功率方向继电器的实验与开发

中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 1 页 共 39 页摘 要随着经济的不断发展，人们对电力的需求越来越大，电力供应开始出现紧张，在很多地方出现了供电危机，使其不得不采取限电、停电等措施，以缓解电力供应的紧张局面。因而，加强对电力系统的安全保护及其应用与发展至关重要，继电器的保护作用对电力系统有着重大的意义。本文以继电保护为开端，展开了对功率方向继电器的接线方式及动作特性的研究，其中动作特性有两种表现形式：角度特性和伏安特性。因为功率方向继电器一般用于三相电路中相间短路保护，所以选择了 90接线方式。在测试功率方向继电器的角度特性时，在不同电压下，通过移相器改变输入继电器电流和电压的相位差，使继电器动作，并记录实验数据，绘出角度特性曲线。在测试功率方向继电器的伏安特性时，先调节移相器，使输入电压和电流的相位差为继电器的最大灵敏角。然后通过三相调压器调节输入电压为 10V，改变继电器输入电流，直到继电器动作，记录相应电流。最后根据所测数据绘出继电器伏安特性曲线。关键词：功率方向继电器；动作特性；实验中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 2 页 共 39 页AbstractWith economic development, peoples growing demand for electricity, the power supply tension began to appear in many parts of the supply crisis, it had to take brownouts, blackouts and other measures to ease the power supply tensions . Thus, the strengthening of the power system security and development in its application, the relay protection of power system has great significance.In this paper, as the start relay, launched on the power direction relay wiring and operating characteristics of the study, which has two operating characteristic forms: angular characteristics and voltage characteristics. Because power direction relay is generally used for three-phase circuit phase short circuit protection, so I chose 90 wiring. In the test power direction relay characteristic angle, at different voltages, through the phase shifter to change the input phase current and voltage relays, the relay action, and record the experimental data point plotted curve. In the test power direction relay volt-ampere characteristics, the first adjustment phase shifter, so that the phase difference between the input voltage and current for the relays maximum sensitivity angle. Then through the three-phase voltage regulator adjusts the input voltage is 10V, change relay input current until the relay, recording the corresponding current. Finally, according to the measured data plotted relay volt-ampere characteristic curve.Keywords：Power directional relay; Motion characteristics;Experiment中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 3 页 共 39 页目 录1 绪论11.1 课题背景11.2 继电保护21.2.1 继电保护的作用原理21.2.2 继电保护的组成31.2.3 继电保护的装置要求41.2.4 继电保护的分类61.2.5 系统保护51.3 继电器71.3.1 继电器的主要作用71.3.2 继电器的主要分类81.4 功率方向继电器的研究现状101.5 本次毕业设计主要工作122 DJZ-型电气控制与继电保护试验台的特点及其应用132.1 试验台实物图132.2 试验台的主要特点132.3 试验台的应用142.4 试验台使用注意事项143 LG-11 型功率方向继电器介绍 153.1 功率方向继电器的产生背景153.2 LG-11 型功率方向继电器实物图 153.3 整流型功率方向继电器的工作原理163.4 功率方向继电器的动作特性183.5 相间短路功率方向继电器的接线方式203.5.1 接线方式的选择条件203.5.2 90接线方式 214 功率方向继电器特性实验22中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 4 页 共 39 页4.1 功率方向继电器电压潜动现象检查实验224.1.1 电压潜动现象检查实验原理图224.1.2 电压潜动现象检查实验方法及步骤224.2 实验法测功率方向继电器角度特性234.2.1 实验法测功率方向继电器角度特性实验步骤234.2.2 实验结果据处理244.3 实验法测功率方向继电器伏安特性254.3.1 实验法测功率方向继电器伏安特性实验步骤254.3.2 实验数据处理25附录 27参考文献 31致谢 33中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 5 页 共 39 页1 绪论1.1 课题背景在现代生活生产中，电力的需求越来越大，电力供应开始出现紧张，在很多地方出现了供电危机，使其不得不采取限电、停电等措施，以缓解电力供应的紧张局面。因而，加强对电力系统的安全保护及其应用与发展至关重要，继电器的保护作用对电力系统有着重大的意义 1。发电厂和变电所的电气设备分为一次设备和二次设备。一次设备有发电机、变压器、断路器、隔离开关、电抗器、电力电缆以及母线、输电线路等。由这些设备按一定规律相互连接构成的电路称为一次接线或一次回路，它是发电、变电和输配电的主体。二次设备包括监察测量仪表、控制及信号器具、继电保护装置、自动装置、远动装置等。这些设备通常是由电流互感器、电压互感器、蓄电池组成或厂（所）用低压电源供电，表明它们互相连接关系的电路称为二次接线又称二次回路。二次回路的设备通常为低压设备。在发电厂和变电所中，虽然一次接线是主体，但是，要实现安全、可靠、优质、经济地发、变、输配电，二次接线同样是不可缺少的重要组成部分。特别是对于运行控制而言，二次接线显得更加重要 2。在发电厂和变电所内对断路器的控制，按控制地点可分集中控制和就地控制两种。对主要设备，如发电机、主变压器、母线分段或母联、旁路断路器、35KV及以上电压的线路以及高、低压厂用工作与备用变压器等采用集中控制，对610kV 线路以及厂用电动机等采用就地控制。所谓集中控制就是集中在主控制室内进行控制，被控的断路器与主控制室之间一般都有几十米到几百米的距离。所谓就地控制是指在断路器安装地点进行控制，可以大大地减少主控制室的建筑面积和节省控制电缆。断路器的控制通常是通过电气回路来实现的，为此必须有相应的二次设备，在主控制室的控制屏上应当有能发出跳、合闸命令的控制开关，在断路器上应当有执行命令的操动机构 3。继电器保护是电力系统设计出现有关事故时减小停电范围、限制事故对设备损害影响这样一个装置。继电器保护设计与配置是否合理，直接影响电力系统运行安全。如果设计与配置不当，继电器保护将不能正确动作，从而会扩大事故的停电范围。给广大人民群众的生产和生活带来严重的影响，严重时还会导致人身中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 6 页 共 39 页伤亡和设备安全事敞 4。为了保证变电站的正常运行，要设置变电站所需要的保护装置，并根据满足选择性、速动性、灵敏性、可靠性进行整定值，使整个系统的各种继电器保护有机协调地布置，正确地发挥作用。电力系统及电力传输系统供电过程中出现异常故障，由于故障的不可预见性会引起电流的徒增或者电压的陡降，同时电流电压间的相位角也会发生变化，为了避免上述问题继电保护根据不同的功能和原理出现不同原理和类型的继电保护器。早期的继电器是采用熔断器串联于供电线路中，当发生短路时，短路电流线熔断熔断器，断开短路的设备。随着继电器的发展，后面又出现了感应型过电流继电器、方向性电流保护继电器、距离保护继电器、以及行波保护继电器。与此同时，随着材料、器件、制造技术等相关学科的发展，继电保护装置的结构、形式和制造工艺也发生着巨大的变化，经历了机电式保护装置、静态继电保护装置和数字式继电保护装置三个发展阶段 5。1.2 继电保护1.2.1 继电保护的作用原理电力系统中发生故障和出现不正常运行情况时，系统正常运行遭到破坏，以致造成对用户的停止供电或少供电，有时甚至破坏设备。为了预防事故或缩小事故范围，提高电力系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全连续供电，在电力系统中，必须有专门的继电保护装置 6。继电保护装置必须能正确区分被保护元件是处于正常运行还是发生故障，必须能正确区分被保护元件是处于区内故障还是区外故障，保护装置要实现这些功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量发生变化的特征为基础来构成。例如：（1）根据短路故障时电流的增大，可构成过电流保护。（2）根据短路故障时电压的降低，可构成低电压保护。（3）根据短路故障时电流与电压之间相角的变化，可构成功率方向保护。（4）根据短路故障时电压与电流比值的变化，可构成距离保护。（5）根据故障时，被保护元件两端电流相位和大小的变化，可构成差动保护。（6）根据不对称短路时，出现的电流、电压的相序分量，可构成零序电流保护，负序电流保护及零序和负序功率方向保护等等 7。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 7 页 共 39 页1.2.2 继电保护的组成继电保护实质上是一种自动控制装置，根据控制过程信号性质的不同，可以分为模拟型和数字型两大类。多年来应用的常规继电保护装置都属于模拟型，而上世纪 70 年代发展的计算机保护则属于数字型，虽然这两类保护的实现方法和构成各不相同，但其基本原理是相同的。继电保护根据被保护的对象不同，又分为元件保护和线路保护两类。元件保护指发电机、变压器、母线和电动机等元件的保护；线路保护指电力网及电力系统中输电线路的保护 8。继电保护的构成方式虽然很多，但一般均由测量回路、逻辑回路和执行回路三部分组成，其方框图如图 1.1 所示，测量回路 1 的作用是测量被保护设备物理量（如电流、电压、功率方向）的变化，以确定电力系统是否发生故障和不正常工作情况，然后输出相应的信号至逻辑回路。逻辑回路 2 的作用是根据测量回路的输出信号进行逻辑判断，以确定是否向执行回路发出相应的信号。执行回路 3的作用是根据逻辑回路的判断执行保护的任务，跳闸或发出信号。图 1.1 继电保护的方框图现以电磁型过电流保护为例来说明继电保护装置的组成和作用原理。图 1.1 示出其单相原理图。电力系统正常运行时，测量回路（电流继电器 KA的线圈回路）流过的是负荷电流，继电器 KA 的触点不闭合，没有输出信号至逻辑回路（时间继电器 KT 的线圈回路） ，断路器不会跳闸。当电力系统发生故障时，测量回路电流增大，电流继电器 KA 的触点闭合，接通逻辑回路，经逻辑判断（此电路为延时判断）后，时间继电器的触点闭合，接通执行回路（信号继电器 KS 的线圈） ，经过中间继电器 KM 使断路器跳闸 9。1 2 3 跳闸或信号被测物理量中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 8 页 共 39 页图 1.2 电磁型线路过电流保护的单相原理图由图 1.2 可以看到：1 电磁型继电保护是由若干个不同功能的继电器组合而成的。例如，用电流继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器可以组合成电流保护，用电流、低压、时间、中间、信号等继电器可以组合成低压闭锁过流保护。同样，用阻抗继电器、差动继电器和时间、中间、信号等继电器的组合，可构成距离保护、差动保护等。2 所有电磁型继电器都具有可动的触点，继电器是否动作，容易看到，对于继电保护的初学者，易于理解接受，因此，机电型继电器常常被作为继电保护的基础教学内容进行讲授 10。1.2.3 继电保护的装置要求继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低 11。1 选择性选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 9 页 共 39 页由相邻设备或线路的保护将故障切除。2 速动性速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。一般必须快速切除的故障有：1) 使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值(一般为 0.7 倍额定电压)。2) 大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。3) 中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。4) 可能危及人身安全、对通信系统或铁路信号造成强烈干扰的故障。故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为0.04s0.08s，最快的可达 0.01s0.04s，一般断路器的跳闸时间为0.06s0.15s，最快的可达 0.02s0.06s。对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。3 灵敏性灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。4 可靠性可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 10 页 共 39 页信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一 12。1.2.4 继电保护的分类继电保护可按以下 4 种方式分类。1 按被保护对象分类，有输电线保护和主设备保护(如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护)。2 按保护功能分类，有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护；后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。3 按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类，有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。4 按保护动作原理分类，有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、高频（载波）保护等 13。1.2.5 系统保护实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。虽然继电保护有多种类型,其装置也各不相同,但都包含着下列主要的环节：信号的采集，即测量环节；信号的分析和处理环节；判断环节；作用信号的输出环节。以上所述仅限于组成电力系统的各元件（发电机、变压器、母线、输电线等）的继电保护问题，而各国电力系统的运行实践已经证明，仅仅配置电力系统各元件的继电保护装置，还远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统的中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 11 页 共 39 页全局和整体出发，研究故障元件被相应继电保护装置动作而切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复系统的正常运行。这些正是系统保护所需研究的内容。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减小到最短 14。大电力系统的安全稳定运行，首先必须建立在电力系统的合理结构布局上，这是系统规划设计和运行调度工作中必须重视的问题。在此基础上，系统保护的合理配置和正确整定，同时配合系统安全自动装置（如解列装置、自动减负荷、切水轮发电机组、快速压汽轮发电机出力、自动重合闸、电气制动等） ，达到电力系统安全运行的目的。鉴于机、炉、电诸部分构成电力生产中不可分割的整体，任一部分的故障均将影响电力生产的安全，特别是大机组的不断增加和系统规模的迅速扩大，使大电力系统与大机组的相互影响和协调问题成为电能安全生产的重大课题。电力系统继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉设备的承受能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护装置，还应积极研究和推广故障预测技术，以期实现防患于未然，进一步提高大机组的安全可靠性。1.3 继电器1.3.1 继电器的主要作用继电器是具有隔离功能的自动开关元件，广泛应用于遥控、遥测、继电器中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 12 页 共 39 页图 1.3 继电器通讯、自动控制、机电一体化及电力电子设备中，是最重要的控制元件之一15。继电器一般都有能反映一定输入变量（如电流、电压、功率、阻抗、频率、温度、压力、速度、光等）的感应机构（输入部分） ；有能对被控电路实现“通” 、“断”控制的执行机构（输出部分） ；在继电器的输入部分和输出部分之间，还有对输入量进行耦合隔离，功能处理和对输出部分进行驱动的中间机构（驱动部分） 。作为控制元件，概括起来，继电器有如下几种作用：1 扩大控制范围：例如，多触点继电器控制信号达到某一定值时，可以按触点组的不同形式，同时换接、开断、接通多路电路。2 放大：例如，灵敏型继电器、中间继电器等，用一个很微小的控制量，可以控制很大功率的电路。3 综合信号：例如，当多个控制信号按规定的形式输入多绕组继电器时，经过比较综合，达到预定的控制效果。4 自动、遥控、监测：例如，自动装置上的继电器与其他电器一起，可以组成程序控制线路，从而实现自动化运行。1.3.2 继电器的主要分类1 按继电器的工作原理或结构特征分类1）电磁继电器：利用输入电路内电路在电磁铁铁芯、继电器与衔铁间产生的吸力作用而工作的一种电气继电器。2）固体继电器：指电子元件履行其功能而无机械运动构件的，输入和输出隔离的一种继电器。3）温度继电器：当外界温度达到给定值时而动作的继电器。4）舌簧继电器：利用密封在管内，具有触电簧片和衔铁磁路双重作用的舌簧动作来开，闭或转换线路的继电器5）时间继电器：当加上或除去输入信号时，输出部分需延时或限时到规定时间才闭合或断开其被控线路继电器。6）高频继电器：用于切换高频，射频线路而具有最小损耗的继电器。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 13 页 共 39 页7）极化继电器：有极化磁场与控制电流通过控制线圈所产生的磁场综合作用而动作的继电器。继电器的动作方向取决于控制线圈中流过的的电流方向。8）其他类型的继电器：如光继电器，声继电器，热继电器，仪表式继电器，霍尔效应继电器，差动继电器等。2 按继电器的外形尺寸分类1）微型继电器2）超小型微型继电器3）小型微型继电器注：对于密封或封闭式继电器，外形尺寸为继电器本体三个相互垂直方向的最大尺寸，不包括安装件，引出端，压筋，压边，翻边和密封焊点的尺寸。3 按继电器的负载分类1）微功率继电器2）弱功率继电器3）中功率继电器4）大功率继电器4 按继电器的防护特征分类1）密封继电器2）封闭式继电器3）敞开式继电器5 按继电器按照动作原理可分类1）电磁型2）感应型3）整流型4）电子型5）数字型等6 按照反应的物理量可分类1）电流继电器2）电压继电器3）功率方向继电器中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 14 页 共 39 页4）阻抗继电器5）频率继电器7 按照继电器在保护回路中所起的作用可分类1）启动继电器2）量度继电器3）时间继电器4）中间继电器5）信号继电器6）出口继电器 161.4 功率方向继电器的研究现状国内外科研人员对功率方向继电器进行了大量的研究，其主要分为这几个个方面：零序功率方向继电器正确接线的判定和校验、相间短路保护中功率方向继电器的接线方式、发电机负序功率方向继电器动作分析、功率方向继电器 90接线的分析与改进、同杆双回线上零序功率方向继电器的误判问题、LG-11 型功率方向继电器的实验。1 零序功率方向继电器正确接线的判定和校验零序功率方向继电器的正确接线，应使其动作特性为：当被保护线路或元件发生正方向接地故障时，零序电压和零序电流的相位关系应可靠进入继电器的灵敏动作区，而反方向接地故障时，继电器可靠不动作。零序功率方向继电器的接线判断具有一定的难度、错误接线时有发生。便于正确掌握零序功率方向继电器的接线的判定和校验，将零序功率方向继电器在极坐标上的动作区和方向阻抗继电器在 R，X 阻抗复平面上的动作区建立统一联系，把零序功率方向继电器的电压电流向量图和线路功率送受的四象限图建立统一联系。然后分三种情况讨论正确接线和校验：单向系统的方向继电器，三相系统的零序功率方向继电器，带负荷测量零序功率方向继电器 17。2 相间短路保护中功率方向继电器的接线方式在双电源供电系统中为了消除无选择的动作就需要在保护上增设功率方向闭锁原件，该元件只在短路功率从母线流向线路时动作，从而市机电保护的动作具有一定方向性。在 90接线方式中通过比较三相短路、近处两相短路和远处两相中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 15 页 共 39 页短路时继电器的内角变化范围可知当线路短路阻抗角在 0-90时，为使功率方向继电器均能动作应选择的继电器内角范围 30-60。最后得出 90接线的优点是：适当选择最大灵敏角线路上各种相间短路都能正确动作并且保证了较高的灵敏性；在发生两相和单相接地短路时，没有死区，在三相短路时出现的电压死区较小 18。3 发电机负序功率方向继电器的动作分析在发电机零序电压式匝间短路保护中，为防止发电机外部及内部发生不对称短路故障时的保护误动，必须有防误动闭锁元件。 通过分析发电机负序功率方向继电器的电原理图，而得到其动作特性。对比该负序功率方向继电器和纵向零序电压继电器所组成的匝间保护接线方式的区别，因为该负序功率方向继电器无常闭接点输出而不能起到传统匝间保护中的闭锁作用，但又按照传统匝间保护接线，因此造成了误动 19。从负序功率方向继电器的接线方式、区内外故障时流过发电机负序分量、和继电器动作特性可得出：为使发电机匝间保护能正确动作，现场将负序功率方向继电器的二次电流回路极性倒个相。实际通电试验，该保护能正确动作。通过近两年的实际运行，并经过了两次区外故障考验，负序功率方向继电器均未误动 20。4 功率方向继电器 90接线的分析与改进功率方向继电器可以明确判别发生故障的方向，一直受到继电保护研发人员的青睐。在双侧电源网络中，为了明确区分故障发生在保护安装处的哪一侧，一般需要安装方向元件防止保护无选择地动作。90接线方式也有他的缺点：电力系统中电缆或架空线路的阻抗角均在 (O，90)围内，选取 3060可以保证线路上发生不对称短路时方向的选取。实际运行中通常取 =30或 45，方向元件能安全可靠的使用。但如果在 y。-11 接线的变压器后发生相间短路，安装在线路或变压器上的方向元件可能会不正确动作。由于功率方向继电器具有明确的方向性，在多电源的网络接线中可以保证各保护之间动作的选择性，但是随着电网结构复杂性增加、故障类型以及参数变化的影响，在某些故障情况下会失去选择性，如在大容量母线的 y。一 11 变压器的三角形侧发生相间短路时，90线的线路保护方向元件可能会误动 21。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 16 页 共 39 页5 同杆双回线上零序功率方向继电器的误判问题同杆双回线由于输送容量大，节约线路走廊，随着电力系统的发展，越来越多地在我国电网中得到应用。目前在单回线微机线路保护中广泛采用零序功率方向继电器配合零序过流构成零序方向过流保护， 纵联零序保护中也要用到零序功率方向继电器。参考文献从理论上分析了同杆双回线上发生各种故障时，零序功率方向继电器的性能，并通过动模试验进行了验证，从中可以得到以下几点结论：1） 同杆双回线发生回线故障时，回线即非故障线保护的零序功率方向继电器判断结果会随着故障点由近端到远端的移动而变化。在平衡点 P 远发生回线接地故障时，回线保护的零序功率方向继电器判为正方向。在平衡点 P 以近发生故障时，回线保护的零序功率方向继电器判为反方向，但此时的故障对于回线来说是背后故障，方向继电器判为反方向是正确的。2） 发生不跨线故障时，故障线路两侧保护的零序功率方向继电器均判为正方向； 相邻的非故障线路两侧保护的零序功率方向继电器必然是一侧判为正方向、另一侧判为反方向。若同杆双回线采用串联电容补偿装置，则故障线路两侧保护的零序功率方向继电器也可能一侧判为正方向、另一侧判为反方向。3）发生反方向故障时双回线保护的零序功率方向继电器均能正确判断方向 22。6 LG-11 型功率方向继电器的实验LG-11 型功率方向继电器作为方向元件广泛应用于电力系统方向性保护中，通过判别电流、电压间的相位关系，确定故障发生在保护安装处正向还是反向，保证保护可靠工作。在运行过程中，需要定期对功率方向继电器进行检验，在试验过程中，由于不注意参考量的选择，不能正确使用相位表测量相位差，会出现一些试验差错，从而不能正确确定继电器的动作区。LG-11 型功率方向继电器的实验主要包括参考量的选择和相位差的测量。其中相位差的测量有以下两种常用方法：利用 D3- 型电动式相位表测量相位差，利用数字式双钳相位表测量相位差 23。1.5 本次毕业设计主要工作本课题通过掌握 LG-11 功率方向继电器的原理接线图及接线方式，然后通过中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 17 页 共 39 页DJZ-电气控制与继电保护中和教学实验台研究 LG-11 功率方向继电器的动作特性，并获取有关参数。 主要研究问题如下：1 掌握 LG-11 功率方向继电器原理接线图。2 掌握 LG-11 功率方向继电器的接线方式。3 研究 LG-11 功率方向继电器的动作特性，获取有关参数。2 DJZ-型电气控制与继电保护试验台的特点及其应用2.1 试验台实物图图 2.1 试验台实物图2.2 试验台的主要特点DJZ-型电气控制与继电保护试验台是专为熟悉各种继电器特性实验，变压器常规和微机差动保护实验，模拟线路电流电压常规保护和微机保护实验以及常规距离保护和微机距离保护实验设计的装置，试验台上设有各种常规电磁式继电器和线路模型、变压器和微机型继电保护装置等组成。试验台的主要特点有：1 试验台上装有漏电保护，确保实验进程安全。2 试验台配置齐全，既有常规的各种电磁式继电器、常规和微机的电流电压中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 18 页 共 39 页保护和距离保护又有线路模型,还可以完成常规和微机的变压器差动保护。学生可以自行设置短路点，真实模拟线路故障情况，学生还可以自行设计保护接线，提高动手能力和分析能力。3 试验台的微机保护含有电流、电压保护、阻抗保护、变压器差动保护三种功能，可以分别做三种保护实验。4 试验台的微机保护，具有良好的自诊断功能、事故记录和事件顺序记录功能。能显示各种信息，调试方便，有利于教学活动。5 试验台的微机保护可以进行现场手动跳、合闸操作，当配置上位机和我们研究所的有关软件包时，可实现遥测、遥信和遥控功能，可远程监测和修改下位机的整定值设置。2.3 试验台的应用DJZ-型电气控制与继电保护试验台是武汉华工大电力自动技术研究所针对电力工程 、 继电保护 、 电气工程等课程中有关继电保护的基础教学内容而设计的，试验台上安装有各种电磁式的继电器，如电流继电器、电压继电器、中间继电器、信号继电器、差动继电器、功率继电器、方向阻抗继电器、负序电压继电器、三相一次重合闸;线路模型;变压器和微机保护装置等等.学生可以做单个继电器的特性试验，可以采用积木式办法，将继电器组合起来做整组实验;也可以利用变压器做常规、微机变压器差动保护;还可以利用线路模型做常规和微机的电流电压保护及距离保护实验；同时提供了学生自己组合设计试验的平台。DJZ-型电气控制与继电保护试验台除了装有常规的继电器外还装有测量时间相位用的多功能表及移相器、调压器等设备，由这些设备可组成一个完整系统，学生使用起来极为方便。试验台所提供的硬件平台还可作为本科生课程设计、毕业设计和生产实习等项目的基础平台。2.4 试验台使用注意事项1 DJZ-III 型电气控制与继电保护教学试验台的工作电流和工作电压不得超过允许值。实验电流较大时，不得长期工作。2 实验前检查所有刀闸应在断开位置，电源信号灯均熄灭，此时才能接线。3 接线过程中密切注视刀闸位置，以防误操作引起事故。4 接线完毕，要由另一人检查线路。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 19 页 共 39 页5 实验中不允许带电改接线路。6 实验过程中没有使用的 CT，其二次侧应该短路 24。3 LG-11 型功率方向继电器介绍3.1 功率方向继电器的产生背景随着电力工业的发展和用户对供电可靠性要求的提高，现代的电力系统实际上都是由很多电源组成的复杂网络，简单的继电保护方式已不能满足系统运行的要求。现在的电力系统网络一般都是双侧电源网络，分析双侧电源供电的情况下所出现的新矛盾，可以发现，误动作的保护都是在自己所保护的线路反方向发生的故障，由对侧电源供给的短路电流所引起的。对误动作的保护而言，实际短路功率的方向照例都是由线路流向母线。显然与其所应保护的线路故障时的短路功率方向相反。因此，为了消除这种无选择的动作，就需要在可能误动作的保护上增设一个功率方向闭锁元件，该元件只当短路功率方向由母线流向线路时动作，而当短路功率方向由线路流向母线时不动作，从而使继电保护的动作具有一定的方向性，这类原件就叫做功率方向继电器。3.2 LG-11 型功率方向继电器实物图中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 20 页 共 39 页图 3.1 LG-11 型功率方向继电器3.3 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： mykmyk UKIIK继电器的原理接线如图 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 ，电压为 。电流 通mImI过电抗变压器 DKB 的一次绕组 W1，二次绕组 W2和 W3端钮获得电压分量 ，它kK超前电流 的相角就是转移阻抗 的阻抗角 k，绕组 W4用来调整 k的数值，以mI kK得到继电器的最灵敏角。电压 经电容 C1接入中间变压器 YB 的一次绕组 W1，由mU两个二次绕组 W2和 W3获得电压分量 ， 超前 的相角为 90。 DKB 和 YBymyU标有 W2的两个二次绕组的联接方式如图所示，得到动作电压 + ，加于整myIKU流桥 BZ1输入端； DKB 和 YB 标 有 W3的 二 次 绕 组 的 联 接 方 式 如 图 所 示 ， 得 到 制 动 电 压中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 21 页 共 39 页 ， 加 于 整 流 桥 BZ2输 入 端 。 图 （ b） 为 幅 值 比 较 回 路 ， 它 按 循 环 电 流 式 接myIKyU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 W4所接的电阻值来实现的。继电器的内角 =90k，当接入电阻 R3时，阻抗角k=60， =30；当接入电阻 R4时， k=45， =45。因此，继电器的最大灵敏角 lsen=，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 0，动作方程为 ，即 。由于mU mkkIKIBAU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，因此，要使继电器动作，必须满足 的条件。所以在BA0 的情况下，功率方向继电器动作不了，因而产生了电压死区。mU中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 22 页 共 39 页图 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 C1 与中间变压器 YB 的绕组电感构成对 50Hz 串联谐振回路。这样当电压突然降低为零时，该回路中电流 并不立即消失，而是按 50Hz 谐振频率，经mU mI过几个周波后，逐渐衰减为零。而这个电流与故障前电压 同相，并且在谐振衰mU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 0 时，在m一定的时间内 YB 的二次绕组端钮有电压分量 存在，就可以继续进行幅值的myUK比较，因而消除了在正方向出口短路时继电器的电压死区 25。在整流比较回路中，电容 C2 和 C3 主要是滤除二次谐波，C 4 用来滤除高次谐波。3.4 功率方向继电器的动作特性LG-11 型功率方向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 为 角的一条直线。电流 的相位可以改变，当 与最大灵敏线重合时，mU mI mI中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 23 页 共 39 页即处于灵敏角 sen=情况下，电压分量 与超前 为 90相角的电压分量mkIKU相重合。myUK图 3.3 LG-11 型功率方向继电器的动作特性通常功率方向继电器的动作特性还有下面两种表示方法：1 角度特性：表 示 Im 固 定 不 变 时 ， 继 电 器 起 动 电 压 Upur =f(m)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 sen=。 当 k=60时 ， sen=30， 理想 情 况 下 动 作 范 围 位 于 以 sen 为 中 心 的 90以 内 。 在 此 动 作 范 围 内 ， 继 电 器 的 最 小起 动 电 压 Upurmin 基 本 上 与 r 无 关 ， 当 加 入 继 电 器 的 电 压 Ur Upurmin 时 ， 继 电 器 将不 能 起 动 ， 这 就 是 出 现 “电 压 死 区 ”的 原 因 。中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 24 页 共 39 页图 3.4 功率方向继电器（=30）的角度特性图 3.5 功率方向继电器的伏安特性2 伏安特性：表示当 m=sen 固定不变时，继电器起动电压 Upur =f(Im)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 Ipurmin 和最小起动电压 Upurmin，继电器就可以动作。其中 Ipurmin 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。功中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 25 页 共 39 页率方向继电器可能出现电流潜动或电压潜动。所谓电压潜动，就是功率方向继电器仅加入电压 时产生的动作。产生电压mU潜动的原因是由于中间变压器 YB 的两个二次绕组 W3、W 2 的输出电压不等，当动作回路 YB 的 W2 端电压分量 大于制动回路 YB 的 W3 端电压分量 时，就mUyK mUyK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 R3，使 Im =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 时产生的动作。产生电流mI潜动的原因是由于电抗变压器 DKB 两个二次绕组 W2、W 3 的电压分量 不等，mkIK当 W2 电压分量 大于 W3 端电压分量 （也就是动作电压大于制动电压）时，mkIK mkIK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 R1，使Um=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 Um0，而 Im 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。3.5 相间短路功率方向继电器的接线方式3.5.1 接线方式的选择条件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，对于其接线方式应应满足如下条件：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。2 故障以后加入继电器的电流 和电压 应尽可能地大一些，并尽可能使 rrIrU接近于最灵敏角 lsen，以便消除和减小方向继电器的死区 26。3.5.2 90接线方式为了满足接线方式的条件，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=1 时，加入继电器的电流，如中 北 大 学 2013 届 毕 业 设 计 说 明 书第 26 页 共 39 页和电压 相位相差 90。这个定义仅仅是为了称呼的方便，没有什么物理意义。AIBCU采用这种接线方式时，三个继电器分别接于 、 ， 、 和 、AIBCUICAI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ABU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 27。4 功率方向继电器特性实验4.1 功率方向继电器电压潜动现象检查实验中 北 大 学 2013