电力系统继电保护 第3版 课件 第10章继电保护装置与实现

10.1

微机保护硬件组成10.1微机保护硬件组成从功能上说，微机保护装置可以分为六个部分：模拟量输入系统（或称数据采集系统）；CPU主系统；开关量输入/输出回路；人机接口回路；通信回路；电源回路。10.1微机保护硬件组成模拟量输入系统的主要功能是采集用被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，将此信号经过滤波，然后转换为所需数字量。10.1微机保护硬件组成CPU主系统包括微处理器CPU、只读存储器（EPROM）、随机存取存储器（RAM）及定时器（TIMER）等。CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，并与存放在E2PROM中的定值比较，以完成各种保护功能。10.1微机保护硬件组成开关量输入/输出回路由并行口、光耦合电路及有触点的中间继电器等组成，以完成各种保护出口跳闸、信号指示及外部触点输入等工作。人机接口部分主要包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话。10.1微机保护硬件组成考虑到保护之间通信及远动的要求，还应有通信接口。电源采用开关电源，提供整个装置的直流电源。10.1微机保护硬件组成微机保护属于弱电设备。母线（线路）电压互感器、电流互感器输出的二次电压、电流送入继电保护装置后，需要经过再次变换，成为模拟量向数字量转换（AD）芯片所能处理的电压量。因此变换器的基本作用如下：1）电量变换。将互感器二次电压（额定100V）、电流（额定5A或1A），转换成弱电压（数伏），以适应弱电元件的要求。2）电气隔离。电流、电压互感器二次侧的保安、工作接地，是用于保证人身和设备安全的，而弱电元件往往与直流电源连接，直流回路不允许直接接地，故需要经变换器实现电气隔离。3）调节定值。整流型、晶体管型继电保护可以通过改变变换器一次或二次绕组抽头来改变测量继电器的动作值。10.1微机保护硬件组成1.电压变换器2.电流变换器从UV一次侧看进去,输入阻抗很大,对于负载而言UV可以看成一个电压源,UV两侧电压成正比，U2=KUU1。UA的二次电流(一般为mA级)与一次电流成正比，二次电流在电阻上形成二次电压，U2=RKII1。10.1微机保护硬件组成3.电抗变换器UX励磁阻抗相对于负载来说很小，可以认为一次电流全部用于励磁，即这样负载Zload上的电压与励磁绕组上的电压相同，即

10.2

10~35KV线路保护测控装置应用案例10.2.1典型保护一体化测控装置简介该装置可用于10-35kV电压等级的非直接接地系统或小电阻接地系统中的线路的保护及测控装置，保护配置有：1）三段可经复合电压和方向闭锁的过电流保护。2）三段零序过电流保护。3）过电流加速保护和零序加速保护（零序电流可自产也可外加）。4）过负荷功能（报警或者跳闸）。5）低频减载功能。6）三相一次重合闸。7）小电流接地选线功能（必须采用外加零序电流）。8）独立的操作回路。10.2.3保护装置的组屏方式配电网的线路多属于终端线路，且有可能存在多条分支线路。10-35kV配电装置断路器体积较小，要求的安全净距也较高电压等级小，为了减少占地面积、提高设备可靠性，可以采用户内布置方式。其中更多采用的是成套的高压开关柜。10-35kV线路一般配置电流（方向）保护，相对简单，通常将继电保护、测控装置合而为一，称为保护测控装置。按照断路器安装方式，高压开关柜又可分为“固定式”、“移开式”。根据不同设计，10-35kV保护测控装置可以将保护测控装置集中在保护室内的保护柜上（称为集中组屏方式；也可以直接装于开关柜上（称为分散布置方式）。10.2.3保护装置的组屏方式集中组屏方案一次配电设备断路器、电流互感器、接地刀开关均集成在开关柜内，电能表也装于开关柜上。二次系统需要控制断路器的分、合；遥测电流、电压；遥信断路器位置、断路器异常信息、手车位置、接地刀开关位置；为电能表提供二次电流、电压。这些都在配电装置小室内完成。由于该开关柜配套的保护测控装置处于变电站的控制室内，所有电气量及开关量值必须通过电缆进行相应连接。10.2.3保护装置的组屏方式分散组屏方案保护测控装置分散装于各开关柜内，这样省去了开关柜到保护柜的二次电缆；保护测控装置与控制室的联系仅是一些小母线（如直流电源、交流电源、事故总告警）和网络联系。当然，分散方案要求保护测控装置有较强的耐受强电磁干扰、高温等相对恶劣环境的能力。

10.3

110KV线路保护测控装置应用案例10.3.1典型110KV输电线路保护装置简介该装置包括完整的三段相间和接地距离保护、四段零序方向过电流保护和低频减载保护；装置配有三相一次重合闸、过负荷告警；装置还带有跳合闸操作回路以及交流电压切换回路。本装置设有三段式相间、接地距离阻抗元件和两个作为远后备的四边形相间、接地距离阻抗元件。三段式相间阻抗元件反应输电线路相间短路,三段式接地距离阻抗元件以及四段零序方向过电流保护反应输电线路的接地短路。此处重点说明距离保护与零序电流保护。10.3.1典型110KV输电线路保护装置简介距离保护设有启动元件，启动元件的主体由反映相间工频变化量的过电流继电器实现，同时又配以反映全电流的零序过电流继电器和负序过电流继电器互相补充，反映工频变化量的起动元件采用浮动门槛，正常运行及系统振荡时变化量的不平衡输出均自动构成自适应式的门槛，浮动门槛始终略高于不平衡输出，在正常运行时由于不平衡分量很小，而装置有很高的灵敏度。无论故障发生在本线路上，或是下一级线路或保护安装处背后的线路上，距离保护都将会启动，开放出口继电器电源并维持7s的时间。只有启动元件动作后，保护有可能会出口跳闸，也有可能只是启动而已。增加启动元件的目的是防止非故障时，距离保护内部元件异常的动作行为所造成的保护误动作，是一项提高继电保护可靠性的有效措施。10.3.1典型110KV输电线路保护装置简介本装置设置了四个带延时段的零序方向过电流保护，各段零序可由用户选择经或不经方向元件控制。在TV断线时，零序Ⅰ段可由用户选择是否退出；四段零序过电流保护均不经方向元件控制。所有零序电流保护都受起动过电流元件控制，因此各零序电流保护定值应大于零序起动电流定值。当最小相电压小于0.8UN时，零序加速延时为100ms，当最小相电压大于0.8UN时，加速时间延时为200ms，其过电流定值用零序过电流加速段定值。TV断线时，本装置自动投入两段相过电流元件，两个元件延时段可分别整定。10.3.3110KV线路保护相关二次部分简介1、常规组屏方法实例柜中的主要装置有：①110kV线路距离保护装置（装置内含操作插件），装置代号为1n;②110kV线路测控装置，装置代号为2n。这样组屏，2n测控装置至1n保护装置的遥控回路、保护装置至测控装置的二次电压传送、保护信息传送均为柜内接线，出厂时已经接好，现场安装施工时减少了保护柜与测控柜之间的电缆联系。10.3.3110KV线路保护相关二次部分简介2、端子箱实例断路器端子箱（又称线路端子箱）是根据本线路二次部分设计定制的，主要是将电流互感器、断路器机构、刀开关机构、线路TV的户外设备的接线汇总起来，电缆由断路器端子箱统一连接到户内设备。

10.4

220KV线路保护实例10.4.1典型220KV输电线路保护装置简介220kV线路保护需要配置两套保护,以实现保护双重化。第一套保护装置主要包括以分相电流差动和零序电流差动为主体的快速主保护,由工频变化量距离元件构成的快速Ⅰ段保护,由三段式相间距离保护、三段式接地距离及多个零序方向过电流保护构成的全套后备保护。该保护有分相跳闸出口,配有自动重合闸功能,对单或双母线接线的开关实现单相重合、三相重合和综合重合闸。第二套保护以纵联距离和纵联零序作为全线速动主保护,其后备保护配置与第一套保护类似,重合闸功能也类似。保护也采用分相跳闸出口。10.4.3典型220KV输电线路一次接线简介图中W1、W2代表220kV双母线；QF为断路器；1-3QS为隔离刀开关；1QE、3QE1、3QE2为接地刀开关；1-5TA为本线路电流互感器的5个二次绕组，分别接至每一套微机保护及故障录波器、第二套微机保护、母差保护、测量设备、计量设备等；线路电压互感器为单相式；母线电压互感器为各线路共用，图中未画出。TA、TV、断路器、隔离刀开关、接地刀开关安装在变电场地；微机保护柜、测控柜、故障录波器柜等安装在保护室内。10.4.4主要相关二次设备联系主要二次设备连接示意图10.4.5第一套保护柜保护柜由微机保护装置、操作箱、打印机、信号复归按钮(1FA、4FA)、打印试验按钮(1YA)、重合闸方式选择开关(1QK)、光纤终端盒、交流空气断路器(ZKK)、直流空气断路器(DK)、连接片(压板)、端子排(1D、4D、JD、RD)组成，主要承担起双重化保护中的一套的所有功能。10.4.5第一套保护柜保护装置正面如图所示，有液晶显示屏、信号灯、小键盘、调试通信口、模拟量输入口。10.4.5第一套保护柜组成装置的插件有：电源插件（DC）、交流插件（AC）、低通滤波器（LPF）、CPU插件（CPU）、通信插件（COM）、24V光耦插件（OPT1）、高压光耦插件（OPT2，可选）、信号插件（SIG）、跳闸出口插件（OUT1、OUT2）、扩展跳闸出口（OUT，可选）、显示面板（LCD）。RCS-931保护背面布置如图所示。10.4.5第一套保护柜图中交流输入为母线电压、单相线路电压、线路电流,变换器输出至低通滤波(LPF)插件10.4.6第二套保护柜第二套保护柜布置如图所示，保护柜由微机线路保护、微机断路器保护、光纤传输装置以及复归按钮、打印机、切换开关、交、直流空气断路器、连接片（压板）等构成，主要承担起双重化保护中的另一套的所有功能。10.4.7测试柜线路保护所配置的测控柜作用可分为“遥测”、“遥信”、“遥控”三类。遥测量为交流量，有线路电流、切换后母线电压、线路电压，测控单元将采集的二次电流、电压进行采样处理。遥信量为开关量。开关量包括刀开关位置、断路器位置、断路器信息（如弹簧未储能、SF6泄漏等）、保护信息（分/合闸出口、保护动作、保护告警、TV断线等），这些开关量由空接点输入测控装置，经过光耦电路转为“0”、“1”信号。线路保护二次系统遥控量主要是断路器分、合，电动操作机构刀开关分、合，同时测控柜还提供手动操作的刀开关机构的防误闭锁。10.4.8其他户内设备微机保护在每次事故或异常处理后均会形成一份报告,内容包括故障时间、保护动作情况、跳闸、重合闸相别、时间等情况,故障前后的电流、电压采样值等,这份报告由网络上传,称为“报文”。微机保护与监控系统生产厂家采用的通信规约可能不同,这时就需要保护信息管理机柜,由微机保护的报文通过网络通信接口(如RS485口)送入信息管理机,进行规约转化后,再由网络上传至监控后台机。信息管理机还有GPS对时功能,保证变电所各微机保护等数字化设备统一时钟。为了帮助对事故、异常情况做出正确判断,还可以配置故障录波器柜,记录每次系统异常情况时的线路电流、母线电压、保护动作、断路器位置等信息。10.4.9220KV线路保护相关二次部分简介1、交流回路电流回路如图所示，TA二次绕组分配使用情况对照220kV线路一次接线示意图，注意电流二次回路只能一点接地。二次电流先送至断路器端子箱，再送入保护室内的线路保护柜、母线保护柜、测控柜、电能表柜、故障录波器柜。目前也有220kV线路配置6组TA的，如果配置了6组TA，故障录波器就可以单独使用一组TA二次绕组，不再与线路保护共用二次电流回路。10.4.9220KV线路保护相关二次部分简介1、交流回路电压回路如图所示，二次电压送入保护室内的TV重动并列柜，接至电压小母线。操作箱依据母线侧刀开关位置进行电压切换，切换后电压送入保护、测控装置。10.4.9220KV线路保护相关二次部分简介2、控制回路图中为断路器控制信号回路示意图。断路器机构箱上设有远方/就地切换开关及分、合闸按钮，可进行就地操作，便于实验；断路器远方控制时由保护操作箱控制，手动操作可使用测控柜上的分、合断路器切换开关，也可由监控后台或调度中心由综合自动化网络下达命令。10.4.9220KV线路保护相关二次部分简介2、控制回路图中为隔离刀开关、接地刀开关控制信号回路示意图。对于电动机构的刀开关由测控柜经防误逻辑输出触点控制刀开关分、合。测控柜的防误逻辑是将采集到的断路器、隔离刀开关、接地刀开关位置信息按照事先制订的逻辑进行运算，当满足操作条件时，驱动一只继电器，继电器触点接通，串入这个继电器的刀开关控制回路接通，即可开放刀开关操作。10.4.9220KV线路保护相关二次部分简介3、信号回路各微机设备由网络通信口送出的“报文”数字信号，经信息管理机规约转换为统一格式后进入监控系统；其余交流电流、电压以及大量触点信号由测控柜采集并转为数字信号接入监控系统。信号回路如图所示，虚线表示变电站综合自动化网络，其余信号由二次电缆传送。

10.5

110KV变压器保护实例10.5.1典型110KV变压器保护装置实例该装置为由多微机实现的变压器差动保护，适用于110kV及以下电压等级的双圈、三圈变压器，满足四侧差动的要求。由于变比和联结组别的不同，变压器在运行时各侧电流的大小及相位也不相同。装置通过软件进行Y向d侧变换及平衡系数调整，对变压器各侧电流的幅值和相位进行补偿。装置采用三折线比率差动原理，并设有低值比率差动保护、高值比率差动保护和差动速断保护。差动保护动作特性曲线如图所示。10.5.1典型110KV变压器保护装置实例差动电流制动电流动作方程