阻抗继电器的构成原理

被比较的两个电压可由图10获得。
图9 方向阻抗继电器特性圆及动作特性
图10 方向阻抗继电器被比较绝对值的 两个电压分析
图11绝对值比较式方向继电器的电压形成回路
图12 相位比较式方向阻抗继电器的电压形成回路
3．偏移特性阻抗继电器
在图12和图13中，方向阻抗继电器的特 性圆过坐标原点，这样在保护正方向出口 发生三相短路时，由于 U=m 0，使测量阻抗 Zm =0，继电器动作于边缘，实际中继电器是 不动的，这是这种方式形成的方向阻抗继 电器的主要缺点。
1．全阻抗继电器
如图4所示，全阻抗继电器是以坐标原点 为圆心，以整定阻抗的绝对值 为ZS半径所 作的圆。圆内为动作区，圆外为非动作区。
图4全阻抗继电器动作特性
不论故障发生在正方向还是反方向，只要 落在Zm 圆内，继电器就动作，所以叫全阻抗 继电器。当测量阻抗落在圆上时，继电器 刚好能动作，对应于此时的测量阻抗叫做 阻抗继电器的动作阻抗，以 表示ZPU。j 对全 阻抗继电器，不论 与 U间m 的I相m 位差 如何。m 均不变Z，PU总j 为 = ，即Z全PU阻j 抗Z继S 电器无方 向性。在构成阻抗继电器时，为比较测量 阻抗和整定阻抗，总是将它们同乘以线路 电流，变成两个电压后进行比较，而对两 个电压的比较，则可比较其绝对值，也可 以比较其相位。
了实现两个电压相位的比较，需采用相位
比较回路。
(3)绝对值比较方式与相位比较方式之间的关 系。对于全阻抗继电器，A K ， Im B KUU m
C = K Im + KUU m ，D = K Im －KUUm ，可得
C ＝A ＋ B
D ＝ A － B
已知比较绝对值的电压 、A 时B， 由 上 式可得比较相位的两个电压 和C 。D由上式
二、阻抗继电器的构成原理 (一)阻抗测量的基本方法及阻抗继电器的动
作特性 阻抗继电器是距离保护的测量元件，其作用
是测量故障点至保护安装处之间的阻抗， 并与其整定阻抗相比较，以确定保护是否 动作。如图3所示，线路L2上任意一点故障 时，阻抗继电器通入的电流是故障电流的 二次值Im ，接入的电压是保护安装处母线残 余电压的二次值Um，Um 和Im 的比值称为阻抗 继电器的测量阻抗，
动作条件又可用阻抗向量 与ZS Z之m 间Z的S Zm
夹角 表示为
900 900
可得将I j到阻比抗较向相量位的Z和zd两 Z个j 电同Z压乘zd 以Z电j 流 ，即
U ImZS Um U ImZS Um
显然，电压 与U 间的U 相位差就是阻抗向
量 与ZS Z的m 夹Z角S Z，m 故继电器的动作条
假如保护2的距离I段的测量元件整定值 且整ZS定2 阻0.8抗5Z角BC ＝ ， 在复平S面上d 的Z位S 2置必 然在BC上。 表示的这段直线Z即S 2为继电器的 动作区，直线以外的区域即为非动作区。 在保护范围内的K1点短路时，测量阻抗 < ，继电器动Z作m 。Z以S 2 上阻抗均已折算到互 感器的二次侧，为反应到继电器的阻抗值。
执行元件——极化继电器KP动作。可见，执
行元件的动作方程为 KUU≤ m 即K Im
U
≤
m
K K U
Im
比较上两式，全阻抗继电器的整定阻抗
ZS
K KU
采用整定变压器TS与电抗变压器LT配合，借
改变它们的绕组匝数来改变K 和 ，KU 可使继
电器的整定阻抗有较大的调节范围。
(2)相位比较方式。按绝对值比较方式构成的
三种常用的圆特性阻抗继电器理解。
图16 相位比较式偏移阻抗继电器的电压形成回路
A
1
2
K
I
Im
B
K UU m
1
2
K I
Im
且 A B 时，继电器动作。可得
图15绝对值比较式偏移阻抗继电器的电压形成回 路
C A B K I Im KUUm
D A B K I Im KUUm
被比较的两个电压由图16获得。在偏移
阻抗继电器中，若 ＝0则为方向阻抗继电 器；若 =1则为全阻抗继电器，有助于对
(1)绝对值比较方式。对于图4所示的全阻抗
继电器特性，只要其测量阻抗落在圆内，
继电器就能动作，所以该继电器的动作方
程为 Zm Zs
上式两端同乘以电流
I，j 并考虑到
IjZ j ， U得 j
被比较U绝m 对I值mZ的S 两个电压可以由图5所示接线
获得。图6中，通过电抗变压器LT得到
A 均 K为 ,交通Im流过正整弦定量变，压器TU得到
全阻抗继电器，其临界动作条件为 ，由
全Z阻S 抗 Z继m 电器动作条件表示方法图7(a)可知，
此时合成阻抗相量 和 之间的夹ZS Zm
角 ZS； Z继m 电器动作时 ，90 ，对应
于 ZS ，Zm
90
此时继电器的动作条件可表示为如图7(b)所 示状态；继电器不动作时，ZS Z，m
对应于 ，9见0 图7(c)。可见，继电器的
j
可见 ZPU j ZS cos，(通s 常m在) 故障情况下，
(线路阻抗角)，若 ，则
Z PU j Z S
处于最灵敏状态。
s m
（1）绝对值比较方s 式 。m 如图9所示， 落在
圆内的条件是
Zm
等式两端同乘
得
Zm
1 2
ZS
1 2 ZS
I j
U
m
1 2
ImZ S
1 2
Im
Z
S
令ZS
K K U
ZS
)
半径为
ZS
Z0
1 2
ZS
Z S
Zm 落入圆内的条件是
Zm Z0 ZS Z0
将
Z0
1 2
(ZS
Z S
)
代入上式，得
1
1
Zm 2 ZS 2 ZS
令
ZS
K K U
，并将上式两端同乘
K U Im
，得
K UU m
1
2
K I Im
1
2
K I Im
被比较绝对值的两个电压可用图15获得。
(2)相位比较方式。由上式可知，偏移特性继 电器被比较绝对值的两个电压为
，并代入上式，不等式两端同乘 得
K U
KUU m
1 2
K I
Im
1 2
K I
Im
被比较的两个电压可由图9获得。
（2）相位比较方式。由上式可知
A
1 2
K I
Im
B
KUU m
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1 2
K I
Im
C A B KUU m D A B K I Im KUU m
C和 的D 相位差角 满足 器动作。
90。时，继90电。
图8 相位比较式全阻抗继电器的电压形成回路
2.方向阻抗继电器
全阻抗继电器无方向性，不能判别短路故 障的方向，若采用它作测量元件，需另加 一个方向元件—功率方向继电器与之配合。 能否找到一种阻抗继电器既能测量短路点 的远近，又能判别短路的方向呢?方向阻抗 继电器就解决了这个问题。
方向阻抗继电器的圆特性如图9所示，圆 内为动作区。当保护正方向发生故障时， 测量阻抗 位于Zm第一象限，只要 落在圆Z j 内， 继电器就动作。而保护反方向短路时， 位 于第ⅢZ象m 限，不可能落在圆内，继电器不 可能动作。方向阻抗继电器的整定阻抗一 经确定，其特性圆便确定。而方向阻抗继 电器的动作阻抗 是与测量Zdz阻j 抗角 有关的。
A B
B( 、KUU m
其正方向均由极性端指向非极性端，即电压 降的方向)。为实现两电压绝对值的比较， 通常采用图6所示的绝对值比较回路。绝对
值器及比KKP较U组U回成成m 路正。由比回整。路流在中桥R的1B=电ZR流1I和2a的B、条ZIb2件及分下极别，化与继K电 Im
当 I a> I时b ，表明 K Ij ，KUU j
继电器的动作特性。因为这三种动作特
性的阻抗继电器均包括了
Z
S
2
的0.8保5Z护BC 范
围，因而保证了保护2正方向距离I段的保
护范围要求。阻抗继电器的动作特性并不
一定非扩展成圆形不可，只是由于圆特性
的阻抗继电器的接线实现起来比较简单，
且便于制造和调试，所以应用广泛。
(二)圆特性阻抗继电器的特性方程及实现方 法
与直nnTy的接乘用积故。障为点了到便保于护判安断装继处电的器线能路否阻动抗作与， 保护范围的线路阻抗进行比较。
在复平面上，测量阻抗 可Z写m 成 的R复数jx 形式。为便于比较测量阻抗 与整定Zm阻抗 ， 将它们画Z k在同一阻抗复平面上。
以图3(a)中的线路L2的保护2为例，在图 3(b)上，将线路的始端B置于坐标原点，保 护正方向故障时的测量阻抗在第Ⅰ象限， 落在直线BC上，BC与R轴之间的夹角d 为线 路的阻抗角。保护反方向故障时测量阻抗 在第Ⅲ象限，落在直线BA上。
件为 和 间的相U位 差U满足
，即继
电器 9动00 作 与 9否00仅决定于 与 之间的相位关
系，U 而与U 它们的大小无关。当然，这两个 电压的任何一个均不能为零，否则，就无
法进行相位的比较，继电器就不能正确的
工作。 被比较相位的两个电压 （U )、C （ U） 可D用
图8的接线获得， 和 C均为D交 流正弦量。为
以 Zm 表示，则
Zm
U m Im
U cy
nTV Ik
ZK
nTA nTV
nTA
图3 阻抗继电 器动作特性分 析
可见由于电压互感器和电流互感器的变 比均不等于1，所以故障时阻抗继电器的测 量阻抗 不Z等m 于故障点到保护安装处的线 路阻抗 ，Z k但 与Zm成正Zk比，比例常数为 。
同理nn，Ty 阻抗继电器的整定阻抗也应等于该 继电器所对应的保护范围的线路阻抗
阻抗继电器的保护范围不能是一条直线， 即具有直线形动作特性的阻抗继电器是不 能用的。在考虑到故障点过渡电阻的影响 及互感器角度误差的影响时，测量阻抗 Z将m 不会落在整定阻抗的直线上。为在保护范 围内故障时阻抗继电器均能动作，必须扩 大动作区。广泛采用的是在保证整定阻抗 不变Z S的2 情况下，将动作区扩展为位置不同 的各种圆，如图3(b)所示。圆内为动作区， 圆外为非动作区。其中1为全阻抗继电器的 动作特性，2为方向阻抗继电器的动作特性， 3为偏移阻抗继电器的动作特性。
可得到
A 1
1/2，并不影响2
(C 同D )时B去 12掉(C 以D )上两式右边 、 绝对值A的 比B较，故可写
成
故同A一 C动 D作特B性 C的 D继电器，既
可以按绝对值比较方式构成，也可以按相
位比较方式构成，就构成一定动作特性的
继电器而言，两组比较电压是等效的。
图7 全阻抗继电器动作条件的表示方法 A 临界动作状态 B 动作状态 C 不动作状态
偏移阻抗继电器的特性圆向第四象限作适 当偏移，使坐标原点落入圆内，见图13， 则在母线附近故障时，“死区”就不存在 了。
图13 偏移特性阻抗继电器的动作特性
图14 绝对值比较式偏移阻抗继电器的动作特性
(1)绝对值比较方式。由图14可知，偏移特性
阻抗继电器特性圆的圆心坐标为 Z0
Z0
1 2
(ZS