继电保护技能培训教材

《继电保护技能培训教材》由会员分享，可在线阅读，更多相关《继电保护技能培训教材（93页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、第一章 微机保护的硬件和软件系统第一节 微机保护的硬件系统一套微机保护由硬件系统和软件系统两大部分组成。 硬件系统是构成微机保护的 基础,软件系统是微机保护的核心。图 1-1表示出了微机保护的硬件系统构成,它由 下述几部分构成: 微机主系统。它是由中央处理器(CPU 为核心,专门设计的一 套微型计算机,完成数字信号的处理工作。 数据采集系统。完成对模拟信号进行 测量并转换成数字量的工作。 开关量的输入输出系统。完成对输入开关量的采集 和驱动小型继电器发跳闸命令和信号工作。 外部通信接口。 人机对话接口。完 成人机对话工作。 电源。把变电站的直流电压转换成微机保护需要的稳定的直流 电压。 微机主

2、系统 人机对话接口图 1-1 微机保护的硬件构成框图一 中央处理器 CPU它是微机主系统的大脑, 是微机保护的神经中枢。 软件程序需要在 CPU 的控制下 才能遂条执行。当前,在微机保护中应用的 CPU 主要有以下一些类型:1. 单片微处理器例如 Intel 公司的 80X86系列, Motorola 公司的 MC683XX 系列。 其中 32位的 CPU 例如 MC68332具有极高的性能,在 RCS900系列的主设备保护装臵中得到了应用。 16位的如 Intel 公司的 80296,在 RCS900型的线路、主设备保护中用到了该芯片。 2. 数字信号处理器(DSP 它将很多器件, 包括一定

3、容量的存储器都集成在一个芯片中, 所以外围电路很少。 因而这种数字信号处理器的突出特点是运算速度快、可靠性高、功耗低。它执行一条 指令只需数十纳秒(ns ,而且在指令中能直接提供数字信号处理的相关算法。因此 特别适宜用于构成工作量较大、性能要求高的微机保护。在 RCS900型的线路、主设 备保护中, 保护的计算工作都是由 DSP 来完成的, 使用的芯片是 AD 公司的 DSP-2181。 二 存储器用以保存程序、定值、采样值和运算中的中间数据。存储器的存储容量和访问时 间将影响保护的性能。 在微机保护中根据任务的不同采用的存储器有下述三种类型的 存储器。 随机存储器(RAM 。在 RAM 中的

4、数据可以快速地读、写,但在失去直流电源时数据会丢失。所以不能 存放程序和定值。 只用以暂存需要快速进行交换的临时数据, 例如运算中的中间数据、 经过 A/D转换后的采样数据等。现在有一种称做非易失性随机存储器(NVRAM 它既 可以高速地读 /写, 失电后也不会丢失数据, 在 RCS900保护中用以存放故障录波数据。 只读存储器(ROM 。目前使用的是一种紫外线可擦除、电可编程的只读存储器 EPROM 。 EPROM 中 的数据可以高速读取, 在失电后也不会丢失, 所以适用于存放程序等一些固定不变的 数据。 要改写 EPROM 中的程序时先要将该芯片放在专用的紫外线擦除器中, 经紫外线 照射一

5、段时间,擦除原有的数据后,再用专用的写入器(编程器写入新的程序。所 以存放在 EPROM 中的程序在保护正常使用中不会被改写,安全性高。 电可擦除且可编程的只读存储器(EEPROM 。EEPROM 中的数据可以高速读取,且在失电后也不会丢失,同时不需要专用设备 在使用中可以在线改写。因此在保护中 EEPROM 适宜于存放定值。既无需担心在失电 后定值丢失之虞,必要时又可方便地改写定值。由于它可以在线改写数据,所以它的 安全性不如 EPROM 。此外 EEPROM 写入数据的速度较慢,所以也不宜代替 RAM 存放需 要快速交换的临时数据。还有一种与 EEPROM 有类似功能的器件称作快闪(快擦写

6、 存储器(Flash Memory ,它的存储容量更大,读 /写更方便。在 RCS900型的保护中 使用 Flash 存放程序,在软件中采取措施确保在运行中程序不会被擦写。三 数据采集系统数据采集系统的作用是将从电压、 电流互感器输入的电压、 电流的连续的模拟信 号转换成离散的数字量供给微机主系统进行保护的计算工作。在介绍数据采集系统 前,先对若干名词作一些解释。 采样。在给定的时刻对连续的模拟信号进行测量称做采样。每隔相同的时刻 对模拟信号测量一次称做理想采样。微机保护采用的都是理想采样。 采样频率 s f 。每秒采样的次数称做采样频率。采样频率越高对模拟信号的测量越正确。 但采样频率越高对

7、计算机的运算速度的要求也越高, 计算机必须在相邻两 个采样时刻之间完成它的运算工作。 否则将造成数据的堆积而导致运算的紊乱。 在目 前的技术条件下微机保护中使用的采样频率有 600Hz 、 1000Hz 、 1200Hz 三种。在南瑞 继保电器公司原先生产的 LFP900保护中使用的采样频率是 600Hz 和 1000Hz 。目前生 产的 RCS900保护中使用的采样频率是 1200Hz 。 采样周期 s T 。相邻的两个采样点之间的时间称做采样同期。显然采样同期与采样频率互为倒数。 s s f T =。当采样频率为 600Hz 、 1000Hz 、 1200Hz 时相应的采样 周期分别为 m

8、s 666. 1、 ms 1、 ms 833. 0。 每周波采样次数 N 。采样频率相对于工频频率(50Hz 的倍数表示了每周波 的采样次数 N 。采样频率为 600Hz 、 1000Hz 、 1200Hz 时相应的 N 值为 12、 20、 24。 采样定理。采样频率必须大于输入信号中的最高次频率的两倍, max s f f 2, 这就是著名的采样定理。不满足采样定理将产生频率混叠现象。由逐次逼近式原理的模数转换器(A/D构成的数据采集系统 。这是目前应用最为广泛的一种数据采集系统,南瑞继保电气公司的 RCS900保护 中都用这种数据采集系统。 图 1-2画出了该数据采集系统的原理框图。 各

9、种保护根据需要有若干个模拟信号需要采样, 例如南瑞继保电气公司的线路保护采样八个量:a u 、 b u 、 c u 、 a i 、 b i 、 c i 、 03i 以及线路电压 x u 。而 03u 电压不从 TV 的开口三角处采样,而 用三个相电压相加的自产 03u 方法获得。各个模拟量有各个独立的采样通道,通过多 路转换开关若干个模拟量用一个 A/D转换成数字量。 下面对图 1-2所示的原理框图中的各个环节加以说明。(1交流变换器。它的作用有两个: 将从 TV 、 TA 来的高电压、大电流变换 成保护装臵内部电子电路所需要和允许的小的电压信号。 电气隔离和屏蔽作用。 从 TV 、 TA 来

10、的电气量经过很长电缆接到保护装臵,也引入了大量的共模干扰。交流 变换器一方面提供一个电气隔离, 另一方面在一、 二次线圈中加了一个接地的屏蔽层, 使共模干扰经一次线圈和屏蔽层之间的分布电容而接地,可以有效地抑制共模干扰。(2 LPF模拟低通滤波器。它的作用是滤除高次谐波。这一方面是为了在采样 时满足采样定理, 另一方面是为了减少算法的误差, 因为有些算法是基于工频正弦量 得到的, 谐波分量将加大算法的误差。 为满足采样定理应将输入信号中的大于 2s f 频 率的高次谐波滤除。(3 S/H采样保持器。au b u 0i 3至微机主系统图 1-2 采用 A/D变换器的数据采集系统原理框图采样保持器

11、的作用为: 能快速地对模拟量的输入电压进行采样,并将该电压 保持住。 由于各个模拟量采样通道中的采样保持器是同时接受到采样脉冲的,所 以各个模拟量是同时采样的。 在同一个采样周期内模数转换后的各个数字量反应的是 采样脉冲到来的同一瞬间各个模拟量的瞬时值, 使各个模拟量的数值和相位关系保持 不变。 各个模拟量的同时采样保证了反应两个及两个以上电气量的继电器, 例如方向 继电器、阻抗继电器、相序分量继电器计算的正确性。(4 MPX 模拟量的多路转换开关。 MPX 是一种多路输入、单路输出的电子切换开 关。通过编码控制,电子开关分时逐路接通。将由 S/H送来的多路模拟量分时接到 A/D的输入端,完成

12、用一个 A/D对若干个模拟量进行模数转换工作。(5 A/D逐次逼近式原理的模数转换器。 它的作用是把模拟量转换为数字量。 将由多路转换开关送来的由各路 S/H采样保持器采样的模拟信号的瞬时值转换成相 应的数字值。由于模拟信号的瞬时值是离散的,所以相应的数字值也是离散的。这些 离散的数字量由微机主系统中的 CPU 读取并存放在循环存储器中供保护计算时使用。四 开关量的输入输出系统微机保护有很多的开关量(接点的输入,例如有些保护的投退接点、重合闸方 式接点、跳闸位臵继电器接点、收信机的收信接点、断路器的合闸压力闭锁接点以及 对时接点等等。微机保护也有很多的开关量(接点的输出,例如跳合闸接点、中央

13、信号接点、 收发信机的发信接点以及遥信接点等等。 其中有些开关量是经过很长的电 缆才引到保护装臵的, 因而也给保护引入了很多干扰。 为了不使这些干扰影响微机系 统的工作, 在微机系统与外界所有接点之间都要经过光电耦合器件进行光电隔离。 由 于微机系统与外部接点之间经过了电信号 光信号 电信号的光电转换,两者之间 没有直接的电与磁的联系,保护了微机系统免受外界干扰影响。1. 开关量输入系统 图 1-3表示出了开关量的输入系统。 当外部接点闭合时, 光耦的二极管内流过驱 动电流,二极管发出的光使三极管导通,因此输出低电平。当外部接点断开时,光电 耦合器的二极管内不流过驱动电流,二极管不发光,三极管

14、截止,因此输出高电平。 微机系统只要测量输出电平的高低就可以得知外部开关量的状态。 开入专用电源一般 使用装臵内电源输出的 24V 直流电源。 对于某些距离远的接点必要时也可用变电站的 220/110V直流电源,装臵提供强电的光电耦合电路。2. 开关量输出系统 图 1-4表示出了开关量的输出系统。 当保护装臵欲使输出开关量(+V 5(+(-(24V或 电平输出 图 1-3 开关量输入系统接点闭合时,只要在控制端输入一个低电平使光电耦合器的二极管内流过驱动电流, 二极管发出的光使三极管导通, 从而使继电器 J 动作, 其闭合的接点作为开关量输出。 第二节 微机保护的软件系统一 保护继电器的算法在

15、微机保护中各个继电器都是由其相应的算法实现的。 例如工频变化量 (有时称 做突变量 的电气量 (电流、 电压 的计算, 基波或某次谐波分量电气量幅值的计算, 相序分量电气量幅值的计算, 两电气量相角差的计算, 相位比较动作方程的算法等等。1. 工频变化量电气量的计算在 RCS900系列保护装臵中用了很多工频变化量的继电器。在实现这些继电器时 先要计算出工频变化量的电流 (i 和电压 (u 值。以电流值为例,计算方法为:(N n i n i i -= (1-1上式中 N 为每工频周波采样的次数。 该式表示工频电流的变化量 (瞬时值 是把 当前时刻的电流瞬时值减去一周前的电流瞬时值而得到的。 如果

16、输入的工频电流没有 变化, 则工频电流的变化量为零。 如果在 n 和 N n -之间系统发生短路了。 由于短路后 电流发生了变化,于是工频电流的变化量不再是零。2.半周积分算法RCS900保护中有些继电器是用半周积分算法实现的,例如两相电流差的突变量 起动元件、工频变化量的阻抗继电器等。假如输入信号是图 1-5所示的工频正弦电流信号, (+=t sin I t i m 1。该电流信号绝对值的半周积分值为:(+V 5(+(-图 1-4 开关量输出系统控制端(11012012221II t cos I dt t sin I S m m Tm =-=+= (1-2 于是该电流信号的有效值 I 为:

17、221S I =(1-3对输入信号绝对值进行半周积分其物理概念是求输入信号在半周内的面积绝 对值之和。由(1-2式可见,该积分值与初相角 无关。+180t(t i 图 1-5 半周积分算法示意图3. 全周傅氏算法目前在微机保护中应用得最广泛的是全周傅里叶(傅氏算法,它的理论基 础是傅里叶级数。假设输入信号 (t i 为一个周期性函数,它由基波分量、直流分量 和各整次谐波分量构成。 (t i 可表示为:(+=110k k km t k cos I I t i (1-4式中:0I 直流分量。1基频分量的角频率。 112f =。km I 、 k 、 1k 第 k 次谐波分量的幅值、初相角和角频率。

18、k 为正整数。按复相量的表示方法,在初相角为 k 时的第 k 次谐波分量 kI 可表示为: (Ik Rk k k km j km k jI I sin j cos I e I I k +=+= (1-5 式中 kI 的实部 Rk I 和虚部 Ik I 分别为: k km Rk cos I I = (1-6k km Ik sin I I = (1-7将(1-4式展开并考虑到(1-6和(1-7式的关系可得到:(-+=-+=11101110k Ik Rk k k km k km t k sin I t k cos I I sin t k sin I cos t k cos I I t i (1-8根

19、据三角函数在一个工频周期 1T 内的正交性可求得第 k 次谐波分量的实部和 虚部的计算公式:(dt t k cos t i T I T Rk=10112(1-9(-=1112T Ikdtt k sin t i T I (1-10(1-9式中 (t k cos t i 1在 10,T 其间的积分值是 (t k cos t i 1的函数波形在10,T 期间的面积。利用梯形法则该面积可用 (t i 与基准余弦函数 (t k cos 1在 10,T 期间的采样值之乘积求和再乘以采样周期后的一块块矩形面积和来代替。考虑到在一个工频周期 2内, 基准余弦函数 (t k cos 1的采样值为 (N kn c

20、os 2的关 系后, (1-9式为: (sN n Rk T N kn cos n i T I =-=10122(1-11将采样周期 N T T s 1=的关系代入上式,可得第 k 次谐波分量的实部为:(= =-=-=1011012222N n N n RkN kn cos n i N N T N kncos n i T I (1-12同理可得第 k 次谐波分量的虚部为:(-=-=1022N n Ik N kn sin n i NI (1-13得知第 k 次谐波分量的实部和虚部以后, 根据 (1-5 式可求得 k 次谐波分量的有效值和初相角为:(=+=Rk Ikk IkRk k I I arct

21、g I I I 222(1-14一般的继电保护原理是反应工频电气量的,所以关心的是基波分量。这时只 要将(1-12 、 (1-13和(1-14式中取 1=k ,即可求得基波分量的实部、虚部、 有效值和初相角为: ( =-=10122N n R N n cos n i NI (1-15( -=-=10122N n I N n sin n i N I (1-16(=+=111212112R I I R I I arctg I I I (1-17考虑到(1-15式中的标准基波余弦函数的采样值 (N n cos 2在 0=n 时其值 为 1,同时考虑到对一个周期性函数 (n i 有 (2200/N i

22、 /i i +=的关系后, (1-15 式有时也可用下式求得:(+ +=-=1112120212N n R N i N n cos n i i NI (1-18同理, 用全周傅氏算法也可以求得任意整数次谐波分量的幅值和相位。 所以在继电保护中根据保护的原理也经常用这种算法求得二次、三次、五次谐波分量的幅值。 从上述原理推导中还可知, 这种算法在求某个整数次谐波分量幅值时并不受其它各个 整数次谐波分量的影响。 也就是说这种算法有很强的滤波功能, 其幅频特性为在所求 的频率上输出的幅值最大,在其它整数次的谐波频率(包括直流上幅值为零。4. 基于傅氏算法的滤序算法A 、 B 、 C 座标与 1、 2

23、、 0座标有一个互换关系。众所周知,已知 A 、 B 、 C 相的 相电压求正、负、零序电压的方法为:(+=+=+=CB A C B AC B A U U U U U a U a U U U a U a U U 31313102221 (1-19 式中 a 为算子, 2321120je a j +-=, 232102402j e a j -=。 A U 、 B U 、 CU 三相电压用复相量表达,即用各相电压的实部和虚部表达为:+=+=+=SC CC C SB CB B SACA A jU U U jU U U jU U U(1-20将(1-20式以及算子表达式代入(1-19式中的 1U 式,

24、即用各相电压的实 部和虚部来表达正序电压为:(112123212213131S C SC CC SB CB SA CA CB A jU U jU U j jU U j jU U U a U a U U +=+ -+ +-+=+=(1-21式中 1C U 、 1S U 分别为正序电压 1U 的实部与虚部,它们为: -+= +-=SC CC SB CB SA S SC CC SB CB CA C U U U U U U U U U U U U 212321233123212213111(1-22用全周傅氏算法求出各相电压的实部虚部后代入(1-22式求出正序电压的 实部和虚部。再根据(1-21式求出

25、正序电压的有效值和初相角为:(=+=111212112C S S C U arctg U U (1-23同理,负序电压的算式为:(=+= -+-= -+-=+=22122222222222212212312321232131C S S C SC CC SB CB SA S SC CC SB CB CA C S C U arctg U U U U U U U U U U U U U U jU U U (1-24零序电压的算式为:(=+=+=+=+=001202000000023131C S S C SC SB SA S CC CB CA C S C U arctg U U U U U U U U

26、 U U jU U U (1-25这种算法由于用全周傅氏算法计算实部和虚部,所以滤波性能好。但数据窗 为 N ,数据窗较长。这种算法在 RCS900保护中得到了应用。第二章 线路保护及重合闸第一节 零序电流方向保护 一 零序电流方向保护及其作用在中性点直接接地的高压电网中发生接地短路时,将出现零序电流和零序电压。 利用上述的特征电气量可构成保护接地短路故障的零序电流方向保护。统计资料表明,在中性点直接接地的电网中,接地故障点占总故障次数的 90%左右,作为接地保护的零序电流方向保护又是高压线路保护中正确动作率最高的一 种。在我国中性点直接接地系统不同电压等级电力网线路上,按国家继电保护和安 全

27、自动装臵技术规程 (以下简称技术规程 规定,都装设了零序电流方向保护装 臵。带方向性和不带方向性的零序电流保护是简单而有效的接地保护方式, 它主要由 零序电流滤过器、 电流继电器和零序方向继电器以及与收发信机、 重合闸配合使用的 逻辑电路所组成。现今, 大接地电流系统中输电线路接地保护方式主要有纵联保护、 零序电流方向 保护和接地距离保护等。 它们都与系统中的零序电流、 零序电压及零序阻抗密切相关 的。实践表明零序电流方向保护在高压电网中发挥着重要作用, 成为各种电压等级高 压电网接地故障的基本保护。 即使在装有接地距离保护作为接地故障主要保护的线路 上, 为了保护经高电阻接地的故障和对相邻线

28、路保护有更好的后备作用, 也为了保证 选择性,仍然需要装设完整的成套零序电流方向保护作基本保护。 二 零序电流方向保护的优缺点带方向性和不带方向性的零序电流保护是简单而有效的接地保护方式, 其主要优 点是:1. 经高阻接地故障时, 零序电流保护仍可动作。 由于本保护反应于零序电流的 绝对值,受故障过渡电阻的影响较小。例如,当 220千伏线路发生对树放电故障,故 障点过渡电阻可能高达 100欧姆,此时,其他保护大多数将无法动作,而零序电流保 护,即使 03I 定值高达几百安培尚能可靠动作。2. 系统振荡时不会误动。 零序电流方向保护不怕系统振荡是由于振荡时系统仍 是对称的,故没有零序电流,因此零

29、序电流继电器及零序方向继电器都不会误动。3. 在电网零序网络基本保持稳定的条件下, 保护范围比较稳定。 由于线路零序 阻抗比正序阻抗一般大 33.5倍,故线路始端与末端短路时,零序电流变化显著, 零序电流随线路保护接地故障点位臵的变化曲线较陡, 其瞬时段保护范围较大, 对一 般长线路和中长线路可以达到全线的 7080%,性能与距离保护相近。而且在装用 三相重合闸的线路上(这里是指的三跳出口方式 ,多数情况,其瞬时保护段尚有纵 续动作的特性, 即使在瞬时段保护范围以外的本线路故障, 仍能靠对侧开关三相跳闸 后, 本侧零序电流突然增大而促使瞬时段起动切除故障。 这是一般距离保护所不及的, 为零序电

30、流保护所独有的优点。4. 系统正常运行和发生相间短路时, 不会出现零序电流和零序电压, 因此零序 保护的延时段动作电流可以整定得较小,这有利于提高其灵敏度。并且,零序电流保 护之间得配合只决定于零序网络得阻抗分布情况, 不受负荷潮流和发电机开停机的影 响,只需要零序网络阻抗保持基本稳定,便可以获得良好的保护效果。5. 结构与工作原理简单。 零序电流保护以单一的电流量为动作量, 只需要用一 个继电器便可以对三相中任一相接地故障作出反应, 因而运行维护简便, 其正确动作 率高于其他复杂保护。同样又因为整套保护中间环节少,动作快捷,有利于减少发展 性故障,特别是近处故障的快速切除是很有利的。在 Y/

31、接线的降压变压器三角形 绕组侧以后的故障不会在星形绕组侧反映出零序电流, 所以零序电流保护的动作时限 可以不必与该种变压器以后的线路保护配合而可取得较短的动作时限。零序电流保护的缺点是:1. 对于短线路或运行方式变化很大的情况, 保护往往不能满足系统运行所提出 的要求。2. 当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时 (例如 110kV 和 220kV 电 网 ,则任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流,这将使零序保护的整 定配合复杂化,并将增大延时段的动作时限。3. 当电流回路断线时,可能造成保护误动作。运行时要注意防范。如有必要, 还可以利用零序电压突变量来闭锁的方法防止这种误动

32、作。4. 当电力系统出现不对称运行时, 也要出现零序电流, 例如变压器三相参数不 对称, 单相重合闸过程中的两相运行, 三相重合闸和手动合闸时的三相开关不同期以 及空投变压器时的不平衡励磁涌流等等, 都可能使零序电流保护误动作, 必须采取措 施。5. 地理位臵靠近的平行线路, 由于平行线间零序互阻抗的影响 (见第二章第三 节九的分析 ,可能引起零序电流方向保护的保护区伸长、零序电流方向继电器误动 等。尽管零序电流保护有以上缺点, 但总可以采取措施克服, 所以在各级高压电网中, 零序电流保护以其简单、经济、可靠,而获得了广泛的应用。三 反时限零序电流保护随着电力系统网架的快速扩大, 500kV

33、自耦变压器、 220kV 超短线路及短线路群 的投入,零序序网随运行方式变化而越发复杂,造成零序电流保护的整定配合困难, 应用受到了限制。微机型线路保护在全网线路上的采用,为此提供了可靠、灵活的解 决途径。 在微机线路保护装臵中具备阶段式接地距离保护、 阶段式零序电流保护或者 还具有反时限零序电流保护。接地距离保护的缺点是受接地电阻的影响太大, 过大的接地电阻将造成拒动。 技 术规程明确提出对 220kV 线路,当接地电阻不大于 100欧姆时,保护应能可靠地 切除故障。 a 、宜装设阶段式接地距离保护并辅之用于切除经电阻接地故障的一段定时限和 /或反时限零序电流保护。 b 、可装设阶段式接地距

34、离保护、阶段式零序电流保 护或反时限零序电流保护,根据具体情况使用。 为此,一段定时限零序电流或是阶 段式零序电流保护的最末段,其动作电流整定值不大于 300A 。电网只保留零序电流 长延时最末段, 对于复杂电网而言在配合上非常困难, 在运行中因最末段无法满足时 限配合关系,也存在着无选择性跳闸的隐患。因此,采用反时限零序电流保护功能, 全网使用统一的启动值和反时限特性, 接地故障时按电网自然的零序电流分布以满足 选择性。反时限零序电流继电器的时限电流特性按国际电工委员会标准(IEC255-4 一般反时限特性,其表达式为:P P t I I t 1 /(14. 002. 0-=式中, t 继电

35、器的动作时限P t 时间系数P I 起始动作电流I 继电器通入的电流四 零序方向继电器对零序方向继电器的最基本要求是利用比较零序电压和零序电流的相位来区分 正、反方向的接地短路。 (a 正方向短路 (b 反方向短路 I 0S 0Z I 0U 0I Z Z I U +=(c 正方向短路相量图(d 反方向短路相量图图 2-1 正、反方向接地短路时的零序序网图和相量图正、反方向接地短路时,零序电压和零序电流的夹角。设零序方向继电器装在 MN 线路的 M 侧。在图 2-1所示的零序序网图中,加在继 电器的上的零序电压、 电流按传统方式规定它的正方向。 零序电压的正方向是母线电 压为正、中性点电压为负,

36、图中电压箭头表示电位升方向。零序电流以母线流向被保 护线路方向为其正方向。900系 列 线 路保 护 中的 零 序 方 向继 电 器 采用 比 较 零 序功 率 的 方法 实 现。 (l I U P -=cos 33000 (2-1l :为线路零序阻抗的阻抗角,取 080:为 03U 超前于03I 的夹角, 00I U arg =。 1.正方向故障时根据图 2-1(a 所示的正方向短路的零序序网图,按上述规定的电压、电流正 方向可得:000S Z I U -= (2-2 如果系统中各元件零序阻抗的阻抗角都为 080。正方向短路时根据(2-2式,零序电压超前零序电流的角度为:(000000100

37、180-=-=-=S S Z arg Z arg I U arg (2-3正方向短路时的相量图示于图 2-1(c 中。因此得(00000003380100cos(33cos 33I U I U I U P l -=-=-=为负的最大值。故而正方向的零序方向继电器的动作方程可定为:(=-=-= (2-7 在反方向短路时, 反方向的零序方向继电器可以灵敏动作。 反方向的零序方向继 电器的动作边界为 VA 0,而正方向的零序方向继电器的动作边界定为 VA 1-(当电流互 感器二次额定电流是 5A 时 , 这是为了让反方向元件的灵敏度高于正方向的元件灵敏 度,使它动作后闭锁优先。在零序电流方向保护中使

38、用的零序方向继电器无需正、反方向两个方向继电 器,只需要正方向的零序方向继电器。五 零序电流方向保护的应用在中性点直接接地电网中, 接地故障占总故障次数的绝大部分。 零序电流方向保 护简单可靠、灵敏度高(特别是在高电阻接地故障时 、保护范围比较稳定,所以在 输电线路保护中获得了广泛的应用。 技术规程和电网继电保护装臵运行整定规 程 (以下简称整定规程 都对零序电流方向保护的应用作了原则的说明。另外, 高压线路继电保护装臵统一设计原则的四统一 (以下简称四统一 总结了我国高压线路继电保护多年来的设计、制造和运行经验,具有指导意义。1. 110kV 线路零序电流方向保护单侧电源线路的零序电流保护一

39、般为三段式, 终端线路也可以采用二段式。 双侧 电源复杂电网线路零序电流保护一般为四段式或三段式, 在需要改善配合条件, 压缩 动作时间的线路,零序电流保护宜采用四段式的整定方式。按三段式运行时,可设两 个第一段。在具体电网线路上, 零序电流大小与接地故障的类型有关。 单相接地故障和两相接地故障时流过短路点的零序电流 1(0K I 和 1. 1(0K I 分别为+=010 1(02Z Z U I K K +=+=0100110010 1. 1(02/Z Z U Z Z Z Z Z Z U I K K K 考虑了电流分配系数 0C ,则线路侧保护得到的电流分别为+=0100 1(02Z Z U

40、C I K+=01001. 1(02Z Z U C I K 式中 0K U 为短路点在短路前的电压, 1Z 、 0Z 为系统对短路点的综合正序、零 序阻抗,系统内各元件的正序阻抗等于负序阻抗。由上式可知当 1Z 1. 1(0I当 1Z 0Z 时, 1(0I 1. 1(0I在整定零序电流保护定值时就要选择流过保护的零序电流较大的一种故障类型 来进行整定计算。 而在校验零序电流保护的灵敏度时, 就要选择在校验灵敏度的短路 点上短路时流过保护的零序电流比较小的一种故障类型来进行计算。2. 110KV 零序后加速段的设臵:我国 110kV 线路是采用三相重合闸方式。 三相重合闸后加速一般应加速对线路末

41、 端故障有足够灵敏系数的零序电流保护段, 如果躲不开后一侧合闸时, 因断路器三相 不同步产生的零序电流,则两侧的后加速段在整个重合闸周期中均应带 0.1s 延时。加速段可以独立设臵,如现在的微机保护那样,定值和延时可独立整定。此外, 为防止合闸于空载变压器时励磁涌流引起零序后加速误动, 零序加速段可以由控制字 选择是否需要投入二次谐波闭锁,二次谐波的制动比可以选为 18%。必须指出, 作为零序电流保护速动段的零序电流 I 段定值若躲不开断路器三相触 头不同时接通产生的零序电流时,也应在重合闸后延时 0.1s 动作。按三段式运行设两个第一段时, 不灵敏一段电流定值可躲过合闸三相不同步引起的零序电

42、流,故在重合闸后不用带延时,只是灵敏一段要带 0.1s 延时。 3. 220500kV 线路零序电流方向保护作为零序电流方向保护,上述 110kV 线路零序电流方向保护应用中的基本原则, 在 220500kV 线路上也是适用的。 但在 220500kV 线路上除采用三相重合闸外还普 遍采用了单相重合闸、综合重合闸,此时,零序电流方向保护就还要考虑非全相运行 的问题。零序电流保护一般为四段式。 根据各地的多年运行经验, 大部分线路采用可分别 经方向元件控制的四段式零序电流保护作为接地故障时的基本保护较为适宜。 对于三 相重合闸线路,零序电流保护可以按四段式运行,或按三段式运行,但其中有两个第 一

43、段,其中灵敏一段重合闸时带延时 0.1s 。对于单相重合闸线路,可按三段式运行, 其中也有两个第一段或者两个第二段, 两个第一段时灵敏一段在重合闸过程中退出运 行, 两个第二段时灵敏二段在重合闸过程中退出运行。 对终端输电线路可装设较少段 数的零序电流保护。第二节 距离保护 一 距离保护的作用原理和时限特性距离保护和电流保护一样是反应输电线路一侧电气量变化的保护。 在图 2-2所示的电网中,将输电线路一侧的电压 m U 、电流 m I 加到阻抗继电器中,阻抗继电器反应 的是它们的比值,称之为阻抗继电器的测量阻抗 mm m I U Z =。 mKm U =图 2-2 阻抗继电器接线示意图反应输电

44、线路一侧电气量变化的保护一定要满足两个条件。首先,它必须区分正 常运行和短路故障。其次,它应该能反应短路点的远近。正常运行时,加在阻抗继电器上的电压是额定电压 N U ,电流是负荷电流 l I 。阻抗继电器的测量阻抗是负荷阻抗 l N l m I U Z Z =。短路时,加在阻抗继电器上的电压是母线处的残压 mK U ,电流是短 路电流 K I 。阻抗继电器的测量阻抗是短路阻抗 K Z , K m K K m I U Z Z =。由于N mK ,因而 l K Z Z 。所以,阻抗继电器的测量阻抗可以区分正常运行和短路故障。如果在 K 点发生金属性短路,短路点到保护安装处的阻抗为 K Z ,流过

45、保护的电流为 K I ,则保护安装处的电压为 K K mK Z I U =。阻抗继电器的测量阻抗 是 K K m K m Z I U Z = 。这说明阻抗继电器的测量阻抗反应了短路点到保护安装处的阻抗,也就是反应了短路点的远近。所以可以用它来构成反应一侧电气量的保护。由于阻抗继电器的测量阻抗反应了短路点的远近,也就是反应了短路点到保护安 装处的距离, 所以把以阻抗继电器为核心构成的反应输电线路一侧电气量变化的保护 称做距离保护。距离保护相对于电流保护来说, 其突出的优点是受运行方式变化的影响小。 距离 保护第段只保护本线路的一部份, 在保护范围内金属性短路时, 一般在短路点到保 护安装处之间没

46、有其它分支电流,所以它的测量阻抗完全不受运行方式变化的影响。 距离保护第、段其保护范围伸到相邻线路上,在相邻线路上发生短路时,由于在 短路点和保护安装处之间可能存在分支电流, 所以它们在一定程度上将受运行方式变 化的影响。 图 2-3 距离保护的阶梯型时限特性由于阻抗继电器的测量阻抗可以反应短路点的远近, 所以可以做成阶梯型时限特 性,如图 2-3所示。短路点越近,保护动作得越快;短路点越远,保护动作得越慢。 第段按躲过本线路末端短路 (本质上是躲过相邻元件出口短路 继电器的测量阻抗 (也就是本线路阻抗 整定。 它只能保护本线路的一部份, 其动作时间是保护的固有动 作时间(软件算法时间 ,不带

47、专门的延时。第段应该可靠保护本线路的全长,它 的保护范围将伸到相邻线路上, 其定值一般按与相邻元件的瞬动段例如相邻线路的第 段定值相配合整定。第段除作为本线路、段的后备外,也作为相邻元件保护 的后备。 所以它除了在本线路末端短路要有足够的灵敏度外, 在相邻元件末端短路也 应有足够的灵敏度, 其定值一般按与相邻线路、 段定值相配合并躲最小负荷阻抗 整定。 二 短路时保护安装处电压计算的一般公式在图 2-4所示的系统中, 线路上 K 点发生短路。 保护安装处的相电压应该是短路 点的该相电压与输电线路上该相的压降之和。输电线路上该相的压降是该相上的正 序、负序、和零序压降之和。如果考虑到输电线路的正

48、序阻抗等于负序阻抗,保护安 装处相电压的计算公式为:101110010211010002211333Z I K I (U Z Z Z Z I Z I I I (U Z I Z I Z I Z I Z I U U K K K +=-+=-+=(2-8式中 相。 =A 、 B 、 C 。1I 、 2I 、 0I 流过保护的该相的正序、负序、零序电流。 1Z 、 2Z 、 0Z 短路点到保护安装处的正、负、零序阻抗。K零序电流补偿系数。 (11103Z Z Z Z Z K M =-=。 M Z 为输电线路相间的互感阻抗。K U 短路点的该相电压。 103Z I K I ( +输电线路上该相从短路点到

49、保护安装处的压降。 保护安装处的相间电压可以认为是保护安装处的两个相电压之差。考虑到如(2-8式所示的相电压的计算公式后,保护安装处相间电压的计算公式为:1Z I U U K +=(2-9式中 两相相间。 AB =、 BC 、 CA 。K U 短路点的相间电压。 I 两相电流差。U 图 2-4短路故障示意图1Z I 输电线路上从短路点到保护安装处的两相压降之差。两相上的 103Z I K 项相抵消。 (2-8 、 (2-9两式是短路时保护安装处电压计算的一般公式。三 I 、 II 段接地距离保护的分析工作电压 (set O P Z I K I U U 03 +-= 极化电压 1U U P =

50、动作方程 o P OP oUU arg 27090(2-101. 正方向故障正向单相接地短路。以 (1A K 为例。分析 A 相接地阻抗继电器。假设短路前空载,下面各式中的电流都是故障 分量电流。用图 2-5(a 系统图里的参数来表达工作电压和极化电压:(setm A setA m A set A A OPA Z Z I K I Z I K I Z I K I Z I K I U U -+=+-+=+-=00003333(S mASA m S A SA SA A PA Z k Z IK IZ I Z Z I K I Z I E U U +=-+=-=0101133 式中:(1010000022

51、111101231313131C C K C C K I C K IC I C I C I C I K I I k FA FA FA FA FA A A+=+-=+-=1C 、 2C 、 0C 是正、负、零序电流分配系数。动作方程: o Sm setm o Z k Z Z Z arg27090+-(2-11 (a 正方向短路系统图 (b 反方向短路系统图图 2-5 正方向、反方向短路的系统图动作方程对应的动作特性是以(+set Z 和 (S Z k -两点的连线为直径的圆,如图 2-6中圆 1所示。该圆向第象限带有偏移。 R图 2-6 正向单相接地短路接地阻抗继电器的稳态动作特性2. 反方向故

52、障:反向单相接地短路。以 (1A K 为例。分析 A 相接地阻抗继电器。假设短路前空载,下面各式中的电流都是故障 分量电流:(setm A set A m A setA A OPA Z Z I K I Z I K I Z I K I Z I K I U U -+=+-+-=+-=00003333 (2-12(Rm A R A R m A R A m R A RA RA A PA Z k Z I K I Z I Z Z I K I (Z I Z Z I K I Z I E U U -+=+-+=+-+-=+=0101011333 (2-13式中 k 的表达式如上式所示。其值在 0.75 到 0.

53、87之间。 R Z 是保护正方向的等值阻抗。 将(2-12和(2-13两式代入动作方程(2-10 ,并消去分子分母中的 (3I K I A + 得: o Rm setmo Z k Z Z Z arg 27090-动作方程对应的动作特性是以(+set Z 和 (R Z k +两点的连线为直径的圆,如图 2-7所示。该圆向第象限上抛,远离了座标原点。当反方向发生单相接地短路时,继电器的测量阻抗落在第象限。即使在反方向出口或母线发生短路, 过渡电阻的附加阻抗是阻容性的话, 测量 阻抗进入第象限也进入不了圆内。 所以在反向发生单相接地短路时该继电 器有良好的方向性。四 相间阻抗继电器的动作特性分析相间

54、阻抗继电器用来保护各种相间短路, 它的工作电压、 极化电压以及动作方程分别为:工作 电 压s O P Z I U U -=(2-14极化 电 压1U U P =(2-15动作 方 程o P OP oUU arg 27090 R图 2-7 反向单相接地短路接 地阻抗继电器的动作特性(2-16下面分别分析该继电器的稳态动作特性和暂态动作特性。 分析的系统图如图 2-5(a 所示。 正向两相短路。以 (2BC K 为例分析 BC 相间阻抗继电器。 假设短路前空载, 下面各式中的电流都是故障分量电流。用图 2-5(a 系统图里的参数来表达工作电压和极化电压:(setm B set m C B setC

55、 B m C B set C B BC OPBC Z Z I Z Z I I Z I I Z I I Z I I U U -=-=-=-= 2(2-17从基本概念上讲,正向短路后保护安装处正序电压发生变化是由于正序的故障分量电流 1I 在保护背后正序阻抗上的压降造成的。因此保护安装处的 正序电压是短路前(正常运行时保护安装处的电压正序电压的记忆值M . U 1 与正序电压的变化量 1U 之和。考虑到短路以前空载,短路前保护安装处 的电压 M . U 1 等于保护背后电源电势 SE 。因此:( +=-+=-+-=-=-=+-+=-=S mB S B m S B SCBmSCBSCBSCSBSC

56、SCSBSBCM . C B M . B CB BC PBC Z Z I Z I Z Z I Z I I Z Z I IZ I I E E Z I E Z I E(U U U U U U U U 21221111111111111 (2-18上面推导中用到了 BC 两相短路时的一些基本关系式 C B I I -=; B C B I I I =-11。将(2-17 和 (2-18 两式代入动作方程 (2-16 式, 并消去分子分母中的 B I 2得: o Sm setm o Z Z Z Z arg2702190+- (2-19式中 S Z 为保护背后电源的等值正序阻抗。由本章第四节的知识可知,

57、(2-19式动作方程对应的动作特性是以(+set Z 和(S Z 2-两点的连线为直径的圆,如图 2-8圆 1所示。该圆向第象限带有偏移。从正向两相短路的稳态动作特性可对该继电器的动作性能作如下评述: 由于座标原点位于动作特性之内,所以正向出口两相短路没有死区,不必采取其 它措施。 与传统的以 set Z 为直径,动作特性经过座标原点的方向阻抗继电器相比,由于在 R 方向有较多的保护范围, 所以保护过渡电阻的能力比传统的方向阻抗继电器强。 而且 现在的动作特性的下面一点是 (S Z 2-, S Z 是保护背后电源的等值阻抗。所以随着 运行方式的变化, 动作特性的下面一点是变化的。 当保护背后电

58、源运行方式越小 (S Z 越大 ,保护安装侧的电流分配系数越小,因而过渡电阻的附加阻抗值越大,区内短 路时继电器越易拒动。但由于动作特性的下面一点随 S Z 加大而越往下移,因而圆也 越大。保护过渡电阻的能力又得到增强。所以有一定的自适应能力。2. 反向两相短路。以 (2BC K 为例。分析 BC 相间阻抗继电器。假设短路前空载,下面各式中的电流都是故障分量 电流。用图 2-5(b 系统图里的参数来表达工作电压和极化电压:(setm B set m C B setC B m C B set C B BC OPBC Z Z I Z Z I I Z I I Z I I Z I I U U -=-=

59、-=-= 2(2-20同样从基本概念上讲,反向短路后保护安装处正序电压发生变化是由于正序电流的故障分量 1I 在保护正方向所有正序阻抗上的压降造成的。因此保护 安装处的正序电压是短路前 (正常运行时 保护安装处的电压正序电压的R图 2-8 正向两相短路时相间阻抗继电器的稳态动作特性记忆值 M U . 1 与正序电压的变化量 1U 之和。考虑到短路以前空载,短路前保 护安装处的电压 M U . 1 等于对侧电源的电势 R E 。因此:( -=+-=-+-=-+-=+-+=-=R m B R B R m B R C B m R C B RC B RC RB RC RC R B RB C B BC PBC Z Z I Z I Z Z I Z I I Z Z I I Z I I E E Z I E Z I E (U U U U 2122111111111(2-21上面推导中用到了 BC 两相短路时