电力系统继电保护实验指导书

1、电力系统继电保护原理实验指导书陈明军2011.7浙江工业大学信息工程学院电气工程系、八'、刖(一) 继电保护的任务与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。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：

2、(1) 根据短路故障时电流的增大，可构成过电流保护；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(Z U )的变化，可构成距离保护；I(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。(二) 继电保护的基本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7

3、0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。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，然后输出相应的讯号至逻辑回路。逻辑回路2的作用是根据测量回路的输出讯号进行逻辑判断，以确定是否向执行回路发出相 应的

4、讯号。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。被测物理量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1-2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的接点不闭合，没有输出 讯号至逻辑回路（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的接点闭合，接通逻辑回 路，经逻辑判断（此电路为延时判断）后，时间继电器的接点闭合，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。由图1-2可以看到：（1）电磁型继电保护是由

5、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接点，继电器是否动作，容易看到， 易于理解接受。、电磁型电压、电流继电器特性实验(一) 实验目的1. 了解继电器基本分类方法及其结构；2. 熟悉几种常用继电器，如电流继电器、电压继电器、时间继电器、中 间继电器、信号继电器等；3. 学会调整、测量电磁型继电器的动作值、返回值，并计算返回系数；4

6、. 测量电磁型继电器的时间特性；5. 了解多种继电器配合实验。(二) 继电器的类型与认识 继电器是电力系统常规继电保护的主要元件， 它的种类繁多， 原理与作用 各异。1继电器的分类 继电器按所反应的物理量的不同可分为电量与非电量的两种， 属于非电量 的有瓦斯继电器、速度继电器等，反应电量的种类比较多，一般分类如下：(1) 按动作原理可分为： 电磁型、感应型、整流型、晶体管型、 微机型等；(2) 按继电器所反应的电量性质可分为电流继电器、 电压继电器、 功率继 电器、阻抗继电器、频率继电器等；(3) 按继电器的作用可分为起动动作继电器、中间继电器、时间继电器、 信号继电器等。近年来电力系统中已大

7、量使用微机保护， 整流型和晶体管型继电器以及感 应型，电磁型继电器使用量已有减少。2电磁型继电器的构成原理 继电保护中常用的有电流继电器、 电压继电器、 中间继电器、信号继电器、 阻抗继电器、功率方向继电器、差动继电器等。下面仅就常用的电磁型继电器的构成及原理作简要介绍。（1）电磁型电流继电器电磁型继电器的典型代表是电磁型电流继电器，它既是实现电流保护的 基本元件，也是反应故障电流增大而自动动作的一种电器。下面通过对电磁型电流继电器的分析，来说明一般电磁型继电器的工作 原理和特性。图2-1为DL系列电流继电器的结构图，它由固定接点 1、可动 接点2、线圈3、铁心4、弹簧5、转动舌片6、止挡7所

8、组成。当线圈中通过电流Ika时，铁心中产生磁通 ，它通过由铁心、空气隙和 转动舌片组成的磁路，将舌片磁化，产生电磁力Fe,形成一对力偶。由这对力偶所形成的电磁转矩，将使转动舌片按磁阻减小的方向（即顺时针方向） 从而使继电器接点闭合。电磁力 Fe与磁通的平方成正比，即转动,K12其中所以=I KA N KARcFe KiIKaNKaRC式中,KA继电器线圈匝数;tf51 -6RC -磁通所经过的磁路的磁阻电磁转矩Me等于电磁力Fe与转动舌 片力臂Ika的乘积，即2-1 DL系列电流继电器M eFel KAN ka 22K17IKA K2IKA(2-1)Fe式中，K2 KiIka%与磁阻、线圈匝数

9、和转动舌片力臂有关的一个系数。作用于转动舌片上的电磁矩与继电器线圈中的电流IKAMe不随电流的方向而变化，所以，电磁型结构可以制 除电流继电器之外，应用电磁型结构的还有电压继RC从式（2-1）可知， 的平方成正比，因此， 造成交流或直流继电器 电器、时间继电器、中间继电器和信号继电器。为了使继电器动作（衔铁吸持，接点闭合），它的平均电磁力矩 Me必须大 于弹簧及摩擦的反抗力矩之和（Ms+M）。所以由式（2-1）得到继电器的动作条件是：N KA 2MeMS M(2-2 )当IKA达到一定值后，上式即能成立，继电器动作。能使继电器动作的最 小电流称为继电器的动作电流，用Iop表示，在式（2-2）中

10、用Iop代替Ika并 取等号，移项后得：I OPRc M s MN KA l K1lKA(2-3)从式（2-3）可见，Iop可用下列方法来调整:（1）改变继电器线圈的匝数Nka；（2）改变弹簧的反作用力矩Ms；（3）改变能引起磁阻Rc变化的气隙。当Ika减小时，已经动作的继电器在弹簧力的作用下会返回到起始位置。为使继电器返回，弹簧的作用力矩Ms必须大于电磁力矩Me及摩擦的作用力矩M 。继电器的返回条件是：N 2Ms Me M ©Ika 二点 M（2-4）Rc2当Ika减小到一定数值时，上式即能成立，继电器返回。能使继电器返回的最大电流称为继电器的返回电流，并以Ire表之。在式（2-4

11、）中，用Ire代替Ika并取等号且移项后得：reRc M s MNka ：K21 KA(2-5)返回电流Ire与动作电流I OP的比值称为返回系数 Kre，即Kre=I re/I0P。反 应电流增大而动作的继电器I0P>Ire，因而Kre<1。对于不同结构的继电器，Kre 不相同，且在0.10.98这个相当大的范围内变化。（2）电磁型电压继电器电压继电器的线圈是经过电压互感器接入系统电压Us的，其线圈中的电流为IrUr乙式中：Ur加于继电器线圈上的电压，等于Us/npT （ npT为电压互感器的变比）；Zr 继电器线圈的阻抗。继电器的平均电磁力 Fe KI r2 K U s2 ，因

12、而它的动作情况取决于系统电压Us。我国工厂生产的DY系列电压继电器的结构和 DL系列电流继电器相同。 它的线圈是用温度系数很小的导线(例如康铜线)制成，且线圈的电阻很大。DY 系列电压继电器分过电压继电器和过电压继电器两种。 过电压继电器 动作时，衔铁被吸持，返回时，衔铁释放；而过电压继电器则相反，动作时 衔铁释放，返回时，衔铁吸持。亦即过电压继电器的动作电压相当于过电压 继电器的返回电压；过电压继电器的返回电压相当于过电压继电器的动作电 压。因而过电压继电器的Krevl;而过电压继电器的Kre>1。DY系列电压继电 器的优缺点和 DL 系列电流继电器相同。 它们都是接点系统不够完善，

13、在电流 较大时，可能发生振动现象。接点容量小不能直接跳闸。(3) 时间继电器特性 时间继电器是用来在继电保护和自动装置中建立所需要的延时。 对时间继电器的要求是时间的准确性，而且动作时间不应随操作电压在运行中可能的 波动而改变。电磁型时间继电器由电磁机构带动一钟表延时机构组成。 电磁起动机构采 用螺管线圈式结构，线圈可由直流或交流电源供电，但大多由直流电源供电。其电磁机构与电压继电器相同， 区别在于：当它的线圈通电后， 其触点须 经一定延时才动作，而且加在其线圈上的电压总是时间继电器的额定动作电 压。时间继电器的电磁系统不要求很高的返回系数。 因为继电器的返回是由保 护装置起动机构将其线圈上的

14、电压全部撤除来完成的。(4) 中间继电器特性 中间继电器的作用是：在继电保护接线中，用以增加接点数量和接点容量，实现必要的延时，以适应保护装置的需要。它实质上是一种电压继电器， 但它的触点数量多且容量大。 为保证在操作 电源电压降低时中间继电器仍能可靠地动作，因此中间继电器的可靠动作电 压只要达到额定电压的 70%即可，瞬动式中间继电器的固有动作时间不应大 于 0.05 秒。(5) 信号继电器特性信号继电器在保护装置中，作为整组装置或个别元件的动作指示器。 按电 磁原理构成的信号继电器，当线圈通电时，衔铁被吸引，信号掉牌（指示灯 亮）且接点闭合。失去电源时，有的需手动复归，有的电动复归。信号继

15、电 器有电压动作和电流动作两种。（三）电流继电器特性实验电流继电器动作、返回电流值测试实验。实验电路原理图如图2-2所示：图2-2电流继电器动作电流值测试实验原理图实验步骤如下：（1）按图接线，将电流继电器的动作值整定为1A，使调压器输出指示为 0V （严格检查！），滑线电阻的滑动触头放在中间位置。（2）检查接线无误后，先合上三相电源开关（对应指示灯亮），再合上单 相电源开关和直流电源开关。（3）慢慢调节调压器使电流表读数缓慢升高，靠近整定值附近时可调变 阻器直到继电器动作，记下继电器刚动作（动作信号灯 XD1亮）时的最小电 流值，即为动作值。（4）继电器动作后，再调节变阻器使电流值平滑下降，

16、记下继电器返回 时（指示灯XD1灭）的最大电流值，即为返回值。（5）重复步骤（3）至（4），测三组数据。（6）实验完成后，使调压器输出为0V，断开所有电源开关。（7）分别计算动作值和返回值的平均值即为电流继电器的动作电流值和 返回电流值。(8) 计算整定值的误差、变差及返回系数。误差=动作最小值-整定值/整定值变差=动作最大值动作最小值 /动作平均值100%返回系数二返回平均值/动作平均值表2-1电流继电器动作值、返回值测试实验数据记录表动作值/A返回值/A123平均值误差整定值Izd变差返回系数(四) 电流继电器动作时间测试实验电流继电器动作时间测试实验原理图如图 2-3所示:ao图2-3电

17、流继电器动作时间测试实验电路原理图实验步骤如下：(1) 按图接线，将电流继电器的常开触点接在电秒表的 “输出T和“公 共线”,将开关BK的一条支路接在电秒表的“输入 2”和“公共线”，使调压 器输出为0V，将电流继电器动作值整定为 1A，滑线电阻的滑动触头置于其 中间位置。(2) 检查接线无误后，先合上三相电源开关，再合上单相电源开关。(3) 打开电秒表电源开关，使用其时间测量功能(对应“时间”指示灯亮），工作方式选择开关置“连续”位置，按“清零”按钮使电秒表显示清零（4） 慢慢调节调压器使其输出电压匀速升高，使继电器的电流为1.2A（5）先拉开刀闸（BK），复位电秒表，使其显示为零，然后再迅

18、速合上BK，电秒表显示的时间即为动作时间，将时间测量值记录于表2-2中。（6）重复步骤（5）的过程，测三组数据，计算平均值，结果填入表2-2中。 表2-2电流继电器动作时间测试实验数据记录表I1.2A1.5A1.8A2.4A123平均123平均123平均123平均T/ms（7）先重复步骤（4）,使加入继电器的电流分别为1.5A、1.8A、2.4A， 再重复步骤（5）和（6），测量此种情况下的继电器动作时间，将实验结果记录于表2-2。（8）实验完成后，使调压器输出电压为 0V，断开所有电源开关（9）分析四种电流情况时读数是否相同，为什么？（五）电压继电器特性实验电压继电器动作、返回电压值测试实验

19、（以 DY-32过电压继电器为例）过电压继电器动作值测试实验电路原理图如下图2-4所示:图2-4过电压继电器动作值测试实验电路原理图实验步骤如下：（1）按图接线，检查接线无误后，将过电压继电器的动作值整定为 48V， 使调压器的输出电压为0V,合上三相电源开关和单相电源开关及直流电源开关（对应指示灯亮），这时动作信号灯XD1不亮。（2）调节调压器输出，使其电压从 0V慢慢升高，直至过电压继电器常 开触点闭合（XD1亮）。记下继电器刚动作时的最小电压值， 将数据记录于表 2-3中（3）调节调压器使其电压缓慢降低，记下继电器刚动作（动作信号灯XD1 刚灭）时的最大电压值，即为返回值，将数据记录于表

20、2-3中。表2-3过电压继电器动作值、返回值测试实验数据记录表动作值/V返回值/V123平均值误差整定值Uset变差返回系数（4）重复步骤（2）和（3），测三组数据。分别计算动作值和返回值的平 均值，即为过电压继电器的动作值和返回值。（6）实验完成后，将调压器输出调为 0V，断开所有电源开关。（7）计算整定值的误差、变差及返回系数。（六）时间继电器特性测试实验时间继电器特性测试实验电路原理接线图如图 2-5所示：实验步骤如下：（1）按图接好线路，将时间继电器的常开触点接在电秒表的“输入 1”和 “公共线”，将开关BK的一条支路接在电秒表的“输入2”和“公共线”，调整时间整定值，将静触点时间整定

21、指针对准一刻度中心位置，可整定在 4秒位置。（2）合上三相电源开关和单相电源开关及直流电源开关，打开电秒表电 源开关，使用其时间测量功能（对应“时间”指示灯亮），使电秒表时间测量工作方式选择开关置“连续”位置，按“清零”按钮使电秒表显示清零（3） 断开BK开关，按“清零”按钮使电秒表显示清零，再迅速合上BK， 采用迅速加压的方法测量动作时间。（4）重复步骤（3），测量三次，将测量时间值记录于表 2-4中，且第一 次动作时间测量不计入测量结果中。整定值123平均误差变差T/ms时间继电器动作时间测试（5）实验完成后，断开所有电源开关。（6）计算动作时间误差。（七）多种继电器配合实验过电流保护实验

22、该实验内容为将电流继电器、时间继电器、信号继电器、中间继电器、调 压器、滑线变阻器等组合构成一个过电流保护。要求当电流继电器动作后， 启动时间继电器延时，经过一定时间后，启动信号继电器发信号和中间继电 器动作跳闸（指示灯亮）。实验步骤如下： 图2-6为多个继电器配合的过电流保护实验原理接线图。 按图接线，将滑线变阻器的滑动触头放置在中间位置，实验开始后可以通过改变滑线变阻器的阻值来改变流入继电器电流的大小。将电流继电器动 作值整定为2A，时间继电器动作值整定为4秒。 经检查无误后，依次合上三相电源开关、单相电源开关和直流电源开关。（各电源对应指示灯均亮。 ） 调节单相调压器输出电压， 逐步增加

23、电流， 当电流表电流约为 1.8A 时， 停止调节单相调压器，改为慢慢调节滑线电阻的滑动触头位置，使电流表数 值增大直至信号指示灯变亮。仔细观察各种继电器的动作关系。 调节滑线变压器的滑动触头，逐步减小电流，直至信号指示灯熄灭。 仔细观察各种继电器的返回关系。 实验结束后，将调压器调回零，断开直流电源开关，最后断开单相电 源开关和三相电源开关。（八）思考题1. 电磁型电流继电器、电压继电器和时间继电器在结构上有什么异同点？2. 如何调整电流继电器、电压继电器的返回系数？3. 电磁型电流继电器的动作电流与哪些因素有关？4. 过电压继电器和低电压继电器有何区别？5. 在时间继电器的测试中为何整定后

24、第一次测量的动作时间不计？6. 详细描述多种继电器配合实验的动作关系和返回关系。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

25、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&g

26、t;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。（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

27、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t5Vt3Vtl 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

28、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：Kklm KyUm Kklm K yUm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Im ,电压为Um。电流I m通过电抗变压器DKB的一次绕组 W1,二次绕组 W2和W3端钮获得电压分量 心咕, 它超前电流Im的相角就是转移阻抗Kk的阻抗角k,绕组W4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Cl接入中间变压器YB的一 次绕组 Wl，由两个二次绕组 W2和 W获得电压分量KyUm，KyU

29、m超前Um的 相角为90。DKB和YB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Kylm + KyUm，加于整流桥BZ1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KyIm 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 W4所接的电阻值来实现的。继电器的内角 =90°k,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 ls

30、en= ，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Um 0,动作方程为KkIm KkIm ,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 Ua Ub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。R1BZYB：二'.6R695RF(a)YBZ1m 山 Km kK2 z B2 cc4mu 8 T 士 T _ 卜卜卜1-卜卜c 丰-I

31、(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, 在一定的时间内YB的二次绕组端钮有电压分量KyUm存在，就可以继

32、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 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KyU m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Im固定不变时，继电器起动电压Upu t =f(m)

33、的1Upu.r .iH11111111111U 1 i niiii11Hi>V11i1jfai -120-30 060图3-4 功率方向继电器(=30 )的角度特关系曲线。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Upu rmin基本上与r无关，当加入继电器的电压UrV Upu r min时，继电器将不能起动，这就是出现“电压死区”的原因。(2)伏安特性：表示当 m= sen固定不变时，继电器起动 Upu r =f(|m) 的关系曲线。在理想情况下，该曲线

34、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 Ipu r min和最小起动电压Upu r min，继电器就可以动作。其中Ipu rmin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。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 W3、 W2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W3端电压 分量K

35、yUm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Im时产生的动作。产生 电流潜动的原因是由于电抗变压器 DKB两个二次绕组 W2、W3的电压分量 KkIm不等，当W2电压分量KkIm大于W3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Um 0,而Im很大，

36、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 线方式应提出如下要求。图 3-6 cos =1 时 Ia、Ubc的向量图（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r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I a

37、和电压U bc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 IA、u BC，I B、uca和ic、U ab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）实验内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bc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

38、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。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bc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

39、方向a0A心B -C cO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

40、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

41、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Upu= f（）实验数据记录表U/V5030201052.5211/度2/度（7）保持电流为1A不变，将两个滑线

42、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(14) 实验完成后，使调压器输出为 0,断开所有电源开关。(15) 计

43、算继电器的最大灵敏角sen -2，绘制角度特性曲线，并标2明动作区。5用实验法作出功率方向继电器的伏安特性Upu= 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内角=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

44、(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Upu = f (Ir)实验数据记录表Upu/V10865321.510.5Ir/A(6) 实验完成后，使所有调压器输出电压为 0V，断开所有电源开关(7) 绘出Upu= f ( Ir)特性曲线。(四) 思考题1. 功率方向继电器为什么会有死区？应如何消除死区？2. 用相量图分析加入功率方向继电器的电压、电流极性发生变化对动作 特性的影响。3. LG-11整流型功率方向继电器的动作区是否等于180度？为什么？4. 整流型功率方向继电器的角度特性与感应型功率方向继电器角度特性有什么差异？

45、5. 功率方向继电器为什么要采用90 接线？用0 接线行不行?6. 改变内角 对保护动作性能有何影响？它有何实质意义？7. 角度特性及伏安特性有什么用途？四、方向阻抗继电器特性实验一）实验目的1. 熟悉整流型 LZ-21 型方向阻抗继电器的原理接线图，了解其动作 特性。2. 测量方向阻抗继电器的静态 Z pu f 特性，求取最大灵敏角。3. 测量方向阻抗继电器的静态 Z pu f Ir 特性，求取最小精工电流。4. 研究方向阻抗继电器记忆回路和引入第三相电压的作用二） LZ-21 型方向阻抗继电器简介1距离（阻抗）保护的作用在电力系统日益扩大，电压水平愈来愈高，以及系统运行方式多变的情 况下，

46、电流，电压保护难于满足电网对保护的要求。例如，高压长距离重负 荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流的数值与负荷电流相 差不大，电流保护往往不能满足灵敏度的要求。另外，电流，电压保护的灵 敏度（保护范围）随系统运行方式的变化而变化，在某些运行方式下，无时 限速断或带时限速断保护范围将变得很小，甚至没有保护区。因此，在高电 压电网中，需要有适用于容量大，电压高，结构复杂运行方式多变电网的保 护装置，距离（阻抗）保护就是适应此要求的一种。所谓距离保护，就是指反应保护安装处至短路故障点的距离，并根据这 一距离的远近而确定是否动作的保护装置。与电流，电压保护一样，距离保 护也有一个保护范围，

47、短路发生在这一范围内，保护动作，否则不动作。这 个保护范围通常是用给定阻抗值的大小来实现的，这个给定阻抗称为整定阻 抗（用Zset表示）,当线路发生短路时若距离保护测量到的阻抗（用Zm表示），小于整定阻抗Zset,即ZmV Zset,则保护动作，若Zm > Zset,则保护不动作。因 此，距离保护实际上是一种低动作量的阻抗保护。2 阻抗保护继电器的基本构成原理（1） LZ-21型方向阻抗继电器构成原理及整定方法距离保护能否正确动作，取决于保护能否正确地测量从短路点到保护安装 处的阻抗，并使该阻抗与整定阻抗比较，这个任务由阻抗继电器来完成。阻抗继电器的构成原理可以用图 4-1来说明。图中，

48、若K点三相短路，短 路电流为Ik,由PT回路和CT回路引至比较电路的电压分别为测量电压Um和整定电压Uset，那么1nPT nYBIkZkmZ(4-1)(4-2)1nCTImZ|图4-1阻抗继电器的构成原理说明图1比较电路2 输出式中：nPT、nYB电压互感器和电压变换器的变比; Zk母线至短路点的短路阻抗。当认为比较回路的阻抗无穷大时，贝1U setI K Z inCT式中：乙一人为给定的模拟阻抗。比较式（4-1）和式（4-2）可见, 若假设npt nYB ncT，则短路时，由 于线路上流过同一电流Ik,因此在比 较电路上比较Uset和Um的大小，就等 于比较乙和Zm的大小。如果 Um Us

49、et，则表明Zm乙，保护应 不动作；如果Um U set，则表明 Zm Zi ,保护应动作。阻抗继电器 就是根据这一原理工作的。我们知道了电抗变压器 DKB的副方电势E2与原方电流丨1成线性关系, 即E2 K|l1, K|在此是一个具有阻抗量纲的量，当改变DKB原方绕组的匝数 或其它参数时，可以改变Ki的大小。电抗变压器的Ki值即为模拟阻抗 乙。在图4-1中，若在保护范围的末端发生短路，即 Zk Zset，那么比较电路将处于临界动作状态，即Um U set,这时由式（4-1 ）和式（4-2）可得1 (1 K Z set1ncTIk乙Z setnPT nYBKu乙ZinCTKu(4-3)n pt

50、 “yb1nCTKunPT nYB式中Ku式（4-3）表明，整定阻抗Zset是一个与DKB的模拟阻抗乙和电压变换器YB的变比有关的阻抗。当适当调节 DKB原方绕组的匝数和调节 nYB的大小 时，可以得到不同的整定阻抗值。例如：当 npT=1，nct=1，Zi=2 时，若要 整定阻抗为Zse=20 ，则YB抽头可选10匝。（2）LZ-21型方向阻抗继电器原理图分析图4-2为其原理图。由CT引入的电流Ict 上接于电抗变压器DKB的nCT原方端子1, 2, 3, 4。在它的副方，得到正比于原方电流的电压，DKB的原方有几个抽头，当改变抽头位置时，即可改变Zi值。由PT引入的电压Upt b 接于电压

51、变换器YB的原方端子5,6,7,用于引入电压Ua,Ub,Uc， nPTYB副方每一定匝数就有一个抽头，改变抽头的位置即可改变“yb,也可改变Zset的大小。JJ为具有方向性的直流继电器（又称极化继电器）。端子9, 10, 11为极化继电器接点桥的输出。端子12, 13, 14为继电器I,U段切换的接 点。当12, 13连通时，1段接通。当12, 14连通时，U段接通。LZ-21型方向阻抗继电器面板上有压板 Y用于调整最大灵敏角。9 1110r tV1I*tV2J LJ$ JI段f 13.- J- - I'II 段4 :-YB（3） LZ-21阻抗继电器比相电路分析LZ-21阻抗继电器执

52、行元件的环形整形比相电路，如图4-3（a）所示，它实际是一相敏整流电流，其输入端分别接入比相的两电气量Uc、Ud，输出电压Umn平均值的大小和极性与输入端电压 UC、UD的相位有关。为了提高比 相回路的输出电压，在二极管支路中串入相同的电阻 R1R4，适当选取它们的 电阻值，有利于提高继电器的动作速度。滤波电容C1C4,是为了滤去交流分 量，以防止执行元件抖动，保证阻抗继电器动作特性圆的边界明确，同时提 高了继电器的灵敏度，电容 C的数值，也要适当选取。这一电路的等效电路 如图（b）所示，图中E1 U1 U2， E2 U1 U2。正半周时，E1和E2分别产生电流丨1和丨2，并分别通过电阻RJJ

53、1和RJJ2； 负半周时，E1和E2分别产生电流I1和12，并分别通过电阻RJJ2和RJJ1;输出 电压为：Umn RjJ1 （i1 i2） RjJ2（h i2 ）YB2D21R3Ci _J3C1KD21图4-3R1mR1KDD.0DiRi1mR2D)2R4D41E1£?极化继电器作执行元件的环形整流比相回路（a）原理图；（b）等效电路 相敏整流电路输出电压 U mn平均图4-4环形整流比相电路输出电压平均值U mnpj与比相角B的关系曲线值的大小和极性与输入端电压 Uc、U D的相位有关。图中U1和Uc同相，U D与U2同相。Uc和Ud之间的相位B变化时，输出电压Umn平均值的大小

54、和极性变化情况的分析，可参阅有关资料。由分析可知，环形整流比相回路Umn与两比相电气量相位角B之间的关系 如图4-4所示，由图可见，当=0 时，Umn pj为正最大值；当 =90时，Umn pj=0 ；当=180 时，Umn pj为负最大值。显然，输出电压平 均值为正值的比相角的范围是：9090此式满足LZ-21型方向阻抗继电器对比相回路动作条件的要求。(4)LZ-21型方向阻抗继电器的死区及消除办法方向阻抗继电器在保护安装处正向出口发生金属性短路时，其测量电压Um值小于继电器的最小动作电压，继电器将拒绝动作，这一不动作区通常称 为方向阻抗继电器的死区，方向阻抗继电器必须消除死区才能正确工作。LZ-21型方向阻抗继电器为消除死区，在继电器的相位比较电气量中引入 与测量电压Um同相位的带有记忆作用的极化电压 Up，引入了极化电压后， 方向阻抗继电器的动作方程为：90arg