方向纵联保护系统中的故障分量方向元件

1.方向纵联保护的基本原理

方向纵联保护是由线路两侧的方向元件分别对故障的方向作出判断，然后通过高频信号作出综合的判断，即对两侧的故障方向进行比较以决定是否跳闸。一般规定从母线指向线路的方向为正方向，从线路指向母线的方向为反方向。方向纵联保护有两种构成方式，即闭锁式和允许式。目前，系统中使用的方向纵联保护一般都是采用电力线载波通道构成。

闭锁式方向纵联保护的工作方式是当任一侧方向元件判断为反方向时，不仅本侧保护不跳闸，而且由发信机发出高频电流，对侧收信机接收后就输出脉冲闭锁该侧保护。在外部故障时，近故障侧的方向元件判断为反方向故障，所以是近故障侧闭锁远离故障侧；在内部故障时，两侧方向元件都判断为正方向，都不发送高频电流，两侧收信机接收不到高频电流，也就没有输出脉冲取闭锁保护，于是两侧方向元件均跳闸。这就是故障时发信闭锁式方向纵联保护。通常通道按相—地耦合方式，信号在完好线路上传输。通道坏时，外部故障将误动，安全性差，而内部故障，仍然正常动作，可靠性高。

允许式方向纵联保护是利用通道传送允许信号，在功率方向为正的一端向对端发送允许信号，此时每端的收信机只能接收对端的信号而不能接收自身的信号。每段的保护必须在方向元件动作，同时又收到对端的允许信号之后，才能动作于跳闸，显然只有故障线路的保护符合这个条件。对非故障线路而言，一端是方向元件动作，收不到允许信号，而另一端是收到了允许信号但方向元件不动作，因此都不能跳闸。允许式保护在区内故障时必须要求收到对端的信号才能动作，因此就会遇到高频信号通过故障点时衰耗增大的问题，这是它的一个主要缺点。最严重的情况是区内故障伴随有通道破坏，例如发生三相接地短路等，造成允许信号衰减过大甚至完全送不过去，它将引起保护的拒动。通常通道按相——相耦合方式，对于不对称短路，一般信号都可通过，只有三相接地短路，难于通过。

2.方向纵联保护中的方向元件

方向纵联保护的原理简单，其实质是对线路两侧短路功率方向进行比较。方向元件一般在保护中起辅助作用，但在方向纵联保护中起主要关键作用。纵联保护主要应用于重要的超高压线路，因而对方向元件有以下严格的要求：

（1）能反应所有类型的故障。

（2）不受负荷的影响，在正常负荷状态下不启动。

（3）不对称故障时非故障相不误判方向。

（4）不受振荡影响，即在振荡无故障时不误动，振荡中再故障时仍能动作。

（5）在两相运行时仍能起保护作用。

（6）快速动作。到目前为止，故障分量方向元件是性能比较完善的的方向元件，能够完全满足方向纵联保护对方向元件的上述六项要求。

（1）故障分量方向元件的基本原理。

故障分量的方向继电器是用短路附加状态里的工频变化量所构成的方向继电器，因此也称为工频变化量方向元件。对方向继电器最主要的是要能正确区分正、反方向短路。

1）正向短路。

图443所示正向短路时的短路附加状态，加于继电器上的电压ΔU和电流ΔI都是工频变化量的值，并按规定的正方向画出。电压画的是电位升方向。

图443　正向短路时的短路附件状态

显然ΔU和ΔI有如下关系

式中：ΔU、ΔI可以是相序分量，或相序分量的组合，也可以是故障相上的或故障相间的电气量。即

由式（4112）考虑到ZS的阻抗角接近90°，可以得出

2）反向短路。

图444是反向短路时的短路附加状态，加于继电器上的电压ΔU、电流ΔI按规定的正方向画出。ΔU是按电位升的方向画的。

显然ΔU、ΔI有如下关系

图444　反向短路时的短路附加状态

式中：ΔU、ΔI可以是相序分量或相序分量的组合，也可以是故障相的或故障相间的电气量。

由式（4116）考虑到ZR的阻抗角接近90°，可以得出

对比式（4115）与式（4117），可见在正反向短路时测量到的ΔU超前于ΔI的角度截然相反，有着明显的区别。所以，可以用该原理做成方向继电器。

工频变化量的方向元件有以下特点：

①正、反方向短路时，方向元件的判别十分正确、清晰。正、反向短路时测量到的角度有着明显的区别，因而性能良好。

②正、反方向短时，其测量的角度只与短路方向相反的一侧的系统阻抗的阻抗角有关，而与过渡电阻的大小、与两侧电势的相角差（因而也与负荷电流的大小）无关，这一性能是十分可贵的。

③随着灵活输电系统的技术的发展，今后串补电容的应用会越来越多。但串补电容不可能将一侧系统的阻抗补偿成容性，因此，该原理测量的角度不受串补电容的影响。

④在单侧电源的线路上，负荷的电动机在短路瞬间也表现为一个暂态电抗，所以在短路附加状态中负荷处可以用一个负荷电抗表示。因此，当线路上发生短路时，受电端的方向元件也可以正确动作。

图445　断路器合闸时的重叠原理

⑤需要指出，工频变化量的方向元件当用母线电压互感器时，当断路器合闸或跳闸时，如果有电流突变量，该方向元件会判断为“正方向故障”而动作。所以，在保护的构成中应采取措施以防止在合闸时保护误动。

在合闸时，工频变化量方向元件可能动作的情况可用图445来说明。

图445（a）是合闸后状态。保护装于MN线路M端，合闸前线路上电流I＝0。合闸后线路上电流有一个突变，电流为ΔI，加于继电器上的电压U和电流ΔI按规定的正方向画出。该合闸后状态可以认为在断路器位置上有两个电流源，一个为I＝0，另一个为ΔI，其合成电流仍为ΔI，所以合闸后状态如图445（a）所示。(www.xing528.com)

应用重叠原理，该分闸后状态可认为是图445（b）和（c）的叠加。

图445（b）是由电压源ES、ER和电流源I作用下的系统图，另一电流源ΔI开路。由于电流源I＝0，所以此图就是合闸前的空载状态。加于继电器上的电压为U 0，电流I＝0，图445（c）是电流源ΔI单独作用的，电压源ES、ER短接，电流源I开路。继电器中的电流为ΔI，加于继电器上的电压为ΔU，该图称作合闸附加状态。工频变化量继电器中加的电气量就是该附加状态中的量。

从图445（c）中可知

式（4118）与式（4112）表达的在正向短路时的ΔU和ΔI的关系式完全一样，因而继电器判为“正方向故障”。

同样的分析可知，装于MN线路N端的工频变化量方向继电器，在对端合闸或跳闸瞬间也会动作的。

（2）实用的故障分量方向元件。

在图443和图444中，若ΔU和ΔI取为正序分量和负序分量的组合，该复合相序分量为

其中，M在不同的故障类型中有不同的数值。

正方向短路时，参见图443可得

反方向短路时，参见图444可得

设置两个方向元件，一个是正方向的方向元件，一个是反方向的方向元件。正方向方向元件的测量角度为

式中　Zd——模拟阻抗，阻抗角78°；

Zcom——补偿阻抗，当时，Zcom＝0，当时，；ZL为本线路组抗。

反方向方向元件的测量角度为

这两个方向元件的动作方程都为

下面分析这两个方向元件在正、反方向发生短路时的测量角度。

1）正方向短路时。

将U12＝-ΔI12Z1S代入式（4123）和式（4124），并设Z1S、Zcom、Zd阻抗角相等。

所以正方向方向元件测量的角度复合动作方程式（4125），该方向元件动作。反方向方向元件测量的角度不符合动作方程式（4125），方向元件不动作。

2）反方向短路时。

将U12＝ΔI12Z1R代入式（4123）和式（4124），并设Z1R、Zcom、Zd阻抗角相等，且Z1R＞Zcom，可以得到

所以正方向方向元件测量的角度不满足动作方程式（4125），方向元件不动。而反方向方向元件测量的角度满足动作方程式（4125），方向元件动作。

从以上分析可见，正、反向发生短路时相应方向的方向元件可以动作，另一个方向元件不动作，界线十分清晰。

这样构成的方向元件有以下特点：

①～④同前一节的①～④。

⑤Zcom的作用。

在式（4123）中正方向元件计算测量角度φ12＋中引入了Zcom一项，在前面分析反向短路时φ12＋的计算中由于Z1R＞Zcom，所以Zcom的有无对φ12＋的计算不带来任何影响。但当正方向远处短路时，ΔI12较小，如果保护背后是一个大系统（ZS很小），这样计算出的ΔU12＝-ΔI12Z1S很小。如果式（4123）中不引入Zcom一项，则由于ΔU12很小将影响测量的精度。引入了Zcom一项后，ΔI12Zcom一项的值较大，测量的角度主要依靠ΔI12Zcom的值，保证了大电源长线路上短路时测量的精度。

⑥实用的故障分量方向元件具有①～⑤的特点外，还具有的特点是：引入正、反方向两个方向继电器。只有反方向的方向元件不动作，正方向的方向元件动作，才确认正方向发生短路。这两个方向元件在动作时间上和灵敏度上都有配合，也就是反方向的方向元件灵敏度比正方向的方向元件灵敏度高，并且当反方向短路时，确保反方向的方向元件先动作。这样，更确保了在某些复杂的情况下，方向高频保护不会误动。

采取反方向的方向元件闭锁优先的做法是基于工频变化量方向元件在正、反向短路时测量到的角度截然相反，差别特别明显，所以允许正方向的方向元件动作得慢一点，不至于引起正向短路时正方向方向元件不动。

在闭锁式的方向高频保护中，发跳闸命令必须满足以下几个条件：

条件一：起动元件起动。起动元件分高低两个定值。低定值的起动元件起动后起动发讯。高定值的起动元件起动后，软件程序才进入故障测量程序，才有可能跳闸。采用灵敏度不同的两个起动元件可提高区外故障时方向高频保护不误动的可靠性。

条件二：反方向方向元件不动作。

条件三：收讯机已收到高频讯号达10ms。这样做的目的是保证在对侧相邻线路上发生故障时，确保对侧发出的高频闭锁讯号已被本侧可靠收到，这时间要考虑对侧是经过远方起讯后才发讯的情况，所以要考虑高频讯号往返一次需要的总时间。

条件四：正方向方向元件动作。程序安排先收到10ms的高频讯号后才进行正方向方向元件的判别，确保反方向方向元件动作时闭锁优先。满足这四个条件才可发出跳闸命令。从上述的安排可见采用两个方向元件且在灵敏度和动作时间上有配合，更确保了保护不会误动。

⑦浮动门槛的作用。上述两个方向元件都设置了浮动门槛，只有当测量到的ΔU、ΔI超过门槛值后才进行动作判据的判别，这门槛是浮动的。当发生短路时，电气量的变化是“突变”的，ΔU、ΔI较大，可以超过门槛值而作方向的判别。当发生振荡时，电气量的变化不是“突变”的，测量到的ΔU、ΔI较小，超不过门槛值，方向元件就不作方向的判别。随着振荡越来越激烈，振荡周期越来越短。测量的ΔU、ΔI逐渐增大，但浮动门槛电压也逐渐增大。ΔU、ΔI依然小于门槛电压，方向元件仍不作判别。保证了系统振荡时方向高频保护不会误动。