电力系统继电保护实验指导书.doc

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

目 录

一、前 言
（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：
(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。
（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。
测量
回路
逻辑
回路
执行
回路
跳闸或信号
被测物理量
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。

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1-2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。
KA
KT
KS
KM
TQ
发信号
QF
QF

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接点，继电器是否动作，容易看到，易于理解接受。
二、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. 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所组成。
当线圈中通过电流IKA 时，铁心中产生磁通Φ ，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）转动，从而使继电器接点闭合。电磁力Fe与磁通Φ 的 平方成正比，即
a
IKA
5
6
1
2
7
3
4
F
图2-1 DL系列电流继电器
FeΦ2
其中 F =
所以
式中， —─ 继电器线圈匝数；
—─ 磁通Φ 所经过的磁路的磁阻。
电磁转矩Me 等于电磁力Fe与转动舌片力臂的乘积，即
（2-1）
式中，— 与磁阻、线圈匝数和转动舌片力臂有关的一个系数。
从式（2-1）可知，作用于转动舌片上的电磁矩与继电器线圈中的电流IKA的平方成正比，因此，Me不随电流的方向而变化，所以，电磁型结构可以制造成交流或直流继电器。除电流继电器之外，应用电磁型结构的还有电压继电器、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：
（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）中用IOP代替IKA并取等号，移项后得：
（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d。
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M¢s必须大于电磁力矩M¢e及摩擦的作用力矩M¢。继电器的返回条件是：
（2-4）
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）中，用Ire代替IKA并取等号且移项后得：
（2-5）
返回电流Ire与动作电流IOP的比值称为返回系数Kre，即Kre=Ire/IOP。反应电流增大而动作的继电器IOP>Ire，因而Kre<1。对于不同结构的继电器，Kre不相同，且在0.1～0.98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

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，因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Kre<1；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，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：

A
~220V
KA
+
-
R
TY1
30W 5A 2A

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，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＝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/A
1

2

3

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：

~220V
KA
BK
计时停止
A
电秒表
计时
启动
TY1
a
o

图2-3 电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”，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
I
1.2A
1.5A
1.8A
2.4A
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
2
3
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（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：
~220V
KV
+
-
TY1
150V
V

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/V
1

2

3

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：

停止
KT

+
启动
电秒表
220V

－

BK

图2-5 时间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
1
2
3
平均
误差
变差
T/ms

表2-4 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

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）。

A
KA
+
a
o
~220V
KT
+
-
KS
-
KM
+
-
-
A
B

图2-6 过电流保护实验原理接线图
实验步骤如下：
①图2-6为多个继电器配合的过电流保护实验原理接线图。
②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。
③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。）
④调节单相调压器输出电压，逐步增加电流，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。
⑤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。
⑥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。

1QF
2QF
3QF
4QF
5QF
6QF
M
N
t1
t2
t3

t4
t5
t6
top
K3
K2
K1

(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：

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，电压为。电流通过电抗变压器DKB的一次绕组W1，二次绕组W2和W3端钮获得电压分量，它超前电流的相角就是转移阻抗的阻抗角jk，绕组W4用来调整jk的数值，以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，由两个二次绕组W2和W3获得电压分量，超前的相角为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+，加于整流桥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-，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a=90°-jk，当接入电阻R3时，阻抗角jk=60°，a=30°；当接入电阻R4时，jk=45°，a=45°。因此，继电器的最大灵敏角jlsen=-a，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，必须满足的条件。所以在»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。
－45°
－30°
Ir
KiIr
KuUr
KuUr
5
6
*
*
*
*
BZ1
BZ2
7
8
*
*
Y
DK

*
W1
W2
W3
W4
W2
W3
W1
DKB
YB
C1
Um
Im
R1
R2

(a)
R5
c5
11
12
JJ

R5
BZ2
JJ
9
10
2QF
R6
C2
C4
C3
BZ1

(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
最大灵敏线
动作区
非动作区
a
O
a
jk
图33 LG-11型功率方向继电器的
动作特性（a为30°或45°）

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a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，即处于灵敏角jsen=-a情况下，电压分量与超前为90°相角的电压分量相重合。
通常功率方向继电器的动作特性还有下面两种表示方法：
jm
Upu.r.min
Upu.r
60°
0°
-30°
-120°
图3-4 功率方向继电器（j=30°）的角度特性
（1）角度特性：表示Im固定不变时，继电器起动电压Upu×t =f(jm)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jsen=-a。当jk=60°时，jsen=-30°，理想情况下动作范围位于以jsen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×r×min基本上与jr无关，当加入继电器的电压Ur＜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jm=jsen固定不变时，继电器起动Upu×r =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Ipu×r×min和最小起动电压Upu×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方波时所需加入的最小电流。
Im
Ipu.r.min
Upu.r.min
Upu.r
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端电压分量大于制动回路YB的W3端电压分量时，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的电压分量不等，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，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，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。
90°
图3-6 cosj=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和电压应尽可能地大一些，并尽可能使jr接近于最灵敏角jlsen，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 cosj=1时，加入继电器的电流如和电压相位相差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、，、和、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。

*
BZ2
BZ1
JJ
R
R
C2
C4
C3
JJ常开触点
－45°
－30°
KiIr
KuUr
KuUr
KiIr
Ur
*
*
*
BZ2
*
7
8
11
12
*
*
*
Y
C1
*
Ir
5
6
DKB
YB
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。
A
B
C
O
移
相
器
相位仪
LGJ
b

c
R

三
相
调
压
器
220
TY 1
30W/5A 2A
A
V
BK

a

0

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（j），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j1、j2 ，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j1、j2，并记录在表3-1中。
表3-1 角度特性Upu = f（j）实验数据记录表
U/V
50
30
20
10
5
2.5
2
1
j1/度

j2/度

（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bc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j1、j2 ，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，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，绘制角度特性曲线，并标明动作区。
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j=30°，调节移相器使j = jsen，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Upu = f（Ir）实验数据记录表
Upu/V
10
8
6
5
3
2
1.5
1
0.5
Ir/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