第二节 电网相间短路的方向性电流保护
一. 问题的提出
双电源多电源和环形电网供电更可靠,但却带来新问题。
对电流速断保护：d1处短路，
d2处短路，
对过电流保护：d1处短路，
d2处短路，
有选择性，但是产生了矛盾。上述矛盾的要求不可能同时满足。
原因分析：反方向故障时对侧电源提供的短路电流引起误动。
解决办法：加装方向元件——功率方向继电器。仅当它和电流测量元件均动作时才启动逻辑元件。这样双侧电源系统保护系统变成针对两个单侧电源子系统。
保护1、3、5只反映由左侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配 合。而保护2、4、6仅反映由右侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合，矛盾得以解决。
二、功率方向继电器的工作原理
电流规定方向：从母电流向线路为正。
电流本身无法判定方向，需要一个基准——电压。
d1处短路 d2处短路
因此：利用判别短路功率方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。
实现：
1、最大灵敏角：在UJ、IJ幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者之间的相位差的大小而改变。当输出为最大时的相位差称最大灵敏角 。
2、 动作范围：
动作方程：
或
3、 动作特性:
当 线路发生三相短路
所以
4、 死区：当正方向出口短路时， ，GJ不动——电压死区。
消除办法：采用90度接线方式，加记忆回路。
三、幅值比较原理和相位比较原理及其互换关系
对于比较两个电气量的继电器，可按幅值比较原理或相位比较原理来实现。
幅值比较原理：
相位比较原理：
用四边形法则来分析它们之间的关系：
或
可见，幅值比较远路与相位比较原理之间具有互换性。
注： 1 必须是同一频率的正弦交流量
2 相位比较原理的动作边界为
四、LG－11整流型功率方向继电器
它是按幅值比较原理来实现的：
1、 构成：
① 电压形成回路：由DKB、YB组成：
R1、R2——消除潜动、调整平衡。
C1——与YB的励磁电抗形成谐振，使超前90o,其记忆作用用于消除死区，记忆时间为几十毫秒；
② 比较回路：
由半导体整流桥BZ1,BZ2组成的环流是比较回路。
③ 执行元件——极化继电器J,非常灵敏
标记“＊”，当电流从＊端流入时，J动作，反之则不动。
时，J动作；
2、 动作方程：
3、 动作特性：
――内角（由继电器决定）
4、 死区：
虽然J的动作功率很小，但 ———最小工作电压。
当出口接地短路时， ，GJ不动作——死区。
在记忆时间内消除死区。
5、 角度特性：
当IJ为常数时，动作电压UJ与φJ之间的关系曲线，以α＝
30º为例：
当φJ＝－α＝－30º时，继电器的动作电压最小，J最灵敏。
J动作范围：以φJ＝－30º为中心的 90º的区域，即图中阴影区。
6、 潜动：
从理论上讲，当 或 时，J不动。
但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有 或 时，J动作,即潜动。
仅有 时动，叫电压潜动，仅有 时动，叫电流潜动
潜动对保护的影响：
对正方向接地短路时，有利于保护正确动作；
当反方向接地短路时，可能导致GJ误动，使得保护误动；
另外，增大GJ的动作功率，可降低灵敏性；
消除方法：调R1（电流潜动时），调R2（电压潜动时）。
五、相间短路功率方向继电器的接线方式：
1、 要求：良好的方向性（与故障类型无关）和较高的灵敏性。
2、 90º接线方式：
指系统三相对称且cosφ=1时， 的接线方式。
注：90º接线方式仅为了称呼方便，且仅在定义中成立。
采用该接线方式构成的三相式方向过电流保护的原理接线图参看第40页，图2－37。
提示：三相星形接线且按相启动（指接入同名相电流的测量元件和功率方向元件的结点串联，而后于其他元件相并联后启动逻辑元件。）
3、 相间短路情况下90º接线功率方向继电器动作行为分析：
（1）正方向三相短路：
由于三相对称，三只继电器动作情况相同，故以A相为例分析：
从图中可见，φJA＝φJd－90º
① 为使功率方向继电器动作最灵敏
② 为使PJA>0
一般
当 ，
当 ，
所以,在三相短路时,选择,可保证GJ动作。
（2）正方向两相短路，以BC两相短路为例,且空载运行.
有两种极限情况:出口和远处
①出口短路
GJA: ,不动作；
GJB： ，同三相短路；
GJC： ，同三相短路。
所以应选择 ，使得 时GJ能动作
注：出口BC两相短路， 、 幅值很大，B、C相功率方向继电器动作。
该接线方式可消除各种两相短路的死区。
②远处短路
GJA: ,不动作；
GJB： ，所以应选择 ，使得B相GJ能动作；
GJC： ，所以应选择 ，使得C相GJ能动作
综合两种极限情况：在正方向任何地点 ：
：
：
同理： 和 时可得到相应的结论，参看P43表2—2。
综上所述：为保证 时，GJ在正方向任何相间短路时均能动作：
（例：LG—11型 或 ）
总结：优点：①对各种两相短路都没有死区；
②适当选择内角后，对线路上各种相间故障保证动作的方向性；
缺点：不能清除 死区。
顺便指出：在正常运行情况下，位于送电侧的GJ在负荷电流的
作用下一般都处于动作状态。
六．双侧电源网络中电流保护整定的特点：
1． 电流速断保护
无方向元件：
有方向元件：
此时保护1不需方向元件。
2． 限时电流速断保护
原则与单侧电源网络中第Ⅱ段的整定原则相同，与相邻线路Ⅰ段保护配合。但需考虑保护安装点与短路点之间有分支的影响，即分支电路的影响。分支电路分两种典型情况：助增，外汲。
助增：使故障线路电流增大的现象
外汲：使故障线路电流减小的现象
引入分支系数：
当仅有助增时：∵ ∴
仅有外汲时：∵ ∴
无分支时：
既有助增，又有外汲时，可能大于1也可能小于1
整定时，应取实际可能的最小值以保证选择性。
七．对方向性电流保护的评价
1． 在多电源网络及单电源环网中能保证选择性
2． 快速性和灵敏性同前述单侧电源网络的电流保护
3． 接线较复杂，可靠性稍差，且增加投资
4． 出口 时，GJ有死区，使保护有死区——缺点
∴力求不用方向元件（如果用动作电流和延时能保证选择性）
原则：①对于电流速断保护（第Ⅰ、Ⅱ段）
如：
故障， 保护1可不加GJ
故障， 保护2要加GJ
②对过流保护
故障时，∵ ∴ 保护2、3要加GJ
故障时，∵ ∴保护3要加GJ
保护1可不加GJ
即：动作延时长的可不加GJ，动作延时小的或相等的要加GJ。
作业：P17题1，P14题4，P18题4