46组课程设计指导书

1、继电保护课程设计指导书（46组）一、课程设计目的继电保护课程设计是与继电保护原理课程相配套的一个重要的实践性教学环节，是理论与实践相结合的重要手段。通过该课程设计，加深学生对继电保护原理知识的理解，使学生对继电保护原理知识得以综合应用，使学生掌握电力系统继电保护的设计思路和设计方法，培养学生的工程计算能力以及分析和解决工程实际问题的能力。二、课程设计内容根据各继电保护元件的构成方框图，设计相应的电子电路，并进行EWB仿真（Electronic WorkBench,即电子工作平台仿真软件）。典型功能的电子电路可参考附图。分3组进行，各组分别针对相应不同的继电保护元件（包括5种保护元件）。(1)过

2、电流元件构成方框图：输入变换电路的设计输入电流Ij采用交流电流源模拟；由于电子电路一般只处理电压量，故变换器应将电流量变换成相应大小的电压量，在EWB中用电流控制电压源模拟，电流控制电压源的转移阻抗建议设置为0.2欧姆（即当正常二次额定电流为5A时，输出电压为1V）。滤波电路的设计与仿真滤波电路采用带通滤波器，电子电路如下：滤波电路的中心频率应设为50Hz左右，中心频率的放大倍数为1左右，为加快反映速度（减小相位延迟）滤波器的品质因数Q应取较小值（一般取0.51左右），根据以上三个参数的要求选定电路中电阻及电容的参数（由于实际电容器容量超过1F时往往体积较大，建议所选电容参数尽量不要超过1；电

3、阻参数选择范围不宜过小或过大，一般在几k到几百k之间）。仿真时分别输入1Hz、50Hz、2000Hz的正弦交流，用示波器观察输出波形并打印相应输入及输出的波形。用波特仪观察并打印滤波电路的频谱图（即各种不同频率时的放大倍数的变化曲线），将定位观察线拉到对应于频谱图的幅度最大位置，读出中心频率值及其相应的放大倍数（建议波特仪的纵轴采用线性坐标，横轴采用对数坐标）。全波整流电路的设计与仿真前一个运算放大器构成半波整流电路，后一个运算放大器构成反相加法器。输入Vi为正弦波，当Vi为负半周时，两个二极管导通，Vm=0（与运放的虚地点等电位），V0=；当Vi为正半周时，两二极管截止，Vm=，V0=。选R

4、1=R2=R3=R5= 2R4，则有：Vi为正半周时，V0= Vi ； Vi为负半周时，V0= -Vi仿真时输入50Hz正弦交流，用示波器观察并打印输入及输出波形（将电子电路中的两个二极管皆反向，再观察输出波形特点）。延时电路的设计与仿真当输入为低电平时（Vi=0），二极管D1导通，电容上电压VC被钳制为0V，此时运放的正向输入端电压VC低于反向输入端电压Vz（Vz=E），运放输出V0为低电平。当输入跃变为高电平时，二极管D1截止，电容C由+E电源经电位器RW充电，电容上电压逐渐升高，VC=E()，其中R为电位器RW的电阻，在VC上升到Vz之前，输出电压V0仍为低电平，经一定时间，VC超过门槛

5、电压Vz，则输出V0翻转为高电平。仿真时输入50Hz左右的方波，用示波器观察并打印输入及输出波形。将示波器上的两根定位观察线分别拉到对应于输入方波和输出方波的上升沿位置，读出两位置的时间差（即延时时间）。展宽电路的设计与仿真当输入为高电平时，二极管D1导通，电容上电压VC被钳制为高电平，此时运放的正向输入端电压VC高于反向输入端电压Vz（Vz=E），运放输出V0为高电平。当输入跃变为低电平时，二极管D1截止，电容C由电阻R3放电，电容上电压逐渐降低，VC=V，其中V为输入电压的高电平值，R为电阻R3的电阻，在VC下降到Vz之前，输出电压V0仍为高电平，经一定时间，VC低于门槛电压Vz，则输出V

6、0翻转为低电平。仿真时输入10Hz左右的方波，用示波器观察并打印输入及输出波形。将示波器上的两根定位观察线分别拉到对应于输入方波和输出方波的下降沿位置，读出两位置的时间差（即展宽时间）。出口回路设计出口可采用一个电压控制的小继电器模拟，用一个发光管模拟输出信号指示灯。搭建整个过电流元件电路，并进行动作仿真输入电流为50Hz交流，其值一般应选在5A50A之间（考虑到系统短路时，二次电流将大于额定值5A，但一般不超过10倍额定电流）。设置好比较器整定电路中电位器的总电阻和滑动头百分比（例如10k；50%），调整输入电流大小，观察过电流继电器动作情况，并找出相应的动作电流填入下表：次数电位器设定总电

7、阻电位器设定滑动头位置所测继电器动作电流备注123(2)功率方向元件构成方框图功率方向元件动作条件：-90° 90°即与瞬时值同时为正或同时为负的时间皆大于5ms。移相电路的设计与仿真移相电路用来设定功率方向元件的内角 。用在方向电流保护中的功率方向元件一般采用90接线方式，内角一般取为(90-d)，d为线路阻抗角。不同的线路d值不同，因此设计功率方向继电器时，应使内角在090范围内可调。仿真时输入50Hz正弦交流，用示波器观察并打印输入及输出波形。将示波器上的两根定位观察线分别拉到对应于输入正弦波和输出正弦波的上升过零点，读出两位置的时间差，由时间差算出移相角（针对50H

8、z交流，20ms为一个周期，即360）。方波形成电路的设计（功能：输入为正弦波，输出形成方波）可采用开环放大器构成方波形成电路，但实际开环放大器往往工作不稳定，建议采用放大倍数极大的反向放大器来形成方波（由于放大器工作电源有限，一般为±12V或±15V或±20V或±30V或±5V，因此输出本应有极大幅值的正弦波，超过放大器工作电源上下限的部分被截掉后，即钳制为工作电源上下限后，即形成了方波）。其他典型构成电路的设计与仿真其他典型电路（输入变换器电路、滤波电路、延时电路、展宽电路、出口电路）的设计与仿真参见第1、2小组的过电流元件和低电压元件。搭

9、建整个功率方向元件电路，并进行动作仿真输入电压、电流皆为50Hz交流，设置好移相器的移相角（例如对应的前移时间为3.5毫秒，即前移角为63度），输入电压固定为100V，0度；输入电流大小固定为10A，调整输入电流角度，观察功率方向元件动作情况，并找出相应的角度动作边界，并计算出相应的最灵敏角填入下表（设置三种不同的移相角）：输入电压大小 V,输入电压角度 度，输入电流大小 A次数设定移相角开始动作电流角度返回时的电流角度所测最灵敏角备注123最灵敏角计算：lm= -(开始动作电流角度+返回时的电流角度)参考表：输入电压大小 100 V,输入电压角度 0 度，输入电流大小 10 A次数移相角开始

10、动作电流角度返回时的电流角度所测最灵敏角备注163度0度140度-70度227度310度（-50度）100度-25度（注：EWB仿真时，缺省运算放大器的工作电平为±20V，而逻辑门电路的工作电平为±5V。在仿真功率方向元件时，由于延时电路前面接的是逻辑门电路，因此延时电路仿真时的输入方波的高低电平应采用5V、0V）(3)带记忆的圆特性方向阻抗元件构成方框图：方向圆特性距离元件动作条件：270° 90°带记忆的方向圆特性距离元件动作条件：270° 90°（利用高Q值滤波器产生记忆作用，即产生相位延迟作用，形成记忆电压。高Q值滤波器的品质

11、因数Q一般取45）判断原理采用与瞬时值一正一负（异或）的时间大于5ms。移相电路用于调整整定阻抗Zzd的角度，即方向阻抗元件的最灵敏角lm（一般取为线路阻抗角d）。不同的线路d值不同，因此设计圆特性方向阻抗继电器时，应使最灵敏角lm在090范围内可调。反向放大器用于调整整定阻抗Zzd的大小。低Q及高Q滤波电路的设计与仿真滤波电路采用带通滤波器，电子电路如下：低Q滤波电路的中心频率应设为50Hz左右，中心频率的放大倍数为1左右，为加快反映速度（减小相位延迟）滤波器的品质因数Q应取较小值（一般取0.51左右），根据以上三个参数的要求选定电路中电阻及电容的参数（由于实际电容器容量超过1F时往往体积较

12、大，建议所选电容参数尽量不要超过1；电阻参数选择范围不宜过小或过大，一般在几k到几百k之间）。仿真时分别输入1Hz、50Hz、2000Hz的正弦交流，用示波器观察并打印低Q滤波电路相应输入及输出的波形。高Q滤波电路的中心频率应设为50Hz左右，中心频率的放大倍数为1左右，品质因数Q取45左右，根据以上三个参数的要求选定电路中电阻及电容的参数。用波特仪观察并打印低Q及高Q两种滤波电路的频谱图（即各种不同频率时的放大倍数的变化曲线），将定位观察线拉到对应于频谱图的幅度最大位置，读出中心频率值及其相应的放大倍数（建议波特仪的纵轴采用线性坐标，横轴采用对数坐标）。比较两种滤波器频谱针对50Hz信号的选

13、择性的好坏。针对低Q及高Q滤波电路皆输入50Hz正弦交流，用示波器分别观察并打印低Q及高Q滤波电路在仿真初始阶段的输入及输出波形，比较两种滤波电路在仿真初始阶段输出电压跟踪输入电压的快慢情况。其他典型构成电路的设计与仿真其他典型电路（输入变换器电路、移相电路、方波形成电路、延时电路、展宽电路、出口电路）的设计与仿真参见第3小组的功率方向元件。搭建整个带记忆的方向圆特性阻抗元件电路，并进行动作仿真输入电压、电流皆为50Hz交流，设置好移相器的前移角lm（例如对应的前移时间为3.5毫秒，即前移角lm为63度），输入电流大小固定为5A，输入电流角度固定为0度。输入电压角度设置为某值，调整输入电压的大

14、小，观察方向圆特性阻抗元件动作情况，找出对应于该角度下相应的动作电压，并计算出相应的动作阻抗填入下表，然后根据各个阻抗角下的动作阻抗，在阻抗平面上描出相应的点，并利用相应的点描画出方向圆特性阻抗元件的动作特性边界。设置的前移角lm为 度，输入电流大小 A,输入电流角度 度次数输入电压设定角度所测动作电压阻抗角动作阻抗备注12根据检测出的动作阻抗点，描画出阻抗平面上的动作特性图：参考表：设置的前移角lm为 63 度，输入电流大小 5 A,输入电流角度 0 度次数输入电压设定角度所测动作电压阻抗角动作阻抗备注10度28V0度5.6230度46V30度9.2360度50V60度10490度41V90

15、度8.25120度21V120度4.26150度0.0001V150度0.000027180度0.0001V180度0.000028210度0.0001V210度0.000029240度0.0001V240度0.0000210270度0.0001V270度0.0000211300度0.0001V300度0.0000212330度3V330度0.613360度28V360度5.6（注：EWB仿真时，缺省运算放大器的工作电平为±20V，而逻辑门电路的工作电平为±5V。在仿真功率方向元件时，由于延时电路前面接的是逻辑门电路，因此延时电路仿真时的输入方波的高低电平应采用5V、0V）

16、 (4)不带记忆的偏移圆特性阻抗元件构成方框图：偏移圆特性距离元件动作条件：270° 90°即与瞬时值一正一负（异或）的时间大于5ms。移相电路用于调整整定阻抗Zzd的角度，即方向阻抗元件的最灵敏角lm（一般取为线路阻抗角d）。不同的线路d值不同，因此设计偏移圆特性阻抗继电器时，应使最灵敏角lm在090范围内可调。反向放大器用于调整整定阻抗Zzd的大小。反向比例器用于调整偏移特性的偏移量（取值范围：0.10.5，一般取为0.2）典型构成电路的设计与仿真典型电路（输入变换器电路、滤波电路（即低Q滤波）、移相电路、方波形成电路、延时电路、展宽电路、出口电路）的设计与仿真参见第4

17、小组的圆特性方向阻抗元件。搭建整个不带记忆的偏移圆特性阻抗元件电路，并进行动作仿真输入电压、电流皆为50Hz交流，设置好移相器的前移角lm（例如对应的前移时间为3.5毫秒，即前移角lm为63度），输入电流大小固定为5A，输入电流角度固定为0度。输入电压角度设置为某值，调整输入电压的大小，观察偏移圆特性阻抗元件动作情况，找出对应于该角度下相应的动作电压，并计算出相应的动作阻抗填入下表，然后根据各个阻抗角下的动作阻抗，在阻抗平面上描出相应的点，并利用相应的点描画出偏移圆特性阻抗元件的动作特性边界。设置的前移角lm为 度，输入电流大小 A,输入电流角度 度次数输入电压设定角度所测动作电压阻抗角动作阻

18、抗备注12根据检测出的动作阻抗点，描画出阻抗平面上的动作特性图：参考表：设置的前移角lm为 63 度，输入电流大小 5 A,输入电流角度 0 度次数输入电压角度动作电压阻抗角动作阻抗备注10度41V0度8.2230度46V30度9.2360度49V60度9.8490度48V90度9.65120度42V120度8.46150度36V150度7.27180度26V180度5.28210度25V210度59240度25V240度510270度26V270度5.211300度28V300度5.612330度34V330度6.813360度41V360度8.2（注：EWB仿真时，缺省运算放大器的工作电平

19、为±20V，而逻辑门电路的工作电平为±5V。在仿真功率方向元件时，由于延时电路前面接的是逻辑门电路，因此延时电路仿真时的输入方波的高低电平应采用5V、0V）(5)比率制动特性及二次谐波制动的差动元件构成方框图：输入电流用于模拟被保护设备两侧的测量电流，皆以流向被保护设备为正方向。当系统正常运行或被保护设备外部故障时，两侧电流、反相；当被保护设备内部故障时，两侧电流基本同相。二次谐波过滤器滤波电路的设计与仿真滤波电路采用带通滤波器，电子电路如下：滤波电路的中心频率应设为100Hz（二次谐波），中心频率的放大倍数为1左右，为加快反映速度（减小相位延迟）滤波器的品质因数Q应取较小

20、值（一般取0.51左右），根据以上三个参数的要求选定电路中电阻及电容的参数（由于实际电容器容量超过1F时往往体积较大，建议所选电容参数尽量不要超过1；电阻参数选择范围不宜过小或过大，一般在几k到几百k之间）。仿真时分别输入10Hz、100Hz、2000Hz的正弦交流，用示波器观察输出波形并打印相应输入及输出的波形。用波特仪观察并打印滤波电路的频谱图（即各种不同频率时的放大倍数的变化曲线），将定位观察线拉到对应于频谱图的幅度最大位置，读出中心频率值及其相应的放大倍数（建议波特仪的纵轴采用线性坐标，横轴采用对数坐标）。整流滤波电路的设计与仿真整流滤波电路是要将50Hz交流信号变换成与其有效值（或幅

21、值）成正比的直流。其电路可由全波整流电路和低通滤波电路构成：全波整流电路的设计与仿真同第1组的过电流继电器。低通滤波电路如下：为保证提取出全波整流后的直流分量，低通滤波的截止频率应低于100Hz(即全波整流后波形的基波频率，为原始交流信号频率50Hz的2倍。例如截止频率可选为25Hz)。整流滤波电路的仿真：仿真时输入50Hz正弦交流，用示波器观察并打印整流滤波电路的输入及输出波形。搭建比率制动特性差动元件电路并进行动作仿真（不包含二次谐波制动）：（由于EWB仿真软件不能仿真过于复杂的电路，因此将比率制动及二次谐波制动差动元件的整个电路拆分成比率制动差动元件和二次谐波制动差动元件两部分分别进行仿

22、真）比率制动特性如下：* 外部故障情况仿真：将两路输入电流分别设置为：10A,0度和8A，180度（两路电流的大小设置为不同值，以仿真外部故障时的不平衡电流），观察电路动作情况。* 内部故障情况仿真：将两路输入电流分别设置为：10A,0度和8A，10度（两路电流的大小、角度设置为不同值，以仿真内部故障时两侧电源的容量及相位的差别），观察电路动作情况，并填入下表。次数故障情况M侧N侧动作情况大小角度大小角度1外部故障2内部故障搭建二次谐波制动特性差动元件电路并进行动作仿真（不包含比率制动）：在两路输入电流中分别叠加50Hz（基波）交流和100Hz（二次谐波）交流两种电流源。* 二次谐波较大时，电路动作情况仿真：将两路输入电流分别设置为：M侧：50Hz,10A,0度；100Hz,4A，0度；N侧：50Hz,10A,0度；100Hz,4A，0度。* 二次谐波较小时，电路动作情况仿真：将两路输入电流分别设置为：M侧：50Hz,10A,0度；100Hz,1A，0度；N侧：50Hz,10A,0度；100Hz,1A，0度。根据设置二次谐波大小，观察电路动作情况，并填入下表。次数M侧基波M侧二次谐波N侧基波N