第四章電網相間短路的方向電流保護第一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五1、掌握在雙側電源網絡中繼電保護動作帶有方向性的必要性，以及可以省略方向元件的條件。2、掌握方向元件（功率方向繼電器）的工作原理，構造及動作特性。通過型功率方向繼電器的研究，初步弄清反應兩個電氣量的繼電器的基本構成原理—基于兩個電氣量相位比較的原理和基于兩個電氣量幅值比較的原理及其互換性。通過對整流型功率方向繼電器研究，弄清中間電壓變換器和電抗變換器的作用、構造及作原理。3、掌握用于相間短路的功率方向繼電器的典型接線方式—90°接線及其工作分析。4、了解對方向性電流保護的評價。本章基本要求第二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五第一節方向電流保護的工作原理一、引入方向性過電流保護的必要性

如圖所示，當在K1點發生短路時，要求保護3、4動作，斷開3、4兩個斷路器；如在K2點發生短路，要求保護1、2動作，斷開1、2兩個斷路器。對K1點短路，為實現選擇性要求：對K2點短路，為實現選擇性要求：

可見，一般電流保護不能滿足保護選擇性要求。因此，要采用其他方法來解決這個問題。第三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五

方向過流保護是在過流保護基礎上加裝方向元件的保護。在一般過流保護上加一個方向元件（功率方向繼電器），它只有當短路功率由母線流向線路時，才允許保護動作，這樣就解決了過流保護的選擇性問題規定：短路功率的方向從母線指向線路為正方向。第四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五例如，途中K1點發生了短路

K1點短路時，保護1、2、4、6為正方向；保護3和5反方向，不應起動。WL2第五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五WL2上K1點短路時，保護1、3、4、6因短路功率由母線流向線路，故都能啟動，而其中按動作方向時限最短的保護3和4動作，跳開斷路器3、4，將故障線路WL2切除，保護1和6便返回，從而保證了動作選擇性。二、方向過流保護原理接線圖方向過流保護裝置由三個主要元件組成，啟動元件（電流繼電器），功率方向元件（功率方向繼電器）和時限元件（時間繼電器）。工作原理是方向元件KW和啟動元件KA構成與門，二者同時動作才能啟動時間繼電器KT。第六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五三、雙側電源電網線路方向過流保護時限特性四、特殊問題在雙側電源線路上，并不是所有過流保護裝置中都需要裝設功率方向元件，只有在僅靠時限不能滿足動作選擇性時，才需要裝設功率方向元件。第七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五無時限電流速斷保護在原理上用于雙側電源線路時，其動作電流要按同時躲過線路首端和末端短路的最大短路電流，才能保證動作的選擇性。但是，由于線路兩側電源的容量和系統阻抗不同，當在線路發生短路時，兩側電源供給的短路電流大小并不相同，甚至數值相差很大，這時安裝在小電源一側的電流速斷保護范圍就不能滿足靈敏度的要求，甚至可能沒有保護范圍。在這種情況下，小電源一側需要采用方向電流速斷保護，當保護背后發生短路時，利用功率方向元件閉鎖，使保護只根據小電源一側的短路功率方向來動作。因此，這時小電源側方向電流速斷保護只需躲過線路末端短路時通過該保護處的短路電流來整定即可，從而大大提高了保護的靈敏性，滿足保護范圍的要求。第八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五第二節功率方向繼電器一、功率方向繼電器工作原理1、功率方向繼電器的任務——是測量送入繼電器的電壓Ur和電流Ir之間的相位，以判別正、反向故障。目前使用的功率方向繼電器為感應型、整流型和半導體型按相位比較或幅值比較原理構成。整流型繼電器靈敏性好，無電壓死區、調試方便及動作速度快等。2、判斷方向的實質

方向元件（功率方向繼電器）之所以能判別正、反向故障是因為正、反向故障時，保護安裝處的母線殘壓與被保護線路上的電流之間的相位關系不同。方向元件正是根據這種不同來識別正、反向故障的。3、相位比較式功率方向繼電器的工作原理以母線電壓為參考相量，電壓高于地時為正，電流以母線流向線路為正。第九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五第十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五繼電器內角α常取45°或30°。最大靈敏線與電壓Ur之間夾角稱為最大靈敏角，=-α，因為這時Ir超前Ur，所以，是負角度。這個角度α在功率方向繼電器上是人為可調的，有專門的調節旋鈕。其實質是人們與對短路阻抗角的一種粗略估計值有關。第十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五一般來說，上面這個相位比較原理的實現是借助于電壓互感器提供的信號和電流互感器提供的信號構造出其他的復合信號后再設計一個相位比較電路才間接實現的。例如，我們可以構造下面兩個信號來實現相位比較：從而實現或近似實現功率方向繼電器將有望產生最強轉矩，提高功率方向甄別的可靠性。等效只要比較這兩個向量的長短，就可以實現對角度的判別。（按相電壓和相電流信號來理解）（按90°接線方式信號來理解）第十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五二、相位比較原理與幅值比較原理的關系功率方向繼電器的幅值比較的兩個電氣量和，可以通過相位比較的兩個向量和經過線性變換得到：若以為動作量，為制動量。則當UC與UD相位差θ=90°時，，動作量等于制動量，動作的臨界狀態；當θ＜90°時，＞動作量大于制動量，繼電第十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五器處于動作狀態；當θ＞90°時，，動作量小于制動量，繼電器不動作。由上圖可知：即如果已知幅值比較的兩個向量，也可以求得相位比較的兩個向量：三、幅值比較方案幅值比較方案由整流和濾波環節、幅值比較環節、執行元件三個部分構成。1、幅值比較環節①方案1——直接比較式第十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五極化繼電器KP有兩個繞組，其中W1為動作繞組，W2為制動繞組。動作量經整流濾波后產生動作電流I1以帶“●”號極性端子流入W1繞組，產生動作安匝；制動量經整流濾波后產生制動電流I2，從非極性端子流入W2，產生制動安匝。若極化繼電器的動作安匝為(IW)OP，則極化繼電器動作條件為第十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五

ZA：工作回路阻抗；ZB：制動回路阻抗；0.9：有效值轉換為平均值的系數。當ZA=ZB且（IW）OP≈0時(此值大小與是否真的接近0有關：如越近于0，則（IW）OP)就可以設置得大一些，因為此時動作轉矩較大，動作安匝數大些，可以提高可靠性，防止誤動作），繼電器動作條件就等效為：

②方案2—循環電流式比較回路第十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五當Z1=Z2，R1=R2，并滿足Z1+R1=Z2+R2=Z，則極化繼電器動作條件等效為：即動作量UA經整流濾波后得到電流I1，制動量UB經整流濾波后得到電流I2，通過執行元件KP的電流為I1—I2，繼電器的動作電流為Iop.r，則繼電器動作條件為：

I1—I2≥Iop.r。忽略Iop.r時,上式變為第十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五循環電流式比較回路接線簡單，動作靈敏，構造可靠，在實際中得到了廣泛應用。③方案3—均壓式比較回路

執行元件的輸入端m、n所加電壓是兩電氣量和整流電壓的差值，所以稱這種接線方式為均壓式接線。動作量整流濾波后接于電阻R1上，其電壓為U1；制動量整流濾波后接于電阻R2上，其電壓為U2，執行元件的電壓為Umn=U1－U2，若極化繼電器動作電壓為Uop.r，第十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五當Z1=Z2，R1=R2，并忽略Uop.r，則動作條件為四、功率方向繼電器執行元件（極化繼電器）繼電器幅值比較回路中要求動作具有方向性，消耗功率小，動作迅速的直流繼電器作執行元件，目前常用極化繼電器或晶體管零指示器。差分式極化繼電器屬于電磁式直流繼電器。則繼電器動作條件為：第十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五極化繼電器原理結構圖第二十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五五、整流型功率方向繼電器（幅值比較動作的功率方向繼電器）1、GL-11功率方向繼電器的原理圖第二十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五2、GL-11功率方向繼電器的原理

GL-11功率方向繼電器按幅值比較原理制成，故動作方程為。由于上面的相位比較關系中的比較向量和已經知道，根據相位比較原理與幅值比較原理的關系構造出用于執行幅值比較的向量和。第二十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五繼電器內角α常取45°或30°，對應的繼電器最大靈敏度角也有兩個：和。第二十三頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五其實，要選對功率方向繼電器的內角，關鍵是要正確估計線路的短路阻抗角。二者之間的目標關系為：

顯然，是客觀存在的角度，選擇的越能滿足上面的目標關系，就越能使線路發生區間內短路時使功率方向繼電器的執行機構產生最大的轉矩，保證可靠動作。3、對GL-11功率方向繼電器動作條件的要求（動作門檻）①動作條件②動作要求當Ir足夠大時，有，現假設和方向相同，則有：第二十四頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五當電壓Ur足夠大時，使繼電器動作的最小電流為方向繼電器的最小動作電流：由此決定了方向繼電器的最小動作功率，用Sop·min表示：

方向繼電器的最小動作電流、電壓和功率是衡量方向繼電器靈敏性的參數。執行元件越靈敏（U0越小），則KU、KI越大，方向功率繼電器的Iop·min、Uop·min和第二十五頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五Sop·min就越小，方向繼電器也就越靈敏。功率方向繼電器的動作特性：六、LG-11整流型功率方向繼電器電壓死區和潛動

在保護安裝處附近發生金屬性三相短路時，母線殘壓接近于零，此時，繼電器不能可靠動作，使功率繼電器不能可靠動作的靠近保護按裝處這段范圍稱為繼電器的死區。消除死區的方法是在繼電器電壓回路串如入電容C可構成“電壓信號記憶回路”，這就是電壓變換器UV一次繞組的等效電感、電阻一起構成50Hz頻率的串聯諧振回路。這樣，當信號突然降為很小時，電壓回路中的電流卻并不消失，W1上仍然可以得到的電壓信號，這樣，確保在保護安裝處附近發生金屬性三相短路時保護也能動作。（注意：即便如此，也不能保證在非常接近保護安裝處金屬性短路時保護能夠可靠動作。因第二十六頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五為Q不可能很大，通常3～4，太大會使故障較遠時的太大。中的的含義就是，這一點要十分清楚。功率繼電器潛動是指當輸入電壓或輸入電流中只要有一個量輸入繼電器時，繼電器不應動作。實際中，由于比較回路各元件參數不完全對稱，繼電器可能動作，這稱為潛動。潛動分為電壓潛動和電流潛動，正向潛動和反向潛動。潛動的危害表現在保護安裝處正向出口短路時，繼電器可能拒動；反向出口短路時，繼電器可能誤動或靈敏系數降低。消除電流潛動，調整電阻R2,消除電壓潛動，調整電阻R1。第二十七頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五第三節功率方向繼電器的接線方式一、功率方向繼電器的90°接線方式1、對方向繼電器的要求：①正方向任何形式的短路，繼電器都能動作；反方向短路，繼電器不動作。②故障以后，加入繼電器的電流和電壓盡可能大，靈敏度盡可能高。2、反應相間短路的方向繼電器廣泛采用90o接線。所謂90o接線是假設三相電壓對稱且cos=1時，加入方向繼電器的電流和電壓相位相差90o的一種接線方式3、功率繼電器90o接線方式的接線圖和相量圖第二十八頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五第二十九頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五對方向繼電器的接線應注意電流線圈和電壓線圈的極性，極性接反了就會造成正方向短路拒動，反方向短路誤動的后果。二、90o接線方式的特點：1、90o接線方式的主要特點①對各種兩相短路沒有死區。②適當選擇內角α之后，對各種相間短路，都有能保證動作的方向性；且有較高靈敏度。2、90o接線方式的主要缺點①正方向三相出口處發生三相短路時仍然存在電壓死區（雖然電壓信號使用電容起到了對信號的記憶作用）；②保護接線較為復雜，投資增加。三、各種短路情況下線路的阻抗角、向量圖和對功率方向繼電器內角α范圍的限制第三十頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五結論：只要，實際中的功率方向繼電器在各種常見相間短路情況均能可靠動作。為此，GL-11型功率方向繼電器設定了兩個功率方向繼電器內角（30°和45°）可供選擇。第三十一頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五第五節方向過電流保護整定計算一、方向電流速斷保護的整定計算在兩端供電或單電源環形網絡中，同樣可構成瞬時方向電流速斷保護和限時方向電流速斷保護。它們的整定計算可按一般不帶方向的電流速斷保護整定計算原則進行。二、方向過電流保護整定計算的一般方法1、躲開被保護線路中最大負荷電流IL·max，即

式中IL·max——考慮電動機自啟動最大負荷電流。2、躲過非故障相電流整定第三十二頁，共三十六頁，編輯于2023年，星期五①在小接地電流電網中，非故障相電流為負荷電流，保護裝置的動作電流還按躲開被保護線路中最大負荷電流IL·max即可：②大接地電流電網中，非故障相電流Iunf除負荷電流IL外，還包括故障電流的零序分量3I0，可用下式計算：K——非故障相中零序電流與故障相電流的比例系數，單相短路取1/3。同方向保護的數值配合：以保護2、4、6為例，保護4動作電流表示為：配合系數，一般取1.1第三十三頁