（电气工程专业论文）500kv变电站微机继电保护的技术改进研究.pdf

华北电力大学工程硕士专业学位论文摘要 摘要 继电保护装置对高压电网的安全、稳定运行有着极其重要的作用。随着计算机技术 的迅速发展，微机继电保护装置在高压电网中得到了广泛的应用。 本文以5 0 0 k v 变电站改造工程为依托，分析了超高压电网的特殊性，提出了变电站 综合自动化的整体配置方案。从高压电网故障的暂态过程着手，阐述了微机保护的硬件 结构、模拟量输入、算法。在分析常规保护原理的基础上，论述了超高压电网的线路和 元件的主要保护原理及实现方法，对比了各种原理的优缺点。并探讨微机保护的发展趋 势。 本文还论述了微机保护装置安装于强磁场环境中受到的各神干扰的影响，以及如何 防止这些干扰来提高微机保护的可靠性。 关键词：综合自动化：距离保护；差动保护；抗干扰 a b s t 置a c r ，西pr e l a yp r o t e c t i o nd e v i c e sa r ev e r yi m p o r t a n tf o rh ，n e t w o r k so p e r a t i n gs a f e l ya n d s t e a d i l y w i t ht h ed e v e l o p m e n to ft h ec o m p u t e rt e c h n o l o g y ，t h em i c r o c o m p u t e rr e l a y p r o t e c t i o nd e v i c e sh a v eb e e nw i d e l yu s e di nt h ef i e l d so fh v n e t w o r k s t h i sp a p e ri sb a s e do nt h er e f o r m a t i o ne n g i n e e r i n gf o ea5 0 0 k vs u b s t a t i o n w h i c h a n a l y z e s t h es p e c i f i cc h a r a c t e r i s t i c so fs u p e rh vn e t w o r k sa n ds u p p l i e sa no v e r a l l d i s p o s i t i o np l a nf o rt h ei n t e g r a t e da u t o m a t i o ns u b s t a t i o n s t a r t i n g 、v i t l laf a u l tt r a n s i e n tc o u r s e i nt h eh vn e t w o r k s ，t h i sp a p e re x p o u n d st h eh a r d w a r ec o n s t r u c t i o n ，r e a da n a l o gi n p u ta n d a l g o r i t h m i co nm i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n b a s e do nt h ea n a l y s e s o fr o u t i n ep r o t e c t i o n p r i n c i p l e s ，t h ep a p e re x p o u n d sp r i m a r yp r o t e c t i o np r i n c i p l e sa n di m p l e m e n t a t i o nm e t h o d sf o r t h es u p e rh vn e t w o r k so rd e v i c e s a n dm a k e sb a l a n c e so fa d v a n t a g e sa n ds h o r t c o m i n g so f v a r i o u sp r i n c i p l e s m e a n w h i l e ，t h e p a p e ra p p r o a c h e s t h ed e v e l o p m e n tt r e n d so ft h e m i c r o c o m p u t e rp r o t e c t i o n t h ep a p e ra l s oe x p o u n d sv a r i o u si n t e r f e r e n c ei n f l u e n c e sw h e nt h em i c r o c o m p u t e r p r o t e c t i o nd e v i c e sa r ei n s t a l l e di nah i g hm a g n e t i cf i e l d ，a n de x p o u n d sh o wt op r e v e n tt h i s i n t e r f e r e n c et oi m p r o v et h er e l i a b i l i t yo f t h em i c r o c o m p u t e r s k e yw o r d s ：i n t e g r a t e d a u t o m a t i o n ；d i s t a n c ep r o t e c t i o n ；d i f f e r e n t i a lp r o t e c t i o n ； i n t e r f e r e n c e l i a n gk a i ( e l e c t r i cp o w e rs y s t e ma n di t sa u t o m a t i o n ) d i r e c t e db yp r o f l i uj i a n f e i 声明 本人郑重声明：此处所提交的工程硕士专业学位论文变电设备状态检修策略及应 用研究，是本人在华北电力大学攻读工程硕士专业学位期间，在导师指导下进行的研 究工作和取得的研究成果。据本人所知，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中 不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得华北电力大学或其他教育 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。 学位论文作者签名：鬓莹址日 期：丝雹乙 关于学位论文使用授权的说明 本人完全了解华北电力大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权保管、 并向有关部门送交学位论文的原件与复印件；学校可以采用影印、缩印或其它复制手 段复制并保存学位论文；学校可允许学位论文被查阅或借阅；学校可以学术交流为 目的，复制赠送和交换学位论文；同意学校可以用不同方式在不同媒体上发表、传播学 位论文的全部或部分内容。 ( 涉密的学位论文在解密后遵守此规定1 作者签名：丝纽 7 一 日 期：盈碰：盔：竖 导师签名：鲨 日期：趔么生 华北电力大学工程硕士专业学位论文 1 1 课题背景 第一章绪论 鞍山电业局5 0 0 k v 变电站建于1 9 7 8 年，采用整流型、集成电路型保护和集中监控 的远动装置，已不能适应电网发展的需要，需改造成综合自动化变电站，全部采用微机 保护装置，5 0 0 k v 变电站的改造工程主要存在以下几个问题： 1 ) 5 0 0 k v 干伏线路组成超高压电网，一次时间常数大，故障暂态过程持续时间长。 2 ) 5 0 0 k v 变压器受励磁涌流、过励磁、区外故障不平衡电流影响很大。 3 ) 由于母线短路容量大，在无电源的线路上故障时，电流互感器极易饱和。 这些都对微机保护的性能提出了严格的要求。 1 2 继电保护的作用 当被保护的电力系统元件发生故障时，该元件的继电保护装置迅速准确地给距离故 障元件最近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中段开，以最大限度地 减少对电力元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统稳定性 的要求，所以任何电力元件不得在无继电保护的状态下运行，改善继电保护装置的性能， 可大大提高电力系统的安全运行水平。当电气设备不正常运行时，应能根据异常情况及 时发出信号，以便运行及继电人员进行处理。电力系统安全自动装置则用以快速恢复电 力系统的完整性，防止发生大面积停电的重大事故，如失去电力系统稳定、频率崩溃、 电压崩溃。 1 3 高压电网故障分析 对继电保护系统的基本要求之一是以可能最短的时限把故障和异常情况从电网中 切除或消除，减少主设备如变压器通过电流时间，减少因通过短路电流而产生的暂态机 械力与热应力，延长主设备的使用寿命。在复杂的多电源的2 2 0 k v 及以上电压的联网系 统中，采用快速性继电保护和开关设备以加快故障切除时间是提高电力系统稳定的首要 措施，也有利于提高合闸成功率。现代微机保护的优点之一就是它的跳闸速度大大提高。 以下面的系统中双回线中的一回线发生短路后的暂态过程来说明快速性对暂态稳定的 作用。如图1 1 所示。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 u d x x l u 图1 1 双回线输电系统及其等值网络图 设在一回线的d 点发生了短路，略去系统内各元件的电阻和电容，发电机以暂态电 抗后的暂态电势e 表示的功率方程式为 e u p i 1 1 ) 式中x 1 2 一e 与u 间的转移电抗。x 1 2 对于故障前的正常方式和故障切除后，只剩下 一回线的运行方式分别为： x x l x 1 2 = x d 十x 一 十x b 7 n 2 、 2 x 1 2 = x d + x b + x x l + x b f 1 3 ) 故障存在，复合序网如图1 所示，把复合序网中正序以外的网络简化成一个电抗， 则复合序网可以看作成是在原网络的故障点接上一个电抗。此电称之为短路电抗x 。或 故障电抗。 三相短路x d l = 0 两相短路x d l = x 2 x 2 x o 两相短路接地x d l = 单相接地x d l = x 2 + x o x ：+ x o ( 1 4 ) ( 1 5 ) 上列各式中，x 2 、x o 是从故障点看到的负序、零序等值电抗。故障存在时送端与受 端之间的转移电抗为： x l x 1 2 = x d + x b+ + x b + 2 ( x a + x a ) ( x l ，2 + x b ) ( 1 6 ) 三相短路对系统危害最为严重，三相短路时，发电机送至送端的功率为零，其它类 2 华北电力大学工程硕士专业学位论文 型短路时，x 。为有限值，其中的单相接地故障的x 。为最小，故危害最小。跳闸越快， 制动面积越小，稳定裕度就越大。如果故障切除较慢，电动机加速过程较长，贮存的功 能较多，角度无限地增大下去，使暂态稳定遭到破坏。 1 4 继电保护的硬件结构 硬件结构又叫装置，硬件结构中，有反应一个或多个故障量而动作的继电器元件， 组成逻辑回路的时间元件和扩展输出回路数的中间元件等。5 0 年代及以前，它们差不多 都是用电磁型的机械元件构成。随着半导体器件的发展，陆续推广了利用整流二极管构 成的整流型元件和由半导体分立元件组成的装置。7 0 年代以后，利用集成电路构成的装 置在电力系统保护中得到广泛运用。到8 0 年代微型机在安全自动装置和继电保护装置 中逐渐应用。 微机保护一般都由以下组成： 微机主系统、模拟量输入系统、开关量输入输出系统、信号接口。如图1 2 所示。 u a o u b - - - - - e - 交 u c t v 号 流 i n 变 t a 换 i b 了a 工c i n 1 5 微机保护的优越性 模 计 。丑 数 算 变 - - - 机 换 系 统 卜 争打e 图1 2 微机保护原理图 随着新技术、新工艺的采用，微机保护可靠性、运行维护的方便性不断得到提高， 同以前的电磁型、整流型常规保护及模拟集成电路保护相比，具有无可比拟的优点，它 不仅大大提高了快速性、灵敏性及可靠性，而且保护装置的硬件大体相同，要想改变保 护功能，只需改变程序即可具有高度的灵活性。微机保护同远动装置一起可组成综合自 动化变电所，实现遥信、遥测、遥调、遥控功能，最终实现无人值班。基于微处理器 华北电力大学工程硕士专业学位论文 的继电保护装置，具有一系列的特点： i ) 可以集主保护、后备保护的完整功能于一身，最适于在2 2 0 k v 及以上电压电网线路， 大中型发电机组以及重要电力设备上实现完独立的双重化保护。 2 ) 具有远方通讯功能，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基础。 3 ) 具有自检功能，自动故障定位，发出警报，这一切都为提高保护装置的安全运行水平， 显著地延长运行检测周期和减少检测项目提供了前提。 1 6 本论文的主要工作 本论文以鞍山电业局五十万变电所改造工程设计为课题，对该站变电站自动化系统 方案、继电保护要求及配置、变电站二次系统的可靠性等进行了分析研究。 1 提出了基于嘲络结构的嵌入式以太网综合自动化变电所的总体设计方案。具有速 度快，带宽较宽( 一般为i o m 或1 0 0 m 还有更高速的1 0 0 0 m ) ，互操作性好，可扩展 性强，价格便宜等特点。 2 分析了该变电站及超高压电网系统和继电保护特点，重点分析研究了间隔层数字 式保护装置的原理特点，包括微机保护装置的硬件、保护原理、算法设计等特点，针对 超高压变电站传统保护存在的问题，完成了基于数字式保护的全站继电保护配置和方案 设计，改造后的保护运行情况良好，满足超高压变电站的保护要求。 3 分析了超高压变电站的干扰问题，包括来自一次系统的干扰，电力系统发生短路 故障，在正常运行条件下，在变电所内进行断路器、隔离开关等的操作；也包括来自二 次回路本身的干扰，运行人员在近处使用步话机以及由于人身触及电子设备外壳产生的 火花放电等。本文根据系统的可靠性要求和数字式测控保护设备特点，提出了变电站二 次系统及设备的抗干扰措施。 4 提出微机保护的发展趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和 数据通信一体化发展。 4 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第二章变电站综合自动化整体设计 2 1 变电站的监控系统 常规变电站的继电保护及安全自动装置的信号和控制均在就地完成，变电所的远动 装置基本上是将一些重要参量如开关接点、电流、电压等送至调度端，实现遥信、遥测 功能。随着微机保护的发展，综合自动化变电所便逐渐提到议事日程上来，在实现遥信、 遥测的基础上实现遥控、遥调，除可在变电所就地实现控制外，变电所所有装置包括保 护装置、安全自动装置和直流系统以及一次设备的信号均送至调度端，调度端可实现远 方控制，实现无人值班。但信号的采集方式仍沿用传统r t u 集中采集方式，设置专门的 单元监测装置。 目前，微机的性能价格比不断提高，现代通讯技术和计算机网络技术的迅速发展， 以及标准化规约的陆续推出，变电所集中控制方式的监控系统己被综合自动化取代。所 谓综合自动化，是将变电所中一切可由微机实现的，如继电保护、远方控制、远方监控、 故障记录及测量等功能，合理实现分工协调，通过变电所就地通讯网络把实现这些功能 的微机设备连接在一起，组成一个完整的变电所综合二次系统，同时通过就地通讯网上 的通讯接口设备与上级调度和上级管理部门实时地直接进行联系。 2 2 高压变电站的综合自动化 现代变电站监控系统的重要标志是变电所内部通讯网络的现代化，以变电所通讯网 络为纽带建立分散、分布式系统，间隔层装置按一次设备为对象布置。所谓分散、分 布式系统是指连接到通讯网上的智能电子设备分工明确、各自独立，任意智能电子设备 失效，将不影响整个综合二次系统，做到危险分散。继电保护装置的控制方式历来都是 分散控制的，由于高压变电所继电保护装置在保证变电所与电网安全的特殊重要性，在 目前的技术条件下也必须实现完全独立的继电保护功能，所以分散系统是指测控装置及 集中组屏的故障录波器等的分散布置。 以前，继电保护装置在布置方式上都采用集中布置方式，继电器屏、控制屏等全部 集中布置于控制室。所有需采集的开关量及模拟量信号均用控制电缆引入控制室内。对 综合自动化变电所而言，整个微机监控系统的所有设备全部装设在一起，就地连成一个 完整的系统。这种运行方式便于运行维护，但易受控制电缆引入传导类强干扰的影响。 随着现代技术的发展，综合自动化变电所更倾向于采用分散布置方式，分散布置就是将 华北电力大学工程硕士专业学位论文 保护及监控设备直接布置到被控对象旁。它可以减少占地及建筑面积，大大地缩短电缆 及相关投资，削弱传导类干扰。在l l o k v 以下变电所已经实现。2 2 0 k v 及5 0 0 k v 变电所 实现分散布置也将是发展趋势。 2 3 变电站高压综合自动化的结构模式 高压电网对自动化要求日益提高，电网运行管理系统所需的信息量也越来越大， 各种应用和服务对信息质量提出了越来越高的要求，如实时性、可靠性、数据完整性、 通讯容量等，因此对远动的要求日益提高，计算机技术、现场总线网络等技术和广泛应 用为实现这些要求提供了条件。电力系统通讯正在发生深刻的变化，传统的集中、低速、 专用封闭的自动化系统将向开放、高速、综合的网络化方向发展，通过局域网互连和广 域网互连，实现信息资源的共享利用。同时在变电站内不同厂家的各种设备要联到远动、 监控等信息主站，而目前还傲不到所有厂家都按照同一种标准互联，还需要通过协议转 换器实现不同介质、不同协议设备间的信息交换。高压变电所采用的基于网络结构的分 布式综合控制主站系统如图2 1 所式。 变电站层 网络层 间隔层 图2 1 分布式综合控制主站系统结构图 2 4 5 0 0 k v 变电站的整体控制方案 5 0 0 k v 变电站采用保护半下放方式，考虑5 0 0 k v 变电站一次设备场地大，如果采用 全分散布置方式，不便于巡视，将集中布置改为按电压等级分开布置，将不同电压等级 5 0 0 k v 、2 2 0 k v 、6 6 k v 线路、变压器的保护及监控设备分别布置在各主设备附近的继电器 小室。这种布置方式仍较便于巡视，且节省了大量电缆。由于设备小间离开关场内一次 华北电力大学工程硕士专业学位论文 设备仍较远，直接受电磁辐射的干扰小，但受到的传导干扰相对全分散布置仍较大。由 于各保护小间的距离远，故选择嵌入式以太网系统。 变电站自动用现场总线来做自动化系统的通信网络，从工程实践来看是成功的。但 随着变电站系统从以前的3 5 k v 、1 1 0 k v 等中低压变电站系统向2 2 0 k v 、3 3 0 k v 、5 0 0 k v 高 压大型变电站发展，现场总线的一些局限性就表现出来。在现场总线技术发展的同时， 工业控制领域出现了嵌入式设计技术，嵌入式设计技术可以使设计者利用嵌入式软、硬 件在单片机系统上实现以太网技术。 5 0 0 k v 变电站在l o n w o r k s 现场总线的基础上选择了嵌入式以太网作为超高压变电 站自动化系统的内部网络。嵌入式以太网作为变电站自动化系统中的内部通信网络，考 虑成本、兼容性等问题，不采用每个智能电子装置配置一个嵌入式以太网接口，而采用 几个装置通过l o n w o r k s 现场总线等方式连接在一起，然后用嵌入式以太网接口作为一 个以太网接点连接到以太网上。嵌入式以太网如图2 2 所式。 网络层 间隔层 设备层 图2 2嵌入式以太网系统结构图 以太网 以间隔为单元，将站内通信网设计为两层，间隔以上用i o m 嵌入式以太网构成站内 通信的主干网络，该网络负责后台机、远动机等p c 机和各间隔进行通信。在间隔内部 用l o n w o r k s 现场总线把各保护装置连在一起。l o n w o r k s 网上的信息通过间隔层的测控 装置上传到主干网上。测控装置是整个方案的核i i , 和关键，测控单元完成两大功能：通 信功能和测控功能。这种方案实际上将嵌入式以太网与l o n w o r k s 现场总线技术相结合， 发挥了各自的优势，底层的各种保护可不做任何改动，保持了产品的向下兼容性。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 2 4 1 阃隔层 间隔层单元包括保护装置、测控单元和智能设备等，它对相关设备进行保护、测量 和控制。间隔层在横向上按站内一次设备分布式布置，功能上遵循“可以下放的就尽量 下放”的原则，凡是可以在间隔完成的功能不依赖于公用设备。但在实现方式上，除继 电保护功能外，控制、监视、测量和报警最终通过综合自动化系统实现，各间隔单元保 留手动操作应急手段，各间隔单元互相独立互不影响。对于远动系统来讲，这些单元就 是远程数据采集终端和控制终端，间隔层单元是主站层设备的四谣信息源。 对于中低压保护为避免硬件重复，保护装置在保护不起动时将其测量单元的数据送 到站内通信网，供监控系统共享使用。在出口回路上尽量做到保护回路与远动控制合二 为一( 但c t 回路要分开以保证精度要求) 。对于2 2 0 k v 及以上系统，继电保护与测控 单元独立配置。每个装置都有数据通信网络接口，输出保护的报文信息，但接点信息仍 需要由由测控单元输出。测控单元主要完成信息采集、包括：电流、电压、开关电度量 及变电所的公用信号。遥控操作、刀闸电动操作、捕捉同期合闸、防误操作闭锁。 动态故障记录在2 2 0 k v 及以上变电所是一个重要问题，综合自动化变电所的故障动 态记录装置再也不是分散地安装在各地变电所互不干扰的孤立设备，在每个保护单元上 都增加了录波功能。在间隔层故障录波后通过连网送至调度中心，快速的、经过相应集 中处理的故障动态信息可快速准确地显示系统事故发展过程，配合先进遥控系统的实 现，极大地有助于调度对系统事故的正确处理。 2 4 2 网络层 通讯网络是综合自动化站区别与常规站的最明显标志之一，只有采用通讯网络，才 能节省大量电缆。但通讯网络必须安全可靠，传输速度必须满足变电站综合自动化要求。 从9 0 年代初变电站自动化技术在我国出现以来，先后出现过几类先后出现过几类通讯 网络方案，最初用r s 4 8 5 总线将保护设备连在一起，用主从通讯，这种方式较简单，但 技术上缺陷很多，后来各种现场总线技术被引入国内。5 0 0 k v 变电所采用l o n w o r k s 现 场总线。它是用于现场仪表与控制装置和控制室之间的一种全分散、全数字化、智能、 双向、互联、多变量、多点、多站的通讯系统。 l o n w o r k s 现场测控网络。采用l o n w o r k 通信协议，该协议遵循国际标准化组织 i s 0 开放系统互联全部七层模型，网络协议开放，可以实现互联操作网络的主要组成部 分n e u r o n 芯片中有3 个8 位c p u ，第一个c p u 为介质访问控制处理器，处理l o n w o r k 协议的第一层第二层，它包括驱动通信子系统硬件和执行冲突避免算法第二个c p u 为 网络处理器，处理l o n w o r k 协议的第三到第六层，它进行网络变量的处理、寻址、事物 处理、证实、背景诊断等，它还控制网络通讯接口，物理地发送和接受数据包。第三个 c p u 为应用处理器，对于有l o n w o r k s 数据通信网接口的装置可直接联网。对于设有串 华北电力大学工程硕士专业学位论文 口的设备，如r s 一4 8 5 ，其设备串口经双绞线连接后，通过规约转换器接入测控网络。 2 4 3 变电站层 1 ) 综合控制主站 综合控制主站是综合自动化系统的数据交换枢纽，是综合自动化的核心。通过 l o n w o r k s 现场总线和以太网同各种不同类型的保护装置或i o 模块通信，负责从各测控 单元获取数据，把采集的数据送到几个独立的数据库中，经规约转换后分别送到不同的 调度主站和当地后台监控系统。对下将数据分发到各测控单元，完成对变电站一次设备 及保护装置的监视控制。 2 ) 监控系统主站 变电站以计算机监控系统为中心，实现对全部一次设备进行监视、测量、控制、管 理、记录和报警等功能。是于运行人员之间的接口，也可与远方控制中心及其他系统通 信，达到信息资源共享。 3 ) 电保护工程师站 工程师站p c 主机可联至监控网和录波网上任一元件通信，进行多种测试、定值管 理、录波数据分析。通过调制解调器接至公用电话网，工程师可以在任何有电话的地方 同网上任一元件通信，实现远方故障分析与诊断。 9 华北电力大学工程硕士专业学位论文 第三章微机保护装置硬件及算法设计 3 1 保护装置的硬件平台 保护装置采用新一代3 2 位基于d s p 技术的硬件平台，整套装置的核心部分采用3 2 位数字信号处理器( d s p ) 和单片机( c p u ) ，c p u 完成装置的总起动元件和人机界面和 后台通信功能，d s p 完成所有的保护算法和逻辑功能。 起动c p u 内设总起动元件，起动后开放出口继电器正电源，同时完成事件记录及打 印、保护部分后台通信及与面板通信，另外还具有完整的故障录波功能，录波数据可以 通过通讯口输出或打印输出。硬件结构图如图3 1 所示。 打串 印口 图3 。i 硬件模块图 c p l d 为可编程逻辑控制器，由于采用d s p 使保护的运算速度大大提高，微机线路 保护近处故障跳闸时间小于1 0 m s ，线路中间故障小于1 5 m s ，全线小于2 5 m s 。 3 2 微机保护模拟输入量分析 微机保护通过电流互感器、电压互感器测量系统中的电流、电压，作为模拟量的输 入。用通过电力系统元件的电流和电压以及由它们演绎出来的其他量如距离、突变量， 来进行状态判别。电网短路时一次系统存在一个暂态过程，电流、电压通过电流互感器、 电压互感器传变在互感器内部也存在一个暂态过程。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 3 2 1 电流互感器暂态过程分析 电流互感器在暂态短路下，由于输入为电流源，初级线圈漏抗不影响电流之传变， 故可不予考虑。励磁阻抗可认为是纯电抗其电感为l 。次级线圈的漏抗和负载阻抗合 并在一起为z 。其中电阻为r ”电感为l 。等效电路如图3 2 所示。 ! ! - zl6 li i 。 z 。z 。r j 1 ， 甲l1 d i 。 l u = l i i d t 图3 2 电流互感器的等效电路图 i = i 。+ i 【 通过以上两式去掉l 。并通过拉式反变换得 i 。( t ) = s i n t 十 t 2 ( 3 1 ) ( 3 2 ) i m t l ( e - l i t e ”)( 3 3 ) t 广t 由上式现，励磁电路中除稳态分量外，还有两个直流分量，一个直流分量是按一次 系统的时间常数下衰减，随一次系统短路电流的直流分量的消失而消失，称为强制性分 量。另一个直流分量是按次级回路时间常数衰减的，称为自由性直流分量。由于电流互 感器对直流分量的传变能力比基波分量的传变能力差得多，故励磁支路中的直流分量比 基波分量大得多。 不论电流互感器是否易于饱和，在t = o 时，励磁电流中的直流分量( 强制性和自由 性分量之和) 为零，全部直流均传变到次级，然后再逐渐进入励磁支路，但次级中的非 周期性电流衰减很快，6 0 m s 后i t - 中直流分量降为零，同时i 。中的直流分量达到最大值， 此时初级电流中直流分量很大，使基波波形仍于时阃幸虫的一侧，如果铁芯中有剩磁， 且剩磁方向与励磁电流中直流分量产生的磁通方向相同在短路电流的直流分量和剩磁 的共同作用下，铁芯在短路后不到半个周期就饱和，于是，初级电流分部变为励磁电流、 ，审 h 生眦 华北电力大学工程硕士专业学位论文 次级电流几乎为零，随着励磁电流中直流分量的衰减，次级电流才逐增大，电流互感器 的误差才逐渐减小，但应强调指出：在短路后的第一个半波内，电流互感器的误差是很 小的，如果快速保护的动作的相小于这个时间，即认为电流互感器的饱和对快速保护没 有影响，故微机保护的采用时间应1 0 m s 内完成，但也不宜过快，也免受二次中直流分 量影响，也是为防止系统波动带来的误动作。 3 2 2 电容式电压互感器暂态过程分析 线绕式电压互感器磁感应密度较低，且短路时电压足下降的，在暂态过程中，直流 分量i m e 扪1 r 1 一- - ) i m e 盯1 ( 3 4 ) l t l 若l 屉- t l ，则u = 0 ，所以误差很小。 电容式电压互感器内部有电感及电容等惯性元件，在系统发生短路时，次级电压中 出现暂态分量，使次级电压不能随初级电压的下降而下降。虽然电窑式电压互感器当初 级电压降为零时，次级电压可在2 0 m s 内降到l o 以下，但这不能完全满足快速保护的要 求。当线路阻抗与电源阻抗之比较大的线路末端发生短路时，母线电压下降不大，电容 式电压互感器次级次级电压中的暂态分量小、基波分量大、距离继电器的工作几乎不受 影响。在线路始端发生短路时，电容式电压互感器次级的基波分量为零，全部为暂态、 距离继电器的测量阻抗虽不为零，但远小于整定阻抗，仍可快速动作，但在线阻抗与电 源阻抗之比很小的线阻上，在保护范围末断短路时，距离继电器的动作显著延缓，故保 护时间也不宜太快。 此外，由于保护装置本身动作的快速性与可靠性的矛盾，同样存在的另一客观事实 是，略微延长一点动作时间，可以显著地提高保护装置动作的可靠性。例如，对于闭锁 式纵联保护，必须远方启动对侧发信反送本侧收信的时延后才允许开放保护。因此，对 于继电保护的高速动作要求，只有在确实的系统稳定需要的前提下才是合理的。 3 3 交流变换的作用( 隔离转换作用) 由电流互感器( c t ) 和电压互感器( p t ) 来的电流、电压经t a 、t v 后变换0 t 0 v 的电压信号，以满足模数变换回路对模拟量输入量程的要求；另外，采用屏蔽层接地的 变压器隔离，使电流互感器、电压互感器可能携带的浪涌干扰不至于串入模数转换电路， 以免危及危机保护c p u 系统。根据不同电流测量范围，t a 的二次侧应设有相应的阻值。 铁芯带气隙的互感器称为电抗互感器，它的励磁阻抗z u 可认为是常数，且在数值 上z u o l( 4 1 ) 令a r g ( k l k 3 ) = 1 3 ，则动作条件m 2 一i b a r g ( z - b ) ( z - a ) ) 0 1 1 3 即02 a r g ( z b ) ( z a ) 0l 02 01 = 1 8 0 时动作特性曲线为园，a b 是圆的弦。 当02 = 2 7 0 。，0i = 9 0 。则为a b 为直径的圆，也只有这时能化为比幅式。 1 8 华北电力大学工程硕士专业学位论文 令上式中z a = i ，则有0 2 一p a r g ( z b ) 0 1 邛 则有：02 a r g ( z b ) 01 ( 4 2 ) 当01 02 - - 1 8 0 。动作特恸经过矢量b 的未端的直线，在0l = 1 8 0 。，02 = 3 6 0 。时直线平行 于实数轴，称为电抗继电器，当02 01 1 8 0 。时得到折线特陛。 4 1 2 采用正序电压作极化电压的比相式距离元件的动作方程 工作电压：u o p = u m i z z d 极化电压：u p = 一u 1 m 继电器的比相方程：- 9 0 。 a r g ( u o p ，u p ) 9 0 。 也可表示为如下形式： u o pu o p = a 唱e i l 8 0 1 + a r g ( 4 3 ) u 1 m 9 0 。 a r g ( u o p u i m ) 2 7 0 。 式中为母线电压，i 为极化电流，对于单相接地短路i = i + 3 k i 。，对于相间短路i = i 。，z z d 为整定阻抗，u i m 正序电压。 4 1 3 暂态特性分析 线路正方向故障时如图4 1 所示。 u ne n 在记忆作用消失前： 继电器的比相方程为 图4 1线路正方向故障计算用图 i = e 。( z 。十z k ) u o p = u m - i z z d = ( z k - z z d ) i u p = u 1 m 。e m e 6 华北电力大学工程硕士专业学位论文 9 0 。 a r g z k z z d 2 7 0 。 ( 4 4 ) 设故障前母线电压与系统电势同相位6 = 0 ，其暂态动作特性如图4 2 所示 测量阻抗在阻抗复数平面上的动作特性是以z z d 至z 。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。 j j z z d 厂公 、。 r j。j z 。 _庶。 。 图4 , 2 正方向故障时动作特性 图4 3 三相短路时稳态动作性 当三相短路记忆电压消失后，正方向故障时：u 。，= i z 。 继电器的比相方程变为： 9 0 。 a r g z k - z z d z k 其稳态动作特性如图4 3 所示 4 1 4 记忆作用： fz 。十z 。l 此动作方程为比幅式动作方程，化为比相式动作方程 9 0 。7 a r g 。 ( z 。+ 2 z 。+ z 。) 可得到动作特性如图4 。6 所示。 m i 。 以上判据成立依据是： a 系统振荡或振荡又区外故障时不开放，系统振荡时，i 。、i 。接近于零。上式是不容 易实现的，振荡同时区外故障，相间和接地阻抗都会误动作，这时要求上式不应开放。 b 区内不对称故障时振闭开放 当系统振荡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 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逐步减少时开放，也可由一侧瞬时开 放跳闸后另一侧相继速动跳闸。因此，采用对称分量元件开放振荡闭锁保证了在任何情 况下，甚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闭锁以切除故障， 振荡或振荡又区外故障时则可靠闭锁保护。 2 ) 对称故障开放元件 在起动元件开放1 6 0 m s 以后或系统振荡过程中，如发生三相故障，则上述二相开放 措施均不能开放保护，本装置中另设置了专门的振荡判别元件，它测量振荡中心电压： u 。，= u i c o s 巾l m 1 是正序电流电压的夹角，u 。为正序电压。 假定系统阻抗的阻抗角为9 0 0 时，则电流向量垂直于e m ，e n 连线，与振荡中心电压 同相。 在系统正常运行或系统振荡时，u 。c o s 中l 恰好反应振荡中心的正序电压。 在三相短路时，设线路阻抗角为9 0 0 时，则u 。c o s 中l 是弧光电阻上的压降，三相短 路时过渡电阻是弧光电阻，弧光电阻上压降小于5 u n 。 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 n ，因此，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问。振荡中心电压为0 0 8 时，系统角为1 7 18 ，振 荡中心电压为一0 0 3 时，系统角为1 8 3 5 0 ，按最大振荡周期3 ”计，振荡中心在该区内 停留时间为1 0 4 m s 。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 。5 距离元件构成的其他元件 4 5 1 选相 由于高压系统中广泛采用单相重合闸，这就需要选相元件。选相元件在单相故障时 应选出故障相，在多相故障时，但应判定为多相故障而立即跳三相。常规保护中普遍采 用电流、电压选相元件，但在运行方式变化很大，灵敏度可能严重不足。在现代微机保 护中，距离保护和零序保护同样需要选相元件，零序电流本身无选相能力。现代的微机 保护彼此独立。所以零序电流保护本身有自己的选相元件，不再经综重去跳闸，所以零 序电流保护必须有自己的选相元件。距离保护本身有选相能力，但在双侧电源及过渡电 阻影响下，使分相阻抗继电器很有可能误动；另外，如果阻抗元件事先知道哪一相故障， 那么无论是计算阻抗式、相位比较式在故障处理过程中都可以只进行故障相的运算，可 以加快跳闸时间，可以说，现代微机保护正确动作率的提高，很大的原因是由于引进选 相元件的作用。 7 0 年代末期，曾普遍采用相阻抗作阻抗选相元件，一般采用零序补偿的接线方式， 在两相短路接地和三相短路时，至少有两个选相元件动作，立即准备好三相跳闸回路。 在两相短路时动作不明确。在双侧电源下，送电侧的超前相继电器有较高的灵敏度，而 落后相侧很不灵敏，受电侧反之。所以，两相故障选相元件可能都动作，也可能都不动 作，还有可能是一侧超前相动作，另一相落后相动作。在后一情况下，在短路处的电弧 不会熄灭，重合闸必然失败，为此可用零序继电器判断不是接地故障时就跳三相。阻抗 继电器为了测量准确，在电流回路中引入零序电流补偿，为了消除死区，又希望用偏移 特性。这样，在出口单相接地故障时，两健全相都可能动作。在靠近对侧发生单相经过 渡电阻短路接地时，由于对侧电源的助增作用，本侧阻抗选相元件只有等对侧跳闸后才 能起动。为此，要考虑一侧短路器先跳闸时，健全相阻抗选相元件不应起动。 由于微机保护的广泛应用，逻辑实现上的方便，又有许多新原理的选相元件。 1 ) 相电流差突变量选相元件 2 ) 工作电压突变量选相元件 3 ) i o 和1 2 比相，z 。动作的选相元件 4 5 2 高频方向保护 距离保护和零序电流保护的速动段均不能保护线路全长，不能作为主保护，只有全 线速动的高频纵差保护能保护线路全长。高频方向保护可实现允许及闭锁式，无论哪一 种方式，关键问题是选用何种元件作为方向元件。由于负序及零序方向元件在非全相运 行时要退出运行，所以一般不采用。以前的微机保护最常见的是采用距离元件和零序方 向元件相结合，高频距离保护反映相间故障。高频零序保护反应接地故障。但由于距离 华北电力大学工程硕士专业学位论文 保护在振荡中，需要进入振荡闭锁状态而退出运行，根据以上分析，虽然在振荡中可开 放，但需要延时，这对快速动作的高频保护有很大影响。工频变化量方向继电器作为方 向元件有许多优点，在微机高频方向保护中被广泛采用。 4 6 零序电流保护和高频方向保护 4 6 1 采用自产3 u o 零序电流方向保护 零序电流保护由于具有原理简单，动作可靠，抗过渡电阻能力强等一系列优点，所 在微机保护中广泛采用。 微机保护中采用u a + u b + u c = 3 u 。自产3 u 。，只有当p t 断线时，才改用自产3 u o 。由于 以往的零序方向继电器均采用7 0 0 接线方式，违背了实际故障时，3 u 。超前于3 i 。1 1 0 。的 实际情况，3 u 。、3 1 0 的极不得反接。这种接线方式给现场人员带来了很大麻烦，曾经造 成无数次误动。采用自产3 u 。情况有所好转。但由于以前电压互感器二次和三次没有分 开，而是共用一根n 线，这样3 u 。回路的问题就会影响自产3 u 。，所以反措中要求将p t 的二、三次n 线分开，使问题有所缓解。但由于3 u 。、3 i 。的极性很难校验，所以有人主 张坚决摒弃3 u 0 不用，而是采用自产3 u 。这样，只要规定电流由母线向线路为正，电压 为母线对地为正，装置极性及二次接线正确并相位测量正确后，可以保证零序方向元件 的正确性。即使这样也要注意其它应用3 u 0 的保护如母差、主变保护3 u 。回路的正常。在 p t 断线时，由于距离及高频保护退出后，零序方向也被迫退出，线路将无快速保护，这 时可投入一相电流保护和保留无方向的零序电流保护，虽然在外部故障时，会失去选择 性，但在p t 断线时，应该说是允许的。 4 6 2 零序电流保护存在的问题及解决办法 零序电流分布由于受零序阻抗网络变化影响较大，尤其受变压器中性点接地数量影 响较大，随着自耦变压器和短线路群的出现，零序电流保护零序电流保护渐渐失去其优 势。2 2 0 k v 及以上线路中由于零序电流一段往往由于范围太小而不得不停用，零序电流 的最末一段由于为了保证相临线路末端故障有足够灵敏度，不得不与三段配合，使得时 限加长，整定计算时必须采取专门措施，不仅影响保护性能，也给整定计算人员增加不 必要的工作量。零序电流保护是最难整定的一种保护，但零序反时限电流保护是唯一能 正确解决这个问题的保护，零序反时限在近区故障时可快速动作，在高阻接地及相临线 路末端故障，它总是能动作，充分起到后备保护的作用。在平行线路内部故障时，由于 零序互感的作用，在后备保护范围内会失去选择性，但由于是在后备范围内动作，这一 点点的缺点是可以接受的。 华北电力大学工程硕士专业学位论文 4 7 保护装置的整体介绍 线路微机保护装置有两个d s p ，每个d s p 承担一部分功能。为增加可靠性，单一d s p 判