電力系統(tǒng)二次保護(hù)方向元件接線分析

中國(guó)南方電網(wǎng)有限責(zé)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(yùn)或復(fù)雜保護(hù)投運(yùn)時(shí)，為了防止二次接線錯(cuò)誤，必須帶負(fù)荷檢驗(yàn)方向元件的動(dòng)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(fù)序功率方向繼電器等。由于目前微機(jī)保護(hù)得到廣泛的運(yùn)用，給調(diào)試帶來(lái)很大的方便，但是也使得調(diào)試人員在調(diào)試保護(hù)裝置過(guò)程中疏忽了理論，甚至于有些調(diào)試人員保護(hù)裝置調(diào)試完了也沒搞清楚保護(hù)的原理。由于方向元件的檢驗(yàn)需要理論和實(shí)踐知識(shí)相結(jié)合，在實(shí)際運(yùn)用過(guò)程中容易混淆而不能正確判斷其動(dòng)作行為的正確性。本文，筆者通過(guò)理論知識(shí)、實(shí)際接線、結(jié)合系統(tǒng)潮流分析方向元件的動(dòng)作情況，以確定保護(hù)接線的正確性。

本文，筆者以零序功率方向?yàn)槔齺?lái)討論。在零序電流保護(hù)正方向有中性點(diǎn)接地變壓器的情況下，不管被保護(hù)線路的對(duì)側(cè)有無(wú)電源，當(dāng)保護(hù)背后發(fā)生非對(duì)稱接地故障時(shí)，有零序電流通過(guò)保護(hù)安裝點(diǎn)，當(dāng)該電流達(dá)到一定值時(shí)，可引起零序電流保護(hù)的某段誤動(dòng)作。為了避免誤動(dòng)作，可采用加大整定電流值或者增大動(dòng)作時(shí)限的辦法，可是將導(dǎo)致保護(hù)的靈敏度下降或者動(dòng)作時(shí)限過(guò)大，而且采用增大動(dòng)作時(shí)限的方法還將出現(xiàn)對(duì)動(dòng)作時(shí)限有矛盾的要求，此時(shí)就需要采用方向元件。

一、方向保護(hù)的原理

根據(jù)運(yùn)行統(tǒng)計(jì)，在目前110kV 及以上電壓等級(jí)的電力系統(tǒng)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(lái)分析。電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)是對(duì)稱的三相系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)生單相接地短路或兩相接地短路等不對(duì)稱故障時(shí)，短路點(diǎn)的電氣量出現(xiàn)了不對(duì)稱，整個(gè)系統(tǒng)成了不對(duì)稱系統(tǒng)。根據(jù)對(duì)稱分量的理論，短路點(diǎn)不對(duì)稱的電壓、電流可分別用它的正序、負(fù)序、零序三組對(duì)稱分量來(lái)代替，并把這個(gè)不對(duì)稱三相系統(tǒng)分解為正序、負(fù)序、零序三個(gè)對(duì)稱的三相系統(tǒng)。這三個(gè)系統(tǒng)可以獨(dú)立存在，只有同序的電壓、電流、阻抗之間存在著聯(lián)系。這樣處理之后，各序的三相系統(tǒng)都是對(duì)稱的，所以可以只研究其中一個(gè)相的序網(wǎng)絡(luò)。

在發(fā)生接地故障后，出現(xiàn)了零序電壓、零序電流、零序功率，可以利用它們來(lái)實(shí)現(xiàn)接地保護(hù)。下面來(lái)論述零序電壓和零序電流的獲得。

二、系統(tǒng)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(hù)動(dòng)作的可靠性。PT的一般接線方式如圖1所示。

當(dāng)A相接地故障時(shí)，PT開口三角有向量圖如圖2所示。

可見，故障時(shí)開口三角產(chǎn)生的零序電壓在非極性端接地、極性端接地時(shí)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(fù)荷的測(cè)試、判斷

系統(tǒng)負(fù)荷測(cè)試又稱制負(fù)荷六角圖（以110 kV 變壓器高壓側(cè)為例）。抄錄有關(guān)數(shù)據(jù)，有功功率（送出）39 600 kW，無(wú)功功率（送出）22 863 kVA，相位測(cè)定一般采用相位表法。

根據(jù)上面數(shù)據(jù)判定功角：（取UA與各電流之間角度），六角圖測(cè)定用相位表見表1。

表1 六角圖測(cè)定用相位表

據(jù)此來(lái)判定功角方向（以A 相為例，設(shè)潮流功率方向?yàn)樗统觯?/p>

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

綜合以上分析，當(dāng)發(fā)生單相接地短路時(shí)，由于零序阻抗分量遠(yuǎn)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(shù)的設(shè)計(jì)都是采用PT開口三角非極性端接地，而國(guó)產(chǎn)的零序功率方向繼電器的靈敏角大多數(shù)與線路零序阻抗角70°相等。為了使這種繼電器能正確反應(yīng)區(qū)內(nèi)外故障，應(yīng)按L接非U*、3Ⅰ0接Ⅰ*的方法接線。

五、以負(fù)荷電流電壓檢驗(yàn)繼電器

為了防止二次接線錯(cuò)誤，必須帶負(fù)荷檢驗(yàn)方向元件的動(dòng)作行為，以確保二次接線的正確性。用二次電壓來(lái)檢驗(yàn)：通過(guò)PT開口三角的試驗(yàn)抽頭來(lái)獲得模擬零序電壓。

第一種情況與一次系統(tǒng)A相接地故障時(shí)所產(chǎn)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(fù)荷電流以模擬零序電流，得到以下兩種功率動(dòng)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(jié)論

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

由于電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，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(yàn)的困難。在電力系統(tǒng)中，由于方向元件不正確而造成保護(hù)的不正確動(dòng)作現(xiàn)象具有相當(dāng)?shù)钠毡樾浴Ｒ虼酥挥幸詫?shí)事求是、嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致的科學(xué)態(tài)度，在理解、把握了系統(tǒng)原理、正確的二次回路接線和零序功率方向繼電器的動(dòng)作特性后，通過(guò)仔細(xì)分析、科學(xué)的態(tài)度才能做出正確判斷。