功率方向保护
电力系统继电保护原理及新技术
电力系统继电保护原理及新技术1）电力系统继电保护的任务？答（1）自动，迅速，有选择地切除故障器件，使无故障部分设备恢复正常运行，故障部分设备免遭毁坏。
（2）发现电气器件的不正常状态，根据运行维护条件动作于发信号，减负荷或跳闸。
2）电力系统继电保护的基本要求？选择性，速动性，灵敏性和可靠性。
3）电力系统继电保护的基本原理？根据电力系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，以及电力系统被保护范围内电气器件发生故障或不正常运行状态的特征，配置完善的继电保护，实现对电力系统的保护。
继电保护装置由各种继电器和元件组成，分类：按不同参量的过量，欠量和差量划分的有过电流继电器，低电压继电器，电流差动继电器；按其结构原理划分为电磁型，整流型，晶体管型和微机型等继电器。
1）微机型继电保护装置的硬件电路构成？微机系统，模拟数据采集系统，开光量输入和输出系统，人机对话微机系统，电源系统。
2）何谓采样定理？对连续信号x （t ）进行采样时，周期采样频率f s必须大于被采样原始信号x （t ）的最大截止频率f c 的两倍，才能从离散的）（t x s中完全恢复出原始信号x （t ）。
数据采集电路的主要作用？把模拟量转换成对应的数字量。
3）逐次比较式模数转换器的主要技术指标？(1)分辨率（2）输入模拟量的极性（3）量程（4）精度（5）转换时间（6）输出逻辑电平4）微机保护的模数变换有哪几种？分别是如何变换的？主要有两种，即逐次比较式和VFC 式。
逐次比较式：就是把模拟量电压与组成二进制关系的标准电压一位一位地进行比较，达到将模拟电压变成二进制数的目的。
VFC ：将模拟电压变换为脉冲信号，由计数器进行计数。
这样在采样间隔内的计数值就与采样对象的积分值成比例。
实现了模数转换。
5）半周积分与傅氏算法的应用特点？半周积分：具有一定滤高频能力，但是不能滤直流分量。
全周波傅氏算法兼备了滤波和计算基本电气量的过程，是一种较好的算法，但其数据窗至少需要一个周期的采样值，仍显得速度不够快。
方向电流保护
& & EA = U A
要求在任意阻抗角线路上、任意位置、 发生任意故障情况下都可以准确动作。
− 900 − α ≤ ϕ m ≤ 900 − α
ϕ rC = ϕ k − 60o = 0o
满足条件，动作
ϕ mC
ϕk
& & & & EC = U C U kC U kB & & EB = U B
三相短路时： ϕ m = ϕ k − 90
0 m 动作方程为：ϕ k − 180 ≤ arg I ≤ ϕ k & m
& U
动作特性为：
+j
区
& U ϕ k − 180 ≤ arg & m ≤ ϕ k Im
0
内角α 电磁型功率方向继电器：
0 动作方程为：− 90 − α ≤ arg
如何选择功率方向继电器？
动 作
0
作 区
+1
ϕ sen = ϕ k − 90o
& UA & & I A( I m )
& U BC & U CA & U AB
& UC
ϕk
& & U BC (U m )
ϕk − 90o
& UB
& IB & IC
& IB
& UB
& U arg m = ϕ k − 900 & Im
& UC
& & U BC (U m )
三相对称且功率因数 cos ϕ = 1 的情况下， & & I m 超前 U m 90˚。 这个定义仅仅是为了称呼方便，没有什么物理意义。
过流保护方向元件测试
在双侧电源线路上，电流保护应增设方向元件以构成方向电流保护，增设方向元件后，只反映正向短路故障。
对电流保护Ⅱ段，装设方向元件后可不与反方向上的保护配合，有时可以提高灵敏。
同时，将低电压元件引入方向电流保护，可提高方向电流保护的工作可靠性，有时也可提高过电流保护的灵敏度，低电压闭锁元件的动作电压一般取 60%~70% 的额定电压。
在微机保护中，为了减小和消除死区，反映相间短路故障的方向元件广泛采用 90°接线。
即在三相对称的情况下，当功率因数 cos φ=1 时，接入继电器的电流 Ik 与接入继电器的电压U k 相位相差 90°。
各相功率方向元件所接电流、电压量如图 1.1.2 所示。
图 1.1.2 90°接线功率方向元件 图 1.1.3 90°接线功率方向元件动作 原理示意图 在图1.1.3中，以kU 为参考相量，向超前方向（逆时针方向）做jak e U 相量，再做垂直于jak e U 相量的直线ab ，其阴影侧即为k I 的动作区。
因此功率方向元件的判据为满足（式1-1）时,Ik处于动作区内，正方向功率方向元件动作，表示故障点在保护安装处正方向；满足（式1-2）时，Ik处于非动作区内，反方向功率方向元件动作，表示故障点在保护安装处背后。
下面以RCS-9612A 线路保护装置为例，介绍过流保护方向元件的测试方法。
其他具有相同保护原理的保护测试可参考此测试方法。
图1.1.4 低压闭锁方向过流Ⅱ段的逻辑框图1、保护相关设置（1）保护定值设置：（2）保护压板设置：在“保护定值”里，把“过流Ⅱ段投入”、“过流Ⅱ段经方向闭锁”均置为“1”，其他控制字均置为“0”。
（即过流Ⅱ段保护经方向闭锁，但不经电压闭锁）注：对于有过流保护硬压板投退的保护装置，还应把“过流保护”硬压板投入。
2、试验接线：本次试验接线同图1.1.1 所示。
3、过流保护方向元件测试（灵敏角测试）在“交流试验”菜单里，可以用手动和自动两种方式分别对过流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段的方向元件进行测试。
【国家电网 继电保护】5方向电流保护习题
1方向电流保护一、选择题1. 方向电流保护是在电流保护的基础上，加装一个（C ）A ：负荷电压元件B ：复合电流继电器C ：方向元件D ：复合电压元件2、相间短路保护功率方向继电器采用90°接线的目的是（B ）A 、消除三相短路时方向元件的动作死区B 、消除出口两相短路时方向元件的动作死区C 、消除反方向短路时保护误动作D 、消除正向和反向出口三相短路保护拒动或误动3、功率方向继电器的电流和电压为a bc ca ab U ,U ,U b c I I I 、、、时，称为（A ） A ：90°接线 B ：60°接线 C ：30°接线 D ：0°接线4、所谓功率方向继电器的潜动，是指（B ）的现象。
A ：只给继电器加入电流或电压时，继电器不动作；B ：只给继电器加入电流或电压时，继电器动作；C ：加入继电器的电流与电压反相时，继电器动作；D ：与电流、电压无关。
5、相间方向过电流的按相启动接线方式是将（B ）A ：各相的电流元件触点并联后，再串入各功率方向继电器的触点；B ：同名相的电流和功率方向继电器的触点串联后再并联；C ：非同名相的电流元件触点和方向元件的触点串联后再并联；D ：各相功率方向继电器的触点和各相电流元件触点分别并联后再串联二、判断题1. 方向过流保护动作的正方向是短路功率从母线流向线路。
（√）2、双电源幅射形网络中，输电线路的电流保护均应加方向元件才能保证选择性。
（×）3．功率方向继电器采用900接线方式时，接入电压和电流的组合为相电压和相电流。
（×）三、填空题1．在两电气量之间进行比较的继电器可归纳为(幅值)比较和(相位)比较两类。
2．在电网中装带有方向元件的过流保护是为保证动作的(选择性)。
3.为了确保方向过流保护在反向两相短路时不受(非故障)相电流的影响，保护装置应采用(按相)起动的接线方式。
4．90度接线功率方向元件在(保护安装处)附近发生(三相)短路时存在“死区”。
接地故障的特征与保护方式
电压相量图：
E A
U k0
U kC
E U k0 A
I 0 L1
U kB
E C
E B
3U 0
I 0L2
I 0 L 3
非故障线路的零序电流
I j C U 0 L1 0 L1 k 0 I j C U 0L2 k 0 0L2
sen 70
灵敏角
sen (95 ~ 110 )
零序功率方向继电器接线
三段式零序电流方向保护原理接线
信号 信号
信号
灵敏系数：
K sen 3U p(C0 C0 L1 ) K rel 3U pC0 L1 C0 C0 L1 K rel C0l1
母线上所有线路对 地电容之和
接地线路对地电容
结论：母线上出线回路数越多越灵敏。
3、零序功率保护
信 号
利用故障线路与非故障线路零序电 流方向不同的特征构成保护
1、绝缘监视装置
信号
通过母线电压互 感器开口三角形侧输 出电压（零序电压） 大小来判断有无接地 故障。
不具有选择性， 无法判断是母线上哪 一条出线接地。寻找 接地线路只能采用 “拉闸停电”方法结 合观察电压表指示来 判断。 特点：简单。适用于母线上出 现回路数少的情况。
2、零序电流保护 原 理：利用故障线路与非故障线路零序电流的数值不 同的特征构成保护。
E C
E B
E A
I 0 L1
I 0 L1
I 0L2
I 0 L3
K
I 0L2
I 0 L3
0 U kA
E E U kB B A E E U kC C A
继电保护-3.5-3.8距离保护的振荡闭锁
振荡中心位于本线路保护范
围内时：
jX
当在δ在δ1和δ2之间时，测量 阻抗落入动作范围内，其测
O
量元件会动作
2
N
N
振荡中心位于本线路范围外 时：
测量阻抗不会落入距离I段的 动作区，距离I段不受振荡的 影响，但由于距离II段和距 离III段整定阻抗较大，可能 会动作。
M
M
1 2
Z
ZM
1 ZM
R
b. 系统振荡对不同特性的阻抗继电器的影响
因此一般取0.1s~0.3s。
数字式保护中，一般取0.15s左右。
整组复归元件
整组复归元件在故障或振荡消失后再经过一个延时 动作，将SW复原，它与故障判断元件、SW配合， 保证在整个一次故障过程中，保护只开放一次。但 是对于先外部故障引起的振荡后再次故障，保护也 将被闭锁，尚需要有再故障判别元件。
常用的故障判别元件：
ii. 反映电流突变量的故障判断元件 依据：
在系统正常或振荡时电流变化比较缓慢，而在系 统故障时电流会出现突变。
（2）利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁
原理： 在电力系统发生故障时，测量阻抗由负荷阻抗突变 为短路阻抗；而在振荡时，测量阻抗缓慢变为保护 安装处到振荡中心的线路阻抗，根据两种情况下阻 抗变化速度的不同构成振荡闭锁。
为了能对电力系统振荡的物理过程进行明确而简单的分析， 同时又不影响结论的正确性，提出下列几点假设：
(1)将所研究系统按其电气连接的特点简化为一个具有双侧电源的 网络；
(2)系统振荡时，三相处于对称状态，因此可以只取一相进行分析;
(3)系统振荡时，两侧系统的电势幅值相等，相角差以δ表示；
(4)系统中各元件的阻抗角相等；
高频闭锁方向保护
第三节 高频闭锁方向保护
又称为闭锁式方向纵联保护
一、高频闭锁方向保护基本原理
高频闭锁方向保护是以高频通道经常无电流，而在外部故障时发闭 锁信号的方式构成的，此闭锁信号由短路功率为负的一侧发出，这 个信号被两侧的收信机所接收，而闭锁各自的保护。
二、高频闭锁方向保护的组成（常规保护）
判断短路功率的方中间继电器：在内 低灵来机定敏启值度动启较高动高频元，发高灵来向件用信定敏启：值度动启较跳极闸流组动动低闸化回时线作元，回继路才圈。件用路电。动同：器作时只：；有有部高而电用仅故频当流以当障信制时控工时号动继制作停线电保线止圈器护圈发或均的有出两不跳电
工作线圈
制动线圈
1．正常运行
A
B
C
D
1
23
45
6
正常运行时，两侧的启动元件均不启动，保护不会动作。
2．区外故障
A
BK
C
D
1
23
45
6
B侧的短路功率为负，功率方向继电器不动作，不停信。收信 机收到高频信号，将保护闭锁，不跳闸。
3．区内故障
A
BK
C
D
1
23
45
6
两侧KW承受正方向短路功率起动而停信，保护发出跳闸脉冲。
4．单侧电源线
路A
BK
C
1Hale Waihona Puke 35B侧保护3的动作情况与区内故障时情况相同，C侧保护4不启动， 不发闭锁信号，B侧保护收不到闭锁信号且本侧跳闸条件满足，则 立即跳开电源断路器，切除故障。
• 时间配合 • 延时元件的作用：等待对端高频保护信号的到来，防止区外故障
造成保护的误动作，在具有远方启动发信的高频保护中延时一般 为10ms。 • 记忆元件作用：防止外部故障切除后，近故障点的保护启动元件 先返回停止发信，而远故障点的启动元件和功率方向元件后返回 ，造成保护 误动作跳闸。（100ms） • 采用两个灵敏度不同的起动元件 • 若采用一个启动元件，当区外故障时，由于TA误差，功率方向为 正侧元件动作，为负侧不动作 ，使功率方向为正侧误动。采用 两个启动元件，S+侧的KA2动作时， S-侧的KA1动作时一定动作 ，防止误动作 。
继电保护原理复习总结
1、继电保护的基本任务是什么?答：(1)自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行； ● 对继电保护的基本要求？ 答：（1）选择性：仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，保证系统中非故障部分的正常工作。
（2）速动性：保护装置能迅速动作切除故障。
（3）灵敏性：指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。
（4）可靠性：指对于该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时它不拒动，而在任何其它该保护不应动作的情况下，则不应误动。
● 什么是纵联电流相位保护的闭锁角？那些因素决定闭锁角的大小？答：为了保证在任何外部短路条件下保护都不误动，需要分析区外短路时两侧收到的高频电流之间不连续的最大时间间隔，并加以闭锁。
这一时间间隔所对应的工频相角差就为闭锁角。
影响因素：电流互感器的角误差、保护装置中滤序器及受发信操作回路的角度误差、高频信号在线路上传输所引起的延迟等。
● 在继电保护中对方向继电器的基本要求是什么，对于相间短路的功率方向继电器，写出其动作方程，画出其动作特性？ 答：（1）具有明确的方向性；（2）故障时继电器的动作有足够的灵敏度。
︒0接线时动作方程为90arg 90-≥≥-Jj J I e Um l ϕ，动作特性如图（a ）所示；︒90接线时动作方程为 90arg 90)90(-≥≥-Jj J I eU d ϕ，动作特性如图（b ）所示；●（a）按（2－34）式构成； （b）按（2－37）式构成1+j+01+j+0动作区不动作 区m l ϕml ϕ（a）（b）动作区简述高频闭锁方向保护的工作原理。
答：高频闭锁方向保护是通过高频通道间接比较被保护线路两侧的功率方向，以判别是被保护范围内部故障还是外部故障。
● 相继动作:由于信号的间断，间断角接近180度，因此，M 端的保护即可立即动作跳闸。
保护装置的这种工作情况—————即必须一端的保护先动作跳闸以后，另一端的保护才能动作跳闸，称之为“相继动作”● 简述相差高频保护的工作原理。
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变压器功率方向保护校验方法探讨
作者：佚名转贴自：电力设备网点击数： 1629 更新时间：2007-4-22
钟聪
深圳供电局，广东深圳518020
1 引言
变压器功率方向保护（包括相间功率方向保护和零序功率方向保护）是变压器的重要后备保护之一。
它作为相邻元件及变压器内部故障的后备保护，在防止故障范围的扩大，保障系统安全运行方面起着重要的作用。
其方向性的正确与否，和电流互感器的一次、二次接线、电压互感器的二次接线及保护装置的二次接线都有关系，在实际运行当中，很容易由于接线极性的错误而造成保护误动或拒动。
本文试图通过对功率方向保护的探讨，总结出一种简单可靠的校验方法。
结果表明，通过模拟电力系统的实际故障，结合CT、PT接线极性的分析，能够简单可靠地对功率方向保护方向的正确性进行检验，在设备验收和日常定检工作中，大大简化了工作量。
2 问题的提出
功率方向保护方向的正确性，可以通过检查保护的电压、电流接线极性来检查，但是对于现场的实际装置，二次线繁多，接法复杂，难以理清各线的走向，容易出错。
而且，对于应用日益广泛的微机变压器保护，功率方向保护的方向指向一般通过软件控制字整定，方向性的确定是在保护软件模块默认系统的电压电流接线极性的条件下，由保护计算软件来控制确定的。
比如，对于WBZ－500微机变压器保护，其配置中带方向的功能，方向的确定必须在以下极性接线方式下：CT极性是当一次电流流入变压器时，装置的感应电流为正极性电流流入装置；PT极性为正极性接入装置。
这样，就无法和分立元件保护一样地通过检查继电器电压电流接法的极性来检查功率方向保护的方向性。
比较简单可靠的方法是结合保护的整组试验，依据保护的整定和CT、PT的
接线极性，模拟出系统的正、反方向故障，给保护加入模拟的故障电压和电流，校验其动作的角度和灵敏性。
3 相间功率方向的校验
要模拟系统故障，进行整组试验，首先要分析系统一次故障的情况。
我局的220kV变压器相间功率方向保护正方向的整定都是指向母线的。
首先考虑正方向故障的情况。
如图1所示，母线外线路发生相间故障时，对变压器保护CT，以母线流向变压器为电流的正方向。
设线路阻抗角是70°，则可作出一次电压电流的向量图如图2。
可见故障电流I K滞后相间电压U K160°。
对于二次电压电流的向量关系，则要视PT、CT的接法极性不同而有所不同。
一般PT采用减极性接法，其二次绕组的极性端接入保护（PT接线图见后面图9）。
对于CT，也是采用减极性接法（CT接线图见后面图10），当一次绕组L1指向母线，二次侧电流从K1流出时，可以认为二次电流和一次电流同相位，此时可作出二次电压电流向量图如图3所示；反之，当二次侧电流从K2流出时，二次电流和一次电流的相位相反，二次电压电流向量关系如图4。
我们在进行相间功率方向校验时，首先查明PT、CT的接线方式，再模拟系统正反方向故障，在保护端子上加入上述关系的二次电压和二次电流，检查保护动作的情况，确定保护的动作区和灵敏角。
如果在正方向故障时保护能够正确动作，而在反方向故障时保护应可靠不动作，则表明保护接线正确，性能完好。
例如，CT一次绕组L1指向母线，二次侧电流从K1流出，在保护加入如图3所示二次电压U K2和二次电流I K2，则此时相当于系统母线外部故障的情况，在以方向指向母线为正方向时，故障属于正方向故障，保护应该正确动作。
由此可校验出保护的动作区和灵敏角，如图3示。
以LG－11相间功率方向继电器为例，当其灵敏角整定为－30°，采用90°接线时，在上述PT、CT接线极性和方向指向的情况下，保护要在正方向故障下动作，就要求继电器电流线圈和电压线圈反极性接入二次电压电流，如电压线圈极性端接PT二次的极性端，则电流线圈的极性端要接CT二次的非极性端，这样才能使得动作区和故障时一致，方向性得以保证。
此时，继电器的动作区的范围为I K超前U K120°至300°。
当CT一次绕组L1指向母线，二次侧是从K2流出时，在上述正方向故障时，二次电压电流间的关系正好反了180°，见图4。
在保护加入此种关系的二次电压U K2和二次电流I K2时，也正好是系统母线外故障的情况，保护应正确动作。
此时动作区的范围为I K滞后U K60°至超前U K120°。
如采用LG－11相间功率方向继电器，可以推断，此时继电器的电压、电流线圈是正极性接入二次电压电流。
可以类推：
当CT一次绕组L1指向变压器，二次侧从K1流出时，作出保护的动作区同图4所示时，才可
以确定功率方向保护的正确性。
当CT一次绕组L1指向变压器，二次侧从K2流出时，动作区应同图3。
可见，在校验功率方向保护时，依据PT、CT接线的极性和保护的方向整定，模拟出系统一次故障的情况，对保护加入二次电压和二次电流进行整组试验，不但可以校验保护功能的完好性，还可以校验保护功率方向接线的正确性，方法简洁可靠。
4 零序功率方向的校验
用模拟故障的方法校验零序功率方向，首先要分析正方向接地故障时零序电压电流的关系。
如图5所示，系统K点发生接地故障，作出零序网络图。
由图可以看出，零序网络中M侧流过零序电流I K，母线侧零序电压U M0为：
U M0＝I K×Z M
式中，Z M———M侧零序阻抗；
Z M主要决定于变电所中性点接地变压器的零序阻抗，阻抗角约在85°以上。
由式可作出一次零序电压U K1与一次零序电流I K1相量关系如图6，零序电压超前零序电流约85°。
二次零序电压和二次零序电流的相量关系则与PT及CT的接线有关。
我局的220kV变压器零序功率方向保护正方向的整定都是指向母线的，零序电压通过PT开口三角取得，其接线采用－3 U0接线，即一次零序电压和二次零序电压反相位。
如图9示。
零序电流取套管CT二次中性线上流过的零序电流时，当CT一次侧L1指向母线，二次侧从
K1引出接至保护，可认为一次零序电流与二次零序电流同相位，二次零序电压U K2和二次零序电流I K2的向量关系如图7；反之，当CT一次侧L1指向母线，二次从K2引出接至保护，可认为一次零序电流与二次零序电流反相位，二次零序电压U K2和二次零序电流I K2的向量关系如图8所示。
同样地，对零序功率方向保护进行校验时，首先查明PT、CT的接线方式，再模拟故障的情况，在保护端子上加入上述关系的二次零序电压U K2和二次零序电流I K2，检查保护动作的情况，确定保护的动作区和灵敏角。
如果在正方向故障时保护能够正确动作，反方向故障时保护应可靠不动作，则表明保护接线正确，功能完好。
例如，CT一次绕组L1指向母线，二次侧电流从K1流出，对于以方向指向母线为正方向的零序功率方向保护，在保护加入如图7所示的二次零序电压U K2和二次零序电流I K2，则此时相当于母线外部故障的情况，保护应该正确动作，而在反方向故障时应不动作。
根据上述动作条件确定保护的动作区和灵敏角，如图7示。
保护的动作区范围为电流超前电压5°～185°，最大灵敏角为95°。
对于LG－12零序功率方向继电器，灵敏角为70°时，在上述情况下，继电器的电压和电流线圈应是反极性接入二次零序电压和二次零序电流（如电压线圈极性端接PT二次的极性端，则电视线圈的极性端要接CT二次的非极性端），才可以保证在正方向故障时，二次零序电流超前二次零序电压的情况下继电器能够正确动作。
当CT一次绕组L1指向母线，二次侧电流从K2流出时，二次零序电流正好反了180°，如图8。
对于以方向指向母线为正方向的的零序功率方向保护，在保护加入图8所示二次零序电压U K2和二次零序电流I K2，则正好是正方向故障的情况，保护应该正确动作，而在反方向故障时应不动作。
根据上述动作条件确定保护的动作区和灵敏角，如图8示。
对于LG－12继电器，可以推出，继电器的电压和电流线圈应是正极性接入二次零序电压和二次零序电流。
同样可以推得：当CT一次绕组L1指向变压器，二次侧从K1流出时，作出保护的动作区同图8所示时，才可
以确定零序功率方向保护的正确性。
当CT一次绕组L1指向变压器，二次侧从K2流出时，动作区应同图7。
可见，在校验零序功率方向保护时，和校验相间功率方向保护一样，依据PT、CT接线的极性和保护的方向整定，模拟出系统一次故障的情况，对保护加入二次电压和二次电流进行整组试验。
值得注意的是PT开口三角的接线方式，采用－3 U0和3 U0的不同接法时结果正好相反。
5 结论
（1）实际运行结果表明，本文提出的模拟系统故障，利用整组试验的方法，能够简单可靠地对变压器功率方向保护接线正确性和保护功能完好性进行校验。
特别是对于微机变压器保护，其优点更加明显。
（2）应该指出，对系统正、反方向故障时二次电压和二次电流相位关系分析的正确性是建立在PT、CT接线极性的正确确定的基础上的，因此，校验结果的正确性也是建立在这个基础上。
参考文献：
［1］贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理［M］．水利电力出版社，1991．
［2］李光琦．电力系统暂态分析［M］．西安交通大学，1995．。