任务2.1
配电线路相间短路保护信号识别与分析

【任务目标】

知识目标

1.熟悉配电线路故障类型，掌握配电线路保护功能基本配置。

2.掌握三段式电流保护的原理，理解电流保护原理图，理解三段式电流保护整定计算原则。

3.掌握方向电流保护的原理及方向元件装设原则。

能力目标

1.能看懂电流保护原理图。

2.能进行三段式电流保护整定计算。

3.能进行单侧电源配电线路相间短路故障的保护信号分析。

【任务描述】

白马垅变 10 kV白解Ⅰ回 316 线路发生AB相间短路故障。试对主控台信号进行分析，初步判断故障原因，并进行简单处理。

【任务准备】

（1）规程准备

《电力安全工作规程 发电厂和变电站电气部分》（GB 26860—2011）、《白马垅变运行规程》、《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB / T 14285—2023）。

（2）设备、资料准备

熟悉白马垅变电站 10 kV一次接线及设备，收集 35 /10 kV保护装置说明书。

（3）知识准备

预习本节相关知识内容，并回答以下问题：

①三段式电流保护装置是如何实现配合的？

②10 kV单侧电源线路保护装置通常配置哪些保护功能？

③为什么双侧电源线路的电流保护要装设方向元件？

【相关知识】

2.1.1 配电线路保护配置

根据我国对线路电压的分类，35 kV（10 kV）线路属于高压配电线路。配电线路直接与用户相连接并向用户分配电能，配电网络庞大而复杂，因此在电力系统中，35 kV（10 kV）线路的故障最为常见，一旦发生故障，直接影响对用户的连续供电。配电线路的故障主要为相间短路。相间短路故障包括三相短路、两相短路和两相接地短路。配电线路常见的不正常工作状态为过负荷，以及因单相接地或断相等原因造成的电压异常、频率异常和系统振荡等。

配电线路电压等级低，保护配置较为简单。针对配电线路的相间短路故障，主要配置电流保护。对单相接地故障，主要配置绝缘监视等保护。

（1）电流保护

电流保护是反映线路电流值的增大而动作的保护。3~10 kV单侧电源线路可装设两段式电流保护。35~66 kV单侧电源线路可装设一段或两段式电流速断保护和过电流保护，必要时可增设复合电压闭锁元件。双侧电源线路可装设带方向或不带方向的电流速断保护和过电流保护。

（2）单相接地监视装置

配电网络为中性不接地系统，在线路发生单相接地可装设单相接地监视装置动作于信号，必要时可动作于跳闸。

（3）差动保护

差动保护是反映线路两侧电气量不同而动作的保护。配电线路在保护配合困难或保护范围不满足要求时，可配置光纤电流差动保护作为主保护。

（4）过负荷保护

可能出现过负荷的电缆线路或电缆与架空混合线路应装设过负荷保护。该保护宜带时限动作于信号，必要时可动作于跳闸。

配电线路保护基本配置见表2.1。

2.1.2 三段式电流保护

电流保护是利用电力系统故障时电流增大的特征而构成保护。电流保护 按启动电流的选择原则不同可分为 3 段，即瞬时电流速断、限时电流速断和过电流保护。

（1）瞬时电流速断保护（第Ⅰ段）

瞬时电流速断保护是指仅反映电流增大而瞬时动作的保护。瞬时电流速断保护可不带时限动作且保证选择性。

1）工作原理

在单侧电源线路上发生短路时，短路点离电源越远，线路阻抗越大，短路电流越小；反之，线路阻抗越小，短路电流越大。将各点的短路电流值相连，可绘制出如图2.1 所示的单侧电流线路短路电流曲线 1。

由此短路电流曲线可知，短路点距电源越远，流过保护的短路电流越小，即流过保护的短路电流值与短路发生的地点有关。此外，故障类型及运行方式的变化也会影响短路电流的大小。线路发生三相短路与两相短路时，通过电源与短路点的短路电流的计算公式为

式中 ——三相短路电流，A;

——系统相电动势，V;

Z _k ——电源到短路点的短路阻抗，Ω；

——两相短路电流，A。

保护整定计算一般考虑最大和最小两种极端运行方式。最大运行方式是指通过该保护装置流过最大短路电流时的运行方式；最小运行方式是指通过该保护装置流过最小短路电流时的运行方式。在最大运行方式下发生三相短路时，流过保护装置的短路电流最大，线路各点短路电流随距离 L 的变化曲线即最大短路电流曲线，如图2.1 中的曲线 2。与正常运行方式下的短路电流曲线相比，短路电流明显增大。而在最小运行方式下发生两相短路时，可得到图2.1 中最小短路电流曲线 3。

对不同运行方式与短路类型进行组合可得各种短路电流曲线，这些短路电流曲线均介于最大与最小短路电流曲线之间。由此可知，在不同运行方式下，在不同短路点发生不同短路类型的故障，短路电流的大小都会不同。

2）瞬时电流速断保护单相接线原理图

继电保护的接线图分为原理图、展开图和安装图3 种。原理图为继电器线圈与触点在一起，能直观、完整地表示继电器之间的电气联系与工作原理。

瞬时电流速断保护单相接线原理图如图2.2 所示。它由继电器KA、中间继电器KM、信号继电器KS组成。在正常运行时，没有短路电流，负荷电流二次值小于电流继电器KA的动作值，电流继电器不会启动。在一次线路上发生相间短路故障时，短路电流二次值大于电流继电器KA动作值，电流继电器启动，则中间继电器KM、信号继电器KS依次启动，接通断路器跳闸线圈TQ，断路器QF跳闸，切除故障。

3）整定计算

电流保护的整定计算主要包括动作电流、动作时限和灵敏度校验 3 个方面。

①动作电流。

选择合理的电流值是瞬时电流速断保护保证选择性与快速性的关键。设图2.3 中线路L ₁ 和L ₂ 的保护分别为保护1 和保护2，保护装置定值的设置是希望线路L ₁ 上任何一点故障时，保护 1 能可靠动作，而线路L ₂ 上任何一点故障时保护 1 不动作。但由于线路L ₁ 末端与线路L ₂ 首端电气距离很短，短路电流几乎没有区别，再加上实际测量存在的各种误差，装在线路L ₁ 首端的保护 1 实际上是很难区分线路L ₁ 末端与线路L ₂ 首端的短路故障的。因此，为了保证选择性，瞬时电流速断保护的启动值应躲过本线路末端的最大短路电流。其计算公式为

式中 ——线路L ₁ 的电流Ⅰ段保护一次电流动作值；

——电流Ⅰ段保护可靠系数，一般取 = 1.2~1.3;

——最大运行方式下，线路L ₁ 末端（B母线处）发生三相短路时保护 1 流过的短路电流。

当被保护线路L ₁ 的一次侧电流达到动作电流 值时，其电流保护 1 将启动，断路器QF ₁ 分闸。

②动作时限。

瞬时电流速断保护为无时限保护，因此，理论动作时限为 0 s，即 = 0。考虑雷电时避雷器放电以及线路空充时，暂态充电电流可能引起瞬时电流速断保护误动，会给中间继电器KM加一个小延时，为 0.06~0.08 s。

③灵敏度校验及保护范围。

由于瞬时电流速断保护范围要求在任何情况下都不延伸至下级线路BC，瞬时电流速断保护定值设置时躲过了在本线路末端的最大短路电流。因此，电流速断保护对本线路末端发生的故障是无法保护的，其保护范围为本线路的 80%~ 85%。在运行方式的变化下，保护范围会随着短路电流的改变而改变。在最小运行方式下，其保护范围最小。当线路较短时，瞬时电流速断保护甚至可能没有保护范围，起不到保护作用。为了保证电流速断保护能有一定保护范围，需对瞬时电流速断保护的灵敏度进行校验，即校验其最小保护范围。最小保护范围一般不小于本线路全长的 15%。最小保护范围计算公式为

式中 l _min ——线路AB的电流Ⅰ段保护最小保护范围，m或km;

E _ϕ ——系统等效电源相电压，V或kV;

Z _{s. max} ——最小运行方式下系统阻抗，Ω；

Z ₁ ——单位长度阻抗，Ω；

L ——被保护线路全长，m或km。

【 例 2.1】 线路一次网络如图2.4 所示。在L ₁ ,L ₂ 各点发生短路的电流值见表2.2。试计算线路L ₁ 电流速断保护的动作电流和动作时限。

解 ：（1）根据电流速断保护动作电流的整定原则，应躲过本线路末端的短路电流。 L ₁ 线路末端为B母线处，即应取K ₂ 点短路时的最大值。动作电流计算为

（2）动作时限为

4）评价

瞬时电流速断保护由于组成元件少，仅靠电流整定值来保证选择性，因此结构简单，可靠且动作迅速。但为了保证选择性，瞬时电流速断保护需躲过线路末端短路电流，引入了可靠系数 = 1.2~1.3。因此，瞬时电流速断保护不能保护本线路的全长，且保护范围受系统运行方式、短路类型的影响较大，保护范围为本线路的 85%~ 90%。

（2）限时电流速断保护（第Ⅱ段）

1）工作原理

瞬时电流速断保护为了保证在本线路快速而有选择地切除故障，牺牲了本线路末端的一部分保护范围，不能保护本线路的全长。为此，需增加一段新的保护来保护本线路的全长，且它的保护范围必然要延伸到下一条线路。

当线路L ₂ 首端发生短路时，L ₂ 的瞬时电流速断保护与L ₁ 新增的保护将同时启动。为了使QF ₁ 的保护不跳闸，通过让这段新增的保护带有一定的时限，比L ₂ 的瞬时电流速断保护高出一个时间级，从而保证动作的选择性。由于它能以较小的时限快速切除全线路范围以内的故障，故称限时电流速断保护。

2）整定计算

①动作电流。

为保证能保护整段线路，限时电流速断保护必须延伸到下一线路，因此，需靠整定电流和动作时间相互配合来实现选择性。动作电流整定原则是要与下一级所有线路或元件的速断保护相配合，即

式中 ——线路L ₁ 电流Ⅱ段保护的一次电流动作值，A或kA;

——电流Ⅱ段保护可靠系数，也称配合系数，考虑短路电流中的非周期分量已衰减，可选取比电流Ⅰ段保护的可靠系数稍小一些，一般取 = 1.1~1.2;

——线路L ₂ 电流Ⅰ段保护的一次电流动作值，A或kA。

②时限。

限时电流速断保护的动作时限比L ₂ 的瞬时电流速断保护要高出一个时间级差。其动作时限计算公式为

式中 ——线路L ₁ 的电流Ⅱ段动作时限，s;

——线路L ₂ 的电流Ⅰ段固有时限，s;

Δ t ——时间级差，一般取 0.5 s，微机保护中时间整定误差较小，可选 0.3 s。

③灵敏度校验。

限时电流速断保护的保护范围是本线路的全长，因此，必须在线路末端可能出现的最小短路电流时也能有足够的反应能力，即校验在线路末端最小运行方式下发生两相短路时的灵敏度。灵敏系数 K _sen 的计算公式为

式中 I （ ^K _2）.B . _min ——在最小运行方式下，被保护线路末端发生两相短路时最小短路电流；

K _sen ——对限时电流速断保护，应要求 ≥1.3~1.5。

如果灵敏系数不能满足要求，即说明线路L ₁ 的限时电流速断保护在本线路末端发生短路时没有足够的灵敏度，可考虑减小限时电流速断保护动作电流，从而延伸限时电流速断保护的保护范围。此时，通常采用与下一级线路L ₂ 的限时电流速断保护相配合。动作电流与动作时限分别为

式中 ——线路L ₂ 电流Ⅱ段保护的一次电流动作值；

——线路L ₂ 的电流Ⅱ段动作时限。

【 例 2.2】 线路一次网络如图2.4 所示。在L ₁ ,L ₂ 各点发生短路时的电流值见表2.2。试计算线路L ₁ 限时电流速断保护的动作电流和动作时限，并校验其灵敏度。

解 ：（1）动作电流为

（2）动作时限为

（3）灵敏度的校验为

故满足灵敏度要求。

3）评价

限时电流速断保护灵敏度较高，可保护线路全长，与瞬时电流速断保护共同构成线路的“主保护”。限时电流速断保护带 0.5 s左右的延时，速动性较差，可作为本线路首端短路的近后备，但不能作为下一段线路的远后备。

（3）定时限过电流保护（第Ⅲ段）

1）工作原理

瞬时电流速断保护与限时电流速断保护共同构成线路的“主保护”，为防止主保护拒动或断路器拒动情况的出现，还需配置后备保护，即电流保护第Ⅲ段——定时限过电流保护。定时限过电流保护作为后备保护需要反映线路上可能出现的各种故障，将正常运行与故障状态灵敏地区分开来，需有较高的灵敏度。定时限过电流保护的保护范围包括本线路及下一线路全长，既作为本线路的近后备，又作为下级线路的远后备。

2）整定计算

①动作电流值的整定。

由于定时限过电流保护需区分正常运行与故障状态，因此，其动作电流通常应大于该线路上可能出现的最大负荷电流，即动作电流按躲过线路上可能出现的最大负荷电流 I _{L. max} 来整定，此外还需考虑电动机自启动电流的影响。

如图2.5 所示，当K点发生故障时，系统中电压降低，QF ₂ ,QF ₄ 所在线路所带的电动负荷M ₁ ,M ₂ 可能因电压降低而停运，QF ₅ ,QF ₁ ,QF ₃ 断路器保护流过短路电流，其定时限过电流保护必将启动。根据选择性要求，应由线路L ₂ 的保护动作，断开QF ₃ 断路器。当断开QF ₃ 时，故障被切除，系统电压恢复正常。此时，M ₁ ,M ₂ 将会自启动，若QF ₄ 或QF ₅ 的保护小于负荷M ₁ ,M ₂ 的自启动电流，保护将动作，断开相应断路器，扩大停电范围。因此，定时限过电流保护应在故障切除后躲过自启动电流的影响可靠返回。

引入一个自启动系数 K _ast ，自启动时线路流过的最大电流为 。保护 4 和 5 在这个电流的作用下必须立即返回，为此应使保护装置的返回电流 I _re 大于 。引入可靠系数 ，则定时限过电流保护动作电流计算公式为

式中 ——可靠系数，一般取 1.15~1.25;

K _ast ——自启动系数，具体由网络接线和负荷性质确定，一般取 1.5~3;

K _re ——电流继电器的返回系数，一般取 0.85~0.95。

②动作时限的整定。

定时限过电流保护为了保证在线路各点发生故障时都有足够的灵敏度，其启动电流较小，只需躲过该线路的最大负荷电流即可。在如图2.6 所示的单侧电源网络中，当K ₁ 短路时，短路电流将从电源流向短路点，保护 1,2,3,4 都将流过短路电流，即保护 1,2,3,4 都将启动。但根据选择性的要求，应只有保护 4 动作切除故障，其他保护不动作。这仅依靠动作电流是无法实现选择性要求的，只有在保护装置中设置不同的时限来满足。

保护 4 位于系统的最末端，设其动作时间为 。在线路末端发生短路时，保护 3 可以为保护 4 的远后备，只有在保护 4 拒动时，保护 3 才允许动作，则其动作时限应大于 。引入时间级差Δ t ，则保护 3 的动作时限为 。以此类推，保护 1,2 的动作时限应比下一级动作时限至少高一个Δ t 。

这种保护的动作时限经整定后固定不变，与短路电流的大小无关，故称定时限过流保护，有时简称过电流保护。保护装置各动作时限的配合为从系统末端向电源端逐级增加一个Δ t ，形似一个阶梯，故称阶梯时限特性。

多分支线路如图2.5 所示。 QF ₄ 所在线路为QF ₁ ,QF ₂ ,QF ₃ 所在线路的上级，QF ₄ 的保护应比下级母线上被保护线路最长的动作时限再多一个Δ t 。其计算公式为

式中 ——第 n 级定时限过电流保护时限；

——第 n + 1 级中最大的定时限过电流保护时限。

③灵敏度校验。

定时限过电流保护可作为本线路的近后备，也可作为下级线路的远后备。因此，其灵敏系数应对两种后备都进行校验。当作为近后备时，应保证最小运行方式下本线路末端发生两相短路时有足够的灵敏度，一般要求大于 1.3~1.5。灵敏系数计算公式为

式中 I _{K.本. min} ——在最小运行方式下，本线路末端K点两相短路一次电流值。

当作为相邻线路的远后备保护时，则应保证最小运行方式下相邻线路末端发生两相短路时有足够的灵敏度，一般要求大于 1.2。灵敏系数计算公式为

式中 I _{K.下. min} ——在最小运行方式下，下级线路末端K点两相短路一次电流值。

【 例 2.3】 一次网络如图2.4 所示。在L ₁ ,L ₂ 各点发生短路的电流值见表2.2,L ₁ 的负荷电流为 112 A,L ₂ 的负荷电流为 80 A（自启动系数 K _ast = 2.2，第三段可靠系数 = 1.3，返回系数 K _re = 0.85）,L ₂ 定时限过电流保护的时限为 2 s。试计算线路L ₁ 定时限过电流保护的动作电流和动作时限，并校验其灵敏度。

解 ：（1）动作电流为

（2）动作时限为

（3）灵敏度的校验为

故灵敏度满足要求。

3）评价

定时限过电流保护的动作电流只需躲过线路上流过的最大负荷电流。动作电流数值小，灵敏度高，但动作时限为固定的阶梯形时限。当故障越靠近电源端时，短路电流越大，保护动作时限反而越长，不利于故障的快速切除。因此，在电网中通常采用定时限过电流保护作为后备保护，既可作为本线路的近后备保护，也可作为相邻线路的远后备保护。

（4）三段式电流保护原理图及展开图

1）三段式电流保护原理图

电磁式两相三段式电流保护原理图如图2.7 所示。电流Ⅰ段由A相电流继电器LJ ₁ 、C相电流继电器LJ ₂ 、中间继电器ZJ ₃ 及信号继电器XJ ₄ 组成；电流Ⅱ段由A相电流继电器LJ ₅ 、C相电流继电器LJ ₆ 、时间继电器SJ ₇ 及信号继电器XJ ₈ 组成；电流Ⅲ段由A相电流继电器LJ ₉ 、C相电流继电器LJ ₁₀ 、中性线上电流继电器LJ ₁₁ 、时间继电器SJ ₁₂ 及信号继电器XJ ₁₃ 组成。

2）三段式电流保护展开图

保护二次回路有交流电流回路、交流电压回路、直流回路、信号回路等。展开图是以电气回路为基础，将继电器和各元件的线圈与触点分别绘于各自所属回路中，同一继电器或元件标注同样的符号。将图2.7 电磁式两相三段式电流保护原理图展开，可绘制三段式电流保护展开图如图2.8 所示。阅读展开图时，一般先交流后直流，从上至下，从左至右。以图2.8 为例，当线路首端发生AB相短路故障，若达到电流Ⅰ段动作值，则先交流回路中电流继电器LJ ₁ 动作，再直流回路中其触点LJ ₁ 闭合，再中间继电器ZJ ₃ 动作，ZJ ₃ 触点闭合接通跳闸回路，使断路器跳闸。

2.1.3 方向电流保护

（1）方向电流保护的原理

随着电力系统的不断发展扩大，用户对供电可靠性和供电质量提出了更高的要求。因此，电力系统越来越多地采用了多侧电源辐射网络和环网的供电方式。在这样的电网中，为了切除故障线路，线路两端都装设了断路器和保护装置。若采用之前所学的单侧电源电流保护，可能会出现保护无法进行正确配合的情况。

在如图2.9 所示的双侧电源网络接线中，每条线路均配有断路器和电流保护。在K ₁ 点短路时，希望 3,4 保护动作。对于定时限过电流保护而言，即有 t ₃ < t ₂ , t ₄ < t ₅ ，方可正确断开3,4 断路器。假设保护 1,2,3,4,5,6 按只有左侧电源单独供电的情况来进行整定，电流保护Ⅲ段是通过时间的配合来保证选择性的，最末端的保护 6 时限最短，其他保护的时限按阶梯式原则依次递增至电源端保护 1，即有 t ₆ < t ₅ < t ₄ < t ₃ < t ₂ < t ₁ ，这样就无法满足 t ₄ < t ₅ 的要求；若按只有右侧电源单独供电的情况来整定，保护 1 的时限最短，依次递增至电源端保护6，则无法满足 t ₃ < t ₂ 的要求。同样，对于瞬时电流速断保护而言，电流定值整定配合也会有同样的矛盾。

在K ₂ 点发生短路时，希望 1,2 保护动作，断开 1,2 两侧断路器。就定时限过电流保护而言，即要求 t ₂ < t ₃ ，这与K ₁ 点短路时的要求又发生了矛盾。因此，在双侧电源网络中，无论如何选择，简单的电流保护都是无法满足选择性要求的，必须采用新的保护方式。

在电力系统发生故障时，电气量的特点除了电流增大、电压降低外，还可观察其电压与电流的方向变化。以下对图2.9 中不同短路点情况的电流方向进行分析。

①在K ₁ 点短路时，短路功率的方向如图2.9（ a）所示。保护 1,3,4,6 的短路功率方向是由母线流向线路，保护 2,5 为由线路流向母线，需要切除的断路器为 3,4。保护 1,6 可与保护 3,4 进行整定值的配合不会误动，而无法进行配合可能误动的是保护 2,5。网络中无法进行保护配合的都是在各自保护线路的反方向发生故障的保护。

②在K ₂ 点短路时，短路功率的方向如图2.9（b）所示。保护 1,2,4,6 的短路功率方向是由母线流向线路，保护 3,5 为由线路流向母线，需要分闸的断路器为 1,2。同样可见，可能误动的是短路功率方向为线路流向母线的保护 3,5。

一般规定功率方向由母线流向线路为正，线路流向母线为负。在保护 2,3,4,5 上加功率方向继电器，在电流保护条件满足且功率方向为正时，保护才允许动作。这种保护考虑了功率的方向性，称为方向性电流保护。如图2.10 所示为方向电流保护单相接线原理图。

方向电流保护单相接线原理图是在原电流保护的基础上增加了一个功率方向继电器KW。功率方向继电器的常开接点KW-1 与过电流保护测量电流继电器的常开接点KA-1 串联，达到闭锁保护跳闸的目的。功率方向继电器KW由电压与电流线圈组成，通过对比继电器中的电压与电流的相位夹角来判断功率方向。

当正方向发生故障时，电流超过KA设定的动作值，功率方向判断为正，各继电器依次动作，断路器QF跳闸切除故障。在反方向故障发生时，即使电流超过KA设置的动作值，但功率方向为负，功率方向继电器KW不动作，触点不闭合，保护不动作。

（2）功率方向判别元件

1）动作区与最大灵敏角

某双侧电源网络接线如图2.11（a）所示。 QF ₁ ,QF ₂ ,QF ₃ ,QF ₄ 的保护分别为保护 1,2,3,4。以母线故障相电压 作为参考量，以短路电流 落后于母线电压 的角度为线路阻抗角 φ _K 。当K ₁ 点发生三相短路时，对于保护 2 而言，短路电流 由电源M从母线A流向线路，为正方向，线路阻抗角 φ _K < 90°。此时，短路功率为 P _K1 = > 0，如图2.11（b）所示。当K ₂ 点发生三相短路时，对于保护 2 而言，短路电流 由电源N从线路流向母线A，为反方向，线路阻抗角为 φ _K + 180°。此时，短路功率 = UI _KN cos（ φ _K + 180°）< 0，如图2.11（c）所示。由此可知，正方向与反方向故障时的线路阻抗角 φ _K 相差 180°。

根据短路时电压与电流之间的角度判别短路功率方向，进而判别短路故障是处于保护的正方向还是反方向的元件称为功率方向元件。

当正方向短路时，短路功率 P _K = UI _K cos φ _K > 0。线路阻抗角 φ _K 取值为-90° < φ _K <90°。因此，功率方向元件的动作边界（即动作区）为 = ± 90°，动作方程为

在功率方向元件的动作区中，以电压 为参考量，当电流 越靠近动作边界线时，短路功率值越小，功率方向元件动作越不灵敏；而在 = 0°时，短路功率值最大，功率方向元件动作最灵敏。此时， 超前于 的角度称为灵敏角，用符号 φ _sen 表示；垂直于动作区的直线，即最灵敏线。

为了在短路情况下功率方向元件动作最灵敏，应使其最大灵敏角 φ _sen 尽量与线路阻抗 φ _k 一致，即 φ _sen = φ _k ，以提高功率方向元件的灵敏度。此时，线路阻抗功率方向元件的动作方程为

设线路阻抗 φ _k = 60°，由式（2.15）可得，元件的动作区为-30°~150°，功率方向元件的动作区与最大灵敏角如图2.12（a）所示。

2）功率方向元件的 90°接线

在正方向出口附近发生短路，故障相电压可能降低很多，甚至为零，那么短路功率也几乎为零，功率方向元件无法动作。这部分功率方向元件不能动作的区域称为电压死区。为了减小和消除电压死区，通常加入在故障时数值较高的非故障相电压作为功率方向元件的电压 ，如功率方向元件中加入故障A相电流，电压为非故障相B,C相电压，这种接线方式通常称为 90°接线方式。此时，功率方向元件电压与电流的角度为 。设 α = 90° - φ _K ，以电压作参考量，动作方程（2.14）可变为

式中 α ——功率方向继电器的内角，其作用是修正 采用非故障相电压后相对于故障相电压的相位偏移。

习惯上，电压超前电流的角度为正，电流超前电压的角度为负。因此，灵敏角 φ _sen =- α 。设原最大灵敏角 φ _sen = φ _K = 60°，采用 90°接线方式后，最大灵敏角 φ _sen = - α = φ _K -90° = -30°，动作区为 φ _m = -120°~60°，功率方向元件的动作区与最大灵敏角如图2.12（b）所示。

功率方向继电器的接线方式是指功率方向继电器KW与电流互感器TA和电压互感器TV的连接方式。功率方向继电器接线采用的 90°接线方式是指假设系统对称，cos φ = 1，加入继电器的电流 与超前电压 的角度为 90°，如图2.13（ a）所示。其原理接线图如图2.13（b）所示。

功率方向元件采用 90°接线方式能保证各种相间短路动作的方向性，可提高灵敏度。由于可采用非故障相电压，因此，对各种两相短路没有死区。三相短路时，在死区内因电压都降低，故功率方向继电器可能不启动。

（3）方向电流保护整定计算

1）方向电流保护的整定计算原则

双侧电源电网与单侧电源环形电网中方向电流保护整定计算时，可将双侧电源拆成两个单侧电源。在如图2.14 所示的双侧电源网络中，当母线D处发生短路时，保护 1,3,5 流过的短路电流均为从母线流向线路，为同一正方向的保护；而保护 2,4,6 流过的短路电流均为从线路流向母线；当母线A处发生短路时，保护 2,4,6 流过的短路电流均为从母线流向线路。因此，此双侧电源网络可拆为电源 E ₁ 带断路器QF ₁ ,QF ₃ ,QF ₅ 和电源E ₂ 带断路器QF ₂ ,QF ₄ ,QF ₆ 的两个单侧电源。两网络中各断路器保护的动作电流、灵敏度校验的计算与三段式电流保护基本相同。

2）方向元件的加装原则

①瞬时电流速断与限时电流速断保护首先应考虑通过确定动作值整定来保证选择性。若反方向发生故障时，通过保护的电流大于整定值，则需加装方向闭锁元件来保证选择性。

②定时限过电流保护主要通过时限的配合来保证选择性。其加装方向元件的原则是：同一母线上的保护，其动作时限短的或动作时限相同的保护都应加装方向闭锁元件，动作时限长的保护可不装方向闭锁元件，负荷线路不装方向元件。

在图2.14 中，设各断路器的定时限过电流保护时限为 t ₂ = t ₅ = 0.5 s, t ₃ = t ₄ = 1 s, t ₁ = t ₆ = 1.5 s。根据加装方向元件的原则，在母线B上有QF ₂ 与QF ₃ , QF ₂ 较QF ₃ 保护时限短，因此QF ₂ 的保护需加装方向元件。同理，在母线C上，QF ₅ 较QF ₄ 保护时限短，QF ₅ 的保护需加装方向元件。

（4）对方向电流保护的评价

方向电流保护能保证单侧电源网络和多侧电源网络保护的选择性，但增加了方向元件，使接线复杂，可靠性降低。方向电流保护通常采用 90°接线，以提高灵敏度及消除死区的影响。方向电流保护对各种两相短路没有死区，但在保护出口处三相短路时仍有死区。

2.1.4 三段式电流保护的应用

电流保护的Ⅰ段瞬时电流速断保护动作电流大，时限几乎为零，但不能保护线路的全长；电流保护的Ⅱ段限时电流速断保护可保护线路全长，但有一定的短延时，且不能完全作为相邻线路的后备保护；电流保护的Ⅲ段定时限过电流保护动作电流最小，灵敏度最高，时限最长。

为了保证迅速而有选择性地切除故障，通常将瞬时电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护组合在一起，构成三段式阶段电流保护，通常应用于 35 kV及以下的单侧电源网络中。在一些简单的单侧电源线路中，也可只采用其中的两段来构成电流保护。按照《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB / T 14285—2023）的要求，35 kV（10 kV）线路保护配置原则如下：

（1）3~10 kV线路相间短路

①单侧电源线路可装设两段过电流保护：第一段为不带时限的电流速断保护；第二段为带时限的过电流保护，保护可采用定时限或反时限特性。必要时，可配置光纤电流差动保护作为主保护。

②双侧电源线路可装设带方向或不带方向的电流速断保护和过电流保护。

（2）35~66 kV线路相间短路

①单侧电源线路可装设一段或两段式电流速断保护和过电流保护。必要时，可增设复合电压闭锁元件。

②复杂网络的单回线路可装设一段或两段式电流速断保护和过电流保护。必要时，保护可增设复合电压闭锁元件和方向元件。

2.1.5 电流保护的接线方式

电流保护的接线方式是指电流继电器与电流互感器二次绕组之间的连接方式。注入电流继电器的电流与电流互感器的二次侧流出电流的比值，称为接线系数，记为 K _con 。电流保护的接线方式主要有两相V形接线、电流差接线、三相星形接线、三相三角形接线及零序接线。为了简化接线，目前广泛采用的是三相完全星形接线和两相不完全星形接线，如图2.15、图2.16 所示。

（1）三相完全星形接线

三相三继电器完全星形接线是 3 个电流互感器两次分别按相接 3 个电流继电器，呈星形连接方式，电流继电器的触点并联，接线系数为 1。

（2）两相不完全星形接线

两相星形接线有两相两继电器不完全星形接线（见图2.16）与两相三继电器的不完全星形接线两种，均为两个电流互感器分别接在A,C相上，按相接两个电流继电器，接成星形连接方式，电流继电器的触点并联，接线系数为 1。

（3）两种接线方式在不同中性点接地系统的性能分析

1）对相间短路故障的反应能力

完全星形接线由于三相均有电流互感器，完全可反映三相的电流变化，因此三相三继电器完全星形接线可反映各种相间故障。不完全星形接线只能反映A,C相电流，在各种相间故障时也至少有一相可反映电流的增大，对相间短路故障可以正确反映，但灵敏性低于完全星形接线。

2）对单相接地短路故障的反应能力

对单相接地短路故障，不完全星形接线由于B相无电流互感器，无法在B相接地时反映其电流的增大。因此，在中性点直接接地系统或较贵重的电气设备，如变压器、发电机等，保护中通常采用完全星形接线。而在中性点非直接接地系统中，线路在单相接地时电流变化不大，线电压也保持对称，对负荷供电影响较小，因此线路不要求立即跳闸，允许运行1~2 h。中性点非直接接地系统中不完全星形接线在某些情况下对完全星形接线有更高的供电可靠性。

①串联线路异地两点单相接地分析。

如图2.17 所示为中性点非直接接地系统。线路L ₁ 与线路L ₂ 串联，保护K ₁ 和K ₂ 按照选择性的要求配合整定。当线路发生一点单相接地时，保护不跳闸；线路L ₁ 与线路L ₂ 各有一点发生故障时（此时相当于相间短路），希望只断开线路L ₂ ，以减少停电范围（线路L ₁ 一点接地可暂时不停电）。在三相完全星形接线中，保护K ₁ 和K ₂ 按照选择性的要求配合整定，可保证 100%只切除线路L ₂ ；而在采用两相星形接线中，当线路L ₂ 上是B相接地时，保护能动作，但只能由保护K ₂ 动作切除线路AB，因而扩大了停电范围。串联线路异地两点单相接地保护动作情况见表2.3。

由此可知，两相星形接线方式在不同线路不同相别的两点接地组合中，只能保证有 2 /3的机会有选择性地切除远处一条线路。

②同一母线的两条线路异地两点单相接地分析。

如图2.18 所示为中性点非直接接地系统。线路L ₁ 与线路L ₂ 为变电站中同一母线的两条出线，保护 1 和保护 2 定值相同。当两条线路发生不同相两点接地时，希望任意切除一条线路。当保护 1 和保护 2 采用三相星形接线时，由于定值相同，两套保护将同时切除两条线路，扩大了停电范围；如果采用两相星形接线，由于B相未装电流互感器，无法反映短路电流，则能有 2 /3 的机会只切除一条线路。同一母线的两条线路异地两点单相接地保护动作情况分析见表2.4。

由此可知，两相星形接线方式在同一母线的两条线路异地两点单相接地组合中，能保证有 2 /3 的机会仅切除一条线路。两电流互感器必须装置在同名的两相上，否则可能出现两套保护均不动作的情况。

3）Y/ d接线变压器三角形侧两相短路的反应能力

Y/ d接线变压器在三角形侧发生两相短路时，其短路电流不会成比例地反映为星形侧相同两相电流的增大。以Yd11 接线的降压变压器低压（△）侧AB两相短路为例，如图2.19所示。

在故障点， = 0。因△侧绕组中的电流为

且 = 0，故联立求解，可得

由此可知，低压△侧B相绕组中的电流为A,C相的 2 倍。设变压器的变比为 n _T ，高压Y侧的电流为低压侧绕组电流的 n _T 倍，因而高压Y侧B相绕组中的电流也为A,C相的2 倍[同理可证，Yd11 接线的降压变压器低压（△）侧BC两相短路时，高压侧C相电流为A,B相的 2 倍；低压侧CA两相短路时，高压侧A相电流为BC相的 2 倍，即故障相的滞后相电流是其他相的 2 倍]。

降压变压器的高压侧装设的电流保护如果为三相星形接线，那么各相均可正确反映故障电流的增大；而如果为两相星形接线，由于B相上没有装设电流互感器，保护的动作只能取决于电流值较小的A相和C相的电流，保护灵敏度降低。若B相电流达到保护整定值而A,C相电流没有达到时，保护将不会启动，造成保护拒动。为了提高两相星形接线时的灵敏系数，可在两电流继电器的中性线上再接入一个继电器，其流过的电流为 ，即电流A,C相电流的 2 倍，从而提高保护的灵敏度。

【任务实施】

（1）配电线路保护信息识别

1）事故详细描述

①主要象征

在白马垅变电站中，突发警铃响。主控台显示以下信号：

②事故前运行方式

仿真变一次接线图及保护配置见附录。10 kV线路故障前处运行状态，配置两段式电流保护，重合闸未投。

2）配电线路保护信息识别

①告警信息的释义及产生原因

监控屏可观测的信号主要有音响、告警信息窗及光字牌等。信息根据性质不同，可分为异常、告知、事故及变位 4 种。事故发生后，值班人员立即查看监控后台机及保护相应信号，应认真核实信号，防止信号过多，造成信息漏识。在配电线路发生保护动作、断路器跳闸时主要的音响及告警信号有：

A.音响

告警声，并报语音“× ×变事故告警”。

B.告警信息窗

“× ×变全站事故总”“× ×变× ×线路× ×保护出口”“× ×变× ×断路器弹簧未储能”“× ×变× ×断路器× ×出口跳闸”“× ×变× ×断路器× ×重合闸动作”等。各告警信息的释义及产生原因见表2.5。

②识别关键信息

电网运行时信息纷繁复杂，有些信息至关重要，有些信息只有参考意义，更有些信息可能有错误或漏发。对这些信息，值班人员应能进行甄别，并在众多电网信息中，识别需要的关键信息。重要信息只是少数，很多伴生的信息只有参考意义，能帮助确认该重要的信息的正确性，但对事故的处理并没有帮助。有些看似没有用的信息往往能帮助确认事故的态势和情况，或对电网有重大影响，但是并不一定得到重视。对几个信息冲突导致无法判断信息正确性时，应迅速到现场落实情况。

在本例中关键信息为：10 kV白解Ⅰ回 316 过流Ⅰ段动作、白解Ⅰ回 316 断路器跳闸。

（2）故障判断与分析

1）配电线路保护动作的原因

事故发生后，值班人员应结合综合智能告警信息、频率、电压、潮流变化情况、继电保护及安全自动装置动作行为等，初步分析判断故障性质。配电线路保护动作的原因有以下两种：

①线路故障，保护正确动作

“过流Ⅰ段动作”同时有“线路保护出口”信号，且断路器在断开位置，可判断保护正确动作。根据三段式电流的原理及保护范围可进行初步判断：“电流Ⅰ段动作”为线路首端发生相间短路故障；“电流Ⅱ段动作”为线路末端或下级线路首端发生相间短路故障；“电流Ⅲ段动作”线路末端或下级线路发生相间短路故障，且本级电流Ⅱ段或下级线路断路器或保护拒动。

②保护误动

可能是因装置故障、整定错误及二次回路故障等原因造成的。

若为保护装置故障，误发“过流Ⅰ段动作”信号，可能无“线路保护出口”信号及断路器跳闸；若为整定错误，定值设置过低，可能会有断路器频繁动作的情况；若为二次回路故障引起的保护误动，可能无断路器跳闸信号。

2）故障判断与分析

①保护屏信号检查

检查现场保护屏信号是否与监控后台所发信号一致。结合现场保护装置信息检查情况及打印的报告，对故障原因进行初步判断。

现场检查保护装置信号为：白解Ⅰ回 316 线路AB相过流Ⅰ段动作。

②结论

在本例中，白马垅变 10 kV白解Ⅰ回 316 过流Ⅰ段动作，同时关联白解Ⅰ回 316 断路器跳闸信号，可初步判断 10 kV白解Ⅰ回 316 白炉线发生相间短路故障，故障范围在“308 白炉线”本线路内。若现场信号及断路器位置确认无误，应为保护正确动作。

（3）具体处理流程

1）故障情况和时间记录及第一次汇报

2019 年 4 月 20 日 15:15 白马垅变 10 kV白解Ⅰ回 316 过流Ⅰ段动作，负荷电流及功率指示为零。重合闸退出。天气晴。现场设备及保护装置情况待检查。

2）现场检查

白解Ⅰ回 316 断路器红灯灭、绿灯闪，检查断路器机械位置和储能指示均在断开位置。有功表、无功表、电流表均指示为零。10 kV线路其他设备无异常。白解Ⅰ回 316 保护装置屏显示过流Ⅰ段跳闸。

3）第二次汇报

4 月20 日15:20 现场检查白马垅变白解Ⅰ回316 断路器确在断开位置，10 kV白解Ⅰ回316 过流Ⅰ段保护动作，重合闸退出。其他设备无异常。

4）加强监控并在当值调度员指令下进行事故处理

根据调度命令，将 312 白炉线试送或改变状态。做好操作准备。

【任务工单】

配电线路相间短路故障处理任务工单见表2.6。

【拓展任务】

任务描述：

白马垅变 220 kV变电站 10 kV某线路发生相间短路故障时，电流Ⅰ段保护动作，未发断路器跳闸信号，请对出现的信号进行识读与初步分析判断。 dERuvwIq5aeCsL74xjnwWS7MNq5K6uUJjscTiAVMuse1euMwIZFxVim6cZhiefwe