双侧电源网络相间短路保护

3.3 3.3 双侧电源网络相间短路保护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，或者说线路的始端电源的一侧，或者说线路的始端仅利用相仅利用相间间短路后短路后电流幅值增大的特征电流幅值增大的特征来区分故障与来区分故障与正常运行状态的，以正常运行状态的，以动作电流的大小动作电流的大小和和动作动作时限的长短配合时限的长短配合来保来保证有选择证有选择的切除故障的切除故障问题的提出问题的提出 在发生故障时，它们都是在在发生故障时，它们都是在短路功率从母线流向短路功率从母线流向被保护线路被保护线路的情况下，按选择性的条件来协调配的情况下，按选择性的条件来协调配合工作的合工作的我们有时讲我们有时讲电流的流向通常是指功率的流向电流的流向通常是指功率的流向,电电流的方向是不定的流的方向是不定的,而规定而规定功率从母线流向线路功率从母线流向线路称为正方向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。

现代电力系统都是由许多电源组成的复杂网络例如：例如：在双侧电源网络接线中在双侧电源网络接线中,由于两侧均有电由于两侧均有电源源,因此在每条线路的两侧均需装设断路器和保因此在每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，作跳开断路器以切除故障，这时不会造成停电，这正是这正是双端供电的优点双端供电的优点sEsE12k22kI2kI2kI对电流速断保护的影响对电流速断保护的影响q当当k k1 1点短路时点短路时,按照选择性的要求按照选择性的要求,应由应由保护保护2 2和和保护保护6 6动作切除故障动作切除故障.但由于但由于 供给的短路电流供给的短路电流 也将通也将通过过保护保护1 1.若若保护保护1 1采用电流速断且采用电流速断且 大于保护装置大于保护装置1 1的起动电流的起动电流 ,则则保护保护1 1的电流速断就要误动的电流速断就要误动(母线母线上可能挂有其它分支线路上可能挂有其它分支线路)造成C C变电所全部停电变电所全部停电q同样的分析其它短路点时，对有关的保护装置也能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。

得出相应的结论E1kI1kI1setIEE78654321k1.1kI1IkIABCD(2)(2)对过电流保护的影响对过电流保护的影响EE78654321k1Ik1设设保护保护1-81-8均装设有均装设有过电流保护过电流保护，当线路，当线路k k1 1点点短路时，由电源短路时，由电源 提供的短路电流提供的短路电流I Ik1k1将流过将流过保护保护8 8，7 7，1 1，6 6等，这些地方装设等，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：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 t8E2kIk2E当线路当线路k k2 2点点短路时，由电源短路时，由电源 提供的短路电流提供的短路电流 将流过保护将流过保护4 4，3 3，5 5，2 2等，这些地方装设的过电流保护均要启动，为保证等，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：动作的选择性，需满足：t8 t7 t1 t6 t2 t5 t3 t4k k1 1点点短路时要求短路时要求t t7 7 t t8 8，k k2 2点点短路时要求短路时要求t t8 8 t t7 7 ，显然矛盾！显然矛盾！q分析双侧电源供电情况下所出现的这一新分析双侧电源供电情况下所出现的这一新矛盾矛盾,可以发现可以发现,误动的保护均是在自己所误动的保护均是在自己所保护的线路背后发生故障时保护的线路背后发生故障时,由对侧电源供由对侧电源供给的短路电流所引起的。

对误动的保护而给的短路电流所引起的对误动的保护而言言,实际短路功率的方向都是由线路流向母实际短路功率的方向都是由线路流向母线线(或者说功率的方向为负或者说功率的方向为负)q为了消除这种无选择的动作需要在可能产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生误动的保护上装设一个功率方向闭锁元件.I+I或或q该元件只当短路功率方向由母线流向线路该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，相反则不动作时动作，相反则不动作.v在在正前方正前方发生短路时发生短路时:计算出的功率为正计算出的功率为正,方向元件能够动作方向元件能够动作.v在在背后背后发生短路时发生短路时:计算出的功率为负计算出的功率为负,方向元件能够可靠不动作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的继电器称为功率方向继电器功率方向继电器.方向性电流保护方向性电流保护=电流保护电流保护+功率方向继电器功率方向继电器q对保护对保护1而言而言,当正方向当正方向d1点三相短路时点三相短路时,若短路若短路电流电流 给定正方向是从保护安装处母线流向线路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则它滞后于该母线电压 一个相一个相角角 (为从母线至为从母线至d1点间的线点间的线路阻抗角路阻抗角)其值为其值为 1dIU1d 1d od90011d U1dIEUE21d1.Id1.线路阻抗呈感性，中低压线路阻抗角 。

超高压线路阻抗角o50o60o751d 21dd q当反方向当反方向d2点短路时点短路时,流经流经1的短路电流是的短路电流是 供给供给的的.若仍按规定的正方向观察若仍按规定的正方向观察,则则 滞后于母线电压滞后于母线电压 的相角将是的相角将是 ,其值为其值为如以母线电压如以母线电压 为参考向量为参考向量,并设并设 ,则则 和和 相差相差 .U2180do odoo270)180(18022dIU1dI2dIo180E2dU2dI2dI2180do EE2 21 1d2U.Id2.Id2.故利用判别短路功率方向或电流故利用判别短路功率方向或电流,电压电压之间的相位关系便可判别发生故障的方向之间的相位关系便可判别发生故障的方向.q继电保护中对方向元件（继电器）的基本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，对如果按电工技术中测量功率的概念，对A A相的功率方向继电器，相的功率方向继电器，加入电压加入电压 (=)(=)和电流和电流 (=)(=)，则当正方向，则当正方向d d1 1短路时短路时，继电器中电压、电流之间的相角为继电器中电压、电流之间的相角为:AUAIJUJI11argAJAddAUI反方向反方向d d2 2短路时短路时:如果取如果取 ，可画出相量关系，可画出相量关系 060dBCUCUBUAU1d AI2d AI30o60o022arg180AJAddAUI 3.功率方向继电器的动作特性0240J Jd1PU I cos0J Jd2PU I cos(180)0 当输入电压和电流幅值不变时，方向继电器输出当输入电压和电流幅值不变时，方向继电器输出值随两者间相位角而变化，输出为最大时的相位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角称为继电器的最大灵敏角最大灵敏角 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。

电压与电流间的相位角00sensen+90arg90JJUIsencos()0JJkU Isen继电器的内角asena 其动作方程可表示为：其动作方程可表示为：a r g9 0s e njoJJUeI+1+jsenUI9 0a r g9 0Joos e ns e nJUI或：或：由由cos()0JJJsenP U IargJJJUI当余弦项和当余弦项和UJ、IJ越大时，其值越大时，其值P P也越大，也越大，继电器动作的灵敏度越高，而任一项等于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，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作，这称为方向继电器的“电压死区电压死区”可知：可知：0150J为了减小和消除死区，在实际上广泛采用非故障的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相间电压作为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接入功率继电器的电压参考量，判别电流的相位例如对A A相的相的方向继电器加入电流方向继电器加入电流 和电压和电压 。

此时，此时，当，当正方向短路时，正方向短路时，反方向短路时，反方向短路时，AIBCUargBCJAAUI9030ooJd BCUCUBUAU1d AI2d AI30o60o在这种情况下继电器在这种情况下继电器的最大灵敏角设计为：的最大灵敏角设计为：009030send习惯上采用习惯上采用 ，称为功率方称为功率方向继电器的内角向继电器的内角90od150o电流超前电压电流超前电压电流滞后电压电流滞后电压正方向短路时，能灵敏动作正方向短路时，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具有很小的电压死区以外,其他故障继电器其他故障继电器均无死区均无死区动作方程为动作方程为:arg9 0joJJUeI+1+j以电压为参考，电流以电压为参考，电流超前超前3030度最灵敏度最灵敏 不动作区不动作区030sen.U.I三、集成电路型功率方向继电器三、集成电路型功率方向继电器 原理框图90arg90JjJIeU动作方程：动作方程：90argJjJIeU临界动作条件：0argJjJIeU最灵敏动作条件：经经5050HzHz带通滤波器滤除短路暂态过程中的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。

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由过零触发器形成方波,便于相位比较便于相位比较把把 移相移相 角JU 加入继电器的电压加入继电器的电压 和电流和电流 经电压形经电压形成回路成回路,产生所需电压信号并与二次回路产生所需电压信号并与二次回路隔离JUJI 相位比较回路相位比较回路,比较两个电压瞬时值比较两个电压瞬时值,同时同时为正为正(或同时为负或同时为负)的持续时间当的持续时间当 与与 同相位时同相位时,其瞬时值同时为正的时间等于工其瞬时值同时为正的时间等于工频的半个周期频的半个周期,若为若为5050Hz,Hz,则为则为1010msms.当两者当两者相位差相位差 90 90时时,其瞬时值为正的时间减至其瞬时值为正的时间减至1/41/4周波周波,即即5 5msms.故通过比较两个电压瞬时故通过比较两个电压瞬时值同时为正的时间值同时为正的时间,即可比较相位差即可比较相位差当两当两者相位差为者相位差为9090即同时为正的时间即同时为正的时间55msms,则继电器应动作则继电器应动作,将其信号展宽到将其信号展宽到2020ms,ms,即即一个周波一个周波,即为方向继电器的输出即为方向继电器的输出。

jJeURIJ 正方向任何型式的故障均能动作正方向任何型式的故障均能动作,而反方向而反方向故障则不动作故障则不动作故障后加入继电器的电流故障后加入继电器的电流 和电压和电压 应尽可应尽可能地大些能地大些,并尽可能使并尽可能使 接近于最大灵敏接近于最大灵敏角角 ,以便清除和减少方向继电器的死区以便清除和减少方向继电器的死区senJIJUJ 常见接线方式之一：常见接线方式之一：0接线接线,JAJAUUII,JBJBUUII,JCJCUUIIA相功率方向元件：相功率方向元件：B相功率方向元件：相功率方向元件：C相功率方向元件：相功率方向元件：动作方程：动作方程：90arg90JJIeUsenjABCJAIUarg PA:IA UBCPB:IB UCAPC:IC UAB JABCAACOSUIP JBCABBCOSUIP JCABCCCOSUIPBCAJBIUarg CABJCIUarg 其中其中:为为 超前超前 的角度的角度;为方向继电器固有内角为方向继电器固有内角JA BCUAI 9090o o接线方式接线方式)0(arg1cosAAIU时时当当 在三相对称的情况下，在三相对称的情况下，加入继电器的电流和加入继电器的电流和电压之间的相位角为电压之间的相位角为9090o oAUBUCUBCUAIBICIdJA由于三相对称，三个方向继电器由于三相对称，三个方向继电器工作情况完全一样，故可只取工作情况完全一样，故可只取A A相继电器来分析由图可见相继电器来分析由图可见:JAAIIJABCUU090JAd因为电流超前于电压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，正方向发生三相短路时的向量图如图所示，、表示保护表示保护安装地点的母线电压，安装地点的母线电压，、为三相的短路电流，电流滞后为三相的短路电流，电流滞后对应相电压的角度为线路阻抗角对应相电压的角度为线路阻抗角 。

CUBUAUCIBIAId1)1)正方向发生正方向发生三相三相短路短路A A相继电器的动作条件应为相继电器的动作条件应为:要求要求:0090od当当 要求要求 00018000d当当 要求要求 009090 090d0cos(90)0BCAdUI继电器均能够动作继电器均能够动作 2)2)正方向发生正方向发生两相两相短路短路设设B BC C两相短路两相短路d d(2)(2)BCBC，此时可以有两种极限情况此时可以有两种极限情况 a a）短路点位于保护安装地点附近短路点位于保护安装地点附近，短路阻抗短路阻抗Z Zkk Zs Zs，极限时取极限时取ZsZs=0=0，电流，电流 仍由电势仍由电势 产生，产生，并滞后一个角度并滞后一个角度 ，保护安装地点的电压为，保护安装地点的电压为:BIdAAUEBBBdBkUUI ZEAAUEdBUdCUBBEUBCEBICIdCAUABUCCdCCkUUI ZEBCECCEU2()BCBCkSEEIIZZ JBBIIJBCAUU0120JBd AAUEdBUdCUBBEUBCEBICIdCAUABUCCEU对于对于B B相继电器相继电器:则动作条件应为则动作条件应为:0cos(120)0CABdUIJB0120JCCIIJCABUU000(180120)60JCdd .AAUEdBUdCU.BBEU.BCEBICIdCAUABU.CCEU对于对于C C相继电器相继电器:则动作条件应为则动作条件应为:0cos(60)0ABCkUI01800120JC综合三相和各种两相短路的分析得出综合三相和各种两相短路的分析得出:3060oo090ood当当 时，使故障相方向继电器在时，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：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；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第二，适当地选择继电器的内角后，对线路后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。

上发生的各种故障，都能保证动作的方向性o90d1d212EEq当任一侧区外相邻线路出口处短路时当任一侧区外相邻线路出口处短路时(如如d d1 1或或d d2 2点点),),短路短路电流电流I Id1d1或或I Id2d2要同时流过两侧的保护要同时流过两侧的保护1 1和和2,2,但按选择性要求但按选择性要求,两保护均不应动作两保护均不应动作.因此为了防止保护误动因此为了防止保护误动.max21drelsetIKImax12drelsetIKI曲线曲线由电源由电源E E供给的电流供给的电流.曲线曲线由电源由电源E E供给的电流供给的电流.功率大提功率大提供短路电流供短路电流也大也大EId2Id12setIId1setI从图中可以看出，保护从图中可以看出，保护1 1从定值上就能躲开背后从定值上就能躲开背后d d1 1点短路时的短路电流点短路时的短路电流 两个保护的起动电流应选得相同两个保护的起动电流应选得相同,并按较大的一个短并按较大的一个短路电流进行整定路电流进行整定.例如例如:max.1max.2时ddII则应取则应取:max.22.1.drelsetsetIKII这样这样,整定的结果整定的结果,将使位于小电源侧保护将使位于小电源侧保护2 2的保护范的保护范围缩小围缩小,灵敏度下降灵敏度下降.为解决这一问题为解决这一问题,就需要在保护就需要在保护2 2处装设方向元件处装设方向元件,使使其只当电流从母线流向被保护线路时才动作其只当电流从母线流向被保护线路时才动作.这样这样,保保护护2 2的起动电流就可按躲开的起动电流就可按躲开d d1 1点短路来整定点短路来整定.选择选择:max.12.drelsetIKI这样就增加了保护范围这样就增加了保护范围,同时保证了选择性。

同时保证了选择性保护保护1 1处无需装设方向元件处无需装设方向元件,因为它已从定值上可靠地因为它已从定值上可靠地躲开了反向短路时流过保护躲开了反向短路时流过保护1 1的最大电流的最大电流I Id1d1.maxmaxdIl)(set.2带方向Id1d212EEq对于双侧电源网络中的限时电流速断保对于双侧电源网络中的限时电流速断保护护,其整定原则仍应与下一级的电流速断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保护相配合但要考虑保护安装地点与短路点之间有路点之间有电源或分支线路电源或分支线路的影响由于分支电路由于分支电路中有电源中有电源,故障故障线路中的短路电线路中的短路电流流I IBCBC将大于将大于I IABAB,其值其值:I IBCBC=I=IABAB+I+IABABIABIBC.1s e tI.1s e tI MIset.2I Id这种使故障线路电流增大的现象称为这种使故障线路电流增大的现象称为助增助增.d12IBCIABIAB 助增电流的影响助增电流的影响EEset.2I M M点是保护点是保护2 2电流速电流速断的保护范围末端断的保护范围末端BCABABIIIq保护保护2 2电流速断的整定值仍按躲开相邻线路出口短路整电流速断的整定值仍按躲开相邻线路出口短路整定为定为 .其保护范围末端位于其保护范围末端位于M M点这时流过保护点这时流过保护1 1的电的电流为流为I IABAB.M M,其值小于其值小于I IBCBC.M M(=).(=).因此因此,保护保护1 1的限时速的限时速断的整定值应为断的整定值应为引入分支系数引入分支系数k kfzfzK Kfzfz=故障线路流过的短路电流故障线路流过的短路电流前一级保护所路上流过的短路电流前一级保护所路上流过的短路电流则整定配合点则整定配合点M处处的分支系数为的分支系数为:Kfz=IBC.MIAB.MIset.2IAB.MIAB.M=IBC.MKfzKfz1Iset.2于是于是I”set.1=K”relKfzIset.2(比单侧电源线路比单侧电源线路,在分在分母上多了一个大于母上多了一个大于1 1的分支系数影响的分支系数影响)vI I”变小变小,增大了保护范围增大了保护范围,以与以与I I配合配合.set.2Iset.2Iset.1.IrelA B MKI外汲电流的影响外汲电流的影响21ABIBCIBCIBCI由于分支电路为一并联由于分支电路为一并联线路线路,故障线路中的电流故障线路中的电流I IBCBC将小于将小于I IAB.AB.其关系式为其关系式为:这种使故障线路中电流减这种使故障线路中电流减少的现象少的现象,称为外汲称为外汲.IkIBC2s e tIIAB1s e tI2setIIABIABMM这时分支系数这时分支系数K Kfzfz11 当变电所当变电所B B母线上既有电源又有并联的线路时母线上既有电源又有并联的线路时,分支系数分支系数K KfzfzK Kfzfz最小值最小值计算计算.2.1relsetsetfzKIIKEABBCBCIIIAB12IECE1d345678CD1dI 1dI 当当d d1 1点短路时流过各保护的短路电流点短路时流过各保护的短路电流AB12IECE2d345678CD2dI 2dI 当当d d2 2点短路时流过各保护的短路电流点短路时流过各保护的短路电流l5t6t7t8ttt1t2t3t4tlAB12IECE345678CD假设断路器假设断路器8 8断开，电源断开，电源E 不存在，不存在，则发生短路则发生短路时，保护时，保护1 1，2 2，3 3，4 4的动的动作情况和由作情况和由电源电源E E单独单独供电时一样，供电时一样，它们之间的它们之间的选择性是能选择性是能够保证的。

够保证的如果电源如果电源E E不存在，则保护不存在，则保护5 5，6 6，7 7，8 8由电源由电源E E单独供电，此时它们之间也同单独供电，此时它们之间也同样能够保证动作的选择性样能够保证动作的选择性 若每个若每个保护均保护均装设方装设方向元件向元件则与单则与单侧电源侧电源相同相同过电流保护中，反方向短路一般都是很难从电流整过电流保护中，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，其余都要装方向过电流保护不需要装方向元件外，其余都要装方向元件AB12IECE345678CDq能不用方向元件的地方就尽量不用能不用方向元件的地方就尽量不用!电流速断电流速断,从整定值上躲开反方向的短路从整定值上躲开反方向的短路,可可以不用以不用.限时电流速断要考虑电流助增和汲取的影响限时电流速断要考虑电流助增和汲取的影响.过电流保护过电流保护,从定值上难以躲开从定值上难以躲开,选择合适的选择合适的动作时限保证选择性可以不用动作时限保证选择性可以不用.q只有那些在反方向短路时只有那些在反方向短路时,靠时限不靠时限不能保证选择性的过电流保护能保证选择性的过电流保护,才需装设才需装设方向元件方向元件.。