纵联保护中的方向元件原理是什么,线路纵联差动保护原理示意图

方向纵联保护与距离纵联保护利用通道将保护装置对故障方向判别的结果传送到对侧，每侧保护根据两侧保护装置的动作过程逻辑来判断和区分是区内还是区外故障。此类保护是间接比较线路两侧的电气量，在通道中传送的是逻辑信号。不同线路保护装置所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等。在纵联保护中，方向元件或功率方向判别元件是其中的关键元件。对方向元件有下述一些要求，这些要求同样适用于闭锁式和允许式、纵联方向保护和纵联距离保护;

（1）要有明确的方向性，如果方向元件不正确，直接会导致纵联保护的误动或拒动。

（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，只有这样，本线路发生故障时，纵联保护才能全线速动。

（3）反方向元件要闭锁正方向元件。一个简单原因，任何时候只要反方向元件动作，说明发生反方向故障，要立即闭锁保护，当然这样做的一个负面影响就是区外转区内故障可能要等到区外故障切除后，纵联保护才能够动作。另外双回线系统中，理论上本线路区外存在某故障点，线路两端不同原理的正方向元件可能同时动作而导致保护误动，因为此时是区外故障，某侧的反方向元件会动作，所以在线路任意一侧都要以反向元件闭锁该侧的正方向元件。

（4）要求线路本侧的反方向元件比本侧的正方向元件更灵敏、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。主要原因是线路本侧反向发生故障，如果线路对侧的正方向元件能够动作，而本侧保护的反方向元件灵敏度较低而没有动作，可能会导致保护误动。

以下分别介绍纵联保护常用的几种方向元件，包括工频变化量方向元件、能量积分方向元件，阻抗方向元件和零序方向元件，零序方向元件为后备稳态量方向元件。

一、工频变化量方向元件

在RCS系列方向纵联保护中，用工频电压、电流的故障分量构成工频变化量方向元件。设有正向和反向两个元件。其原理是比较电压和电流故障分量的相位，用于判断故障的方向。

工频变化量方向元件应满足如下要求∶

（1）正确反应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，在正常负载状态下不启动。

（3）不受系统振荡影响，在振荡无故障时不误动，振荡中再故障时仍能正确判定故障点的方向。

（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.工频变化量方向元件原理

根据第四章第三节对工频故障分量的分析，对于双端电源的输电线路，按照规定的电压、电流正方向，在保护的正方向短路时，保护安装处电压、电流关系为

ΔÚ=-ΔÌZs

式中∶ΔÚ、ΔÌ为保护安装处工频故障分量电压、电流；Zs为保护安装处母线上等效电源的阻抗。

在保护的反方向短路时，保护安装处电压、电流关系为

ΔÚ=ΔÌZ's

式中∶Z's为线路阻抗和对侧母线上等效电源阻抗之和。

可见， 比较故障分量的电压、电流的相位关系，可以明确地判定故障的方向。为了便于实现电压、电流相位关系的判定，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上的电压间相位关系，设Zr、Zs及Z's的阻抗角相等，所以正方向故障时，功率方向为正，即

考虑各种因素的影响动作区应是±90°的范围，正方向故障时，方向元件的判据为

反方向故障时，功率方向负，即

考虑各种因素的影响，反方向故障时方向元件的判据为

对于负序、零序分量类似，正方向故障时，有

式中∶Zs、Zos分别为线路和对侧母线上等效电源的负序、零序阻抗。

反方向故障时，有

式中∶Zs、Zos分别为保护安装处母线上等效电源的负序、零序阻抗之和。

负序、零序故障分量方向元件正方向故障时的判据为

式中∶Z2r、Z0r，为元件中的模拟阻抗，其相角分别与电源的负序及零序阻抗角相等。

同理，负序、零序故障分量方向元件反方向故障时的判据为

2.综合工频变化量方向元件

利用△Ú和△Ì构成的工频变化量方向元件通常在灵敏度不满足要求时，也可以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△Ú12和△Ì12实现相位比较，则

△Ú12=△Ú1 M△Ú2

△Ì12=△Ì1 M△Ì2

式中∶△Ú12、△Ì12为正序、负序电压和电流综合分量；M为转换因子，可以根据不同的短路类型，选择不同的转换因子。正、反方向故障时同样有

△Ú12=-Zs△Ì12

△Ú12=Z's△Ì12

比较△Ú12和△Ì12在模拟阻抗Zr上的电压相位值，得到正、反方向动作判据分别为

为了解决大电源系统侧的灵敏度问题，通常保护可采用补偿阻抗的方法。设Zcom为补偿阻抗，并取Zcom值足够大，且阻抗角与Zs的阻抗角相同，这时正、反方向故障的方向元件分别表示为

式中∶当Zs/Zi>0.5时，补偿阻抗Z.m取0，否则Zcom取 Zset/2（ZL为被保护线路阻抗，Zset为工频变化量阻抗元件的整定阻抗）;其他参数同前述。

两种方向元件的动作条件均为180°，正方向故障时φ-=180°，φ-=0°；反方向故障时φ-=180°,φ =0°。

由以上分析可知，反应故障分量方向元件的测量相角不受过渡电阻的影响，固定为180°或0°，在最大灵敏角下跃变，能非常明确地判断方向。具有以下几个特点∶

（1）不受负载状态的影响。

（2）不受故障点过渡电阻的影响。

（3）故障分量的电压、电流间的相角由母线背后的系统阻抗决定，方向性明确。

（4）无电压死区。

（5）不受系统振荡影响。

二、零序方向元件

纵联保护中的零序方向也设有正向和反向两个元件。零序正方向元件由零序过电流元件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电流元件3L0和零序反方向元件F0-相与输出。由接地故障分析可知，如已知零序阻抗角为φ0，当正方向接地故障时，3i0超前3Ú0为180°一Ú0，零序功率为负，F0 元件动作;当反方向接地故障时，3Ú0超前3i0角度为φ0，零序功率为正，F0-元件动作。因此零序阻抗角φ0=75°时，最大灵敏角应为一105°，正方向元件动作范围应是一105°±90°，因此，F0 动作方程可表示为

零序方向元件的应用极其普遍。零序方向元件算法参见第二章第二节。

实际的纵联保护一般都同时采用两类故障分量方向元件，以发挥各自的优点，弥补对方的不足。由于工频变化量方向元件能反应所有类型的故障，所以它是主保护，但变化量只能短时存在，在变化量输出消失后，零序方向元件可以作为后备。

负序方向元件的原理与零序方向元件相同，由于负序分量在系统振荡情况下有不平衡输出等缺点，在纵联方向保护中应用的较少，在此不再详述。

零序方向元件和工频变化量方向元件有以下几个区别。

（1）零序方向元件只能反应接地故障，而工频变化量方向元件可以反应各种故障。

（2）只要接地故障存在，零序分量就存在，所以零序方向元件既可以实现快速的主保护，也可以实现延时的后备保护;工频变化量只能在故障后短时计算出来，只能作为瞬时动作的主保护。

（3）两相运行时也有零序分量出现。所以零序方向元件不适应系统的两相运行;工频变化量在两相运行时的稳态不会启动，在两相运行又发生故障时仍能动作。

由工频变化量方向元件及零序方向元件构成的方向纵联保护逻辑框图如图5-7所示。

三、能量积分方向元件

PSL系列方向纵联保护中采用能量积分方向元件，其基本原理是叠加原理。当系统发生故障后可分解为正常系统和故障分量系统。能量积分元件通过计算故障分量能量函数来判别故障点的方向。正向故障时能量积分函数Šm（t）为负，而反向故障时Šm（t）为正。

即反方向发生短路故障时，近故障点一侧（故障点在反方向上）的能量值大于线路远故障点一侧（故障点在正方向上）的能量值。

能量函数S，（t）有如下性质∶

（1）Šm（t）= 0，无故障。

（2）Šm（t）

（3）Šm（t）>0，反向故障。

能量方向元件根据故障附加网络的能量来判别故障方向，从理论上解决了传统的故障分量超高速保护不能长期保持正确方向的缺点，保护的动作快速性与安全性之间的矛盾得到了解决。

采用故障能量函数实现方向元件时，具有以下的优越特性。

（1）能量函数不受故障暂态过程的影响，因此不需要滤波。换句话说，故障电流、电压中的工频分量、非周期分量以及谐波分量都是能量函数在判别故障方向时有用的信息。这就为实现超高速方向保护打下了坚实的理论基础。

（2）从故障一开始，能量函数就有明确的方向性，并且在故障持续期间其方向性不会任意改变，因此具有非常高的安全性。

（3）对于一些特殊系统的故障，如串补线路故障，中性点经消弧线圈接地系统的接地故障、充电长线路发生反向出口故障或故障切除等，由于受电容的影响，基于工频量的方向元件难以判别故障方向，但能量函数的方向性不受任何影响。

另外，由于反向故障时反向侧能量大于正向侧的能量，在构成纵联方向保护时线路两侧的灵敏度自然得到配合。

能量函数在故障后一直保持明确的方向性，但其大小一般是按两倍额定频率周期性波动的。在电流过零时数值比较小，保护的灵敏度和信噪比都下降。为此，可以将能量函数进一步积分，构成能量积分函数。

能量积分函数SS（j）具有方向性，正向故障时SS（j）0。并且SS（j）还具有以下两个优越的特性∶

（1）SS（j）的方向性不受故障暂态过程的影响，不需要滤波，可以实SS.()现超高速的方向元件。

（2）故障期间，SS（i）的方向性是始终正确的，并且随着积分时间j 的增加，SS（i）的绝对值也单调地上升。因此有|SS（i）|>|M（j）|。

基于能量积分函数的方向元件的逻辑框图如图5-8所示。

其中|ΔÚφφ| 、|△Ìφφ| 为相间电压突变量、相间电流突变量正向短路故障时能量积分方向元件的启动量；|ΔÚφφ|-、|△Ìφφ|-为相间电压突变量、相间电流突变量反向短路故障时能量积分方向元件的启动量；SS （j）、SS-（j）为能量积分方向元件的输出。正向故障时SS （j）为"1";反向故障时SS_（j）为"1"。

另外还包括方向元件SS（j）

反向电流启动元件与装置的相电流差突变量启动元件相同，采用固定门槛和浮动门槛相结合。正向启动电流元件与反向类似，只是将电流固定门槛抬高1.25倍，使反向启动元件的灵敏度高于正向。电压启动元件同样如此。

以正方向的判别为例∶当SS（j）

积分时间决定了方向元件的动作速度。积分时间的长短不会影响方向判别的正确性，但采取一定的积分时间可以提高方向判别的冗余度。采用允许式时，积分时间取2ms;采用专用闭锁式时。由于要有5ms的收信确认时间。积分时间取5ms，在不影响保护整组动作时间的前提下尽量多地利用故障信息。

由于能量方向元件的灵敏度很高，为了减少通道干扰引起保护的误动，在方向保护经通道逻辑配合判定为区内故障时，由阻抗方向元件进行出口把关。若在阻抗元件动作范围之外，保护延时30ms 出口，在此期间一旦检测到远方有闭锁信号（对于允许方式，则为允许信号消失），则保护返回，这样可以减小由于开关操作等因素产生通道干扰引起的误动。对于一般性的故障，阻抗出口把关不会影响保护的动作速度。

四、阻抗方向元件

阻抗方向元件按回路分为三个相间阻抗（ZAB、ZBC、ZCA）和三个接地阻抗（ZA、ZB、ZC）;而每个回路的阻抗又分为正向阻抗元件和反向阻抗元件。阻抗方向元件的具体原理描述见第四章。阻抗方向元件在各种微机继电保护也普遍应用。

由阻抗方向元件和零序方向元件构成的方向元件逻辑框图如图5-9所示。

正方向由阻抗Z 和零序方向元件（I 0与I0>I 0set）组成，反方向由阻抗Z-和零序方向元件（I-0与I0>I-0.set）组成。阻抗和零序方向以反方向元件动作优先。反方向经与门DA3、DA4、或门DO4、DO2闭锁正方向DA5输出，正方向经与门DA1、DA2、或门DO3、DO1及DA5输出。非全相闭锁零序方向元件;后加速零序方向元件延时100ms。