46組課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書

1、繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書（46組）一、課程設(shè)計(jì)目的繼電保護(hù)課程設(shè)計(jì)是與繼電保護(hù)原理課程相配套的一個(gè)重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是理論與實(shí)踐相結(jié)合的重要手段。通過該課程設(shè)計(jì)，加深學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)原理知識(shí)的理解，使學(xué)生對(duì)繼電保護(hù)原理知識(shí)得以綜合應(yīng)用，使學(xué)生掌握電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)思路和設(shè)計(jì)方法，培養(yǎng)學(xué)生的工程計(jì)算能力以及分析和解決工程實(shí)際問題的能力。二、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容根據(jù)各繼電保護(hù)元件的構(gòu)成方框圖，設(shè)計(jì)相應(yīng)的電子電路，并進(jìn)行EWB仿真（Electronic WorkBench,即電子工作平臺(tái)仿真軟件）。典型功能的電子電路可參考附圖。分3組進(jìn)行，各組分別針對(duì)相應(yīng)不同的繼電保護(hù)元件（包括5種保護(hù)元件）。(1)過

2、電流元件構(gòu)成方框圖：輸入變換電路的設(shè)計(jì)輸入電流Ij采用交流電流源模擬；由于電子電路一般只處理電壓量，故變換器應(yīng)將電流量變換成相應(yīng)大小的電壓量，在EWB中用電流控制電壓源模擬，電流控制電壓源的轉(zhuǎn)移阻抗建議設(shè)置為0.2歐姆（即當(dāng)正常二次額定電流為5A時(shí)，輸出電壓為1V）。濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真濾波電路采用帶通濾波器，電子電路如下：濾波電路的中心頻率應(yīng)設(shè)為50Hz左右，中心頻率的放大倍數(shù)為1左右，為加快反映速度（減小相位延遲）濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q應(yīng)取較小值（一般取0.51左右），根據(jù)以上三個(gè)參數(shù)的要求選定電路中電阻及電容的參數(shù)（由于實(shí)際電容器容量超過1F時(shí)往往體積較大，建議所選電容參數(shù)盡量不要超過1；電

3、阻參數(shù)選擇范圍不宜過小或過大，一般在幾k到幾百k之間）。仿真時(shí)分別輸入1Hz、50Hz、2000Hz的正弦交流，用示波器觀察輸出波形并打印相應(yīng)輸入及輸出的波形。用波特儀觀察并打印濾波電路的頻譜圖（即各種不同頻率時(shí)的放大倍數(shù)的變化曲線），將定位觀察線拉到對(duì)應(yīng)于頻譜圖的幅度最大位置，讀出中心頻率值及其相應(yīng)的放大倍數(shù)（建議波特儀的縱軸采用線性坐標(biāo)，橫軸采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)）。全波整流電路的設(shè)計(jì)與仿真前一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成半波整流電路，后一個(gè)運(yùn)算放大器構(gòu)成反相加法器。輸入Vi為正弦波，當(dāng)Vi為負(fù)半周時(shí)，兩個(gè)二極管導(dǎo)通，Vm=0（與運(yùn)放的虛地點(diǎn)等電位），V0=；當(dāng)Vi為正半周時(shí)，兩二極管截止，Vm=，V0=。選R

4、1=R2=R3=R5= 2R4，則有：Vi為正半周時(shí)，V0= Vi ； Vi為負(fù)半周時(shí)，V0= -Vi仿真時(shí)輸入50Hz正弦交流，用示波器觀察并打印輸入及輸出波形（將電子電路中的兩個(gè)二極管皆反向，再觀察輸出波形特點(diǎn)）。延時(shí)電路的設(shè)計(jì)與仿真當(dāng)輸入為低電平時(shí)（Vi=0），二極管D1導(dǎo)通，電容上電壓VC被鉗制為0V，此時(shí)運(yùn)放的正向輸入端電壓VC低于反向輸入端電壓Vz（Vz=E），運(yùn)放輸出V0為低電平。當(dāng)輸入躍變?yōu)楦唠娖綍r(shí)，二極管D1截止，電容C由+E電源經(jīng)電位器RW充電，電容上電壓逐漸升高，VC=E()，其中R為電位器RW的電阻，在VC上升到Vz之前，輸出電壓V0仍為低電平，經(jīng)一定時(shí)間，VC超過門檻

5、電壓Vz，則輸出V0翻轉(zhuǎn)為高電平。仿真時(shí)輸入50Hz左右的方波，用示波器觀察并打印輸入及輸出波形。將示波器上的兩根定位觀察線分別拉到對(duì)應(yīng)于輸入方波和輸出方波的上升沿位置，讀出兩位置的時(shí)間差（即延時(shí)時(shí)間）。展寬電路的設(shè)計(jì)與仿真當(dāng)輸入為高電平時(shí)，二極管D1導(dǎo)通，電容上電壓VC被鉗制為高電平，此時(shí)運(yùn)放的正向輸入端電壓VC高于反向輸入端電壓Vz（Vz=E），運(yùn)放輸出V0為高電平。當(dāng)輸入躍變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，二極管D1截止，電容C由電阻R3放電，電容上電壓逐漸降低，VC=V，其中V為輸入電壓的高電平值，R為電阻R3的電阻，在VC下降到Vz之前，輸出電壓V0仍為高電平，經(jīng)一定時(shí)間，VC低于門檻電壓Vz，則輸出V

6、0翻轉(zhuǎn)為低電平。仿真時(shí)輸入10Hz左右的方波，用示波器觀察并打印輸入及輸出波形。將示波器上的兩根定位觀察線分別拉到對(duì)應(yīng)于輸入方波和輸出方波的下降沿位置，讀出兩位置的時(shí)間差（即展寬時(shí)間）。出口回路設(shè)計(jì)出口可采用一個(gè)電壓控制的小繼電器模擬，用一個(gè)發(fā)光管模擬輸出信號(hào)指示燈。搭建整個(gè)過電流元件電路，并進(jìn)行動(dòng)作仿真輸入電流為50Hz交流，其值一般應(yīng)選在5A50A之間（考慮到系統(tǒng)短路時(shí)，二次電流將大于額定值5A，但一般不超過10倍額定電流）。設(shè)置好比較器整定電路中電位器的總電阻和滑動(dòng)頭百分比（例如10k；50%），調(diào)整輸入電流大小，觀察過電流繼電器動(dòng)作情況，并找出相應(yīng)的動(dòng)作電流填入下表：次數(shù)電位器設(shè)定總電

7、阻電位器設(shè)定滑動(dòng)頭位置所測(cè)繼電器動(dòng)作電流備注123(2)功率方向元件構(gòu)成方框圖功率方向元件動(dòng)作條件：-90° 90°即與瞬時(shí)值同時(shí)為正或同時(shí)為負(fù)的時(shí)間皆大于5ms。移相電路的設(shè)計(jì)與仿真移相電路用來設(shè)定功率方向元件的內(nèi)角 。用在方向電流保護(hù)中的功率方向元件一般采用90接線方式，內(nèi)角一般取為(90-d)，d為線路阻抗角。不同的線路d值不同，因此設(shè)計(jì)功率方向繼電器時(shí)，應(yīng)使內(nèi)角在090范圍內(nèi)可調(diào)。仿真時(shí)輸入50Hz正弦交流，用示波器觀察并打印輸入及輸出波形。將示波器上的兩根定位觀察線分別拉到對(duì)應(yīng)于輸入正弦波和輸出正弦波的上升過零點(diǎn)，讀出兩位置的時(shí)間差，由時(shí)間差算出移相角（針對(duì)50H

8、z交流，20ms為一個(gè)周期，即360）。方波形成電路的設(shè)計(jì)（功能：輸入為正弦波，輸出形成方波）可采用開環(huán)放大器構(gòu)成方波形成電路，但實(shí)際開環(huán)放大器往往工作不穩(wěn)定，建議采用放大倍數(shù)極大的反向放大器來形成方波（由于放大器工作電源有限，一般為±12V或±15V或±20V或±30V或±5V，因此輸出本應(yīng)有極大幅值的正弦波，超過放大器工作電源上下限的部分被截掉后，即鉗制為工作電源上下限后，即形成了方波）。其他典型構(gòu)成電路的設(shè)計(jì)與仿真其他典型電路（輸入變換器電路、濾波電路、延時(shí)電路、展寬電路、出口電路）的設(shè)計(jì)與仿真參見第1、2小組的過電流元件和低電壓元件。搭

9、建整個(gè)功率方向元件電路，并進(jìn)行動(dòng)作仿真輸入電壓、電流皆為50Hz交流，設(shè)置好移相器的移相角（例如對(duì)應(yīng)的前移時(shí)間為3.5毫秒，即前移角為63度），輸入電壓固定為100V，0度；輸入電流大小固定為10A，調(diào)整輸入電流角度，觀察功率方向元件動(dòng)作情況，并找出相應(yīng)的角度動(dòng)作邊界，并計(jì)算出相應(yīng)的最靈敏角填入下表（設(shè)置三種不同的移相角）：輸入電壓大小 V,輸入電壓角度 度，輸入電流大小 A次數(shù)設(shè)定移相角開始動(dòng)作電流角度返回時(shí)的電流角度所測(cè)最靈敏角備注123最靈敏角計(jì)算：lm= -(開始動(dòng)作電流角度+返回時(shí)的電流角度)參考表：輸入電壓大小 100 V,輸入電壓角度 0 度，輸入電流大小 10 A次數(shù)移相角開始

10、動(dòng)作電流角度返回時(shí)的電流角度所測(cè)最靈敏角備注163度0度140度-70度227度310度（-50度）100度-25度（注：EWB仿真時(shí)，缺省運(yùn)算放大器的工作電平為±20V，而邏輯門電路的工作電平為±5V。在仿真功率方向元件時(shí)，由于延時(shí)電路前面接的是邏輯門電路，因此延時(shí)電路仿真時(shí)的輸入方波的高低電平應(yīng)采用5V、0V）(3)帶記憶的圓特性方向阻抗元件構(gòu)成方框圖：方向圓特性距離元件動(dòng)作條件：270° 90°帶記憶的方向圓特性距離元件動(dòng)作條件：270° 90°（利用高Q值濾波器產(chǎn)生記憶作用，即產(chǎn)生相位延遲作用，形成記憶電壓。高Q值濾波器的品質(zhì)

11、因數(shù)Q一般取45）判斷原理采用與瞬時(shí)值一正一負(fù)（異或）的時(shí)間大于5ms。移相電路用于調(diào)整整定阻抗Zzd的角度，即方向阻抗元件的最靈敏角lm（一般取為線路阻抗角d）。不同的線路d值不同，因此設(shè)計(jì)圓特性方向阻抗繼電器時(shí)，應(yīng)使最靈敏角lm在090范圍內(nèi)可調(diào)。反向放大器用于調(diào)整整定阻抗Zzd的大小。低Q及高Q濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真濾波電路采用帶通濾波器，電子電路如下：低Q濾波電路的中心頻率應(yīng)設(shè)為50Hz左右，中心頻率的放大倍數(shù)為1左右，為加快反映速度（減小相位延遲）濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q應(yīng)取較小值（一般取0.51左右），根據(jù)以上三個(gè)參數(shù)的要求選定電路中電阻及電容的參數(shù)（由于實(shí)際電容器容量超過1F時(shí)往往體積較

12、大，建議所選電容參數(shù)盡量不要超過1；電阻參數(shù)選擇范圍不宜過小或過大，一般在幾k到幾百k之間）。仿真時(shí)分別輸入1Hz、50Hz、2000Hz的正弦交流，用示波器觀察并打印低Q濾波電路相應(yīng)輸入及輸出的波形。高Q濾波電路的中心頻率應(yīng)設(shè)為50Hz左右，中心頻率的放大倍數(shù)為1左右，品質(zhì)因數(shù)Q取45左右，根據(jù)以上三個(gè)參數(shù)的要求選定電路中電阻及電容的參數(shù)。用波特儀觀察并打印低Q及高Q兩種濾波電路的頻譜圖（即各種不同頻率時(shí)的放大倍數(shù)的變化曲線），將定位觀察線拉到對(duì)應(yīng)于頻譜圖的幅度最大位置，讀出中心頻率值及其相應(yīng)的放大倍數(shù)（建議波特儀的縱軸采用線性坐標(biāo)，橫軸采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)）。比較兩種濾波器頻譜針對(duì)50Hz信號(hào)的選

13、擇性的好壞。針對(duì)低Q及高Q濾波電路皆輸入50Hz正弦交流，用示波器分別觀察并打印低Q及高Q濾波電路在仿真初始階段的輸入及輸出波形，比較兩種濾波電路在仿真初始階段輸出電壓跟蹤輸入電壓的快慢情況。其他典型構(gòu)成電路的設(shè)計(jì)與仿真其他典型電路（輸入變換器電路、移相電路、方波形成電路、延時(shí)電路、展寬電路、出口電路）的設(shè)計(jì)與仿真參見第3小組的功率方向元件。搭建整個(gè)帶記憶的方向圓特性阻抗元件電路，并進(jìn)行動(dòng)作仿真輸入電壓、電流皆為50Hz交流，設(shè)置好移相器的前移角lm（例如對(duì)應(yīng)的前移時(shí)間為3.5毫秒，即前移角lm為63度），輸入電流大小固定為5A，輸入電流角度固定為0度。輸入電壓角度設(shè)置為某值，調(diào)整輸入電壓的大

14、小，觀察方向圓特性阻抗元件動(dòng)作情況，找出對(duì)應(yīng)于該角度下相應(yīng)的動(dòng)作電壓，并計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)作阻抗填入下表，然后根據(jù)各個(gè)阻抗角下的動(dòng)作阻抗，在阻抗平面上描出相應(yīng)的點(diǎn)，并利用相應(yīng)的點(diǎn)描畫出方向圓特性阻抗元件的動(dòng)作特性邊界。設(shè)置的前移角lm為 度，輸入電流大小 A,輸入電流角度 度次數(shù)輸入電壓設(shè)定角度所測(cè)動(dòng)作電壓阻抗角動(dòng)作阻抗備注12根據(jù)檢測(cè)出的動(dòng)作阻抗點(diǎn)，描畫出阻抗平面上的動(dòng)作特性圖：參考表：設(shè)置的前移角lm為 63 度，輸入電流大小 5 A,輸入電流角度 0 度次數(shù)輸入電壓設(shè)定角度所測(cè)動(dòng)作電壓阻抗角動(dòng)作阻抗備注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仿真時(shí)，缺省運(yùn)算放大器的工作電平為±20V，而邏輯門電路的工作電平為±5V。在仿真功率方向元件時(shí)，由于延時(shí)電路前面接的是邏輯門電路，因此延時(shí)電路仿真時(shí)的輸入方波的高低電平應(yīng)采用5V、0V）

16、 (4)不帶記憶的偏移圓特性阻抗元件構(gòu)成方框圖：偏移圓特性距離元件動(dòng)作條件：270° 90°即與瞬時(shí)值一正一負(fù)（異或）的時(shí)間大于5ms。移相電路用于調(diào)整整定阻抗Zzd的角度，即方向阻抗元件的最靈敏角lm（一般取為線路阻抗角d）。不同的線路d值不同，因此設(shè)計(jì)偏移圓特性阻抗繼電器時(shí)，應(yīng)使最靈敏角lm在090范圍內(nèi)可調(diào)。反向放大器用于調(diào)整整定阻抗Zzd的大小。反向比例器用于調(diào)整偏移特性的偏移量（取值范圍：0.10.5，一般取為0.2）典型構(gòu)成電路的設(shè)計(jì)與仿真典型電路（輸入變換器電路、濾波電路（即低Q濾波）、移相電路、方波形成電路、延時(shí)電路、展寬電路、出口電路）的設(shè)計(jì)與仿真參見第4

17、小組的圓特性方向阻抗元件。搭建整個(gè)不帶記憶的偏移圓特性阻抗元件電路，并進(jìn)行動(dòng)作仿真輸入電壓、電流皆為50Hz交流，設(shè)置好移相器的前移角lm（例如對(duì)應(yīng)的前移時(shí)間為3.5毫秒，即前移角lm為63度），輸入電流大小固定為5A，輸入電流角度固定為0度。輸入電壓角度設(shè)置為某值，調(diào)整輸入電壓的大小，觀察偏移圓特性阻抗元件動(dòng)作情況，找出對(duì)應(yīng)于該角度下相應(yīng)的動(dòng)作電壓，并計(jì)算出相應(yīng)的動(dòng)作阻抗填入下表，然后根據(jù)各個(gè)阻抗角下的動(dòng)作阻抗，在阻抗平面上描出相應(yīng)的點(diǎn)，并利用相應(yīng)的點(diǎn)描畫出偏移圓特性阻抗元件的動(dòng)作特性邊界。設(shè)置的前移角lm為 度，輸入電流大小 A,輸入電流角度 度次數(shù)輸入電壓設(shè)定角度所測(cè)動(dòng)作電壓阻抗角動(dòng)作阻

18、抗備注12根據(jù)檢測(cè)出的動(dòng)作阻抗點(diǎn)，描畫出阻抗平面上的動(dòng)作特性圖：參考表：設(shè)置的前移角lm為 63 度，輸入電流大小 5 A,輸入電流角度 0 度次數(shù)輸入電壓角度動(dòng)作電壓阻抗角動(dòng)作阻抗備注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仿真時(shí)，缺省運(yùn)算放大器的工作電平

19、為±20V，而邏輯門電路的工作電平為±5V。在仿真功率方向元件時(shí)，由于延時(shí)電路前面接的是邏輯門電路，因此延時(shí)電路仿真時(shí)的輸入方波的高低電平應(yīng)采用5V、0V）(5)比率制動(dòng)特性及二次諧波制動(dòng)的差動(dòng)元件構(gòu)成方框圖：輸入電流用于模擬被保護(hù)設(shè)備兩側(cè)的測(cè)量電流，皆以流向被保護(hù)設(shè)備為正方向。當(dāng)系統(tǒng)正常運(yùn)行或被保護(hù)設(shè)備外部故障時(shí)，兩側(cè)電流、反相；當(dāng)被保護(hù)設(shè)備內(nèi)部故障時(shí)，兩側(cè)電流基本同相。二次諧波過濾器濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真濾波電路采用帶通濾波器，電子電路如下：濾波電路的中心頻率應(yīng)設(shè)為100Hz（二次諧波），中心頻率的放大倍數(shù)為1左右，為加快反映速度（減小相位延遲）濾波器的品質(zhì)因數(shù)Q應(yīng)取較小

20、值（一般取0.51左右），根據(jù)以上三個(gè)參數(shù)的要求選定電路中電阻及電容的參數(shù)（由于實(shí)際電容器容量超過1F時(shí)往往體積較大，建議所選電容參數(shù)盡量不要超過1；電阻參數(shù)選擇范圍不宜過小或過大，一般在幾k到幾百k之間）。仿真時(shí)分別輸入10Hz、100Hz、2000Hz的正弦交流，用示波器觀察輸出波形并打印相應(yīng)輸入及輸出的波形。用波特儀觀察并打印濾波電路的頻譜圖（即各種不同頻率時(shí)的放大倍數(shù)的變化曲線），將定位觀察線拉到對(duì)應(yīng)于頻譜圖的幅度最大位置，讀出中心頻率值及其相應(yīng)的放大倍數(shù)（建議波特儀的縱軸采用線性坐標(biāo)，橫軸采用對(duì)數(shù)坐標(biāo)）。整流濾波電路的設(shè)計(jì)與仿真整流濾波電路是要將50Hz交流信號(hào)變換成與其有效值（或幅

21、值）成正比的直流。其電路可由全波整流電路和低通濾波電路構(gòu)成：全波整流電路的設(shè)計(jì)與仿真同第1組的過電流繼電器。低通濾波電路如下：為保證提取出全波整流后的直流分量，低通濾波的截止頻率應(yīng)低于100Hz(即全波整流后波形的基波頻率，為原始交流信號(hào)頻率50Hz的2倍。例如截止頻率可選為25Hz)。整流濾波電路的仿真：仿真時(shí)輸入50Hz正弦交流，用示波器觀察并打印整流濾波電路的輸入及輸出波形。搭建比率制動(dòng)特性差動(dòng)元件電路并進(jìn)行動(dòng)作仿真（不包含二次諧波制動(dòng)）：（由于EWB仿真軟件不能仿真過于復(fù)雜的電路，因此將比率制動(dòng)及二次諧波制動(dòng)差動(dòng)元件的整個(gè)電路拆分成比率制動(dòng)差動(dòng)元件和二次諧波制動(dòng)差動(dòng)元件兩部分分別進(jìn)行仿

22、真）比率制動(dòng)特性如下：* 外部故障情況仿真：將兩路輸入電流分別設(shè)置為：10A,0度和8A，180度（兩路電流的大小設(shè)置為不同值，以仿真外部故障時(shí)的不平衡電流），觀察電路動(dòng)作情況。* 內(nèi)部故障情況仿真：將兩路輸入電流分別設(shè)置為：10A,0度和8A，10度（兩路電流的大小、角度設(shè)置為不同值，以仿真內(nèi)部故障時(shí)兩側(cè)電源的容量及相位的差別），觀察電路動(dòng)作情況，并填入下表。次數(shù)故障情況M側(cè)N側(cè)動(dòng)作情況大小角度大小角度1外部故障2內(nèi)部故障搭建二次諧波制動(dòng)特性差動(dòng)元件電路并進(jìn)行動(dòng)作仿真（不包含比率制動(dòng)）：在兩路輸入電流中分別疊加50Hz（基波）交流和100Hz（二次諧波）交流兩種電流源。* 二次諧波較大時(shí)，電路動(dòng)作情況仿真：將兩路輸入電流分別設(shè)置為：M側(cè)：50Hz,10A,0度；100Hz,4A，0度；N側(cè)：50Hz,10A,0度；100Hz,4A，0度。* 二次諧波較小時(shí)，電路動(dòng)作情況仿真：將兩路輸入電流分別設(shè)置為：M側(cè)：50Hz,10A,0度；100Hz,1A，0度；N側(cè)：50Hz,10A,0度；100Hz,1A，0度。根據(jù)設(shè)置二次諧波大小，觀察電路動(dòng)作情況，并填入下表。次數(shù)M側(cè)基波M側(cè)二次諧波N側(cè)基波N