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第二章(2) 方向电流保护

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电力系统继电保护-(第2版)第二章-电流保护PPT课件全文编辑修改

电力系统继电保护-(第2版)第二章-电流保护PPT课件全文编辑修改
➢最小运行方式：是指系统投入运行的电源容量最小，系统的
等值阻抗最大，以致发生故障时，通过保护装置的短路电流为 最小的运行方式。
➢最大短路电流：在最大运行方式下三相短路时通过保护装置
的电流为最大，称为最大短路电流。
Ik.m axZ E Z s.m iE nZ k 1Z s.m in E Z 1 L k 1短路类型系数
流来整定。
动作电流：
I ＝K II
II
set.2 rel
Iset.1
K r I e I l 1 .1 ~ 1 .2 ( 非 周 期 分 量 已 衰 减 ）
为保证选择性，动作时限要高于下一线路电流速断保护的动 作时限一个时限级差△t （Δt一般取0.5s）
动作时间： t2II t1 tt
(1) 前一级保护动作的负偏差(即保护可能提前动作) ； (2) 后一级保护动作的正偏差(即保护可能延后动作) ； (3) 保护装置的惯性误差(即断路器跳闸时间：从接通跳闸回 路到触头间电弧熄灭的时间) ； (4) 再加一个时间裕度。
Lmin
1( Z1
3 E
2
II set
Zs.max)
（保证选择性和可靠性，牺牲一定的灵敏性，获得速动性）
三、保护实现原理图
电流速断保护的主要优点是动作迅速、简单可靠。 缺点是不能保护线路的全长，且保护范围受系统运行方式和 线路结构的影响。当系统运行方式变化很大或被保护线路很 短时，甚至没有保护范围。
对于单侧电源网络的相间短路保护主要采用三段式电流 保护，即第一段为无时限电流速断保护，第二段为限时电 流速断保护，第三段为定时限过电流保护。其中第一段、 第二段共同构成线路的主保护，第三段作为后备保护
电流互感器和电流继电器是实现电流保护的基本元件。

2.2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护

2.2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护

三相短路和近处两相短路灵敏角变化 范围为：
90 sen 0
两相远处短路，B相灵敏角变化范围：
120 sen 30
C相灵敏角变化范围：
60 sen 30
为了使各种相间短路保护都能动作，
最大灵敏角范围：
sen 30 ~ 60
1、方向电流保护是为了满足双电源线 路、单电源环形网络选择性与灵敏性， 在电流保护的基础上增加方向元件。
通过保护3的短路功率为：
Pk1 Ures Ik1 cosk1 ＞0
当反方向短路时，通过保护3的短路功率为
Pk2 UresIk2 cosk1 ＜ 0
功率方向继电器动作条件：
Pk ＞0 动作；
Pk＜0时不动作。
（1）相位比较式原理
实质是判断母线电压与电流之间 相位角是否在 90 ~ 90 范围内。
2.2 双侧电源输电线路相间短路的方向电流保护
1、过电流保护的方向性 2、工作原理 3、功率方向继电器工作原理 4、功率方向继电器接线
教学 要求
通过学习要求掌握方向过电流保护的基 本工作原理；功率方向继电器工作原理 及动作区。功率方向继电器采用 90 接
线的目的，消除出口三相短路死区的方 法。
采样双电源目的
U a
k
U c
U b
Ib
U ca
Ebc
sen (90 k )
90 sen 0
（3）远处两相短路
U ab
Ic
Ea U a
c
Ecb
k
k
Ebc
E c
U ca
b
Eb
Ib
120 b 30
60 c 30

方向电流保护

方向电流保护

& & EA = U A
要求在任意阻抗角线路上、任意位置、 发生任意故障情况下都可以准确动作。
− 900 − α ≤ ϕ m ≤ 900 − α
ϕ rC = ϕ k − 60o = 0o
满足条件，动作
ϕ mC
ϕk
& & & & EC = U C U kC U kB & & EB = U B
三相短路时： ϕ m = ϕ k − 90
0 m 动作方程为：ϕ k − 180 ≤ arg I ≤ ϕ k & m
& U
动作特性为：
+j
区
& U ϕ k − 180 ≤ arg & m ≤ ϕ k Im
0
内角α 电磁型功率方向继电器：
0 动作方程为：− 90 − α ≤ arg
如何选择功率方向继电器？
动 作
0
作 区
+1
ϕ sen = ϕ k − 90o
& UA & & I A( I m )
& U BC & U CA & U AB
& UC
ϕk
& & U BC (U m )
ϕk − 90o
& UB
& IB & IC
& IB
& UB
& U arg m = ϕ k − 900 & Im
& UC
& & U BC (U m )
三相对称且功率因数 cos ϕ = 1 的情况下， & & I m 超前 U m 90˚。 这个定义仅仅是为了称呼方便，没有什么物理意义。

2011继电保护 第2章 电网的电流保护双侧电源

2011继电保护 第2章 电网的电流保护双侧电源
级 set K b
（２）外汲电流的影响 限时电流速断保护整定时 分支电路的影响 考虑分支系数
I
set
K rel I set .下一级 K b
３.过电流保护装设方向元件的一般方法 反方向保护的延时小于本线路保护的动作延时，本保护可不用方向元件
0 60 Ｃ相继电器能够动作的条件 分析结论:三相短路和任意两相短路，当 0 90 K 使故障相方向继电器动作的条件为 30 60 ９０°接线方式的优点 缺点 （１）两相短路没有死区

（２）选择继电器的内角在30°和 60° 之间，各种相间短路都能保证动作的方向性 在保护安装地点附近正方向发生三相短路时，方 向保护存在动作的死区
0 90 K

的情况下均能动作，应选择
0 90
在三相对称的情况下，当功率因数为１时，加入继电 器的电流和电压相位相差90°（这只是加入继电器的 电压和电流的一种组合，并无实际意义）
之间才能满足要求
同一相的电流元件与功率元件必须串联，然后再 与其它相并联，一起起动其它元件
2.正方向发生两相短路 （１）短路点位于保护安装地点附近 为使故障相方向继电器在任何 0 90 K 的情况下均能动作，应选择 之间才能满足要求 0 90 （２）短路点远离保护安装地点 120 Ｂ相继电器能够动作的条件 30 Ｃ相继电器能够动作的条件 30 60 正方向发生两相短路 Ｂ相继电器能够动作的条件 30 90
五、方向性电流保护的应用特点 １.电流速断保护可以取消方向元件的情况 速断保护的整定值躲过反方向短路时流过保护的最大短路电流， 保护可以不用方向元件
２.限时电流速断保护整定时分支电路的影响 （１）助增电流的影响 分支系数 故障线路流过的短路电 流 K b 前一级保护所在线路上 流过的短路电流

第二章 方向电流保护2

第二章 方向电流保护2
相 别
I KW
•
U KW
•
A
B
C
Ia
Ib


U bc
U ca


Ic
U ab

2.方向过电流保护的原理接线
方向过电流保护的原理接线和展开图如图2.23所示
（P37），其中三个功率方向继电器的接线即为 90°接线方式。在接入电流、电压时要特别注意电 流线圈和电压线图的极性端。在实际应用中，如果 有一个线圈极性接错，则会出现正方向短路时拒动 ，而反方向短路时误动的严重后果。所以，90°接 线方式的接线不仅要考虑继电器的电流、电压应如 何接入，还需要注意怎么样接的问题。
I I 如果保护1的反向电流 k1max ＞ k 2max ，则 I OP 1
的整定有两种不同的方案：
图2.28 双侧电源线路电流保护整定说明图
Ι I K (1) 按本线路末端最大短路电流整定即 OP1 rel I k2max
但为防止反方向短路误动作，应加装功率方向继电
2. Ⅱ段方向性限时电流速断保护
以图2.28中的保护2和3为例来说明：
(1) 若 t 2 ＞ t 3 或 I k 2max＜IOP ，则保护2的第二段可 2


不装设功率方向继电器。 (2) 若 t 3 ＞ t 2 或I k3max ＜ IOP 3 ，则保护3的第二段也 可不装设功率方向继电器。 I (3) 若 t3 t2 且 k 2max ＞IOP2 和I k3max ＞ IOP 3，则保护2和保 护3的第二段均应加装功率方向继电器。
方向发生任何类型的相间短路故障都能动作，而反 方向短路时则不动作。
(2) 尽量使功率方向继电器在正向短路时具有较高

第二章电流保护和方向性电流保护

第二章电流保护和方向性电流保护

曲线 max ：系统最大运行方式下发生三相 短路情况。 曲线min：系统最小运行方式下发生两相 短路情况。
（线路上某点两相短路电流
为该点三相短路电流的 倍）
3 2
(2) 动作电流整定
原则：按躲开下条线路出口（始端）短路时流过本保护的 最大短路电流整定（以保证选择性）： IIdz.1 > I(3)d.B.max 取：IIdz.1= KБайду номын сангаасI· I(3)d.B.max IIdz.2 > I(3)d.c.max IIdz.2= KkI· I(3)d.C.max
可靠系数： KkII = 1.1～1.2
（Id中非周期分量已
衰减，故比K I稍小）
2、动作时限的配合 为保证本线路电流II段与
下条线路电流I段的保护范围
重叠区内短路时的动作选择 性，动作时限按下式配合： tII1=tI2+t≈t （t: 0.35s～0.6s,一般取0.5s） 3、保护装置灵敏性的校验 对于过量保护,灵敏系数：
（可靠系数：KkI = 1.2～1.3）
(3) 灵敏性校验
该保护不能保护本线路全长， 故用保护范围来衡量： max：最大保护范围. min：最小保护范围.
Exx / 3 Exx / 3 3 I 由： Kk 2 Z s.max z1lmin Z s.min z1L
3 Z s.min z1L 可求得：lmin ( Z s.max ) / z1 I 2 Kk
为保证动作选择性，动作
时限按“阶梯原则”整定:
tIII1=Max{tIII2,tIII3,tIII4}+t
对定时限过流保护，当故障越靠近电源端时，此时短路电
流Id越大,但过流保护的动作时限反而越长 ——— 缺点 ∴ 定时限过流保护一般作为后备保护，但在电网的终端可以 作为主保护。

电力系统继电保护 中国电力出版社方向保护(2-2)

发现差异：保护2的方向与 IK 的方向相反； 保护3的方向与 IK 的方向相同。
为此，如果我们设计一个方法能够区分“正方向”
和“反方向”(差异)，那么，问题就迎刃而解了。
4/48
M 1
N
2
3
P 4
IK
K1
区分方向的问题，必须采用至少 2 个电气量的相
量比较。
经过研究、分析，采用：以保护安装处的电压作
算出口短路？何处算正方向短路？何处算反方向
（或区外）短路？
44/48
图2.29供了解，那是晶体管、集成电路的实现 框图。
提前说明：在后续介绍的距离保护（阻抗保护） 中，既可以实现短路范围的判别（现在已学习的 是：电流判别），还可以识别短路的方向（现在 已学习的是：方向元件），另外，距离保护受系 统运行方式的影响要小很多。
9、2段、3段的整定原则？灵敏度校验的公式 10、延时的选择 11、近后备？远后备？ 12、TA接线方式 13、方向元件为什么能够判别短路方向？ 14、方向元件的接线方式 15、最大灵敏角 16、方向元件的动作特性（动作区域） 17、配置方向元件的原则 18、何谓方向元件的死区？
29/48
为此，方向元件的配置应该按照 “少而精” 的原则。 1）电流整定值能保证选择性时，不加方向元
件； 2）在线路一端加方向元件后满足选择性要求
时，不必在线路两端都加方向元件。
30/48
具体选择的方法： （1）对于电流速断（1段、2段）
如果反方向的最大短路电流小于本保护的定值， 可以不加方向元件(不会误动)。 （2）对于过电流保护（3段）
取何
m
值
，
后面再说明
。
U'm Im.3 U'm－Im.3 类似于判别：

继电保护讲解第二章-电流保护[1]


线路限时速断保护配合。
Id"z
KK"
I '' dz.next
,
t本''
t '' next
0.5
❖ 限时电流速断保护的单相原理接线图
TQ
信
+
号
_
+
+
I
t
LH
_
❖ 对限时电流速断保护的评价
➢优点
✓结构简单，动作可靠 ✓能保护本条线路全长
➢缺点 ✓不能作为相邻元件（下一条线路）的后备 保护，只能对相邻元件的一部分起后备保 护作用。
（3）灵敏度校验
(2)
I ''
d.B.min
K lm
''
I dz.1
3 2
I (3) d.B.min
I '' dz.1
=
3 3550
2
1.58 f 1.5
1950
3、对保护1进行定时限过电流保护的整定计算
（1）起动电流 （2）灵敏度校验
I "' dz.1
K
"' K
I (3) d.C.max
1250A
I (3) d.C.min
1150A
（1）起动电流
I '' dz.1
K I'' ' K dz.next
K I'' ' K dz.2
K K I '' ' (3) K K d.C.max
=1.21.31250 1950(A)
（2）动作时限 t1'' t2' t 0 0.5 0.5(s)

电力系统继电保护——3-方向(2-2)


二、相位比较原理与幅值比较原理的关系
•
若以为

UA
动作量，UB 为制动量，则当UC与UD相
位作差的临θ=界9状0°态时；，当UθA=＜9U0B°,动时作，量等UA＞于制U动B 动量作,动量 大于制动量，继电器处于动作状态；当θ＞90°
时， 作。
＜UA ，U动B 作量小于制动量，继电器不动
K2
K1
图2.26 功率方向继电器工作原理说明图
Ik 2
U res k1 IK1
r1 k1
r2 180 k1
图2.26 正反故障时电压、电流相量图
18/43
•结论：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。

• 以母线电压 U r 为参考相量，电压高于地时为正，
C2
C2
KP
C4
C3
· UB=
··
KI Ir-
··
KUUr
10 KP
11
R7
C5
(b)
12
27/43


继电器输入电压Ur ，输入电流Ir 。

Ir 通过电抗变换器UX的一次绕组W1，二次绕组W 2和W 3端获得电压分量



KI Ir ，它超前Ir 的相角就是转移阻抗KI 的阻抗角I，绕组W 4可用来调整
• 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
IK1
IK2
10/43
• 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

电力系统继电保护原理 第二章第二节 相间短路的方向性电流保护


' ' Id 2 Id' 2
' ' Id'1 > Idz.1, 1电 速 保 误 流 断 护 动
t1 ≤ t6 , 1过 流 护 动 电 保 误 ' ' Id 2 > Idz.6 , 6电 速 保 误 流 断 护 动
t6 ≤ t1 , 6 过 流 护 动 电 保 误 在d1点和d2点短路时，电流保护1和电流保护6可能误动。 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。
功率方向继电器的动作方程 相位动作区：
& UJ (ϕlm − 90 ) ≤ ϕJ ≤ (ϕlm + 90 ) ，ϕJ = arg & IJ ϕlm 是最大灵敏角，有 ϕlm = ϕd
o o
动作相位区间： lm ± 90o （以适应在 ϕd在0°～90°范围内的变化） ϕ
& UJ ϕlm＋90 ≥ arg & ≥ ϕlm－ o 90 IJ & UJ e− jϕlm o 90 ≥ arg ≥－ o 90（相角形式） & I
（2）正方向两相短路（保护安装处、远处） 正方向两相短路（保护安装处、远处） 保护安装处故障， ⅰ. 保护安装处故障，即近处故障
有Zd << Zs , 可认为Zd = 0
1& & & & & UA = EA , UB = UC = − EA 2 & = 0， 动 GJA : I A 不 o 应 作 GJ B : ϕJB = ϕd −90 ， 动 GJ C : ϕJC = ϕd −90o， 动&作 应 U
正方向（d1点）短路故障时：
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III III top.3 top.5 t
t
III op.4
t
III op.2
t
……。 逆向阶梯形原则
……。
（二）方向电流保护的构成举例 1．机电型方向过电流保护
XB
KW
2．微机型带低电压闭锁的方向过电流保护
低压控制字＝0 低压控制字＝1
≥1 &
Ua,b,c V/V
低电压元件
各相方向继电器电流线圈上的电流与电压线圈上的 电压的组合方式。 对于微机型保护装置，其功率方向元件的接线方式 是指保护在进行短路功率方向判别的计算时，所取 的电流与电压的组合方式。
90 接线方式：采用故障相的电流与另外两相线电 压的组合方式。
方向元件
Ir
Ur
U vw
U相方向元件
Iu
Iv
KT + KAu KWu
-
KAw
KWw
在微机型继电保护装置中，其电流元件、方向元件 均应取故障相的电流及其对应相的电压进行计算、 判别。
复习题
1、方向元件动作的正方向。 2、逆向阶梯形原则 3、功率方向元件的最大灵敏角和动作范围
4、功率方向元件的潜动和死区
5、功率方向元件的接线方式 6、按相起动原则
7．计算题（10分） 通过计算确定10KV线路L1的相间电流保护，并校验II、 III段灵敏度。
已知：L1输送的最大负荷功率为2.5 MW，cOSΦ=0.9 Kss=1.5 。 最小运行方式下K1点三相短路电流为1000A，K2 点 三相短路电流为700A； 最大运行方式下K1点三相短 路电流为1200A，K2 点三相短路电流为800A.(各段可 靠系数均取1.2)
0 1 k1 90
通过保护3的短路功率 K2点短路时：
Pk1 UI KM cos 1 0
I KN 与 U 之间的夹角
，
2 k 2 180
。

。
180 2 270


通过保护3的短路功率
Pk 2 UI KN cos 2 0
（二）功率方向元件的最大灵敏角和动作范围 1．最大灵敏角 方向元件动作最灵敏时， U r与 I r之间的夹角，用
Iw
V相方向元件
U wu
W相方向元件
U uv
设：三相对称且同名相电流与电压同相位
则：加入方向元件的电流超前电压的相角为 90 。
对于反映相间短路故障的方向元件， 90 接线方式。 通常采用
设：保护安装处正方向发生三相短路故障 线路的短路阻抗角 k 一般在 60 ～ 45 左右。 对于U相的方向元件: I I U U
制 动 区
30

Uj
r
60
Ij
r
考虑到电流互感器、电压互感器的角度误差、
计算误差以及短路电流中非工频分量等因素 对保护的影响，为了防止反方向故障时方向 元件误动作，功率方向元件的实际动作范围 应小于180º 。
（三）功率方向元件的潜动和死区
潜动：在只加电流，没有加电压；或只加电压，
当K2点短路时： 保护3 短路功率方向为从线路到母线，不该动作； 保护2 短路功率方向为从母线到线路，应该动作。
方向电流保护：加装了用来判断短路功率方
向元件的电流保护； 功率方向元件（方向元件）：用来判断短路 功率方向的元件；
正方向：规定的方向元件动作的方向。 反映相间短路的电流保护，方向元件动作的
Pk Ur Ir cos r s 0
－90＋s r 90 s
设:某方向元件的最大灵敏角
s 整定在－ 30

90 30

，
则该方向元件的动作范围为：


r
。 ；
90 30
即
120 r 60
r r
动作区
120
I L1
K1
K2
r u
r
vw
r (90 k ) 45


～－
30 左右。

方向元件的最大灵敏角在 60 附近时，方向元件的最大灵敏角s
应整定在－
30

；
当
k
在
方向元件的最大灵敏角 s 45 附近时，

应整定在－
45
（五）按相起动原则 在机电型保护装置中，要求仅同名相的电流继电器 与功率方向继电器的常开触点串联连接。
正方向为：从母线流向线路。
保护1、3、5的动作方向相同，在对它们进行整定计算时， 只需要考虑M侧电源的影响； 保护2、4、6的动作方向相同，在对它们进行整定计算时， 只需要考虑N侧电源的影响。
例如：
III III top.1 top.3 t
III III top.6 top.4 t
方向控制字＝0 方向控制字＝1
≥1 &
&
t
出口
方向元件
Ia,b,c I/V
过电流元件
过电流保护软压板
二、功率方向元件 （一）功率方向元件的原理 以保护安装处母线电压为基准，当短路电流由母线 流向线路时，短路功率方向为正。
功率方向元件的原理
K1点短路时：
I KM与 U 之间的夹角
1 k1
令： 则：当
P Ur Ir cos r s k
s
表示。
r s
时， ；
cos r s 1
，
反应相间短路的功率方向元件，最大灵敏角 s 一般整定在：－ 30 ～－ 45

P 最大，方向元件动作最灵敏。 k
左右。
2．动作范围
方向元件的动作条件： 动作范围为：
第三节 反映线路相间短路的方向电流保护 一、方向电流保护的原理
（一）方向电流保护的基本原理
当K1点短路时：应3、4先动作
III III top.2 top.3
当K2点短路时：应1、2先动作
III III top.2 top.3
当K1点短路时： 保护2
短路功率方向为从线路到母线，不应动作； 保护3 短路功率方向为从母线到线路，应该动作。
没有加电流的情况下，方向元件有误动作的现 象。 对于只加电流时产生的潜动，称为电流潜动； 对于只加电压时产生的潜动，称为电压潜动。
死区：有可能造成方向元件拒动的区域，称为
方向元件的死区。
（四）功率方向元件的接线方式
指加入方向元件的电流与电压的组合方式。
对于整流型功率方向继电器，其接线方式是指加在