方向元件(1)

输电线路纵联保护方向元件原理（1）方向元件原理基本简介为了区分区内还是区外故障，每侧的保护会利用通道将保护装置对故障方向判别的结果传送到对侧，在该过程中传送的是逻辑信号，以间接比较两侧的电气量。不同线路保护装置采用的方向元件原理各不相同，如工频变化量方向元件和零序方向元件构成的方向纵联保护；以阻抗方向元件和零序方向元件构成的距离纵联保护；能量积分方向元件构成的方向纵联保护。方向元件原理基本简介在纵联保护中，方向元件或功率元件是其中的关键元件，其需要的一些要求如下所示：（1）明确的方向性；（2）正方向元件要确保在本线路全长范围内发生各种故障都能可靠动作；（3）反方向元件要闭锁正方向元件；（4）线路本侧的反方向元件比正方向元件更灵敏、动作更快；（5）要求线路本侧的反方向元件比对侧的正方向元件更灵敏、动作更快。一、工频变化量方向元件RCS-901型装置包括以工频变化量方向元件和零序方向元件构成的方向纵联保护。而工频变化量方向元件就是利用故障时电压、电流故障分量中的工频正序和负序分量判断故障方向的一种方向元件。由于这种分量不只是在故障时产生，在系统操作或其他状态突变时也会产生，故称之为工频变化量。基于该元件的微机高频保护应用很广，动作迅速，介于模拟保护和行波方向保护之间（10ms）。一、工频变化量方向元件该种方向元件应该满足如下的几个要求：（1）正确反映所有类型故障时故障点的方向且无死区；（2）不受负载的影响，在正常负载下不启动；（3）不受系统振荡影响，在振荡无故障时不误动；（4）在两相运行中，又发生短路时仍能正确判定故障点的方向。1.1工频变化量方向元件原理在MN线路上，对于M侧保护，当正方向k1点故障时，相当于故障附加状态的等效网络中在k1点接入一个新电源，变化量由k1点的新电源产生，继电器的电压变化（故障分量）是：11220021122002112200000()()()ASSSBSSSCSSSSUIZIZIZUaIZaIZIZUaIZaIZIZUIZ&&&&&&&&&&&&&&其中，U,I均表示电压、电流的故障分量1.1工频变化量方向元件原理同理，当故障点在反方向k2时，相当于在k2接入一个电源，故障分量由此电源产生，得到：11220021122002112200000ASSSBSSSCSSSSUIZIZIZUaIZaIZIZUaIZaIZIZUIZ&&&&&&&&&&&&&&1.1工频变化量方向元件原理则从保护安装处故障分量中减去零序分量所得到的方向元件只反应正、负序分量，即：称之为“工频变化量”。经过数学代换，可得在正向故障时，有同理，反方向故障时有：ZS——保护安装处母线上等效电源的阻抗；Z’S——线路阻抗和对侧母线上等效电源阻抗之和。0UUU&&&SUIZ&&SUIZ&&1.1工频变化量方向元件原理实际上的方向元件是比较故障分量电压和故障分量电流在模拟阻抗Zr上得电压间相位关系，设Zr、ZS、Z’S的阻抗角相等，在正向故障时，功率方向为正，即考虑各种因素的影响动作区应是±90°，所以方向元件的判据是：同理，反方向故障时方向元件的判据是：argarg180SrrZUZIZo&&90arg270rUZIoo&&90arg90rUZIoo&&1.2综合工频变化量方向元件在大电源侧灵敏度不足时，如图所示，M侧为一大电源，线路MN较长，当线路末端N侧附近发生故障时，M侧保护所测得到的电压突变量为当M为大电源，Zm会很小，导致上式的值约为0，此时则无法用公式判别方向，即所谓的大电源侧方向判据的灵敏度不足问题。1mmkmLZUUZZ&&1.2综合工频变化量方向元件此时可采用综合的故障分量来提高灵敏度。即工频变化量方向元件利用故障分量ΔU12和ΔI12实现相位比较，则式中ΔU12和ΔI12正序、负序电压和电流综合分量；M为转换因子，可根据不同的短路类型选择。通常我们会采用补偿阻抗ZCOM,适当选取其值的大小，使其阻抗角和系统阻抗相同，利用电流故障分量在补偿阻抗上产生虚拟压降，即补偿电压来间接参与比相。12121212UUMUIIMI&&&&&&1.2综合工频变化量方向元件此时，正、反方向的故障的方向元件分别表示为：式中，当ZS/ZL0.5时，补偿阻抗取0，否则Zcom取Zset/2,（ZL为被保护线路阻抗，Zcom=为工频变化量阻抗元件的整定阻抗）。两种方向元件的工作条件均为180°。1212121212argargcomrrUIZFIZUFIZ&&&&&正方向元件反方向元件二、零序方向元件我国电力系统中，超高压线路发生接地故障占总故障次数的90%，零序方向保护是高压线路保护中正确动作率最高的一种。微机零序方向保护与传统的零序电流方向保护基本原理一致，除了输入量的采集外，所有的零序电流大小计算、故障方向判断均由软件完成，满足动作要求即发出跳闸出口命令。受故障过渡电阻的影响较小，具有较高的灵敏度。2.1、零序方向元件原理纵联保护中的零序方向元件也设有正反方向两个元件。零序方向元件由零序过流元件2L0和零序正方向元件F0+相与输出，而反方向元件由零序启动过流元件3L0和零序反方向元件F0-相与输出。已知零序阻抗角为ψ0，当正方向接地故障时，3I0超前3U0为180°-ψ0，零序功率为负，F0+元件动作；当反方向接地故障时，3U0超前3I0的角度为ψ0，零序功率为正，F0-动作。工频变化量方向元件与零序方向元件的对比优点缺点适用场合零序方向元件反应接地故障的正确率很高，受过渡电阻影响较小，灵敏度高等仅能反应接地故障，不能适应系统的两相运行可实现快速主保护，也可作为延时的后备保护工频变化量元件可反应各种故障无死区，可在两相运行中正确动作，不受负载和系统振荡影响等工频变化量只能在故障后短时计算出来，维持时间较短。瞬时动作的主保护三、方向纵联保护逻辑图