新型微機保護的工作原理

新型微機保護的工作原理微機保護比起電磁型保護來講，能夠對電氣量進行很復雜的計算，形成新的保護原理,從而開發(fā)出新種類的繼電器。這對調試保護提出了新的要求，因此必須熟悉這些原理，才能保證微機保護安裝調試的質量。鑒于各保護都有專用的技術說明書，這里只對書中部分難點作出詳細的分析。第一節(jié) 工頻變化量距離繼電器距離繼電器的工作方式是比較測量阻抗ZJ與整定值Zzd的大小?但是保護裝置是無法直接得到ZJ，需要對所測電壓和電流進行計算，也就是說，可以把比較阻抗的方程轉化為比較故障時候的極化電壓Up和工作電壓Uop的方法。極化電壓：故障點在故障前的電壓，是保護的記憶量；工作電壓：工作電壓的公司是保護選取采用的公式，該公式能在保護計算中能很好的區(qū)分出區(qū)內故障和區(qū)外故障。工作電壓的公式：Uop=U—Zzd*I下面分析工頻變化量距離繼電器的工作原理正常運行時，輸電線路忽略線路阻抗的情況下線路電壓Uz處處相等。如圖3.1圖3.1圖3.1在線路K點發(fā)生金屬性接地短路，故障點電壓為零，相當于在圖3.1的K點增加了一個反方向的電壓Uz。如圖3.2根據電路的疊加原理，就可以將圖3.2分解為正常運行的網絡（圖3.1）與故障分量網絡（圖3.3）。故障分量網絡就是工頻變化量分析的對象。Em=0iMK NEm=0iMK NfUzC5(=0圖3.3只有一個附加電勢Uz，它的值就是故障前的母線電壓，這里選作極化量。>1、作出區(qū)內故障阻抗圖。圖3.4>1Zzd△— M KJzm^0ZkUzZM：M側系統(tǒng)阻抗；ZK線路圖f3側母線至K點阻抗；Zzd：保護整定值；工作電壓Uop:保護范圍末端F點的電壓；△【：電流故障分量。線路M側的保護動作情況，Uz=(ZM+ZK)*△【Uop=(ZM+Zzd)*△【作出函數U=AI*X的坐標圖，圖3.5,當X=(ZM+ZK)時，U=Uz，當X=(ZM+Zzd)時,這里的Uop的電壓是實際是不存在的，只不是是保護計算出的一個比較電氣量，△UM=ZM*AI,是故障后母線電壓的電氣量。所以Uop=AUM+Zzd*^Io公式右邊所有的電氣量是可以測到的，所以可以計算出Uop的值。由圖3.5明顯可以得到在區(qū)內故障時候|Uz|<|Uop|（式3.1）同理可以分析出正方向區(qū)外故障|Uz|〉|Uop|（式3.2）二、反方向故障的阻抗圖如圖3.6△I圖3.6△I圖3.6在M側反方向K點故障時，Uop=Zs*Al,Uz=(ZZd+ZK+Zs)*厶1。同樣作出函數U=△I*X的坐標圖(圖3.7),當乂=Zs，U=Uop；當乂=(ZZd+ZK+Zs)，U=Uz。Zs雖然無法實際測到，但|Uz|—|Uop|=|(ZZd+ZK)*△【|=IZZd*^I|+AUM,公式右邊的數值也是可以測得的，|Uz|—|Uop|〉0。可知，在反方向故障時|Uz|〉|Uop|(式3.3)歸納式3.1、式3.2和式3.3,就得到工頻變化量距離繼電器動作方程|Uz|〈|Uop|,同時也證明Uop作為工作電壓選擇的正確性。以上是以M側繼電器為分析對象，同理也可以分析出N側繼電器動作方程。三、工頻變化量距離繼電器的動作特征正方向區(qū)內故障，得到公式|Uz|〈|Uop|,即|ZM+ZK|<|ZM+Zzd|,也就是|ZK-(-ZM)|<|Zzd-(-ZM)|動作區(qū)間是圓點在一ZM,半徑為|ZM+Zzd|的圓內。圖3.8該動作區(qū)間包含了坐標原點，因此能很好的切除出口短路故障。用電氣變化量作為分析對象比普通阻抗繼電器更加靈敏，有關工頻變化量構成的保護可以閱讀本章第四節(jié)《復合距離繼電器》。圖3.9圖3.9正方向區(qū)外或者反方向故障時，令ZZd+Zs=Zs'注意到ZK是M側的反方向，有|ZS'—Zzd|<|ZS'-Zk|，動作區(qū)間是以Zs'為圓心，|ZS'—Zzd|為半徑的上拋圓，這個圓在整定值Zzd之外，所以不會誤動做。圖3.9

第二節(jié) 普通距離繼電器在南瑞系列保護中，作為后備保護的普通距離繼電器通常也是比較工作電壓與極化電壓來判定保護是否應該動作。極化量Up—般選擇用故障時候的正序電壓U1，因為在比相式繼電器中，極化量是作為基準量與Uop比相，通常要求Up能保持故障前電壓的相位不變，幅值不能太小，比較容易取得的電氣量。正序電壓U1能夠很好的滿足要求。以A相故障分析⑴單相故障U1a=2Ua⑵A、B兩相故障U1a=Ua⑶A、B兩相接地故障U1a=寺Ua⑷三相對稱故障Ula?0（注：以上公式推導過程可參閱《技術問答》第2版第23頁）因此采用正序電壓為極化量能很好的保持故障前正常電壓的特征。當三相短路時，保護的正序電壓低于10%正常電壓，這時保護進入低壓測量程序，一般就采用記憶回路記住正常時的工作電壓。繼電器的比相方程一90°Varg-V90°（式3.5）工作電壓：Uop=U—I*Zzd極化電壓：Up=—U1m在圖3.10中，線路K點發(fā)生故障時，U1m=Em*e.s,EM=(ZK+Zs)*I,Uop=(ZK—Zs)*I,j?Up=—（ZK+Zs）*I*e這里需要解釋5角的存在，如果考慮正常運行情況下負荷的潮流情況,上面分析的是電流從M側流向N側，必須要有電勢角（也就是兩邊要有電位差）。如圖3.11，系統(tǒng)電勢EM超前M點電壓5角，即公式中的5V0。如果電流是從EN流向EM,則EM落后M點電壓5角，即公式中的＞0。

90°把以上的公式帶入式3.5，最后得到90°—90°Varg〔(Zk—Zzd)/(Zs+Zk)*e〕j6作出上式的動作特征區(qū)間，有圖3.12。圖3.12給出了在8=0.8=-30。和5=30°的三種動作區(qū)間，結合上面的公式分析，在送電側5V0，動作區(qū)間偏向第一象限，克服過渡電阻的能力強，在受電側，動作區(qū)間偏向第二象限，能較好的躲避負荷阻抗。這里要注意兩點：1、記憶回路提供的極化量并不是一直不變的，它只在故障瞬間保持故障前的狀態(tài)，只有它幅值逐漸衰減，但在衰減的過程中保持相位不變。用圖3.13可以表示出該動作區(qū)間的變化過程，①是故障瞬間的暫態(tài)圓，②是故障過程中極化量衰減時的過渡圓，③是最終的穩(wěn)態(tài)圓。2、取用極化量是一U1m,而不是U1m,如果采用U1m，就得不到該動作區(qū)間。以上主要解釋了在三相短路時候的動作方程及特征區(qū)間，反應接地故障的接地距離繼電器和反應相間故障的相間距離繼電器與其原理基本一致，不同的地方有兩點：1、極化量的選取，三相故障時選用記憶量，其他距離繼電器選用故障的正序分量，前面已經很詳細的說明了。2、接地距離繼電器由于零序電流的存在引入了零序補償系數K,所以它的工作為Uop=U—(I+3K*I0)Zzd,下面以A相故障為例，推導零序補償系數K的公式。UA=U1+U2+U0=Z1*I1+Z2*I2+Z0*I0(一般的Z1=Z2)=Z1*I1+Z1*I2+(一般的Z1=Z2)=Z1(I1+I2+10)+(Z0—Z1)*I0=Z1*IA+3Z1* )*I0=Z1*IA+3K*I0 (=(IA+3K*10)*Z1U9一般情況下，可一取K=0.67U9同時，變換公式得到Z1=[a_UK*I。，得到單相繼電器的接線方式為[+3K*【°南瑞系列保護接地距離1、11段還提供了可以整定的穩(wěn)態(tài)角0,9可以取0°,15。和30。動作區(qū)間向第一象限偏移9角，提高抗過渡電阻的能力。如圖3.14圖3.15圖3.15為了防止對側助增電流引起的超越，在I、II段中還提供了電抗繼電器，該繼電器大約向下傾斜12。，故其動作區(qū)間如圖3.15。作為遠后備保護的III段距離繼電器不設電抗繼電器，因為即使是下一段故障超越進本段的距離III段范圍內，下一段的距離I、II、III段動作時間也比本段的距離III段動作時間快，因此不需要。第三節(jié) 距離繼電器的超越在上一節(jié)中提到加入電抗繼電器是為了防止超越，這一節(jié)就分析為什么會出現超越。在系統(tǒng)中，線路通過過渡電阻R接地，如圖3.16圖3.16M側的距離繼電器測量阻抗圖3.16ZJ^-*Rk=I_I^I01偽I1和°I2的夾角?！?*Rk=I_I^I01偽I1和°I2的夾角。【1I =K*e-12 J0...最后得到公式ZJ=Zk+R+K*R*je因此，ZJ因此，ZJ在特征區(qū)間可以用圖3.17表示,當I1超前I2,9V0,I1落后I2,9>0,由于對側助增電流的角度的不確定性，在0V0時，測量阻抗ZJ小于實際的阻抗（Zk+R）,在II段的故障就有可能落在I段動作。所以，我們設計了電抗繼電器來躲避這種情況。

第四節(jié) 復合距離繼電器在高頻保護中，南瑞公司902系列保護采用復合距離繼電器作為高頻方向元件。復合距離繼電器由兩部分組成，一部分是第一節(jié)講述的工頻變化量距離繼電器，另一部分是四邊形距離繼電器。因此稱作復合距離繼電器。四邊形距離繼電器動作特征如圖3.18,Zzd=1.5ZL,Zx=0.05Zzd,Zzd阻抗角78°,①1二①2=30°,Rzd丄Zzd。只需要整定Rzd和Zzd,四邊形的區(qū)間大小就可以確定下來了。圖3.17為了防止在雙電源下線路故障出現距離保護超越現象,AB邊不與R軸平行，而是向下傾斜10°~15°,為了防止出口經過渡電阻接地也能可靠動作，CD邊也要向下傾斜，Rzd由過渡電阻有可能的最大值決定，為了保證經過渡電抗接地也能可靠動作，?、?=?2=30。得到A、B兩點。圖3.17工頻變化量的整定值分兩個，一個是在后備保護中的距離I段Zzd1，它與四邊形距離繼電器共同構成快速獨立跳閘元件，即動作時間小于10ms。必須注意理解的是&也

是復合距離繼電器，而不僅僅是工頻變化量距離繼電器。AZ的動作特征區(qū)間如圖3.19。第二個是以超范圍整定到對端電源的工頻變化量阻抗保護DzzdF,它與四邊形距離繼電器構成頻距離保護Z++的方向元件。它的動作區(qū)間如圖3.200這里看到Z++的動作區(qū)間就是四邊形距離繼電器，似乎工頻變化量距離沒有用處，其實由于四邊形是固定的，在反方向和區(qū)外故障時候工頻變化量是一個遠離四邊形的上拋圓，與四邊形無交集，也就沒有動作區(qū)，所以能很好的防止非故障區(qū)故障時候高頻正方向元件的誤動。圖3.19圖3.19第五節(jié)保護閉鎖系統(tǒng)振蕩的原理有關什么是系統(tǒng)振蕩，和發(fā)生振蕩時，系統(tǒng)中各點的電壓，電流，相角變化規(guī)律以及振蕩對不同地點距離保護的影響的問題在《技術問答》上有詳細的講解，這里只對南瑞公司保護的開放閉鎖元件的四個判據作詳細的分析。在系統(tǒng)發(fā)生振蕩時，應該由手動或自動減少發(fā)電機機端出力和有選擇性的切除負荷，不應由保護無選擇的任意解列系統(tǒng)。因此，對有可能出現電網振蕩的保護必須加裝振蕩閉鎖元件。正常運行時，振蕩閉鎖元件一直是投入的,它閉鎖了距離保護等的動作，在網絡異常時，保護會啟動，該元件必須立刻判斷出異常是什么原因造成的。如果是系統(tǒng)振蕩，則該元件繼續(xù)投入，如果是故障，該閉鎖元件應立刻開放。下面就講南瑞保護區(qū)別振蕩和故障用的四個判據。、保護啟動瞬間開放160ms.

即使是保護由于系統(tǒng)振蕩的原因而啟動，系統(tǒng)兩側電勢由正常功角0擺至振蕩中心角180°的時間也遠大于200ms。這樣振蕩的軌跡還沒有進入動作區(qū)間閉鎖元件就已經復歸。, 如圖3.21,正常運行在A點，振蕩時振蕩軌跡是從A點到B點（0由01到02）的時間遠遠超過160ms。軌跡在這個時間內不能進入保護動作區(qū)。此時若是故障引起的保護啟動，閉鎖元件已經開放，保護可以動作。所以這個判據在系統(tǒng)振蕩時候不會誤動,在故障時候不會拒動。該判據只在啟動瞬間開放160ms，之后就永久閉鎖（保護整組復歸時才復歸），即使是在系統(tǒng)振蕩時候再有故障也不開放，這就需要其他判據。(式3.6)不對稱故障時的開放判據：II0|+|l2|>m|l1|系統(tǒng)振蕩時，10、12(式3.6)不對稱故障時，根據對稱分量法作出復合序網圖，可以得到短路點各序電流的關系:單相接地短路：丨10丨+丨12丨=2丨11|兩相短路丨12丨=丨11丨 （式3.7）兩相接地短路I10丨+丨12丨=丨11丨J據，即采用振蕩中心的電壓Uos（圖3.22）O圖3.22的大小作為判據。無論系統(tǒng)是正常運行還是振蕩，丨OM丨都是M點母線電壓U,Ucos?都反應了振蕩中心點S的正序電壓丨據，即采用振蕩中心的電壓Uos（圖3.22）O圖3.22的大小作為判據。無論系統(tǒng)是正常運行還是振蕩，丨OM丨都是M點母線電壓U,Ucos?都反應了振蕩中心點S的正序電壓丨OS丨。三相短路一般都是弧光短路,弧光電阻壓降小于0.05U。此時分析振蕩中心在最不利的情況下，如何用延時來躲過振蕩軌跡處于區(qū)內的問題。N圖3.23—N圖3.23—0.1 —0.03 0.08 0.25該判據又分兩部分:(1)—0.03UVUosV0.08U,延時150ms開放。cos?1=0.08,?1=85.5。系統(tǒng)角171°cos?2=—0.03,?2=91.7。系統(tǒng)角183.5°圖3.23給出了此時振蕩的軌跡圖。從?1到?2變化了6.2°，整個振蕩周期?變化是180°以最大振蕩周期3"計算，振蕩周期在這個區(qū)間內停留的時間是104ms，取延時150ms閉鎖開放，即使該區(qū)域是保護動作區(qū)保護也能躲過振蕩軌跡。判據（1）判據（2）圖3.24

（2）—0.1UVUosV0.25U,延時500ms開放該判據作為（1）判據的后備分析的道理和（1）完全一致。以上的判據在Uos很小時候，就能很好的用延時來躲避可能是振蕩原因引起的低壓。從而保證保護不會誤動。如何更好的理解（1）、（2）兩個判據的關系，如圖3.24振蕩軌跡是由A到B到C到D的單向運動，進入A點即（2）判據開始工作，接著進入B點，（1）判據也開始，如果是故障進入B點后150ms后（1）判據動作，如果是振蕩或者故障條件不滿足（1）的判據，軌跡繼續(xù)進入C點，如果是故障，在進入A點開始后的500ms時（2）判據動作。如果是振蕩，則進入D點繼續(xù)運行。以上的分析都是基于線路阻抗角為90°狀態(tài)下。在南瑞技術書上提到如果線路阻抗角不為90。時，?角需要補償，這里解釋一下補償的原因。三相短路時，M點測得的電壓實際上是弧光電阻壓降，三相短路時，M點測得的電壓實際上是弧光電阻壓降，一次系統(tǒng)圖如圖3.25M-^2> 11 R 丄URg U2V圖3.25個呈感抗性質的線路壓降與一個純電阻性質的圖3.26可見，U1與U2相加就是母線電壓U,結合圖2.26，如果R不是純電感性質，則U1與U2之間的角度不再是90。而是線路的阻抗角5,因此Ucos?也不再是弧光電阻U2，作一個矢量U3，讓U3丄U2，則9=—° 5，Ucos（?+e）=U3,U3<U2,U3是振蕩中心的電壓，U2是弧光電壓，當然用U3來代替U2把Ucos?的范圍縮小了，判據仍然有效，不會造成振蕩時保護誤動。9就是補償角。在運行中，U和?是保護采集量，5是整定值，所以U3的大小能夠計算出來，說明這個判據也是實用的。另外從圖3.26可以分析出，當線路阻抗角為90。時，A、B、C三點合一，即5=90°，則9=0°，不需要補償，這和前面講的公式是一致的。四、非全相時的振蕩判據分相操作電網系統(tǒng)中，還要考慮非全相運行的情況。由于是非全相運行，選相元件會一直選中斷開相，此時系統(tǒng)振蕩不會誤動，若此時健全相再故障，選相元件就會選中故障相,因此可以用選相元件在不在斷開相來開放閉鎖元件。另外，也可以采用測量健全相電流的工頻變化量來判斷是否開放非全相的振蕩閉鎖。第六節(jié)高頻零序方向元件（0++）零序方向元件由零序功率P0決定，P0=3U0*3：0*ZD。ZD是一個幅值為1,相角為78°的補償阻抗。在正方向A相金屬性接地故障時的電氣量如圖3.27，三相合成的零序電壓和零序電流如圖3.28,?角為線路阻抗角，一般為78°,10在補償了78。之后P0的矢量圖如圖3.29。Uc；圖3.283Uo180° 3Io*Zd圖3.29Uc；圖3.283Uo180° 3Io*Zd圖3.29圖3.27圖3.29正好反映了在正方向故障時零序電流由線路流向母線，計算公式：P0=3U0*3I0*ZD=9|U0*I0Icos180°=—9IU0*I0|<0那么在保護的反方向故障時，3U0、3I0和補償后的3I0矢量圖如圖3.30。P0==9IU0*I0Icos0°=9IU0*I0丨>0由次可得，當P0>0時，反方向元件F0—動作，當P0<0時，正方向元件F0+動作，為了增加正方向元件動作的可靠性，將這個結論稍微改成當P0<—1時，正方向元件F0+動作。圖3.30線路阻抗角一般為78°，所以設計補償角也為78°,目的是讓P0取得最大值，擁有更高的可靠性。如果沒有這個阻抗，線路出口經過渡電容或者過渡電感接地時，零序電壓和零序電流之間的夾角就有可能接近90。或270°，此時P0=0，處于動作的臨界點，保護就有可能誤動或拒動。在RCS系列保護中，零序保護正方向元件由零序比較過流元件和F0+與門輸出，反方向元件由零序啟動元件和F0—與門輸出，零序比較過流元件定值比零序啟動元件大，所以反方向元件更加靈敏，這樣提高了裝置的可靠性。第七節(jié)主變保護的比率差動南瑞系列變壓器保護的比率差動保護動作方程如下Id>IcdqdId<K*Ir同時滿足上式兩個條件保護動作，Id：差動電流，Icdqd：差動啟動電流，Ir：制動電流,K比率系數。設計比率差動主要有兩方面原因1、 正常運行時，主變各側CT的參數特性不一致，CT的勵磁電流不同，保護平衡系數整定的誤差，使得差動回路中有不平衡電流通過，不平衡電流有可能超過差動電流的啟動電流。2、 在差動保護外部短路時（圖3.31），CT一次側短路電流含有大量隨指數衰減的非周L

LI3圖3.31期分量，它衰減速度遠小于周期分量，所以很難轉變到CT二次側，而主要作為CT的勵磁電流，使I3圖3.31期分量，它衰減速度遠小于周期分量，所以很難轉變到CT二次側，而主要作為CT的勵磁電流，使CT鐵芯更加飽和，二次電流誤差更大，這種電流又稱暫態(tài)穿越性電流。以上兩種情況都能使不平衡電流增大，尤其是后者，在大電流故障時極有可能使差動保護誤動。因此引入了制動電流來克服這些缺點。制動電流的采用對象各個保護是不一樣的，有選擇各側電流矢量差的，有選用各側電流最大值的，南瑞變壓器系列保護用后者，Id=丨I1+I2+I3I，Ir=max{|ll|、丨12|、丨13丨},一般故障電流為最大，所以可以把Ir理解為故障電流,若是在區(qū)內故障，那么差動電流Id遠遠超過制動電流Ir,若是區(qū)外故障，Ir將遠大于不平衡電流，所以比率差動保護的安全可靠性很高。第八節(jié)主變的電流保護本節(jié)講述以220KV主變后備保護LFP973E為例，考慮到220KV和110KV都是接地系統(tǒng)。主變的后備電流保護有復壓過流保護和零序電流保護。復壓過流的方向由控制字FL控制。當FL=O時，復壓過流方向指向系統(tǒng)，靈敏角為228°，當FL=1時，復壓過流方向指向變壓器，靈敏角為48°。方向的解釋如圖3.32當K點發(fā)生故障，若在變壓器其他側系統(tǒng)內有電源（如中壓側EN），中壓側會向高壓側反送潮流Ik，對于高壓側母線H的電壓來將，Ik方向是指向系統(tǒng)，有228°，當P點發(fā)生故障，高壓側母線H送出電流Ip,Ip方向是指向變壓器，有48°。所以設定了這兩種方向控制字，根據網絡具體情況整定。零序過流是用變壓器中性點的CT采集，CT極性端安裝在變壓器側，零序方向元件也是采用控制字FL0整定，當FLO=1時，零序方向指向變壓器，靈敏角258°，當FLO=O時，零序方向指向系統(tǒng)，靈敏角78°。作出變壓器零序電抗的等值電路圖3.33來解釋。

如果在高