电力系统继电保护实验指导书

1、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。

2、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，就扩大了停电围。同样，在 k?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。k?点短路时，要求3QF 4QF 先于2QF 5QF动作，即要求t2t3, t5t4；而在K1、Kb点短路时，要求5QF 先于4QF动作，2QF先于3QF

3、动作，即要求14 t5, t3 12。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。MN1QF2QF 3QF4QF5QF6QF(a)(b)图3-1双侧电源电网电流保护动作行为分析t5 ”(c)(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

4、-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 V t3V t 1 和 t6 t 4 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

5、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：Kklm KyUm| Kklm KyU m|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lm，电压为Um。电流lm通过电抗变压器DKB勺一次绕组 W,二次绕组 W和W端钮获得电压分量Kklm， 它超前电流lm的相角就是转移阻抗Kk的阻抗角k,绕组W用来调整k的数 值，以得到继电器的最灵敏角。电压 Um经电容C接入中间变压器YB的一次 绕组W,由两个二次绕组 W和W获得电压分量KyUm，KyUm超前Um的相角 为90。DKB和 YB标有W的两个二次绕组的

6、联接方式如图所示，得到动作电压Kylm+KyU m ,加于整流桥BZ输入端；DKB和 YB标有W的二次绕组的联 接方式如图所示，得到制动电压Kylm KyUm，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所接的电阻值来实现的。继电器的角 =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

7、值，这时功率方向继电器的输入电压Um 0，动作方程为 Kklm Kklm，即Ua Ub。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UaUb的条件。所以在Um 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。RiDKB5ImWlBZiW2耳mYB Ci*7(a)1112(b)C5 卜KyUm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Ci与中间变压器YB的绕组电感构成对50

8、Hz串联谐振回路。这样当 电压Um突然降低为零时，该回路中电流Im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Um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Um 0时，在一定的时间YB的二次绕组端钮有电压分量KyUm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。在整流比较回路中，电容C2和C3主要是滤除二次谐波，C4用来滤除高次 谐波。3功率方向继电器的动作特性继电器的动作特性如图3-3所示，临界动作

9、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 有阴影线的半平面围。最大灵敏线是动作区KyUm最大灵敏线超前Um为 角的一条直线。电流Im的相位可以改变，当I m与最大灵敏线非动作区Imk 】图3-3 LG-11型功率方向继电器的动作特性( 为30或45)-120-30060图3-4 功率方向继电器m(=30 )的角度特性其/、电继的重合时，即处于灵敏角sen=情况下，电压分量KkI m与超前U m为90相角的电压分量KyUm相重合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I m固定不变时，继电器起动电压LPu t=f( d的关系曲线。理论上此特性可用图3

10、-4表示， 最大灵敏角为sen=。当k=60时，sen=30 ，理想情况下动作围位于以sen为中心的 90以。在此动作围，继 器的最小起动电压UPu r min基本上与r无 关，当加入继电器的电压 U V Uu r min时， 电器将不能起动，这就是出现“电压死区” 原因。(2) 伏安特性：表示当 m= sen固定不变时，继电器起动Upu r =f ( I n)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I pu r min和最小起动电压Uu r min,继电器就可以动作。其中Ipu r min之值主要取决于在电流回路中形成

11、 方波时所需加入的最小电流。Upu.rUIm图3-5功率方向继电器的伏安特性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。功率方向 继电器可能出现电流潜动或电压潜动两种。所谓电压潜动，就是功率方向继电器仅 加入电压Um时产生的动作。产生电压潜动的 原因是由于中间变压器 YB的两个二次绕组 W、W的输出电压不等，当动作回路 YB的W2 端电压分量KyUm大于制动回路YB的W端电 压分量KyUm时，就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 使Im=O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Im时

12、产生的动作。产生电流潜动的原因是由于电抗变压器DKB两个二次绕组 W、W的电压分量KkIm不等，当W电压分量KkIm大于W端电压分量KkIm (也就是动作电压大 于制动电压)时，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R,使U=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，此时匕0,而I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。4.相间短路功率方向继电器的接线方式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，对其接图 3-6 COS =1 时 I a

13、、U BC的向量图线方式应提出如下要求。(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Ir和电压Ur应尽可能地大一些，并尽 可能使接近于最灵敏角lsen，以便消除和减小方向继电器的死区。为了满足以上要求，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Ia和电压Ubc相位相差90 。如图3-6所示，这个定义仅仅是为了称呼 的方便，没有什么物理意义。采用这种接线方式时，三个继电器分别接于I A、U BC，I B、Uca和Ic、Uab而构成三相式方向过电流保护接线图。在此顺便

14、指出，对功率方向继电 器的接线，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。（三）实验容本实验所采用的实验原理接线如图 3-8所示。图中，380V交流电源经移 相器和调压器调整后，由be相分别输入功率方向继电器的电压线圈， A相电 流输入至继电器的电流线圈，注意同名端方向。1 熟悉LG-11功率方向继电器的原理接线和相位仪的操作接线及试验原理。认真阅读LG-11功率方向继电器原理图（图3-7）和实验原理接线图（图 3-8 ），在图3-8上画出LGJ中的接线端子号和所需测量仪表接法。2 按实验线路接线，用相位仪检查接线极性是否正

15、确。将移相器调至0 ，合上电源开关加1A电流，20V电压观察分析相位仪 读数是否正确。若不正确，则说明输入电流和电压相位不正确，分析原因， 并加以改正。CZM1Q图3-7 LG-II功率方向继电器原理接线3 .功率方向继电器电压潜动现象检查实验LG-11功率方向继电器实验原理接线如图 3-8所示。图中，380V交流电 源经移相器和调压器调整后，由be相分别输入功率方向继电器的电压线圈， A相电流输入至继电器的电流线圈，注意同名端方向。图3-8 LG-11功率方向继电器实验原理接线图实验步骤如下：（1）熟悉LG-11功率方向继电器的原理接线和 电秒表的操作方法及试 验原理。认真阅读LG-11功率

16、方向继电器原理图3-7和实验原理接线图（图3-8）， 在图3-8上画出功率方向继电器LGJ中的接线端子号和所需测量仪表接法(2) 按实验原理线路图接线。(3) 调节三相调压器和单相调压器，使其输出电压为0V,将移相器调 至0度，将滑线电阻滑动触头移到其中间位置。(4) 合上三相电源开关、单相电源开关。(5) 打开电秒表电源开关，将其功能选择开关置于相位测量位置( “相 位”指示灯亮)，相位频率测量单元的开关拔到“外接频率”位置。(6) 调节三相调压器使移相器输出电压为 20V,调节单相调压器使电流 表读数为1A,观察分析电秒表读数是否正确。若不正确，则说明输入电流和电压相位不正确，分析原因，并

17、加以改正。(7) 在电秒表读数正确时，使三相调压器和单相调压器输出均为0V, 断开单相电源开关。检查功率继电器是否有潜动现象。电压潜动测量：将电流回路开路，对 电压回路加入110V电压；测量极化继电器JJ两端之间电压，若小于0.1V， 则说明无电压潜动。4用实验法测LG-11整流型功率方向继电器角度特性 UPu= f ()，并 找出继电器的最大灵敏角和最小动作电压。实验步骤如下：(1) 按图3-8所示原理接线图接线。(2) 检查接线无误后，合上三相电源开关、单相电源开关和直流电源开 关。(3) 调节单相调压器的输出电压使电流表的读数为1A，并保护此电流 值不变。(4) 在操作开关断开状态下，调

18、节三相调压器的输出电压，使电压表读 数为50V。(5) 调节移相器，在电压表为给定值的条件下找到使继电器动作(动作信 号灯由不亮变亮)的两个临界角度1、 2,将测量数据记录于表3-1中。(6) 保持电流为1A不变，调节三相调压器，依次降低电压值，重复步骤(5)的过程，给定电压为30V、20V情况下，使继电器动作的1、 2,并记录在表3-1中。表3-1 角度特性Uk = f ()实验数据记录表L/V805030201052.521/度38.0037.0037.5 36.5036.0035u24.502102/度-129.50-1300-130.50-1310-1250-125.50-117.50

19、-1150（7）保持电流为1A不变，将两个滑线电阻的滑动触点移到靠近移相器 输出be接线端，调节三相调压器使其输出电压为 30V。（8）合上操作开关BK调节两个滑线电阻的滑动触点使电压表读数为 10V。（9）断开操作开关BK（10）改变移相器的位置。（11）迅速合上开关BK检查继电器动作情况。（12） 重复步骤（9）至（11），找到使继电器动作的两个临界角度1、2，在断开开关BK的情况下，将电秒表的读数记录于表 3-1中。（13） 重复步骤（8）的过程，使电压表的读数分别为 5、2.5、2、1和 0.5V，再重复步骤（9）至（12）的过程，找出使继电器动作的最小动作电压 值。（14）实验完成后

20、，使调压器输出为 0,断开所有电源开关。（15） 计算继电器的最大灵敏角sen - 2，绘制角度特性曲线，并2标明动作区。5用实验法作出功率方向继电器的伏安特性Uu= f （Ir）和最小动作电压 实验步骤如下：（1） 调整功率方向继电器的角=30 ，调节移相器使=sen，并保持不变。（2） 实验接线与图3-8相同，检查接线无误后，合上三相电源开关、单 相电源开关和直流电源开关。（3）按照实验4）中步骤（7）和（8）介绍的方法将电压表读数调至表 3-2中的某一给定值。（4）调节单相调压器的输出，改变继电器输入电流的大小，当继电器动 作时，记录此时电流表的读数。（5）重复步骤（3）和（4），在依次给出不同的电压时，找出使继电器 动作（指示灯由不亮到亮）的相应的电流值，记入表 3-2中。注意找出使继 电器动作的最小电压和电流。表3-2 伏安特性Uu = f （ I r）实验数据记录表Uu/V10865321.510.5|r/AUpu (V)1008050302010