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1、逆功率继电器特点、原理及调试朱松林【摘要】根据发电机逆功率运行时的特点，提出了对逆功率继电器的技术要求，分析比较了几种不同的逆功率继电器原理，对逆功率继电器的调试方法也提出了新的要求。【关键词】发电机逆功率保护调试Characteristics Principle and Debugging of Inverse Power RelayAbstractBased on the operating characteristics of generator inverse power relay, this paper presents technical requirement on inver
2、se power realy, analyzes and compares several principles of inverse power relays, and suggests debugging method on these relays.Key wordsgeneratorinverse power relaydebugging0前言随着电网中大容量火电机组(300MW 及以上)的不断投产，发电机逆功率保持的应用也逐渐普遍起来。从运行情况看，该保护的动作可靠性还不够理想，时有拒动现象发生。从分析可知，其原因主要与逆功率继电器的原理性缺陷及调试方法不正确有关。本文根据发电机逆功
3、率运行时的特点，提出了对逆功率继电器的技术要求，分析比较了几种不同的逆功率继电器原理，对逆功率继电器的调试方法也提出了新的要求。1发电机逆功率运行的特点当机炉保护动作或调速控制回路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。逆功率的大小取决于发电机及汽轮机的损耗，约为额定功率的 4%5%。由于残留在汽轮机尾部的蒸汽与长叶片摩擦，会使叶片过热。因此对发电机的逆功率运行时间有明确限制，一般允许限额时间为 90s 到 3min，这取决于每台汽轮机的技术规范。当某些机炉保护(包括某些发电机保护，如转子接地保护等)动作跳汽轮机关闭主汽门后，实际上也是通过逆功率保
4、护，待汽机中的剩余能量耗尽后再使发电机与系统解列，以防机组严重超速。发电机逆功率运行时的无功功率取决于逆功率运行之前的状态。正常时发电机处于额定运行状态，其功率因数约为 0.850.95。有时为了解决电网在低谷时系统电压过高的问题，往往要求发电机进相运行，以吸收系统过剩的容性无功。目前对大容量发电机来说，一般要求其在额定功率下具有功率因数为 0.9 的进相运行能力。所以，当发电机处于逆功率运行时，其同名相电压与电流的相位差可达到9499。若正常运行时发电机的功率因数更低，或逆功率值更低时，则其相位差会更接近 90。当由于人为因素等原因引起误关主汽门或送汽量不足时，若运行人员反应快，处理及时正确
5、，能迅速恢复送汽，则可避免发电机与系统解列。因发电机转为电动机运行需要一定时间，适当考虑逆功率继电器的动作整定值(如 2%3%的额定功率)将有利于运行人员对上述情况的正确处理。此外，适当的整定值亦可提高保护的安全性。在主汽门关闭发电机转向电动机运行的的过渡过程中，逆功率的幅值也会随着变化。为了提高逆功率保护的动作可靠性，适当降低继电器的返回系数是必要的。2逆功率继电器的特点根据发电机逆功率运行时的特点，逆功率继电器的理想动作特性应为反映反向功率的一条直线。考虑到发电机逆功率运行时的机端电压变化不大，可近似按额定电压处理，则其动作特性应如图 1 所示。由图 1 可见，与一般的功率方向继电器相比，
6、逆功率继电器有以下特点：图 1逆功率继电器动作特性(1)一般的功率方向继电器通常工作在最大灵敏角附近，因而对其动作功率、动作边界及最大灵敏角的测量准确度要求较低。逆功率继电器则往往工作在动作边界附近，因而需要继电器具有准确测量有功功率的动作特性。(2)一般的功率方向继电器往往工作在较大电流和较低电压的情况下。而发电机逆功率运行时其反向功率小，若不考虑无功功率的影响，其电流只有额定值的 4%5%，经过 TA 传变后，二次电流值将非常小。若考虑到继电器需要足够的动作灵敏度，则其动作电流值还要小，只有几十毫安，但其工作电压则基本保持在额定值左右。这要求继电器有很高的电流灵敏度。(3)一般的功率继电器
7、不需要整定动作功率，通常也不单独构成保护，故按其固有的灵敏度工作即可。逆功率继电器单独构成保护，需要根据发电机组的实际情况整定其动作功率。综上所述，逆功率继电器至少应满足以下技术要求：(1)具有足够的动作灵敏度，其最小动作电流 I0(对应于最小动作功率)可调，应做到小于 50mA(二次电流值)。(2)具有如图 1 所示的动作特性，并有较高的精度，以防继电器误动或拒动。3逆功率继电器的原理及动作特性分析目前我国电网正在使用的逆功率继电器，其动作原理大致有以下几种：(1)幅值比较型；(2)相位比较型；(3)cos 型。3.1幅值比较型逆功率继电器幅值比较型逆功率继电器有整流型与静态型 2 种。幅值
8、比较型逆功率继电器的动作方程为： u- i- u+ iU r (1)式中U u电压变换量，正比于发电机端部电压；U i电流变换量，正比于发电机电流 I；U r逆功率继电器动作电压(极化继电器或触发器动作电压)。将式(1)进行变换后得：将式(1)进行变换后得：16U2uU2icos24U 2r(U2u+U2i)-U4r(2)若逆功率继电器动作电压(即执行元件，如极化继电器或触发器的动作电压)U r0，则其动作方程为：-UuUicos0(3)由式(3)可知，该逆功率继电器的动作范围为：90270。这是个理想的功率方向继电器动作特性，但并不符合逆功率保护的要求。由于逆功率继电器的执行元件总是需要一定
9、动作功率，而为了防止继电器的潜动及误动，也需要一定的门限电压，所以继电器的动作电压 Ur不会为零。为了能更深入地了解该类型继电器的动作特性，有必要对式(2)作进一步的分析。根据逆功率继电器的实际工作状态，假设发电机的端部电压基本恒定，只有其电流与相位发生变化，对式(2)再进行整理可得：(4)根据式(4)可得：(2Uu/Ur)2cos2-11即cos 2(U r/2Uu)2因cos 为正向功率方向继电器特性故得cos- Ur/2Uu1(5)当 180时，逆功率继电器有最小动作电流，U i ，即继电器的最大动作灵敏角为 180。当 为其他数值时，动作电流将按式(4)计算。从式(5)可得出继电器的最
10、大动作边界：(6)根据式(4)及(6)可得继电器动作特性如图 2 所示。图 2 中，I 02(对应于 Ur2)大于 I01(对应 Ur1)。显然，只有 Ur/Uu比值越小，继电器的动作特性才能越接近理想状态。假设其比值为 0.1，则其动作边界的渐近线范围约为 93267，已经处于不动作边缘。若考虑到电压形成回路内阻的影响，实际动作范围还要缩小，则拒动可能性很大。U r/Uu比值受到诸多因数限制，不容易设计成理想状态，尤其是这种原理的整流型逆功率继电器，执行元件一般都采用极化继电器，因其动作电压与动作电流相对较大，故更不适宜作发电机的逆功率保护。图 2幅值比较型动作特性从以上分析可见，这种幅值比
11、较原理不适宜用作发电机的逆功率保护。3.2相位比较型逆功率继电器相位比较型逆功率继电器的原理框图如图 3(a)所示。该继电器比较输入电压与输入电流的反相相位，当两者的相位重叠角大于 90时则判断为逆功率，继电器动作。为了继电器能可靠动作，比相回路动作后展宽 20ms。该继电器的动作灵敏度、动作稳定性及动作特性均取决于电压与电流方波形成回路的性能，故对方波形成回路的技术要求较高。相位比较型逆功率继电器的动作灵敏度可以做得很高，在发电机逆功率运行时一般不会发生拒动现象，其特性见图 3(b)。由图可见，这种继电器的反向动作功率实际上是不能整定的，也没有确定的数值。故还不能称之为理想的逆功率继电器。图
12、 3相位比较型逆功率继电器原理框图与动作特性3.3cos 型逆功率继电器在假设发电机逆功率运行时，其机端电压约为额定值的情况下，cos 型逆功率继电器的测量回路输出电压 U0将正比于输入功率 UIcos，实际上能做到正比于 Icos。若在其最大灵敏角 180时的动作电流为 I0(I0P 0/U，P0为发电机逆功率运行时的二次侧功率值，可根据发电机组的实际情况整定，U、I 0分别为 TV 及 TA 二次侧的线电压和线电流。)，则临界动作电流 Id为：IdI 0/cos3.3.1晶体管型晶体管 cos 型逆功率继电器的原理如图 4 所示。图 4晶体管 cos 型逆功率继电器原理框图图 4 中，电压
13、输入回路和整流桥 ZB1、ZB2 构成了控制电流流向的开关电路，R3 为电流输入回路的负载电阻，也是逆功率继电器测量回路的取样电阻。当输入电压为正半波时，整流桥 ZB1 导通，ZB2 关闭，因为 ZB2 不通，对 W2 绕组的电流回路呈高阻态，所以 W2 绕组电流为零，输入电流全部从 W1 绕组流出，经过 ZB1、R3 后流回 W1 绕组。当输入电压负半波时，整流桥 ZB1 关闭，ZB2 导通，输入电流均从 W2 绕组流出，经过 ZB2、R3 后流回 W2 绕组。取样电阻 R3 上的电压 UR波形见图 5。电阻 R4、R5 及电容 C1、C2 组成积分电路，对 UR进行积分后输出电压 U0。触
14、发器由晶体管电路构成。当电压 U0达到触发器的门限值时触发器翻转，逆功率继电器动作。改变触发器的门限电压也即改变了逆功率继电器的动作值。R1、R2 为电压输入回路的限流电阻。由图 5 可见，测量回路的输出电压 U0为：(7)3.3.2集成电路集成电路 cos 型逆功率继电器的原理如图 6 所示。在图 6 中，A5、A6 为模拟双向开关，由继电器输入电压控制其是否导通。当输入电压为正半波时，A1 输出为正，A5 导通，A7 输出电压 UR反映了反向的继电器输入电流-i。当输入电压为负半波时，A2 输出为正，A6 导通，A7 输出电压反映了正向的继电器输入电流+i。可见，图 6 中 UR的电压波形
15、与图 4 中 UR的波形是相同的。A8 为积分电路，对输入电压 UR进行积分后输出 U0，其数学表达形式与式(7)相同。A9为门限电压形成回路，输出门限电压 Ur，当触发器 A10 的输入电压 U0高于 Ur时，触发器翻转，逆功率继电器动作。图 5继电器输入电压、电流与输出电压的波形图 6集成电路 cos 型逆功率继电器原理框图3.3.3微机型使用微机技术可构成接近理想特性的逆功率继电器，其算法也比较简单，如可以使用式(8)的算法。(8)式中u k、i k分别为输入电压及电流的第 k 点采样值；P k为第 k 点时的功率计算值；n继电器在一个工频周期内的采样点数。若设继电器的逆功率整定值为 P
16、0，则当 Pk-P 0时，继电器动作。由式(8)可见，它计及了发电机机端电压对逆功率的影响，所以它比以上 2种继电器更准确。事实上，通常不会使用微机构成单一功能的逆功率继电器。只有在综合的微机型发电机保护中，才有可能使用这种算法的逆功率保护。但要注意的是，由于逆功率保护的动作灵敏度要求很高，故它的电流通道很难与其他保护合用。从以上分析可知，cos 型逆功率继电器在原理上最符合发电机对逆功率保护的要求，所以应尽量采用这种原理的逆功率继电器。4逆功率继电器的调试发电机逆功率保护有其自身的一些特点，所以它的调试方法也与一般的方向继电器不同。主要有以下几点：(1)需要高准确度的试验设备和仪器。试验设备应能准确输出毫安级
