电力系统中方向电流保护的工作原理

1.功率方向概念的引入

对于辐射型单侧电源网络，只需在每条线路的电源侧装设继电保护装置即可实现继电保护功能。当线路发生故障时，只要相应的继电保护装置动作于断路器跳闸，便可将故障元件与线路断开，但却要造成一部分线路停电。因此，随着用户对供电可靠性要求的提高，电力系统中出现了辐射型非单侧电源网络，分别为辐射型双侧电源网络和环型单侧电源网络。在这样的电网中，为了切除故障线路，应在线路两侧都装设断路器和继电保护装置。例如在图1−3−1 中，当线路L1 的k1 点短路时，按照选择性要求，应使故障线路切除范围最小，设在L1 两侧的保护1、2 都应动作，使 QF1、QF2 跳闸，仅将故障线路L1 从电网中切除。故障线路切除后，接在A 母线上的用户以及B、C、D 母线上的用户，仍将由电源B 和 EII 分别继续供电。

图1−3−1　辐射型双侧电源网络阶段式电流保护动作分析

如果将应用在辐射型单侧电源网络中的阶段式电流保护直接用在图 1−3−1所示的辐射型双侧电源网络中，能否满足保护动作选择性的要求呢?下面进行具体的分析。

1）对无时限电流速断保护的影响

现以图1−3−1所示的辐射型双侧电源网络为例进行分析。图中各断路器上分别装设继电保护装置1～6，并给出了根据线路不同地点发生三相短路时，电源 EI 和 EII 在最大运行方式下分别提供的短路电流曲线。同时，根据无时限电流速断保护动作电流的整定原则，给出其动作电流在短路电流曲线上的大致位置。

故障点与电流流向（动画）

对于无时限电流速断保护，只要短路电流大于其动作电流整定值，就可能动作，在图1−3−1 中，当k1 点发生短路时，应由保护1、保护2 动作，切除故障。而对于保护3 来说，k1 点故障通过它的短路电流是反方向由电源 EII 提供的，比较此时流过保护3 的短路电流和保护3 无时限电流速断保护的动作电流值可以看出，此时保护3 也会无选择地动作，使B 母线停止供电。同样，在k2 点短路时，保护2 和保护5 也可能在反方向电源提供的短路电流下无选择地动作，两种情况均不能满足保护动作选择性的要求。

2）对定时限过电流保护的影响

Ⅲ段动作时限采用阶梯原则，距离电源最远处为起点，动作时限最短。在图1−3−1 中，对装在B 母线两侧的保护2 和保护3 而言，当k1 点短路时，为了保证选择性，要求t2＜t3；而当k2 点短路时，又要求t2＞t3。显然，这两个要求是互相矛盾的。分析位于其他母线两侧的保护，也可以得出同样的结论：对于定时限过电流保护，同样会发生无选择性误动作。

综上分析，阶段式电流保护直接应用在辐射型双侧电源网络中，不能满足保护动作选择性的要求，需要采用其他技术解决保护动作的选择性问题，因此引入方向电流保护。

根据以上分析，判别短路功率的方向，是解决电流保护用于辐射型双侧电源网络或环型单侧电源网络输电线路选择性性问题的有效方法。这种附加判别短路功率方向的电流保护称为方向电流保护。(www.xing528.com)

2.方向电流保护的工作原理

为解决上述矛盾，需进一步分析k1 点和k2 点短路时其他量的不同变化，从而区别k1 点和k2 点短路，由此引入功率方向的概念。首先关注k1点和k2 点短路时功率方向的区别。在k2 点短路时，流过保护2 的功率方向是由线路到母线，保护2 不应动作，而流过保护3 的功率方向是由母线到线路，保护3 应动作。同样，在k1 点短路时，流过保护3 的功率方向是由线路到母线，保护3 不应动作，而流过保护2 的功率方向是由母线到线路，保护2 应动作。由此可知，利用短路电流和功率方向结合判别可以进行线路保护的判断和选择，即在保护2 和3 上各加一个方向元件，且只有当功率方向是由母线到线路时，才允许保护动作，反之不动作。这就解决了保护动作的选择性问题。这种在电流保护的基础上加一个方向元件构成的保护称为方向电流保护，进行功率方向判别的方向元件称为功率方向继电器。

规定短路电流方向是由母线到线路时为功率正向，允许保护动作；短路电流方向是由线路到母线时为功率负向，不允许保护动作。现以图 1−3−2 中辐射型双侧电源网络为例，进一步说明方向电流保护的工作原理。图 1−3−2所示电网中装设了方向电流保护，图中所示箭头方向即各保护方向元件的动作方向。只有当短路功率是由母线到线路时，与保护方向相同，即功率为正时才允许保护动作。这样就可将两个方向的保护分别看成两个辐射型单侧电源网络的保护。图中保护1、3、5 为一组，保护2、4、6 为另一组，各同方向的电流保护时限仍按阶梯原则来整定，它们 的时限特性如图1−3−2（d）所示。当线路BC 上发生短路时，保护2 和5 处的短路功率方向是由线路到母线，与保护方向相反，即功率为负，保护不动作。而保护1、3、4、6 处的短路功率方向为由母线到线路，与保护方向相同，即功率为正，故保护1、3、4、6 都启动，但由于故保护3 和4 先动作跳开相应断路器，短路故障消除后保护1和6 返回，从而保证了保护动作的选择性。

图1−3−2　方向过电流保护的电流分布和时限特性

（a）k1 点短路时的电流分布；（b）k2 点短路时的电流分布； （c）各保护动作方向的规定；（d）方向电流保护的时限特性

3.三段式方向电流保护的构成

方向电流保护的单相原理图如图1−3−3所示，其保护装置由3 个主要元件组成：启动元件（电流继电器KA，用来判别电流的大小）、功率方向元件（功率方向继电器KW，用来判别功率的方向）和时限元件（时间继电器KT）。其工作原理是功率方向继电器KW 和电流继电器KA 构成与门，二者同时动作才能启动时间继电器KT，即只有在正向范围内故障，KW、KA 均动作才能起动时间继电器KT，经预定延时动作于跳闸，断路器才断开以切除故障。

图1−3−3　方向电流保护的单相原理

方向电流保护的单相原理图（动画）

需要说明，在辐射型双侧电源网络或环型单侧电源网络中，并不是所有的电流保护都要装设功率方向元件才能保证选择性，而是在动作电流值的整定、动作时限的配合不能满足选择性要求时才需要装设功率方向元件。如在图1−3−2所示的电网中，由于保护3 的动作时限已大于保护2 的动作时限，保护3 的电流保护可以不装设功率方向元件。因为在k1 点短路时，保护2 先发跳闸信号，QF2 跳闸后，保护3 能立即返回，QF3 不会跳闸。

一般来说，对于无时限电流速断保护，利用动作电流的整定能满足选择性要求时，可以不装设功率方向元件；对于限时电流速断保护，利用动作电流的整定和动作时限的配合能满足选择性要求时，可以不装设功率方向元件；对于接在同一变电所母线上的所有双侧电源网络的定时限过电流保护，动作时限长者可以不装设功率方向元件，而动作时限短者或相等者则必须装设功率方向元件。