1、第二節 多側電源網絡相間短路的方向性電流保護 一、方向性電流保護的工作原理實際的電力系統是由很多電源組成的復雜網絡，此時，采用第一節中介紹的三段式電流保護不能滿足選擇性的要求。圖213 雙側電源網絡接線及保護動作方向的規定（a）點短路時的電流分布；（b）點短路時的電流分布；（c）各保護動作方向的規定；例如在圖213所示的雙側電源網絡接線中，每條線路的兩側均需裝設斷路器和保護裝置。因為當線路上發生短路故障時，線路兩側分別流過各側電源提供的短路電流，如果只在線路的一側裝設斷路器和保護裝置，實際上并不能真正切除故障。假設保護1、2、3、4的電流速斷仍按第一節中的整定原則，其起動電流依據電源單獨存在情

2、況下整定；保護5、6、7、8的電流速斷依據電源單獨存在情況下整定。在圖2-13（a）中點發生短路時，按照選擇性的要求應該由距故障點最近的保護2和6動作切除故障。然而，由電源供給的短路電流也將通過保護1，如果大于保護1電流速斷的起動電流，則保護1的電流速斷就要誤動作。因此，可以得出這樣的結論：在雙側或多側電源的復雜網絡中，采用電流速斷不能滿足選擇性的要求。那么，此類網絡中能否采用定時限過電流保護呢？結論也是否定的。因為當點短路時，要求；但是，當點短路時，又要求。這兩個要求是不可能同時得到滿足的。對誤動作的保護進行分析可知，誤動作的原因是由對側電源供給的短路電流引起的；此時誤動作保護的實際短路功率

3、方向是由線路流向母線的。因此，為了消除雙側電源或多側電源中三段式電流保護的無選擇動作，需要在可能誤動作的保護上增設一個功率方向閉鎖元件。該元件當短路功率方向由母線流向線路時動作，開放電流保護；而當短路功率方向由線路流向母線時不動作，閉鎖電流保護。按照上述原理構成的保護就是方向性電流保護，每個保護的規定動作方向（也稱為規定正方向）都是指短路功率（或短路電流）由母線流向線路的方向，如圖2-13（c）所示。裝設了方向元件以后，可以把雙側電源網拆開看成兩個單側電源網絡，這樣上一節所講的三段式電流保護的工作原理和整定計算原則就仍然可以應用了。方向性的過電流保護的單相原理接線如圖214所示，主要由方向元件

4、（即功率方向繼電器）、電流元件（即電流繼電器）和時間元件（即時間繼電器）組成。方向元件和電流元件必須都動作以后，才能去起動時間元件，再經過預定的延時后動作于跳閘。為了簡化接線，同一斷路器對應的三段保護可共用一個方向元件。圖214 方向過電流保護的原理接線圖 二、功率方向繼電器的工作原理和動作方程如果短路功率的實際方向是由母線流向線路的，稱該短路對于保護來說是正方向短路；反之稱為反方向短路，例如圖213(a)中點短路對保護2、3、6、7是正方向短路；對保護1和5是反方向短路。由此可見，故障的方向可以利用短路功率的方向判斷；而短路功率的方向又取決于保護安裝處電流、電壓之間的相位關系。因此，功率方向

5、繼電器的基本原理就是反應于加入繼電器中電流和電壓的相位而動作。圖215 方向繼電器工作原理的分析（a）網絡接線；（b）點短路向量圖；（c）點短路向量圖按電工技術中測量功率的概念，對A相的功率方向繼電器應加入電壓和電流。下面以圖2-15（a）網絡中的保護1為例，分析正、反方向短路時，保護安裝處電壓和電流之間的相位關系，以推導出功率方向繼電器的動作方程。當正方向點三相短路時，短路電流滯后母線電壓一個相位角，為從母線至點之間的線路阻抗角，其值為，如圖215（b）所示。因此，功率方向繼電器中電壓、電流之間的相角可表達為 (2-25)式中符號arg表示分子的向量超前于分母向量的角度。當反方向點短路時，通

6、過保護1的短路電流是由電源供給的，對保護1來說，該電流的實際方向是由線路流向母線的。但是，由于保護是以規定正方向觀測電流的，因此，此時保護1按規定的電流正方向觀測到的將滯后于母線電壓，為從該母線至點之間的線路阻抗角，其值為，如圖2-15(c)所示。此時，繼電器中電壓和電流之間的相位可表達為 （226）如以母線電壓作為參考向量，并設，則和的相位相差由以上分析可見，用于反應相間短路的功率方向繼電器在加入其上電壓超前電流的夾角為時應該動作，而電壓超前電流的夾角為時不應動作。考慮到實際短路時，故障點存在過渡電阻，且保護裝置本身具有測量誤差，因此為保證正方向發生短路時功率方向繼電器能可靠動作，動作角度不

7、能只局限于這一個值，而是應該有一定的角度范圍。為了制作方便，這個角度范圍通常取為，而位于動作范圍中間的那條線就稱為功率方向繼電器的最大靈敏線，該直線與電流之間的夾角稱為最大靈敏角，用表示。為了讓繼電器在正方向短路時動作最靈敏，采用上述相電壓和相電流接線的功率方向繼電器應做成最大靈敏角，其動作角度以為中心向兩邊各擴展。這樣一來，功率方向繼電器動作方程可表示為 （227）或 （228）當以為參考向量時，對應的動作特性在復數平面上是一條直線，如圖216(a)所示，陰影部分為動作區。式（2-28）也可用功率的形式表示為 （229）當余弦項和、越大時，其功率輸出值也越大，繼電器動作的靈敏度越高；而任一項

8、等于零或余弦項為負時，繼電器將不能動作。圖2-16 功率方向繼電器的動作特性（a）按（2-28）式構成 （b）按（2-30）式構成實際應用中，這種接線和特性的繼電器，在其正方向出口附近發生三相短路、AB或CA兩相接地短路，以及A相接地短路時，由于或數值很小，繼電器將不能動作，這稱為繼電器的“電壓死區”。為了減小和消除死區，在實際中廣泛采用非故障的相間電壓作為參考量去判別相電流的相位。例如對A相的功率方向繼電器加入電流和電壓 (詳見本節第五項的分析)，此時，。顯然，這種接線繼電器中接入的電壓比前述接線中接入的電壓滯后。所以，為了讓繼電器在正方向短路時仍然最靈敏，其靈敏角也應該向滯后方向旋轉，而取

9、為： （2-29）將此靈敏角代入式（2-28），得到繼電器對應的動作方程為 （230）動作特性示于圖2-16（b）中。習慣上采用，稱為功率方向繼電器的內角。內角和靈敏角之間存在如下關系 （231）式（2-30）如用功率形式表示，則為 （232）這種接入相電流和非故障相間電壓的功率方向繼電器，在發生任何包含A相的不對稱短路時，的電流很大，的電壓很高，因此繼電器不僅沒有死區，而且動作靈敏度很高；只有正方向出口附近發生三相短路時，由于0會產生很小的電壓死區。消除這一死區可以采用電壓記憶回路（見本書第三章第四節）。用（230）式或（232）式實現功率方向繼電器時，根據構成元件的不同可分為感應型、整流型

10、、晶體管型、集成電路型和微機型。本節只討論集成電路型功率方向繼電器，其他的可參考有關資料2。三、集成電路型功率方向繼電器按（230）式構成的集成電路型功率方向繼電器的框圖如圖217所示。加入繼電器的電壓和電流經電壓形成回路后，變換成適合于集成運算放大器所需要的電壓；并與電壓、電流互感器的二次回路相隔離，以防止來自二次回路干擾的影響。然后使移相角，以獲得參考向量。與均經帶通有源濾波器，以消除短路暫態過程中非周期分量和各種諧波分量的影響，而后形成方波。方波形成回路通常采用開環的運算放大器構成，具有很高的靈敏度，其負半周輸出經二極管消波后，變為信號（參見圖218中的和），以便與CMOS門電路配合工作

11、。由與門、或非門、延時5ms、展寬20ms等器件組成的相位比較回路，可對兩個方波進行相位比較，當滿足（230）式的條件后，輸出高電平1態信號，表示繼電器動作。圖217實現相位比較的方法之一是測量兩個電壓瞬時值同時為正(或同時為負，以下相同)的持續時間。例如當與同相位時，如圖218（b）所示，其瞬時值同時為正的時間等于工頻的半個周期，對而言，即為10ms。而當上述兩個電壓的相位差增至時，如圖218（a）所示，其瞬時值同時為正的時間減至5ms。因此比較與的相位差，可通過測量這兩個電壓瞬時值同時為正的時間來實現。當兩者之間的相位差時，其瞬時值同時為正的時間必然5ms，滿足這個關系時，繼電器就應該動作

12、。在圖218中，兩個方波接入與門后的輸出電壓，能反應瞬時值同時為正的時間；而接入或非門后的輸出電壓則能反應瞬時值同時為負的時間。因此這個電路可以同時進行正、負半周的比相。當為高電平的持續時間5m s時，即可經20 m s的展寬回路，使輸出高電平。由于每隔20m s輸出一次高電平，是一個間斷的信號，故必須予以展寬后，才能變為長信號輸出。同理，當電壓為高電平的持續時間5m s時，經20 ms展寬后，輸出高電平長信號。圖2-18 相位比較回路中各點輸出電壓波形圖（a）臨界動作條件=900 （b）臨界動作條件=00為提高繼電器動作的可靠性，在圖217中，采用正、負半周比相，與門輸出的方式，即和必須同時

13、為高電平后，才輸出高電平，表示繼電器動作。這種輸出方式的繼電器動作速度較慢，最快的動作時間為15ms，如圖218(b)所示。在有些情況下，當要求繼電器快速動作時，則可以采用正、負半周比相，或門輸出的方式，即讓和經或門輸出。任一個為高電平后，就可以輸出高電平，其最快的動作時間為5ms。四功率方向繼電器的動作特性功率方向繼電器的動作方程中有三個變量：、和。其中任一個變量發生變化時，都會影響到繼電器的起動條件，通常采用下面兩種特性予以表示。（1）角度特性：表示固定不變時，繼電器起動電壓的關系曲線。在直角坐標中，角度特性如圖219(a)所示，是一條U形曲線，其最大靈敏角為，動作范圍位于以為中心的以內。

14、為繼電器的最小起動電壓。當加入繼電器的電壓時，繼電器將不能起動，這就是出現“電壓死區”的原因。在極坐標系中，角度特性如圖2-19（b）所示，陰影部分為動作區。（2）伏安特性：表示固定不變時，繼電器起動電壓的關系曲線，如圖220所示。當加入繼電器的電流和電壓分別小于最小起動電流和最小起動電壓時，繼電器不會動作。在功率方向繼電器的實際應用中，還必須考慮它的“潛動”問題。所謂潛動就是指：在只加入電流或只加入電壓的情況下，繼電器就能夠動作的現象。按照繼電器功率形式的動作方程（2-32）式，當和任何一個量為零時，繼電器都不應該動作。但是，由于構成繼電器的某個環節的不平衡輸出，例如集成電路型功率方向繼電器

15、方波形成回路的零點漂移會引起繼電器的“潛動”。發生潛動的最大危害是在反方向出口處三相短路時，此時，而很大，如果此時出現了潛動，就可能使保護裝置失去方向性而誤動作。必須采取其它措施消除繼電器的“潛動”。在如圖217所示的框圖中，采用正、負半周比相，與門輸出的方式，就能夠可靠地防止潛動的發生。圖219 圖220五相間短路功率方向繼電器的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。對功率方向繼電器接線方式的要求是：（1）正方向短路時動作，反方向短路時不動作。（2）故障以后加入繼電器的電流和電壓應盡可能數值大一些，并盡可能使接近于最大靈敏角，以提高繼電器動作的靈敏度并

16、減小繼電器的的“電壓死區”。相間短路的功率方向繼電器普遍采用的是接線方式，這種接線方式的三個繼電器分別接于、，、和、。稱其為接線方式是由于在三相對稱情況下，當時，如圖221所示，加入繼電器的電流如和電壓相位相差。這個定義僅僅是為了稱呼的方便，無任何物理意義。圖221 圖222 三段式方向過電流保護的原理接線圖222為采用這種接線方式構成的三相式方向過電流保護的原理接線圖。接線時，必須十分注意繼電器電流線圈和電壓線圈的極性問題，如果有一個線圈的極性接錯時，就會出現正方向短路時拒絕功作，而反方向短路時誤動作的現象。實際上，功率方向繼電器的動作方程（2-30）式就是按這種接線方式推導出的，這種接線對

17、各種兩相短路都沒有死區，因為繼電器加入的是非故障的相間電壓，相間短路時，非故障相電壓值很高；但是對三相短路存在“電壓死區”。廠家生產的用于相間短路的功率方向繼電器般都提供了和兩個內角。實際應用中，選用兩個角中的任一個作為內角都能保證被保護線路上在任何地點發生各種相間短路時，繼電器都能可靠動作1。但是，繼電器動作最靈敏的條件，應根據三相短路時使來決定。因此，對某一已經確定了阻抗角的送電線路而言，應采用以便獲得最大的靈敏度，如線路阻抗角為，那么選用的內角最好。六雙側電源網絡中電流保護整定的特點 在具有兩個以上電源的網絡接線中，必須采用方向性電流保護才能保證各保護之間動作的選擇性。但繼電保護中應用方

18、向元件后，使接線復雜、投資增加；同時保護安裝地點附近正方向發生三相短路時，由于母線電壓降低至零，方向元件將失去判別相位的依據，從而不能動作，其結果是導致整套保護裝置拒動，出現方向保護的“死區”。鑒于上述缺點的存在，方向性電流保護在不失掉動作選擇性的前提下應力求不用方向元件。因此雙側電源網絡中電流保護的整定計算有其自身的特點。1電流速斷保護以圖2-23為例，先分別計算出點和點的最大短路電流和，則保護1、2的電流速斷起動電流應該分別整定為： （2-33）圖223然后將與進行比較，如果，說明保護1反方向點發生短路時，由對側電源提供的短路電流會使其電流速斷誤動作，因此為了保證選擇性，保護1必須裝設方向

19、元件；如果，說明保護1的電流速斷從定值上可靠地躲開了反向短路時流過保護的最大電流，因此保護1就不必裝設方向元件了。同理將與進行比較，可決定其是否可以不裝設方向元件。2限時電流速斷保護 同方向性電流速斷保護一樣，對應用于雙側電源網絡中的限時電流速斷保護，只有當起動電流大于反向短路的最大電流時，才可以不裝設方向元件。而其基本的整定原則仍應與下一級保護的電流速斷相配合，但需考慮保護安裝地點與短路點之間有電源或線路(通稱為分支電路)的影響。(1) 助增電流的影響。如圖224所示，要對保護2的限時電流速斷進行整定，它應與保護1的電流速斷相配合。但是在兩個保護的中間母線上出現了分支電路，分支電路中有電源。此時故障線路中的短路電流將大于，其值為。這種使故障線路電流增大的現象，稱為助增。圖224保護l電流速斷