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

三、功率方向继电器特性实验

（一）实验目得

1.学会运用相位测试仪器测量电流与电压之间相角得方法。

2.掌握功率方向继电器得动作特性、接线方式及动作特性得试验方法。

3.研究接入功率方向继电器得电流、电压得极性对功率方向继电器得动作特性得影响。

（二）LＧ-1１型功率方向继电器简介

１。

电流保护中引入方向判别得必要性

在单侧电源得电网中,电流保护能满足线路保护得需要。

但就是,在两侧电源得电网（包括单电源环形电网）中,只靠电流定值与动作时限得整定不能完全取得动作得选择性。

现以图3－１所示得两端供电电网为例,分析电流速断保护与过电流保护得行为。

先观察两侧电源得电网上发生短路时,电流速断保护得动作行为。

因为电流速断保护没有方向性,所以只要短路电流大于它得整定值就可以动作。

从图３—1中可以瞧出,当ｋ1点发生短路时,4QＦ得电流速断保护可以动作,5QF也可以动作。

如果４QF先于5QF动作,就扩大了停电范围。

同样,在k2点发生短路时,2QF与5QF可能在电流速断保护作用下,非选择性地动作。

所以,在两侧电源供电得电网中,断路器流过反向电源提供得短路电流时,电流速断保护有可能失去选择性而误动、

再从图3—1（c）分析过电流保护得动作行为。

k２点短路时,要求３QF、4QF先于2ＱF、5QＦ动作,即要求ｔ2＞t3,t5＞ｔ4;而在Ｋ1、K3点短路时,要求5QF先于4QF动作,2QF先于3QＦ动作,即要求t4〉t5,t3＞t2。

这就是矛盾得,显然就是不可能实现得。

因为过电流保护得动作时间就是不可能随意更改得,所以,在两侧电源供电得电网中,过电流保护也可能失去选择性、

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（a）

　　　　　　　　　　　　　　　　（b）

　　　　　　　　　　　　　（ｃ）

图3-１双侧电源电网电流保护动作行为分析

（a）系统图（b）两侧电流与保护配合关系　（c）时间配合图

为了保证选择性,应该在保护回路中加方向闭锁,构成方向性电流保护。

要求只有在流过断路器得电流得方向从母线侧流向线路侧时,才允许保护动作。

由于规定了电流从母线流向线路时为保护动作得方向,因此,可以利用功率方向继电器来做到这一点。

采用功率方向继电器以后,图3—１（a）双电源系统就可以分为两个单端电源得保护系统。

即双号断路器得保护就是一个保护系统,它负责切除由电源N供给得短路功率;单号断路器得保护又就是一个保护系统,它负责切除电源M供给得短路功率。

保护得动作时间得选择就可按阶梯原则来进行、即t5＜t３＜ｔ1与t6＞t4>ｔ2。

由此可见,方向过电流保护就就是由过电流保护加装功率方向继电器构成。

在方向过电流保护得单相原理图中,当正方向区内故障时,只有功率方向元件与电流元件都动作,保护才能动作跳闸。

由此可知,功率方向继电器就是多电源网络保证保护动作有选择性得重要元件。

2。

LG-1１整流型功率方向继电器得工作原理

ＬＧ-１1型功率方向继电器就是目前广泛应用得整流型功率方向继电器,其比较幅值得两电气量动作方程为:

继电器得接线如图3-２所示,其中图（a）为继电器得交流回路图,也就就是比较电气量得电压形成回路,加入继电器得电流为,电压为。

电流通过电抗变压器DKＢ得一次绕组Ｗ1,二次绕组W２与Ｗ3端钮获得电压分量,它超前电流得相角就就是转移阻抗得阻抗角ϕk,绕组W4用来调整ϕk得数值,以得到继电器得最灵敏角、电压经电容Ｃ１接入中间变压器ＹB得一次绕组W１,由两个二次绕组W２与W3获得电压分量,超前得相角为9０︒、DＫB与YB标有W2得两个二次绕组得联接方式如图所示,得到动作电压+,加于整流桥BＺ1输入端;DKB与ＹB标有Ｗ3得二次绕组得联接方式如图所示,得到制动电压-,加于整流桥BZ2输入端、图（b）为幅值比较回路,它按循环电流式接线,执行元件采用极化继电器JＪ、

继电器最大灵敏角得调整就是利用改变电抗变压器DKB第三个二次绕组W４所接得电阻值来实现得。

继电器得内角α=90°-ϕk,当接入电阻R3时,阻抗角ϕk=6０︒,α=３０°;当接入电阻Ｒ4时,ϕｋ=45︒,α=45°、因此,继电器得最大灵敏角ϕlsｅn＝-α,并可以调整为两个数值,一个为-30︒,另一个为-４５︒。

当在保护安装处正向出口发生相间短路时,相间电压几乎将降为零值,这时功率方向继电器得输入电压≈０,动作方程为,即。

由于整流型功率方向继电器得动作需克服执行继电器得机械反作用力矩,也就就是说必须消耗一定得功率（尽管这一功率得数值不大）,因此,要使继电器动作,必须满足得条件。

所以在≈0得情况下,功率方向继电器动作不了,因而产生了电压死区。

R5

c5

11

12

JJ

R5

BZ2

JJ

9

10

2QF

R6

C2

C4

C3

BZ1

－45︒

－30︒

Ir

KiIr

KuUr

KuUr

5

6

*

*

*

*

BZ1

BZ2

7

8

*

*

Y

DK

*

*

W1

W2

W3

W4

W2

W3

W1

DKB

YB

C1

Um

Im

R1

R2

（a）

（b）

图3－2　LG—II功率方向继电器原理接线图

（ａ）交流回路图　（b）直流回路图

为了消除电压死区,功率方向继电器得电压回路需加设“记忆回路",就就是需电容C1与中间变压器ＹB得绕组电感构成对50Hz串联谐振回路、这样当电压突然降低为零时,该回路中电流并不立即消失,而就是按５0Hz谐振频率,经过几个周波后,逐渐衰减为零。

而这个电流与故障前电压同相,并且在谐振衰减过程中维持相位不变。

因此,相当于“记住了”短路前得电压得相位,故称为“记忆回路”。

由于电压回路有了“记忆回路"得存在,当加于继电器得电压≈0时,在一定得时间内YB得二次绕组端钮有电压分量存在,就可以继续进行幅值得比较,因而消除了在正方向出口短路时继电器得电压死区。

在整流比较回路中,电容C2与Ｃ3主要就是滤除二次谐波,C4用来滤除高次谐波。

３、功率方向继电器得动作特性

继电器得动作特性如图3—3所示,临界动作条件为垂直于最大灵敏线通过原点得一条直线,动作区为带有阴影线得半平面范围。

最大灵敏线就是超前为α角得一条直线。

电流得相位可以改变,当与最大灵敏线重合时,即处于灵敏角ϕsｅｎ=-α情况下,电压分量与超前为90︒相角得电压分量相重合。

通常功率方向继电器得动作特性还有下面两种表示方法:

（１）角度特性:

表示Im固定不变时,继电器起动电压Upｕ⋅t=f（ϕm）得关系曲线。

理论上此特性可用图３—４表示,其最大灵敏角为ϕsen=-α。

当ϕk＝60︒时,ϕsen=-３0︒,理想情况下动作范围位于以ϕｓeｎ为中心得±９0︒以内。

在此动作范围内,继电器得最小起动电压Upｕ⋅r⋅ｍin基本上与ϕr无关,当加入继电器得电压Ur〈Upu⋅r⋅min时,继电器将不能起动,这就就是出现“电压死区"得原因、

（2）伏安特性:

表示当ϕm=ϕｓeｎ固定不变时,继电器起动Upu⋅r=ｆ（Im）得关系曲线。

在理想情况下,该曲线平行于两个坐标轴,如图３—5所示,只要加入继电器得电流与电压分别大于最小起动电流Ｉpｕ⋅r⋅miｎ与最小起动电压Uｐu⋅r⋅min,继电器就可以动作。

其中Ipu⋅r⋅min之值主要取决于在电流回路中形成方波时所需加入得最小电流。

Im

Ipu、r、min

Upu、r、min

Upu、r

图3-5功率方向继电器得伏安特性

在分析功率方向继电器得动作特性时,还要考虑继电器得“潜动”问题。

功率方向继电器可能出现电流潜动或电压潜动两种、

所谓电压潜动,就就是功率方向继电器仅加入电压时产生得动作。

产生电压潜动得原因就是由于中间变压器YB得两个二次绕组W３、W2得输出电压不等,当动作回路YB得W2端电压分量大于制动回路ＹB得W3端电压分量时,就会产生电压潜动现象。

为了消除电压潜动,可调整制动回路中得电阻Ｒ3,使Iｍ=０时,加于两个整流桥输入端得电压相等,因而消除了电压潜动。

所谓电流潜动,就就是功率方向继电器仅通入电流时产生得动作。

产生电流潜动得原因就是由于电抗变压器ＤＫB两个二次绕组W２、W3得电压分量不等,当Ｗ２电压分量大于W3端电压分量（也就就是动作电压大于制动电压）时,就会产生电流潜动现象。

为了消除电流潜动,可调整动作回路中得电阻R1,使Um＝0时,加于两个整流桥输入端得电压相等,因而消除了电流潜动。

发生潜动得最大危害就是在反方向出口处三相短路时,此时Um≈0,而Ｉm很大,方向继电器本应将保护装置闭锁,如果此时出现了潜动,就可能使保护装置失去方向性而误动作。

4。

相间短路功率方向继电器得接线方式

由于功率方向继电器得主要任务就是判断短路功率得方向,因此,对其接线方式应提出如下要求。

（１）正方向任何形式得故障都能动作,而当反方向故障时则不动作。

（2）故障以后加入继电器得电流与电压应尽可能地大一些,并尽可能使ϕr接近于最灵敏角ϕlsｅn,以便消除与减小方向继电器得死区、

为了满足以上要求,功率方向继电器广泛采用得就是90︒接线方式,所谓90︒接线方式就是指在三相对称得情况下,当ｃosϕ=1时,加入继电器得电流如与电压相位相差９0︒。

如图3—6所示,这个定义仅仅就是为了称呼得方便,没有什么物理意义。

采用这种接线方式时,三个继电器分别接于、,、与、而构成三相式方向过电流保护接线图。

在此顺便指出,对功率方向继电器得接线,必须十分注意继电器电流线圈与电压线圈得极性问题,如果有一个线圈得极性接错就会出现正方向拒动,反方向误动得现象。

（三）实验内容

本实验所采用得实验原理接线如图3-８所示。

图中,3８0V交流电源经移相器与调压器调整后,由bｃ相分别输入功率方向继电器得电压线圈,Ａ相电流输入至继电器得电流线圈,注意同名端方向。

　1、熟悉ＬG-11功率方向继电器得原理接线与相位仪得操作接线及试验原理、

　认真阅读LG-11功率方向继电器原理图（图3-７）与实验原理接线图（图3—8）,在图３—８上画出LGJ中得接线端子号与所需测量仪表接法。

　2、按实验线路接线,用相位仪检查接线极性就是否正确、

将移相器调至0︒,合上电源开关加1A电流,20V电压观察分析相位仪读数就是否正确、若不正确,则说明输入电流与电压相位不正确,分析原因,并加以改正。

3。

功率方向继电器电压潜动现象检查实验

LG-11功率方向继电器实验原理接线如图3-8所示、图中,３80Ｖ交流电源经移相器与调压器调整后,由bc相分别输入功率方向继电器得电压线圈,Ａ相电流输入至继电器得电流线圈,注意同名端方向。

A

B

C

O

移

相

器

相位仪

LGJ

b

c

R

三

相

调

压

器

220

TY1

30Ω/5A2A

A

V

BK

a

0

图3-8ＬG—１1功率方向继电器实验原理接线图

实验步骤如下:

（１）熟悉LG—11功率方向继电器得原理接线与电秒表得操作方法及试验原理。

认真阅读LG—１1功率方向继电器原理图3—７与实验原理接线图（图3—8）,在图３－8上画出功率方向继电器LGJ中得接线端子号与所需测量仪表接法。

（2）按实验原理线路图接线。

（３）调节三相调压器与单相调压器,使其输出电压为０V,将移相器调至0度,将滑线电阻滑动触头移到其中间位置。

（4）合上三相电源开关、单相电源开关。

（5）打开电秒表电源开关,将其功能选择开关置于相位测量位置（“相位”指示灯亮）,相位频率测量单元得开关拔到“外接频率"位置。

（6）调节三相调压器使移相器输出电压为20V,调节单相调压器使电流表读数为1A,观察分析电秒表读数就是否正确。

若不正确,则说明输入电流与电压相位不正确,分析原因,并加以改正。

（7）在电秒表读数正确时,使三相调压器与单相调压器输出均为0V,断开单相电源开关、

　检查功率继电器就是否有潜动现象。

电压潜动测量:

将电流回路开路,对电压回路加入１1０V电压;测量极化继电器JJ两端之间电压,若小于0、1V,则说明无电压潜动。

4.用实验法测LG-1１整流型功率方向继电器角度特性Upu　＝　f（ϕ）,并找出继电器得最大灵敏角与最小动作电压、

实验步骤如下:

（1）按图３—8所示原理接线图接线。

（２）检查接线无误后,合上三相电源开关、单相电源开关与直流电源开关、

（3）调节单相调压器得输出电压使电流表得读数为1A,并保护此电流值不变。

（４）在操作开关断开状态下,调节三相调压器得输出电压,使电压表读数为50Ｖ。

（5）调节移相器,在电压表为给定值得条件下找到使继电器动作（动作信号灯由不亮变亮）得两个临界角度ϕ1、ϕ2,将测量数据记录于表３－1中。

（６）保持电流为１Ａ不变,调节三相调压器,依次降低电压值,重复步骤（5）得过程,给定电压为３0V、２0V情况下,使继电器动作得ϕ1、ϕ2,并记录在表3－1中。

表3-1角度特性Uｐu=f（ϕ）实验数据记录表

Ｕ/V

8

。

5

２

ϕ1／度

３8、00

37.00

３7.50

３6。

５0

36。

00

35０

24.50

21０

ϕ2／度

-1２9、50

-1300

-１３０、50

—1310

-１250

—1２5。

50

—117。

5０

—1１50

（7）保持电流为1A不变,将两个滑线电阻得滑动触点移到靠近移相器输出bc接线端,调节三相调压器使其输出电压为３0V、

（8）合上操作开关BK,调节两个滑线电阻得滑动触点使电压表读数为１0V、

（９）断开操作开关BK。

（1０）改变移相器得位置、

（1１）迅速合上开关BK,检查继电器动作情况。

（12）重复步骤（9）至（11）,找到使继电器动作得两个临界角度ϕ1、ϕ2,在断开开关BK得情况下,将电秒表得读数记录于表3—1中。

（13）重复步骤（８）得过程,使电压表得读数分别为5、2、5、2、1与０。

５V,再重复步骤（９）至（１２）得过程,找出使继电器动作得最小动作电压值。

（14）实验完成后,使调压器输出为0,断开所有电源开关。

（１５）计算继电器得最大灵敏角,绘制角度特性曲线,并标明动作区、

５.用实验法作出功率方向继电器得伏安特性Upu＝　ｆ（Ｉr）与最小动作电压

实验步骤如下:

（1）调整功率方向继电器得内角ϕ=３０︒,调节移相器使ϕ＝ϕsｅｎ,并保持不变。

（2）实验接线与图３-8相同,检查接线无误后,合上三相电源开关、单相电源开关与直流电源开关、

（3）按照实验4）中步骤（7）与（8）介绍得方法将电压表读数调至表3－2中得某一给定值、

（4）调节单相调压器得输出,改变继电器输入电流得大小,当继电器动作时,记录此时电流表得读数。

（5）重复步骤（3）与（4）,在依次给出不同得电压时,找出使继电器动作（指示灯由不亮到亮）得相应得电流值,记入表3-2中。

注意找出使继电器动作得最小电压与电流。

表3-２　伏安特性Uｐu=ｆ（Ir）实验数据记录表

Upu/Ｖ

１0

８

6

5

3

2

１、5

1

0。

５

Ir/A

（V）

１

0

5

2、5

２

（A）

０、135

0、12９

0.1２４

0、１24

0.123

0。

1２7

0。

125

0。

122

０.１２9

（6）实验完成后,使所有调压器输出电压为０V,断开所有电源开关。

（7）绘出Uｐu=ｆ（Ir）特性曲线。

（四）思考题

１、功率方向继电器为什么会有死区?

应该如何消除死区?

答:

当正方向出口附近短路接地,故障相对地得电压很低功率方向不能动作,所以存在死区、采用90°接线就可以消除死区得存在。

2、用相量图分析功率方向继电器得电压,电流极性发生变化对动作特性得影响？

答:

分析接线时,当某相间短路功率方向元件电流极性接反时,正方向三相短路时,继电器得输入电压与输入电流得相位角,从图中可以瞧出负落在继电器得动作区外,所以继电器不能动作。

3、ＬG－11整流型功率方向继电器得动作就是否等于180度？

为什么?

ﻫ答:

不为１8０度,因为存在继电器得误差,使得结果有偏离、ﻫ4、整流型功率方向继电器得角度特性与感应型功率方向继电器角度特性有什么差异?

５、功率方向继电器为什么要采用90度接线？

用0度接线行不行?

答:

采用90度接线可以消除死区得存在,用0度接线不行。

ﻫ6、改变内角对保护得动作性能有何影响?

它有什么实质意义？

答:

会使保护得动作特性发生改变。

在实际得功率方向继电器中,内角都选为30°与４5°,分析与实践都证明,能满足功率方向继电器正方向故障时动作而反方向故障不动作得特点。

7、角度特性及伏安特性有什么用途？

答:

可按继电器角度特性找出继电器得最大灵敏角与最小动作电压、伏安特性可确定继电器动作得最小电流,便于整定　、