发布时间 : 星期六 文章《电力系统继电保护（第二版）》读书笔记 - 图文更新完毕开始阅读5919bf71f90f76c660371a4b
双侧电源网络发生短路时流过线路的短路功率一般指短路时母线电压与线路电流相乘所得到的感性功率，方向是从电源经由线路流向短路点。短路功率的流动方向正是保护应该动作的方向。
方向性电流保护即在电流保护的基础上加装一个判别短路功率流动方向元件。当功率方向由母线流向线路（正方向）时才动作，而反方向故障时，使保护闭锁。并与电流保护共同工作。方向性电流保护既利用电流的幅值特征，又利用功率方向的特征。
双侧电源网络的方向电流保护可以拆开看成是不同方向上的两组单侧电源网络的保护，各组保护反应于各侧电源供给的电流。两组保护之间不要求有配合关系。
功率的方向即电流、电压之间的相
位关系，而电流滞后对应相电压的角度称为线路阻抗角φk。电力系统任何线路任何情况下0°＜φk＜90°。如果规定流过保护的电流正方向是从母线指向线路，在正方向故障时流过保护的电流īr＝īk，滞后母线电压ū的相角为φk，0°＜φk＜90°；而在反方向故障时īr＝－īk，滞后母线电压ū的相角为180°＋φk，180°＜（180°＋φk）＜270°，即两种情况下相位相差180°。
用以判别功率的方向或测定电流、电压之间相位角的元件称为功率方向元件（继电器）。由于它主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位而工作，因此用相位比较方式来实现最为简单。
功率方向元件（即功率方向继电器）接入向量为电压ūr，电流īr，两者的相角为arg（ūr∕īr），用φr表示。功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出值（转矩或电压）随两者相位差的大小而改变。功率方向元件动作最灵敏时的角度称为其最大灵敏角φsen。又为了保证当短路点有过渡电阻、线路阻抗角φk在0°～90°范围内变化情况下正
方向故障时，继电器都能可靠动作，功率方向元件动作的角度应该有一个范围，考虑实现的方便性，这个范围通常取为φsen±90°。当ūr、īr为故障相电压和电流时，功率方向元件动作角度范围为垂直于最大灵敏角的一条直线，方程式φsen－90°＜arg（ūr∕ī
-jφsen
r）＜φsen＋90°，即－90°＜arg（ūre∕īr）＜90°,功率形式表示为ūrīrcos（φr－φsen）＞0，临界条件为cos（φr－φsen）＝1，即φr＝φsen。最大灵敏角φsen＝线路阻抗角φk＝60°。
功率方向元件为消除短路时的电压死区，采用非故障相的相间电压作为接入功率方向元件的电压参
考相量，判别故障相电流的相位。（非故障的相间电压与故障相电压相差90°角），即所谓90°接线（当cosφ＝1时，īA和ūBC相位相差90°，只是称呼方便，没有物理意义）。
当采用90°接线方式特性的功率方向元件时，功率方向元件的最大灵敏角φsen＝φk－90°＝－30°，取90°－φk＝α（称为功率方向继电器的内角），则功率方向元件的动作特性方程式为－90°－α＜arg（ūr∕īr）＜90°－α，功率形式表式为ūrīrcos（φr＋α）＞0，功率方向继电器动作最灵敏的条件应根据三相短路时使cos（φr＋α）＝1来决定。
功率方向判别元件的作用是比较加在元件上电压与电流的相位，并在满足一定关系时动作。其实现方法有相位比较法和幅值比较法。其实现手段有感应型、集成电路型、和数字型等。目前广泛采用的相位比较法是相量ūr和īr转换成电压，测量两个电压瞬时值同时为正（或同时为负）的持续时间来进行的。
对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，否则会造成正方向短路拒动，而反方向上误动。
电流保护及方向性电流保护应用特点：在电流速断保护中能用电流整定值和动作时限保证选择性的，尽量不加方向元件；对线路两端的保护能在一端保护中加方向元件后满足选择性要求的，不在两端保护中加方向元件。
当一条母线上有多条电源线路时，除动作时限最长的一个过电流保护不需要装方向元件外，其余都要装方向元件。
线路中，保护安装地点与短路点之间有电流或线路两种分支电路，参与的电流分别称为
ⅡⅡ
助增电流和外汲电流，上级限时电流速断保护整定时，应引入分支系数Kb，得Iset.2＝(K
Ⅰ
rel∕Kb)Iset.1。
2.4 中性点直接接地系统中接地短路的零序电流及方向保护
正常运行的电力系统是三相对称的，其零序、负序电流和电压理论上为零；多数的短路故障是三相不对称的，其零序、负序电流和电压会很大。
当中性点直接接地系统（又称大接地电流系统）中发生接地短路时（如单相接地或两相接地短路），将出现很大的零序电压和零序流。利用零序电压、零序电流来构成接地短路的保护，被广泛应用在110KV及以上电压等级的直接接地（中性点接地变压器）的电网中。
在电力系统发生短路时，可以利用对称分量的方法将电流和电压分解为正序、负序、零序分量，并利用复合序网来表示它们之间的关系。
零序电流是由在故障点施加的零序电压产生的，由故障点经由线路、大地和接地的中性点（或接地变压器的接地支路）构成回路。零序电源在故障点（接地点）的零序电压最高，距故障点越远，零序电压越低，取决于测量点到大地间阻抗的大小。
零序电流的规定正方向为由母线流向线路，零序电压的正方向规定线路高于大地的电压
为正。对于发生故障的线路，两端零序功率方向与正序功率方向相反，零序功率方向实际上都是由线路流向母线的。
在电力系统运行方式变化时，如果输电线路和中性点接地变压器位置、数目不变，则零序阻抗和零序等效网络就是不变的。而此时，系统的正序阻抗和负序阻抗要随着运行方式而变化，会间接影响零序分量的大小。
如忽略线路回路电阻（包括输电线路零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗）时，故障点两侧零序电流将超前零序电压90°，当计及回路电阻时，此值将大于90°。
零序电流的分布，主要决定于输电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗，而与电源的数目和位置无关。
零序电压3ūo（＝ūa＋ūb＋ūc）的取得：⑴电压互感器二次绕组接成开口三角形；⑵保护装置内部加法器合成零序电压；⑶当发电机的中性点经电压互感器（或消弧线圈）接地时，可以从它的二次绕组取得。零序电压保护应躲开正常运行和相间短路产生的不平衡电压的影响。
零序电流的取得：⑴电流互感器采用三相星形接线，在中性线上的电流就是3īo；⑵保护装置内部将三个相电流相量相加获得；⑶电缆线路采用零序电流互感器。
在正常运行和一切非接地的相间短路，三个相电流的相量和理论上是为零的，只是电流互感器由于励磁电流的不相等（铁芯的磁化曲线不完全相同），在二次侧产生了不平衡电流。零序电流保护应躲开它们的影响。
三段零序电流保护：零序电流Ⅰ段（速断）分⑴灵敏Ⅰ段，按躲开下级线路出口处单相或两相接地时可能出现的最大零序电流3I0.max和断路器三相触头不同期合闸出现的最大零序电流3I0.unb（如果装置动作时间大于不同期合闸时间，则可以不考虑这一条件）整定，相应
ⅠⅠⅠⅠⅠ
整定式为Iset＝Krel33I0.max和Iset＝Krel33I0.unb，Krel为可靠系数取1.2～1.3。整定值选取以上两者中较大者。当按照后者考虑时，有时会使启动电流过大而使保护范围缩小，可以采用在手动合闸以及三相自动重合闸时，使零序Ⅰ段带有一个小延时（约0.1s），以躲开三相不同期合闸的时间，这样在定值上就无需考虑此条件了；⑵不灵敏Ⅰ段，按躲开线路上采用单相重合闸而在非全相运行状态下又发生系统振荡时所出现的最大零序电流整定。
零序Ⅱ段保护启动电流首先考虑与下级线路的零序电流速断保护范围的末端相配合，并带有高出一个Δt的时限。零序Ⅲ段保护整定原则是按照躲开在下级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定。
零序电流Ⅲ段保护的作用相当于相间短路的过电流保护，继电器启动电流按照躲开在下
ⅢⅢⅢ
级线路出口处相间短路时所出现的最大不平衡电流来整定，Iset＝KrelIunb.max，Krel为可靠系数取1.1～1.2。
方向性零序电流保护：在双侧或多侧电源网络中，电源处变压器的中性点一般至少有一台要接地，多台变压器中性点接地时，应考虑零序电流保护动作方向。零序功率方向元件接入零序电压3ūo和零序电流3īo，反应于零序功率的方向而动作。3īo超前于3ūo为95°～110°,对应于保护安装地点背后的零序阻抗角85°～70°，φsen＝－95°～－110°。由于越靠近故障点的零序电压越高，因此零序功率方向元件没有电压死区。而当故障点距离保护安装处越远时，保护安装处的零序电压较低，零序电流较小，必须校验方向元件在这种情况下的灵敏系数。
零序电流保护与相电流保护相比有独特的优点：①零序过电流保护按躲开不平衡电流整定，且发生单相接地短路时，故障相的电流与零序电流3I0相等，因此它比相电流保护灵敏度高，动作时限也较短；②相电流保护直接受系统运行方式变化的影响很大，而零序电流保护受系统运行方式影响小很多。另外由于线路零序阻抗较远较正序阻抗大，X0＝(2～3.5)X1，故线路始端与末端短路时，零序电流变化显著，因此零序保护的保护范围较大，也较稳定；③系统不正常运行状态如系统振荡、短时过负荷等时，三相是对称的，相间短路的电流保护要受它们的影响，而零序电流保护则不会；④方向性零序保护没有电压死区。另外其它故障往往是由单相接地故障发展起来的，零序保护为绝大部分的故障情况提供了保护。
当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的电网（如110KV和220KV电网），则任一电网中的接地短路都将在另一网络中产生零序电流。
2.5 中性点非直接接地系统中单相接地故障的保护
中性点不接地、中性点经消弧线圈接地、中性经电阻接地等系统，统称为中性点非直接接地系统，又称小接地电流系统。发生单相接地时故障电流很小，而且三相之间的线电压仍然保持对称，三相负荷电流对称，相对于故障前没有变化，对负荷的供电没有影响，因此，在一般情况下，都允许再继续运行1—2h。
非直接接地系统在单相接地时，一般只要求继电保护能选出发生接地的线路并及时发出信号，而不必跳闸；但当单相接地对人身和设备的安全有危险时，则应动作于跳闸。能完成这种任务的保护装置称为接地选线装置。
输电线路的零序电阻远小于电容产生的零序电流，中性点不接地系统的零序电流由系统各元件对地的等值电容产生，并由各元件对地的等值电容构成通路，网络的零序阻抗很大。
中性点不接地系统单相接地时，在接地点处接地相对地电压为零，对地电容被短接，电容电流为零，而其他两相的对地电压升高√3倍，对地电容电流也相应增大√3倍。发生单相接地时，相当于在故障点产生了一个值与该接地相故障前相电压大小相等，方向相反的零序电压，从而全系统都将出现零序电压。接地相对地电压、电流为零，非接地相中的零序电流为其本身的对地
电容电流，而接地相中流过的零序电流（等于流过接地点的电流）为全系统非故障元件对地电容电流之总和（相量和）（但不包括故障线路本身），其有效值（绝对值）是正常运行时单相对地电容电流的3倍。故障相电容性无功功率的方向为由线路流向母线，而非故障相电容