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摘要：主要介绍了LG-11整流型功率方向继电器的工作原理、功率方向继电器的两种接线方式的优缺点以及功率方向继电器的“电压死区”问题和解决方法，接着简单介绍了继电器实验平台——多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统，然后通过该平台将元件相关的原理进行功率方向继电器动作特性分析验证。
关键词：多功能继电保护；电压死区；相间电流保护；功率方向继电器
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）35-0154-02
电网的安全运行离不开能判断故障并及时切断故障的继电保护装置，当线路为单侧电源时，我们可通过三段式电流保护、距离保护、纵联差动保护等有选择性地来移除故障。但是当线路为双侧电源网络时，为保证装置的选择性动作，需为保护配上功率方向继电器。LG-11功率方向继电器作为一种功率方向元件，能通过检测判断流经保护的电压和电流的相位关系，来确定发生的故障处在保护装置的正向或方向，以此来保证保护的选择性动作，达到可靠性工作。[1]在双侧电源线路中，线路的某处故障，必须使该段线路两端的保护动作以切除整段故障线路，这时，每段线路的两端都是各装有一套保护装置，若没有装设方向元件，则可能因为保护的整定值或整定时间原因，导致故障线路的上一级或下一级的保护动作，使得故障波及范围增大，增加经济损失或设备损坏。对于实际中的供电网络来说，为了保证供电的稳定性，大部分线路都是双侧电源供电，因此，为了保证保护装置的可靠性和选择性，功率方向元件将起到非常大的作用。
一、功率方向继电器的工作原理
1.方向元件的工作原理
功率方向继电器能反映所接入的电压和电流之间的相位关系，当电压和电流之间的相位差为锐角时，继电器的动作转矩为正，继电器动作，控制接点闭合，继电器跳闸；当相位差为钝角时，继电器的动作转矩变为负，继电器不动作，从而达到判别相位的要求。[1]如果我们画出通过保护的测量电压和测量电流的向量图，则两向量的比值为线路阻抗，两向量的夹角为线路的阻抗角，取为。
2.方向元件的0°接线方式
0°接线方式是指保护选取其中一相的电压（如）和该相的电流（），然后计算它们的相位差来对是否动作进行判断。
当正方向时，电压和电流的相位角为，而当反方向时，电压和电流的相位角为+180°，因为元件的动作是有范围的，并且功率方向元件的输出在电压和电流幅值不变的情况下，随着它们相角的改变而改变，而当输出最大时，就存在动作的最大灵敏角。[1]
假设线路的阻抗角为45°，即αma=45°，此时电压超前电流45°，于是我们可在复平面上沿着阻抗角的向量方向画一条直线，该直线即为最灵敏线，当故障发生时，电压和电流的相位角在最灵敏线附近时，继电器的动作特性最好，灵敏度最高。
动作方程可表示为：sen-90°< 接线的好处是可以消除死区，且灵敏度高，但是当在出口处发生三相短路时，由于残压接近于0，保护也会失效。为了解决这种问题，一般是在继电器本身加上一种记忆回路，来延长对三相短路的记忆。但是由于记忆的时间过短，一般只有几个周波（0.1S左右），这样当保护的时限较长时，如电流的二段限时保护或三段过电流保护（时间在0.5S，1S及以上），这样保护还是会失效。为了解决这种问题，一般的做法是采用中间继电器来延长对三相短路的记忆或是提高方向继电器发生短路时的残压来消除死区。[2-3]
二、多功能继电保护及变电站综合自动化系统简介
TQXDB-III多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统是基于实时仿真技术的数字、物理混合仿真平台，把实际的变电站和线路继电保护运行“移植”到实验台中，模拟现场继电保护的运行，可以仿真电网运行的各种保护装置和变电装置的物理现象。该系统的几大特点：实用性强、接近电力系统实际、实验现象直观、组态灵活、接口开放，为我们的实验提供了极大的方便。[4]
TQXDB-III多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统采用实验台结构，实验台由TQWX-III微机型继电保护试验测试仪、TQXDB-III多功能微机保护实验装置、常规保护继电器、成组保护接线图、控制回路模块等组成，主要可以进行以下三种项目实验：（1）数字式继电器特性实验：利用单片机等技术向计算机产生信号，通过向硬件载入相应程序模块，可数字化实现电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、差动继电器等多种常规继电器的功能。（2）成组微机保护实验：实验台上装有10KV、35KV、110KV模拟线路及线路上的各种微机保护装置，可以模拟整条输电线路的运行情况和故障跳闸动作情况。（3）微机保护与继电保护配合动作实验。将多个继电器组合构成继电保护，利用微机保护实验装置完成微机保护实验，此实验贴近电力现场，能加深使用者的操作印象。[4-5]
由上图可以知道，继电器的本身设置的灵敏度为45°，在功率方向继电器的角度特性曲线为45°的时候Udz.J最小，意思是当线路的电压电流相位角为45°时，功率方向继电器的启动电压最小，继电器的方向特性最好，动作最灵敏。而随着相位角的增大或减小，逐渐远离最大灵敏角，方向继电器的启动电压逐渐增大，继电器动作对电压的要求越来越高，当接近动作边界时，即φJ±90时，继电器的启动电压呈指数增长，当启动电压高于线路的电压时，功率方向继电器将失效不再动作。而我们知道，当线路短路时，母线的电压或者说保护装置出口处的电压将大幅度降低，尤其在保护出口处附近发生的短路，会使保护的电压接近于0，当保护上的电压低于启动电压时，继电器是不会动作的，这就出现了所谓的“电压死区”。这时将会使得线路的继电保护装置无法选择性地动作，扩大故障的影响范围。对于0°接线方式来说，发生单相接地短路或与该相相关的相间短路时，都很大可能会使该相电压过低而无法启动功率方向继电器。而对于90°接线方式来说，因为测量的电压为非故障相的线电压，所以当发生短路时，可以消除方向元件的“电压死区”使功率方向继电器正常工作。对于三相短路时我们也可以在继电器上加入记忆回路来90°接线方式继续正常工作。[2，6]
四、结论
功率方向继电器的优点在于，在具有两个以上电源的网络系统中，可以保证各保护之间动作的选择性，使发生故障时将影响范围尽量缩小。但是加入方向元件后必然使保护的接线更近复杂，投资增大，并且在保护安装地点出口附近发生三相短路时，母线电压降低接近0，方向元件将失去动作判据而拒绝动作，这将会影响到电力网络的稳定可靠性。此外随着电网结构的越加复杂、故障类型、系统运行方式以及参数变化的影响， 在某些故障情况下也会失去保护的选择性， 如在大容量母线的Y0 / -11 变压器的 侧发生相间短路时，90°接线方式的方向保护元件可能会误动。所以对于可以不装设方向继电器的地方，我们尽量不装设（如单侧电源线路）。在双侧电源网络中，我们也可以通过躲开保护的整定值或者整定时间来避免保护的反方向误动，以此来充当功率方向继电器的作用。
参考文献：
[1]张沛云.LG—11型功率方向继电器试验中的几个问题[J].电气应用，2006，（1）：35-37.
[2]陈立峰.谈功率方向继电器“死区”问题的解决[J].电工技术杂志，1991，（6）：40-41.
[3]牟恂修.LG-11型功率方向继电器90°接线的可行性分析[J].四川水力发电，2004，（3）：63-65，68.
[4]李惜玉，谢创利.多功能继电保护及变电站自动化系统教学应用[J].中国电力教育，2013，（17）：102-103，117.
[5]周有庆等 .TQXBZ-III 多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统实验指导书[Z].湖南：长沙同庆电气信息有限公司.
[6]李仲明.功率方向继电器的正确选型[J].西北电力技术，1997，
（6）：28-33.
（责任编辑：韩晓英）
关键词：多功能继电保护；电压死区；相间电流保护；功率方向继电器
中图分类号：G642.423 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）35-0154-02
电网的安全运行离不开能判断故障并及时切断故障的继电保护装置，当线路为单侧电源时，我们可通过三段式电流保护、距离保护、纵联差动保护等有选择性地来移除故障。但是当线路为双侧电源网络时，为保证装置的选择性动作，需为保护配上功率方向继电器。LG-11功率方向继电器作为一种功率方向元件，能通过检测判断流经保护的电压和电流的相位关系，来确定发生的故障处在保护装置的正向或方向，以此来保证保护的选择性动作，达到可靠性工作。[1]在双侧电源线路中，线路的某处故障，必须使该段线路两端的保护动作以切除整段故障线路，这时，每段线路的两端都是各装有一套保护装置，若没有装设方向元件，则可能因为保护的整定值或整定时间原因，导致故障线路的上一级或下一级的保护动作，使得故障波及范围增大，增加经济损失或设备损坏。对于实际中的供电网络来说，为了保证供电的稳定性，大部分线路都是双侧电源供电，因此，为了保证保护装置的可靠性和选择性，功率方向元件将起到非常大的作用。
一、功率方向继电器的工作原理
1.方向元件的工作原理
功率方向继电器能反映所接入的电压和电流之间的相位关系，当电压和电流之间的相位差为锐角时，继电器的动作转矩为正，继电器动作，控制接点闭合，继电器跳闸；当相位差为钝角时，继电器的动作转矩变为负，继电器不动作，从而达到判别相位的要求。[1]如果我们画出通过保护的测量电压和测量电流的向量图，则两向量的比值为线路阻抗，两向量的夹角为线路的阻抗角，取为。
2.方向元件的0°接线方式
0°接线方式是指保护选取其中一相的电压（如）和该相的电流（），然后计算它们的相位差来对是否动作进行判断。
当正方向时，电压和电流的相位角为，而当反方向时，电压和电流的相位角为+180°，因为元件的动作是有范围的，并且功率方向元件的输出在电压和电流幅值不变的情况下，随着它们相角的改变而改变，而当输出最大时，就存在动作的最大灵敏角。[1]
假设线路的阻抗角为45°，即αma=45°，此时电压超前电流45°，于是我们可在复平面上沿着阻抗角的向量方向画一条直线，该直线即为最灵敏线，当故障发生时，电压和电流的相位角在最灵敏线附近时，继电器的动作特性最好，灵敏度最高。
动作方程可表示为：sen-90°<
二、多功能继电保护及变电站综合自动化系统简介
TQXDB-III多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统是基于实时仿真技术的数字、物理混合仿真平台，把实际的变电站和线路继电保护运行“移植”到实验台中，模拟现场继电保护的运行，可以仿真电网运行的各种保护装置和变电装置的物理现象。该系统的几大特点：实用性强、接近电力系统实际、实验现象直观、组态灵活、接口开放，为我们的实验提供了极大的方便。[4]
TQXDB-III多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统采用实验台结构，实验台由TQWX-III微机型继电保护试验测试仪、TQXDB-III多功能微机保护实验装置、常规保护继电器、成组保护接线图、控制回路模块等组成，主要可以进行以下三种项目实验：（1）数字式继电器特性实验：利用单片机等技术向计算机产生信号，通过向硬件载入相应程序模块，可数字化实现电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、差动继电器等多种常规继电器的功能。（2）成组微机保护实验：实验台上装有10KV、35KV、110KV模拟线路及线路上的各种微机保护装置，可以模拟整条输电线路的运行情况和故障跳闸动作情况。（3）微机保护与继电保护配合动作实验。将多个继电器组合构成继电保护，利用微机保护实验装置完成微机保护实验，此实验贴近电力现场，能加深使用者的操作印象。[4-5]
由上图可以知道，继电器的本身设置的灵敏度为45°，在功率方向继电器的角度特性曲线为45°的时候Udz.J最小，意思是当线路的电压电流相位角为45°时，功率方向继电器的启动电压最小，继电器的方向特性最好，动作最灵敏。而随着相位角的增大或减小，逐渐远离最大灵敏角，方向继电器的启动电压逐渐增大，继电器动作对电压的要求越来越高，当接近动作边界时，即φJ±90时，继电器的启动电压呈指数增长，当启动电压高于线路的电压时，功率方向继电器将失效不再动作。而我们知道，当线路短路时，母线的电压或者说保护装置出口处的电压将大幅度降低，尤其在保护出口处附近发生的短路，会使保护的电压接近于0，当保护上的电压低于启动电压时，继电器是不会动作的，这就出现了所谓的“电压死区”。这时将会使得线路的继电保护装置无法选择性地动作，扩大故障的影响范围。对于0°接线方式来说，发生单相接地短路或与该相相关的相间短路时，都很大可能会使该相电压过低而无法启动功率方向继电器。而对于90°接线方式来说，因为测量的电压为非故障相的线电压，所以当发生短路时，可以消除方向元件的“电压死区”使功率方向继电器正常工作。对于三相短路时我们也可以在继电器上加入记忆回路来90°接线方式继续正常工作。[2，6]
四、结论
功率方向继电器的优点在于，在具有两个以上电源的网络系统中，可以保证各保护之间动作的选择性，使发生故障时将影响范围尽量缩小。但是加入方向元件后必然使保护的接线更近复杂，投资增大，并且在保护安装地点出口附近发生三相短路时，母线电压降低接近0，方向元件将失去动作判据而拒绝动作，这将会影响到电力网络的稳定可靠性。此外随着电网结构的越加复杂、故障类型、系统运行方式以及参数变化的影响， 在某些故障情况下也会失去保护的选择性， 如在大容量母线的Y0 / -11 变压器的 侧发生相间短路时，90°接线方式的方向保护元件可能会误动。所以对于可以不装设方向继电器的地方，我们尽量不装设（如单侧电源线路）。在双侧电源网络中，我们也可以通过躲开保护的整定值或者整定时间来避免保护的反方向误动，以此来充当功率方向继电器的作用。
参考文献：
[1]张沛云.LG—11型功率方向继电器试验中的几个问题[J].电气应用，2006，（1）：35-37.
[2]陈立峰.谈功率方向继电器“死区”问题的解决[J].电工技术杂志，1991，（6）：40-41.
[3]牟恂修.LG-11型功率方向继电器90°接线的可行性分析[J].四川水力发电，2004，（3）：63-65，68.
[4]李惜玉，谢创利.多功能继电保护及变电站自动化系统教学应用[J].中国电力教育，2013，（17）：102-103，117.
[5]周有庆等 .TQXBZ-III 多功能继电保护及变电站综合自动化实验培训系统实验指导书[Z].湖南：长沙同庆电气信息有限公司.
[6]李仲明.功率方向继电器的正确选型[J].西北电力技术，1997，
（6）：28-33.
（责任编辑：韩晓英）