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1、3.3 双侧电源网络相间短路保护,一、双侧电源网络相间短路的功率方向,三段式电流保护是以单侧电源网络为基础进行分析的，各保护都安装在被保护线路靠近电源的一侧，或者说线路的始端。仅利用相间短路后电流幅值增大的特征来区分故障与正常运行状态的，以动作电流的大小和动作时限的长短配合来保证有选择的切除故障。,问题的提出,在发生故障时，它们都是在短路功率从母线流向被保护线路的情况下，按选择性的条件来协调配合工作的。我们有时讲电流的流向通常是指功率的流向,电流的方向是不定的,而规定功率从母线流向线路称为正方向。,现代电力系统都是由许多电源组成的复杂网络。例如：在双侧电源网络接线中,由于两侧均有电源,因此在每
2、条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。,当某条线路发生短路时，应由线路两侧保护动作跳开断路器以切除故障，这时不会造成停电，这正是双端供电的优点。,A,C,B,1,2,对电流速断保护的影响,当k1点短路时,按照选择性的要求,应由保护2和保护6动作切除故障.但由于 供给的短路电流 也将通过保护1.若保护1采用电流速断且 大于保护装置1的起动电流,则保护1的电流速断就要误动(母线上可能挂有其它分支线路)。造成C变电所全部停电。同样的分析其它短路点时，对有关的保护装置也能得出相应的结论。,7,8,6,5,4,3,2,1,k1,A,B,C,D,(2)对过电流保护的影响,7,8,6,5,4,3,2,1,k
3、1,Ik1,设保护1-8均装设有过电流保护，当线路k1点短路时，由电源 提供的短路电流Ik1将流过保护8，7，1，6等，这些地方装设的过电流保护均要启动，为保证动作的选择性，需满足：t4 t3 t5 t2 t6 t1 t7 t8,k2,分析双侧电源供电情况下所出现的这一新矛盾,可以发现,误动的保护均是在自己所保护的线路背后发生故障时,由对侧电源供给的短路电流所引起的。对误动的保护而言,实际短路功率的方向都是由线路流向母线(或者说功率的方向为负)。,措施,为了消除这种无选择的动作需要在可能产生误动的保护上装设一个功率方向闭锁元件.,该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，相反则不动作.,方向
4、元件的要求,定义,在正前方发生短路时:计算出的功率为正,方向元件能够动作.,在背后发生短路时:计算出的功率为负,方向元件能够可靠不动作.,用以判别功率方向或测定电流、电压间相位角的继电器称为功率方向继电器.,方向性电流保护=电流保护+功率方向继电器,对保护1而言,当正方向d1点三相短路时,若短路电流 给定正方向是从保护安装处母线流向线路,则它滞后于该母线电压 一个相角(为从母线至d1点间的线路阻抗角)其值为,二、功率方向继电器的工作原理,原理,U,2,1,.,线路阻抗呈感性，中低压线路阻抗角。超高压线路阻抗角,当反方向d2点短路时,流经1的短路电流是 供给的.若仍按规定的正方向观察,则 滞后于
5、母线电压 的相角将是,其值为如以母线电压 为参考向量,并设,则 和 相差.,2,1,U,.,故利用判别短路功率方向或电流,电压之间的相位关系便可判别发生故障的方向.,2.要求,继电保护中对方向元件（继电器）的基本要求:,应具有明确的方向性 即正前方发生各种故障时，能可靠动作,而在反方向故障时，可靠不动作。,故障时继电器的动作有足够的灵敏度。,如果按电工技术中测量功率的概念，对A相的功率方向继电器，加入电压(=)和电流(=)，则当正方向d1短路时，继电器中电压、电流之间的相角为:,反方向d2短路时:,如果取，可画出相量关系,3.功率方向继电器的动作特性,当输入电压和电流幅值不变时，方向继电器输出
6、值随两者间相位角而变化，输出为最大时的相位角称为继电器的最大灵敏角为了在最常见的短路情况下，使继电器动作最灵敏，最大灵敏角应等于在该情况下输入继电器的电压与电流间的相位角。,其动作方程可表示为：,+1,+j,最大灵敏线,或：,不动作区,由,当余弦项和UJ、IJ越大时，其值P也越大，继电器动作的灵敏度越高，而任一项等于零或余弦项为负时，继电器均不能动作。,因此，在其正方向出口附近短路接地时，故障相对地的电压很低，使继电器不能动作，这称为方向继电器的“电压死区”。,可知：,为了减小和消除死区，在实际上广泛采用非故障的相间电压作为接入功率继电器的电压参考量，判别电流的相位。例如对A相的方向继电器加入
7、电流 和电压。此时，当正方向短路时，反方向短路时，,在这种情况下继电器的最大灵敏角设计为：,习惯上采用，称为功率方向继电器的内角。,电流超前电压,电流滞后电压,正方向短路时，能灵敏动作。,除正方向出口附近发生三相短路时，继电器具有很小的电压死区以外,其他故障继电器均无死区。,动作方程为:,+1,+j,最大灵敏线,以电压为参考，电流超前30度最灵敏,不动作区,三、集成电路型功率方向继电器,原理框图,动作方程：,经50Hz带通滤波器滤除短路暂态过程中的非周期分量和各次谐波分量的影响。,由过零触发器形成方波,便于相位比较。,把 移相 角。,加入继电器的电压 和电流 经电压形成回路,产生所需电压信号并
8、与二次回路隔离。,相位比较回路,比较两个电压瞬时值,同时为正(或同时为负)的持续时间当 与 同相位时,其瞬时值同时为正的时间等于工频的半个周期,若为50Hz,则为10ms.当两者相位差 90时,其瞬时值为正的时间减至1/4周波,即5ms.故通过比较两个电压瞬时值同时为正的时间,即可比较相位差。当两者相位差为90即同时为正的时间5ms,则继电器应动作,将其信号展宽到20ms,即一个周波,即为方向继电器的输出。,四、相间短路功率方向继电器的接线方式,对接线方式的要求,正方向任何型式的故障均能动作,而反方向故障则不动作。,故障后加入继电器的电流 和电压 应尽可能地大些,并尽可能使 接近于最大灵敏角,
9、以便清除和减少方向继电器的死区。,接线方式,常见接线方式之一：0接线,A相功率方向元件：,B相功率方向元件：,C相功率方向元件：,动作方程：,PA:IA UBC,PB:IB UCA,PC:IC UAB,其中:为 超前 的角度;为方向继电器固有内角,90o接线方式,采用90接线的动作分析,由于三相对称，三个方向继电器工作情况完全一样，故可只取A相继电器来分析由图可见:,因为电流超前于电压,正方向发生三相短路时的向量图如图所示，、表示保护安装地点的母线电压，、为三相的短路电流，电流滞后对应相电压的角度为线路阻抗角。,1)正方向发生三相短路,A相继电器的动作条件应为:,要求:,当 要求,当 要求,继
10、电器均能够动作,2)正方向发生两相短路,设BC两相短路d(2)BC，此时可以有两种极限情况,a）短路点位于保护安装地点附近，短路阻抗ZkZs（保护 安装处到电源间的系统阻抗），极限时取Zk=0，短路电流 由电势EBC产生，滞后的角度为，电流=-，短路点（即保护安装地点）的电压为:,.,.,.,.,对A相继电器而言，当忽略负荷电流时，因此，继电器不动作,对于B相继电器:,.,.,.,.,则动作条件应为:,对于C相继电器:,.,.,.,.,则动作条件应为:,b）短路点远离保护安装地点，且系统容量很大，此时Zk Zs，极限时取Zs=0，电流 仍由电势 产生，并滞后一个角度，保护安装地点的电压为:,对
11、于B相继电器:,则动作条件应为:,对于C相继电器:,则动作条件应为:,综合三相和各种两相短路的分析得出:,当 时，使故障相方向继电器在一切故障情况下都能动作的条件应为:,接线方式的主要优点是：第一，对各种两相短路都没有死区，因为继电器加入的是非故障的相间电压，其值很高；第二，适当地选择继电器的内角后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。,五、双侧电源网络中电流保护整定的特点,当任一侧区外相邻线路出口处短路时(如d1或d2点),短路电流Id1或Id2要同时流过两侧的保护1和2,但按选择性要求,两保护均不应动作.因此为了防止保护误动.,电流速断保护,曲线由电源E供给的电流.曲线由电源E供
12、给的电流.,功率大提供短路电流也大,Id2,Id1,Id,从图中可以看出，保护1从定值上就能躲开背后d1点短路时的短路电流,两个保护的起动电流应选得相同,并按较大的一个短路电流进行整定.,例如:,则应取:,这样,整定的结果,将使位于小电源侧保护2的保护范围缩小,灵敏度下降.,为解决这一问题,就需要在保护2处装设方向元件,使其只当电流从母线流向被保护线路时才动作.这样,保护2的起动电流就可按躲开d1点短路来整定.,选择:,这样就增加了保护范围,同时保证了选择性。,保护1处无需装设方向元件,因为它已从定值上可靠地躲开了反向短路时流过保护1的最大电流Id1.max,限时电流速断保护,对于双侧电源网络
13、中的限时电流速断保护,其整定原则仍应与下一级的电流速断保护相配合。但要考虑保护安装地点与短路点之间有电源或分支线路的影响。,由于分支电路中有电源,故障线路中的短路电流IBC将大于IAB,其值:IBC=IAB+IAB,IAB,IBC,M,IAB.M,Id,这种使故障线路电流增大的现象称为助增.,d,A,B,1,2,C,IAB,IAB,助增电流的影响,M点是保护2电流速断的保护范围末端,保护2电流速断的整定值仍按躲开相邻线路出口短路整定为.其保护范围末端位于M点这时流过保护1的电流为IAB.M,其值小于IBC.M(=).因此,保护1的限时速断的整定值应为,引入分支系数kfz,则整定配合点M处的分支
14、系数为:,于是,(比单侧电源线路,在分母上多了一个大于1的分支系数影响),I”set.1变小,增大了保护范围,以与Iset.2配合.,外汲电流的影响,A,2,B,1,C,由于分支电路为一并联线路,故障线路中的电流IBC将小于IAB.其关系式为:,这种使故障线路中电流减少的现象,称为外汲.,这时分支系数Kfz1,当变电所B母线上既有电源又有并联的线路时,分支系数Kfz可能大于1也可能小于1.应以配合点Kfz最小值计算.,3.过电流保护,A,B,1,2,I,E,C,E,1,d,3,4,5,6,7,8,C,D,1,d,I,&,当d1点短路时流过各保护的短路电流,假设断路器8断开，电源E 不存在，则发
15、生短路时，保护1，2，3，4的动作情况和由电源E单独供电时一样，它们之间的选择性是能够保证的。,如果电源E不存在，则保护5，6，7，8由电源E单独供电，此时它们之间也同样能够保证动作的选择性,若每个保护均装设方向元件则与单侧电源相同,过电流保护中，反方向短路一般都是很难从电流整定值躲开，而主要决定于动作时限的大小。当一条母线上有多条电源线路时，除动作时限最长的一个过电流保护不需要装方向元件外，其余都要装方向元件。,总结,能不用方向元件的地方就尽量不用!,电流速断,从整定值上躲开反方向的短路,可以不用.,限时电流速断要考虑电流助增和汲取的影响.,过电流保护,从定值上难以躲开,选择合适的动作时限保证选择性可以不用.,只有那些在反方向短路时,靠时限不能保证选择性的过电流保护,才需装设方向元件.,
