武大电气继电保护仿真实验报告

电气工程学院

《继电保护仿真实验》报告

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指导教师：

2015年 6 月 20 日

一．线路距离保护数字仿真实验

1. 实验预习

电力系统线路距离保护的工作原理，接地距离保护与相间距离保护的区别，距离保护的整定。 2. 实验目的

仿真电力系统线路故障和距离保护动作。 3. 实验步骤

（1） 将dist_protection拷到电脑，进入PSCAD 界面; （2） 打开dist_protection;

（3） 认识各个模块作用，找到接地距离保护和相间距离保护部分； （4） 运行。 4. 实验记录 （1） 断路器B1处保护的包括故障瞬间及断路器断开瞬间的三相测量电压、电流； a. 单相接地三相测量电压(故障相：A 相

)

单相接地三相测量电流(故障相：A 相

)

b. 两相短路接地三相测量电压(故障相：B 、C 相

)

两相短路接地三相测量电流(故障相：B 、C 相

)

c. 三相短路接地三相测量电压

三相短路接地三相测量电流

（2） 各个接地距离、相间距离保护测量阻抗的变化。

在dist_relay模块中找到显示接地距离、相间距离保护测量阻抗和整定阻抗的两个XY_Plot，利用Plot 右侧的滑竿可以清楚看到测量阻抗与整定阻抗的关系。注意记录的Plot 要显示整个运行期间测量阻抗与整定阻抗的关系。

由所学知识可知：当测量阻抗落入整定阻抗特性内则保护动作。

a. 单相接地短路时接地距离保护测量阻抗的变化（左图：整个过程。右图：放大）

单相接地短路时相间距离保护测量阻抗的变化

可知：相间距离保护无法正确反应单相接地故障距离。即保护拒动。

b ．两相接地短路时接地距离保护测量阻抗变化（左图：整个过程。右图：放大）

两相接地短路时相间距离保护测量阻抗的变化（左图：整个过程。右图：放大）

c. 三相接地短路时接地距离保护测量阻抗变化（左图：整个过程。右图：放大）

三相接地端路时相间距离保护测量阻抗变化（左图：整个过程。右图：放大）

5. 实验分析

（1） d ist_protection所设是何故障，由何种距离保护动作； 由以上实验结果可知，（1）在单相接地短路时，故障相接地距离测量阻抗落入整定阻抗圆内，所以接地距离保护动作。而相间距离测量阻抗没有落入其整定阻抗圆内，

故不动

作。（2）在两相接地短路情况下，故障相的接地距离测量阻抗与相间距离测量阻抗都有落入整定阻抗圆内。（3）三相接地故障情况下，故障相的接地距离测量阻抗与相间距离测量阻抗都有落入整定阻抗圆内。

这与课本所述一致，即接地短路故障时，取故障环路为相—地故障环路，接地距离保护测量阻抗能够准确反应故障距离。而相间短路时，故障环路为相—相故障环路，相间距离保护测量阻抗能够准确反应故障距离。 （2） 示例中整定阻抗是否与教材所授一致，整定阻抗的阻抗角是否为线路阻抗角;

查看整定参数如下：

可知整定阻抗的半径：r

=32，阻抗圆的圆心坐标为（5.5,31.5）。可以计算得到，

Z 正定阻抗的值为：set =11+j 63Ω

查看线路参数如下：

电导，电纳的值很小，因此我们忽略不计。可以看到，两段线路的单位长度的电阻和电感值

都是相同的，通过计算有：

可知：

Z =Z 1+Z 2=(3. 217+0. 357) +j (45. 699+5. 078) Ω=3. 57+j 50. 78Ω

可知整定阻抗与教材所授完全不一致，整定阻抗角也不是线路阻抗角。 6．（1）按教材所授重新设置I 段整定阻抗，要求整定阻抗的阻抗角为线路阻抗角；

首先计算圆心坐标：

（3.57,50.78）÷2⨯0.80=(1.428,20.312)

偏移圆的半径为：

r =. 4282+20. 3122=21. 635

线路阻抗角为：

ϕ=arctan

20. 312

=85. 98

1. 428

（2）改变线路故障位置，使B1断开。 根据上面（1）的I 段整定可知，距离保护I 段可以保护线路全长的80%，所以将故障位置设为距离B1为65km 处，若以上设置正确，则保护I 段应动作。 下面为单相接地短路的实验结果： 三相电流：

可知，在故障后，三相电流被截断，即B1的I 段动作，B1断开。之所以有延时，是因为有断路器动作时间和保护反应时间。

由测量阻抗也可看出B1会动作断开:

可知测量阻抗落入了整定阻抗之内，B1的保护I 段应动作断开。

7． 设计断路器B1处距离保护II 段。

根据所学知识，将断路器B1的II 段与相邻线路line4的线路距离保护I 段配合。 Line4的线路参数如下：

即：

整定后的II 段整定阻抗参数如下：

=

=4.86+j69.06

且动作时间为：0.5s.

假设故障为单相接地故障，选取故障点为距离B1为95km 处，若上面整定正确, 则此时B1的保护I 段不应动作，而保护II 段在0.5s 后应可靠动作。实验结果如下：

三相电流：

由短路后电流的变化可知，B1的I 段（即速断保护）没有动作，而II 段在故障后0.5s 后正确动作，说明实验正确。

从测量阻抗与整定阻抗的关系也可以看出B1的I 段没有动作，而II 段动作了，因为故障相测量阻抗落入了II 段整定阻抗特性圆内，而没有落入I 段整定阻抗特性圆内，如下图：

实验总结：通过本次距离保护的仿真实验，我对PSCAD 的操作与应用有了更深的了解。更重要的是对书本的知识有了更深刻的认识，尤其是距离保护的实际整定方法，保护I 段和II 段之间的配合，还有测量阻抗与整定阻抗之间的关系在脑海的概念更加清晰。在实验过程中，也遇到了许多困难，比如对于故障距离的改变和II 段的整定方法在一开始受到困扰，这些问题主要是对软件的不熟悉和对课本知识掌握不够牢固造成的，很感谢老师在实验过程中耐心的解答。我将在以后的学习中增加锻炼，注意学习方法。

二． 变压器的励磁涌流数字仿真实验

1. 实验预习

产生励磁涌流的原因，单相变压器与三相变压器励磁涌流的区别联系。 2. 实验目的

通过仿真清楚励磁涌流的产生原因，找到影响其形状和大小的因素，进行傅立叶分析分析其构成。 3. 实验步骤

（1） 将Current_in_rush拷到电脑，进入PSCAD 界面; （2） 打开Current_in_rush; （3） 认识各个模块作用，

a. 知道怎么通过下面模块中的电压瞬时值设置合闸角 (Va为0时合闸角为0

度, Va为峰值时(鼠标置于显示图上峰值时刻任一点时可自动显示) 合闸角为90度) ，初始设为0，如图1所示；

图1. 合闸角设置

b. 增大下面模块的设置时间从而减小空载合闸时的剩磁（断路器跳开外部电

源后，磁通将随时间衰减），

图2. 变压器与外接电源断开时间设置

（4） 按初始条件运行，观察并记录变压器三相励磁电流，两相励磁电流差，三相磁通的变化；

（5） 使控制角为90度运行，观察并记录仿真结果； （6） 增大断路器断开时间（参见（3）b. ），使断路器重新合上时的剩磁约为0，运

行，观察并记录仿真结果。

4. 实验记录

各种运行条件下的三相励磁电流，两相励磁电流差，三相磁通的变化。 (1) 初始条件下，合闸角为0°。结果如下：

① 三相励磁电流和两相励磁电流差：

② 三相磁通的变化：

（2） 使控制角为90°：鼠标置于显示图上峰值时刻，可得峰值电压为28.55V 。

① 三相励磁电流和两相励磁电流差：

② 三相磁通的变化：

（3）增大断路器断开时间，时重合时剩磁为0，保持控制角为90°。结果如下： ① 三相励磁电流和两相励磁电流差：

② 三相磁通的变化：

由以上的实验结果可知，虽然在（2）中设置合闸的相角为90度，但A 相的励磁涌流也没有完全消除，其幅值达3-4A 。而在(3)中，将合闸时间设定在0.27s 之后，剩磁已经基本消除。在这之后合闸，由实验结果可以看到，A 相的磁通与稳态时一致，没有产生A 相的励磁涌流。

同时由（3）可知：三相的励磁涌流是不可能同时完全消除的，尽管A 相不存在励磁涌流，B ，C 相的励磁涌流仍然很大。 5. 实验分析

（1） 由图形简单分析单相励磁涌流的特点； 分析上面实验结果4. （1）、（2）中的A 相励磁涌流可得：①励磁涌流是否产生以及涌流的大小与空载变压器的空载合闸角度有关。当合闸角度为0度时，励磁涌流的值很大；而

合闸角度为90度时，A 相励磁涌流变得很小。②励磁涌流的波形完全偏离时间轴的一侧，并且出现间断。涌流越大，间断叫越小。③含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。④含有大量的高次谐波分量，而以二次谐波为主。间断角越小，二次谐波也越小。

（2） 由图形简单分析两相励磁涌流之差的特点； 分析以上实验结果，可知：①在任何情况下空载投入变压器，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流。②某相励磁涌流可能不在偏离时间轴的一侧：如4. （1）中的imbr 和 4. （2）中imar ，变成了对称性涌流。其他两相仍为偏离时间一侧的非对称性涌流。对称性涌流的数值比较小。③励磁涌流的波形仍然是间断的，但间断角显著减小。且对称性涌流的间断角最小。 6. 进一步思考

(1) 分别设置合闸角为0度和45度, 读取间断角, 在PSCAD 元件库CSMF 中找到FFT

元件，对单相励磁电流进行傅立叶分析，找到间断角与各次谐波含量的关系，绘制表格，类似于教材179页表6.1。

注意: a. 如何读取间断角

将饱和磁通（由变压器参数读取）、A 相磁通置于同一张图上 (Graph1) 上, 读取合闸后第一周期两者交点时刻, 将A 相磁通小于饱和磁通区段的两端时刻做差, 除以周期, 再乘以360度既可;

b. 如何读取谐波含量

读取第一个间断角时间段内较平滑的谐波含量变化曲线某点值

.

实验结果如下： （1）合闸角为0°时：

可知，第一个间断角时间段为0.2940~0.3060s内。 间断角=(0.3060-0.2940)*60*360=259.2° 各次谐波含量：

（2）合闸角为45：即设穿越电压为此时间断角时间段为0.2937~0.3066s 间断角=(0.3066-0.2937)*60*360=278.64°

分别带入不同的值进行计算，最终得到下表：

不同间断角下的谐波含量（%）

非周期分量 78.16

基波 100

二次谐波 74.33

三次谐波 42.51

四次谐波

14.96

θj =278. 6

为何教材上图6.12及图6.14的间断角小于180度, 而实验中的间断角可大于180度?

答：①因为此处实验是在剩磁为0的情况下进行的，故合闸后磁通较小，一周期内铁芯不饱和的部分占的百分比较大，故间断角大于180°。②教材中没有考虑损耗，即将磁通自由分量视为直流分量，而实验中磁通自由分量为衰减的非周期分量。实际中也是衰减的。

三． 变压器纵差动保护

1. 实验预习

变压器纵差动保护的基本原理和接线方式，及其整定计算原则，习题6.5求解。 2. 实验目的

清楚（1）双绕组Yd11接线三相变压器模拟式纵差动保护原理接线，（2）如何根据采用的差动保护继电器、电流互感器变比整定动作电流。参见《电力系统继电保护习题集》习题6.5。 3. 实验步骤

（1） 将Transformer_protection拷到电脑，进入PSCAD 界面; （2） 打开Transformer_protection;

（3） 认识各个模块作用, 将各个模块图形粘贴到下面相应处，

a. 故障设置模块，如何设置不同类型故障；

通过滑动左边的滑竿到不同的数值即可设置对应的故障类型。 b. 电流互感器变比设置。

nTA1=120 nTA2=300

通过改变primary turns和secondary turns即可改变互感器变比。

（4） 设计以下模块

a. 电流互感器二次电流相位校正； 如图，将引入差动继电器的星形侧的电流也采用两相电流差，这样可消除两侧电流相位不对应。

b. 计算流入继电器的电流；

c. 继电器动作电流的整定； ① 按躲过最大不平衡电流整定：

I dz =K rel (∆f za +∆U +0.1K np K st ) I k ,max

此处I k ,max 应取最大运行方式下，6.6kV 母线上三相短路电流，因此，

∆f za 是由于电流互感器计算变比和实际变比不一致引

I k ,max 取9.60KA ；

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=0.22；∆U 是由变

起的相对误差，∆f za =|1-|=|1120⨯

压器分接头改变引起的相对误差，一般取为调整范围的一般，则

∆U =0.05；K np 为非周期分量系数，这里取为1；K st 为电流互感器

型系数，这里取1；K rel 为可靠系数，由已知条件可知为1.3。 将上述取值代入式中，可得

I dz =1.3⨯(0.22+0.05+0.1⨯1⨯1) ⨯9.60=4.618(kA )

② 按躲过励磁涌流整定：

A

③ 按躲过电流互感器二次回路断线条件整定：

取三者中最大值，即整定电流为4618A. 即：

软件计算方法如下图：

d. 变压器纵差动保护是否动作的判定。

当保护动作，则BRK 会输出1，否则输出0。 4. 实验记录

（1） 变压器外部的最大三相短路电流，并求出工频有效值； 当发生三相接地短路时，最大三相短路电流：

I max 13. 58A

换算成有效值为：

I 有效=I max 2=9. 60A

（2） 变压器外部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流（变压器Y 侧记录的是电

流互感器三角形接线的线电流）及流入差动继电器的电流（将三个电流放在

一张图上）；

下图为三相接地短路时变压器一次侧Isab 、变压器二次侧Ira 和流入差动继电器的电流Iar 。

电器的电流Iar 。

电流Iar 。

A 相如下：

（3） 变压器内部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流（变压器Y 侧记录的是电

流互感器三角形接线的线电流）及流入差动继电器的电流（将三个电流放在

一张图上）。

下图为单相接地短路时变压器故障相一次侧Isab 、变压器二次侧Irat 和流入差动继

电器的电流Iar 。

Iar 。

Iar 。

（1） 求取4（1）的作用是什么；

求外部短路最大三相短路电流主要是用来整定差动保护的动作电流用。

（2） 由4（2）分析变压器外部短路时纵差动保护不动作的原因；

由实验（2）的各种短路的结果来看，无论是单相短路、三相接地短路还是两

相接地短路，一次侧、二次侧的电流互感器感应出来的电流的幅值差相差不大，一

般都不超过10，并没有超过整定值4618/300=15.39A。由于电流幅值差小于变压器

纵差动的整定电流，因此外部短路时纵差动保护不动作。

（3） 由4（3）分析变压器内部短路时纵差动保护动作的原因。

由波形可见，在变压器保护范围内部短路时，两侧电流互感器二次侧的电流方

向相反，相位差接近180度，流入差动继电器的电流幅值很大，达到30A 以上，该故障电流大于变压器差动保护的动作电流，故保护正确动作。

实验心得：在一系列预习、实验、问题、解决问题之后，终于完成了本次继电保护仿真实验。我体会到继电保护工作的严谨和逻辑性，不仅需要继电保护理论课的知识，还需要结合其他课程的知识，如电力系统分析等。通过本次实验后，我更深刻理解了书本上一些原本只是似懂非懂的知识点，比如距离保护阻抗特性、变压器差动保护整定电流等。实验中也遇到了许多困难，除了自己通过研究课本解决以外，更重要的是有老师的耐心指导，在此对老师表示感谢！