阻抗继电器的构成原理

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
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
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
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。
(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
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
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
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，Z见，继电器的
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。
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。
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
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
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
，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
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。
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。
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。
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
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
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
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。