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
电气工程实验教学中心
一电磁型电压、电流继电器的特性实验
1．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、信号继电器等的构成原理。
3）学会调整、测量电磁型继电器的动作值、返回值和计算返回系数。
4）测量继电器的基本特性。
5）学习和设计多种继电器配合实验。
2．继电器的类型与原理
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）按结构原理分为：
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。
2）电磁型继电器的构成原理
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、差动继电器等。
下面仅就教材中未说明的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，用以增加触点数量和触点容量，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）且触点闭合。
失去电源时，有的需手动复归，有的电动复归。
信号继电器有电压起动和电流起动两种。
3．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电流继电器动作电流值测试实验原理图
实验步骤如下：
（1）按图接线，将电流继电器的动作值整定为1A（因电流继电器的两线圈是并联，所以它的量程扩大一倍），使调压器输出指示为0V，滑线电阻的滑动触头放在中间位置。
（2）查线路无误后，先合上三相电源开关（对应指示灯亮），再合上单相电源开关和直流电源开关。
（3）慢慢调节调压器使电流表读数缓慢升高，记下继电器刚动作（动作信号灯XD1亮）时的最小电流值，即为动作值。
（4）继电器动作后，再调节调压器使电流值平滑下降，记下继电器返回时（指示灯XD1灭）的最大电流值，即为返回值。
（5）重复步骤
（2）至（4），测三组数据。
（6）实验完成后，使调压器输出为0V，断开所有电源开关。
（7）分别计算动作值和返回值的平均值即为电流继电器的动作电流值和返回电流值。
（8）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
表1-1电流继电器动作值、返回值测试实验数据记录表
动作值/A
返回值/A
1
2
3
平均值
误差
整定值Izd
变差
返回系数
2）电流继电器动作时间测试实验
电流继电器动作时间测试实验原理图如图1-2所示：
K2COM
K1COM
图1-2电流继电器动作时间测试实验电路原理图
实验步骤如下：
（1）按图接线，将电流继电器的常开触点接在多功能表的“输出K2”和“公共线”，将开关BK的一条支路接在多功能表的“输入K1”和“公共线COM”，使调压器输出为0V，将电流继电器动作值整定为1.2A，滑线电阻的滑动触头置于其中间位置。
（2）检查线路无误后，先合上三相电源开关，再合上单相电源开关。
（3）打开多功能表电源开关，将多功能表的显示切换到显示时间测量画面并将时间测量方式切换为连续方式，按下清零键清零。
（4）慢慢调节调压器TY1使其输出电压匀速升高，使加入继电器的电流为2.4A。
（5）先拉开刀闸（BK），复位多功能表，使其时间显示为零，然后再迅速合上BK，多功能表显示的时间即为动作时间，将时间测量值记录于表2-2中。
（6）重复步骤（5）的过程，测三组数据，计算平均值，结果填入表1-2中。
表1-2电流继电器动作时间测试实验数据记录表
I
2.4A
3.0A
3.6A
4.8A
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
2
3
平均
1
2
3
平均
T/ms
（7）先重复步骤（4），使加入继电器的电流分别为3.0A、3.6A、4.8A，再重复步骤（5）和（6），测量此种情况下的继电器动作时间，将实验结果记录于表2-2。
（8）实验完成后，使调压器输出电压为0V，断开所有电源开关。
（9）分析四种电流情况时读数是否相同，为什么？
3）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（以低电压继电器为例）。
低电压继电器动作值测试实验电路原理图如下图1-3所示：
图1-3低电压继电器动作值测试实验电路原理图
实验步骤如下：
（1）按图接线，检查线路无误后，将低电压继电器的动作值整定为60V，使调压器的输出电压为0V，合上三相电源开关和单相电源开关及直流电源开关（对应指示灯亮），这时动作信号灯XD1亮。
（2）将电压接到多功能表的电压测量端口，将多功能表的显示切换到显示相位测量画面。
（3）调节调压器输出，使其电压从0V慢慢升高，直至低电压继电器常闭触点打开（XD1熄灭）。
（4）调节调压器使其电压缓慢降低，记下继电器刚动作（动作信号灯XD1刚亮）时的最大电压值，即为动作值，将数据记录于表1-3中。
表1-3低电压继电器动作值、返回值测试实验数据记录表
动作值/V
返回值/V
1
2
3
平均值
误差
整定值Uset
变差
返回系数
（4）继电器动作后，再慢慢调节调压器使其输出电压平滑地升高，记下继电器常闭触点刚打开，XD1刚熄灭时的最小电压值，即为继电器的返回值。
（5）重复步骤（3）和（4），测三组数据。
分别计算动作值和返回值的平均值，即为低电压继电器的动作值和返回值。
（6）实验完成后，将调压器输出调为0V，断开所有电源开关。
（7）计算整定值的误差、变差及返回系数。
4）时间继电器特性测试实验
时间继电器特性测试实验电路原理接线图如图1-4所示：
K2COM
K1COM
图1-4时间继电器动作时间测试实验电路原理图
实验步骤如下：
（1）按图接好线路，将时间继电器的常开触点接在多功能表的“输入K2”和“公共线COM”，将开关BK的一条支路接在多功能表的“输入K1”和“公共线COM”，调整时间整定值，将静触点时间整定指针对准一刻度中心位置，例如可对准2秒位置。
（2）合上三相电源开关，将多功能表的显示切换到显示时间测量画面并使ZN-II多功能表时间测量工作方式选择连续方式，按“清零”按钮使多功能表显示清零。
（3）断开BK开关，合上直流电源开关，再迅速合上BK，采用迅速加压的方法测量动作时间。
（4）重复步骤
（2）和（3），测量三次，将测量时间值记录于表1-4中，且第一次动作时间测量不计入测量结果中。
表1-4时间继电器动作时间测试
整定值
1
2
3
平均
误差
变差
T/ms
（5）实验完成后，断开所有电源开关。
（6）计算动作时间误差。
5）多种继电器配合实验
（1）过电流保护实验
该实验内容为将电流继电器、时间继电器、信号继电器、中间继电器、调压器、滑线变阻器等组合构成一个过电流保护。
要求当电流继电器动作后，启动时间继电器延时，经过一定时间后，启动信号继电器发信号和中间继电器动作跳闸（指示灯亮）。
图1-5过电流保护实验原理接线图
实验步骤如下：
①图1-5为多个继电器配合的过电流保护实验原理接线图。
②按图接线，将滑线变阻器的滑动触头放置在中间位置，实验开始后可以通过改变滑线变阻器的阻值来改变流入继电器电流的大小。
将电流继电器动作值整定为2A，时间继电器动作值整定为2.5秒。
③经检查无误后，依次合上三相电源开关、单相电源开关和直流电源开关。
（各电源对应指示灯均亮。
）
④调节单相调压器输出电压，逐步增加电流，当电流表电流约为1.8A时，停止调节单相调压器，改为慢慢调节滑线电阻的滑动触头位置，使电流表数值增大直至信号指示灯变亮。
仔细观察各种继电器的动作关系。
⑤调节滑线变压器的滑动触头，逐步减小电流，直至信号指示灯熄灭。
仔细观察各种继电器的返回关系。
⑥实验结束后，将调压器调回零，断开直流电源开关，最后断开单相电源开关和三相电源开关。
（2）低电压闭锁的过电流保护实验
过电流保护按躲开可能出现的最大负荷电流整定，启动值比较大，往往不能满足灵敏度的要求。
为此，可以采用低电压启动的过电流保护，以提高保护的灵敏度。
图1-6低电压闭锁过流保护实验原理接线图
实验步骤如下：
①图1-6为多个继电器配合的低电压闭锁过流保护实验原理接线图。
②按图接线；试验台上单相调压器TY2输出端的接法与上个实验电流回路接法相同；单相调压器TY1的输出端a、0接到电压继电器的线圈端子A、B上，同时将电压接到多功能表的电压测量端口，将多功能表的显示切换到显示相位测量画面。
整定电流继电器为1A，电压继电器为20V（也可以在量程0-60任意选择）。
③经检查无误后，依次合上三相电源开关、单相电源开关和直流电源开关。
（各电源对应指示灯均亮）
④先调TY1使电压表读数为50伏；再调TY2，逐步增加电流，使电流表读数为表2-5中的给定值，然后调TY1减小调压器的输出电压至表1-5中的给定值。
观察各种继电器的动作关系，对信号指示灯在给出的电压、电流值下亮、灭情况进行分析。
也可自行设定电压、电流值进行实验。
⑤实验完毕后，注意将调压器调回零，断开直流电源开关，最后断开单相电源开关和三相电源开关。
表1-5低电压闭锁过流保护实验数据记录表
I/A
U/V
动作信号灯亮熄情况
0.5
40
1.5
30
1.5
10
（3）复合电压启动的过电流保护
多种继电器配合实验，除了上述两个以外还可以做复合电压启动的过电流保护实验。
如图1-7所示，它是由一个接于负序电压滤过器上的过电压继电器，一个接于线电压上的低电压继电器和一个电流继电器等组成的。
（a）
（b）
图1-7复合电压启动的过电流保护实验原理接线图
在图a的接线方式下，各种不对称短路时，由于出现负序电压，过电压继电器将动作，常闭触点被打开，切断了加在低电压继电器上的电压，它的常闭接点仍然闭合，正电源通过起其触点启动中间继电器，使其常开触点闭合，最后动作与指示灯。
在图b的接线方式下，发生两相短路时，由于负序电压继电器的启动更为灵敏，常开接点闭合。
这时，因电流继电器也动作，时间继电器启动，经预定延时，动作与指示灯；当发生三相短路时电压陡然下降到很低，电流继电器的常开触点变为常闭与低电压继电器的常闭触点相连，动作与出口继电器的指示灯。
实验时可根据上述两种不同的方法进行接线，比较在不同接线方式下保护动作的不同之处。
由于这种保护方式涉及到线路模型，本小节就不再详细说明，具体原理及实验内容参考第五章有关内容。
4．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）过电压继电器和低电压继电器有何区别？
（5）在时间继电器的测试中为何整定后第一次测量的动作时间不计？
（6）为什么电流继电器在同一整定值下对应不同的动作电流，有不同的动作时间？
二LG-11型功率方向继电器特性实验
1．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、接线方式及动作特性的试验方法。
（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。
2．LG-11型功率方向继电器简介
在单侧电源的电网中，电流保护能满足线路保护的需要。
但是，在两侧电源的电网（包括单电源环形电网）中，只靠简单电流保护的电流定值和动作时限不能完全取得动作的选择性，为此，必须在保护回路中加方向闭锁，构成方向性电流保护，要求只有在流过断路器的电流的方向从母线流向线路侧时才允许保护动作。
保护动作的方向性，可以利用功率方向继电器来实现。
1）LG-11整流型功率方向继电器的工作原理
LG-11型功率方向继电器是目前广泛应用的整流型功率方向继电器，其比较幅值的两电气量动作方程为：
继电器的原理接线如图2-1所示，其中图（a）为继电器的交流回路图，也就是比较电气量的电压形成回路。
动作电压
+
加于整流桥BZ1输入端，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。
功率方向继电器内角α的调整可通过更换面板上压板Y的位置来实现。
（a）
（b）
图2-1LG-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
3．实验内容
1）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2-2所示。
图中，380V交流电源经移相器和调压器调整后，由bc相分别输入功率方向继电器的电压线圈，A相电流输入至继电器的电流线圈，注意同名端方向。
图2-2LG-14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功率方向继电器的原理接线和ZN－II智能式多功能表的操作方法及试验原理。
将电压，电流接到多功能表的相应测量端口，将多功能表的显示切换到显示相位测量画面。
认真阅读LG-11功率方向继电器原理图（图2-1）和实验原理接线图（图2-2），在图2-2上画出功率方向继电器LGJ中的接线端子号和所需测量仪表接法。
（2）按实验原理线路图接线。
（3）调节三相调压器和单相调压器，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）将多功能表的显示切换到显示相位测量画面。
（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，观察分析多功能表读数是否正确。
若不正确，则说明输入电流和电压相位不正确，分析原因，并加以改正。
（7）在多功能表读数正确时，使三相调压器和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。
2）用实验法测LG-11整流型功率方向继电器角度特性Upu=f（ϕ），并找出继电器的最大灵敏角和最小动作电压。
实验步骤如下：
（1）按图2-2所示原理接线图接线。
（2）检查线路无误后，合上三相电源开关、单相电源开关和直流电源开关。
（3）调节单相调压器的输出电压使电流表的读数为1A，并保护此电流值不变。
（4）在操作开关断开状态下，调节三相调压器的输出电压，使电压表读数为50V。
（5）调节移相器，在电压表为给定值的条件下找到使继电器动作（动作信号灯由不亮变亮）的两个临界角度ϕ1、ϕ2，将测量数据记录于表2-6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）的过程，给定电压为30V、20V情况下，使继电器动作的ϕ1、ϕ2，并记录在表2-6中。
（7）保持电流为1A不变，将两个滑线电阻的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，调节两个滑线电阻的滑动触点使电压表读数为10V。
（9）断开操作开关BK。
（10）改变移相器的位置。
（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），找到使继电器动作的两个临界角度ϕ1、ϕ2，在断开开关BK的情况下，将多功能表的读数记录于表2-1中。
表2-1角度特性Upu=f（ϕ）实验数据记录表
U/V
50
30
20
10
5
2.5
2
1
ϕ1/度
ϕ2/度
（13）重复步骤（8）的过程，使电压表的读数分别为5、2.5、2、1和0.5V，再重复步骤（9）至（12）的过程，找出使继电器动作的最小动作电压值。
（14）实验完成后，使调压器输出为0，断开所有电源开关。
（15）计算继电器的最大灵敏角
，绘制角度特性曲线，并标明动作区。
3）用实验法作出功率方向继电器的伏安特性Upu=f（Ir）和最小动作电压
实验步骤如下：
（1）调整功率方向继电器的内角ϕ=30︒，调节移相器使ϕ=ϕsen，并保持不变。
（2）实验接线与图2-2相同，检查线路无误后，合上三相电源开关、单相电源开关和直流电源开关。
（3）按照实验5）中步骤（7）和（8）介绍的方法将电压表读数调至表2-6中的某一给定值。
（4）调节单相调压器的输出，改变继电器输入电流的大小，当继电器动作时，记录此时电流表的读数。
（5）重点步骤（3）和（4），在依次给出不同的电压时，找出使继电器动作（指示灯由不亮到亮）的相应的电流值，记入表2-2中。
注意找出使继电器动作的最小电压和电流。
表2-2伏安特性Upu=f（Ir）实验数据记录表
Upu/V
10
8
6
3
1．5
0.5
Ir/A
（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。
4．思考题
（1）用相量图分析加入功率方向继电器的电压、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？
（3）整流型功率方向继电器的角度特性与感应型功率方向继电器角度特性有什么差异？
（4）功率方向继电器为什么要采用90︒接线？
用0︒接线行不行？
（5）改变内角α对保护动作性能有何影响？
它有何实质意义？
三方向阻抗继电器特性实验
阻抗继电器是距离保护中不可缺少的元件，它是低动作量的继电器，它有多种特性，LZ-21整流型方向阻抗继电器在电力系统中应用相当广泛。
1．实验目的
（1）熟悉整流型LZ-21型方向阻抗继电器的原理接线图，了解其动作特性。
（2）测量方向阻抗继电器的静态
特性，求取最大灵敏角。
（3）测量方向阻抗继电器的静态
特性，求取最小精工电流。
（4）研究方向阻抗继电器记忆回路和引入第三相电压的作用。
2．LZ-21型方向阻抗继电器简介
图3-1为其原理图。
由CT引入的电流
接于电抗变压器DKB的原方端子1、2、3、4。
在它的副方，得到正比于原方电流的电压，DKB的原方有几个抽头，当改变抽头位置时，即可改变
值。
由PT引入的电压
接于电压变换器YB的原方端子5、6、7，用于引入电压
，YB副方每一定匝数就有一个抽头，改变抽头的位置即可改变
，也可改变
的大小。
JJ为具有方向性的直流继电器（又称极化继电器）。
端子9、10、11为极化继电器触点桥的输出。
端子12、13、14为继电器Ⅰ、Ⅱ段切换的触点。
当12、13连通时，Ⅰ段接通。
当12、14连通时，Ⅱ段接通。
LZ-21型方向阻抗继电器面板上有压板Y用于调整最大灵敏角。
图3-1LZ-21型方向阻抗继电器原理接线图
3．实验内容
1）整流型阻抗继电器的阻抗整定值的整定和调整
当方向阻抗继电器处在临界动作状态时，推证的整定阻抗表达式为
，显然，阻抗继电器的整定与LZ-21中的电抗变压器DKB的模拟阻抗ZI、电压变换器YB的变比nYB、电压互感器变比nPT和电流互感器nCT有关。
例如，若要求整定阻抗为Zset=15Ω，当nPT=100，nCT=20，ZI=2Ω（即DKB原方匝数为20匝时），则
，即
=0.67。
也就是说电压变换器YB副方线圈匝数是原方匝数的67%，这时插头应插入60、
5、2三个位置，如图3-2所示。
（a）YB整定板示意图
（b）YB副方线圈内部接线
图3-2LZ-21型阻抗继电器整定面板说明图
整定值整定和调整实验的步骤如下：
（1）要求阻抗继电器阻抗整定值为Zset=5Ω，实验时设nPT=1，nCT=1，检查电抗变压器DKB原方匝数应为16匝。
（ZI=1.6Ω）
（2）计算电压变换器YB的变比
，YB副方线圈对应的匝数为原方匝数的32%。
（3）在参考图3-2阻抗继电器面板上选择20匝、10匝，2匝插孔插入螺钉。
表3-1DKB最小整定阻抗范围与原方线圈对应接线
最小整定阻抗范围
（欧相）
DKB原方绕组匝数
DKB原方绕组接线示意图
（一个绕组）
0.2
2
0.4
4
0.6
6
0.8
8
1
10
1.2
12
1.4
14
1.6
16
1.8
18
2
20
（4）改变DKB原方匝数为20匝（ZI=2Ω）重复步骤
（1）、
（2），在阻抗继电器面板上选择40匝、0匝，0匝插孔插入螺钉。
（5）上述步骤完成后，保持整定值不变，继续做下一个实验。
2）方向阻抗继电器的静态特性Zpu=f（ϕ）测试实验
实验步骤如下：
（1）熟悉LZ-21方向阻抗继电器和HYD－II智能多功能表的操作接线及实验原理。
认真阅读LZ-21方向阻抗继电器原理接线图（图3-1）和实验原理接线图（图3-3）
（2）按实验原理图接线，具体接线方法可参阅LG-11功率方向继电器实验中所介绍的内容。
（3）逆时针方向将所有调压器调到0V，将移相器调到0°，将滑线电阻的滑动触头移至其中间位置，将继电器灵敏角度整定为72°，整定阻抗设置为5Ω。
图3-3LZ-21方向阻抗继电器实验原理接线图
（4）合上三相电
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