分数。任课教师签字。
华北电力大学研究生结课作业。
学年学期：2015—2016学年第二学期。
课程名称：微机继电保护。
学生姓名：学号：
提交时间：年月日。
三段式电流（带方向）保护。
摘要。电力系统故障的后果是十分严重的，它可能直接造成设备损坏，人身**和破坏电力系统安全稳定运行，从而直接或间接地给国民经济带来难以估计的巨大损失，因此电力系统最为关注的是：安全可靠、稳定运行。
继电保护装置是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务简单说是：故障时跳闸，不正常运行时发信号。
因此为了保证电力系统的安全可靠的稳定运行，就需要采取必要的继电保护措施。
本文首先介绍了三段式电流带方向保护的基本原理，然后设计了系统的软件程序，并通过实验室的实验设备对程序进行了验证，分析了三相不带方向时的动作特性和a相带方向时的继电器静态特性，验证了程序的正确性。
一、 三段式（带方向）电流保护原理。
当线路发生短路时，会使系统阻抗突然变小，重要特征之一是线路中的电流急剧增大，当电流流过某一预定值时，反应于电流升高而动作的保护装置叫过电流保护。利用这个特征制造出来的继电保护设备成为电流继电器。
当系统为双侧电源供电时，如下图所示。eid1e
abcd图1.1 双侧电源系统图。
一般规定电流的正方向（包括功率的正方向）是由母线流向线路。在系统中任何地方发生短路故障，凡是有电源的地方，都要向故障点提供短路电流。在图1-1所示的双侧电源接线中，由于两侧都有电源，因此，在每条线路的两侧均需装设断路器和保护装置。
假设断路器8断开，电源eii不存在，则发生短路时保护的动作情况和由电源ei单独供电时一样，采用三段电流保护时，它们之间的选择性是能够保证的。当在bc段的d1点短路时，按照选择性的要求，应该由距故障点最近的保护2和6动作切除故障，而其它的保护则不要动作切除其它的断路器。下面我们进行分析，以离故障较近的保护1为例，显然，由电源eii提供的短路电流d1也将通过保护1，如果保护1采用电流速断且d1大于保护装置的起动电流dz.
1，则保护1的电流速断就要误动作；如果保护1采用过电流保护且动作时限t1≤t6，则保护1的过电流保护也将误动。同样道理对于保护5也会由电源ei提供的短路电流d1而误动。如果在ab段或cd段发生短路，也会有类似的结果。
通过研究上述问题，可以得到下面的结论：一是误动作的保护都是在自己所保护的线路反方向发生故障；二是误动的保护都是由对侧电源供给的短路电流所引起的；三是对误动的保护而言，实际短路功率的方向照例都是由线路流向母线，显然与其对应保护的线路故障时的短路功率方向相反。因此为了消除这种无选择的动作，就需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件，该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，从而使继电保护的动作具有一定的方向性。
这样由电流元件和功率方向元件所组成的保护我们叫它为方向电流保护。很显然功率方向元件是方向电流保护中的另一个关键元件，因此需要功率方向继电器来判断功率方向。
图1.2方向继电器工作原理分析。
在图1.2（a）所示的网络接线中，对保护1而言，当正方向d1点三相短路时，如果短路电流d1的给定正方向是从母线流向线路，则它滞后于该母线电压一个相角φd1（φd1为从母线至d1点之间的线路阻抗角，输电线路是一种感性负载），其值为0°﹤φd1﹤90°，如图1.2（b）所示。
当反方向d2点短路时，短路电流是由电源e2供给的。此时对保护1如果仍按规定的电流正方向观察，则d2滞后于母线电压的相角将是180°+φd2。如图1.
2（c）所示。因此，利用判别φd1短路功率方向或者电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。
常用的判断依据通过相位来判断，当阻抗角的角度在90度到-90度之间时方向继电器跳闸。图1.3为其动作特性。
在其动作区内当电流过流时就使其跳闸，否侧保护装置不动作。在复数阻抗平面内作一条与最大灵敏角相垂直且过坐标原点的直线，这直线与最大灵敏角相对应的半个平面是动作区，另外半个平面是制动区，从动作特性图可以看出，功率方向继电器的动作角度范围在理论上应该是180°。
图1.3方向继电器动作特性。
采用这种特性和接线的继电器在其正方向出口附近发生三相短路、a-b或c-a两相接地短路，以及a相接地短路时，由于ua=0或数值很小，使继电器不能动作，这称为继电器的“电压死区”。为了消除死区，通常采用相间功率方向继电器，功率方向继电器广泛采用90°接线。
二、 软件设计。
软件设计主要分为四个部分：保护主程序、过电流判断程序、方向判断程序、跳闸程序。其中保护主程序的具体流程为首先读取设定的过电流定值、内角定值等，然后读取此时的各相电压电流值，判断保护一二三段的各相电流值是否已经超过限定值，当其超过限定值后进行跳闸处理。
具体流程图如图2.1所示。
图2.1主程序流程图。
过电流保护程序主要分为以下几个步骤：首先判断a相电流是否过流，当其过流后为了防止保护装置舞动，使a相过流次数标志位加一，当其过电流标志位加到五次的时候，把过电流标志位置一，否则则置零。同理依次判断b、c两相电流是否过流。
过电流程序流程图如图2.2所示。
图2.2过电流判断子程序。
方向保护继电器的方向判断按照前面所述的原理可知，为了消除电压死区，采用九十度接线的方式，首先算出最大项电流值的电流和相邻两项的相间电压，算出此时的功率角度值，如果设最大灵敏角为60度，则其内角为30度，其跳闸判断角度范围应为负120度到60度之间。当其为正向角度时，把正向标志位置一，否则置零。具体的程序流程图如图2.
3所示。
图2.3相间方向继电器的方向判断子程序。
跳闸程序主要分为以下几个步骤：首先判断是正方向标志位是否为一，若为零，则保护退出，若为一，则判断过电流标志位是否为一，若过电流标志位为一，则保护跳闸，否则保护退出。具体流程图如图2.
4所示。
图2.4方向继电器的跳闸子程序。
三、 实验验证。
在实验室的电脑上进行了实验验证，首先整定控制字，使保护一的一段投入并不经过方向闭锁，将保护一的一段的动作电流设置为3a。打开静态特性测试软件，对继电器的特性进行测试，测试发现当a、b、c三相过流时，继电器均可靠动作，动作电流为3.02a。
图3.1 a相电流过流时继电器动作情况。
图3.2 b相电流过流时继电器动作情况。
图3.3 c相电流过流时继电器动作情况。
将保护一的一段投入并经过方向元件闭锁，设置的内角为30度，在59.98度和-120度时可靠动作，验证了方向判断程序的正确性。
图3.4 a相过电流时投入方向闭锁角度为-120度时的继电器动作情况。
图3.5 a相过电流时投入方向闭锁角度为59.98度时的继电器动作情况。
四、 结论与收获。
实验表明，方向继电器可靠动作，验证了程序的正确性，同时这次软件设计，我也深刻理解了三段式（带方向）电流保护的基本原理和动作特性，提高了自己的动手能力和理论知识。
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