阻抗继电器

阻抗继电器

继电器的测量阻抗：指加入继电器的电压和电流的比值，即

cl cl cl I U Z =。

cl Z 可以写成jX R +的复数形式，所以可以利用复数平面来分析这种继电器的动作特

性，并用一定的几何图形把它表示出来，如图3-3所示。

以图3—3（a ）中线路BC 的距离保护第Ⅰ段为例来进行说明。设其整定阻抗

BC zd

Z Z 85.0='，并假设整定阻抗角与线路阻抗角相等。 当正方向短路时测量阻抗在第一象限，正向测量阻抗cl Z 与R 轴的夹角为线路的阻抗角

d ?。

反方向短路时，测量阻抗cl Z 在第三象限。如果测量阻抗cl Z 的相量，落在zd Z '向量以内，则阻抗继电器动作；反之，阻抗继电器不动作。

TV TA

d TA

BC TV B cl cl

cl n n Z n I n U I U Z === 阻抗继电器的动作特性扩大为一个圆。如图3—3（b ）所示的阻抗继电器的动作特性为方向特性圆，圆内为动作区，圆外为非动作区。

一、具有圆及直线动作特性的阻抗继电器

（一）特性分析及电压形成回路

1．全阻抗继电器 （1）幅值比较

图3-3 用复数平面分析阻抗继电器的特性

（a ）系统图；(b )阻抗特性图

(b)

(a)

全阻抗继电器的动作特性如图3—4所示，它是以整定阻抗zd Z 为半径，以坐标原点为

圆心的一个圆，动作区在圆内。它没有方向性。全阻抗继电器的动作与边界条件为 ：

cl zd Z Z ≥

构成幅值比较的电压形成回路如图 3—5所示。

（2）相位比较

相位比较的动作特性如图3—6 所示，继电器的动作与边界条件为cl zd Z Z -与

cl zd Z Z +的夹角小于等于 90，即

90arg

90≤=+-≤-θcl

zd cl

zd Z Z Z Z

图3-6 相位比较方式分析全阻抗继电器的动作特性

（a ）测量阻抗在圆上;（b ）测量阻抗在圆内;（c ）测量阻抗在圆外

l

l

（a ）（b ）

（c ）

图3-5 全阻抗继电器幅值比较电压形成回路

B

B

分子分母同乘以测量电流得

90arg arg 90≤==+-≤-θC D U U U U y k y

k

上式中，D

量超前于C 量时θ角为正，反之为负。构成相位比较的电压形成回路如图3—7所示

2．方向阻抗继电器

（1）（1）幅值比较

方向阻抗继电器的动作特性为一个圆，如图3—8(a)所示，圆的直径为整定阻抗zd Z ，圆周通过坐标原点，动作区在圆内。当正方向短路时，若故障在保护范围内部，继电器动作。当反方向短路时，测量阻抗在第Ⅲ象限，继电器不动。因此，这种继电器的动作具有方向性，

幅值比较的动作与边界条件为

zd cl zd Z Z Z 2121-≥

分子分母同乘以测量电流得

B U U U A k

y k =-≥=2121

其电压形成回路如图3—9所示。

DKB

YB

图3-7 全阻抗继电器相位比较电压形成回路

l

k U

k

U D

C

y U

y

U 图3-8 方向阻抗继电器的动作特性

（a ）幅值比较的分析;

（b ）相位比较的分析

（a ）

z

d

l Z 21

（b ）

c

d Z

（2）相位比较

相位比较的方向阻抗继电器动作特性如图上图所示，其动作与边界条件为

90arg

90≤=-≤-θcl

cl

zd Z Z Z

分式上下同乘以电流

90arg 90≤-≤-y

y

k U

U U

方向阻抗继电器相位比较的电压形成回路，如图3—10所示。

3．偏移特性阻抗继电器

（1）幅值比较

图3-10 方向阻抗继电器相位比较电压形成回路

y

U

y

U k

U YB

C

D

图3-9 方向阻抗继电器幅值比较电压形成回路

k U

21k U 21A B

y

U

DKB

YB

图3-11 偏移特性阻抗继电器动作特性

Z

d

c l Z

Z 21-Z 2

1Z

（b ）c

d Z

偏移特性阻抗继电器的动作特性，如图3—11所示，圆的直径为zd Z 与α

zd Z 之差。其中α =（-0.1～-0.2），圆心坐标

)(21

'zd zd oo Z Z Z α

+=

,

圆的半径为

)(21

zd zd Z Z α

-，

其动作与边界条件为

')(21

oo cl zd zd Z Z Z Z -≥-α

即

)(21

)(21zd zd cl zd zd Z Z Z Z Z αα

+-≥-

两边同乘以电流得

k

y k U U U A )1(21)1(21αα+-≥-=

（2）相位比较

偏移特性阻抗继电器相位比较分析，如图3-12所示，其相位比较的动作与边界条件为

90arg 90≤=--≤-θαzd cl cl

zd Z Z Z Z

两边同乘以电流得

90arg arg 90≤=--≤-C

D U U U U k

y

y

k α

(二)阻抗继电器的比较回路

具有圆或直线特性阻抗继电器可以用比较两个电气量幅值的方法来构成，也可以用比

较两个电气量相位的方法来实现，所有继电器都可以认为是由图3-15所示的两个基本部分组成，即由电压形成回路和幅值比较或相

位比较回路组成。

图3-12 偏移特性阻抗继电器相位比较分析

1． 1．二极管环形相位比较回路

二极管环形相位比较回路基于把两个进行比较的电气量的相位变化关系转换为直流输出脉动电压的极性变化。原理图和其等效电路图如下图所示。

假定21U U >，两者相位角)arg()arg(21C D U U

==θ， 21R R =。212211,U U E U U E -=+=，当相位角θ变化时，比相回路的输出电压

mn U 脉冲宽度及极性相应产生变化，现分析如下。

（1）当

0=θ时，输出电压U mn 等于在一周期内电阻R 1、R 2上电压降的代数和，即

121221

)()(R i i R i i U mn '

+++'= (2) 当

180=θ时，1E 、2E 与比较量的向量关系如下图（b ）所示。21E E <，这时输出电压的平均值为负极性最大值。

m

n

D 2

D 3

（a）

（b ）

图3-16 二极管环行整流比相电路（a ） 原理接线图;

（b） 等效电路图

m n

电压

形成

比相回路 90

a r g 90≤≤-C

D （b）C D

A B 电压

形成比幅回路c l

I

c l U （a）

B A

≥图3-15 阻抗继电器的构成原理方框图（a）幅值比较式；（b）相位比较式

c l U c l

I

D

D

Y B D 2

D D 3

（a ） ， ；0=θ1E E >180=θ（b ） ， ； 1E E <（c ） ， 90=θ1E

E =（a ）1

2

E θ0

234.=

p J m n U 023

41R i 1R i '1R i '1R i 2R

i 2R i 2

R i '2

R i 'U -U E E U θ=0

（C）

u

ωωU

1R

i '2

R i '2m n U .

（b ）

ω

ω

（3）当

90=θ时，mn U 的波形如下图 ,mn U 为正、负脉冲，其脉冲宽度均为

90。显

当θ为其它任意角度时，同样可得到相应的输出电压mn U 的正、负脉冲的宽度及其幅值，从而可绘出如图3-18所示的

)(.θf U pj

mn =关系曲线。由图可知，仅当相位角的变化

在

9090≤≤-θ范围的条件下，输出电压平均值为正值，这就保证了阻抗继电器动作条件。

三. 方向阻抗继电器的死区及死区的消除方法

思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时 ，会不会有死区？为什么？ 对幅值比较的方向阻抗继电器，其动作条件为

,2121K y K U U U -≥.

当0=y U 时，继电器也不动作。对于相位比较的方向阻抗继电器，其动作条件为

90arg 90≤-≤-y y K U U U ，

当0=y U

时，无法进行比相，因而继电器也不动作。

思考：对于方向阻抗继电器，当保护出口短路时 ，采用什么措施消除死区？

1． 1． 记忆回路

-图3-18 环形整流比相电路输出电压平均值 与比相角θ的关系曲线

m n U .（a ） ， ；0=θ1E E >180=θ（b ） ， ； 1E E <（c ） ，

90=θ1E E =（a ）

00

00

U U

E

E

1R i 1R

i '2R i 2R i '2

U

m n U .

=θω

ω

2

1

E 0

00

U

U E

E

1R i 1R

i '2R

i 2

R i '2m n U .

（b ）

180

=θω

ω

u

对瞬时动作的距离I 段方向阻抗继电器，在电压y U

的回路中广泛采用“记忆回路”的接线，即将电压回路作成是一个对50HZ 工频交流的串联谐振回路。 图3-23所示是常用的接线之一。

c j L j ωω1

=

，则谐振回路中的电流j I 与外加测量电压cl U 同相位。

结论：在电阻

j R 上的压降R U 也与外加电压cl U 同相位，记忆电压

j U 通过记忆变压器JYB 与y U

同相位。

引入记忆电压以后，幅值比较的动边条件为：

j K y j K U U U U U +-≥+2121

在出口短路时，y U =0，由于谐振回路的储能作用，极化电压j U

在衰减到零之前存在，且与y U

同相位。由于继电器记录了故障前的电压，故方向阻抗继电器消除了死区。 2．引入第三相电压

思考：记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作，但它的作用时间有限。

解决方法：引入非故障相电压。

如下图所示为在方向阻抗继电器中引入第三相电压，并将第三相电压和记忆回路并用的方案。

正常时 ，第三相电压C U 基本上不起作用。 当系统中AB 相发生突然短路时,

j Lj R

Lj

cj j Lj

R

cj R jx I jx jx R jx I I ≈+-?=

Lj R j cj R X I j R I U ==

图3-23 具有记忆的幅值比较的方向阻抗继电器电压形成回

路

A

B c

l

JYB

A

B

C

j

U j

U c

l

(a )

图3-24 引入第三相电压产生极化电压的工作原理（a ）原理图；（b ）短路后的等值电路；

（c ）向量分析

E

E

A C

U U =c j

j R I U =B

U U =(c )

I

L

JYB

A

B

C

R R

C

U

U

I

(b )I

I

结论：cj I

超前R I

近

90，电阻j R

上电压降R U 超前AC U

90，即极化电压与故障前电

压AB U 同相位。因此，当出口两相短路时，第三相电压可以在继电器中产生和故障前电压

AB U （即y U ）同相的而且不衰减的极化电压

j U ，以保证方向阻抗继电器正确动作，即能消除死区。

四、阻抗继电器的精工电流和精工电压 实际上方向阻抗继电器的临界动作方程为

2U U U U k y k +-=?

式中0

U 为动作量克服二极管正向压降及极化继电器动作反力所需的剩余电压，假设上式中

各向量均为同相位，则上列方程可写为

02U U U U k y k =+-

20U U U k y -= cl zd dz I U

Z Z 20

-=

考虑0U 的影响后，给出)(cl dz I f Z =的关系曲线如图3—30所示

所谓精工电流，就是当

g cl I I =时，继电器的动作阻抗zd dz Z Z 9.0=，即比整定阻抗缩

小了10%。

因此，当g cl

I

I >时，就可以保证起动阻抗的误差在10%以内，而这个误差在选择可靠系数时，已经被考虑进去了。

z Z z Z 9.0g

I c l

I 图3-30 方向阻抗继电器 的曲线

()c l d z I f Z

=A

B

C

U U l

U (a )图3-24 引入第三相电压产生极化电压的工作原理（a ）原理图；

（b ）短路后的等值电路；（c ）向量分析E E A C

U U =c j

j R I U =B

U U =(c )I j

L j

U j

U (b )L

j

JYB

A B C j

U j

U c l

(a )图3-24 引入第三相电压产生极化电压的工作原理（a ）原理图；（b ）短路后的等值电路；（c ）向量分析E

E

A C U U =c j j R I U =

B U U =(c )

I JYB

U U (b )

在继电器通以精工电流的条件下，其动作方程

g zd dz I U Z Z 20-

=

根据允许条件

zd dz zd Z Z Z 1.0=- 得

结论：精工电流与反应元件的灵敏性（0U ）及电抗变压器的整定阻抗有关。为了便于衡量阻抗继电器的灵敏度，有时应用精工电压作为继电器的质量指标。

精工电压就是精工电流和整定阻抗的乘积，用

g U 表示，则

2.00

U Z I U zd

g g ==

结论：它不随继电器的整定阻抗而变，对某指定的继电器而言，它是常数。在整定阻抗一定的情况下，0U 越小，g I 越小，即g U 越小，继电器性能越好 。