继电保护原理
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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。 I r1 滞后 当保护正方向（K1）短路时：电流 I r1为正， U r 相角 r1 。 • r1 = k1 （0°＜ ＜90°)。 r1 • 短路功率 PK1=Ur1Ir1cos r1＞0； r 2 k 2 180 • 当保护反方向K2点发生短路时， （0°＜ ＜90°，180°＜ r 2 ＜270°)。 k2 • 短路功率PK2=UrIr2cos r 2 ＜0。
中国电力出版社
第一节 方向电流保护的工作原理
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。
中国电力出版社
三、幅值比较回路
极化继电器动作条件
I1W1 I 2W2 IW op UA UB 0.9W1 ZA Z 2 0.9W2 IW op
（4-9）
B b 4 ac
中国电力出版社
三、幅值比较回路
Z1 Z2
U1
UA
R1 I1
R2
U2 UB
• 当电流相量Ir垂直于动作特性时，功率方向继电器的动作最 灵敏，这一位置称为最大灵敏线，最大灵敏线与电压Ur之间 m =-α，因为这时Ir超前Ur，所 夹角 m 称为最大灵敏角， m 是负角度。 以， • 功率方向继电器可以直接比较电气量Ur和Ir之间的相位，也 可以间接比较电气量Ur和Ir的线性函数 Uc和 UD之间相角来 构成。。
线 敏 灵
I r最
大
Ur
φr = φk
φm
Ur
Ir1
α
中国电力出版社
考虑继电器内角a的动作方程
• 在实际应用中，为适应判别各种正方向短路故障时，功率 方向继电器的测量功率最大，具有最好的灵敏性，继电器 中应有可以调整的内角α，这时功率方向继电器的动作方 程为： —（90°+α）≤arg 或 —90°≤arg
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。 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。通过型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。
K2
K1
t2
t3 , t4
t5
可见，一般电流保护不能满足保护选择性要求。因此，要采 用方向电流保护来解决这个问题。
中国电力出版社
第一节 方向电流保护的工作原理
P2
P3
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2和3上各加一个方向元件 （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
中国电力出版社
功率方向继电器工作原理
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。
中国电力出版社
功率方向继电器
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 流型和晶体型。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优 点。
Ur I r≤（90°—α）（4-2）
U r e ja ≤90° （4-3） Ir
其动作特性为逆时针移动的一条直线，移动的角度为继电 器内角α，α常取45°或30°。
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动作区：
Ir
m
制动区
动作区
最灵敏线
U r
m 90 动作区：
中国电力出版社
二、相位比较原理与幅值比较 原理的关系
二、电流方向保护的基本工作原理 1、加装方向性元件
G1 G1
G2 2 G
G2
中国电力出版社
双侧电源电网线路方向过流保护时 限特性
如图4-1（a）两侧电源供电的辐射形电网中， 1～6均为方向过流保护，其中保护1、3和5为 一组，2、4和6为另一组，各同方向保护间的 时限配合仍按阶梯原则来整定。 t
中国电力出版社
功率方向继电器的工作原理：实质就是判断母线电压 和流入线路的电流之间的相位角。动作方程可表示为：
继电器动作 的临界情况 是一条与相 量 Ur 相垂直的 直线，通 常称为功 率方向继 电器的动 作特性。
Ur 90 arg 90 (4 1) Ir
Ir2
动作区
φr2=180°+ φk 非动作区
继电保护原理
第四章
电网相间短路的方向 电流保护
第四章
主要内容
§0 复习回顾及提问 §1 第一节 方向电流保护的工作 原理 §2 第二节 功率方向继电器 §3 第三节 相间短路保护中功率继电器的接线 方式 §4 第四节 功率方向继电器的按相启动 §5 第五节 功率方向继电器的整定计算
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第一节 方向电流保护的工作原理
• WL1上K2点短路时，只有保护1、2、4和6 能启动，其中按动作方向时限最短的保护1 和2动作，跳开断路器1和2，将故障线路 WL1切除，保护4和6便返回，同样保证了 动作的选择性。
K2
WL1
I K1
中国电力出版社
IK 2
第一节 方向电流保护的工作原理
• 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。
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第一节 方向电流保护的工作原理
图4-1两侧电源辐射形电网 如图4-1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。 对K1点短路，为实现选择性要求：t3 t2 , t4 t5 对K2点短路，为实现选择性要求：
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判断方向的实质
K2
K1
U res
k1
I K1
图4-4 功率方向继电器工作原理说明图
r1 k1
I k2
r 2 180 k1
图4-5 正反故障时电压、电流相量图
中国电力出版社
在保护装置动作的正方向和反方向发生短路时， 功率方向继电器测量的功率方向相反。
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第一节 方向电流保护的工作原理
图4-1单侧电源环网
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第一节方向电流保护的工作原理
P1 0
P2
K1
0, P3 0P 4
0 P5 0
P6
0
规定：短路功率的方向从母线指向线路 为正方向。 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。
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电流保护方向性问题 的提出
t1
t2
t3
t5
t4
t6
图4-2双侧电源电网线路方向过流保护时限特性
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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
• 图4-2 双侧电源电网线路方向过流保护的时限特性
电气量间变换关系：
U A KU U r K I I r U B KU U r K I I r
1 U C (U A U B ) 2 1 U D (U A U B ) 2
QF TV YR QF KS
去 信 号
KA TA
I﹥
KW
P﹥
KT
图4-3方向过流保护原理接线图
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第一节 方向电流保护的工作原理
在双侧电源线路上，并不是所有过流保护装置中都需要装 设功率方向元件，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。 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。
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第一节 方向电流保护的工作原理
一、为什么在电流保护中装设方向性元件？（必要性） 在双侧电源电网或单侧电源环形网中：
1、对于I段保护，这时为了使保护在区外故障时不误动，其整 定值不仅要躲过本线路末端短路时流经保护的最大短路电流， 而且要躲过保护反方向故障时流经本保护的最大短路电流。 2、对于II段保护，这时不仅要下相邻下一线的第I段配合，而且 还要与其在同一母线下的各条出线的第I段相配合。 3、对于III段保护，这时仅靠时限的配合已无法获得选择性。 上述问题的产生，皆因双侧电源电网和环形电网中，在保护安 装处反方向短路时，有可能使保护动作的缘故。 于是，为了解决上述问题，我们提出在原有的电流保护基础上， 加装一个能判断故障方向的元件即功率方向继电器。
A
UC
A
A
UC
UC UD
90
U A UCU D U B U C U D
UD
UB
UB
UD
UB
90
90
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二、相位比较原理与幅值比较原 理的关系
UB • 若以为 U A 动作量， 为制动量。则当UC与UD相位 差θ=90°时，U A= U B ,动作量等于制动量 ,动作的 临界状态；当θ＜90°时， U A ＞ U B 动作量大于 制动量，继电器处于动作状态；当θ＞90°时， ＜ UA U B ，动作量小于制动量，继电器不动作。
图4-2
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第一节 方向电流保护的工作原理
• 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。
K1
WL2
I K1
中国电力出版社
IK 2
I2
W1 W2 C2
பைடு நூலகம்C1
KP
图4-8直接比较式比较回路接线图
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1、直接比较式比较回路
I1W1 I 2W2 ( IW )op UA UB 0.9W1 0.9W2 ( IW )op ZA ZB
（4-9）
ZA：工作回路阻抗；ZB：制动回路阻抗； 0.9：有效值转换为平均值的 系数。 当ZA=ZB且（IW）OP≈0时，继电器动作条件为
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第二节 功率方向继电器
一、功率方向继电器工作原理 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 流型和晶体型。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 。 功率方向继电器有感应型、整流型和半导 体型，按相位比较或幅值比较原理构成。
U C KU U r UD KI Ir
动作条件可以表示为：
UC 90 arg 90 (4 5) UD
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二、相位比较原理与幅值比 较原理的关系
• 功率方向继电器的幅值比较的两个电气量 UA和UB，可以通过UC和UD经过线性变换得 到： U U U
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三、幅值比较回路
幅值比较回路是由整流和滤波、幅值比较、执行 元件三个单元构成的。 1、直接比较式比较回路 极化继电器KP有两个绕组，其中W1为动作绕组， W2为制动绕组。 动作量经整流滤波后产生动作电流I1以带“· ”号 极性端子流入W1绕组，产生动作安匝；制动量经 整流滤波后产生制动电流I2，从非极性端子流入 W2，产生制动安匝。若极化继电器的动作安匝为 (IW)OP，则极化继电器动作条件为
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第一节 方向电流保护的工作原理
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。
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三、幅值比较回路
极化继电器动作条件
I1W1 I 2W2 IW op UA UB 0.9W1 ZA Z 2 0.9W2 IW op
（4-9）
B b 4 ac
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三、幅值比较回路
Z1 Z2
U1
UA
R1 I1
R2
U2 UB
• 当电流相量Ir垂直于动作特性时，功率方向继电器的动作最 灵敏，这一位置称为最大灵敏线，最大灵敏线与电压Ur之间 m =-α，因为这时Ir超前Ur，所 夹角 m 称为最大灵敏角， m 是负角度。 以， • 功率方向继电器可以直接比较电气量Ur和Ir之间的相位，也 可以间接比较电气量Ur和Ir的线性函数 Uc和 UD之间相角来 构成。。
线 敏 灵
I r最
大
Ur
φr = φk
φm
Ur
Ir1
α
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考虑继电器内角a的动作方程
• 在实际应用中，为适应判别各种正方向短路故障时，功率 方向继电器的测量功率最大，具有最好的灵敏性，继电器 中应有可以调整的内角α，这时功率方向继电器的动作方 程为： —（90°+α）≤arg 或 —90°≤arg
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。 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。通过型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。
K2
K1
t2
t3 , t4
t5
可见，一般电流保护不能满足保护选择性要求。因此，要采 用方向电流保护来解决这个问题。
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第一节 方向电流保护的工作原理
P2
P3
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2和3上各加一个方向元件 （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
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功率方向继电器工作原理
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。
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功率方向继电器
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 流型和晶体型。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优 点。
Ur I r≤（90°—α）（4-2）
U r e ja ≤90° （4-3） Ir
其动作特性为逆时针移动的一条直线，移动的角度为继电 器内角α，α常取45°或30°。
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动作区：
Ir
m
制动区
动作区
最灵敏线
U r
m 90 动作区：
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二、相位比较原理与幅值比较 原理的关系
二、电流方向保护的基本工作原理 1、加装方向性元件
G1 G1
G2 2 G
G2
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双侧电源电网线路方向过流保护时 限特性
如图4-1（a）两侧电源供电的辐射形电网中， 1～6均为方向过流保护，其中保护1、3和5为 一组，2、4和6为另一组，各同方向保护间的 时限配合仍按阶梯原则来整定。 t
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功率方向继电器的工作原理：实质就是判断母线电压 和流入线路的电流之间的相位角。动作方程可表示为：
继电器动作 的临界情况 是一条与相 量 Ur 相垂直的 直线，通 常称为功 率方向继 电器的动 作特性。
Ur 90 arg 90 (4 1) Ir
Ir2
动作区
φr2=180°+ φk 非动作区
继电保护原理
第四章
电网相间短路的方向 电流保护
第四章
主要内容
§0 复习回顾及提问 §1 第一节 方向电流保护的工作 原理 §2 第二节 功率方向继电器 §3 第三节 相间短路保护中功率继电器的接线 方式 §4 第四节 功率方向继电器的按相启动 §5 第五节 功率方向继电器的整定计算
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第一节 方向电流保护的工作原理
• WL1上K2点短路时，只有保护1、2、4和6 能启动，其中按动作方向时限最短的保护1 和2动作，跳开断路器1和2，将故障线路 WL1切除，保护4和6便返回，同样保证了 动作的选择性。
K2
WL1
I K1
中国电力出版社
IK 2
第一节 方向电流保护的工作原理
• 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。
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第一节 方向电流保护的工作原理
图4-1两侧电源辐射形电网 如图4-1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。 对K1点短路，为实现选择性要求：t3 t2 , t4 t5 对K2点短路，为实现选择性要求：
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判断方向的实质
K2
K1
U res
k1
I K1
图4-4 功率方向继电器工作原理说明图
r1 k1
I k2
r 2 180 k1
图4-5 正反故障时电压、电流相量图
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在保护装置动作的正方向和反方向发生短路时， 功率方向继电器测量的功率方向相反。
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第一节 方向电流保护的工作原理
图4-1单侧电源环网
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第一节方向电流保护的工作原理
P1 0
P2
K1
0, P3 0P 4
0 P5 0
P6
0
规定：短路功率的方向从母线指向线路 为正方向。 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。
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电流保护方向性问题 的提出
t1
t2
t3
t5
t4
t6
图4-2双侧电源电网线路方向过流保护时限特性
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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
• 图4-2 双侧电源电网线路方向过流保护的时限特性
电气量间变换关系：
U A KU U r K I I r U B KU U r K I I r
1 U C (U A U B ) 2 1 U D (U A U B ) 2
QF TV YR QF KS
去 信 号
KA TA
I﹥
KW
P﹥
KT
图4-3方向过流保护原理接线图
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第一节 方向电流保护的工作原理
在双侧电源线路上，并不是所有过流保护装置中都需要装 设功率方向元件，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。 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。
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第一节 方向电流保护的工作原理
一、为什么在电流保护中装设方向性元件？（必要性） 在双侧电源电网或单侧电源环形网中：
1、对于I段保护，这时为了使保护在区外故障时不误动，其整 定值不仅要躲过本线路末端短路时流经保护的最大短路电流， 而且要躲过保护反方向故障时流经本保护的最大短路电流。 2、对于II段保护，这时不仅要下相邻下一线的第I段配合，而且 还要与其在同一母线下的各条出线的第I段相配合。 3、对于III段保护，这时仅靠时限的配合已无法获得选择性。 上述问题的产生，皆因双侧电源电网和环形电网中，在保护安 装处反方向短路时，有可能使保护动作的缘故。 于是，为了解决上述问题，我们提出在原有的电流保护基础上， 加装一个能判断故障方向的元件即功率方向继电器。
A
UC
A
A
UC
UC UD
90
U A UCU D U B U C U D
UD
UB
UB
UD
UB
90
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二、相位比较原理与幅值比较原 理的关系
UB • 若以为 U A 动作量， 为制动量。则当UC与UD相位 差θ=90°时，U A= U B ,动作量等于制动量 ,动作的 临界状态；当θ＜90°时， U A ＞ U B 动作量大于 制动量，继电器处于动作状态；当θ＞90°时， ＜ UA U B ，动作量小于制动量，继电器不动作。
图4-2
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第一节 方向电流保护的工作原理
• 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。
K1
WL2
I K1
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IK 2
I2
W1 W2 C2
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KP
图4-8直接比较式比较回路接线图
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1、直接比较式比较回路
I1W1 I 2W2 ( IW )op UA UB 0.9W1 0.9W2 ( IW )op ZA ZB
（4-9）
ZA：工作回路阻抗；ZB：制动回路阻抗； 0.9：有效值转换为平均值的 系数。 当ZA=ZB且（IW）OP≈0时，继电器动作条件为
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第二节 功率方向继电器
一、功率方向继电器工作原理 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 流型和晶体型。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 。 功率方向继电器有感应型、整流型和半导 体型，按相位比较或幅值比较原理构成。
U C KU U r UD KI Ir
动作条件可以表示为：
UC 90 arg 90 (4 5) UD
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二、相位比较原理与幅值比 较原理的关系
• 功率方向继电器的幅值比较的两个电气量 UA和UB，可以通过UC和UD经过线性变换得 到： U U U
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三、幅值比较回路
幅值比较回路是由整流和滤波、幅值比较、执行 元件三个单元构成的。 1、直接比较式比较回路 极化继电器KP有两个绕组，其中W1为动作绕组， W2为制动绕组。 动作量经整流滤波后产生动作电流I1以带“· ”号 极性端子流入W1绕组，产生动作安匝；制动量经 整流滤波后产生制动电流I2，从非极性端子流入 W2，产生制动安匝。若极化继电器的动作安匝为 (IW)OP，则极化继电器动作条件为