时,其瞬时值为正的时间减至1/4周波,即5ms.故通过比较两个电压瞬时值同时为正的时间,即可比较相位差.当两者相位差为90即同时为正的时间5ms,则继电器应动作,将其信号展宽到20ms,即一个周波,即为方向继电器的输出.,动作特性,当任何一个变化时,继电器的起动条件均要随之改变,电 子器件对电压信号有一定的门坎值.,角度特性:表示当ik固定不变时,继电 器起动电压 的关系曲线,其动作范围位于以 为中心的 90以内,在此范围内,继电器 的最小起动电压 基本上与 无 关,只取决于器件门坎值. 当ukuop.k.min时,继电器将不起动,称为“电压死区”.,伏安特性:表示 固定不变时, 继电器起动电压 的关系曲线。,只要加入继电器的电压和电 流分别大于 和 继 电器就可以动作。,潜动：指只加入电流或只加入电压的情况下，继电器 就能够动作的现象。,发生潜动的最大危害就是在反方向出口处三相短路时， 方向继电器本应不动作将保护闭锁，而此时出现潜动， 可能使保护误动。,造成潜动的主要原因：形成方波的开环运放的零点漂移,在 时,由于零点漂移使开环放大器输出正信号, 引起正半周比相的误动作.,2.2.4 相间短路功率方向继电器的接线方式,对接线方式的要求,正方向任何型式的故障均能动作，而反方向故障则不动作。,故障后加入继电器的电流 和电压 应尽可能地大些,并尽可能使 接近于最大灵敏角 ,以便清除和减少方向继电器的死区.,接线方式,pa: ia ubc,pb: ib uca,pc: ic uab,其中: 为 超前 的角度; 为方向继电器固有内角,90o接线方式,采用90接线的动作分析,1) 正方向发生三相短路 正方向发生三相短路时的向量图如图所示， 、 、 表示保护安装地点的母线电压， 、 、 为三相的短路电流，电流滞后对应相电压的角度为线路阻抗角 。,由于三相对称，三个方向继电器工作情况完全一样，故可只取a相继电器来分析由图可见:,因为电流超前于电压,a相继电器的动作条件应为:,要求: 继电器均能够动作,当 要求,当 要求,为使方向继电器在任何 的情况下均能动作 在三相短路时，应选择 满足：,2)正方向发生两相短路,设bc两相短路k(2)bc，此时可以有两种极限情况,a）短路点位于保护安装地点附近，短路阻抗zkzs （保护 安装处到电源间的系统阻抗），极限时取zk=0 。,.,.,.,.,.,.,.,短路电流 由电势ebc产生，滞后的角度为 ，电流 短路点（即保护安装地点）的电压为:,对a相继电器而言，当忽略负荷电流时， ，因此，继电器不动作,为使b相方向继电器在任何 的情况下均能动作 在两相短路时，应选择 满足： ,对于b相继电器:,.,.,.,.,则动作条件应为:,对于c相继电器:,为使c相方向继电器在任何 的情况下均能动作 在两相短路时，应选择 满足：,.,.,.,.,则动作条件应为:,b）短路点远离保护安装地点，且系统容量很大，此时zd zs，极限时取zs =0，电流 仍由电势 产生，并滞后一个角度 ，保护安装地点的电压为:,为使b相方向继电器在任何 的情况下均能动作 在两相短路时，应选择 满足：,对于b相继电器:,则动作条件应为:,对于c相继电器:,则动作条件应为:,为使c相方向继电器在任何 的情况下均能动作 在两相短路时，应选择 满足：,综合三相和各种两相短路的分析得出:,当 时，使故障相方向继电器在一切故障情况下都能动作的条件应为:,由以上分析可见， 接线方式的主要优点是：,最后顺便指出，在正常运行情况下，位于线路送电侧的功率方向继电器，在负荷电流的作用下，一般都是处于动作状态，其触点是闭合的。,第二，适当地选择继电器的内角 后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。,第一，对各种两相短路都没有死区，因为继电器加入的是非故障的相间电压，其值很高；,2.2.5 方向性电流保护的应用特点,k1,k2,a,b,1,2,e,e,当任一侧区外相邻线路出口处短路时(如k1或k2点),短路电流ik1或ik2要同时流过两侧的保护1和2,但按选择性要求,两保护均不应动作.因此为了防止保护误动.,电流速断保护,曲线由电源e供给的电流. 曲线由电源e供给的电流.,功率大提供短路电流也大,ik2,ik1,ik,从图中可以看出，保护1从定值上就能躲开背后k1点短路时的短路电流,两个保护的起动电流应选得相同，并按较大的一个短路电流进行整定。,例如:,则应取:,这样,整定的结果，将使位于小电源侧保护2的保护范围缩小，灵敏度下降。,为解决这一问题，就需要在保护2处装设方向元件，使其只当电流从母线流向被保护线路时才动作。这样，保护2的起动电流就可按躲开k1点短路来整定。,选择:,这样就增加了保护范围，同时保证了选择性。,可以看出:保护1处无需装设方向元件，因为它已从定值上可靠地躲开了反方向短路时流过保护1的最大电流ik1.max。,限时电流速断保护,对于双侧电源网络中的限时电流速断保护，其整定原则仍应与下一级的电流速断保护相配合。但要考虑保护安装地点与短路点之间有电源或分支线路的影响。,iab,ibc,m,iab.m,ik,由于分支电路 中有电源,故障 线路中的短路电 流ibc将大于iab,其值:ibc=iab+iab,这种使故障线路电流增大的现象称为助增.,k,a,b,1,2,c,iab,iab,助增电流的影响,m点是保护2电流速断的保护范围末端,当电源e停机时,当电源e开机时,保护2电流速断的整定值仍按躲开相邻线路出口短路整 定为iset.2.其保护范围末端位于m点这时流过保护1的 电流为iab.m,其值小于ibc.m(= iset.2).因此,保护1的限时速 断的整定值应为iset.1=kreliab.m,引入分支系数kb,则整定配合点m处 的分支系数为:,于是,(比单侧电源线路,在分母上多了一个大于1的分支系数影响),iset.1变小,增大了保护范围,以与iset.2配合.,外汲电流的影响,a,2,b,1,c,由于分支电路为一并联线路,故障线路中的电流ibc将小于iab.其关系式为:,这种使故障线路中电流减少的现象,称为外汲.,这时分支系数kb1,当变电所b母线上既有电源又有并联的线路时,分支系数kb可能大于1也可能小于1.应以配合点kb最小值计算。,3.过电流保护,a,b,1,2,i,e,c,e,1,k,3,4,5,6,7,8,c,d,1,k,i,&,当k1点短路时流过各保护的短路电流,假设断路器8断开，电源e 不存在，则发生短路时，保护1，2，3，4的动作情况和由电源e单独供电时一样，它们之间的选择性是能够保证的。,如果电源e不存在，则保护5，6，7，8由电源e单独供电，此时它们之间也同样能够保证动作的选择性,若每个保护均装设方向元件则与单侧电源相同,过电流保护中，反方向短路一般都是很难从电流整定值躲开，而主要决定于动作时限的大小。以图中的保护6为例，如果其过电流保护的动作时限 ，式中 为保护1过电流保护的时限，则保护6就可以不用方向元件，因为当反方向线路cd上短路时，它能以较长的时限来保证动作的选择性。但在这种情况下，保护1必须有方向元件，否则，当在线路bc上短路时，由于 ，它将先于保护6而误动作。由以上分析还可以看出，当 时，则保护1和6都需要装设方向元件。当一条母线上有多条电源线路时，除动作时限最长的一个过电流保护不需要装方向元件外，其余都要装方向元件,总结,能不用方向元件的地方就尽量不用!,电流速断，从整定值上躲开反方向的短路，可以不用。,限时电流速断要考虑电流助增和汲取的影响。,过电流保护，从定值上难以躲开，选择合适的动作时限保证选择性可以不用。,只有那些在反方向短路时，靠时限不能保证选择性的过电流保护，才需装设方向元件。,2-11 在双侧电源网络中，方向性电流保护是利用判别短路功率的_或电流、电压之间的_关系，就可以判别发生故障的方向。 2-12 为了减少和消除死区