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
《电力系统继电保护》实验指导书
电气与信息工程学院实验中心
前言
电力系统继电保护实验课电力系统继电保护课程重要的实践教学环节，通过实验，加深学生对课程内容的理解，掌握电力系统继电保护的实际运用能力。
学生通过实际操作，从实验中观察到系统故障现象和掌握正确处理的措施，加深对继电器、继电保护装置、自动装置理论知识的理解；掌握常用仪器和试验设备的使用方法，以及继电器的构造原理、调试方法步骤；掌握阅读保护、控制、测量、自动装置的原理展开图和安装图的读图方法。
目的在于培养学生掌握基本的实验方法与操作技能。
实验一电磁型电流继电器和电压继电器特性实验（验证性实验）
一、实验目的
1、熟悉DL型电流继电器的实际结构、工作原理、基本特性；
2、掌握其动作电流、返回电流及返回系数的整定计算方法；
3、绘制电磁型电流继电器特性实验的原理接线图。
4、熟悉DY型电压继电器的实际结构、工作原理、基本特性；
5、掌握动作电压、返回电压、返回系数及相关参数的整定计算方法；
6、绘制电磁型电压继电器特性实验的原理接线图。
二、实验原理
DL—20c电流继电器是瞬时动作的电磁式继电器，当电磁铁线圈中通过的电流达到或超过整定值时，衔铁克服反作用力矩而动作，且保持在动作状态：
常开触点闭合，常闭触点断开。
继电器的铭牌刻度值是按电流继电器两线圈串联时指示值等于整定值标注的；继电器两线圈并联使用时，整定值为指示值的2倍，转动刻度盘上指针，可以改变游丝的作用力矩，从而改变继电器动作值。
DY—20c系列电压继电器是瞬时动作的电磁式继电器，当电磁铁线圈两端电压达到或超过整定值时，衔铁克服反作用力矩而动作，且保持在动作状态。
继电器的铭牌刻度值是按电压继电器两线圈并联时指示值等于整定值标注的；两线圈串联使用时，则整定值为指示值的2倍，转动刻度盘上指针，以改变游丝的作用力矩，从而改变继电器动作值。
三、实验仪器设备与器材
序号
设备名称
使用仪器名称
数量
1
ZB07
DL--24C/□电流继电器
1只
2
ZB35
交流电流表
1只
3
THKDZB—3
触点通断指示灯
1只
输电线路
1相
1
ZB08
DY--28C/160电压继电器
1只
2
ZB36
交流电压表
1只
3
ZB03
三刀双掷开关
1只
4
ZB43
可调电阻器〈三〉
1只
5
THKDZB—3
触点通断指示灯
1只
A母线电压
2相
四、实验内容与步骤
1、电流继电器动作电流和返回电流的测试
a、选择ZB07电流继电器组件中的DL—24C/2型电流继电器，确定动作值并进行初步整定。
本实验整定值为0.7A及1.6A。
用长柄一字螺丝刀打开继电器透明塑料外壳，用手拨动指针，使指针指在其中一组实验值。
b、根据整定值确定继电器线圈的接线方式（串联或并联）；查表1－1。
c、按图1—1接线，请老师检查。
确定自耦调压器旋钮指示输出零位，AB段线路阻抗在B母线，两只船形开关“距离保护电源开关”“差动保护电源开关”均在关断状态，R1电阻在最大值。
起动控制屏，“实验内容”旋钮打到“电流”档，手动合1QF，监视“系统电压”电压表，慢慢增大调压器输出电压，调节变阻器，增大输出电流，使继电器动作。
读取能使继电器动作的最小电流值，即常开触点由断开变成闭合的最小电流，记入表1－1（如果动作值整定值相差较大，按本节后面第（4）点所述方法进行调整。
该工作应在老师指导下完成）；动作电流用Iop表示。
继电器动作后，反向调节自耦调压器及变阻器，减小输出电流，使触点开始返回至原来位置时的最大电流称为返回电流，用Ire表示，读取此值并记入表1—1，并计算返回系数；继电器的返回系数是返回电流与动作电流的比值，用Kre表示
图1－1电流继电器实验接线图
Kre=Ire/Iop
过电流继电器的返回系数在0.85～0.9之间。
当小于0.85或大于0.9时，应进行调整，调整方法详见本节第2步骤。
表1-1电流继电器特性实验结果记录表
整定电流I（A）
0.7A
继电器两线圈的接线方式选择为：
1.6A
继电器两线圈的接线方式选择为：
测试序号
1
2
3
1
2
3
实测起动电流Iop
实测返回电流Ire
返回系数Kre=Ire/Iop
求每次实测起动电流
与整定电流的误差%
以上实验，要求平稳单方向地调节电流的实验参数值，并应注意舌片转动情况。
如遇到舌片有中途停顿或其他不正常现象时，应检查轴承有无污垢、触点位置是否正常、舌片与电磁铁有无相碰等现象存在。
动作值与返回值的测量应重复三次，每次测量值与整定值的误差不应大于±3%。
否则应检查轴承和轴尖。
在实验中，除了测试整定点的技术参数外，还应进行刻度检验。
用整定电流的1.2倍进行冲击试验后，复试定值，与整定值的误差不应超过±3%。
否则应检查可动部分的支架与调整机构是否有问题，或线圈内部是否层间短路等。
返回系数的调整
返回系数不满足要求时应予以调整。
影响返回系数的因素较多，如轴间的光洁度、轴承清洁情况、静触点位置等。
但影响较显著的是舌片端部与磁极间的间隙和舌片的位置。
返回系数的调整方法有：
a调整舌片的起始角和终止角;
调节继电器右下方的舌片起始位置限制螺杆，以改变舌片起始位置角，此时只能改变动作电流，而对返回电流几乎没有影响。
故可用改变舌片的起始角来调整动作电流和返回系数。
舌片起始位置离开磁极的距离愈大，返回系数愈小，反之，返回系数愈大
调节继电器右上方的舌片终止位置限制螺杆，以改变舌片终止位置角，此时只能改变返回电流而对动作电流则无影响。
故可用改变舌片的终止角来调整返回电流和返回系数。
舌片终止角与磁极的间隙愈大，返回系数愈大；反之，返回系数愈小。
b不调整舌片的起始角和终止角位置，而变更舌片两端的弯曲程度以改变舌片与磁极间的距离，也能达到调整返回系数的目的。
该距离越大返回系数也越大；反之返回系数越小。
c适当调整触点压力也能改变返回系数，但应注意触点压力不宜过小。
3、动作值的调整
a继电器的整定指示器在最大刻度值附近时，主要调整舌片的起始位置，以改变动作值，为此可调整右下方的舌片起始位置限制螺杆。
当动作值偏小时，调节限制螺杆使舌片的起始位置远离磁极；反之则靠近磁极。
b继电器的整定指示器在最小刻度值附近时，主要调整弹簧，以改变动作值。
c适当调整触点压力也能改变动作值，但应注意触点压力不宜过小。
4、过电压继电器（KVO）的动作电压和返回电压测试
a选择ZB08电压继电器组件中的DY—28c/160型过电压继电器，确定动作值为1.4倍的额定电压，即实验参数取140V并进行初步整定。
整定方法同电流继电器。
b根据整定值确定继电器线圈的接线方式。
c按图1-2接线。
请老师检查。
确定自耦调压器旋钮指示输出零位。
两只船形开关“距离保护电源开关”“差动保护电源开关”均在关断状态，ZB43上800Ω电阻阻值调到最大。
起动控制屏，“实验内容”旋钮打到“主变”档，监视“系统电压”电压表及ZB36电压表，慢慢增大调压器输出电压至160V，向阻值减小方向调节800Ω电阻，此时注意观察触点通断指示灯，灯刚好亮时，过电压继电器刚好动作。
读取能使继电器动作的最小电压Uop，向阻值增大方向调节800Ω电阻，待触点通断指示灯，灯刚好熄灭，继电器返回，读取能使继电器返回的最高电压Ure，记入表1－2并计算返回系数Kf。
返回系数的含义与电流继电器的相同。
返回系数不应小于0.85，当大于0.9时，也应进行调整。
图1—2过电压继电器试验接线图图1—3低电压继电器试验接线图
5、低电压继电器（KVU）的动作电压和返回电压测试
a选择ZB08电压继电器组件中的DY—28c/160型低电压继电器，确定动作值为0.7倍的额定电压，即实验参数取70V并进行初步整定。
b根据整定值确定继电器线圈的接线方式。
c按图1--3接线，请老师检查无误后，确定自耦调压器旋钮指示输出零位，AB段线路阻抗在B母线，两只船形开关“距离保护电源开关”“差动保护电源开关”均在关断状态，ZB43上800Ω电阻阻值调到最大。
起动控制屏，“实验内容”旋钮打到“主变”档，监视“系统电压”电压表及ZB36电压表，慢慢增大调压器输出电压至100V，向阻值减小方向调节800Ω电阻，此时注意观察触点通断指示灯，使灯熄灭。
反方向调节电阻待触点通断指示灯点亮，低电压继电器刚好动作，继电器舌片开始跌落时的电压称为动作电压Uop。
读取能使继电器动作的最小电压Uop。
向阻值增大方向调节800Ω电阻，待触点通断指示灯，灯刚好熄灭，继电器返回，舌片开始被吸上时的电压称为返回电压Ufj读取能使继电器返回的最高电压Ufj，记入表1－2并计算返回系数Kre。
表1-2
继电器种类
过电压继电器
低电压继电器
整定电压U（伏）
140V
继电器两线圈的接线方式选择为：
70V
继电器两线圈的接线方式选择为：
测试序号
1
2
3
1
2
3
实测起动电压Uop
实测返回电压Ure
返回系数Kre=Ure/Uop
求每次实测动作电压与整定电压的误差%
返回系数Kf为:
Kf=Ure/Uop
低电压继电器的返回系数不大于1.2，用于强行励磁时不应大于1.06。
用额定电压1.1倍进行冲击试验后，复试定值，与整定值的误差不应超过±3%。
否则应检查可动部分的支架与调整机构是否有问题，或线圈内部是否层间短路等。
五、实验结果与分析
实验结束后，针对过电流继电器实验和过电压、低电压继电器实验要求及相应动作值、返回值、返回系数的具体整定方法，完成表1-1、1-2并按实验报告编写的格式和要求及时写出电流/电压继电器实验报告
六、实验总结与思考
1、电流继电器的返回系数为什么恒小于１？
2、如果继电器返回系数不符合要求，如何正确地进行调整？
3、电流继电器与电压继电器比较，从结构、原理和用途来说有哪些不同？
实验二单侧电源辐射式线路三段式电流保护实验（综合型）
一、实验目的
1、掌握无时限电流速断保护、带时限电流速断保护及过电流保护的电路原理、工作特性及整定原则。
2、理解输电线路阶段式电流保护的原理图、展开图及保护装置中各继电器的功用。
3、掌握阶段式电流保护的电气接线和实验技术。
二、实验原理
1、阶段式电流保护的构成
由无时限电流速断、带时限电流速断与定时限过电流保护相配合构成的一整套输电线路阶段式电流保护，叫做三段式电流保护。
图2-1三段式电流保护各段的保护范围及时限配合
单侧电源供电线路上，三段式电流保护装置各段的保护范围和时限特性见图2-1。
WL-1线路保护的第Ⅰ段为无时限电流速断保护，它的保护范围为线路WL-1的前一部分即线路首端，动作时限为t1I，它由继电器的固有动作时间决定。
第Ⅱ段为带时限电流速断保护，它的保护范围为线路WL-1的全部并延伸至线路WL-2的一部分，其动作时限为t1II=t2I+△t。
无时限电流速断和带时限电流速断是线路WL-1的主保护。
第Ⅲ段为定时限过电流保护，保护范围包括WL-1及WL-2全部，其动作时限为t1III，它是按照阶梯原则来选择的，即t1III=t2III+△t，t2III为线路WL-2的过电流保护的动作时限。
当线路WL-2短路而WL-2的保护拒动或断路器拒动时，线路WL-1的过电流保护可起后备作用使断路器1跳闸而切除故障，这种后备作用称远后备。
线路WL-1本身故障，其主保护速断与带时限速断拒动时，WL-1的过电流保护
也可起后备作用，这种后备作用称近后备。
2、阶段式电流保护的电气接线
图2-2为三段式电流保护接线图，其中1KA、2KA、1KS、KOU构成第Ⅰ段无时限电流速断
（a）原理图（b）展开图
图2—2三段式电流保护接线图
保护；3KA、4KA、1KT、2KS、KOU构成第Ⅱ段带时限电流速断保护；5KA、6KA、7KA（两相三继电器式接线）、2KT、3KS、KOU构成第Ⅲ段定时限过电流保护。
KOU为保护出口中间继电器。
3、整定计算参考附录中计算模型。
图2—3（a）AB段线路三段式电流保护交流电流部分实验接线图
图2—3（b）AB段线路三段式电流保护直流部分实验接线图
图2—4（a）BC段线路三段式电流保护交流电流部分实验接线图
直流操作电源
保护操作及信号回路
AB段电流I段
AB段电流II段
AB段电流III段
1QF保护出口及电动跳闸回路
AB段电流I段
AB段电流III段
2QF保护出口及电动跳闸回路
图2—4（b）BC段线路三段式电流保护直流部分实验接线图
4、三段式电流保护选用的继电器规格及整定值总表
表2-1
线路
编号
用途
型号
规格
整定
范围
实验
整定值
线圈
接法
AB
段
线
路
1KA
无时限电流速断
QF—24C/6
1.5～6A
3A
并联
3KA
带时限电流速断
QF—24C/2
0.5～2A
1.4A
并联
1KT
限时速断时间
DS--21
0.2～1.5S
1S
5KA
定时限过电流
QF—24C/2
0.5～2A
0.6A
串联
2KT
过电流时间
DS--22
1.2～5S
3S
BC
段
线
路
7KA
无时限电流速断
QF—24C/6
1.5～6A
2.4A
串联
9KA
定时限过电流
QF—24C/2
0.15～0.6A
0.8A
串联
3KT
过电流时间
DS--23
2.5～10S
5S
三、实验仪器设备与器材
序号
设备名称
使用仪器名称
数量
1
ZB07
电流继电器组件
2件
2
ZB10
OPB—12B中间继电器
2只
3
ZB05
光字牌
1件
4
ZB29
时间继电器组件
1件
5
ZB30
JX—21A/T信号继电器
1件
6
ZB35
存储式智能真有效值交流电流表
1只
7
ZB42
可调电阻72Ω
2只
8
THKDZB－3
AB、BC段输电线路
3相
负载电阻R1
1只
直流电源
1路
四、实验内容与步骤
1、根据（表2-1）三段式电流保护选用的继电器规格及整定值总表提供的技术参数,对各段保护的每个继电器进行整定。
2、AB段线路保护
①按图2—3（a）（b）接线，然后请指导教师检查。
确定自耦调压器旋钮指示输出零位，AB段线路阻抗在B母线，“距离保护电源开关”“差动保护电源开关”均在关断状态，R1、ZB42电阻均在最大值。
起动控制屏，“实验内容”旋钮打到“电流”档，打开直流操作电源，手动合1QF，监视“系统电压”电压表，慢慢增大调压器输出电压至100V线电压，“故障线路”旋钮打到“AB段”，此时系统正常运行。
②按“线路故障设置”自锁钮SBA、SBB、SBC选择故障相，按SB模拟输电线路发生两相短路故障，调节实验台左侧滑线变阻器调节手轮改变故障点位置，观察并记录实验现象及相关数据。
注意观察验证三段式保护各自的保护范围及相互配合。
③设置三相短路故障，观察并记录实验现象及相关数据。
注意观察验证三段式保护各自的保护范围及相互配合。
3、AB、BC两段线路保护配合
①按图2—4（a）（b）接线，然后请指导教师检查。
确定自耦调压器旋钮指示输出零位，AB段线路阻抗在B母线，两只船形开关“距离保护电源开关”“差动保护电源开关”均在关断状态，R1、ZB42电阻均在最大值，起动控制屏，“实验内容”旋钮打到“电流”档，打开直流操作电源，手动合1QF、2QF，监视“系统电压”电压表，慢慢增大调压器输出电压至100V线电压，“故障线路”旋钮打到“AB段”，此时系统正常运行。
②按“线路故障设置”自锁钮SBA、SBB、SBC选择故障相，按SB模拟输电线路发生两相短路故障，调节实验台左侧滑线变阻器调节手轮改变故障点位置，观察并记录实验现象及相关数据。
注意观察验证两段线路的保护范围及相互配合。
③设置三相短路故障，观察并记录实验现象及相关数据。
注意观察验证三段式保护各自的保护范围及相互配合。
五、实验结果与分析
实验结束后，记录实验现象及相关数据，完成实验结果后要认真总结，按要求及时写出实验报告。
六、实验总结与思考
实验三Y/Δ—11双绕组变压器差动保护实验（综合型）
一、实验目的
1、理解变压器差动保护，掌握变压器纵差动保护的实验原理和实验接线
2、掌握Y/Δ—11变压器纵差动保护中对相位的补偿方法及原理。
二、实验原理
变压器纵差动保护作为变压器的主保护，可以用来反
应绕组套管及引出线的短路故障，保护动作于跳开各
侧开关。
它适用于：
6.3MVA及以上的并列运行的变压
器、发电厂厂用变压器和企业中的重要变压器；10MVA
及以上的单独运行的变压器和发电厂厂用备用变压器。
变压器差动保护的基本工作原理与线路纵差动保护相
同。
其原理接线如图3-1所示。
纵差动保护是按比较变压器两侧的电流大小及相位的
原理构成的。
当变压器外部（d1）故障时，流入差动
继电器的电流IKA=Ia-Ib=0；当内部故障时，Ij=Ia+Ib=Id’
，当Id’大于差动继电器的动作电流时，差动保护将无
延时地跳开两侧开关1QF，2QF。
为了保证纵差动保护的正确工作，就必须适当选择两
侧电流互感器的变比，使得在正常运行或外部短路时，
两个电流相等。
例如在图3-1中应使
Ia=Ib=IA/nb=I1/n2或n2/n1=IB/IA=nT
式中n1—一次侧电流互感器变比，
n2—二次侧电流互感器变比，
nT—变压器变比。
但由于电流互感器的实际变比与计算变比不同，这就会
打破理想状态，在差动线圈中产生不平衡电流，它可能使
差动保护误动作。
为了消除这种不良影响，可将差动继电
图3-1
器的平衡线圈串入电流较小的保护臂进行补偿。
如图3-2。
若线圈的极性连接和电流正方向如图中所示，且Ia>Ib，则
适当选择平衡线圈的匝数，使之满足
Wph×Ib=Wcd（Ia-Ib）
则差动继电器铁心中的磁势为零，其二次侧W2中无感应电势，
从而抵消了由于电流互感器的实际变比
与计算变比不同产生的不平衡电流的影
响。
实际上，差动继电器的平衡线圈只
有整数匝可以选择，因而铁心中磁势不会
为零，其二次侧线圈中仍有残余电流，这
在整定计算中应给予考虑。
用BCH-2型差动继电器构成的变压
器纵差动保护整定计算的任务是确定继电
器动作电流及线圈匝数，并校验其灵敏系
数。
下面以双绕组变压器纵差动保护为例
，介绍整定计算的原则和步骤：
图3-2
（1）选择电流互感器变比，计算变压
器额定运行时差动臂上的电流，并取较
大侧为基本侧。
（2）计算变压器外部短路时的最大短路电流，归算到基本侧。
（3）按以下三个条件确定保护装置的动作电流。
1）躲过变压器空载合闸或外部短路切除后电压恢复时的励磁涌流
Iop=Krel×I1N（3-1）
式中Kk--可靠系数，取1.3；
I1N--变压器基本侧的额定电流。
2）考虑电流互感器二次回路断线，应躲过变压器正常运行时的最大负荷电流
Iop=Kk×IL.max（3-2）
Krel--可靠系数，取1.3；
IL.max—变压器正常运行时基本侧的最大负荷电流,当最大负荷电流不能确定时,可采用变压器基本侧的额定电流
3）躲过外部短路时的最大不平衡电流
Iop=Krel（KnpKstfi+ΔU+Δfph）Ik.max（3-3）
式中
Krel--可靠系数，取1.3；
Knp—非周期分量影响系数，取1；
Kst—电流互感器同型系数，取1；
fi—电流互感器允许的最大相对误差，取0.1；
ΔU—变压器调压分接头改变时引起的相对误差，一般取调压范围的一半；
Δfph—继电器平衡线圈整定匝数与计算匝数不等而产生的相对误差，由于在计算动作电流时Δfph还不能确定，所以先采取中间值0.05；
Ik.max—变压器外部短路时最大短路电流的周期分量，归算至基本侧根据以上计算结果，取最大者作为保护装置动作电流的计算值Iop.jb.js。
（4）确定基本侧线圈匝数
基本侧继电器动作电流的计算值
Iop.KA.jb.js=KconIop.jb.js/nTA（3-4）
式中Kcon—接线系数,电流互感器为星形时Kcon=1,为三角形时Kcon=1.732；
NTA—基本侧电流互感器变比
基本侧动作线圈匝数
Ww.jb.js=AW0/Iop.J.jb.js（3-5）
式中AW0--继电器动作安匝，取60安匝。
根据继电器线圈实有抽头情况，先选取差动线圈Wcd.set，然后选基本侧平衡线圈匝数Wph.jb.set，使基本侧实际工作线圈Ww.jb.set=Wcd.set+Wph.jb.set。
为了保证选择性，Ww.jb.set应比Ww.jb.js小而接近。
继电器保护装置的实际动作电流为
Iop.KA.jb.set=60/Ww.jb.set（3-6）
Iop.jb.set=nTA×Iop.KA.jb.set/Kcon（3-7）
（5）确定非基本侧平衡线圈匝数
根据变压器在额定运行时，继电器内部的磁势平衡条件，可求得非基本侧平衡线圈匝数，即
I2e.jbWg.jb.set=I2e.fj（Wcd.set+Wph.fj.js）（3-8）
选择接近Wph.fj.js的整匝数，作为非基本侧平衡线圈的实际匝数Wph.fj.set。
非基本侧工作线圈的实际匝数
Wg.fj.set=Wcd.set+Wph.fj.set（18-9）
（6）校验相对误差Δfph
继电器工作线圈实际匝数与计算匝数不完全相等，产生相对误差Δfph，即
Δfph=（Wph.fj.js-Wph.fj.set）/（Wph.fj.js+Wcd.set）（3-10）
按上式计算结果，若Δfph≤0.05，符合初步计算假设条件，则不必进行重复计算。
若Δfph＞0.05，则应将实际值代入（3-3）中，重新计算动作电流及各线圈匝数。
（7）短路线圈抽头的确定
短路线圈匝数越多躲过励磁涌流的能力就越强，但在内部短路时，由于非周期分量影响，继电器动作时间越长。
因此应根据实际情况综合考虑。
一般中小容量的变压器可选用C-C、D-D，大容量的变压器选用A-A、B-B。
（8）保护装置的灵敏度
按下式计算灵敏系数
Ksen=Id.min/Iop.jb.set（3-11）
式中Ik.min—变压器内部短路时，归算至基本侧故障点的最小短路电流。
要求Ksen≥2，若不满足要求，可考虑选用BCH-1或DCD-5型差动继电器。
三、实验仪器设备与器材
序号
设备名称
使用仪器名称
数量
1
ZB20
差动继电器
1台
2
ZB35
真有效值交流电流表
1只
升级会员 