大学课件 电力系统继电保护 第二章2-3节

2.2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护2.2.1双侧电源网络相间短路时的功率方向短路功率：指短路时母线电压与线路电流相乘所得到的感性功率。矛盾分析短路功率正方向：一般规定为功率方向由母线流向线路k1点短路时的电流分布k2点短路时的电流分布各保护动作方向的规定分析k1点发生短路流过线路的短路功率方向，是从电源经由线路流向短路点，与保护2、3、4和6、7、8的正方向一致。分析k2点和其它任意点短路，都有相同的特征，即短路功率的流动方向为正，是保护应该动作的方向。短路点两侧的保护只需要按照单电源的配合方式整定配合，即可满足选择性要求。下图所示为方向过电流保护的时限特性。方向性电流保护电流保护方向元件=+利用了电流的幅值特征利用了功率方向的特征其中的方向元件可以判别短路功率的流动方向，只当功率方向为正方向时才动作。2.2.2方向性电流保护的基本原理双侧电源网络接线如下图所示：保护规定的正方向电源EⅡ不存在电源EⅠ不存在两电源同时存在保护1、2、3、4由电源EⅠ单独供电保护5、6、7、8由电源EⅡ单独供电将其看成两个单侧电源网络的保护保护1、2、3、4之间能保证选择性保护5、6、7、8之间能保证选择性保护1、2、3、4反应于电源EⅠ作供给的电流而动作保护5、6、7、8反应于电源EⅡ作供给的电流而动作发生短路时发生短路时每个保护装设功率方向元件方向性继电保护的主要特点----在原有保护的基础上增加一个功率方向判别元件，以保证在反方向故障时把保护闭锁使其不致误动作。具有方向性的过电流保护的单相原理接线如下图所示：方向过电流保护的单相原理接线图由图可见，方向元件和电流元件必须都动作以后才能去起动时间元件，再经过预定的延时后动作于跳闸。KW----方向元件KA----电流元件KT----时间元件2.2.3功率方向判别元件1对功率方向元件的要求以下图所示的网络接线中的保护1为例进行说明：流过保护1的电流Ir滞后母线电压U的相角相量图k1短路Ik1φk1，0°φk190°k2短路负的Ik2180°+φk2，180°180°+φk2270°φk1--母线至k1点之间的线路阻抗角，φk2--从该母线至k2点之间的线路阻抗角，如以母线电压U为参考相量，并设φk1=φk2=φk，则流过保护安装处的电流Ir相位相差180°功率方向元件（继电器）——指用以判别功率或测定电流电压之间的相位角，以判别发生故障的方向的元件（继电器）。对继电保护中方向元件的基本要求是：（1）应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障（包括故障点有过渡电阻的情况）时，能可靠动作，而在反方向故障时，可靠不动作；（2）故障时可靠动作并有足够的灵敏度。2功率方向元件（继电器）的动作特性以A相的功率方向元件为例进行分析：（1）加入的电压Ur=UA，加入的电流Ir=IA。11argArAkkAUI22arg180ArAkkAUI当正方向短路时，元件中电压、电流之间的相角为：当反方向短路时，元件中电压、电流之间的相角为：如果取φk1=φk2=φk=60°，可画出在相量关系如右图所示：正方向故障时，若将电压顺时针旋转60度，则电流、电压相量重合，两者形成的功率最大。对最大灵敏角的整定----一般功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者相位差的大小而改变，为了在最常见的短路情况下使方向元件动作最灵敏，采用上述接线的功率方向元件的最大灵敏角应取：为了保证当短路点有过渡电阻、线路阻抗角φk在0°至90°内变化情况下正方向故障时，继电器都能可靠动作，功率方向元件动作的角度应该是一个范围，考虑实现的方便性，这个范围通常取为φsen±90°。（电流作为参考，电压变化的范围）60senk90arg9090arg90cos()0senjrrrsenrsenrrrrsenUeIUIUI功率方向元件的动作特性如下图所示，在复数平面上是一条直线，阴影部分为动作区。相应动作方程可有如下三种表示方式：当采用刚才提到的功率方向继电器时，即采用的A相功率方向元件输入电压Ur=UA，输入电流Ir=IA，相应的动作方程可表示为UrIrcos(φr–φsen)0时，A相功率方向元件可能会出现“电压死区”问题，如下所示：为了减少和消除死区，在实际应用中广泛采用非故障的相间电压作为接入功率方向元件的电压参考量，判别故障相电流的相位。例如，对于A相功率方向元件，输入的电压Ur=UBC，输入的电流Ir=IA。下面就来分析一下采用这种接法的功率方向元件的动作特性。正方向出口附近A相单相接地短路AB两相接地短路三相接地短路Ur=UA≈0功率方向元件不能动作（2）加入A相的功率方向继电器的电压Ur=UBC，加入的电流Ir=IA。argrABCAUI9030rAk150rA此时正向短路时反向短路时最大灵敏角应设计为：动作特性如下图所示：9030senk动作方程为：(90)90arg90kjrrUeI90k90arg90rrUI或写为：cos()0rrrUIα----称为功率方向继电器的内角相量图正方向出口附近三相短路Ur=UBC≈0继电器有很小的电压死区其他任何包含A相的不对称短路IA的电流很大UBC的电压很高继电器没有死区，且动作灵敏度很高为了减小和消除三相短路时的死区，可以采用电压记忆回路（见教材距离保护部分）并尽量提高继电器动作时的灵敏度。3功率方向判别元件的构成框图按2-37式：90arg90rrUI用相位比较方式构成的集成电路型功率方向元件的框图如下图所示：加入Ur和Ir经过电压形成回路使Ur移相对Urejα,IrR滤波形成方波进行相位比较对Urejα，IrR滤波：Urejα与IrR均经过50Hz带通滤波器，以消除短路暂态过程中非周期分量和各种谐波分量的影响。形成方波：方波形成回路通常采用开环的运算放大器构成，具有很高的灵敏度，其负半周期输出经二极管检波后，变为0V信号。进行相位比较：由与门、或非门、延时5ms、展宽20ms等器件组成的相位比较回路，可对两个方波进行相位比较，当满足（2-37）式的条件后，即输出高电平1态信号，表示继电器动作。经过电压形成回路：加入继电器的电压Ur和电流Ir经过电压形成回路后，变换成适合于运算放大器所需要的电压，并与电压、电流互感器的二次回路相隔离。使Ur移相：使Ur移相α角，以获得相量Urejα。功率方向判别元件的“潜动”问题----所谓潜动是指在只加入电流或只加入电压信号的情况下，继电器就能够动作的现象。发生潜动的最大危害如下：就集成电路型功率方向元件而言，造成潜动的原因主要是形成方波的开环运算放大器的零点漂移。所有的功率方向元件都必须采取措施，可靠地防止潜动的发生。反方向出口处三相短路Ur≈0，Ir很大方向元件本应将保护闭锁保护失去方向性而误动出现潜动2.2.4相间短路功率方向判别元件的接线方式对功率方向判别元件接线方式提出如下要求：（1）正方向任何类型的短路故障都能动作，而当反方向故障时则不动作；（2）故障以后加入继电器的电流Ir和电压Ur应尽可能地大一些，并尽可能使φk接近于最大灵敏角φsen，以便消除和减小方向元件的死区。90°接线方式----功率方向继电器广泛采用的是90°接线方式，它是指在三相对称的情况下，当cosφ=1时，加入继电器的电流和电压相位差90°。下面给出一个采用90°接线方式，即将三个继电器分别接于IA、UBC，IB、UCA和IC、UAB，并且与对应相的过电流继电器按相连接而构成的三相式方向过电流保护的原理接线图。功率方向继电器采用90°接线时，三相式方向过电流保护的原理接线图：顺便指出，对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错时，就会出现正方向短路时拒绝动作，而反方向短路时误动作的现象，从而造成严重事故。1正方向发生三相短路（分析电压电流间的相位关系）正方向发生三相短路时的相量图如下图所示：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相继电器分析，由图可见：三相短路时，对90°接线方式的分析UA、UB、UC----保护安装地点的母线电压IA、IB、IC----三相的短路电流φk----线路阻抗角90rAArABCrAkIIUUcos(90)0(240)BCAkUIA相继电器的动作条件为：一般而言，电力系统任何电缆或架空线阻抗角都位于0°~90°之间，为使方向继电器在任何情况下均能动作，就必须要求（2-40）式始终大于0，为此应选择0°α90°之间才能满足。2正方向发生两相短路第一种极端情况：如左图所示，设B-C两相短路，此时可有两种极端情况：第一种：短路点位于保护安装点附近，短路阻抗ZkZS（保护安装处到电源中性点间的系统阻抗），极限时取Zk=0。第二种：短路点远离保护安装地点，且系统容量很大，此时ZkZS，极限时取ZS=0。22AkAABkBACkCAUUEUUEUUEcos(90)0090CABkUIcos(90)0090ABCkUI相量图保护安装点电压继电器动作条件及对应α范围B相C相第二种极端情况：备注：1、A相为非故障相，当忽略负荷电流时，流入A相继电器的电流近似为0，A相继电器不动作。2、“对应α范围”指当0°φk90°时使继电器动作的内角α的取值范围。AABkBBkBCkCCkCUEUUIZEUUIZEcos(120)030120CABkUIcos(60)03060ABCkUI保护安装点电压继电器动作条件及对应α范围B相C相3060CACAUEABABUE综合三相和各种两相短路的分析得出，当0°φk90°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30°α60°。对某一已经确定了阻抗角的送电线路而言，应采用α=90°－φk，以便短路时获得最大的灵敏角。90°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含非故障相的相间电压，其值很高；第二、选择继电器的内角α=90°－φk后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。2.2.5方向性电流保护的应用特点在方向性电流保护应用时，如果能用电流整定值或动作时限保证选择性，就不加方向元件。另外，由于有多个电源存在，短路点到电源之间的线路上流过的短路电流大小可能不同，上下级保护的整定值配合出现新问题。1电流速断保护可以取消方向元件的情况在电流速断保护中：原则能用电流整定值保证选择性的，尽量不加方向元件；线路两端的保护，能在一端加方向元件后满足选择性要求的，不在两端加方向元件。曲线1是由电源EⅠ供给短路点的电流曲线2是由电源EⅡ供给短路点的电流保护1、2未装方向元件K1短路K2短路.11max.21maxIsetkIsetkIIII.12max.22maxIsetkIsetkIIII2max1maxkkII.1.22maxIIIsetsetrelkIIKI保护1、2均不应动作保护1、2均不应动作当这样整定的结果，虽然保证了选择性，但使位于小电源侧保护2的保护范围缩小。当两端电源容量的差别越大时，对保护2的影响就越大。2限时电流速断保护整定时分支电路的影响双侧电源网络中的限时电流速断保护需要考虑保护安装地点与短路点之间有电源或线路（通常称为分支电路）的影响。引入分支系数，其定义为：保护2装设方向元件保护1的整定如前所述，由于它从定值上已经可靠地躲开了反方向短路时流过保护的最大电流，所以保护1处无需装设方向元件。保护2装设方向元件其起动电流可按躲开正方向k1点短路来整定.21maxIIsetrelkIKI如图中的虚线所示，其保护范围较前增加了很多。bK故