实验五 功率方向继电器实验

实验五 功率方向继电器实验 一,实验目的 1(学会运用相位测试仪测量电流和电压之间相角的。 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。 二,LG-11型功率方向继电器简介 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: ,,,,,,,, KI，KU,KI,KU KmyKmymm 继电器的接线图如图5-2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，加入继电器的电流为，电压为。电流I通过电抗变压器DKB的IUmmm, KI一次绕组W1，二次绕组W2和W3端钮获得电压分量，它超前电流I的相角就是转移mKm,阻抗的阻抗角,，绕组W4用来调整,的数值，以得到继电器的最灵敏角。电压U经KmkkR,,电容C1接入中间变压器YB的一次绕组W1，由两个二次绕组W2和W3获得电压分量KU，Km,,, KyU超前U的相角为90度。DKB和YB标有W2的两个二次绕组的联接方式如图所示，mm,,,, KI，KU得到动作电压，加于整流桥BZ1输入端;DKB和YB标有W3的二次绕组的Kmym,,,, KI,KU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Kmym 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。 继电器最大灵敏度的调整是利用改变变压器DKB第三个二次绕组W4所接的电阻值来 000实现的。继电器的内角,=-,，当接入电阻R3时，阻抗角, =，,=;当接入电906030kk 00,,,,阻R4时，, =， ,=。因此，继电器的最大灵敏度，并可以调整为两个4545kres 00数值，一个为-，另一个为-。 3045 当在保护安装处于正向出楼发生相间短路时，相间电压几乎将降为零值，这时功率方向 ,,,,,,,KIU,UU,0继电器的输入电压，动作方程为=KI，即。由于整流型功KmABKmm 率方向继电器的动作需克服执行继电器的机械反作用力矩，也就是说必须消耗一定功率(尽 ,, UU管这一功率的数值不大)。因此，要使继电器动作，必须满足>的条件。所以在AB ,的情况下，功率方向继电器动作不了。因而产生了电压死区。 U,0m 为了消除电压死区，功率方向继电器的电压回路需加设“记忆回路”，就是需要电容C1与中间变压器YB的绕组电感构成对50HZ串联谐振回路。这样当电压Um突然降低为零时，该回路中电流Im并不立即消失，而是按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Um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”短路前的电压的相位，故称为“记忆回路”。 DKBBZ1.BZ4YBR111 57 W2W2 2256BZ5.BZ83378R28W3W3499 410658 6 R3R4W47003045 (a)交流回路图 9R8R7R6R5 BZ1.BZ4BZ5.BZ8 C2C3C4 JJ 10 JJ1112 C5R6 (b)直流回路图 图5-1 LG-11功率方向继电器原理接线图 ,由于电压回路有了“记忆回路”的存在，当加于继电器的电压时，在一定的时U,0m,,KU间内YB的二次绕组端钮有电压分量存在，就可以继续进行幅值的比较，因而消除ym 了在正方向出口短路时继电器的电压死区。 在整流比较回路中，电容C2和C3主要是滤除二次谐波，C4用来滤除高次谐波。 3,功率方向继电器的动作特性 继电器的动作特性如图3-3所示，临界动作条件为垂直于最大灵敏线通过原点的一条直,,线，动作区为带有阴影线的半平面范围。最大灵敏线是超前为,角的一条直线。电流UImm, I的相位可以改变，当与最大灵敏线重合时，即处于灵敏角情况下，电压分量,,,,msen,,,,0KU与超前为相角的电压分量相重合。 U90KIymKmm 通常功率方向继电器的动作特性还有下面两种 yUmK表示方法: (1)角度特性:表示Im固定不变时，继电器最大灵敏线起动电压的关系曲线。理论上此特性U,f，，,pu..rmKkImIm,k动作区,,,,可用图5-4表示，其最大灵敏度为。当, ksen 00,=时，=-，理想情况下动作范围位于以6030,sen 0,为中心的?以内。在此动作范围内，继电器900senUm非动作区U的最小起动电压基本上与,r无关，当加入pu..r.min 继电器的电压<时，继电器将不能起UUpur.minr 动，这就是出现“电压死区”原因。 ,,(2)伏安特性:表示当=固定不变时，msen图5-2 功率方向继电器动作特性，，U,fI继电器起动的关系曲线。在理想情况pu...rm 下，该曲线平行于两个坐标轴，如图5-5所示，只要加入继电器的电流和电压分别大于最小 IU起动电流和最小起动电压继电器就可以动作。其中之值主要取决于Ipu..r.minpu..r.minpu..r.min在电流回路中形成方波时所需加入的最小电流。 Upu.rUpu.r Upu.r.min Upu.r.min -120-30060,mImIpu.r.min 图5-3 功率方向继电器的图5-4 功率方向继电器的 角度特性(,=30 )伏安特性 在功率方向继电器的动作特性时，还要考虑继电器的“潜动”问。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，就是功率方向继电器仅加入电压U时产生的动作。产生电压潜动的原m 因是由于中间变压器YB的两个二次绕组W3、W2的输出电压不等，当动作回路YB的W2,,,,KUKU端电压分量大于制动回YB的W3端电压分量时，就会产生电压潜动现象。yymm 为了消除电压潜动，可调整制动回路中的电阻R3，是Im =0时，加于两个整流输入端的电压相等，因而消除了电压潜动。 ,所谓电流潜动，就是功率方向继电器仅通过电流 产生的动作。产生电流潜动的原因Im,,是由于电抗变压器DKB两个二次绕组W2、W3的电压分量不等，当W2电压分量KIKm,,,,KI大于W3端电压分量(也就是动作电压大于制动电压)时，就会产生电流潜KIKmKm 动现象。为了消除电流潜动，可调整动作回路中的电阻R1，使=0时，加于两个整流桥Um 输入端的电压相等，因而消除了电流潜动。 发生潜动的最大危害是在反方向出口处三相短路时，此时，而Im 很大，方向U,0m 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的接线方式 由于功率方向继电器的主要任务是判断短路功率的方向，因此，对其接线方式应提出如 下要求。 (1)正方向任何形式的故障都能动作，而当反方 UA向故障时则不动作。 ,,(2)故障以后加入继电器的电流和电压应IUrr IA尽可能地大一些，并尽可能使接近于最灵敏角，,,rsen 以便消除和减小方向继电器的死区。 为了满足以上要求，功率方向继电器广泛采用的UBC是90?接线方式，所谓90?接线方式是指在三相对称ICIB,UBUC情况下，当时，加入继电器的电流如和Icos,,1A,图5-5 cos,=1时IA、UBC的向量图电压相位差90?。如图5-6所示，这个定义仅仅UBC 是为了称呼的方便，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、、，、和、而构成IUIUIUCABBCCAAB三相式方向过电流保护接线图。在此顺便指出，对功率方向继电器的接线，必须十分注意继电器电流线圈和电压线圈的极性问题，如果有一个线圈的极性接错就会出现正方向拒动，反方向误动的现象。 三、实验设备 序号 设备名称 使用仪器名称 数量 1EPL-05 中间、时间继电器 1 2 EPL-18 单相交流电源、直流稳压电源 1 3EPL-15 (EPL-38) 电秒表、相位仪 1 4EPL-14 电阻盘 1 5 EPL-13(EPL-39) 告警光示牌 1 6 EPL-17 三相交流电源 1 7 EPL-10 功率方向继电器 1 四、实验 本实验所采用的实验原理接线如图5-6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。 1(熟悉LG-11功率方向继电器的原理接线和相位仪的操作接线及试验原理。 2(按实验线路接线，用相位仪检查接线极性是否正确。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，并改正。 光示牌 功220V率 方 向 继LG-11电 器A三b 相移B900,调相 CV压器c 器O 相位仪 A ,90 图5-6 实验原理接线图 3(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。 4,用实验法测LG-11整流型功率方向继电器角度特性Upu=f(,),并找出继电器的最大 灵敏度角和最小动作电压。 (1) 保持电流为1A，摇动移相器，在给定的电压下找到使继电器动作(指示灯由不亮 变亮)的两个临界角度; (2) 保持电流不变，依次降低电压值，测量不同电压情况下，使继电器动作的,、,，2, 并在表5-1中; (3) 保持电流不变，逐渐降低电压值，测量不同电压情况下，使继电器动作的最小动作 电压; (4) 绘出功率方向继电器的角度特性; (5) 计算继电器的最大灵敏度角,sen=(,+,)/2,绘制角度特性曲线，并标明动作区。 2, 表5-1 角度特性 Upu =f(,)实验数据 U(V)100 8050 30 20 10 5 2.5 2 , , , 2 5(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。 (1) 内角,,,,?～调节移相器使,,,,并保持不变。 sen (2) 调节电压至某一数值，改变输入电流使继电器动作，记下此时的电流值; (3) 依次给出不同的电压，找出使继电器动作的相应的电流值，记入表3-2中; (4) 注意找出使继电器动作的最小电压和电流; (5) 绘出Upu=f(Ir)特性曲线。 表3-2 伏安特性Upu=f(Ir)实验数据 Upu(V)100 80 50 30 20 10 5 2.5 2 I r 五,思考题 1(功率方向继电器为什么会有死区,应如何消除死区, 2(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, 3(LG-11整流型功率方向继电器的动作是否等于180?,为什么, 4(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, 5(功率方向继电器为什么要采用90?接线,用0?接线行不行, 6(改变内角,对保护动作性能有何影响,它有何实质意义, 7(角度特性及伏安特性有什么用途, 附,LG-11/12型功率方向继电器 一,技术数据 1(额定数据 额定电流:5A或1A。 额定电压:100V。 额定频率:50Hz。 00002(继电器的灵敏角:LG-11型，-30或-45，LG-12型+70;灵敏角的误差?5。 3(在灵敏度下通入额定电流时继电器的动作电压不大于2V。 4(返回系数:继电器的返回电压和动作电压之比不小于0.45。 5(动作时间:对于LG-11型，在灵敏角下，电压由额定突然降4倍最小动作电压，电 流同时由0升至额定电流时，动作时间不大于30mS;对于LG -12型，在灵敏角下，同时突 然加入额定电流和4倍最小动作电压时，动作时间不大于40mS。 6(记忆时间，对于LG-11型，当模拟保护出口处短路在灵敏角下，突然如额定电流及 10倍额定电流，电压自100V同时突然降到0的情况下，继电器应可靠动作，其极化继电器 动作保持时间不小于50mS。 7(功率消耗:电流回路不大于6VA，电压回路不大于20VA。 8(继电器可以长期耐受1.1倍的额定电压及额定电流。 9(当电压不大于220V电流不大于1A时，触点能断开直流有感负荷(时间常数不大于-35?10S)20W。 10(继电器电路与外壳间的绝缘电阻在温度+40?及相对湿度为85%时不小于10MΩ。 11(继电器的绝缘强度应耐受交流50Hz电压2kV历时1min的耐压试验而无击穿或闪络 现象。 实验六 微机定时限过电流保护 一，实验目的 1)掌握过电流保护的原理和整定计算方法。 2)熟悉过电流保护的特点。 二，基本原理 在图5-1所示的单侧电源辐射形电网中，线路L1)L2)L3正常运行时都通过负荷电流。当d3处发生短路时，电源送出短路电流至d3处。保护装置通过的电流1)2)3中通过的电流都超过正常值，但是根据电网运行的要求，只希望装置3动作，使断路器1跳闸，切除故障线路L3，而不希望保护装置1和2动作使断路器1QF和2QF跳闸，这样可以使线 BCA213 1QF2QF3QF 2dd1d3L23LL1 图 5-1 单侧电源辐射形电网中过电流保护装置的配置 路L1和L2继续送电至变电所B和C，为了达到这一要求，应该使保护装置1)2)3的动作时限t1)t2)t3满足以下条件，即 t1，t2，t3 三，整定计算 1.动作电流 在图5-1所示的电网中，对线路L2来讲，正常运行时，L2可能通过的最大电流称为最 I大负荷电流，这时过电流保护装置2的起动元件不应该起动，即动作电流，IdZfh,max Ifh,max IL3上发生短路时,L2通过短路电流，过电流保护装置2的起动元件虽然会起动，但d 是由于它的动作时限大于保护装置3的动作时限，保护装置3首先动作于3QF跳闸，切除短路故障。 故障线路L3被切除后，保护装置2的起动元件和时限元件应立即返回，否则保护装置2会使QF2跳闸，造成无选择性动作。故障线路L3被切除后再投入运行时，线路L2继续向变电所C供电，由于变电所C的负荷中电动机自起动的原因，L2中通过的电流为KzqIfh?max(Kzq为自起动系数，它大于1，其数值根据变电所供电负荷的具体情况而定)，因而起动元件的返回电流If应大于这一电流，即 If,KzqIfh?max (5-1) 由于电流继电器(即过流保护装置的起动元件)的返回电流小于起动电流，所以只要If,KzqIfh?max的条件能得到满足，Idz,Ifh?max的条件也必然能得到满足。 不等式(5-1)可以改写成为以下的等式 If=KkKzqIfh?max (5-2) 在式(5-2)中，Kk为可靠系数，考虑到电流继电器误差和计算误差等因素，它的数值取1.15,1.25。 因为返回电流与动作电流的比值称为返回系数，即 If ,KfIdz If或 Idz= Kf 将式(5-2)代入上式，就得到过电流保护动作电流的公式 KkKzqIdz= Ifh?max (5-3) Kf 根据上式求得的是一次侧动作电流。如果需要计算电流继电器的动作电流IJ?dz，那么还要计及电流互感器的变比nLH和接线系数Kjx。电流继电器动作电流的计算公式为 KKKIdzkjxzqIJ?dz=Kjx=Ifh?max (5-4) KnnLHfLH 2.灵敏度 过电流保护装置的灵敏度用起动元件(即电流继电器)的灵敏系数Klm的数值大小来衡量。它是指在被保护范围末端短路时，通过电流继电器的电流IJ?d与动作电流IJ?dz的比值，即 IJ?d Klm= (5-5) IJ?dz 计算时需要考虑以下几点: (1)在计算过电流保护的Klm时，应选用最小运行方式。 (2)对保护电网相间短路的过电流保护来说，应计算两相短路时的Klm。 (3)接线方式对Klm也有影响。 (4)要求在被保护线路末端短路时Klm?1.5。 3(动作时限 为了保证保护的选择性，电网中各个定时限过电流保护装置必须具有适当的动作时限。离电源最远的元件的保护动作时限最小，以后的各个元件的保护动作时限逐级递增，相邻两个元件的保护动作时限相差一个时间阶段?t。这样选择动作时限的原则称为阶梯原则。?t的大小决定于断路器和保护装置的性能。目前在定时限过电流保护整定时，一般?t取0.5S。 四)实验内容与步骤 1(根据预习准备，将计算获得的动作参数整定值(电源线电压为100V)，对各段保护进行整定。(整定值见实验八) 2(按图1-1接线，检查无误后，再请指导老师检查，方可进行下一步操作。 3(把各按钮、开关的初始位置设定如下: 系统运行方式切换开关置于“最小”，A、B站实验内容切换开关置于“正常工作”，A相短路、B相短路、C相短路按钮处于弹出位置，并分别把EPL-03A和EPL-03B的线路故障点设置旋钮置于顺时针到底位置，三相调压器旋钮置于逆时针到底位置。 4(合上漏电断路器和线路电源绿色按钮开关及直流电源船形开关，按下合闸按钮。 缓慢调节三相调压器旋钮，注意观察交流电压表的读数至100V; 5(把B站实验内容切换开关置于“电流保护”，模拟BC线路末端短路，观察各保护装置动作情况，作好动作记录; 6(逆时针调节EPL-03B的线路故障点设置旋钮，分别模拟BC线路中间和始端短路，观察各保护装置动作情况，作好动作记录; 7(把B站实验内容切换开关置于“正常工作”，解除BC线路的故障;分别按下A相、B相、C相短路按钮，并把A站实验内容切换开关置于“电流保护”，参考步骤5、6，分别模拟A B线路末端、中间和始端短路，观察各继电器动作情况，作好动作记录; 8(系统运行方式切换开关置于“最大”，重复以上实验。 五，实验报告 实验前认真阅读实验指导书和相关教材，进行预习准备;实验结束后要认真总结，将相关参数及数据记录下来。针对III段的具体整定方法，按要求并及时写出实验报告，并解答预习思考题。 将实验数据填入下表。 保 护 A站 保 护 电 流 整 定 值(A) 时 间 整 定 值(S) 理 论 灵 敏 度 线路末端两相短路电流(A) 实 测 灵 敏 度 能否保护本段线路全长 IC+IC- 交流IB+IB- 电流 IA+IA-采集 EPL-16E +220V QFYO交流直流电压控制YRQF采集回路 -220V