1、许继电气股份有限公司许继电气股份有限公司WDJS-8000电力系统微机继电电力系统微机继电保护及综合自动化教学实验设备保护及综合自动化教学实验设备目录目录一、概述一、概述二、意义二、意义三、三、发电系统模型（原动机及发电机）发电系统模型（原动机及发电机）四、变压器模型四、变压器模型五、输电线路模型五、输电线路模型六、面板及效果图六、面板及效果图一、概述 结合教学实际需求，建立发电、变电及输电线路各部分系统模型，模拟整个电力系统的动态运行（采用模拟的一次设备再现电力系统实际运行的多种工况，二次部分融合微机继电保护、自动化装置及监控系统），从而研制出一套既不偏离实际，又方便教学的电力系统微机继电保
2、护及综合自动化教学实验设备。本项目由发电机（包括直流电动机、同步交流发电机及励磁系统）屏台、主变压器屏台及输电线路屏台组成，可灵活组合，既能构成双侧电源供电的大电力系统，也可构成双侧电源供电的区域型电网。系统总图系统总图二、意义二、意义 该项目满足了高校电力系统及其综合自动化、继电保护等相关电力、电气专业实验室需求，为学生更好的学习电力系统、微机继电保护及综合自动化知识奠定了基础，使学生在课程学习过程中，直接接触目前电力系统运行实物，在以后相应的工作岗位上可以直接上手操作；还可以把整个系统作为课程设计或毕业设计，使学生对电力系统综合自动化的认识和理解得到更进一步提高，从而全面提高学生素质，拓宽
3、就业范围，培养电力系统应用技术人才。三、发电机模型三、发电机模型1 1、发电机励磁系统、发电机励磁系统 同步发电机励磁系统的试验模拟采用市电（220V交流，单相）经单相自耦调压器调压后经二极管整流桥全波整流的方式实现，向实验用三相交流同步发电机提供脉动直流励磁电流，三相交流同步发电机励磁电流的调整采用手动调整单相调压器输出电压的方式实现，在整流回路的直流侧配置有直流电流表与直流电压表，用于显示同步发电机转子回路的励磁电流与励磁电压，由于整流电路采用二极管单相不可控整流桥，不需要脉冲触发电路。励磁控制回路没有配置微机励磁调节器，由于采用开环控制，因此不能实现同步发电机的调差运算（参与并联机组间的
4、无功分配）、电力系统稳定器（PSS）、PID调节及励磁系统稳定器等功能，但可以通过手动调整模拟励磁控制系统的过励、欠励、强励等环节，在负荷变动情况下可以通过手动调压演示调整励磁稳定发电机出口端电压的过程，这些演示通过在发电机定子绕组出线端配置的电压、有功功率、无功功率等表计进行显示，为了减小整流桥提供的脉动励磁电流的脉动程度，可在励磁回路中串联一铁心电抗器加以限制。在同步发电机的励磁回路中通过接触器触点开关串接一氧化锌压敏电阻，用于同步发电机灭磁实验演示，由于采用手动调压励磁，不需要再配置专用的启励电路。同步发电机励磁系统的模拟电路如图示：图中，灭磁开关的控制采用220V交流接触器实现，灭磁电
5、阻的投切采用接触器的辅助触点实现，主触点用于开、断主励磁回路。灭磁回路的控制电路如图：2 2、发电机调速系统、发电机调速系统 调速方式采用市电（三相380V，交流）经三相可控硅全控桥整流，再通过平波电抗器平波，通过改变其电枢电压的方式来改变发电机出力进行调速的。采用三相电源及平波电抗器的作用在于减小直流脉动分量，从而减小直流电动机的震动、噪音、损耗，同时改变直流电动机的换向性能。直流电动机的电枢直流电压的改变是通过一个手动控制模块，通过改变晶闸管的触发角来调节其输出电压的，通过操作平台上的发电机的转速仪表可以显示速度调整情况。同步发电机励磁电压采用恒定直流励磁方式，由市电经过调压器后再经二极管
6、整流桥整流后由平波电抗器平波而得到，同步发电机调速系统的模拟电路如图示：3 3、发电机准同期系统、发电机准同期系统 同步发电机同期系统的模拟采用手动准同期与自动准同期两种方式，自动准同期装置采用微机自动准同期控制器实现，手动准同期通过手动调节励磁改变发电机输出电压，手动调节加在原动机（直流电动机）电枢上的脉动直流电压调节电动机转速从而调节发电机输出电压频率，通过监测控制屏上的发电机输出电压表与电网电压表之间的电压差值，监测控制屏上的发电机输出电压信号频率（通过装在连轴器上的测速装置及转速表检测）与电网电压频率之差值，当两个差值很小时，选择在系统电压与发电机输出电压的相位角接近相等时刻（通过装设
7、在控制屏上的同期表来判断），通过手动控制开关进行并列，手动准同期与自动准同期两种同期方式之间设置有同期方式切换开关。自动准同期装置的微机自动准同期控制器具有对两侧电压的频差、电压差进行自动检测控制的功能，但由于本模拟实验系统中的同步发电机的励磁与调速装置采用手动进行调节，因此这两项自动调节功能失去作用，微机自动准同期控制器只有合闸控制功能，相当于半自动准同期并列装置。微机自动准同期控制器可采用恒定越前相角准同期并列和恒定越前时间准同期并列两种并联方式中的一种，控制器显示面板上能够显示同步发电机的输出电压及频率，同时具有同期参数选择及设置功能，能够进行一些主要参数的测定（如断路器开关时间、合闸误
8、差角等）。自动准同期控制器面板上也设有手动合闸同期按钮开关，以备控制器故障时进行手动同期合闸，控制器具有通信接口，用于远方通信。同步发电机的并列操作是在原动机启动操作，发电机励磁启动操作，无穷大电源投入操作以及输电线路开关投入操作等完成之后进行的，手动并列时也可以通过控制面板上的同期表来进行，根据同期表中反映两侧电压差的电压表的正负偏转以及反映两侧频率差的频率表的正负偏转通过手动调整发电机的励磁与转速，在观察到两侧相位角差接近于零的时提前一个时间间隔进行手动合闸。同步发电机并列操作的控制电路如下图 发电机准同期装置模拟的主电路如下图4、发电机继电保护模拟、发电机继电保护模拟 本模拟系统的发电机
9、继电保护装置采用许继电气公司生产的微机型发电机继电保护装置实现。由于故障类型比运行现场加以简化，所以模拟系统的发电机微机保护装置的保护配置也进行了简化，主要配置的保护类型有：比率制动式差动保护、定子接地保护、失磁保护、转子接地保护、复合电压启动过流保护、过流保护、反时限过负荷保护。为了使学生对发电机微机保护的保护动作特性有更加直观的理解，各种保护采用软件投退的方法进行实验，保护动作后会有相应的保护动作情况显示，发电机微机保护装置具有友好的人机接口界面，可以在操作界面上进行参数整定、运行状态显示等功能。同步发电机继电保护的模拟实验系统的电路如图所示：发电机特性实验发电机特性实验空载实验空载实验调
10、压实验调压实验带负载实验带负载实验同期并网实验同期并网实验过励、欠励实验过励、欠励实验发电部分保护实验内容发电部分保护实验内容及实现方法及实现方法失磁保护：手动调节发电机励磁电压使其达到失磁保护的动作范围，或者切除励磁电压差动保护：当发电机发生相间短路故障时，通过比较发电机两侧的差流来完成保护功能。G定子一点接地保护：通过在机端口增设元器件和开关模拟单相接地故障，实现定子一点接地保护。复合电压启动（方向）过流保护：通过增设的阻抗元器件模拟相间故障产生低电压或复序电压实现复合电压启动（方向）过流保护反时限过负荷保护：通过接入超过额定功率的负荷来完成此保护。四、变压器模型四、变压器模型 模拟用的升
11、压主变压器可能出现的故障类型有高压测匝间短路、低压侧匝间短路、高压侧相间短路、低压侧相间短路、低压侧接地短路、变压器过负荷等，变压器的高、低压侧匝间短路对变压器的损害严重，本实验装置不予模拟。变压器的高压侧（发电机侧）的相间短路及单相接地故障可以由同步发电机模拟系统中的开关DL1、电流互感器CT2、交流接触器CJ1与CJ2实现，因此，变压器的故障模拟主要在变压器的负荷侧（电网侧）进行，主要模拟变压器负荷侧的相间短路、接地短路故障及变压器的过负荷实验。根据模拟实验系统所要模拟的变压器的故障类型，模拟系统的变压器微机保护装置的保护配置也可以进行简化，主要配置的变压器的保护类型有：比率制动式差动保护
12、、复压（方向）过电流保护、零序方向电流保护、过电流保护（过负荷、有载调压、启动通风）、非电量保护。为了加深学生对变压器微机保护的保护动作特性的理解，保护采用软件控制投退的方法进行实验，同时变压器微机保护装置具有友好的人机接口界面，可以在操作界面上进行参数整定、运行状态显示等功能。微机变压器保护的模拟实验系统的电路如图所示 利用上述微机变压器保护的模拟实验系统可以进行变压器在单侧电源供电（无穷大电源断开）及双侧电源供电（发电机发电，无穷大电源接通）情况下的接地短路与相间短路实验，可以模拟发电机停机情况下由电网供电时的变压器三角接侧的过负荷实验。在双端电源供电情况下，可以通过手动调整同步发电机的机
13、端励磁电压或手动调整与市电相接的三相调压器的变比来进行变压器的三相对称过负荷实验。变压器微机保护实验装置可以配置为跳星形连接侧开关DL2及跳双侧开关DL1及DL2。变压器微机保护的模拟实验的控制电路如图示 变压器部分保护实验内变压器部分保护实验内容及实现方法容及实现方法比率制动时差动保护：当发生相间故障时，通过比较变压器两侧的差流来完成保护功能。复合电压过电流保护：通过增设的阻抗元器件模拟相间故障产生低电压或复序电压实现复合电压启动（方向）过流保护高压侧零序方向过流保护：通过在高压侧套管引线处增设元器件和开关模拟单相接地故障，实现此保护。中性点零序电流保护：通过在中性点增设阻抗元器件和开关模拟
14、中性点接地，实现此保护。五、输电线路模型五、输电线路模型 输电线路及其继电保护的模拟以高压220KV双回输电线路为模拟对象，由于对于不同电压等级的输电线路的分布参数为定值，根据输电线路的长度可以计算出该高压双回线路的电阻、电感及分布电容参数。220KV高压输电线路为中性点直接接地的电力系统，在线路中常见的短路故障类型为单相接地短路、两相相间短路、两相相间接地短路、三相相间短路，这些故障可能发生在线路中的任何位置，因此，每条输电线路都应配置相应的微机线路保护装置，考虑到电网的短路故障很多为非永久性故障，故障跳闸后需采用重合闸装置。由于目前电网为互联的大电力系统，负载端不再仅仅是用电负荷，而且还有
15、其它的发电机组及输电线路向该区域供电，因此也可把输电线路的负载端看成是无限大电网。综合以上因素，输电线路及其微机保护的模拟实验系统的电路如图所示：输电线路保护实验内容及实现方式输电线路保护实验内容及实现方式距离保护：通过增设阻抗元器件模拟此保护动作所需定值完成距离保护。零序方向电流保护：通过在线路上增设元器件和开关模拟单相接地故障，实现此保护复合电压过流保护：通过增设的阻抗元器件模拟相间故障产生低电压或复序电压实现复合电压启动（方向）过流保护重合闸：通过时间元器件模拟瞬时性故障（已包含故障时所需的元器件）来完成重合闸功能。六、面板及效果图六、面板及效果图V0450 450 0V450 0V45
16、0 0V系统电压A0450 450 0A0450 0450 450 0wHzA功率表频率表电 力 系 统 发 电 保 护 及 综 合 自 动 化 教 学 实 验 装 置DIAN LI XI TONG ZONG HE ZHI DONG HUA JIAO XUE SHI YU ZUANWDS-8000X J微机准同期装置v启动停止电枢电流指示A电枢电压指示原动机电枢调节同期表SVHzGM发电机原动机电流互感器电压互感器漏电断路器发电机保护装置450 0无功功率表A相电流B相电流C相电流A相电压B相电压C相电压发电机故障实验区v励磁电流A电枢电压同步发电机电枢调节转速表转换开关V0450 450 0
17、V450 0V450 0V系统电压A0450 450 0A0450 0450 450 0wHzA功率表频率表电 力 系 统 变 压 器 保 护 及 综 合 自 动 化 教 学 实 验 装 置DIAN LI XI TONG ZONG HE ZHI DONG HUA JIAO XUE SHI YU ZUANWDS-8000X J变压器保护装置450 0无功功率表A相电流B相电流C相电流A相电压B相电压C相电压漏电断路器保护跳闸时间短路A相B相C相N相转换开关UNUWUVUUIUIvIwINV0450 450 0V450 0V450 0V系统电压A0450 450 0A0450 0450 450 0wHzA功率表频率表电 力 系 统 线 路 保 护 及 综 合 自 动 化 教 学 实 验 装 置DIAN LI XI TONG ZONG HE ZHI DONG HUA JIAO XUE SHI YU ZUANWDS-8000X J线路保护装置450 0无功功率表A相电流B相电流C相电流A相电压B相电压C相电压线路保护装置保护跳闸时间线路保护短路A相B相C相N相I段II段III段绿红绿红D3D4D5D6D7D8漏电断路器转换开关
