功率方向继电器的工作原理

2.2.2　功率方向继电器的工作原理

1）功率方向继电器的原理

如果规定流过保护的电流的正方向是从母线指向线路，在如图2.16（a）所示的网络接线中，对保护1而言，当正方向d₁点三相短路时，流过保护1的短路电流滞后于该母线2.16（b）所示。当反方向d₂点短路时，通过保护1的短路电流是由电源E_Ⅱ供给的。此时对保护1如果仍按规定的电流正方向观察，则滞后于母线电压的相角将是180°为该母线至d₂点之间的线路阻抗角），其值所示。如以母线电压U作为参考向量，并设的相位相差180°。

因此，判别短路功率的方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。用以判别功率或测定电流、电压间相位角的继电器称为功率方向继电器。由于它主要反应于加入继电器中电流和电压之间的相位，因此用相位比较方式来实现最为简单。

图2.16　方向继电器工作原理的分析

2）对继电保护中方向继电器的基本要求

（1）应具有明确的方向性，即在正方向发生各种故障（包括故障点有过渡电阻的情况）时，能可靠动作；而在反方向故障时，能可靠不动作；

（2）故障时继电器的动作有足够的灵敏度。

3）功率方向继电器的动作特性

如果按电工技术中测量功率的概念，对A相的功率方向继电器加入电压，则当正方向短路时，如图2.16（b）所示，继电器中电压、电流之间的相角为反方向短路时，如图2.16（c）所示，为

式中符号arg表示向量的幅角，亦即分子相量超前于分母相量的角度，如果取φ_d＝60°，可画出相量关系如图2.17所示。

一般的功率方向继电器当输入电压和电流的幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两者相位差的大小而改变。为了使在最常见的短路情况下，继电器动作最灵敏，采用上述接线的功率方向继电器应做成最大灵敏角φ_lm＝φ_d＝60°。又为了保证短路点有过渡电阻，线路阻抗角φ_d在0°～90°范围内变化时正方向故障继电器都能可靠动作，继电器动作的角度应该有一个范围，考虑继电器实现的方便性，这个范围通常取为φ_lm±90°。此动作特性在复数平面上是一条直线，如图2.18（a）所示，阴影部分为动作区。其动作方程可表示为

图2.17　三相短路φ_d＝60°时的向量图

图2.18　功率方向继电器的动作特性

当选取φ_lm＝φ_d＝60°时，其动作区如图2.18（a）所示。如用φ_J表示超前于的角度，并用功率的形式表示，则式（2.36）可写成

U_JI_Jcos（φ_J－φ_lm）＞0　　　（2.37）

当余弦项和U_J、I_J越大时，其值越大，继电器动作的灵敏度越高，而任一项等于零或余弦项为负时，继电器将不能动作。

采用这种特性和接线的继电器，在其正方向出口附近短路接地时，故障相对地的电压很低，使继电器不能动作，这称为继电器的“电压死区”。为了减小和消除死区，在实际中广泛采用非故障的相间电压作为接入功率继电器的电压参考量并判别电流的相位。例如对A相的方向继电器加入电流φ_d－90°＝－30°；反方向短路时，φ_J＝150°，相量关系亦给在图2.17中。在这种情况下继电器的最大灵敏角设计为φ_lm＝φ_d－90°＝－30°，动作特性如图2.18（b）所示，动作方程为

习惯上采用90°－φ_d＝α，α称为功率方向继电器的内角，则式（2.38）可变为

如用功率的形式表示，则为

U_JI_Jcos（φ_J＋α）＞0　　　（2.40）

对A相的功率方向继电器而言，可具体表示为

U_BCI_Acos（φ_J＋α）＞0　　　　（2.41）

除正方向出口附近发生三相短路时，UBC≈0继电器具有很小的电压死区以外，在其它任何包含A相的不对称短路时，由于I_A的电流很大，U_BC的电压很高，因此继电器不仅没有死区，而且动作灵敏度很高。为了减小和消除三相短路时的死区，可以采用电压记忆回路并尽量提高继电器动作时的灵敏度。