电气系统综合实验（下）
RTDS仿真实验
实验学生：黄梓昂 5120309388 刘德远 5120309378
任课教师：张明
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实验一 电流保护三段配合整定
一、实验目的
1. 加深对电流保护三段相互配合的理解。 2. 掌握电力系统电流保护的整定及实现方法。
二、实验内容
1. 学习RTDS电流保护元件的使用方法。
2. 根据实际系统参数对保护进行整定，并记录故障波形。 3. 使用电力系统故障仿真专家进行故障分析。
三、实验原理
电流一段保护的整定：为了保证电流速断保护的选择性，其启动电流必须躲过本线路末端短路时可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下本线路末端母线三相短路时的电流，亦即：
II = 1.2 × Ik.c.max
电流速断保护不可能保护线路的全长，通常要求保护范围大于被保护线路全长的
15%~20%即可。
电流二段保护的整定：要求限时电流速断保护必须保护线路全长，因此它的保护范围必然要延伸到下级线路中去，这样当下级线路出口处发生短路时它就要启动。在这种情况下，为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限。所以其整定值在下一段线路一段保护的基础上加上一个可靠性配合系数即可：
IIIact.2 = 1.2 × IIact.1
对于二段保护来说一般需要延时0.5s启动。另外为了能够保护本线路全长，限时电流速
断保护必须在最不利于保护动作的情况下有足够的反应能力，所以需要其灵敏度系数Klm ≥ 1.3，
Klm = (最小运行方式下，末端发生两相相间短路时的短路电流)/IIIact.2
电流三段保护的整定：为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护不误动，需要考虑最大负荷电流、返回系数和电机的自启动系数，因此：
IIIIact = 1.2(可靠系数)×1.05(自启动系数)/0.9(返回系数)×IL.max(最大负荷电流)
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图1-1 RTDS中的电流保护
如图1-1所示，电流保护设备的输入为三相电压VA 、VB、VC以及三相电流IA、IB 、IC，输出为跳闸信号TRIP，当保护动作时TRIP置1。但是要注意：TRIP信号是一个0.17秒左右的脉冲信号，所以需要在后面加上一个SR触发器，以保证保护动作后TRIP的输出维持在高电平。根据保护动作时间，常用的电流保护有两种方式，一种是PIOC（瞬时电流保护）另外一种则是PTOC（带延时的电流保护，含定时限和反时限）。
PIOC的设置方式：
如图1-2所示，e50p和e50n分别为设置相间保护和接地保护。dirmod50p用来选择保护的方向性。strVal50选项用于设置整定值。
图1-2 PIOC的设置
PTOC的设置方式：
需使用定时限过流保护设置方法。当使用传统的二段、三段保护时，需要将参数
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TmACrv51P选项调成DEFINITE，只有这一个选项用于定时限过流保护，其他选项均用于反时限保护。
四、实验步骤
1. 建立如下图35 kV电力系统模型
图1-3 35kV系统的三段保护模型拓扑结构图
三段线路分别长30KM，40KM，60KM。 CT的变比取600：1，PT的变比取35000：100。 线路1末端负荷2MW，0.8MVar； 线路2末端负荷3MW，1MVar； 线路3末端负荷3MW，1MVar；
分别在线路1的中间位置，线路1末端，线路2的中间位置，线路2末端，线路3中间位置，线路3末端设置故障
图1-4 35kV系统的三段保护模型图
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图1-5 线路单位长度的阻抗参数
2. 参考实验原理及继电保护原理教材，根据线路参数计算整定值，完成各线路之间过电流保护的配合。
基本要求：当线路1中间相间故障时，保护1瞬时切除故障
当线路1末端相间故障时，保护1延时切除故障 当线路2中间相间故障时，保护2瞬时切除故障 当线路2末端相间故障时，保护2延时切除故障 当线路3任意位置相间处故障，保护3瞬时切除故障
3. 更改不同故障位置，测试保护是否会误动、拒动。研究过流保护在不同情况下的保护范围。
4. 根据故障波形进行录波，使用电力系统故障专家观察波形，分析故障后系统状态的变化。
五、实验报告
1. 实验报告以word文档形式上传到FTP。 2. 根据系统参数，列写整定计算过程。 答：根据系统参数，整定计算过程如下：
取系统频率为60Hz，则发电机阻抗为ZG =0.173648+j0.984808 Ω，单位线路阻抗为z0 = 0.328547 + j0.37661 Ω/km；则有：
IIact.1 = |(35k/√3)/(ZG + 30 × z0) × 1.2 × 1/600| = 2.55A； IIact.2 = |(35k/√3)/(ZG + (30+40) × z0) × 1.2 × 1/600| = 1.1275A； IIact.3 = |(35k/√3)/(ZG + (30+40+60) × z0) × 1.2 × 1/600| = 0.61393A； IIIact.1 = 1.2 × IIact.2 = 1.353A； IIIact.2 = 1.2 × IIact.3 = 0.73671A；
其中第3段线路无下段出线，故只需由I段保护来保护第3段线路全长，而无需考虑与下
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段线路的配合，故不需II段保护，修正IIact.3 = 0.06A（以最大负荷电流为基础，乘上安全系数1.2~1.5，并配合仿真继电保护装置的最小整定值）。
另外，I、II段电流保护已经保护了系统线路全长，III段保护即使设置了也不会被触发，故不做整定。（若要做整定，可从仿真实验模型中读出各段线路的最大负荷电流）
3. 截图记录不同位置处故障切除的波形，并进行分析讨论。
答：如图2-1，第1段线路中间A-B相间故障，第1段线路电流急剧增大，第1段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸；第2、3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后断路器跳闸，三段线路电流变为零；第1段线路电压基本维持稳定，第2、3段线路电压在断路器跳闸后迅速变为零。
图2-1 第1段线路中间A-B相间故障切除波形
如图2-2，第1段线路中间三相接地故障，第1段线路电流急剧增大（增幅大于A-B相间短路，是因为三相接地线路阻抗小于A-B相间短路线路阻抗），第1段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸；第2、3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后断路器跳闸，三段线路电流变为零；第1段线路电压基本维持稳定，第2、3段线路电压在断路器跳闸后迅速变为零。
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图2-2 第1段线路中间三相接地故障切除波形
如图2-3，第1段线路末端A-B相间故障，第1段线路电流急剧增大并短时间内维持大电流（II段保护延时），第1段线路II段电流保护动作，断路器约0.45s后跳闸；第2、3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后短时间内维持故障电流小于正常工作电流的状态（II段保护延时，故障点下段线路的非故障点电流减小），断路器跳闸后三段线路电流变为零；第1段线路电压基本维持稳定（故障瞬间会有较小的变化）（II段保护延时）；第2、3段线路电压在故障发生后短时间内维持故障电压小于正常工作电流的状态（II段保护延时，故障点下段线路的非故障点电压减小），断路器跳闸后迅速变为零。
图2-3 第1段线路末端A-B相间故障切除波形
如图2-4，第1段线路末端三相接地故障，第1段线路电流急剧增大（增幅大于A-B相间短路，是因为三相接地线路阻抗小于A-B相间短路线路阻抗）并短时间内维持大电流（II段保护延时），第1段线路II段电流保护动作，断路器约0.45s后跳闸；第2、3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后短时间内维持故障电流小于正常工作电流的状态（幅值小于A-B相间短路情况）（故障点下段线路的非故障点电流减小）（II段保护延时），断路器跳闸后三段线路电流变为零；第1段线路电压基本维持稳定（故障瞬间会有较小的变化）；第2、3段线路电压在故障发生后短时间内维持故障电压小于正常工作电压的状态（幅值小于A-B
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相间短路情况）（故障点下段线路的非故障点电压减小）（II段保护延时），断路器跳闸后迅速变为零。
图2-4 第1段线路末端三相接地故障切除波形
如图2-5，第2段线路中间A-B相间故障，第1、2段线路电流急剧增大，第2段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸；第3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后断路器跳闸，三段线路电流变为零；第1、2段线路电压基本维持稳定，第3段线路电压在断路器跳闸后迅速变为零。
图2-5 第2段线路中间A-B相间故障切除波形
如图2-6，第2段线路中间三相接地故障，第1、2段线路电流急剧增大（增幅大于A-B相间短路），第2段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸；第3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后断路器跳闸，三段线路电流变为零；第1、2段线路电压基本维持稳定，第3段线路电压在断路器跳闸后迅速变为零。
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图2-6 第2段线路中间三相接地故障切除波形
如图2-7，第2段线路末端A-B相间故障，第1、2段线路电流急剧增大并短时间内维持大电流，第2段线路II段电流保护动作，断路器约0.45s后跳闸；第3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后短时间内维持故障电流小于正常工作电流的状态，断路器跳闸后三段线路电流变为零；第1、2段线路电压基本维持稳定（故障瞬间会有较小的变化）；第3段线路电压在故障发生后短时间内维持故障电压小于正常工作电流的状态，断路器跳闸后迅速变为零。
图2-7 第2段线路末端A-B相间故障切除波形
如图2-8，第2段线路末端三相接地故障，第1、2段线路电流急剧增大（增幅大于A-B相间短路）并短时间内维持大电流，第2段线路II段电流保护动作，断路器约0.45s后跳闸；第3段线路电流在故障瞬间产生较小的尖峰，之后短时间内维持故障电流小于正常工作电流的状态（幅值小于A-B相间短路情况），断路器跳闸后三段线路电流变为零；第1、2段线路电压基本维持稳定（故障瞬间会有变化）；第3段线路电压在故障发生后短时间内维持故障电压小于正常工作电流的状态（幅值小于A-B相间短路情况），断路器跳闸后迅速变为零。
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图2-8 第2段线路末端三相接地故障切除波形
如图2-9，第3段线路中间A-B相间故障，第1、2、3段线路电流急剧增大，第3段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸，三段线路电流变为零；第1、2、3段线路电压基本维持稳定。
图2-9 第3段线路中间A-B相间故障切除波形
如图2-10，第3段线路中间三相接地故障，第1、2、3段线路电流急剧增大（增幅大于A-B相间短路），第3段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸，三段线路电流变为零；第1、2、3段线路电压基本维持稳定。
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图2-10 第3段线路中间三相接地故障切除波形
如图2-11，第3段线路末端A-B相间故障，第1、2、3段线路电流急剧增大，第3段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸，三段线路电流变为零；第1、2、3段线路电压基本维持稳定。
图2-11 第3段线路末端A-B相间故障切除波形
如图2-12，第3段线路末端三相接地故障，第1、2、3段线路电流急剧增大（增幅大于A-B相间短路），第3段线路I段电流保护动作，断路器约0.2s后跳闸，三段线路电流变为零；第1、2、3段线路电压基本维持稳定。
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图2-12 第3段线路末端三相接地故障切除波形
六、思考题
1. 过流保护只能针对相间故障准确动作，对于接地故障有时不能动作，所以有时也被称相间过流保护，讨论其原因。
答：在理论计算范畴或理想仿真实验条件下，三相接地故障电流明显大于同情况下的相间故障电流（从这个实验中可以看出），所以在这种条件下，应该说三相接地故障更容易动作。但如果考虑实际情况，接地故障往往有较大的过渡阻抗（即线路与大地之间的阻抗），而且接地故障中单相接地和两相接地故障发生的几率要高得多。综合这些情况考虑，接地故障电流实际上明显小于相间故障电流（相间故障的“过渡阻抗”相当于线路之间的短路阻抗，比接地故障的过渡阻抗小很多），所以对于接地故障，过流保护有时不能动作，而对相间故障能准确动作。
2. 根据电力系统故障专家的运行结果，观察故障后哪些量发生了变化？（如序分量、谐波、突变量等）考虑如何利用这些量的变化实现保护原理。 答：本实验不使用电力系统故障专家，未做相关要求。
3. 根据所掌握的元器件实现零序过流保护。（供有兴趣的同学完成） 答：未发现有类似兴趣，略。
4. 在线路末端加入电源，将系统改为双端供电系统，开启保护的方向元件。线路可缩短为两端，完成保护整定并检验。（供有兴趣的同学完成） 答：未发现有类似兴趣，略。
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