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1、许继电气股份有限公司 WDJS-8000电力系统微机继电 保护及综合自动化教学实验设备 目录 一、概述 二、意义 三、发电系统模型（原动机及发电机） 四、变压器模型 五、输电线路模型 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
2、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 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，拓宽就业范围 ，培养电力系统应用技术人才。 三、发电机模型 1、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（220
3、V 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、
4、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、
5、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、发电机
6、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
7、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、合闸误差角等）。自 动准同期控制器面板上也设有手动合闸同期
8、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 本模拟系统的发电机继电保护装置采用 许继电气公司生产的微机型发
9、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 空载实验 调压实验 带负载实验 同期并网实
10、验 过励、欠励实验 发电部分保护实验 内容及实现方法 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。 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 模拟用的升压主变压器可能出现的故障类型有高 压测匝间短路、低压
11、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、复压（方向）过电流保护
12、、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
13、机的机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
14、在中性点增 设阻抗元器件和开关 模拟中性点接地，实 现此保护。 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 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
