的多侧电源网络相间短路的方向性电流保护.docx

第二节多侧电源网络相间短路的方向性电流保护
一、方向性电流保护的工作原理
实际的电力系统是由很多电源组成的复杂网络，此时，采用第一节中介绍的三段式电流保护不能满足选择性的要求。

图2－13双侧电源网络接线及保护动作方向的规定
（a）点短路时的电流分布；（b）点短路时的电流分布；（c）各保护动作方向的规定；
例如在图2—13所示的双侧电源网络接线中，每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。因为当线路上发生短路故障时，线路两侧分别流过各侧电源提供的短路电流，如果只在线路的一侧装设断路器和保护装置，实际上并不能真正切除故障。假设保护1、2、3、4的电流速断仍按第一节中的整定原则，其起动电流依据电源单独存在情况下整定；保护5、6、7、8的电流速断依据电源单独存在情况下整定。在图2-13（a）中点发生短路时，按照选择性的要求应该由距故障点最近的保护2和6动作切除故障。然而，由电源供给的短路电流也将通过保护1，如果大于保护1电流速断的起动电流，则保护1的电流速断就要误动作。因此，可以得出这样的结论：在双侧或多侧电源的复杂网络中，采用电流速断不能满足选择性的要求。
那么，此类网络中能否采用定时限过电流保护呢？结论也是否定的。因为当点短路时，要求；但是，当点短路时，又要求。这两个要求是不可能同时得到满足的。
对误动作的保护进行分析可知，误动作的原因是由对侧电源供给的短路电流引起的；此时误动作保护的实际短路功率方向是由线路流向母线的。因此，为了消除双侧电源或多侧电源中三段式电流保护的无选择动作，需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件。该元件当短路功率方向由母线流向线路时动作，开放电流保护；而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，闭锁电流保护。按照上述原理构成的保护就是方向性电流保护，每个保护的规定动作方向（也称为规定正方向）都是指短路功率（或短路电流）由母线流向线路的方向，如图2-13（c）所示。
装设了方向元件以后，可以把双侧电源网拆开看成两个单侧电源网络，这样上一节所讲的三段式电流保护的工作原理和整定计算原则就仍然可以应用了。方向性的过电流保护的单相原理接线如图2—14所示，主要由方向元件（即功率方向继电器）、电流元件（即电流继电器）和时间元件（即时间继电器）组成。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。为了简化接线，同一断路器对应的三段保护可共用一个方向元件。

图2－14方向过电流保护的原理接线图
二、功率方向继电器的工作原理和动作方程
如果短路功率的实际方向是由母线流向线路的，称该短路对于保护来说是正方向短路；反之称为反方向短路，例如图2—13(a)中点短路对保护2、3、6、7是正方向短路；对保护1和5是反方向短路。由此可见，故障的方向可以利用短路功率的方向判断；而短路功率的方向又取决于保护安装处电流、电压之间的相位关系。因此，功率方向继电器的基本原理就是反应于加入继电器中电流和电压的相位而动作。

图2－15方向继电器工作原理的分析
（a）网络接线；（b）点短路向量图；（c）点短路向量图
按电工技术中测量功率的概念，对A相的功率方向继电器应加入电压和电流。下面以图2-15（a）网络中的保护1为例，分析正、反方向短路时，保护安装处电压和电流之间的相位关系，以推导出功率方向继电器的动作方程。当正方向点三相短路时，短路电流滞后母线电压一个相位角，为从母线至点之间的线路阻抗角，其值为，如图2－15（b）所示。因此，功率方向继电器中电压、电流之间的相角可表达为
(2-25)
式中符号arg表示分子的向量超前于分母向量的角度。
当反方向点短路时，通过保护1的短路电流是由电源供给的，对保护1来说，该电流的实际方向是由线路流向母线的。但是，由于保护是以规定正方向观测电流的，因此，此时保护1按规定的电流正方向观测到的将滞后于母线电压，为从该母线至点之间的线路阻抗角，其值为，如图2-15(c)所示。此时，继电器中电压和电流之间的相位可表达为
（2－26）
如以母线电压作为参考向量，并设，则和的相位相差
由以上分析可见，用于反应相间短路的功率方向继电器在加入其上电压超前电流的夹角为时应该动作，而电压超前电流的夹角为时不应动作。
考虑到实际短路时，故障点存在过渡电阻，且保护装置本身具有测量误差，因此为保证正方向发生短路时功率方向继电器能可靠动作，动作角度不能只局限于这一个值，而是应该有一定的角度范围。为了制作方便，这个角度范围通常取为，而位于动作范围中间的那条线就称为功率方向继电器的最大灵敏线，该直线与电流之间的夹角称为最大灵敏角，用表示。
为了让继电器在正方向短路时动作最灵敏，采用上述相电压和相电流接线的功率方向继电器应做成最大灵敏角，其动作角度