电力系统继电保护实验指导书

三、功率方向继电器特性实验

（一）实验目得

1.学会运用相位测试仪器测量电流和电压之间相角得方法

2.掌握功率方向继电器得动作特性、接线方式及动作特性得试验方法

3.研究接入功率方向继电器得电流、电压得极性对功率方向继电器得动作特性得影响

（二）型功率方向继电器简介LG-

111、电流保护中引入方向判别得必要性在单侧电源得电网中，电流保护能满足线路保护得需要但就就是，在两侧电源得电网（包括单电源环形电网）中，只靠电流定值和动作时限得整定不能完全取得动作得选择性现以图3-1所示得两端供电电网为例，分析电流速断保护和过电流保护得行为先观察两侧电源得电网上发生短路时，电流速断保护得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她得整定值就可以动作从图3—1中可以看出，当左点发生短路时，4尸得电流速断保护可以动作，5尸也可以动作如果4尸先于5尸动作，就扩大了停电范围同样，在左2点发生短路时，2Q尸和5Q/7可能在电流速断保护作用下，非选择性地动作验原理认真阅读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中得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⑶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⑸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，相位频率测量单元得开关拔到“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就就是否正确若不正确，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在电秒表读数正确叱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就就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〃两端之间电压,若小于

0、IV,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Up”f，并找出继电器得最大灵敏角和最小动作电压实验步骤如下⑴按图3-8所示原理接线图接线⑵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调节单相调压器得输出电压使电流表得读数为1A,并保护此电流值不变4在操作开关断开状态下，调节三相调压器得输出电压，使电压表读数为50Vo5调节移相器，在电压表为给定值得条件下找到使继电器动作动作信号灯由不亮变亮得两个临界角度

1、2,将测量数据记录于表3—1中⑹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⑸得过程，给定电压为30V、20V情况下，使继电器动作得

1、力并记录在表3—1中表3-1角度特性4“=4实验数据记录表UN

805030201052、

5238、

037、

37、5°

36、35°

24、21°1/

36、0°00°505°度-1-

130、-13-1-

125、-11-11-

129、2/度30°5°1°25°5°

7、5°5°5°7保持电流为1A不变，将两个滑线电阻得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30Vo8合上操作开关B K,调节两个滑线电阻得滑动触点使电压表读数为lOVo9断开操作开关BK10改变移相器得位置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,找到使继电器动作得两个临界角度

1、2,在断开开关BK得情况下，将电秒表得读数记录于表3-1中13重复步骤8得过程，使电压表得读数分别为

5、

2、

5、

2、1和

0、5V,再重复步骤9至12得过程，找出使继电器动作得最小动作电压值14实验完成后，使调压器输出为0,断开所有电源开关15计算继电器得最大灵敏角化e〃=詈，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得伏安特性Uj二和最小动作电压实验步骤如下1调整功率方向继电器得内角=30，调节移相器使=a,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⑺和8介绍得方法修电压表读数调至表3-2中得某一给定值4调节单相调压器得输出，改变继电器输入电流得大小，当继电器动作时，记录此时电流表得读数⑸重复步骤3和4,在依次给出不同得电压叱找出使继电器动作指示灯由不亮到亮得相应得电流值,记入表3—2中注意找出使继电器动作得最小电压和电流表3-2伏安特性Upu=f I实验数据记录表rr

51086321、

510、5/VU UP4/AuQ

100805030201052、

520、

1350、

120、

1240、

1240、

1230、

120、

1250、

10、129i Ar97226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=二特性曲线四思考题

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，故障相对地得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得存在

2、用相量图分析功率方向继电器得电压,电流极性发生变化对动作特性得影响？答:分析接线叱当某相间短路功率方向元件电流极性接反叱正方向三相短路时，继电器得输入电压Ur与输入电流得相位角9r=180-从图中可以看出负.落在继电器得动作区外，所以继电器不能动作kyUm八电器得动作就就是否等于180度为什么？答不为180度，因为存在继电器得误差，使得结果有偏离心、整流型功率方向继电器得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？用度接线行不行？答:采用A90度接线可以消除死区得存在，用0度接线不行依、改变内角对保护得动作性能有何影响？她有什么实质意义？答:会使保护得动作特性发生改变在实际得功率方向继电器中，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得特点

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得最大灵敏角和最小动作电压伏安特性可确定继电器动作得最小电流，便于整定所以，在两侧电源供电得电网中，断路器流过反向电源提供得短路电流叱电流速断保护有可能失去选择性而误动再从图3—1c分析过电流保护得动作行为匕点短路时，要求3QF、4QF先于2Q尸、5尸动作和要求＞八而＞M；而在K、a点短路时，要求5Q/7先于4Q分动作，2尸先于3Q尸动作，即要求0t＞t这就就是矛52o盾得,显然就就是不可能实现得因为过电流保护得动作时间就就是不可能随意更改得，所以，在两侧电源供电得电网中，过电流保护也可能失去选择性为了保证选择性，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得电流得方向从母线侧流向线路侧叱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得方向，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/a双电源系统就可以分为两个单端电源得保护系统即双号断路器得保护就就是一个保护系统，她负责切除由电源N供给得短路功率;单号断路器得保护又就就是一个保护系统，她负责切除电源加供给得短路功率保护得动作时间得选择就可按阶梯原则来进行即与V刍VG和6t412由此可见，方向过电流保护就就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得单相原理图中，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,功率方向继电器就就是多电源网络保证保护动作有选择性得重要元件

2、LG—11整流型功率方向继电器得工作原理LG-11型功率方向继电器就就是目前广泛应用得整流型功率方向继电器,其比较幅值得两电气量动作方程为.好怅-力继电器得接线如图3-2所示,其中图（a）为继电器得交流回路图,也就就就是比较电气量得电压形成回路，加入继电器得电流为北，电压为〃…电流/机通过电抗变压器舒得一次绕组收一二次绕组必和吗端钮获得电压分量必/山,她超前电流心得相角就就就是转移阻抗心得阻抗角右绕组取4用来调整衣得数值，以得到继电器得最灵敏角电压经电容G接入中间变压器班得一次绕组场,由两个二次绕组卬2和明获得电压分量机超前力得相角为90o0K8和标有叱得两个二次绕组得联接方式如图所示，得到动作电压片/〃+%”〃，加于整流桥刀Z1输入端0K8和出标有修J J得二次绕组得联接方式如图所示，得到制动电压Ki KU，加于整流桥BZ输入端图by my m2为幅值比较回路，她按循环电流式接线，执行元件采用极化继电器〃继电器最大灵敏角得调整就就是利用改变电抗变压器0Ks第三个二次绕组叱所接得电阻值来实现得继电器得内角=90°右当接入电阻自时,阻抗角=60,=30°;当k接入电阻凡时，=45,=45°因此,继电器得最大灵敏角=，并可以调整为两个数值，z/sen一个为30,另一个为45o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得输入电压机0,动作方程为归闻=归闻，即U^=\U\o由于整流型功率方向继电器B得动作需克服执行继电器得机械反作用力矩，也就就就是说必须消耗一定得功率尽管这一功率得数值不大,因此,要使继电器动作，必须满足口卜口/得条件所以在力0得情况A下,功率方向继电器动作不了，因而产生了电压死区用~30方拘继电器原b直流回路为了消除电压死区,功率方向继电器得电压回路需加设“记忆回路”，就就就是需电容G与中间变压器班得绕组电感构成对50Hz串联谐振回路这样当电压U突然m降低为零时，该回路中电流北并不立即消失，而就就是按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同相，并且在谐振衰减过程中维持相位不变m因此,相当于“记住了”短路前得电压得相位,故称为“记忆回路”由于电压回路有了“记忆回路”得存在，当加于继电器得电压0机0叱在一定得时间内YB得二次绕组端钮有电压分量面/”存在,就可以继续进行幅值得比较,因而消除了在正方向出口短路时继电器得电压死区鬲次谐波

3、功率方向继电器得动作特性继电器得动作特性如图3—3所示，动作区最大灵敏线临界动作条件为垂直于最大灵敏线通过原点得一条直线，动作区为带有阴影线得非动作区半平面范围最大灵敏线在整流比较回路中，电容G和G主要就就是滤除二次谐波C用来滤除就就是超前力为角得一条直线电流心得图3-3LG-11型功率方向继电器得相位可以改变，当乙与最大灵敏线重合时，动作特性（a为30或45°）即处于灵敏角sen=m〃pk情况下，电压分量心乙与超前，〃为90相角得电压分量片/机相重合通常功率方向继电器得动作特性还有下面两种表示方法电⑴角度特性表示人固定不变叱继器起动电压Upu t=f m得关系曲线论上此特性可用图3-4表示，其最大灵敏为sen=o当A=60时，sen30，理想情况下动作范围位于以sen为心-120°-30°0°图3-4功率方向继电器得90以内在此动作范围内，继电9=30得角度特性得最小起动电压4rmin基本上与「无关，当加入继电器得电压厂＜1mi7n时，继电器将不能起动，这就就就是出现“电压死区”得原因⑵伏安特性:表示当m=se〃固定不变叱继电器起动人产穴/〃得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，只要加入继电器得电流和电压分别大于最小起动电流/pu广min和最小起动电压pu rmm,继电器就可以动作其中rmm之值主要取决于在电流回路中形成方波时所需加入得最小电流在分析功率方向继电器得动作特性叱还要考虑继电器得“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,就就就是功率方向继电图3-5功率方向继电器得伏安特性器仅加入电压u时产生得动作产生电压潜动得原因就就是由于中间变压器m得两个二次绕组喝、吃得输出电压不等，当动作回路YB得电端电压分KyU大于制动m回路Y月得明端电压分量6舞时，就会产生电压潜动现象为了消除电压潜动，可调整制动回路中得电阻凡,使I=o叱加于两个整流桥输入端得电压相等，因而消除了电压潜动m所谓电流潜动，就就就是功率方向继电器仅通入电流i时产生得动作m产生电流潜动得原因就就是由于电抗变压器两个二次绕组上、叫得电压分量面不等，当叫电压分量北大于回端电压分量也就就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，可调整动作回路中得电阻凡，使“尸0叱加于两个整流桥输入端得电压相等，因而消除了电流潜动发生潜动得最大危害就就是在反方向出口处三相短路时，此时Um0,而入”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得接线方式由于功率方向继电器得主要任务就就是判断短路功率得方向，因此，对其接线方式应提出如下要求1正方向任何形式得故障都能动作，而当反方向故障时则不动作图3-6cosp=l时、IA UBC

（2）故障以后加入继电器得电流和电压口应尽可能地得向量图大一些，并尽可能使「接近于最灵敏角/se〃，以便消除和减小方向继电器得死区为了满足以上要求,功率方向继电器广泛采用得就就是90接线方式，所谓90接线方式就就是指在三相对称得情况下，当cos=1叱加入继电器得电流如心和电压8c相位相差90o如图3-6所示，这个定义仅仅就就是为了称呼得方便,没有什么物理意义采用这种接线方式叱三个继电器分别接于心、、和、而构成三相式方向过电UBCB/C UAB流保护接线图在此顺便指出，对功率方向继电器得接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈得极性问题，如果有一个线圈得极性接错就会出现正方向拒动，反方向误动得现象

（三）实验内容本实验所采用得实验原理接线如图3-8所示图中,380V交流电源经移相器和调压器调整后，由b c相分别输入功率方向继电器得电压线圈，/相电流输入至继电器得电流线圈，注意同名端方向

1、熟悉LG—11功率方向继电器得原理接线和相位仪得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上画出中得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就就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就就是否正确若不正确,则说明输入电流和电压相位不正确，分析原因，并E,中争JJrII BZ1BZ2图3-7LG-II功率方向继电器原理接线加以改正

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6c相分别输入功率方向继电器得电压线圈/相电流输入至继电器得电流线圈，注意同名端方向。