110KV输电线路继电保护系统设计

目 录第一章 绪论11.1概述11.2输电线路保护的现状及发展11.3论文主要内容1第二章 输电线路故障分析与保护配置12.1故障分析12.2输电线路保护主要形式12.3本线路保护主配置12.4距离保护的整定计算方法1第三章 线路距离保护原理与整定计算13.1距离保护研究现状13.2 距离保护的概述13.3 距离保护的原理13.4距离保护的整定计算1第四章 微机保护装置硬件设计14.1微机保护装置的硬件构成14.2微机保护的算法基础14.3微机保护装置硬件设计1第五章 110KV线路保护主程序流程图15.1主程序流程图15.2中断服务程序流程图1第六章 总结1附 录1参考文献1致 谢1江西理工大学2012届毕业论文第一章 绪论1.1概述继电保护装置是指安装在被保护元件上，反应被保护元件故障或不正常运行状态并作用于断路器跳闸或发出信号的一种装置。1.1.1继电保护的作用电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源。电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是，电力系统的组成元件数量多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响，可能出现各种故障和不正常运行状态.故障中最常见，危害最大的是各种型式的短路。为此，还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在内的各种运行状态实施控制这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。 1.1.2继电保护的基本任务继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性，最大限度地保证向用户安全供电因此，继电保护是电力系统重要的组成部分，是保证电力系统安全可靠运行的不可缺少的技术措施.在现代的电力系统中，如果没有专门的继电保护装置，要想维持系统的正常运行是根本不可能的。这就要求继电保护装置必须具备以下基本任务是:一、自动、迅速、有选择性地仅将故障元件从电力系统中切除，并最大限度地保证其他无故障的部分迅速恢复正常运行二、能对电气元件的不正常运行状态作出反应，并根据运行维护规范和设备承受能力动作，发出告警信号，或减负荷，或延时跳闸三、条件许可时，可采取预定措施，尽快地恢复供电和设备运行。1.1.3继电保护的基本要求对作用于跳闸的继电保护装置，在技术上有四个基本要求，即“四性”：选择性、速动性、灵敏性和可靠性。一、选择性要求继电保护装置有选择地动作，仅将故障元件切除并希望停电范围尽可能地小。有相对选择性和绝对选择性之分，当有保护拒动时为前者，反之则为后者。二、速动性速动性就是指继电保护装置应能尽快地切除故障。以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下的工作时间，缩小故障元件的损坏程度。因此，在发生故障时，应力求保护装置能迅速动作。基本规律是电压等级越高，切除越要快，一般220KV电压等级为0.2s, 1035KV电压等级为1.5s。三、灵敏性灵敏性是指电气设一备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部发生故障时不论短路点的位置、短路的类型如何，都能敏锐感觉，正确反应。四、可靠性可靠性是指继电保护装置在其保护区发生故障时，不拒动;而在其非保护区发生故障时不误动。继电保护装置的误动或拒动都会给电力系统造成严重的危害。因此，有很高的可靠性是非常重要的，在使用继电保护装置时，必须满足可靠性的要求。1.1.4继电保护的设计原则关于电网继电保护的选择在“技术规程”中已有具体的规定，一般要考虑的主要规则为:一、电力设备和线路必须有主保护和后备保护，必要时增加辅助保护，其中主保护主要考虑系统稳定和设备安全;后备保护主要是考虑主保护和断路器拒动时用一于故障切除:辅助保护是补充前二者的不足或在主保护退出时起保护作用。二、线路保护之间或线路保护与设备保护之间应在灵敏度、选择性和动作时间上相互配合，以保证系统安全运行。三、对线路和设备所有可能的故障或异常运行方式均应设置相应的保护装置，以切除这些故障和给出异常运行的信号。四、对于不同电压等级的线路和设备，应根据系统运行要求和技术规程要求，配置不同的保护装置.一般电压等级越高，保护的性能越高越完善，如330KV以上线路或设备的主保护采用“双重化”保护装置等。五、所有保护装置均应符合可靠性、选择性、灵敏性和速动性要求。1.1.5继电保护装置的构成继电保护装置可视为由测量部分、逻辑部分和执行部分等部分组成功能如下。信号输出信号执行部分逻辑部分测量部分整定值图1-1 继电保护装置构成部分（1）测量部分对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，来判断保护是否应该启动部件（2）逻辑部分逻辑部分是根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传给执行部分的部件。（3）执行部分执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的对外操作的任务的部件。如检测到故障时，发出动作信号驱动断路器跳闸:在不正常运行时发出告警信号；在正常运行时，不产生动作信号。1.2输电线路保护的现状及发展电力系统在运行中，可能会发生各种故障和部正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路。在发生短路时可能产生严重的后果，包括；第一，通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏；第二，短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命；第三，电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量;第四，破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择行地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行地最有效方法之一。切除故障地时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有在每个电气元件上装设保护装置才有可能满足这个要求。这种保护装置直到目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备地组合构成的。这样我们称这些保护装置为继电保护装置。它的基本任务是自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行，并且反应电气元件的不正常运行状态，根据电力系统及元件的危害程度一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。在大型高压的电网中，距离保护作为继电保护的一种主要保护装置，我们常将距离保护应用与于这些电网中。距离保护是反应故障点到保护安装地点之间的距离(或阻抗)，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。相对于电流和电压保护，应用于高压电网中，更能满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求。1.3论文主要内容了解和掌握线路继电保护情况（1）了解电力系统运行中的常见故障类型，并对其进行分析。（2）了解电力系统的运行方式。（2）了解距离保护基本原理与构成，及其工作方式。（3）对线路的微机继电保护硬件部分进行设计。第二章 输电线路故障分析与保护配置由于架空线路分布很广，又长期处于露天之下运行，所以经常会受到周围环境和火自然变化的影响，从而使线路在运行中会发生各种各样的故障。据历年运行情况统计，在各种故障中多属于季节性故障，为了防止线路在不同季节发生事故，保证线路连续不断地安全供电，就必须对运行中的线路进行巡视，观测、维护和检修。做好预防工作，以便及时发现缺陷，消除隐患，一般影响线路正常运行的一切现象统称为故障。2.1故障分析2.1.1故障引起原因一、雷害线路遭受雷击引起绝缘子串闪络故障，有时会引起绝缘子断串，可能在线夹到防振锤之间的导线上留下痕迹，而且闪络面积大或断线等事故。二、大风风速超过或接近设计风速，加之线路木身的局部缺陷，如超过杆塔机械强度，使杆塔倾倒或损坏等，使导线产生振动、跳跃和碰线，从而引起故障;同塔双回线路若不同步风摆可能造成混线短路故障.三、洪水暴雨雷雨季节、季节洪水冲刷杆塔基础，从而引起基础边坡塌方、塔基裂缝、沉降或是更严重的倒杆倒塔故障.四、外力破坏线路遭到人为的破坏而引起故障。例如线路附近开挖土石方引起的杆塔倾斜或倾倒；线路附近操作起吊施工机械(或来往车辆)碰撞导线或杆塔、拉线等，造成的断线、倒杆故障，又如在线路附近放风筝、超高树林、漂浮物、火烧山、盗窃等。这些都会造成线路故障影响线路的正常运行，也可能造成严重的事故。五、覆冰当线路导线、避雷线上出现严重覆冰时，首先是加重导线和杆塔的机械负荷，使导地线弧垂过分增大，从而造成混线、断线或倒杆倒塔、横担变形；当导线、避雷线上的覆冰脱落时，又会引起导线舞动造成导线之间或导线与避雷线之间短路故障。六、污闪在工业区，特别是化工区或其它极污染源的地区，所产生的尘污或有害气体，会使绝缘子的绝缘能力显著降低，以致在潮湿多雾或下毛毛雨的天气。绝缘子串往往发生大面积的污秽闪络，造成停电事故，有此氧化作用很强的气体，则会腐蚀金属塔、导线、避雷线和金具等。七、鸟害鸟在杆塔上筑集或线路的杆塔上停落，芦苇、稻草、鸟大便，有时大鸟穿过导线飞翔，均可能造成线路接地或短路。八、本体缺陷由于线路如工艺问题、电气距离问题、材料质量等本体缺陷原因，在长时间受微风振动、气温变化的影响下也会造成线路故障。2.1.2故障状态及其危害电力系统的所有一次设备在运行过程中由于外力、绝缘老化、过电压、误操作、设计制造缺陷等原因会发生例如短路、断线等故障。最常见同时也是最危险的故障是发生各种类型的短路。在发生短路时可能产生以下后果:（1）通过短路点的很大短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。（2）短路电流通过非故障元件.由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短使用寿命。（3）电力系统中部分地区的电压大大降低。使大量的电力用户的正常工作遭到破坏或产生废品。(4)破坏电力系统中各发电厂之间并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使系统瓦解。各种类型的短路包括三相短路、两相短路、两相短路接地和单相接地短路。不同类型短路发生的概率是不同的，不同类型短路电流的大小也不同，一般为额定电流的几倍到几十倍。大量的现场统计数据表明，在高压电网中，单相接地短路次数占所有短路次数的85%以上。2008年我国220kV电网共有输电线路6434条，线路总长度km,共发生故障2407次，故障率为1.24次/(100km年)。图2.1给出2008年220kV电网输电线路各种类型故障发生的次数和百分比。表2-1 2008年我国220kV电网输电线路故障统计表故障类型三相短路两相短路两相短路接地单相接地短路其他故障故障次数2010838219645故障百分比0.83%4.49%1.58%91.23%1.86%2.1.3 短路简介及类别电力系统的短路就是在回路中因为电阻降低而引起电流异常增大的一种现象；电力系统在运行中，相与相之间或相与地或中性线)之间发生非正常连接(即短路)时而流过非常大的电流。短路分为很多种情况，有单相接地短路，两相短路，两相短路接地，三相短路等。相线俗称火线，三相就是三个火线，他们电压相等，频率相当，但是相序(时间)不同。单相接地短路 两相短路 两相接地短路 三线对称短路图2-1 常见短路故障一、单相接地短路单相接地短路是指三相交流供电系统中一根相线与大地成等电位状态了，也就是该相线的电位与大地的电位相等，都是“零”，非故障两相电压接近正常电压，负荷电流接接近正常，故非故障相工作状态与正常负荷状态相差不大。二、两相短路两相短路任意两相导线，直接金属性连接或经过小阻抗连接在一起。此时故障点处两故障相的对地电压相等，故障相电压不为零。而非故障相三、两相短路接地两相短路接地是指三相交流供电系统中两根相线与大地成等电位状态了，此时故障点处两接地相的电压都为零。四、三相对称短路三相对称短路是指三相全部短路，三相对称性短路时，故障点处的各相电压相等，且在三相系统对称时均都为零。此种短路情况最为严重，对电力系统的损害极大。2.2输电线路保护主要形式（1）电流保护对于输电线路来说，在正常运行时，每条线路上都流过由它供电的负荷电流，越靠近电源端，负荷电流越大。假定在线路上发生三相短路，从电源到短路点之间将流过很大的短路电流。利用流过被保护元件中电流幅值的增大，可以构成过电流保护。（2）低电压保护在输电线路正常运行时，各变电所母线上的电压一般都在额定电压5%10%范围内变化，且靠近电源端母线上的电压略高。短路后，各变电所母线电压有不同程度的降低，离短路点越近，电压降得越低，短路点的相间或对地电压降低到零。利用短路时电压幅值的降低，可以构成低电压保护。（3）距离保护同样，在正常运行时，线路始端的电压与电流之比反映的是该线路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角(功率因数角)，其数值一般较大，阻抗角较小。短路后，线路始端的电压与电流之比反映的是该测量点到短路点之间线路段的阻抗，其值较小，如不考虑分布电容时一般正比于该线路段的距离(长度)，阻抗角为线路阻抗角，较大。利用测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离(低阻抗)保护。（4）差动保护利用每个电力元件在内部与外部短路时两侧电流相量的差别可以构成电流差动保护，利用两侧电流相位的差别可以构成电流相位差动保护，利用两侧功率方向的差别可以构成方向比较式纵联保护，利用两侧测量阻抗的大小和方向等还可以构成其他原理的纵联保护。利用某种通信通道同时比较被保护元件两侧正常运行与故障时电气量差异的保护，称为纵联保护。它们只在被保护元件内部故障时动作，可以快速切除被保护元件内部任意点的故障，被认为具有绝对的选择性，常被用作220KV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电力元件的主保护。2.3本线路保护主配置本次设计采用三段式相间距离保护。在距离保护中，设置距离、II、III段，距离I段按躲开下一条线路出口处短路的原则整定；距离II段!，相邻线路距离保护I段相配合，或躲开线路末端变电所变压器低压出口侧出口处短路时的阻抗值整定:距离III段按躲开最小负荷阻抗来整定。距离工段是瞬时动作，但只能保护线路全长的80%90%因此，设置距离II段，II段能保护线路全场，设置距离III段作为后备。其中I、II段作为线路主保护，III段作为后备保护。2.4距离保护的整定计算方法结合输电线路的特点距离保护的整定方法如下：一、距离保护段整定计算距离保护段定值按躲过本线路末端故障整定距离保护第段是无延时的速动段，一般按躲开下一条线路出口处短路的原则来整定，也即是按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。以本电网中线路AB、B处保护为例，测量元件的整定阻抗为 (2-1)式中各量定义 保护1距离段的整定阻抗被保护线路的阻抗可靠系数，一般取0.8-0.85。如此整定后，距离段只能保护本线路全长的8085。二、距离保护段整定计算（1）按与相邻线路距离保护段配合整定为保证在下级线路上发生故障时，上级线路保护处的保护段不至于越级跳闸所以其段的动作范围不应该超出下级线路段的动作范围。考虑分支电路的影响，可按下式进行整定 (2-2)式中，为可靠系数，取0.85；为确保在各种运行方式下保护1的段范围不超过保护2的段范围，分支系数Kbra取各种情况下的最小值Kbramin。（2）与相邻变压器的快速保护相配合整定若被保护线路的末端母线接有变压器时，其距离段保护的动作范围不应超出变压器快速保护（一般是差动保护）的范围，即距离段应躲开线路末端变电所变压器低压侧出口处短路时的阻抗值，设变压器的阻抗为ZT，则起动阻抗整定为 (2-3)当被保护线路末端母线上既有出线又有变压器时，距离段的整定阻抗应取上述两种情况的较小者。（3）保护动作时间的整定 (2-4)（4）灵敏度校验距离保护段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。由于是反映于数值的下降而动作，其灵敏系数定义为 具体对保护1的距离段来看，在本线路末端短路时其测量阻抗为，因此灵敏系数为 (2-5) 一般要求，若不满足要求，则距离保护段应与相邻元件的保护段相配合，进一步延伸保护范围，并延长动作时限。当线路长度为50Km时，不小于1.5当线路长度为50200Km时，不小于1.4当线路长度为200Km以上时，不小于1.3（5）当校验本线路末端故障时，灵敏度不满足要求时，则距离保护段应与相邻元件的保护段相配合，进一步延伸保护范围，并延长动作时限。 (2-6)保护动作时间： (2-7)三、距离保护第段整定计算（1）按与相邻线路距离保护段配合整定=+ (2-8)（2）按躲过最小负荷整定按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，当线路上流过最大负荷电流且母线上电压最低时（用表示），在线路始端所测量到的负荷阻抗最小，其值为 (2-9)式中正常运行时母线电压的最小值，一般取0.9倍的母线额定电压；被保护线路最大负荷电流。参照过电流保护的整定原则，考虑到外部故障切除后，在电动机自启动的情况下，保护第段必须立即返回的要求，当采用全阻抗特性时，其整定值为： (2-10)式中段可靠系数，一般取1.21.25电动机自启动系数，一般取1.52.5阻抗测量元件（欠量动作）的返回系数，一般取1.01.5 保护动作时间的整定：距离保护段的动作时间，应比与之配合的相邻元件保护动作时间大一个时间级差，但考虑到距离段一般不经振荡闭锁，所以动作时间不应该小于最大的振荡周期（1.52s）。 (2-11) 灵敏度校验：距离保护第段既作为本线路、段保护的近后备，又作为相邻元件的远后备。灵敏度应分别进行校验。作为近后备时，按本线路末端短路校验，即 (2-12)作为远后备时，按相邻元件末端短路校验，即 (2-13)式中相邻元件（线路，变压器等）的阻抗；分支系数最大值，以保证在各种运行方式下保护动作的灵敏性。 当灵敏度不满足要求时，可与相邻距离保护段配合及躲过最小负荷阻抗整定=+ (2-14) 四、距离保护段动作时间的说明（1）距离保护段躲过系统振荡周期系统常见的振荡周期为1.11.5s，距离保护的动作时间应大于或等于2s，当相邻线路段经振荡闭锁控制时，为在重合闸后距离保护能与相邻距离保护配合，将段经重合闸后延时加速至1.5s。（2）环状电网中距离保护动作时间的配合环状电网中，距离段的动作时间，仍按阶梯式特性逐级配合，但若所有段均与相邻段配合，则势必要出现相互循环配合的结果。必须选取某一线路的段与相邻线路段配合，此即环网中距离保护段动作时间的起始配合点。应尽可能使整个环网距离保护段的保护灵敏系数较高，动作时间较短。（3）振荡闭锁装置起动元件一般为负序及零序电流增量起动元件，整组复归时间为68s。第三章 线路距离保护原理与整定计算距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的、较快的切除相间故障。当线路发生单相接地短路时，距离保护在有些情况下也能动作:当发生两相短路接地故障，它可与零序电流保护同时动作，切除故障。因此，在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。3.1距离保护研究现状电力系统在运行中，可能会发生各种故障何部正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种型式的短路.在发生短路时可能产生严重的后果，包括:第一，通过故障点的很大的短路电流何所燃气的电弧，使故障元件损坏;第二，短路电流通过非故障元件，由于发热何电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命:第三，电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量;第四，破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。 在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或减少发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须迅速而有选择行地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行地最有效方法之一。切除故障地时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有在每个电气元件上装设保护装置才有可能满足这个要求。这种保护装置直到目前为止，大多是由单个继电器或继电器与其附属设备地组合构成的。这样我们称这些保护装置为继电保护装置。它的基本任务是自动、迅速、由选择行地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行，并且反应电气元件的不正常运行状态，根据电力系统及元件的危害程度一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。在大型高压的电网中，距离保护作为继电保护的一种主要保护装置，我们常将距离保护应用与于这些电网中。距离保护使反应故障点到保护安装地点之间的距离(或阻抗)，并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。相对于电流和电压保护，应用于高压电网中，更能满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求。3.2 距离保护的概述3.2.1 距离保护的概念1、距离保护的概念距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置主要的元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，此阻抗称为继电器的测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增大，这样就保证了保护有选择地切除故障线路。2、距离保护的构成特点距离保护时属于反映一侧电气量的保护。一套完整的距离保护装置通常由三段组成。其中第一段保护线路全长的(80%-85%)，第二段保护全长，动作时间一般为0.5s第三段作为后备保护，其动作时间一般在2s以上。 距离保护主要反映测量阻抗值，与电流保护相比，受电力系统运行方式变化影响小，躲负荷能力强。在本线路发生短路时，距离保护的第一段的保护范围不受电力系统运行方式变化的影响。当故障点位于相邻线路上时，由于可能有助增电流或外汲电流，对距离保护的第二三段，保护的实际动作区随系统运行方式变化而有所变化。距离保护装置的启动元件也是震荡闭锁装置的启动元件，一般多采用元件作为距离保护的启动元件。启动元件的作用是在故障时开放距离保护各段。对一二段采用短时开放原则，对第三段长期开放直至整组复归。距离保护的测量元件一般为一二三段阻抗继电器。距离保护装置需设震荡闭锁元件和断线闭锁元件。距离保护采用的阻抗继电器的接线方式一般为，对相间保护，用0度接线方式；对接地距离保护采用带零序电流补偿的接线方式。3.2.2距离保护的应用距离保护可以应用在任何结构复杂、运行方式多变的电力系统中，能有选择性的、较快的切除相间故障。当线路发生单相接地短路时，距离保护在有些情况下也能动作；当发生两相短路接地故障，它可与零序电流保护同时动作，切除故障。因此，在电网结构复杂，运行方式多变，采用一般的电流、电压保护不能满足运行要求时，则应考虑采用距离保护装置。3.3 距离保护的原理3.3.1距离保护的作用原理电流保护的主要优点是简单、经济及工作可靠。但是由于这种保护整定值的选择、保护范围以及灵敏系数等方面都直接受电网接线方式及系统运行方式的影响，所以，在35kV及以上电压的复杂网络中，它们很难满足选择性、灵敏性以及快速切除故障的要求。为此，就必须采用性能更加完善的保护装置。距离保护就是适应这种要求的一种保护原理。如图3-1所示，假设各保护测量元件的输入不只是电流或电压，而是该处的母线电压和流过该线路上的电流，定义保护安装处的母线电压（称为保护的测量电压）和流经该线路的电流（称为保护的测量电流）之比为保护的测量阻抗，即 (3-1)图3-1 距离保护的作用原理图在正常工作情况下，（母线的工作电压），（线路的负荷电流），此时保护测量元件的测量阻抗为负荷阻抗，即 (3-2)显然正常运行时母线上的工作电压在额定值附近，一般说，线路的负荷电流相对于短路电流要小很多，故线路在负荷状态下的测量阻抗值较大，且其角度为负荷功率因数角。例如，当线路的负荷功率因数为0.9时，负荷功率因数角。当AB线上K1点发生金属性三相短路时，在保护1处所测量的阻抗等于该处母线残余电压与流经该保护的短路电流的比值，即为短路阻抗ZK1，有 (3-3)式中，点短路时，保护安装处A母线的残余电压；流过故障线路AB的短路电流。ZK1故障点至保护安装处的线路阻抗，其阻抗值小而阻抗角（称为短路阻抗角）等于线路阻抗角。 通过适当选择距离保护的接线方式，使得短路时测量阻抗的大小与短路点到保护安装处的距离成正比，即 (3-4)式中，从故障点至保护安装处母线A的距离；线路每千米的正序阻抗。从以上分析可知，电网短路时测量阻抗有以下特征：第一，由保护安装处的测量阻抗能区分线路在正常状态还是故障状态，两种状态下测量阻抗在幅值和角度上均有明显的差别；第二，由保护安装处的测量阻抗Zm能区分故障点的远近，故障点离保护安装处的距离越远，测量阻抗Zm越大，反之，3测量阻抗越小；第三，金属性短路时的测量阻抗只与故障点至保护安装处的距离有关，而与系统运行方式无关。为了区分故障点在保护范围内还是在保护范围外，可根据选择性和灵敏度要求事先给定距离保护的保护范围，与这个保护范围对应的保护安装处至保护范围末端的线路阻抗称为距离保护的整定阻抗，用Zset表示，如图3-1所示。可见，距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的核心元件为阻抗元件（传统上称阻抗继电器），它可根据施加的电压和电流测得保护安装处至短路点间的阻抗值，即为测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了保护有选择性地切除故障线路。3.3.2 距离保护时限特性距离保护的动作时间与保护安装地点至短路点之间距离的关系，称为距离保护的时限特性。为了满足速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛采用具有三段动作范围的阶梯型时限特性，如图3-2（b）所示，并分别称为距离保护的、段，可以分别与电流速断、限时电流速断以及过电流保护相对应。距离保护的第段是瞬时动作的，是保护本身的固有动作时间。以保护1为例，其第段本应保护线路AB的全长，即保护范围为线路全长的100，然而实际上却是不可能的，因为当线路BC出口处短路时，保护1的第段不应动作，为此，其起动阻抗的整定值必须躲开这一点短路时所测量到的阻抗，即。考虑到阻抗元件和电流、电压互感器的误差，引入可靠系数（一般取为0.80.85），则 (3-5)同理对保护2的第段整定值应为 (3-6)如此整定后，距离段就只能保护本线路全长的8085，这是一个严重缺点。为了切除本线路末端1520范围以内的故障，就需设置距离保护第段。距离段整定值的选择与限时电流速断的相似，即应使其不超过下一条线路距离段的保护范围，同时带有高出一个的时限，以保证选择性。例如在图3-2（a）单侧电源网络中，当保护2第段末端短路时，保护1的测量阻抗为，引入可靠系数（一般取0.8），则保护1的距离段整定值为 (3-7)图3-2 距离保护的时限特性（a） 网络接线图；（b）、段的时限特性距离段与段的联合工作构成本线路的主保护。为了作为相邻线路保护装置和断路器拒绝动作的远后备保护，同时也作为本线路距离、段的近后备保护，还应该装设距离第段保护。对距离段整定值的考虑是与过电流保护相似的，其起动阻抗要按躲开运行正常运行时的最小负荷阻抗来选择，而动作时限则应根据阶梯原则，使其比距离段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个。3.3.3 距离保护的接线方式根据距离保护的工作原理，加入保护的电压和电流应满足一下要求：（1）测量阻抗正比于短路点到保护安装地点之间的距离；（2）测量阻抗应与故障类型无关，也就是保护范围不随故障类型而变化。距离保护在相间短路和接地短路时广泛采用的接线方式如表3.1所示表3.1 距离保护采用不同接线方式时，接入的电压和电流关系 阻抗元件接线方式相间距离保护的接线接地距离保护接线1、相间距离保护的0接线方式以下对各种相间短路时保护的测量阻抗进行分析：（1）三相短路图3-3 三相短路时测量阻抗的分析如图3-3所示，三相短路时，三相是对称的，三个阻抗元件的工作情况完全相同，因此，可以以为例分析。设短路点至保护安装地点之间的距离为l ，线路每千米的正序阻抗为，则保护安装地点的电压应为 (3-8)因此，在三相短路时，的测量阻抗为 (3-9)在三相短路时，三个阻抗元件的测量阻抗均等于短路点到保护安装地点之间的阻抗，三个阻抗元件均能动作。（2）两相短路图3-4 AB两相短路时测量阻抗的分析 如图3-4所示，设以相间短路为例，则故障环路的电压为 (3-10)因此，的测量阻抗为 (3-11)和三相短路时的测量阻抗相同，因此，M1能正确动作。在两相短路的情况下，对阻抗元件M2和M3而言，由于所加电压为非故障相间的电压，数值较为高，而电流又只有一个故障相的电流，数值较为小，因此，其测量阻抗必然大于（3.11）式的数值，也就是说它们不能正确地测量保护安装地点到短路点的阻抗，因此，不能起动。由此可见，在两相短路时，只有能准确地测量短路阻抗而动作。同理，分析和两相短路可知，相应地只有和能准确地测量到短路点的阻抗而动作。这就是为什么要用三个阻抗元件并分别接于不同相间的原因。（3）中性点直接接地电网中的两相接地短路如图3-5所示，仍以两相故障为例，它与两相短路不同之处是地中有电流流回，因此。图3-5 AB两相接地短路时测量阻抗的分析此时，我们可以把A相和B相看成两个“导线地”的送电线路并有互感耦合在一起，设用表示输电线每千米的自感阻抗，表示每千米的互感阻抗，则保护安装地点的故障相电压为 (3-12)因此，阻抗元件的测量阻抗为 (3-13)由此可见，当发生两相接地短路时，的测量阻抗与三相短路时相同，保护能够正确动作。2、接地距离保护的接线方式在中性点直接接地的电网中，当零序电流保护不能满足要求时，一般考虑采用接地距离保护，它的主要任务是正确反应这个电网中的接地短路，因此，对接地距离保护的接线方式需要作进一步的讨论。在单相接地时，只有故障相的电压降低，电流增大，而任何相间电压都是很高的，因此，从原则上看，应该将故障相的电压和电流加入阻抗元件中。例如，对A相阻抗元件采用； (3-14)至于这种接线能否满足要求，现分析如下：将故障点的电压和电流分解为对称分量，则按照各序的等效网络，在保护安装地点母线上各对称分量的电压与短路点的对称分量电压之间，应具有如下的关系 因此，保护安装地点母线上的A相电压即应为 (3-15)假如采用和的接线方式时，则阻抗元件的测量阻抗为 (3-16)此测量阻抗之值与之比有关，而这个比值因受中性点接地数目与分布的影响，并不等于常数，故阻抗元件就不能准确地测量从短路点到保护安装地点之间的阻抗，因此，不能采用。为了使阻抗元件的测量阻抗在单相接地时不受的影响，根据以上分析的结果，就应该给阻抗元件加入如下的电压和电流式中，。一般可近似认为零序阻抗角和正序阻抗角相等，因而K是一个实数，这样，测量阻抗为 (3-17)它能正确地测量从短路点到保护安装地点之间的阻抗，并与相间短路的阻抗元件所测量的阻抗为同一数值，因此，这种接线得到了广泛的应用。为了反应任一相的单相接地短路，接地距离保护也必须采用三个阻抗元件，其接线方式分别为：、；、；、。这种接线方式同样能够反应于两相接地短路和三相接地短路，此时接于故障相的阻抗元件的测量阻抗亦为。3.3.4距离保护定值配合的基本原则距离保护定值配合的基本原则如下：（1）距离保护装置具有阶梯式特性时，其相邻上、下级保护段之间应该逐级配合，即两配合段之间应在动作时间及保护范围上互相配合。距离保护也应与上、下相邻的其他保护装置在动作时间及保护范围上相互配合。例如：当相邻为发电厂变压器组时，应与其他电流保护相配合；当相邻为变压器或线路时，若装设电流、电压保护，则应与电流、电压保护之动作时间及保护范围相配合。（2）在某些情况特殊情况下，为了提高保护某段的灵敏度，或为了加速某段保护切除故障的时间，采用所谓“非选择性动作，再由重合闸加以纠正”的措施。例如：当某一较长线路的中间接有分支变压器时，线路距离保护装置第段可允许按伸入至分支变压器内部整定，即可仍按所保护线路总阻抗的80%85%计算，但应躲开分支变压器低压母线故障；当变压器内部发生故障时，线路距离保护第段可能与变压器差动保护同时动作（因变压器差动保护设有出口跳闸自保护回路），而由线路自动重合闸加以纠正，使供电线路恢复正常供电。（3）采用重合闸后加速方式，达到保护配合的目的。采用重合闸后加速方式，除了加速故障切除，以减小对电力设备的破坏程度外，还可借以保证保护动作的选择性。这可在下述情况下实现：当线路发生永久性故障时，故障线路由距离保护断开，线路重合闸动作，进行重合。此时，线路上、下相邻各距离保护的、段可能均由其振荡闭锁装置所闭锁，而未经振荡闭锁装置闭锁的第段，在有些情况下往往在时限上不能互相配合（因有时距离保护段与相邻保护的第段配合），故重合闸后将会造成越级动作。其解决办法是采用重合闸后加速距离保护段，一般只要重合闸后加速距离保护段在1.52.5，即可满足在重合闸后仍能互相配合的要求。3.4距离保护的整定计算在图3-6所示网络中，采用三段式即离保护为相间短路保护，各参数如下:线路每公里阻抗Z1 =0.45/Km,线路阻抗角为65度，AB，BC线最大负荷电流为400A，负荷功率因素为0.9，电源电势E=115KV，。归至115KV的各变压器阻抗为84.7欧姆，容量ST为15MVA。其余参数如图所示。图3-6 电力系统网络图断路器1QF处距离保护的整定计算a.为配合方便，先求出1, 3, 4QF断路器处保护第I段的整定值，即断路器1, 3. 4QF处距离保护第I段的动作时间为:b、断路器1QF处保护第II段整定计算:1QF处保护的相邻元件为BC线和并联运行的变压器T,当1QF处距离保护第段一与BC线第段配合时为: (3-18)而 (3-19)当和变压器配合时，因为大于6.3MVA,按技术规程，应装纵差保护故变压器I段保护范围应至低压姆线上，故: (3-20)=0.8，=0.5，=1.72选=为整定值。距离保护第段的动作时秒。第II段保护的灵敏度为:满足灵敏度要求。C.距离保护第段整定计算：因为采用方向阻抗元件，故距离保护第段的整定值应按以下条件整定:第一、 躲最小负荷阻抗，即 (3-21)，而按与相邻距离保护第III段在动作时间配合，第III段距离保护的动作时间为:秒第二、相邻线距离保护第II段配合，即 (3-22)取为相间距离保护第段的整定值。按与相邻距离保护第II段配合，第III段距离保护的动作时间为:应取第III段距离保护的动作时间为秒。距离保护第III段的灵敏度校验:作为近后备时： (3-23)作为远后备时： (3-24)可见，作为近后备保护时可满足灵敏度要求，作为BC线远后备仅护时却不满足灵敏度要求，作为变压器的远后备保护时更不满足灵敏度要求，故应考虑取为整定值，这时灵敏度得到提高，为1.17，接近满足要求。(2)系统在最小运行方式下振荡时，1QF处保护的动作行为:为此，应求系统在最小运行方式下振荡时最小测量阻抗Zm.min,即=180时保护安装处的测量阻抗为: (3-26)(3)离断路器1QF保护安装处20Km处发生带过渡电阻=12的相间短路时，1QF处保护的测量阻抗为: (3-27)而27.31度方向第I, II, III段的动作阻抗分别为: (3-28)第四章 微机保护装置硬件设计微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向（现已基本实现，尚需发展），它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度。微机保护装置硬件包括微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。微机的硬件是通用的，而保护的性能和功能是由软件决定。4.1微机保护装置的硬件构成微机型继电保护装置是微机控制技术的应用实例之一。它是以微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。图4-1给出了微机保护的典型硬件结构图。CPU采样A/D前置低通滤波器模拟量输入变换RAM内部总线开关量输入信号处理ROM光电隔离实时时钟继电器逻辑输出回路人机接口通讯接口电源回路图4-1 微机继电保护典型硬件装置图（1） 微机保护装置的输入输出通道：微机保护的输入通道分为模拟量输入通道和开关量输入通道，输出通道主要为继电器逻辑回路。输入通道主要完成电力系统的电压、电流信号的采集和一次设备的状态量采集（比如断路器的运行状态）；而输出通道主要完成保护跳闸信号、告警信号的输出。（2） 模拟量输入通道：目前，微机保护的模拟量采集均采用交流采样技术。模拟量输入通道主要由模拟量输入变换回路、低通滤波器、采样和A/D转换器等几个环节构成。模拟量输入变换回路：由一次回路的CT、PT的二次侧输入至微机保护器的信号，一般数值较大，不适合内部A/D转换的电平要求（一般A/D转换回路的输入电压范围为2.5V、5V或10V）。模拟量输入变换回路的主要任务就是就是将输入的电量进一步变换，将二次电量值变得更小，同时将电流量变为电压量，以适合内部A/D转换的要求。同时，该变换回路还起着隔离外部干扰的作用。设计模拟量输入变换回路要注意的几点：要保证各电流变换器之间、各电压变换器之间及电流、电压变换器之间的一次、二次侧相位移保持一致；变换器的铁芯磁导率要选取得当，保证工作的线性范围；变换器本身的损耗要小；要保证在最大短路电流下，变换器的输出不使A/D发生溢出。（3） 低通滤波器及采样：由于计算机处理的是离散的时间信号，故输入的连续模拟量必须要被采样为离散的模拟量。同时，要使采样值能准确无误的反映输入的模拟量，采样频率必须遵循一定的要求，即采样频率必须大于原始输入信号中最高频率分量的频率的2倍，这就是采样定理。否则，采样信号将出现频率混叠，不能真实反映原始输入信号。系统的故障电流、电压信号中一般含有许多高频分量。而常见的微机保护原理大多是基于工频量的。这样，为了避免不必要的抬高采样频率，一般微机保护器中都设置了前置低通滤波器。2.2.1.3 A/D转换由于计算机只对离散的数字量进行处理，则采样得到的离散的模拟量还要进一步转换为离散的数字量。完成这一任务的环节即为A/D转换器（模/数转换器）。模数转换过程的实质就是对模拟信号进行量化和编码的过程。根据A/D转换的原理和特点的不同，可将A/D转换分为直接转换和间接转换两大类。常见的直接转换有逐次逼近式A/D、计数式A/D等；间接转换有积分式A/D、V/F式A/D等。至于各种A/D的原理，这里就不在细述。（4） 数字量输入输出通道：数字信号的输入输出，主要针对于微机保护器的人机接口和各种告警信号、跳闸信号及电度脉冲等。为防止外部干扰的窜入，一般