110kv數字式線路保護裝置畢業(yè)設計

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　繼電保護裝置是一種反應電力系統故障和不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘和發(fā)出信號的設備。而且，電力系統的規(guī)模在不斷擴大，用戶對電能質量的要求也在不斷提高。因此，對繼電保護裝置本身的要求也越來越高。</p><p>　　本文的主題是110kV線路保護裝置的研究。首先簡要介紹了電力系統微機繼電保護的發(fā)展歷史、

2、現狀、技術特點及其發(fā)展方向。在本裝置設計中，距離繼電器由正序電壓極化，使其有很好的方向性；設計了低壓距離繼電器可以保證母線三相故障時繼電器不可能失去方向性。還對裝置中采用的保護、采樣算法進行了論述。</p><p>　　本文從軟硬件兩個方面著手，對110kV線路微機保護裝置進行了設計。它的硬件結構核心由80C296和ADSP2181組成，CPU 完成裝置的總啟動元件和人機界面及后臺通信功能，DSP完成所有的保護算

3、法和邏輯功能， CPU內設總啟動元件，啟動后開放出口繼電器正電源，使得裝置具有很高的固有可靠性及安全性。本文還對裝置進行了軟件結構設計，對各個模塊的功能作了具體介紹。</p><p>　　關鍵詞：微機保護；110Kv輸電線路；數字信號處理（DSP）；微機保護算法 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Pro

4、tective relay is the one of devices to response the fault and abnormal of electric power system to send out signals to trip CB. With the expansion of the power system and the consumer higher requirement for quality of po

5、wer energy, the protection relay's criteria must be improved greatly and developed to satisfy the higher requirement.</p><p>　　This thesis is the research of 110kV-line computer basesd protection relay.

6、This paper recalled the history, the current development and future blueprint of computer relay protection. In this paper, it proposed the distance relay with positive sequence polarized voltage which will have better fa

7、ult-direction recognization.Direction recognization also can be effective when three phase fault takes plase because of low-voltage relay introduction. It is also discussed protection algorithm in the the</p><

8、p>　　This paper developed a 110kv transmission line computer based protection with its hardware and software designs. The hardware is developed by main chip 80C296 and ADSP2181. The CPU fullfels relay start-up, MMI and

9、 communication and the DSP processes relay algorithm and logic functions. The start-up function in the realy is to energize trip relay positive pole of DC power supply. The protection has very high inherent reliability

10、and security. This paper developed the software of the equipment. T</p><p>　　The prevention the intervention of electric-magnetic is introduced in the relay. Testing proved its accuracy and reliability in pr

11、inciple, algorithm, hardware and software.</p><p>　　Key words: Computer relay protection；110KV transmission line；Digital Signal Processing (DSP)</p><p><b>　　目錄</b></p><p&g

12、t;<b>　　第一章 緒論5</b></p><p>　　1.1電力系統微機保護的概述5</p><p>　　1.2微機保護的特點5</p><p>　　1.3微機保護的國內外研究概況與發(fā)展趨勢6</p><p>　　1.4本課題研究背景和意義7</p><p>　　1.4.1本課題研

13、究的背景7</p><p>　　1.4.2本課題研究的意義7</p><p>　　1.5本論文各章節(jié)的主要內容8</p><p>　　第二章 線路保護裝置配置與原理分析9</p><p><b>　　2.1引言9</b></p><p>　　2.2 110kV線路保護配置9</p

14、><p>　　2.2.1距離保護10</p><p>　　2.2.2零序方向電流保護10</p><p>　　2.2.3重合閘11</p><p>　　2.3微機距離保護的原理與特點11</p><p>　　2.3.1短路時母線殘壓計算的一般公式12</p><p>　　2.3.2低壓距離

15、繼電器13</p><p>　　2.3.3接地距離繼電器16</p><p>　　2.3.4相間距離繼電器17</p><p>　　2.4零序方向過流保護的原理與特點19</p><p>　　2.5振蕩閉鎖19</p><p>　　2.5.1起動開放元件19</p><p>　　2.

16、5.2 160ms后發(fā)生區(qū)內不對稱故障開放元件20</p><p>　　2.5.3對稱故障開放元件20</p><p>　　2.6雙回線相繼速動保護22</p><p>　　2.7不對稱相繼速動保護22</p><p><b>　　2.8重合閘22</b></p><p>　　2.9本章

17、小結23</p><p>　　第三章 線路微機保護的算法24</p><p><b>　　3.1引言24</b></p><p>　　3.2采樣算法選擇24</p><p>　　3.2.1假定輸入為正弦的算法—半周積分算法24</p><p>　　3.2.2周期函數算法—傅氏算法27&

18、lt;/p><p>　　3.2.3快速傅立葉算法28</p><p>　　3.3保護算法分析30</p><p>　　3.3.1方向阻抗繼電器算法30</p><p>　　3.3.2零序方向繼電器算法30</p><p>　　3.4本章小結31</p><p>　　第四章 裝置硬件設計3

19、2</p><p><b>　　4.1引言32</b></p><p>　　4.2硬件系統基本結構設計32</p><p>　　4.3電源插件（DC）33</p><p>　　4.4交流輸入變換插件（AC）33</p><p>　　4.5低通濾波插件（LPF）34</p>

20、<p>　　4.6 CPU插件（CPU）34</p><p>　　4.6.1 80C296SA性能特點35</p><p>　　4.6.2 ADSP2181性能特點35</p><p>　　4.6.3 CPLD可編程邏輯設計37</p><p>　　4.6.4 CPU擴展電路設計38</p><p>

21、;　　4.7系統復位電路40</p><p>　　4.8通信插件（COM）40</p><p>　　4.9 24V光耦隔離插件（OPT）41</p><p>　　4.10繼電器出口插件（OUT）41</p><p>　　4.11顯示面板（LCD）42</p><p>　　4.12操作回路插件（SWI）42&

22、lt;/p><p>　　4.13本章小結44</p><p>　　第五章 裝置軟件設計45</p><p><b>　　5.1引言45</b></p><p>　　5.2保護程序結構45</p><p>　　5.3主程序設計46</p><p>　　5.4采樣程序設計

23、48</p><p>　　5.5裝置起動程序設計49</p><p>　　5.5.1裝置總起動元件50</p><p>　　5.5.2保護起動元件50</p><p>　　5.6正常運行程序設計50</p><p>　　5.7故障運行程序設計51</p><p>　　5.8本章小結

24、53</p><p>　　第六章 總結和展望54</p><p><b>　　致謝55</b></p><p><b>　　參考文獻56</b></p><p>　　附錄A：裝置保護功能實現邏輯57</p><p>　　A.1距離保護方框圖57</p>

25、<p>　　A.2 過流保護方框圖58</p><p>　　A.3 跳閘邏輯方框圖59</p><p>　　A.4重合閘邏輯方框圖60</p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1電力系統微機保護的概述</p><p>　　電力系統的不斷發(fā)展和安全

26、穩(wěn)定運行給國民經濟和社會發(fā)展帶來了巨大的動力和效益，繼電保護是組成電力系統必不可少的子系統，它承擔著斷開故障和支持電力系統安全運行的任務,在保證系統安全、穩(wěn)定和經濟運行等方面起著非常重要的作用。</p><p>　　繼電保護裝置除了在故障的很短時間內動作外，長期是不動作的。因而被喻為電力系統的無聲警衛(wèi)。因此裝置的某些缺陷可能不被覺察，從而成為故障，是不正確動作的隱患。微機保護的自我監(jiān)測和監(jiān)視功能可以消除這一隱患。

27、</p><p>　　眾所周知，對電網繼電保護的基本性能要求，包括了可靠性、選擇性、快速性和靈敏性。所謂可靠性，是要求所配置的繼電保護裝置只能在事先規(guī)定需要它動作的情況下動作，在其他一切不需要它動作的情況下不動作。在術語上，前者稱之為可信賴性，后者稱之為安全性或穩(wěn)定性；繼電保護的選擇性要求，是期望能在電力元件發(fā)生故障時，又在靠近故障元件的繼電保護裝置斷開故障；動作的快速性，對電網繼電保護系統來說，重要在于快速跳閘

28、對提高電網暫態(tài)穩(wěn)定的作用；動作靈敏性要求，是出于保護裝置可靠動作的需要。</p><p>　　這些要求之間，有的相輔相成，有的相互制約，需要針對不同的使用條件，分別地進行協調。繼電保護的困難在于不僅要滿足測量的精度，更重要的是在各種復雜的情況下都要能滿足相互矛盾的四項要求，即“要正確動作，該動則動，不該動則不動。”繼電保護的正確動作取決于一系列的因素：保護原理、裝置的軟硬件設計、產品質量、整定和調試、二次回路以及

29、運行管理等。</p><p>　　1.2微機保護的特點</p><p>　　（l）維修調試方便：相比較于過去大量使用的整流型繼電保護裝置，微機保護裝置幾乎可以不用調試，微機保護對硬件和軟件都有自檢功能，裝置上電時，有故障就會立即報警，可以大大地減輕運行維護的工作量。</p><p>　　(2）可靠性高：在各種保護方法中，考慮到了電力系統中的各種情況，具有很強的綜合分

30、析和判斷能力。微機系統運行時，可以不斷進行自檢，因此，可以立即檢查出微機保護內部的大多數隨機故障，而采取適當的糾正措施。 </p><p>　　(3）易于獲得各種附加功能：由于計算機的通用性，因而在繼電保護硬件的基礎上，可以很方便地通過增加軟件的方法獲得保護之外的功能。例如，保護的動作順序記錄，故障諧波分析，故障測距，低頻減載等。</p><p>　　(4）保護性能易于改善：對于相同的硬件

31、，可以通過算法的不同，實現不同的保護。這樣，也就可以通過改善算法來不斷完善保護性能，而不需要改動硬件。通過軟件算法的改善，可以較好地解決原有模擬繼電保護裝置無法解決的一些問題。</p><p>　　(5）便于遠方監(jiān)控：目前的微機保護裝置均設有通信接口，這樣可以方便地將各地保護裝置納入變電站綜合自動化系統，可以實現遠方修改定值與投切保護裝置。 </p><p>　?。?）靈活性大：目前

32、，國內中低壓變電站內不同一次設備的保護裝置在硬件設計時，盡可能采用同樣的設計方案。而超高壓電力系統保護裝置若采用多CPU實現多種保護功能時，每塊CPU模塊的硬件設計也傾向于盡量相同。由于保護的原理主要由軟件決定，因此，只要改變軟件就可以改變保護的特性和功能，從而可靈活地適應電力系統發(fā)展對保護要求的變化，也減少了現場的維護工作量。</p><p>　?。?）經濟性好：微處理器和集成電路芯片的性能不斷提高而價格一直在

33、下降，而電磁型繼電器的價格在同一時期內卻不斷上升。而且，微機保護裝置是一個可編程序的裝置，它可基于通用硬件實現多種保護功能，使硬件種類大大減少。這樣，在經濟性方面也優(yōu)于傳統保護。</p><p>　　1.3微機保護的國內外研究概況與發(fā)展趨勢</p><p>　　近四十年來，計算機技術發(fā)展日新月異，它的廣泛應用給各行各業(yè)帶來了翻天覆地的變化。計算機技術也同樣影響了繼電保護技術的發(fā)展。七十年代

34、中、后期國外已有少數樣機在電力系統中試運行，到八十年代初，各國都在這些方面繼續(xù)做了很多努力，使計算機保護逐漸趨于實用。</p><p>　　我國對計算機保護的研究始于70年代后半期，開始是幾個高等院校和水電部南京自動化研究所的一些繼電保護工作者對國外計算機保護的發(fā)展作了廣泛的介紹和綜述分析。70年代末至80年代初廣泛地開展了各種算法以及樣機的研制。</p><p>　　1984年，華北電力

35、學院研制的第一套6809（CPU）為基礎的距離保護樣機投入試運行。該年底在華中工學院召開了我國第一次計算機保護學術會議，標志著我國計算機保護的開發(fā)開始進入了重要的發(fā)展階段。90年代，南京電力自動化研究院將工頻變化量方向繼電器（1982年提出）在CKF、CKJ系列集成電路保護中的成功經驗運用于計算機保護。此后，各個廠家以80C196微控制器為控制核心相繼研制了各自的線路保護，并在國內電力系統110kV～500kV線路中廣泛運用，有代表的制

36、造廠家有：南瑞繼保、南京電力自動化總廠、四方公司、許昌繼電器廠等。</p><p>　　繼電保護所應用元器件的發(fā)展，在一定程度上將推動繼電保護技術的發(fā)展。晶體管的出現推動了比相原理的發(fā)展，集成電路已具備了一定的計算功能，目前已廣泛使用的微機保護，使繼電保護步入了數字化的領域。</p><p>　　微機技術引入繼電保護領域，擴展了繼電保護裝置的應用功能，基于微處理器的繼電保護裝置，具有一系列

37、的特點：可以集主保護、后備保護的完整功能于一身，大大簡化了繼電保護二次接線；遠方通信功能，管理人員可以隨時監(jiān)測保護裝置的運行狀態(tài)、調用數據、改變定值，為現代化管理提供了必要的物質基礎；自檢功能，自動故障定位，及時發(fā)出警報，用備用插件置換故障部件，可以在實驗室集中進行專業(yè)檢修。這一切都為提高保護裝置的安全運行水平，顯著地延長運行檢測周期和減少運行檢測項目提供了前提，同時也必將直接影響到專業(yè)人員的配置，從而大幅度的提高繼電保護的管理水平和專

38、業(yè)人員的勞動生產率。</p><p>　　目前，我國電力系統已大量采用的微機保護，大多采用80年代末期90年代初期推出的數字芯片，如Intel公司的80C196等。新一代數字芯片的出現，特別是高速數字信號處理器DSP（Digital Signal Processor）以其高速、實時、低功耗和高集成度而得到大量的推廣及應用，這必將引起繼電保護新一輪的革命。將高性能的微處理器應用于整個裝置中，可以大大提高其運算速度，

39、減少運算時間，這對電力系統繼電保護來說也一個非常關鍵的問題。</p><p>　　1.4本課題研究背景和意義</p><p>　　1.4.1本課題研究的背景</p><p>　　在現代電網中，隨著超高壓、大容量、遠距離輸電線路的不斷增多，對電力系統的安全穩(wěn)定運行提出了更高、更嚴格的要求。零序電流保護、距離保護作為線路保護的基本組成部分，其工作性能對電力系統的安全穩(wěn)定

40、運行有著直接和重要的影響。保護性能改善的一個重要方面是在確保其動作的可靠性和選擇性的條件下，加快保護的動作速度。目前，提高保護速度面臨的主要問題是距離保護采用故障后的穩(wěn)態(tài)基頻分量，在實際故障信號中包含有大量非基頻噪聲信號的情況下，保護動作速度越快，基頻分量的濾波精度越差。為了適應現代高壓電網穩(wěn)定運行的要求，設計者們除了在軟件上盡力簡化算法和提高算法的效率，對硬件的要求也越來越高。</p><p>　　目前電力系統

41、繼電保護設備中最常用的微處理器包括51系列和96系列等控制型器件。但隨著電力系統對實時性、數據量和計算要求的不斷提高以及新的保護算法的不斷出現，這些器件在許多方面，特別是在計算能力、存儲容量方面，已不能很好地適應電力系統的要求。本課題將對上述問題進行探討，從硬件和軟件兩方面對電力系統微機保護設備進行深入分析，并設計一套完整的微機保護裝置。</p><p>　　1.4.2本課題研究的意義</p>&l

42、t;p>　　隨著電力工業(yè)的發(fā)展，高壓輸電網絡的結構、用電負荷性質和用戶對供電的要求都發(fā)生了很大的變化，這也對繼電保護工作提出了越來越高的要求。對系統保護性能和功能需求的不斷提高，也是促使擔任微機保護裝置的處理器位數不斷提升的主要原因之一。采用高性能高位數的DSP+CPU處理器芯片構成微機保護裝置，已經成為電力系統保護產品的發(fā)展趨勢。本設計正是順應這一趨勢，針對保護的要求以及處理器芯片的性能特點，選取了AD公司定點DSP芯片ADSP

43、2181和INTEL公司的80C296作為本設計的核心處理器。</p><p>　　1.5本論文各章節(jié)的主要內容</p><p>　　本文深入研究了以正序電壓為極化量的距離繼電器，使其有了很大測量故障過渡電阻的能力。針對出口三相短路難以區(qū)分故障正反向的問題提出的低壓距離繼電器可以有效地保證母線三相故障時繼電器不失去方向性。</p><p>　　本裝置選擇半波積分算法

44、和快速傅立葉算法兩種不同算法作為故障信號分析和保護總啟動用的算法。從算法上保證了裝置的可靠性。</p><p>　　本課題設計了一套結構簡單、功能齊全、工作可靠的微機保護硬件系統。硬件采用雙CPU結構，微處理器的CPU采用80C296，信號處理的CPU采用ADSP2181。把故障信號分析和裝置總啟動的器件分開，從硬件上保證了裝置的可靠性。針對保護功能，進行了程序設計。</p><p>　　

45、以下本論文各章節(jié)的主要內容：</p><p>　　1．第一章 緒論：概述了電力系統繼電保護，簡要介紹了微機保護的國內外研究概況與發(fā)展趨勢。指出繼電保護所應用元器件的發(fā)展，在一定程度上將推動繼電保護技術的發(fā)展。本文將利用新一代的數字芯片對110Kv線路保護進行設計。</p><p>　　2．第二章 線路保護裝置配置與原理分析：介紹了110Kv線路保護裝置的配置，詳細闡述本文設計裝置時所應用到

46、的保護原理。以正序為極化量的距離保護應用于線路保護具有很好的動作性能。</p><p>　　3．第三章 線路微機保護的算法：闡述了本裝置用到的正弦函數模型算法、傅氏算法和快速傅立葉等采樣算法。介紹了方向阻抗繼電器和零序方向繼電器兩種保護算法。</p><p>　　4．第四章 裝置硬件設計：設計了一套結構簡單、功能齊全、工作可靠的微機保護硬件系統。采用80C296+DSP的結構，將主、后備保

47、護集成在一塊CPU板上，DSP和單片機獨立采樣，由DSP完成所有的數字濾波、保護算法和出口邏輯，由CPU完成裝置的總啟動元件和人機界面、后臺通信及打印功能。</p><p>　　5．第五章 裝置軟件設計：對裝置程序整體設計進行分析，針對保護功能，進行了程序設計，并詳細分析了其基本實現過程。</p><p>　　6．第六章 結論及展望：對論文展開的工作進行總結，并對本裝置有待改進的地方予以展

48、望</p><p>　　第二章 線路保護裝置配置與原理分析</p><p><b>　　2.1引言</b></p><p>　　電力系統中的輸電線路，應裝設短路故障和異常運行保護裝置。線路短路故障的保護應有主保護和后備保護，必要時可增設輔助保護。主保護是滿足系統穩(wěn)定和設備安全要求，能以最快速度有選擇地切除被保護線路故障的保護。后備保護是主保護或

49、斷路器拒動時，用以切除故障的保護，后備保護可分為近后備和遠后備兩種方式：遠后備是當主保護或斷路器拒動時，由相鄰電力設備或線路的保護來實現的后備；近后備是當主保護拒動時，由本電力設備或線路的另一套保護來實現的后備保護，或當斷路器拒動時，由斷路器失靈保護來實現的后備保護。</p><p>　　2.2 110kV線路保護配置</p><p>　　繼電保護的配置，從原則上來說，繼電保護的配置應當滿

50、足兩點最基本的要求：</p><p>　　任何電力設備和線路，不得在任何時候處于無繼電保護的狀態(tài)下運行。</p><p>　　任何電力設備和線路在運行中，必須在任何時候有兩套完全獨立的繼電保護裝置分別控制兩臺完全獨立的斷路器實現保護。</p><p>　　前一點要求極為簡單明了，后一點則是前一點的具體體現。特別需要強調的是“完全獨立”的含義。需要有兩套保護裝置分別控

51、制兩臺斷路器是為了可靠的實現備用。目的是為了當任意一套保護裝置或任意一臺斷路器拒絕動作時，能夠有另一套保護裝置或另一臺斷路器動作完全可靠的斷開故障。</p><p>　　對于110kV及以下電壓的電力網，基本上實現的是“遠后備”，即當最鄰近故障元件的斷路器上配置的繼電保護拒絕動作或斷路器本身拒絕動作時，可以由電源側上一級斷路器處的繼電保護裝置動作斷開故障。這樣就充分實現了“完全獨立”，從而獲得了完整意義上的后備保

52、護。</p><p>　　對于110kV及以下電網，應當盡可能以輻射狀網絡方式運行，地區(qū)電源也應當以輻射線路接入聯絡變電所。實行環(huán)狀或雙回線布置，但以開環(huán)或線路變壓器組方式運行，這是應當遵循的原則。</p><p>　　根據規(guī)程要求，110kV線路保護包括完整的三段相間和接地距離保護、三段零序方向過流保護,用以切除相間短路、單相接地故障和滿足系統穩(wěn)定要求；裝置包含了具有速動特性的單端保護（

53、雙回線相繼速動和不對稱相繼速動）。裝置配有三相一次重合閘功能、過負荷告警功能；裝置還帶有跳合閘操作回路以及交流電壓切換回路。</p><p>　　眾所周知，輸電線的故障有單相短路接地故障、兩相短路接地和不接地故障及三相短路故障等10種。單相短路故障的幾率最多，其次是兩相接地短路。兩者合計約占輸電線路故障總數的90%。接地故障用零序電流保護、接地距離保護可以滿足要求。兩相短路不接地故障的幾率很小，約占2%～3%，其

54、原因多半是由于兩導線受風吹而擺動的頻率不等造成的，三相短路基本都是不接地的，相間距離保護可以有效切除故障。</p><p>　　輸電線路故障不外是絕緣下降和雷電造成的。在我國110kV線路上通常有避雷線，所以故障時接地電阻一般小于5歐姆、單相經高電阻接地發(fā)生在樹枝生長導致導線經樹枝對地放電時，接地電阻往往很大，這時由后備保護切除故障。遠后備保護的關鍵在于避開負荷狀態(tài)。對于接地故障用零序電流保護可以取得滿意的結果；

55、對于相間故障都用阻抗繼電器實現。</p><p><b>　　2.2.1距離保護</b></p><p>　　距離保護根據測量阻抗的大小，反應故障點的遠近，故稱距離保護。同時，由于它是反應阻抗參數而工作的，又稱為阻抗保護。</p><p>　　距離保護在任何復雜形式的電網中都可有選擇性的切除故障，而且具有足夠的靈敏性和快速性，因此在高壓及超高壓

56、線路中獲得了最廣泛的應用。該裝置設置了完整的三段相間和接地距離保護。距離繼電器是距離保護的主要測量元件，應滿足以下要求：</p><p>　　在被保護線路上發(fā)生直接短路時繼電器的測量阻抗應正比于母線與短路點間的距離。</p><p>　　在正方向區(qū)外故障時不應超越動作。超越有暫態(tài)超越和穩(wěn)態(tài)超越兩種。暫態(tài)超越是由短路的暫態(tài)分量引起的，繼電器僅短時動作，一旦暫態(tài)分量衰減繼電器就返回。穩(wěn)態(tài)超越是

57、由短路處的過渡電阻引起的。</p><p>　　應有明確的方向性。正方向出口短路時無死區(qū)，反方向短路時不應誤動作。</p><p>　　在區(qū)內經達過渡電阻短路時應仍能靈敏的動作（又稱動作特性能覆蓋大過渡電阻），但這主要是接地距離繼電器要考慮的問題。</p><p>　　在最小負荷阻抗下不動作。</p><p>　　不受系統振蕩的影響 。<

58、;/p><p>　　第一條在2.3.1中將作詳細說明（殘壓計算）；第二、三、四條在分析各阻抗繼電器動作特性時將重點分析；第五條將由負荷限制電抗繼電器實現；第六條在討論振蕩閉鎖時得以體現。</p><p>　　2.2.2零序方向電流保護</p><p>　　110kV電網都采用中性點直接接地方式。在這類電網中發(fā)生接地短路（單相接地短路或兩相接地短路）時，往往有很大的短路電

59、流經過電網和接地故障處，階段式零序電流保護能準確、有效地切除故障幾率占到90%的接地故障，因此在110kV線路中零序方向電流保護得到廣泛應用。</p><p><b>　　2.2.3重合閘</b></p><p>　　在電力系統中，輸電線路是發(fā)生故障最多的設備，而且它發(fā)生的故障大都屬于暫時性的，因此，自動重合閘裝置在高壓輸電線路上得到極其廣泛的應用。在高壓輸電線路上裝

60、設自動重合閘，對于提高供電的可靠性意義非凡：在輸電線路發(fā)生瞬時性故障時，可迅速恢復供電，從而提高供電可靠性；對于雙側電源的高壓輸電線路，可以提高系統并列運行穩(wěn)定性，從而提高線路輸送容量；可以糾正由于斷路器或繼電保護誤動作引起的誤跳閘。</p><p>　　根據生產需要，同時考慮我國的運行經驗，對輸電線路的ZCH，提出如下要求。</p><p>　　動作迅速。在滿足故障點去游離所需要的時間和

61、斷路器消弧室與斷路器的傳動機構準備好再次動作所必需的時間條件下，ZCH的動作時間應盡可能短。</p><p>　　不容許任意多次重合。如果重合閘多次重合于永久性故障，將使系統多次遭受沖擊，同時還可能損壞斷路器，從而擴大事故。</p><p>　　動作后應能自動復歸。當ZCH成功動作一次后，應能自動復歸，準備好再次動作。對于受雷擊機會較多的線路，這是必須的。</p><p

62、>　　手動跳閘時不應重合。當運行人員手動操作或遙控操作是斷路器跳開時，ZCH不應重合。</p><p>　　手動合閘于故障線路時不重合。當手動合閘于故障線路時，繼電保護動作使斷路器跳閘后，裝置應不重合，因為手動合閘前，線路上還沒有電壓，如合閘后即已有故障，則故障多屬于永久性故障，重合定不成功。</p><p>　　2.3微機距離保護的原理與特點</p><p>

63、;　　繼電保護所應用的元器件的發(fā)展，在一定程度上將推動繼電保護技術的發(fā)展。晶體管在繼電保護中的應用，推動了比相原理的發(fā)展。兩個或多個電氣量的比相能構成特性較復雜的繼電器。集成電路已具備了一定的計算功能。目前廣泛使用的微機保護，使繼電保護步入了數字化的領域。它在反映故障的暫態(tài)分量方面有它獨特的優(yōu)勢，因而必將推動工頻變化量等保護原理的發(fā)展。</p><p>　　微機距離保護的實現方法有兩種。一種是在阻抗復數平面上設定

64、一種特性（如多邊形特性）。當電力系統發(fā)生故障后，計算測量阻抗（X、R）,以測量阻抗是否落在動作特性內決定繼電器是否動作。另一種是以繼電器是否滿足動作方程來決定繼電器是否動作。而動作方程在阻抗復數平面上對應一定的動作特性。不同的短路方向、不同的系統參數動作特性是不一樣的。后一種實現方法與傳統的繼電保護實現方法較相似，它的分析方法雖然復雜一些，但是它的性能卻有很多優(yōu)點，并隨著運行工況的變化有一定的自適應能力。</p><

65、p>　　本文分析了上述后一種方法實現的繼電器。主要分析以正序電壓為極化量阻抗繼電器的動作特性，并對其性能進行評述。</p><p>　　本裝置設有三階段式相間、接地距離繼電器和兩個作為遠后備的四邊形相間、接地距離繼電器。繼電器由正序電壓極化，因而有較大的測量故障過渡電阻的能力；當用于短線路時，為了進一步擴大測量過渡電阻的能力，還可將Ⅰ、Ⅱ段阻抗特性向第Ⅰ象限偏移；接地距離繼電器設有零序電抗特性，可防止接地故

66、障時繼電器超越。 </p><p>　　正序極化電壓較高時，由正序電壓極化的距離繼電器有很好的方向性；當正序電壓下降至10%Un以下時，進入低壓距離繼電器。</p><p>　　2.3.1短路時母線殘壓計算的一般公式</p><p>　　阻抗繼電器的主要作用是測量短路點到保護安裝處（一般為母線）的線路阻抗，并與整定阻抗進行比較以確定是否動作，Zj=Uj/Ij。<

67、;/p><p>　　圖2-1母線殘壓計算系統圖</p><p>　　如圖2-1所示，母線的故障相電壓應是短路點故障相電壓Ukφ與線路上的壓降之和。線路上的壓降是各序壓降之和?？紤]到輸電線路的正序和負序阻抗相等，因而母線故障相的相電壓表達式為：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　式（2-1）中

68、，K=(Z0-Z1)/3Z1為零序電流補償系數。從短路點到保護安裝處的輸電線路故障相上的電壓降為</p><p>　　對于相間故障，母線上的故障相間電壓為：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p>　　此時線路上的壓降為：，式（2.2）是按（2.1）分別求出兩個故障相的相電壓，在求出相間電壓。</p>&l

69、t;p>　　式（2.1）和（2.2）是母線殘壓計算的一般公式，它適用于任何故障類型中對任何一相或相間電壓的計算。也適用于非全相運行中運行相又發(fā)生故障時對母線電壓的計算。特別指出當發(fā)生短路時輸電線路上的相壓降不等于，只有發(fā)生不接地故障時它才是正確的，不要忽略了3KI0Z1這一項。</p><p>　　2.3.2低壓距離繼電器</p><p>　　當正序電壓小于10%Un時，進入低壓距離

70、程序，此時只可能有三相短路和系統振蕩兩種情況；系統振蕩由振蕩閉鎖回路區(qū)分，這里只需考慮三相短路。因為三相對稱，相間阻抗繼電器和接地阻抗繼電器的測量阻抗是一樣的，所以在低壓距離中，只測量相阻抗，而且工作電壓中沒有3I0項。</p><p>　　在三相低壓程序里，由正序電壓記憶量極化，Ⅰ、Ⅱ段距離繼電器在動作前設置正的門檻，保證母線三相故障時繼電器不可能失去方向性；繼電器動作后則改為反門檻，保證正方向三相故障繼電器動

71、作后一直保持到故障切除。Ⅲ段距離繼電器始終采用反門檻，因而三相短路Ⅲ段穩(wěn)態(tài)特性包含原點，不存在電壓死區(qū)。</p><p>　　一般情況下各相阻抗一樣，但為了保證母線故障轉換至線路構成三相故障時仍能快速切除故障，所以對三相阻抗均進行計算，任一相動作跳閘時選為三相故障。低壓距離繼電器比較工作電壓和極化電壓的相位： </p><p>　　工作電壓： (2.3

72、)</p><p>　　極化電壓： (2.4)</p><p>　　為工作電壓 為極化電壓 為整定阻抗 分別為A、B、C</p><p>　　為記憶正序電壓，取計算時刻前兩個周波電壓。 </p><p>　　根據極化電壓的所取不同，把阻抗繼電器分為穩(wěn)態(tài)、暫態(tài)特性。在短路的前兩個周波

73、里，微機將短路前故障的正序電壓即負荷電壓保存起來（記憶）作為極化電壓，與故障后計算得到的工作電壓作比較，這時，繼電器對應為暫態(tài)特性；40ms以后，極化電壓成為故障后電壓，此時對應特性為穩(wěn)態(tài)特性。</p><p>　　正方向故障時，故障系統圖如2-2</p><p>　　圖2-2 正方向故障系統圖</p><p><b>　　(2.5)</b>

74、</p><p>　　在記憶作用消失前： (2.6)</p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　因此， </b></p><p><b>　?。?.8）</b></p>

75、<p><b>　?。?.9）</b></p><p>　　繼電器的比相方程為：</p><p><b>　　(2.10)</b></p><p>　　(2.11) </p><p>　　設故障線母線電壓與系統電勢同相位δ=0，其暫態(tài)動作特性如圖2-3</p>&

76、lt;p>　　圖2-3正方向故障時動作特性</p><p>　　測量阻抗在阻抗復數平面上的動作特性是以至連線為直徑的圓，動作特性包含原點表明正向出口經或不經過渡電阻故障時都能正確動作，并不表示反方向故障時會誤動作；反方向故障時的動作特性必須以反方向故障為前提導出。當δ不為零時，將是以到連線為弦的圓，動作特性向第Ⅰ或第Ⅱ象限偏移。</p><p>　　反方向故障時，故障系統圖如2-4&

77、lt;/p><p>　　圖2-4 反方向故障的計算用圖</p><p><b>　　(2.12)</b></p><p>　　在記憶作用消失前： （2.13）</p><p><b>　?。?.14）</b></p><p>　

78、　因此， </p><p><b>　?。?.15）</b></p><p><b>　　（2.16）</b></p><p>　　繼電器的比

79、相方程為： </p><p><b>　　(2.17) </b></p><p>　　則 (2.18) </p><p>　　測量阻抗在阻抗復數平面上的動作特性是以與連線為直徑的圓，如圖2-5，當在圓內時動作，可見，繼電器有明確的方向性，不可能誤判方向。</p><p

80、>　　圖2-5反方向故障時的動作特性 圖2-6三相短路穩(wěn)態(tài)特性</p><p>　　以上的結論是在記憶電壓消失以前，即繼電器的暫態(tài)特性。</p><p>　　當記憶電壓消失后，正方向故障時： </p><p><b>　　(2.19)</b></p><p><b>　　(2.20)<

81、;/b></p><p><b>　　(2.21)</b></p><p><b>　　(2.22)</b></p><p>　　反方向故障時： </p><p><b>　　(2.23)</b></p><p><b>　　(

82、2.24)</b></p><p><b>　　(2.25)</b></p><p><b>　　(2.26)</b></p><p>　　正方向故障時，測量阻抗在阻抗復數平面上的動作特性如圖2-6，反方向故障時，動作特性也如圖2-6。由于動作特性經過原點，因此母線和出口故障時，繼電器處于動作邊界。為了保證母線

83、故障，特別是經弧光電阻三相故障時不會誤動作，因此，對Ⅰ、Ⅱ段距離繼電器設置了門檻電壓，其幅值取最大弧光壓降。當正向三相出口短路時，當Ⅰ、Ⅱ距離繼電器暫態(tài)動作后，將繼電器的門檻倒置，相當于將特性圓包含原點，以保證繼電器動作后能保持到故障切除，如果I、II段距離繼電器不動作，該門檻電壓無需倒置；當反向出口三相短路時，繼電器不動作，門檻電壓也無需倒置，該電壓的存在，可以使穩(wěn)態(tài)特性圓的下端上移，從而保證其穩(wěn)態(tài)時不誤動。為了保證Ⅲ段距離繼電器的后

84、備性能，Ⅲ段距離元件的門檻電壓總是倒置的，其特性包含原點，靠III段延時來保證其選擇性。</p><p>　　2.3.3接地距離繼電器</p><p>　　2.3.3.1 Ⅰ、Ⅱ段接地距離繼電器</p><p>　　1、由正序電壓極化的方向阻抗繼電器： </p><p>　　工作電壓： (2.27)</p>

85、<p>　　極化電壓： (2.28)</p><p>　?、瘛ⅱ蚨螛O化電壓引入移相角θ1，其作用是在短線路應用時，將方向阻抗特性向第Ⅰ象限偏移，以擴大允許故障過渡電阻的能力。其正方向故障時的特性如圖2-7所示。θ1取值范圍為0°、15°、30°。</p><p>　　由圖2-7可見，該繼電器可測量很大

86、的故障過渡電阻，但在對側電源助增下可能超越，因而引入了第二部分零序電抗繼電器以防止超越。</p><p>　　圖2-7正方向故障時繼電器特性</p><p>　　2、零序電抗繼電器： </p><p>　　工作電壓： (2.29)</p><p>　　極化電壓： (2.

87、30)</p><p><b>　　為模擬阻抗 </b></p><p>　　比相方程為： (2.31)</p><p>　　正方向故障時： (2.32)</p><p><b>　　(2.33) </b></p><p>　　上式為典型的零序電

88、抗特性。如圖2-7中直線Ａ。 </p><p>　　當與同相位時，直線A平行于R軸，不同相時，直線的傾角恰好等于相對于的相角差。假定與過渡電阻上壓降同相位，則直線Ａ與過渡電阻上壓降所呈現的阻抗相平行，因此，零序電抗特性對過渡電阻有自適應的特征。實際的零序電抗特性由于為78°而要下傾12°，所以當實際系統中由于二側零序阻抗角不一致而使與過渡電阻上壓降有相位差時，繼電器仍不會超越。由帶偏移角θ1的

89、方向阻抗繼電器和零序電抗繼電器二部分結合，同時動作時，Ⅰ、Ⅱ段距離繼電器動作，該距離繼電器有很好的方向性，能測量很大的故障過渡電阻且不會超越。</p><p>　　2.3.3.2 Ⅲ段接地距離繼電器</p><p>　?、蠖谓拥鼐嚯x繼電器由阻抗圓接地距離繼電器和四邊形接地距離繼電器相或構成，四邊形接地距離繼電器可作為長線末端變壓器后故障的遠后備。</p><p>　

90、　1、阻抗圓接地距離繼電器：</p><p>　　工作電壓： (2.34)</p><p>　　極化電壓： (2.35)</p><p>　　采用當前正序電壓，非記憶量，這是因為接地故障時，正序電壓主要由非故障相形成，基本保留了故障前的正序電壓相位，因此，Ⅲ段接地距離繼電器的特性與低壓時的

91、暫態(tài)特性完全一致，見圖2-3、圖2-5，繼電器有很好的方向性。 </p><p>　　2、四邊形接地距離繼電器：</p><p>　　四邊形距離繼電器的動作特性如圖2-8，為接地Ⅲ段圓阻抗定值,為接地Ⅲ段四邊形定值，四邊形為矩形，與平行邊長為-/2，與垂直邊長為。</p><p>　　圖2-8四邊形距離繼電器的動作特性</p><p>　　

92、2.3.4相間距離繼電器</p><p>　　2.3.4.2Ⅰ、Ⅱ段距離繼電器 </p><p>　　1、由正序電壓極化的方向阻抗繼電器：</p><p>　　工作電壓： (2.36)</p><p>　　極化電壓： (2.37)</p><p&g

93、t;　　這里，極化電壓與接地距離Ⅰ、Ⅱ段一樣，較Ⅲ段增加了一個偏移角θ2，其作用也同樣是為了在短線路使用時增加允許過渡電阻的能力。θ2的整定可按0°，15°，30°三檔選擇。 </p><p><b>　　2、電抗繼電器：</b></p><p>　　工作電壓： (2.38)</p>&l

94、t;p>　　極化電壓： (2.39)</p><p><b>　　為模擬阻抗</b></p><p>　　正方向故障時： (2.40)</p><p>　　比相方程為： (2.41)</p><p>

95、<b>　　(2.42)</b></p><p>　　當阻抗角為90°時，該繼電器為與Ｒ軸平行的電抗繼電器特性，實際的阻抗角為78°，因此，該電抗特性下傾12°，使送電端的保護受對側助增而過渡電阻呈容性時不致超越。</p><p>　　以上方向阻抗與電抗繼電器二部分結合，增強了在短線上使用時允許過渡電阻的能力。</p>&l

96、t;p>　　2.3.4.2 Ⅲ段相間距離繼電器 </p><p>　?、蠖蜗嚅g距離繼電器由阻抗圓相間距離繼電器和四邊形相間距離繼電器相互構成，四邊形相間距離繼電器可作為長線末端變壓器后故障的遠后備。</p><p>　　1、阻抗圓相間距離繼電器：</p><p>　　工作電壓： (2.43)</p><p

97、>　　極化電壓： (2.44)</p><p>　　繼電器的極化電壓采用正序電壓。因相間故障其正序電壓基本保留了故障前電壓的相位；故障相的動作特性見圖2-3、圖2-5，繼電器有很好的方向性。</p><p>　　三相短路時，其動作特性為一過原點的圓，如圖2-6。由于正序電壓較低時，由低壓距離繼電器測量，因此，這里既不存在死區(qū)也不存在

98、母線故障失去方向性問題。</p><p>　　2、四邊形相間距離繼電器：</p><p>　　四邊形相間距離繼電器動作特性同四邊形接地距離繼電器，如圖2-8，只是工作電壓和極化電壓以相間量計算。</p><p>　　2.4零序方向過流保護的原理與特點</p><p>　　我國的110kV電網采用中性點直接接地方式。在該電壓等級輸電線路中，接地

99、故障約占輸電線路故障總數的90%。當發(fā)生接地短路時，將產生很大的零序電流（相對于正常運行時的零序電流而言），因而即使經大電阻接地短路時，零序電流保護也可以有足夠的靈敏度，用其作為接地距離保護的補充是很合適的。發(fā)生單相接地故障時系統零序等值電路如圖2-9所示。</p><p>　　圖2-9發(fā)生單相接地故障時的系統零序等值電路</p><p>　　由圖可見，越靠近保護安裝處發(fā)生單相接地故障，保

100、護裝置檢測到的零序電壓越高，零序電流越大，因此不存在出口三相短路誤判方向問題。</p><p>　　本裝置配置了I、II、III段方向零序電流保護，其工作原理和整定計算比參照附錄，在本裝置中設置了零序正反方向元件來區(qū)分正反方向故障。零序正反方向元件（、）由零序功率決定，由和的乘積獲得(、為自產零序電壓電流，是幅值為1相角為780的相量)，>0時動作；<-1伏安（）或<-0.2伏安（）時動作。零序

101、過流繼電器可經控制字選擇投退方向元件。</p><p>　　零序電流保護能充分地反映接地故障，其原理簡單、快速、靈敏度高，并且零序電流保護不受系統振蕩的影響。因此在110kV線路中，獲得廣泛的應用。其缺點是零序保護受系統運行方式變化的影響較大，在重負荷長距離輸電線路上其靈敏性往往不能滿足要求，在多電源較復雜的電網中，選擇性又不易滿足，導致整定計算比較麻煩，所以需要與距離保護配合起來使用。</p>&

102、lt;p><b>　　2.5振蕩閉鎖</b></p><p>　　裝置的振蕩閉鎖分四個部分，任意一個元件動作開放保護。 </p><p>　　2.5.1起動開放元件</p><p>　　起動元件開放瞬間，若按躲過最大負荷整定的正序過流元件不動作或動作時間尚不到10ms，則將振蕩閉鎖開放160ms。此時間保證快速保護跳閘，且保護跳閘引起的振

103、蕩還不足使保護誤動。</p><p>　　該元件在正常運行中，突然發(fā)生故障時可瞬間開放保護160ms；當系統先振蕩時，正序電流先動作其后再有故障時，該元件不會開放；另外當區(qū)外故障或有操作160ms后再有區(qū)內故障時保護也被閉鎖，為此本裝置設置了后兩種情況下，開放保護的選擇性，即區(qū)內故障開放、區(qū)外故障不開放。 </p><p>　　2.5.2 160ms后發(fā)生區(qū)內不對稱故障開放元件</p

104、><p>　　160ms后發(fā)生區(qū)內不對稱故障時，振蕩閉鎖回路還可由對稱分量元件開放，該元件的動作判據為：</p><p><b>　　(2.45)</b></p><p>　　以上判據成立的依據是：</p><p>　　系統振蕩或振蕩又區(qū)外故障時不開放。</p><p>　　系統振蕩時，、接近于零，上

105、式不開放是容易實現的。 </p><p>　　振蕩同時區(qū)外故障時，相間和接地阻抗繼電器都會動作，這時上式也不應開放，這種情況考慮的前提是系統振蕩中心位于裝置的保護范圍內。</p><p>　　對短線路，必須在系統角為180°時繼電器才可能動作，這時線路附近電壓很低，短路時的故障分量很小，因此，容易?。碇狄詽M足上式不開放。 </p><p>　　對長線路，區(qū)

106、外故障時，故障點故障前電壓較高，有較大的故障分量，因此，上式的不利條件是長線路在電源附近故障時，不過這時線路上零序電流分配系數較低，短路電流小于振蕩電流，因此，仍很容易以最不利的系統方式驗算ｍ的取值。</p><p>　　本裝置中ｍ的取值是根據最不利的系統條件下，振蕩又區(qū)外故障時振蕩閉鎖不開放為條件驗算，并留有相當裕度的。</p><p>　　系統振蕩或振蕩又區(qū)內不對稱故障時振蕩閉鎖開放

107、</p><p>　　當系統正常發(fā)生區(qū)內不對稱相間或接地故障時，將有較大的零序或負序分量，這時上式成立，振蕩閉鎖開放。 </p><p>　　當系統振蕩伴隨區(qū)內故障時，如果短路時刻發(fā)生在系統電勢角未擺開時，振蕩閉鎖將立即開放。如果短路時刻發(fā)生在系統電勢角擺開狀態(tài)，則振蕩閉鎖將在系統角逐步減小時開放，也可能由一側瞬時開放跳閘后另一側相繼速跳。 </p><p>　　因

108、此，采用對稱分量元件開放振蕩閉鎖保證了在任何情況下，甚至系統已經發(fā)生振蕩的情況下，發(fā)生區(qū)內故障時瞬時開放振蕩閉鎖以切除故障，振蕩或振蕩又區(qū)外故障時則可靠閉鎖保護。 </p><p>　　2.5.3對稱故障開放元件 </p><p>　　在起動元件開放160ms以后或系統振蕩過程中，如發(fā)生三相故障，則上述二項開放措施均不能開放振蕩閉鎖，本裝置中另設置了專門的振蕩判別元件，即測量振蕩中心電壓：

109、 </p><p><b>　　(2.46)</b></p><p>　　為正序電壓，是正序電壓和電流之間的夾角。 </p><p>　　由圖2-10，假定系統聯系阻抗的阻抗角為90°，則電流向量垂直于、連線，與振蕩中心電壓同相。在系統正常運行或系統振蕩時，恰好反應振蕩中心的正序電壓；在三相短路時，為弧光電阻上的壓降，三相短路時過渡電

110、阻是弧光電阻，弧光電阻上壓降小于5％。</p><p>　　圖2-10 系統電壓向量圖 圖2-11 短路電流電壓向量圖</p><p>　　而實際系統線路阻抗角不為90°，因而需進行角度補償，如圖2-11所示。</p><p>　　OD為測量電壓，＝|OB|，因而OB反應當線路阻抗角為90°時弧光電阻壓降，實際的弧光壓降為OA

111、，與線路壓降AD相加得到測量電壓。</p><p>　　本裝置引入補償角，由，上式變?yōu)椋喽搪窌r，，可見可反應弧光壓降。</p><p>　　本裝置采用的動作判據分二部分： </p><p>　　延時150ms開放 (2.47)</p><p>　　實際系統中，三相短路時故障電阻僅為弧光電阻，弧光電阻上

112、壓降的幅值不大于5％，因此，三相短路時，該幅值判據滿足，為了保證振蕩時不誤開放，其延時應保證躲過振蕩中心電壓在該范圍內的最長時間；振蕩中心電壓為0.08時，系統角為171°，振蕩中心電壓為－0.03時，系統角為183.5°，按最大振蕩周期3計，振蕩中心在該區(qū)間停留時間為104ms，裝置中取延時150ms已有足夠的裕度。 </p><p>　　延時500ms開放。

113、 (2.48)</p><p>　　該判據作為第一部分的后備，以保證任何三相故障情況下保護不可能拒動。振蕩中心電壓為時，系統角為151°，時，系統角為191.5°，按最大振蕩周期3計，振蕩中心在該區(qū)間停留時間為337ms，裝置中取500ms已有足夠的裕度。 </p><p>　　2.6雙回線相繼速動保護</p><p>　　雙回線相繼速動