方向电流保护及功率方向继电器
第四章电网相间短路的方向电流保护
通过对整流型功率方向继电器研究，弄清中间电压变 换器和电抗变换器的作用、构造及作原理。
0.9U A Z1 R1
|
|
0.9U B Z2 R1
|
I op gr
当Z1=Z2，R1=R2，并满足Z1+R1=Z2+R2=Z，则极化继电
器动作条件等效为：
•
UA
•
UB
Iop.r Z 0.9
忽略Iop.r时,上式变为
U&A U&B 0
循环电流式比较回路接线简单，动作灵敏，构造可靠， 在实际中得到了广泛应用。 ③方案3—均压式比较回路
arg
U&r I&r
90o
继电器内角α常取45°或30°。
最大灵敏线与电压Ur之间夹角 m 称为最大灵敏角，
m =-α，因为这时Ir超前Ur，所以，m 是负角度。这个
角度α在功率方向继电器上是人为可调的，有专门的调节 旋钮。其实质是人们与对短路阻抗角的一种粗略估计值有 关。
g
90o
arg
Ur
e
g
j
Sop.min
U I op.min op.min
U
2 0
4KU KI
方向继电器的最小动作电流、电压和功率是衡量方
向继电器灵敏性的参数。执行元件越灵敏（U0越小）， 则KU、KI越大，方向功率继电器的Iop·min、Uop·min和
Sop·min就越小，方向继电器也就越灵敏。功率方向继电器 的动作特性：
2.2双侧电源网络相间短路的方向性电流保护
三相短路和近处两相短路灵敏角变化 范围为：
90 sen 0
两相远处短路，B相灵敏角变化范围：
120 sen 30
C相灵敏角变化范围：
60 sen 30
为了使各种相间短路保护都能动作，
最大灵敏角范围：
sen 30 ~ 60
1、方向电流保护是为了满足双电源线 路、单电源环形网络选择性与灵敏性， 在电流保护的基础上增加方向元件。
通过保护3的短路功率为：
Pk1 Ures Ik1 cosk1 ＞0
当反方向短路时，通过保护3的短路功率为
Pk2 UresIk2 cosk1 ＜ 0
功率方向继电器动作条件：
Pk ＞0 动作；
Pk＜0时不动作。
（1）相位比较式原理
实质是判断母线电压与电流之间 相位角是否在 90 ~ 90 范围内。
2.2 双侧电源输电线路相间短路的方向电流保护
1、过电流保护的方向性 2、工作原理 3、功率方向继电器工作原理 4、功率方向继电器接线
教学 要求
通过学习要求掌握方向过电流保护的基 本工作原理；功率方向继电器工作原理 及动作区。功率方向继电器采用 90 接
线的目的，消除出口三相短路死区的方 法。
采样双电源目的
U a
k
U c
U b
Ib
U ca
Ebc
sen (90 k )
90 sen 0
（3）远处两相短路
U ab
Ic
Ea U a
c
Ecb
k
k
Ebc
E c
U ca
b
Eb
Ib
120 b 30
60 c 30
方向电流保护接线方式
I c U ab
电力系统继电保护
按相起动
方向电流保护
电力系统继电保护
方向电流保护
2. 90°接线在相间短路情况下的性能分析 ° 向量图 分析法 U
c
Ua I = I Ka a ϕk ϕ Ka U Ka = U bc
0° ≤ ϕ k ≤ 90°
−90° ≤ ϕ Ka ≤ 0°
Uc
Ub
ϕ K = ϕ sen = −α
近处短路
30° ≤ α ≤ 60°
一般取30° 一般取 ° 或45° °
0° ≤ α ≤ 90°
KWb： ° ≤ α ： 30
两相短路 远处短路
≤ 120°
KWc： 30° ≤ α ： −
≤ 60°
电力系统继电保护
3. 90°接线的优点 ° 两相短路时无死区。 两相短路时无死区。
方向电流保护
适当选择继电器的内角， 适当选择继电器的内角，对于各种相间短路 都能正确判断。 都能正确判断。
0° ≤ α ≤ 90°
电力系统继电保护
（2）保护正方向 ）
方向电流保护
1）近处短路 ）
k
( BC )
U Kc = U ab
I Kc = I c
KWb
ϕ Kc
Ea = U a
0° ≤ ϕ k ≤ 90°
−90° ≤ ϕ Kb ≤ 0°
E bc
ϕk
ϕ Kb = ϕ sen = −α
Ec
Ub = U c
0° ≤ α ≤ 90°
KWc 0° ≤ α ≤ 90°
ϕ Kb
Eb
I Kb = I b
U Kb = U ca
电力系统继电保护
（2）保护正方向 ）
第二章 方向电流保护2
I KW
•
U KW
•
A
B
C
Ia
Ib
U bc
U ca
Ic
U ab
2.方向过电流保护的原理接线
方向过电流保护的原理接线和展开图如图2.23所示
（P37），其中三个功率方向继电器的接线即为 90°接线方式。在接入电流、电压时要特别注意电 流线圈和电压线图的极性端。在实际应用中，如果 有一个线圈极性接错，则会出现正方向短路时拒动 ，而反方向短路时误动的严重后果。所以，90°接 线方式的接线不仅要考虑继电器的电流、电压应如 何接入，还需要注意怎么样接的问题。
I I 如果保护1的反向电流 k1max ＞ k 2max ，则 I OP 1
的整定有两种不同的方案：
图2.28 双侧电源线路电流保护整定说明图
Ι I K (1) 按本线路末端最大短路电流整定即 OP1 rel I k2max
但为防止反方向短路误动作，应加装功率方向继电
2. Ⅱ段方向性限时电流速断保护
以图2.28中的保护2和3为例来说明：
(1) 若 t 2 ＞ t 3 或 I k 2max＜IOP ，则保护2的第二段可 2
不装设功率方向继电器。 (2) 若 t 3 ＞ t 2 或I k3max ＜ IOP 3 ，则保护3的第二段也 可不装设功率方向继电器。 I (3) 若 t3 t2 且 k 2max ＞IOP2 和I k3max ＞ IOP 3，则保护2和保 护3的第二段均应加装功率方向继电器。
方向发生任何类型的相间短路故障都能动作，而反 方向短路时则不动作。
(2) 尽量使功率方向继电器在正向短路时具有较高
功率方向继电器的工作原理
功率方向继电器的工作原理
功率方向继电器，也叫PDR（Power Directional Relay），是一种
常用于电力系统中的保护设备，用于检测电源电流的方向，以确保电流在
特定方向上流动，而不是相反方向。
它起到了保护电力系统的作用，通常
用于防止电源电流的逆流，从而保护发电机和传输线路等关键设备。
首先，功率方向继电器中的运算电路会从发电机或电力系统中采集电
流的信号，并通过放大和滤波等处理，将其转换为有效的电压信号。
其次，比较电路将这个电流信号与设定的参考方向进行比较。
一般来说，比较电路使用的是一个放大器和一个相位补偿电路。
放大器对电流信
号进行放大处理，而相位补偿电路则对电流信号进行相位的调整，以便比
较的准确性。
然后，对于检测到的电流方向与参考方向相同的情况，继电器的输出
电路将保持关闭状态，不会触发任何动作。
因为电流是以期望的方向流动，不需要进行保护动作。
而对于电流逆向的情况，继电器的输出电路将触发
动作，进行相应的保护措施。
例如，通过触发断路器或切断电源，以防止
电流逆流对系统造成损害。
通常，功率方向继电器还会包含一些额外的功能，例如故障识别和报警。
当继电器检测到异常电流逆向或其他故障情况时，会触发相应的报警
信号，提醒操作员采取相应的措施。
需要注意的是，功率方向继电器的工作性能和准确性对电力系统的正
常运行至关重要。
因此，在选择和应用功率方向继电器时，需要根据实际
情况进行严格的设计和测试。
此外，定期的维护和校准也是确保功率方向
继电器正常工作的关键。
方向电流保护及功率方向继电器
方向电流保护及功率方向继电器前言在电路中，一些较大的电流很容易引起故障或损坏。
为了保护电路和设备的安全，我们需要使用电流保护来限制电流大小。
而功率方向继电器可以在电路中实现控制电流的方向，以及对反向电压的保护。
方向电流保护方向电流保护是通过检测电流方向来限制电流大小的一种方法。
当电流方向与允许的方向相同，电路可以正常工作。
但是，如果电流方向与不允许的方向相同，方向电流保护会自动切断电流，以降低电路中的电流大小，保护电路和设备的安全。
方向电流保护通常是通过两种方法实现的：基于磁场的检测和基于电位差的检测。
基于磁场的检测基于磁场的检测依靠一个稳定的磁场和一个铁芯来检测电流方向。
当电流流经铁芯时，会产生一个磁场，方向电流保护通过检测这个磁场的方向来判断电流方向。
如果电流方向与充许的方向相反，方向电流保护会切断电路。
由于基于磁场的检测需要一个铁芯，因此它对于高频电路不太适用，因为铁芯会对高频信号产生损耗。
基于电位差的检测基于电位差的检测依靠一个差动电容来检测电流方向。
当电流流经一个差动电容时，会产生一个电位差，方向电流保护通过检测这个电位差的方向来判断电流方向。
如果电流方向与允许的方向相反，方向电流保护会切断电路。
基于电位差的检测对于高频电路更加适合，因为它不需要铁芯。
功率方向继电器功率方向继电器常用于控制电源或负载的正反向控制，以及对反向电压的保护。
功率方向继电器可以实现控制电流的方向，使电流只流向正方向，同时阻止反向电压的传播。
功率方向继电器有两种主要类型：机械式和电子式。
机械式功率方向继电器机械式功率方向继电器使用一个机械可控开关来实现正反向控制。
当控制信号引脚的电压高于某个门槛电压时，机械可控开关会切换到正向模式，使电流只能流向正向；当控制信号引脚的电压低于某个门槛电压时，机械可控开关会切换到反向模式，使电流只能流向反向。
机械式功率方向继电器适用于一些大型负载电路，但是它有一些缺点：继电器内部的机械可控开关会产生电磁干扰和噪声，同时机械可控开关的寿命有限。
方向过电流保护
K1
当K1点短路,按选择性，保护1、2动作，断 开QF1和QF2，接在A、B、C、D母线上的用 户，仍然由A侧电源和D侧电源分别供电， 提高了对用户供电可靠性。
３).阶段式电流保护用于双侧电源的网络 中，不能完全满足选择性要求。
对电流速断保护：
d1处短路，若
I d1
>
II op3
，则保护3误动．
d2处短路，若
当方向元件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的子系统。
二、方向过电流保护工作原理
在原有保护上增设一个功率方向判别元件, 反向故障时，闭锁保护。
K1
规定：短路功率的方向从母线指向线路 为正方向。
增设功率方向判别元件后,短路功率方向从母线指
向线路时，保护才会有选择性动作。
= k 2
+ 180
I k2
0 90
180 270
Pk1 = Ures Ik1 cosk1 ＞0
Pk2 = -UresIk2 cosk1 ＜ 0
2.功率方向继电器动作条件：
Pk ＞0 动作；
Pk＜0时不动作。
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。
Id2
>
II op2
则保护2误动
对于过电流保护而言，利用动作时间 是无法满足要求的。
K1
K2
当在K1点短路时，按选择性要求 t3 ＞ t2
当K2点短路时，要求 t2 ＞ t3 。 显然，这两个要求是相互矛盾。
原因分析：
反方向故障时对侧电源提供的短路 电流引起保护误动。
解决办法： 在可能误动的保护上加装方向元件 ——功率方向继电器。
电力系统继电保护——22电网相间短路的方向性电流保护
EC UC
U KC U KB
IB EB UB
B相继电器动作行为分析
EA UA IC
30 30
U CA
U AB EBC
k
EC UC
U KC U KB
IB EB UB
ImB IB ,UmB ECA ,mB k 1200
UCAIB cos(k 1200 a) 0 300 a 1200
反方向短路时电压电流相位关系
U
K2
EI
1
K1
Ir
2
EII
Ik1 Ik 2
U
k 2
mA
Ik2
arg UmA ImA
arg
UA Ik 2A
1800
k 2
Im Ik2
180 k 2
1800 1800 k2 2700
UmAImA cosmA U AIk 2A cos(1800 k 2 ) 0
a) 0度接线方式 b) 90度接线方式
功率方向继电器的基本要求
a) 具有明确的方向性，故障类型，故障点的位置都
不影响功率方向继电器的动作特性；
b) 故障时，继电器具有足够的灵敏度
90度接线方式
90°接线方式是指在三相对称且功率因数cos 1 的
情况下，Im 超前 Um90 的接线方式。
UA
AB C
KW
EA
EC
EB
IB
K
IC
ZS
ZS
ZK
Zd
正方向远处BC两相短路向量图
IB
IC
EB EC 2(Zk ZS
)
EA UA IC
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方向电流保护
第二节 功率方向继电器KW （directional relay）
一、工作原理
两种
幅值比较原理（比幅原理） 相位比较原理（比相原理）
1.相位比较原理
正方向
电流为母线 线路 电压为母线高于大地
便于实 现
便于 分析原理
电力系统继电保护
方向电流保护
KW的实质 判别母线电压和流入 线路电流间相位角是 否在-90°~90°之间
arg KU U I
KI
继电器内角
IK
电力系统继电保护
方向电流保护
2.幅值比较原理
令U A U C U D K U U K K I I K ——动作量
令U B U C U D K U U K K I I K ——制动量
动 作 条 件？
UA UB
KU UK KI IK KU UK KI IK
调R1消除电压潜动
电压是什么？ 电流是什么？
电力系统继电保护
方向电流保护
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读书破万卷，下笔如有神--杜甫
如何实现？
动作条件:
90 arg UK 90 IK
电力系统继电保护
方向电流保护
KW的实现： 90 arg UK 90
IK
令U C K U UK —用TV实现 令 U D K I IK —用TL实现
90 arg UC 90 UD
90 arg KU UK 90 KI IK
90 arg UK 90
方向电流保护
判断短路故障是 否为正方向
判断线路 是否发生 短路故障
分组：保护1、3、5一组 t1>t3>t5 保护2、4、5一组 t6>t4>t2
结论：位于同一母线两侧的保护，时限大的一侧可
不装设方向元件。
电力系统继电保护
方向电流保护
电力系统继电保护
方向电流保护
作用：
补充——变换器
变换电量：将TA二次5A、TV二次100V转成弱电。 隔离电路：将交直流电流隔离，起屏蔽作用。 调节定值：改变线圈抽头，即改变继电器的定值。
电力系统继电保护
方向电流保护
第二章 电网相间短路的方向电流保护
第一节 方向电流保护工作原理
1.问题的提出
M A1
~
k2 2 B 3
k1 4 C N
~
只研究保护2和3的过电流保护（Ⅲ段）： 矛盾
k1：要求t3<t2 k2：要求t3>t2
问题：背后故障时，电流保护可能误动。
电力系统继电保护
方向电流保护
电力系统继电保护
方向电流保护
3.幅值比较回路
差磁法 均压法 环流法
电力系统继电保护
方向电流保护
注意： 极化继电器存在动 作电压U0，实际上 应为
UA UB U0
电力系统继电保护
方向电流保护
电力系统继电保护
方向电流保护
电力系统继电保护
方向电流保护
二、LG-11型功率 方向继电器
1.构成
电压形成回路 幅值比较回路 执行元件
种类： 电压变换器（TV、YB） 电流变换器（TA、LB） 电抗变换器（TL、DKB）
电力系统继电保护
方向电流保护
（1）电压变换器TV 作用：按比例降低输入电压的幅值
U 2 KU U1
KU
W2 W1
注意：U 2 与U1 同相位流变换器TA 作用：按一次电流变换为与之成正比的二次电压
U 2 KL I1 R
K L KTA
注意：U 2 与 I1 同相位
电力系统继电保护
方向电流保护
（3）电抗变换器TL 作用：按一次电流变换为与之成正比的二次电压
U 2 KI I1
转移阻抗 或 模拟阻抗
注意：U 2 与 I1 相位不同（0~90）
改变线圈W3中电阻，可改变该角度。
电力系统继电保护
2.问题的解决 ——加装功率方向元件
M A1
~
k2 2 B 3
k1 4 C N
~
分析：k1短路 保护2功率方向为线路 母线 保护3功率方向为母线 线路
k2短路 保护2功率方向为母线 线路 保护3功率方向为线路 母线
结论：正方向母线 线路,反方向线路 母线
电力系统继电保护
方向电流保护
3.工作原理 电流元件+方向元件
电力系统继电保护
方向电流保护
4.最小动作电压
KU U K K I I K KU U K K I I K U0
当K sen 时 , K U U K 和 K I I K 同相位
KUUK KI IK KI IK KUUK U0
5.死区
母线近处发生 k (3)，母线电压低
于最小动作电压，继电器不动。
措施：TV一次侧串联电容C1
U op .min
U0 2KU
电力系统继电保护
方向电流保护
6.潜动
只通入电流或电压一个量， 继电器能否动作？
KU U K K I I K KU U K K I I K U0
电流潜动、电压潜动
原因：比较回路中参数不对称 危害：误动、拒动、灵敏度下降 措施：调R2消除电流潜动
电力系统继电保护
方向电流保护
2.动作条件
UA KU UK KI IK
UB KU UK KI IK
3.动作区和最大灵敏角
90 arg UK 90
IK 当K sen 时
K U U K 和 K I I K 同相位
UA UB U0
最大灵敏线
(90 ) sen
UK 90