方向保护

功率方向电流保护实验

一、实验目的

1．熟悉相间短路功率方向电流保护的电路结构和工作原理。

2．掌握功率方向电流保护的基本特性和整定试验方法。

二、预习与思考

1．为什么在多电源形式电网或单电源环形电网中，功率方向电流保护才能确保切除故障网络动作的选择性和动作的可靠性。

2．功率方向电流保护在多电源网络中什么情况下称为正方向？什么情况下称为反方向？为什么它可以只按正方向保证选择性的条件选择动作电流？

3．方向电流保护是否存在死区？死区可能在什么位置发生？如何从功

率方向继电器特性实验的参数结合本实验进行分析？

4．功率方向电流保护广泛应用在电压为35KV及以下的电网中和110KV ~220KV的电网中分别作为什么保护？

三、原理说明

1．为什么需要功率方向闭锁

在单侧电源辐射形网络中，各断路器和保护装置都是安装在被保护线路靠近电源的一侧。在发生故障时，它们都是在短路功率从母线流向被保护线路的情况下，按选择性的条件来协调配合工作的。这里所讲的短路功率，一般指短路时某点电压与电流相乘所得到的感应功率，在无串联电容也不考虑分布电容的线路上短路时，认为短路功率从电源流向短路点。

随着电力系统的发展和用户对供电可靠性的提高，现代的电力系统实际上都是由多电源组成的复杂网络。对此，上述简单保护方式，已不能满足系统运行的要求。

图5-1所示为双侧电源网络，图中“→”表示短路时电源流向短路点的短路电流及短路功率的方向。

在该网络中，由于两侧都有电源，因此在每条线路的两端均需装设断路器

和保护装置。假设电源E B 不存在，则发生短路时，保护1、2、3、4、A就是一个由电源E A 供电的单侧电源辐射式电网，它们之间的选择性是能够满足的。其过电流保护按图中t = f( L )时限特性实线部分配合工作。如电源

E A不存在，保护5、6、7、8、B同样也能保证动作的选择性，此时它们由电源E B供电。其过流保护按图中阶梯时限特性的虚线部分配合工作。

图5-1 两侧电源供电网络

当两个电源同时存在，d-1点发生短路时，按照选择性的要求，应由距故障点最近的保护3和7动作切除故障。然而，由电源E B供给的短路电流I″d-1也将通过保护2，如果保护2采用电流速断且I″d-1大于保护装置的起动电流I″dX?2，则保护2的电流速断就要误动作；如果保护2采用过电流保护且其动作时限t2≤t7，则保护2的过电流保护也将误动作。如果保护2采用带时限电流速断保护也可能在此时误动。同理，在d-2点发生短路时，由E A电源供给的I′d-2将流过保护7，也可能使它的电流保护的各段先于保护2的相应段动作，出现非选择性动作。

由此可见，在双侧电源供电网络中，简单的无方向性的三段式电流保护各段都可能出现不满足选择性要求的情况。必须寻求新的途径以构成新的保护才能解决这一问题。

进一步分析误动作的原

因时，可以发现，误动作的

保护都是在自己所保护的线

路反方向发生故障时，由对

侧电源供给的短路电流所引图5-2 方向过电流保护的单相原理图

起的。对误动作的保护而言1-电流元件LJ 2-方向元件GJ

，实际短路功率的方向是由3-延时元件SJ 4-信号元件XJ

线路流向母线，显然与所应保护的线路故障时的短路功率方向相反。因此，为了消除这种无选择的动作，就需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件，该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，从而使继电保护的动作具有一定的方向性。按照这个要求配置的功率方向元件及其规定的动作方向如图5-1中各断路器及其保护处所标注的“→”所示。

当双侧电源网络上的电流保护加设方向元件以后，就可以把它们拆开看成两个单侧电源网络的保护。图中的1~4反映于由电源E A供给的短路功率而动作。5~8反映于由电源E B供给的短路功率而动作。这样，以前所讲的各类各段保护的工作原理和整定计算原则就可应用了。

由以上分析可见，方向电流保护就是在原有保护的基础上，增设一个方向闭锁元件，以保证在反方向故障时，把保护闭锁起来，防止发生非选择性动作。

实现方向过电流保护的原理接线示于图5-2中。

由图可见，方向过电流保护装置由电流元件、方向元件、延时元件、信号元件等几个主要元件组成。这样即可满足基本要求。

2．判别短路电流方向的基本原理

由上可知，方向电流保护要解决的核心问题是要判明短路电流或短路功率的方向，仅当它们的方向为由母线指向线路时（我们规定为“正方向”），才允许保护动作。

众所周知，交流电流的方向每半周变换一次，没有固定方向。但是交流电流与电压的相位关系则随着短路电流的方向不同而有不同的固定关系，如图5-3所示。当d1点短路时，加到继电器1的电压U J与电流I J1的相角φJ1为0°< φd< 90°，φd决定于母线至故障点d1之间的线路阻抗角，短路电流是从母线流向线路，这个电流方向与规定的正方向相同，故该电流是正的。对于继电器2来说，所加电压U J与继电器1相同，但短路电流I d是从线路流向母线，其方向与规定的电流正方向相反，它是负的，与继电器1比较，继电器2所受的电压U J与电流I J2之

间的相位角φ2为（φd + 180°）。它们所反映的短路功率分别为：

图5-3 电流与电压的相位关系

继电器1：P1 = U J I J1COSφJ1 = U J I J1COSφd > 0

继电器2：P2 = U J I J2 COSφJ2 = U J I J2COS(φd + 180°) < 0

由以上分析，随着短路电流的方向不同，功率方向继电器感受功率也不相同。对于正方向的故障，其功率为正值，反方向故障，其功率为负值。因此，可以根据功率方向继电器的感受功率的正、负来判别短路功率方向即短路电流的方向，并决定保护是否动作于跳闸。这就是功率方向继电器之所以能判别短路电流方向的基本原理。

四、实验设备

五、实验内容与步骤

1．功率方向保护各继电器的调试整定及核相

1）实验接线见图5-4，按实验要求进行正确接线，各台可调电阻均置 于最大阻值，开关及断路器全部切至断开位置。

图5-4 功率方向电流保护实验接线图

2）根据继电器的调试整定要求将电流继电器动作值整定为1.4A ，将时间继电器动作时间整定为2秒，功率方向继电器取-45°最大灵敏角。

3）检查电源相序和接线方式对同名端有要求的器件与表计，是否符合实验的接入要求。

2．正方向动作功率试验

1）接入直流操作电源将电压调整为220V 。

2）闭合开关S 1，合上断路器QF 接入三相交流电源将电压调整为线间电压

100V 。

3）闭合开关S 4，调节滑线变阻器R 7、R 8、R 9使各相电流表指示为1A ，观察记录正方向负载功率时各保护器件工作情况和表计的指示值。

4）闭合开关S 3，调节变阻器R 5、R 6、R 4使各相电流为1.5A(先调B 、C 相，再调A 相，调节R 4时可先切断操作电源，A 相电流调好1.5A 后再接入)观察记录正方向动作功率时保护装置的动作情况和有关参数。

5）切断电源断开开关S 3和S 4。 3．反方向动作功率试验

1） 将变流器输出端接至电流继电器和功率方向继电器电流回路的接线方式改变为模拟反方向动作功率方式。

2）闭合开关S 4观察记录反方向负载功率时各保护器件工作情况和表计的指示值。

3）闭合开关S 3观察记录模拟反方向动作功率时各保护装置的情况和有关参数。

4）闭合开关S 2将反方向网络电流增大为2.8A 时观察功率方向保护的情况。 5）将实验数据和功率方向保护的动作情况记录在表5-1中。 6）减小电流切断S 2、S 3、S 4，关闭输入电源。

图5-5 功率方向电流保护操作及信号回路接线图

直流操作电源电 流 保 护

动 分 闸 回 路保护出口及电功率方向电流保护动作指示

信号继电器

信号继电器

指示灯回路

复 归 回 路

保 护 操

作 及 信 号

回

路

功 率 方 向

表5-1

六、实验报告

根据实验要求结合思考题内容写出实验报告，重点分析：

1．为什么改变变流器的接线方式能正确模拟输电网络的反方向动作功率。

2．简述90°接线原理的三相功率方向保护标准接线要求。