基于多功能實驗系統的功率方向繼電器動作特性分析

摘要：主要介紹了LG-11整流型功率方向繼電器的工作原理、功率方向繼電器的兩種接線方式的優缺點以及功率方向繼電器的“電壓死區”問題和解決方法，接著簡單介紹了繼電器實驗平臺——多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統，然后通過該平臺將元件相關的原理進行功率方向繼電器動作特性分析驗證。

關鍵詞：多功能繼電保護；電壓死區；相間電流保護；功率方向繼電器

中圖分類號：G642.423 文獻標識碼：A 文章編號：1007-0079（2014）35-0154-02

電網的安全運行離不開能判斷故障并及時切斷故障的繼電保護裝置，當線路為單側電源時，我們可通過三段式電流保護、距離保護、縱聯差動保護等有選擇性地來移除故障。但是當線路為雙側電源網絡時，為保證裝置的選擇性動作，需為保護配上功率方向繼電器。LG-11功率方向繼電器作為一種功率方向元件，能通過檢測判斷流經保護的電壓和電流的相位關系，來確定發生的故障處在保護裝置的正向或方向，以此來保證保護的選擇性動作，達到可靠性工作。[1]在雙側電源線路中，線路的某處故障，必須使該段線路兩端的保護動作以切除整段故障線路，這時，每段線路的兩端都是各裝有一套保護裝置，若沒有裝設方向元件，則可能因為保護的整定值或整定時間原因，導致故障線路的上一級或下一級的保護動作，使得故障波及范圍增大，增加經濟損失或設備損壞。對于實際中的供電網絡來說，為了保證供電的穩定性，大部分線路都是雙側電源供電，因此，為了保證保護裝置的可靠性和選擇性，功率方向元件將起到非常大的作用。

一、功率方向繼電器的工作原理

1.方向元件的工作原理

功率方向繼電器能反映所接入的電壓和電流之間的相位關系，當電壓和電流之間的相位差為銳角時，繼電器的動作轉矩為正，繼電器動作，控制接點閉合，繼電器跳閘；當相位差為鈍角時，繼電器的動作轉矩變為負，繼電器不動作，從而達到判別相位的要求。[1]如果我們畫出通過保護的測量電壓和測量電流的向量圖，則兩向量的比值為線路阻抗，兩向量的夾角為線路的阻抗角，取為。

2.方向元件的0°接線方式

0°接線方式是指保護選取其中一相的電壓（如）和該相的電流（），然后計算它們的相位差來對是否動作進行判斷。

當正方向時，電壓和電流的相位角為，而當反方向時，電壓和電流的相位角為+180°，因為元件的動作是有范圍的，并且功率方向元件的輸出在電壓和電流幅值不變的情況下，隨著它們相角的改變而改變，而當輸出最大時，就存在動作的最大靈敏角。[1]

假設線路的阻抗角為45°，即αma=45°，此時電壓超前電流45°，于是我們可在復平面上沿著阻抗角的向量方向畫一條直線，該直線即為最靈敏線，當故障發生時，電壓和電流的相位角在最靈敏線附近時，繼電器的動作特性最好，靈敏度最高。

動作方程可表示為：sen-90°<

接線的好處是可以消除死區，且靈敏度高，但是當在出口處發生三相短路時，由于殘壓接近于0，保護也會失效。為了解決這種問題，一般是在繼電器本身加上一種記憶回路，來延長對三相短路的記憶。但是由于記憶的時間過短，一般只有幾個周波（0.1S左右），這樣當保護的時限較長時，如電流的二段限時保護或三段過電流保護（時間在0.5S，1S及以上），這樣保護還是會失效。為了解決這種問題，一般的做法是采用中間繼電器來延長對三相短路的記憶或是提高方向繼電器發生短路時的殘壓來消除死區。[2-3]

二、多功能繼電保護及變電站綜合自動化系統簡介

TQXDB-III多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統是基于實時仿真技術的數字、物理混合仿真平臺，把實際的變電站和線路繼電保護運行“移植”到實驗臺中，模擬現場繼電保護的運行，可以仿真電網運行的各種保護裝置和變電裝置的物理現象。該系統的幾大特點：實用性強、接近電力系統實際、實驗現象直觀、組態靈活、接口開放，為我們的實驗提供了極大的方便。[4]

TQXDB-III多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統采用實驗臺結構，實驗臺由TQWX-III微機型繼電保護試驗測試儀、TQXDB-III多功能微機保護實驗裝置、常規保護繼電器、成組保護接線圖、控制回路模塊等組成，主要可以進行以下三種項目實驗：（1）數字式繼電器特性實驗：利用單片機等技術向計算機產生信號，通過向硬件載入相應程序模塊，可數字化實現電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、差動繼電器等多種常規繼電器的功能。（2）成組微機保護實驗：實驗臺上裝有10KV、35KV、110KV模擬線路及線路上的各種微機保護裝置，可以模擬整條輸電線路的運行情況和故障跳閘動作情況。（3）微機保護與繼電保護配合動作實驗。將多個繼電器組合構成繼電保護，利用微機保護實驗裝置完成微機保護實驗，此實驗貼近電力現場，能加深使用者的操作印象。[4-5]

由上圖可以知道，繼電器的本身設置的靈敏度為45°，在功率方向繼電器的角度特性曲線為45°的時候Udz.J最小，意思是當線路的電壓電流相位角為45°時，功率方向繼電器的啟動電壓最小，繼電器的方向特性最好，動作最靈敏。而隨著相位角的增大或減小，逐漸遠離最大靈敏角，方向繼電器的啟動電壓逐漸增大，繼電器動作對電壓的要求越來越高，當接近動作邊界時，即φJ±90時，繼電器的啟動電壓呈指數增長，當啟動電壓高于線路的電壓時，功率方向繼電器將失效不再動作。而我們知道，當線路短路時，母線的電壓或者說保護裝置出口處的電壓將大幅度降低，尤其在保護出口處附近發生的短路，會使保護的電壓接近于0，當保護上的電壓低于啟動電壓時，繼電器是不會動作的，這就出現了所謂的“電壓死區”。這時將會使得線路的繼電保護裝置無法選擇性地動作，擴大故障的影響范圍。對于0°接線方式來說，發生單相接地短路或與該相相關的相間短路時，都很大可能會使該相電壓過低而無法啟動功率方向繼電器。而對于90°接線方式來說，因為測量的電壓為非故障相的線電壓，所以當發生短路時，可以消除方向元件的“電壓死區”使功率方向繼電器正常工作。對于三相短路時我們也可以在繼電器上加入記憶回路來90°接線方式繼續正常工作。[2，6]

四、結論

功率方向繼電器的優點在于，在具有兩個以上電源的網絡系統中，可以保證各保護之間動作的選擇性，使發生故障時將影響范圍盡量縮小。但是加入方向元件后必然使保護的接線更近復雜，投資增大，并且在保護安裝地點出口附近發生三相短路時，母線電壓降低接近0，方向元件將失去動作判據而拒絕動作，這將會影響到電力網絡的穩定可靠性。此外隨著電網結構的越加復雜、故障類型、系統運行方式以及參數變化的影響， 在某些故障情況下也會失去保護的選擇性， 如在大容量母線的Y0 / -11 變壓器的 側發生相間短路時，90°接線方式的方向保護元件可能會誤動。所以對于可以不裝設方向繼電器的地方，我們盡量不裝設（如單側電源線路）。在雙側電源網絡中，我們也可以通過躲開保護的整定值或者整定時間來避免保護的反方向誤動，以此來充當功率方向繼電器的作用。

參考文獻：

[1]張沛云.LG—11型功率方向繼電器試驗中的幾個問題[J].電氣應用，2006，（1）：35-37.

[2]陳立峰.談功率方向繼電器“死區”問題的解決[J].電工技術雜志，1991，（6）：40-41.

[3]牟恂修.LG-11型功率方向繼電器90°接線的可行性分析[J].四川水力發電，2004，（3）：63-65，68.

[4]李惜玉，謝創利.多功能繼電保護及變電站自動化系統教學應用[J].中國電力教育，2013，（17）：102-103，117.

[5]周有慶等 .TQXBZ-III 多功能繼電保護及變電站綜合自動化實驗培訓系統實驗指導書[Z].湖南：長沙同慶電氣信息有限公司.

[6]李仲明.功率方向繼電器的正確選型[J].西北電力技術，1997，

（6）：28-33.

（責任編輯：韓曉英）