微机保护的原理与试验大全.doc

输电线路的电流、电压微机保护（一）目的1学习电力系统中微机型电流、电压保护时间、电流、电压整定值的调整方法。2研究电力系统中运行方式变化对保护的影响。3了解电磁式保护与微机型保护的区别。4熟悉三相一次重合闸与保护配合方式的特点。（二）原理关于三段式电流保护和电流电压联锁保护的基本原理可参考第三章有关内容，以下着重介绍本试验台关于微机保护的原理。 1微机保护的硬件微型机保护系统的硬件一般包括以下三大部分。（1）模拟量输入系统（或称数据采集系统）。包括电压的形成，模拟滤波，多路转换（MPX）以及模数转换（A/D）等功能块,完成将模拟输入量准确的转换为所需要的数字量的任务。（2）CPU主系统。包括微处理器（80C196KC），只读存储器（EPROM），随机存取存储器（RAM）以及定时器等。CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。（3）开关量（或数字量）输入/输出系统。由若干并行接口适配器（PIO），光电隔离器件及有触点的中间继电器组成，以完成各种保护的出口跳闸，信号报警，外部接点输入及人机对话等功能。微机保护的典型结构图5-1所示。PT交流接口模拟滤波CT多路转换开关A/D数据采集系统8255 PIO光电隔离出口I/O显示器/键盘输入输出系统80C196 KCERROME2PROM RMACPU系统电压形成交流接口模拟滤波电压形成图5-1 微机保护典型硬件结构图2数据采集系统微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器电压互感器或其他变换器上获取的有关信息，但这些互感器的二次数值输出范围对典型的微机电路却不适用，故需要变换处理。在微机保护中通常要求模拟输入的交流信号为5V电压信号，因此一般采用中间变换器来实现变换。交流电流的变换一般采用电流中间变换器并在其二次侧并电阻以取得所需要的电压的方式。对微机保护系统来说，在故障初瞬电压、电流中可能含有相当高的频率分量（例如2KHZ以上），而目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，为此可以在采样前用一个低通模拟滤波器（ALF）将高频分量滤掉。对于反映两个量以上的继电器保护装置都要求对各个模拟量同时采样，以准确的获得各个量之间的相位关系，因而对每个模拟量设置一套电压形成。但由于模数转换器价格昂贵，通常不是每个模拟量通道设一个A/D，而是公用一个，中间经模拟转换开关（MPX）切换轮流由公用的A/D转换成数字量输入给微机。模数转换器（A/D转换器或称ADC）。由于计算机只能对数字量进行运算，而电力系统中的电流。电压信号均为模拟量，因此必须采用模数转换器将连续的模拟量变为离散的数字量。模数转换器可以认为是一编码电路。它将输入的模拟量UA相当于模拟参考量UR经一编码电路转换成数字量D输出。3输入输出回路PB0PB1J-E+E+5VH1图5-2 装置开关量输出回路接线图（1）开关量输出回路开关量输出主要包括保护的跳闸以及本地和中央信号等。一般都采用并行的输出口来控制有触点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为了提高抗干扰能力，也经过一级光电隔离，如图5-2所示。（2）定值输入回路对于某些保护装置，如果需要整定的项目很有限，则可以在装置面板上设置定值插销或拨轮开关，将整定值的数码的每一位象接点那样输入。对于比较复杂的保护装置，如果需要整定的项目很多时，可以将定值由面板上的键盘输入，并在装置内设置固化电路，将输入定值固化在E2PROM中。本装置采用键盘输入方式设置定值，整定方法详见附录二中的有关使用说明。4CPU系统选择什么级别的CPU才能满足微机保护的需求，关键的问题是速度。也就是说，CPU能否在两个相邻采样间隔内完成必须完成的工作。本微机保护采用美国INTEL公司高档16位微处理器80C 196KC作为中央处理器。在80C 196KC的内部集成了8路10位单极性A/D6通道高速输出（HSO）和2通道高速输入（HIS）4通道16位定时器全双工串行通讯接口多路并行I/O口512字节片内寄存器等，集成度高功能强大，极其利于构成各种高性能控制器。5微机保护的软件在DJZ-实验保护台中，微机保护装有无时限速断电流保护，带时限电流速断保护，定时限过电流保护以及电流电压联锁速断保护。在DJZ-变压器微机试验台中，装有变压器差动保护和变压器速切保护两种。保护的软件是根据常规保护的原理，结合微机计算机的特点来设计的，具有以下几个功能：（1）正常运行时，装置可以测量电流（电压），起到类似电流、电压表的作用，同时还起到监视装置是否正常工作的作用。（2）被保护元件（变压器及线路）故障时，它能正确地区分保护区内、外故障，并能有效地躲开励磁涌流的影响。（3）它具有较完善的自检功能，对装置本身的元件损坏及时发出信号。（4）有软件自恢复的功能。电流电压保护软件基本框图如图5-3所示。初始化Pu初数据采集及电量参数计算I段保护投入？有过电流故障？低压闭锁投入？测量电压低于整定值？故障时间到？有键入信号？Y段出口段保护模块段保护模块读键盘信息显 示重合闸投入？重合闸条件满足？重合闸时间到？发重合闸指令读键盘信息YNYNNNNYNNNY图5-3 DJZ-III试验台微机保护装置电流电压保护软件流程图（三）实验内容电流、电压微机保护实验内容与第三章的实验内容近似，可参考。下面列出微机保护实验的有关内容。1三段式电流微机保护实验1）电流速断保护灵敏度检查实验（1）DJZ-III试验台的常规继电器和微机保护装置都没有接入电流互感器TA回路，在实验之前应该接好线才能进行试验，实验用一次系统图参阅图3-1，实验原理接线图如图5-4所示。按原理图完成接线，同时将变压器原方CT的二次侧短接。（2）将模拟线路电阻滑动头移动到0处。（3）运行方式选择，置为“最小”处。（4）合上三相电源开关，直流电源开关，变压器两侧的模拟断路器1KM、2KM，调节调压器输出，使台上电压表指示从0V慢慢升到100V为止，注意此时的电压应为变压器二次侧电压，其值为100V。（5）合上微机装置电源开关，根据第三章中三段式电流整定值的计算和附录二中所介绍的微机保护箱的使用方法，设置有关的整定，同时将微机保护的I段（速断）投入，将微机保护的II、III段（过流、过负荷）退出。（6）此时A相、B相、C相负载灯全亮。（7）因用微机保护，则需将LP1接通（微机出口连接片投入）。（8）任意选择两相短路，如果选择AB相，合上AB相短路模似开关。（9）合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生两相短路故障，此时负荷灯部分熄灭，台上电流表读数大于保护整定值，故应由保护动作跳开模拟断路器，从而实现保护功能。将动作情况和故障时电流测量幅值记录于表5-1中。表5-1 电流速断保护灵敏度检查实验数据记录表短 路 阻 抗 /1245678910最大运行方式AB相 短路段动作情况111000000短路电流/A8.797.325.464.984.424.003.643.283.10BC相短路段动作情况111000000短路电流/A8.967.405.705.104.484.173.773.523.21CA相短路段动作情况111100000短路电流/A9.137.615.615.214.504.133.893.533.251245678910正常运行方式AB相 短路段动作情况110000000短路电流/A6.445.604.484.003.853.503.103.092.85BC相短路段动作情况110000000短路电流/A6.555.604.484.003.853.503.103.092.85CA相短路段动作情况110000000短路电流/A6.825.794.584.173.943.693.293.243.051245678910最小运行方式AB相 短路段动作情况10000000短路电流/A5.865.104.143.833.633.312.962.892.75BC相短路段动作情况100000000短路电流/A5.725.054.213.823.73.433.002.982.78CA相短路段动作情况110000000短路电流/A6.145.284.253.923.713.393.103.052.96（10）断开故障模拟断路器，当微机保护动作时，需按微机保护箱上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器，负载灯全亮，即恢复模拟系统无故障运行状态。（11）按表5-1中给定的电阻值移动短路电阻的滑动接头，重复步骤（9）和（10）直到不能使I段保护动作，再减小一点模拟线路电阻，若故障时保护还能动作，记录此时的短路电流和滑线变阻器的阻值，记入表5-1中（1代表保护动作，0代表保护不动作）。（12）改变系统运行方式，分别置于“最大”、“正常”运行方式，重复步骤（6）至（11），记录实验数据填入表5-1中。（13）分别改变短路形式为BC相和CA相，重复步骤（6）至（12）。（14）实验结束后，将调压器输出调回零，断开各种短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。2）带时限电流速断保护灵敏度检查实验实验步骤与实验1）完全相同，只是将微机保护的I、III段退出，只将II段投入，同时为减少实验次数，可将短路电阻初始位置设为5处。关于III段（过负荷）保护范围的检查，请参考以上实验步骤，自己设计实验，这里不赘述，此外三相短路实验对三段式电流保护范围的检查步骤同上，这里也不重复，请大家自行设计。3）过电流保护范围检验实验步骤参考以上实验。4）三相短路时三段式保护各段范围检查步骤参考以上实验。5）同站间保护配合实验为了观察同站间微机保护的配合，根据本试验台的硬件设置情况，必须断开所有微机保护的出口分闸回路，改用常规过电流保护分开故障线路的摸拟断路器。（1）常规保护按完全星形两段式接线图接好（只需使用常规过电流保护，且整定时间稍大于微机保护III段动作时间）。同站保护配合实验原理接线图如图5-5所示：图5-5 同站间保护配合实验原理接线图（2）把常规保护各元件的整定值按I、III段整定，且时间继电器整定时间要比微机保护III段的整定时间多12秒。（3）合上三相电源开关，直流电源开关。（4）合上微机装置电源开关，按实验1）中所述方法整定有关整定值，退出低压启动和重合闸功能，将保护I、II、 III段均投入。（5）将模拟线路电阻滑动头移到5W处。（6）系统运行方式选择，置于“最大”，将微机出口LP1退出，将常规出口LP2投入。（7）合上模拟断路器。（8）调节调压器输出，使台上电压表指示从0V慢慢升到100V。，负载灯全亮。（9）合上SA、SB、SC短路模拟开关。（10）合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。此时负荷灯全部熄灭，微机I段保护首先动作，显示“Sd-”（为测量的故障电流幅值大小），同时“I段动作”指示灯点亮，因LP1开路会导致模拟断路器不能分断，随后微机II段保护动作，显示“GL-”，同时“II段动作”指示灯点亮，但因本试验台微机保护I、II、III段出口共用LP1，所以此时，模拟断路器仍不能分断，再延时一会就会有微机段保护动作，显示“FH-”，同时“III段动作”指示灯点亮，但因共用一个出口且LP1并没有投入，所以微机保护不能将故障切除。但因为常规保护III段投入了，且常规保护III段动作时间整定比微机保护III段动作时间稍长，所以常规保护III段将在微机保护III段动作之后动作切除故障（此处加入常规保护III段，是为配合本实验，因微机I、II、III段共用一个出口LP1，将其退出之后，本试验台就没有任何保护，当短路故障发生后，因电流较大，怕故障长时间不能切除而烧损设备，故投入常规保护III段以作后备）。（11）也可通过查询故障显示画面顺序确定故障发生的先后顺序。（12）断开故障模拟断路器，按微机保护装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器，即恢复模拟系统的无故障运行。（13）改变故障短路点和系统运行方式，比较实验现象有何不同。并记录实验数据于下表：短路电阻/W短路电流345678段动作情况100000段动作情况1111110段动作情况111111动作电流Id/ A5.324.854.414.213.773.64（14）实验结束后，将调压器输出调回零，断开短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。注意：为了获得比较理想的实验效果，可以适当延长各段保护时间整定值间的差值大小。2电流电压联锁微机保护实验本次实验在最小运行方式下模拟线路30%处三相短路实验。（1）按图5-4所式原理接线图完成实验接线。（2）将台面上部的LP1接通（微机出口连接片投入），将LP2断开（常规出口连接片不投入）。（3）将线路电阻滑动头移动到3处。 （4）系统运行方式选择开关置于“最小”位置处。（5）合上实验三相电源开关，直流电源开关，并将线路模型中的PT测量接入微机保护装置中的微机PT输入。（6）合上微机装置电源开关，根据实验1中介绍的方法设置有关整定值，将三段电流保护全部投入，将保护装置的低电压起动值设置为30V，并将低压闭锁功能投入，将重合闸功能退出。（7）合上模拟断路器，调节调压器输出，使屏上电压表指示从0V慢慢上升到100V为止。负荷灯全亮。（8）合上SA、SB、SC短路模拟开关。（9）合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。此时，负荷灯全熄，虽然微机保护测量电流幅值大于I段整定值，但由于其电压测量值高于低电压起动元件的设置值，所以，I段保护不会动作（“I段动作”指示灯不会点亮），只有延时一会后，在II段保护延时时间到达后装置才会发跳闸命令断开模拟断路器，同时显示屏显示“GLXXX”，并点亮“II段动作”指示灯。注意：为了获得明显的效果，可适当地加长II段保护动作延时时间的整定值大小。(10) 断开故障模拟断路器，按微机保护装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器，即恢复模拟系统无故障运行方式。(11)修改微机保护单元箱中低压起动值，将其改为60V，再重复步骤（9）的实验过程，此时应该由I段保护动作，并发命令断开模拟断路器，同时保护单元箱上显示屏显示“SdXXX”，并点亮“I段动作”指示灯。（12）改变微机保护单元箱中低电压启动值为不同数值，重复步骤（9）和（10），将实验数据填入下表。整定电压/V短路电流486050607080段动作情况不动作动作段动作情况动作动作动作电流Id/ A5.48A5.75A(13) 实验结束后，将调压器输出调回零，断开直流电源，断开短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。3微机重合闸实验本次实验改为最小运行方式下三相短路实验。（1）本实验接线与实验2中的一样。（2）将台面上部的LP1接通（微机出口连接片投入），将LP2断开（常规出口连接片不投入）。（3）将线路电阻滑动头移动到3处。（4）系统运行方式选择开关置于“最小”位置处。（5）合上三相电源开关，直流电源开关。（6）合上微机装置电源开关，根据前几次实验的中介绍方法确定整定值的大小，将三段电流保护全部投入，保护装置的低电压值设为60V，并将低压闭锁和重合闸功能均投入。（7）合上模拟断路器，将调压器输出从屏上电压表指示0V慢慢上升到100V为止，负载灯全亮，。让其在正常状态下运行约10秒钟。（8）合上SA、SB、SC短路模拟开关。（9）短时间合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。此时，负载灯全熄，保护单元箱I段保护动作，发命令断开模拟断路器，同时显示屏显示“SdXXX”，并点亮“I段动作”指示灯；等待一会后（等待时间由装置中设置的重合闸时间确定），微机装置会发命令将断开的模拟断路器再次合上，同时显示屏显示为“-CH-”，若此时故障模拟断路器仍然处在合闸状态，则保护装置会迅速再发出跳闸命令将模拟断路器永久分开，并不再进行重合闸操作，同时，微机保护装置显示改为“GS-XXX”；若重合闸发生时，故障模拟断路器已经处于断开状态，则可使重合闸操作成功。重合闸操作成功后约10秒钟，再进行故障实验，则动作情景同上所述。（10）对永久性故障，在加速跳闸后，断开故障模拟断路器，复位微机装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器恢复无故障运行。（11）根据下表中给定的短路电阻值重新设置短路电阻滑动触头的位置，重复步骤（9）和（10），将实验数据数据记录在下表中。短路电阻/W短路电流3468段动作情况动作不动作不动作不动作段动作情况不动作动作 动作动作段动作情况不动作动作电流Id/ A5.67A5.05A4.29A3.73A永久性故障时动作情况GS-5.67 (12) 实验结束后，将调压器输出调回零，断开短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。4微机保护与重合闸继电器配合实验本次实验选择最大运行方式下模拟线路三相短路实验。（1）按图5-4完成实验接线。（2）将台面上部的LP1接通（微机出口连接片投入）。（3）将线路电阻滑动头移到3W处。（4）系统运行方式选择开关置于“最大”位置处。（5）合上三相电源开关。（6）合上微机装置电源开关，根据前几次实验中介绍方法确定整定值，将三段电流保护全部投入，将保护装置的低电压起动值设置为60V，并将低压闭锁和选择外接重合闸继电器功能均投入，将微机重合闸功能退出，并将重合闸继电器功能选择开关投入“ON”位置。（7）合上直流电源开关；合上模拟断路器，将调压器输出从屏上电压表指示0V慢慢升到100V，此时100V电压仍为变压器二次侧线电压，负荷灯全亮，让系统在正常状态下运行约30秒钟，让重合闸继电器充电电容充电，直到重合闸继电器充电指示灯变亮。（8）合上SA、SB、SC短路模拟开关。（9）短时合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。此时负荷灯全熄，保护单元箱I段动作，发命令断开模拟断路器，同时显示屏显示“Sd-”，并短时间点亮“I段动作”指示灯，等待一段时间后（等待时间由重合闸继电器整定），重合闸继电器会发出命令将断开的模拟断路器再次合上，若此时故障模拟断路器仍然处在合闸状态，则保护装置会迅速再发出跳闸命令将模拟断路器永久分开，并不再进行重合闸操作，同时，微机保护装置显示改为“GS-”；若重合闸发生时，故障模拟断路器已经处于断开状态，则可使重合闸操作成功。重合闸操作成功后约30秒，再进行故障实验，则动作情景同上所述。（10）对永久性故障，在加速跳闸后，断开故障模拟断路器，复位微机装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器恢复无故障运行。（11）根据下表中给定的短路电阻值重新设置短路电阻滑动触头的位置，重复步骤（9）和（10），将实验结果记录下表中。 （12）实验结束后，将调压器输出调到零，断开短路模拟开关和模拟断路器，断开所有实验电源开关。短路电阻/W短路电流368678段动作情况100段动作情况011段动作情况000动作电流Id/ A5.71A4.423.71A永久性故障时动作情况GS GS GS输电线路距离保护（一）实验目的1熟悉阻抗继电器原理、特性及调整整定值方法。2掌握阻抗继电器在线路距离保护中的应用和实现方法以及与重合闸继电器的配合方式。3了解不同的运行方式对距离保护的影响。4了解同一变电站阻抗保护各段之间配合的动作过程。（二）基本原理随着电力系统的发展，出现了容量大、电压高或结构复杂的网络，这时简单的电流、电压保护难于满足电网对保护的要求。例如，对于高压长距离重负荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流的数值与负荷电流相差不大，故电流保护往往不能满足灵敏度的要求；对于电流速断保护，其保护范围随电网运行方式的变化而改变，保护范围不稳定，某些情况下甚至无保护区，所以如何使继电保护的灵敏度不受（或少受）系统运行方式的影响，这就是系统发展对继电保护提出的新要求。阻抗保护就是适应此要求的一种保护。1阻抗保护的基本原理所谓阻抗保护，就是指反应保护安装处至短路故障点的距离，并根据这一距离的远近而确定是否动作的一种保护装置，其基本原理图如图6-1所示。KZABCk1k2Zk1Zk2图6-1 距离保护基本原理说明图 系统正常工作时，保护安装处测量到的电压为Uw，它接近于额定电压。保护安装处测量到的电流为负荷电流IL，则比值Uw/IL=Zm，基本上是负荷阻抗ZL，其值较大，负荷阻抗角jk1较小（一般为3040左右）。当图6-1所示k1点短路时，保护安装处测量到的电压为k1点短路时的残压Uk1=Ik1Zk1，测量到的电流为Ik1，则比值Uk1/Ik1=Zk1。而当k2点短路时，则有 =ZAB+Zk2。后两种状态下的阻抗值均较小，而阻抗角为jk其值较大。显然利用电压和电流的比值，不但能清楚地判断系统的正常工作状态和短路状态，还能反映短路点到保护安装处的电气距离。短路点远，Zk大。由于Zk只与短路点到保护安装处的电气距离有关，因此，用构成的保护，其保护范围基本上不受运行方式变化的影响。这就克服了电流、电压保护的灵敏度受系统运行方式影响的缺点。距离保护与电流保护一样，也有一个保护范围，短路发生在这一范围内，保护动作，否则不动作。这个保护范围通常是用给定阻抗值的大小来实现的。这个给定的阻抗称整定阻抗，用Zset表示。当线路发生短路时，距离保护测量到的阻抗Zm（正常时Zm=ZL，短路时Zm=Zk）小于整定阻抗，即ZmZset，保护不动作。因此，距离保护实质上是一种低量动作保护。2距离保护的时限特性目前广泛应用的距离保护的动作时限具有阶梯形时限特性，这种动作时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也作成三阶梯式，即有与三个动作范围相应的三个动作时限：tI、tII、tIII。图6-2示出了线路AB距离保护的时限特性。ZABZZBCZtKZ1KZ2ABClotItIItIItItII保护I段保护II段保护III段图6-2 距离保护三段式阶梯时限特性AIkTA ZkZIUsctTV2k1UmUmTV1图6-3 阻抗继电器构成原理说明图中：1比较电流；2输出通常，距离保护的第段的保护范围为本线路全长的80%85%，即=（0.80.85）ZAB，动作时限为t10s ，距离保护的第段要与下一线路的第I段相配合，即=（0.80.85）（ZAB+），tII=0.5s，第II段的灵敏系数为Ksen=1.25。距离保护的第段为本线路和相邻线路的后备保护，其动作阻抗应躲过正常运行时的最小负荷，其动作时限tIII应大于下一变电站出线保护的最大动作时限一个Dt。3阻抗继电器的基本构成原理距离保护能否正确动作，取决于保护能否正确地测量从短路点到保护安装处的阻抗，并使该阻抗与整定阻抗比较，这个任务由阻抗继电器来完成。单相式阻抗继电器接线原理图如图6-3所示。图中，若k点三相短路，短路电流为Ik，由TV回路和TA回路引至比较电路的电压分别为测量电压Um和整定电压Uset。Um为 （6-1）式中，KTV，KTV1电压互感器TV和电压变换器TV1的变化；Zk母线至短路点k的短路阻抗。若认为比较回路的阻抗无穷大时，则 （6-2）式中，Z1人为给定的模拟阻抗。比较式（6-1）和（6-2）可见，若假设KTVKTV1=KTA，则短路时，由于线路上流过同一电流Ik，因此，比较Um和Uset的大小，就等于比较Zm和Z1的大小。如果UmUset，则表示ZmZ1，保护应不动作；如果UmUset，则表示ZmZ1，保护应动作。阻抗继电器就是根据这一原理工作的。4阻抗继电器的动作特性为了便于分析输电线路阻抗和阻抗继电器整定阻抗之间的关系，可将二者均画于同一阻抗复数平面上，如图6-4所示。现以线路BC上的保护2为例，线路的始端B位于坐标的原点，当不同地点发生短路时，保护2的测量阻抗在直线BC或BA上变化，即正方向短路时测量阻抗在第一象限，反方向短路时，测量阻抗在第三象限。正向测量阻抗与R轴的夹角为线路的阻抗角jL。假如保护2的整定阻抗Zset=0.85ZBC，并且整定阻抗角jset=jL，那么，Zset在复数平面上的位置必须在BC上。显然，在Zset范围内发生故障时，保护都可以动作。因此，从原则上讲，阻抗继电器的保护范围是在Zset范围内的直线上。但是，实际上阻抗继电器的保护范围不能是一条直线，其原因有如下两点。 1）短路点过渡电阻的影响当线路上发生非金属性短路时，保护的测量阻抗将由短路阻抗Zk和过渡电阻，主要是电弧电阻Rarc组成，即Zm=Zk+Rarc=(Rk+Rarc)+jXk。由于电弧电阻的存在，即使短路点在保护范围内，但测量阻抗已不在直线上了。2）互感器角误差的影响由于阻抗继电器必须引入电流和电压。这两个量是经TV和TA引来的，由于互感器存在角误差d，当一次侧测量阻抗角为jk时，二次侧测量阻抗角将增加互感器的角误差dTV、dTA，即 jm = jk dTA dTV这一因素的影响，将使阻抗继电器的测量阻抗不能在一条直线上变化。因此，为了保证阻抗继电器在可能出现的故障情况下，都能正确动作，往往将阻抗继电器的保护范围扩大成一个面或圆的形式。当继电器的保护范围是圆时，测量阻抗如位于圆内，则继电器动作。故圆内为动作区，圆外为不动作区。当测量阻抗刚好位于圆周上时，继电器将处于临界动作状态，此时的测量阻抗称为临界动作阻抗，简称动作阻抗，以Zop表示。1QF13QF2ABC2QF4QFk1k2jXRACBj1Zmk1ZsctR12图6-4 阻抗继电器的特性图图中：2方向阻抗继电器特性在图6-4中，若以Zset为半径，坐标圆点B为圆心，则得到圆1。在此情况下，不论短路发生在正方向（BC线路）还是反方向（BA线路），只要测量阻抗位于圆内，继电器都能动作，这种继电器称为全阻抗继电器，与之对应的圆称为全阻抗继电器特性圆。以整定阻抗Zset为直径作圆时，这样它的圆周通过B点，它的范围只能从变电站B伸向变电站C，如图6-4中圆2。反方向短路时，保护就不动作。由圆2所示的特性称方向阻抗继电器特性。方向阻抗继电器的保护范围跟阻抗继电器的整定阻抗角jset很有关系，若jset与线路阻抗角j1相等，即jset=j1，则继电器的动作阻最大（等于圆的直径）亦即保护范围最长，继电器最灵敏。此时的整定阻抗角称为阻抗继电器的最大灵敏角，用jsen表示。由图6-5所示的方向阻抗继电器特性圆可见：1）当线路上发生带过渡电阻较大的短路时，测量阻抗有可能落在圆外，而不动作。如图中k1点带过渡电阻短路，测量阻抗落在圆外，继电器不会动作。若过渡电阻较小时，继电器会动作。2）在正常带负荷的状态下，由于负荷的功率因素角jL=3040（cosj=0.80.9），负荷阻抗ZL反映在特性圆上如直线2所示。显然，当负荷较大时，ZL=可能落入圆内如C点，引起阻抗保护误动作。A为临界误动作。jXZLCBjLZmk1R21RABC由上分析可见，为了提高耐过渡电阻的能力，以及提高躲负荷的能力，方向阻抗继电器的特性如图6-6所示较为理想。图中A可以沿R移动，C点可沿x轴移动，以改变保护动作区域范围。本试验台微机阻抗保护部分的阻抗特性采用了图6-7的特性。图6-5 圆特性阻抗元件的分析jXR151545ACO图6-6 多边形阻抗保护动作微机保护的典型硬件结构图参见图5-1。本试验台微机距离保护软件基本框图如图6-7所示。初始化阻抗保护？Y数据采集及电量计算有突变量标志？NY负序分量计算N阻抗计算负序分量大于给定值？Y测量阻抗在段动作区内？阻抗计算NY测量阻抗在段动作区内？测量阻抗在段动作区内？NYYN故障时间到？故障时间到？发段动作命令NYY发段动作命令发段动作命令显 示读键盘信息N有键入信号？YN重合闸投入？YN重合闸条件满足？键入信号处理显示信息YN重合闸时间到？Y发重合闸命令显示信息图6-7 微机距离保护软件基本框图（三）实验内容DJZ-型试验台中的微机保护装置可以实现三段式电流保护、三段式距离保护及变压器差动保护。通过试验台上保护单元箱有关整定值的设置，即通过对E1和E2两项整定值的不同设置可以选择进行不同的实验内容。当E1设置为“ON”时，表示选择进行“阻抗保护”实验；当E2设置为“ON”时，表示选择进行变压器保护实验；当E1和E2均设置为“OFF”时，表示选择进行线路保护实验。三段式距离保护为相间距离保护。阻抗特性采用多边形特性，保护通过相电流差突变量元件启动，采用负序方向元件把关。电流保护与距离保护共用同一滑线变阻器模拟该线路下任意一点短路。图6-8 阻抗保护实验一次系统图12,4,5W测量孔1KM1CTTM220/127VRS最小最大区内区外PT测量移相器2KM2CTK11R2W3KMRd10W2R45WDXK3阻 抗 保 护本试验台阻抗保护实现方法是利用移相器改变PT副方电压相量与电流相量间的相对关系，其一次原理图如图6-8所示。故障发生时，微机检查出电压、电流的幅值变化及他们间相角的差值情况，通过计算阻抗与给定的动作特征进行比较来确定是否有故障发生的。通常阻抗保护第I段保护本线路全长的80%85%；第II段保护本线路的全长，且延伸到下一段的部分，相当于125%；第III段为本线路和相邻线路的后备，有一定裕量，相当于250%。由此可得阻抗整定值。由原理接线图可见，模拟线路电阻滑动头与故障时基本阻抗模值相对应。如当模拟线路电阻滑动头移至50%处时，表示模拟线路故障时的阻抗模值为5。将整定值表中的阻抗特性电阻分量设置为4，相间I段电抗分量定值设置为8，相间II段电抗分量定值设置为12.5，相间III段电抗分量定值设置为25，以下实验都按此整定值。阻抗保护程序正常运行时，微机处于测量状态，显示屏循环显示A、B、C三相电流幅值和AB、BC、CA相线电压幅值；故障时，微机保护的测量阻抗在动作区域内时，先在显示屏上显示故障类型和测量阻抗模值的大小（显示的前两位为故障类型，后三位是测量阻抗模值的大小，中间使用符号“-”隔断）。当故障持续时间到时，微机装置根据测量阻抗和整定值的设置情况确定选择出口继电器，并点亮相应的指示灯。若故障显示的类型中第一位是“1”，则表示I段出口继电器动作，同时“I段动作”指示灯亮；若故障显示的类型中第一位是“2”，则表示II段出口继电器动作，同时“II段动作” 指示灯亮；若故障显示的类型中第一位是“3”，则表示III段出口继电器动作，同时“III段动作” 指示灯亮。故障显示的类型中第二位是1、2、3，则表示相间故障分别为AB、BC、CA相。若发生三相短路情况,则首先检测AB相，看其测量阻抗是否在动作区内，若不在范围内，再检测BC相，最后检测CA相。1 多边形阻抗保护动作特性实验DJZ-III试验台的常规继电器和微机保护装置都没有接入电流互感器TA回路，实验前应接好线才能进行实验。微机阻抗保护实验原理接线图如图6-9所示。通过在不同的移相角度和短路电阻下，经过多次实验，可确定I段保护的动作区域，II、III段保护的动作区域由于试验台所设线路结构模型的限制，只能测出部分范围。为了能通过尽可能少的实验次数确定I段保护的动作区域，可根据图6-7给出的多边形阻抗保护动作特性和电阻分量及I段电抗分量整定值的大小计算出明确的I段保护动作区域，然后再通过实验进行检查。以下给出的实验步骤和数据记录表格仅作参考，实验者可根据实际要求进行修改。（1）按图6-9完成实验接线。（2）合上三相电源开关和直流电源开关，合上模拟断路器1KM、2KM，调节调压器输出，使试验台微机保护单元电压显示值升到50V，负载灯全亮。（3）合上微机装置电源开关，按附录二中所述方法将微机阻抗保护整定值进行修改（有关整定值的大小详见本节开始部分）。（4）将台面右上角的LP1（微机出口连接片）接通。（5）合上模拟线路的SA、SB和SC短路模拟开关。（6）合上故障模拟断路器3KM。模拟系统发生三相短路故障。此时负荷灯全熄灭，微机装置显示“11-XXX”（第一个“1”，表示I段保护动作，第二个“1”表示AB相短路;XXX为测量阻抗模值的大小），“I段动作”指示灯点亮，由I段保护动作跳开模拟断路器，从而实现保护功能。（7）断开故障模拟断路器3KM，按微机保护的“信号复位”按钮，可重新合上模拟断路器2KM，负荷灯全亮，即恢复模拟系统无故障运行状态。（8）以1为步长，移动短路电阻滑动头，重复步骤（6）和（7），直到I段保护不动作，记下此时的短路电阻值。（9）按表6-1中给定的值将移相器调整到另一个角度，将短路电阻滑动头先移动到30%处，或将短路电阻滑动头移至比理论计算值约小2处，重复实验步骤（6）至（8），将实验结果记录在表6-1中。表6-1 多边形阻抗保护特性实验数据记录表（1表示动作，0表示不动作）电阻/W移相器/12345678910-151111000000011110000001511111000003011111111114511111111116011111111117511111111119011111111111051111110000（10）实验结束后，将调压器输出调回零，断开各种短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。（11）根据实验数据确定I段阻抗保护的动作区域，并与图6-7所示动作区域进行比较，分析误差原因。2同站间微机距离保护动作配合实验根据本试验台硬件配置特点，在进行同站间微机距离保护的实验时为防止实验装置长时间在故障状态下失去保护、电流过大、线路过热，我们将常规电流保护III段接入，作为微机的后备保护，实验接线参阅第五章图5-5。实验步骤如下：（1）按第五章图5-5完成微机装置和常规保护装置接线。（2）将KA4、KA5、KA6继电器电流整定为0.8A，时间继电器整定为3S，移相器调至45度位置。（3）运行方式选择，置为“最小”处。（4）将模拟线路电阻滑动头移到30%处。（5）合上三相电源开关，直流电源开关，模拟断路器1KM、2KM。（6）合上微机装置电源开关，根据本章实验1介绍方法整定有关值，为了获得比较理想的实验效果，可以适当延长各段保护时间整定值的大小，II段动作整定时间t2设为1s，III段动作时间t3设为2S，重合闸退出，微机保护出口连接片LP1断开。（7）调节调压器输出，使试验台微机保护单元电压显示值升到60V，负载灯全亮。（8）合上模拟线路的短路模拟开关SA、SB。（9）合上模拟线路的短路操作开关3KM。模拟系统发生AB相间短路故障。故障发生时负荷灯部分熄灭，线路I段保护首先动作，显示“11-XXX”（XXX为测量阻抗模值的大小），同时“I段动作”指示灯点亮，但因LP1开路会导致模拟断路器不能分断；随后II段保护动作，显示“21-XXX”，同时“II段动作”指示灯点亮，但因LP1开路也会导致模拟断路器不能分断；再延迟一会就会有III段保护动作，显示“31-XXX”，同时“III段动作”指示灯点亮，但因LP1开路也会导致模拟断路器不能分断，当线路常规过电流保护系统中的时间继电器延时时间到后，信号继电器动作发动作信号，中间继电器出口跳开模拟断路器，负载灯熄灭。通过查询故障显示画面的顺序也可确定故障发生的先后次序。（10）断开短路操作开关，按微机保护装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器1KM、2KM，即恢复模拟系统的无故障运行。（11）实验结束后，将调压器输出调回零，断开短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有电源开关。（12）改变短路模拟开关的组合或模拟线路电阻滑动头的位置，重复步骤（5）至（11），可以进行类似的实验。表6-2 同站间微机距离保护配合实验数据记录表模拟线路电阻/W12345678910指示灯段亮亮段亮亮亮亮亮段亮亮亮亮亮亮亮亮亮亮保护动作时测电阻抗模值/W段7.288.14段9.119.9211.2段13.114.314.915.916.53运行方式变化对阻抗保护动作影响的实验（1）试验接线如图6-9接线图所示。（2）微机保护整定值不变，微机出口投入，重合闸退出，移相器角度45度。（3）将模拟线路电阻滑动头移至50%处。（4）运行方式选择，置为“最大”处。（5）合上三相电源开关，直流电源开关。（6）合上模拟线路的模拟断路器1KM、2KM，调节调压器输出，使试验台微机保护单元电压显示值升到60V，负荷灯全亮。（7）合上模拟线路的短路模拟开关SA、SC。（8）合上短路操作开关3KM。模拟系统发生AC相间短路故障。故障发生时负荷灯熄灭，模拟线路的I段保护动作，显示“13-”（为测量阻抗模值的大小），同时“I段动作”指示灯点亮，模拟断路器分断。（9）断开模拟线路短路操作开关，按微机保护装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器，即恢复模拟系统的无故障运行。（10）重复步骤（8）和（9），将实验数据记录于表6-3中。（11）改变运行方式选择开关的位置，置为“正