第五讲刘学军电网相间短路的方向电流保护(刘学军第三版)

3、功率继电器90º 接线方式的接线图和相量图
对方向继电器的接线应注意电流线圈和电压线圈 的极性，极性接反了就会造成正方向短路拒动，反方 向短路误动的后果。 二、90º 接线方式的特点：
1、90º 接线方式的主要特点 ①对各种两相短路没有死区。 ②适当选择内角α之后，对各种相间短路，都有能保 证动作的方向性；且有较高灵敏度。 2、90º 接线方式的主要缺点 ①正方向三相出口处发生三相短路时仍然存在电压死 区（虽然电压信号使用电容起到了对信号的记忆作 用）； ②保护接线较为复杂，投资增加。
可见，一般电流保护不能满足保护选择性要求。因 此，要采用其他方法来解决这个问题。
方向过流保护是在过流保护基础上加装方向元件的 保护。在一般过流保护上加一个方向元件（功率方向继 电器），它只有当短路功率由母线流向线路时，才允许 保护动作，这样就解决了过流保护的选择性问题
规定：短路功率的方向从母线指向线路为正方向。
继电器动作条件是
30o 120o
对于C相
超前30度
rC k 90o 30o k 60o
第五节 方向过电流保护整定计算
一、方向电流速断保护的整定计算 在两端供电或单电源环形网络中，同样可构成瞬时 方向电流速断保护和限时方向电流速断保护。它们的整 定计算可按一般不带方向的电流速断保护整定计算原则 进行。 二、方向过电流保护整定计算的一般方法 1、躲开被保护线路中最大负荷电流IL· max，即
第二节 功率方向继电器 一、功率方向继电器工作原理 1、功率方向继电器的任务——是测量送入继电器的电 压Ur和电流Ir之间的相位，以判别正、反向故障。 目前使用的功率方向继电器为感应型、整流型和半 导体型按相位比较或幅值比较原理构成。整流型继电器 灵敏性好，无电压死区、调试方便及动作速度快等 。
2、判断方向的实质 方向元件（功率方向继电器）之所以能判别正、反 向故障是因为正、反向故障时，保护安装处的母线残压 与被保护线路上的电流之间的相位关系不同。方向元件 正是根据这种不同来识别正、反向故障的。 3、相位比较式功率方向继电器的工作原理 以母线电压 U r 为参考相量，电压高于地时为正，电 流 I r1 以母线流向线路为正。
2、掌握方向元件（功率方向继电器）的工作原理，构造 及动作特性。通过功率方向继电器的研究，初步弄清反 应两个电气量的继电器的基本构成原理—基于两个电气 量相位比较的原理和基于两个电气量幅值比较的原理及 其互换性。 通过对整流型功率方向继电器研究，弄清中间电压变 换器和电抗变换器的作用、构造及作原理。 3、掌握用于相间短路的功率方向继电器的典型接线方 式—90°接线及其工作分析。 4、了解对方向性电流保护的评价。
第四章 电网相间短路的方向电流保护
第一节 方向电流保护的工作原理 第二节 功率方向继电器 第三节 相间短路保护中功率继电器的接线方式 第四节 功率方向继电器的按相启动 第五节 功率方向继电器的整定计算
本章基本要求 1、掌握在双侧电源网络中继电保护动作带有方向性的必 要性，以及可以省略方向元件的条件。
op 2 op 4 op 6
I op 5 I op 3 I op1
Iop 4 Kc I op 2
配合系数，一般取1.1
三、相继动作 当短路点靠近A母线时，几乎全部短路电流经过1QF， 流向故障点，经过2、3、4、5、6QF流向短路点的电流可 忽略不计。故保护2只有在保护1动作断开1QF后，2QF才能 动作。保护的这种动作称为相继动作，能产生相继动作的 某段区域称为相继动作区。 相继动作的结果使得切除故障的时间加长，对电力系 统是不利的；但在环形网络中，发生相继动作却是不可避 免的。 四、方向电流保护灵敏度校验 方向电流保护灵敏系数，主要取决于电流元件的灵敏 系数，其校验方法与不带方向的过流保护相同。即当作本 线路主保护时，在本线路末端发生短路时，电流启动元件 的最小灵敏系数不应小于1.5，作相邻线路后备保护时， 在相邻线路末端短路时最小灵敏系数为1.2。
②大接地电流电网中，非故障相电流Iunf除负荷电流 IL外，还包括故障电流的零序分量3I0，可用下式计算：
I op Krel Iunf Krel ( I L 3K I 0 )
K——非故障相中零序电流与故障相电流的比例系数，单 相短路取1/3。 同方向保护的数值配合： 以保护2、4、6为例，保护4 动作电流表示为： I I I
图2.31 90度接线方式下正方向发生 三相短路时的相量图
2.正方向发生两相短路
以B、C两相短路构成的两种极端情况
(1)短路点位于保护安装地点的附近
对于B继电器
U CA I B cos(k 90 ) 0
o
(2)短路点远离保护安装点
对于B相
比U 相位 滞后30度 E U U CA kB CA CA rB k 90o 30o k 120o
第一节 方向电流保护的工作原理 一、引入方向性过电流保护的必要性
K2
K1
如图所示，当在K1点发生短路时，要求保护3、4动 作，断开3、4两个断路器；如在K2点发生短路，要求保 护1、2动作，断开1、2两个断路器。 t3 t2 , t4 t5 对K1点短路，为实现选择性要求： t2 t3 , t4 t5 对K2点短路，为实现选择性要求：
第三节 功率方向继电器的接线方式
一、功率方向继电器的90°接线方式 1、对方向继电器的要求： ①正方向任何形式的短路，继电器都能动作；反方向短 路，继电器不动作。 ②故障以后，加入继电器的电流 I r和电压 U r 尽可能大， 灵敏度尽可能高。 2、反应相间短路的方向继电器广泛采用90º 接线。 所谓90º 接线是假设三相电压对称且cos=1时，加入 方向继电器的电流和电压相位相差90º 的一种接线方式
无时限电流速断保护在原理上用于双侧电源线路 时，其动作电流要按同时躲过线路首端和末端短 路的最大短路电流，才能保证动作的选择性。但 是，由于线路两侧电源的容量和系统阻抗不同， 当在线路发生短路时，两侧电源供给的短路电流 大小并不相同，甚至数值相差很大，这时安装在 小电源一侧的电流速断保护范围就不能满足灵敏 度的要求，甚至可能没有保护范围。在这种情况 下，小电源一侧需要采用方向电流速断保护，当 保护背后发生短路时，利用功率方向元件闭锁， 使保护只根据小电源一侧的短路功率方向来动作。 因此，这时小电源侧方向电流速断保护只需躲过 线路末端短路时通过该保护处的短路电流来整定 即可，从而大大提高了保护的灵敏性，满足保护 范围的要求。
I op1
式中
K rel I Lmax K re
IL· max——考虑电动机自启动最大负荷电流。
2、躲过非故障相电流整定
①在小接地电流电网中，非故障相电流为负荷电流，保 护装置的动作电流还按躲开被保护线路中最大负荷电流 IL· max即可：
I unf
K rel I Lmax K re
五、保护装置的动作时限 方向过流保护的动作时限是按逆向阶梯原则整定的， 即同一动作方向的保护装置，其动作时限按阶梯原则来 整定。
第六节 对方向过流保护的评价
一、对四性的评价 1、 选择性：依靠逆向阶梯原则的时限特性和方向元件 保证。 2、 快速性：动作时限长。 3 、灵敏性：由电流元件决定，受网络结构和运行方式 变化影响，一般具有足够的灵敏系数，但在长距离、大 负荷的线路往往不能满足要求。 4、可靠性：采用继电器及接线简单，可靠性高。 二、应用 主要应用于35kV及以下的两侧电源辐射形网络和单 电源环形网络。常采用三段式方向电流保护作为相间短 路的主保护。
结论：只要 300 600 ，实际中的功率方向继电器 在各种常见相间短路情况均能可靠动作。为此，GL-11型 功率方向继电器设定了两个功率方向继电器内角（30° 和45°）可供选择。
1.正方向发生三相短路
三相对称,取A相分析
U BC I A cos(r ) 0
(P39)图2.31 90度接线方式下正方向 发生三相短路时的相量图
三、双侧电源电网线路方向过流保护时限特性
G1 ～ 1QF 1 WL1 k2 2QF 2 3QF WL2 3 k1 4QF 4 5QF 5 WL3 6QF 6 G2 ～
△t
t1 t2
△t
t3 t4
△t
△t
t5
t
t6
四、特殊问题
在双侧电源线路上，并不是只有在仅靠时限不能满足动作选择 性时，才需要装设功率方向元件。
例如，途中K1点发生了短路
K1点短路时，保护1、2、4、6为正方向；保护3和 5反方向，不应起动。
K1
WL2
I K1
I K2
WL2上K1点短路时，保护1、3、4、6因短路功率由母 线流向线路，故都能启动，而其中按动作方向时限最短的 保护3和4动作，跳开断路器3、4，将故障线路WL2切除， 保护1和6便返回，从而保证了动作选择性。 二、方向过流保护原理接线图 方向过流保护装置由 三个主要元件组成，启动 元件（电流继电器），功 率方向元件（功率方向继 电器）和时限元件（时间 继电器）。工作原理是方 向元件KW和启动元件KA 构成与门，二者同时动作 才能启动时间继电器KT。