第三节方向阻抗继电器的特殊问题.docx
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第三节方向阻抗继电器的特殊问题
第三节方向阻抗继电器的特殊问题
一、方向阻抗继电器的死区及其消除措施
(一)方向阻抗继电器的死区
当在保护安装处正方向出口的一定范围内发生金属性相间短路时,母线电压(即保护
,安装处电压)降低到零或很小值,加到继电器上的电压或者小于继电器动作所需的U,0m
最小电压时,无论方向阻抗继电器是根据比幅原理还是比相原理构成的,均不能动作。
发生此情况的一定范围,称为方向阻抗继电器的死区。
现将产生死区的原因分析如下:
对于幅值比较式方向阻抗继电器,由式(6-8)可知,其动作条件为
1111,,,,,,。
当时,该式变为,即进行比U,IZ,IZ,IZ,IZU,0mmsetmsetmsetmsetm2222
,,较幅值的两个量和大小相等,由第二节理论分析可知,此时继电器处于动作边界,应AB
该刚好能够起动。
但实际上由于继电器执行元件动作需要消耗一定的功率,例如机电式继电器具有弹簧反作用力矩和摩擦力矩,晶体管放大器也需要一定的输入信号才能动作。
因
,,此在相等的情况下,继电器并不能动作。
A和B
对于相位比较式的方向阻抗继电器,由式(6-10)可知,其动作条件为
,Uoom,,。
当时,由于进行相位比较的两个电压中的为零,270,arg,90U,0Cm,,U,IZmmset
所以比相回路无法进行相位比较,继电器同样也不能动作。
(二)消除方向阻抗继电器死区的措施
为了消除方向阻抗继电器的死区,通常在幅值比较式方向阻抗继电器的两个比较量中
,,引入相等的插入电压,在相位比较式方向阻抗继电器中引入极化电压。
为了使方向UUchJ
,,阻抗继电器的动作特性不受影响,应满足以下要求:
U和UchJ
,,,?
U和U应与U同相;chJm
,,?
当保护安装处出口发生短路时,U和U应不为零或能保持一段时间逐渐衰减到chJ
零。
,现以比相式方向阻抗继电器为例,介绍常用以得到极化电压的两种方法如下:
UJ
20
1(记忆回路
所谓记忆回路就是由R、L、C组成的一个工频串联谐振电路,如图6-16所示。
对于
1,,50Hz的工频电流,,该电路呈电阻性,电路中的电流及其在电阻R上产生的LI,U,C
,,,,电压降与同相位,因此用作为极化电压(或插入电压)供给方向阻抗UU代替UUmRmR
继电器,继电器的特性不会受到影响。
,当保护按装处附近发生金属性短路时,突降到零,此时由于R、L、C回路处于对Um
,50Hz的谐振状态,不会立即降为零,要按回路的自由振荡频率经过几个周波以后才逐渐IU
,,衰减到零。
因此由电阻R上得到的极化电压(=)同样也经过几个周波之后才衰减UUJR
到零,其波形如图6-17所示。
因此,这个电压又被称为记忆电压,该回路被称为记忆回路。
利用这一电压在继电器中迅速地进行比相或比幅,保证正方向出口短路时继电器无死区,反方向出口故障时不失方向性。
应当注意的是,实际上由于记忆回路中有电阻R,使回路的自由振荡角频率为
21R,,(6-20),02LC4L
1,L如果上式中L和C是按的条件选择的(ω为工频角频率),则故障后的自由,,C
,,振荡频率ω将小于工频振荡频率ω,其结果会导致在故障后的暂态过程中,相位U或U0JR
,逐渐远离故障前U的相位,显然这将影响方向阻抗继电器的正确动作。
m
,,若要保证故障衰减过程中同相位,则应满足ω=ω的条件。
但这样在稳态时,U与U0Jm
21
21Roo,,,,,又会使,R、L、C电路呈容性,约为5~8,从而使超前L,,I超前UUUUmmJ,C4,L
oo的角度为5~8,造成方向阻抗继电器的动作特性随之发生变化。
由此可见,记忆电路稳态时的谐振角频率与暂态时的自由振荡角频率不可能相等,通
1,常对于快速动作的方向阻抗继电器,按的条件选择记忆回路元件的参数;而对于L,,C
21R动作较慢的保护,则按的条件来选择。
,,,,02LC4L
2(引入非故障相电压
记忆回路只能保证方向阻抗继电器在暂态过程中正确动作,其作用时间是有限的。
为克服这一缺点,再引入非故障相电压。
因为在各种两相短路时,只有故障相间的电压降低到零,而非故障相间的电压仍然很高,因此在继电器的接线方式上可以考虑直接利用或部分利用非故障相的电压来消除两相短路时的死区。
图6-18(a)所示为接于AB相的方向阻抗继电器中引入第三相(C相)电压、并将第三相电压和记忆回路并用的方案,它是将C相电压通过一高值电阻R接到记忆回路中C和L的连接点上。
h
,正常运行时,由于电压较高且L、C处于工频谐和振状态,而电阻R的值又很大,Uhab
,,使作用在R上的电流主要来自且是电阻性的,第三相电压基本上不起作用。
当系统UUabc
,AB相发生突然短路时,降为零,此时由于记忆回路的作用可使继电器得到一个和故障Uab
22
,,前相位相同的极化电压,但它在几个周波之后将逐渐衰减到零,此时第三相电压的UUmJ
作用将表现出来。
,由图6-18(a)可见,当AB两相短路后,c相与a、b相直接构成回路并有(等于Uac
1.5倍相电压)作用于该回路上,于是有
,Uac,,,I,I,I,LCR,(R,jX)//jXhCL
jXL,,而I,ICR,jX,jXCL
由于回路调谐使X=X,而所选R》(R-jX)//jX,所以CLhCL
jXXLL,,,I,I,jUCacRRRh
XL,,,,U,U,IR,jUJRCacRh
0,,,,由此可见,,也就是和故障前的(=)同相位,如图6-18(b)UU超前于U90UmJacab
,所示。
因此当两相短路时,第三相电压可以在继电器中产生和故障前电压同相的、而且Um
,不衰减的极化电压,以保证方向阻抗继电器的正确动作。
UJ
二、极化电压的引入对方向阻抗继电器动作特性的影响
(一)方向阻抗继电器的稳态特性
1(比相式方向阻抗继电器
,,,对于比相式方向阻抗继电器,在引入极化电压以后,通常是把其被比较量中UC和DJ
,,,,,的由原来的改为,所以此时方向阻抗继电器的动作条件的表达式变为C,UC,UCmJ
,UJ00(6-21)270,arg,90,,UIZ,mmset
,,若令,则式(6-21)可简写成IZ,UmsetK
23
,UJ00(6-22)270,arg,90,,UU,mK
,,如图6-18(a)所示,在稳态情况下,由于同相位,因此式(6-10)和式(6-21)U与UJm
所表示的方向阻抗继电器的动作特性是相同的,即极化电压的引入并不改变方向阻抗继电器的稳态特性。
,当保护安装处发生金色属性短路路故障时,由于,因此按式(6-10)构成的继U,0m
,电器显然已不能动作;而对于按式(6-21)构成的继电器,由于不为零并可维持一段时UJ
,,间,所以继电器仍然可以保持和有时完全相同的动作特性。
因为极化电压为比相回UUmJ路提供了一个相位参考的依据,使方向阻抗继电器能够判别出故障的方向,起了方向极化的作用,所以称其为极化电压。
2(比幅式方向阻抗继电器
,在比幅式方向阻抗继电器中,为消除死区,将两个相等的插入电压分别加到被比Uch
,,较幅值的两个量中,继电器的动作条件相应的也由式(6-8)变为A和B
11,,,,,U,U,IZ,U,IZ(6-23)chmmsetchmset22
,,,,若将式(6-23)中的两个被比较量分别用表示,则其动作特性如图6-20(b)A和B
所示。
,,,在稳态情况下,同相位,当位于动作特性圆的边界上时,式(6-10)中U和UUchmm
,,,,,A和B的相等;可以证明,在分别被加入后得到的四边形MNPQ为等腰梯形,UA、Bch
,,,,,,,,A和BA,B其两条对角线必然相等,即,所以插入电压的引入并不改变继电器的稳态动作特性。
,当保护安装处出口短路时,,如前所述,此时按式(6-10)构成的继电器已不U,0m
能动作;而按式(6-23)工作的继电器的动作条件为
24
11,,,,U,IZ,U,IZchmsetchmset22
,,只要存在并与短路前的同相位,这一条件就能够得到满足。
所以继电器此时能够正UUmch
确动作。
以上分析表明,方向阻抗继电器在引入极化电压(或插入电压)后,无论是基于比相原理还是基于比幅原理构成的,在稳态情况下,都能保证动作特性和未引入极化电压(或插入电压)前一样,即能消除正方向出口短路时的死区,同时又能防止反方向出口短路时可能发生的误动。
(二)方向阻抗继电器的初态特性
如上所述,方向阻抗继电器(以相位比较式为例)在引入具有记忆作用的极化电压以后,其动作条件已变为
,UJ00270,arg,90,,UU,mK
,,在正常运行和短路达到稳态后,极化电压与测量电压U同相位,上式所表达的动作特UmJ
性称为稳态特性,它与未引入极化电压时完全相同。
但在发生生短路的最初瞬间,由记忆
,,回路“记住”的极化电压的相位,实际上是故障前负荷状态下的母线电压的相位,UUJloa
,,即同相,因此继电器的动作条件应为U与UJloa
25
,Uloa00(6-24)270,arg,90,,UU,mK
,,而是故障后的母线电压,它与故障前的母线电压不可能同相,显然式(6-24)所表UUmloa
示的继电器的动作特性与稳态时不相同,所以称其为初态特性。
短路发生以后,随着记忆
,,,作用逐渐消失,的相位将由逐步地向短路后的母线电压过渡,因此可以这样认UUUmJloa
为,有记忆作用的方向阻抗继电器的动作特性是由初态特性逐步向稳态特性过渡的。
1(正方向短路时的初态特性
正方向短路时的系统接线及其有关参数如图6-20(a)所示,在正方向K点发生短路时,若取互感器变比等于1,则
,E,I,mZ,ZMk
,,U,IZmmk
,UmZ,,Zmk,Im
,,因U,IZKmset
ZZ,mset,,,,故(6-25)UUIZZE,,(,),mKmmsetZZ,mM
将式(6-25)代入式(6-24),则可得继电器的动作条件如下
26
,Z,ZUoomMloa(6-26)270,arg,,90,Z,ZEmset
上式亦可表示为
,,UZZU,ooloamMloa(6-27)270,arg,arg,90,arg,,ZZ,EEmset
,Uoloa,,如果短路前为空载,则,arg,0,因此继电器的动作条件可简化为UE,loa,E
Z,ZoomM(6-28)270,arg,90Z,Zmset
式(6-28)所表示的动作特性是以向量为直径的圆,圆内为动作区,如图6-20,,Z,(,Z)setM
(b)所示。
由上述分析可见,引入极化电压后,方向阻抗继电器的初态特性具有如下特点:
?
当正方向发生金属性短路时,继电器的测量阻抗Z为短路点到保护安装点的线路m
阻抗,其阻抗角为线路阻抗角;当经过渡电阻短路或串补电容后短路时,Z将进入第四,mk
象限,但不会进入第三象限,动作有效区如图中斜线所指向的部分。
?
动作特性包括坐标原点,正方向出口短路时(Z=0),继电器能可靠动作,证明记m
忆回路可以消除方向阻抗继电器的死区。
需要指出的是,动作特性虽然包括坐标原点在内但并不意味着反方向故障时会失去方向性,因为式(6-28)是在保护正方向短路的条件下导出的,它不适于反方向故障。
?
初态特性圆比稳态特性圆大,因此容许过渡电阻的能力较强。
2(反方向短路时的初态特性
反方向短路时的系统接线及有关参数如图6-21(a)所示。
当在k点发生短路时,流过
,,E保护的电流是由对侧电源供给的,即
,,,,EE,I,,,,m,,Z,ZZ,ZMkMm
,UmZ,,,Zmk,Im
,,U,IZKmset
27
Z,ZZ,Zsetmmset,,,,,,,(6-29)UUIZZEE,,(,),,mKmmset,,Z,ZZ,ZMmsetM
将式(6-29)代入式(6-24),并假定故障前为空载,则可得继电器的动作条件为
ZZ,0mM0(6-30)270,arg,90ZZ,mset
上式表明,继电器的动作特性是以向量(为直径的圆,圆内为动作区,如图6-21Z,Z)Mset
(b)所示。
,,,E由于是由对侧电源到保护安装处的阻抗,其值一定大于Z,所以继电器的初态ZsetM
动作特性为上抛到第一象限的抛圆特性,而这时继电器的测量阻抗为,它在第三象限。
Zk因此,在反方向短路的暂态过程中,继电器具有明确的方向性。
三、阻抗继电器的精确工作电流
28
以上分析阻抗继电器的动作特性时,都是从理想的条件出发,即认为比相回路(或幅
,C00,,值比较回路中的执行元件)的灵敏度很高,当或时,为继电A,Barg,90(或270),D
器动作的临界条件,因此继电器的动作特性只与加入继电器的电压和电流的比值(即测量阻抗)有关,而与电流的大小无关。
但实际上阻抗继电器在动作时都必须消耗一定的功率,当计及这一因素的影响时,则需进一步的分析。
例如对于比幅式的方向阻抗继电器,其实际的动作条件应为
,,,,,(6-31)KI,KU,KI,UImUmIm0
,式中——电流量的系数,有阻抗量纲;KI
——电压量的系数,无量纲,一般是实数;KU
——要使继电器动作(计及动作需要的功率)时,动作量必须比制动量高出的门U0
槛电压。
1,将上式与式(6-8)相比,可知在方向阻抗继电器中,。
调节K的K,Z,K,1UIsetU2
大小可改变继电器的定值。
所以,继电器实际的临界动作条件应为
,,,,,KI,KU,KI,UImUmIm0
当时,上式中的各相量间的关系就变成了代数关系,因此可得,,,,,msenl
2KI,KU,UImUm0
U2KmI因在临界动作时,又计及,所以可得继电器的实际起动阻Z,,Z,Zmoper.KsetKIUm
抗为
U0ZZ(6-32),,operKset.KIUm
Z,f(I)图6-22绘出了上式所表示的关系曲线。
oper.Km
由图可见,当加入继电器的电流较小时,继电器的起动阻抗将下降,使阻抗继电器的
29
实际保护范围缩短。
这将影响继电器与相邻线路阻抗元件的配合,甚至引起非选择性动作。
为了把起动阻抗的误差限制在一定的范围内,规定了精确工作电流I这一指标。
ac
所谓精确工作电流,就时指当I=I时,继电器的起动阻抗Z=0.9Z,即比整定阻macoper.Kset抗值缩小了10%。
因此,当I>I时,就可以保证起动阻抗的误差在10%以内,而这个误mac
差在选择可靠系数时,已经被考虑进去了。
当加入继电器的电流足够大以后,U的影响就可以忽略,此时Z=Z,继电器的动0oper.Kset作特性才与电流无关。
但当短路电流过大时,可能会会造成电抗互感器或中间变流器的饱和,使继电器的起动阻抗又将随着I的继续增大而减小,这也是不允许的,因此在电抗互m
感器或中间变流器的设计中,应注意对饱和电流倍数的要求。
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