实验四距离保护及方向距离保护整定实验教材.docx
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实验四距离保护及方向距离保护整定实验教材
实验四距离保护及方向距离保护整定实验
、实验目的
1•熟悉方向阻抗继电器的实际结构、工作原理和基本特性。
2•掌握技术参数的测试，工作特性曲线和工作特性圆的录制方法及其整
定调试技能。
二、实验仪器
序号
设备名称
使用仪器名称
数量
1
ZBT73
整流型方向阻抗继电器组件
1台
2
ZB36
数子式交流电压表
2只
3
ZB35
数子式交流电流表
1只
4
ZBT75
数字式相位表
1只
5
ZB03
数子式电秒表及开关组件
1台
6
ZB41
可调电阻箱3.3Q、16.8A
1台
7
DZB01
三相交流电源
1路
三相自耦调压器
1台
8
DZB02-1
单相自耦调压器
1台
变流器
1台
可调变阻器6.3Q、10A
1台
9
DZB02-2
双臂可调电阻220Q、1.2A
1台
10
三相交流移相器
1台
三、实验原理
由于电力系统的迅速发展，出现了许多新的情况，如系统的运行方式变化增大，长距离重负荷的线路增多，网络结构复杂化。
在这些情况下，前面实验中已经掌握的保护方式，在灵敏度、快速性、选择性上往往不能满足要求，必须增加特殊功能的继电器才能满足要求。
距离保护就是为适应电力系统中网络出现的复杂性和特殊性而设计的。
距离保护中的主要设备是阻抗继电器，它能测出故障点至保护安装处的距离，并与保护范围对应的距离比较，即可判断出故障点的位置从而决定其动作行为。
LZ-21整流型方向阻抗继电器，就是构成距离保护的主要设备，它既能测量
阻抗又能判别方向，广泛应用于电力系统的大电流或小电流接地系统的距离保护中作为测量元件
方向阻抗继电器原理接线见图4-1
继电器是按比较两个电气量的绝对值大小而构成的动作方程式：
Uk-Uy+Uj启Uk-Uy-UJ（4-1）
不等式左边一项称为工作电压，右边一项为制动电压，当动作电压大于制动电压时，继电器动作。
式（4-1）中：
Uk为电抗变压器DKB的补偿电压，Uy、Uj分别为整定变压器YB，极化变压器JYB的二次电压。
Uk=KkIcl与测量电流成一定比例关系（转动一定角度）的电压，Kk具有阻抗量纲，为电抗变压器的转移阻抗。
Uy=KyUcl与残压Ucl成一定比例关系的被测电压，Ky为一实数，即整定板所表示的百分数。
Uj=KjUcl与测量电压Ucl成一定比例关系的电压，作为参考向量的极化电
压，Kj为一实数。
当（Uk-Uy）与（Uj）夹角为90°时方程式变为:
|Uk-UyUj|=|Uk-Uy-Uj|（4-2）
在R、X坐标轴上的矢量图见图4-3。
图4-3LZ-21型继电器动作阻抗轨迹相量图
由图4-3可看出，方程式（4-1）轨迹为一过坐标轴原点的圆，圆内动作。
圆外制动、边界条件下，方程式两边相等。
方向阻抗继电器具体由以下几部分组成（交流形成，整流比相及执行回路）。
1•交流形成回路
1）极化电压Uj=KjUcl取自电感Lj和电容Cj组成的谐振回路中电阻Rj上的压降。
这个回路绝大部分电阻都集中在Rj上，所以Rj上的电压的相位接近于测量元件端子上所加的电压Ucl，极化电压幅值大小，对短路阻抗的测量并无影响。
它的作用只是判定短路的方向。
上述谐振回路，在本保护装置中称为记忆回路，当保护装置安装点发生三相金属性短路时，元件端子电压突然降到零，但由于谐
振回路中，电流是按50Hz频率逐渐衰减，故在一定时间内，极化电压并不完全消失，从而使测量元件有判别短路方向的可能，当保护装置安装点发生两相金属性短路时，短路两相之间的电压为零，而故障相与非故障相之间仍有较大的电压，故在两故障相导线中仍有电流流过，这两个电流可能在相位上和数值上不一样，因而在联接电缆中产生不同的电压降，使接在故障相上的继电器端子上出现电位差，这个电位差便成为极化电压，在记忆作用消失后，可能使继电器误动作，为了克服这种可能性，故在谐振回路的电感与电容之间经一高电阻R6接至第三相
电压，极化电压经极化变压器JYB，分成两个相同的次级电压，分别施加到两个比较臂的交流测。
2）电压Uy=KyUcl经变压器YB与继电器端子电压准确地保持一定比例关
系，并且相位一致，变压器YB的次级有若干抽头，用来改变变比，以获得不同的整定值，YB整定板有两组，可独立地选取不同的整定值。
一组为第I段整定
板，另一组为第U段整定板，正常时第I段经切换继电器触点接通，故障时如短路阻抗超过第I段整定范围，经切换继电器切换至U段。
3）电压Uk是由一个有气隙的电抗变压器DKB取得的，若它次级有电阻负载，超前的角度就要减少，改变负载电阻值，就可改变超前的角度，测量元件在
此角度时，具有最大阻抗值，故称其最大灵敏角©lm，改变DKB移相绕组所接
R©的阻值即可进行灵敏角的调节，DKB移相绕组回路中还串入两个反向并联二极管，如图4-4。
其作用是使不同最大灵敏角下，精确工作电流一致，即在电流较小的情况下，实际上的最大灵敏角已变小，此时移相绕组二次电压低，二极管不能导通，移相电阻R©相当未接入一样（提高了最大灵敏角）。
在电流大时二极管导通，相当于二极管未接入一样，所以正常情况下最大灵敏角不受影响。
而使最小精确工作电流在各种灵敏角下，都趋于一致。
DKB的初级有两个绕组按
相电流之差接入电流。
每个绕组由三个小绕组构成，由联接片串连而成，当YB
保持不变，改变联接片的位置可使动作阻抗减小，最小可减至基础阻抗的十分之一，次级绕组中点有抽头（改变QP片位置）可成倍减小整定阻抗。
DKB
图4-4LZ-21型阻抗继电器DKB移相回路接线图
2•整流比相回路
继电器动作方程|U-Jy+UjI>1U-Uy-JjI中|U-Jy+UjI与|U-Jy-JjI部分，经交流形成回路，形成后要在整流比相回路进行比较，整流比相回路采用了双半波环流式，它不需要助磁，并具有相当高的灵敏度。
现将Uk-Uy与Uj分别用Ui、U2代替，并用电势Ei与E2代替U什U2和
U1-U2则继电器动作方程式（4-1）可改为
IEiI>IE2I（4-3）
整流比相回路工作原理，可用等效电路图4-5分析说明：
图中Ei、E2为相敏比较电路的输入电压，Umn为电路的输出电压，Rji=Rj2代替执行元件绕组电阻。
设Ui>U2,©为Ui、U2的夹角。
根据图示极性，Ei=U1+U2,E2=U1-U2。
当©变化时，Umn的正负脉冲宽度分析如下。
1）（|=0°°Ei和E2的相量关系如图4-6（a）所示。
在正半周时，Ei和E2
的极性如图4-5所示。
Ei产生的电流ii在Rji上产生正向电压降iiRji，E2产生的电流i2在RJ2上产生反向电压降i2Rj2。
在负半周时，Ei和E2都反极性。
Ei产生的电流ii在RJ2上产生正向电压降i'iRj2,E2产生的电流i2在Rji上产生反向电压降i2Rji。
输出电压Umn等于Rji、Rj2上电压降的代数和。
由于Ei>E2，故在i80°范围内，Umn为正脉冲宽度也是i80°。
+
El
r」2
图4-5相敏比较电路的等效电路图
图4-6不同$角时，相敏比较电路Umn的波形分析
2）（|=180°时，Ei和E相量关系如图4-6（b）所示。
正、负半周时，Ei、E2在Rji、Rj2上产生的电压降的正负极性与护0°时相同，但由于Ei3）（|=90°时，Ei和E2相量关系如图4-3（c）所示，E2超前Ei为B角，且Ei=E2。
从波形图看，Umn为正、负脉冲的宽度各是90。
©为其它角度时，用同样的方法可以分析Umn为正、负脉冲的宽度是多少度。
Umn与©的关系曲线如图4-7所示。
由图可见只有当-90°<90°时，Umn为正脉冲的宽度才等于或大于90°（即卩Ei壬2）。
枷负脉冲宽度
图4-7Umn正脉冲宽度与$的关系曲线
当U1由此可见Umn输出的正、负即可达到比相的目的，图4-1在比相电路中增加了R1、R2、R3、R4四个电阻，作用是为提高比较输出电压，为极化继电器快速动作创造条件。
但电阻增加后，交流电压也提高了，引起极化继电器接点抖动，为此又增加了C1、C2、C3、C4四个电容，作用是增加通入执行元件的直流分量，减少交流分量，使执行继电器动作果断及静态特性圆过界明确。
从表面上看这种整流比相回路的工作效率不十分高，实际上由于它的交流电压只需克服一个二极管的管压降，而二极管的管压降是影响精确工作电流的关键，所以这种电路有利于提高阻抗继电器的灵敏度。
3．执行回路
执行元件采用高灵敏度双绕组极化继电器，两个绕组分别接于整流回路直流侧。
四、实验步骤
1．熟悉与初检方向阻抗继电器
a.检查继电器内各元件的联接应与原理接线图相符
b.继电器内应无灰尘或异物，各元件或部件应完好，固定可靠并不与外壳相碰，切换片及连接片准确固定在整定位置。
c.检查各端子的螺丝应拧紧，各焊接点应良好，连接导线应无损伤和折断现象，所有插接件应连接可靠并接触良好。
2.绝缘检验（实际工程试验中应进行本项检验，实验教学中可不作要求）检验前，应将极化继电器取掉，短接所有的整流桥、二极管及电容器。
然后
用1000V兆欧表分别测试各部分绕组之间及一次绕组对铁心的绝缘电阻。
对于极化继电器，应用500V兆欧表检测动作前及动作后可动触点对磁铁的绝缘电阻。
上述各项绝缘电阻均应大于10兆欧。
3.整定变压器YB抽头正确性检测
旋出YB全部整定旋钮，由端子27、29加入交流电压100V，高内阻电压表一端接端子40,另一端的接法是：
YB的I段接于36端子，YB的U段接于端子
38。
用改变整定旋钮在插孔中的位置分别测出I段和U段的电压值，将测试结果
记录在表4-1中，并测量记录100V电压时的空载励磁电流值。
4．极化变压器JYB变比检测
在JYB端子1、2加交流电压100V，测量二次端子3、4和5、6间的电
压，两者电压差不超过2V。
（用于检修测试）
5．电抗变压器DKB的检测
DKB=2（20）匝，灵敏角压板断开，端子22、23短接，从端子21、24加0.3~5A电流，用高内阻电压表测量DKB二次1、2和3、4抽头间空载电压，作出Ul-2=f（ll）伏安特性曲线，要求该曲线基本上为线性。
（用于检修测试）
6．电流潜动试验
1）DKB=20匝，YB=100%（99.5%），灵敏角切换片断开，电压端子27、
29经20Q电阻短接。
2）电流回路端子22、23短接，从端子21、24通入电流。
电流缓慢由0
升至5A，继电器动合触点保证不闭合；突然加到5A电流时，继电器动合触点也不应瞬时接通。
否则应在额定电流下重新调整RP以达到上述要求。
7．极化回路调整检查
1）在端子27、29接电压100V（31端子接第三相电压），以电源电压为基准将相位电压表调整到零，测量极化回路中的电流与接入的电压之间的夹角为
-5°~10°。
2）当电源电压为5V时进行此角度检查试验，角度变化不大于6°。
若不满足要求，可重新调整Lj上的抽头来达至要求。
（用于检修测试）
图4-8最大灵敏角实验接线图
8.最大灵敏角©LM检测
最大灵敏角实验接线见图4-8。
1）短接继电器端子34、36使方向阻抗继电器切换在距离I段，并将电抗变压器DKB的连接片位置放在20匝抽头，二次侧切换片QP投l、U位置；整定变压器YB选I段粗调整定在80%位置，I段微调整定在19.5%处，最大灵敏角整定位置放在72。
上。
2）交流接触器KM常开触点均在断开位置，合上QS调整三相调压器ZOTi,观察交流电压表V1,使相位表的工作电压U为100V。
3）按下接触器合闸按钮，调整单相调压器ZOT2和滑线变阻器R2,使输出电流I保持1A。
调整双臂可调电阻R1使U约为15V。
4）调节移相器改变电压与电流之间的角度，使和自0°向90°方向增大（即从第I象限向第U象限改变相位角），读取并记录动作角如。
5）继续调节移相器。
使和增大，此时方向阻抗继电器一直处于动作状态。
当方向阻抗继电器返回时，再慢慢减小J使继电器再次动作，记录下动作角血。
并由下式计算最大灵敏角：
（4-4）
（|lm=（血+©2）/2
9.最小动作阻抗测试
1）YB=100%（99.5%）,忻（|lm。
2）DKB分别整定20匝和2匝，不加第三相电压。
在DKB=20匝（2Q/⑥时，通入额定电流；在DKB=2匝（0.20/妨时，通入两倍额定电流，在电流稳态情况下，改变U值测得动作电压值，并计算动作阻抗值与标示值的误差不应大于±10%。
10.绘制Zdz-j=f（Ij）关系曲线并确定精确工作电流。
1）静态测试方法：
1YB=100%（99.5%）,DKB=20匝，QP投I、U位置。
2合上QS、按下接触器合闸按钮SBh，调节自耦调压器ZOT2使继电器加入的电流为1A，再调整ZOT1使相位表的工作电压约为100V，然后调节移相器使电流与电压间的相位角为最大灵敏角，并保持©J=©M不变。
3调整单相调压器ZOT2及滑线变压器R2，使J为表4-2中所示的各值。
4按表4-2中的数值改变电流，并在各对应电流值下调节双臂可调电阻R1，使电压由高向低调节至方向阻抗继电器从不动作状态转入动作状态。
将动作电压记录表4-2中。
并计算各电流值的阻抗Zdzv=Uj/2Ij,填入表4-2中。
5将所得的ZdzJ（静）值为纵坐标，Ij为横坐标，绘成Zdz-J（静）=f（lj）关系曲线。
6以|j=1A时相应的Zdz-j（静）为100%,则在特性曲线上对应的动作阻抗等于90%整定阻抗时的电流即为最小精确工作电流ljg-zx，其值应满足以下要求：
DKB=20匝（2Q/Q时，Ijg，zx不大于0.08A;DKB=14匝（1.40/时，Ijg-zx不大于0.11A;DKB=4匝（0.40/时，Ijg・zx不大于0.4A;DKB=2匝（0.20/妨时,IjG'ZX不大于0.8A。
2）动态值校核方法
1按下接触器合闸按钮SBh，维持©j=©m不变。
2调整单相调压器ZOT2及滑线变阻器R2，使lj分别为表4-2中所示各值。
3对应表中各档电流值lj,调节Ri使继电器动作，此时的Uj值等于
Udz•j（静）。
4然后断开接触器，间隔半分钟后再合上接触器，此时方向阻抗元件应动作，然后稍稍增加Uj值再做一遍，如此重复数次，求出能使方向阻抗继电器动作的最大Uj值，即UdZJ（动）。
如果Uj=UdzJ,在动态情况下方向阻抗继电器不动作，则应稍稍降低Uj值，重复次数，以求出Udz-j（动）。
将所得结果记入表4-2中，并计算Zdz-j（动）。
5将所得Zdz-j（动）=f（lj）关系曲线与静态方法所得曲线比较，两次所得结果的差别不应超过5%，否则即为有允许的动作超越现象。
11.录制Zdz-j=f（初工作特性圆
1）YB=100%（99.5%），DKB=20匝，QP投I、U位置；如=枷。
2）合上QS，按SBh合上接触器，调节单相调压器Z0T2和可调电阻R2使继电器加入的电流为1A并维持不变，再调整三相调压器ZOT1使相位表的工作电压约为100V。
3）调节移相器改变相角j分别按表4-3所列的各值，使继电器的电流与电压间的相位角从0°开始逐次改变，在各相位角下缓慢调节R1，将电压由高向低调节至使方向阻抗继电器从不动作状态转为动作状态，记录每一角度下的动作电压，填入表4-3中。
4）计算各相位角下的阻抗Zdzj=Uj/2lj。
最大灵敏角处的动作阻抗应与整定阻抗相符。
在复数平面上绘制Zdz=f（⑥的动作特性圆，Zdz-j=f（如）的特性曲线应为一过坐标原点的圆。
12.记忆作用检验
检验接线按原电路并采用毫秒表测量时间。
YB=100%（99.5%），DKB=20匝，胆m=72°（实测值），先不加第三相电压。
1）合上QS，按SBh合上交流接触器，调节单相调压器ZOT2和可调电阻R2,使继电器加入的电流为1A，再调整三相调压器ZOT1使相位表的工作电压约为100V，然后调节移相器使电流与电压间的相位角为最大灵敏角。
2）调节Z0T2使继电器加入的电流为2倍精确工作电流，再调节Ri使加入电压为零。
3）断开KM，而后再迅速合上，使电压由100V突然降到零，同时电流由零增至2倍精确工作电流值，继电器触点接通时间应不小于50ms。
加入第三相电压，重复上述试验。
当电压由100V突然降到零，同时加入2倍精确工作电流，阻抗继电器触点应能可靠闭合并自保持在闭合状态。
13.方向性检查
1）YB=100%（99.5%）,DKB=20匝，将电流极性反接，使电流滞后电压的相位角如=180°+72°反方向）。
2）加入2倍精确工作电流，同时操作KM使电压从100V突然降到零，继电器应可靠不动作。
14.方向阻抗继电器返回系数测定
在最大灵敏角©LM处测量方向阻抗继电器的返回电压值，计算其返回系数。
Kf=Zfj/Zdz尸UfJ/Udzj（4-5）
五、数据记录与处理
表4-2
J（A）
2
1
0.6
0.4
0.2
0.16
0.1
0.06
0.04
静
态
UdZ•J（静）（V）
ZdZ•J（静）（0/妨
六、注意事项
当试验电流达到5A及以上时，操作过程要迅速，注意保护实验设备。
七、思考题
1.为什么阻抗继电器是构成距离保护的主设备？
2.通过本实验分析方向阻抗继电器的工作特性，为什么它既能测量线路阻抗，又能判别方向？
3.简述动作区、动作方向与象限的关系。
4．简述方向阻抗继电器的实验原理及其操作方法。
八、实验报告的格式及撰写要求
根据实验操作要求和思考题内容详细写出实验报告
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