常规继电器特性实验.docx
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常规继电器特性实验
二、常规继电器特性实验
(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。
近年来电力系统中已大量使用微机保护,整流型和晶体管型继电器以及感应型、电磁型继电器使用量已有减少。
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。
下面仅就常用的电磁型继电器的构成及原理作简要介绍。
(1)电磁型电流继电器
电磁型继电器的典型代表是电磁型电流继电器,它既是实现电流保护的基本元件,也是反应故障电流增大而自动动作的一种电器。
下面通过对电磁型电流继电器的分析,来说明一般电磁型继电器的工作原理和特性。
图2-1为DL系列电流继电器的结构图,它由固定触点1、可动触点2、线圈3、铁心4、弹簧5、转动舌片6、止挡7所组成。
当线圈中通过电流IKA时,铁心中产生磁通Φ,它通过由铁心、空气隙和转动舌片组成的磁路,将舌片磁化,产生电磁力Fe,形成一对力偶。
由这对力偶所形成的电磁转矩,将使转动舌片按磁阻减小的方向(即顺时针方向)转动,从而使继电器触点闭合。
电磁力Fe与磁通Φ的平方成正比,即
Fe
Φ2
其中Φ=
所以
式中,
—─继电器线圈匝数;
—─磁通Φ所经过的磁路的磁阻。
分析表明,电磁转矩Me等于电磁力Fe与转动舌片力臂
的乘积,即
(2-1)
式中,K2为与磁阻、线圈匝数和转动舌片力臂有关的一个系数,
。
从式(2-1)可知,作用于转动舌片上的电磁力矩与继电器线圈中的电流IKA的平方成正比,因此,Me不随电流的方向而变化,所以,电磁型结构可以制造成交流或直流继电器。
除电流继电器之外,应用电磁型结构的还有电压继电器、时间继电器、中间继电器和信号继电器。
为了使继电器动作(衔铁吸持,触点闭合),它的平均电磁力矩Me必须大于弹簧及摩擦的反抗力矩之和(Ms+M)。
所以由式(2-1)得到继电器的动作条件是:
(2-2)
当IKA达到一定值后,上式即能成立,继电器动作。
能使继电器动作的最小电流称为继电器的动作电流,用IOP表示,在式(2-2)中用IOP代替IKA并取等号,移项后得:
(2-3)
从式(2-3)可见,IOP可用下列方法来调整:
(1)改变继电器线圈的匝数NKA;
(2)改变弹簧的反作用力矩Ms;
(3)改变能引起磁阻RC变化的气隙δ。
当IKA减小时,已经动作的继电器在弹簧力的作用下会返回到起始位置。
为使继电器返回,弹簧的作用力矩M's必须大于电磁力矩M'e及摩擦的作用力矩M'。
继电器的返回条件是:
(2-4)
当IKA减小到一定数值时,上式即能成立,继电器返回。
能使继电器返回的最大电流称为继电器的返回电流,并以Ire表之。
在式(2-4)中,用Ire代替IKA并取等号且移项后得:
(2-5)
返回电流Ire与动作电流IOP的比值称为返回系数Kre,即Kre=Ire/IOP。
反应电流增大而动作的继电器IOP>Ire,因而Kre<1。
对于不同结构的继电器,Kre不相同,且在0.1~0.98这个相当大的范围内变化。
(2)电磁型电压继电器
电压继电器的线圈是经过电压互感器接入系统电压Us的,其线圈中的电流为
式中:
Ur—加于继电器线圈上的电压,等于Us/npT(npT为电压互感器的变比);Zr—继电器线圈的阻抗。
继电器的平均电磁力
,因而它的动作情况取决于系统电压Us。
我国工厂生产的DY系列电压继电器的结构和DL系列电流继电器相同。
它的线圈是用温度系数很小的导线(例如康铜线)制成,且线圈的电阻很大。
DY系列电压继电器分过电压继电器和低电压继电器两种。
过电压继电器动作时,衔铁被吸持,返回时,衔铁释放;而低电压继电器则相反,动作时衔铁释放,返回时,衔铁吸持。
亦即过电压继电器的动作电压相当于低电压继电器的返回电压;过电压继电器的返回电压相当于低电压继电器的动作电压。
因而过电压继电器的Kre<1;而低电压继电器的Kre>1。
DY系列电压继电器的优缺点和DL系列电流继电器相同。
它们都是触点系统不够完善,在电流较大时,可能发生振动现象。
触点容量小不能直接跳闸。
(3)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。
(4)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。
5)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2-2所示:
图2-2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,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2-1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2-3所示:
图2-3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2”和“公共线”,将开关BK的一条支路接在多功能表的“输入1”和“公共线”,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,使用其时间测量功能(对应“时间”指示灯亮),工作方式选择开关置“连续”位置,按“清零”按钮使多功能表显示清零。
(4)慢慢调节调压器使其输出电压匀速升高,使加入继电器的电流为1.2A。
(5)先拉开刀闸(BK),复位多功能表,使其显示为零,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2-2中。
表2-2电流继电器动作时间测试实验数据记录表
I
1.2A
1.5A
1.8A
2.4A
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1.5A、1.8A、2.4A,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2-4所示:
图2-4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)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)。
(3)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2-3中。
表2-3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2-5所示:
图2-5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2”和“公共线”,将开关BK的一条支路接在多功能表的“输入1”和“公共线”,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,打开多功能表电源开关,使用其时间测量功能(对应“时间”指示灯亮),使多功能表时间测量工作方式选择开关置“连续”位置,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2-4中,且第一次动作时间测量不计入测量结果中。
表2-4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2-6过电流保护实验原理接线图
实验步骤如下:
①图2-6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2-7低电压闭锁过流保护实验原理接线图
实验步骤如下:
①图2-7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,同时并上一块交流电压表。
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2-5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2-5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
三、输电线路电流电压常规保护实验
(一)实验目的
1.了解电磁式电流、电压保护的组成。
2.学习电力系统电流、电压保护中电流、电压、时间整定值的调整方法。
3.研究电力系统中运行方式变化对保护灵敏度的影响。
4.分析三段式电流、电压保护动作配合的正确性。
(二)基本原理
1.试验台一次系统原理图
试验台一次系统原理图如图3-1所示。
2.电流电压保护实验基本原理
1)三段式电流保护
当网络发生短路时,电源与故障点之间的电流会增大。
根据这个特点可以构成电流保护。
电流保护分无时限电流速断保护(简称I段)、带时限速断保护(简称II段)和过电流保护(简称III段)。
下面分别讨论它们的作用原理和整定计算方法。
(1)无时限电流速断保护(I段)
单侧电源线路上无时限电流速断保护的作用原理可用图3-2来说明。
短路电流的大小Ik和短路点至电源间的总电阻R∑及短路类型有关。
三相短路和两相短路时,短路电流Ik与R∑的关系可分别表示如下:
式中,Es——电源的等值计算相电势;Rs——归算到保护安装处网络电压的系统等值电阻;R0——线路单位长度的正序电阻;l——短路点至保护安装处的距离。
由上两式可以看到,短路点距电源愈远(l愈长)短路电流Lk愈小;系统运行方式小(Rs愈大的运行方式)Ik亦小。
Ik与l的关系曲线如图3-2曲线1和2所示。
曲线1为最大运行方式(Rs最小的运行方式)下的IK=f(l)曲线,曲线2为最小运行方式(Rs最大的运行方式)下的IK=f(l)曲线。
线路AB和BC上均装有仅反应电流增大而瞬时动作的电流速断保护,则当线路AB上发生故障时,希望保护KA2能瞬时动作,而当线路BC上故障时,希望保护KA1能瞬时动作,它们的保护范围最好能达到本路线全长的100%。
但是这种愿望是否能实现,需要作具体分析。
以保护KA2为例,当本线路末端k1点短路时,希望速断保护KA2能够瞬时动作切除故障,而当相邻线路BC的始端(习惯上又称为出口处)k2点短路时,按照选择性的要求,速断保护KA2就不应该动作,因为该处的故障应由速断保护KA1动作切除。
但是实际上,k1和k2点短点时,从保护KA2安装处所流过短路电流的数值几乎是一样的,因此,希望k1点短路时速断保护KA2能动作,而k2点短点时又不动作的要求就不可能同时得到满足。
图3-2单侧电源线路上无时限电流速断保护的计算图
为了获得选择性,保护装置KA2的动作电流Iop2必须大于被保护线路AB外部(k2点)短路时的最大短路电流Ikmax。
实际上k2点与母线B之间的阻抗非常小,因此,可以认为母线B上短路时的最大短路电流IkBmax=Ikmax。
根据这个条件得到:
式中,
——可靠系数,考虑到整定误差、短路电流计算误差和非周期分量的影响等,可取为1.2~1.3。
由于无时限电流速断保护不反应外部短路,因此,可以构成无时限的速动保护(没有时间元件,保护仅以本身固有动作时间动作)。
它完全依靠提高整定值来获得选择性。
由于动作电流整定后是不变的,在图3-2上可用直线3来表示。
直线3与曲线1和2分别有一个交点。
在曲线交点至保护装置安装处的一段线路上短路时,Ik>Iop2保护动作。
在交点以后的线路上短路时,Ik 因此,无时限电流速断保护不能保护线路全长的范围。 如图3-2所示,它的最大保护范围是lmax,最小保护范围是lmin。 保护范围也可以用解析法求得。 无时限电流速断保护的灵敏度用保护范围来表示,规程规定,其最小保护范围一般不应小于被保护线路全长的15%~20%。 实验时可调节滑线电阻,找寻保护范围。 电流速断保护的主要优点是简单可靠,动作迅速,因而获得了广泛应用。 它的缺点是不可能保护线路AB的全长,并且保护范围直接受系统运行方式变化影响很大,当被保护线路的长度较短时,速断保护就可能没有保护范围,因而不能采用。 图3-3带时电流速断保护计算图 (a)网络图(b)Ik=f(l)关系及保护范围(c)延时特性 图中: 1—Ik=f(l)关系;2— 线;3— 线;4— 线 由于无时限电流速断不能保护全长线路,即有相当长的非保护区,在非保护区短路时,如不采取措施,故障便不能切除,这是不允许的。 为此必须加装带时限电流速断保护,以便在这种情况下用它切除故障。 (2)带时限电流速断保护(Ⅱ段) 对这个新设保护的要求,首先应在任何故障情况下都能保护本线路的全长范围,并具有足够的灵敏性。 其次是在满足上述要求的前提下,力求具有最小的动作时限。 正是由于它能以较小的时限切除全线路范围以内的故障,因此,称之为带时限速断保护。 带时限电流速断保护的原理可用图3-3来说明。 由于要求带时限电流速断保护必须保护本线路AB的全长,因此,它的保护范围必须伸到下一线路中去。 例如,为了使线路AB上的带时限电流速断保护A获得选择性,它必须和下一线路BC上的无时限电流速断保护B配合。 为此,带时限电流速断保护A的动作电流必须大于无时限电流速断保护B的动作电流。 若带时限电流速断保护A的动作电流用 表示,无时限电流速断保护B的动作电流用 表示,则 (3-1) 式中, ——可靠系数,因不需考虑非周期分量的影响,可取为1.1~1.2。 保护的动作时限应比下一条线路的速断保护高出一个时间阶段,此时间阶段以∆t表示。 即 保护的动作时间 (∆t一般取为0.5s)。 带时限电流速断保护A的保护范围为 (见图3-3)。 它的灵敏度按最不利情况(即最小短路电流情况)进行检验。 即 (3-2) 式中,Ikmin——在最小运行方式下,在被保护线路末端两相金属短路的最小短路电流。 规程规定 应不小于1.3~1.5。 必须大于1.3的原因是考虑到短路电流的计算值可能小于实际值、电流互感器的误差等。 由此可见,当线路上装设了电流速断和限时电流速断保护以后,它们的联系工作就可以保证全线路范围内的故障都能够在0.5s的时间内予以切除,在一般情况下都能够满足速动性的要求。 具有这种性能的保护称为该线路的“主保护”。 带时限电流速断保护能作为无时限电流速断保护的后备保护(简称近后备),即故障时,若无时限电流速断保护拒动,它可动作切除故障。 但当下一段线路故障而该段线路保护或断路器拒动时,带时限电流速断保护不一定会动作,故障不一定能消除。 所以,它不起远后备保护的作用。 为解决远后备的问题,还必须加装过电流保护。 (3)定时限过电流保护(Ⅲ段) 过电保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护装置。 它在正常运行时不应该启动,而在电网发生故障时,则能反应电流的增大而动作。 在一般情况下,它不仅能够保护本线路的全长范围,而且也能保护相邻线路的全长范围,以起到远后备保护的作用。 为保证在正常运行情况下过电流保护不动作,它的动作电流应躲过线路上可能出现的最大负荷电流ILmax,因而确定动作电流时,必须考虑两种情况: 其一,必须考虑在外部故障切除后,保护装置能够返回。 例如在图3-4所示的接线网络中,当k1点短路时,短路电流将通过保护装置5、4、3,这些保护装置都要启动,但是按照选择性的要求,保护装置3动作切除故障后,保护装置4和5由于电流已经减小应立即返回原位。 其二,必须考虑当外部故障切除后,电动机自启动电流大于它的正常工作电流时,保护装置不应动作。 例如在图3-4中,k1点短路时,变电所B母线电压降低,其所接负荷的电动机被制动,在故障由3QF保护切除后,B母线电压迅速恢复,电动机自启动,这时电动机自启动电流大于它的正常工作电流,在这种情况下,也不应使保护装置动作。 图3-4选择过电流保护启动值及动作时间的说明 考虑第二种情况时,定时限过电流保护的整定值应满足: 式中,Kss——电动机的自启动系数,它表示自启动时的最大负荷电流与正常运行的最大负荷电流之比。 当无电动机时Kss=1,有电动机时Kss≥1。 考虑第一种情况,保护装置在最大负荷时能返回,则定时限过电流保护的返回值应满足 (3-3) 考虑到 ,将式(3-3)它改写为 (3-4) 式中, ——可靠系数,考虑继电器整定误差和负荷电流计算不准确等因素,取为1.1~1.2。 考虑到Kre=Ire/Iop,所以 (3-5) 为了保证选择性,过电流保护的动作时间必须按阶梯原则选择(如图3-5)。 两个相邻保护装置的动作时间应相差一个时限阶段∆t。 过电流保护灵敏系数仍采用式(3-2)进行检验,但应采用 代入,当过电流保护作为本线路的后备保护时,应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校
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