子任務1：無時限電流速斷保護（電流I段）

雙側電源網絡的方向電流保護為提高供電的可靠性，可采用雙電源或單電源環形電網供電，單卻帶來新的問題。(1)Ⅰ、Ⅱ段靈敏度可能下降如圖所示，以保護3的I段為例，整定電流應躲過本線路末端短路時的最大短路電流，除了躲過Q母線處短路時M側電源提供的短路電流，還必須躲過P母線背側短路時N側電源提供的短路電流。當兩側電源相差較大且N側電源強于M側電源時，可能使整定電流增大，縮短I段保護的保護區，嚴重時可以導致I段保護喪失保護區。一、電流保護用于雙電源線路時的問題IKN

整定保護3的電流保護II段時也有可能有類似的問題，除了與保護5的I段配合，還必須與保護2的I段配合，可能導致靈敏度下降。圖1兩側電源輻射形電網~××××××~ⅠⅠⅠⅠⅠⅠ216543QF6QF5QF4QF3QF2QF1IKSMNPQk1k2Ⅲ段動作時限采用“階梯特性”，保護P2、P3的Ⅲ段動作時限分別為t2、t3，當k1故障時，保護P2、P3的電流Ⅲ段同時啟動，按選擇性要求應該保護P3動作，即要求t3<t2；而k2故障時，又希望保護P2動作，即要求t3>t2，顯然無法同時滿足兩種情況下后備保護選擇性。(2)無法保證Ⅲ段動作選擇性原因分析：造成電流保護在雙電源線路上應用困難的原因是需要考慮“反向故障”。以圖1兩側電源輻射形電網圖中的3號斷路器的電流保護為分析對象。在K1點短路時流過3號斷路器的電流從母線到線路；在K2點短路時流過3號斷路器的電流從線路到母線。顯然，K2點短路和K1點短路流過3號斷路器的電流從數值上講，都有可能打到保護的動作值。因為電流保護不能判別電流的方向，所以在K1點和K2點短路時3號斷路器的電流保護都有可能動作。在K2點發生短路故障時，N側電源提供的短路電流流過保護3，而如果僅存在電源M，K2點發生短路故障時則沒有短路電流流過保護3，不需要考慮，根據選擇性的要求3號斷路器的保護是不應該動作的，如若動作，這是無選擇性的動作。從保護安裝處看出去，在“母線指向線路”方向上發生的故障成為正向故障，反之稱為反向故障。

為解決選擇性問題，我們在原來的基礎上裝設方向元件（功率方向繼電器）。

當雙側電源網絡上的保護裝設方向元件后，就可以把他們拆開兩個單側電源網絡看待，兩組方向變化保護之間不要求配合關系，其整定計算仍可按單側電源網絡保護原則進行。如下圖2方向電流保護的電流分布和時限特性圖所示。3.方向性保護的概念t8tt4t3t2t1lt5t6t7t(b)~×××××××~~×××××××~E14352×6178E2E14352617E8E2E1E2(a)k1k2

圖2方向電流保護的電流分布和時限特性（a）K1、K2點短路時的電流分布；（b）方向過電流保護的階梯時限特性

從圖2中不難看出，在K1點短路時，通過斷路器3的功率方向也是由母線指向線路，斷路器3的保護也滿足動作條件。斷路器3是斷路器2的上級，斷路器3的保護能反映K1點故障的是帶延時的保護，當K1點故障時，斷路器2在斷路器3之前動作切除故障，故障切除后，斷路器3的保護返回，保證供電的連續性。方向過電流保護的時限特性，如圖2（b）所示。根據以上分析，判別短路功率的方向，是解決電流保護用于雙側電源或單電源環網輸電線路選擇性問題的有效方法。二、方向電流保護的工作原理方向電流保護單相原理圖如圖1所示，其保護裝置由三個主要元件組成，啟動元件（電流繼電器KA用來判別電流的大小）、功率方向元件（功率方向繼電器KW,用來判別功率的方向）和時限元件（時間繼電器KT）。QFTA+KAKWKT+KS+-TV信號圖1方向電流保護單相原理圖

應當指出，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。

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，甚至數值相差較大，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要躲過線路末端短路時通過該保護的短路電流來鑒定即可，從而提高了保護的靈敏性，滿足了保護的要求。

功率方向繼電器的作用是測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，保護安裝處的母線殘壓與被保護線路上的電流之間相位關系不同。方向元件正是根據這種不同來識別正，反方向故障的。正方向故障，功率從母線流向線路時就動作；反方向故障，功率從線路流向母線時不動作。仍以QF3上的保護為分析對象。

功率方向繼電器的結構和工作原理~××××××~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，則方向元件的動作條件可表示為：

式中arg—表示取復數的相角。若相角在式的范圍內時，PK>0功率（電流）是從母線流向線路，繼電器動作；否則不動作。教學重點教學難三、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應能正確反映故障的方向。正方向任何形式短路時，繼電器應動作，反方向短路時，繼電器不動作。②故障后加入繼電器的電流和電壓應盡可能大，正方向故障時應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。m盡量地接近最大靈敏角，以提高繼電器的靈敏度。

教學重點教學難③對于相間短路保護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，是假設在三相對稱且功率因數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教學難功率方向繼電器的90°接線方式.QFI··I··I··t信號＋－KSKTKW1KW2KW3KA1KA2KA3ABCabc由TV二次來說明90°接線的向量圖教學重點教學難四、方向電流保護的整定

方向電流保護的整定有兩個方面的內容，一是電流部分的整定，即動作電流、動作時間與靈敏度的效驗；二是是否需要裝設（投入）方向元件。對于其中電流部分的整定，其原則與前述的三段式電流保護整定原則基本相同。不同的是與相鄰保護的定值配合時，只需要與相鄰的同方向保護的定值進行配合。在兩端供電或單電源環形網絡中，一段、二段電流部分的整定計算可按照一般的不帶方向的電流一段、二段整定計算原則進行。三段整定時則與一般不帶方向的三段整定計算原則有所不同，下面加以說明。（1）三段保護整定①三段保護動作電流。三段動作電流需躲過被保護線路的最大負荷電流，即

式中考慮故障切除后電動機自啟動的最大負荷電流。三段動作電流還需要非故障相的電流為在小接地電流電網中，非故障相電流為負荷電流，只需按照上式進行整定。對于大電流接地系統，非故障相電流除了負荷電流外，還包括零序電流，此時整定動作電流為教學難

另外，三段動作電流需與同方向相鄰三段保護進行靈敏度配合。為確保選擇性，應使得前一段線路保護的動作電流大于后一段線路保護的動作電流，即同方向保護的動作電流，從離電源最遠處開始逐漸增大，這就是與同方向相鄰設備靈敏度的配合。教學難

②三段保護動作時間。方向電流保護三段動作時間按照同方向階梯特性整定，即前一段線路保護的保護動作時間比同方向后一段線路保護的動作時間長。

③保護的靈敏度配合。方向電流保護的靈敏度，主要由電流元件決定，其電流元件的靈敏度效驗方法與不帶方向性的電流保護相同。對于方向元件，一般因為方向元件的靈敏度較高，故不需要效驗靈敏度。現以下圖所示電網為例來說明方向電流保護的整定。在圖中標明了各個保護的動作方向，其中，P1，P3，P5，P7為動作方向相同的一組保護，即同方向保護；P2，P4，P6、P8為同方向保護，于是它們的動作電流、動作時間的配合關系應為：，，教學難

方向元件并非所有保護都需要裝設，只有當反方向故障可能造成保護無選擇性動作時，才需要裝設方向元件。例如在上圖中，若保護3的一段動作電流大于其反方向母線N處短路時的流過保護3的電流，則該一段不需經方向元件閉鎖，反之則應當經方向元件閉鎖：同理保護3的二段動作電流大于其反方向保護2的二段電流，則該二段不需經方向元件閉鎖，反之則應當經方向元件閉鎖，對于母線N處保護3與2，當線路M