的多侧电源网络相间短路的方向性电流保护

1、第二节 多侧电源网络相间短路的方向性电流保护 一、方向性电流保护的工作原理实际的电力系统是由很多电源组成的复杂网络，此时，采用第一节中介绍的三段式电流保护不能满足选择性的要求。图213 双侧电源网络接线及保护动作方向的规定（a）点短路时的电流分布；（b）点短路时的电流分布；（c）各保护动作方向的规定；例如在图213所示的双侧电源网络接线中，每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。因为当线路上发生短路故障时，线路两侧分别流过各侧电源提供的短路电流，如果只在线路的一侧装设断路器和保护装置，实际上并不能真正切除故障。假设保护1、2、3、4的电流速断仍按第一节中的整定原则，其起动电流依据电源单独存在情

2、况下整定；保护5、6、7、8的电流速断依据电源单独存在情况下整定。在图2-13（a）中点发生短路时，按照选择性的要求应该由距故障点最近的保护2和6动作切除故障。然而，由电源供给的短路电流也将通过保护1，如果大于保护1电流速断的起动电流，则保护1的电流速断就要误动作。因此，可以得出这样的结论：在双侧或多侧电源的复杂网络中，采用电流速断不能满足选择性的要求。那么，此类网络中能否采用定时限过电流保护呢？结论也是否定的。因为当点短路时，要求；但是，当点短路时，又要求。这两个要求是不可能同时得到满足的。对误动作的保护进行分析可知，误动作的原因是由对侧电源供给的短路电流引起的；此时误动作保护的实际短路功率

3、方向是由线路流向母线的。因此，为了消除双侧电源或多侧电源中三段式电流保护的无选择动作，需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件。该元件当短路功率方向由母线流向线路时动作，开放电流保护；而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，闭锁电流保护。按照上述原理构成的保护就是方向性电流保护，每个保护的规定动作方向（也称为规定正方向）都是指短路功率（或短路电流）由母线流向线路的方向，如图2-13（c）所示。装设了方向元件以后，可以把双侧电源网拆开看成两个单侧电源网络，这样上一节所讲的三段式电流保护的工作原理和整定计算原则就仍然可以应用了。方向性的过电流保护的单相原理接线如图214所示，主要由方向元件

4、（即功率方向继电器）、电流元件（即电流继电器）和时间元件（即时间继电器）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。为了简化接线，同一断路器对应的三段保护可共用一个方向元件。图214 方向过电流保护的原理接线图 二、功率方向继电器的工作原理和动作方程如果短路功率的实际方向是由母线流向线路的，称该短路对于保护来说是正方向短路；反之称为反方向短路，例如图213(a)中点短路对保护2、3、6、7是正方向短路；对保护1和5是反方向短路。由此可见，故障的方向可以利用短路功率的方向判断；而短路功率的方向又取决于保护安装处电流、电压之间的相位关系。因此，功率方向

5、继电器的基本原理就是反应于加入继电器中电流和电压的相位而动作。图215 方向继电器工作原理的分析（a）网络接线；（b）点短路向量图；（c）点短路向量图按电工技术中测量功率的概念，对A相的功率方向继电器应加入电压和电流。下面以图2-15（a）网络中的保护1为例，分析正、反方向短路时，保护安装处电压和电流之间的相位关系，以推导出功率方向继电器的动作方程。当正方向点三相短路时，短路电流滞后母线电压一个相位角，为从母线至点之间的线路阻抗角，其值为，如图215（b）所示。因此，功率方向继电器中电压、电流之间的相角可表达为 (2-25)式中符号arg表示分子的向量超前于分母向量的角度。当反方向点短路时，通

6、过保护1的短路电流是由电源供给的，对保护1来说，该电流的实际方向是由线路流向母线的。但是，由于保护是以规定正方向观测电流的，因此，此时保护1按规定的电流正方向观测到的将滞后于母线电压，为从该母线至点之间的线路阻抗角，其值为，如图2-15(c)所示。此时，继电器中电压和电流之间的相位可表达为 （226）如以母线电压作为参考向量，并设，则和的相位相差由以上分析可见，用于反应相间短路的功率方向继电器在加入其上电压超前电流的夹角为时应该动作，而电压超前电流的夹角为时不应动作。考虑到实际短路时，故障点存在过渡电阻，且保护装置本身具有测量误差，因此为保证正方向发生短路时功率方向继电器能可靠动作，动作角度不

7、能只局限于这一个值，而是应该有一定的角度范围。为了制作方便，这个角度范围通常取为，而位于动作范围中间的那条线就称为功率方向继电器的最大灵敏线，该直线与电流之间的夹角称为最大灵敏角，用表示。为了让继电器在正方向短路时动作最灵敏，采用上述相电压和相电流接线的功率方向继电器应做成最大灵敏角，其动作角度以为中心向两边各扩展。这样一来，功率方向继电器动作方程可表示为 （227）或 （228）当以为参考向量时，对应的动作特性在复数平面上是一条直线，如图216(a)所示，阴影部分为动作区。式（2-28）也可用功率的形式表示为 （229）当余弦项和、越大时，其功率输出值也越大，继电器动作的灵敏度越高；而任一项

8、等于零或余弦项为负时，继电器将不能动作。图2-16 功率方向继电器的动作特性（a）按（2-28）式构成 （b）按（2-30）式构成实际应用中，这种接线和特性的继电器，在其正方向出口附近发生三相短路、AB或CA两相接地短路，以及A相接地短路时，由于或数值很小，继电器将不能动作，这称为继电器的“电压死区”。为了减小和消除死区，在实际中广泛采用非故障的相间电压作为参考量去判别相电流的相位。例如对A相的功率方向继电器加入电流和电压 (详见本节第五项的分析)，此时，。显然，这种接线继电器中接入的电压比前述接线中接入的电压滞后。所以，为了让继电器在正方向短路时仍然最灵敏，其灵敏角也应该向滞后方向旋转，而取

9、为： （2-29）将此灵敏角代入式（2-28），得到继电器对应的动作方程为 （230）动作特性示于图2-16（b）中。习惯上采用，称为功率方向继电器的内角。内角和灵敏角之间存在如下关系 （231）式（2-30）如用功率形式表示，则为 （232）这种接入相电流和非故障相间电压的功率方向继电器，在发生任何包含A相的不对称短路时，的电流很大，的电压很高，因此继电器不仅没有死区，而且动作灵敏度很高；只有正方向出口附近发生三相短路时，由于0会产生很小的电压死区。消除这一死区可以采用电压记忆回路（见本书第三章第四节）。用（230）式或（232）式实现功率方向继电器时，根据构成元件的不同可分为感应型、整流型

10、、晶体管型、集成电路型和微机型。本节只讨论集成电路型功率方向继电器，其他的可参考有关资料2。三、集成电路型功率方向继电器按（230）式构成的集成电路型功率方向继电器的框图如图217所示。加入继电器的电压和电流经电压形成回路后，变换成适合于集成运算放大器所需要的电压；并与电压、电流互感器的二次回路相隔离，以防止来自二次回路干扰的影响。然后使移相角，以获得参考向量。与均经带通有源滤波器，以消除短路暂态过程中非周期分量和各种谐波分量的影响，而后形成方波。方波形成回路通常采用开环的运算放大器构成，具有很高的灵敏度，其负半周输出经二极管消波后，变为信号（参见图218中的和），以便与CMOS门电路配合工作

11、。由与门、或非门、延时5ms、展宽20ms等器件组成的相位比较回路，可对两个方波进行相位比较，当满足（230）式的条件后，输出高电平1态信号，表示继电器动作。图217实现相位比较的方法之一是测量两个电压瞬时值同时为正(或同时为负，以下相同)的持续时间。例如当与同相位时，如图218（b）所示，其瞬时值同时为正的时间等于工频的半个周期，对而言，即为10ms。而当上述两个电压的相位差增至时，如图218（a）所示，其瞬时值同时为正的时间减至5ms。因此比较与的相位差，可通过测量这两个电压瞬时值同时为正的时间来实现。当两者之间的相位差时，其瞬时值同时为正的时间必然5ms，满足这个关系时，继电器就应该动作

12、。在图218中，两个方波接入与门后的输出电压，能反应瞬时值同时为正的时间；而接入或非门后的输出电压则能反应瞬时值同时为负的时间。因此这个电路可以同时进行正、负半周的比相。当为高电平的持续时间5m s时，即可经20 m s的展宽回路，使输出高电平。由于每隔20m s输出一次高电平，是一个间断的信号，故必须予以展宽后，才能变为长信号输出。同理，当电压为高电平的持续时间5m s时，经20 ms展宽后，输出高电平长信号。图2-18 相位比较回路中各点输出电压波形图（a）临界动作条件=900 （b）临界动作条件=00为提高继电器动作的可靠性，在图217中，采用正、负半周比相，与门输出的方式，即和必须同时

13、为高电平后，才输出高电平，表示继电器动作。这种输出方式的继电器动作速度较慢，最快的动作时间为15ms，如图218(b)所示。在有些情况下，当要求继电器快速动作时，则可以采用正、负半周比相，或门输出的方式，即让和经或门输出。任一个为高电平后，就可以输出高电平，其最快的动作时间为5ms。四功率方向继电器的动作特性功率方向继电器的动作方程中有三个变量：、和。其中任一个变量发生变化时，都会影响到继电器的起动条件，通常采用下面两种特性予以表示。（1）角度特性：表示固定不变时，继电器起动电压的关系曲线。在直角坐标中，角度特性如图219(a)所示，是一条U形曲线，其最大灵敏角为，动作范围位于以为中心的以内。

14、为继电器的最小起动电压。当加入继电器的电压时，继电器将不能起动，这就是出现“电压死区”的原因。在极坐标系中，角度特性如图2-19（b）所示，阴影部分为动作区。（2）伏安特性：表示固定不变时，继电器起动电压的关系曲线，如图220所示。当加入继电器的电流和电压分别小于最小起动电流和最小起动电压时，继电器不会动作。在功率方向继电器的实际应用中，还必须考虑它的“潜动”问题。所谓潜动就是指：在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。按照继电器功率形式的动作方程（2-32）式，当和任何一个量为零时，继电器都不应该动作。但是，由于构成继电器的某个环节的不平衡输出，例如集成电路型功率方向继电器

15、方波形成回路的零点漂移会引起继电器的“潜动”。发生潜动的最大危害是在反方向出口处三相短路时，此时，而很大，如果此时出现了潜动，就可能使保护装置失去方向性而误动作。必须采取其它措施消除继电器的“潜动”。在如图217所示的框图中，采用正、负半周比相，与门输出的方式，就能够可靠地防止潜动的发生。图219 图220五相间短路功率方向继电器的接线方式功率方向继电器的接线方式是指它与电流互感器和电压互感器之间的连接方式。对功率方向继电器接线方式的要求是：（1）正方向短路时动作，反方向短路时不动作。（2）故障以后加入继电器的电流和电压应尽可能数值大一些，并尽可能使接近于最大灵敏角，以提高继电器动作的灵敏度并

16、减小继电器的的“电压死区”。相间短路的功率方向继电器普遍采用的是接线方式，这种接线方式的三个继电器分别接于、，、和、。称其为接线方式是由于在三相对称情况下，当时，如图221所示，加入继电器的电流如和电压相位相差。这个定义仅仅是为了称呼的方便，无任何物理意义。图221 图222 三段式方向过电流保护的原理接线图222为采用这种接线方式构成的三相式方向过电流保护的原理接线图。接线时，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错时，就会出现正方向短路时拒绝功作，而反方向短路时误动作的现象。实际上，功率方向继电器的动作方程（2-30）式就是按这种接线方式推导出的，这种接线对

17、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，相间短路时，非故障相电压值很高；但是对三相短路存在“电压死区”。厂家生产的用于相间短路的功率方向继电器般都提供了和两个内角。实际应用中，选用两个角中的任一个作为内角都能保证被保护线路上在任何地点发生各种相间短路时，继电器都能可靠动作1。但是，继电器动作最灵敏的条件，应根据三相短路时使来决定。因此，对某一已经确定了阻抗角的送电线路而言，应采用以便获得最大的灵敏度，如线路阻抗角为，那么选用的内角最好。六双侧电源网络中电流保护整定的特点 在具有两个以上电源的网络接线中，必须采用方向性电流保护才能保证各保护之间动作的选择性。但继电保护中应用方

18、向元件后，使接线复杂、投资增加；同时保护安装地点附近正方向发生三相短路时，由于母线电压降低至零，方向元件将失去判别相位的依据，从而不能动作，其结果是导致整套保护装置拒动，出现方向保护的“死区”。鉴于上述缺点的存在，方向性电流保护在不失掉动作选择性的前提下应力求不用方向元件。因此双侧电源网络中电流保护的整定计算有其自身的特点。1电流速断保护以图2-23为例，先分别计算出点和点的最大短路电流和，则保护1、2的电流速断起动电流应该分别整定为： （2-33）图223然后将与进行比较，如果，说明保护1反方向点发生短路时，由对侧电源提供的短路电流会使其电流速断误动作，因此为了保证选择性，保护1必须装设方向

19、元件；如果，说明保护1的电流速断从定值上可靠地躲开了反向短路时流过保护的最大电流，因此保护1就不必装设方向元件了。同理将与进行比较，可决定其是否可以不装设方向元件。2限时电流速断保护 同方向性电流速断保护一样，对应用于双侧电源网络中的限时电流速断保护，只有当起动电流大于反向短路的最大电流时，才可以不装设方向元件。而其基本的整定原则仍应与下一级保护的电流速断相配合，但需考虑保护安装地点与短路点之间有电源或线路(通称为分支电路)的影响。(1) 助增电流的影响。如图224所示，要对保护2的限时电流速断进行整定，它应与保护1的电流速断相配合。但是在两个保护的中间母线上出现了分支电路，分支电路中有电源。此时故障线路中的短路电流将大于，其值为。这种使故障线路电流增大的现象，称为助增。图224保护l电流速断