（电力系统及其自动化专业论文）110kv数字式线路保护装置研制.pdf

a b s u a c t a b s t r a c t p r o t e c t i v er e l a yi st h eo n eo fd e v i c e st or e s p o n s et h ef a u l ta n da b n o m a lo fe l e c t r i c p o w e rs y s t e mt os e n do u ts i g n a l st ot r i pc b w i t ht h ee x p a n s i o no f t h ep o w e rs y s t e ma n d t h ec o n s u m e rh i g h e rr e q u i r e m e n tf o rq u a l i t yo fp o w e re n e r g y ，t h ep r o t e c t i o nr e l a y sc r i t e r i a m u s tb ei m p r o v e dg r e a t l ya n dd e v e l o p e dt os a t i s f yt h eh i g h e rr e q u i r e m e n t t h i st h e s i si st h er e s e a r c ho fl l o k v 一1 i n ec o m p u t e rb a s e s dp r o t e c t i o nr e l a y t h i sp a p e r r e c a l l e dt h eh i s t o r y ，t h ec u r r e n td e v e l o p m e n ta n df u t u r eb l u e p r i n to fc o m p u t e rr e l a y p r o t e c t i o n i nt h i sp a p e r ，i tp r o p o s e dt h ed i s t a n c er e l a yw i t hp o s i t i v es e q u e n c ep o l a r i z e d v o l t a g ew h i c hw i l lh a v eb e t t e rf a u l t d i r e c t i o nr e c o g n i z a t i o n d i r e c t i o nr e c o g n i z a t i o na l s o c a nb ee f f e c t i v ew h e nt h r e ep h a s ef a u l t t a k e sp l a s eb e c a u s eo fl o w - v o l t a g er e l a y i n t r o d u c t i o n i ti sa l s od i s c u s s e dp r o t e c t i o na l g o r i t h mi nt h et h e s i s t h i sp a p e rd e v e l o p e dal l o k vt r a n s m i s s i o nl i n ec o m p u t e rb a s e dp r o t e c t i o nw i t hi t s h a r d w a r ea n ds o f t w a r ed e s i g n s t h eh a r d w a r ei sd e v e l o p e db ym a i nc h i p8 0 c 2 9 6a n da d s p 2 1 8 1 t h ec p uf u l l f e l sr e l a ys t a r t u p 蛐ia n dc o m m u n i c a t i o na n dt h ed s pp r o c e s s e sr e l a ya l g o r i t h m a n dl o g i cf u n c t i o n s t h es t a r t - u pf u n c t i o ni nt h er e a l yi st oe n e r g i z et r i pr e l a yp o s i t i v e p o l eo fd cp o w e rs u p p l y t h ep r o t e c t i o nh a sv e r yh i g hi n h e r e n tr e l i a b i l i t ya n ds e c u r i t y t h i sp a p e rd e v e l o p e dt h es o f t w a r eo ft h ee q u i p m e n t t h es o f t w a r ef u n c t i o no fe a c hb l o c k h a sb ed e t a i l e d t h ep r e v e n t i o nt h ei n t e r v e n t i o no fe l e c t r i c l a g n e t i ci si n t r o d u c e di nt h er e l a y t e s t i n gp r o v e di t sa c c u r a c ya n dr e l i a b i l i t yi np r i n c i p l e 。a l g o r i t h m ，h a r d w a r ea n ds o f t w a r e k e yw o r d s ：c o m p u t e rr e l a yp r o t e c t i o n ，1 i o k vt r a n s m i s s i o nl i n e ，d i g i t a ls i g n a l p r o c e s s i n g ( d s p ) n 东南大学学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。 尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写 过的研究成果，也不包含为获得东南大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢 意。 研究生签名：丛垒塾e l 期： 东南大学学位论文使用授权声明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论文的复印 件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本入电子文档的内容和纸 质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查阅和借阅，可以公布( 包 括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 研究生签名：毯曼弛导师签名： 牲日期：”，以 第一章绪论 第一章绪论 1 1 电力系统微机保护的概述 电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和辛卜会发展带来了巨大的动力和效益， 继电保护是组成电力系统必不可少的子系统，它承担着断开故障和支持电力系统安全运行的 任务，在保让系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。 继电保护装置除了在故障的很短时间内动作外，长期趋不动作的。因而被喻为电力系统 的无声警u 。因此装置的某些缺陷可能不被觉察，从而成为故障，是不正确动作的隐患。微 机保护的自我监测和监视功能可以消除这一隐患。 如所周知，对电网继电保护的基本性能要求，包括了可靠性、选抒性、快速性和灵敏性。 所谓可靠性，是要求所配置的继电保护装置只能在事先规定需要它动竹的情况下动作，在其 他一切不需要它动作的情况1 - 不动作。在术语上，前者称之为可信赖性，后者称之为安全性 或稳定性：继电保护的选择性要求，是期望能在电力元f ， 发生故障时，又在靠近故障元什的 继电保护装置断开故障；动作的快速性，对电网继电保护系统来说，重要在于快速跳闸对提 高电网暂态稳定的作用，同时可以减轻被保护设备的损坏程度；动作灵敏性要求，是出于保 护装置可靠动作的需要。 这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行 协调。继电保护的困难在丁：不仅要满足测母的精度，更重要的是在各种复杂的情况f 都要能 满足相互矛盾的四项要求，即“要止确动作，该动则动，不该动则不动。”继电保护的正确 动作取决于一系列的因素：保护原理、装置的软硬件设计、产晶质量、整定和调试、二次回 路以及运行管理等。 1 2 微机保护的国内外研究概况与发展趋势 近四十年来，计算机技术发展日新月异，它的广泛府用给备行各业带来了翻天覆地的变 化。计算机技术也同样影响了继电保护技术的发展。七十年代中、后别国外已有少数样机在 电力系统中试运行，到八十年代初，各国都在这些方面继续做了很多努力，使计算机保护逐 渐趋于实心。 我国对计算机保护的研究始r7 0 年代后半期，开始是几个高等院校和水电部南京自动 化研究所的一些继电保护工作者对国外计算机保护的发展作了广泛的介绍和综述分析。7 0 年代末至8 0 年代初广泛地开展了各种算法以至样机的研制。 1 9 8 4 年，华北电力学院研制的第一套6 8 0 9 ( c p u ) 为基础的距离保护样机投入试运行。 该年底在华中t 学院召开了我国第一次计算机保护学术会议，标忐着我国计算机保护的开发 开始进入了重要的发展阶段”】。9 0 年代，南京电力自动化研究院将1 _ 频变化鼍方向继电器 ( 1 9 8 2 年提出) 在c k f 、c k j 系列集成电路保护中的成功经验运h j 于计算机保护。此后，各 个厂家以8 0 c 1 9 6 微控制器为控制核心相继研制了各自的线路保护，并住国内电力系统 1 l o k v 5 0 0 k y 线路中广泛返川”“，有代表的制造厂家有：南瑞继保、国电南自、四方公司、 许吕继电器厂等。 继电保护所应用元器件的发展，在一定程度上将推动继电保护技术的发展。晶体管的出 现推动了比相原理的发展，集成电路已具备了一定的计算功能，目前已广泛使用的微机保护， 使继电保护步入了数字化的领域。 微机技术引入继电保护领域，扩展了继电保护装置的应用功能，基于微处理器的继电保 ，1 东南大学工程硕上学位论文 护装置，具有一系列的特点：可以集主保护、后备保护的完罄功能于一身，大大简化了继电 保护二次接线；扩展了远方通信功能，管理人员可以随时监测保护装置的运行状态、调用数 据、改变定值为现代化管理提供了必要的物质技术基础：自检功能，自动故障定位，及时 发出警报，用备用插件置换故障部件，可以在实验室集中进行专业检修。这一切都为提高保 护装置的安全返行水平，显著地延长运行检测周期和减少运行检测项目提供了可能，同时也 必将直接影响剑专业人员的配置，从而人幅度的提高继电保护的管理水平和专业人员的劳动 生产率”1 。 目前，我国电力系统已大量采用的微机保护，大多采h j8 0 年代末期9 0 年代初期推出的 数字芯片，如i n t e l 公司的8 0 c 1 9 6 等。新一代数字芯片的出现，特别是高速数字信号处理 器d s p ( d i g i t a ls i g n a lp r o c e s s o r ) 以其高速、实时、低功耗和高集成度而得到大量的推 广及应用，这必将推动继电保护新一轮的发展。将高性能的微处理器应圳于整个装置中。可 以火人提高其运算速度，减少运算时间，这对电力系统继电保护来说也一个菲常关键的问题。 1 3 本论文各章节的主要内容 本文深入研究了以正序电压为极化母的距离继电器，使其有了很大测晕故障过渡电阻的 能力。针对山口三相短路难以区分故障正反向的问题提出的低压距离继电器可以有效地保证 母线三相故障时继电器不失去方向性。 阐述了正弦函数模刑算法、傅氏算法和快速傅立叶等采样算法。介绍了方向阻抗继电器 和零序方向继电器两种保护算法。本裴簧选择、r 波积分算法和快速傅立叶算法两种不同算法 作为故障信号分析和保护总启动川的算法。从算法上保让了装置的可靠性。 本课题设计了一套结构简单、功能齐全、工作可靠的微机保护硬件系统。硬件采用双 c p u 结构，微处理器的c p u 采用8 0 c 2 9 6 ，信号处理的c p u 采_ f ja d s p 2 1 8 l 。把故障信号分析 和装置总启动的器件分开，从硬件上保让了装置的可靠性。针对保护功能，进行了程序设计。 所有程序均调试通过，实现了所设计的保护功能。在设计装置时，充分考虑了抗干扰问题， 提出了一些解决措施，并经试验验证了所研究的微机保护硬件，算法和软竹的正确性和可靠 性。 以f 本论文各章节的主要内容： 1 第一章绪论：概述了电力系统继电保护，简要介绍了微机保护的国内外研究概况与 发展趋势。指出继电保护所应用元器件的发展，在一定释度上将推动继电保护技术的发展。 本文将利用新一代的数字芯片对l l o k v 线路保护进行设计。 2 第- 二章线路保护装置配置与原理分析：介绍了1 1 0 k v 线路保护装置的配置，详细阐 述本文设计装置时所应川到的保护原理。以正序为极化量的距离保护应用于线路保护具有很 好的动作性能。 3 第二章线路微机保护的算法：阐述了本装置用到的正弦函数模犁算法、傅氏算法和 快速傅立叶等采样算法。介绍了方向阻抗继电器和零序方向继电器两种保护算法。 4 第四章装置硬件设计：设计了一套结构简单、功能齐全、工作可靠的微机保护硬件 系统。采用8 0 c 2 9 6 + d s p 的结构，将主、后备保护集成在一块c p u 板上，d s p 和单片机独 立采样，由d s p 完成所有的数字滤波、保护算法和出口逻辑，由c p u 完成装置的总启动元 件和人机界面、后台通信及打印功能。 5 第五章装置软件设计：对装置程序整体设计进行分析，针对保护功能，进行了程序 设计，并详细分析了其基本实现过程。 2 第一章绪论 6 第六章装置的抗干扰措施和试验：对电力系统继电保护装置的电磁干扰源进行了分 析，分别从硬件和软什两个方面进行了电磁兼容性设计。利用电力系统枚验常用仪器v w 4 0 ， 重点对距离保护、零序保护、重合闸进行了试验，并对试验结果进行了分析 展望 7 第七章结论及展望：对论文展开的工作进行总结，并对本装置有待改进的地方予以 一3 一 东南大学工程硕士学位论文 2 1 引言 第二章线路保护装置配置与原理分析 电力系统中的输电线路。应装设短路故障和异常运行保护装置。线路短路故障的保护应 有主保护和后备保护，必要时可增设辅助保护。主保护是满足系统稳定和设备安全要求，能 以最快速度有选择地切除被保护线路故障的保护。后备保护是主保护或断路器据动时，用以 切除故障的保护，后备保护可分为近后备和远后备两种方式：远后备是当主保护或断路器拒 动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备；近后备是当主保护拒动时，由本电力设 备或线路的另一套保护来实现的后备保护，或当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现的 后备保护。 2 2l l o k v 线路保护配置 继电保护的配置，从原则上来说，继电保护的配置麻当满足两点最基本的要求： 1 ) 任何电力设备和线路，不得在任何时候处于无继电保护的状态f 运行。 2 ) 任何电力设备和线路在运行中，必须在任何时候有砥套完全独立的继电保护装置分 别控制两台完全独立的断路器实现保护。 前一点要求极为简单明了，后一点则是前一点的具体体现。特别需要强调的是“完全 独立”的含义。需要有两套保护装置分别控制两台断路器是为了可靠的实现备_ j 。目的是为 了当任一套保护装置或人一台断路器拒绝动作时，能够有另一套保护装置或另一台断路器动 作完全可靠的断开故障。 对于l l o k v 及以下电压的电力两，基本上实现的是“远后备”，即当最邻近故障元件的 断路器上配置的继电保护拒绝动作或断路器本身拒绝动作时，可以由电源侧上一级断路器处 的继电保护装置动作断开故障。这样就充分实现了“完全独立”，从而获得了完整意义上的 后备保护”1 。 对于1 l o k v 及以下电网，应当尽可能以辐射状网络方式运行，地区电源也应当以辐射 线路接入联络变电所。实行环状或双同线布置，但以开环或线路变压器组方式运行，这是应 当遵循的原则。 根据规程要求，1 l o k v 线路保护包括完罄的三段相间和接地距离保护、四段零序方向过 流保护和低频率保护，用以切除相间短路、单相接地故障和满足系统稳定要求“；装置包含 了具有速动特性的单端保护( 投回线相继速动和不对称相继速动) 。装置配有二相一次重合 闸功能、过负荷告警功能、频率跟踪采样功能；装置还带有跳合闸操作同路以及交流电压切 换回路。 众所周知，输电线的故障有单相接地故障、两相接地和不接地故障及三相短路故障1 0 种。单相短路故障的儿率最多，其次是两相接地短路。两者合计约占输电线路故障总数的 9 0 。接地故障用零序电流保护、接地距离保护可以满足要求。两相短路不接地故障的儿率 很小，约占2 3 ，其原囡多半是由丁两导线受风吹而摆动的频率不等造成的，三相短路基 本都是不接地的，相间距离保护可以有效切除故障。 输电线路故障不外是绝缘下降、雷害和外力破坏造成的。在我国1 l o k v 线路上通常由 避雷线，所以故障时接地电阻一般小于5 欧姆、单相经高电阻接地往往发生在树枝生长导致 导线经树枝对地放电时，接地电阻往往很丈，这时由零序后备保护切除故障。远后备保护的 关键在于避开负荷状态。对丁：接地故障用零序电流保护可以取得满意的结果；对于相间故障 都用阻抗继电器实现。 2 。2 1 距离保护 距离保护根据测量阻抗的大小，反应故障点的远近，故称距离保护。同时，由于它是反 应阻抗参数而j 作的，义称为阻抗保护。 4 第二章线路保护装置配置与腺理分析 距离保护在任何复杂形式的电网中都可有选抒性的切除故障，而且具有足够的灵敏性和 快速性，因此在高压及超高斥线路中获得了最广泛的应用。该装置设置了完整的三段相间和 接地距离保护。距离继电器是距离保护的主要测量元件，应满足以下要求： 1 ) 在被保护线路上发生直接短路时继电器的测量阻抗应正比于母线与短路点间的距 离。 2 ) 在正方向区外故障时不应超越动作。超越有暂态超越和稳态超越两种。暂态超越是 由短路的暂态分量引起的，继电器仅短时动作，一旦暂态分量衰减继电器就返回。稳态超越 是由短路处的过渡电阻引起的。 3 ) 应有明确的方向性。正方向出口短路时无死区，反方向短路时不应误动作。 4 ) 在区内经达过渡电阻短路时府仍能灵敏的动作( 又称动作特性能覆盖大过渡电阻) ， 但这主要是接地距离继电器要考虑的问题。 5 ) 在最小负荷阻抗下不动作。 6 ) 不受系统振荡的影响”“。 第一条在2 3 1 中将作详细说明( 残压计算) ；第二、三、四条在分析备阻抗继电器动 作特性时将重点分析；第五条将由负荷限制电抗继电器实现；第六条在讨论振荡闭锁时得以 体现。 2 2 2 零序方向电流保护 1 l o k v 电网都采朋中性点直接接地方式。在这类电网中发生接地短路( 单相接地短路或 两相接地短路) 时，往往有很大的短路电流经过电网和接地故障处，阶段式零序电流保护能 准确、有效地切除故障凡率占到9 0 的接地故障“”，因此在i l o k v 线路中零序方向电流保护 得剑广泛应埘。 2 2 3 重合闸 在电力系统中，输电线路是发生故障最多的设备，而且它发生的故障人都属于暂时性的， 因此，自动重合闸装置在高乐输电线路上得到极其j “泛的府用。在高压输电线路上装设自动 重合闸，对于提高供电的可靠性意义菲凡：在输电线路发生瞬时性故5 盘时，可迅速恢复供电， 从而提高供电可靠性；对于舣侧电源的高斥输电线路，可以提高系统并列运行稳定性，从而 提高线路输送容量；可以纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸。 根据生产需要，同时考虑我国的运行经验。对输电线路的z c h ，提出如下要求。 1 ) 动作迅速。在满足故障点去游离所需要的时间和断路器消弧室与断路器的传动机构 准备好再次动作所必需的时间条件下，z c h 的动作时间应尽可能短。 2 ) 不容许任意多次重合。如果重合闸多次重合于永久性故障，将使系统多次遭受冲击， 同时还可能损坏断路器，从而扩大事故。 3 ) 动作后鹿能白动复l 门。当z c h 成功动作一次后，麻能自动复归，准备好再次动作。 对丁受雷击机会较多的线路，这是必须的。 4 ) 手动跳闸时不应重合。当运行人员手动操作或遥控操作使断路器断开时，z c h 不应 重合。 5 ) 手动合闸于故障线路时不重合。当手动合闸于故障线路时，继电保护动作使断路器 跳闸后，装置戍不重合，因为手动合闸前，线路上还没有电压，如合闸后即已有故障，则故 障多属于永久性故障，重合定不成功。 2 3 微机距离保护的原理与特点 继电保护所应用的元器件的发展，在一定程度上将推动继电保护技术的发展“。晶体管 在继电保护中的应用，推动了比相原理的发展。两个或多个电气量的比相能构成特性较复杂 一5 东南大学工程硕上学位论文 的继电器。集成电路已具备了一定的计镩功能。目前广泛使用的微机保护，使继电保护步入 了数字化的领域。它在反映故障的暂态分星方面有它独特的优势，因而推动了工频变化莆等 保护原理的发展。 微机距离保护的实现方法有两种。一种是在阻抗复数平面上设定一种特性( 如多边形特 性) 。当电力系统发生故障后，计算机电器的测茸阻抗( x 、r ) ，以测晕阻抗是否落在动作特 性内决定继电器是否动作。另一种是以继电器是否满足动作方程来决定继电器是否动作。而 动作方程住阻抗复数平面上对应一定的动作特性。不同的短路方向、不同的系统参数动作特 性是不一样的。后一种实现方法与传统的继电保护实现方法较相似，他的分析方法虽然复杂 一些，但是他的性能却有很多优点，并随着运行j 二况的变化以一定的自适应能力“。 本文分析了上述后一种方法实现的继电器。主要分析以正序电压为极化阜阻抗继电器 的动作特性，并对其性能进行评述。 本装置设有三阶段式相间、接地距离继电器和两个作为远后备的四边形相间、接地距离 继电器。继电器由止序电乐极化，因而有较人的保护故障过渡电阻的能力；当用丁短线路时， 为了进一步扩人测量过渡电阻的能力，还可将i 、i i 段阻抗特性向第1 象限偏移；接地距离 继电器设有零序电抗特性，可防止接地故障时继电器超越。 正序极化电压较高时，由正序电压极化的距离继电器有很好的方向性；当正序电压下降 至l o u n 以卜- 时，进入低币距离继电器。 2 3 1 短路时母线残压计算的一般公式 阻抗继电器的主要作用是测草短路点剑保护安装处( 一般为母线) 的线路阻抗，并与整 定阻抗进行比较以确定是否动作，z j = u j i j 。 图2 - i 母线残斥计算系统图 如图2 - 1 所示，母线的故障相电压廊是短路点故障相电压u k , 与线路上的压降之和。线 路上的压降是各序压降之和。考虑到输电线路的正序和负序阻抗相等，因而母线故障相的相 电压表达式为： u = u 坤+ 1 1 z l + 12 2 2 + i o z o + l o z i l o z l = u 脚+ ( i l + 1 2 + i 。) z , + 3 i o z o - z 1 z = u k o + i 。z l + 3 k i o z l = u h + ( 1 4 + k 3 1 0 ) z l ( 2 1 ) 式( 2 ，1 ) 中，k - ( z o - z 。) 3 z ，为零序电流补偿系数。扶短路点到保护安装出的输电线路 故障相上的电压降为：( i 。+ k 3 1 。) z 。 对于相间故障，母线上的故障相间电压为： u _ = u m + i p 9 z l ( 2 2 ) 此时线路上的压降为：l 。z 。，式( 2 2 ) 是按( 2 1 ) 分别求出两个故障相的相电压，在 求出相问电压。 6 第二章线路保护装置配置t j 原理分析 式( 2 1 ) 和( 2 2 ) 是母线残压计算的一般公式，它适用于任何故障类犁中对任何一相 或相问电压的计算。也适用于非全相运行中运行相又发生故障时对母线电压的计算。特别指 出当发生短路时输电线路上的相压降不等于i # z ，只有发生不接地故障时它才是正确的，不 要忽略了3 k i 。z 。这一项3 。 2 3 2 低压距离继电器 当正序电压小于1 0 u n 时，进入低压距离继电器稃序此时只可能有三相短路和系统振 荡两种怙况：系统振荡由振荡闭锁同路区分，这里只需考虑三相短路。因为三相对称，相闻 阻抗继电器和接地阻抗继电器的测量阻抗是一样的，所以在低压距离中，只测量相阻抗，而 且工作电压中没有3 i o 项。 在三相低压稃序里，由正序电压记忆晕极化，i 、i i 段距离继电器在动作前设置正的门 坎，保证母线三相故障时继电器不可能，大去方向性；继电器动作后i l l j 改为反门坎，保证正方 向三相故障继电器动作后一直保持到故障切除。段距离继电器始终采刚反门坎，因而三相 短路i 段稳态特性包含原点，不存在电压夕匕区。 一般情况下各相阻抗一样，但为了保证母线故障转换至线路构成三相故障时仍能快速切 除故障，所以对三相阻抗均进行计算，任一相动作跳阃时选为三相故障。低压距离继电器比 较上作电压平极化电压的相位： 工作电压： u o 帅= u 。一i 。z 极化电压： u m = 一u i m m 这里： 中= a ，b c u 。为t 作电压 u 。为极化电压 z ：。为整定阻抗 ( 2 3 ) ( 2 4 ) u 。为记忆止序电压，取计算时刻前两个周波电压。 根据极化电压的所取不同，把阻抗继电器分为稳态、暂态特性。在短路的前两个周波里， 微机将短路前故障的l e 序电压即负荷电压保存起来( 记忆) 作为极化电压。与故障后计算得 剑的工作电压作比较，这时，继电器对应为暂态特性；4 0 m s 以后，极化电压成为故障后电 压，此时对应特性为稳态特性。 正方向故障时，故障系统图如2 - 2 e f 夕 l 一磊 乙0r o l 一 7 一一_ u m = i 。x z k 在记忆作州消失前： u l 。e e 口 e m = ( z s + z k ) i 。 图2 - 2 正方向故障系统图 7 一 e n ( 2 5 ) ( 2 6 ) ( 2 7 ) 东南大学工程硕上学位论文 因此， u o 脚= u 。一i mx z 皿= i z k i mx z z d = ( z k z z d ) x l m u 仲= 一u l 州= 一( z s + z k ) i $ e 扣 继电器的比相方程为： 删o 岫等删。 ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 t o ) - 9 0 0 魄持 9 0 。 设故障线母线电压与系统电势同相位6 = 0 ，其暂态动作特性如图2 - 3 厂脔。 斗 一 图2 - 3 正方向故障时动作特性 测量阻抗z r 在阻抗复数平面上的动作特性是以z 至一z s 连线为直径的圆，动作特性 包含原点表明正向出口经或不经过渡电阻故障时都能正确动作，并不表示反方向故障时会误 动作；反方向故障时的动作特性必须以反方向故障为前提导出。当6 不为零时，将是以z z d 到一z s 迮线为弦的圆，动作特性向第1 或第1 i 象限偏移。 反方向故障时，故障系统图如2 4 e m 乡 _ i 厂 “乙 一 z 1 图2 - 4 反方向故障的计算用图 u 。= 一i 口z x 在记忆作用消失前：u “= e s # e 庐 e n m = z s + z kj i m 因此，u o 忡= u m 一1 t z 皿= - 1 。z x i 。z = 一z k + z z n ) x 1 。 u 忡= 一u l 州= 留s + z k ) l , t , e 庐 继电器的比相方程为： 8 e n ( 2 1 2 ) ( 2 1 卦 ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) 第一章 线路保护装置配置亍原理分析 圳t 啦等删。 则删喀捌c 。 ( 2 1 7 ) ( 2 1 8 ) 测量阻抗一z 。在阻抗复数平面上的动作特性是以z 。与z s 连线为直径的圆，如图2 - 5 ， 当一z 。在圆内时动作，可见，继电器有明确的方向性，不可能误判方向。 j x ( 一z ： 图2 - 5 反方向故障时的动作特性 以上的结论是在记忆电压消失以前，即继电器的暂态特性。 当记忆电压消失后，正方向故障时： u ，。= i 。x z 。 u o p = ( z k z z d ) i 。 u = 一l o z x 一9 0 。 a r g 兰k 二兰磐 9 0 。 一z k 反方向故障时： u 1 “= 一1 z k u o p = ( - z k z z d ) i 。 u 。= 一i 。( - z 。) 删o a r g 警删。 x j z z d 力 少) 一 ( 2 1 9 ) ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) ( 2 2 2 ) ( 2 2 3 ) ( 2 2 4 ) ( 2 2 5 ) ( 2 2 6 ) 图2 - 6 三相短路稳态特性 正方向故障时，测茸阻抗z 。在阻抗复数平面上的动作特性如图2 - 6 ，反方向故障时，一z 。 动作特性也如图2 - 6 。由于动作特性经过原点。因此母线和出口故障时。继电器处于动作边 界。为了保证母线故障，特别是经弧光电阻三相故障时不会误动作，因此，对i 、段距离 一9 一 东南大学工程硕十学位论文 继电器设置了门坎电压，其幅值取最人弧光压降。当正向三相出口短路时，当i 、i i 距离继 电器暂态动作后。将继电器的f j 坎倒置。相当于将特性圆包含原点，以保让继电器动作后能 保持钊故障切除，如果i 、i i 段距离继电器不动作，该门槛电压无需倒置；当反向出口三相 短路时，继电器不动作，门槛电压也无需倒置。该电压的存在，可以使稳态特性圆的f 端上 移，从而保让其稳态时不误动。为了保让i 段距离继电器的后备性能，m 段距离元件的门坎 电压总是倒置的，其特性包含原点，靠i i i 段延时来保证其选择性。 2 3 3 接地距离继电器 2 3 3 1i i i 段接地距离继电器 l 段接地距离继电器由阻抗圆接地距离继电器和四边形接地距离继电器相或构成，四边 形接地距离继电器可作为长线末端变压器后故障的远后备。 1 、阻抗圆接地距离继电器： 工作电压： u o = u 。一( i d + k x 3 1 。) x z ( 2 2 7 ) 极化电压：u m = 一u l 。 ( 2 2 8 ) u 。采用当前正序电压，非记忆鼍，这是囡为接地故障时，正序电乐主要由j # 故障相形 成，基本保留了故障前的止序电压相位，因此，i 段接地距离继电器的特性与低压时的暂态 特性完全一致，见图2 - 3 、图2 - 5 ，继电器有很蚶的方向性。 2 、四边形接地距离继电器： 四边形距离继电器的动作特性如图2 7 ，z 。为接地j i i 段圆阻抗定值，z 。e c 为接地i 段 四边形定值，四边形为矩形，与z 。平行边长为z 。一z z d 2 ，与z 。垂直边长为z 。 j 。j 心眦 汐尽 图2 7 四边形距离继电器的动作特性 2 3 3 2i 、i i 段接地距离继电器 1 、由j e 序电压极化的方向阻抗继电器： 工作电压：u 。= u m 一( i m + k x 3 1 。) z z d 极化电压：u 胁= - u i 。e 1 “ ( 2 2 9 ) ( 2 3 0 ) l 、i i 段极化电乐引入移相角ol ，其作用是在短线路鹿用时，将方向阻抗特性向第1 象限偏移，以扩大允许故障过渡电阻的能力。其正方向故障时的特性如图2 - 8 所示。0i 取 值范围为0 。，1 5 。、3 0 。 由剧2 - 8 可见，该继电器可测母很大的故障过渡电阻，但在对侧电源助增下可能超越。 因而引入了第二部分零序电抗继电器以防止超越。 l o 一互型幽型咝型l 一 口l = 图2 8 正方向故障时继电器特性 2 ，零序电抗继电器 工作电压：l l o 仲= u 。一( 1 。+ k 3 i 。) x z 皿 极化电压： u ”= - i 。z 。 r ( 2 3 1 ) ( 2 3 2 ) z 。为模。u 。一( 1 。+ k 。坐 9 0 0 ( 2 3 3 ) 矗删棚必栌d 0 0 艺瑟 ：麓警芝。一气r g ：| o 。 s ， o 舻+ a r g 乙+ a f ! ! 百 矗z k z z d ) 2 7 0 0 + a r g z d + a j 。十 m 差鬟蓑善萋雾雾薹霎垂囊詈囊嘉塞一害鬈髫荔毒嚣 妻妻：磊l ；i ；i | ；! 要熟。搞圆相间。离继电器和四边形相间距离继电器相或构成，四边 獭拦鬓戮醺巍然曩端缈觚觥蛳城黼胭边 位；蕊囊藤主赫紫导燃搭翩了蝴黼脚相 东南大学工程硕十学位论文 三相短路时，其动作特性为一过原点的圆，如图2 - 6 。由于正序电压较低时，由低压距 离继电器测鹫，因此，这里既不存在死区也不存在母线故障失去方向性问题。 2 ，四边形相间距离继电器： 四边形相间距离继电器动作特性同四边形接地距离继电器，如图2 7 ，只是工作电压和 极化电压以相间量计算。 2 3 4 2i 、i i 段距离继电器 1 ，由正序电压极化的方向阻抗继电器： 工作电压：u o m = u i * x z ( 2 3 8 ) 极化电压：u p = 一u 。e 9 2 ( 2 3 9 ) 这里，极化电压与接地距离i 、i i 段一样，较i 段增加了一个偏移角o2 ，其作用也同 样是为了在短线路使埘时增加允许过渡电阻的能力。02 的整定可按0 。，1 5 。，3 0 。三档 选择。 2 、电抗继电器： 工作电压： u o m = u 一i x z z a 极化电压： u = 一i x z d z d 为模拟阻抗 正方向故障时：u = i z k l o t , x z 比相方程为： 一9 0 。 a r g 兰嘻 9 0 。 j d ( 2 4 0 ) ( 2 4 1 ) ( 2 ，4 2 ) ( 2 4 3 ) 9 0 0 + a r g z d m ( 2 4 5 ) 以上判据成立的依据是： 系统振荡或振荡义区外故障时不开放 系统振荡时，i 。、i ：接近于零，上式不开放是容易实现的。 1 3 ， 东南大学丁程硕十学位论文 振荡同时区外故障时，相间和接地阻抗继电器都会动作，这时上式也不应开放，这种情 况考虑的前提是系统振荡中心位于装置的保护范围内。 a )对短线路，必须在系统角为1 8 0 。时继电器才可能动作，这时线路附近电压很低 短路时的故障分草很小，因此，容易取m 值以满足上式不开放。 b ) 对长线路，区外故障时故障点故障前电斥较高。有较大的故障分龟，因此，上 式的不利条件是长线路在电源附近故障时，不过这时线路上零序电流分配系数较低，短路电 流小于振荡电流，因此，仍很容易以最不利的系统方式验算m 的取值。 本装置中m 的取值是根据最不利的系统条件下，振荡又区外故障时振荡闭锁不开放为条 件验算，并留有相当裕度的。 系统振荡或振荡又区内不对称故障时振闭开放 当系统正常发生区内不对称相间或接地故障时，将有较大的零序或负序分量，这时上式 成立，振荡闭锁开放。 当系统振荡伴随区内故障时，如果短路时刻发生在系统电势角未摆开时，振荡闭锁将立 即开放。如果短路时刻发生在系统电势角摆开状态，则振荡闭锁将在系统角逐步减小时开放， 也可能由一侧瞬时开放跳闸后另一侧相继速跳。 冈此，采用对称分晕元什开放振荡闭锁保证了在任何情况f ，筷至系统已经发生振荡的 情况下，发生区内故障时瞬时开放振荡圳锁以切除故障，振荡或振荡义区外故障时则可靠闭 锁保护。 2 5 3 对称故障开放元件 在起动元件开放1 6 0 m s 以后或系统振荡过释中，如发生三相故障，则上述二项开放措施 均不能开放振荡闭锁。本装置中另设置了专门的振荡判别元件，即测量振荡中心电压： u n i = u ic o s 中 ( 2 4 6 ) u 为止序电压，中是正序电压和电流之间的夹角。 由图2 - 1 0 ，假定系统联系阻抗的阻抗角为9 0 。，则电流向鼍垂直于e 。、e 。连线，与 振荡中心电压同相。在系统止常远彳了或系统振荡时，u ，c o s m 恰好反应振荡中心的止序电压； 在三相短路时。u c o s d p 为弧光电阻上的压降，三相短路时过渡电阻是弧光电阻1 ，弧光电 阻上压降小于5 u 。 ， u点 心 图2 - 1 0 系统电压向量图 1 4 第二章线路保护装置配置与原理分析 d 图2 一1 1 短路电流电压向量图 而实际系统线路阻抗角不为9 0 。，冈而需进行角度补偿，如图2 - 1 1 所示。 o d 为测蛩电压，u ，c o s 中= 0 b ，因而o b 反应当线路阻抗角为9 0 。时弧光电阻压降，实 际的弧光压降为0 a ，与线路压降a d 相加得到测量电压【，。 本装置引入补偿角0 = 9 0 0 m l ，由巾1 = 巾+ 0 ，上式变为u o s = u lc o s ( i ) l ，三相短路时， u o s = o c o a ，可见u 。c o s o 可反应弧光压降。 本装置采用的动作判据分二部分： a ) - 0 0 3 u n u o s 0 0 8 u n 延时1 5 0 m s 开放 ( 2 4 7 ) 实际系统中，三相短路时故障电阻仅为弧光电阻，弧光电阻上压降的幅值不大于5 u 。，冈此，三相短路时，该幅值判据满足，为了保证振荡时不误开放，其延时应保证躲过 振荡中心电压在该范围内的最长时间；振荡中心电压为0 0 8 u 。时，系统角为1 7 1 。，振荡 中心电压为一0 0 3u 。时，系统角为1 8 3 5 。，按最人振荡周期3 ”计，振荡中心在该区间 停留时间为1 0 4 m s ，装置中取延时1 5 0 m s 已有足够的裕度。 b ) - o ，1 u n u l t 】 n = 0 式中n 为自然数，n = o ，1 ，2 ， 由于各次谐波的相位可能使任意的， ( 3 1 0 ) a 。和b 。则分别为各次谐波的正弦项和余弦项的振幅。 所以把它们分解为有任意振幅的正弦和余弦之和。 在计算机计算a 。和b 。时，通常采用有限项方法算得，即将x ( t ) 用个采样点数值代入， 通过梯形法求和法代替积分法。 a 。= 吾霪 h 塑 (3_sin n ”吾知晋 c 。 式中x ( k ) 为不同k 值时刻的采样值。 当n 取不同的数值时，可求出不同次谐波分量的正弦量和余弦量。 例如当n = l 时， ”吾缸咖喑 e ，= 吾静o o s t 晋 有所求得的止弦阜和余弦晕就可以进一步计算出基波分最的有效值何初相位。当每周期 粟样1 2 点时式( 3 - 1 5 ) 、( 3 1 6 ) 可弓成： 6 铲x - - x 9 ) + x 1 + x s - - x 7 - - x i i ) s + 孚( x 2 + x 4 - - x s - - x i o ) 6 b ，：x 1 2 - - x 6 ) + ( x 2 + x l o - - x 4 - - x8 ) + - 孚3 ( x i 1 x i i - - x $ + x7 ) ( 3 1 5 ) 根据以上两式可以很方便的计葬出基波分量的有效值何初始相角。这种计算要等一个采 样周期结束时才能进行计算，因此其响廓速度比较慢。 现在我们分析一下计算量：根据( 3 1 3 ) 、( 3 1 4 ) 可以看山在求出( 3 1 2 ) 中的系数a 。、 b 。时，分别需要n 次乘法和n - i 次加法j ：邑算。而x ( t ) 在一个周期中往往要进行n 次采样， 所以要完成罄个傅氏运算总共需要n 2 次复数乘法及n ( n - 1 ) 次复数加法。 可见直接进行傅立叶计算乘法次数和加法次数都是平n 2 成正比的，当n 很大时，运算 是很可观的。例如，n = 8 ，需要6 4 次复乘，当n ：6 4 时，需要4 0 9 6 次复乘。这对实时性很强 的信号处理来说，对计算速度要求太高。因此，必须减少工作鼍。 傅立叶算法具有以下特点： 1 )算法需要一个周期的采样值，相应时间至少为1 周期以上。 2 )计算一次共需2 n 次乘法和2 n 次加、减法，计算星随着n