5m2[工学]22 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护

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1、 主讲人：徐振宇主讲人：徐振宇电气与电子工程学院四方研究所电气与电子工程学院四方研究所Office:教五B309North China Electric Power University第2.2节 双侧电源网络相间短路的方向性电流保护2.2.1 双侧电源网络相间短路时的功率方向双侧电源网络相间短路时的功率方向不带方向的三段式电流保护一般只应用于单侧电源线路。4 3 2 11E单侧电源线路中K点发生短路故障时，短路电流的实际方向都是从电源指向短路点，即从母线指向线路。K通过功率的方向来定义电流的方向：定义：电压的正方向：相地电流的正方向：母线线路功率的正方向：母线线路cosUIP 的角度超前是，

2、IU当 时，功率方向为正。0P当 时，功率方向为负。0P有功功率4 3 5 2 6 1 7 82E1E4 3 5 2 6 1 7 82E1Ek1k2 1kI1kI2kI 2kI双侧电源线路双侧电源线路：保护安装于线路两侧；功率方向可能 母线 线路线路 母线k1短路过电流保护误动电流速断保护误动1,1,611.1ttIIsetk过电流保护误动电流速断保护误动6,6,166.2ttIIsetk问题：在d1点故障时，必须闭锁电流保护1，以防止其误动，同时保证电流保护6正确动作。在k1点和k2点短路时，电流保护1和电流保护6可能误动。k2短路2E1Ek1 1kI1kI在k1点短路时，闭锁电流保护1，同

3、时保证电流保护6正确动作的措施是找出k1点短路时，电流保护1和6之间的差别。在k1点短路时保护1和6之间的差别：短路功率方向不同。1625假设短路功率的正方向：母线线路。在k1点短路时，电流保护1的实际功率方向为负方向；在k1点短路时，电流保护6的实际功率方向为正方向。实际短路功率的方向等于实际电流的方向。1kI功率正方向实际方向功率实际方向正方向负方向克服方法：ltt4t3t2t1t5t6t7t8tl2E1E4 3 5 2 6 1 7 8 措施：措施：增设功率方向元件，构成方向性电流保护。跳闸条件：跳闸条件：短路电流大于整定值；短路功率方向为正。当增设方向元件后，可以把线路上方向性电流保护拆

4、开看成两个单侧电源网络的保护，即14，58两组，分别按单侧电源系统来整定。两组方向性保护之间不需配合。2.2.2 方向性电流保护的基本原理原理：原理：在原有电流保护基础上加装功率方向判别元件，反方向故障时把保护闭锁不致误动。方向性电流保护的动作条件：（必须同时满足）（1）电流大于起动电流整定值；（2）功率方向为正；（3）短路电流持续时间超过动作时限。2.2.3 功率方向判别元件（功率方向继电器）对功率方向继电器的基本要求是：对功率方向继电器的基本要求是：1具有明确的方向性。即正方向发生任何故障（k1点点）都能够动作，而反方向故障（k2点点）时不动作。2足够的灵敏性。通过分析电压、电流相量之间相

5、角差的不同来满足基本要求。保护保护1.UIk1.Ik21 21E2Ek1k2U1kI2kI.U.2kI2180k2k1kk1点短路向量图点短路向量图k2点短路向量图点短路向量图 判别电压、电流之间的相角差，即可判别故障的方向。判别电压、电流之间的相角差，即可判别故障的方向。,是线路的阻抗角，在090范围内。kkk21其中有0cos,900111kkkUI0)180cos(,270180180222kkkUI.UIk1.Ik2.2kI2180k2k1kk1点短路相量图点短路相量图k2点短路相量图点短路相量图U正方向（k1点）短路故障时：反方向（k2点）短路故障时：ArArIIUU,60AUBUC

6、UAkI1AkI230BCUrrrIUarg60krA240180krAk1k21 21E2ErUrIA相功率方向继电器分析正方向（k1点）短路故障：反方向（k2点）短路故障：也可以说，当 时，认为故障发生在正方向。0cosrrrIU当 时，认为故障发生在反方向。0cosrrrIU若功率方向继电器的输入电压和电流幅值不变，输出动作量若功率方向继电器的输入电压和电流幅值不变，输出动作量随电压和电流之间的相角变化。随电压和电流之间的相角变化。A相功率方向继电器的最大灵敏角sensenrrrrkrrrIUIUIU0cos)cos(为了在最常见正方向短路情况下使继电器动作最灵敏，为了在最常见正方向短路

7、情况下使继电器动作最灵敏，即让即让输出动作量最大输出动作量最大，A A相功率方向继电器应接成最大灵敏角相功率方向继电器应接成最大灵敏角 。即当正方向（即当正方向（k1k1点）发生短路故障时，动作输出量点）发生短路故障时，动作输出量 应该最大。应该最大。sencosrrIU所以当正方向（点k1）短路故障时，应满足：的大小变化而变化。随着rrrrrIUPcos这里senk最大灵敏角 ：功率方向继电器输入电压、电流幅值不变，其输出动作量随两者间相位差的大小而改变，输出最大时的相位差称为最大灵敏角。即 时，输出动作量最大。senr)cos()cos(senrrrkrrrIUIU，有相位动作区：(90)

8、(90)senrsen是最大灵敏角，有 90arg9090arg90senrsensenrjrrUIU eI动作方程（2种形式）：rrrIUarg，ksen功率方向继电器的动作方程sen动作相位区间：90sen（以适应在 在090范围内的变化）)()cos(IUlmJJJ功率形式0（相角形式）k(90)90arg90kjrrU eI 动作方程：0接线和90接线方式功率方向继电器的分析k11 21E2Ek2rUrI90接线方式功率方向继电器：电压死区电压死区:正方向出口三相短路、AB或CA两相接地短路、A相接地短路时,功率方向继电器拒动。解决措施解决措施：采用90接线方式,IA(IB,IC)，U

9、BC(UCA,UAB)。0)cos(0)cos(290arg901rABCrrrrjrIUIUIeU）（）（3090ksen最大灵敏角：0接线方式功率方向继电器的电压死区：90接线方式功率方向继电器的分析：90arg90rrUI 动作方程：2种动作方程：功率方向判别元件的构成框图功率方向判别元件的构成框图1 1.原理框图原理框图输出电压形成移相滤波方波方波滤波电压形成15 20ms5 20ms123456789rIrUjreURIr90arg90rjrIeUd90,动作方程：90argrjrIeU临界动作条件：0argrjrIeU最灵敏动作条件：正半周比相正半周比相负半周比相负半周比相2.2.

10、4 2.2.4 相间短路功率方向判别元件的接线方式相间短路功率方向判别元件的接线方式 1.1.对接线方式的基本要求对接线方式的基本要求 （1 1）良好的方向性：正向动，反向不动。良好的方向性：正向动，反向不动。（2 2）较高的灵敏性：较高的灵敏性：Ur、Ir 尽可能大，并接近尽可能大，并接近sen,以减小或消除死区。以减小或消除死区。2.02.0 和和9090接线方式接线方式 0接线:指系统三相对称且cos=1时，的接线方式。90接线:指系统三相对称且cos=1时，的接线方式。0argrrUI90argrrUI功率方向继电器功率方向继电器9090接线，三相方向过电流保护原理接线图接线，三相方向

11、过电流保护原理接线图！注意：极性连接。注意：极性连接。3.90 3.90接线方式功率方向继电器的动作情况接线方式功率方向继电器的动作情况 （1 1）正方向三相短路正方向三相短路AUBUCUCIBId JA JABCUU JAAII 90krA时继电器最灵敏）（k90相继电器都能动作。正向三相短路时范围内怎么变化在，不论选择Ak,900900则范围内变化，为使在若,0900rkP0)90cos(kABCrAIUP9090,9018000有当有，当kkA相方向继电器动作条件为：（2 2）正方向两相短路）正方向两相短路（保护安装处、远处）（保护安装处、远处）.保护安装处故障，即近处故障保护安装处故障

12、，即近处故障 0,kskZZZ可认为有CU，应动作，应动作，不动90:90:0:krCCkrBBAAKWKWIKWACBAAEUUEU21,)90(9090)0(1800900，当kkk相继电器都能动作。、，选择CB9000)90cos(0)90cos(kCABrCkBCArBIUPIUP.远离保护安装点远离保护安装点0,sskZZZ可认为CCBBAAEUEUEU ,，应动作，应动作，不动60:120:0:krCCkrBBAAKWKWIKWAAUE BBUE CAUABUBCECICCUE dCU3030BId dBU)90(12060)0(210309000)120cos(kkBCArBIU

13、P相继电器能动作时，B12030)90(60120)0(150309000)60cos(kkCABrCIUP相继电器能动作时，C6030B相：相：30 90 C相：相：0 60。，或实际继电器一般取：情况下都动作。方向继电器在一切故障路的分析得出：综合三相和各种相间短4530,6030.在正方向故障时在正方向故障时B B、C C相继电器的动作条件相继电器的动作条件 综合以上两种极限情况可以得出，在正方向任何地点两相短路时，B相、C相方向继电器能够动作的条件是：同理，对AB、CA相间短路进行分析的结果如下表。4.904.90接线方式的优点（和接线方式的优点（和0 0接线方式比较）接线方式比较）（

14、1 1）对各种两相短路都没有死区对各种两相短路都没有死区 功率方向继电器的动作功率方向继电器的动作“死区死区”：当输入继电器的电压降：当输入继电器的电压降为零时，方向继电器将失去判别的依据，从而导致方向继电为零时，方向继电器将失去判别的依据，从而导致方向继电器拒动。器拒动。由于由于9090接线方式引入了非故障相电压，在各种两相短路时接线方式引入了非故障相电压，在各种两相短路时其值都很高，确保可靠动作。其值都很高，确保可靠动作。IA -UBC IA -UA IB -UCA IB -UB IC -UAB IC -UC（2 2）适当选择内角）适当选择内角=90=90-k后，对各种故障都能保证方向性。

15、后，对各种故障都能保证方向性。的选取范围：30 602.2.5 2.2.5 方向性电流保护的应用特点方向性电流保护的应用特点1.1.电流速断保护电流速断保护max.1max.2kkII设：2.1.max.12.max.21.setsetkrelsetkrelsetIIIKIIKI则：，当k1点发生短路故障时，因为所以不带方向的电流速断保护1不会误动，不用装设方向元件。max.12.1.ksetsetIII当k2点发生短路故障时，速断保护2必须装设方向元件。2.max.2setkII2.限时电流速断保护（电流限时电流速断保护（电流段）整定时分支电路的影响段）整定时分支电路的影响 基本整定与单侧电

16、源网络电流基本整定与单侧电源网络电流段整定相同，保护范围不能段整定相同，保护范围不能超过下一级线路的电流超过下一级线路的电流段的保护范围，仍与下一级线路的段的保护范围，仍与下一级线路的电流电流段配合。但要考虑保护安装地点与下一级线路短路点段配合。但要考虑保护安装地点与下一级线路短路点之间有电源或线路支路之间有电源或线路支路（分支电路）（分支电路）的影响。的影响。（a）电源支路对限时电流速断保护的影响电源支路对限时电流速断保护的影响（b）线路支路对限时电流速断保护的影响线路支路对限时电流速断保护的影响ACABIB12ES2XS2ABIABABBCIIIES1XS1KKBCI AB12CBCBCA

17、BIII BCIES1XS1（1）电源支路的影响（助增电流的影响）电源支路的影响（助增电流的影响）如不考虑分支支路，保护2的电流段按上节的方法来整定：MBCsetrelsetIIKI.1.2.B12ES2XS2ABIABABBCIIIES1XS1MABIC，即M点是保护2的电流段的 保护范围的最末端。当M点短路时，流过保护2的实际电流为：MABrII.因为：MABMABMBCIII.，所以MBCMABII.经过上述分析，M点短路时保护2的电流段不能动作。所以如果不考虑电源支路的影响会使电流段的保护范围缩小。电源支路的影响（助增电流的影响）电源支路的影响（助增电流的影响）曲线 是线路上不同地点短

18、路时，流过线路AB的电流曲线；曲线 是线路上不同地点短路时，流过线路BC的电流曲线；ABIBCI由于电源支路 的电流起助增作用，导致BAABBCIIM点是保护2的电流段保护范围的最末端。所以必须按照流过线路AB段的电流 来整定，这样才能满足电流段的保护范围要求。ABI 有电源支路时，限时电流速断保护的整定（起动电流整定）有电源支路时，限时电流速断保护的整定（起动电流整定）B12ES2XS2ABIABABBCIIIES1XS1MABIC电流段保护范围不变：本线路全长，延伸到下一级线路出口（首端）。但不能超过下一级线路电流段的保护范围。设保护2的电流段保护范围最末端是M点。M点必然位于下一级线路B

19、C段上。保护2的电流段起动电流整定值应按照M点短路实际流过线路AB段（即保护2）的电流来整定：bsetrelbsetrelbMBCMABsetKIKKIKKIII1.1.2.bMBCMABKII.，所以，0.1.过的短路电流前一级保护所在线路流故障线路流过的电流MABMBCbIIK称为分支系数 有分支支路时，限时电流速断保护的整定有分支支路时，限时电流速断保护的整定 起动电流整定值起动电流整定值 限时电流速断保护2的保护范围不应超过下一级线路保护1的段保护范围。动作时限动作时限1.1.2.setbrelbsetrelsetIKKKIKI其中，段可靠系数：分支系数：2.11.1relKMABMB

20、CbIIK.以上起动电流整定公式适用于电源和负荷线路支路的情况。ttt12秒5.02t，t0.5s 对于电源支路的情况（助增电流）：对于负荷线路支路的情况（外汲电流）：0.1.MABMBCbIIK0.1.MABMBCbIIK 有负荷线路支路时，限时电流速断保护整定（外汲电流影响）有负荷线路支路时，限时电流速断保护整定（外汲电流影响）曲线 是线路上不同地点短路时，流过线路AB的电流曲线；曲线 是线路上不同地点短路时，流过线路BC(上)的电流曲线。ABIBCI为了保证电流段保护2的保护范围稳定，必须考虑负荷线路分支的外汲作用，按照以下方法来整定起动电流。1.2.setbrelsetIKKI其中，分

21、支系数为0.1.MABMBCbIIK分支系数的计算分支系数的计算CXs1XAB Xs2ABIABIBC21M分支系数 的计算必须基于系统的等值电路。bK（1）有电源支路的情况 分支系数与短路点位置无关。分支系数随运行方式的变化而变化。0.1bK221ssABsbXXXXXXXKCIABIBCMAABXX分支系数 的大小会随系统阻抗 和 的变化而变化bK1sX2sX最小分支系数 出现在系统阻抗 最小和 最大时。min.bK1sX2sX 限时电流速断保护（电流段）的整定。起动电流整定值按照最小分支系数来整定。A1.2.setbrelsetIKKI分支系数的计算分支系数的计算（2）有负荷线路支路的情

22、况CB21MBMICMICMIA1sXABX分支系数 的计算也必须基于系统的等值电路。bK 分支系数与短路点位置有关。BCCMBMCMBCCMBMBMABBMbXXXXXIIIIIK0.1bKBMXCMXBCXABI短路点越靠近线路末端，分支系数越小；故简化计算是可取故障位置为1/2，再校验灵敏度是否满足。分支系数与运行方式无关。限时电流速断保护（电流段）的整定。起动电流整定值按照最小分支系数来整定。即：1.2.setbrelsetIKKIi)i)在双侧电源网络中，母线两侧的过电流保护中在双侧电源网络中，母线两侧的过电流保护中时限短时限短者者加方向，长者不加。加方向，长者不加。时限相同则都加时

23、限相同则都加方向元件。方向元件。3.3.过电流保护装设方向元件的方法过电流保护装设方向元件的方法 靠动作时限来避免误动，从而不装设方向元件。靠动作时限来避免误动，从而不装设方向元件。2E1Ek11625437当 时，过电流保护6可不用装设方向元件。ttt16ABCD因为当反方向上线路CD短路时，过电流保护6能够以较长的动作时限来保证选择性。过电流保护过电流保护ii)ii)电源引出线和负荷引出线接在同一个母线上时，电源引电源引出线和负荷引出线接在同一个母线上时，电源引出线的保护与负荷引出线的保护比较，前者动作时限小于出线的保护与负荷引出线的保护比较，前者动作时限小于或等于后者，前者加方向元件。或

24、等于后者，前者加方向元件。iii)iii)负荷引出线的保护不需加方向。负荷引出线的保护不需加方向。1.5s2.5s2.5s（a）1.5s2.5s2s（b）过电流保护加装方向元件举例过电流保护加装方向元件举例 方向性电流保护的评价方向性电流保护的评价 优点：优点：适用于多电源系统，方向性电流保护可保证各保护适用于多电源系统，方向性电流保护可保证各保护 之间动作的选择性。之间动作的选择性。缺点：缺点：接线复杂；接线复杂；保护出口正方向三相短路时，整套保护拒动。保护出口正方向三相短路时，整套保护拒动。方向元件装设原则：方向元件装设原则：尽量不装设方向元件，只在可能误动的电流保护上装方向尽量不装设方向元件，只在可能误动的电流保护上装方向 元件。元件。（1）电流速断保护：电流速断保护：靠定值躲过反方向最大短路电流。靠定值躲过反方向最大短路电流。一条线路两侧电流保护定值小的加方向，定值大的不加方一条线路两侧电流保护定值小的加方向，定值大的不加方向元件。如果两侧保护定值相同都不加。向元件。如果两侧保护定值相同都不加。