3.RCS-900系列保护装置交流继电器的工作原理

3.1. 补充基础知识

3.1.1 如何解决继电器安装点到故障点的距离测量问题

无论用什么方式构成距离继电器，都必然解决用什么电量测量才能实现继电器安装点到故障点的距离测量问题。

  I

G

M

在对称三相平衡的线路中，取没有任何分流的区段MG，如图3.1.1所示，

A

                              图中：  G  是故障点；     

B

                                      M  是母线；

                                      ZL   是MG区段的每相自阻抗； _                                    ___________________________________________________________________________________________C

                                      ZM  是MG区段的每相互阻抗；

图3.1.1无分流线段示意图

 当G点发生各种故障时，以A相金属性故障为例，其MG的电压降可表示为：

       MGA1=A1ZL+B1ZM+C1ZM=A1ZL-A1ZM=A1(ZL-ZM)= A1Z1

         MGA2=A2ZL+B2ZM+C2ZM=A2ZL-A2ZM=A2(ZL-ZM)= A2Z2

           MGA0=A0ZL+B0ZM+C0ZM=0ZL+20ZM=0(ZL+2ZM)= 0(Z1+3ZM)= 0Z0

           A=MGA1+MGA2+MGA0=A1Z1+A2Z+0Z0=A1Z1+A2Z2+0(Z1+3ZM)=

φZ+3ZM0=Z1(φ+30ZM/Z1)=Z1(φ+3K0)

      式中：Z1=ZL-ZM                        正序阻抗

            Z2=ZL-ZM              负序阻抗

            Z0=ZL+2ZM=Z1+3ZM       零序阻抗

            K=ZM/Z1=(Z0-Z1)/3Z1    零序电流补偿系数         

从以上分析可知：对金属性对地故障而言（故障相故障点的电压为零），故障相的母线电压可用式A=Z1（φ+3K0）表示。也就是说只要MG区间没有短路故障、或其他相对地与相对相对地的分流存在，或者说G点电压为零时、只要各相由M点流入线路的电流分别等于该相由线路流入G点的电流，不管这三相电流中其他两相电流的大小和相位如何，对该相来说上式总是成立的。换个方式讲，对金属性故障而言，故障相的电流用φ+3K0代替以后，从故障点到保护安装处的电压总是符合欧姆定律的。因而可以用母线电压与φ+3K0电流来计算故障点到保护安装处的距离。

   考虑到非故障相的电压不为零，该线段的压降可用下式表示：

      MGA= MA-（A+3K0）ZMG1

MGB= MB-（B+3K0）ZMG1

MGC= MC-（C+3K0）ZMG1

   从以上分析还知道，K值是这区段内每相互感与正序阻抗的比值。也就是说、当在该区段有零序电流存在时，由于零序电流三相同相位，其另外两相零序电流对该相的零序互感压降总是助增的。为保证故障相故障点到保护安装处的准确测量，对相电流进行补偿是必需的。补偿量为3K0。

    对相间故障而言，上式也是成立的，但故障相不接地，G点的电压不为零，因此我们选一个故障回路来测量，于是送入继电器的电压选φφ，送入继电器的电流选φφ，对故障相的阻搞测量也符合欧姆。

3.1.2 工作电压的概念

绝大多数距离继电器是按照故障点的电压边界条件建立其动作判据的。当在保护区末端故障时动作判据处于临界状态。为了反映此状态，在继电器中要形成或计算出保护区末端的电压，一般称为工作电压op，有些书上称为补偿电压或测量电压。

（1）

对于相间距离继电器=， =ΦΦ (=AB，BC或CA)。对于接地距离继电器=， =Φ+3k0〔=A，B或C，K=（Z0-Z1）/3Z1〕。严格说，k应为复数，一般为了简化都按实数处理。实际上是因为在机械型和晶体管继电器中要按复数处理有一定困难。在集成电路保护，尤其是微机保护中按复数处理没有任何困难。op可按下式计算

（2）

式中Z1zd和Zozd分别为正序和零序整定阻抗。

假设C.T和P.T.的变比为1。在正常情况下op等于线路上整定值末端Y点的电压，即

（3）

实际上，(1)式所描述的工作电压，不仅在正常情况下，而且在振荡、区外故障(包括在Y点经过渡电阻短路)以及两相运行状态下，式(3)都成立；唯有在保护区内发生故障时，式(3)不再成立。从电路上讲这是因为在母线和保护区末端(Y点)之间出现了故障支路的缘故；这可在图3-1中示出。

假设系统各元件阻抗角相等，故障相在沿线路各点发生直接短路时，系统各点的电压相位相同。但的相位可能相反。在不同地点短路时，故障相系统的电压分布如图3-1所示。图3-1中对接地故障，为故障相地电压，对相间故障为故障相间电压。

在保护区外(F1和F4)和在保护区末端（F2与Y点重合）故障时都有，唯有在区内（F3）故障时，则有≠。区内故障继电器测量到的op，可将电压分布线延长到Y点求得，从相位关系看，在区外故障时，的相位不变，而在区内故障时，改变了180°。过去的绝大多数距离继电器都是反应op的相位变化。为了测量1个交流量的相位，必须以另1个交流量的相位作为参考，在继电保护中称后者为极化量。选择不同的极化量将得到不同特性的距离继电器。

图3-1  空载线直接短路时的电压分布图

3.2 动作测量继电器

3.2.1 工频变化量距离继电器(ΔZ)

3.2.1.1  系统故障分量的分析方法

电力系统发生短路故障时，其故障相短路电流、电压可分解为故障前负荷状态的电流电压分量和故障分量，如图3.2.1.1的短路状态（A）可分解为图（B）、（C）二种状态下电流电压的迭加。反应工频变化量的继电器不受负荷状态的影响，只要考虑图（C）的故障附加分量。这是一个很简单的电路，在该电路中只有一个电势，它的位置在故障点，它的大小与短路前故障点的大小相同、但方向相反。当故障点不同时，它的位置也不同，因而在正反方向故障时，要采用不同的电路来分析。在正方向故障电路图中计算的特性，只对正方向故障有效。在反方向故障电路图中计算的特性，只对反方向故障有效。

3.2.1.2工频变化量距离继电器的动作方程

工频变化量距离继电器测量工作电压的工频变化量的幅值，其动作方程为： 

对相间故障：                    

对接地故障：       

为整定阻抗，一般取0.8～0.85倍线路阻抗； 

为动作门坎，取故障前工作电压的记忆量。

图3.2.1.1 短路系统图

图3.2.1.2为保护区内外各点金属性短路时的电压分布，设故障前系统各点电压一致(空载情    况)，即各故障点故障前电压为,则；对反应工频变化量的继电器，系统电势为零，因而仅需考虑故障点附加电势。图中Δ在相地故障时为Δ（Φ+3K0），在相相故障时ΔΦΦ。

区内故障时，如图3.2.1.2（B），在本侧系统至的连线的延长线上，可见，，继电器动作。 

反方向故障时，如图3.2.1.2（C），在与对侧系统的连线上，显然，，继电器不动作。

区外故障时，如图3.2.12（D），在与本侧系统的连线上，，继电器不动作。

在有负荷的情况下，对不同点故障，因故障前各点的电位不一致，致使各点故障时故障 网络中的ΔEF也略有不同，但Uz总为故障前工作电压的记忆量，在整定点故障，ΔUOP=UZ=UOPM，总处于理想临界状态，与负荷无关且测量准确,如图3.2.1.2(e)所示。

图3.2.1.2 保护区内外各点金属性短路时的电压分布图

3.2.1.3工频变化量阻抗继电器的动作特性

      正方向经过渡电阻故障时的动作特性可用解析法分析，如图3.2.1.3所示：

图3.2.1.3a 正方向经过渡电阻故障计算用图

设

由  

    则  

式中为测量阻抗，它在阻抗复数平面上的动作特性是以矢量为圆心，以为半径的圆，如图3.2.1.3a所示，当矢量末端落于圆内时动作，可见这种阻抗继电器有大的允许过渡电阻能力。当过渡电阻受对侧电源助增时，由于一般与是同相位，过渡电阻上的压降始终与同相位，过渡电阻始终呈电阻性，与Ｒ轴平行，因此，不存在由于对侧电流助增所引起的超越问题。

注意：图3.2.1.3b所示的动作特性只对正方向故障有效，因为分析用电路图是正方向故障电路图（电势在本线路）。

图3.2.1.3b  正方向短路动作特性          图3.2.1.3c  反方向短路动作特性

    对反方向短路, 如图3.2.1.3d所示。 

图3.2.1.3d 反方向故障计算用图

仍假设  

由  

    则    

测量阻抗在阻抗复数平面上的动作特性是以矢量为圆心，以为半径的圆，如图3.2.1.3c动作圆在第一象限，而因为总是在第三象限，因此，阻抗元件有明确的方向性。

3.2.1.4  全阻抗距离元件

长距离输电线路对侧母线故障切除时，线路突变为空载，则线路末端电压将从无电压跳转至电容充电电压，工频变化量距离元件有可能动作(|ΔUop|有可能大于UZ)，因此，对ΔZ元件引入此条件，用一个简单的全阻抗继电器作为开放ΔZ的条件，其判据：

|U|＜|IZzdw|                                

U、I分别为故障相电流电压的半波积分值，Zzdw为全阻抗继电器的定值，本装置中固定取

Zzdw≈Un/1.5In

3.2.1.5  工频变化量距离继电器的特点及应用

从分析和试验可以知道，该继电器有如下特点：

（1）继电器理论分析和构成原理简单

（2）动作速度快

（3）不需要振荡闭锁，振荡时又发生区内故障一般仍能正确动作，(电力系统振荡时，整定点电压不会小于工作电压，且故障总是在电压达到一定幅值时才有可能)。

（4）可以用做方向比较保护的方向元件。

（5）故障时，非故障相的ΔUop不会大于Uz，有较好的选相能力。

因而它在RCS-900系列保护中得到了广泛应用，主要应用在901、902中做快速距离Ⅰ段。

  3.2.2  工频变化量方向继电器(ΔF+，ΔF-)

RCS-901A由变化量方向和零序方向继电器，经通道交换信号构成全线路快速跳闸的方向保护，即装置的纵联保护。

3.2.2.1工频变化量方向继电器测量相角表示式

工频变化量方向继电器测量电压、电流故障分量的相位。

    其正方向元件的测量相角为：

    其反方向元件的测量相角为：

其中：

    、为电压、电流变化量的正负序综合分量，无零序分量；

    为模拟阻抗；

为补偿阻抗，当最大运行方式时系统线路阻抗比时，      ，否则取为“工频变化量阻抗”的一半。

3.2.2.2工频变化量方向继电器动作行为分析

当正方向故障时，如图3.2.1.3(a)，为系统正序阻抗，并假设系统的负序阻抗等于正序阻抗，将工频变化量电压电流分解为对称分量，则：

其中M为转换因子，根据不同的故障类型，装置可选择不同的转换因子，以提高灵敏度。

设系统阻抗角与的阻抗角一致，则正方向元件的测量相角为：

反方向元件的测量相角为：

反方向故障时，如图3.2.1.3(d)，为线路至对侧系统的正序阻抗，将电压电流分解为对称分量有：

设系统阻抗角与的阻抗角一致，则正方向元件的测量相角为：

反方向元件的测量相角为：

    由上可见，正方向故障时，接近于180°，正方向元件可靠动作，而接近于0°，反方向元件不可能动作，而反方向故障时，接近于0°，正方向元件不可能动作，而接近于180°，反方向元件可靠动作。

    由上可见，在正方向元件中引入补偿电压不可能引起方向元件误动，在大系统长线路较小的情况下，引入可以根本改善继电器的灵敏度，使该方向继电器不仅适用于短线路，而且适用于任何长距离输电线路。

    以上分析未规定故障类型，所以对各种故障，方向继电器都有同样优越的方向性，且过渡电阻不影响方向元件的测量相角，另外，由于方向元件不受负荷电流影响，因而该方向元件有很高的灵敏度，可允许测量很大的故障过渡电阻。另外，方向元件不受串补电容的影响（因为）。

工频变化量方向继电器受浮动门坎的，因此，当系统中出现不平衡分量或者系统振荡时，继电器不会误动作，只是自动降低灵敏度。

3.2.2.3 工频变化量方向继电器的特点及应用

该继电器有许多卓越的优点，有极广泛的适用性，较少受系统结构、运行方式，故障方式、故障点过渡电阻、非全相运行以及交流回路暂态过程等影响，理论上简单，构成继电器容易实现，动作速度快，因而广泛使用于RCS-900系列保护，作纵联保护中的方向元件。

3.2.3 零序方向继电器

零序正反方向元件（、）由零序功率决定，由和的乘积获得(、为自产零序电压电流，是幅值为1相角为78°的相量)， >0时动作； <-1伏安（=5A）或<-0.2伏安（=1A）时动作。纵联零序保护的正方向元件由零序方向比较过流元件和的与门输出，而纵联零序保护的反方向元件由零序起动过流元件和的与门输出。

3.2.4  距离继电器

3.2.4.1  正序电压作极化电压

距离保护的工作电压，全世界的厂家几乎一致，而极化电压各异，选择不同的极化量将得到不同特性的距离继电器，但都存在这样或那样的问题，经过几十年的研究，终于找到比较理想的正序电压作极化电压。

极化电压在比较相位中，它是作为一个标准来看待的，工作电压的相位要与它比较，因此要求它在各种短路情况下，（a）相位始终不变（b）幅值不要降到零，（c）期望构成最好的性能特性，以往的极化电压皆做不到这三点。下面看看正序电压V1在各种短路下的相位和幅值。假设非故障相相位和幅值不变，这与实际情况是近似的。

以最严重的出口短路为例：

（1）出口A相单相短路接地，  （参见图3.2.4.1a）

：      V′A=0      VA为故障前A相电压

1a=（′A+aB+a2C）/3=（0+VA+VA/3）=2VA/3

1a的幅值为VA的2/3，相位与VA同相。其他B0，C0单相短路接地，结论一样。非出口短路，幅值将增大，相位不变。

（2）出口AB两相短路接地   （参见图3.2.4.1b）

：    ′A=′B=0    VA为故障前A相电压

1a=(′A+a′B+a2C)/3=（0++0+A）/3=VA/3

1a的幅值为A的1/3，相位与VA同相。其他BCO，CAO两相短路接地，结论也一样。非出口短路，幅值增加，相位不变。

（3）出口AB两相短路     （参见图3.2.4.1c）

：      ′AB=0、′A=′B=Ae-j60°/2

1a=〔（′A+a′B）+a2c〕/3=（A/2+A）/3=A/2

1a的幅值为A的1/2，相位与A同相，其他BC，CA两相短路，结论也一样。非出口短路，幅值增加，相位不变。

（4）出口ABC三相短路， 

：      ′A=′B=′C=0

1a=0

出口三相短路1a=0。非出口短路1a≠0，相位与A同相。

图3.2.4.1a A0短路        图3.2.4.1b AB0短路   图3.2.4.1c AB短路,

由此可以得出结论，不对称短路1a≠0，相位皆与VA同相，非近区的三相短路，也一样，这是其他极化电压难于做到的，只有出口对称短路， 1a=0，但任何极化电压都会等于零。因此在这种情况下，需做特殊处理，一般加记忆措施。

3.2.4.2 低压距离继电器

    当正序电压小于15％Un时，进入低压距离程序，此时只可能有三相短路和系统振荡二种情况；系统振荡由振荡闭锁回路区分，这里只需考虑三相短路。三相短路时，因三个相阻抗和三个相间阻抗性能一样，所以仅测量相阻抗。

    一般情况下各相阻抗一样，但为了保证母线故障转换至线路构成三相故障时仍能快速切除故障，所以对三相阻抗均进行计算，任一相动作跳闸时选为三相故障。 

    低压距离继电器比较工作电压和极化电压的相位： 

    工作电压：

    极化电压：           

    这里：     

为工作电压

为极化电压 

为整定阻抗

为记忆故障前正序电压 

    低压距离继电器继电器的比相方程为：              

   正方向故障时，故障系统图如3.2.4.2a 

图3.2.4.2a正方向故障系统图

   在记忆作用消失前： (δ为母线电压超前本侧电势的角度)

   因此，            

   代入继电器的比相方程              

    整理后得：   

    设故障线母线电压与系统电势同相位δ=0（故障前空负荷），其暂态动作特性如图3.2.4.2b；

图3.2.4.2b正方向故障时动作特性

测量阻抗在阻抗复数平面上的动作特性是以至连线为直径的圆，动作特性包含原点表明正向出口经或不经过渡电阻故障时都能正确动作，并不表示反方向故障时会误动作（因为它只是正方向故障时t=0时刻的暂态特性）；反方向故障时的动作特性必须以反方向故障为前提导出。当δ不为零时，将是以到连线为弦的圆，动作特性向第Ⅰ或第Ⅱ象限偏移。

反方向故障时，故障系统图如3.2.4.2c

图3.2.4.2c  反方向故障的计算用图

在记忆作用消失前： 

       因此，          

       代入继电器的比相方程为：              

则整理后得：  

图3.2.4.2d  反方向故障时的动作特性       图3.2.4.2e  三相短路稳态特性

测量阻抗在阻抗复数平面上的动作特性是以与连线为直径的圆，如图3.2.4.2d，当在圆内时动作，可见，继电器有明确的方向性，不可能误判方向。以上的结论是在记忆电压消失以前，即继电器的暂态特性，当记忆电压消失后，正方向故障时：       

    反方向故障时：      

正方向故障时，测量阻抗在阻抗复数平面上的动作特性如图3.2.4.2e，反方向故障时，动作特性也如图3.2.4.2e。由于动作特性经过原点，因此母线和出口故障时，继电器处于动作边界；为了保证母线故障，特别是经弧光电阻三相故障时不会误动作，因此，对Ⅰ、Ⅱ段低压距离继电器设置了门坎电压，其幅值取最大弧光压降（对应阻抗为0.05UN/Ik）。同时，当Ⅰ、Ⅱ低压距离继电器暂态动作后，将继电器的门坎倒置，相当于将特性圆包含原点，以保证继电器动作后能保持到故障切除。为了保证Ⅲ段低压距离继电器的后备性能，Ⅲ段距离元件的门坎电压总是倒置的，其特性包含原点。

3.2.4.3 接地距离继电器

● Ⅲ段接地距离继电器

工作电压：

    极化电压：

采用当前正序电压，非记忆量，这是因为接地故障时，正序电压主要由非故障相形成，基本保留了故障前的正序电压相位，因此，Ⅲ段接地距离继电器的特性与低压时的暂态特性基本一致，见图3.2.4.2b、图3.2.4.2d，继电器有很好的方向性。 

● Ⅰ、Ⅱ段接地距离继电器

  ——Ⅰ、Ⅱ段接地距离继电器由两个特性组成

   当在线路末端附近发生经过渡电阻的接地故障时，由于过渡电阻上所流过的电流与测量继电器所应用的电流向位不一致，致使测量精度产生误差，并可能会导致对侧母线故障时该侧距离元件误动，称超越误动。为此Ⅰ、Ⅱ段接地距离继电器的特性由两部分组成。一部分是前面低压距离继电器中讨论过的由正序电压极化的方向继电器，在不同的接地故障时，正序电压的幅值不同，在第三象限的范围有差别，但一定含原点，这是基本特性。另一部分是为克服超越而选用的零序电抗继电器。两部分与门输出，完成继电器的正确测量。

——两相接地故障时送电侧领前相距离继电器的基本特性超越严重

INB

.

IMB

N

ZB

M

ZA

.

INC

.

.

IMC

ZC

 ～                            ～                                       

.

IOF

                                            _                                    ___________________________________________________________________________________________

图3.2.4.3a  BC0经Rg故障

在图3.2.4.3a中，当在线路末端F点发生BC0接地故障时，送电侧：

     ==Z1+

Zc==Z1+

   由以上两式可知，此时的过渡电阻、在继电器看来，由于I0F与（IΦB+3KI0）和（IΦC+3KI0）产生了相位差，电阻R已不再完全呈电阻性，而是由I0F与继电器选用电流的相位而决定的阻抗值。在M、N两侧的故障相的四个继电器中，送电端领前相继电器电流（IΦB+3KI0）领前于I0F，因此对此继电器而言，R呈容性，其它三个继电器的也要依它们的IΦ+3KI0与I0F的相位和R来决定。因此超越最严重的应是送电端的领前相。

——由正序电压极化的方向阻抗继电器： 

    工作电压： 

    极化电压： 

Ⅰ、Ⅱ段极化电压引入移相角θ1，其作用是在短线路应用时，将方向阻抗特性向第Ⅰ象限偏移，以扩大允许故障过渡电阻的能力。其正方向故障时的特性如图3.2.4.3b所示。θ1取值范围为0°、15°、30°。

  由图3.2.4.3b可见，该继电器可测量很大的故障过渡电阻，但在对侧电源助增下可能超越，因而引入了第二部分零序电抗继电器以防止超越。

图3.2.4.3b  正方向故障时继电器特性

——零序电抗继电器 

工作电压：  

    极化电压：  

      为模拟阻抗。 

    比相方程为  

    正方向故障时：

则  

    上式为典型的零序电抗特性。如图3.2.4.3b中直线Ａ。 

    当与同相位时，直线A平行于R轴，不同相时，直线的倾角恰好等于相对于的相角差。假定与过渡电阻上压降同相位，则直线Ａ与过渡电阻上压降所呈现的阻抗相平行，因此，零序电抗特性对过渡电阻有自适应的特征。 

    实际的零序电抗特性由于为78°而要下倾12°，所以当实际系统中由于二侧零序阻抗角不一致而使与过渡电阻上压降有相位差时，继电器仍不会超越。由带偏移角θ1的方向阻抗继电器和零序电抗继电器二部分结合，同时动作时，Ⅰ、Ⅱ段距离继电器动作，该距离继电器有很好的方向性，能测量很大的故障过渡电阻且不会超越。 

3.2.4.4相间距离继电器

●Ⅲ段相间距离继电器 

工作电压：  

    极化电压：  

    继电器的极化电压采用正序电压，不带记忆。因相间故障其正序电压基本保留了故障前电压的相位；故障相的动作特性见图3.2.4.2b、图3.2.4.2d，继电器有很好的方向性。

    三相短路时，由于极化电压无记忆作用，其动作特性为一过原点的圆，如图3.2.4.2e。由于正序电压较低时，由低压距离继电器测量，因此，这里既不存在死区也不存在母线故障失去方向性问题。 

●Ⅰ、Ⅱ段距离继电器 

——由正序电压极化的方向阻抗继电器：

工作电压： 

    极化电压： 

    这里，极化电压与接地距离Ⅰ、Ⅱ段一样，较Ⅲ段增加了一个偏移角θ2，其作用也同样是为了在短线路使用时增加允许过渡电阻的能力。θ2的整定可按0°，15°，30°三档选择。 

——电抗继电器：

工作电压：  

    极化电压：  

                为模拟阻抗。

正方向故障时：

    比相方程为：  

    当阻抗角为90°时，该继电器为与Ｒ轴平行的电抗继电器特性，实际的阻抗角为78°，因此，该电抗特性下倾12°，使送电端的保护受对侧助增而过渡电阻呈容性时不致超越。

    以上方向阻抗与电抗继电器二部分结合，增强了在短线上使用时允许过渡电阻的能力。

3.2.4.5 负荷继电器

为保证距离继电器躲开负荷测量阻抗，本装置设置了接地、相间负荷继电器，其特性如下图所示，继电器两边的斜率与正序灵敏角一致，为负荷电阻定值，直线A和直线B之间为动作区。当用于短线路不需要负荷继电器时，用户可将控制字“投负荷距离”置“0”。

                        图3.2.4.5 负荷继电器特性

3.2.5 电流差动继电器

电流差动继电器由三部分组成：变化量相差动继电器、稳态相差动继电器和零序差动继电器。

3.2.5.1 变化量相差动继电器

动作方程：

为工频变化量差动电流，即为两侧电流变化量矢量和的幅值；

为工频变化量制动电流；即为两侧电流变化量矢量差的幅值； 

为“差动电流高定值”（整定值）、4倍实测电容电流和的大值；实测电容电流由正常运行时未经补偿的差流获得；

为额定电压；

为正序容抗整定值，当用于长线路时，为线路的实际正序容抗值；当用于短线路时，由于电容电流和都较小，差动继电器有较高的灵敏度，此时可通过适当减小或抬高“差动电流高定值”来降低灵敏度。

3.2.5.2稳态Ⅰ段相差动继电器

动作方程：

为差动电流，即为两侧电流矢量和的幅值；

为制动电流；即为两侧电流矢量差的幅值；

定义同上。

3.2.5.3 稳态Ⅱ段相差动继电器

动作方程：

为“差动电流低定值”、1.5倍实测电容电流和的大值；

、、、定义同上。

稳态Ⅱ段相差动继电器经40ms延时动作。

3.2.5.4 零序Ⅰ段差动继电器

对于经高过渡电阻接地故障，采用零序差动继电器具有较高的灵敏度，由零序差动继电器，通过低比率制动系数的稳态差动元件选相，构成零序Ⅰ段差动继电器，经100ms延时动作。其动作方程： 

为零序差动电流，即为两侧零序电流矢量和的幅值；

为零序制动电流；即为两侧零序电流矢量差的幅值；

为零序起动电流定值；

为、0.6倍实测电容电流和的大值；

为经电容电流补偿后的差动电流，电容电流补偿见3.2.6.6；

为制动电流; 

、定义同上。

动作方程的后两相，是低比率制动系数稳态差动元件，可作选相元件用。

当TV断线或容抗整定出错时，自动退出电容电流补偿，零序Ⅰ段差动继电器的动作方程为：

、、、、定义同上。

3.2.5.5 零序Ⅱ段差动继电器

动作方程： 

、、定义同上。

    零序Ⅱ段差动继电器经250ms延时动作跳三相。

3.2.5.6电容电流补偿

对于较长的输电线路，电容电流较大，为提高经大过渡电阻故障时的灵敏度，需进行电容电流补偿。电容电流补偿由下式计算而得：

    、、、为本侧、对侧的相、零序电压；

、为线路全长的正序和零序容抗；

按上式计算的相电容电流对于正常运行和区外故障都能给予较好的补偿。补偿时，从相差动电流中减去计算出的相电容电流ICΦ为。

3.2.5.7 采样同步

两侧装置一侧作为同步端，另一侧作为参考端。以同步方式交换两侧信息，参考端采样间隔固定，并在每一采样间隔中固定向对侧发送一帧信息。同步端随时调整采样间隔，如果满足同步条件，就向对侧传输三相电流采样值；否则，启动同步过程，直到满足同步条件为止。

两侧装置采样同步的前提条件为通道单向最大传输时延≤15ms。

3.2.5.8 TA断线

TA断线瞬间，断线侧的起动元件和差动继电器可能动作，但对侧的起动元件不动作，不会向本侧发差动保护动作信号，从而保证纵联差动不会误动。非断线侧经延时后报“长期有差流”，与TA断线作同样处理。

TA断线时发生故障或系统扰动导致起动元件动作，若“TA断线闭锁差动”整定为“1”，则闭锁电流差动保护；若“TA断线闭锁差动”整定为“0”，且该相差流大于“TA断线差流定值”，仍开放电流差动保护。

3.2.5.9 TA饱和

当发生区外故障时，TA可能会暂态饱和，装置中由于采用了较高的制动系数和自适应浮动制动门槛，从而保证了在较严重的饱和情况下不会误动。

3.2.5.10 通信接口

    数字差动保护的关键是线路两侧差动保护之间电流数据的交换，本装置中的数据采用Kb/s高速数据通道、同步通信方式。采用Kb/s的传输速率，主要是考虑差动保护的数据信息，可以复接数字通信(PCM微波或PCM光纤通信)设备的Kb/s数字接口，从而实现远距离传送。当采用复接PCM通信设备时，数据信号是从PCM的Kb/s同向接口实现复接（其“Kb/s同向接口”的有关技术指标参见CCITT推荐标准：G703中的“Kb/s接口”）。不论采用专用光纤，亦或复用PCM设备，本装置的通信出入口都是采用光纤传输方式。

    通信接口的原理如图3.2.5.10a，其功能是将传送差动保护电流及开关量信息的串行通信控制器（SCC）收发的NRZI码变换成Kb/s同向接口的线路码型，经光电转换后，由光纤通道来传输。 

图3.2.5.10a 通信接口框图

图3.2.5.10b 内时钟(主─主)方式

    由于装置是采用Kb/s同步数据通信方式，就存在同步时钟提取问题，若通道是采用专用光纤通道，装置的时钟应采用内时钟方式，即两侧的装置发送时钟工作在“主─主”方式，见图3.2.6.10b，数据发送采用本机的内部时钟，接收时钟从接收数据码流中提取。若通道是通过Kb/s同向接口复接PCM通信设备，则应采用外部时钟方式，即两侧装置的发送时钟工作在“从─从”方式，见图3.2.6.10c，数据发送时钟和接收时钟为同一时钟源，均是从接收数据码流中提取。此时，两侧PCM通信设备所复接的2M基群口，仅在PDH网中应按主─从方式来整定，否则，由于两侧PCM设备的Kb/s/2M终端口的时钟存在微小的差异，会使装置在数据接收中出现定时滑码现象。复接PCM通信设备时，对通道的误码率要求参照电力规划设计院颁发的DL/T 5062-1996《微波电路传输继电保护信息设计技术规定》中有关条款。

图3.2.5.10c 外时钟(从─从)方式

采用专用光纤光缆时，线路两侧的装置通过光纤通道直接连接，见图3.2.6.10d。

图3.2.5.10d专用光纤方式连接

    若通过数字接口复接PCM设备时，需在通信机房内加装一台专用光电变换的数字复接接口设备MUX-，见图3.2.6.10e。

图3.2.5.10e 数字复接方式连接

3.3  协同动作测量继电器工作的辅助继电器

3.3.1 装置总起动元件

起动元件的主体以反应相间工频变化量的过流继电器实现，同时又配以反应全电流的零序过流继电器互相补充。反应工频变化量的起动元件采用浮动门坎，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门坎，浮动门坎始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，而装置有很高的灵敏度。当系统振荡时，自动降低灵敏度，不需要设置专门的振荡闭锁回路。因此，装置有很高的安全性，起动元件有很高的灵敏度而又不会频繁起动，测量元件则不会误测量。

●电流变化量起动

是相间电流的半波积分的最大值；

为可整定的固定门坎；

为浮动门坎，随着变化量的变化而自动调整，取1.25倍可保证门坎始终略高于不平衡输出。

该元件动作并展宽７秒，去开放出口继电器正电源。

●零序过流元件起动

当外接和自产零序电流均大于整定值时，零序起动元件动作并展宽７秒，去开放出口继电器正电源。

●位置不对应起动

这一部分的起动由用户选择投入，条件满足总起动元件动作并展宽15秒，去开放出口继电器正电源。

3.3.2 保护起动元件

    保护起动元件与总起动元件相比，增加了一个电流变化量低定值起动元件，用以起动闭锁式方向保护的发信，其判据为：

电流变化量低定值起动元件动作仍进入正常运行程序，当电流变化量高定值起动元件或零序过流元件动作进入故障测量程序。

3.3.3  选相元件

2.3.3.1  概述

在高压系统中广泛采用单相自动重合闸，这就需要选相元件。选相元件在单相故障时应选出故障相，在多相故障时，不要求选出故障相，但应能判定为多相故障而立即跳三相。

最简单的选相元件是电流选相元件。它的启动电流应按避开健全相可能出现的最大电流整定。但在运行方式变化很大和单相经高电阻接地时，灵敏度可能不足。最严重的情况发生在受电侧，那里故障电流可能小于负荷电流。

电压选相元件：按避开正常运行时的最低电压整定，例如整定为额定电压的75%，大电源侧，对长线末端故障将不灵敏。

在70年代曾普遍使用带偏移圆特性的相阻抗作为选相元件。相阻抗继电器对两相短路不接地故障是不灵敏的。在双侧电源下送电侧的超前相继电器有较高的灵敏度，而落后相继电器则很不灵敏，受电侧则反之。此时选相跳闸的结果可能两侧跳开的不是同一相，故障处的电弧将不能熄灭。由于两相短路不接地故障的机率很小，传统的办法是利用零序电压元件不动作，接通三相跳闸回路。阻抗继电器为了测量准确，在电流回路中引入零序电流补偿，为了消除死区，又希望采用偏移特性。这样，在出口单相接地故障时，两健全相都可能动作。采用零序电流补偿的姆欧继电器作为选相元件，在长线路出口单相经过渡电阻短路时，超前相选相元件也可能误选相。

选相元件分变化量选相元件和稳态量选相元件，所有反映变化量的保护（如变化量方向、工频变化量阻抗）用变化量选相元件，所有反映稳态量的保护（如阶段式距离保护）用稳态量选相元件。

3.3.3.2 相电流差变化量选相元件

选相元件测量两相电流之差的工频变化量、、的幅值。

单相接地时，如A相接地， 

    由此可见，与故障相无关的两相电流差为零。

二相短路时，如BC二相短路， 

    三个都有电流，与故障相直接相关的继电器电流最大。

    二相接地时本质上特性与二相短路相同，三相短路则三个继电器电流相同。

    因而，继电器的选相方法是当仅二个继电器动作时，选与二个继电器直接相关的相为故障相，例如、动作选Ａ相，当三个元件都动作时，选为多相故障。

相电流差变化量继电器的测量判据是：

其中：是相间电流变化量的半波积分值；

为浮动门坎，随着变化量的变化而自动调整，取1.25倍可保证门坎始终略高于不平衡输出。

是取三个相间电流变化量的最大值，取其一部分作为制动量，有效的防止了单相故障时非故障相的误动，其制动系数ｍ的取值考虑了系统正负序阻抗不等，而非故障相间可能产生的最大不平衡分量，同时还保证了二相经过渡电阻故障的最不利条件下不漏选相。带记忆，可保证当本侧开关经选相跳开后，对侧后跳闸过程中本侧非故障相选相元件不误动。

为固定门坎。

这些措施可解决：

a. 单相故障时，可有效防止非故障相误动。

b. 系统正负序阻抗不等，非故障相间可能产生最大不平衡分量，也不会误选相。

c. 本侧开关经选相跳闸后，对侧跳闸过程中，保证本侧非故障相选相元件不误动。

d. 二相经过渡电阻故障最不利条件下，保证不漏选相。

e. 系统频率偏差及系统振荡所产生的不平衡电流不致误动作。

这种选相元件的优点是简单、灵敏、准确、快速，是快速主保护较理想的选相元件。用于CKF-1，LFP-901A,RCS-901中，选相与保护在原理上自动适应，如用于阶段式距离保护，对多重发展性故障，可能不能正常选相，特别是先选相后计算，将遇到麻烦。

3.3.3.3与比相的选相元件

    选相程序首先根据与之间的相位关系，确定三个选相区之一，如图3.3.3.3a。 

当时选Ａ区

时选Ｂ区

时选Ｃ区

图3.8.1 选相区域

　　单相接地时，故障相的与同相位，A相接地时，与同相，B相接地时，与相差在120°，C相接地时，与相差240°。 

二相接地时，与同相位，BC相间接地故障时，与同相，CA相间接地故障时，与相差120°，AB相间接地故障时，与相差240°。当两相接地短路时，向量关系就不对了，必须结合Zφ的动作情况，这样就能作出正确判断。

另外，当二相经过渡电阻接地时，以BC0为例，此时0与2a不再同相，有时相位差较大，如BC二相经过渡电阻接地时， 2b与0接近同相，不进入A区而进入B区。因此，二相经过渡电阻接地时，可能进入二故障相中超前相的选区。如AB故障可能进入A区。

因此0,， 2a相位进入A区时，一般有三种情况：A相接地短路；或BC二相接地短路；也有可能是AB二相经过渡电阻接地短路。因此选相规则为：

（1）先检查ZA，若不动作，则检查ZBC，ZBC动作则选BC，若ZBC不动作，则选相无效，由后备回路延时150ms跳闸。

（2）若ZA动作，则比较A相和B相电压，若B相电压也较低，则为AB二相接地短路，否则为A相单相接地。

3.3.3.4工作电压突变量ΔUop选相元件

保护有六个测量元件，同时也作为选相元件，它们是：

ΔUopA，ΔUopB，ΔUopC；ΔUopAB，ΔUopBC，ΔUopCA

先比较三个相工作电压，取最大相ΔUopφmax，与另二相的相间ΔUopφφ比较，大于一定倍数即判为该最大相单相故障。若不满足，则判为多相故障，取ΔUopφφ中最大的为多相故障的测量相。

3.3.4  振荡闭锁

3.3.4.1  概述

系统安全稳定运行，是系统向用户供电的前提。合理的电网的结构是电力系统安全稳定运行的物质基础。在电力系统不断发展、电力系统网络和大型联合系统的建设过程中，当运行系统中某一元件发生故障，尤其是在发生多重故障时，都可能发展为失去控制的稳定破坏或因恶性连锁反应而扩大事故，造成全网的大面积停电和设备损坏。运行实践证明，不管对系统稳定性的要求如何严格，措施如何完善，总可能因一些事先不可预计的各种偶然因素叠加，产生稳定破坏事故，而过份对系统稳定性的要求，又需要大量的投资。

在主系统发生稳定破坏后，关键问题在于如何能合理而快速的平息振荡和最快地使系统恢复正常，因而正确处理系统振荡的有效方法是坚持保持整个系统的完整性，不允许手动或由继电保护自动地任意解列线路(预定的解列点除外)，而由手动或自动装置减少送端系统侧水电机组的出力及受端切负荷。用这种方式可以迅速平息系统振荡，因此在电力系统振荡时，继电保护不应动作，对受振荡影响可能要误动作的保护(主要是距离保护)要实现振荡闭锁。

在系统振荡过程中，或者在短时开放保护之后的闭锁过程中，为减小系统损失，防止系统全面瓦解，有效的办法是再故障出现时，也再开放保护，立即将故障元件从系统中断开。这一任务的完成各国有各国的方法，我们认为利用原来的元件实现再开放是不合理的。因为从闭锁到开放的时间不好处理，系统总会有不能立即切除故障的时间间隙，被再开放的保护之间选择性问题也不容易解决。另外值得注意的是，实际运行经验表明，距离保护解决允许过渡电阻的能力总是有限的，虽然高阻接地故障对系统稳定危害不很大，但发展为严重故障时，距离保护已被闭锁而不能跳闸，靠零序保护延时切除也不尽是合理的。再次开放保护就很有必要。

因此我们提出了具有特色的振荡闭锁新原理。首先我们保留了我国传统的正常运行保护被闭锁，系统故障瞬时开放保护的特点，且只允许开放160ms。因为在此时间内，即使系统产生了振荡，也不会使非故障线的保护误动，因为系统失稳后，两侧电势由正常功角摆至180°，即t180°都比较长，远大于200ms，可允许开放160ms后将保护闭锁。假如振荡中再故障，重新寻找开放保护条件，这对保证系统的稳定运行是极其有利的。这也是我们与西方不同之处。

3.3.4.2  振荡闭锁装置

装置的振荡闭锁分四个部分，任意一个动作开放保护。

●在起动元件动作起始160ms以内的动作条件是，起动元件开放瞬间，若按躲过最大负荷整定的正序过流元件不动作或动作时间尚不到10ms，则将振荡闭锁开放160ms。

因此，该元件在正常运行突然发生故障时立即开放160ms，当系统振荡时，正序过流元件动作其后再有故障时，该元件已被闭锁，另外当区外故障或操作后160ms再有故障时也被闭锁。

●不对称故障开放元件：

不对称故障时，振荡闭锁回路还可由对称分量元件开放，该元件的动作判据为：

|I0|+|I2|＞m|I１|                                 

以上判据成立的依据是：

（1）系统振荡或振荡又区外故障时不开放

系统振荡时，I0、I2接近于零，上式不开放是容易实现的。

振荡同时区外故障时，相间和接地阻抗继电器都会误动作，这时要求上式不应开放。这种情况考虑的前题是系统振荡中心位于装置的保护范围内。为此，可分两种情况讨论：

（a）对短线路，线路阻抗占比重小，必须在系统功角δ摆到180°左右的时继电器才可能动作，见图3.3.4.2a。这时振荡电流很大。假如在线路附近故障，计算故障分量所使用的故障前线路电压很低，故障时的故障分量也很小，因此很容易满足上式不开放条件。

(b)对长线路，区外故障时，故障点故障前电压较高，有较大的故障分量，因此上式的不利条件是长线，且故障点位于对侧电源附近的最不利。不过这时线路上电流分量分配系数较低，装置分配到的故障电流小于故障点的故障电流，见图3.3.4.2b，因此上式开放保护条件不容易满足。

本装置中的m数值是根据最不利的系统条件下，振荡中又发生区外故障时振荡闭锁装置不开放保护为条件验算的，并留有相当裕度，因而可保证此情况下不误开放保护。

（2）区内不对称故障时振闭开放

当系统正常发生区内不对称相间或接地故障时，将有较大的零序或负序分量，这时上式左侧大于右侧，振荡闭锁开放。

当系统振荡伴随区内故障时，如果短路时刻发生在系统电势角未摆开时，振荡闭锁将立即开放。如果短路时刻发生在系统电势角摆开状态，则振荡闭锁将在系统角逐步减少时开放，也可能由一侧瞬时开放跳闸后另一侧相继速跳。

因此，采用对称分量元件开放振荡闭锁保证了在任何情况下，甚至系统已经发生振荡的情况下，发生区内故障时瞬时开放振荡闭锁以切除故障，振荡或振荡又区外故障时则可靠闭锁保护。

图3.3.4.2 系统振荡区外故障振闭不开放说明图

●对称故障开放元件：

在起动元件开放160ms以后或系统振荡过程中，如发生三相故障，则上述二项开放措施均不能开放保护，本装置中另设置了专门的振荡判别元件，它测量振荡中心电压：

Uos=U1cosφ1                                   

φ1是正序电流电压的夹角，U1为正序电压。

在图3.3.4.2c中假定系统联系阻抗的阻抗角为90°，则电流向量垂直于EM，EN连线，与振荡中心电压同相。

图3.3.4.2c  系统电压向量图

在系统正常运行或系统振荡时，U1cosφ1，恰好反应振荡中心的正序电压。

在三相短路时，设线路阻抗角为90°时，则U1cosφ1是弧光电阻上的压降，三相短路时过渡电阻是弧光电阻，弧光电阻上压降小于5% Un。

本装置采用的动作判据分二部分：

a．-0.03Un＜Uos＜0.08Un，延时150ms开放。

实际系统中，三相短路时故障电阻仅为弧光电阻，弧光电阻上压降的幅值不大于5% Un，因此，三相短路时，该幅值判据满足，为了保证振荡时不误开放，其延时应保证躲过振荡中心电压在该范围内的最长时间。振荡中心电压为0.08时，系统角为171°，振荡中心电压为-0.03时，系统角为183.5°，按最大振荡周期3″计，振荡中心在该区间停留时间为104ms。

装置中取延时150ms已有足够的裕度。

b．-0.1Un＜Uos＜0.25Un，延时500ms开放。

该判据作为判据a的后备，以保证任何三相故障情况下保护不可能拒动。

0.25Un时，系统角为151°，-0.1Un时，系统角为191.5°，按最大振荡周期3″计，振荡中心在该区间停留时间为373ms，装置中取500ms已有足够的裕度。

实际系统线路阻抗角不为90°因而可进行角度补偿，如图3.3.4.2d所示。

图3.3.4.2d  短路电流电压向量图

od为测量电压，Ucosφ1=ob，因而ob反应当线路阻抗角为90°时弧光电阻压降，实际上线路阻抗角不为90°，弧光压降为oa，与线路压降ad相加得到测量电压U。本装置引入补偿角θ=90°-φL（即⊥），得到φ=φ1+θ，式（21）变为Uos=Ucosφ，三相短路时，Uos=oc≤0a，可见Ucosφ可反应弧光压降。

●非全相运行时的振荡闭锁判据：

非全相振荡时，距离继电器可能动作，但选相区为跳开相。非全相再单相故障时，距离继电器动作的同时选相区进入故障相，因此，可以以选相区不在跳开相作为开放条件。

另外，非全相运行时，测量非故障二相电流之差的工频变化量，当该电流突然增大达一定幅值时开放非全相运行振荡闭锁。因而非全相运行发生相间故障时能快速开放。

以上二种情况均不能开放时，由第Ⅲ)部分作为后备。

3.3.5  电压断线闭锁元件

电压断线闭锁为了防止电压回路故障或某些原因造成失压后，引起距离元件误动作。由电流构成的起动元件不受其影响，它可以在失压过程中起可靠闭锁作用。

有了电流起动元件，断线闭锁仍然是需要的，只是责任大大减轻了，不需要瞬时闭锁，可以略带延时。如果断线失压后不闭锁保护，当外部短路故障，起动元件起动，就会造成误动作。

3.3.5.1交流电压断线

首先是起动元件不动作，在下列条件之一起动断线闭锁。

a．三相电压向量和大于8伏，即A+B+C＞8伏,保护不起动，延时1.25秒发TV断线异常信号。

b． 三相电压向量和小于8伏，正序电压小于33V时，若采用母线TV则延时1.25秒发TV断线异常信号；若采用线路TV，则当任一相有流元件动作或TWJ不动作时, 延时1.25秒发TV断线异常信号。装置通过整定控制字来确定是采用母线TV还是线路TV。

 三相电压正常后, 经10秒延时TV断线信号复归。

此方案①考虑了三相断线，不需要在熔丝或小开关上并电容，电容的容量很难选择。

②本方案用起动元件反闭锁，而不用开口三角形的3UO反闭锁，因正常时3Uo=0，很难监视，万一3UO回路断线，如电压切换回路切换触点接触不良，系统真正发生不对称故障时，将不能反闭锁，断线闭锁将闭锁保护而不能跳闸，后果严重。

③因保护起动元件由电流分量构成，断线只引起距离元件动作，而不会引起整个保护误动作，不需要立即闭锁保护，因此带1.25秒报PT断线，并闭锁距离保护，以增加切除线路故障的可靠性。

3.3.5.2线路电压断线

当重合闸投入且处于三重或综重方式，如果装置整定为重合闸检同期或检无压，则要用到线路电压，开关在合闸位置时检查输入的线路电压小于40伏经10秒延时报线路TV异常。如重合闸不投、不检定同期或无压时，线路电压可以不接入本装置，装置也不进行线路电压断线判别。

当装置判定线路电压断线后，重合闸逻辑中不进行检同期和检无压的逻辑判别，不满足同期和无压条件。

3.3.6 交流电流断线（始终计算）

自产零序电流小于0.75倍的外接零序电流，或外接零序电流小于0.75倍的自产零序电流，延时200ms发TA断线异常信号；

有自产零序电流而无零序电压，则延时10秒发TA断线异常信号。

保护判出交流电流断线的同时，在装置总起动元件中不进行零序过流元件起动判别，RCS-901A将零序过流保护Ⅱ段不经方向元件控制，退出零序过流Ⅲ段，RCS-901B将零序过流保护Ⅰ、Ⅱ、Ⅳ段退出，Ⅲ段不经方向元件控制，RCS-901D将零序过流保护Ⅱ段不经方向元件控制，退出零序反时限过流段。