相间短路功率方向继电器的接线方式

2.2.4　相间短路功率方向继电器的接线方式

1）对接线方式的要求

由于功率方向继电器的主要任务是判断短路功率的方向，因此，对其接线方式应提出如下要求：

（1）正方向任何形式的故障都能动作，而当反方向发生故障时则不动作。

（2）故障以后加入继电器的电流和电压应尽可能地大一些，并尽可能使φ_d接近于最大灵敏角φ_lm，以便消除和减小方向继电器的死区。

2）90°接线方式

为了满足以上要求，功率方向继电器广泛采用的是90°接线方式，所谓90°接线方式是指在三相对称的情况下，当cosφ＝1时，如图2.23所示，加入继电器的电流和电压相位相差90°。这个定义仅仅是为了称呼的方便，没有什么物理意义。

图2.23　cosφ＝1时的向量图

图2.24即为采用90°接线方式时，将三个继电器分别接于并且与对应相的过电流继电器连接，而构成的三相式方向过电流保护的原理接线图。在此顺便指出，在功率方向继电器的接线时，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错时，就会出现正方向短路时拒绝动作，而反方向短路时误动作的现象，从而造成严重事故。

图2.24　功率方向继电器采用90°接线方式时，三相式方向过电流保护的原理接线图

3）采用90°接线方式的动作分析

现对90°接线方式下，线路上发生各种故障时的动作情况讨论如下。

（1）正方向发生三相短路

正方向发生三相短路时的向量图如图2.25所示表示保护安装地点的母

图2.25　三相短路时，对90°接线方式的分析

线电压为三相的短路电流，电流滞后对应相电压的角度为线路阻抗角φ_d。

由于三相对称，三个方向继电器的工作情况完全一样，故可只取A相继电器分析。由图可见，电流是超前于电压的。根据式（2.41），A相继电器的动作条件应为

U_BCI_Acos（φ_d－90°＋α）＞0　　　（2.42）

为使继电器工作于最灵敏的条件下，则应使cos（φ_d－90°＋α）＝1，即要求φ_d＋α＝90°。一般而言，电力系统任何电缆或架空线的阻抗角（包括含有过渡电阻短路的情况）都位于0°＜φ_d＜90°之间，为使方向继电器在任何φ_d的情况下均能动作，就必须要求式（2.42）始终大于0，则选择α为0°＜α＜90°才能满足要求。

（2）正方向发生两相短路

如图2.26所示，设B—C两相短路，此时有两种极限情况。

图2.26　BC两相短路时的系统接线图

图2.27　保护安装地点出口处BC两相短路时的向量图

①短路点位于保护安装地点附近，短路阻抗Z_d《Z_s（保护安装处到电源间的系统阻抗），极限时取Z_d＝0，此时的向量图如图2.27所示，短路电流滞后短路点（即保护安装地点）的电压为

此时，对A相继电器而言，当忽略负荷电流时，I_A≈0，因此，继电器不动作。

对于B相继电器，则动作条件应为

U_CAI_B cos（φ_d－90°＋α）＞0　　　（2.44）

对于C相继电器，则动作条件应为

U_ABI_C cos（φ_d－90°＋α）＞0　　　（2.45）

以上两式的关系与式（2.42）相同，因此，同三相短路时的分析，为了在0°＜φ_d＜90°的范围内，使继电器均能动作，需要选择内角α为0°＜α＜90°。

②短路点远离保护安装地点，且系统容量很大，此时Z_d》Z_s，极限时取Z_s＝0，则向量图如图2.28所示，电流仍由电势产生，并滞后一个角度φ_d，保护安装地点的电压为

图2.28　远离保护安装地点BC两相短路的向量图

对于B相继电器，由于电压，较出口处短路时相位滞后了30°，因此，φ_JB＝－（90°＋30°－φ_d）＝φ_d－120°，则动作条件应为

U_CAI_Bcos（φ_d－120°＋α）＞0　　　（2.47）

当0°＜φ_d＜90°时，继电器能够动作的条件为30°＜α＜120°。

对于C相继电器，由于电压，较出口处短路时向超前方向移了30°，因此，φ_JC＝－（90°－30°－φ_d）＝φ_d－60°，则动作条件应为

U_ABI_Ccos（φ_d－60°＋α）＞0　　　（2.48）

当φ_d在0°～90°之间变化时，继电器能够动作的条件为－30°＜α＜60°。

③综合以上两种极限情况可得出，在正方向任何地点两相短路时，B相继电器能够动作条件是30°＜α＜90°，C相继电器的条件为0°＜α＜60°。同理分析A—B和C—A两相短路，可以得出相应的结论，如表2.2所示。

表2.2　正方向各种短路时，方向继电器能够正确动作的内角α的范围

结论：综合三相和各种两相短路的分析得出，当0°＜φ_d＜90°时，使故障相方向继电器在一切故障情况下都能动作的条件应为：

30°＜α＜60°

应该指出的是，以上讨论的只是继电器在各种情况下可能动作的条件，确定了内角的范围，内角的值在此范围内根据动作最灵敏的条件来确定。为了减小死区范围，继电器动作最灵敏的条件，应根据三相短路时cos（φ_J＋α）＝1来决定，因此，对某一已经确定了阻抗角的送电线路而言，应采用α＝90°－φ_d，以便短路时获得最大的灵敏度。

4）90°接线方式的主要优点

由以上分析可见，90°接线方式的主要优点是：第一，对各种两相短路都没有死区，因为继电器加入的是非故障的相间电压，其值很高；第二，适当地选择继电器的内角α后，对线路上发生的各种故障，都能保证动作的方向性。

最后指出，在正常运行情况下，位于线路送电侧的功率方向继电器，在负荷电流的作用下，一般都是处于工作状态，其触点是闭合的。