供配电工程实验指导书2010.4.1

实验一 高低压电器认识实验
一、实验目的
熟悉高低压电器、高低压成套配电装置的结构、功能，了解其技术特性。

二、实验主要仪器与设备
各种高低压电器设备、高低压成套配电装置。

三、实验原理
（一）高压熔断器
熔断器是常用的一种简单的保护电器。

当通过它的电流超过规定值并经过一定的时间后熔体熔化，从而切断电流，对线路及设备进行短路保护或过负荷保护。

1．户内高压熔断器
①RN1和RN2型高压管式熔断器。

RNl 及RN2型熔断器结构如图1-1所示，主要由熔管、触座、动作指示器、绝缘子、石英砂填料和底座组成。

图1-1 RNl 及RN2型熔断器结构图 短路电流通过时，并联铜丝熔断产生电弧，电弧在充满石英砂填料的熔管内燃烧，灭弧过程中利用了粗弧分细、长弧切短、狭沟灭弧和冷却灭弧等灭弧方法。

②XRNT 、XRNP 型高压限流熔断器。

XRNT 、XRNP 型高压限流熔断器结构如图1-2所示。

（b ）熔管剖面图
（a ）外形图
（a）外形图（b）剖面图
图1-2 高压限流熔断器的结构图
熔断器本体主要由瓷质熔管、丝状或片状熔体、高纯度石英砂、瓷芯柱、撞击器等组成。

熔断器依靠石英砂对电弧的吸热和游离气体向石英砂间隙扩散的作用进行灭弧，同时可利用冶金效应形成串联电弧，将长弧切短加速灭弧。

熔丝熔断时，撞击器迅速弹出, 驱动连锁电器（常用负荷开关）的脱扣器而使开关跳闸或并发出熔断信号。

２、户外高压跌开式熔断器
如图1-3所示为RW4-10（G）型跌落式熔断器结构。

熔断器熔管外层为酚醛纸管或环氧玻璃布管，内套纤维质消弧管，其灭弧原理为：短路电流使熔体熔断，形成电弧，电弧灼烧消弧管内壁，产气纵吹电弧而熄灭。

如图1-4所示为RW10-10F跌开式熔断器。

在一般跌开式熔断器的上静触头上加装了一个简单的灭弧室，因而可以带负荷操作，相当于负荷开关。

图1-3RW4-10(G) 型跌落式熔断器图1-4 RW10-10负荷型跌开式熔断器
（二）高压隔离开关
高压隔离开关是一种没有灭弧装置的开关电器，其功能主要是隔离高压电源，以保证对其他电气设备检修工作的安全。

图1-5所示为GN8-10高压隔离开关的外形结构图，它的三相闸刀安装在同一底座上，一般用手动操动机构进行操作。

图1-5 GN8-10型高压隔离开关外形
（三）高压负荷开关
高压负荷开关结构上与隔离开关相似，但有简单的灭弧装置，能够带负荷操作。

图1-6为FN12-12户内压气式负荷开关结构图。

采用压气式灭弧原理，动触头由导电筒构成，作为活动的气缸，利用气缸与固定的活塞相对运动产生压缩空气，形成强大气流，使电弧迅速熄灭。

图1-6 FN12-12户内压气式负荷开关结构
（四）高压断路器
高压断路器是具有完善的灭弧装置的高压开关电器。

用来通断负荷电流；短路故障时，在保护装置作用下自动跳闸。

按采用的灭弧介质分，有油断路器、SF6断路器、真空断路器、压缩空气断路器等。

1．高压少油断路器
高压少油断路器主要由灭弧室、触头系统、传动机构和框架组成。

图1-7所示是SNl0-10型高压少油断路器的外形结构和油箱内部结构图。

（a）外形结构（b）内部剖面结构
图1-7 SN10-10型少油断路器结构图
工作及灭弧原理如下：合闸时，经操动机构和传动机构将导电杆插入静触头来接通电路。

分闸时，导电杆向下运动并离开静触头，产生电弧，使油分解形成封闭气泡，油压迫使逆止阀上升堵住中心孔，电孤在封闭的空间内燃烧。

同时，导电杆迅速向下运动，相继打开一、二、三道灭弧沟和纵吹油囊，油气混合物强烈地横吹、纵吹电弧。

2．高压真空断路器
ZN12-10真空断路器主要由真空灭弧室、弹簧操动机构和绝缘支撑件等组成。

真空灭弧室由圆盘状的动静触头、屏蔽罩、波纹管屏蔽罩、陶瓷外壳等组成，其结构如图1-8所示。

图1-8 ZN12-10型真空断路器结构图
开断过程：在触头刚分离时，高电场发射和热电发射使触头间产生真空电弧，使金属触头表面产生金属蒸气，金属离子在屏蔽罩内壁上凝聚，以致电弧在自然过零后极短的时间内，触头间隙又恢复了原有的高真空度。

3．六氟化硫（SF6）断路器
图1-9所示为LN2-10型高压SF6断路器的结构图。

（a）外形图（b）灭弧室结构
图1-9 LN2-10型高压SF6断路器结构图
断路器的静触头和灭弧室中的压气活塞是相对固定的。

当跳闸时，装有动触头和绝缘喷嘴的汽缸由断路器的操动机构通过连杆带动离开静触头，使汽缸和活塞产生相对运动来压缩SF6气体并使之通过喷嘴吹出，用吹弧法来迅速熄灭电弧。

（五）高压开关柜
高压开关柜是将一、二次设备按一定的线路方案组合而成的一种成套配电设备。

1．固定式高压开关柜
固定式高压开关柜的柜内所有电器部件都固定安装在不能移动的台架上。

图1-10为XGN56-12箱型（户内）交流金属封闭型高压开关柜外形图和内部结构图。

该型开关柜柜体骨架由钢板折弯后组装而成，柜内分断路器室、主母线室、电缆室、继电器仪表室等，各隔室由接地良好的隔板相隔。

（a）外形图（b）内部结构图
图`1-10 XGN56-12箱型开关柜结构图
2. 手车式（移开式）高压开关柜
将某些主要电器设备固定安装在可移动的手车上。

当手车上安装的电器设备发生故障或需检修、更换时，随同手车一起移出柜外，再推入同类备用手车，即可恢复供电。

如图1-11所示为KYN28A-12型开关柜的外形结构和内部剖面图。

该开关柜完全金属铠装，由金属板分隔成手车室、母线室、电缆式和继电器仪表室，每一单元的金属外壳均独立接地。

（a）外形图（b）内部剖面图
图1-11 KYN28A-12型开关柜的外形结构和内部剖面图
（六）低压一次设备
供配电系统中的低压一次设备种类繁多，有低压熔断器、低压刀开关、低压刀熔开关、低压负荷开关、低压断路器和低压配电屏等。

1、低压熔断器
（1）RM10系列熔断器结构如图1-12所示。

当短路电流通过时，熔片窄部先熔断，使熔管内形成几段串联的电弧而易于熄灭；过负荷时，往往在宽窄之间的斜部熔断。

（a）外形图（b）熔片图
图1-12 RM10系列熔断器结构图
（2）有填料密闭管式熔断器。

以RT0型为例，其外形及内部结构如图1-13所示。

（a）熔体（b）外形图
图1-13 RT0低压熔断器结构图
RT0熔断器主要由瓷熔管、铜熔体和底座三部分组成，熔管内装石英砂。

熔体变截面小孔可使熔体在短路电流通过时熔断，将长弧分割为多段短弧；引燃栅具有等电位作用，使粗弧分细；电弧电流在石英砂中燃烧，形成狭沟灭弧。

2．低压断路器
（1）图1-14为DZ20系列塑料外壳式低压断路器的结构图。

其主要特征是，所有部件都安装在一个塑料外壳中，没有裸露的带电部分，提高了使用的安全性。

1-14 DZ20型塑料外壳式低压断路器
（2）图1-15是DW15型低压断路器的外形图和内部结构图。

由触头系统、操作机构和脱扣器系统组成。

灭弧室里采用钢纸板材料和数十片铁片作灭弧栅来加强电弧的熄灭。

脱扣系统有过负荷长延时脱扣器、短路瞬时脱扣器、欠电压脱扣器和分励脱扣器等。

图1-15 DW15型低压断路器的外形图和内部结构图
3．低压开关柜
低压开关柜的种类很多，按其结构有固定式和抽屉式两种基本型式。

图1-16和图1-17所示分别为GGD固定式低压开关柜、GCS抽出式低压开关柜（PC 柜）外形图。

图1-16 GGD固定式低压开关柜外形图图1-17 GCS型低压抽出式开关柜外形图
四、实验预习要求
认真预习相关实验内容，明确实验的目的和要求，记住安全注意事项。

五、实验内容及步骤
在实验条件具备的情况下，通过拆装、操作，熟悉电器设备结构、原理、工作特性等。

在实验条件不具备的情况下，组织参观工厂、发电厂或变电站，对主接线、变压器及各种电气设备有一个直观的了解。

包括：电厂的生产过程、电厂各主要厂房布置情况、机组运行情况、热力系统类型及构成、升压站主接线、电力设备结构及布置；变电站一次及二次系统；工厂供配电系统的构成等。

六、思考题
1、电弧对电气设备的安全运行有哪些影响?开关电器中有哪些常用的灭弧方法?其中最常用、最基本的灭弧方法是什么?
2、比较高压断路器、高压负荷开关、高压隔离开关的功能、结构特点，操作时分别应注意哪些事项？
3、比较真空断路器、SF6断路器、少油断路器，各自主要优缺点是什么?
4、XRNT型高压限流熔断器撞击器的作用？
5、高压开关柜在结构设计上要求具有哪“五防”功能？
6、低压熔断器按其分断范围和使用类别分有哪些类型，各种类型的含义？
七、实验报告
1、具体针对某型设备，全面说明其构造、阐述其工作原理、分析其特点，熟悉其技术参数及其含义等。

对于开关柜，还应绘制其主接线。

2、若是参观，根据参观内容写出报告。

实验二过电流保护实验
一、实验目的
1）了解继电器基本分类方法及其结构。

2）熟悉几种常用继电器，如电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器等的构成原理。

3）学会调整、测量电磁型继电器的动作值、返回值和计算返回系数。

4）继电器与电力系统继电保护的关系非常密切，测量继电器的基本特性，可对今后做继电保护调试和整定计算打下良好基础。

二、实验主要仪器与设备
LHDJZ-Ⅲ型电气自动化及继电保护综合试验台、TQDB-Ⅲ继电保护及变电站综合自动化仿真培训系统。

三、实验原理
继电器是电力系统常规继电保护的主要元件，它的种类繁多，原理与作用各异。

继电保护中常用的有电流继电器、电压继电器、中间继电器、信号继电器、阻抗继电器、功率方向继电器、差动继电器等。

下面仅就常用的电磁型继电器的构成及原理作简要介绍。

（1）电磁型电流继电器
电磁型继电器的典型代表是电磁型电流继电器，它既是实现电流保护的基本元件，也是反应故障电流增大而自动动作的一种电器。

下面通过对电磁型电流继电器的分析，来说明一般电磁型继电器的工作原理和特性。

图2-1为DL 系列电流继电器的结构图，它由固定触点1、可动触点2、线圈3、铁心4、弹簧5、转动舌片6、止挡7所组成。

当线圈中通过电流I KA 时，铁心中产生磁通Φ ，它 通过由铁心、空气隙和转动舌片组成的磁
路，将舌片磁化，产生电磁力F e ，形成一对力偶。

由这对力偶所形成的电磁转矩，将使转动舌片按磁阻减小的方向（即顺时针方向）转动，从而使继电器触点闭合。

电磁力
图2-1 DL 系列电流继电器
F e 与磁通Φ 的 平方成正比，即
分析表明，电磁转矩M e 等于电磁力F e 与转动舌片力臂KA l 的乘积，即
2
2222
1KA
KA c
KA
KA
KA e e
I K I R N
l K l F M
=== （2-1）
式中， K 2 为与磁阻R C 、线圈匝数N KA 和转动舌片力臂l KA 有关的一个系数。

为了使继电器动作（衔铁吸持，触点闭合），它的平均电磁力矩M e 必须大于弹簧及摩擦的反抗力矩之和(M s +M )。

所以由式（2-1）得到继电器的动作条件是：
M
M
I R N
K l M
S
KA C
KA
KA e
+≥=2
221
（2-2）
能使继电器动作的最小电流称为继电器的动作电流，用I OP 表示，在式（2-2）中用I OP 代替I KA 并取等号，移项后得：
KA
S
KA
C OP l K M
M
N
R I 1+=
（2-3）
从式（2-3）可见，I OP 可用下列方法来调整： （1）改变继电器线圈的匝数N KA ； （2）改变弹簧的反作用力矩Ms ； （3）改变能引起磁阻R C 变化的气隙δ。

继电器的返回条件是：
M I R N
l K M M M KA C
KA KA e S
'
+''='+'≥'2
2
2
2 （2-4）
能使继电器返回的最大电流称为继电器的返回电流，并以I re 表之。

在式（2-4）中，用I re 代替I KA 并取等号且移项后得：
()
KA S
KA
C re l K M M
N
R I 2
''-''=
（2-5）
返回电流I re 与动作电流I OP 的比值称为返回系数K re ，即K re =I re /I OP 。

反应电流增大而动作的继电器I OP >I re ，因而K re <1。

对于不同结构的继电器，K re 不相同，且在0.1～0.98这个相当大的范围内变化。

（2）电磁型电压继电器
电压继电器的线圈是经过电压互感器接入系统电压Us 的，其线圈中的电流为
r
r
r Z U
I =
式中：U r —加于继电器线圈上的电压，等于Us /n pT （n pT 为电压互感器的变比）；Z r —继电器线圈的阻抗。

继电器的平均电磁力22s r
e
U
K KI
F '==，因而它的动作情况取决于系统电压U s 。

我
国工厂生产的DY 系列电压继电器的结构和DL 系列电流继电器相同。

它的线圈是用温度系数很小的导线（例如康铜线）制成，且线圈的电阻很大。

DY 系列电压继电器分过电压继电器和低电压继电器两种。

过电压继电器动作时，衔铁被吸持，返回时，衔铁释放；而低电压继电器则相反，动作时衔铁释放，返回时，衔铁吸持。

亦即过电压继电器的动作电压相当于低电压继电器的返回电压；过电压继电器的返回电压相当于低电压继电器的动作电压。

因而过电压继电器的K re <1；而低电压继电器的K re >1。

DY 系列电压继电器的优缺点和DL 系列电流继电器相同。

它们都是触点系统不够完善，在电流较大时，可能发生振动现象。

触点容量小不能直接跳闸。

（3）时间继电器特性
时间继电器是用来在继电保护和自动装置中建立所需要的延时。

对时间继电器的要求是时间的准确性，而且动作时间不应随操作电压在运行中可能的波动而改变。

电磁型时间继电器由电磁机构带动一钟表延时机构组成。

电磁起动机构采用螺管线圈式结构，线圈可由直流或交流电源供电，但大多由直流电源供电。

其电磁机构与电压继电器相同，区别在于：当它的线圈通电后，其触点须经一定延时才动作，而且加在其线圈上的电压总是时间继电器的额定动作电压。

时间继电器的电磁系统不要求很高的返回系数。

因为继电器的返回是由保护装置起动机构将其线圈上的电压全部撤除来完成的。

（4）中间继电器特性
中间继电器的作用是：在继电保护接线中，用以增加触点数量和触点容量，实现必要的延时，以适应保护装置的需要。

它实质上是一种电压继电器，但它的触点数量多且容量大。

为保证在操作电源电压降低时中间继电器仍能可靠地动作，因此中间继电器的可靠动作电压只要达到额定电
压的70%即可，瞬动式中间继电器的固有动作时间不应大于0.05秒。

（5）信号继电器特性
信号继电器在保护装置中，作为整组装置或个别元件的动作指示器。

按电磁原理构成的信号继电器，当线圈通电时，衔铁被吸引，信号掉牌（指示灯亮）且触点闭合。

失去电源时，有的需手动复归，有的电动复归。

信号继电器有电压起动和电流起动两种。

四、预习要求
认真预习相关实验内容，明确实验的目的和要求，掌握实验的原理及方法，了解实验操作及所用仪器的使用方法，记住安全注意事项。

五、实验内容及步骤
1、电流继电器特性实验
电流继电器动作、返回电流值测试实验。

实验电路原理图如图2-2所示：
图2-2 电流继电器动作电流值测试实验原理图
实验步骤如下：
（1）按图接线，将电流继电器的动作值整定为1A ，使调压器输出指示为0V ，滑线电阻的滑动触头放在中间位置。

（2）查线路无误后，先合上三相电源开关（对应指示灯亮），再合上单相电源开关和直流电源开关。

（3）慢慢调节调压器使电流表读数缓慢升高，记下继电器刚动作（动作信号灯XD1亮）时的最小电流值，即为动作值。

（4）继电器动作后，再调节调压器使电流值平滑下降，记下继电器返回时（指示灯XD1灭）的最大电流值，即为返回值。

-
（5）重复步骤（2）至（4），测三组数据。

（6）实验完成后，使调压器输出为0V，断开所有电源开关。

（7）分别计算动作值和返回值的平均值即为电流继电器的动作电流值和返回电流值。

（8）计算整定值的误差、变差及返回系数。

误差＝［动作最小值－整定值]／整定值
变差＝［动作最大值－动作最小值］／动作平均值 100%
返回系数＝返回平均值／动作平均值
表2-1 电流继电器动作值、返回值测试实验数据记录表
2、电流继电器动作时间测试实验
电流继电器动作时间测试实验原理图如图2-3所示：
图2-3 电流继电器动作时间测试实验电路原理图
实验步骤如下：
（1）按图接线，将电流继电器的常开触点接在多功能表的“输出2”和“公共线”，将开关BK的一条支路接在多功能表的“输入1”和“公共线”，使调压器输出为0V，将电流继电器动作值整定为1.2A，滑线电阻的滑动触头置于其中间位置。

（2）检查线路无误后，先合上三相电源开关，再合上单相电源开关。

（3）打开多功能表电源开关，使用其时间测量功能（对应“时间”指示灯亮），工作方式选择开关置“连续”位置，按“清零”按钮使多功能表显示清零。

（4）慢慢调节调压器使其输出电压匀速升高，使加入继电器的电流为1.2A 。

（5）先拉开刀闸（BK ），复位多功能表，使其显示为零，然后再迅速合上BK ，多功能表显示的时间即为动作时间，将时间测量值记录于表2-2中。

（6）重复步骤（5）的过程，测三组数据，计算平均值，结果填入表2-2中。

表2-2 电流继电器动作时间测试实验数据记录表
（7）先重复步骤（4），使加入继电器的电流分别为3.0A 、3.6A 、4.8A ，再重复步骤（5）和（6），测量此种情况下的继电器动作时间，将实验结果记录于表2-2。

（8）实验完成后，使调压器输出电压为0V ，断开所有电源开关。

（9）分析四种电流情况时读数是否相同，为什么？
3、电压继电器特性实验
电压继电器动作、返回电压值测试实验（以低电压继电器为例）。

低电压继电器动作值测试实验电路原理图如下图2-4所示：
图2-4 低电压继电器动作值测试实验电路原理图
实验步骤如下：
（1）按图接线，检查线路无误后，将低电压继电器的动作值整定为60V ，使调压器的输出电压为0V ，合上三相电源开关和单相电源开关及直流电源开关（对应指示灯亮），这时动作信号灯XD1亮。

（2）调节调压器输出，使其电压从0V慢慢升高，直至低电压继电器常闭触点打开（XD1熄灭）。

（3）调节调压器使其电压缓慢降低，记下继电器刚动作（动作信号灯XD1刚亮）时的最大电压值，即为动作值，将数据记录于表2-3中。

表2-3 低电压继电器动作值、返回值测试实验数据记录表
（4）继电器动作后，再慢慢调节调压器使其输出电压平滑地升高，记下继电器常闭触点刚打开，XD1刚熄灭时的最小电压值，即为继电器的返回值。

（5）重复步骤（3）和（4），测三组数据。

分别计算动作值和返回值的平均值，即为低电压继电器的动作值和返回值。

（6）实验完成后，将调压器输出调为0V，断开所有电源开关。

（7）计算整定值的误差、变差及返回系数。

4、时间继电器特性测试实验
时间继电器特性测试实验电路原理接线图如图2-5所示：
图2-5 时间继电器动作时间测试实验电路原理图
实验步骤如下：
（1）按图接好线路，将时间继电器的常开触点接在多功能表的“输入2”和“公共线”，将开关BK的一条支路接在多功能表的“输入1”和“公共线”，调整时间整定值，将静触
点时间整定指针对准一刻度中心位置，例如可对准2秒位置。

（2）合上三相电源开关，打开多功能表电源开关，使用其时间测量功能（对应“时间”指示灯亮），使多功能表时间测量工作方式选择开关置“连续”位置，按“清零”按钮使多功能表显示清零。

（3）断开BK开关，合上直流电源开关，再迅速合上BK，采用迅速加压的方法测量动作时间。

（4）重复步骤（2）和（3），测量三次，将测量时间值记录于表2-4中，且第一次动作时间测量不计入测量结果中。

表2-4 时间继电器动作时间测试
（5）实验完成后，断开所有电源开关。

六、思考题
（1）电磁型电流继电器、电压继电器和时间继电器在结构上有什么异同点？
（2）如何调整电流继电器、电压继电器的返回系数？
（3）电磁型电流继电器的动作电流与哪些因素有关？
（4）在时间继电器的测试中为何整定后第一次测量的动作时间不计？
七、实验报告
1、根椐实验测量所得的数据，进行继电器特性分析。

2、回答思考题。