实验2：功率方向继电器实验讲稿
一、 实验目的
1、学会运用相位测试仪测量电流电压之间的相角方法。
2、掌握功率方向继电器的动作特性，接线方式及动作特性的实验方法。
二、 LG-11型功率方向继电器简介
1、 LG-11型功率方向继电器的工作原理
LG-11型功率方向继电器是目前广泛应用的整流型功率方向继电器，其比较幅值的两电气量动作方程：
kk⨯Im+ky⨯Um≥kk⨯Im-ky⨯Um
继电器的接线如图2-1所示，其中图A为继电器的交流回路图，也就是比较电气量的电压形成回路，加入继电器的的电流为I m，电压 ，电流I 通过电抗变压器DKB的一次绕组W1，二次绕组W2和为Umm
I W3端获得电压分量Kkm，它超前电流Im的相角就是转移阻抗Kk的阻
抗角ϕk，绕组W4用来调整ϕk的数值，以得到继电器的最灵敏角。电
经过电容C1接入中间变压器YB的一次绕组W1，由两个二次绕压Um
U 。K U 超前U 的相角90度。DKB和组W2和W3获得电压分量Kmymym
YB标有W2的两个二次绕组的联接方式如图所示，得到动作电压KKIm+KyUm,加于整流BZ1输入端；DKB和YB标有W3的两个二次绕∙∙∙∙
组的联接方式如图所示，得到制动电压KKIm-KyUm，加于整流桥BZ2∙∙∙∙
端。图（b）为幅值比较回路，它按循环电流式接下，执行元件采用极化继电器JJ。
继电器的最大灵敏角的调整是利用改变变压器DKB第三个二次绕组W4所接的电阻值来实现的，继电器的内角α=900-ϕk，当接入电
阻R3时，阻抗角 ϕk=600,α=300;当接入电阻R4时 ϕk=450,α=450;。因此，继电器的最大灵敏角φsen=-α，并可以调整为两个数字，一个为-30°，另一个为-45°。
当在保护安装处于正向出楼发生相间短路时，相间电压几乎降为
≈0，由于功率方向继电器0值，这时功率方向继电器的输入电压Um
的动作需克服执行的机械反作用力矩，也就是说必须消耗一定的功率
> 。所以在（尽管这一功率消耗不大）。因此必须满足条件AB
=0的情况下，功率方向继电器动作不了。因而产生了电压死区。Um
为了消除电压死区，功率方向继电器的电压回路需要加设记忆回路，就是需要电容C1与中间变压器YB的绕组电感构成对50Hz串联谐振
=0时，该回路中的电流并不立即消电路。这样当电压突然降低为Um
失，而是按50HZ谐振电路的频率，经过几个周波后，逐渐衰减为0。而这个电流与故障前的电压同相，并且在谐振衰减过程中维持相位不变化。因此，相当于记住了短路前的电压的相位，所以称为记忆回路。
由于电压回路有了记忆回路的存在，相当于继电器的电压为 =0时，在一定的时间内YB的二次绕组端纽有电压分量的存在，就Um
可以继续进行幅值的比较，因而消除了在正方向的出口短路时继电器的电压死区。
在整流比较回路中电容C2和C3主要是滤除二次谐波，C4用来滤除高次谐波。
图2-1 LG-11功率方向继电器原理接线图
2、功率方向继电器的动作特性
继电器的动作特性如图2-2所示。临界动作条件为垂直于最大灵敏线通过原点的一条直线，动作区为带有阴影线的半平面范围。电流的相位可以改变，当与最大灵敏线重合时，即处于灵敏角ϕsen=-α的
I 情况下，电压分量Kkm与超前Um为90度相角的电压分量KyUm相重
合。
图2-2 功率方向继电器动作特性
通常功率方向继电器的动作特性还有下面2种表示方法：
（1）角度特性：表示Im固定不变，继电器的动作电压Upu.r=f(ϕm)的关系曲线，理论上此特性可以用图2-3所表示，理想情况下动作范围位于为ϕsen中心的±90度以内。在此动作范围内，继电器的最小起动电压Upur.min基本上与ϕr无关，加入继电器的电压为Ur
图2-3 功率方向继电器的角度特性（ϕ=30）
（2）伏安特性：表示当ϕm=ϕsen固定不变时，继电器的启动电压
Upu.r=f(Im)的关系曲线。在理想情况下，该曲线平行与两个坐标轴，。如图2-4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Ipu.r.min和最小启动电压Upu.r.min继电器就可以动作。其中Ipu.r.min之值取决于在电流回路中形成方波时所要加入的最小电流。
图2-4 功率方向继电器的伏安特性
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。功率方向继电器可能出现电流潜动和电压潜动两种。
所谓电压潜动，就是功率方向继电器仅加入电压时产生的动作。产生电压潜动的原因是由于中间变压器YB的两个二次绕组W3，W4的输出电压不等，当动作回路YB的W2端电压分量kkUm大于制动回路YB
的W3电压分量kkUm时，就会产生电压潜动现象。为了消除电压潜动，
可调整制动回路中的电阻R3，使Im=0时，加于两个整流输入端的电压相等，因而消除电压潜动。
所谓电流潜动，就是功率方向继电器仅通过电流Im产生的动作，产生电流潜动的原因是由于电抗变压器DKB两个二次绕组W2、W3的电压分量不相等，当W2电压分量大于W3电压分量时，就会产生电流潜动。为了消除电流潜动，可调整动作路中的电阻R1，使Um=0加于两个整流桥输入端的电压相等，因而消除了电流潜动。
发生潜动的巨大危害是在反方向出口处三相短路时，此时Um≈0，Im很大，方向继电器本应该将保护装置闭琐，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。
3、相间短路功率方向继电器的接线方式
由于功率方向继电器的主要任务是判断短路功率的方向，因此对其接线方式应该提出如下要求。
（1）正方向任何形式的故障都能动作，而反方向故障不能动作。
（2）故障以后加入继电器的电流Ir和电压Ur应尽可能的大一些，
并尽可能的使ϕr接近最灵敏角ϕsen，以便消除和减小方向继电器的死
区。
为了满足以上要求功率方向继电器广泛采用90度接线的方式，所谓90度接线的方式是指在三相对称的情况下，当cosϕ=1时，加入继电器的电流IA和电压UAB，相交差90度。如图2-5所示，这个定义
仅仅为了称呼的方便，没有什么物理意义。
图2-5 cosϕ=1时IA、UBC的向量图
采用这种接线方式时，三个继电器分别接于IA、UBC、IB、UCA、IC、UAB而构成三相式方向过电流保护接线图，在此顺便指出对功率方向
继电器的接线，必须十分注意电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错就会出现正方向拒动，反方向误动作的现
三、 实验设备
四、 实验内容
本实验采用的实验原理如图2-6所示。图中，380伏交流电源经调压器和移相器的调整后，由BC相分别输入功率方向继电器的电压线圈，A相电流输入到继电器的电流线圈，注意同名端方向。
1、熟悉LG-11功率方向继电器的原理接线和相位仪器的试验原理。
移相器的输出信号从EPL-17面板的移相输出端引出，送到相位仪和功率方向继电器的电流信号从EPL-20面板下部的单相调压器3，4端引出，电压信号则根据电压的大小或直接从相角引出，或经过EPL-20的T1降压变压器引出。图中用虚线特别表明。
图2-6 实验原理接线图
2、按实验线路接线，图⑦，⑧分别和T1变压器的1，2端连，和
T1变压器的3，4端断开，并检查确认两个调压器的按纽处于逆时针
到底的位置。
（1）用相位仪检查接线极性是否正确。
将相位器调到0度，依次合上220伏电源和电秒表的开关，按下线路和电源控制“闭合”开关，同时顺时针缓慢调节EPL-20的单相调压器和桌面上的三相调压器，观察电压表和电流表的读数，当电流为1A，电压为20伏时，观察相位器读数是否正确，若不正确，则说明输入电流和电压的相位不正确，分析原因，并改正。
（2）检查功率继电器是否有潜动现象
电压潜动现象：将电流回路开路，可通过断开5 电阻和变压器T2的3端连接实现。调节桌面上的三相调压器对电压回路加入110伏
电压，用万用表测量极化继电器KP的两端之间的电压，若小于0.1伏，则说明无电压潜动。
3、用实验法测LG-1板整流型功率方向继电器角度特性，并找出继电器的最大灵敏角和最小动作电压。
按实验线路接线将⑦，⑧分别和T1变压器的1，2端连，和T1变压器的3，4端断开，并检查确认两个调压器的按纽处于逆时针到底位置。
（1）顺时针调节EPL-20的单相调压器，使得电流表的读数为1A，并在以后的实验中保持不变。
（2）顺时针调节桌面上的三相调压器旋纽，使得交流调压器的读数为100伏，观察光示牌的的动作情况：
（a）若光示牌亮，则顺时针摇动移相器手柄，同时观察相位仪的读数，读出当光示牌从亮到灭时移相器的角度并填入表，再反向摇动移相器手柄，直到光示牌重新亮，读出当光示牌再次灭时相位仪的读数。
（b）若光示牌灭，可参考上述方法分别读出两个临界角度。
（3）逆时针调节桌面上的三相调压器旋纽，当电压分别为80V，50V，30，20V，按上述方法摇动移相器手柄，读出两个临界角度。并填入表2-1。
（4）改变接线方式，断开7，8和T1变压器的3，4端，然后调节三相调压器当电压表读书分别为10V，5V，2.5V，2V时，继电器动作的临界角度。
注意：①由于电压低时，改变电压对临界角度的影响较大，所以要求尽可能在摇动移相器手柄时，同时调节三相调压器，使得输出电
压保持不变化。②相位仪要求一定的输入电压。
（5）保持电流为1A不变化，通过移相器改变相角，测量不同相角情况下的继电器动作的最小动作电压并填入表2-2。
注意：当移相角调到一定角度后，调节三相调压器改变输出电压会对相角产生影响，所以要对移相器和调压器进行同时调节以确保数据准确。
（6）绘出功率方向继电器的角度特性。
（7）计算继电器的最大灵敏角度并绘制角度特性曲线，并标明动作区。
4、用实验作出功率方向继电器的伏安特性Upu f(Ir)和最小动作电压。
（1）摇动移相器手柄使得角度为-45°，保持不变。
（2）调节三相调压器的电压到100伏不变。
（3）调节EPL-20的单相调压器，改变输出电流，记下使得继电器动作的值记入表2-3。
（4）参考步骤三，分别调节三相调压器的电压到80V，50V，30V，20V，10V，5V，2.5V，2V，改变输入电流使得继电器动作，记下电流的值。
（5）注意找出使得继电器动作的最小电压和电流
（6）绘制出特性曲线
五、 实验结果及处理
表1 角度特性U
pu
=f(ϕ)实验数据
表2 角度特性ϕ=
f(Umin)实验数据
表3 伏安特性Upu=f(Iϕ)实验数据
六、实验思考题
1、功率方向继电器为什么会有死区？应该如何消除死区？ 答：当正方向出口附近短路接地，故障相对地的电压很低功率方向不能动作，所以存在死区。采用90°接线就可以消除死区的存在。 2、用相量图分析功率方向继电器的电压，电流极性发生变化对动作特性的影响？
答：分析接线时，当某相间短路功率方向元件电流极性接反时，正方向三相短路时，继电器的输入电压Ur与输入电流Ir的相位角
ϕr=180︒-ϕm，从图中可以看出负Ir落在继电器的动作区外，所以继
∙
∙
∙
电器不能动作。
3、LG-11整流型功率方向继电器的动作是否等于180度？为什么？ 答：不为180度，因为存在继电器的误差，使得结果有偏离 。 4、功率方向继电器为什么要采用90度接线？用0度接线行不行？ 答：采用90度接线可以消除死区的存在，用0度接线不行。 5、改变内角对保护的动作性能有何影响？它有什么实质意义？ 答：会使保护的动作特性发生改变。在实际的功率方向继电器中，内角都选为30°和45°，分析和实践都证明，能满足功率方向继电器正方向故障时动作而反方向故障不动作的特点。 6、角度特性及伏安特性有什么用途？
答：可按继电器角度特性找出继电器的最大灵敏角和最小动作电压。伏安特性 可确定继电器动作的最小电流，便于整定 。 。
实验2：功率方向继电器实验讲稿
一、 实验目的
1、学会运用相位测试仪测量电流电压之间的相角方法。
2、掌握功率方向继电器的动作特性，接线方式及动作特性的实验方法。
二、 LG-11型功率方向继电器简介
1、 LG-11型功率方向继电器的工作原理
LG-11型功率方向继电器是目前广泛应用的整流型功率方向继电器，其比较幅值的两电气量动作方程：
kk⨯Im+ky⨯Um≥kk⨯Im-ky⨯Um
继电器的接线如图2-1所示，其中图A为继电器的交流回路图，也就是比较电气量的电压形成回路，加入继电器的的电流为I m，电压 ，电流I 通过电抗变压器DKB的一次绕组W1，二次绕组W2和为Umm
I W3端获得电压分量Kkm，它超前电流Im的相角就是转移阻抗Kk的阻
抗角ϕk，绕组W4用来调整ϕk的数值，以得到继电器的最灵敏角。电
经过电容C1接入中间变压器YB的一次绕组W1，由两个二次绕压Um
U 。K U 超前U 的相角90度。DKB和组W2和W3获得电压分量Kmymym
YB标有W2的两个二次绕组的联接方式如图所示，得到动作电压KKIm+KyUm,加于整流BZ1输入端；DKB和YB标有W3的两个二次绕∙∙∙∙
组的联接方式如图所示，得到制动电压KKIm-KyUm，加于整流桥BZ2∙∙∙∙
端。图（b）为幅值比较回路，它按循环电流式接下，执行元件采用极化继电器JJ。
继电器的最大灵敏角的调整是利用改变变压器DKB第三个二次绕组W4所接的电阻值来实现的，继电器的内角α=900-ϕk，当接入电
阻R3时，阻抗角 ϕk=600,α=300;当接入电阻R4时 ϕk=450,α=450;。因此，继电器的最大灵敏角φsen=-α，并可以调整为两个数字，一个为-30°，另一个为-45°。
当在保护安装处于正向出楼发生相间短路时，相间电压几乎降为
≈0，由于功率方向继电器0值，这时功率方向继电器的输入电压Um
的动作需克服执行的机械反作用力矩，也就是说必须消耗一定的功率
> 。所以在（尽管这一功率消耗不大）。因此必须满足条件AB
=0的情况下，功率方向继电器动作不了。因而产生了电压死区。Um
为了消除电压死区，功率方向继电器的电压回路需要加设记忆回路，就是需要电容C1与中间变压器YB的绕组电感构成对50Hz串联谐振
=0时，该回路中的电流并不立即消电路。这样当电压突然降低为Um
失，而是按50HZ谐振电路的频率，经过几个周波后，逐渐衰减为0。而这个电流与故障前的电压同相，并且在谐振衰减过程中维持相位不变化。因此，相当于记住了短路前的电压的相位，所以称为记忆回路。
由于电压回路有了记忆回路的存在，相当于继电器的电压为 =0时，在一定的时间内YB的二次绕组端纽有电压分量的存在，就Um
可以继续进行幅值的比较，因而消除了在正方向的出口短路时继电器的电压死区。
在整流比较回路中电容C2和C3主要是滤除二次谐波，C4用来滤除高次谐波。
图2-1 LG-11功率方向继电器原理接线图
2、功率方向继电器的动作特性
继电器的动作特性如图2-2所示。临界动作条件为垂直于最大灵敏线通过原点的一条直线，动作区为带有阴影线的半平面范围。电流的相位可以改变，当与最大灵敏线重合时，即处于灵敏角ϕsen=-α的
I 情况下，电压分量Kkm与超前Um为90度相角的电压分量KyUm相重
合。
图2-2 功率方向继电器动作特性
通常功率方向继电器的动作特性还有下面2种表示方法：
（1）角度特性：表示Im固定不变，继电器的动作电压Upu.r=f(ϕm)的关系曲线，理论上此特性可以用图2-3所表示，理想情况下动作范围位于为ϕsen中心的±90度以内。在此动作范围内，继电器的最小起动电压Upur.min基本上与ϕr无关，加入继电器的电压为Ur
图2-3 功率方向继电器的角度特性（ϕ=30）
（2）伏安特性：表示当ϕm=ϕsen固定不变时，继电器的启动电压
Upu.r=f(Im)的关系曲线。在理想情况下，该曲线平行与两个坐标轴，。如图2-4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Ipu.r.min和最小启动电压Upu.r.min继电器就可以动作。其中Ipu.r.min之值取决于在电流回路中形成方波时所要加入的最小电流。
图2-4 功率方向继电器的伏安特性
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。功率方向继电器可能出现电流潜动和电压潜动两种。
所谓电压潜动，就是功率方向继电器仅加入电压时产生的动作。产生电压潜动的原因是由于中间变压器YB的两个二次绕组W3，W4的输出电压不等，当动作回路YB的W2端电压分量kkUm大于制动回路YB
的W3电压分量kkUm时，就会产生电压潜动现象。为了消除电压潜动，
可调整制动回路中的电阻R3，使Im=0时，加于两个整流输入端的电压相等，因而消除电压潜动。
所谓电流潜动，就是功率方向继电器仅通过电流Im产生的动作，产生电流潜动的原因是由于电抗变压器DKB两个二次绕组W2、W3的电压分量不相等，当W2电压分量大于W3电压分量时，就会产生电流潜动。为了消除电流潜动，可调整动作路中的电阻R1，使Um=0加于两个整流桥输入端的电压相等，因而消除了电流潜动。
发生潜动的巨大危害是在反方向出口处三相短路时，此时Um≈0，Im很大，方向继电器本应该将保护装置闭琐，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。
3、相间短路功率方向继电器的接线方式
由于功率方向继电器的主要任务是判断短路功率的方向，因此对其接线方式应该提出如下要求。
（1）正方向任何形式的故障都能动作，而反方向故障不能动作。
（2）故障以后加入继电器的电流Ir和电压Ur应尽可能的大一些，
并尽可能的使ϕr接近最灵敏角ϕsen，以便消除和减小方向继电器的死
区。
为了满足以上要求功率方向继电器广泛采用90度接线的方式，所谓90度接线的方式是指在三相对称的情况下，当cosϕ=1时，加入继电器的电流IA和电压UAB，相交差90度。如图2-5所示，这个定义
仅仅为了称呼的方便，没有什么物理意义。
图2-5 cosϕ=1时IA、UBC的向量图
采用这种接线方式时，三个继电器分别接于IA、UBC、IB、UCA、IC、UAB而构成三相式方向过电流保护接线图，在此顺便指出对功率方向
继电器的接线，必须十分注意电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错就会出现正方向拒动，反方向误动作的现
三、 实验设备
四、 实验内容
本实验采用的实验原理如图2-6所示。图中，380伏交流电源经调压器和移相器的调整后，由BC相分别输入功率方向继电器的电压线圈，A相电流输入到继电器的电流线圈，注意同名端方向。
1、熟悉LG-11功率方向继电器的原理接线和相位仪器的试验原理。
移相器的输出信号从EPL-17面板的移相输出端引出，送到相位仪和功率方向继电器的电流信号从EPL-20面板下部的单相调压器3，4端引出，电压信号则根据电压的大小或直接从相角引出，或经过EPL-20的T1降压变压器引出。图中用虚线特别表明。
图2-6 实验原理接线图
2、按实验线路接线，图⑦，⑧分别和T1变压器的1，2端连，和
T1变压器的3，4端断开，并检查确认两个调压器的按纽处于逆时针
到底的位置。
（1）用相位仪检查接线极性是否正确。
将相位器调到0度，依次合上220伏电源和电秒表的开关，按下线路和电源控制“闭合”开关，同时顺时针缓慢调节EPL-20的单相调压器和桌面上的三相调压器，观察电压表和电流表的读数，当电流为1A，电压为20伏时，观察相位器读数是否正确，若不正确，则说明输入电流和电压的相位不正确，分析原因，并改正。
（2）检查功率继电器是否有潜动现象
电压潜动现象：将电流回路开路，可通过断开5 电阻和变压器T2的3端连接实现。调节桌面上的三相调压器对电压回路加入110伏
电压，用万用表测量极化继电器KP的两端之间的电压，若小于0.1伏，则说明无电压潜动。
3、用实验法测LG-1板整流型功率方向继电器角度特性，并找出继电器的最大灵敏角和最小动作电压。
按实验线路接线将⑦，⑧分别和T1变压器的1，2端连，和T1变压器的3，4端断开，并检查确认两个调压器的按纽处于逆时针到底位置。
（1）顺时针调节EPL-20的单相调压器，使得电流表的读数为1A，并在以后的实验中保持不变。
（2）顺时针调节桌面上的三相调压器旋纽，使得交流调压器的读数为100伏，观察光示牌的的动作情况：
（a）若光示牌亮，则顺时针摇动移相器手柄，同时观察相位仪的读数，读出当光示牌从亮到灭时移相器的角度并填入表，再反向摇动移相器手柄，直到光示牌重新亮，读出当光示牌再次灭时相位仪的读数。
（b）若光示牌灭，可参考上述方法分别读出两个临界角度。
（3）逆时针调节桌面上的三相调压器旋纽，当电压分别为80V，50V，30，20V，按上述方法摇动移相器手柄，读出两个临界角度。并填入表2-1。
（4）改变接线方式，断开7，8和T1变压器的3，4端，然后调节三相调压器当电压表读书分别为10V，5V，2.5V，2V时，继电器动作的临界角度。
注意：①由于电压低时，改变电压对临界角度的影响较大，所以要求尽可能在摇动移相器手柄时，同时调节三相调压器，使得输出电
压保持不变化。②相位仪要求一定的输入电压。
（5）保持电流为1A不变化，通过移相器改变相角，测量不同相角情况下的继电器动作的最小动作电压并填入表2-2。
注意：当移相角调到一定角度后，调节三相调压器改变输出电压会对相角产生影响，所以要对移相器和调压器进行同时调节以确保数据准确。
（6）绘出功率方向继电器的角度特性。
（7）计算继电器的最大灵敏角度并绘制角度特性曲线，并标明动作区。
4、用实验作出功率方向继电器的伏安特性Upu f(Ir)和最小动作电压。
（1）摇动移相器手柄使得角度为-45°，保持不变。
（2）调节三相调压器的电压到100伏不变。
（3）调节EPL-20的单相调压器，改变输出电流，记下使得继电器动作的值记入表2-3。
（4）参考步骤三，分别调节三相调压器的电压到80V，50V，30V，20V，10V，5V，2.5V，2V，改变输入电流使得继电器动作，记下电流的值。
（5）注意找出使得继电器动作的最小电压和电流
（6）绘制出特性曲线
五、 实验结果及处理
表1 角度特性U
pu
=f(ϕ)实验数据
表2 角度特性ϕ=
f(Umin)实验数据
表3 伏安特性Upu=f(Iϕ)实验数据
六、实验思考题
1、功率方向继电器为什么会有死区？应该如何消除死区？ 答：当正方向出口附近短路接地，故障相对地的电压很低功率方向不能动作，所以存在死区。采用90°接线就可以消除死区的存在。 2、用相量图分析功率方向继电器的电压，电流极性发生变化对动作特性的影响？
答：分析接线时，当某相间短路功率方向元件电流极性接反时，正方向三相短路时，继电器的输入电压Ur与输入电流Ir的相位角
ϕr=180︒-ϕm，从图中可以看出负Ir落在继电器的动作区外，所以继
∙
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电器不能动作。
3、LG-11整流型功率方向继电器的动作是否等于180度？为什么？ 答：不为180度，因为存在继电器的误差，使得结果有偏离 。 4、功率方向继电器为什么要采用90度接线？用0度接线行不行？ 答：采用90度接线可以消除死区的存在，用0度接线不行。 5、改变内角对保护的动作性能有何影响？它有什么实质意义？ 答：会使保护的动作特性发生改变。在实际的功率方向继电器中，内角都选为30°和45°，分析和实践都证明，能满足功率方向继电器正方向故障时动作而反方向故障不动作的特点。 6、角度特性及伏安特性有什么用途？
答：可按继电器角度特性找出继电器的最大灵敏角和最小动作电压。伏安特性 可确定继电器动作的最小电流，便于整定 。 。