南瑞继电保护技能培训教材

精品文档 1欢迎下载 第一章第一章 微机保护的硬件和软件系统微机保护的硬件和软件系统 第一节第一节 微机保护的硬件系统微机保护的硬件系统 一套微机保护由硬件系统和软件系统两大部分组成 硬件系统是构成微机保护 的基础 软件系统是微机保护的核心 图 1 1 表示出了微机保护的硬件系统构成 它由下述几部分构成 微机主系统 它是由中央处理器 CPU 为核心 专门设 计的一套微型计算机 完成数字信号的处理工作 数据采集系统 完成对模拟信 号进行测量并转换成数字量的工作 开关量的输入输出系统 完成对输入开关量 的采集和驱动小型继电器发跳闸命令和信号工作 外部通信接口 人机对话 接口 完成人机对话工作 电源 把变电站的直流电压转换成微机保护需要的稳 定的直流电压 WATCHDOG 定时器 计数器 键盘指示灯LED 液晶显示打印机接口 调试通信接口 电源 通信接口 数据采集系统 开关量 输入 输出 系统 C P U 保存数据用RAM 存放程序用 EPROM FLASH 存放定值用 EEPROM FLASH 开关量 输入 跳闸 信号 外部通信 打印机 PC机 专用调试 设备 微机主系统人机对话接口 图1 1 微机保护的硬件构成框图 一一中央处理器中央处理器 CPUCPU 它是微机主系统的大脑 是微机保护的神经中枢 软件程序需要在 CPU 的控制 下才能遂条执行 当前 在微机保护中应用的 CPU 主要有以下一些类型 1 1 单片微处理器单片微处理器 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 具有极高的性能 在 RCS900 系列的主设备保护装置中得到了应用 精品文档 2欢迎下载 16 位的如 Intel 公司的 80296 在 RCS900 型的线路 主设备保护中用到了该芯片 2 2 数字信号处理器 数字信号处理器 DSPDSP 它将很多器件 包括一定容量的存储器都集成在一个芯片中 所以外围电路很 少 因而这种数字信号处理器的突出特点是运算速度快 可靠性高 功耗低 它执 行一条指令只需数十纳秒 ns 而且在指令中能直接提供数字信号处理的相关算法 因此特别适宜用于构成工作量较大 性能要求高的微机保护 在 RCS900 型的线路 主设备保护中 保护的计算工作都是由 DSP 来完成的 使用的芯片是 AD 公司的 DSP 2181 二二存储器存储器 用以保存程序 定值 采样值和运算中的中间数据 存储器的存储容量和访问 时间将影响保护的性能 在微机保护中根据任务的不同采用的存储器有下述三种类 型的存储器 随机存储器 随机存储器 RAMRAM 在 RAM 中的数据可以快速地读 写 但在失去直流电源时数据会丢失 所以不 能存放程序和定值 只用以暂存需要快速进行交换的临时数据 例如运算中的中间 数据 经过 A D 转换后的采样数据等 现在有一种称做非易失性随机存储器 NVRAM 它既可以高速地读 写 失电后也不会丢失数据 在 RCS900 保护中用以存 放故障录波数据 只读存储器 只读存储器 ROMROM 目前使用的是一种紫外线可擦除 电可编程的只读存储器 EPROM EPROM 中 的数据可以高速读取 在失电后也不会丢失 所以适用于存放程序等一些固定不变 的数据 要改写 EPROM 中的程序时先要将该芯片放在专用的紫外线擦除器中 经紫 外线照射一段时间 擦除原有的数据后 再用专用的写入器 编程器 写入新的程 序 所以存放在 EPROM 中的程序在保护正常使用中不会被改写 安全性高 电可擦除且可编程的只读存储器 电可擦除且可编程的只读存储器 EEPROMEEPROM EEPROM 中的数据可以高速读取 且在失电后也不会丢失 同时不需要专用设备 在使用中可以在线改写 因此在保护中 EEPROM 适宜于存放定值 既无需担心在失电 后定值丢失之虞 必要时又可方便地改写定值 由于它可以在线改写数据 所以它 的安全性不如 EPROM 此外 EEPROM 写入数据的速度较慢 所以也不宜代替 RAM 存放 需要快速交换的临时数据 还有一种与 EEPROM 有类似功能的器件称作快闪 快擦写 存储器 Flash Memory 它的存储容量更大 读 写更方便 在 RCS900 型的保护中 使用 Flash 存放程序 在软件中采取措施确保在运行中程序不会被擦写 三三数据采集系统数据采集系统 数据采集系统的作用是将从电压 电流互感器输入的电压 电流的连续的模拟 信号转换成离散的数字量供给微机主系统进行保护的计算工作 在介绍数据采集系 统前 先对若干名词作一些解释 采样 在给定的时刻对连续的模拟信号进行测量称做采样 每隔相同的时刻 对模拟信号测量一次称做理想采样 微机保护采用的都是理想采样 采样频率 每秒采样的次数称做采样频率 采样频率越高对模拟信号的测 s f 量越正确 但采样频率越高对计算机的运算速度的要求也越高 计算机必须在相邻 两个采样时刻之间完成它的运算工作 否则将造成数据的堆积而导致运算的紊乱 在目前的技术条件下微机保护中使用的采样频率有 600Hz 1000Hz 1200Hz 三种 在南瑞继保电器公司原先生产的 LFP900 保护中使用的采样频率是 600Hz 和 精品文档 3欢迎下载 1000Hz 目前生产的 RCS900 保护中使用的采样频率是 1200Hz 采样周期 相邻的两个采样点之间的时间称做采样同期 显然采样同期与 s T 采样频率互为倒数 当采样频率为 600Hz 1000Hz 1200Hz 时相应的采样 ss fT1 周期分别为 ms666 1 ms1ms833 0 每周波采样次数 N 采样频率相对于工频频率 50Hz 的倍数表示了每周波 的采样次数 N 采样频率为 600Hz 1000Hz 1200Hz 时相应的 N 值为 12 20 24 采样定理 采样频率必须大于输入信号中的最高次频率的两倍 maxs ff2 这就是著名的采样定理 不满足采样定理将产生频率混叠现象 由逐次逼近式原理的模数转换器 由逐次逼近式原理的模数转换器 A DA D 构成的数据采集系统 构成的数据采集系统 这是目前应用最为广泛的一种数据采集系统 南瑞继保电气公司的 RCS900 保护 中都用这种数据采集系统 图 1 2 画出了该数据采集系统的原理框图 各种保护根 据需要有若干个模拟信号需要采样 例如南瑞继保电气公司的线路保护采样八个量 以及线路电压 而电压不从 TV 的开口三角处采 a u b u c u a i b i c i 0 3i x u 0 3u 样 而用三个相电压相加的自产方法获得 各个模拟量有各个独立的采样通道 0 3u 通过多路转换开关若干个模拟量用一个 A D 转换成数字量 下面对图 1 2 所示的原理框图中的各个环节加以说明 1 交流变换器 它的作用有两个 将从 TV TA 来的高电压 大电流变换 成保护装置内部电子电路所需要和允许的小的电压信号 电气隔离和屏蔽作用 从 TV TA 来的电气量经过很长电缆接到保护装置 也引入了大量的共模干扰 交流 变换器一方面提供一个电气隔离 另一方面在一 二次线圈中加了一个接地的屏蔽 层 使共模干扰经一次线圈和屏蔽层之间的分布电容而接地 可以有效地抑制共模 干扰 2 LPF 模拟低通滤波器 它的作用是滤除高次谐波 这一方面是为了在采 样时满足采样定理 另一方面是为了减少算法的误差 因为有些算法是基于工频正 弦量得到的 谐波分量将加大算法的误差 为满足采样定理应将输入信号中的大于 频率的高次谐波滤除 2 s f 交流变换器L P FS H MPXA D a u b u 0 i 3 至微机主系统 图1 2 采用A D变换器的数据采集系统原理框图 精品文档 4欢迎下载 3 S H 采样保持器 采样保持器的作用为 能快速地对模拟量的输入电压进行采样 并将该电压 保持住 由于各个模拟量采样通道中的采样保持器是同时接受到采样脉冲的 所 以各个模拟量是同时采样的 在同一个采样周期内模数转换后的各个数字量反应的 是采样脉冲到来的同一瞬间各个模拟量的瞬时值 使各个模拟量的数值和相位关系 保持不变 各个模拟量的同时采样保证了反应两个及两个以上电气量的继电器 例 如方向继电器 阻抗继电器 相序分量继电器计算的正确性 4 MPX 模拟量的多路转换开关 MPX 是一种多路输入 单路输出的电子切换 开关 通过编码控制 电子开关分时逐路接通 将由 S H 送来的多路模拟量分时接 到 A D 的输入端 完成用一个 A D 对若干个模拟量进行模数转换工作 5 A D 逐次逼近式原理的模数转换器 它的作用是把模拟量转换为数字 量 将由多路转换开关送来的由各路 S H 采样保持器采样的模拟信号的瞬时值转换 成相应的数字值 由于模拟信号的瞬时值是离散的 所以相应的数字值也是离散的 这些离散的数字量由微机主系统中的 CPU 读取并存放在循环存储器中供保护计算时 使用 四四开关量的输入输出系统开关量的输入输出系统 微机保护有很多的开关量 接点 的输入 例如有些保护的投退接点 重合闸 方式接点 跳闸位置继电器接点 收信机的收信接点 断路器的合闸压力闭锁接点 以及对时接点等等 微机保护也有很多的开关量 接点 的输出 例如跳合闸接点 中央信号接点 收发信机的发信接点以及遥信接点等等 其中有些开关量是经过很 长的电缆才引到保护装置的 因而也给保护引入了很多干扰 为了不使这些干扰影 响微机系统的工作 在微机系统与外界所有接点之间都要经过光电耦合器件进行光 电隔离 由于微机系统与外部接点之间经过了电信号光信号电信号的光电转换 两者之间没有直接的电与磁的联系 保护了微机系统免受外界干扰影响 1 1 开关量输入系统开关量输入系统 图 1 3 表示出了开关量的输入系统 当外部接点闭合时 光耦的二极管内流过 驱动电流 二极管发出的光使三极管导通 因此输出低电平 当外部接点断开时 光电耦合器的二极管内不流过驱动电流 二极管不发光 三极管截止 因此输出高 电平 微机系统只要测量输出电平的高低就可以得知外部开关量的状态 开入专用 电源一般使用装置内电源输出的 24V 直流电源 对于某些距离远的接点必要时也可 外部接点 V5 开入专用电源 24V或220V 110V 电平输出 光电耦合器 图1 3 开关量输入系统 精品文档 5欢迎下载 用变电站的 220 110V 直流电源 装置提供强电的光电耦合电路 2 2 开关量输出系统开关量输出系统图 1 4 表示出了开关量的输出系统 当保护装置欲使输出开关 量接点闭合时 只要在控制端输入一个低电平使光电耦合器的二极管内流过驱动电 流 二极管发出的光使三极管导通 从而使继电器 J 动作 其闭合的接点作为开关 量输出 第二节第二节 微机保护的软件系统微机保护的软件系统 一一保护继电器的算法保护继电器的算法 在微机保护中各个继电器都是由其相应的算法实现的 例如工频变化量 有时 称做突变量 的电气量 电流 电压 的计算 基波或某次谐波分量电气量幅值的 计算 相序分量电气量幅值的计算 两电气量相角差的计算 相位比较动作方程的 算法等等 1 1 工频变化量电气量的计算工频变化量电气量的计算 在 RCS900 系列保护装置中用了很多工频变化量的继电器 在实现这些继电器时 先要计算出工频变化量的电流和电压值 以电流值为例 计算方法为 i u Nninii 1 1 上式中为每工频周波采样的次数 该式表示工频电流的变化量 瞬时值 是N 把当前时刻的电流瞬时值减去一周前的电流瞬时值而得到的 如果输入的工频电流 没有变化 则工频电流的变化量为零 如果在 和之间系统发生短路了 由于nNn 短路后电流发生了变化 于是工频电流的变化量不再是零 2 2 半周积分算法 半周积分算法 RCS900 保护中有些继电器是用半周积分算法实现的 例如两相电流差的突变量 起动元件 工频变化量的阻抗继电器等 V5 光电耦合器 图1 4 开关量输出系统 控制端 J QDJ J 继电器 操作电源 精品文档 6欢迎下载 假如输入信号是图 1 5 所示的工频正弦电流信号 该电流 tsinIti m1 信号绝对值的半周积分值为 1 11 0 1 2 0 1 222 1 II tcos I dttsinIS mm T m 2 于是该电流信号的有效值为 I 22 1 S I 1 3 对输入信号绝对值进行半周积分其物理概念是求输入信号在半周内的面积绝 对值之和 由 1 2 式可见 该积分值与初相角无关 180 t ti 图1 5 半周积分算法示意图 3 3 全周傅氏算法全周傅氏算法 目前在微机保护中应用得最广泛的是全周傅里叶 傅氏 算法 它的理论基 础是傅里叶级数 假设输入信号为一个周期性函数 它由基波分量 直流分 ti 量和各整次谐波分量构成 可表示为 ti 1 4 1 10 k kkm tkcosIIti 式中 直流分量 0 I 基频分量的角频率 1 11 2 f 第次谐波分量的幅值 初相角和角频率 为正整数 km I k 1 kkk 按复相量的表示方法 在初相角为时的第次谐波分量可表示为 k k k I 精品文档 7欢迎下载 1 5 IkRkkkkm j kmk jIIsinjcosIeII k 式中的实部和虚部分别为 k I Rk I Ik I 1 6 kkmRk cosII 1 kkmIk sinII 7 将 1 4 式展开并考虑到 1 6 和 1 7 式的关系可得到 1 8 1 110 1 110 k IkRk k kkmkkm tksinItkcosII sintksinIcostkcosIIti 根据三角函数在一个工频周期内的正交性可求得第次谐波分量的实部和 1 Tk 虚部的计算公式 dttkcosti T I T Rk 1 0 1 1 2 1 9 1 0 1 1 2 T Ik dttksinti T I 1 10 1 9 式中在其间的积分值是的函数波形在 tkcosti 1 1 0 T tkcosti 1 期间的面积 利用梯形法则该面积可用与基准余弦函数在 1 0 T ti tkcos 1 期间的采样值之乘积求和再乘以采样周期后的一块块矩形面积和来代替 1 0 T 考虑到在一个工频周期内 基准余弦函数的采样值为的 2 tkcos 1 Nkncos 2 关系后 1 9 式为 1 s N n Rk T N kncosni T I 1 0 1 22 11 将采样周期的关系代入上式 可得第次谐波分量的实部为 NTTs 1 k 1 1 0 1 1 0 1 2222 N n N n Rk N kncosni NN T N kncosni T I 12 同理可得第次谐波分量的虚部为 k 精品文档 8欢迎下载 1 1 0 22 N n Ik N knsinni N I 13 得知第次谐波分量的实部和虚部以后 根据 1 5 式可求得次谐波分量的有效kk 值和初相角为 1 RkIkk IkRkk IIarctg III 2 22 14 一般的继电保护原理是反应工频电气量的 所以关心的是基波分量 这时只 要将 1 12 1 13 和 1 14 式中取 即可求得基波分量的实部 虚部 1 k 有效值和初相角为 1 1 0 1 22 N n R N ncosni N I 15 1 1 0 1 22 N n I N nsinni N I 16 1 111 2 1 2 11 2 RI IR IIarctg III 17 考虑到 1 15 式中的标准基波余弦函数的采样值在时其值 Nncos 20 n 为 1 同时考虑到对一个周期性函数有的关系后 1 ni 2200 Ni ii 15 式有时也可用下式求得 1 1 1 1 2 12 0 2 12 N n R Ni N ncosnii N I 18 同理 用全周傅氏算法也可以求得任意整数次谐波分量的幅值和相位 所以在 继电保护中根据保护的原理也经常用这种算法求得二次 三次 五次谐波分量的幅 值 从上述原理推导中还可知 这种算法在求某个整数次谐波分量幅值时并不受其 它各个整数次谐波分量的影响 也就是说这种算法有很强的滤波功能 其幅频特性 为在所求的频率上输出的幅值最大 在其它整数次的谐波频率 包括直流 上幅值 为零 4 4 基于傅氏算法的滤序算法基于傅氏算法的滤序算法 A B C 座标与 1 2 0 座标有一个互换关系 众所周知 已知 A B C 相 的相电压求正 负 零序电压的方法为 精品文档 9欢迎下载 1 CBA CBA CBA UUUU UaUaUU UaUaUU 3 1 3 1 3 1 0 2 2 2 1 19 式中为算子 a 2 3 2 10 120 jea j 2 3 2 10 2402 jea j 三相电压用复相量表达 即用各相电压的实部和虚部表达为 A U B U C U 1 SCCCC SBCBB SACAA jUUU jUUU jUUU 20 将 1 20 式以及算子表达式代入 1 19 式中的式 即用各相电压的实 1 U 部和虚部来表达正序电压为 11 2 1 2 3 2 1 2 3 2 1 3 1 3 1 SC SCCCSBCBSACA CBA jUU jUUjjUUjjUU UaUaUU 1 21 式中 分别为正序电压的实部与虚部 它们为 1C U 1S U 1 U 1 SCCCSBCBSAS SCCCSBCBCAC UUUUUU UUUUUU 2 1 2 3 2 1 2 3 3 1 2 3 2 1 2 3 2 1 3 1 1 1 22 用全周傅氏算法求出各相电压的实部虚部后代入 1 22 式求出正序电压的 实部和虚部 再根据 1 21 式求出正序电压的有效值和初相角为 111 2 1 2 11 2 CS SC UUarctg UUU 1 23 同理 负序电压的算式为 精品文档 10欢迎下载 221 2 2 2 22 2 2 222 2 2 1 2 3 2 1 2 3 3 1 2 3 2 1 2 3 2 1 3 1 CS SC SCCCSBCBSAS SCCCSBCBCAC SC UUarctg UUU UUUUUU UUUUUU jUUU 1 24 零序电压的算式为 001 2 0 2 00 0 0 000 2 3 1 3 1 CS SC SCSBSAS CCCBCAC SC UUarctg UUU UUUU UUUU jUUU 1 25 这种算法由于用全周傅氏算法计算实部和虚部 所以滤波性能好 但数据窗 为 数据窗较长 这种算法在 RCS900 保护中得到了应用 N 第二章第二章 线路保护及重合闸线路保护及重合闸 第一节第一节零序电流方向保护零序电流方向保护 一一零序电流方向保护及其作用零序电流方向保护及其作用 在中性点直接接地的高压电网中发生接地短路时 将出现零序电流和零序电压 利用上述的特征电气量可构成保护接地短路故障的零序电流方向保护 统计资料表明 在中性点直接接地的电网中 接地故障点占总故障次数的 90 左右 作为接地保护的零序电流方向保护又是高压线路保护中正确动作率最高的一 种 在我国中性点直接接地系统不同电压等级电力网线路上 按国家 继电保护和 安全自动装置技术规程 以下简称 技术规程 规定 都装设了零序电流方向保 护装置 带方向性和不带方向性的零序电流保护是简单而有效的接地保护方式 它主要 由零序电流滤过器 电流继电器和零序方向继电器以及与收发信机 重合闸配合使 用的逻辑电路所组成 现今 大接地电流系统中输电线路接地保护方式主要有纵联保护 零序电流方 向保护和接地距离保护等 它们都与系统中的零序电流 零序电压及零序阻抗密切 相关的 实践表明零序电流方向保护在高压电网中发挥着重要作用 成为各种电压等级 高压电网接地故障的基本保护 即使在装有接地距离保护作为接地故障主要保护的 精品文档 11欢迎下载 线路上 为了保护经高电阻接地的故障和对相邻线路保护有更好的后备作用 也为 了保证选择性 仍然需要装设完整的成套零序电流方向保护作基本保护 二二零序电流方向保护的优缺点零序电流方向保护的优缺点 带方向性和不带方向性的零序电流保护是简单而有效的接地保护方式 其主要 优点是 1 经高阻接地故障时 零序电流保护仍可动作 由于本保护反应于零序电流 的绝对值 受故障过渡电阻的影响较小 例如 当 220 千伏线路发生对树放电故障 故障点过渡电阻可能高达 100 欧姆 此时 其他保护大多数将无法动作 而零序电 流保护 即使定值高达几百安培尚能可靠动作 0 3I 2 系统振荡时不会误动 零序电流方向保护不怕系统振荡是由于振荡时系统 仍是对称的 故没有零序电流 因此零序电流继电器及零序方向继电器都不会误动 3 在电网零序网络基本保持稳定的条件下 保护范围比较稳定 由于线路零 序阻抗比正序阻抗一般大 3 3 5 倍 故线路始端与末端短路时 零序电流变化显著 零序电流随线路保护接地故障点位置的变化曲线较陡 其瞬时段保护范围较大 对 一般长线路和中长线路可以达到全线的 70 80 性能与距离保护相近 而且在装 用三相重合闸的线路上 这里是指的三跳出口方式 多数情况 其瞬时保护段尚有 纵续动作的特性 即使在瞬时段保护范围以外的本线路故障 仍能靠对侧开关三相 跳闸后 本侧零序电流突然增大而促使瞬时段起动切除故障 这是一般距离保护所 不及的 为零序电流保护所独有的优点 4 系统正常运行和发生相间短路时 不会出现零序电流和零序电压 因此零 序保护的延时段动作电流可以整定得较小 这有利于提高其灵敏度 并且 零序电 流保护之间得配合只决定于零序网络得阻抗分布情况 不受负荷潮流和发电机开停 机的影响 只需要零序网络阻抗保持基本稳定 便可以获得良好的保护效果 5 结构与工作原理简单 零序电流保护以单一的电流量为动作量 只需要用 一个继电器便可以对三相中任一相接地故障作出反应 因而运行维护简便 其正确 动作率高于其他复杂保护 同样又因为整套保护中间环节少 动作快捷 有利于减 少发展性故障 特别是近处故障的快速切除是很有利的 在 Y 接线的降压变压器 三角形绕组侧以后的故障不会在星形绕组侧反映出零序电流 所以零序电流保护的 动作时限可以不必与该种变压器以后的线路保护配合而可取得较短的动作时限 零序电流保护的缺点是 零序电流保护的缺点是 1 对于短线路或运行方式变化很大的情况 保护往往不能满足系统运行所提 出的要求 2 当采用自耦变压器联系两个不同电压等级的网络时 例如 110kV 和 220kV 电网 则任一网络的接地短路都将在另一网络中产生零序电流 这将使零序保护的 整定配合复杂化 并将增大延时段的动作时限 3 当电流回路断线时 可能造成保护误动作 运行时要注意防范 如有必要 还可以利用零序电压突变量来闭锁的方法防止这种误动作 4 当电力系统出现不对称运行时 也要出现零序电流 例如变压器三相参数 不对称 单相重合闸过程中的两相运行 三相重合闸和手动合闸时的三相开关不同 期以及空投变压器时的不平衡励磁涌流等等 都可能使零序电流保护误动作 必须 采取措施 5 地理位置靠近的平行线路 由于平行线间零序互阻抗的影响 见第二章第 精品文档 12欢迎下载 三节九的分析 可能引起零序电流方向保护的保护区伸长 零序电流方向继电器误 动等 尽管零序电流保护有以上缺点 但总可以采取措施克服 所以在各级高压电网 中 零序电流保护以其简单 经济 可靠 而获得了广泛的应用 三三反时限零序电流保护反时限零序电流保护 随着电力系统网架的快速扩大 500kV 自耦变压器 220kV 超短线路及短线路群 的投入 零序序网随运行方式变化而越发复杂 造成零序电流保护的整定配合困难 应用受到了限制 微机型线路保护在全网线路上的采用 为此提供了可靠 灵活的 解决途径 在微机线路保护装置中具备阶段式接地距离保护 阶段式零序电流保护 或者还具有反时限零序电流保护 接地距离保护的缺点是受接地电阻的影响太大 过大的接地电阻将造成拒动 技术规程 明确提出 对 220kV 线路 当接地电阻不大于 100 欧姆时 保护应能 可靠地切除故障 a 宜装设阶段式接地距离保护并辅之用于切除经电阻接地故障的 一段定时限和 或反时限零序电流保护 b 可装设阶段式接地距离保护 阶段式零 序电流保护或反时限零序电流保护 根据具体情况使用 为此 一段定时限零序电 流或是阶段式零序电流保护的最末段 其动作电流整定值不大于 300A 电网只保留 零序电流长延时最末段 对于复杂电网而言在配合上非常困难 在运行中因最末段 无法满足时限配合关系 也存在着无选择性跳闸的隐患 因此 采用反时限零序电 流保护功能 全网使用统一的启动值和反时限特性 接地故障时按电网自然的零序 电流分布以满足选择性 反时限零序电流继电器的时限 电流特性按国际电工委员会标准 IEC255 4 一般反时限特性 其表达式为 P P t II t 1 14 0 02 0 式中 继电器的动作时限 t 时间系数 P t 起始动作电流 P I 继电器通入的电流 I 四四零序方向继电器零序方向继电器 对零序方向继电器的最基本要求是利用比较零序电压和零序电流的相位来区分 正 反方向的接地短路 精品文档 13欢迎下载 0l Z MN F 0 I 0 U 0K U 0S Z 0R Z 0 FF 0 I 0 U 0K U 0 F M N a 正方向短路 b 反方向短路 0 I 0S0Z I 0 U 0 100 0 I 0R0l00 ZZIU 0 80 c 正方向短路相量图 d 反方向短路相量图 图2 1 正 反方向接地短路时的零序序网图和相量图 正 反方向接地短路时 零序电压和零序电流的夹角 正 反方向接地短路时 零序电压和零序电流的夹角 设零序方向继电器装在 MN 线路的 M 侧 在图 2 1 所示的零序序网图中 加在继 电器的上的零序电压 电流按传统方式规定它的正方向 零序电压的正方向是母线 电压为正 中性点电压为负 图中电压箭头表示电位升方向 零序电流以母线流向 被保护线路方向为其正方向 900 系列线路保护中的零序方向继电器采用比较零序功率的方法实现 2 1 l IUP cos33 000 为线路零序阻抗的阻抗角 取 l 0 80 为超前于的夹角 0 3U 0 3I 00 IUarg 1 1 正方向故障时 正方向故障时 根据图 2 1 a 所示的正方向短路的零序序网图 按上述规定的电压 电流正 方向可得 2 2 000S ZIU 如果系统中各元件零序阻抗的阻抗角都为 正方向短路时根据 2 2 式 0 80 精品文档 14欢迎下载 零序电压超前零序电流的角度为 2 3 00 0000 100180 SS ZargZargIUarg 正方向短路时的相量图示于图 2 1 c 中 因此得 00 00 000 33 80100cos 33 cos33 IU IU IUP l 为负的最大值 故而正方向的零序方向继电器的动作方程可定为 2 4 当1当2033 当5当133 000 000 AI VA cosIUP AI VAcosIUP Nl Nl 在正方向短路时正方向的零序方向继电器可以灵敏动作 2 2 反方向短路时 反方向短路时 根据图 2 1 b 所示的反方向短路的零序序网图 按上述规定的电压 电流正 方向可得 2 5 ZZ IU Rl0000 反方向短路时根据 3 5 式 零序电压超前零序电流的角度为 2 6 0 0000 80 Rl ZZargIUarg 反方向短路时的相量图示于图 2 1 d 中 当反方向短路时得 00 00 000 33 8080cos 33 cos33 IU IU IUP l 为正的最大值 故而反方向的零序方向继电器的动作方程为 2 7 VAcosIUP l 033 000 在反方向短路时 反方向的零序方向继电器可以灵敏动作 反方向的零序方向 继电器的动作边界为 而正方向的零序方向继电器的动作边界定为 当电流 VA0VA1 互感器二次额定电流是 5A 时 这是为了让反方向元件的灵敏度高于正方向的元件 灵敏度 使它动作后闭锁优先 在零序电流方向保护中使用的零序方向继电器无需正 反方向两个方向继电 器 只需要正方向的零序方向继电器 五五零序电流方向保护的应用零序电流方向保护的应用 在中性点直接接地电网中 接地故障占总故障次数的绝大部分 零序电流方向 保护简单可靠 灵敏度高 特别是在高电阻接地故障时 保护范围比较稳定 所以 在输电线路保护中获得了广泛的应用 技术规程 和 电网继电保护装置运行整定 规程 以下简称 整定规程 都对零序电流方向保护的应用作了原则的说明 另 外 高压线路继电保护装置统一设计原则的 四统一 以下简称 四统一 总结 了我国高压线路继电保护多年来的设计 制造和运行经验 具有指导意义 精品文档 15欢迎下载 1 1 110kV110kV 线路零序电流方向保护线路零序电流方向保护 单侧电源线路的零序电流保护一般为三段式 终端线路也可以采用二段式 双 侧电源复杂电网线路零序电流保护一般为四段式或三段式 在需要改善配合条件 压缩动作时间的线路 零序电流保护宜采用四段式的整定方式 按三段式运行时 可设两个第一段 在具体电网线路上 零序电流大小与接地故障的类型有关 单相接地故障和两 相接地故障时流过短路点的零序电流和分别为 1 0K I 1 1 0K I 01 0 1 0 2ZZ U I K K 01 0 01 1 001 0 1 1 0 2 ZZ U ZZ Z ZZZ U I KK K 考虑了电流分配系数 则线路侧保护得到的电流分别为 0 C 01 0 0 1 0 2ZZ U CI K 01 0 0 1 1 0 2ZZ U CI K 式中为短路点在短路前的电压 为系统对短路点的综合正序 零 0 K U 1 Z 0 Z 序阻抗 系统内各元件的正序阻抗等于负序阻抗 由上式可知 当 1 Z 0 Z 1 0 I 1 1 0 I 当 时 2000 次插拔 2000 次插拔 图 2 38 光纤连接器 2 2 通信简介通信简介 光纤通信发展史不长 但光纤通信的发展是非常迅猛的 从 1966 年 光纤之父 高锟博士首次提出光纤通信的想法 到 1970 年贝尔研究所研制出室温下可连续工作 的半导体激光器 同年康宁公司制出损耗为 20dB km 光纤 到了 1977 年芝加哥第一 条 45Mb s 的商用线路投入运行后 光纤通信的发展趋势愈加迅速 目前电力系统中 主要运行的光纤通信设备的速率为 622Mb s 和 2 5Gb s 目前最高商用系统 10Gb s 大容量 超高速是光纤通信的发展方向 精品文档 63欢迎下载 光纤通信和其它通信系统相似 但光纤通信有其自身的特点 和光纤通信密切 相关的是同步数字系列 SDH 传输体系和自愈环网 SDH 传输网具有智能化的路由 配置能力 上下电路方便 维护 监控 管理功能强等优点 光接口标准统一等优 点 SDH 传输技术体制的出现是光纤通信传输网技术的一次革命 是现阶段信息高 速公路的主干道 SDH 传输系统的特点 采用世界上统一的标准传输速率等级 最基本的模块称 为 STM 1 传输速率为 155 520 Mb s SDH 各网元的光接口有严格的标准规范 有 利于建立统一的通信网络 在帧结构中安排了丰富的开销比特 便于网络的运行 维护和管理 采用数字同步复用技术 简化了复接分接的实现设备 十分简便 采 用数字交叉连接设备 DXC 可以对各端口速率进行可控的连接配置 对网络资源进行 自动化的调度和管理 提高了网络的灵活性及对各种业务变化的适应能力 光纤通信组网方式 环形网是一种有很强自愈能力的网络拓扑结构 具体分为 两纤单向通道保护环 两纤单向复用段保护环 两纤双向通道保护环 四纤双向复 用段保护环等 3 3 光纤通讯器件 光纤通讯器件 在光纤通讯系统中 必须要有光 电 电 光能量转换器件 将电信号变成光信 号 在光纤中传输 并将光纤中的光波信号还原成电信号 通常将电信号变成光信 号的器件称为光纤发射器件或光源 将光信号转换为电信号的器件称为光纤接收器 件 1 1 光纤发送器件 光纤发送器件 光源光源 光源的用途是将电信号转换成为光信号 并耦合入光纤中传输 在光纤通讯中 用作光源折器件有两种 发光二极管 LED 和激光二极管 LD 不论是 LED 或 是 LD 均可做成 0 85 m 1 3 m 或 1 55 m 波长的器件 若所耦合的光纤为多模 光纤 则为多模光源器件 耦合的光纤为单模光纤 则为单模光源器件 当有电流流过光源器件时 光源器件受激发射出特定波长的光束 LED 的光发 射呈球幅射 发射角度大 其光信号耦合入光纤中的效率低 LD 的光发射呈直线 发射角度小 其光信号耦合入光纤中的效率高 见图 2 39 图 2 39 光源发光方式 LED 与 LD 各种性能比较见下表 器 件 输出功率驱动电源 频响范 围 驱动电 路 热稳定 性 调制噪 声 价格 LED 10 100 20 200mA 50MHz 简单稳定小便宜 精品文档 64欢迎下载 w LD 2mw 20mw 100mA 1GHz 复杂不稳定大很贵 图 2 40 LED 驱动电路及外形 2 2 光纤接收器件 光纤接收器件 光纤接收器件是将光纤中耦合的光信号转换为电信号 常用的光纤接受器件有 两种 一是 PIN 二极管 另一是雪崩二极管 APD 两者性能如下表 光接 收 器件 收光面 积 mm2 灵敏 度 dBm 响应度 A W 外加偏 压 V 动态范 围 dB 带宽杂音价格 PIN 0 3 3 58 0 4 0 7 10 30 60 1 2GHz小便宜 APD 0 8 8 70 10 70 250 35 0 20 90 150MHz大贵 由于价格及所加偏压的选择 在继电保护应用中 一般选用 PIN 二极管 光接 收器件是将所收到光信号的强弱程度反映为 PIN 管中感应电流的大小 一般接收检 测回路中还要经过电流放大器放大 有的光接收器件是将 PIN 直接与前置电流放大 器集在一起 PIN FET 组件 见图 2 41 其接收光信号的大小直接转换成电压信号 的大小输出 图 2 41 PIN FET 组件 3 3 基本光纤通讯系统 基本光纤通讯系统 精品文档 65欢迎下载 一个基本光纤通讯系统应用这样几个部分组成 见图 2 42 发送调制 光源 光纤连接器 光纤通道 光纤接收器 接收解调 对于长线路 光纤通道中间应增 设一个或多个光中继设备 由于继电保护专用光纤通道一般用于短线路 因此在实 际工程 无需增设中继设备 图 2 42 基本光纤通信系统 发送调制就是将所需传送的保护信号 模拟电流信号或跳闸命令信号 变换成 能够采用光纤通道传输的脉冲信号方式 常用的调制方式有脉码调制 PCM 脉宽 调制 PWM 移频键控 FSK 等 接收解调即将有关脉冲方式的信号还原成相应的 保护信号形式 在长途光纤通信系统中 每隔一段距离需设置中继器 以把经过长距离传输衰 减变得很微弱并畸变的光信号进行光监测变成电信号 经放大整形再生后驱动光源 产生光信号再送入光纤传输 这就是传统的光 电 光中继器 当前 光放大器已 经成熟 其增益高 输出功率大 噪声低 带宽大 码速透明 完全可以替代光 电 光中继器 正推动着光纤通信向全光通信技术发展 对于一条光纤通道 整个通路的衰耗及接收裕度计算如下 假定一条光纤系统 LED 输出功率为 20dBm 1 3 m 单模 PIN FET 的灵敏度 40dBm 光纤长度 5Km 一般光纤拉丝成缆的长度为 2Km 因此 5Km 光纤就要有 2 个熔接点 并且两侧 的连接器还有两个熔接点 其光纤通路的衰耗为 光纤衰耗 0 4dB Km 5 2dB 熔接点 0 2dB 个 4 0 8dB 连接器 0 5dB 个 2 1dB 通道总衰耗 3 8dB LED 输出功率 20dBm 总衰耗 3 8dB 实际接收电平 23 8dBm 接收灵敏度 PIN FET 40dBm 接收裕度 16 2dB 由计算可知 该光纤通道的衰耗为 3 8dB 接收裕度为 16 2dB 一般为了工作 可靠 要求收信裕度大于 5dB 即接收电平大于 35dB 由于目前大多数 SDH 设备只提供 E1 2048kb s 速率的业务接口 继电保护及 其它电力系统的业务也只能通过该接口连接到通信网中 对于速率更低的业务 通 过在 E1 接口上外挂 PCM 设备 可以提供 64kb s 的业务和其它低速业务 相应的通 信系统更显复杂 4 4 光纤通道光纤通道 精品文档 66欢迎下载 光纤保护装置 光纤差动 光纤距离 光纤方向 光纤命令 光纤稳控等 内部光 纤通信接口的原理框图如下 数据发送 从SCC来 码型变换 光纤发送 主 光纤 数据接收 去SCC 码型变换 光纤接收 主 光纤 时钟提取 DPLL 发时钟 内部时钟 64kHz晶 振 从串行通信控制器 SCC 来的数据经过光纤发送码型变换后 去调制光发射器 LD 将连续变化的数据码流变成连续变化个光脉冲 在接收时 对弱的光信号 进行放大 整形 再生成数据码流 送给串行通信 控制器 供 CPU 读取 继电保护用光纤通道种类比较多 以光纤差动保护为例来描述有专用光纤 纤 芯 传输通道和复用通信设备传输通道 专用纤芯方式相对比较简单 运行的可靠性也比较高 保护动作性能能够得到 保障 日常的运行维护工作量也很少 已经得到了广泛的使用 有条件的地区 220kV 及以下线路光纤保护多采用专用纤芯方式 目前专用纤芯工作方式完全可以 运行在 120KM 及以下的光缆长度上 复用通信设备传输通道涉及的中间设备较多 通信时延也较长 运行的可靠性 较低 保护动作性能不能得到保障 日常的运行维护工作量也比较大 问题查找不 易 是以牺牲保护装置的性能 来换取通信资源的利用率的 精品文档 67欢迎下载 5 5 接口装置接口装置 用来完成将保护装置的光信号转换成通信设备所能接收的标准电信号 根据通 信设备所能提供的电接口速率 可以分为 64kbit s 和 2048kbit s 两类 接口装置同常安装在变电站的通信机房 通过电缆 64k 时使用屏蔽双绞线或 2048k 时使用同轴电缆 和通信设备相连 通过光缆和保护设备相连 通信机房的通信设备一般只提供电接口的业务 在 G 703 中对业务端接口的物 理电平有严格的定义 无论是 64kbit s 还是 2048kbit s 速率都是三电平信号 这 样才能保证各个厂家的通信设备都能够和业务端互连 互通 而光通道中传输的是 二电平码流 这就需要转换成三电平码流 二电平码流含有直流分量 信号在通信 设备内部传输时 不能含有直流分量 且低频分量应尽量少 这是因为在终端机和再 生中继器的靠外侧 加有脉冲变压器 对直流分量起阻碍作用 并且对低频成分衰 减也较大 经通信单元将各路信号复用后 再转换成二电平光信号传传至远方 这 就要求继电保护传输的数据线路码流频谱中消除长 0 和长 1 并包含定时时钟 信息 接收端经过变换得到时钟信息 使得接收端时钟和发送端时钟保持同步 数字复接接口的功能 把收到的光信号变成电信号 把收到的电信号变成光信 号 将接收到光的单极性 二电平 码转换成通信的双极性 三电平 码 将通信 双极性码转换成光的单极性码 6 6 通道联调与常见问题通道联调与常见问题 1 1 专用纤芯通道的联调 专用纤芯通道的联调 光纤保护使用专用光纤通道时 由于通道单一 所以出现的问题相对较少 解 决起来也较为方便 一般需要用光功率计 进行线路两侧的收 发光功率检测 并 记录测试值 最好能在不同天气 晴 雨 雪等 不同时间 早 中 晚 检测多 次 这样能检测出光纤熔接点存在的问题 尤其是对一些长线路 由于熔接点多 熔接点的质量直接影响线路的总衰耗 复用通信设备传输通道的联调 对于复用传输通道来讲 由于传输中间环节多 时延长 出现问题的概率也大 得多 大量的通道联调问题均为此类问题 由于保护人员不熟悉通信设备 遇到此 类问题时 缺乏手段和经验 很难迅速地解决问题 因此我们建议通信人员在光纤 保护通道联调之前 必须先进行通道测试 以确定通道的信号传输质量 尽量减少 通道联调中可能出现的问题 在进行通道联调时 应根据实际运行的通道工况来进行测试 即若保护设备工 精品文档 68欢迎下载 作在 64kbit s 则测试应在 64kbit s 速率上进行 若保护工作在 2048kbit s 则 测试应在 2048kbit s 速率上进行 要求测试时间至少为 24 小时 并且尽可能长 只有在线路两侧测试均无误码后 才能将保护设备接入通道 进行跨通道的保护调 试 在没有误码仪时 通道联调将会比较困难 如果光纤保护具有自环测试功能 可借助此功能进行多次测试 逐步逼近实际运行通道 2 2 通道联调中遇到的常见问题 通道联调中遇到的常见问题 通信时钟的设置 在复用通信设备传输通道是 就 64kbit s 和 2048kbit s 两种传输速率时 保护设备的通信时钟设置是不一致的 必须参考保护厂家 的说明书 光纤连接时 光纤接头多为 FC 型 在连接时请注意尾纤接头 法兰盘 光器 件的表面清洁 如有需要可用棉球 丝绸沾无水酒精清洁 连接时注意一定 要将尾纤 FC 接头的凸台对准 FC 连接器的缺口 然后将接头插到连接器里 使凸台完全卡入缺口中 用手旋紧 FC 接头的外壳 光纤 尾纤的盘绕与保护 尽量避免光纤弯曲 折叠 过大的曲折会使光 纤的纤芯折断 在必须弯曲时 必须保证弯曲半径必须大于 3cm 直径大于 6cm 否则会增加光纤的衰减 光缆 光纤 尾纤铺放 盘绕时只能采用圆 弧型弯曲 绝对不能弯折 不能使光缆 光纤 尾纤呈锐角 直角 钝角弯 折 对光缆 光纤 尾纤进行固定时 必须用软质材料进行 如果用扎线扣 固定时 千万不能将扎线扣拉紧 第七节第七节 电压及电流互感器断线的判据及对保护的处理电压及电流互感器断线的判据及对保护的处理 一一TVTV 断线的判别及处理断线的判别及处理 1 1 TVTV 断线的判别断线的判别 TV 断线时由于起动元件没有起动 保护还不会误动 TV 断线的判别方法必需能 判别一相 两相和三相断线 它有以下几部分构成 1 当 且起动元件不起动 延时 1 25 秒判 TV 断线 本判据用以VUUU cba 8 判别 TV 二次的一相和两相断线 2 当使用母线电压互感器时 满足 且起动元件不动VUUU cba 8 VU 33 1 作 延时 1 25 秒判 TV 断线 本判据在使用母线电压互感器时 可检测出电压互感器 的三相断线 3 当使用线路电压互感器时 除满足 且起动元件不VUUU cba 8 VU 33 1 动作几个条件外 再加之满足任意一相有电流 为电流互感器二次的 N I I080 N I 额定电流 或者跳闸位置继电器 TWJ 不动作的条件 延时 1 25 秒判 TV 断线 本 判据在使用线路电压互感器时 可检测电压互感器的三相断线 上述使用母线电压互感器还是使用线路电压互感器由定值单中的控制字选定 有 关 TV 断线原理的分析可参阅第一章第十二节 2 2 判出判出 TVTV 断线后对保护的处理断线后对保护的处理 装置判出 TV 断线后除发装置异常信号点亮面板上的 TV 断线信号灯外 在保护 功能方面还作如下处理 精品文档 69欢迎下载 闭锁距离保护 以防在 TV 断线