3. rcs-900系列保護裝置交流繼電器的工作原理
3.1. 補充基礎知識
3.1.1 如何解決繼電器安裝點到故障點的距離測量問題
無論用什麼方式構成距離繼電器，都必然解決用什麼電量測量才能實現繼電器安裝點到故障點的距離測量問題。
在對稱三相平衡的線路中，取沒有任何分流的區段mg，如圖3.1.1所示，
圖中： g 是故障點；
m 是母線；
zl 是mg區段的每相自阻抗
zm 是mg區段的每相互阻抗；
圖3.1.1無分流線段示意圖
當g點發生各種故障時，以a相金屬性故障為例，其mg的電壓降可表示為：
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負序阻抗
z0=zl+2zm=z1+3zm 零序阻抗
k=zm/z1=(z0-z1)/3z1 零序電流補償係數
從以上分析可知：對金屬性對地故障而言（故障相故障點的電壓為零），故障相的母線電壓可用式a=z1（φ+3k0）表示。也就是說只要mg區間沒有短路故障、或其他相對地與相對相對地的分流存在，或者說g點電壓為零時、只要各相由m點流入線路的電流分別等於該相由線路流入g點的電流，不管這三相電流中其他兩相電流的大小和相位如何，對該相來說上式總是成立的。
換個方式講，對金屬性故障而言，故障相的電流用φ+3k0代替以後，從故障點到保護安裝處的電壓總是符合歐姆定律的。因而可以用母線電壓與φ+3k0電流來計算故障點到保護安裝處的距離。
考慮到非故障相的電壓不為零，該線段的壓降可用下式表示：
mga= ma-（a+3k0）zmg1
mgb= mb-（b+3k0）zmg1
mgc= mc-（c+3k0）zmg1
從以上分析還知道，k值是這區段內每相互感與正序阻抗的比值。也就是說、當在該區段有零序電流存在時，由於零序電流三相同相位，其另外兩相零序電流對該相的零序互感壓降總是助增的。為保證故障相故障點到保護安裝處的準確測量，對相電流進行補償是必需的。
補償量為3k0。
對相間故障而言，上式也是成立的，但故障相不接地，g點的電壓不為零，因此我們選乙個故障迴路來測量，於是送入繼電器的電壓選φφ，送入繼電器的電流選φφ，對故障相的阻搞測量也符合歐姆。
3.1.2. 工作電壓的概念
絕大多數距離繼電器是按照故障點的電壓邊界條件建立其動作判據的。當在保護區末端故障時動作判據處於臨界狀態。為了反映此狀態，在繼電器中要形成或計算出保護區末端的電壓，一般稱為工作電壓op，有些書上稱為補償電壓或測量電壓。
（1）對於相間距離繼電器=， =φφ (=ab，bc或ca)。對於接地距離繼電器=， =φ+3k0〔=a，b或c，k=（z0-z1）/3z1〕。嚴格說，k應為複數，一般為了簡化都按實數處理。
實際上是因為在機械型和電晶體繼電器中要按複數處理有一定困難。在積體電路保護，尤其是微機保護中按複數處理沒有任何困難。op可按下式計算
（2）式中z1zd和zozd分別為正序和零序整定阻抗。
假設c.t和p.t.的變比為1。在正常情況下op等於線路上整定值末端y點的電壓，即
（3）實際上，(1)式所描述的工作電壓，不僅在正常情況下，而且在振盪、區外故障(包括在y點經過渡電阻短路)以及兩相執行狀態下，式(3)都成立；唯有在保護區內發生故障時，式(3)不再成立。從電路上講這是因為在母線和保護區末端(y點)之間出現了故障支路的緣故；這可在圖3-1中示出。
假設系統各元件阻抗角相等，故障相在沿線路各點發生直接短路時，系統各點的電壓相位相同。但的相位可能相反。在不同地點短路時，故障相系統的電壓分布如圖3-1所示。
圖3-1中對接地故障，為故障相地電壓，對相間故障為故障相間電壓。
在保護區外(f1和f4)和在保護區末端（f2與y點重合）故障時都有，唯有在區內（f3）故障時，則有≠。區內故障繼電器測量到的op，可將電壓分布線延長到y點求得，從相位關係看，在區外故障時，的相位不變，而在區內故障時，改變了180°。過去的絕大多數距離繼電器都是反應op的相位變化。
為了測量1個交流量的相位，必須以另1個交流量的相位作為參考，在繼電保護中稱後者為極化量。選擇不同的極化量將得到不同特性的距離繼電器。
圖3-1 空載線直接短路時的電壓分布圖
3.2 動作測量繼電器
3.2.1 工頻變化量距離繼電器(δz)
3.2.1.1 系統故障分量的分析方法
電力系統發生短路故障時，其故障相短路電流、電壓可分解為故障前負荷狀態的電流電壓分量和故障分量，如圖3.2.1.
1的短路狀態（a）可分解為圖（b）、（c）二種狀態下電流電壓的迭加。反應工頻變化量的繼電器不受負荷狀態的影響，只要考慮圖（c）的故障附加分量。這是乙個很簡單的電路，在該電路中只有乙個電勢，它的位置在故障點，它的大小與短路前故障點的大小相同、但方向相反。
當故障點不同時，它的位置也不同，因而在正反方向故障時，要採用不同的電路來分析。在正方向故障電路圖中計算的特性，只對正方向故障有效。在反方向故障電路圖中計算的特性，只對反方向故障有效。
3.2.1.2工頻變化量距離繼電器的動作方程
工頻變化量距離繼電器測量工作電壓的工頻變化量的幅值，其動作方程為：
對相間故障
對接地故障：
為整定阻抗，一般取0.8～0.85倍線路阻抗；
為動作門坎，取故障前工作電壓的記憶量。
圖3.2.1.1 短路系統圖
圖3.2.1.
2為保護區內外各點金屬性短路時的電壓分布，設故障前系統各點電壓一致(空載情況)，即各故障點故障前電壓為,則；對反應工頻變化量的繼電器，系統電勢為零，因而僅需考慮故障點附加電勢。圖中δ在相地故障時為δ（φ+3k0），在相相故障時δφφ。
區內故障時，如圖3.2.1.2（b），在本側系統至的連線的延長線上，可見，，繼電器動作。
反方向故障時，如圖3.2.1.2（c），在與對側系統的連線上，顯然，，繼電器不動作。
區外故障時，如圖3.2.12（d），在與本側系統的連線上，，繼電器不動作。
在有負荷的情況下，對不同點故障，因故障前各點的電位不一致，致使各點故障時故障網路中的δef也略有不同，但uz總為故障前工作電壓的記憶量，在整定點故障，δuop=uz=uopm，總處於理想臨界狀態，與負荷無關且測量準確,如圖3.2.1.
2(e)所示。
圖3.2.1.2 保護區內外各點金屬性短路時的電壓分布圖
3.2.1.3工頻變化量阻抗繼電器的動作特性
正方向經過渡電阻故障時的動作特性可用解析法分析，如圖3.2.1.3所示：
圖3.2.1.3a 正方向經過渡電阻故障計算用圖
設由則式中為測量阻抗，它在阻抗複數平面上的動作特性是以向量為圓心，以為半徑的圓，如圖3.2.1.
3a所示，當向量末端落於圓內時動作，可見這種阻抗繼電器有大的允許過渡電阻能力。當過渡電阻受對側電源助增時，由於一般與是同相位，過渡電阻上的壓降始終與同相位，過渡電阻始終呈電阻性，與ｒ軸平行，因此，不存在由於對側電流助增所引起的超越問題。
注意：圖3.2.1.3b所示的動作特性只對正方向故障有效，因為分析用電路圖是正方向故障電路圖（電勢在本線路）。
圖3.2.1.3b 正方向短路動作特性圖3.2.1.3c 反方向短路動作特性
對反方向短路, 如圖3.2.1.3d所示。
圖3.2.1.3d 反方向故障計算用圖
仍假設由則測量阻抗在阻抗複數平面上的動作特性是以向量為圓心，以為半徑的圓，如圖3.2.1.3c動作圓在第一象限，而因為總是在第三象限，因此，阻抗元件有明確的方向性。
3.2.1.4 全阻抗距離元件
長距離輸電線路對側母線故障切除時，線路突變為空載，則線路末端電壓將從無電壓跳轉至電容充電電壓，工頻變化量距離元件有可能動作(|δuop|有可能大於uz)，因此，對δz元件引入此限制條件，用乙個簡單的全阻抗繼電器作為開放δz的條件，其判據：
|u|＜|izzdw
u、i分別為故障相電流電壓的半波積分值，zzdw為全阻抗繼電器的定值，本裝置中固定取
zzdw≈un/1.5in
3.2.1.5 工頻變化量距離繼電器的特點及應用
從分析和試驗可以知道，該繼電器有如下特點：
（1）繼電器理論分析和構成原理簡單
（2）動作速度快
（3）不需要振盪閉鎖，振盪時又發生區內故障一般仍能正確動作，(電力系統振盪時，整定點電壓不會小於工作電壓，且故障總是在電壓達到一定幅值時才有可能)。
（4）可以用做方向比較保護的方向元件。
（5）故障時，非故障相的δuop不會大於uz，有較好的選相能力。
因而它在rcs-900系列保護中得到了廣泛應用，主要應用在901、902中做快速距離ⅰ段。
3.2.2 工頻變化量方向繼電器(δf+，δf-)
rcs-901a由變化量方向和零序方向繼電器，經通道交換訊號構成全線路快速跳閘的方向保護，即裝置的縱聯保護。
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