功率方向继电器的工作原理简介

功率方向继电器简称功率继电器或方向继电器，其作用是判断功率的方向。对于正方向的故障，其功率为正值，功率方向继电器动作；对于反方向的故障，其功率为负值，功率方向继电器不动作。目前电力系统中的功率方向继电器有感应型、整流型、晶体管型和集成电路型等几种不同型式，但就其构成原理来说，主要有相位比较和幅值比较两种。

1.相位比较式功率方向继电器

相位比较原理是通过测量加入功率方向继电器中的电流和电压之间的相位，以确定功率方向继电器的动作行为。在图6-25a所示的网络接线中，对保护1而言，当在保护的正方向点发生三相短路时，短路电流是从母线流向线路（为正），加到功率方向继电器中的电流与电压之间的夹角为（为从母线到短路点k之间的线路阻抗角），其值为，如图6-25b所示。此时保护所测量的短路功率为正，功率方向继电器动作。当在保护的反方向点发生三相短路时，短路电流是从线路流向母线（为负），加到功率方向继电器中的电流与电压之间的夹角为，其值为，如图6-25c所示。此时保护所测量的短路功率为负，继电器不动作。

图6-25　功率方向继电器工作原理的分析

a）网络接线　b）正方向点短路相量图　c）反方向点短路相量图

因此，功率方向继电器可以通过判别角度的大小来正确区分保护正、反方向的短路，其动作方程为

图6-26　功率方向继电器的动作特性

a）按式（6-33）构成　b）按式（6-34）构成

动作特性可用图6-26a所示的相量图表示。图中以为参考相量，固定于实轴，而电流随故障点的位置而变化。把满足式（6-33）的的区域称为动作区，否则为非动作区。

在实际应用中，要求正方向短路时功率方向继电器的测量功率最大，具有较好的灵敏性。为此，继电器应有可以调整的内角α，其大小决定于继电器的内部参数。对于反应相间短路的功率方向继电器，α常取30°或45°。这时功率方向继电器的动作方程具有以下形式：

式（6-34）表明，继电器的动作特性直线（动作范围的边界线）需逆时针转动α角，如图6-26b所示。当（负号表示电流超前电压）、与动作特性垂直时，继电器动作最灵敏，此位置称为继电器的最大灵敏线，最大灵敏线与电压之间的夹角称为最大灵敏角

相位比较式功率方向继电器可以直接比较与之间的相角，也可以经电压形成回路间接比较电压和之间的相角，此时功率方向继电器的动作方程变为

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图6-27　相位比较式功率方向继电器的原理框图

图6-27为采用积分比相器构成的相位比较式功率方向继电器的原理框图。

2.幅值比较式功率方向继电器

幅值比较原理是通过比较两个电气量的大小来确定功率方向继电器的动作行为。幅值比较原理与相位比较原理之间的对应关系可以用平行四边形和菱形定则加以说明。假设相位比较原理的两个电气量为和，动作条件为；幅值比较原理的两个电气量为和，动作条件为。如果和组成一个平行四边形，则和就是平行四边形的对角线，如图6-28所示。图中，且当超前于时为正。

图6-28　相位比较与幅值比较的对应关系

由图6-28可知，当θ=90°时，继电器处于临界动作状态，此时；当θ＜90°时，继电器处于动作状态，此时；当θ＞90°时，继电器处于不动作状态，此时。可见，两比较量幅值的变化正好反映了相位比较原理中两比较量和的相位变化情况。两种比较原理的两组比较量之间的对应关系为

幅值比较式功率方向继电器的构成框图如图6-29所示，它主要由电压形成回路、整流滤波、比较回路和执行元件等部分构成。

图6-29　幅值比较式功率方向继电器的构成框图

电压形成回路的作用是将由电压互感器、电流互感器传送来的被保护元件的电压与电流进行变换组合，形成比较回路所需要的被比较电气量和。和由两种电压分量和组合而成，其中是在已知阻抗上的压降，可由电抗变换器获得，而可由小型中间变压器获得。根据式（6-36），功率方向继电器进行幅值比较的两个电气量为

电气量和的绝对值，用整流方法取得。因此，继电器的动作条件为