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《数字继电保护仿真实验》报告
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2015年 6 月 25 日
电气工程学院 刘继 1205 2012302540154
继电保护数字仿真实验
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） 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）A-G故障时 故障类型 A-G故障断路器未投入工作时 A-G故障断路器投入工作后 结论 B）B-C故障时 三相电压的波形 三相电流的波形 三相电压的波形 三相电流的波形 继电保护装置使AG故障时A相断路器自动跳闸 故障类型 B-C故障断路器未投入工作时 2 / 25
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B-C故障断路器投入工作后 结论 继电保护装置使B-C故障时B、C相断路器自动跳闸
C）ABC三相故障 三相电压的波形 三相电流的波形 故障类型 ABC三相故障断路器未投入工作时 ABC三相故障断路器投入工作后 结论 继电保护装置使ABC三相故障时ABC相断路器自动跳闸 D）BC两相接地故障 三相电压的波形 三相电流的波形 故障类型 BC两相接地故障断路器未投入工作时 3 / 25
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BC两相接地故障断路器投入工作后 结论 继电保护装置使BC两相接地故障时BC相断路器自动跳闸 E）ABC三相接地故障 三相电压的波形 三相电流的波形 故障类型 ABC三相接地故障断路器未投入工作时 ABC三相接地故障断路器投入工作后 结论
继电保护装置使ABC三相接地故障时ABC相断路器自动跳闸 （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。
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类型 单相测量阻抗 相间测量阻抗 A相接地故障 BC相短路故障 ABC三相短路故障 5 / 25
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BC接地短路故障 ABC三相接地短路故障 5. 实验分析
（1） dist_protection所设是何故障，由何种距离保护动作；
（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;
阻抗圆绘制代码
R=32cos(60∙2π𝑥+𝜑)+5.5{ 𝑋=32sin(60∙2𝜋𝑥+𝜑)+31.5
即阻抗圆方程为（R−5.5）+（X−31.5）=322
2
2
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Line1线路阻抗参数
Line2 线路参数
故整定阻抗不是线路短路阻抗，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；
（2）改变线路故障位置，使B1断开。 用图和数据说明已完成6.（1）（2）工作，需列出整定过程。
图3 重新设置I段整定阻抗示意图
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项目 单相距离保护动作特性 相间距离保护动作特性 改变整定参数前 阻抗圆 圆心（5.1，31.5）半径R=32 改变整定参数后 阻抗圆 圆心（1.43，20.31） 半径R=21.635 结论 选取单相（A相）接地故障时，更改阻抗圆选取单相（A相）接地故障时相见保护不动之前故障动作，更改以后不动作 作
7. 设计断路器B1处距离保护II段。
用图和数据说明已完成7.工作，需列出整定过程。
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整定计算过程： 由实验指导书可得： LINE1：Z1=3.217+j45.699 LINE2：Z2=3.574+j50.777 LINE4：Z4=2.502+j35.543 且LINE4上没有支路，没有需要配合的变压器，所以可得 𝐼𝐼 Zset.2=𝐾𝑟𝑒𝑙∙𝑍4=2.0016+𝑗28.4344ohm 所以由LINE1、LINE2和LINE4配合可得 𝐼𝐼(𝐼𝐼𝐼)=4.46+𝑗63.369ohm Zset.1=𝐾𝑟𝑒𝑙𝑍𝐴𝐵+𝐾𝑏.𝑚𝑖𝑛∙Zset.2由此可得线路II段继电保护接线方式为
图4 设置输电线路距离保护二段示意图
左侧为一段保护接线方式，右侧为二段保护接线方式，经过可视化后的动作特性为：（此处设置A相接地故障，故障点在线路95和5km分界点处，距离保护I段不动作，距离保护II段动作。）
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图6 距离保护II段单相测量阻抗变化图
图7 距离保护II段两相测量阻抗变化图
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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。
三相励磁电流：
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图8 变压器励磁涌流A相励磁电流
图9 变压器励磁涌流B相励磁电流
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图10 变压器励磁涌流C相励磁电流
两相励磁电流差：
图11 变压器励磁涌流AB相励磁电流
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图12 变压器励磁涌流BC相励磁电流
图13 变压器励磁涌流CA相励磁电流
三相磁通的变化：
图14 变压器励磁涌流A相磁通
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图15 变压器励磁涌流B相磁通
图16 变压器励磁涌流C相磁通
（注意，将图粘贴在所交实验报告上，要求图形清晰可见，与实验分析结合能说明问题。为此，可取某变量的部分时间段曲线，而不是整个运行期间的。） 5. 实验分析
（1） 由图形简单分析单相励磁涌流的特点； 答：单相励磁涌流的特点： A. 在变压器空载合闸时，涌流是否产生以及涌流的大小与合闸角有关，合闸角α
=0和α=π时励磁涌流最大。
B. 波形完全偏离时间轴一侧，并且出现间断。涌流越大，间断角越小。 C. 含有很大成分的非周期分量，间断角越小，非周期分量越大。 D. 含有大量的高次谐波成分，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； 答：两相励磁涌流的特点：
A. 励磁涌流的波形仍然是尖端的，但间断角显著减小，其中又以对称性涌流的
间断角最小。
B. 由于条件原因，某相励磁涌流可能不再偏离时间轴的一侧，变成了对称性涌
流，而另两相仍然为偏离时间轴一侧的非对称性涌流。
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C. 三相励磁涌流的相位不会相同，至少在两相中要出现不同程度的励磁涌流。 D. 三相励磁涌流中有一相或两相二次谐波含量较小，但至少有一相比较大。 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.
合闸角为0°时：
图17 变压器暂态磁通
间断角统计： 次数 1 2 3 4 5 6 谐波含量： 间断时间段 1 2 3
区间前时刻（s） 0.227 0.243 0.260 0.276 0.292 0.309 区间后时刻（s） 0.239 0.257 0.274 0.291 0.308 0.325 间断角（°） 216 252 252 270 288 288 基波含量 -0.820 -0.728 -0.729 二次谐波含量 0.592 0.842 0.867 16 / 25
三次谐波含量 0.182 0.644 0.749 四次谐波含量 0.049 0.422 0.594 电气工程学院 刘继 1205 2012302540154
4 5 6
谐波统计图：
10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-11-0.726 -0.689 -0.635 0.820 0.749 0.471 0.742 0.699 0.653 0.595 0.538 0.677 基波含量二次谐波含量23456三次谐波含量四次谐波含量
合闸角为45°时：
图18 变压器暂态磁通
间断角统计： 次数 1 2 3 4
区间前时刻（s） 0.227565 0.2433 0.25947 0.275775 区间后时刻（s） 0.2394 0.25701 0.2739 0.29079 间断角（°） 213.03 246.78 259.74 270.27 17 / 25
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5 6
谐波含量： 不同间断时间段 1 2 3 4 5 6 谐波统计图：
0.29223 0.308535 0.307965 0.32484 283.23 293.49 基波含量 -0.860228 -0.742813 -0.718919 -0.736617 -0.706478 -0.666317 二次谐波含量 0.517939 0.822294 0.866352 0.844600 0.792704 0.714617 三次谐波含量 0.091791 0.595352 0.734237 0.752249 0.718694 0.675102 四次谐波含量 0.082275 0.355650 0.566443 0.607697 0.562985 0.501479 10.80.60.40.20-0.2-0.4-0.6-0.8-1123456基波含量二次谐波含量三次谐波含量四次谐波含量
(2) 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：教材上图6.12及图6.14的间断角小于180度是因为讨论的是正向饱和的情况。若∅（0）<0，则会发生反向饱和，情况与正向饱和类似，只是θ=2π时饱和最严重，励磁涌流达到最大；而在计算𝜃1时，式（6.46）的𝜙sat前应加‘-’号，而𝜙𝑟则取-0.7，𝜃1的单位为π<𝜃1<2π。因此，试验中角度可以大于180°。
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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；
b. 电流互感器变比设置。
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一次侧线圈匝
二次侧线圈匝
（4） 设计以下模块
a. 电流互感器二次电流相位校正；
b. 计算流入继电器的电流；
c. 继电器动作电流的整定；
d. 变压器纵差动保护是否动作的判定。
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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；
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由图可知，三相短路时，电流互感器二次侧单相电流峰值为44.2726A，有效值为31.1525A。
（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）；
A-G故障时Is侧电流互感器二次侧电流：
A-G故障时Ir侧电流互感器二次侧电流：
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A-G故障时流入差动继电器的电流：
外部故障下的断路器动作情况：
（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）。
A-G故障时Is侧电流互感器二次侧电流：
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A-G故障时Ir侧电流互感器二次侧电流：
A-G故障时流入差动继电器的电流：
内部故障下的断路器动作情况：
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5. 实验分析
（1） 求取4（1）的作用是什么；
（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； （3） 由4（3）分析变压器内部短路时纵差动保护动作的原因。 答：（1）求取4 (1)实际上就是在求取外部故障时的最大不平衡电流，以便于进行纵差动保护动作电流整定计算时求取整定值Iset。
（2）变压器外部短路故障时，变压器两侧电流方向和功率方向不变。属于区外故障，差动电流为零，保护不会动作。
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