《电力系统继电保护》课程实验指导书.docx
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《电力系统继电保护》课程实验指导书
电力系统继电保护
实验指导书
王荆中编著
2014年4月
第一章学生实验守则…………………………………………………1
第二章电力系统继电保护实验………………………………………5
实验一电流、电压继电器实验................................5
实验二功率方向继电器特性实验...............................9
实验三电流速断保护及电压联锁................................11
实验四方向性过流保护.......................................15
实验五电流保护综合实验..................................17
实验六方向阻抗继电器特性实验.............................21
实验七负序电压继电器特性测试...................................25
实验八自动重合闸前加速保护实验.......................27
实验九差动继电器特性实验.............................31
实验十变压器保护综合实验..........................33
附TQXDB-IB多功能继电保护实验台说明………………………….37
第一章学生实验守则
实验时应保证人身安全，设备安全，爱护国家财产，培养科学作风。
为此，在本实验室应遵守下列守则：
1、严守纪律，按时开始实验。
2、特性实验信号源24V电源和电压源出口严禁短接。
3、严禁带电拆线、接线。
4、非本次实验用的设备器材，未经教师许可不得动用。
5、实验中如有异常情况要保持镇定，立即停止实验，迅速切断电源，
并向教师报告。
6、若自己增加实验内容，须事先征得教师同意。
7、保持实验室整洁、安静，实验室内不得吸烟、喧哗，乱扔杂物，
实验台上严禁放书包，衣物。
8、实验结束应先拆电源端接线，后拆除负荷端接线。
必须将设备关闭
电源，整理好桌椅后征得指导老师同意再离开教室。
9、实验完成后须按时上交实验报告。
第二章电力系统继电保护实验
实验一：
电流、电压继电器实验
一、实验目的
1、了解常规电流、电压继电器的构造及工作原理，动作定值的方法；
2、测试DL-31型电流继电器的动作值、返回值和返回系数。
3、测试DY-36型电压继电器的动作值、返回值和返回系数。
二、实验设备及器材
1、TQXDB-IB多功能继电保护实验培训系统
2、DL-31型电流继电器3、DY-36型电压继电器4、导线若干
三、实验原理
1、DL-31型电流继电器用于电机、变压器及输电线的过负荷和短路保护中，作为启动元件。
DL-31型电流继电器是电磁式继电器，当加入继电器的电流升至整定值或大于整定值时，
继电器动合触点闭合，动断触点断开；当电流降低到0.8倍整定值左右时，继电器返回，
动合触点断开，动断触点闭合。
继电器有两组电流线圈，可以分别接成并联和串联方式，接成并联时，继电器动作电流可以扩大一倍。
继电器接线端子见图，串联接线方式为：
将④、⑥短接，在②、⑧之间加入电流；并联接线方式为：
将②、④短接，⑥、⑧短接，在②、⑧之间加入电流。
做实验时可任意选择一种接线方式（出厂时电流继电器线圈默认为串联方式）。
2、DY-36型电压继电器用于继电保护线路中，作为低电压闭锁的动作元件。
DY-36型电压继电器是电磁式电压继电器，当加入继电器的电压降低到整定电压时，继电器动作，动断触点
、
端子闭合，动合触点①、③端子断开；当加入继电器的电压超过整定电压时，继电器动合触点闭合，动断触点断开。
继电器有两组电压线圈，可以分别接成并联和串联方式，接成串联时，继电器动作电压可以扩大一倍，并联和串联接法可查看继电器表面接线说明（出厂时电压继电器线圈默认为并联方式）。
四、实验内容及步骤
1、常规电流继电器特性实验
（1）实验接线。
如图所示，将特性实验信号源的电流输出端与电流继电器的电流输入端子
，
连接，继电器的动作接点连接到信号灯的控制回路中。
电流继电器特性测试实验接线图
（2）整定值设置。
打开电流继电器面板前盖，拨动定值设定指针，可设定电流继电器的整定值，设置电流继电器整定值为3A（或自定）。
（3）将三相调压器调节到“0”位置，按照图示接线，合上特性实验信号源开关。
（4）平稳地调整调压器，增大电流输出，直至电流继电器动作，此时灯亮，读出电流表读数，记录动作电流。
（5）平稳地调整调压器，减小电流输出，至继电器返回，信号灯熄灭，记录返回电流。
（6）不改变继电器整定值，重复实验，测三组数据，将测试结果填入表1。
2、常规电压继电器特性实验（低电压工作方式下）
（1）实验接线。
如图所示，将特性实验信号源的电压输出端与电压继电器的电压输入端子
，
连接，继电器的动作接点连接到信号灯的控制回路中（注意应连接继电器的常闭触点）。
电压继电器特性实验接线
（2）整定值设置。
打开电压继电器面板前盖，拨动定值设定指针，可设定电压继电器整定值，设置电压继电器整定值为60V（或自定）。
（3）在未调节调压器前，电压继电器输入电压为0，继电器常闭接点合上，指示灯亮。
（4）逐渐增加调压器输出电压，使继电器常闭接点打开后（即指示灯灭后），再平稳降低电压至继电器接点闭合，信号灯亮。
记录此时的电压，即继电器的动作电压。
（5）平稳地调整调压器，增加继电器电压，至继电器返回，信号灯熄灭，记录此时的电压，即继电器的返回电压。
（6）重复上述步骤，测试三组数据，将结果填入表2。
五、实验数据及分析处理
返回系数＝返回平均值/动作平均值
表1模拟式电流继电器动作值、返回值和返回系数实验数据（整定值设为3A）
动作值（A）
返回值（A）
返回系数
1
2
3
平均值（A）
/
返回系数
表2模拟式低电压继电器动作值、返回值和返回系数实验数据（60V）
动作值（V）
返回值（V）
返回系数
1
2
3
平均值（V）
/
返回系数
六、实验注意事项
单次实验测试后应将调压器电压调节至零后再进行下环节测试。
七、思考题
1、什么是继电器的返回系数？
2、欠量继电器与过量继电器返回系数有什么差别？
实验二：
功率方向继电器特性实验
一、实验目的
1、掌握常规功率方向继电器的工作原理及动作特性试验方法。
2、测试LG-11型功率方向继电器的最大灵敏角、动作范围和角度特性。
二、实验设备及器材
1、TQXDB-IB多功能继电保护实验培训系统
2、LG-11型功率方向继电器
三、实验原理
LG-11型功率方向继电器是一种反映所接入的电流和电压之间的相位关系的继电器。
当电流和电压之间的相位差为锐角时，继电器的动作转矩为正，使继电器动作，控制接点闭合，继电器跳闸；当电流和电压之间的相位差为钝角时，继电器的动作转矩为负，继电器不动作，从而达到判别相位的要求。
功率方向继电器动作范围示意图
LG-11型功率方向继电器是根据绝对值比较原理构成的，由电压形成回路、比较回路和执行元件三部分组成.动作条件是工作电压大于制动电压，其动作方程为：
功率方向继电器灵敏角的调整可通过更换面板上连接片的位置来实现。
四、实验内容及步骤
1、实验接线。
如图所示，，将特性实验信号源的电压输出分别与功率方向继电器的
，
端子连接，特性实验信号源的I1电流输出与功率方向继电器
，
端子连接。
继电器的动作接点连接到信号灯的控制回路中。
功率方向继电器特性测试接线图
2、测试LG-11功率方向继电器的最大灵敏角
（1）整定值设置。
打开功率方向继电器面板前盖，改变灵敏角连接片，可设定功率方向继电器的整定值，首先设置灵敏角为-30°。
（2）保持电流为5A（或合适值），电压为57V（或合适值），摇动移相器，测出使继电器动作的两个临界角度
和
，纪录于表1。
（3）计算最大灵敏角
。
（4）改变功率方向继电器的灵敏角为-45°，重复实验，并将测量和计算结果填入表1。
3、测LG-11功率方向继电器的伏安特性
（1）整定功率方向继电器的灵敏角为-45°。
固定加入到继电器中的电压和电流的相角，使
＝
（该最大灵敏角为上述实验实测值，而非整定值）。
（2）从5A开始依次减小电流
，测出每一个不同电流下使继电器动作的最小起动电压
。
将数据填入表2。
（3）根据测得的数据绘制功率方向继电器的伏安特性曲线
。
五、实验数据及分析处理
功率方向继电器的最大灵敏角
为：
表1最大灵敏角测试实验数据（保持电流为5A）
灵敏角
最大灵敏角
-30°
-45°
表2伏安特性实验数据（保持
不变）
（A）
5
4
3
2
1
（V）
六、实验注意事项
1、数字相位表的电压电流输入不应接与相同线圈；
2、继电器的伏安特性测试时应保证继电器电压电流相位保持为实测最灵敏角。
3、最小起动电压可用万用表测得。
七、思考题
LG-11型功率方向继电器的动作区是否等于180度？
为什么？
实验三：
电流速断保护及电压联锁
一、实验目的
1、掌握电流速断保护和电流电压联锁速断保护的构成和基本原理。
2、掌握电流速断保护和电流电压联锁速断保护的整定方法。
二、实验设备及器材
1、TQXDB-IB多功能继电保护实验培训系统
2、DL-31型电流继电器
3、DY-36型电压继电器
4、导线若干
三、实验原理
（1）电流速断保护
仅反映于电流增大而瞬间动作的电流保护，称为电流速断保护。
为保证选择性，必须保证下一出口处短路时保护不起动，因此电流速断保护的动作电流必须大于最大运行方式下下一线路出口处发生短路的短路电流。
即电流速断保护的整定值为：
。
式中：
为系统的等效相电势；
为最大运行方式下，系统的等值电抗；
为线路单位长度电抗；
为线路全长；
为可靠系数，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1.2~1.3。
电流速断保护的主要优点是简单可靠，动作迅速，其缺点是不能保护线路全长，而且保护范围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，速断保护可能没有保护范围，因此不能采用。
（2）电流电压联锁速断保护
当系统运行方式变化很大时，电流速断保护的保护区可能很小，不能满足灵敏度要求，为了提高灵敏度可以采用电流电压联锁速断保护。
电流电压联锁速断保护是由过电流元件和低电压元件共同组成的保护，只有当电流、电压元件同时动作时保护才能动作跳闸。
由于电流电压联锁速断保护采用了电流和电压的测量元件，因此，在外部短路时，只要一个测量元件不动作，保护就能保证选择性。
保护整定主要考虑保证在正常运行方式下有较大的保护范围。
为保证选择性，在正常运行方式时的保护区为：
其中，
为可靠系数，一般取1.3~1.4。
则电流继电器的动作电流为：
式中：
为系统的等效相电势；
为正常运行方式下，系统的等值电抗；
为线路单位长度电抗；
=0.75
。
就是在正常运行情况下，保护范围末端发生三相短路时的短路电流。
由于在该点发生短路时，低电压继电器也应该动作，因此电压继电器的动作电压应设置为：
由于电流电压联锁速断保护的电流继电器整定值小于电流速断保护的电流整定值，因而具有更高的灵敏度。
四、实验内容及步骤
1、常规电流速断保护实验
（1）实验接线。
如图所示完成实验接线。
电流速断保护实验接线图
（2）整定值设置。
根据系统一次模型结构及参数，进行整定计算，将电流整定值填入表1，并对DL-31电流继电器进行整定。
（3）测试线路电流速断保护的动作情况
设置系统为最大运行方式，设置线路首末端三相短路，测试电流速断保护的动作情况，将结果记入表2中。
2、电流电压联锁速断保护实验
（1）实验接线
电流电压联锁速断保护实验接线图
（2）整定值设置
对电流电压联锁速断保护进行整定计算，将整定值填入表1，并对电压继电器和电流继电器进行整定
（3）测试电流电压联锁速断保护的动作情况
设置系统为最大运行方式，设置线路首末端三相短路，测试电流电压联锁速断保护的动作情况，将结果记入表2中。
五、实验数据及分析处理
表1电流速断保护和电流电压联锁速断保护整定值表
电流整定值（A）
电压整定值（V）
电流速断保护
/
电流电压联锁速断保护
表2各种运行方式下电流速断和电流电压联锁速断保护动作记录表
电流速断保护动作情况
电流电压联锁速断保护动作情况
最大运行方式
线路首端三相短路
线路末端三相短路
六、实验注意事项
1、本实验为强电类实验，实验中如有异常情况，应立即停止实验并切断电源。
2、实验中改接线，须遵循断电改接线原则。
3、实验前应根据系统参数计算整定数值（计算过程记录于实验原理中）。
4、实验结束时应先拆电源端接线，后拆除负荷端接线。
七、思考题
分析电流速断保护与电流电压联锁速断保护的区别？
实验四：
方向性过流保护
一、实验目的
掌握方向性过电流保护基本原理。
二、实验设备及器材
1、TQXDB-IB多功能继电保护实验培训系统
2、DL-31电流继电器、LG-11功率方向继电器、DS-32时间继电器和DZY-202中间继电器
三、实验原理
在单侧电源供电的电网中，电流保护仅利用相间短路后电流幅值增大的特征来区分故障与正常运行状态，以动作电流的大小和动作时限的长短配合来保证有选择地切除故障。
但在双端电源供电网络中，只靠简单电流保护的电流定值和动作时限不能完全保证动作的选择性，为此，必须在保护回路中加方向闭锁，构成方向性电流保护。
一般规定保护的正方向是从母线指向线路，则方向性电流保护只有在功率方向由母线流向线路（正方向）时才动作。
方向性过电流保护由功率方向元件和电流元件构成，既利用了电流的幅值特征，又利用了功率方向的特征。
四、实验内容及步骤
1、模拟正方向短路故障实验接线，
方向性过电流保护实验接线如图1所示。
由于电流继电器的触点容量比较小，不能直接接通跳闸线圈，因此利用DZY-202中间继电器的触点（容量较大）去跳闸。
为使短路电流不致过大，调节三相调压器输出为380V。
图1方向性过电流保护实验接线
2、整定值设置。
整定动作电流定值为2.5A，时限为1s。
3、模拟正方向短路故障。
在线路正常运行方式下设置出线末端三相短路故障，观测方向性
过电流保护的动作情况，将结果记入表中。
4、模拟反方向短路故障
如图2，将1TA的Ia和In端子反接，设置出线末端三相短路，模拟线路反方向短路故障，观测保护动作情况，将结果记入表中。
图2方向性电流保护反方向短路故障实验接线图
五、实验数据及分析处理
方向性电流保护动作记录表
保护是否动作
正方向三相短路
反方向三相短路
六、实验注意事项
1、本实验为强电类实验，实验中如有异常情况，应立即停止实验并切断电源。
2、实验中改接线，须遵循断电改接线原则。
3、实验前应根据系统参数计算整定数值（计算过程记录于实验原理中）。
4、实验结束时应先拆电源端接线，后拆除负荷端接线。
七、思考题
方向性过电流保护的正方向是如何定义的？
实验五：
电流保护综合实验
一、实验目的
1、理解电力系统的运行方式以及它对继电保护的影响。
2、掌握电流保护基本原理及整定方法。
二、实验设备及器材
TQXDB-IB多功能继电保护实验培训系统
三、实验原理
1、电力系统最大、最小运行方式
通过保护安装处的短路电流最大时的运行方式称为系统最大运行方式，此时系统阻抗为最小。
反之，当流过保护安装处的短路电流为最小时的运行方式称为系统最小运行方式，此时系统阻抗最大。
由此可见，可将电力系统等效成一个电压源，最大最小运行方式是它在两个极端阻抗参数下的工况。
2、阶段式电流保护
电流速断（简称Ⅰ段），限时电流速断（简称Ⅱ段）和定时限过电流保护（简称Ⅲ段）组合在一起，构成阶段式电流保护。
具体应用时，可以只采用速断保护加过电流保护，或限时速断保护加过电流保护，也可以三者同时采用。
（根据系统参数进行电路三段式电流保护整定计算！
）
3、阶段式电流保护整定计算（根据附表实验台参数进行整定）
四、实验内容及步骤
1、实验接线
图1实验一次主接线图
图2电流保护实验接线图
2、整定值设置
按照线路参数进行整定值计算，整定值如表1,。
表1电流保护整定参考值
电流速断
限时速断
过电流
整定值（A）
动作时间（S）
3、模拟系统各种发生各种类型的短路实验
按附表操作QS1~QS9，将系统组成正常运行方式。
在线路首端和末端分别设置三相短路和两相短路。
分别测试三种情况下
（1）Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护均投入运行；
（2）只Ⅱ、Ⅲ段保护均投入运行；（3）只Ⅲ段保护均投入运行时电流保护动作情况，将结果记入表3。
五、实验数据及分析处理
表3电流保护动作记录表
何保护动作
动作电流（A）及时间（S）
Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段保护均投入运行
线路首端三相短路
线路首端两相短路
线路末端三相短路
线路末端两相短路
Ⅱ、Ⅲ段保护投入运行
线路首端三相短路
线路首端两相短路
线路末端三相短路
线路末端两相短路
Ⅲ段保护投入运行
线路首端三相短路
线路首端两相短路
线路末端三相短路
线路末端两相短路
六、实验注意事项
1、本实验为强电类实验，实验中如有异常情况，应立即停止实验并切断电源。
2、实验中改接线，须遵循断电改接线原则。
3、实验前应根据系统参数计算整定数值（计算过程记录于实验原理中）。
4、实验结束时应先拆电源端接线，后拆除负荷端接线。
七、思考题
1、分析电力系统运行方式对继电保护灵敏度的影响。
2、三段式电流保护的保护范围是如何确定的，在输电线路上是否一定要用三段式保护，用两段可以吗？
实验六：
方向阻抗继电器特性实验
一、实验目的
1、了解阻抗继电器的结构，掌握设置继电器动作定值的方法。
2、掌握阻抗继电器的基本调试和测试方法。
二、实验设备及器材
1、TQXDB-IB多功能继电保护实验培训系统
2、LZ-21型方向阻抗继电器
三、实验原理
1、LZ-21型方向阻抗继电器工作特性。
方向阻抗继电器在保护安装处于正向出口发生金属性短路时，其测量电压
值小于继电器的最小动作电压，继电器将拒绝动作，称为方向阻抗继电器的死区，阻抗继电器特性如图所示的虚线。
为消除死区，LZ-21型方向阻抗继电器通过引入第三相电压，在比较电气量中引入与测量电压
同相位的带有记忆作用的极化电压
。
引入第三相电压后LZ-21型方向阻抗继电器的特性如所示的实线圆。
LZ-21型方向阻抗继电器特性图LZ-21型方向阻抗继电器YB整定板及其内部接线示意图
2、LZ-21型方向阻抗继电器整定值的整定和调整。
。
阻抗整定值与电抗变压器DKB的模拟阻抗
和电压变换器变比
有关。
（1）改变模拟阻抗
可以通过改变电流回路的DKB位置实现（可查阅相关资料）。
出厂时，LZ-21阻抗继电器DKB原方匝数默认为20匝，即模拟阻抗
为2Ω。
（2）改变电压变换器YB的变比
可以通过在阻抗继电器面板上选择合适的插孔插入螺钉实现。
如图所示，YB副方线圈内部有4段绕组，每段绕组匝数不同，每段绕组必须且仅插入一个螺钉。
如果某段绕组不需要选择数值时，将螺杆插入该段绕组的0插孔中。
例如：
若要求整定阻抗为
=2.01Ω，则
=99.5%，即应设定电压变换器YB副方线圈匝数为原方匝数的99.5%，应选择80匝、15匝、4匝、0.5匝插孔插入螺钉.
四、实验内容及步骤
1、实验接线。
如图所示完成实验接线。
阻抗继电器特性测试接线图
2、最大灵敏角测试
（1）整定值设置。
打开继电器面板前盖，改变灵敏角连接片，可设定功率方向继电器的整定值，首先设置整定阻抗设为
=2.01Ω（或自定），灵敏角为72°。
（2）设置I1电流输出为5A，通过调节调压器，使电压输出为8V左右，这样当阻抗角在最大灵敏角附近时测量阻抗在继电器动作圆内（0.8*
=8.04V）。
（3）调节移相器改变电压相角，测出使继电器动作的始角度和终角度，并算出使继电器刚好动作的相角
和
。
将结果填入表1。
（4）通过改变继电器面板上的压板连接片，调节灵敏角为65°和80°，，重复实验，并将测量结果填入表1。
3、整定阻抗校验
（1）设置I1电流输出为5A，灵敏角为72°，设置输入电压和电流之间的相角差为实测的最大灵敏角
。
（2）将阻抗整定螺钉分别旋入表2中所要求的阻抗对应的插孔。
（3）测取继电器刚好动作时的电压
填入表2。
五、实验数据及分析处理
继电器的最大灵敏角
表1阻抗继电器最大灵敏角测试实验数据
灵敏角
最大灵敏角
误差△%
72°
65°
80°
表2整定阻抗校验表
（整定值
）
（99.5%）
2.01
（67％）
3
（40%）
5
（V）
（计算值
）
六、实验注意事项
整定阻抗校验时应设置输入电压和电流之间的相角差为实测的最大灵敏角
七、思考题
分析方向圆阻抗继电器为何出现电压死区？
如何消除电压死区？
实验七：
负序电压继电器特性测试
一、实验目的
1、了解常规负序电压继电器的构造及工作原理。
2、掌握设置负序电压继电器动作定值的方法。
3、测试DY-４型负序电压继电器的动作值、返回值和返回系数。
二、实验设备及器材
1、TQXDB-IB多功能继电保护实验培训系统
2、DY-４型负序电压继电器
3、导线若干
三、实验原理
继电器由负序电压滤过器（以下简称滤过器）和一个作为执行元件的电磁机构组成，执行元件的线圈绕组接到滤过器的输出回路中，内部接线图如图所示。
滤过器由两组电阻器和两个电容器C1和C2，组成，RA=R1+R2，RC=R3+R4，其中R2和R4为可调电阻，Xa=1/（2πfc1），Xc=1/（2πfc2），当电阻值Ra=Sqrt（3）*Xa，Rc=Xc/Sqrt（3）时，在滤过器输入端上加正序电压，滤过器没有输出（只有很小的不平衡电压）；而在滤过器输入端上加负序电压时则空载时的输出电压为1.5UL2（UL2为负序线电压）。
由于加的是线电压，因此不存在零序电压分量。
改变执行元件的指针位置即可进行动作值的整定。
负序电压继电器内部接线图
四、实验内容及步骤
1、实验接线。
如图所示完成实验接线。
负序电压继电器特性实验接线图
2、整定值设置。
打开电压继电器面
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