电力系统继电保护实验指导书.docx

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电力系统继电保护实验指导书

实验一阶段式过电流与自动重合闸前加速

一、实验目的

1、熟悉自动重合闸前加速保护的原理与接线。

2、掌握自动重合闸与继电保护的配合形式。

3、理解继电保护与自动重合闸前加速这种配合形式的使用场合。

二、实验说明

重合闸前加速保护是当线路发生故障时，靠近电源侧的保护首先无选择性地瞬时动作，使断路器跳闸，尔后再借助于自动重合闸来纠正这种非选择性的动作。

重合闸前加速保护的动作原理可由图12-1说明,线路X-1上装有无选择性的电流速断保护1和过流保护2，线路X-2上装有过流保护4，ZCH仅装在靠近电源的线路X-1上。

无选择性电流速断保护1的动作电流，按线路末端的短路电流来整定，动作不带延时。

过流保护2、4的动作时限按阶梯原则来整定，即t2＞t4。

图12-1自动重合闸前加速保护原理示意图

当任何线路、母线（I除外）或变压器高压侧发生故障时，装在变电所I的无选择性电流速断保护1总是先动作，不带延时地将1QF跳开，尔后ZCH动作再将1QF重合。

若所发生的故障是暂时性的，则重合成功，恢复供电；若故障为永久性的，由于电流速断已由ZCH的动作退出工作，因此，此时通过各电流保护有选择性地切除故障。

图12-2示出了ZCH前加速保护的原理接线图。

其中1LJ是电流速断，2LJ是过流保护。

从该图可以清楚地看出，线路X-1故障时，首先速断保护的1LJ动作，其接点闭合，经JSJ的常闭接点不带时限地动作于断路器，使其跳闸，随后断路器辅助触点起动重合闸装置，将断路器合上。

重合闸动作的同时，起动加速继电器JSJ，其常闭接点打开，若此时线路故障还存在，但因JSJ的常闭接点已打开，只能由过流保护继电器2LJ及SJ带时限有选择性地动作于断路器跳闸，再次切除故障。

自动重合闸前加速保护有利于迅速消除故障，从而提高了重合闸的成功率，另外还具有只需装一套ZCH的优点。

其缺点是增加了1QF的动作次数，一旦1QF或ZCH拒绝动作将会扩大停电范围。

因此，前加速方式只用于35KV以下的网络。

三、实验内容与步骤

1、拟订AB段采用两段式保护（即无时限电流速断和定时限过电流保护）和加速保

图12-2自动重合闸前加速保护原理接线图

护；BC段只采用定时限过电流。

保护A与自动重合闸的配合方式采用前加速方式，保护B不必设置自动重合闸。

保护电流整定值可根据线路模型计算，也可采用实验八中的整定值。

重合闸时间设为1.5S（方便跳闸后清楚短路故障），BC段保护时限设为1S。

电流加速保护电流定值与BC段定时限过电流保护定值相同，时限为0。

2、起动实验控制屏，将以上数据存入保护装置。

3、将系统电压升至105V，合上断路器QF1、QF2，待保护装置液晶屏内重合闸充电指示满，方可开始实验。

4、任意运行方式下，在BC段末端进行两相短路，不加任何干预，记录各断路器动作顺序。

在QF1跳闸后立即解除短路故障，即模拟故障消除；注意会发生什么情况。

5、分别在断开保护装置A的跳闸压板和合闸压板、保护装置B的跳闸压板的情况下，重复步骤4，记录断路器动作的先后顺序。

6、分别在AB段末端和首端进行三相短路，记录各断路器动作的顺序；在QF1跳闸后立即解除短路故障，注意会发生什么情况。

四、实验报告

1、将保护装置A和B整定设置项填入下表

一段电流定值

三段电流定值

三段时间定值

前加速电流定值

前加速时间定值

重合闸时间定值

2、填充

2.1、在BC段发生永久性故障

由于BC段故障，保护装置（A或B）的保护经秒首先作用于断路器（QF1或QF2）跳闸，经秒，保护装置发出重合闸指令，断路器合闸，由于BC段线路故障一直存在，保护装置，经——发出跳闸指令，断路器跳闸，切除故障。

2.2、AB断末端发生瞬时性故障

由于AB段末端故障，保护装置（A或B）的保护经秒首先作用于断路器（QF1或QF2）跳闸，经秒，保护装置发出重合闸指令，断路器合闸，由于线路故障消失，断路器合闸成功。

实验二阶段式过电流与自动重合闸后加速

一、实验目的

1、熟悉自动重合闸后加速保护的原理和接线。

2、掌握继电保护与自动重合闸后加速的配合技术。

3、理解继电保护与自动重合闸后加速的这种配合形式的使用场合。

二、实验说明

重合闸后加速保护是当线路上发生故障时，首先按正常的继电保护动作，有选择性地动作于断路器使其跳闸，然后ZCH动作将断路器重合，同时ZCH的动作将过流保护的时限解除。

这样,当断路器重合于永久性故障线路时，电流保护将无时限地作用于断路器跳闸。

实现后加速的方法是在被保护各段线路上都装设有选择性的保护和自动重合闸装置，见图13-1。

ZCH后加速保护的原理接线见图13-2。

图13－1自动重合闸后加速保护原理说明图

当线路故障时，由于延时返回继电器JSJ尚未动作，其常开触点未闭合，电流继电器LJ动作后，起动时间继电器SJ，并经一定延时后，其常开触点闭合，起动出口中间继电

图13－2自动重合闸后加速保护原理接线图

器BCJ，使QF跳闸。

QF跳闸后，ZCH发出合闸脉冲。

在发出合闸脉冲的同时，重合闸出口元件ZJ3的常开触点闭合。

起动继电器JSJ，见图13-2，JSJ动作后，其触点闭合。

若故障为持续性故障，则保护第二次动作时，经JSJ的触点直接起动BCJ而使断路器瞬时跳闸。

在35KV以上的高压网络中，通常都装有性能比较好的保护，所以第一次有选择性的跳闸时限不会很长，故后加速保护方式在这种网络中被广泛采用。

三、实验内容与步骤

1、拟订线路模型AB段采用电流三段式保护，BC段采用两段保护，即电流速断保护和定时限过电流保护。

电流保护定值可根据模型计算，也可参照实验八。

在AB和BC段均设置自动重合闸后加速。

重合闸设置为不检电压或检无压方式，重合闸时间设置为1.5S（方便跳闸后清除短路故障）。

电流加速定值与每一回路定时限过电流保护电流定值相同，电流加速时间设置为零秒。

2、起动实验控制屏，将以上定值存入保护装置。

3、将系统电压升至105V，运行方式任意，合上断路器QF1和QF2。

4、分别在BC段末端和首端进行三相短路，不加任何干预，观察断路器动作过程和先后顺序。

并作好记录。

5、在步骤4的实验中，保护装置动作后重合闸脉冲还还未发出时，解除线路故障，观察并记录这时断路器动作过程。

6、在AB段重复步骤4和步骤5，并做好相关记录。

四、实验报告

1、将保护装置A和B整定设置项填入下表

保护装置

保护装置A

保护装置B

一段电流定值

二段电流定值

二段时间定值

三段电流定值

三段时间定值

加速电流定值

加速时间定值

重合闸时间

2、填充

2.1、在BC段末端发生永久性故障

由于BC段末端故障，保护装置（A或B）的保护经秒首先作用于断路器（1QF或2QF）使其跳闸，经秒，保护装置发出重合闸指令，断路器合闸，由于BC段线路故障一直存在，保护装置（A或B）经秒发出跳闸指令，断路器跳闸，切除故障。

2.2、AB断末端发生瞬时性故障

由于AB段线路末端故障，保护装置（A或B）的保护经秒首先作用于断路器（1QF或2QF）使其跳闸，经秒，保护装置发出重合闸指令，断路器合闸，由于线路故障消失，断路器合闸成功。

实验三其他线路保护形式研究

一、实验目的

1、通过实验进一步掌握功率方向过电流保护的原理和实验方法。

2、理解零序电流保护的原理和实验方法。

3、掌握过负荷保护的原理和实验方法。

4、了解低压减载实验的原理和方法。

二、实验说明

1、功率方向过电流保护

众所周知，交流电流与电压的相位关系随着短路电流的方向不同而有不同的固定关系，如图14-1所示。

当d1点短路时，加到继电器1的电压UJ与电流IJ1的相角φJ1为0°<φd<90°，φd决定于母线至故障点d1之间的线路阻抗角。

短路电流是从母线流向线路，这个电流方向与规定的正方向相同，故该电流是正的。

对于继电器2来说，所加电压UJ与继电器1相同，但短路电流Id是从线路流向母线，其方向与规定的电流正方向相反，它是负的，与继电器1比较，继电器2所受的电压UJ与电流IJ2之间的相位角φ2为（φd+180°）。

它们所反映的短路功率分别为：

图14-1电流与电压的相位关系

继电器1：

P1=UJIJ1COSφJ1=UJIJ1COSφd>0

继电器2：

P2=UJIJ2COSφJ2=UJIJ2COS（φd+180°）<0

由以上分析可知，随着短路电流方向的不同，功率方向继电器感受的功率也不相同。

对于正方向的故障，其功率为正值，反方向的故障，其功率为负值。

因此，可以根据功率方向继电器的感受功率的正、负来判别短路功率方向即短路电流的方向，并决定保护是否动作于跳闸。

这就是用功率方向继电器来判别短路电流方向的基本原理。

在电磁保护中，采用功率方向继电器来判断电流的方向，电流继电器判断是否过流。

此时功率方向继电器和电流继电器是与的关系，只有在正方向过流的时候，保护装置才动作。

这种保护由于增加了价格不菲的方向继电器，使保护接线变得复杂，造价也会上升。

基于判断相位的关系对于微处理器来说是很简单的，也不会增加任何硬件成本，因而用微机保护装置实现功率方向保护非常简单。

只要在电流保护实验中采用方向闭锁即可。

2、零序电流保护

目前，广泛采用零序电流保护和零序方向电流保护作为高压电网的接地保护；在有些超高压线路上，也有采用接地距离保护、纵联保护等作为接地保护的。

阶段式零序电流保护原理与阶段式电流保护是相同的。

也有阶段式零序电流保护和阶段式方向电流保护等基本形式。

当然，零序电流与相电流的采集方法是有很大差异的，这里不过多解释，主要介绍用微机保护装置实现零序电流保护的方法。

3、过负荷保护

在阶段式电流保护中，速断保护按照短路电流来整定，定时限过电流保护是按照最大负荷电流来整定，它相对于正常负荷电流来说偏大。

线路有可能在故障情况下超负荷运行，但电流不致引起保护装置动作。

有时，由于用户侧需要也允许线路在设计裕量范围内超负荷运行。

但总的来说，长期超负荷运行对线路是不利的，为此，需要装设一套反映线路过负荷的保护装置。

它按照额定负荷进行电流整定，时限比较长，一般不作用于断路器跳闸，只作用于信号。

保护的动作电流按下式整定：

式中：

——可靠系数，取1.05

——返回系数，为0.85

——发电机折算到电流互感器二次测额定电流

为了防止区外故障时，过负荷保护发生误动作，因此过负荷保护动作时间应大于过流保护的动作时间。

在实际运行中，为了在出现能自行消除的短时过负荷时不致发出信号，通常过负荷保护的动作时间整定为9~10秒。

4、低压减载

电压和频率是考察电能质量的两个基本指标，电网在严重有功缺额的情况下出现频率下降，此时可以增加电网中的机组或断开部分的次要负荷，来保证电网安全。

电网无功缺额的情况下，可能会导致电压下降；对此可以通过提高发电机励磁电流或增加补偿电容来解决。

但在这些措施很难实现的情况下断开部分次要负荷也不失为一个有效的方法。

这就是低压减载。

三、实验内容与步骤

1、功率方向过电流保护

1.1正向功率动作试验

电网相序正确的情况下，将微机保护装置B的电流保护设置为方向闭锁。

同样可设置两段式保护。

在BC段末端进行三相短路。

注意液晶屏有功功率显示为正值，否则，将电流互感器二次侧每相接线互换。

此时，保护装置按照短路电流大小正常动作。

此时的功率方向闭锁元件动作，如同图14-1中d1点短路时的功率方向继电器1。

1.2反方向功率试验

将电流互感器反接，注意液晶屏有功功率显示为负值。

此时在BC段线路进行短路实验，保护装置将不再动作。

2、零序电流保护

任何一个三相不平衡的电流、电压或阻抗均可分解成三个平衡的相量成分，即正相序成分、负相序成分和零相序成分。

这也就是我们学习的对称分量法，由于零序成分大小相等且同相，这就有了我们所学习的三相电流互感器二次侧首端相连尾端相连形成的零序电流互感器、开口三角形的零序电压互感器。

微机保护装置可以检测零序电流互感器二次电流，在相电流互感器采用完全星形接法的电路中，保护装置也可以相电流中分离出零序分量。

在这里将一相电流互感器二次电流接入保护装置零序电流互感器，模拟零序电流，同时将另外两相电流互感器二次侧短路。

保护装置设置：

系统设置>单元配置>零序电流>外接。

零序电流整定值可以和相间电流保护相同。

3、过负荷保护

3.1对保护装置A和B进行过负荷整定，时限均整定为：

18S，可作用于报警或跳闸。

装置A电流整定：

取0.34A

装置B电流整定：

取0.22A

起动实验控制屏，将整定值存入保护装置。

3.2将自耦调压器向逆时针方向调到底，使输出电压为0。

在BC段设置三相短路故障，缓慢调节自耦调压器，使电流小到0.22A∽0.3A时止。

经18S后，保护装置B将发出告警信号或跳闸脉冲。

同样，在AB段设置三相短路故障,调节三相自耦调压器,电流小于0.45A大于0.34A时止。

经18S后,保护装置A将发出告警信号或跳闸脉冲。

4、低压减载

线路末端电压允许低于额定值5％。

开起实验控制屏，系统电压升至100V，将保护装置B低压减载保护投入，低压减载定值设置为90V，低压减载时间设置为5S。

调节自耦合调压器，将线路电压降至90V以下。

5S后，断路器QF2将跳闸。

四、实验报告

1、简述功率方向过电流保护的原理？

电力系统90度接线？

2、零序电流是如何检测的？

如果发生单相接地故障，零序电流只存在于故障相，这种说法正确吗？

你了解对称分量法吗？

3、过负荷的时限比定时限保护长还是短？

电流整定值应该哪个大？

4、当无功缺额时，系统会出现什么现象？

会不会导致发电机的失步？

如果出现有功缺额呢,试问系统出现什么现象?

实验四系统正常运行及不平衡电流的测量实验

微机变压器保护实验装置简介

1-1实验装置的功能及特点

一、特点

（1）THLWB-1微机变压器保护实验装置由电源控制屏、变压器系统一次回路和二次回路三部分构成。

实验装置采用整体式结构，实验资源集中，可以满足“电力工程”和“继电保护”等相关课程的教学需要。

（2）实验装置占地面积少，节约实验室用地。

无需设置电源控制屏、电缆沟和水泥墩等，可减少基建投资。

实验装置只需三相四线的电源即可投入使用，实验室建设周期短、见效快。

（3）装置布局合理，外形美观，面板示意图明确、清晰、直观。

实验连接线采用高可靠弹性结构手枪式插头，电路连接方式安全可靠，迅速简便。

实验台底部安装有轮子和不锈钢固定调节机构，便于移动和固定。

（4）控制屏供电设有电压型漏电保护和电流型漏电保护装置，三相电源供电的原副边都具有过流保护功能，以保护操作者的安全和设备本身的安全，为开放性的实验室创造了安全条件。

（5）实验线路采用典型线路，完全配合教学内容，满足教学大纲要求。

一、技术参数

（1）输入电压：

三相四线制380V±10%50HZ

（2）工作环境：

环境温度范围为-5－40℃，相对湿度〈75%，海拔〈2000M

（3）装置容量：

〈1﹒5KVA

（4）外形尺寸：

187×73×166

1-2LWB01电源控制屏

电源控制屏主要为实验提供各种电源，如三相交流电源、直流电源。

屏上还设有定时兼告警记录仪，供教师考核学生之用。

在控制屏两边设有单相三极220V电源插座和三相四极380V电源插座。

（1）三相电网指示

三相电网电压指示主要用于检测输入的电网电压是否缺相，操作交流电压表下面的切换开关，观测三相电网各线间电压是否平衡。

（2）定时器兼告警记录仪

平时作为时钟使用，具有设定实验时间、定时报警并切断电源

（3）控制部分

其主要功能是控制电源，由空气开关、钥匙开关、启动按钮、停止按钮及直流电源开关组成。

在正常工作的情况下，先启动空气开关，此时告警记录仪开始工作，再打开钥匙开关，U、V、W三相指示灯及红色停止按钮亮，此时把直流电源开关打开，直流电源开始供电。

再按下启动按钮，三相交流电源开始供电。

（4）电源输出

三相主回路输出可提供三相交流380V/3A或0~450V/3A电源可调输出的大小由三相可调自耦调压器控制，并由三相电压表监视其输出的三相线电压。

特别提醒，由于实验用的三绕组变压器的额定电压是380V，故实验时应该确保调压器输出在380V以下。

否则可能损坏实验装置。

直流电源是给控制回路和光字牌提供电源。

1-3变压器一次，二次回路介绍及操作说明

变压器系统图1所示：

图1变压器系统图

（1）变压器一次回路

由上面的系统图可知：

实验装置采用三绕组变压器，变压器额定参数为：

三侧容量800VA/800VA/380VA，电压比为380V/220V/127V，Y/Y/△-12-11。

系统的短路阻抗，线路阻抗，负载阻抗均采用电抗器。

（2）仪表指示

变压器高中低三侧均状装有电压表和电流表，可以方便的显示变压器三侧的线电压和相电流。

（3）变压器保护二次回路

实验装置的系统图上在变压器高中低三侧装有控制断路器的合闸，分闸按钮，按合闸按钮，断路器合上，同时红色指示灯亮表示此时断路器为合闸状态。

按分闸按钮，断路器断开，绿灯亮指示为分闸状态。

为了实验接线更加简单，明了，实验的一次回路和控制回路都已经接好线，实验中，只需把各实验中需要的电流互感器信号和电压互感器信号引入微机保护装置即可。

（4）变压器各类型故障设置

在实验中，为了模拟电力变压器的各类内部和外部短路故障，在实验装置的面板上，装有变压器中、低压侧故障设置模块，中压侧故障设置模块可以设置A、B、C三相的单相接地短路；AB相间短路，、BC相间、AC相间短路及各自的接地；ABC三相短路。

低压侧故障设置按钮可以设置AB相间短路，、BC相间、AC相间短路和ABC三相短路。

设置方法如下：

例如：

1）设置中压侧AB相间短路：

在中压侧故障设置模块中，按下SBa，SBb按钮，按钮指示灯发光，说明AB相间短路故障接通，再按下SB1，接触器KM1闭合，短路故障投入运行，如需退出短路运行，特别是在实验中保护没有动作，迅速按SB1，切断KM1线圈电源，KM1的触点断开，退出短路运行，再按SBa，SBb，退出短路设置。

2）设置中压侧C相接地故障：

在中压侧故障设置模块中，按下SBc按钮，再按下接地按钮，两个按钮的指示灯发光说明C相接地短路故障接通，再按下SB1，接触器KM1闭合，短路故障投入运行，如需退出短路运行，特别是在实验中保护没有动作，迅速按SB1，切断KM1线圈电源，KM1的触点断开，退出短路运行，再按SBc，退出短路设置。

（5）互感器接线

在微机型变压器保护中，变压器各侧的电流互感器二次均采用星形接线

其二次电流直接接入装置，变压器各侧的电流互感器二次电流相位由软件校正，从而简化了CT二次接线。

电流互感器极性都以指向变压器为同极性端。

例如，高压侧的电流互感器接线在实验指导书中有两种表现形式如下图所示，变压器各侧的电流互感器二次电流平衡调节由软件完成。

图2电流互感器实验接线图

一、实验目的

1、掌握纵联差动保护中不平衡电流产生原因及减小或消除其影响的措施。

2、掌握微机保护装置的使用和参数整定方法。

二、实验预习

1、仔细阅读实验指导书中关于实验装置及微机保护装置的使用说明。

2、变压器差动保护产生不平衡电流的因素有哪些?

3、微机变压器保护采用什么方法消除不平衡电流的影响?

三、实验原理

实现变压器纵联差动保护的主要问题是减小不平衡电流及其对保护的影响。

产生不平衡电流原因主要有如下几种：

1、电流互感器的计算变比与实际变比不同引起的不平衡电流。

2、变压器两侧电流相位不相同而产生的不平衡电流。

3、变压器各侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流。

4、励磁涌流引起的不平衡电流。

在微机保护中，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧TA二次都采用Y型接线。

在进行差动计算时由软件对变压器Y型侧电流进行相位校准和电流补偿。

应该注意的是微机型差动保护装置还要求各侧差动TA的一次、二次绕组极性均朝向变压器，只有这样的接线才能保证软件计算正确。

主变压器的各侧TA二次按Y型接线，由软件进行相位校准后，由于变压器各侧额定电流不等及各侧差动TA变比不等，还必须对各侧计算电流值进行平衡调整，才能消除不平衡电流对变压器差动保护的影响。

本实验装置的微机保护装置具有CT自动平衡功能，在实际应用中，只需根据计算变比选择合适的电流互感器，把实际变比当作定值送入微机保护，由微机保护软件算出电流平衡调整系数Kb，实现电流的自动平衡调整，以消除不平衡电流的影响。

具体计算如下：

以高压侧CT变比为基准，对中压侧及低压侧CT进行调整，

中压侧平衡系数为：

低压侧平衡系数为：

式中Uh,Um,Ul分别为高中低各侧额定线电压；

Nh,Nm,Nl分别为高中低各侧CT变比；

Kjx_h,Kjx_m,Kjx_l分别为高中低各侧CT接线系数，对于Y型接线侧为1.732，对于△型接线侧为1。

下面举例说明电流平衡调整系数Kb的计算方法。

[例]已知变压器三侧容量为31.5/20/31.5MVA，电压比为110/38.5/11KV，接线方式为Y0/Y/△—12—11，TA二次额定电流为5A。

I1Nh=31500/

110=165A；TA变比选Kh=200/5=40

I1Nm=31500/

38.5=473A；Km=500/5=100

I1Nl=31500/

11=1650A；Kl=2000/5=400

软件相位校正及计算的各侧二次计算电流：

I2ch=

165/40=7014A

I2cm=

473/100=8.19A

I2cl=1650/400=4.12A

计算调整系数Kb：

Kbh=1（以高压侧二次侧计算值I2ch）

Kbm=7.14/8.19=0.87（按0.0625级差选0.875）

Kbl=7.14/4.12=1.73（按级差选1.75）

微机保护利用上述调整系数求得变压器正常运行及故障时各侧平衡计算后的二次电流。

如在满负荷时中压侧为8.19A*0.875=7.166A，低压侧为4.12A*1.73=7.12A。

可见经软件相位校正及电流补偿后基本上实现了电流平衡补偿，但仍然有因误差等原因产生的不平衡现象，例如级差为0.065，最大误差为3.122%，本例的相对误差为1%，，并不影响保护的正常工作。

四、实验内容

（1）测量三绕组变压器在正常工作时的不平衡电流。

（2）测量三绕组变压器在过负荷工作时的不平衡电流。

（3）测量三绕组变压器在外部短路时的不平衡电流。

（4）测量在微机装置不进行补偿时的不平衡电流。

（5）测量变压器在电流互感器二次接线方式不同情况下的不平衡电流。

五、实验方法

实验装置中，变压器为单侧电源供电的三绕组降压变压器，其额定参数为：

高、中、低三侧容量分别为800VA/800VA/380VA，电压比为380V/220V/127V，接线方式为Y/Y/△-12-11。

依照附录1介绍的方法，先清空微机装置中“历史记录”→“保护事件”的内容，然后进入“系统设置”→“保护定值”→“修改定值”，依照表1-1，设置各项参数。

表1-1

序号

定值名