邓丰强， 庄 正， 王智东,2， 杨 玲， 梁 梅，林映溪， 冒 杰， 林文智

(1.华南理工大学 电力学院,广州 510641；2.华南理工大学广州学院 电气工程学院,广州 510800)

0 引 言

电流继电器和电压继电器直接反映电力系统异常甚至故障时的电流和电压变化，是电力系统继电保护基础[1-3]。高校开设的本科继电保护实验，也普遍设置电流继电器和电压继电器课程内容。电磁式继电器作为使用最早、应用范围最广泛的一种继电器形式，具有生动直观、原理清晰等优点，当前本科继电保护实验也大多采用电磁式继电器[4-9]。

作为继电保护实验基础，本科继电保护实验继电器内容主要研究电磁式继电器特性。对于电磁式电流和电压继电器而言，通过实验获得继电器动作值和返回值的实际数值，并与继电器整定值比较，进而分析返回系数等继电器特性数据，加深学生对继电器原理和具体应用的理解[10-13]。

1 实验接线和现象

1.1 接线方法与实验过程

电磁式电流和电压继电器的实验接线见图1。对于电磁式电流继电器，调压器输出可调电源，并与滑动变阻器互相配合，调节电流继电器所需的电流大小。电压继电器反映的是施加在电压继电器的电压大小，因此在接线方式上则更加简单，只需将调压器直接施压在电压继电器上[14-15]。

(a) 电压继电器接线图

(b) 电流继电器接线图

图1 电流、电压继电器特性实验接线图

电磁式电流、电压继电器实验过程中，通过改变不同幅值的电流或电压的输出，观察继电器开关的动作情况。电流和电压继电器的开关回路的实验接线方法完全一样。

为了直观体现继电器开关的动作情况，将220 V的直流电源和带有电阻的信号灯接入继电器的触点回路，这样，灯的亮或灭就直接反映了继电器处于合闭或开断状态。

1.2 实验现象

我校有不同使用年限的多个电磁式电流和电压继电器，提供给本科生用于继电保护实验课程使用。本科生在做电磁式电流、电压继电器特性实验时，发现两种电磁式继电器所呈现出来的特性存在一定的差异性，主要表现在：

(1) 电流继电器的特性较为稳定，实际的动作值跟事先所设定的继电器整定值非常接近，电流继电器偏差很小；相对于电流继电器特性实验中稳定的测量值，电压继电器特性实验数值与整定值的偏差幅度范围则较大，电压继电器所呈现的特性具有一定的波动性，较为不稳定。

(2) 进一步实测电压继电器的性能，发现电压继电器的使用年限长短对其特性数据影响较大。使用年限较长的电磁式电压继电器，当继电器特性实验调节供给继电器的电压的过程中，供给电压与继电器的电压整定值还有较大偏差时，反映电压继电器开关状态的信号灯便开始闪烁，直至所供给的电压增大到一定数值时，信号灯才稳定下来，说明此时电压继电器的开关才完全接通或断开。

学生在实验过程中，容易出现困惑，不知道动作值和返回值应该记录哪个时刻的值，信号灯开始闪烁时刻、持续闪烁时刻或是完全稳定时刻对应的电压值。而引导学生对实验过程中发现的现象进行归纳、总结，进而分析产生现象的原因，将有助于学生更深入掌握专业内容，提高学生的综合分析能力。

本文先对本科继电保护实验室的所有电磁式电流和电压继电器进行测试，以归纳继电器特性数据，从统计角度分别归纳两种继电器特性数据的相关性。进而结合电磁式继电器的结构，分析电压继电器反映电压继电器触点状态的信号灯闪烁的原因。

2 统计分析

我校面向本科实验教学的继电保护实验室当前拥有8台继电保护实验综合平台，其中5台为2007年投入教学使用，3台为2015年新近购买。

每个实验台有6个电磁式电流继电器和1个电磁式电压继电器。其中3个电磁式电流继电器的最大量程为6 A，整定值4.2 A；另外3个电磁式电流继电器的最大量程为3 A，整定值取中位区间值1.4 A；电磁式电压继电器的最大量程为60 V，整定值48 V。

对上述8个继电保护实验平台的所有电磁式电流和电压继电器进行继电器特性实验实测，通过调节可调变压器，观察动作信号灯的状态，记录动作值和返回值。对所取得的数据，以对应的整定值为基数，进行归一化处理。

对8台实验台的所有电磁式继电器进行实测，每个继电器做两次实验，得到96组电流继电器的数据和16组电压继电器数据。

对电流继电器和电压继电器的抖动数据进行对比，如图2所示。实测现象表明，电流继电器抖动的次数为0，没有出现抖动现象，而电压继电器抖动的次数为10次，占电压继电器比例的62.5%；并且电压继电器中的10次抖动现象都集中在5台旧的继电器上，3台新的继电器没有抖动现象，说明继电器的新旧程度对电压继电器是否抖动关系密切。

图2 电流继电器和电压继电器抖动比例对比

电压继电器特性实验中，使用年限较长的电压继电器的动作值和返回值的实测过程都会出现信号灯闪烁的现象。而使用年限较短的电压继电器的信号灯闪烁现象不明显甚至几乎没有。

这说明电压继电器使用年限越长，电压继电器实测的动作值与整定值等表征电磁式电压继电器特性的参数具有较大的偏差范围。在继电器特性实验中，直接表现在反映继电器开关状态的信号灯，在供给继电器的电压调整过程中的很长一段范围内，持续出现闪烁的现象。

2.1 动作值统计分析

由于电磁式继电器可以直观观察到整定值，从而可以直接与动作值做比较，为了方便理解，采用相对偏差来分析电流继电器和电压继电器。定义动作值相对偏差:

(1)

注意到式(1)中差值没有取绝对值是为了分析实验值与整定值的大小。

24台整定值为4.2 A的电流继电器所作的共48次的实验中，动作值与整定值4.2 A的相对偏差统计如图3，动作值较为均匀地分布在4.15～4.43 A之间，平均相对偏差为2.24%，动作值相对偏差较为均匀地分布在2.24%左右。

图3 4.2 A电流继电器动作值的相对偏差分布

24台整定值为1.4 A的电流继电器所作的共48次的实验中，动作值与整定值1.4 A的相对偏差统计见图4，动作值较为均匀的分布在1.34 ～1.52 A之间，平均相对偏差为2.04%，动作值相对偏差较为均匀地分布在2.04%左右。

图4 1.4 A电流继电器动作值的相对偏差分布

以上两组电流继电器动作值的实验数据表明，尽管实验所用的电磁式电流继电器使用年限有所差别，但实际的动作值在整定值附近，分布较为集中、均匀和稳定，在实验性能上并无明显差异，而且统计的动作值的偏差分布与继电器的新旧无明显关系。

电压继电器的动作值偏差分布如图5所示，相对偏差在-3%～0%的有6组数据，这6组数据都是从3台新的电压继电器上实验测得。这表明3台新的电圧继电器因为动作值精度较高，而实际的动作值比整定值48 V略小，因而出现负号。相对偏差在3%～6%之间的有10组数据，这10组数据都是从5台旧的电压继电器上实验测得，这表明旧的电压继电器实际的动作值比整定值偏大，而且相对于新的3台电压继电器，偏差范围则较小。

图5 48 V电压继电器动作值的相对偏差分布

2.2 返回值统计分析

动作值可以直观地与整定值做比较，而返回值则没有明确的参照值。因此对于返回值，采用返回值的平均值作为参考，通过计算电流继电器、电圧继电器的返回值相对偏差的标准差，对标准差进行横向比较，分析电流继电器和电压继电器的返回值特性差异。定义返回值相对偏差为:

(2)

标准差也称均方差，是各数据偏离平均数的距离的平均数，它是离均差平方和平均后的方根，标准差越小，说明偏差分布越均匀，稳定度越大。

首先分别计算4.2 A电流继电器、1.4 A电流继电器、48 V电压继电器返回值的平均值，然后计算每组返回值与平均值差值的标准差，如图6所示，得到4.2 A电流继电器、1.4 A电流继电器、48 V电压继电器数据的标准差分别为0.035、0.032、0.046。

图6 电流和电压继电器返回值标准差对比

由图6所示的4.2 A电流继电器、1.4 A电流继电器、48 V电压继电器返回值标准差的对比可知，电流继电器的返回值分布较为均匀，每个返回值之间的起伏相对于电压继电器而言不大，分布较稳定；而电压继电器的返回值分布受新旧影响，5台旧继电器的返回值较大，3台新继电器返回值较小，故电压继电器的返回值相对偏差分布相比于电流继电器而言较为不均，因而平均值相对偏差的标准差明显大于电流继电器的平均值相对偏差的标准差。

3 原理分析

3.1 原理

对两种电磁式继电器的统计可发现：电磁式电流继电器不论新旧与否，几乎不出现抖动现象；而较新的电磁式电压继电器也很少出现抖动现象，抖动现象集中出现在旧的电压继电器上。结合电磁式继电器原理，进一步深入分析上述实验现象的原因。

电磁式继电器动作原理图如图7所示。电磁式继电器是由铁心线圈、弹簧、线路、铁片、动触点、以及固定触点构成。铁心线圈在有电流通过时相当于电磁铁，当线圈回路中通过的电流达到一定的值时，铁心线圈对向下铁片的磁力大于弹簧向上的弹力时，铁片带动可动触点向下运动使动触点与固定触点接通形成闭合回路，触点回路接通；当线圈回路中通过的电流达不到一定的值时，则产生的磁力较小，铁心线圈对向下铁片的磁力小于弹簧向上的弹力，则在向上合力的作用下动触点返回，故可动触点与固定触点不接通而使触点回路断开。

图7 电磁式继电器动作原理简图

3.2 线圈的电流驱动

由实验现象和实验数据可知，新的3台电压继电器没有发生抖动现象，而旧的5台电压继电器全部发生了抖动现象，因此继电器的抖动现象与新旧程度有着很大的关系。

放置和使用时间长短对继电器的显著影响就是使继电器老化。而继电器上的触点不仅与空气接触，且由于使用过程中继电器频繁的接通和断开产生的电火花，极易使触点氧化锈蚀，使触点结构变得疏松，表面粗糙，触点处电阻发生了一定程度的变化，相当于继电器的触点部分串联了一个电阻，如图8所示。由于这个等效电阻的分压作用，因此使得继电器完成动作时的电压提高了。对于电磁式继电器而言，随着使用年限变长，或生锈等原因，驱动线圈都会附加一定的阻抗。

图8 新、旧继电器触点附加电阻的电路示意图

对于电流继电器而言，由于电流继电器是以电流驱动线圈完成动作，触点老化的附加电阻的分压作用对其动作时所需电流值无影响，所以电流继电器不会因老化而发生抖动现象。

对于电压继电器而言，旧的电压继电器由于触点老化，相当于增加了大电阻，产生了较大的分压作用，于是使动作值偏大，且使电压继电器产生抖动；而新的电压继电器由于没有因为老化而产生的附加电阻，因此电压继电器动作值与理论的整定值较为接近，未发生抖动现象。

4 结 语

继电保护课程继电器特性实验中，发现电流和电压两种电磁式继电器特性存在差异性，电磁式电压继电器的动作值和返回值等特性数据存在着较大的偏差范围。对继电保护实验室的所有电流和电压继电器进行实测，通过统计方法归纳电磁式电流和电压继电器的特点；进而结合电磁式继电器原理分析两种继电器差异性的原因，帮助学生更深入掌握继电器特性。