继电保护讲义-阻抗继电器 (一)

阻抗继电器

按测量阻抗原理工作的继电器叫做阻抗继电器，它是距离保护中的核心元件。阻抗继电

器的主要作用是测量短路点到保护安装处的线路阻抗，并与整定阻抗进行比较，以确定保护

是否应该动作。

一、阻抗继电器的构成方式

构成阻抗继电器的方式按输入电气量的多少可分为单相式和多相式两种。输入电气量只

是一个电压（相电压或线电压）和一个电流（相电流或两相电流之差）的阻抗继电器，称为

单相式或第I类阻抗继电器，其动作特性可以在阻抗复数平面上表示出来：输入几个电压、

电流或其组合构成的，称为多相式（多相补偿式）或第I1类阻抗继电器，其动作特性不能直

接在阻抗复数平面上表示出来。目前常用的阻抗继电器多为单相式阻抗继电器。

单相式阻抗继电器输入的电压U”,、电流乙取自被保护线路始端母线电压互感器rv和

线路电流互感器"的二次侧，其比值就是测量阻抗Zm，即

=Zx^

K(5-1)

n

，TAi“TVnTV

式中U—保护安装处一次侧母线电压;

/-被保护线路一次侧电流：

〃TV-电压互感器变比；

〃TA-电流互感器变比；

Zk-一次侧测量阻抗。

线路的测量阻抗可以用复数的形式表示为Zm=Rm+jXm，因此，可以利用复数平面分析

继电器测阻抗Zm的动作特性。

二、阻抗继电器的动作特性分析

图5-3（a）所示网络中，线路48、8C的阻抗角”相等。现以线路上保护2为例

来说明其动作特性。假定电流的正方向规定为由母线指

1

(b)

图5-3阻抗继电器的复数平面分圻

(a)网络图；(b》测址阻抗及动作特性

向线路，当正方向发生短路时，距离保护2的测量阻抗Zm=Hm+j¥m随着短路点的不同，它

在第一象限的直线8c上变化；反方向短路时，Zm在第三象限。正向测量阻抗与R却的夹

角即是线路阻抗角佻。保护2距离I段的整定阻抗ZL=0.8~0.85Z5「整定阻抗角外以=佻,

则阻抗继电器的动作特性就是一条位于BC上的直线Z1,其保护范围就是幅值和相位确定

的动作特性直线ZL，如图5-3(b)所示。短路时，测量阻抗Zm落在Z)上，则阻抗继电

器动作；反之，阻抗继电器不动作。然而，在4c线路的保护范围内发生短路时，假如短路

点伴随有过渡电阻用「，将使继电器的测量阻抗Zm落在其动作特性直线ZL范围以外，导致

阻抗继电器不能动作，如图5-3(b)所示。此外，由于电流、电压互感器及继电器存在角

度误差，也会使阻抗继电器因测量阻抗Zm超出其动作特性直线而拒动。为了保证阻抗继电

器在其保护范围内发生实际可能的短路时都能正确动作，应扩大动作范围，将动作特性由一

条直线扩大为包含该直线的一个面积，如圆形、椭圆形、四边形等。常见的动作特性为圆形，

其中以整定阻抗幅值为直径，圆周过阻抗复平面坐标原点的圆，称方向阻抗特性圆，如图

5-3(b)曲线1所示；以整定阻抗幅值为半径，圆心位于坐标原点的圆，称全阻抗特性圆，

如图5-3(b)曲线3所示；圆心偏离原点，且圆心处于整定阻抗反向延长线的圆，称偏离

特性阻抗圆，如图5-3(b)曲线2所示；图5-3(b)曲线4所示为直线特性。此外，较复

杂的四边形、椭圆形等特性也在集成电路和微型机继电保护中得到应用。

利用复数平面分析单相式和直线特性阻抗继电器的动作特性，可以容易地确定动作方程、

拟定原理接线方案或构成逻辑关系。

阻抗继电器的动作特性分析中，常常采用幅值比较式和相位比较式两种原理。

(一)偏移特性的阻抗继电器

1.幅值比较式

2

如图（5-4）所示，幅值比较式偏移特性阻抗继电器的动作特性，是以整定阻抗与

反

图5-4偏移特性阻抗继电器动作特性

（a）比幅式；（b）比相式

向偏移-aZseK。V1,）的幅值之和Zai+tZsei为直径的圆，圆心坐标为Z（）=,

半径为Zw-Z0=g（l+a）Zw。保护安处在原点，圆内是动作区，圆外为非动作区。a

为偏移特性阻抗继电器的偏移度。当测量阻抗Zm落在恻周上时，继电器处于动作区边界恰

好动作，只要Zm落在圆内，继电器动作；反之，继电器不动作，动作既有方向性，又没有

完全的方向性，例如在反向出口短路，也能动作，故称其为具有偏移特性的阻抗继电器。使

用时，考虑互感器的误差，通常取偏移度。=0.17）.2,以消除方向阻抗继电器的死区。

偏移特性阻抗继电渊的偏移度0<4<1。

幅值比较原理的园特性阻抗继电器，分析其动作特性时应求出圆心坐标和半径。

按幅值比较原理分析图5-4（a）所示的动作特性，其动作区的动作方程为

|Z,M-ZO|<|ZW/-ZO|（5-2）

将圆心坐标Z0,代入式（5-2）,可得

-g。-。区曰wg（l+a）Z$"（5-3）

继电器整定阻抗的实现，是通过其内部整定变压器（电压变换器）7V变比片和电抗

匕

变换器TL的转移阻抗K,的调整与组合来完成，故继电器整定阻抗可以表达为=M,

Kv

考虑用太"”乘式（5-3）两端，可得以电压表示的动作方程

女乩-如水人空…困心（5-4）

3

(b)

图5-6全阻抗继电器动作特性

(a)比幅式；(b)比札式

由于继电器输入的电气量是电压、电流，考虑到4,Z.”二A,在式(5-7)

Ku

两端同乘以R/可得幅值比较式全阻抗继电器测量部分实现电路的动作方程

风力归区闻(5-8)

在图5-5(a)中，取"=1,可得比幅式全阻抗继电器测量部分的实现电路。

2.相位比较式

用相位比较原理分析全阻抗继电器的动作特性。由式(5-5),考虑偏移度。=1,见动作

方程为

,(7-Z)

-90°<Arg~<90°(5-9)

Z,”+Z,M,

动作特性是以向量Zw和-4〃的端点为直径的圆，圆内为动作区，如图5-6(b)所示。

用比相电压表示的动作方程为

-90°<ArgKJ〃「KuUm《(5-10)

KJjKuUm

在图5-5(b)中，取。=1,可得比相式全阻抗继电器测量部分的实现电路。

(三)、方向阻抗继电器

偏移特性阻抗继电器的偏移度。=0,即为方向阻抗特性继电器。

1.幅值比较式

在式(5-3)中，偏移度。=(),可得方向阻抗特性继电器幅值比较式动作方程为

Zm---2Zsc.，«—?Z$。叩.(5-11)

5

,圆心为向量,z皿的端点。动作特性如图5-7(a)所示。保广安装

圆半径为

处

图5-7方向阻抗继电器动作特性

<a)比幅式：(b)比相式

位于坐标原点，圆内为动作区，圆外为非动作区，圆周是动作边界。当测量阻抗Zm落在圆

周和圆内，继电器动作；否则，不动作。如保护背后发生短路时，Zm在第三象限，处于动

作特性圆外，继电器不动作，其动作特性具有方向性，故称之为方向圆特性阻抗继电器。

如图5-7所示，当测量阻抗Zm落在圆周上时，Zm即为继电器的动作阻抗ZOP，2bp随

加入继电器的电压和电流乙间相角差3m的改变而变化。当9m等于整定阻抗的阻抗角外

时，动作阻抗ZoP达到最大，与Zsct相等，此时，阻抗继电器的保护范围最大，工作最灵敏。

因此，这个角度称为继电器的最灵敏角，以依en表示。为使继电器工作在最灵敏角的条件下，

应调整继电器的最灵敏角外.接近或等于线路阻抗角

考虑式(5-4)中，偏移度。=0,可得以电压表示的方向阻抗继电器动作方程

(5-12)

kvUumm__KI,ifmn<-k,•i

在图5-5(a)中，取。=0,可得比幅式方向阻抗继电器测量部分的实现电路。

方向阻抗继电器动作特性，也可用相位比较原理进行分析。

2.相位比较式

由式(5-5),偏移度。=(),可得比相式方向阻抗继电器的动作方程

_(7-7)

-90°——4<9()0(5-13)

Zm

可知，动作特性也是以4:t为直径的圆，圆内为动作区，如图5-7(b)所示。

由式(5-6),偏移度a=0,得出电压表示的比相式力作方程

6

-900<Arg>乙-”<90°(5-14)

Ku”

在图5-5(b)中，取a=0,可得比相式方向阻抗继电器测量部分的实现电路。

(四)抛球特性阻抗继电器

图5-8所示为阻抗继电器

抛球动作特性。保护安装处在原

点，圆内为动作区，且ZA、ZB已

知。对图5-8(b)分析可知，抛

球动作特性相位比较式动作方程

为

图5-8他球特性阻抗继电器动作特性

7_7fa)比幅式：(b)比相式

90°<Arg——<270°

Z/M-Z.

(5-15)

动作特性为以向量ZA、ZB的端点为直径的圆，圆内为动作区。

图5-8(a)所示抛球动作特性的幅值比较式动作方程为

-3(ZA+Zg)<g,-Zs)(5-16)

(五)直线特性阻抗维电器

如图5-9所示为几种直线特性阻抗继电器，其阴影部分为动作区，它们的动作特性既可

图5-9直线特性阻抗继电者

(a)直线特性：(b)电抗特性；(c)功率方向继电器

用幅值比较,也可用相位比较原理来分析。下面采用幅值比较原理分析直线特性阻抗继电器、

电抗特性阻抗继电器、功率方向继电器的动作特性。相位比较原埋的特性分析可参考前述方

7

法进行。

按幅值比较原理分析直线特性阻抗继电器的动作特性，由图5-9(a)分析，可得出动作

方程

|Zj<|2Z„-Zj(5-17)

动作区为22刈的中垂线，方向指向原点。

根据图5-9(b)分析，可知比幅式电抗特性阻抗继电器动作方程为

|ZW|<|Z,W-2X^(5-网

动作区为2A嬴的中垂线，方向指向原点。

根据图5-9(c)分析，可知比幅式功率方向继电器的动作方程为

|Z„,-ZAr,|<|Z„f+Z^|(5-19)

动作区为向量-Z“l、Z的末端连线的中垂线,方向指向乙

(六)方向阻抗继电器动作特性的扩展一一橄榄形和苹果形动作特性

前述相位比较式方向阻抗继电器的动作方程表达式为

7-7

-90°<Arg—~~匕<90°(5-20)

Zm

其动作特性如前图5-7(b)所示，按相位比较原理而言，继电器处于动作边界时，Zm-

Zm超前Zu的相角a为90。，等于其相邻角，即直径所对的圆周角°若圆周角所对的是

小于直径的一条弦，此时圆周角将大于或小于90°,对应的相邻角6也将小于或大于90°。

当9<90°时，动作特性改变为

7-7

-ewArg——二4仇(9<90°)(5-21)

Z,”

在阻抗复平面上的特性曲线如图5/0(a)所示，由带斜线的两圆弧组成，特性曲线所

包围面积是两个相交圆的相交部分，形似橄榄，因而称橄榄形动作特性，所构成的继电器也

被称为橄榄形特性阻抗继电器。当〃>90°时，其动作特性将为如图5-10(b)所示带斜线

的两圆弧组成，形如苹果，因而称苹果形特性阻抗继电器，其动作方程表达式为

7-7

-9<Arg3——竺<6(3>90°)(5-22)

8

图5-10橄榄形和苹果形阻抗继电器动作特性

(a)橄榄形特性｛0<90-)：(b)草果形特性(0>90“)

三、方向阻抗继电器的死区及其消除方法

1.产生死区的原因

前面分析了单相式阻抗继电器圆特性和直线特性的动作方程，而按上述原理构成的方

向阻抗继电器在实际工作中，当保护正方向出口发生三相短路时，故障点相间残压接

近丁•零，加入继电器的电压=0或小丁继电器动作所需最小电压时，方向阻抗继电器将

不能动作。因此，杷短路时方向阳抗邪电器不能动作的一定区域称为方向阳抗继电器的死区。

对于按幅值比较原理构成的方向阻抗继电器，其动作方程为

,当时，变为-;kJm,理论上处于

动作边界，实际上，由于继电器的执行元件动作需要消耗一定的功率，因此，继电器不能动

作。

对于按比相原理构成的方向阻抗继电器，动作方程为式(5-14),当U,“=0M，由于进

行比相的两个电压中有一个为零，因而无法比相，继电密不动作。

2.消除死区的方法

为了减小和消除继电器的死区，通常在方向阻抗继电器的两个电压比较量中引入杵等极

化电压以.。为了不影响继电器的动作特性，(Jir应与必同相位；保护安装处出口短路时,

极化电压力,应不为零或能保持一段时间.

通常引入极化电压的方法如下：

(1)记忆回路，如图5-11(a)所示。记忆回路由R、L、C组成50%工频串联谐振回

路，谐振回路在正常情况下呈电阻