電力系統二次保護方向元件接線分析

中國南方電網有限責任公司 聶書群

許繼電氣股份有限公司 王柏恒 周群英

電廠、變電站新投運或復雜保護投運時，為了防止二次接線錯誤，必須帶負荷檢驗方向元件的動作行為，以確保二次接線的正確性。如零序功率方向繼電器、負序功率方向繼電器等。由于目前微機保護得到廣泛的運用，給調試帶來很大的方便，但是也使得調試人員在調試保護裝置過程中疏忽了理論，甚至于有些調試人員保護裝置調試完了也沒搞清楚保護的原理。由于方向元件的檢驗需要理論和實踐知識相結合，在實際運用過程中容易混淆而不能正確判斷其動作行為的正確性。本文，筆者通過理論知識、實際接線、結合系統潮流分析方向元件的動作情況，以確定保護接線的正確性。

本文，筆者以零序功率方向為例來討論。在零序電流保護正方向有中性點接地變壓器的情況下，不管被保護線路的對側有無電源，當保護背后發生非對稱接地故障時，有零序電流通過保護安裝點，當該電流達到一定值時，可引起零序電流保護的某段誤動作。為了避免誤動作，可采用加大整定電流值或者增大動作時限的辦法，可是將導致保護的靈敏度下降或者動作時限過大，而且采用增大動作時限的方法還將出現對動作時限有矛盾的要求，此時就需要采用方向元件。

一、方向保護的原理

根據運行統計，在目前110kV 及以上電壓等級的電力系統中，單相接地故障占總故障的70%～90%，甚至更高。所以本文，筆者僅以單相故障為例來分析。電力系統正常運行時是對稱的三相系統，當發生單相接地短路或兩相接地短路等不對稱故障時，短路點的電氣量出現了不對稱，整個系統成了不對稱系統。根據對稱分量的理論，短路點不對稱的電壓、電流可分別用它的正序、負序、零序三組對稱分量來代替，并把這個不對稱三相系統分解為正序、負序、零序三個對稱的三相系統。這三個系統可以獨立存在，只有同序的電壓、電流、阻抗之間存在著聯系。這樣處理之后，各序的三相系統都是對稱的，所以可以只研究其中一個相的序網絡。

在發生接地故障后，出現了零序電壓、零序電流、零序功率，可以利用它們來實現接地保護。下面來論述零序電壓和零序電流的獲得。

二、系統電流互感器CT 與電壓互感器PT 接線方式

電流互感器接線與電壓互感器接線方式的正確與否將直接影響到保護動作的可靠性。PT的一般接線方式如圖1所示。

當A相接地故障時，PT開口三角有向量圖如圖2所示。

可見，故障時開口三角產生的零序電壓在非極性端接地、極性端接地時相位相差180°，幅值相等。

圖1 電壓互感器接線（開口三角）

圖2 PT 開口三角向量圖

三、負荷的測試、判斷

系統負荷測試又稱制負荷六角圖（以110 kV 變壓器高壓側為例）。抄錄有關數據，有功功率（送出）39 600 kW，無功功率（送出）22 863 kVA，相位測定一般采用相位表法。

根據上面數據判定功角：（取UA與各電流之間角度），六角圖測定用相位表見表1。

表1 六角圖測定用相位表

據此來判定功角方向（以A 相為例，設潮流功率方向為送出）。

四、繼電器接線

繼電器接線如圖3所示。

1.電壓滯后電流95°～110°。

（1）PT開口三角以非極性端接地。

（2）當PT 二次側開口三角極性端接地時，繼電器電壓線圈非極性端接L。

2.電壓超前電流70°～85°。

（1）PT開口三角以非極性端接地。

圖3 繼電器接線

（2）當PT 二次側開口三角極性端接地時，將零序功率繼電器電壓線圈極性端接L。

綜合以上分析，當發生單相接地短路時，由于零序阻抗分量遠大于零序電阻分量，所以阻抗角在70°～85°，即零序電壓滯后電流約95°～110°，目前大多數的設計都是采用PT開口三角非極性端接地，而國產的零序功率方向繼電器的靈敏角大多數與線路零序阻抗角70°相等。為了使這種繼電器能正確反應區內外故障，應按L接非U*、3Ⅰ0接Ⅰ*的方法接線。

五、以負荷電流電壓檢驗繼電器

為了防止二次接線錯誤，必須帶負荷檢驗方向元件的動作行為，以確保二次接線的正確性。用二次電壓來檢驗：通過PT開口三角的試驗抽頭來獲得模擬零序電壓。

第一種情況與一次系統A相接地故障時所產生的零序電壓極性相同，第二種情況則相反。分別開入單相負荷電流以模擬零序電流，得到以下兩種功率動作情況。

第一種情況見表2。

第二種情況見表3。

表2 功率方向情況1

表3 功率方向情況2

六、結論

在現場工作，一般推廣模擬單相故障的方法，作為判斷分析的基礎。當采用PT一次斷相（如斷開A相）時，與實際單相短路接地故障情況相同，因此，零序功率繼電器的動作情況均應與第一種情況相同。采用該方法，整個電流、電壓回路基本不變動，概念清晰、簡單明確，不易引起誤判。

由于電力系統正常運行時，沒有零序電流，PT開口三角L端子正常沒有電壓，造成零功檢驗的困難。在電力系統中，由于方向元件不正確而造成保護的不正確動作現象具有相當的普遍性。因此只有以實事求是、嚴謹細致的科學態度，在理解、把握了系統原理、正確的二次回路接線和零序功率方向繼電器的動作特性后，通過仔細分析、科學的態度才能做出正確判斷。