1、继电保护原理继电保护原理第四章第四章 电网相间短路的方向电网相间短路的方向电流保护电流保护中国电力出版社中国电力出版社本章基本要求本章基本要求1、掌握在双侧电源网络中继电保护动作带有方向性的必要性，以及可以省略方向元件的条件。2、掌握方向元件（功率方向继电器）的工作原理，构造及动作特性。通过型功率方向继电器的研究，初步弄清反应两个电气量的继电器的基本构成原理基于两个电气量相位比较的原理和基于两个电气量幅值比较的原理及其互换性。通过对整流型功率方向继电器研究，弄清中间电压变换器和电抗变换器的作用、构造及作原理。3、掌握用于相间短路的功率方向继电器的典型接线方式90接线及其工作分析。4、了解对方向
2、性电流保护的评价。中国电力出版社一、为什么在电流保护中装设方向性元件？（一、为什么在电流保护中装设方向性元件？（必要性必要性）在在双侧电源电网双侧电源电网或或单侧电源环形网单侧电源环形网中：中：1、对于、对于I段保护，这时为了使保护在区外故障时不误动，其整段保护，这时为了使保护在区外故障时不误动，其整定值不仅要躲过本线路末端短路时流经保护的最大短路电流，定值不仅要躲过本线路末端短路时流经保护的最大短路电流，而且要躲过保护反方向故障时流经本保护的最大短路电流。而且要躲过保护反方向故障时流经本保护的最大短路电流。2、对于、对于II段保护，这时不仅要下相邻下一线的第段保护，这时不仅要下相邻下一线的第
3、I段配合，而且段配合，而且还要与其在同一母线下的各条出线的第还要与其在同一母线下的各条出线的第I段相配合。段相配合。3、对于、对于III段保护，这时仅靠时限的配合已无法获得选择性。段保护，这时仅靠时限的配合已无法获得选择性。上述问题的产生，皆因双侧电源电网和环形电网中，在保护安上述问题的产生，皆因双侧电源电网和环形电网中，在保护安装处反方向短路时，有可能使保护动作的缘故。装处反方向短路时，有可能使保护动作的缘故。于是，为了解决上述问题，我们提出在原有的电流保护基础上，于是，为了解决上述问题，我们提出在原有的电流保护基础上，加装一个能判断故障方向的元件即功率方向继电器。加装一个能判断故障方向的元
4、件即功率方向继电器。中国电力出版社3245,tt tt2345,tt tt如图如图4-1所示，当在所示，当在K1点发生短路时，要求保护点发生短路时，要求保护3、4动作，断动作，断开开3、4两个断路器；如在两个断路器；如在K2点发生短路，要求保护点发生短路，要求保护1、2动作，动作，断开断开1、2两个断路器。两个断路器。对对K1点短路，为实现选择性要求：点短路，为实现选择性要求：对对K2点短路，为实现选择性要求点短路，为实现选择性要求：可见，一般电流保护不能满足保护选择性要求。因此，要采可见，一般电流保护不能满足保护选择性要求。因此，要采用方向电流保护来解决这个问题。用方向电流保护来解决这个问题
5、。1K2K中国电力出版社2P3P中国电力出版社中国电力出版社规定：短路功率的方向从母线指向线路规定：短路功率的方向从母线指向线路为正方向。为正方向。K1点短路时，保护点短路时，保护1、2、4、6为正方为正方向；保护向；保护3和和5反方向，不应起动。反方向，不应起动。1K20,30PP10P 40P 50P60P 中国电力出版社 电流保护方向性问题电流保护方向性问题的提出的提出二、电流方向保护的基本工作原理二、电流方向保护的基本工作原理1 1、加装方向性元件、加装方向性元件2G2G1G1G2G中国电力出版社n 如图如图4-1（a）两侧电源供电的辐射形电网中，）两侧电源供电的辐射形电网中，16均为
6、方向过流保护，其中保护均为方向过流保护，其中保护1、3和和5为为一组，一组，2、4和和6为另一组，各同方向保护间的为另一组，各同方向保护间的时限配合仍按阶梯原则来整定。时限配合仍按阶梯原则来整定。1t3t4t5t2t6tt双侧电源电网线路方向过流保护时限特性双侧电源电网线路方向过流保护时限特性中国电力出版社 图4-2 双侧电源电网线路方向过流保护的时限特性G11QFk22QF3QFk14QF5QF6QFG2124356t1t2t3t4t5t6tttttWL1WL2WL3图4-2中国电力出版社 WL2上K1点短路时，保护1、3、4、6因短路功率由母线流向线路，故都能启动，而其中按动作方向时限最短
7、的保护3和4动作，跳开断路器3、4，将故障线路WL2切除，保护1和6便返回，从而保证了动作选择性。1K2KI1KI中国电力出版社 WL1上上K2点短路时，只有保护点短路时，只有保护1、2、4和和6能启动，其中按动作方向时限最短的保护能启动，其中按动作方向时限最短的保护1和和2动作，跳开断路器动作，跳开断路器1和和2，将故障线路，将故障线路WL1切除，保护切除，保护4和和6便返回，同样保证了便返回，同样保证了动作的选择性。动作的选择性。2K1KI2KI中国电力出版社 方向过流保护装置由三个主要元件组成，启动元方向过流保护装置由三个主要元件组成，启动元件（电流继电器），功率方向元件（功率方向继件（
8、电流继电器），功率方向元件（功率方向继电器）和时限元件（时间继电器）。工作原理是电器）和时限元件（时间继电器）。工作原理是方向元件方向元件KW和启动元件和启动元件KA构成与门，二者同时构成与门，二者同时动作才能启动时间继电器动作才能启动时间继电器KT。Q FTVY RQ FK AK WK TTAIPK S去信号中国电力出版社l 在双侧电源线路上，并不是所有过流保护装置中都需要装在双侧电源线路上，并不是所有过流保护装置中都需要装设功率方向元件，只有在仅靠时限不能满足动作选择性时，设功率方向元件，只有在仅靠时限不能满足动作选择性时，才需要装设功率方向元件。才需要装设功率方向元件。l无时限电流速断保
9、护在原理上用于双侧电源无时限电流速断保护在原理上用于双侧电源线路时，其动作电流要按同时躲过线路首端和线路时，其动作电流要按同时躲过线路首端和末端短路的最大短路电流，才能保证动作的选末端短路的最大短路电流，才能保证动作的选择性。但是，由于线路两侧电源的容量和系统择性。但是，由于线路两侧电源的容量和系统阻抗不同，当在线路发生短路时，两侧电源供阻抗不同，当在线路发生短路时，两侧电源供给的短路电流大小并不相同，甚至数值相差很给的短路电流大小并不相同，甚至数值相差很大，这时安装在小电源一侧的电流速断保护范大，这时安装在小电源一侧的电流速断保护范围就不能满足灵敏度的要求，甚至可能没有保围就不能满足灵敏度的
10、要求，甚至可能没有保护范围。护范围。中国电力出版社l 在这种情况下，小电源一侧需要采用方向电流速在这种情况下，小电源一侧需要采用方向电流速断保护，当保护背后发生短路时，利用功率方向断保护，当保护背后发生短路时，利用功率方向元件闭锁，使保护只根据小电源一侧的短路功率元件闭锁，使保护只根据小电源一侧的短路功率方向来动作。因此，这时小电源侧方向电流速断方向来动作。因此，这时小电源侧方向电流速断保护只需躲过线路末端短路时通过该保护处的短保护只需躲过线路末端短路时通过该保护处的短路电流来整定即可，从而大大提高了保护的灵敏路电流来整定即可，从而大大提高了保护的灵敏性，满足保护范围的要求。性，满足保护范围的
11、要求。中国电力出版社一、功率方向继电器工作原理一、功率方向继电器工作原理功率方向继电器的任务是测量送入继电器功率方向继电器的任务是测量送入继电器的电压的电压Ur和电流和电流Ir之间的相位，以判别正、之间的相位，以判别正、反向故障。反向故障。目前使用的功率方向继电器为感应型、整目前使用的功率方向继电器为感应型、整流型和晶体型。整流型继电器灵敏性好，流型和晶体型。整流型继电器灵敏性好，无电压死区、调试方便及动作速度快等无电压死区、调试方便及动作速度快等。功率方向继电器有感应型、整流型和半导功率方向继电器有感应型、整流型和半导体型，按相位比较或幅值比较原理构成。体型，按相位比较或幅值比较原理构成。中
12、国电力出版社中国电力出版社 功率方向继电器的任务是测量送入继电器功率方向继电器的任务是测量送入继电器的电压的电压Ur和电流和电流Ir之间的相位，以判别正、之间的相位，以判别正、反向故障。反向故障。目前使用的功率方向继电器为感应型、整目前使用的功率方向继电器为感应型、整流型和晶体型。整流型继电器灵敏性好，流型和晶体型。整流型继电器灵敏性好，无电压死区、调试方便及动作速度快等优无电压死区、调试方便及动作速度快等优点点。中国电力出版社判断方向的实质判断方向的实质1K2KresU1KI1k2kI11rk21180rk中国电力出版社1rI以母线电压以母线电压 为参考相量，电压高于地时为正，电为参考相量，
13、电压高于地时为正，电流流 以母线流向线路为正。以母线流向线路为正。当保护正方向（当保护正方向（K1）短路时：电流）短路时：电流 为正，为正，滞后滞后 相角相角 。=（0 90)。短路功率短路功率 r10；当保护反方向当保护反方向K2点发生短路时，点发生短路时，（0 90，180 270)。短路功率短路功率PK2=UrIr2cos 0。1rIrU1rI1r1krU1r1r22180rk2k2r2r1r中国电力出版社继电器动作继电器动作的临界情况的临界情况是一条与相是一条与相量量r2=180+kI r1r=kU rIr2非动作区动作区U rIr最 大 灵 敏 线m图4-6rU相垂直的相垂直的直线，
14、通直线，通常称为功常称为功率方向继率方向继电器的动电器的动作特性作特性。90arg90(4 1)rrUI中国电力出版社 在实际应用中，为适应判别各种正方向短路故障时，功率在实际应用中，为适应判别各种正方向短路故障时，功率方向继电器的测量功率最大，具有最好的灵敏性，继电器方向继电器的测量功率最大，具有最好的灵敏性，继电器中应有可以调整的内角中应有可以调整的内角，这时功率方向继电器的动作方，这时功率方向继电器的动作方程为：程为：（90+）arg （90）（）（4-2）或或 90arg 90（4-3）rrUIjarrU eI中国电力出版社rUrI最灵敏线动作区制动区m动作区：90m中国电力出版社 当
15、电流相量当电流相量Ir垂直于动作特性时，功率方向继电器的动作最垂直于动作特性时，功率方向继电器的动作最灵敏，这一位置称为最大灵敏线，最大灵敏线与电压灵敏，这一位置称为最大灵敏线，最大灵敏线与电压Ur之间之间夹角夹角 称为最大灵敏角，称为最大灵敏角，=-，因为这时，因为这时Ir超前超前Ur，所，所以，以，是负角度。是负角度。功率方向继电器可以直接比较电气量功率方向继电器可以直接比较电气量Ur和和Ir之间的相位，也之间的相位，也可以间接比较电气量可以间接比较电气量Ur和和Ir的线性函数的线性函数 Uc和和 UD之间相角来之间相角来构成。构成。mmmrIDrUCIKUUKU90 arg90(45)C
16、DUU中国电力出版社 功率方向继电器的幅值比较的两个电气量UA和UB，可以通过UC和UD经过线性变换得到：DCBDCAUUUUUU909090中国电力出版社AU 若以为若以为 动作量，动作量，为制动量。则当为制动量。则当UC与与UD相位相位差差=90时，时，=,动作量等于制动量动作量等于制动量,动作的动作的临界状态；当临界状态；当90时，时，动作量大于动作量大于制动量，继电器处于动作状态；当制动量，继电器处于动作状态；当90时，时，动作量小于制动量，继电器不动作。，动作量小于制动量，继电器不动作。AUAUBUAUBUBUBUrIrUBrIrUAIKUKUIKUKU)(21)(21BADBACU
17、UUUUU中国电力出版社三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路l 幅值比较回路是由整流和滤波、幅值比较、执行幅值比较回路是由整流和滤波、幅值比较、执行元件三个单元构成的。元件三个单元构成的。l 1、直接比较式比较回路、直接比较式比较回路l 极化继电器极化继电器KP有两个绕组，其中有两个绕组，其中W1为动作绕组，为动作绕组，W2为制动绕组。为制动绕组。l 动作量经整流滤波后产生动作电流动作量经整流滤波后产生动作电流I1以带以带“”号号极性端子流入极性端子流入W1绕组，产生动作安匝；制动量经绕组，产生动作安匝；制动量经整流滤波后产生制动电流
18、整流滤波后产生制动电流I2，从非极性端子流入，从非极性端子流入W2，产生制动安匝。若极化继电器的动作安匝为，产生制动安匝。若极化继电器的动作安匝为(IW)，则极化继电器动作条件为，则极化继电器动作条件为中国电力出版社三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路241122120.90.9B bacopABopAIWI WIWUUWWIWZZ中国电力出版社三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路中国电力出版社opBBAAopIWWZUWZUIWWIWI)(9.09.0)(2122110BA
19、UUZA：工作回路阻抗；：工作回路阻抗；ZB：制动回路阻抗；：制动回路阻抗；0.9：有效值转换为平均值的：有效值转换为平均值的系数。系数。当当ZA=ZB且（且（IW）OP0时，继电器动作条件为时，继电器动作条件为 中国电力出版社三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路12II中国电力出版社 动作量动作量UA经整流滤波后得到电流经整流滤波后得到电流I1，制动量，制动量UB经整流滤波后得到电流经整流滤波后得到电流I2，通过执行元件，通过执行元件KP的电流为的电流为I1I2，继电器的动作电流为，继电器的动作电流为Iop.r，则，则继电器动作条件
20、为继电器动作条件为I1I2Iop.r，即，即 当当Z1=Z2，R1=R2，并满足，并满足Z1+R1=Z2+R2=Z，则极化继，则极化继电器动作条件为：电器动作条件为：ropBAropBAUUUZIUU.9.0 中国电力出版社 忽略忽略Iop.r时时,上式变为上式变为 循环电流式比较回路接线简单，在执行元循环电流式比较回路接线简单，在执行元件的输入端，当动作电流小时，制动侧整件的输入端，当动作电流小时，制动侧整流桥流桥U2中二极管正向电阻大，分流小，故中二极管正向电阻大，分流小，故有较高的灵敏性。而当动作电流大时，上有较高的灵敏性。而当动作电流大时，上述二极管又能限幅，起到保护执行元件的述二极管
21、又能限幅，起到保护执行元件的作用，因此这种比较回路使用广泛。作用，因此这种比较回路使用广泛。0ABUU中国电力出版社三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路三、幅值比较回路mn中国电力出版社 执行元件的输入端执行元件的输入端m、n所加电压是两电气量、所加电压是两电气量、整流电压的差值，所以称这种接线方式为均整流电压的差值，所以称这种接线方式为均压式接线。动作量整流滤波后接于电阻压式接线。动作量整流滤波后接于电阻R1上，上，其电压为其电压为U1；制动量整流滤波后接于电阻；制动量整流滤波后接于电阻R2上，其电压为上，其电压为U2，执行元件的电压为，执行元件的
22、电压为Umn=U1U2，若极化继电器动作电压为，若极化继电器动作电压为Uop.r，则继电器动作条件为：，则继电器动作条件为：中国电力出版社ropBAropURZRURZRUUUU.222111.219.09.00ABUU中国电力出版社 继电器幅值比较回继电器幅值比较回路中要求动作具有路中要求动作具有方向性，消耗功率方向性，消耗功率小，动作迅速的直小，动作迅速的直流继电器作执行元流继电器作执行元件，目前常用极化件，目前常用极化继电器或晶体管零继电器或晶体管零指示器。差分式极指示器。差分式极化继电器属于电磁化继电器属于电磁式直流继电器。式直流继电器。?16_43+Wr?rNS2?21215WrIr
23、图4-11?16_43+Wr?rNS2?21215WrIr图4-11r12r中国电力出版社 极化继电器是由绕组极化继电器是由绕组,永久磁铁永久磁铁,可动舌片可动舌片,接接点点,铁芯等组成。其主铁芯等组成。其主要特点要特点:是继电器的可是继电器的可动舌片处于两个磁通动舌片处于两个磁通的作用之下，一个是的作用之下，一个是由线圈的电流产生的由线圈的电流产生的工作磁通，另一个是工作磁通，另一个是由永久磁铁产生的极由永久磁铁产生的极化磁通。化磁通。?16_43+Wr?rNS2?21215WrIr图4-11r12r中国电力出版社 当线圈没有电流时当线圈没有电流时:2 1,舌片被舌片被吸引向右边，接点断开吸
24、引向右边，接点断开.当线圈中通以电流当线圈中通以电流Ij 时时:1 2 时，舌片被吸向左侧磁极，时，舌片被吸向左侧磁极，继电器触点闭合，对应此时所加入的电流，继电器触点闭合，对应此时所加入的电流，即为继电器的起动电流继电器动作以后即为继电器的起动电流继电器动作以后:逐逐渐减小工作电流，则渐减小工作电流，则1 减小，减小，2 增加，增加，当当21 时，则舌片又被吸向右侧磁极，时，则舌片又被吸向右侧磁极，继电器返回，当继电器线圈通入相反方向继电器返回，当继电器线圈通入相反方向的电流时，的电流时，1 的磁通更减小，的磁通更减小，2的磁通的磁通更增加，继电器不动作。结论：该继电器更增加，继电器不动作。
25、结论：该继电器的动作具有方向性。的动作具有方向性。中国电力出版社五、整流型功率方向继电器五、整流型功率方向继电器1.继电器的原理及动作区按幅值比较原理构成的，故动作方程为 即 根据幅值比较和相位比较互换关系有ABUUrIrUrIrUIKUKIKUK)90()90(90)(90aaarr)90(arg)90(90arg90aIUaIKUKrrrIrU中国电力出版社 LG-11功率方向继电器功率方向继电器2、整流型功率方向继电器工作原理制动回路工作回路()()()()()()()U XW1W2动 作 回 路R2U I5Ir6W4IrKIUAU 2KUUrW2W1KUUrW3U VW3KIIr制 动
26、 回 路78UrR33 0R44 5X BUA=KIIr+KUUrU IC2R5R69K PC4C2C31 01 1K PR7C51 2UB=Ir-UrKIKU(b)(a)整流型功率方向继电器的接线图整流型功率方向继电器的接线图中国电力出版社 临界动作条件为垂直于最大灵敏线且过原点的直线，临界动作条件为垂直于最大灵敏线且过原点的直线，动作区在带有阴影的半平面范围，最大灵敏线为超动作区在带有阴影的半平面范围，最大灵敏线为超前前Ur相角相角a的一条直线。的一条直线。0)cos(aIUrrrrIrU最灵敏线90ra 90raaIUUrK UIrK I rUrIa中国电力出版社2、整流型功率方向继电器
27、工作原理、整流型功率方向继电器工作原理 电流电流Ir的相位可以改变，的相位可以改变，Ir 顺时针旋转落在动作边顺时针旋转落在动作边界线界线AB直线上时直线上时 ，是继电器动作下，是继电器动作下边界，边界，Ir逆时针转到直线逆时针转到直线AB上时，上时，为继为继电器动作上边界。当电器动作上边界。当Ir落在动作区内，继电器动作。落在动作区内，继电器动作。当电流当电流Ir落在最大灵敏线上，即落在最大灵敏线上，即 电压分量电压分量 与超前与超前Ur相角相角90的电压分量的电压分量 同相位，此时同相位，此时动作量最大，制动量最小，故继电器最灵敏，所动作量最大，制动量最小，故继电器最灵敏，所以称以称 为方
28、向继电器的最大灵敏角。为方向继电器的最大灵敏角。(90)ra 90rama IrK IrUUK中国电力出版社3、最小动作功率、最小动作功率rmUrIraK UK I 时，与同相位，则 0UrIrIrUrK UK IK IK UU0minmin2rOPOPUUUUUK代入上式，则得0IrIrrrUUK UK IK UK IU 0UrIrUrIrK UK IK UK IU中国电力出版社0OPminOP.minIr II2IUK.将=代 入 上 式，则：u幅值比较原理方向继电器的最小动作功率，用幅值比较原理方向继电器的最小动作功率，用Sopmin表示：表示：u方向继电器的最小动作电流、电压和功率是衡
29、量方向继电器的最小动作电流、电压和功率是衡量方向继电器灵敏性的参数。执行元件越灵敏（方向继电器灵敏性的参数。执行元件越灵敏（U0越小），则越小），则KU、KI越大，方向功率继电器的越大，方向功率继电器的Iopmin、Uopmin和和Sopmin就越小，方向继电器也就越灵敏。就越小，方向继电器也就越灵敏。功率方向继电器的动作特性：功率方向继电器的动作特性：20.min.min.min4opopopUIUSUIK K0)cos(aIUrrr中国电力出版社l在保护安装处附近发生金属性三相短路时，在保护安装处附近发生金属性三相短路时，母线残压接近于零，此时，继电器不能可母线残压接近于零，此时，继电器不
30、能可靠动作，使功率继电器不能可靠动作的靠靠动作，使功率继电器不能可靠动作的靠近保护按装处这段范围称为继电器的死区。近保护按装处这段范围称为继电器的死区。消除死区的方法是在继电器电压回路串如消除死区的方法是在继电器电压回路串如入电容入电容C，以便和电压变换器，以便和电压变换器UV一次绕组一次绕组的等效电感、电阻一起构成的等效电感、电阻一起构成50Hz频率的串频率的串联谐振回路。联谐振回路。中国电力出版社l 功率继电器潜动是指当输入电压或输入电流中只功率继电器潜动是指当输入电压或输入电流中只要有一个量输入继电器时，继电器不应动作。实要有一个量输入继电器时，继电器不应动作。实际中，由于比较回路各元件
31、参数不完全对称，继际中，由于比较回路各元件参数不完全对称，继电器可能动作，这称为潜动。电器可能动作，这称为潜动。l 潜动分为电压潜动和电流潜动，正向潜动和反向潜动分为电压潜动和电流潜动，正向潜动和反向潜动。潜动的危害表现在保护安装处正向出口短潜动。潜动的危害表现在保护安装处正向出口短路时，继电器可能误动；反向出口短路时，继电路时，继电器可能误动；反向出口短路时，继电器可能拒动或灵敏系数降低。消除电流潜动，调器可能拒动或灵敏系数降低。消除电流潜动，调整电阻整电阻R2,消除电压潜动，调整电阻消除电压潜动，调整电阻R1。中国电力出版社 3 作业布置 99页习题页习题4-1、4-8、4-9 预习第四章预习第四章4-3节，节，4-4节节本节内容结束本节内容结束
