继电保护讲义-整流型方向阻抗继电器的接线和特性分析

整流型方向阻抗继电器的接线和特性分析

一、原理接线

图5-12所示为常用的幅值比较式整流形方向阻抗继电器原理接线图。它由电抗变换器

05-12000DD0DD00D0000

DaODD0D0DbO000D00

TL、电压变换器TV、极化变压器TP和幅值比较回路组成。图示继电器是距离保护I、II

段的测量元件，它反应线路中A、8相间短路，接入继电器的电流为乙="二j_jb,

nTA

电压为".=口就。

正常运行时，切换继电器KC〃带电，其处于闭合状态的常开触点接通第I段整定阻抗：

短路后，KC”失磁,经过第I段允许跳闸时间的延时，由KC"触点切换到第II段整定阻抗。

一般第I段允许跳闸时间为0.1s。4、经过电抗变换器"和电压变换器7V,得到电

压k/m、K/m，Ku为实数。从R、。、L组成的串联谐振记忆回路中取UR接入极化

变压器7尸，其副边郎、飞输出与力同相位的两个等幅极化电压U%（也称插入电压），插

入幅值比较回路。以极化电压。7P作为参考电压，由图5-12所示极性，可写出幅值比较回

路的两个电压

1

A=U.IP-（KuUin-Klifll）

....

lB=U7r^（KuUm-K[ltn）

用为动作量，网为制动量，当网之同时继电器动作。

二、动作特性分析

（-）幅值比较式

在方向阻抗继电器动作方程式（5-12）两端回乘以2,动作方程关系不变，即

代储诽K/,”-必川（5-24）

若因为动作量，冏为制动量，则有

|川二代浦

（5-25）

昨12KM

川仁同动作。将式＜5-23）等值变形为

A=k,im^（U7r-K.,UJ、

]B=2KuUm-K/Ill^（U7r-KlJUJ

比较式（5-25）和式（5-26）可知，式（5-26）多一项（U7P-勺力.”）。如果按式（5-26）

构成的幅值比较式阻抗继电器和按式（5-25）构成的方向阻抗继电器，具有相同的动作特性，

则该继电器就是方向阻抗继电器。

分析图5-13（a）可知，稳态时，U%和Ku。,〃同相位，当U,“位于动作特性圆的边界

上时，|川二囹。可以证明，力、方分别插入（。加-心力）后得到的四边形“/\甲0为

等腰梯形，它的两个对角线相等，即网=同，因此，极化电压乙的引入并不改变方向阻

抗继电器的稳态特性，按式（5-26）构成的阻抗继电器是方向阻抗继电器。

2

05-130000000D0D00000D0D0

(a)000000(b)D000(

三、引入电压的作用

(一)极化电压u7P的作用

从前面分析已知，在稳态时U"不影响方向阻抗继电器的特性;正方向出口三相短路时，

若=0,起“记忆作用”。由图5-14可知，U7P在记

忆过程中，动作量|川=卜加+而//始终大于制动量

耳二口不一%阻抗继电器能够可靠动作，从而消除

了死区。

(-)第三相电压的作用

“记忆回路”能保证方向阻抗继电器在智态过程中正确动作，但其作用时间有限，因

此，应引入第三相电压，即非故障相电压U,。。.通过高阻值电阻R5(约30”。)接到“记

忆回路”中C与L的连接线上,且与“记忆回路”并用,如图5/1(a)及5-15(a)所示。

正常时，R、L、C谐振回路中U他电压较高，因为XL=XC，所以有U,n=UR=U心;由于

此为高阻值，故在R、C、自回路中产生的电流很小，第三相电压基本不起作用，当

保护正方向出口A8两相短路时，Utn=Uah«0,记忆作用消失后，其等值电路如图5-15

(a)所示。由图可知，L5倍相电压二。反作用于A8相短接后和。相构成的回路上,

由于以阻值远大于回路中阻抗值(R-jXc)〃JXL,故阿I路主要呈电阻性，电流，基本与

所加电压或同相位，且电压主要降落在凡上，即U”，。在两支路

中按阻抗成反比分配，在R、C支路中分配的电流为

3

如前所述，方向阻抗继电器引入“记忆回路”电压。犷后，其动作方程

(5-28)

在正常运行和短路后的稳态情况下，U7P和同相位，因此，动作特性为图5-7所示的方

向阻抗圆特性，被称为稳态特性。但在发生短路的初瞬间，由于U7P的记忆作用，将记

忆短路前负荷状态下母线电压的相位，因此方向阻抗继电器的动作方程应为

-900<Arg<90°

式中为短路前负荷状态下的母线电压，U,“是故障后的母线电压，两者相位不同，可见

式(5-29)所表示的继电器在短路初瞬间的动作特性与稳态时不同，因此，称其为初态特性。

短路以后，有记忆作用的方向阻抗继电器动作特性随着记忆作用的逐步消失，由初

态特性逐步向稳态特性过渡。由于初态特性的动作方程含有多个变量，所以不能简单地只用

Zm来表示，只能根据具体系统接线、参数和短路位置进行分析。

1.正方向短路时的初态特性

系统接线及相关参数如图5/7(a)所示，设互感器变比为1,则在K点短路时有

(5-30)

4=5

5

05-17DD0D0000D0DD0D000DD

0aOD0000bQ0000

计及Z〃,

Ku

E

=K'(Z.-ZQ(5-33)

set+4

.z-z

=K「E*~~二

Z$+Z.

将式(5-33)代入式(5・29),可得继电器初态特性动作方程

KF7-7

・90°<Ar^x3~丝<90°(5-34)

34+z”，

KP

如果短路前为空载，则巨Arg-^=o°,继电器动作方程为

%

7-7

-90°<Arg<900(5-35)

Z5+Z,”

可知，动作特性是以Z,。一(—Zj为直径所作的圆，圆内为动作区，如图5-17(b)所

示。当记忆作用消失以后，稳态情况下继电器的动作特性仍是以4式为直径所作的圆，如图

5-17(b)所示。

正方向短路时，Zm为短路点到保护安装处的线路阻抗Zk，其阻抗角为线路阻抗角纵，

若考虑短路点存在过渡电阻或串补电容的影响，Zm有可能进入第01象限，但绝不会出现负

值而进入第IV象限，因此，动作圆的有效区为图5-17(b)所示阴影部分。动作特性圆虽然

包含第IV象限，但并不意味着会失去选择性，因为式(5-35)是在保护正方向短路的条件下

导出的，它不适用于保护反方向短路的情况。

6

可见，正方向短路时的继电器初态特性，扩大了动作范围，既有利于消除死区和减小过

渡电阻的影响，而又不会失去方向性。

2.反方向短路时的初态特性

系统接线及有关参数如图5/8(a)所示，当保护反方向K点发生短路时，流过保护的

05-18QD000DDD

0aD

电流力由对侧电源巨'提供，设电流正方向为母线流向被保护线路，且Z：＞Z的,

z7O。则有

ff

E-UmE-j„Z

(5-36)

将“二Z,“)和式⑸35)代人式(5-29),则继电器初态特性动

作方程为

(5-37)

KF'

如短路前空载在记忆作用消失前=ArS-^—=()0,继电器动作方程为

Zr-7

-90°<Arg△——'J<90°(5-38)

Z”,必，

7

可知，继电器初态特性为以|Z：-Z，M为直径所作的抛球圆，如图5-18（b）所示，圆内为

动作区。以上的分析结果表明，反方向短路时继电器的初态特性位于第I象限，而实际上

Zm测到的是-Zk，位于第IH象限，因此继电器不会误动作，有明确的方向性.

四、阻抗继电器的精确工作电流

以上分析阻抗继电器的动作特性都是基于理想情况,它所反应的阻抗只与加入继电器的

电压电流比值有关，而与电流的大小无关。但实际的阻抗继电器必须考虑执行元件起动消耗

的功率，晶体二极管的正向电压降等因素，因此，其动作方程应为

%—(K/,“一女工)—%+(KuL-k/m)NUo(5-39)

式中，Uo表示继电器动作时克服功率消耗及整流二极管压降所必须的电压。一般优择

继电器的最灵敏角外en等于线路阻抗角外,当线路上发生金属性短路时，0m=6皿式中各

k

相量是同相位、代数和，考虑到

Zwl=/，在动作边界有Zm=Zop,最线

KU

可以简化为

，=7U。

°Pset与“

（5-40）

考虑Uo的影响后，根据式（5-40）作出

Zsc<=/（/m）的关系曲线如图（5-19）所示。

可知，/m较小时/—较大，继电器实际图5-19方向阻抗继电器z甲=/（幻）的曲线

2KuIm

动作值Zop小于整定动作值缩小了实际保护范围。这将影响到与相邻距离保护中阻抗

元件的配合，甚至会使保护无选择性动作。只有的大到使U。亡0,才能保证20P与

2K4”

Zs"的误差限制在一定范围内。因此，要求加入阻抗继电器的电流满足最小精确工作电流的

要求。所谓最小精确工作电流（简称精工电流），就是指当继电器的动作阻抗Zop=0.94时，

加入继电器的最小测量电流，以4p表示。当/m2/aop，就可以保证动作阻抗的误差在10%

以内，而此误差在整定计算:中选择可靠系数时考虑。如