集成电路型功率方向继电器

2.2.3　集成电路型功率方向继电器

1）集成电路型功率方向继电器的构成

功率方向继电器的作用是比较加在继电器上的电压与电流的相位，并在满足一定关系时动作。其实现方法有相位比较法和经转换后的幅值比较法（见距离保护部分的讲解），其实现手段有感应型、集成电路型和数字型等，按式（2.38）用相位比较方式构成的集成电路型功率方向继电器的框图如图2.19所示。

加入继电器的电压和电流经电压形成回路后，变换成集成运算放大器所需要的电压，并与电压互感器、电流互感器的二次回路相隔离。然后使移相α角，以获得参考向J R均经过50Hz带通有源滤波器，以消除短路暂态过程中非周期分量和各种谐波分量的影响，而后形成方波。方波形成回路通常采用开环的运算放大器构成，具有很高的灵敏性，其负半周期输出经二极管检波后，变为0V信号（参见图2.20中的U3和U4）。由与门、或非门、延时5ms、展宽20ms等器件组成的相位比较回路，可对两个方波进行相位比较，当满足式（2.38）的条件后，即输出高电平1态信号，表示继电器动作。

图2.19　集成电路型功率方向继电器构成框图

图2.20　相位比较回路中各点输出电压波形图

2）相位比较回路

目前广泛采用的相位比较的方法之一是测量两个电压瞬时值同时为正（或同时为负，以下相同）的持续时间。例如当同相位时，如图2.20（b）所示，其瞬时值同时为正的时间等于工频的半个周期，对50Hz而言，即为10ms。而当上述两个电压的相位差增大至90°时，如图2.20（a）所示，其瞬时值同时为正的时间减至5ms。因此比较R的相位差，可通过一定的逻辑关系，用测量这两个电压瞬时值同时为正的时间来实现。当两者之间的相位差≤90°时，其瞬时值同时为正的时间必然≥5ms，当满足这个关系时，继电器就应该动作。

在图2.20中，两个方波接入与门后的输出电压U₅能反应瞬时值同时为正的时间，而接入或非门后的输出电压U₆，能反应瞬时值同时为负的时间，因此这个电路可以同时进行正、负半周的比相。当U₅电压为高电平且持续时间≥5ms时，U₇输出高电平。由于U₅每隔20ms输出一个高电平，是一个间断的信号，故必须予以展宽，即经20ms的展宽回路，才能变为长信号输出。同理，当U₆电压为高电平且持续时间≥5ms，经20ms展宽后，U₈输出高电平长信号。为提高可靠性，在图2.19中，采用正、负半周比相与门输出的方式。即U₇和U₈必须同时为高电平后，U₉才输出高电平，表示继电器动作。这种继电器的动作速度较慢，最快的动作时间为10ms。在有些情况下，当要求继电器快速动作时，则可以采用正、负半周比相或门输出的方式，此时可使U₇和U₈改为经或门输出，当任一个为高电平后，U₉就可以输出高电平，其最快的动作时间为5ms。

3）集成电路型功率方向继电器的动作特性

在式（2.40）所示的动作方程中，U_J、I_J和φ_J均为变量，当其中任何一个变化时，继电器的启动条件都要随之改变，因此为了便于应用，通常采用下面两种特性予以表示。

（1）角度特性：表示当I_J固定不变时，继电器启动电压U_dzJ＝F（φ_J）的关系曲线。此特性可用直角坐标和极坐标表示，如图2.21（a）和（b）所示，其最大灵敏角φ_lm＝－α。当φ_d＝60°时，φ_lm＝－30°，动作范围位于以φ_lm为中心的±90°以内。在此动作范围内，继电器的最小启动电压U_dzJmin基本上与φ_J无关，其值主要取决于使开环运算放大器形成方波时所需要的最小输入电压。当加入继电器的电压U_J＜U_dzJmin时，继电器将不能启动，这就是出现“电压死区”的原因。

图2.21　功率方向继电器（α＝30°）的角度特性

（2）伏安特性：表示当φ_J＝φ_lm固定不变时，继电器启动电压U_dzJ＝f（I_J）的关系曲线。在理想情况下，该曲线平行于两个坐标轴，如图2.22所示，只要加入继电器的电流和电压分别大于最小启动电流I_dzJmin和最小启动电压U_dzJmin，继电器就可以动作。其中I_dzJmin的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。

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。所谓潜动就是指在只加入电流或只加入电压的情况下，继电器就能够动作的现象。发生潜动的最大危害是在反方向出口处三相短路时。此时U_J≈0，而I_J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。就集成电路型功率方向继电器而言，造成潜动的原因主要是形成方波的开环运算放大器的零点漂移。例如在U_J＝0的情况下，零点漂移如使开环运算放大器输出正信号，就会引起正半周比相的误动作；如输出负信号，则会引起负半周比相误动作。在如图2.19所示的框图中，采用正、负半周比相与门输出的方式，有可能可靠地防止潜动的发生，否则必须采取其它措施予以消除。

图2.22　功率方向继电器的伏安特性