電力系統(tǒng)繼電保護實驗指導書

1、三、功率方向繼電器特性實驗 （一）實驗目的1. 學會運用相位測試儀器測量電流和電壓之間相角的方法。2. 掌握功率方向繼電器的動作特性、接線方式及動作特性的試驗方法。3. 研究接入功率方向繼電器的電流、電壓的極性對功率方向繼電器的動作特性的影響。 （二）LG-11型功率方向繼電器簡介1電流保護中引入方向判別的必要性在單側電源的電網中，電流保護能滿足線路保護的需要。但是，在兩側電源的電網（包括單電源環(huán)形電網）中，只靠電流定值和動作時限的整定不能完全取得動作的選擇性?，F(xiàn)以圖3-1所示的兩端供電電網為例，分析電流速斷保護和過電流保護的行為。先觀察兩側電源的電網上發(fā)生短路時，電流速斷保護的動作行為。因為

2、電流速斷保護沒有方向性，所以只要短路電流大于它的整定值就可以動作。從圖3-1中可以看出，當k1點發(fā)生短路時，4QF的電流速斷保護可以動作，5QF也可以動作。如果4QF先于5QF動作，就擴大了停電范圍。同樣，在k2點發(fā)生短路時，2QF和5QF可能在電流速斷保護作用下，非選擇性地動作。所以，在兩側電源供電的電網中，斷路器流過反向電源提供的短路電流時，電流速斷保護有可能失去選擇性而誤動。再從圖3-1（c）分析過電流保護的動作行為。k2點短路時，要求3QF、4QF先于2QF、5QF動作，即要求t2t3，t5t4；而在K1、K3點短路時，要求5QF先于4QF動作，2QF先于3QF動作，即要求t4t5，t

3、3t2。這是矛盾的，顯然是不可能實現(xiàn)的。因為過電流保護的動作時間是不可能隨意更改的，所以，在兩側電源供電的電網中，過電流保護也可能失去選擇性。1QF2QF3QF4QF5QF6QFMNt1t2t3t4t5t6topK3K2K1 (a) (b) (c)圖3-1 雙側電源電網電流保護動作行為分析（a）系統(tǒng)圖 （b）兩側電流與保護配合關系 （c）時間配合圖為了保證選擇性，應該在保護回路中加方向閉鎖，構成方向性電流保護。要求只有在流過斷路器的電流的方向從母線側流向線路側時，才允許保護動作。由于規(guī)定了電流從母線流向線路時為保護動作的方向，因此，可以利用功率方向繼電器來做到這一點。采用功率方向繼電器以后，圖

4、3-1（a）雙電源系統(tǒng)就可以分為兩個單端電源的保護系統(tǒng)。即雙號斷路器的保護是一個保護系統(tǒng)，它負責切除由電源N供給的短路功率；單號斷路器的保護又是一個保護系統(tǒng)，它負責切除電源M供給的短路功率。保護的動作時間的選擇就可按階梯原則來進行。即t5t3t1和t6t4t2。由此可見，方向過電流保護就是由過電流保護加裝功率方向繼電器構成。在方向過電流保護的單相原理圖中，當正方向區(qū)內故障時，只有功率方向元件和電流元件都動作，保護才能動作跳閘。由此可知，功率方向繼電器是多電源網絡保證保護動作有選擇性的重要元件。2LG-11整流型 功率方向繼電器的工作原理LG-11型功率方向繼電器是目前廣泛應用的整流型功率方向繼

5、電器，其比較幅值的兩電氣量動作方程為：繼電器的接線如圖3-2所示，其中圖（a）為繼電器的交流回路圖，也就是比較電氣量的電壓形成回路，加入繼電器的電流為，電壓為。電流通過電抗變壓器DKB的一次繞組W1，二次繞組W2和W3端鈕獲得電壓分量，它超前電流的相角就是轉移阻抗的阻抗角jk，繞組W4用來調整jk的數值，以得到繼電器的最靈敏角。電壓經電容C1接入中間變壓器YB的一次繞組W1，由兩個二次繞組W2和W3獲得電壓分量，超前的相角為90。DKB和YB標有W2的兩個二次繞組的聯(lián)接方式如圖所示，得到動作電壓+，加于整流橋BZ1輸入端；DKB和YB標有W3的二次繞組的聯(lián)接方式如圖所示，得到制動電壓-，加于整

6、流橋BZ2輸入端。圖（b）為幅值比較回路，它按循環(huán)電流式接線，執(zhí)行元件采用極化繼電器JJ。繼電器最大靈敏角的調整是利用改變電抗變壓器DKB第三個二次繞組W4所接的電阻值來實現(xiàn)的。繼電器的內角a=90-jk，當接入電阻R3時，阻抗角jk=60，a=30；當接入電阻R4時，jk=45，a=45。因此，繼電器的最大靈敏角jlsen=-a，并可以調整為兩個數值，一個為-30，另一個為-45。當在保護安裝處正向出口發(fā)生相間短路時，相間電壓幾乎將降為零值，這時功率方向繼電器的輸入電壓0，動作方程為，即。由于整流型功率方向繼電器的動作需克服執(zhí)行繼電器的機械反作用力矩，也就是說必須消耗一定的功率（盡管這一功率

7、的數值不大），因此，要使繼電器動作，必須滿足的條件。所以在0的情況下，功率方向繼電器動作不了，因而產生了電壓死區(qū)。4530IrKiIrKuUrKuUr56*BZ1BZ278*YDK*W1W2W3W4W2W3W1DKBYBC1UmImR1R2 (a)R5c51112JJR5BZ2JJ9102QFR6C2C4C3BZ1(b)圖3-2 LG-II 功率方向繼電器原理接線圖(a)交流回路圖 (b)直流回路圖為了消除電壓死區(qū)，功率方向繼電器的電壓回路需加設“記憶回路”，就是需電容C1與中間變壓器YB的繞組電感構成對50Hz串聯(lián)諧振回路。這樣當電壓突然降低為零時，該回路中電流并不立即消失，而是按50Hz諧

8、振頻率，經過幾個周波后，逐漸衰減為零。而這個電流與故障前電壓同相，并且在諧振衰減過程中維持相位不變。因此，相當于“記住了”短路前的電壓的相位，故稱為“記憶回路”。由于電壓回路有了“記憶回路”的存在，當加于繼電器的電壓0時，在一定的時間內YB的二次繞組端鈕有電壓分量存在，就可以繼續(xù)進行幅值的比較，因而消除了在正方向出口短路時繼電器的電壓死區(qū)。在整流比較回路中，電容C2和C3主要是濾除二次諧波，C4用來濾除高次諧波。3功率方向繼電器的動作特性最大靈敏線動作區(qū)非動作區(qū)aOajk圖3-3 LG-11型功率方向繼電器的動作特性（a為30或45）繼電器的動作特性如圖3-3所示，臨界動作條件為垂直于最大靈敏

9、線通過原點的一條直線，動作區(qū)為帶有陰影線的半平面范圍。最大靈敏線是超前為a角的一條直線。電流的相位可以改變，當與最大靈敏線重合時，即處于靈敏角jsen=-a情況下，電壓分量與超前為90相角的電壓分量相重合。通常功率方向繼電器的動作特性還有下面兩種表示方法：jmUpu.r.minUpu.r600-30-120圖3-4 功率方向繼電器（j=30）的角度特性（1）角度特性：表示Im固定不變時，繼電器起動電壓Uput =f(jm)的關系曲線。理論上此特性可用圖3-4表示，其最大靈敏角為jsen=-a。當jk=60時，jsen=-30，理想情況下動作范圍位于以jsen為中心的90以內。在此動作范圍內，繼

10、電器的最小起動電壓Upurmin基本上與jr無關，當加入繼電器的電壓UrUpurmin時，繼電器將不能起動，這就是出現(xiàn)“電壓死區(qū)”的原因。（2）伏安特性：表示當jm=jsen固定不變時，繼電器起動Upur =f(Im)的關系曲線。在理想情況下，該曲線平行于兩個坐標軸，如圖3-5所示，只要加入繼電器的電流和電壓分別大于最小起動電流Ipurmin和最小起動電壓Upurmin，繼電器就可以動作。其中Ipurmin之值主要取決于在電流回路中形成方波時所需加入的最小電流。ImIpu.r.minUpu.r.minUpu.r圖3-5 功率方向繼電器的伏安特性在分析功率方向繼電器的動作特性時，還要考慮繼電器的

11、“潛動”問題。功率方向繼電器可能出現(xiàn)電流潛動或電壓潛動兩種。所謂電壓潛動，就是功率方向繼電器僅加入電壓時產生的動作。產生電壓潛動的原因是由于中間變壓器YB的兩個二次繞組W3、W2的輸出電壓不等，當動作回路YB的W2端電壓分量大于制動回路YB的W3端電壓分量時，就會產生電壓潛動現(xiàn)象。為了消除電壓潛動，可調整制動回路中的電阻R3，使Im =0時，加于兩個整流橋輸入端的電壓相等，因而消除了電壓潛動。所謂電流潛動，就是功率方向繼電器僅通入電流時產生的動作。產生電流潛動的原因是由于電抗變壓器DKB兩個二次繞組W2、W3的電壓分量不等，當W2電壓分量大于W3端電壓分量（也就是動作電壓大于制動電壓）時，就會

12、產生電流潛動現(xiàn)象。為了消除電流潛動，可調整動作回路中的電阻R1，使Um=0時，加于兩個整流橋輸入端的電壓相等，因而消除了電流潛動。發(fā)生潛動的最大危害是在反方向出口處三相短路時，此時Um0，而Im很大，方向繼電器本應將保護裝置閉鎖，如果此時出現(xiàn)了潛動，就可能使保護裝置失去方向性而誤動作。4相間短路功率方向繼電器的接線方式由于功率方向繼電器的主要任務是判斷短路功率的方向，因此，對其接線方式應提出如下要求。90圖3-6 cosj=1時IA、UBC的向量圖（1）正方向任何形式的故障都能動作，而當反方向故障時則不動作。（2）故障以后加入繼電器的電流和電壓應盡可能地大一些，并盡可能使jr接近于最靈敏角jl

13、sen，以便消除和減小方向繼電器的死區(qū)。為了滿足以上要求，功率方向繼電器廣泛采用的是90接線方式，所謂90接線方式是指在三相對稱的情況下，當 cosj=1時，加入繼電器的電流如和電壓相位相差90。如圖3-6所示，這個定義僅僅是為了稱呼的方便，沒有什么物理意義。采用這種接線方式時，三個繼電器分別接于、，、和、而構成三相式方向過電流保護接線圖。在此順便指出，對功率方向繼電器的接線，必須十分注意繼電器電流線圈和電壓線圈的極性問題，如果有一個線圈的極性接錯就會出現(xiàn)正方向拒動，反方向誤動的現(xiàn)象。 （三）實驗內容本實驗所采用的實驗原理接線如圖3-8所示。圖中，380V交流電源經移相器和調壓器調整后，由bc

14、相分別輸入功率方向繼電器的電壓線圈，A相電流輸入至繼電器的電流線圈，注意同名端方向。 1熟悉LG-11功率方向繼電器的原理接線和相位儀的操作接線及試驗原理。 認真閱讀LG-11功率方向繼電器原理圖（圖3-7）和實驗原理接線圖（圖3-8），在圖3-8上畫出LGJ中的接線端子號和所需測量儀表接法。 2按實驗線路接線，用相位儀檢查接線極性是否正確。將移相器調至0，合上電源開關加1A電流，20V電壓觀察分析相位儀讀數是否正確。若不正確，則說明輸入電流和電壓相位不正確，分析原因，并加以改正。*BZ2BZ1JJRRC2C4C3JJ常開觸點4530KiIrKuUrKuUrKiIrUr*BZ2*781112*

15、YC1*Ir56DKBYB圖3-7 LG-II 功率方向繼電器原理接線 3功率方向繼電器電壓潛動現(xiàn)象檢查實驗LG-11功率方向繼電器實驗原理接線如圖3-8所示。圖中，380V交流電源經移相器和調壓器調整后，由bc相分別輸入功率方向繼電器的電壓線圈，A相電流輸入至繼電器的電流線圈，注意同名端方向。ABCO移相器相位儀LGJbcR三相調壓器220TY 130W/5A 2AAVBKa0圖3-8 LG-11功率方向繼電器實驗原理接線圖實驗步驟如下：（1）熟悉LG-11功率方向繼電器的原理接線和 電秒表的操作方法及試驗原理。認真閱讀LG-11功率方向繼電器原理圖3-7和實驗原理接線圖（圖3-8），在圖3

16、-8上畫出功率方向繼電器LGJ中的接線端子號和所需測量儀表接法。（2）按實驗原理線路圖接線。（3）調節(jié)三相調壓器和單相調壓器，使其輸出電壓為0V，將移相器調至0度，將滑線電阻滑動觸頭移到其中間位置。（4）合上三相電源開關、單相電源開關。（5）打開電秒表電源開關，將其功能選擇開關置于相位測量位置（“相位”指示燈亮），相位頻率測量單元的開關拔到“外接頻率”位置。（6）調節(jié)三相調壓器使移相器輸出電壓為20V，調節(jié)單相調壓器使電流表讀數為1A，觀察分析電秒表讀數是否正確。若不正確，則說明輸入電流和電壓相位不正確，分析原因，并加以改正。（7）在電秒表讀數正確時，使三相調壓器和單相調壓器輸出均為0V，斷開

17、單相電源開關。 檢查功率繼電器是否有潛動現(xiàn)象。電壓潛動測量：將電流回路開路，對電壓回路加入110V電壓；測量極化繼電器JJ兩端之間電壓，若小于0.1V，則說明無電壓潛動。4用實驗法測LG-11整流型功率方向繼電器角度特性Upu = f（j），并找出繼電器的最大靈敏角和最小動作電壓。實驗步驟如下：（1）按圖3-8所示原理接線圖接線。（2）檢查接線無誤后，合上三相電源開關、單相電源開關和直流電源開關。（3）調節(jié)單相調壓器的輸出電壓使電流表的讀數為1A，并保護此電流值不變。（4）在操作開關斷開狀態(tài)下，調節(jié)三相調壓器的輸出電壓，使電壓表讀數為50V。（5）調節(jié)移相器，在電壓表為給定值的條件下找到使繼電

18、器動作（動作信號燈由不亮變亮）的兩個臨界角度j1、j2 ，將測量數據記錄于表3-1中。（6）保持電流為1A不變，調節(jié)三相調壓器，依次降低電壓值，重復步驟（5）的過程，給定電壓為30V、20V情況下，使繼電器動作的j1、j2，并記錄在表3-1中。表3-1 角度特性Upu = f（j）實驗數據記錄表U/V805030201052.52j1/度38.0037.0037.5036.5036.0035024.50210j2/度-129.50-1300-130.50-1310-1250-125.50-117.50-1150（7）保持電流為1A不變，將兩個滑線電阻的滑動觸點移到靠近移相器輸出bc接線端，調節(jié)

19、三相調壓器使其輸出電壓為30V。（8）合上操作開關BK，調節(jié)兩個滑線電阻的滑動觸點使電壓表讀數為10V。（9）斷開操作開關BK。（10）改變移相器的位置。（11）迅速合上開關BK，檢查繼電器動作情況。（12）重復步驟（9）至（11），找到使繼電器動作的兩個臨界角度j1、j2 ，在斷開開關BK的情況下，將電秒表的讀數記錄于表3-1中。（13）重復步驟（8）的過程，使電壓表的讀數分別為5、2.5、2、1和0.5V，再重復步驟（9）至（12）的過程，找出使繼電器動作的最小動作電壓值。（14）實驗完成后，使調壓器輸出為0，斷開所有電源開關。（15）計算繼電器的最大靈敏角，繪制角度特性曲線，并標明動作區(qū)

20、。5用實驗法作出功率方向繼電器的伏安特性Upu = f（Ir）和最小動作電壓實驗步驟如下：（1）調整功率方向繼電器的內角j=30，調節(jié)移相器使j = jsen，并保持不變。（2）實驗接線與圖3-8相同，檢查接線無誤后，合上三相電源開關、單相電源開關和直流電源開關。（3）按照實驗4）中步驟（7）和（8）介紹的方法將電壓表讀數調至表3-2中的某一給定值。（4）調節(jié)單相調壓器的輸出，改變繼電器輸入電流的大小，當繼電器動作時，記錄此時電流表的讀數。（5）重復步驟（3）和（4），在依次給出不同的電壓時，找出使繼電器動作（指示燈由不亮到亮）的相應的電流值，記入表3-2中。注意找出使繼電器動作的最小電壓和電流。表3-2 伏安特性Upu = f（Ir）實驗數據記錄表Upu/V10865321.510.5Ir