功率方向继电器的接线方式及分析

功率方向继电器的接线方式是指它与电流互感器和电压互感器的连接方式。

功率方向继电器的接线方式必须保证正确反映故障的方向。正方向任何形式短路时，功率方向继电器应动作，反方向短路时，功率方向继电器不动作。故障后加入继电器的电流和电压应尽可能大，正方向故障时应使功率方向继电器灵敏地工作，使短路阻抗角接近最大灵敏角，以便消除和减小方向元件的死区。φ m 尽量地接近最大灵敏角 φsen.max ，以提高继电器的灵敏度。

对于相间短路保护用的功率方向继电器，为满足上述要求，广泛采用90°接线方式。所谓90°接线，是假设在三相对称且功率因数cos1φ= 的情况下，加入功率方向继电器的电流Im超前电压mU 相位90°的一种接线方式。

90°接线方式各相功率方向继电器所加电流Im 和电压mU 如表 1−3−1所示。需注意，功率方向继电器电流线圈和电压线圈的极性必须与电流、电压互感器二次线圈的极性正确连接。图1−3−13所示为功率方向继电器采用90°接线方式时，方向电流保护的原理接线和相量图。

表1−3−1　90°接线方式功率方向继电器所加电流及电压

图1−3−13　功率方向继电器的90°接线方式

（a）原理接线；（b）相量图

方向电流保护的单相原理图

接线方式确定后，功率方向继电器内角的大小是决定功率方向继电器能否正确判断电流方向的主要因素。LG−11 型继电器的内角分别为30°和45°。选定30°和45°的理由，可由分析各种故障（两相、三相、近处、远处）时的动作行为来说明。下面分析采用90°接线方式的功率方向继电器在正方向发生各种相间短路时的动作情况，并确定内角α 的取值范围。

1）三相短路

正方向发生三相短路时的相量如图1−1−14所示，表示保护安装地点的母线电压，为三相的短路电流，电流滞后电压的角度为线路阻抗角φk 。

图1−3−14　三相短路的90°接线方式分析

由于三相对称，3 个功率方向继电器的工作情况完全一样，故以A 相功率方向继电器为例分析。由图可见，电流超前于电压。由式（1−3−5）可知，A 相功率方向继电器的动作条件为

为了使功率方向继电器工作在最灵敏的条件下，应使cos(φk −90°+ α）=1，即要求φk+ α= 90°。

假设线路的阻抗角φk=60°，则应取内角α=30°，如果φk=45°，则应取内角α=45°等，故功率方向继电器应有可以调整的内角α，其大小取决于功率方向继电器的内部参数。

一般来说，电力系统中任何电缆或架空线路的阻抗角（包括含有过渡电阻短路的情况）都有0°＜φk＜90°，为使功率方向继电器在任何φk 的情况下均能动作，必须要求式（1−3−5）始终大于0。为此需要选择一个合适的内角以满足要求：当φk≈0°时，必须选择0°＜α＜180°；当φk≈90°时，必须选择−90°＜α＜90°。为同时满足这两个条件，使功率方向继电器在任何情况下均能动作，则在三相短路时，应选择0°＜α＜90°。

正方向三相短路时功率方向继电器内角的选择（动画）

2）两相短路

如图1−1−15所示，以B、C 两相短路为例，用表示对称三相电源的电势；为保护安装处的母线电压；为短路故障点处的电压。

短路点位于保护安装地点附近时，短路阻抗 Zk≪ Zs （保护安装处到电源间的系统阻抗），Zk≈0，此时的相量图如图1−3−16所示，短路电流 由电势产生，滞后的角度为φk，电流= ，短路点（即保护安装地点）的电压为

图1−3−15　B、C 两相短路的接线

图1−3−16　短路点位于保护安装地点附近B、C 两相短路时的相量图

此时，对A 相功率方向继电器而言，当忽略负荷电流时，IA ≈0 ，因此功率方向继电器不动作，对于B 相功率方向继电器，则动作条件应为(www.xing528.com)

对于C 相功率方向继电器，则动作条件应为

由以上来看，为了保证0°＜φ k ＜ 90°时功率方向继电器均能动作，就要选择内角α 为0°＜ α＜ 90°。

短路点远离保护安装地点且系统容量很大时， Zk≫ Zs ， Z s ≈ 0，则相量图如图1−3−17所示，电流仍由电势产生，并滞后一个角度 φk ，保护安装地点的电压为

图1−3−17　短路点远离保护安装地点B、C 两相短路时的相量图

对于B 相功率方向继电器，由于电压较保护安装地点附近短路时相位滞后了30°，因此，则动作条件应为

因此，当0°＜φ k ＜ 90°时，功率方向继电器能够动作的条件为30°＜α ＜120°。

对于C 相功率方向继电器，由于电压UAB≈EAB ，较保护安装地点附近短路时相位超前了30°，因此， φrC= φk−90°+ 30°= φk −60°，则动作条件应为

因此，当0°＜φk＜90°时，功率方向继电器能够动作的条件为−30° ＜α ＜60°。

综合以上两种情况可得出，在正方向任何地点两相短路时，B 相功率方向继电器能够动作的条件是30°＜α ＜90°，C 相功率方向继电器能够动作的条件为0°＜α ＜60°。反方向短路时，电流相量位于非动作区，功率方向继电器不会动作。

同理分析A、B 和C、A 两相短路时的情况，也可得出相应的结论。

综上所述，采用90°接线方式，除在保护安装地点附近发生三相短路时出现死区外，在线路上发生各种相间短路时功率方向继电器均能正确动作。当0°＜φk＜90°时，功率方向继电器能够动作的条件是30°＜α＜60°，通常厂家生产的功率方向继电器直接提供了α =30°和α =45 两种内角，这就满足了上述要求。应该指出，以上讨论只是功率方向继电器在各种可能的情况下动作的条件，而不是动作最灵敏的条件。为了减小死区的范围，功率方向继电器动作最灵敏的条件，应根据三相短路时cos（ φr +α ）= 1 来决定，因此对某一确定了阻抗角的输电线路而言，应采用α=90°−φk来获得最大灵敏角。

3）按相启动

当电网中发生不对称故障时，在非故障相中仍然有电流流过，这个电流称为非故障相电流，它可能使非故障相的方向元件误动作。图 1−3−18（a）所示是方向电流保护直流回路非按相启动的接线，即先把各相电流继电器KA 的触点并联、各相功率方向继电器的触点并联，再将其串联，然后与时间继电器KT 的线圈串联。如果发生B、C 两相短路，电流继电器KA2、KA3 动作，其动合触点闭合，如方向元件KW1 在负荷电流作用下误动作，其动合触点闭合，则起动时间继电器KT，保护1 误动作使断路器跳闸。图 1−3−18（b）所示为方向电流保护的直流回路按相启动的接线，即先把同名相的电流继电器KA 和功率方向继电器KW 的触点直接串联构成与门，再把各同名相串联支路并联起来构成或门，然后与时间继电器KT 的线圈串联。当反方向故障时，故障相的方向元件KW2、KW3 不能动作，非故障相的电流元件KA1 也不会动作，即使在负荷电流的作用下KW1误动作，保护1 也不会误动作。如图1 − 3−18（c）所示，大接地电流系统中发生单相接地短路时，非故障相中不仅有负荷电流，而且还有一部分故障电流，这对保护的影响更为严重。可采取零序电流闭锁相间保护，用接地保护中零序电流继电器KAZ 的触点来闭锁相间保护的方向电流保护。

图1−3−18　方向电流保护直流回路启动的接线

（a）非按相启动；（b）按相启动；（c）零序电流闭锁相间保护

方向电流保护的起动方式（按相起动）（动画附件）

4）90°接线方式的评价

90°接线方式的优点如下：

（1）适当选择功率方向继电器的内角α，对线路上发生的各种相间短路，都能保证正确判断短路功率的方向，而不致误动作。

（2）各种两相短路均无电压死区，因为功率方向继电器接入非故障相间电压，其值很大。

（3）由于功率方向继电器接入非故障相间电压，故对三相短路的电压死区有一定的改善。如果再采用电压记忆回路，一般可以消除三相短路的电压死区。

90°接线方式的缺点如下：

连接在非故障相电流上的功率方向继电器可能在两相短路或单相接地短路时误动作。