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继电保护实验指导书
电力系统继电保护
实验指导书
华中科技大学电气与电子工程学院
实验教学中心
2015年4月
一、电压、电流继电器特性实验
（一）实验目的
1、了解继电器基本分类方法及其结构；
2、熟悉几种常用继电器，如电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器等；
3、学会调整、测量电磁型继电器的动作值、返回值和返回系数；
4、测量电磁型继电器的时间特性；
5、了解多种继电器配合实验。
（二）继电器的类型与认识
继电器是电力系统常规继电保护的主要元件，它的种类繁多，原理与作用各异。
1、继电器的分类
继电器按所反应的物理量的不同可分为电量与非电量的两种，属于非电量的有瓦斯继电器、速度继电器等，反应电量的种类比较多，一般分类如下：
（1）按动作原理可分为：
电磁型、感应型、整流型、晶体管型、微机型等；
（2）按继电器所反应的电量性质可分为电流继电器、电压继电器、功率继电器、阻抗继电器、频率继电器等；
（3）按继电器的作用可分为起动动作继电器、中间继电器、时间继电器、信号继电器等。
近年来电力系统中已大量使用微机保护，整流型和晶体管型继电器以及感应型，电磁型继电器使用量已有减少。
2、几种常用继电器的构成原理
继电保护中常用的有电流继电器、电压继电器、中间继电器、信号继电器、阻抗继电器、功率方向继电器等。
下面仅就教材中未说明的几种继电器的构成及原理作简要介绍。
（1）时间继电器特性
时间继电器是用来在继电保护和自动装置中建立所需要的延时。
对时间继电器的要求是时间的准确性，而且动作时间不应随操作电压在运行中可能的波动而改变。
电磁型时间继电器由电磁机构带动一钟表延时机构组成。
电磁起动机构采用螺管线圈式结构，线圈可由直流或交流电源供电，但大多由直流电源供电。
其电磁机构与电压继电器相同，区别在于：
当它的线圈通电后，其触点须经一定延时才动作，而且加在其线圈上的电压总是时间继电器的额定动作电压。
时间继电器的电磁系统不要求很高的返回系数。
因为继电器的返回是由保护装置起动机构将其线圈上的电压全部撤除来完成的。
（2）中间继电器特性
中间继电器的作用是：
在继电保护接线中，用以增加接点数量和接点容量，实现必要的延时，以适应保护装置的需要。
它实质上是一种电压继电器，但它的触点数量多且容量大。
为保证在操作电源电压降低时中间继电器仍能可靠地动作，因此中间继电器的可靠动作电压只要达到额定电压的70%即可，瞬动式中间继电器的固有动作时间不应大于0.05秒。
（3）信号继电器特性
信号继电器在保护装置中，作为整组装置或个别元件的动作指示器。
按电磁原理构成的信号继电器，当线圈通电时，衔铁被吸引，信号掉牌（指示灯亮）且接点闭合。
失去电源时，有的需手动复归，有的电动复归。
信号继电器有电压动作和电流动作两种。
（三）实验内容
1、电流继电器特性实验
电流继电器动作、返回电流值测试实验，实验电路原理图如图1-1所示。
图1-1电流继电器动作值测量实验原理图
实验步骤：
（4）如图1-1所示，单相调压器的原边已经在实验台内部连接好，不用另行接线。
将“可调大电流”调压器输出“a”、“o”端，串联一台滑线变阻器（变阻器有效阻值调节至约为1/3最大阻值）、一只交流电流表后，再与电流继电器的线圈串联，形成交流回路；
（5）将实验台上标有“+”、“-”极性的220V直流电源经电流继电器的接点连接信号灯，形成直流回路（注意不要将直流回路与交流回路混连）；
（6）将调压器逆时针旋转到底（输出为0V），检查线路后，分别合上“单相电源开关”、“三相电源开关”和“直流电源开关”；
（7）调节调压器使电流值缓慢升高，记下继电器动作（“动作信号灯”亮）时的电流值，即为动作值；
（8）继电器动作后，再反向调节调压器使电流值平滑下降，记下继电器返回时（“动作信号灯”灭）的电流值，即为返回值；
（9）测三组数据，分别计算动作值和返回值的平均值；
（10）读取电流继电器上指针示值，该示值乘2即为整定值；
（11）计算整定值的误差、变差及返回系数
误差＝［动作最小值－整定值]／整定值
变差＝［动作最大值－动作最小值］／动作平均值´100%
返回系数＝返回平均值／动作平均值
（12）将结果填入表1-1中。
表1-1动作值、返回值测量
动作值
返回值
1
2
3
平均值
误差
整定值Izd
变差
返回系数
2、电压继电器特性实验
电压继电器动作、返回电压值测试实验（以过电压继电器为例），实验原理图如下图1-2所示。
图1-2电压继电器动作值测量原理图
实验步骤：
（1）按图1-2接线；
（2）调压器输出0V，检查线路后，合上电源；
（3）电压继电器输出为常闭触点，初始时“动作信号灯”为点亮状态。
调整调压器使电压缓慢升高，记下继电器动作（“动作信号灯”灭）时的电压值，即为动作值；
（4）继电器动作后，再反向调节调压器使电压平滑地下降，记下继电器返回（“动作信号灯”亮）时的电压值，即为继电器的返回值；
（5）测三组数据，分别计算动作值和返回值的平均值；
（6）读取电压继电器上指针示值，该示值乘2即为整定值；
（7）计算整定值的误差、变差及返回系数；
（8）结果填入表1-2中。
表1-2动作值、返回值测量
动作值
返回值
1
2
3
平均值
误差
整定值Uzd
变差
返回系数
3、电压继电器动作时间测量实验
实验原理图如图1-3所示：
图1-3电压继电器动作时间测量原理图
实验步骤：
（1）按图接线（多功能表使用表下方插孔，不用表面板上的插孔），调压器输出0V；
（2）检查线路后，合上电源；
（3）多功能表上的选择开关，分别设定为“本机频率”、“时间”、“连续”档位；
（4）调节调压器使电压匀速升高，约超过继电器整定值（继电器指示值乘2）的1.2~1.5倍；
（5）合上“操作开关”，多功能表显示的时间即为动作时间，记下该值；
（6）断开“操作开关”，按“复位”键，然后重复上述第（5）步操作，测三组数据，计算平均值，结果填入表1-3中。
表1-3电压继电器动作时间测量
1
2
3
平均值
T
4、时间继电器特性测量
实验原理接线图如图1-4所示：
图1-4时间继电器动作特性测量原理图
实验步骤：
（1）按图1-4接好线路；
（2）读取时间继电器指针示值，该示值即为整定值；
（3）按照前述“3、电压继电器动作时间测量实验”中的相应步骤，测量记录表1-4中的数据；
（4）计算误差和变差。
表1-4时间继电器动作时间测量值
整定值
1
2
3
平均
误差
变差
T
（四）思考题
1、电磁型电流继电器、电压继电器和时间继电器在结构上有什么异同点？
2、如何调整电流继电器、电压继电器的返回系数？
3、电磁型电流继电器的动作电流与哪些因素有关？
4、实验过程中的接触电阻对继电器的灵敏度有何影响？
5、电流继电器和电压继电器有何区别？
二、三段式电流保护实验
（一）实验目的
1、掌握三段式保护的基本原理。
2、熟悉三段式保护的接线方式。
3、研究电力系统中运行方式变化对保护灵敏度的影响。
（二）原理
1、实验台一次系统原理图
实验台一次系统原理图如图1-5所示。
图1-5实验台一次系统原理图
其中：
1KO――系统断路器，按“合闸”、“分闸”键闭合或断开，同时相应按键上的指示灯亮；
Rs――系统阻抗，可通过“系统阻抗切换”开关切换为“最大”、“正常”、“最小”，当此开关处于“最大”档位时，系统运行于最大方式，阻抗最小；
2KO――线路的断路器，将开关拨向“合闸”、“分闸”位置时闭合或断开，同时相应指示灯亮；
K1――故障位置选择开关，分三档：
变压器区外故障、变压器区内故障、输电线路故障；
1R――短路实验限流电阻；
Rd――输电线路阻抗；
2R――负荷阻值；
3KO――模拟短路操作开关,按“短路”键时接通，同时键上指示灯亮；再次按“短路”键断开，同时键上指示灯灭。
改变“短路”按键下方的“A相”、“B相”、“C相”黄色带灯按键，可以改变短路形式；
3R――短路电阻，调节“短路电阻调节器”手柄，可以调节其阻值，通过实验台右侧面的标尺，可以读取短路电阻的百分比。
2、三段式电流保护实验基本原理
单侧电源线路二段电流保护原理可用图1-6所示的单相原理图来说明。
图1-6二段保护单相原理图
设k1、k2处短路时，短路电流分别为Ik1和Ik2，则Ik1﹥Ik2。
再设电流继电器KA1和KA4的整定值分别为IA1和IA4，并且整定为符合以下条件：
Ik1﹥IA1﹥Ik2﹥IA4
电流继电器KA1起I段保护作用，信号继电器KS1用于指示I段保护动作。
当k1处短路时，KA1吸合，KA4不吸合。
此时220V直流电源经KA1的触点和信号继电器KS1的线圈，使中间继电器KM线圈得电，从而跳闸线路断路器。
中间继电器KM的触点不用连线，实验台内部已经连接至线路断路器。
电流继电器KA4和时间继电器KT起II段保护作用，信号继电器KS2用于指示II段保护动作。
当k2处短路时，由于短路电流小于KA1的整定值，所以KA1不吸合，而短路电流大于KA4的整定值，KA4吸合。
KA4吸合后，220V直流电源经KA4的触点施加到时间继电器KT的线圈上。
KT的触点经整定的延时时间后吸合，使得信号继电器KS2线圈和中间继电器KM的线圈得电，从而跳闸线路断路器。
信号继电器KS1、KS2的触点，均不用连线。
工程实际中一般是计算、测量短路电流Ik1和Ik2后，再来设置继电器的整定值IA1和IA4。
本实验为便于操作，先设定继电器的整定值IA1和IA4，再通过调节短路电阻来改变短路电流，从而测量保护系统的动作特性。
第III段保护的原理与第II段相同，只是时间的整定值不同，因此本实验只涉及I段和II段保护。
3、三相接线原理图
将图1-6中的单相线路，扩展为三相线路，即为实验电路接线原理图，如图1-7所示。
图1-7实验电路接线原理图
图1-7中，KA1、KA2、KA3作为I段电流保护，任何一相短路电流超出整定值时，均会使KM线圈得电动作，同时信号继电器KS1得电发信号。
KA4、KA5、KA6和KT一起作为II段电流限时保护，任一相电流超出整定值时，都会使KM延时动作，信号继电器KS2得电发信号。
实验台上有两排电流继电器，上面一排为KA1、KA2、KA3，下面一排为KA4、KA5、KA6，接线时注意不要把KA2当成KA4。
实验系统参数：
图1-5中取电源，来自实验台旁边的三相调压器，调节三相调压器，使输出线电压为60V~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（即R0l=10+2），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。
（三）实验内容
先按图1-8连接电源侧接线，将“电流测量”处的各相端子分别短接（即连接图中的弧形连线），并连接一块交流电压表测量系统线电压。
再按图1-6接好继电器保护侧连线。
图1-8电源侧接线
合上“三相电源开关”和“直流电源开关”，“合闸”1KO，调节实验台旁边的三相调压器，使电压表指示为60V~100V。
然后进行下列实验操作。
1、正常运行方式实验
（1）将“系统阻抗切换”置于“正常”位置；
（2）“合闸”2KO断路器；
（3）此时，负荷灯泡亮，输电线路系统处于正常运行状态。
（4）完成上述操作，观察运行状态。
2、短路故障方式实验
（1）保持前面的系统状态，将“系统阻抗切换”开关置于“最小”位置。
（2）调节“短路电阻调节器”手柄，观察实验台右侧面的短路电阻标尺，使短路点置于中间（50%）位置。
（3）按下“短路”开关下方的黄色短路相选开关，设定短路类型为三相短路或二相短路。
（4）合上“短路”开关，产生短路故障。
此时，根据短路类型，负荷灯泡全部熄灭或部分熄灭。
观察完短路状态后（不超过3分钟），再按一次“短路”开关，切除短路故障。
（5）完成上述操作、观察后，再按处于点亮状态的黄色短路相选开关，使全部短路相选开关均处于断开状态。
3、三相短路时Ⅰ段保护动作情况及灵敏度实验
保持系统接线处于前述状态，在不同的系统运行方式下，找出Ⅰ段电流保护的最大和最小保护范围。
具体实验步骤如下：
（1）将“系统阻抗切换”开关置于“最大”，把“区内”、“线路”和“区外”转换开关选择在“线路”档。
（2）将黄色短路相选开关全部合上，选择短路类型为三相短路。
（3）先将短路点置于线路10%的位置，合上“短路”操作开关，检查保护Ⅰ段是否动作，如果没有动作，则增大三相调压器的电压，使I段在此短路点动作，断开“短路”开关；
（4）将短路点置于线路40%的位置，合上“短路”操作开关，检查保护Ⅰ段是否动作，如果I段动作，则减小三相调压器的电压，使I段在此短路点不动作，断开“短路”开关；
（上述两个步骤，通过调节三相电压，使得I段保护临界短路点处于10%~40%之间）
（5）保持三相电压不变，在10%~40%之间重复改变短路点，操作“短路”开关，大致找到保护Ⅰ段动作的临界短路电阻（低于临界电阻动作，高于则不动作），记录于表1-5中。
（4）分别将系统运行方式置于“最小”和“正常”方式，重复步骤（3）、（4）、（5）的过程，将Ⅰ段保护动作的临界短路电阻值记录在表1-5中。
（5）根据实验数据分析出无时限电流速断保护最大保护范围。
表1-5三相短路I段实验数据记录表
运行方式
临界电阻值
最大
最小
正常
4、三相短路时II段保护动作情况及灵敏度实验
保持系统接线处于前述状态，在不同的系统运行方式下，找出II段电流保护的保护范围（当电流整定值设置恰当时，II段电流保护的保护范围应为100%，如果范围不足，说明II段保护的电流整定值过大。
实验时不必改变电流整定值，记录实际动作时的临界电阻即可）。
按照I段保护同样的方法，找到系统运行于“最大”、“最小”和“正常”方式时的II段动作临界短路电阻值，记录在表1-6中。
表1-6三相短路II段实验数据记录表
运行方式
临界电阻值
最大
最小
正常
（四）思考题
1．比较分析三段式电流保护的灵敏性。
2．电流保护的时限特性是根据什么原则确定的？
3．在电流保护中为什么第一段的可靠系数比第二段要大些？
三、功率方向继电器特性实验
（一）实验目的
1、学会运用相位测试仪器测量电流和电压之间相角的方法。
2、掌握功率方向继电器的动作特性、接线方式。
3、研究接入功率方向继电器的电流、电压的极性对功率方向继电器的动作特性的影响。
（二）LG-11型功率方向继电器简介
功率方向继电器根据其原理可分为感应型、整流型、晶体管型。
它能反映所接入的电流、电压之间的相位关系。
如当电流、电压之间的位差为锐角时，使继电器的动作转距为正，使继电器动作，控制接点闭合，从而能去跳闸；当电流、电压之间的相位差为钝角时，使继电器的动作转矩为负，因而继电器不动作，这就满足选择性的要求。
本实验采用LG-11整流型功率方向继电器为实验对象。
这种继电器是根据绝对值比较原理构成的。
它由电压形成回路、比较回路和执行元件三部分组成，如图1-9所示。
图1-9LG-II功率方向继电器原理接线图
图中整流桥BZ1所加的交流电压为+，称为工作电压；整流桥BZ2所加
的交流电压为－，它称为制动电压。
其中Ur、Ir分别为加入功率方向继电器的电压和电流；Ku为电压变换器YB的匝比；Ki为电抗变压器DKB的模拟电抗。
JJ为极化继电器。
当电流从JJ的“*”端流入时，JJ动作；反之JJ不动作。
因此LG-11整流型功率方向继电器的动作条件是工作电压大于制动电压，其动作方程为：
|+|³|－|
功率方向继电器内角a的调整可通过更换面板上压板Y的位置来实现。
（三）实验内容
本实验所采用的实验原理接线如图1-10所示。
三相调压器的输出端（即图1-5中标注“电流测量”处）连接到移相器的“A”、“B”、“C”端，移相器的输出端“b”、“c”端的线电压连接到功率方向继电器的“电压线圈”，并联接到多功能表的“电压输入”端，再并联一块交流电压表。
从单相调压器输出端子“a”、“o”端，经交流电流表、滑线变阻器（有效阻值约为1/3最大阻值）后，串联接入多功能表的“电流输入”和LJG继电器的“电流线圈”，形成a相电流。
注意同名端方向应一致。
多功能表使用表下方插孔，不用表面板上的插孔。
多功能表上的选择开关，分别设定为“外接频率”、“相位”、“连续”档位。
图1-10功率方向继电器特性测量原理接线图
用实验法测LG-11整流型功率方向继电器电压-角度特性Upu=f（j），并找出继电器的最大灵敏度和最小动作电压。
（1）调节单相调压器，保持电流表上显示的输出电流为1A；
（2）将电压调为60V，将实验台旁边的移相器从0°开始，分别向正反两个方向调节，找到动作信号灯由不亮变亮的临界角j1、j2，并记录到表1-7中（测量记录的数据以多功能表示值为准，而不是移相器示值）；
（3）按照表1-7中的给定值，依次降低电压值，重复上述步骤
（2）的操作，测量不同电压情况下，使继电器动作的j1、j2，并记录在表1-7中；
（4）绘出功率方向继电器的角度特性曲线；
（5）计算继电器的最大灵敏度jLM和动作区。
表1-7电压-角度特性Upu=f（）实验数据
U（V）
60
55
50
45
40
35
30
20
15
1
2
（四）思考题
1、用相量图分析施加到功率方向继电器上的电压、电流极性发生变化对动作特性的影响。
2、LG-11整流型功率方向继电器的动作区是否等于180度？
为什么？
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