电力系统继电保护实验指导书

三、功率方向继电器特性实验（一）实验目的1.学会运用相位测试仪器测量电流和电压之间相角的方法。

2.掌握功率方向继电器的动作特性、接线方式及动作特性的试验方法。

3.研究接入功率方向继电器的电流、电压的极性对功率方向继电器的动作特性的影响。

（二）LG-11型功率方向继电器简介1．电流保护中引入方向判别的必要性在单侧电源的电网中，电流保护能满足线路保护的需要。

但是，在两侧电源的电网（包括单电源环形电网）中，只靠电流定值和动作时限的整定不能完全取得动作的选择性。

现以图3-1所示的两端供电电网为例，分析电流速断保护和过电流保护的行为。

先观察两侧电源的电网上发生短路时，电流速断保护的动作行为。

因为电流速断保护没有方向性，所以只要短路电流大于它的整定值就可以动作。

从图3-1中可以看出，当k1点发生短路时，4QF的电流速断保护可以动作，5QF也可以动作。

如果4QF先于5QF动作，就扩大了停电范围。

同样，在k2点发生短路时，2QF和5QF可能在电流速断保护作用下，非选择性地动作。

所以，在两侧电源供电的电网中，断路器流过反向电源提供的短路电流时，电流速断保护有可能失去选择性而误动。

再从图3-1（c）分析过电流保护的动作行为。

k2点短路时，要求3QF、4QF 先于2QF、5QF动作，即要求t2＞t3，t5＞t4；而在K1、K3点短路时，要求5QF 先于4QF动作，2QF先于3QF动作，即要求t4＞t5，t3＞t2。

这是矛盾的，显然是不可能实现的。

因为过电流保护的动作时间是不可能随意更改的，所以，在两侧电源供电的电网中，过电流保护也可能失去选择性。

(a)(b)(c)图3-1 双侧电源电网电流保护动作行为分析（a）系统图（b）两侧电流与保护配合关系（c）时间配合图为了保证选择性，应该在保护回路中加方向闭锁，构成方向性电流保护。

要求只有在流过断路器的电流的方向从母线侧流向线路侧时，才允许保护动作。

由于规定了电流从母线流向线路时为保护动作的方向，因此，可以利用功率方向继电器来做到这一点。

采用功率方向继电器以后，图3-1（a）双电源系统就可以分为两个单端电源的保护系统。

即双号断路器的保护是一个保护系统，它负责切除由电源N供给的短路功率；单号断路器的保护又是一个保护系统，它负责切除电源M供给的短路功率。

保护的动作时间的选择就可按阶梯原则来进行。

即t5＜t3＜t1和t6＞t4＞t2。

由此可见，方向过电流保护就是由过电流保护加装功率方向继电器构成。

在方向过电流保护的单相原理图中，当正方向区内故障时，只有功率方向元件和电流元件都动作，保护才能动作跳闸。

由此可知，功率方向继电器是多电源网络保证保护动作有选择性的重要元件。

2．LG-11整流型 功率方向继电器的工作原理LG-11型功率方向继电器是目前广泛应用的整流型功率方向继电器，其比较幅值的两电气量动作方程为：m y m k m y m k U K I K U K I K -≥+继电器的接线如图3-2所示，其中图（a ）为继电器的交流回路图，也就是比较电气量的电压形成回路，加入继电器的电流为m I ，电压为m U 。

电流m I 通过电抗变压器DKB 的一次绕组W 1，二次绕组W 2和W 3端钮获得电压分量m k I K ，它超前电流m I 的相角就是转移阻抗k K 的阻抗角ϕk ，绕组W 4用来调整ϕk 的数值，以得到继电器的最灵敏角。

电压m U 经电容C 1接入中间变压器YB 的一次绕组W 1，由两个二次绕组W 2和W 3获得电压分量m y U K ，m y U K 超前m U 的相角为90︒。

DKB 和YB 标有W 2的两个二次绕组的联接方式如图所示，得到动作电压m y I K +m y U K ，加于整流桥BZ 1输入端；DKB 和YB 标有W 3的二次绕组的联接方式如图所示，得到制动电压m y I K -m y U K ，加于整流桥BZ 2输入端。

图（b ）为幅值比较回路，它按循环电流式接线，执行元件采用极化继电器JJ 。

继电器最大灵敏角的调整是利用改变电抗变压器DKB 第三个二次绕组W 4所接的电阻值来实现的。

继电器的内角α=90°-ϕk ，当接入电阻R 3时，阻抗角ϕk =60︒，α=30°；当接入电阻R 4时，ϕk =45︒，α=45°。

因此，继电器的最大灵敏角ϕlsen =-α，并可以调整为两个数值，一个为-30︒，另一个为-45︒。

当在保护安装处正向出口发生相间短路时，相间电压几乎将降为零值，这时功率方向继电器的输入电压m U ≈0，动作方程为m k m k I K I K =，即BA U U =。

由于整流型功率方向继电器的动作需克服执行继电器的机械反作用力矩，也就是说必须消耗一定的功率（尽管这一功率的数值不大），因此，要使继电器动作，必须满足BA U U >的条件。

所以在m U ≈0的情况下，功率方向继电器动作不了，因而产生了电压死区。

(b)图3-2 LG-II 功率方向继电器原理接线图(a)交流回路图 (b)直流回路图为了消除电压死区，功率方向继电器的电压回路需加设“记忆回路”，就是需电容C 1与中间变压器YB 的绕组电感构成对50Hz 串联谐振回路。

这样当电压m U 突然降低为零时，该回路中电流mI 并不立即消失，而是按50Hz 谐振my U K m k I K mI频率，经过几个周波后，逐渐衰减为零。

而这个电流与故障前电压mU 同相，并且在谐振衰减过程中维持相位不变。

因此，相当于“记住了”短路前的电压的相位，故称为“记忆回路”。

由于电压回路有了“记忆回路”的存在，当加于继电器的电压mU ≈0时，在一定的时间内YB 的二次绕组端钮有电压分量m y U K 存在，就可以继续进行幅值的比较，因而消除了在正方向出口短路时继电器的电压死区。

在整流比较回路中，电容C 2和C 3主要是滤除二次谐波，C 4用来滤除高次谐波。

3．功率方向继电器的动作特性 继电器的动作特性如图3-3所示，临界动作条件为垂直于最大灵敏线通过原点的一条直线，动作区为带有阴影线的半平面范围。

最大灵敏线是超前mU 为α角的一条直线。

电流m I 的相位可以改变，当m I 与最大灵敏线重合时，即处于灵敏角ϕsen =-α情况下，电压分量m k I K 与超前m U 为90︒相角的电压分量m y U K 相重合。

通常功率方向继电器的动作特性还有下面两种表示方法：mU 图3-3 LG-11型功率方向继电器的动作特性（α为30︒或45︒）（1）角度特性：表示I m 固定不变时，继电器起动电压U pu ⋅t =f (ϕm )的关系曲线。

理论上此特性可用图3-4表示，其最大灵敏角为ϕsen =-α。

当ϕk =60︒时，ϕsen =-30︒，理想情况下动作范围位于以ϕsen 为中心的±90︒以内。

在此动作范围内，继电器的最小起动电压U pu ⋅r ⋅min基本上与ϕr 无关，当加入继电器的电压U r ＜U pu ⋅r ⋅min 时，继电器将不能起动，这就是出现“电压死区”的原因。

（2）伏安特性：表示当ϕm =ϕsen 固定不变时，继电器起动U pu ⋅r =f (I m )的关系曲线。

在理想情况下，该曲线平行于两个坐标轴，如图3-5所示，只要加入继电器的电流和电压分别大于最小起动电流I pu ⋅r ⋅min 和最小起动电压U pu ⋅r ⋅min ，继电器就可以动作。

其中I pu ⋅r ⋅min 之值主要取决于在电流回路中形成方波时所需加入的最小电流。

在分析功率方向继电器的动作特性时，还要考虑继电器的“潜动”问题。

功率方向继电器可能出现电流潜动或电压潜动两种。

所谓电压潜动，就是功率方向继电器仅加入电压mU 时产生的动作。

产生电压潜动的I mpu.r .min U pu.r .U pu.r图3-5 功率方向继电器的伏安特性ϕm60︒0︒-30︒ -120︒图3-4 功率方向继电器（ϕ=30︒）的角度特性原因是由于中间变压器YB 的两个二次绕组W 3、W 2的输出电压不等，当动作回路YB 的W 2端电压分量m U y K 大于制动回路YB 的W 3端电压分量mU y K 时，就会产生电压潜动现象。

为了消除电压潜动，可调整制动回路中的电阻R 3，使I m =0时，加于两个整流桥输入端的电压相等，因而消除了电压潜动。

所谓电流潜动，就是功率方向继电器仅通入电流m I 时产生的动作。

产生电流潜动的原因是由于电抗变压器DKB 两个二次绕组W 2、W 3的电压分量m k I K 不等，当W 2电压分量m k I K 大于W 3端电压分量m k I K （也就是动作电压大于制动电压）时，就会产生电流潜动现象。

为了消除电流潜动，可调整动作回路中的电阻R 1，使U m =0时，加于两个整流桥输入端的电压相等，因而消除了电流潜动。

发生潜动的最大危害是在反方向出口处三相短路时，此时U m ≈0，而I m很大，方向继电器本应将保护装置闭锁，如果此时出现了潜动，就可能使保护装置失去方向性而误动作。

4．相间短路功率方向继电器的接线方式由于功率方向继电器的主要任务是判断短路功率的方向，因此，对其接线方式应提出如下要求。

（1）正方向任何形式的故障都能动作，而当反方向故障时则不动作。

BC图3-6 cos ϕ=1时I 、U（2）故障以后加入继电器的电流r I 和电压rU 应尽可能地大一些，并尽可能使ϕr 接近于最灵敏角ϕlsen ，以便消除和减小方向继电器的死区。

为了满足以上要求，功率方向继电器广泛采用的是90︒接线方式，所谓90︒接线方式是指在三相对称的情况下，当 cos ϕ=1时，加入继电器的电流如A I 和电压BCU 相位相差90︒。

如图3-6所示，这个定义仅仅是为了称呼的方便，没有什么物理意义。

采用这种接线方式时，三个继电器分别接于A I 、BC U ，B I 、CA U 和CI 、ABU 而构成三相式方向过电流保护接线图。

在此顺便指出，对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错就会出现正方向拒动，反方向误动的现象。

（三）实验内容本实验所采用的实验原理接线如图3-8所示。

图中，380V 交流电源经移相器和调压器调整后，由bc 相分别输入功率方向继电器的电压线圈，A 相电流输入至继电器的电流线圈，注意同名端方向。

1．熟悉LG-11功率方向继电器的原理接线和相位仪的操作接线及试验原理。

认真阅读LG-11功率方向继电器原理图（图3-7）和实验原理接线图（图3-8），在图3-8上画出LGJ 中的接线端子号和所需测量仪表接法。

2．按实验线路接线，用相位仪检查接线极性是否正确。

将移相器调至0︒，合上电源开关加1A 电流，20V 电压观察分析相位仪读数是否正确。