繼電保護(hù)講義-阻抗繼電器 (一)

阻抗繼電器

按測(cè)量阻抗原理工作的繼電器叫做阻抗繼電器，它是距離保護(hù)中的核心元件。阻抗繼電

器的主要作用是測(cè)量短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的線路阻抗，并與整定阻抗進(jìn)行比較，以確定保護(hù)

是否應(yīng)該動(dòng)作。

一、阻抗繼電器的構(gòu)成方式

構(gòu)成阻抗繼電器的方式按輸入電氣量的多少可分為單相式和多相式兩種。輸入電氣量只

是一個(gè)電壓（相電壓或線電壓）和一個(gè)電流（相電流或兩相電流之差）的阻抗繼電器，稱為

單相式或第I類阻抗繼電器，其動(dòng)作特性可以在阻抗復(fù)數(shù)平面上表示出來：輸入幾個(gè)電壓、

電流或其組合構(gòu)成的，稱為多相式（多相補(bǔ)償式）或第I1類阻抗繼電器，其動(dòng)作特性不能直

接在阻抗復(fù)數(shù)平面上表示出來。目前常用的阻抗繼電器多為單相式阻抗繼電器。

單相式阻抗繼電器輸入的電壓U”,、電流乙取自被保護(hù)線路始端母線電壓互感器rv和

線路電流互感器"的二次側(cè)，其比值就是測(cè)量阻抗Zm，即

=Zx^

K(5-1)

n

，TAi“TVnTV

式中U—保護(hù)安裝處一次側(cè)母線電壓;

/-被保護(hù)線路一次側(cè)電流：

〃TV-電壓互感器變比；

〃TA-電流互感器變比；

Zk-一次側(cè)測(cè)量阻抗。

線路的測(cè)量阻抗可以用復(fù)數(shù)的形式表示為Zm=Rm+jXm，因此，可以利用復(fù)數(shù)平面分析

繼電器測(cè)阻抗Zm的動(dòng)作特性。

二、阻抗繼電器的動(dòng)作特性分析

圖5-3（a）所示網(wǎng)絡(luò)中，線路48、8C的阻抗角”相等。現(xiàn)以線路上保護(hù)2為例

來說明其動(dòng)作特性。假定電流的正方向規(guī)定為由母線指

1

(b)

圖5-3阻抗繼電器的復(fù)數(shù)平面分圻

(a)網(wǎng)絡(luò)圖；(b》測(cè)址阻抗及動(dòng)作特性

向線路，當(dāng)正方向發(fā)生短路時(shí)，距離保護(hù)2的測(cè)量阻抗Zm=Hm+j￥m隨著短路點(diǎn)的不同，它

在第一象限的直線8c上變化；反方向短路時(shí)，Zm在第三象限。正向測(cè)量阻抗與R卻的夾

角即是線路阻抗角佻。保護(hù)2距離I段的整定阻抗ZL=0.8~0.85Z5「整定阻抗角外以=佻,

則阻抗繼電器的動(dòng)作特性就是一條位于BC上的直線Z1,其保護(hù)范圍就是幅值和相位確定

的動(dòng)作特性直線ZL，如圖5-3(b)所示。短路時(shí)，測(cè)量阻抗Zm落在Z)上，則阻抗繼電

器動(dòng)作；反之，阻抗繼電器不動(dòng)作。然而，在4c線路的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路時(shí)，假如短路

點(diǎn)伴隨有過渡電阻用「，將使繼電器的測(cè)量阻抗Zm落在其動(dòng)作特性直線ZL范圍以外，導(dǎo)致

阻抗繼電器不能動(dòng)作，如圖5-3(b)所示。此外，由于電流、電壓互感器及繼電器存在角

度誤差，也會(huì)使阻抗繼電器因測(cè)量阻抗Zm超出其動(dòng)作特性直線而拒動(dòng)。為了保證阻抗繼電

器在其保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生實(shí)際可能的短路時(shí)都能正確動(dòng)作，應(yīng)擴(kuò)大動(dòng)作范圍，將動(dòng)作特性由一

條直線擴(kuò)大為包含該直線的一個(gè)面積，如圓形、橢圓形、四邊形等。常見的動(dòng)作特性為圓形，

其中以整定阻抗幅值為直徑，圓周過阻抗復(fù)平面坐標(biāo)原點(diǎn)的圓，稱方向阻抗特性圓，如圖

5-3(b)曲線1所示；以整定阻抗幅值為半徑，圓心位于坐標(biāo)原點(diǎn)的圓，稱全阻抗特性圓，

如圖5-3(b)曲線3所示；圓心偏離原點(diǎn)，且圓心處于整定阻抗反向延長(zhǎng)線的圓，稱偏離

特性阻抗圓，如圖5-3(b)曲線2所示；圖5-3(b)曲線4所示為直線特性。此外，較復(fù)

雜的四邊形、橢圓形等特性也在集成電路和微型機(jī)繼電保護(hù)中得到應(yīng)用。

利用復(fù)數(shù)平面分析單相式和直線特性阻抗繼電器的動(dòng)作特性，可以容易地確定動(dòng)作方程、

擬定原理接線方案或構(gòu)成邏輯關(guān)系。

阻抗繼電器的動(dòng)作特性分析中，常常采用幅值比較式和相位比較式兩種原理。

(一)偏移特性的阻抗繼電器

1.幅值比較式

2

如圖（5-4）所示，幅值比較式偏移特性阻抗繼電器的動(dòng)作特性，是以整定阻抗與

反

圖5-4偏移特性阻抗繼電器動(dòng)作特性

（a）比幅式；（b）比相式

向偏移-aZseK。V1,）的幅值之和Zai+tZsei為直徑的圓，圓心坐標(biāo)為Z（）=,

半徑為Zw-Z0=g（l+a）Zw。保護(hù)安處在原點(diǎn)，圓內(nèi)是動(dòng)作區(qū)，圓外為非動(dòng)作區(qū)。a

為偏移特性阻抗繼電器的偏移度。當(dāng)測(cè)量阻抗Zm落在惻周上時(shí)，繼電器處于動(dòng)作區(qū)邊界恰

好動(dòng)作，只要Zm落在圓內(nèi)，繼電器動(dòng)作；反之，繼電器不動(dòng)作，動(dòng)作既有方向性，又沒有

完全的方向性，例如在反向出口短路，也能動(dòng)作，故稱其為具有偏移特性的阻抗繼電器。使

用時(shí)，考慮互感器的誤差，通常取偏移度。=0.17）.2,以消除方向阻抗繼電器的死區(qū)。

偏移特性阻抗繼電淵的偏移度0<4<1。

幅值比較原理的園特性阻抗繼電器，分析其動(dòng)作特性時(shí)應(yīng)求出圓心坐標(biāo)和半徑。

按幅值比較原理分析圖5-4（a）所示的動(dòng)作特性，其動(dòng)作區(qū)的動(dòng)作方程為

|Z,M-ZO|<|ZW/-ZO|（5-2）

將圓心坐標(biāo)Z0,代入式（5-2）,可得

-g。-。區(qū)曰wg（l+a）Z$"（5-3）

繼電器整定阻抗的實(shí)現(xiàn)，是通過其內(nèi)部整定變壓器（電壓變換器）7V變比片和電抗

匕

變換器TL的轉(zhuǎn)移阻抗K,的調(diào)整與組合來完成，故繼電器整定阻抗可以表達(dá)為=M,

Kv

考慮用太"”乘式（5-3）兩端，可得以電壓表示的動(dòng)作方程

女乩-如水人空…困心（5-4）

3

(b)

圖5-6全阻抗繼電器動(dòng)作特性

(a)比幅式；(b)比札式

由于繼電器輸入的電氣量是電壓、電流，考慮到4,Z.”二A,在式(5-7)

Ku

兩端同乘以R/可得幅值比較式全阻抗繼電器測(cè)量部分實(shí)現(xiàn)電路的動(dòng)作方程

風(fēng)力歸區(qū)聞(5-8)

在圖5-5(a)中，取"=1,可得比幅式全阻抗繼電器測(cè)量部分的實(shí)現(xiàn)電路。

2.相位比較式

用相位比較原理分析全阻抗繼電器的動(dòng)作特性。由式(5-5),考慮偏移度。=1,見動(dòng)作

方程為

,(7-Z)

-90°<Arg~<90°(5-9)

Z,”+Z,M,

動(dòng)作特性是以向量Zw和-4〃的端點(diǎn)為直徑的圓，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，如圖5-6(b)所示。

用比相電壓表示的動(dòng)作方程為

-90°<ArgKJ〃「KuUm《(5-10)

KJjKuUm

在圖5-5(b)中，取。=1,可得比相式全阻抗繼電器測(cè)量部分的實(shí)現(xiàn)電路。

(三)、方向阻抗繼電器

偏移特性阻抗繼電器的偏移度。=0,即為方向阻抗特性繼電器。

1.幅值比較式

在式(5-3)中，偏移度。=(),可得方向阻抗特性繼電器幅值比較式動(dòng)作方程為

Zm---2Zsc.，?—?Z$。叩.(5-11)

5

,圓心為向量,z皿的端點(diǎn)。動(dòng)作特性如圖5-7(a)所示。保廣安裝

圓半徑為

處

圖5-7方向阻抗繼電器動(dòng)作特性

<a)比幅式：(b)比相式

位于坐標(biāo)原點(diǎn)，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，圓外為非動(dòng)作區(qū)，圓周是動(dòng)作邊界。當(dāng)測(cè)量阻抗Zm落在圓

周和圓內(nèi)，繼電器動(dòng)作；否則，不動(dòng)作。如保護(hù)背后發(fā)生短路時(shí)，Zm在第三象限，處于動(dòng)

作特性圓外，繼電器不動(dòng)作，其動(dòng)作特性具有方向性，故稱之為方向圓特性阻抗繼電器。

如圖5-7所示，當(dāng)測(cè)量阻抗Zm落在圓周上時(shí)，Zm即為繼電器的動(dòng)作阻抗ZOP，2bp隨

加入繼電器的電壓和電流乙間相角差3m的改變而變化。當(dāng)9m等于整定阻抗的阻抗角外

時(shí)，動(dòng)作阻抗ZoP達(dá)到最大，與Zsct相等，此時(shí)，阻抗繼電器的保護(hù)范圍最大，工作最靈敏。

因此，這個(gè)角度稱為繼電器的最靈敏角，以依en表示。為使繼電器工作在最靈敏角的條件下，

應(yīng)調(diào)整繼電器的最靈敏角外.接近或等于線路阻抗角

考慮式(5-4)中，偏移度。=0,可得以電壓表示的方向阻抗繼電器動(dòng)作方程

(5-12)

kvUumm__KI,ifmn<-k,?i

在圖5-5(a)中，取。=0,可得比幅式方向阻抗繼電器測(cè)量部分的實(shí)現(xiàn)電路。

方向阻抗繼電器動(dòng)作特性，也可用相位比較原理進(jìn)行分析。

2.相位比較式

由式(5-5),偏移度。=(),可得比相式方向阻抗繼電器的動(dòng)作方程

_(7-7)

-90°——4<9()0(5-13)

Zm

可知，動(dòng)作特性也是以4:t為直徑的圓，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，如圖5-7(b)所示。

由式(5-6),偏移度a=0,得出電壓表示的比相式力作方程

6

-900<Arg>乙-”<90°(5-14)

Ku”

在圖5-5(b)中，取a=0,可得比相式方向阻抗繼電器測(cè)量部分的實(shí)現(xiàn)電路。

(四)拋球特性阻抗繼電器

圖5-8所示為阻抗繼電器

拋球動(dòng)作特性。保護(hù)安裝處在原

點(diǎn)，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)，且ZA、ZB已

知。對(duì)圖5-8(b)分析可知，拋

球動(dòng)作特性相位比較式動(dòng)作方程

為

圖5-8他球特性阻抗繼電器動(dòng)作特性

7_7fa)比幅式：(b)比相式

90°<Arg——<270°

Z/M-Z.

(5-15)

動(dòng)作特性為以向量ZA、ZB的端點(diǎn)為直徑的圓，圓內(nèi)為動(dòng)作區(qū)。

圖5-8(a)所示拋球動(dòng)作特性的幅值比較式動(dòng)作方程為

-3(ZA+Zg)<g,-Zs)(5-16)

(五)直線特性阻抗維電器

如圖5-9所示為幾種直線特性阻抗繼電器，其陰影部分為動(dòng)作區(qū)，它們的動(dòng)作特性既可

圖5-9直線特性阻抗繼電者

(a)直線特性：(b)電抗特性；(c)功率方向繼電器

用幅值比較,也可用相位比較原理來分析。下面采用幅值比較原理分析直線特性阻抗繼電器、

電抗特性阻抗繼電器、功率方向繼電器的動(dòng)作特性。相位比較原埋的特性分析可參考前述方

7

法進(jìn)行。

按幅值比較原理分析直線特性阻抗繼電器的動(dòng)作特性，由圖5-9(a)分析，可得出動(dòng)作

方程

|Zj<|2Z?-Zj(5-17)

動(dòng)作區(qū)為22刈的中垂線，方向指向原點(diǎn)。

根據(jù)圖5-9(b)分析，可知比幅式電抗特性阻抗繼電器動(dòng)作方程為

|ZW|<|Z,W-2X^(5-網(wǎng)

動(dòng)作區(qū)為2A嬴的中垂線，方向指向原點(diǎn)。

根據(jù)圖5-9(c)分析，可知比幅式功率方向繼電器的動(dòng)作方程為

|Z?,-ZAr,|<|Z?f+Z^|(5-19)

動(dòng)作區(qū)為向量-Z“l(fā)、Z的末端連線的中垂線,方向指向乙

(六)方向阻抗繼電器動(dòng)作特性的擴(kuò)展一一橄欖形和蘋果形動(dòng)作特性

前述相位比較式方向阻抗繼電器的動(dòng)作方程表達(dá)式為

7-7

-90°<Arg—~~匕<90°(5-20)

Zm

其動(dòng)作特性如前圖5-7(b)所示，按相位比較原理而言，繼電器處于動(dòng)作邊界時(shí)，Zm-

Zm超前Zu的相角a為90。，等于其相鄰角，即直徑所對(duì)的圓周角°若圓周角所對(duì)的是

小于直徑的一條弦，此時(shí)圓周角將大于或小于90°,對(duì)應(yīng)的相鄰角6也將小于或大于90°。

當(dāng)9<90°時(shí)，動(dòng)作特性改變?yōu)?/p>

7-7

-ewArg——二4仇(9<90°)(5-21)

Z,”

在阻抗復(fù)平面上的特性曲線如圖5/0(a)所示，由帶斜線的兩圓弧組成，特性曲線所

包圍面積是兩個(gè)相交圓的相交部分，形似橄欖，因而稱橄欖形動(dòng)作特性，所構(gòu)成的繼電器也

被稱為橄欖形特性阻抗繼電器。當(dāng)〃>90°時(shí)，其動(dòng)作特性將為如圖5-10(b)所示帶斜線

的兩圓弧組成，形如蘋果，因而稱蘋果形特性阻抗繼電器，其動(dòng)作方程表達(dá)式為

7-7

-9<Arg3——竺<6(3>90°)(5-22)

8

圖5-10橄欖形和蘋果形阻抗繼電器動(dòng)作特性

(a)橄欖形特性｛0<90-)：(b)草果形特性(0>90“)

三、方向阻抗繼電器的死區(qū)及其消除方法

1.產(chǎn)生死區(qū)的原因

前面分析了單相式阻抗繼電器圓特性和直線特性的動(dòng)作方程，而按上述原理構(gòu)成的方

向阻抗繼電器在實(shí)際工作中，當(dāng)保護(hù)正方向出口發(fā)生三相短路時(shí)，故障點(diǎn)相間殘壓接

近丁?零，加入繼電器的電壓=0或小丁繼電器動(dòng)作所需最小電壓時(shí)，方向阻抗繼電器將

不能動(dòng)作。因此，杷短路時(shí)方向陽抗邪電器不能動(dòng)作的一定區(qū)域稱為方向陽抗繼電器的死區(qū)。

對(duì)于按幅值比較原理構(gòu)成的方向阻抗繼電器，其動(dòng)作方程為

,當(dāng)時(shí)，變?yōu)?;kJm,理論上處于

動(dòng)作邊界，實(shí)際上，由于繼電器的執(zhí)行元件動(dòng)作需要消耗一定的功率，因此，繼電器不能動(dòng)

作。

對(duì)于按比相原理構(gòu)成的方向阻抗繼電器，動(dòng)作方程為式(5-14),當(dāng)U,“=0M，由于進(jìn)

行比相的兩個(gè)電壓中有一個(gè)為零，因而無法比相，繼電密不動(dòng)作。

2.消除死區(qū)的方法

為了減小和消除繼電器的死區(qū)，通常在方向阻抗繼電器的兩個(gè)電壓比較量中引入杵等極

化電壓以.。為了不影響繼電器的動(dòng)作特性，(Jir應(yīng)與必同相位；保護(hù)安裝處出口短路時(shí),

極化電壓力,應(yīng)不為零或能保持一段時(shí)間.

通常引入極化電壓的方法如下：

(1)記憶回路，如圖5-11(a)所示。記憶回路由R、L、C組成50%工頻串聯(lián)諧振回

路，諧振回路在正常情況下呈電阻