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

B

A 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B

A 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m I 并不立即消失，而是按50Hz 谐振频率，经过几个周波后，逐渐衰减为零。而这个电流与故障前电压m

U 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m

U ≈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。

m

y U K m k I K m

I