零序功率方向继电器接线 正确性判定和校验

王成章 李红霞

（乐山金石黄丹水电有限公司，四川 乐山 614505）

1 引言

在1l0kV及以上中性点直接接地的双电源或多电源电网中。零功方向元件作为反映线路或设备接地短路的方向判别元件，它对保证零序电流保护动作的选择性，起着十分重要的作用。但在安装、施工过程中如果不注意其接线，并利用负荷电流和零序电压来判别其接线的正确性，线路在运行中零序保护就会出现拒动或误动，给电网和设备的安全运行造成很大的危害。2010年8月份黄丹电厂到永向变电站的110kV输电线路就发生了两起零序保护拒动的事故。

2 常规保护中零功方向元件接线原则及其正确性判别

目前在电力系统中广泛使用的是整流型功率方向继电器，把最大灵敏角做成70°或80°。黄丹电厂110kV线路保护采用许继的PXH—l12四统一线路保护屏，其中零序功率方向元件为LLG-2型，其最大灵敏角做成80°，即加入继电器的电压Uj超前电流Ij为80°时最灵敏。为了适应这一要求，接线采用图1所示，将电流线圈与电流互感器二次绕组之间同极性相连，即Ij＝3Io。将电压线圈与电压互感器二次绕组之间反极性相连，即Uj＝-3UO。输入到零序功率方向继电器电压线圈的开口三角的接线方式有多种， 黄丹电厂采用的接线方式为：。其中分别是极性端。这样引出的开口三角电压Ud＝-3UO，适于将L630直接引向方向继电器的U*端，将N600引向方向继电器的U-端，即Uj＝-3UO。而电流回路3I0应当从方向继电器的I*端流入，从I-端流出，即Ij＝3Io。相量图如图2所示，刚好符合最灵敏的条件。

图1 零序功率方向继电器的接线方式

图2 相量图

3 对黄丹电厂反应接地故障的零序保护进行检查

3.1 对零序功率方向继电器进行校验

在线路保护屏上将零序功率方向继电器的电流线圈回路短路，零功方向继电器的动合触点短路(暂时取消零功方向，此时零序保护不能判别方向，若出现接地故障动作将无选择性)。将继电器取到试验室按调试规程的要求进行校验，测得继电器动作区为-20°～145°，最大灵敏角为83°(符合继电器最灵敏角为80±5°的规定)，还进行了最小动作电压检查、潜动试验等项目，各项检查结果均正常，说明继电器自身没有问题。

3.2 检查零序保护控制回路

申请将黄丹电厂到永向变电站的110kV输电线路零序保护退出运行(暂时解开跳闸出口的连接片)，通过短接零功方向继电器GJ0的动合触点，并分别短接零序一段电流继电器1LJ0、零序二段电流继电器2 LJ0、零序三段电流继电器3 LJ0的动合触点来检查零序Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段控制回路，发现各段保护的信号继电器均能动作并掉牌，说明控制回路工作正常。

3.3 检查交流电流、电压回路

（1）检查输入零功方向继电器的交流电压、电流的极性和大小

检查现场电压、电流回路的二次接线（图3），发现PT二次接线L630取自非同名端，接到继电器的变压器YB的同名端；CT二次回路N413（回路上标识的）取自同名端，接到继电器电抗变压器DKB的同名端。在线路正常带负荷运行的条件下，用钳形万用表测量输入零序功率方向继电器的电流、电压大小。测得输入到继电器的变压器YB线圈电压为零，输入到继电器的电抗变压器DKB的电流也为零，根据交流对称三相电路中Ua+Ub+Uc=0，Ia+Ib+Ic=0可知测得的值与理论值是一致的。

图3 现场电压电流回路实际接线图

（2）检查母线电压互感器端子及到线路保护屏的电压回路

由于在2010年之前零序方向保护曾经动作过（查清后才知是不正确动作），起初并不怀疑接入零功方向继电器的接线极性有错，而是怀疑接入零功方向继电器的电压回路接线端子可能有松动，我们仔细检查了母线电压互感器器身接线端子和互感器端子箱内接线，并测量了形成开口三角形接线的各相二次电压，还检查了从母线电压互感器端子箱到线路保护屏的电压线。通过检查发现形成开口三角形连接的各相二次首尾连接正确，各端子无松动现象，各相二次电压也正常，从母线电压互感器端子箱到线路保护屏的电压线无松脱、无接错现象。

（3）检查接入线路保护屏的电流回路

用双钳相位表测量接入线路保护屏的各相电流IA411、IB411、IC411大小及相位，发现三相电流平衡，各电流之间相位相差120度，是正常的。

4 带负荷测量零序功率方向继电器并进行相位分析

由于前面没有检查出问题，而在2010年8月10日出现一棵桉树倒在线路边相上（当时有功、无功均为送出），线路发生单相接地，对方零序Ⅲ段动作，而我方零序保护没有任何动作，这显然是不正常的，于是进行带负荷检查试验。

4.1 模拟B相接地，测量零功继电器输入电压、电流间的相角

（1）模拟B相接地，测量电压、电流间相角的原理及方法

模拟出口B相接地短路（其原因是根据我厂开口三角形接线的方式，便于甩掉B相电压），在正常三相负荷对称时，Ua＋Ub＋Uc=0。模拟B相出口接地短路，就是令Ub＝0，也就是设法将开口三角输出电压中的Ub甩掉。具体方法是L630不变（接在U*端），把N600与方向继电器的U-端解开，将Sa630接到U-端，同时又要设法让IA411、IB411、IC411分别流经方向继电器的I*，I-。具体做法是当通入IA411时，将IB411、IC411相对N相短接然后断开它们与继电器的连接线（接入B、C相电流操作类推），这时流过零序功率方向继电器的电压为Uj=-3UO=-(Ua+Uc)=Ub，电流为Ij=3Io=IA411。

（2）带负荷进行相角测试

2010年10月12日上午10时31分，当时线路潮流为送出有功P=+5MW，送出无功Q=+1Mvar，110kV线路电流互感器TA变比为600/5，可以算出二次负荷电流Ifh=0.223A，相电压与相电流之间的夹角φ(tanφ＝Q/P)。根据图4所示的功率坐标系，可判断相电压与同相电流之间的夹角φ处于第一象限，从而得出功率因数角φ=19.8°（即相电压超前相电流19.8°）。

图4 功率坐标系图

进行带负荷测试，测试结果如下：(因负荷电流小，继电器不会动作)

加入IA411时，测得Ub超前Ia（即IA411）为72°。 加入IB411时，测得Ub超前Ib（即IB411）为189°（即Ib滞后-Ub为9°）。

加入IC411时，测得Ub超前Ic（即IC411）为307°（即Ic超前Ub为53°）。

4.2 根据上面测得的电压超前电流的相角，画出向量图进行分析

根据测得的相角画出向量图(图5)，从向量图上看Ub超前Ib为189°，这个显然不对。同相电压超前电流的角度应为功率因数角，即Ub超前Ib角度应为19.8°左右。

图5 三相电压、电流向量关系图

从图5上看电压或电流相位倒180°，每相电压超前电流的相位就基本等于功率因数角了。在10月14 日上午10时，我们将加入零功方向继电器的模拟电压倒180°（因为倒电压操作简便些）。即：解开N600，L630接U-，Sa630接U*端。负荷潮流为送出有功P=+7.5MW，送出无功Q=+0.7Mvar，1l0kV线路电流互感器TA变比为600/5，可以算出二次负荷电流Ifh=0.33A，相电压与相电流之间的夹角φ(tanφ＝Q/P)。根据图4所示的坐标系，可判断相电压与同相电流之间的夹角φ处于第一象限，从而得出功率因数角φ=5.33°，测试结果如下：

测得的相角如下：(向量图略，因加入电流太小继电器不会动作)

加入Ia时，测得Ub超前Ia为246°。

加入Ib时，测得Ub超前Ib为5.5°。

加入Ic时，测得Ub超前Ic为123°。

可见测得的Ub超前Ib角度5.5°与计算出的功率因数角φ稳合。通过上面二次带负荷试验己证明确实电流或电压极性接反。

5 带上一定负荷以检验零功方向继电器能否正确动作

5.1 对输入零功方向继电器的电压倒极性进行检验

在10月15日中午12时50分，我们将L630接U-，Sa630接U*端。负荷潮流为送出有功P=+37MW，送出无功Q= +2.5Mvar，1l0kV线路电流互感器TA变比为600/5，可以算出二次负荷电流Ifh=1.60A，相电压与相电流之间的夹角φ(tanφ=Q/P)。根据图4所示的坐标系，可判断相电压与同相电流之间的夹角φ处于第一象限，从而得出功率因数角（即相电压超前相电流角度）φ=3°，测试结果如下：

测得的相角如下(相量图略)：

加入Ia时，测得Ub超前Ia为243°，继电器不动。

加入Ib时，测得Ub超前Ib为3°，继电器不动。

加入Ic时，测得Ub超前Ic为123°，继电器动作。 说明将接入零功方向继电器的模拟电压极性倒一下，继电器动作情况就正常了。

5.2 分析处理

通过上面的试验己经证明了输入零功方向继电器的电压或电流极性反了，之前我们己经全面检查了输入零功方向继电器的电压回路没有错误。于是我们想会不会电流回路极性反了，前面虽检查了输入保护屏的三相电流大小和之间的相位关系，但没有对输入保护屏的电压和电流之间相位进行测试。于是马上对输入保护屏用于距离保护的电压和电流之间进行相位角测试，测得相角为（相量图略）：Uab超前Ia为220°、Uab超前Ib为340°、Uab超前Ic为105°。

以上测得的数值很明显不符合相量关系图，Uab超前Ia的角度应为30°加上功率因数角3°，即大约为33°才是正确的。至此己完全明白了，是因为电流回路极性反了导致零功方向继电器不能正确动作（当反方向出现接地故障时它要动作）。不仅如此由于电流回路极性反了，反应相间短路的距离保护的阻抗继电器还不能正确动作（反方向相间短路时它要动作）。

清楚了线路发生接地不能正确动作是由于电流回路极性反了，处理就简单了，将电流互感器一次回路停电，做好相应安全措施，把用于线路保护的电流回路的极性反一下就行了。

6 结论

我们在安装电压、电流互感器时，一定要弄清楚互感器的极性；安装完毕带负荷试验时一定要精心组织，试验方案考虑的要尽可能周全；每年一度的保护检查、校试要认真仔细，不能走过场；运行中的电力线路出现故障保护动作不正常要加大检查力度，不能掉以轻心，以免相同的事故多次重复发生。

[1] 许建安.电力系统继电保护[M].北京：中国水利水电出版社,2004.

[2] 杨皓.零功方向元件接线及其正确性判别[J].继电器,2002 (2)：60-61.

[3] 王远璋.变电设备维护与检修作业指导书[M].北京：中国电力出版社,2005.