供配电设计性实验.docx

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供配电设计性实验

实验三电磁型三相一次重合闸实验

一、实验目的

1．熟悉电磁型三相一次自动重合闸装置的组成及原理接线图。

2．观察重合闸装置在各种情况下的工作情况。

3．了解自动重合闸与继电保护之间如何配合工作。

二、基本原理

1．DCH-1重合闸继电器构成部件及作用

运行经验表明，在电力系统中，输电线路是发生故障最多的元件，并且它的故障大都属于暂时性的，这些故障当被继电保护迅速断电后，故障点绝缘可恢复，故障可自行消除。

若重合闸将断路器重新合上电源，往往能很快恢复供电，因此自动重合闸在输电线路中得到极其广泛的应用。

在我国电力系统中，由电阻电容放电原理组成的重合闸继电器所构成的三相一次重合闸装置应用十分普遍。

图4-1为DCH-1重合闸继电器的内部接线图。

图4-1DCH-1型重合闸继电器内部接线图

继电器内各元件的作用如下：

（1）时间元件KT用来整定重合闸装置的动作时间。

（2）中间继电器KAM装置的出口元件，用于发出接通断路器合闸回路的脉冲，继电器有两个线圈，电压线圈（用字母V表示）靠电容放电时起动，电流线圈（用字母I表示）与断路器合闸回路串联，起自保持作用，直到断路器合闸完毕，继电器才失磁复归。

（3）其他用于保证重合闸装置只动作一次的电容器C。

用于限制电容器C的充电速度，防止一次重合闸不成功时而发生多次重合的充电电阻器4R。

在不需要重合闸时（如手动断开断路器），电容器C可通过放电电阻6R放电。

用于保证时间元件KT的热稳定电阻5R。

用于监视中间元件KAM和控制开关的触点是否良好的信号灯HL。

用于限制信号灯HL上电压的电阻17R。

继电器内与KAM电压线圈串联的附加电阻3R（电位器），用于调整充电时间。

由于重合闸装置的使用类型不一样，故其动作原理亦各有不同。

如单侧电源和两侧电源重合闸，在两侧电源重合闸中又可分同步检定、检查线路或母线电压的重合闸等。

2．重合闸的动作原理

现以图4-2为例说明重合闸的工作过程及原理，图中触点的位置相当于输电线路正常工作情况，断路器在合闸位置，辅助触点QF1断开，QF2闭合。

DCH-1中的电容C经按钮触点SB1（EF）和电阻4R已充电，整个装置准备动作，装置动作原理分几个方面加以说明。

（1）断路器由保护动作或其他原因（触点1KAM闭合）而跳闸此时断路器辅助触点QF1返回，中间继电器9KAM起动（利用10R限制电流，以防止断路器合闸线圈KC（L）同时起动）其触点闭合后，起动重合闸装置的时间元件KT经过延时后触点KT1闭合，电容器C通过KT1对KAM（V）放电。

KAM起动后接通了断路器合闸回路（由＋→SB（EF）→②→KAM1→KAM（I）→①→KS→XB→11KAM2→KC（L）→QF1→－）KC（L）通电后，实现一次重合闸，与此同时，信号继电器KS发出信号，由于KAM（I）的作用，使触点KAM1、KAM2能自保持到断路器完成合闸，其触点QF1断开为止。

如果线路上发生的是暂时性故障，则合闸成功后，电容器自动充电，装置重新处于准备动作的状态。

（2）如果线路上存在有永久性故障此时重合闸不成功，断路器第二次跳闸，9KAM与KT仍同前而起动，但是由于这一段时间是远远小于电容器充电到使KAM（V）起动所必需的时间（15～25s）因而保证了装置只动作一次。

（3）重合闸装置中间元件的触点KAM1发生卡住或者熔接，为了防止在这种情况下断路器多次合闸到永久性故障的线路上去，用中间继电器11KAM，因为断路器合闸于永久性故障时，触点1KAM再次闭合跳闸回路（由＋→1KAM→11KAM（I）→QF2→KT（R）→－）11KAM（I）起动，如果KAM1已熔接或卡住，则中间继电器通过11KAM（V）自保持，并通过11KAM3发出信号，其动断触点11KAM2断开了合闸线圈回路，从而防止了断路器多次合闸。

（4）手动跳闸当按下SB（AC），断路器跳闸。

由于SB（EF）已断开，切断了装置的起动回路，避免了断路器发生合闸。

（5）手动合闸（在投入前应先将装置中电容器C放电完毕）当按下SB，接通电容器C的充电回路（由＋→SB（EF）→⑧→4R→③→－）此时如果在输电线路上存在有永久性故障，则断路器很快又被切除，因为电容器来不及充电到使KAM（V）起动所必需的电压，从而避免了断路器发生合闸。

当用于双端供电的一次重合闸装置时，应该在回路中串入检查同期及检查无压的接点。

3．自动重合闸之前加速保护动作

自动重合闸前加速保护动作简称为“前加速”。

其意义可用图4-3所示单电源辐射网络来解释。

图中每一条线路上均装有过流保护

，当其动作时限按阶梯形选择时，断路器1DL处的继电保护时限最长。

为了加速切除故障，在1QF处可采用自动重合闸前加速保护动作方式。

即在1QF处不仅有过流保护,还装设有能保护到L3的电流速断保护I和自动重合闸装置ARV.这时不论是在线路L1、L2或L3上发生故障，1QF处的电流速断保护都无延时地断开断路器1QF，然后自动重合闸装置将断路器重合一次。

如果是暂时性故障，则重合成功，恢复正常供电。

如果是永久性故障，则在1QF重合之后，过流保护将按时限有选择性地将相应的断路器跳开。

即当K3点故障时，由3QF的保护跳开3QF；若3QF保护拒动,则由2QF保护跳开断路器2QF。

“前加速”方式主要用于35千伏以下的网络。

图4-3重合闸前加速保护动作的原理说明图

4．自动重合闸后加速保护动作

重合闸后加速保护动作简称为“后加速”。

采用这种方式时，就是第一次故障时，保护按有选择性的方式动作跳闸。

如果重合于永久故障，则加速保护动作，瞬时切除故障。

采用“后加速”方式时，必须在每条线路上都设有选择性的保护和自动重合闸装置。

如图4-4所示，当任一线路上发生故障时,首先由故障线的选择性保护动作将故障切除,然后由故障线路的ARV进行重合,同时将选择性保护的延时部分退出工作.如果是暂时性故障,则重合成功,恢复正常供电.如果是永久性故障,故障线的保护便瞬时将故障再次切除。

图4-4重合闸后加速保护动作的原理说明图

在35千伏以上的高压网络中，由于通常都装有性能较好的保护（如距离保护等），所以第一次有选择性动作的时限不会很长（瞬动或延时0.5秒），故“后加速”方式在这种网络中广泛采用。

5．断路器防止“跳跃”的基本概念

DJZ-Ⅲ型试验台的跳闸回路原理图如图4-5所示。

当断路器合闸后，如果由于某种原因造成控制开关K2的触点或自动装置的触点5KM2未复归，此时如发生短路故障，继电保护动作使断路器跳闸，则会出现多次的“跳—合”现象，此现象称为“跳跃”，所谓防跳就是采取措施防止断路器出现多次跳合现象的发生。

防止跳跃采取的措施是增加一个防跳中间继电器3KM，它有两个线圈，一个电流启动线圈串于跳闸回路中，另一个是电压自保持线圈，经过自身的常开触点并联于合闸接触器中，此外在合闸回路上还串接了一个3KM的常闭触点。

图4-5跳合闸回路原理图

当利用手动合闸开关K2或自动装置5KM2进行合闸时，如合闸于短路故障上，继电保护动作，使断路器跳闸，此时，跳闸电流流过3KM的电流启动线圈，使3KM动作，其常闭接点断开合闸回路，常开接点接通3KM的电压线圈。

若由于某种原因使K2或5KM1不能断开，合闸脉冲不能解除，则3KM电压线圈通过K2或5KM2实现自保持，长期断开合闸回路3KM断开，使断路器不能再次合闸。

只有当合闸脉冲解除3KM电压自保持线圈断电后，才能恢复正常状态。

（三）实验内容

1、重合闸继电器实验

DCH-1型重合闸继电器实验的接线如图4-6所示。

（1）将开关QS1投入，调整直流电压至继电器额定值，检查各元件应无异常想象。

（2）用手按中间继电器KAM衔铁于动作位置，调整R2使流过KAM电流线圈的电流略低于0.9倍的额定电流。

（3）测定充电时间，在额定电压下投入QS1，经15～25S后，再投入QS2，中间继电器KAM应能可靠动作，并自保持，重复测定充电时间时，应先断开QS1后断开QS2，以保持电容器在放电状态。

根据实践，对220V的中间继电器KAM，动作电压可调至50V左右；对110V的继电器可调至25～30V左右，此时充电时间一般约为15～25S范围内。

（4）额定电压下投入QS1充电60S后，瞬时短路⑥、③端子使电容器C放电，然后投入QS2，此时KAM应不动作。

（5）重合闸继电器动作时间的整定。

先将QS1、QS2开关投入，给电容器充电25S后，再投入QS2开关，测重合闸时间。

试验应重复多次，比较实测值与整定值之间的误差。

2．三段式电流保护与自动重合闸装置综合实验

1）自动重合闸前加速保护动作实验

实验时请参阅图3-1及第三章的有关实验内容。

具体实验步骤如下：

（1）按完全星形实验接线完成实验连线，将变压器原方CT的二次侧短接，调整Ⅰ段整定值为5.16A，Ⅱ段整定值为2.78A，Ⅲ段整定值为1.62A。

（2）把重合闸开关切换至“ON”，使其投入；再把加速方式选择开关切换至“前加速”的位置，也就选择好了重合闸前加速保护动作的方式。

（3）把“区内”、“线路”和“区外”转换开关选择在“线路”档。

（“区内”、“区外”是对变压器保护而言的，在线路保护中不使用。

）

（4）合三相电源开关，三相电源指示灯亮。

（如果不亮，则停止下面的实验，检查电源接线，找出原因。

）

（5）缓慢调节调压器输出，使并入的线路中的电压数显示值从0V上升到100V为止。

（6）合上直流电源开关，直流电源指示灯亮（如果不亮，则停止下面的实验，检查电源接线找出原因）。

（7）合上模拟断路器，负载灯全亮。

（8）将常规出口连接片投入（连接LP2），微机出口连接片退出（断开LP1）。

（9）在重合闸继电器充电完成后，合上短路选择开关SA、SB、SC按钮。

（10）将短路电阻调节到20%处，短时间合上故障模拟断路器，模拟系统发生暂时性三相短路故障。

将实验过程现象记录于表4-1中。

（11）待系统稳定运行一段时间后，长时间合上短路开关，模拟系统发生永久性故障，将实验现象记录于表4-1中。

表4-1自动重合闸前/后加速保护实验数据记录

故障类型

加速方式

永久性故障时

暂时性故障时

分析重合闸前、后加速保护的不同点

重合闸前加速保护动作情况

重合闸后加速保护动作情况

（12）实验完成后，使调压器输出电压为0V，断开所有电源开关。

2）自动重合闸后加速保护动作实验

本实验步骤与前述实验1）的步骤完全一样，只须在实验开始通电前将加速方式选择开关切换至“后加速”的位置，将短路电阻调节到80%处。

3．电流电压联锁保护与自动重合闸装置综合实验

按前述常规电流电压实验接线的完全星形实验接线，接好三段式电流保护接线，将变压器原方CT的二次侧短接，再接好电压继电器，电压继电器出口串上电流继电器出口，调整Ⅰ段三个电流继电器的整定值为4.3A。

电压继电器整定值为56V。

重复实验2中的步骤，将实验现象记录于表4-2中。

表4-2电流电压联锁保护与重合闸装置综合实验数据记录表

故障类型

加速方式

永久性故障时

暂时性故障时

分析重合闸前后加速保护的不同点

重合闸前加速保护动作情况

重合闸后加速保护动作情况

4．复合电压启动的过电流保护与自动重合闸装置综合实验

按前述完全星形实验接线，接好三段式电流保护接线，串入负序电压和低电压继电器，将变压器原方CT的二次侧短接，调整Ⅰ段整定值为4.3A，电压继电器整定值为56V，负序电压继电器整定值为6V，重复实验2中的步骤，将实验数据记录于表4-3中。

表4-3复合电压启动的过流保护与重合闸装置综合实验记录表

故障类型

加速方式

永久性故障时

暂时性故障时

分析重合闸前后加速保护的不同点

重合闸前加速保护动作情况

重合闸后加速保护动作情况

5．断路器防止“跳跃”动作实验

实验步骤如下：

（1）按前述完全星形实验接线，将变压器原方CT的二次侧短接，调整Ⅰ段三个电流继电器的整定值为1A。

Ⅱ段整定值为0.8A或者III段整定值为0.8A。

（2）把防跳开关切换到“ON”档，即投入防跳继电器。

（3）把“区内”、“线路”和“区外”转换开关选择在“线路”档。

（“区内”、“区外”是对变压器保护而言的，线路保护中不使用。

）

（4）合三相电源开关，三相电源指示灯亮（如果不亮则停止下面的实验）。

（5）缓慢调节调压器输出，使并入线路中的电压表显示从0V上升到50V为止。

（6）合上1KO模拟断路器，断开2KO模拟断路器。

（7）合上直流电源开关，直流电源指示灯亮（如果不亮则停止下面的实验）。

（8）将常规出口连接片投入（连接LP2），微机出口连接片退出（断开LP1）。

（9）合上短路选择开关SA、SB、SC按钮，并合上故障模拟断路器。

表4-4断路器防止“跳跃”实验数据记录表

防跳状态

投入防跳时

不投入防跳时

分析实验结果

动作情况

（10）将模拟线路电阻调到50%处。

（11）顺时针钮动K2不放，使其在手动合闸位置。

将观察到的实验现象记录于表4-4中。

（12）K2在手动合闸位置待续一段时间后，松开K2开关，将防跳开关切换至“OFF”位置，重复步骤（11），记录实验现象。

（13）实验完成后，使调压器输出电压为0V，断开所有电源开关。

（四）思考题

1．分析重合闸前、后加速电流速断保护的过程有什么不同？

其原因是什么？

2．防跳继电器在本试验台上是如何实现防跳功能的?

3．永久性故障时请仔细写出保护切除故障的动作过程，并算出相应的时间。

实验四输电线路三段式电流常规保护实验

一、实验目的

1．了解电磁式电流保护的组成。

2．学习电力系统电流保护中电流、时间整定值的调整方法。

3．研究电力系统中运行方式变化对保护灵敏度的影响。

4．分析三段式电流保护动作配合的正确性。

二、实验原理

1．试验台一次系统原理图

试验台一次系统原理图如图5-1所示。

2．三段式电流保护实验基本原理

当网络发生短路时，电源与故障点之间的电流会增大。

根据这个特点可以构成电流保护。

电流保护分无时限电流速断保护（简称I段）、带时限速断保护（简称II段）和过电流保护（简称III段）。

下面分别讨论它们的作用原理和整定计算方法。

（1）无时限电流速断保护（I段）

单侧电源线路上无时限电流速断保护的作用原理可用图3-2来说明。

短路电流的大小Ik和短路点至电源间的总电阻R及短路类型有关。

三相短路和两相短路时，短路电流Ik与R的关系可分别表示如下：

式中，Es——电源的等值计算相电势；Rs——归算到保护安装处网络电压的系统等值电阻；R0——线路单位长度的正序电阻；l——短路点至保护安装处的距离。

由上两式可以看到，短路点距电源愈远（l愈长）短路电流Lk愈小；系统运行方式小（Rs愈大的运行方式）Ik亦小。

Ik与l的关系曲线如图3-2曲线1和2所示。

曲线1为最大运行方式（Rs最小的运行方式）下的IK=f（l）曲线，曲线2为最小运行方式（Rs最大的运行方式）下的IK=f（l）曲线。

线路AB和BC上均装有仅反应电流增大而瞬时动作的电流速断保护，则当线路AB上发生故障时，希望保护KA2能瞬时动作，而当线路BC上故障时，希望保护KA1能瞬时动作，它们的保护范围最好能达到本路线全长的100%。

但是这种愿望是否能实现，需要作具体分析。

以保护KA2为例，当本线路末端k1点短路时，希望速断保护KA2能够瞬时动作切除故障，而当相邻线路BC的始端（习惯上又称为出口处）k2点短路时，按照选择性的要求，速断保护KA2就不应该动作，因为该处的故障应由速断保护KA1动作切除。

但是实际上，k1和k2点短点时，从保护KA2安装处所流过短路电流的数值几乎是一样的，因此，希望k1点短路时速断保护KA2能动作，而k2点短点时又不动作的要求就不可能同时得到满足。

图5-2单侧电源线路上无时限电流速断保护的计算图

为了获得选择性，保护装置KA2的动作电流Iop2必须大于被保护线路AB外部（k2点）短路时的最大短路电流Ikmax。

实际上k2点与母线B之间的阻抗非常小，因此，可以认为母线B上短路时的最大短路电流IkBmax=Ikmax。

根据这个条件得到：

式中，

——可靠系数，考虑到整定误差、短路电流计算误差和非周期分量的影响等，可取为1.2～1.3。

由于无时限电流速断保护不反应外部短路，因此，可以构成无时限的速动保护（没有时间元件，保护仅以本身固有动作时间动作）。

它完全依靠提高整定值来获得选择性。

由于动作电流整定后是不变的，在图5-2上可用直线3来表示。

直线3与曲线1和2分别有一个交点。

在曲线交点至保护装置安装处的一段线路上短路时，Ik>Iop2保护动作。

在交点以后的线路上短路时，Ik

因此，无时限电流速断保护不能保护线路全长的范围。

如图3-2所示，它的最大保护范围是lmax，最小保护范围是lmin。

保护范围也可以用解析法求得。

无时限电流速断保护的灵敏度用保护范围来表示，规程规定，其最小保护范围一般不应小于被保护线路全长的15%～20%。

实验时可调节滑线电阻，找寻保护范围。

电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速，因而获得了广泛应用。

它的缺点是不可能保护线路AB的全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化影响很大，当被保护线路的长度较短时，速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。

图5-3带时电流速断保护计算图

（a）网络图（b）Ik=f（l）关系及保护范围（c）延时特性

图中：

1—Ik=f（l）关系；2—

线；3—

线；4—

线

由于无时限电流速断不能保护全长线路，即有相当长的非保护区，在非保护区短路时，如不采取措施，故障便不能切除，这是不允许的。

为此必须加装带时限电流速断保护，以便在这种情况下用它切除故障。

（2）带时限电流速断保护（Ⅱ段）

对这个新设保护的要求，首先应在任何故障情况下都能保护本线路的全长范围，并具有足够的灵敏性。

其次是在满足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限。

正是由于它能以较小的时限切除全线路范围以内的故障，因此，称之为带时限速断保护。

带时限电流速断保护的原理可用图5-3来说明。

由于要求带时限电流速断保护必须保护本线路AB的全长，因此，它的保护范围必须伸到下一线路中去。

例如，为了使线路AB上的带时限电流速断保护A获得选择性，它必须和下一线路BC上的无时限电流速断保护B配合。

为此，带时限电流速断保护A的动作电流必须大于无时限电流速断保护B的动作电流。

若带时限电流速断保护A的动作电流用

表示，无时限电流速断保护B的动作电流用

表示，则

（5-1）

式中，

——可靠系数，因不需考虑非周期分量的影响，可取为1.1～1.2。

保护的动作时限应比下一条线路的速断保护高出一个时间阶段，此时间阶段以Dt表示。

即

保护的动作时间

（Dt一般取为0.5s）。

带时限电流速断保护A的保护范围为

（见图5-3）。

它的灵敏度按最不利情况（即最小短路电流情况）进行检验。

即

（5-2）

式中，Ikmin——在最小运行方式下，在被保护线路末端两相金属短路的最小短路电流。

规程规定

应不小于1.3～1.5。

必须大于1.3的原因是考虑到短路电流的计算值可能小于实际值、电流互感器的误差等。

由此可见，当线路上装设了电流速断和限时电流速断保护以后，它们的联系工作就可以保证全线路范围内的故障都能够在0.5s的时间内予以切除，在一般情况下都能够满足速动性的要求。

具有这种性能的保护称为该线路的“主保护”。

带时限电流速断保护能作为无时限电流速断保护的后备保护（简称近后备），即故障时，若无时限电流速断保护拒动，它可动作切除故障。

但当下一段线路故障而该段线路保护或断路器拒动时，带时限电流速断保护不一定会动作，故障不一定能消除。

所以，它不起远后备保护的作用。

为解决远后备的问题，还必须加装过电流保护。

（3）定时限过电流保护（Ⅲ段）

过电保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。

它在正常运行时不应该启动，而在电网发生故障时，则能反应电流的增大而动作。

在一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长范围，而且也能保护相邻线路的全长范围，以起到远后备保护的作用。

为保证在正常运行情况下过电流保护不动作，它的动作电流应躲过线路上可能出现的最大负荷电流ILmax，因而确定动作电流时，必须考虑两种情况：

其一，必须考虑在外部故障切除后，保护装置能够返回。

例如在图5-4所示的接线网络中，当k1点短路时，短路电流将通过保护装置5、4、3，这些保护装置都要启动，但是按照选择性的要求，保护装置3动作切除故障后，保护装置4和5由于电流已经减小应立即返回原位。

其二，必须考虑当外部故障切除后，电动机自启动电流大于它的正常工作电流时，保护装置不应动作。

例如在图5-4中，k1点短路时，变电所B母线电压降低，其所接负荷的电动机被制动，在故障由3QF保护切除后，B母线电压迅速恢复，电动机自启动，这时电动机自启动电流大于它的正常工作电流，在这种情况下，也不应使保护装置动作。

图5-4选择过电流保护启动值及动作时间的说明

考虑第二种情况时，定时限过电流保护的整定值应满足：

式中，Kss——电动机的自启动系数，它表示自启动时的最大负荷电流与正常运行的最大负荷电流之比。

当无电动机时Kss=1，有电动机时Kss≥1。

考虑第一种情况，保护装置在最大负荷时能返回，则定时限过电流保护的返回值应满足

（5-3）

考虑到

，将式（5-3）它改写为

（5-4）

式中，

——可靠系数，考虑继电器整定误差和负荷电流计算不准确等因素，取为1.1～1.2。

考虑到Kre=Ire/Iop，所以

（5-5）

为了保证选择性，过电流保护的动作时间必须按阶梯原则选择（如图5-5）。

两个相邻保护装置的动作时间应相差一个时限阶段Dt。

过电流保护灵敏系数仍采用式（5-2）进行检验，但应采用

代入，当过电流保护作为本线路的后备保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校验，要求Ksen³1.3～1.5；当作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的电流进行校验，此时要求Ksen³1.2。

定时限过电流保护的原理图与带时限过电流保护的原理图相同，只是整定的时间不同而已。

图5-5过电流保护动作时间选择的示意图

3．保护的整定值计算

电流保护整定值计算：

图5-1中若取电源线电压为100V（实际为变压器副方输出线电压为100V），系统阻抗分别为Xs.max=2Ω、XS.N=4Ω、Xsmin=5Ω，线路段的阻抗为10Ω。

线路中串有一个2Ω的限流电阻，设线路段最大负荷电流为1.2A。

无时限电流速断保护可靠系数KⅠ=1.25，带时限电流速断保护可靠系数为KⅡ=1.1，过电流保护可靠系数KⅢ=1.15，继电器返回系数Kre=0.85，自启动系数Kzq=1.0。

根据上述给定条件，理论计算线路段电流保护各段的整定值计算：

4．常规电流保护的接线方式

电流保护常用的接线方式有完全星形接线、不完全星形接线和在中性线上接入电流继电器的不完全星形接线三种，如图5-8所示。

电流保护一般采用三段式结构，即电流速断（Ⅰ段），限时电流速断（Ⅱ段），定时限过电流（Ⅲ段）。

但有些情况下，也可以只采用两段式结构，即Ⅰ段（或Ⅱ段）做主保护，Ⅲ段作后备保护。

下图示出几种接线方法，供接线时参考。