微机保护实验指导书
实验一 输电线路的电流电压微机保护实验
一、实验目的
1、通过实验进一步理解电流电压联锁保护的原理、并掌握其整定和计算的方法。
2、掌握电流电压联锁保护适用的条件。 二、实验原理 1、电压速断保护
在电力系统的等值电抗较大或线路较短的情况下，当线路上不同地点发生相间短路时，短路电流变化曲线比较平坦，见图10-1所示的无时限电流速断保护。电流速断保护的保护范围较小，尤其是在两相短路和最小运行方式时的保护范围更小，甚至没有保护范围。在这种情况下，可以采用电压速断保护，而不采用电流速断保护。
在线路上不同地点发生相间短路时，母线上故障相之间残余电压Ucy 的变化曲线如图10-2所示。从图中看出，短路点离母线愈远，Ucy 愈高。其中：①表示最大运行方式下Ucy 变化曲线；②表示最小运行方式下的 Ucy 变化曲线。
电压速断保护是反应母线残余电压Ucy 降低的保护。在保护范围内发生短路时，Ucy 较低，保护装置起动；在保护范围以外发生短路时，Ucy 较高，保护装置不起动。
如同电流速断保护一样，电压速断保护可以构成无时限的，也可以构成有延时的。 在图10-2所示的线路上，如果装有保护相间短路的无时限电压速断保护，它的动作电压Udx 应整定为
k
L
d k
cy K X I K U Udx )3(min .min .3=
=
式中Ucy.min —— 最小运行方式下在线路末端三相短路时，线路始端母线上的残余电压；
)
3(m in .d I —— 上述短路时的短路电流；
X l —— 线路电抗；
Kk —— 可靠系数，考虑到电压继电器的误差和计算误差等因素，它一般取1.1～
1.2。
从图10-2可见，在最小运行方式下，电压速断保护的保护范围（Ib.min ）最大；在最大运行方式下，保护范围（Ib.max ）最小。所以电压速断保护应按最小运行方式来整定动作电压，按最大运行方式来校准保护范围。
在线路上任何一点发生短路时，不论是三相短路还是两相短路，母线上故障相之间的残余电压是相等的。因此，保护相间短路的电压速断保护应采用三相式接线，电压继电器应接相间电压。这样，电压速断保护既能保护三相短路也能保护两相短路，而且保护范围与故障种类无关。
如同无时限电流速断保护一样，无时限电压速断保护的保护范围也可以用解析法进行计算.
l l x K X K X l k x k x b ??????-+=1max
.min
.max .)1(
min .x X
— 最大运行方式下的系统电抗； max .x X
— 最小运行方式下的系统电抗； 1x — 被保护线路每公里的电抗；
l — 被保护线路的全长（km ）
。 由式(10-2)不难看出，电压速断保护适用于运行方式变化小的场合，如图10-3所示。
2、电流、电压联锁速断保护
为了保证选择性，电流速断保护应按最大运行方式来整定其动作电流，但在最小运行方式下保护范围要缩小；而电压速断保护应按最小运行方式来整定其动作电压，但在最大运行方式下保护范围要缩小。
在有些电网中，由于最大和最小运行方式相差很大，不能采用电流速断保护或电压速断保护。如果出现这两种运行方式的时间较短，大多数时间是在某一种运行方式（称为主要运行方式）下工作。对此，可以采用电流、电压联锁速断保护。
电流、电压联锁速断保护的起动元件包括电流起动元件和电压起动元件，它们的触点是相串联的，因此只有在两者都动作的情况下，保护才会起动，它们的整定值互相配合，以保证动作的选择性和协调性。
在图10-4所示的线路上，如果装有保护相间短路的无时限电流、电压联锁速断保护。在主要运行方式下。要求它的保护范围达到线路全长的80%（考虑到电流、电压继电器误差等因素，不能要求保护线路的全长），也就是要求在主要运行方式下电流起动元件和电压起动元件的保护范围都为线路全长的80%。
电流起动元件的动作电流I dz 应整定为
L
XT X X E Idz 8.0+''=
?
式中 ?E ''
——
系统的次暂态电热（相）；
XT X —
— 主要运行方式下的系统电抗；
L X —
— 线路电抗。 电压起动元件的动作电压U dZ 应整定为
L dz L d dz X I X I U 8.038.03)
3(==
L dz X I 39.1= 式中 )
3(d I —— 主要运行方式下保护范围末端的三相短路电流。
dz U
—— 在主要运行方式下保护范围末端相间短路时，母线上故障相之间的残余电压。
按主要运行方式整定以后，当处在最大运行方式时，电流起动元件的动作范围将伸长，但由于电压起动元件的动作范围将缩小，所以整个保护装置的保护范围是缩小的，不会造成无选择性动作。当出现最小运行方式时，电压起动元件的动作范围将伸长，但由于电流起动元件的动作范围将缩小，所以也不会造成整个保护装置无选择性动作。
由以上分析可知，在任何运行方式下电流电压联锁速断保护都不能保护线路的全长，所以在实际中可以和定时限过电流保护配合使用。在后面的电流电压联锁与定时限过电流保护综合实验,就是解决这个问题。 三、实验内容与步骤
1、根据线路模型，按照电流电压连锁保护整定的原则进行计算和整定。
2、保护装置设置时，任选一段电流保护，将低电压闭锁投入，时间定值设置为0，在“过流电压闭锁定值”项中设置电压的整定值。起动实验控制屏，将计算值存入装置中。
3、运行方式分别设置为最大、正常、最小，在BC 段末端进行三相短路，注意保护装置是否动作。如若不跳闸，将短路点缓慢前移找到最大保护范围。对实验结果进行记录。
4、在AB 段重复步骤3和4。
5、将保护装置A 和B 按无时限电流速断保护整定，找到三相短路时的保护范围。
6、分别在最大、正常、最小运行方式下,在AB 和BC 线路上发生两相短路时,保护装置
A和B的保护范围。
7、断开保护装置B的跳闸压板，在BC段首端进行三相短路，注意保护装置是A否动作。
四、实验报告
1、写出上面的整定计算过程。
2、电流电压连锁保护一般有哪几种形式？为什么常将低电压起动的过电流保护（这种保护带有一定时限）用于发电机保护中？
3、电流电压连锁保护中电流元件与电压元件是什么样的逻辑关系？为什么在电磁继电器实现的电流电压联锁保护中总要装设电压回路断线指示信号？
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实验二微机变压器差动保护测试与实验
一、实验目的
1、加深对变压器纵差动保护原理的理解。
2、掌握比率制动式纵差动保护原理及整定方法。
3、掌握比率制动式微机纵差动保护装置的使用方法。
二、实验预习
1、认真阅读《微机保护装置的功能介绍及使用方法》，了解微机装置的操作方法及需注意事项。
2、BCH-1差动继电器的制动特性与微机比率制动式纵差动保护装置的制动特性有什么不同？
3、微机比率制动式纵差动保护主要有哪几种实现方式，各自的工作原理是什么？
三、实验原理
（一）、比率制动式纵差动保护的基本概念
比率制动式差动保护的动作电流是随外部短路电流按比率增大，
既能保证外部短路不误动，又能保证
内部短路有较高的灵敏度。
例如电磁式BCH-1型继电器实质上就
是一种具有比率制动雏型的差动继电器，
它可以通过调节制动绕组匝数Wr，使其动
作电流I op始终大于区外故障时对应的不平
衡电流I unb（见图4-1不平衡电流斜线1所
示）。因为区外故障时流过制动绕组的制动
电流Ir随短路电流I k增大，差动继电器的
动作电流?I op也随之按比率增大，其比率K r=I op/I r，称为制动的比率系数（见图4-1中曲线2）。曲线2斜率Kr>K1，而K1=Iunb.max/Ik.max，由于直线1始终在曲线2的下方，所以在区外故障时保护不会误动。然而在区内故障时，流过差动绕组W d的差动电流I d，在最不利的条件下总是大于其动作电流，即I d>I op（见图4-1的直线3），因此区内故障时能正确动作。
从以上分析可知，BCH-1型继电器是具有比率制动雏形的差动继电器，只是由于曲线2仅有一小段是直线，所以其比率特性不很理想。而且因为BCH-1型继电器内有一个速饱和变流器，它恶化了内部短路暂态电流的传变，从而使保护的动作延缓及灵敏度下降。其次由于区内故障时制动绕组中还流过部分短路电流对应二次值，显然这时存在制动量，因此灵敏度是不会高的。
虽然整流型比率制动式差动保护比BCH-1型有了较大改进，但其灵敏度仍然
不高，对三绕组多侧电源，变压器内部故障时仍存在制动量。
微机保护的特点，使得保护装置不必通过模拟电路来构成比率制动量特性，只需通过正确的程序算法设计，就可以获得理想的比率制动特性，并能做到内部轻微故障时不带制动量灵敏地动作。微机型比率制动式差动保护要实现理想的比率制动特性，关键在于寻找适当的制动电流I r ，而差动电流I d 总是被选作保护的动作电流，这是不会改变的。可见设计不同方案的制动电流算法可以形成不同的比率制动特性，构成不同的比率制动式的差动保护原理。
（二）、和差式比率制动的差动保护原理
由于实验装置使用的微机主保护装置采用的是和差式比率制动的差动保护原理，下面将对此作详细介绍。
由于比率制动差动保护是分相设置的，下面以单相为例说明双绕组变压器比率制动的差动保护原理。
如果以流入变压器的电流方向为正方向，那么差动电流可以用I b 与I L 之和表示如图4-2所示：
图4-2 双绕组变压器的差动电流
?
?+=1I I I h d
为了使区外故障时获得最大制动作用，区内故障时制动作用最小或等于零，用最简单的方法构成制动电流，就可采用I h 和I 1之差表示。
2/1?
?
-=I I I h r
假设I h 和I 1已经过软件相位变换和电流补偿，在微机保护中流入极性端为正，反之为负，则区外故障I h =-I 1，此时I r 达到最大，而I d 为最小值，并等于因TA 饱和产生的不平衡电流I unb 。相反区内故障时，I h 和I 1相位一致，I r 为最小，I d 达到最大值，所以保护灵敏度较高。但必须指出，这时I r 虽然为最小值，但不为零，即区内故障时仍带制动量。
由于电流补偿存在一定误差，在正常运行I d 仍然有小量的不平衡电流Iunb 。所以差动保护动作必须使I d 大于一个起动定值I d.st ，差动保护动作的第一判据应是满足下式（4-3）。
st d op d I I I .min .>=
按比率制动的比率系数基本概念，差动继电器在区外故障时，动作电流op I 随
短路电流k I 按比率增大，其制动比率K r =I op /I r 。式中r I 是制动电流，随短路电流k I 而增大。应注意的是K r 是一个变量，要求在区内故障时K r 大于固定的整定值，保护可靠动作故障。而在外部故障时K r 却小于该整定值，使保护可靠地不动作。即要求满足如下判据：
D K I I r r op >=/
在微机保护中，动作电流op I 是取差动电流I d 作为保护的动作量。在内部故障时差动电流就是总故障电流的二次值，在外部故障时，差动电流反映了TA 饱和产生的不平衡电流，虽然随着穿越性短路电流增大，但却比短路电流对应的二次值小得多。因此上式中op I 可用I d 来替换，并在内部故障时能满足Kr=I d /Ir>D ，保护可靠动作；外部故障时Kr=I d /Ir D K I I r r d >=/ 通常比率制动差动保护的整定值D 不应选得过大，否则将使差动保护灵敏度下降，有损于差动保护对变压器匝间短路的保护作用，一般Ｄ取0.3～0.5。 根据式(4-3)、(4-4)，比率制动特性可以由图4-3 图中I op.min 是保护的最小动作电流，应大于起动st d I .，起动定值应取变压器正常运行时的最大平 I unb.max ，其取值范围为（0.3~1.5）n I ，n I 为 基准电流。但最好在最大负荷时实测差动保护的不平衡电流I unb.max ，然后由（1.5~2.0）I unb.max 计算I op.min 值。I unb.max 可在最大负荷条件下直接从微机保护的液晶显示器中读出最大一相的差电流值得到。 对三绕组变压器，式（4-3）和式（4-4）仍然适用，但差动电流和制动电流应做相应更改。式（4-1）应改写为 ? ? ? ++=1I I I I m h d （4-5） 因为三绕组变压器差动保护的电流关系可以看为两侧绕组的电流相加电流相比较，如图4-4所示，这样就与双圈变压器的情况一致。 所以式（4-2）可改写为以下式子 2/11.? ? ? -+=m h r I I I I 2/2.? ??-+=l m h r I I I I 2/13.? ? ? -+=h m r I I I I []3.2.1.,,max r r r r I I I I = 以上式中h I 、m I 、l I 均为经相位变换、电流补偿后某一相三侧的二次计算电流，式（4-6）是取三个制动量中最大值作为制动电流。例如区外故障（如低压侧母线K 故障）时，见图4-4所示。仍假设流入极性端为正，流出为负，则根 据基尔霍夫定律)(1? ??+-=m h I I I 并代入式（4-6）可得出：Ir.2为最大值，如中压侧区外故障Ir.1为最大值，高压侧区外故障Ir.3为最大值。制动电流Ir 取最大值作为制动量，此时差动电流根据式（4-5）为最小值，理论上d I =0，可见区外故障时可靠不动作。 在区内故障时，d I 为最大值，动作量取最大，而三个制动量虽然要比区外故障时小，但仍不为零，即区内故障时仍带一些制动量。 有的变压器差动保护为了简单起见，制动电流不是按式（4-6）中三个制动量选取最大值，而是在三侧电流h I 、m I 、l I 中直接选取最大值，可表达为下式 []1,,max I I I I m h r = （4-7） 该式在区内故障时选取的制动量与式（4-6）相比相差不多，而在区外故障时对多侧电源变压器，式（4-6）选取的制动量明显比式（4-7）大得多，因此式（4-6）对多侧电源变压器区外故障防误动有显著作用。 总结上述可知，要设置好比率制动式纵差动保护，关键是要确定三个参数：最小启动电流I op.min ，拐点电流o Ir .，比率制动系数Kr 。下面介绍比率制动式差动保护的一种简易整定方法。 （三）、比率制动式差动保护的简易整定方法 理想的制动特性曲线为通过原点，且斜率为制动系数K 的一条直线，如图4-3中的BC 直线。 变压器内部短路，当短路电流较小时，应无制动作用，使之灵敏动作，为此制动特性是具有一段水平线的比率制动特性，如图4-3中的ABC 折线。水平线的动作电流称最小动作电流I op.min ，继电器开始具有制动作用的最小制动电流称拐点电流o Ir .，由于制动特性曲线中折线不一定通过原点O ，如图ABD 折线，只有斜率o r op op I Ir I I M .min .--= 为常数，而制动系数Ir I D op = 却随制动电流不断变化， 故整定的比率制动系数Kr 实质是折线的斜率M 。 为防止区外故障时误动，依靠的是制动系数D ，而不是斜率M ，因此必须使各点的D 值均满足选择性及灵敏性，使继电器的制动特性曲线位于理想的制动特性曲线上部。 制动特性曲线由下述三个定值决定： (1) 比率制动系数Kr 。 (2) 拐点电流o Ir .。 (3) 最小动作电流min .op I 。 1．比率制动系数Kr 的整定 )(1f U f k K Kr i rel ?+?+= （4-8） Kr —— 一般在0.3～0.5中选取。 2．拐点电流o Ir .的整定 一般整定（0.8～1.0）倍变压器额定电流。微机保护整定为变压器额定电流。 3．最小动作电流min .op I 的整定 按满足制动特性的要求整定，使制动系数不随制动电流而变化，则最小动作电流与拐点电流相互关系如下： 设定变压器额定电流N I 时，则I op.min=Kr ?N I 。当拐点电流为N kI 值时，则 min .op I =N kI ? Kr （k=0.8~1.0） 。 按上述整定，均能满足选择性和灵敏系数，可不再校验灵敏系数。 四、实验内容 （1）保护动作值的整定计算及微机保护装置的参数设置。 （2）变压器内部故障设置及保护动作实验。 五、实验方法 实验接线如下图4-5所示： 式中 rel K —可靠系数，取1.3～1.4； 1k —电流互感器同型系数，取1.0； f —电流互感器的最大相对误差，取调压范围中偏离额定值的最大值； U ? — 变压器由于调压所引起的相对误差，取调压范围中偏离额定值的最大值； f ? — 变压器经过电流互感器（包括自耦变流器）变比，不能完全补偿所产生的相对误差。微机保护软件可以完全补偿，f ?=0。 图4-5 微机变压器纵差动保护整定实验接线图 实验装置中，变压器为单侧电源供电的三绕组降压变压器，其额定参数为： 高、中、低三侧容量分别为800VA/800VA/380VA ，电压比为380V/220V/127V ，接线方式为Y/Y/△-12-11。 由此计算变压器的额定电流（电源侧）为 A I hN 3 3801000?= （4-9） 由上面介绍的方法计算各项参数，填入表4-1。 因CT 变比为1，接线系数kjx 为1，所以微机装置的整定值Izd 等于一次侧计算的动作值： dz jx h op zd I k k I I =?= （4-10） 依照附录1介绍的方法，先清空微机装置中“历史记录” →“保护事件”的内容。然后在微机后备保护装置中设置各项参数：进入“系统设置” →“保护定值”→“修改定值”，依照表4-2，设置各项参数。 上表中，“”表示不需要设置，可以是随机数据。然后按“取消键”，液晶屏提示“存储定值？”，按“确认”键，如果操作设置正确，屏幕提示“定值存储成功”，再按“确认”键，完成微机装置的参数设置。 按照实验接线图接好线，变压器负载选择开关置于正常侧。把调压器调到最小位置，打开直流高压电源开关。启动电源，合上三侧断路器。把输入电压升至100V（高压侧电压表显示为100V），设置低压侧内部A、B相间短路并投入运行，观测保护动作情况（如保护不动作，马上按S2，退出短路运行）。保护正确动作后，退出短路运行，清除微机装置的告警记录，复位微机保护装置。 上述实验步骤能正确完成后，将变压器输入电压升高380V，分别设置变压器中、低压侧内部短路故障，观察保护动作过程，并记录保护动作时的数据如下表4-3。 六、实验报告 1、根据实验内容要求、整理实验数据，总结微机差动保护整定计算需要注意哪几方面的问题，完成实验报告。 2、根据实验所得数据，结合前面的原理说明，验证所得数据和动作情况是否和理论相符合？ 3、思考怎样设计实验可以实现差动保护分别动作在制动特性曲线上拐点电流o Ir.前后两段。（提示：在内部短路情况下，改变输入电压可以改变短路电流 的大小，从而改变差动电流和制动电流的大小）。 实验三 系统正常运行及不平衡电流的测量实验 一、实验目的 1、掌握纵联差动保护中不平衡电流产生原因及减小或消除其影响的措施。 2、掌握微机保护装置的使用和参数整定方法。 二、实验预习 1、仔细阅读实验指导书中关于实验装置及微机保护装置的使用说明。 2、变压器差动保护产生不平衡电流的因素有哪些? 3、微机变压器保护采用什么方法消除不平衡电流的影响? 三、实验原理 实现变压器纵联差动保护的主要问题是减小不平衡电流及其对保护的影响。产生不平衡电流原因主要有如下几种： 1、电流互感器的计算变比与实际变比不同引起的不平衡电流。 2、变压器两侧电流相位不相同而产生的不平衡电流。 3、变压器各侧电流互感器型号不同而产生的不平衡电流。 4、励磁涌流引起的不平衡电流。 在微机保护中，由于软件计算的灵活性，允许变压器各侧TA 二次都采用Y 型接线。在进行差动计算时由软件对变压器Y 型侧电流进行相位校准和电流补偿。 应该注意的是微机型差动保护装置还要求各侧差动TA 的一次、二次绕组极性均朝向变压器，只有这样的接线才能保证软件计算正确。 主变压器的各侧TA 二次按Y 型接线，由软件进行相位校准后，由于变压器各侧额定电流不等及各侧差动TA 变比不等，还必须对各侧计算电流值进行平衡调整，才能消除不平衡电流对变压器差动保护的影响。 本实验装置的微机保护装置具有CT 自动平衡功能，在实际应用中，只需根据计算变比选择合适的电流互感器，把实际变比当作定值送入微机保护，由微机保护软件算出电流平衡调整系数K b ，实现电流的自动平衡调整，以消除不平衡电流的影响。具体计算如下： 以高压侧CT 变比为基准，对中压侧及低压侧CT 进行调整， 中压侧平衡系数为： Nh Uh Kjx _m Nm Um Kjx _h Km ????= 低压侧平衡系数为： Nh Uh Kjx _l Nl Ul Kjx _h Kl ????= 式中 Uh,Um,Ul 分别为高中低各侧额定线电压； Nh,Nm,Nl 分别为高中低各侧CT 变比； Kjx_h,Kjx_m,Kjx_l 分别为高中低各侧CT 接线系数，对于Y 型接线侧为 1.732，对于△型接线侧为1。 下面举例说明电流平衡调整系数K b的计算方法。 [例]已知变压器三侧容量为31.5/20/31.5MVA，电压比为110/38.5/11KV，接线方式为Y0/Y/△—12—11，TA二次额定电流为5A。 3110=165A；TA变比选K h=200/5=40 I1Nh=31500/? 338.5=473A；K m=500/5=100 I1Nm=31500/? 311=1650A；K l=2000/5=400 I1Nl=31500/? 软件相位校正及计算的各侧二次计算电流： 3165/40=7014A I2ch=? 3473/100=8.19A I2cm=? I2cl=1650/400=4.12A 计算调整系数Kb： Kbh=1（以高压侧二次侧计算值I2ch） Kbm=7.14/8.19=0.87（按0.0625级差选0.875） Kbl=7.14/4.12=1.73 （按级差选1.75） 微机保护利用上述调整系数求得变压器正常运行及故障时各侧平衡计算后的二次电流。如在满负荷时中压侧为8.19A*0.875=7.166A，低压侧为 4.12A*1.73=7.12A。可见经软件相位校正及电流补偿后基本上实现了电流平衡补偿，但仍然有因误差等原因产生的不平衡现象，例如级差为0.065，最大误差为3.122%，本例的相对误差为1%，，并不影响保护的正常工作。 四、实验内容 （1）测量三绕组变压器在正常工作时的不平衡电流。 （2）测量三绕组变压器在过负荷工作时的不平衡电流。 （3）测量三绕组变压器在外部短路时的不平衡电流。 （4）测量在微机装置不进行补偿时的不平衡电流。 （5）测量变压器在电流互感器二次接线方式不同情况下的不平衡电流。 五、实验方法 实验装置中，变压器为单侧电源供电的三绕组降压变压器，其额定参数为：高、中、低三侧容量分别为800VA/800VA/380VA，电压比为380V/220V/127V，接线方式为Y/Y/△-12-11。 依照附录1介绍的方法，先清空微机装置中“历史记录”→“保护事件”的内容，然后进入“系统设置”→“保护定值”→“修改定值”，依照表1-1，设置各项参数。 上表中，“”表示不需要设置，可以是随机数据。然后按“取消键”，液晶屏提示“存储定值？”，按“确认”键，如果设置正确，屏幕提示“定值存储成功”，再按“确认”键，完成微机装置的参数设置。 实验接线图如图1-1所示，按照实验接线图接好线，变压器负载选择开关置于正常侧。将三相自耦调压器调到最小位置，打开直流电源开关，按下启动按钮，合上三侧断路器。在不同输入电压下，记录三侧A，B，C三相电压和电流及三相差动电流Iacd、Ibcd、Iccd。电压值可以在仪表直接读出，电流值可以在微机装置的“测量信息”中读出。 然后依照第一章第三节介绍的故障设置方法，设置变压器过载、外部短路并投入运行，重复上述实验步骤（特别提醒：由于后备保护未投入运行，在过载和外部短路状态下进行测量时，输入电压不能过高，以免线路电流太大，缩短装置的使用寿命中压侧电流不能超过2A，低压侧电流不能超过1.7A，高压侧不得超过1.2A。）。根据实验数据计算系统线路阻抗，负载阻抗和外部短路阻抗。 图1-1 系统正常运行及不平衡电流的测量实验 将实验数据记录在下列表格中。（电压单位V，电流单位A） 将微机保护装置的“三卷变压器钟点数”设为其它形式，使微机装置的软件不能进行正确的相位校正和电流的平衡调整。观察变压器的三相差动电流，与上面记录的三相差动电流相比较有什么不同，并分析其原因。 将任意侧电流互感器的二次接线反接，或将Y型接线改为△型接线，观察变压器的三相差动电流，与上面记录的三相差动电流相比较，并分析其原因。 六、实验报告 1、根据实验内容要求、整理实验数据，并分析实验中不平衡电流产生的原因。 2、根据上述数据，说明微机保护装置在相位和电流补偿的功能上，与传统差动继电器相比，有什么优点？