实验四 功率方向电流保护实验
【实验名称】
功率方向电流保护实验
【实验目的】
1. 熟悉相间短路功率方向电流保护的基本工作原理； 2. 进一步了解功率方向继电器的结构及工作原理； 3. 掌握功率方向电流保护的基本特性和整定实验方法。
【预习要点】
1. 复习功率方向电流保护相关知识。
2. 功率方向电流保护在多电源网络中什么情况下称为正方向？什
么情况下称为反方向？为什么它可以只按正方向保证选择性的条件选择动作电流？
【实验仪器设备】
1
【实验原理】
1.方向电流保护的基本原理
随着电力系统的发展及用户对供电可靠性要求的提高，出现了两侧电源或单电源环网的输电线路。在这样的电网中，为切除线路上的故障，线路两侧都装有断路器和相应的保护，如装设前面讲过的电流保护，将不能保证动作的选择性性。
图4-1 两侧电源辐射电网
下面以图4-1两侧电源辐射形电网为例分析如下：
在图4-1中，以3号断路器QF3的电流保护为分析对象。在f1点短路时流过3号断路器QF3的电流从母线到线路；在f2点短路时流过3号断路器QF3的电流从线路到母线，f1点短路和f2点短路流过3号断路器的短路电流数值有可能达到保护的动作值。因为电流保护并不能判别电流的方向，所以在f1点和f2点短路，PQ线路的电流保护都有可能动作。但在f2点短路时，根据选择性的要求3号断路器的保护不应该动作，如若动作，这是无选择性的动作（图中其他断路器QF2、QF4、QF5存在同样的问题）。
要解决选择性问题，可在原来电流保护的基础上装设方向元件（功率方向继电器）。首先分析不同点短路时短路功率的方向。规定功率的方向。规定功率的方向由母线流向线路的为正，功率的方向由线路流向母线的为负，并由功率方向继电器加以判断，当功率方向为正时动作，反之不动作。在f1点短路时，流过保护3、4的功率方向是由母线流向线路的，方向为正，保护3、4动作，断开断路器QF3、QF4。在f2点短路时，流过断路器1、2的功率方向也是由母线流向线路的，方向为正，保护1、2动作，，断开断路器QF1、QF2，而f1点短路流过断路器QF3的功率是由线路流向母线，方向为负，保护3不动。这保证了选择性。借助功率方向继电器，就可以很好的解决继电保护用于双侧电源和单侧电源环网输电线路时的选择性问题。
2
从图4-1中不难看出，在f1短路通过断路器QF1的功率方向也是由母线指向线路；f1点故障断路器1的保护也满足动作条件。保护1 是保护3的上级，保护1能反应f1点故障的保护是带延时的保护，当f1点发生故障时，断路器QF3在断路器QF1之前动作切除故障，故障切除后，断路器1的保护就返回，可保证供电的持续性，根据以上分析，判别短路功率的方向，是解决电流保护用于双侧电源或单电源环网输电线路选择性问题的有效方法。这种附加判功率方向的电流保护，称为方向电流保护。其触点连接图如图4-2所示。
图4-2 方向电流保护原理图
在图中KW为功率方向继电器。由KW判别功率的方向，KA判别电流的大小。只有在正向范围内发生了短路故障，KW、KA均动作，断路器才断开切除故障。
2.方向电流保护的整定计算
当线路上某一点发生故障时，对任一断路器的保护装置，流过的短路电流都是单一方向的，所以，两端电流线路上电流保护的整定计算方法，与前面所讲的三段式电流保护的整定计算方法基本相同。所不同的是方向电流保护要注意正向电流，即方向电流保护的动作电流要按正向电流计算。在图4-3中，计算断路器QF1、QF3、QF5速断保护的动作电流时，可将QF6断开计算各自线路末端的短路电流，再根据短路电流计算速断保护的动作电流；过电流保护的动作电流应根据正常运行时的正负电流计算。同理，可将QF1断开计算另一方向的动作电流值。
3
图4-3 方向电流保护的整定计算网络图
对于方向过电流保护的时间整定，同方向的保护应按阶梯时限整定，在图4-3所示系统中，应满足
t1>t3>t5;t6>t4>t2
t1=t3+∆t;t3=t5+∆t及t6=t4+∆t;t4=t2+∆t
【实验内容】
1．功率方向保护各继电器的调试整定及控相 （1）实验接线见图4-4，按实验要求进行正确接线。
（2）根据继电器的调试整定要求将电流继电器动作值整定为0.9A（电流继电器采用DL－21C/3，整定范围为0.5～2A），时间继电器动作时间整定为1秒（时间继电器采用DS－21），整定范围为0.25～1.25S），功率方向继电器取-45°灵敏度。
图4-4功率方向保护实验接线图
4
2．正方向动作功率实验
（1）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“正常”，A站实验内容和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。
（2）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；
（3）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，逆时针调节EPL-03B的线路故障点设置旋钮，使电流表的读数为0.8A，观察各继电器动作情况，作好动作记录，记入表4-1；
（4）继续逆时针调节EPL-03B的线路故障点设置旋钮，使电流表的读数为1.0A，观察各继电器动作情况，作好动作记录，记入表4-1；
（5）切断主电源，把EPL-03B的线路故障点设置旋钮置于顺时针到底位置。 3．反方向动作功率实验
将变压器输出端接至电流继电器和功率方向继电器电流回路的接线方式改变为模拟反方向动作功率方式，其余步骤同“正方向动作功率实验”，记入表4-1。
表4-1
5
【实验报告】
1. 整理实验数据，填入对应的数据表格中。 2. 问题与思考
1）方向电流保护是否存在死区？死区可能在什么位置发生？ 2）简述90°接线原理的三相功率方向保护标准接线要求。
6
附录：EPL-15相位仪测量相位方法
图4-5所示的EPL-15相位仪测试单元的平面布置图。
图4-5 相位仪单元布置图
（1）在EPL-15电秒表、相位仪的测量单元的电压输入端口端接入电压信号，在电流输入端口端接入电流信号。
（2）显示屏显示的数据即为引入的电压信号与引入的电流信号之间的相位差值。
（3）在进行相位测量时，电压信号与电流输入信号不要接错了位置，且电压信号是并联接入的，电流信号是串联在回路中的。
（4）要注意电压、电流输入信号的极性，极性不对，显示的相位差也不对。 （5）电压输入信号在（0～150V）之间，电流输入信号在（0～1A）之间。
7
实验四 功率方向电流保护实验
【实验名称】
功率方向电流保护实验
【实验目的】
1. 熟悉相间短路功率方向电流保护的基本工作原理； 2. 进一步了解功率方向继电器的结构及工作原理； 3. 掌握功率方向电流保护的基本特性和整定实验方法。
【预习要点】
1. 复习功率方向电流保护相关知识。
2. 功率方向电流保护在多电源网络中什么情况下称为正方向？什
么情况下称为反方向？为什么它可以只按正方向保证选择性的条件选择动作电流？
【实验仪器设备】
1
【实验原理】
1.方向电流保护的基本原理
随着电力系统的发展及用户对供电可靠性要求的提高，出现了两侧电源或单电源环网的输电线路。在这样的电网中，为切除线路上的故障，线路两侧都装有断路器和相应的保护，如装设前面讲过的电流保护，将不能保证动作的选择性性。
图4-1 两侧电源辐射电网
下面以图4-1两侧电源辐射形电网为例分析如下：
在图4-1中，以3号断路器QF3的电流保护为分析对象。在f1点短路时流过3号断路器QF3的电流从母线到线路；在f2点短路时流过3号断路器QF3的电流从线路到母线，f1点短路和f2点短路流过3号断路器的短路电流数值有可能达到保护的动作值。因为电流保护并不能判别电流的方向，所以在f1点和f2点短路，PQ线路的电流保护都有可能动作。但在f2点短路时，根据选择性的要求3号断路器的保护不应该动作，如若动作，这是无选择性的动作（图中其他断路器QF2、QF4、QF5存在同样的问题）。
要解决选择性问题，可在原来电流保护的基础上装设方向元件（功率方向继电器）。首先分析不同点短路时短路功率的方向。规定功率的方向。规定功率的方向由母线流向线路的为正，功率的方向由线路流向母线的为负，并由功率方向继电器加以判断，当功率方向为正时动作，反之不动作。在f1点短路时，流过保护3、4的功率方向是由母线流向线路的，方向为正，保护3、4动作，断开断路器QF3、QF4。在f2点短路时，流过断路器1、2的功率方向也是由母线流向线路的，方向为正，保护1、2动作，，断开断路器QF1、QF2，而f1点短路流过断路器QF3的功率是由线路流向母线，方向为负，保护3不动。这保证了选择性。借助功率方向继电器，就可以很好的解决继电保护用于双侧电源和单侧电源环网输电线路时的选择性问题。
2
从图4-1中不难看出，在f1短路通过断路器QF1的功率方向也是由母线指向线路；f1点故障断路器1的保护也满足动作条件。保护1 是保护3的上级，保护1能反应f1点故障的保护是带延时的保护，当f1点发生故障时，断路器QF3在断路器QF1之前动作切除故障，故障切除后，断路器1的保护就返回，可保证供电的持续性，根据以上分析，判别短路功率的方向，是解决电流保护用于双侧电源或单电源环网输电线路选择性问题的有效方法。这种附加判功率方向的电流保护，称为方向电流保护。其触点连接图如图4-2所示。
图4-2 方向电流保护原理图
在图中KW为功率方向继电器。由KW判别功率的方向，KA判别电流的大小。只有在正向范围内发生了短路故障，KW、KA均动作，断路器才断开切除故障。
2.方向电流保护的整定计算
当线路上某一点发生故障时，对任一断路器的保护装置，流过的短路电流都是单一方向的，所以，两端电流线路上电流保护的整定计算方法，与前面所讲的三段式电流保护的整定计算方法基本相同。所不同的是方向电流保护要注意正向电流，即方向电流保护的动作电流要按正向电流计算。在图4-3中，计算断路器QF1、QF3、QF5速断保护的动作电流时，可将QF6断开计算各自线路末端的短路电流，再根据短路电流计算速断保护的动作电流；过电流保护的动作电流应根据正常运行时的正负电流计算。同理，可将QF1断开计算另一方向的动作电流值。
3
图4-3 方向电流保护的整定计算网络图
对于方向过电流保护的时间整定，同方向的保护应按阶梯时限整定，在图4-3所示系统中，应满足
t1>t3>t5;t6>t4>t2
t1=t3+∆t;t3=t5+∆t及t6=t4+∆t;t4=t2+∆t
【实验内容】
1．功率方向保护各继电器的调试整定及控相 （1）实验接线见图4-4，按实验要求进行正确接线。
（2）根据继电器的调试整定要求将电流继电器动作值整定为0.9A（电流继电器采用DL－21C/3，整定范围为0.5～2A），时间继电器动作时间整定为1秒（时间继电器采用DS－21），整定范围为0.25～1.25S），功率方向继电器取-45°灵敏度。
图4-4功率方向保护实验接线图
4
2．正方向动作功率实验
（1）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“正常”，A站实验内容和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。
（2）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；
（3）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，逆时针调节EPL-03B的线路故障点设置旋钮，使电流表的读数为0.8A，观察各继电器动作情况，作好动作记录，记入表4-1；
（4）继续逆时针调节EPL-03B的线路故障点设置旋钮，使电流表的读数为1.0A，观察各继电器动作情况，作好动作记录，记入表4-1；
（5）切断主电源，把EPL-03B的线路故障点设置旋钮置于顺时针到底位置。 3．反方向动作功率实验
将变压器输出端接至电流继电器和功率方向继电器电流回路的接线方式改变为模拟反方向动作功率方式，其余步骤同“正方向动作功率实验”，记入表4-1。
表4-1
5
【实验报告】
1. 整理实验数据，填入对应的数据表格中。 2. 问题与思考
1）方向电流保护是否存在死区？死区可能在什么位置发生？ 2）简述90°接线原理的三相功率方向保护标准接线要求。
6
附录：EPL-15相位仪测量相位方法
图4-5所示的EPL-15相位仪测试单元的平面布置图。
图4-5 相位仪单元布置图
（1）在EPL-15电秒表、相位仪的测量单元的电压输入端口端接入电压信号，在电流输入端口端接入电流信号。
（2）显示屏显示的数据即为引入的电压信号与引入的电流信号之间的相位差值。
（3）在进行相位测量时，电压信号与电流输入信号不要接错了位置，且电压信号是并联接入的，电流信号是串联在回路中的。
（4）要注意电压、电流输入信号的极性，极性不对，显示的相位差也不对。 （5）电压输入信号在（0～150V）之间，电流输入信号在（0～1A）之间。
7