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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
2、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，t5t4；而在 K1、K3 点短路时，要求 5
3、QF 先于 4QF 动作， 2QF 先于 3QF 动作，即要求 t4t5， t3t2。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。1EM1QFMItopK 3K 2K 1E N2QF3QF4QF 5QF6QFN(a)I kMI kNI kMI kNI OP13I OP14(b)1I1OP 2OP 5t 6t1t3t4t2t5(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
4、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 t6t4 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
5、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。22LG-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：K k I mK yU mK k I mK yU 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I m ，电压为 U m 。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 K k I m ，它超前电流 I m 的相角就是转移阻抗 K k 的阻
6、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 U m 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 K yU m ，K yU m 超前 U m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 K y I m + K yU m ，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 K yI mK yU m ，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
7、整是利用改变电抗变压器DKB 第三个二次绕组4 所接的电阻值来实现的。继电器的内角=90k，当接入电阻 R3 时，阻W抗角 k4 时， k=45 ， =45。因此，继电器的=60， =30；当接入电阻 R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值，这时 功率 方向 继电 器的 输入 电压 U m0 ，动作 方程为 K k I m K k I m ，即U AU B 。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
8、，必须满足U AU B 的条件。所以在 U m0 的情况下，功率3方向继电器动作不了，因而产生了电压死区。DKBR1BZ1YBC1* *75*W2W2*W1Um*R2*ImW16W3BZ2W38* 3045W4Y(a)JJ1112R5c5BZ1R59BZ2R6K k I m K yU mK k I m K yU m2QFC4C2C310(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 U m 突然降低
9、为零时，该回路中电流I m 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U m 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U m0 时，在一定的时间内YB 的二次绕组端钮有电压分量K yU m 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。4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
10、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 U m 为角的一条直线。 电流 I m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 K k I m 与超前 U m 为 90相角的电压分量K yU m 相重合。K yU m动作区最大灵敏线I mk非动作OU m区图 3-3 LG-11 型功率方向继电器的动作特性（ 为 30 或 45 ）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)的关系曲线。理论上此特性可用图3-4 表示，Upu
11、.r其最大 灵敏 角为 sen。 当k=60时 ，= 30 ，理想情况下动作范围位于以sensen中心的90 以内。在此动作范围内，继电的最小起动电压 Upu r min 基本上与 r 无关，加入继电器的电压 UrUpu r min 时，继电器不能起动，这就是出现“电压死区”的原因。为Upu.r .min器m当-120-30 060将图 3-4功率方向继电器（=30 ）的角度特性（2）伏安特性： 表示当 m=sen固定不变时， 继电器起动 Upu rm 的关=f(I )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 mi
12、n 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。5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Upu.rUpu.r .min加入电压 U m 时产生的动作。产生电压潜动的Ipu.r .minI m原因是由于中间变压器 YB 的两个二次绕组图 3-5 功率方向继电器的伏3、W2 的输出电压不等，当动作回路 YB 的安特性WW2 端电压分量 K yU m 大于制动回路 YB 的 W3端电压分量 KyU m 时，
13、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 I m =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I m 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K k I m 不等，当 W2 电压分量 Kk I m 大于 W3 端电压分量 K k I m （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
14、时，此时Um0，而mI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。（1）正方向任何形式的故障都能动作，而U A当反方向故障时则不动作。I A90U BC（2）故障以后加入继电器的电流I r 和电压IC I BI CU B图 3-6cos=1 时 I A、U BC 6的向量图U r 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
15、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 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I A 、 U BC ， I B 、 U CA 和 I C 、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
16、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。7DKB *YBC1*7*KiIrKuUrUr5*Ir*8*6KiIrBZ2KuUr
17、*30JJ 常开触点1112 45YRRC2*C3C4BZ2JJBZ1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。220LGJA三移b相B相调VCc BK压器O器a30 /5A2A相位仪TY 1RA0图 3-8LG-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-
18、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。8（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
19、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
20、。（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9U/V805030201052.52000000001/度38.037.037.536.536.03524.5212/度-129.50-1300-13
21、0.50-1310-1250-125.50-117.50-1150（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 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
22、（ 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sen12 ，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 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
23、入电流的大小，当继电器动10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U pu/V10865321.510.5Ir/AU pu (V100805030201052.52)i r (A)0.1350.1290.1240.1240.1230.1270.1250.1220.129（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（I r）特性曲线。（
24、四）思考题1、功率方向继电器为什么会有死区？应该如何消除死区？答：当正方向出口附近短路接地， 故障相对地的电压很低功率方向不能动作，所以存在死区。采用 90接线就可以消除死区的存在。2、用相量图分析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？答：分析接线时，当某相间短路功率方向元件电流极性接反时，正方向三相短路时，继电器的输入电压U r 与输入电流 I r 的相位角r180m ，从图中可以看出负 I r 落在继电器的动作区外，所以继电器不能动作。113、 LG-11 整流型功率方向继电器的动作是否等于180 度？为什么？答：不为 180 度，因为存在继电器的误差，使得结果有偏离。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？5、功率方向继电器为什么要采用90 度接线？用 0 度接线行不行？答：采用 90 度接线可以消除死区的存在，用0 度接线不行。6、改变内角对保护的动作性能有何影响？它有什么实质意义？答：会使保护的动作特性发生改变。在实际的功率方向继电器中，内角都选为 30和 45，分析和实践都证明， 能满足功率方向继电器正方向故障时动作而反方向故障不动作的特点。7、角度特性及伏安特性有什么用途？答：可按继电器角度特性找出继电器的最大灵敏角和最小动作电压。伏安特性 可确定继电器动作的最小电流，便于整定 。12