電力系統(tǒng)繼電保護(hù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、三、功率方向繼電器特性實(shí)驗(yàn) （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)會(huì)運(yùn)用相位測(cè)試儀器測(cè)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(dòng)作特性、接線方式及動(dòng)作特性的試驗(yàn)方法。3. 研究接入功率方向繼電器的電流、電壓的極性對(duì)功率方向繼電器的動(dòng)作特性的影響。 （二）LG-11型功率方向繼電器簡(jiǎn)介1電流保護(hù)中引入方向判別的必要性在單側(cè)電源的電網(wǎng)中，電流保護(hù)能滿足線路保護(hù)的需要。但是，在兩側(cè)電源的電網(wǎng)（包括單電源環(huán)形電網(wǎng)）中，只靠電流定值和動(dòng)作時(shí)限的整定不能完全取得動(dòng)作的選擇性。現(xiàn)以圖3-1所示的兩端供電電網(wǎng)為例，分析電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)的行為。先觀察兩側(cè)電源的電網(wǎng)上發(fā)生短路時(shí)，電流速斷保護(hù)的動(dòng)作行為。因?yàn)?/p>

2、電流速斷保護(hù)沒(méi)有方向性，所以只要短路電流大于它的整定值就可以動(dòng)作。從圖3-1中可以看出，當(dāng)k1點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，4QF的電流速斷保護(hù)可以動(dòng)作，5QF也可以動(dòng)作。如果4QF先于5QF動(dòng)作，就擴(kuò)大了停電范圍。同樣，在k2點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，2QF和5QF可能在電流速斷保護(hù)作用下，非選擇性地動(dòng)作。所以，在兩側(cè)電源供電的電網(wǎng)中，斷路器流過(guò)反向電源提供的短路電流時(shí)，電流速斷保護(hù)有可能失去選擇性而誤動(dòng)。再?gòu)膱D3-1（c）分析過(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作行為。k2點(diǎn)短路時(shí)，要求3QF、4QF先于2QF、5QF動(dòng)作，即要求t2t3，t5t4；而在K1、K3點(diǎn)短路時(shí)，要求5QF先于4QF動(dòng)作，2QF先于3QF動(dòng)作，即要求t4t5，t

3、3t2。這是矛盾的，顯然是不可能實(shí)現(xiàn)的。因?yàn)檫^(guò)電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間是不可能隨意更改的，所以，在兩側(cè)電源供電的電網(wǎng)中，過(guò)電流保護(hù)也可能失去選擇性。1QF2QF3QF4QF5QF6QFMNt1t2t3t4t5t6topK3K2K1 (a) (b) (c)圖3-1 雙側(cè)電源電網(wǎng)電流保護(hù)動(dòng)作行為分析（a）系統(tǒng)圖 （b）兩側(cè)電流與保護(hù)配合關(guān)系 （c）時(shí)間配合圖為了保證選擇性，應(yīng)該在保護(hù)回路中加方向閉鎖，構(gòu)成方向性電流保護(hù)。要求只有在流過(guò)斷路器的電流的方向從母線側(cè)流向線路側(cè)時(shí)，才允許保護(hù)動(dòng)作。由于規(guī)定了電流從母線流向線路時(shí)為保護(hù)動(dòng)作的方向，因此，可以利用功率方向繼電器來(lái)做到這一點(diǎn)。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(gè)單端電源的保護(hù)系統(tǒng)。即雙號(hào)斷路器的保護(hù)是一個(gè)保護(hù)系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)切除由電源N供給的短路功率；單號(hào)斷路器的保護(hù)又是一個(gè)保護(hù)系統(tǒng)，它負(fù)責(zé)切除電源M供給的短路功率。保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間的選擇就可按階梯原則來(lái)進(jìn)行。即t5t3t1和t6t4t2。由此可見(jiàn)，方向過(guò)電流保護(hù)就是由過(guò)電流保護(hù)加裝功率方向繼電器構(gòu)成。在方向過(guò)電流保護(hù)的單相原理圖中，當(dāng)正方向區(qū)內(nèi)故障時(shí)，只有功率方向元件和電流元件都動(dòng)作，保護(hù)才能動(dòng)作跳閘。由此可知，功率方向繼電器是多電源網(wǎng)絡(luò)保證保護(hù)動(dòng)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(yīng)用的整流型功率方向繼

5、電器，其比較幅值的兩電氣量動(dòng)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(guò)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(zhuǎn)移阻抗的阻抗角jk，繞組W4用來(lái)調(diào)整jk的數(shù)值，以得到繼電器的最靈敏角。電壓經(jīng)電容C1接入中間變壓器YB的一次繞組W1，由兩個(gè)二次繞組W2和W3獲得電壓分量，超前的相角為90。DKB和YB標(biāo)有W2的兩個(gè)二次繞組的聯(lián)接方式如圖所示，得到動(dòng)作電壓+，加于整流橋BZ1輸入端；DKB和YB標(biāo)有W3的二次繞組的聯(lián)接方式如圖所示，得到制動(dòng)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(diào)整是利用改變電抗變壓器DKB第三個(gè)二次繞組W4所接的電阻值來(lái)實(shí)現(xiàn)的。繼電器的內(nèi)角a=90-jk，當(dāng)接入電阻R3時(shí)，阻抗角jk=60，a=30；當(dāng)接入電阻R4時(shí)，jk=45，a=45。因此，繼電器的最大靈敏角jlsen=-a，并可以調(diào)整為兩個(gè)數(shù)值，一個(gè)為-30，另一個(gè)為-45。當(dāng)在保護(hù)安裝處正向出口發(fā)生相間短路時(shí)，相間電壓幾乎將降為零值，這時(shí)功率方向繼電器的輸入電壓0，動(dòng)作方程為，即。由于整流型功率方向繼電器的動(dòng)作需克服執(zhí)行繼電器的機(jī)械反作用力矩，也就是說(shuō)必須消耗一定的功率（盡管這一功率

7、的數(shù)值不大），因此，要使繼電器動(dòng)作，必須滿足的條件。所以在0的情況下，功率方向繼電器動(dòng)作不了，因而產(chǎn)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(shè)“記憶回路”，就是需電容C1與中間變壓器YB的繞組電感構(gòu)成對(duì)50Hz串聯(lián)諧振回路。這樣當(dāng)電壓突然降低為零時(shí)，該回路中電流并不立即消失，而是按50Hz諧

8、振頻率，經(jīng)過(guò)幾個(gè)周波后，逐漸衰減為零。而這個(gè)電流與故障前電壓同相，并且在諧振衰減過(guò)程中維持相位不變。因此，相當(dāng)于“記住了”短路前的電壓的相位，故稱(chēng)為“記憶回路”。由于電壓回路有了“記憶回路”的存在，當(dāng)加于繼電器的電壓0時(shí)，在一定的時(shí)間內(nèi)YB的二次繞組端鈕有電壓分量存在，就可以繼續(xù)進(jìn)行幅值的比較，因而消除了在正方向出口短路時(shí)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(lái)濾除高次諧波。3功率方向繼電器的動(dòng)作特性最大靈敏線動(dòng)作區(qū)非動(dòng)作區(qū)aOajk圖3-3 LG-11型功率方向繼電器的動(dòng)作特性（a為30或45）繼電器的動(dòng)作特性如圖3-3所示，臨界動(dòng)作條件為垂直于最大靈敏

9、線通過(guò)原點(diǎn)的一條直線，動(dòng)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(dāng)與最大靈敏線重合時(shí)，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(dòng)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(shí)，繼電器起動(dòng)電壓Uput =f(jm)的關(guān)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(dāng)jk=60時(shí)，jsen=-30，理想情況下動(dòng)作范圍位于以jsen為中心的90以內(nèi)。在此動(dòng)作范圍內(nèi)，繼

10、電器的最小起動(dòng)電壓Upurmin基本上與jr無(wú)關(guān)，當(dāng)加入繼電器的電壓UrUpurmin時(shí)，繼電器將不能起動(dòng)，這就是出現(xiàn)“電壓死區(qū)”的原因。（2）伏安特性：表示當(dāng)jm=jsen固定不變時(shí)，繼電器起動(dòng)Upur =f(Im)的關(guān)系曲線。在理想情況下，該曲線平行于兩個(gè)坐標(biāo)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(dòng)電流Ipurmin和最小起動(dòng)電壓Upurmin，繼電器就可以動(dòng)作。其中Ipurmin之值主要取決于在電流回路中形成方波時(shí)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(dòng)作特性時(shí)，還要考慮繼電器的

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

12、產(chǎn)生電流潛動(dòng)現(xiàn)象。為了消除電流潛動(dòng)，可調(diào)整動(dòng)作回路中的電阻R1，使Um=0時(shí)，加于兩個(gè)整流橋輸入端的電壓相等，因而消除了電流潛動(dòng)。發(fā)生潛動(dòng)的最大危害是在反方向出口處三相短路時(shí)，此時(shí)Um0，而Im很大，方向繼電器本應(yīng)將保護(hù)裝置閉鎖，如果此時(shí)出現(xiàn)了潛動(dòng)，就可能使保護(hù)裝置失去方向性而誤動(dòng)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(wù)是判斷短路功率的方向，因此，對(duì)其接線方式應(yīng)提出如下要求。90圖3-6 cosj=1時(shí)IA、UBC的向量圖（1）正方向任何形式的故障都能動(dòng)作，而當(dāng)反方向故障時(shí)則不動(dòng)作。（2）故障以后加入繼電器的電流和電壓應(yīng)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(duì)稱(chēng)的情況下，當(dāng) cosj=1時(shí)，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(gè)定義僅僅是為了稱(chēng)呼的方便，沒(méi)有什么物理意義。采用這種接線方式時(shí)，三個(gè)繼電器分別接于、，、和、而構(gòu)成三相式方向過(guò)電流保護(hù)接線圖。在此順便指出，對(duì)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(wèn)題，如果有一個(gè)線圈的極性接錯(cuò)就會(huì)出現(xiàn)正方向拒動(dòng)，反方向誤動(dòng)的現(xiàn)象。 （三）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)所采用的實(shí)驗(yàn)原理接線如圖3-8所示。圖中，380V交流電源經(jīng)移相器和調(diào)壓器調(diào)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(yàn)原理。 認(rèn)真閱讀LG-11功率方向繼電器原理圖（圖3-7）和實(shí)驗(yàn)原理接線圖（圖3-8），在圖3-8上畫(huà)出LGJ中的接線端子號(hào)和所需測(cè)量?jī)x表接法。 2按實(shí)驗(yàn)線路接線，用相位儀檢查接線極性是否正確。將移相器調(diào)至0，合上電源開(kāi)關(guān)加1A電流，20V電壓觀察分析相位儀讀數(shù)是否正確。若不正確，則說(shuō)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(kāi)觸點(diǎn)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(dòng)現(xiàn)象檢查實(shí)驗(yàn)LG-11功率方向繼電器實(shí)驗(yàn)原理接線如圖3-8所示。圖中，380V交流電源經(jīng)移相器和調(diào)壓器調(diào)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(diào)壓器220TY 130W/5A 2AAVBKa0圖3-8 LG-11功率方向繼電器實(shí)驗(yàn)原理接線圖實(shí)驗(yàn)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(yàn)原理。認(rèn)真閱讀LG-11功率方向繼電器原理圖3-7和實(shí)驗(yàn)原理接線圖（圖3-8），在圖3

16、-8上畫(huà)出功率方向繼電器LGJ中的接線端子號(hào)和所需測(cè)量?jī)x表接法。（2）按實(shí)驗(yàn)原理線路圖接線。（3）調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器和單相調(diào)壓器，使其輸出電壓為0V，將移相器調(diào)至0度，將滑線電阻滑動(dòng)觸頭移到其中間位置。（4）合上三相電源開(kāi)關(guān)、單相電源開(kāi)關(guān)。（5）打開(kāi)電秒表電源開(kāi)關(guān)，將其功能選擇開(kāi)關(guān)置于相位測(cè)量位置（“相位”指示燈亮），相位頻率測(cè)量單元的開(kāi)關(guān)拔到“外接頻率”位置。（6）調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器使移相器輸出電壓為20V，調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器使電流表讀數(shù)為1A，觀察分析電秒表讀數(shù)是否正確。若不正確，則說(shuō)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(shù)正確時(shí)，使三相調(diào)壓器和單相調(diào)壓器輸出均為0V，斷開(kāi)

17、單相電源開(kāi)關(guān)。 檢查功率繼電器是否有潛動(dòng)現(xiàn)象。電壓潛動(dòng)測(cè)量：將電流回路開(kāi)路，對(duì)電壓回路加入110V電壓；測(cè)量極化繼電器JJ兩端之間電壓，若小于0.1V，則說(shuō)明無(wú)電壓潛動(dòng)。4用實(shí)驗(yàn)法測(cè)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(dòng)作電壓。實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）按圖3-8所示原理接線圖接線。（2）檢查接線無(wú)誤后，合上三相電源開(kāi)關(guān)、單相電源開(kāi)關(guān)和直流電源開(kāi)關(guān)。（3）調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器的輸出電壓使電流表的讀數(shù)為1A，并保護(hù)此電流值不變。（4）在操作開(kāi)關(guān)斷開(kāi)狀態(tài)下，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器的輸出電壓，使電壓表讀數(shù)為50V。（5）調(diào)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(dòng)作（動(dòng)作信號(hào)燈由不亮變亮）的兩個(gè)臨界角度j1、j2 ，將測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于表3-1中。（6）保持電流為1A不變，調(diào)節(jié)三相調(diào)壓器，依次降低電壓值，重復(fù)步驟（5）的過(guò)程，給定電壓為30V、20V情況下，使繼電器動(dòng)作的j1、j2，并記錄在表3-1中。表3-1 角度特性Upu = f（j）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)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(gè)滑線電阻的滑動(dòng)觸點(diǎn)移到靠近移相器輸出bc接線端，調(diào)節(jié)

19、三相調(diào)壓器使其輸出電壓為30V。（8）合上操作開(kāi)關(guān)BK，調(diào)節(jié)兩個(gè)滑線電阻的滑動(dòng)觸點(diǎn)使電壓表讀數(shù)為10V。（9）斷開(kāi)操作開(kāi)關(guān)BK。（10）改變移相器的位置。（11）迅速合上開(kāi)關(guān)BK，檢查繼電器動(dòng)作情況。（12）重復(fù)步驟（9）至（11），找到使繼電器動(dòng)作的兩個(gè)臨界角度j1、j2 ，在斷開(kāi)開(kāi)關(guān)BK的情況下，將電秒表的讀數(shù)記錄于表3-1中。（13）重復(fù)步驟（8）的過(guò)程，使電壓表的讀數(shù)分別為5、2.5、2、1和0.5V，再重復(fù)步驟（9）至（12）的過(guò)程，找出使繼電器動(dòng)作的最小動(dòng)作電壓值。（14）實(shí)驗(yàn)完成后，使調(diào)壓器輸出為0，斷開(kāi)所有電源開(kāi)關(guān)。（15）計(jì)算繼電器的最大靈敏角，繪制角度特性曲線，并標(biāo)明動(dòng)作區(qū)

20、。5用實(shí)驗(yàn)法作出功率方向繼電器的伏安特性Upu = f（Ir）和最小動(dòng)作電壓實(shí)驗(yàn)步驟如下：（1）調(diào)整功率方向繼電器的內(nèi)角j=30，調(diào)節(jié)移相器使j = jsen，并保持不變。（2）實(shí)驗(yàn)接線與圖3-8相同，檢查接線無(wú)誤后，合上三相電源開(kāi)關(guān)、單相電源開(kāi)關(guān)和直流電源開(kāi)關(guān)。（3）按照實(shí)驗(yàn)4）中步驟（7）和（8）介紹的方法將電壓表讀數(shù)調(diào)至表3-2中的某一給定值。（4）調(diào)節(jié)單相調(diào)壓器的輸出，改變繼電器輸入電流的大小，當(dāng)繼電器動(dòng)作時(shí)，記錄此時(shí)電流表的讀數(shù)。（5）重復(fù)步驟（3）和（4），在依次給出不同的電壓時(shí)，找出使繼電器動(dòng)作（指示燈由不亮到亮）的相應(yīng)的電流值，記入表3-2中。注意找出使繼電器動(dòng)作的最小電壓和電流。表3-2 伏安特性Upu = f（Ir）實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表Upu/V10865321.510.5Ir