繼電保護技能培訓(xùn)教材-

1、 繼電保護技能培訓(xùn)教材 目錄第一章微機保護的硬件和軟件系統(tǒng) (2第一節(jié)微機保護的硬件系統(tǒng) (2一中央處理器CPU (3二存儲器 (3三數(shù)據(jù)采集系統(tǒng) (3四開關(guān)量的輸入輸出系統(tǒng) (5第二節(jié)微機保護的軟件系統(tǒng) (6一保護繼電器的算法 (6第二章線路保護及重合閘 (11第一節(jié)零序電流方向保護 (11一零序電流方向保護及其作用 (11二零序電流方向保護的優(yōu)缺點 (11三反時限零序電流保護 (12四零序方向繼電器 (13五零序電流方向保護的應(yīng)用 (14第二節(jié)距離保護 (16一距離保護的作用原理和時限特性 (16二短路時保護安裝處電壓計算的一般公式 (17三I、II段接地距離保護的分析 (18四相間阻抗繼

2、電器的動作特性分析 (21第三節(jié)工頻變化量距離保護 (24一重疊原理的應(yīng)用 (24二工頻變化量距離繼電器的動作方程 (25第四節(jié)高頻縱聯(lián)保護 (29一概述 (29二閉鎖式縱聯(lián)方向保護 (30三縱聯(lián)變化量方向元件 (35四超范圍允許式的縱聯(lián)保護 (38第五節(jié)高頻保護收發(fā)信機 (42一載波通道 (42二收發(fā)訊機的原理 (43三收發(fā)信機指示燈 (45四保護和收發(fā)信機的連接 (46五高頻保護的電平 (46六LFX-912收發(fā)信機調(diào)試 (47第六節(jié)光纖差動保護 (50一縱聯(lián)電流差動繼電器的原理 (50二縱聯(lián)電流差動保護中差動繼電器的種類 (51三電流差動保護需要解決的問題 (53四光纖通道及接口 (56

3、第七節(jié)電壓及電流互感器斷線的判據(jù)及對保護的處理 (64一TV斷線的判別及處理 (64二TA斷線的判別與處理 (65第八節(jié)自動重合閘 (66一自動重合閘的作用及應(yīng)用 (66二自動重合閘方式及動作過程 (66三自動重合閘的起動方式 (67四重合閘的前加速和后加速 (67五重合閘的充電與閉鎖 (68第三章元件保護 (71第一節(jié)變壓器保護 (71一概述 (71二變壓器縱差保護的構(gòu)成原理及接線 (73三差動保護相關(guān)問題及解決措施 (75第一章微機保護的硬件和軟件系統(tǒng)第一節(jié)微機保護的硬件系統(tǒng)一套微機保護由硬件系統(tǒng)和軟件系統(tǒng)兩大部分組成。硬件系統(tǒng)是構(gòu)成微機保護的基礎(chǔ),軟件系統(tǒng)是微機保護的核心。圖1-1表示出

4、了微機保護的硬件系統(tǒng)構(gòu)成,它由下述幾部分構(gòu)成:微機主系統(tǒng)。它是由中央處理器(CPU為核心,專門設(shè)計的一套微型計算機,完成數(shù)字信號的處理工作。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。完成對模擬信號進行測量并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量的工作。開關(guān)量的輸入輸出系統(tǒng)。完成對輸入開關(guān)量的采集和驅(qū)動小型繼電器發(fā)跳閘命令和信號工作。外部通信接口。人機對話接口。完成人機對話工作。電源。把變電站的直流電壓轉(zhuǎn)換成微機保護需要的穩(wěn)定的直流電壓。微機主系統(tǒng)人機對話接口 圖1-1 微機保護的硬件構(gòu)成框圖一中央處理器CPU它是微機主系統(tǒng)的大腦,是微機保護的神經(jīng)中樞。軟件程序需要在CPU的控制下才能遂條執(zhí)行。當(dāng)前,在微機保護中應(yīng)用的CPU主要有以下一些類型:1.

5、單片微處理器例如Intel公司的80X86系列,Motorola公司的MC683XX系列。其中32位的CPU例如MC68332具有極高的性能,在RCS900系列的主設(shè)備保護裝置中得到了應(yīng)用。16位的如Intel公司的80296,在RCS900型的線路、主設(shè)備保護中用到了該芯片。2.數(shù)字信號處理器(DSP它將很多器件,包括一定容量的存儲器都集成在一個芯片中,所以外圍電路很少。因而這種數(shù)字信號處理器的突出特點是運算速度快、可靠性高、功耗低。它執(zhí)行一條指令只需數(shù)十納秒(ns,而且在指令中能直接提供數(shù)字信號處理的相關(guān)算法。因此特別適宜用于構(gòu)成工作量較大、性能要求高的微機保護。在RCS900型的線路、主

6、設(shè)備保護中,保護的計算工作都是由DSP來完成的,使用的芯片是AD公司的DSP-2181。二存儲器用以保存程序、定值、采樣值和運算中的中間數(shù)據(jù)。存儲器的存儲容量和訪問時間將影響保護的性能。在微機保護中根據(jù)任務(wù)的不同采用的存儲器有下述三種類型的存儲器。隨機存儲器(RAM。在RAM中的數(shù)據(jù)可以快速地讀、寫,但在失去直流電源時數(shù)據(jù)會丟失。所以不能存放程序和定值。只用以暫存需要快速進行交換的臨時數(shù)據(jù),例如運算中的中間數(shù)據(jù)、經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換后的采樣數(shù)據(jù)等?，F(xiàn)在有一種稱做非易失性隨機存儲器(NVRAM它既可以高速地讀/寫,失電后也不會丟失數(shù)據(jù),在RCS900保護中用以存放故障錄波數(shù)據(jù)。只讀存儲器(ROM。目前

7、使用的是一種紫外線可擦除、電可編程的只讀存儲器EPROM。EPROM中的數(shù)據(jù)可以高速讀取,在失電后也不會丟失,所以適用于存放程序等一些固定不變的數(shù)據(jù)。要改寫EPROM 中的程序時先要將該芯片放在專用的紫外線擦除器中,經(jīng)紫外線照射一段時間,擦除原有的數(shù)據(jù)后,再用專用的寫入器(編程器寫入新的程序。所以存放在EPROM中的程序在保護正常使用中不會被改寫,安全性高。電可擦除且可編程的只讀存儲器(EEPROM。EEPROM中的數(shù)據(jù)可以高速讀取,且在失電后也不會丟失,同時不需要專用設(shè)備在使用中可以在線改寫。因此在保護中EEPROM適宜于存放定值。既無需擔(dān)心在失電后定值丟失之虞,必要時又可方便地改寫定值。由

8、于它可以在線改寫數(shù)據(jù),所以它的安全性不如EPROM。此外EEPROM寫入數(shù)據(jù)的速度較慢,所以也不宜代替RAM存放需要快速交換的臨時數(shù)據(jù)。還有一種與EEPROM有類似功能的器件稱作快閃(快擦寫存儲器(Flash Memory,它的存儲容量更大,讀/寫更方便。在RCS900型的保護中使用Flash存放程序,在軟件中采取措施確保在運行中程序不會被擦寫。三數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的作用是將從電壓、電流互感器輸入的電壓、電流的連續(xù)的模擬信號轉(zhuǎn)換成離散的數(shù)字量供給微機主系統(tǒng)進行保護的計算工作。在介紹數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)前,先對若干名詞作一些解釋。采樣。在給定的時刻對連續(xù)的模擬信號進行測量稱做采樣。每隔相同的時刻對

9、模擬信號測量一次稱做理想采樣。微機保護采用的都是理想采樣。 采樣頻率s f 。每秒采樣的次數(shù)稱做采樣頻率。采樣頻率越高對模擬信號的測量越正確。但采樣頻率越高對計算機的運算速度的要求也越高,計算機必須在相鄰兩個采樣時刻之間完成它的運算工作。否則將造成數(shù)據(jù)的堆積而導(dǎo)致運算的紊亂。在目前的技術(shù)條件下微機保護中使用的采樣頻率有600Hz 、1000Hz 、1200Hz 三種。在南瑞繼保電器公司原先生產(chǎn)的LFP900保護中使用的采樣頻率是600Hz 和1000Hz 。目前生產(chǎn)的RCS900保護中使用的采樣頻率是1200Hz 。 采樣周期s T 。相鄰的兩個采樣點之間的時間稱做采樣同期。顯然采樣同期與采樣

10、頻率互為倒數(shù)。s s f T 1=。當(dāng)采樣頻率為600Hz 、1000Hz 、1200Hz 時相應(yīng)的采樣周期分別為ms 666.1、ms 1、ms 833.0。 每周波采樣次數(shù)N 。采樣頻率相對于工頻頻率(50Hz 的倍數(shù)表示了每周波的采樣次數(shù)N 。采樣頻率為600Hz 、1000Hz 、1200Hz 時相應(yīng)的N 值為12、20、24。 采樣定理。采樣頻率必須大于輸入信號中的最高次頻率的兩倍,max s f f 2>,這就是著名的采樣定理。不滿足采樣定理將產(chǎn)生頻率混疊現(xiàn)象。由逐次逼近式原理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D 構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。 這是目前應(yīng)用最為廣泛的一種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng),南瑞繼保電氣公司

11、的RCS900保護中都用這種數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。圖1-2畫出了該數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的原理框圖。各種保護根據(jù)需要有若干個模擬信號需要采樣,例如南瑞繼保電氣公司的線路保護采樣八個量:a u 、b u 、c u 、a i 、b i 、c i 、03i 以及線路電壓x u 。而03u 電壓不從TV 的開口三角處采樣,而用三個相電壓相加的自產(chǎn)03u 方法獲得。各個模擬量有各個獨立的采樣通道,通過多路轉(zhuǎn)換開關(guān)若干個模擬量用一個A/D 轉(zhuǎn)換成數(shù)字量。下面對圖1-2所示的原理框圖中的各個環(huán)節(jié)加以說明。(1交流變換器。它的作用有兩個: 將從TV 、TA 來的高電壓、大電流變換成保護裝置內(nèi)部電子電路所需要和允許的小的電壓信號

12、。 電氣隔離和屏蔽作用。從TV 、TA 來的電氣量經(jīng)過很長電纜接到保護裝置,也引入了大量的共模干擾。交流變換器一方面提供一個電氣隔離,另一方面在一、二次線圈中加了一個接地的屏蔽層,使共模干擾經(jīng)一次線圈和屏蔽層之間的分布電容而接地,可以有效地抑制共模干擾。au b u 0i 3至微機主系統(tǒng)圖1-2 采用A/D 變換器的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)原理框圖(2 LPF 模擬低通濾波器。它的作用是濾除高次諧波。這一方面是為了在采樣時滿足采樣定理,另一方面是為了減少算法的誤差,因為有些算法是基于工頻正弦量得到的,諧波分量將加大算法的誤差。為滿足采樣定理應(yīng)將輸入信號中的大于2s f 頻率的高次諧波濾除。(3S/H 采樣

13、保持器。采樣保持器的作用為: 能快速地對模擬量的輸入電壓進行采樣,并將該電壓保持住。 由于各個模擬量采樣通道中的采樣保持器是同時接受到采樣脈沖的,所以各個模擬量是同時采樣的。在同一個采樣周期內(nèi)模數(shù)轉(zhuǎn)換后的各個數(shù)字量反應(yīng)的是采樣脈沖到來的同一瞬間各個模擬量的瞬時值,使各個模擬量的數(shù)值和相位關(guān)系保持不變。各個模擬量的同時采樣保證了反應(yīng)兩個及兩個以上電氣量的繼電器,例如方向繼電器、阻抗繼電器、相序分量繼電器計算的正確性。(4MPX 模擬量的多路轉(zhuǎn)換開關(guān)。MPX 是一種多路輸入、單路輸出的電子切換開關(guān)。通過編碼控制,電子開關(guān)分時逐路接通。將由S/H 送來的多路模擬量分時接到A/D 的輸入端,完成用一個

14、A/D 對若干個模擬量進行模數(shù)轉(zhuǎn)換工作。(5A/D 逐次逼近式原理的模數(shù)轉(zhuǎn)換器。它的作用是把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。將由多路轉(zhuǎn)換開關(guān)送來的由各路S/H 采樣保持器采樣的模擬信號的瞬時值轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的數(shù)字值。由于模擬信號的瞬時值是離散的,所以相應(yīng)的數(shù)字值也是離散的。這些離散的數(shù)字量由微機主系統(tǒng)中的CPU 讀取并存放在循環(huán)存儲器中供保護計算時使用。四 開關(guān)量的輸入輸出系統(tǒng)微機保護有很多的開關(guān)量(接點的輸入,例如有些保護的投退接點、重合閘方式接點、跳閘位置繼電器接點、收信機的收信接點、斷路器的合閘壓力閉鎖接點以及對時接點等等。微機保護也有很多的開關(guān)量(接點的輸出,例如跳合閘接點、中央信號接點、收發(fā)信機的發(fā)

15、信接點以及遙信接點等等。其中有些開關(guān)量是經(jīng)過很長的電纜才引到保護裝置的,因而也給保護引入了很多干擾。為了不使這些干擾影響微機系統(tǒng)的工作,在微機系統(tǒng)與外界所有接點之間都要經(jīng)過光電耦合器件進行光電隔離。由于微機系統(tǒng)與外部接點之間經(jīng)過了電信號光信號電信號的光電轉(zhuǎn)換,兩者之間沒有直接的電與磁的聯(lián)系,保護了微機系統(tǒng)免受外界干擾影響。1. 開關(guān)量輸入系統(tǒng) 圖1-3表示出了開關(guān)量的輸入系統(tǒng)。當(dāng)外部接點閉合時,光耦的二極管內(nèi)流過驅(qū)動電流,二極管發(fā)出的光使三極管導(dǎo)通,因此輸出低電平。當(dāng)外部接點斷開時,光電耦合器的二極管內(nèi)不流過驅(qū)動電流,二極管不發(fā)光,三極管截止,因此輸出高電平。微機系統(tǒng)只要測量輸出電平的高低(+

16、V 5(+(-(24V 或電平輸出圖1-3 開關(guān)量輸入系統(tǒng)就可以得知外部開關(guān)量的狀態(tài)。開入專用電源一般使用裝置內(nèi)電源輸出的24V 直流電源。對于某些距離遠的接點必要時也可用變電站的220/110V 直流電源,裝置提供強電的光電耦合電路。2. 開關(guān)量輸出系統(tǒng)圖1-4表示出了開關(guān)量的輸出系統(tǒng)。當(dāng)保護裝置欲使輸出開關(guān)量接點閉合時,只要在控制端輸入一個低電平使光電耦合器的二極管內(nèi)流過驅(qū)動電流,二極管發(fā)出的光使三極管導(dǎo)通,從而使繼電器J 動作,其閉合的接點作為開關(guān)量輸出。 第二節(jié) 微機保護的軟件系統(tǒng)一 保護繼電器的算法在微機保護中各個繼電器都是由其相應(yīng)的算法實現(xiàn)的。例如工頻變化量(有時稱做突變量的電氣量

17、(電流、電壓的計算,基波或某次諧波分量電氣量幅值的計算,相序分量電氣量幅值的計算,兩電氣量相角差的計算,相位比較動作方程的算法等等。1. 工頻變化量電氣量的計算在RCS900系列保護裝置中用了很多工頻變化量的繼電器。在實現(xiàn)這些繼電器時先要計算出工頻變化量的電流(i 和電壓(u 值。以電流值為例,計算方法為:(N n i n i i -= (1-1 上式中N 為每工頻周波采樣的次數(shù)。該式表示工頻電流的變化量(瞬時值是把當(dāng)前時刻的電流瞬時值減去一周前的電流瞬時值而得到的。如果輸入的工頻電流沒有變化,則工頻電流的變化量為零。如果在n 和N n -之間系統(tǒng)發(fā)生短路了。由于短路后電流發(fā)生了變化,于是工頻

18、電流的變化量不再是零。2.半周積分算法RCS900保護中有些繼電器是用半周積分算法實現(xiàn)的,例如兩相電流差的突變量起動元件、工頻變化量的阻抗繼電器等。(+V 5(+(-圖1-4 開關(guān)量輸出系統(tǒng)控制端假如輸入信號是圖1-5所示的工頻正弦電流信號,(+=t sin I t i m 1。該電流信號絕對值的半周積分值為:(1101012221I I t cos I dt t sin I S mm T m =-=+= (1-2于是該電流信號的有效值I 為:221S I = (1-3對輸入信號絕對值進行半周積分其物理概念是求輸入信號在半周內(nèi)的面積絕對值之和。由(1-2式可見,該積分值與初相角無關(guān)。+180t

19、(t i 圖1-5 半周積分算法示意圖3. 全周傅氏算法目前在微機保護中應(yīng)用得最廣泛的是全周傅里葉(傅氏算法,它的理論基礎(chǔ)是傅里葉級數(shù)。假設(shè)輸入信號(t i 為一個周期性函數(shù),它由基波分量、直流分量和各整次諧波分量構(gòu)成。(t i 可表示為:(+=110k k km t k cos I I t i (1-4式中:0I 直流分量。1基頻分量的角頻率。112f =。km I 、k 、1k 第k 次諧波分量的幅值、初相角和角頻率。k 為正整數(shù)。按復(fù)相量的表示方法,在初相角為k 時的第k 次諧波分量kI 可表示為: (IkRk k k km j km k jI I sin j cos I e I I k

20、 +=+= (1-5 式中kI 的實部Rk I 和虛部Ik I 分別為:k km Rk cos I I = (1-6 k km Ik sin I I = (1-7 將(1-4式展開并考慮到(1-6和(1-7式的關(guān)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 根據(jù)三角函數(shù)在一個工頻周期1T 內(nèi)的正交性可求得第k 次諧波分量的實部和虛部的計算公式:(dt t k cos t i T I T Rk =10112 (1-9 (-=10112T Ik

21、dt t k sin t i T I (1-10 (1-9式中(t k cos t i 1在10,T 其間的積分值是(t k cos t i 1的函數(shù)波形在10,T 期間的面積。利用梯形法則該面積可用(t i 與基準(zhǔn)余弦函數(shù)(t k cos 1在10,T 期間的采樣值之乘積求和再乘以采樣周期后的一塊塊矩形面積和來代替。考慮到在一個工頻周期2內(nèi),基準(zhǔn)余弦函數(shù)(t k cos 1的采樣值為(N kn cos 2的關(guān)系后,(1-9式為: (s N n Rk T N kn cos n i T I =-=10122 (1-11 將采樣周期N T T s 1=的關(guān)系代入上式,可得第k 次諧波分量的實部為:

22、( = =-=-=1011012222N n N n Rk N kn cos n i N N T N kn cos n i T I (1-12 同理可得第k 次諧波分量的虛部為:( -=-=1022N n Ik N kn sin n i N I (1-13 得知第k 次諧波分量的實部和虛部以后,根據(jù)(1-5式可求得k 次諧波分量的有效值和初相角為:(=+=Rk Ik k IkRk k I I arctg I I I 222 (1-14一般的繼電保護原理是反應(yīng)工頻電氣量的,所以關(guān)心的是基波分量。這時只要將(1-12、(1-13和(1-14式中取1=k ,即可求得基波分量的實部、虛部、有效值和初相

23、角為: ( =-=10122N n R N n cos n i N I (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 考慮到(1-15式中的標(biāo)準(zhǔn)基波余弦函數(shù)的采樣值(N n cos 2在0=n 時其值為1,同時考慮到對一個周期性函數(shù)(n i 有(2200/N i /i i +=的關(guān)系后,(1-15式有時也可用下式求得:(+ +=-=1112120212N n R N i N n cos n i i N I (1-18 同理,用全周傅氏算法也可以求得任意整數(shù)次諧波分量的

24、幅值和相位。所以在繼電保護中根據(jù)保護的原理也經(jīng)常用這種算法求得二次、三次、五次諧波分量的幅值。從上述原理推導(dǎo)中還可知,這種算法在求某個整數(shù)次諧波分量幅值時并不受其它各個整數(shù)次諧波分量的影響。也就是說這種算法有很強的濾波功能,其幅頻特性為在所求的頻率上輸出的幅值最大,在其它整數(shù)次的諧波頻率(包括直流上幅值為零。4. 基于傅氏算法的濾序算法A 、B 、C 座標(biāo)與1、2、0座標(biāo)有一個互換關(guān)系。眾所周知,已知A 、B 、C 相的相電壓求正、負、零序電壓的方法為:(+=+=+=C B A C B A C B A U U U U U a U a U U U a U a U U 31313102221 (1

25、-19 式中a 為算子,23210120j e a j +-=,232102402j e a j -=。 A U 、B U 、CU 三相電壓用復(fù)相量表達,即用各相電壓的實部和虛部表達為: +=+=+=SC CC C SB CB B SA CA A jU U U jU U U jU U U (1-20將(1-20式以及算子表達式代入(1-19式中的1U 式,即用各相電壓的實部和虛部來表達正序電壓為:(1121232123213131S C SC CC SB CB SA CA C B A jU U jU U j jU U j jU U U a U a U U +=+ -+ +-+=+= (1-21

26、式中1C U 、1S U 分別為正序電壓1U 的實部與虛部,它們?yōu)? -+= +-=SC CC SB CB SA S SC CC SB CB CA C U U U U U U U U U U U U 2123212331232123213111 (1-22 用全周傅氏算法求出各相電壓的實部虛部后代入(1-22式求出正序電壓的實部和虛部。再根據(jù)(1-21式求出正序電壓的有效值和初相角為:(=+=111212112C S S C U U arctg U U U (1-23同理,負序電壓的算式為: (=+= -+-= -+-=+=2212222222222221232123312321232131C

27、 S S C SC CC SB CB SA S SC CC SB CB CA C S C U U arctg U U U U U U U U U U U U U U U jU U U (1-24 零序電壓的算式為: (=+=+=+=+=001202000000023131C S S C SC SB SA S CC CB CA C S C U U arctg U U U U U U U U U U U jU U U (1-25 這種算法由于用全周傅氏算法計算實部和虛部,所以濾波性能好。但數(shù)據(jù)窗為N ,數(shù)據(jù)窗較長。這種算法在RCS900保護中得到了應(yīng)用。第二章 線路保護及重合閘第一節(jié) 零序電流方向

28、保護一 零序電流方向保護及其作用在中性點直接接地的高壓電網(wǎng)中發(fā)生接地短路時,將出現(xiàn)零序電流和零序電壓。利用上述的特征電氣量可構(gòu)成保護接地短路故障的零序電流方向保護。統(tǒng)計資料表明,在中性點直接接地的電網(wǎng)中,接地故障點占總故障次數(shù)的90%左右,作為接地保護的零序電流方向保護又是高壓線路保護中正確動作率最高的一種。在我國中性點直接接地系統(tǒng)不同電壓等級電力網(wǎng)線路上,按國家繼電保護和安全自動裝置技術(shù)規(guī)程(以下簡稱“技術(shù)規(guī)程”規(guī)定,都裝設(shè)了零序電流方向保護裝置。帶方向性和不帶方向性的零序電流保護是簡單而有效的接地保護方式,它主要由零序電流濾過器、電流繼電器和零序方向繼電器以及與收發(fā)信機、重合閘配合使用的邏

29、輯電路所組成。現(xiàn)今,大接地電流系統(tǒng)中輸電線路接地保護方式主要有縱聯(lián)保護、零序電流方向保護和接地距離保護等。它們都與系統(tǒng)中的零序電流、零序電壓及零序阻抗密切相關(guān)的。實踐表明零序電流方向保護在高壓電網(wǎng)中發(fā)揮著重要作用,成為各種電壓等級高壓電網(wǎng)接地故障的基本保護。即使在裝有接地距離保護作為接地故障主要保護的線路上,為了保護經(jīng)高電阻接地的故障和對相鄰線路保護有更好的后備作用,也為了保證選擇性,仍然需要裝設(shè)完整的成套零序電流方向保護作基本保護。二 零序電流方向保護的優(yōu)缺點帶方向性和不帶方向性的零序電流保護是簡單而有效的接地保護方式,其主要優(yōu)點是:1. 經(jīng)高阻接地故障時,零序電流保護仍可動作。由于本保護反

30、應(yīng)于零序電流的絕對值,受故障過渡電阻的影響較小。例如,當(dāng)220千伏線路發(fā)生對樹放電故障,故障點過渡電阻可能高達100歐姆,此時,其他保護大多數(shù)將無法動作,而零序電流保護,即使03I 定值高達幾百安培尚能可靠動作。2. 系統(tǒng)振蕩時不會誤動。零序電流方向保護不怕系統(tǒng)振蕩是由于振蕩時系統(tǒng)仍是對稱的,故沒有零序電流,因此零序電流繼電器及零序方向繼電器都不會誤動。3. 在電網(wǎng)零序網(wǎng)絡(luò)基本保持穩(wěn)定的條件下,保護范圍比較穩(wěn)定。由于線路零序阻抗比正序阻抗一般大33.5倍,故線路始端與末端短路時,零序電流變化顯著,零序電流隨線路保護接地故障點位置的變化曲線較陡,其瞬時段保護范圍較大,對一般長線路和中長線路可以達

31、到全線的7080%,性能與距離保護相近。而且在裝用三相重合閘的線路上(這里是指的三跳出口方式,多數(shù)情況,其瞬時保護段尚有縱續(xù)動作的特性,即使在瞬時段保護范圍以外的本線路故障,仍能靠對側(cè)開關(guān)三相跳閘后,本側(cè)零序電流突然增大而促使瞬時段起動切除故障。這是一般距離保護所不及的,為零序電流保護所獨有的優(yōu)點。4. 系統(tǒng)正常運行和發(fā)生相間短路時,不會出現(xiàn)零序電流和零序電壓,因此零序保護的延時段動作電流可以整定得較小,這有利于提高其靈敏度。并且,零序電流保護之間得配合只決定于零序網(wǎng)絡(luò)得阻抗分布情況,不受負荷潮流和發(fā)電機開停機的影響,只需要零序網(wǎng)絡(luò)阻抗保持基本穩(wěn)定,便可以獲得良好的保護效果。5. 結(jié)構(gòu)與工作原

32、理簡單。零序電流保護以單一的電流量為動作量,只需要用一個繼電器便可以對三相中任一相接地故障作出反應(yīng),因而運行維護簡便,其正確動作率高于其他復(fù)雜保護。同樣又因為整套保護中間環(huán)節(jié)少,動作快捷,有利于減少發(fā)展性故障,特別是近處故障的快速切除是很有利的。在Y/接線的降壓變壓器三角形繞組側(cè)以后的故障不會在星形繞組側(cè)反映出零序電流,所以零序電流保護的動作時限可以不必與該種變壓器以后的線路保護配合而可取得較短的動作時限。零序電流保護的缺點是:1. 對于短線路或運行方式變化很大的情況,保護往往不能滿足系統(tǒng)運行所提出的要求。2. 當(dāng)采用自耦變壓器聯(lián)系兩個不同電壓等級的網(wǎng)絡(luò)時(例如110kV 和220kV 電網(wǎng),

33、則任一網(wǎng)絡(luò)的接地短路都將在另一網(wǎng)絡(luò)中產(chǎn)生零序電流,這將使零序保護的整定配合復(fù)雜化,并將增大延時段的動作時限。3. 當(dāng)電流回路斷線時,可能造成保護誤動作。運行時要注意防范。如有必要,還可以利用零序電壓突變量來閉鎖的方法防止這種誤動作。4. 當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)不對稱運行時,也要出現(xiàn)零序電流,例如變壓器三相參數(shù)不對稱,單相重合閘過程中的兩相運行,三相重合閘和手動合閘時的三相開關(guān)不同期以及空投變壓器時的不平衡勵磁涌流等等,都可能使零序電流保護誤動作,必須采取措施。5. 地理位置靠近的平行線路,由于平行線間零序互阻抗的影響(見第二章第三節(jié)九的分析,可能引起零序電流方向保護的保護區(qū)伸長、零序電流方向繼電器誤動

34、等。盡管零序電流保護有以上缺點,但總可以采取措施克服,所以在各級高壓電網(wǎng)中,零序電流保護以其簡單、經(jīng)濟、可靠,而獲得了廣泛的應(yīng)用。三 反時限零序電流保護隨著電力系統(tǒng)網(wǎng)架的快速擴大,500kV 自耦變壓器、220kV 超短線路及短線路群的投入,零序序網(wǎng)隨運行方式變化而越發(fā)復(fù)雜,造成零序電流保護的整定配合困難,應(yīng)用受到了限制。微機型線路保護在全網(wǎng)線路上的采用,為此提供了可靠、靈活的解決途徑。在微機線路保護裝置中具備階段式接地距離保護、階段式零序電流保護或者還具有反時限零序電流保護。接地距離保護的缺點是受接地電阻的影響太大,過大的接地電阻將造成拒動?！凹夹g(shù)規(guī)程”明確提出“對220kV 線路,當(dāng)接地電

35、阻不大于100歐姆時,保護應(yīng)能可靠地切除故障。a 、宜裝設(shè)階段式接地距離保護并輔之用于切除經(jīng)電阻接地故障的一段定時限和/或反時限零序電流保護。b 、可裝設(shè)階段式接地距離保護、階段式零序電流保護或反時限零序電流保護,根據(jù)具體情況使用。”為此,一段定時限零序電流或是階段式零序電流保護的最末段,其動作電流整定值不大于300A 。電網(wǎng)只保留零序電流長延時最末段,對于復(fù)雜電網(wǎng)而言在配合上非常困難,在運行中因最末段無法滿足時限配合關(guān)系,也存在著無選擇性跳閘的隱患。因此,采用反時限零序電流保護功能,全網(wǎng)使用統(tǒng)一的啟動值和反時限特性,接地故障時按電網(wǎng)自然的零序電流分布以滿足選擇性。反時限零序電流繼電器的時限電

36、流特性按國際電工委員會標(biāo)準(zhǔn)(IEC255-4一般反時限特性,其表達式為:P P t I I t 1/(14.002.0-=式中,t 繼電器的動作時限P t 時間系數(shù)P I 起始動作電流I 繼電器通入的電流四 零序方向繼電器對零序方向繼電器的最基本要求是利用比較零序電壓和零序電流的相位來區(qū)分正、反方向的接地短路。 (a 正方向短路(b 反方向短路 I Z I 0U 0I (c 正方向短路相量圖(d 反方向短路相量圖圖2-1 正、反方向接地短路時的零序序網(wǎng)圖和相量圖正、反方向接地短路時,零序電壓和零序電流的夾角。設(shè)零序方向繼電器裝在MN 線路的M 側(cè)。在圖2-1所示的零序序網(wǎng)圖中,加在繼電器的上的

37、零序電壓、電流按傳統(tǒng)方式規(guī)定它的正方向。零序電壓的正方向是母線電壓為正、中性點電壓為負,圖中電壓箭頭表示電位升方向。零序電流以母線流向被保護線路方向為其正方向。900系列線路保護中的零序方向繼電器采用比較零序功率的方法實現(xiàn)。 (l I U P -=c o s 33000 (2-1l :為線路零序阻抗的阻抗角,取080:為03U 超前于03I 的夾角,00I U arg =。 1.正方向故障時根據(jù)圖2-1(a 所示的正方向短路的零序序網(wǎng)圖,按上述規(guī)定的電壓、電流正方向可得: 000S Z I U -= (2-2如果系統(tǒng)中各元件零序阻抗的阻抗角都為080。正方向短路時根據(jù)(2-2式,零序電壓超前零

38、序電流的角度為: (000000100180-=-=-=S S Z arg Z arg I U arg (2-3正方向短路時的相量圖示于圖2-1(c 中。因此得(0000003380100cos(33cos 33I U I U I U P l -=-=-=為負的最大值。故而正方向的零序方向繼電器的動作方程可定為:(=-<-=-<-=時1當(dāng)2033時5當(dāng)133000000A I VA .cos I U P A I VA cos I U P N l N l (2-4 在正方向短路時正方向的零序方向繼電器可以靈敏動作。2.反方向短路時根據(jù)圖2-1(b 所示的反方向短路的零序序網(wǎng)圖,按上述

39、規(guī)定的電壓、電流正方向可得:Z Z (I U R l 0000+= (2-5反方向短路時根據(jù)(3-5式,零序電壓超前零序電流的角度為(0000080=+=R l Z Z arg I U arg (2-6反方向短路時的相量圖示于圖2-1(d 中。當(dāng)反方向短路時得:(000000338080cos(33cos 33I U I U I U P l =-=-=為正的最大值,故而反方向的零序方向繼電器的動作方程為:(VA cos I U P l 033000>-= (2-7在反方向短路時,反方向的零序方向繼電器可以靈敏動作。反方向的零序方向繼電器的動作邊界為VA 0,而正方向的零序方向繼電器的動作

40、邊界定為VA 1-(當(dāng)電流互感器二次額定電流是5A 時,這是為了讓反方向元件的靈敏度高于正方向的元件靈敏度,使它動作后閉鎖優(yōu)先。在零序電流方向保護中使用的零序方向繼電器無需正、反方向兩個方向繼電器,只需要正方向的零序方向繼電器。 五 零序電流方向保護的應(yīng)用在中性點直接接地電網(wǎng)中,接地故障占總故障次數(shù)的絕大部分。零序電流方向保護簡單可靠、靈敏度高(特別是在高電阻接地故障時、保護范圍比較穩(wěn)定,所以在輸電線路保護中獲得了廣泛的應(yīng)用。“技術(shù)規(guī)程”和“電網(wǎng)繼電保護裝置運行整定規(guī)程”(以下簡稱“整定規(guī)程”都對零序電流方向保護的應(yīng)用作了原則的說明。另外,高壓線路繼電保護裝置統(tǒng)一設(shè)計原則的“四統(tǒng)一”(以下簡稱

41、“四統(tǒng)一”總結(jié)了我國高壓線路繼電保護多年來的設(shè)計、制造和運行經(jīng)驗,具有指導(dǎo)意義。1. 110kV 線路零序電流方向保護單側(cè)電源線路的零序電流保護一般為三段式,終端線路也可以采用二段式。雙側(cè)電源復(fù)雜電網(wǎng)線路零序電流保護一般為四段式或三段式,在需要改善配合條件,壓縮動作時間的線路,零序電流保護宜采用四段式的整定方式。按三段式運行時,可設(shè)兩個第一段。在具體電網(wǎng)線路上,零序電流大小與接地故障的類型有關(guān)。單相接地故障和兩相接地故障時流過短路點的零序電流1(0K I 和1.1(0K I 分別為+=0101(02Z Z U I K K +=+=01001100101.1(02/Z Z U Z Z Z Z Z

42、 Z U I K K K 考慮了電流分配系數(shù)0C ,則線路側(cè)保護得到的電流分別為+=01001(02Z Z U C I K+=01001.1(02Z Z U C I K式中0K U 為短路點在短路前的電壓,1Z 、0Z 為系統(tǒng)對短路點的綜合正序、零序阻抗,系統(tǒng)內(nèi)各元件的正序阻抗等于負序阻抗。由上式可知當(dāng)1Z <0Z 時,1(0I >1.1(0I當(dāng)1Z >0Z 時,1(0I <1.1(0I在整定零序電流保護定值時就要選擇流過保護的零序電流較大的一種故障類型來進行整定計算。而在校驗零序電流保護的靈敏度時,就要選擇在校驗靈敏度的短路點上短路時流過保護的零序電流比較小的一種故障

43、類型來進行計算。2.110KV 零序后加速段的設(shè)置:我國110kV 線路是采用三相重合閘方式。三相重合閘后加速一般應(yīng)加速對線路末端故障有足夠靈敏系數(shù)的零序電流保護段,如果躲不開后一側(cè)合閘時,因斷路器三相不同步產(chǎn)生的零序電流,則兩側(cè)的后加速段在整個重合閘周期中均應(yīng)帶0.1s 延時。加速段可以獨立設(shè)置,如現(xiàn)在的微機保護那樣,定值和延時可獨立整定。此外,為防止合閘于空載變壓器時勵磁涌流引起零序后加速誤動,零序加速段可以由控制字選擇是否需要投入二次諧波閉鎖,二次諧波的制動比可以選為18%。必須指出,作為零序電流保護速動段的零序電流I 段定值若躲不開斷路器三相觸頭不同時接通產(chǎn)生的零序電流時,也應(yīng)在重合閘

44、后延時0.1s 動作。按三段式運行設(shè)兩個第一段時,不靈敏一段電流定值可躲過合閘三相不同步引起的零序電流,故在重合閘后不用帶延時,只是靈敏一段要帶0.1s 延時。3.220500kV 線路零序電流方向保護作為零序電流方向保護,上述110kV 線路零序電流方向保護應(yīng)用中的基本原則,在220500kV 線路上也是適用的。但在220500kV 線路上除采用三相重合閘外還普遍采用了單相重合閘、綜合重合閘,此時,零序電流方向保護就還要考慮非全相運行的問題。零序電流保護一般為四段式。根據(jù)各地的多年運行經(jīng)驗,大部分線路采用可分別經(jīng)方向元件控制的四段式零序電流保護作為接地故障時的基本保護較為適宜。對于三相重合閘

45、線路,零序電流保護可以按四段式運行,或按三段式運行,但其中有兩個第一段,其中靈敏一段重合閘時帶延時0.1s 。對于單相重合閘線路,可按三段式運行,其中也有兩個第一段或者兩個第二段,兩個第一段時靈敏一段在重合閘過程中退出運行,兩個第二段時靈敏二段在重合閘過程中退出運行。對終端輸電線路可裝設(shè)較少段數(shù)的零序電流保護。第二節(jié) 距離保護一 距離保護的作用原理和時限特性距離保護和電流保護一樣是反應(yīng)輸電線路一側(cè)電氣量變化的保護。在圖2-2所示的電網(wǎng)中,將輸電線路一側(cè)的電壓m U 、電流mI 加到阻抗繼電器中,阻抗繼電器反應(yīng)的是它們的比值,稱之為阻抗繼電器的測量阻抗m m m I U Z =。mKm U =圖

46、2-2 阻抗繼電器接線示意圖反應(yīng)輸電線路一側(cè)電氣量變化的保護一定要滿足兩個條件。首先,它必須區(qū)分正常運行和短路故障。其次,它應(yīng)該能反應(yīng)短路點的遠近。正常運行時,加在阻抗繼電器上的電壓是額定電壓N U ,電流是負荷電流l I 。阻抗繼電器的測量阻抗是負荷阻抗lN l m I U Z Z =。短路時,加在阻抗繼電器上的電壓是母線處的殘壓mKU ,電流是短路電流K I 。阻抗繼電器的測量阻抗是短路阻抗K Z ,K m K K m I U Z Z =。由于N mK U U <<,l K I I >>,因而l K Z Z <<。所以,阻抗繼電器的測量阻抗可以區(qū)分正常運

47、行和短路故障。如果在K 點發(fā)生金屬性短路,短路點到保護安裝處的阻抗為K Z ,流過保護的電流為K I ,則保護安裝處的電壓為KK mK Z I U =。阻抗繼電器的測量阻抗是K K m K m Z I U Z = 。這說明阻抗繼電器的測量阻抗反應(yīng)了短路點到保護安裝處的阻抗,也就是反應(yīng)了短路點的遠近。所以可以用它來構(gòu)成反應(yīng)一側(cè)電氣量的保護。由于阻抗繼電器的測量阻抗反應(yīng)了短路點的遠近,也就是反應(yīng)了短路點到保護安裝處的距離,所以把以阻抗繼電器為核心構(gòu)成的反應(yīng)輸電線路一側(cè)電氣量變化的保護稱做距離保護。距離保護相對于電流保護來說,其突出的優(yōu)點是受運行方式變化的影響小。距離保護第段只保護本線路的一部份,在

48、保護范圍內(nèi)金屬性短路時,一般在短路點到保護安裝處之間沒有其它分支電流,所以它的測量阻抗完全不受運行方式變化的影響。距離保護第、段其保護范圍伸到相鄰線路上,在相鄰線路上發(fā)生短路時,由于在短路點和保護安裝處之間可能存在分支電流,所以它們在一定程度上將受運行方式變化的影響。 圖2-3 距離保護的階梯型時限特性由于阻抗繼電器的測量阻抗可以反應(yīng)短路點的遠近,所以可以做成階梯型時限特性,如圖2-3所示。短路點越近,保護動作得越快;短路點越遠,保護動作得越慢。第段按躲過本線路末端短路(本質(zhì)上是躲過相鄰元件出口短路繼電器的測量阻抗(也就是本線路阻抗整定。它只能保護本線路的一部份,其動作時間是保護的固有動作時間

49、(軟件算法時間,不帶專門的延時。第段應(yīng)該可靠保護本線路的全長,它的保護范圍將伸到相鄰線路上,其定值一般按與相鄰元件的瞬動段例如相鄰線路的第段定值相配合整定。第段除作為本線路、段的后備外,也作為相鄰元件保護的后備。所以它除了在本線路末端短路要有足夠的靈敏度外,在相鄰元件末端短路也應(yīng)有足夠的靈敏度,其定值一般按與相鄰線路、段定值相配合并躲最小負荷阻抗整定。二 短路時保護安裝處電壓計算的一般公式在圖2-4所示的系統(tǒng)中,線路上K 點發(fā)生短路。保護安裝處的相電壓應(yīng)該是短路點的該相電壓與輸電線路上該相的壓降之和。輸電線路上該相的壓降是該相上的正序、負序、和零序壓降之 U 圖2-4短路故障示意圖和。如果考慮

50、到輸電線路的正序阻抗等于負序阻抗,保護安裝處相電壓的計算公式為:101110010211010*Z 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 流過保護的該相的正序、負序、零序電流。 1Z 、2Z 、0Z 短路點到保護安裝處的正、負、零序阻抗。K 零序電流補償系數(shù)。 (11103Z Z Z Z Z K M =-=。 M Z 為輸電線路相間的互感阻抗。K U 短路點的該相電壓。 103Z I K I ( +輸電線路上該相從短路點到保護安裝處的

51、壓降。 保護安裝處的相間電壓可以認為是保護安裝處的兩個相電壓之差?？紤]到如(2-8式所示的相電壓的計算公式后,保護安裝處相間電壓的計算公式為:1Z I U U K += (2-9 式中 兩相相間。AB =、BC 、CA 。K U 短路點的相間電壓。 I 兩相電流差。 1Z I 輸電線路上從短路點到保護安裝處的兩相壓降之差。兩相上的103Z I K 項相抵消。(2-8、(2-9兩式是短路時保護安裝處電壓計算的一般公式。三 I 、II 段接地距離保護的分析工作電壓 (set O P Z I K I U U 03 +-=極化電壓 1U U P = 動作方程 o P OP oU U arg 27090

52、<< (2-10 1. 正方向故障正向單相接地短路。以(1A K 為例。分析A 相接地阻抗繼電器。假設(shè)短路前空載,下面各式中的電流都是故障分量電流。用圖2-5(a 系統(tǒng)圖里的參數(shù)來表達工作電壓和極化電壓:(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:(101000002211110123131313

53、1C 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、負、零序電流分配系數(shù)。動作方程: o S m setm o Z k Z Z Z arg27090<'+-< (2-11 (a 正方向短路系統(tǒng)圖 (b 反方向短路系統(tǒng)圖圖2-5 正方向、反方向短路的系統(tǒng)圖動作方程對應(yīng)的動作特性是以(+set Z 和(S Z k '-兩點的連線為直徑的圓,如圖2-6中圓1所示。該圓向第象限帶有偏移。 R圖2-6 正向單相接地短路接地阻抗繼電器的穩(wěn)態(tài)動作特性2.

54、反方向故障:反向單相接地短路。以(1A K 為例。分析A 相接地阻抗繼電器。假設(shè)短路前空載,下面各式中的電流都是故障分量電流:(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 '-+=+-+=+-+-=+=010* (2-13式中k '的表達式如上式所示。其值在0.75到0

55、.87之間。R Z 是保護正方向的等值阻抗。 將(2-12和(2-13兩式代入動作方程(2-10 ,并消去分子分母中的(3I K I A + 得: o Rm setmoZ k Z Z Z arg 27090<'-<動作方程對應(yīng)的動作特性是以(+set Z 和R圖2-7 反向單相接地短路接地阻抗繼電器的動作特性(R Z k '+兩點的連線為直徑的圓,如圖2-7所示。該圓向第象限上拋,遠離了座標(biāo)原點。當(dāng)反方向發(fā)生單相接地短路時,繼電器的測量阻抗落在第象限。即使在反方向出口或母線發(fā)生短路,過渡電阻的附加阻抗是阻容性的話,測量阻抗進入第象限也進入不了圓內(nèi)。所以在反向發(fā)生單相接地短路時該繼電器有良好的方向性。四 相間阻抗繼電器的動作特性分析相間阻抗繼電器用來保護各種相間短路,它的工作電壓、極化電壓以及動作方程分別為:工作電壓