南瑞继电保护技能培训教材

1、第一章微机保护的硬件和软件系统第一节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。微机主系统人机对话接口打印机键盘指示灯LE

2、D保存数据用RAM存放程序用EPROM/FLASH存放定值用EEPROM/FLASHWATCHDOG+定时器/计数器液晶显示*通信接口电源打印机接口调试通信接口外部通信pc机专用调试设备图1-1微机保护的硬件构成框图一中央处理器CPU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 .单片微处理器例如Intel公司的80X86系歹U,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。16位的如Intel公司的802

3、96,在RCS900型的线路、主设备保护中用到了该芯2 .数字信号处理器（DSP）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

4、储器有下述三种类型的存储器。1 .随机存储器（RAM）。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。2 .只读存储器（ROM）。目前使用的是一种紫外线可擦除、电可编程的只读存储器一一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

5、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。3 .电可擦除且可编程的只读存储器（EEPROM）0EEPROM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

6、）存储器（FlashMemory）,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fs。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

7、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1000Hz。目前生产的RCS900保护中使用的采样频率是1200Hz采样周期Ts。相邻的两个采样点之间的时间称做采样同期。显然采样同期与采样频率互为倒数。TsVfs0当采样频率为600Hz、1000Hz、1200Hz时相应的采样周期分别为1.666ms、1ms、0.833ms。每周波采样次数No采样频率相对于工频频率(50Hz)的倍数表示了每周波的采样

8、次数No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，fs2fmax,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(A/D)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：ua、Ub、uc、ia、ib、ic、3i。以及线路电压ux0而3u。电压不从TV的开口三角处采样,而用三

9、个相电压相加的自产3u0方法获得。各个模拟量有各个独立的采样通道，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。uaub3i0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

10、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fs/2频率的高次谐波滤除。(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

11、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

12、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.开关量输入系

13、统外部接点开入专用电源(24V 或 220V/110V)5V +电平输出光电耦合器图1-3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 .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

14、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。QDJ继电器操作电源图1-4开关量输出系统第二节微机保护的软件系统一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.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i和电压u值

15、。以电流值为例，计算方法为：iininN（1-1）上式中N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n和nN之间系统发生短路了。由于短路后电流发生了变化，于是工频电流的变化量不再是零。3 .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。假如输入彳S号是图1-5所示的工频正弓S电流信号，itImsin1t。该电流信号绝对值的半周积分值为：5cost o,1孤也111(1-2)T2SImsin1

16、tdt0于是该电流信号的有效值I为:S12.2(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。i图1-5半周积分算法示意图4 .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it为一个周期性函数，它由基波分量、直流分量和各整次谐波分量构成。it可表示为：itIoIkmcoskitk(1-4)k1式中：Io直流分量。1基频分量白角频率。12fi。Ikm、k、k1第k次谐波分量的幅值、初相角和角频率。k为正整数。按复相量的表示方法，在初相角为k时的第k次谐波分

17、量Ik可表示为：IkIkme'IkmcoskjsinkIRkjIIk(1-5)式中Ik的实部iRk和虚部IIk分别为:(1-6)I IkI km sin k(1-7)IRkIkmc0sk1t sin k(1-8)根据三角函数在一个工频周期T1内的正交性可求得第k次谐波分量的实部和虚部的计算公式:I RkT1T1i t cos k 1t dt0(1-9)I IkT1T1i t sin k 1t dt0(1-10)(1-9)式中 it cos k 1t 在 0,T1其间的积分值是i t cosk4的函数波形在0, 期间的面积。利用梯形法则该面积可用i t与基准余弦函数cos k 1t在0,

18、 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。考虑到在一个工频周期2内，基准余弦函数cosk 1t的采样值为coskn2 /N的关I Rk系后，(1-9)式为:2 N 1.,2 i n cos kn Ti n 0(1-11)将采样周期TsTJN的关系代入上式，可得第k次谐波分量的实部为:2 N 1I Rk 一 i n cos knT1 n 0“T1 2N1incoskn2(1-12)同理可得第k次谐波分量的虚部为:I Ik2 N 1. 2 i n sin kn (1-13)（1-4）式展开并考虑到（1-6）和（1-7）式的关系可得到:10Ikmcosk1tcoskIkmsi

19、nkk110IRkcosk1tIIksinktk1得知第k次谐波分量的实部和虚部以后，根据（1-5）式可求得k次谐波分量的有效值和初相角为：IkI Rk It ：2arctgIIk.IRk（1-14）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。这时只虚部、要将（1-12）、（1-13）和（1-14）式中取k1,即可求得基波分量的实部、有效值和初相角为：I R12 n 1一 i n cosN n 0(1-15)2 N 1. i nN n 0(1-16)sinI1,I R1 I 21- 2arctgII1IR1（1-17）0时其值考虑到（1-15）式中的标准基波余弦函数的采样值co

20、sn2/N在n为1,同时考虑到对一个周期性函数1门有10i0/2iN/2的关系后，（1-15）式有时也可用下式求得：21N121一IR1-21i0incosn2r力N（1-18）N2n1N2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。5 .基于傅氏算法的滤序算法A、B、C座标与1、

21、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：19Ui1UaaUBa2UC31U2-Uaa2UBaUC（1-19）31UotUaUbUc3式中a为算子，aej120013，a2ej2400=j手。22'22Ua、Ub、Uc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:UaUcajUsAUbUCBjuSB(1-20)UCUCCjUSC将(1-20)式以及算子表达式代入(1-19)式中的U1式，即用各相电压的实部和虚部来表达正序电压为：1 9U1UaauBa2UCIfDK_z1 31132 j -2 U CB jU SB -j _2 U c

22、c jU sc23 UcajUSAUC1jUS1(1-21)它们为:式中Uc1、Us1分别为正序电压U1的实部与虚部,u C1u CA-u CB2 CB受uSB2 SB-2Ucc.3UscU S1U SA-3UCB2U SB£ucc2U SC(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:U1 VUC1 US1/V21 arctg Us1, Uc1(1-23)同理，负序电压的算式为:U C2 jU S2U C21，UCA 万 U cb2 SB-uCCCCUscu S2一 3 一u SA

23、- u CB212USB,3TUcc-u SCSC2U2, u C 2 u 2-2arctguS2,uC2(1-24)零序电压的算式为:UoU COjU soU C01U CA U CB U CC3U so1 .3 U SA U SB U SCUoarctgUsoUco(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N,数据窗较长。这种算法在RCS9oo保护中得到了应用。第二章线路保护及重合闸第一节零序电流方向保护一零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

24、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9。%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

25、相关I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22o千伏线路发生对树放电故障，故障点过渡电阻可能高达1oo欧姆，此时，其他保护大多数将无法动作，而零

26、序电流保护，即使3Io定值高达几百安培尚能可靠动作。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33.5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，对一股长线路和中长线路可以达到全线的7080%,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

27、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问短路时，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

28、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：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

29、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。三反时限零序电流保护随着电力系统

30、网架的快速扩大，500kV自耦变压器、220kV超短线路及短线路群投投入，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、

31、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一一电流特性按国际电工委员会标准(IEC255-4)一般反时限特性，具表达式为：t04t(I/Ip)0.021式中，t继电器的动作时限tp时间系数1P起始动作电流I继电器通入的电

32、流四零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。(a)正方向短路(b)反方向短路I 0 Zs0U o I o ZioZ ro8001000(d)反方向短路相量图Uo(c)正方向短路相量图图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。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

33、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)Po3U03I0cosl：为线路零序阻抗的阻抗角，取800:为父。超前于3I0的夹角，argU0/I0。1 .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)U0I0ZS0如果系统中各元件零序阻抗的阻抗角都为800。正方向短路时根据(2-2)式，零序电压超前零序电流的角度为:(2-3)argUoloargZs°argZs018001000正方向短路时的相量图示于图2-1(c)中。因此得Po3Uo3Iocos13Uo3Iocos(10080)3Uo3Io为负的最大值。故而正

34、方向的零序方向继电器的动作方程可定为:P03U03I0cosi1VA当In5A时Po 3Uo3I0 cos l 0.2VA 当IN 1A时(2-4)(2-5)(2-6)(2-7)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 .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：UoIo(ZioZro)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argU010argZloZr0800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：Po3Uo3Iocosl3U03I0cos(8080)3Uo3Io为正的最大值，故而反方向的零

35、序方向继电器的动作方程为:P03U03I0cosl0VA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0VA,而正方向的零序方向继电器的动作边界定为1VA(当电流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

36、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。1. 110kV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.（i）

37、.（i.i）接地故障时流过短路点的零序电流屋0和1K0分别为(i.i)K0考虑了电流分配系数(i)K 0U K0ZiZ0 /Z0U K02ZZ0乙ZiZ0U K0Zi2Z0c。，则线路侧保护得到的电流分别为I0(i)U K0C02ZiZ0(i.i)I 0C U K00Z五。式中UK0为短路点在短路前的电压，乙、Z0为系统对短路点的综合正序、零序阻抗，系统内各元件的正序阻抗等于负序阻抗。由上式可知当Zi <Z0时, I (i.i) 0 > I 0当Zi >Z0时,(i.i) 0 < I 0在整定零序电流保护定值时就要选择流过保护的零序电流较大的一种故障类型来进行整定计算。

38、而在校验零序电流保护的灵敏度时，就要选择在校验灵敏度的短路点上短路时流过保护的零序电流比较小的一种故障类型来进行计算。2. ii0KV零序后加速段的设置：我国ii0kV线路是采用三相重合闸方式。三相重合闸后加速一般应加速对线路末端故障有足够灵敏系数的零序电流保护段，如果躲不开后一侧合闸时，因断路器三相不同步产生的零序电流，则两侧的后加速段在整个重合闸周期中均应带0.is延时。加速段可以独立设置，如现在的微机保护那样，定值和延时可独立整定。止匕外，为防止合闸于空载变压器时励磁涌流引起零序后加速误动，零序加速段可以由控制字选择是否需要投入二次谐波闭锁，二次谐波的制动比可以选为i8%。必须指出，作为

39、零序电流保护速动段的零序电流I段定值若躲不开断路器三相触头不同时接通产生的零序电流时，也应在重合闸后延时0.is动作。按三段式运行设两个第一段时，不灵敏一段电流定值可躲过合闸三相不同步引起的零序电流，故在重合闸后不用带延时，只是灵敏一段要带0.1s延时。3. 220500kV线路零序电流方向保护作为零序电流方向保护，上述110kV线路零序电流方向保护应用中的基本原则，在220500kV线路上也是适用的。但在220500kV线路上除采用三相重合闸外还普遍采用了单相重合闸、综合重合闸，此时，零序电流方向保护就还要考虑非全相运行的问题。零序电流保护一般为四段式。根据各地的多年运行经验，大部分线路采用

40、可分别经方向元件控制的四段式零序电流保护作为接地故障时的基本保护较为适宜。对于三相重合闸线路，零序电流保护可以按四段式运行，或按三段式运行，但其中有两个第一段，其中灵敏一段重合闸时带延时0.14对于单相重合闸线路，可按三段式运行，其中也有两个第一段或者两个第二段，两个第一段时灵敏一段在重合闸过程中退出运行，两个第二段时灵敏二段在重合闸过程中退出运行。对终端输电线路可装设较少段数的零序电流保护。第二节距离保护一距离保护的作用原理和时限特性距离保护和电流保护一样是反应输电线路一侧电气量变化的保护。在图2-2所示的电网中，将输电线路一侧的电压Um、电流Im加到阻抗继电器中，阻抗继电器反应的是它们的比

41、值，称之为阻抗继电器的测量阻抗ZmUm/ImUmUmKT图2-2阻抗继电器接线示意图反应输电线路一侧电气量变化的保护一定要满足两个条件。首先，它必须区分正常运行和短路故障。其次，它应该能反应短路点的远近。正常运行时，加在阻抗继电器上的电压是额定电压Un,电流是负荷电流I-阻抗继电器的测量阻抗是负荷阻抗Zm乙Un/L。短路时，加在阻抗继电器上的电压是母线处的残压UmK,电流是短路电流Ik。阻抗继电器的测量阻抗是短路阻抗Zk,ZmZkUmJlK。由于UmKUn,IkL,因而Zk|Zi。所以，阻抗继电器的测量阻抗可以区分正常运行和短路故障。如果在K点发生金属性短路，短路点到保护安装处的阻抗为Zk,流

42、过保护的电流为Ik,则保护安装处的电压为UmKIkZk。阻抗继电器的测量阻抗是ZmUmK/IkZk。这说明阻抗继电器的测量阻抗反应了短路点到保护安装处的阻抗，也就是反应了短路点的远近。所以可以用它来构成反应一侧电气量的保护。由于阻抗继电器的测量阻抗反应了短路点的远近，也就是反应了短路点到保护安装处的距离，所以把以阻抗继电器为核心构成的反应输电线路一侧电气量变化的保护称做距离保护。距离保护相对于电流保护来说，其突出的优点是受运行方式变化的影响小。距离保护第I段只保护本线路的一部份，在保护范围内金属性短路时，一般在短路点到保护安装处之间没有其它分支电流，所以它的测量阻抗完全不受运行方式变化的影响。

43、距离保护第R、田段具保护范围伸到相邻线路上，在相邻线路上发生短路时，由于在短路点和保护安装处之间可能存在分支电流，所以它们在一定程度上将受运行方式变化的影响。图2-3距离保护的阶梯型时限特性由于阻抗继电器的测量阻抗可以反应短路点的远近，所以可以做成阶梯型时限特性，如图2-3所示。短路点越近，保护动作得越快；短路点越远，保护动作得越慢。第I段按躲过本线路末端短路（本质上是躲过相邻元件出口短路）继电器的测量阻抗（也就是本线路阻抗）整定。它只能保护本线路的一部份，其动作时间是保护的固有动作时间（软件算法时间），不带专门的延时。第R段应该可靠保护本线路的全长，它的保护范围将伸到相邻线路上，其定值一般按

44、与相邻元件的瞬动段例如相邻线路的第I段定值相配合整定。第田段除作为本线路I、R段的后备外，也作为相邻元件保护的后备。所以它除了在本线路末端短路要有足够的灵敏度外，在相邻元件末端短路也应有足够的灵敏度，其定值一般按与相邻线路n田段定值相配合并躲最小负荷阻抗整定。短路时保护安装处电压计算的一般公式在图2-4所示的系统中，线路上K点发生短路。保护安装处的相电压应该是短路点的该相电压与输电线路上该相的压降之和。输电线路上该相的压降是该相上的正EsMTUU图2-4短路故障示意图序、负序、和零序压降之和。如果考虑到输电线路的正序阻抗等于负序阻抗，保护安装处相电压的计算公式为：UkI1Z1I2Z2I0Z0I

45、0Z1I0Z1Z0ZiUk(IiI2Io)Zi3Io°1Zi3Z1Uk(IK3I°)Zi(2-8)式中相。A、B、Co1、I2、Io流过保护的该相的正序、负序、零序电流Zi、Z2、Zo短路点到保护安装处的正、负、零序阻抗K零序电流补偿系数。KZoZi/3ZiZM/Zi0ZM为输电线路相间的互感阻抗。Uk短路点的该相电压。(IK3Io)Zi输电线路上该相从短路点到保护安装处的压降保护安装处的相间电压可以认为是保护安装处的两个相电压之差。考虑到如(2-8)式所示的相电压的计算公式后，保护安装处相间电压的计算公式为：UUkIZi(2-9)式中两相相间。AB、BC、CAoUk短路点

46、的相间电压两相电流差I乙一一输电线路上从短路点到保护安装处的两相压降之差。两相上的K3I0Z1项相抵消。(2-8)、(2-9)两式是短路时保护安装处电压计算的一般公式。三I、II段接地距离保护的分析工作电压UopUIK310Zset极化电压UPU1动作方程90oargUO上270oUP(2-10)1 .正方向故障正向单相接地短路。以kA为例。分析A相接地阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都是故障分量电流。用图2-5(a)系统图里的参数来表达工作电压和极化电压：U OPAUaIa K3I°ZsetIa K3I°Zm Ia K3I°ZsetK3I0ZmZse

47、tUPAUiaEsaIiaZsIaK3IoZsZm路kd I1A d1 1Ia K3IoIaK3IoZmkZsCiIfaiCiIFA1C2IFA2C0IFA0K3c0IFA013KC0C113KC02CC1、C2、C0是正、负、零序电流分配系数。动作方程:90°Zm arg - Z mZ setkZs270°(2-11)图2-5正方向、反方向短路的系统图动作方程对应的动作特性是以（+ Zset）和kZs两点的连线为直径的圆，如图2-6中圆1所示。该圆向第田象限带有偏移图2-6正向单相接地短路接地阻抗继电器的稳态动作特性2 .反方向故障:反向单相接地短路。以Ka1为例。卜面各

48、式中的电流都是故障分析A相接地阻抗继电器。假设短路前空载,分量电流：U OPA U AIa K3IoZsetIa K3Io Zm IA K3Io Zset(2-12)Ia K3Io Zm ZsetU PA U1A ERA 11Az rIa K3Io Zr Zm 1小（Ia K3Io）Zm Zr LaZrIa K3Io Zm kZR式中k的表达式如上式所示。具值在0.75到0.87之间。Zr是保护正方向的等值阻抗。将（2-12）和（2-13）两式代入动作方程（2-10 ）, 并消去分子分母中的Ia K3Io得：90o arg ZmZe- 270oZm kZR动作方程对应的动作特性是以（+Zset

49、）和 kZR两点的连线为直径的圆，如图 2-7(2-13)jX图2-7反向单相接地短路接 地阻抗继电器的动作特性所示。该圆向第I象限上抛，远离了座标原点。当反方向发生单相接地短路时，继电器的测量阻抗落在第田象限。即 使在反方向出口或母线发生短路， 过渡电阻的附加阻抗是阻容性的话， 测量 阻抗进入第n象限也进入不了圆内。 所以在反向发生单相接地短路时该继电 器有良好的方向性。四相间阻抗继电器的动作特性分析相间阻抗继电器用来保护各种相间短路， 它的工作电压、极化电压以及动作方 程分别为：工作电压(2-14)极化电压(2-15)动作方程UOP U IZsetUP U190o arg UO270oUp

50、(2-16)下面分别分析该继电器的稳态动作特性和暂态动作特性。分析的系统图如图2-5(a)所示。1,正向两相短路。以Kb2：为例分析BC相间阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都是故障分量电流。用图2-5(a)系统图里的参数来表达工作电压和极化电压：UOPBCUBCIB1czsetIB1czmIBICZsetIBIcZmZset2IbZmZset(2-17)从基本概念上讲，正向短路后保护安装处正序电压发生变化是由于正序的故障分量电流I1在保护背后正序阻抗上的压降造成的。因此保护安装处的正序电压是短路前(正常运行时)保护安装处的电压一一正序电压的记忆值Uim与正序电压的变化量Ui之和。考

51、虑到短路以前空载，短路前保护安装处的电压Ui.M等于保护背后电源电势Es。因此:UPBCU1BCU1BU1CU1B.MU1BU1C.MU1C(2-18)(ESBI1BZs)ESCI1CZSESBESCI1BI1CZSIBICZSZmI1BI1CZS12IBZsZmIbZs2IbZm2Zs上面推导中用到了BC两相短路时的一些基本关系式IBIC；I1BI1CIB。将(2-17)和(2-18)两式代入动作方程(2-16)式，并消去分子分母中的2IB得:90oarg-m一豆-270°Zm2Zs(2-19)式中Zs为保护背后电源的等值正序阻抗。由本章第四节的知识可知，(2-19)式动作方程对应

52、的动作特性是以(+ZsQ和1/2Zs两点的连线为直径的圆，如图2-8圆1所示。该圆向第m象限带有偏移从正向两相短路的稳态动作特性可对该继电器的动作性能作如下评述：由于座标原点位于动作特性之内，所以正向出口两相短路没有死区，不必采取其它措施。与传统的以Zset为直径，动作特性经过座标原点的方向阻抗继电器相比，由于在R方向有较多的保护范围，所以保护过渡电阻的能力比传统的方向阻抗继电器强。而且现在的动作特性的下面一点是12Zs,Zs是保护背后电源的等值阻抗。所以随着jX图2-8正向两相短路时相间阻抗继电器的稳态动作特性运行方式的变化，动作特性的下面一点是变化的。当保护背后电源运行方式越小(Zs越大)

53、，保护安装侧的电流分配系数越小，因而过渡电阻的附加阻抗值越大，区内短路时继电器越易拒动。但由于动作特性的下面一点随Zs加大而越往下移，因而圆也越大。保护过渡电阻的能力又得到增强。所以有一定的自适应能力。2.反向两相短路。以Kb2：为例。分析BC相间阻抗继电器。假设短路前空载，下面各式中的电流都是故障分量电流。用图2-5(b)系统图里的参数来表达工作电压和极化电压：UOPBCUBCIBICZsetIBICZmIBICZsetIBIcZmZset2IbZmZset(2-20)同样从基本概念上讲，反向短路后保护安装处正序电压发生变化是由于正序电流的故障分量I1在保护正方向所有正序阻抗上的压降造成的。

54、因此保护安装处的正序电压是短路前(正常运行时)保护安装处的电压一一正序电压的记忆值U1.M与正序电压的变化量U1之和。考虑到短路以前空载，短路前保U PBC U1 BC护安装处的电压U1.M等于对侧电源的电势Er。因此:U1BU1C(ERBI1BZR)ERC11czrERBERCI1BI1CZRIBICZRZm11BI1CZR2IB Zm ZrI BZR12IB Zm -Zr图2-9反向两相短路相间阻抗继电器 稳态动作特性所以在反向两相短路时该继电器有良好的(2-21)IC；上面推导中用到了BC两相短路时的一些基本关系式IBI1BI1CIB。将(2-20)和(2-21)两式代入动作方程，并消去分子分母中的2Ib得:90。arg-Zm一包-270。Zm2ZR(2-22)式中Zr是保护正方向的等值正序阻抗。(2-22)式动作方程对应的动作特性是以(+Zset)和1/2Zr两点的连线为直径的圆，如图2-9所示。该圆向第I象限上抛，远离了座标原点。当反方向发生两相短路时，继电器的测量阻抗落在第出象限。即使在反方向出口或母线发生短路，过渡电阻的附加阻抗是阻容性的话，测量阻抗进入第n象限也进入不了圆内方向性。第三节工频变化量距离保护对继电保护从原理上划分有反应稳态量的保护和反应暂态量的保护两大类。最早研究并