模塊一 相間電流保護(hù) 任務(wù)3 雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)的方向性電流保護(hù)

子任務(wù)1：無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)（電流I段）

雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)的方向電流保護(hù)為提高供電的可靠性，可采用雙電源或單電源環(huán)形電網(wǎng)供電，單卻帶來(lái)新的問(wèn)題。(1)Ⅰ、Ⅱ段靈敏度可能下降如圖所示，以保護(hù)3的I段為例，整定電流應(yīng)躲過(guò)本線路末端短路時(shí)的最大短路電流，除了躲過(guò)Q母線處短路時(shí)M側(cè)電源提供的短路電流，還必須躲過(guò)P母線背側(cè)短路時(shí)N側(cè)電源提供的短路電流。當(dāng)兩側(cè)電源相差較大且N側(cè)電源強(qiáng)于M側(cè)電源時(shí)，可能使整定電流增大，縮短I段保護(hù)的保護(hù)區(qū)，嚴(yán)重時(shí)可以導(dǎo)致I段保護(hù)喪失保護(hù)區(qū)。一、電流保護(hù)用于雙電源線路時(shí)的問(wèn)題IKN

整定保護(hù)3的電流保護(hù)II段時(shí)也有可能有類似的問(wèn)題，除了與保護(hù)5的I段配合，還必須與保護(hù)2的I段配合，可能導(dǎo)致靈敏度下降。圖1兩側(cè)電源輻射形電網(wǎng)~××××××~ⅠⅠⅠⅠⅠⅠ216543QF6QF5QF4QF3QF2QF1IKSMNPQk1k2Ⅲ段動(dòng)作時(shí)限采用“階梯特性”，保護(hù)P2、P3的Ⅲ段動(dòng)作時(shí)限分別為t2、t3，當(dāng)k1故障時(shí)，保護(hù)P2、P3的電流Ⅲ段同時(shí)啟動(dòng)，按選擇性要求應(yīng)該保護(hù)P3動(dòng)作，即要求t3<t2；而k2故障時(shí)，又希望保護(hù)P2動(dòng)作，即要求t3>t2，顯然無(wú)法同時(shí)滿足兩種情況下后備保護(hù)選擇性。(2)無(wú)法保證Ⅲ段動(dòng)作選擇性原因分析：造成電流保護(hù)在雙電源線路上應(yīng)用困難的原因是需要考慮“反向故障”。以圖1兩側(cè)電源輻射形電網(wǎng)圖中的3號(hào)斷路器的電流保護(hù)為分析對(duì)象。在K1點(diǎn)短路時(shí)流過(guò)3號(hào)斷路器的電流從母線到線路；在K2點(diǎn)短路時(shí)流過(guò)3號(hào)斷路器的電流從線路到母線。顯然，K2點(diǎn)短路和K1點(diǎn)短路流過(guò)3號(hào)斷路器的電流從數(shù)值上講，都有可能打到保護(hù)的動(dòng)作值。因?yàn)殡娏鞅Ｗo(hù)不能判別電流的方向，所以在K1點(diǎn)和K2點(diǎn)短路時(shí)3號(hào)斷路器的電流保護(hù)都有可能動(dòng)作。在K2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)，N側(cè)電源提供的短路電流流過(guò)保護(hù)3，而如果僅存在電源M，K2點(diǎn)發(fā)生短路故障時(shí)則沒(méi)有短路電流流過(guò)保護(hù)3，不需要考慮，根據(jù)選擇性的要求3號(hào)斷路器的保護(hù)是不應(yīng)該動(dòng)作的，如若動(dòng)作，這是無(wú)選擇性的動(dòng)作。從保護(hù)安裝處看出去，在“母線指向線路”方向上發(fā)生的故障成為正向故障，反之稱為反向故障。

為解決選擇性問(wèn)題，我們?cè)谠瓉?lái)的基礎(chǔ)上裝設(shè)方向元件（功率方向繼電器）。

當(dāng)雙側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)上的保護(hù)裝設(shè)方向元件后，就可以把他們拆開兩個(gè)單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)看待，兩組方向變化保護(hù)之間不要求配合關(guān)系，其整定計(jì)算仍可按單側(cè)電源網(wǎng)絡(luò)保護(hù)原則進(jìn)行。如下圖2方向電流保護(hù)的電流分布和時(shí)限特性圖所示。3.方向性保護(hù)的概念t8tt4t3t2t1lt5t6t7t(b)~×××××××~~×××××××~E14352×6178E2E14352617E8E2E1E2(a)k1k2

圖2方向電流保護(hù)的電流分布和時(shí)限特性（a）K1、K2點(diǎn)短路時(shí)的電流分布；（b）方向過(guò)電流保護(hù)的階梯時(shí)限特性

從圖2中不難看出，在K1點(diǎn)短路時(shí)，通過(guò)斷路器3的功率方向也是由母線指向線路，斷路器3的保護(hù)也滿足動(dòng)作條件。斷路器3是斷路器2的上級(jí)，斷路器3的保護(hù)能反映K1點(diǎn)故障的是帶延時(shí)的保護(hù)，當(dāng)K1點(diǎn)故障時(shí)，斷路器2在斷路器3之前動(dòng)作切除故障，故障切除后，斷路器3的保護(hù)返回，保證供電的連續(xù)性。方向過(guò)電流保護(hù)的時(shí)限特性，如圖2（b）所示。根據(jù)以上分析，判別短路功率的方向，是解決電流保護(hù)用于雙側(cè)電源或單電源環(huán)網(wǎng)輸電線路選擇性問(wèn)題的有效方法。二、方向電流保護(hù)的工作原理方向電流保護(hù)單相原理圖如圖1所示，其保護(hù)裝置由三個(gè)主要元件組成，啟動(dòng)元件（電流繼電器KA用來(lái)判別電流的大?。?、功率方向元件（功率方向繼電器KW,用來(lái)判別功率的方向）和時(shí)限元件（時(shí)間繼電器KT）。QFTA+KAKWKT+KS+-TV信號(hào)圖1方向電流保護(hù)單相原理圖

應(yīng)當(dāng)指出，在雙側(cè)電源線路上，并不是所有過(guò)流保護(hù)裝置中都需要裝設(shè)功率方向元件，只有在僅靠時(shí)限不能滿足動(dòng)作選擇性時(shí)，才需要裝設(shè)功率方向元件。

無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)在原理上用于雙側(cè)電源線路時(shí)，其動(dòng)作電流要按同時(shí)躲過(guò)線路首端和末端短路的最大短路電流，才能保證動(dòng)作的選擇性。但是，由于線路兩側(cè)電源的容量和系統(tǒng)阻抗不同，當(dāng)線路發(fā)生短路時(shí)，兩側(cè)電源供給的短路電流大小并不相同，甚至數(shù)值相差較大，這時(shí)安裝在小電源一側(cè)的電流速斷保護(hù)范圍就不能滿足靈敏度的要求，甚至可能沒(méi)有保護(hù)范圍。在這種情況下，小電源一側(cè)需要采用方向電流速斷保護(hù)。

當(dāng)保護(hù)后發(fā)生短路時(shí)利用功率方向元件閉鎖，使保護(hù)只根據(jù)小電源一側(cè)的短路功率方向來(lái)動(dòng)作。因此，這時(shí)小電源側(cè)方向電流速斷保護(hù)只需要躲過(guò)線路末端短路時(shí)通過(guò)該保護(hù)的短路電流來(lái)鑒定即可，從而提高了保護(hù)的靈敏性，滿足了保護(hù)的要求。

功率方向繼電器的作用是測(cè)量送入繼電器的電壓UK和電流IK之間的相位，以判別功率的方向。方向元件（功率方向繼電器）之所以能判別正，反向故障時(shí)，保護(hù)安裝處的母線殘壓與被保護(hù)線路上的電流之間相位關(guān)系不同。方向元件正是根據(jù)這種不同來(lái)識(shí)別正，反方向故障的。正方向故障，功率從母線流向線路時(shí)就動(dòng)作；反方向故障，功率從線路流向母線時(shí)不動(dòng)作。仍以QF3上的保護(hù)為分析對(duì)象。

功率方向繼電器的結(jié)構(gòu)和工作原理~××××××~P2QF6QF5QF4QF3QF2QF1k1k2Eaik2EcEb∮k2Eaik1EbEC如圖b所示其短路功率

圖c其短路功率Pk>0為正方向故障；Pk<0為反方向故障，則方向元件的動(dòng)作條件可表示為：

式中arg—表示取復(fù)數(shù)的相角。若相角在式的范圍內(nèi)時(shí)，PK>0功率（電流）是從母線流向線路，繼電器動(dòng)作；否則不動(dòng)作。教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難三、功率方向繼電器的接線方式接線方式：功率方向繼電器的接線方式是指它與電流互感器和電壓互感器之間的連接方式。反應(yīng)相間短路的功率方向繼電器的接線方式。接線方式的要求：①應(yīng)能正確反映故障的方向。正方向任何形式短路時(shí)，繼電器應(yīng)動(dòng)作，反方向短路時(shí)，繼電器不動(dòng)作。②故障后加入繼電器的電流和電壓應(yīng)盡可能大，正方向故障時(shí)應(yīng)使繼電器靈敏地工作，使短路阻抗角接近于最大靈敏角，以便消除和減小方向元件的死區(qū)。m盡量地接近最大靈敏角，以提高繼電器的靈敏度。

教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難③對(duì)于相間短路保護(hù)用的功率方向繼電器，為滿足上述要求，廣泛采用90度接線方式。所謂90度接線，是假設(shè)在三相對(duì)稱且功率因數(shù)cos=1的情況下，加入方向繼電器的電流超前電壓相位相差90度的一種接線方式。下圖為90°接線方式繼電器接入的電流及電壓。

功率方向繼電器電流電壓KWAIAUBCKWBIBUCAKWCICUAB教學(xué)難功率方向繼電器的90°接線方式.QFI··I··I··t信號(hào)＋－KSKTKW1KW2KW3KA1KA2KA3ABCabc由TV二次來(lái)說(shuō)明90°接線的向量圖教學(xué)重點(diǎn)教學(xué)難四、方向電流保護(hù)的整定

方向電流保護(hù)的整定有兩個(gè)方面的內(nèi)容，一是電流部分的整定，即動(dòng)作電流、動(dòng)作時(shí)間與靈敏度的效驗(yàn)；二是是否需要裝設(shè)（投入）方向元件。對(duì)于其中電流部分的整定，其原則與前述的三段式電流保護(hù)整定原則基本相同。不同的是與相鄰保護(hù)的定值配合時(shí)，只需要與相鄰的同方向保護(hù)的定值進(jìn)行配合。在兩端供電或單電源環(huán)形網(wǎng)絡(luò)中，一段、二段電流部分的整定計(jì)算可按照一般的不帶方向的電流一段、二段整定計(jì)算原則進(jìn)行。三段整定時(shí)則與一般不帶方向的三段整定計(jì)算原則有所不同，下面加以說(shuō)明。（1）三段保護(hù)整定①三段保護(hù)動(dòng)作電流。三段動(dòng)作電流需躲過(guò)被保護(hù)線路的最大負(fù)荷電流，即

式中考慮故障切除后電動(dòng)機(jī)自啟動(dòng)的最大負(fù)荷電流。三段動(dòng)作電流還需要非故障相的電流為在小接地電流電網(wǎng)中，非故障相電流為負(fù)荷電流，只需按照上式進(jìn)行整定。對(duì)于大電流接地系統(tǒng)，非故障相電流除了負(fù)荷電流外，還包括零序電流，此時(shí)整定動(dòng)作電流為教學(xué)難

另外，三段動(dòng)作電流需與同方向相鄰三段保護(hù)進(jìn)行靈敏度配合。為確保選擇性，應(yīng)使得前一段線路保護(hù)的動(dòng)作電流大于后一段線路保護(hù)的動(dòng)作電流，即同方向保護(hù)的動(dòng)作電流，從離電源最遠(yuǎn)處開始逐漸增大，這就是與同方向相鄰設(shè)備靈敏度的配合。教學(xué)難

②三段保護(hù)動(dòng)作時(shí)間。方向電流保護(hù)三段動(dòng)作時(shí)間按照同方向階梯特性整定，即前一段線路保護(hù)的保護(hù)動(dòng)作時(shí)間比同方向后一段線路保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)。

③保護(hù)的靈敏度配合。方向電流保護(hù)的靈敏度，主要由電流元件決定，其電流元件的靈敏度效驗(yàn)方法與不帶方向性的電流保護(hù)相同。對(duì)于方向元件，一般因?yàn)榉较蛟撵`敏度較高，故不需要效驗(yàn)靈敏度?，F(xiàn)以下圖所示電網(wǎng)為例來(lái)說(shuō)明方向電流保護(hù)的整定。在圖中標(biāo)明了各個(gè)保護(hù)的動(dòng)作方向，其中，P1，P3，P5，P7為動(dòng)作方向相同的一組保護(hù)，即同方向保護(hù)；P2，P4，P6、P8為同方向保護(hù)，于是它們的動(dòng)作電流、動(dòng)作時(shí)間的配合關(guān)系應(yīng)為：，，教學(xué)難

方向元件并非所有保護(hù)都需要裝設(shè)，只有當(dāng)反方向故障可能造成保護(hù)無(wú)選擇性動(dòng)作時(shí)，才需要裝設(shè)方向元件。例如在上圖中，若保護(hù)3的一段動(dòng)作電流大于其反方向母線N處短路時(shí)的流過(guò)保護(hù)3的電流，則該一段不需經(jīng)方向元件閉鎖，反之則應(yīng)當(dāng)經(jīng)方向元件閉鎖：同理保護(hù)3的二段動(dòng)作電流大于其反方向保護(hù)2的二段電流，則該二段不需經(jīng)方向元件閉鎖，反之則應(yīng)當(dāng)經(jīng)方向元件閉鎖，對(duì)于母線N處保護(hù)3與2，當(dāng)線路M