变电站继电保护与自动装置

变电站继电保护与自动装置TOC\h\h目录\h单元一继电保护基础知识\h课题一继电保护基本概念\h课题二常用继电器\h课题三微机保护及其特点\h课题四微机保护硬件结构\h单元二低压电网的电流保护\h课题一线路相间故障的三段式电流保护\h课题二电网相间短路的方向电流保护\h课题三电网的接地保护\h课题四微机保护程序逻辑原理\h单元三电网的距离保护\h课题一距离保护的基本原理\h课题二阻抗继电器接线方式\h课题三阻抗继电器工作特性分析\h课题四微机保护程序逻辑原理\h单元四输电线路的纵联保护\h课题一输电线路的纵差动保护\h课题二输电线路的高频保护\h课题三保护程序逻辑原理\h单元五输电线路的自动重合闸装置\h课题一自动重合闸作用及分类\h课题二单侧电源的三相一次自动重合闸\h课题三双侧电源的三相一次自动重合闸\h课题四自动重合闸与继电保护的配合方式\h课题五综合重合闸装置简介\h课题六重合闸程序逻辑原理\h单元六电力变压器的继电保护\h课题一电力变压器的保护配置\h课题二电力变压器的瓦斯保护\h课题三电力变压器差动保护\h课题四电力变压器的后备保护\h课题五保护程序逻辑\h单元七母线保护\h课题一母线故障及保护类型\h课题二母线的完全电流差动保护\h课题三比相式母线差动保护\h课题四比率制动式母线差动保护\h课题五保护程序逻辑\h单元八500kV保护简介\h课题一500kV线路及断路器保护\h课题二500kV变压器保护\h课题三500kV母线保护\h单元九备用电源自动投入装置\h课题一备用电源自动投入装置的作用\h课题二备用电源自动投入装置原理\h单元十按频率自动减负荷装置\h课题一按频率自动减负荷装置\h单元十一故障录波装置\h课题一故障录波装置单元一继电保护基础知识本单元主要介绍与继电保护知识有关的概念、继电保护的基本原理、常用继电器、微机保护特点、微机保护硬件结构等。学习完本单元内容后，应对继电保护整体上有个基本的认识。课题一继电保护基本概念学习目标1.能准确地说明继电保护的基本概念。2.能说明继电保护的基本原理。3.知道继电保护的基本任务及作用。知识点1.电力系统事故。2.不正常工作状态。3.短路故障。4.暂时性故障与永久性故障。5.短路危害。6.继电保护装置。7.继电保护装置任务。8.继电保护作用。9.后备保护。10.四个基本要求。11.继电保护基本原理。12.最大（小）运行方式。13.互感器。技能点1.能区分故障类型。2.能区分继电保护是否选择性动作。学习内容一、概述电力系统继电保护及安全自动装置简称为继电保护及自动装置，它是电力系统中极其重要的二次设备之一，是电力系统安全、稳定、经济、可靠运行的重要保障。电力系统指的是由发（发电机）、变（变压器）、供（输电线路）、送（配电线路）、用（用电设备）等设备组成的一个有机的统一整体。由于电能不能大量存储，要求发、变、供、送、用电过程同时进行。电力系统在运行过程中，由于受到自然或人为因素的影响，不可避免地会发生各种形式的短路故障和不正常工作状态。故障和不正常工作状态都可能引起事故的发生，对电力系统的安全生产和用户的正常用电都会造成严重影响，后果是非常严重的。故障通常指的是短路故障，短路故障是指正常工作状态以外的一切相与相以及相与地之间的短接。故障又有暂时性故障和永久性故障之分。暂时性故障是指故障发生以后，随着线路的停电，短路电流的消失、电弧会自动熄灭、短路现象会自动消失、短路点的绝缘强度会自动恢复正常水平，如果重新合闸送电能够恢复正常运行。永久性故障则恰恰相反，停电以后，短路电流会消失、电弧会熄灭，但短路现象不会自动消失、短路点的绝缘强度不会自动恢复到正常水平，如果重新合闸，电弧会重新燃起，不能恢复正常运行。短路故障又分相间短路与接地短路故障，相间短路故障中有两相短路和三相短路故障之分；接地短路故障中有单相接地短路和两相接地短路之分。短路型式如图11所示。图11短路类型（a）三相短路；（b）两相短路；（c）单相接地；（d）两相接地不正常工作状态指的是电气设备的运行参数偏离了规定的允许值的情况。不正常工作状态时不会有直接的、严重的后果表现，但存在着潜在的危险，必须及时发现并进行相应的处理。电力系统的事故则指的是由于运行状态遭到破坏造成的对用户的停电、少送电、电能质量变坏到不能使用的程度，甚至设备毁坏、人员伤亡等。短路故障的基本特征是电流增大、电压降低、测量阻抗减小等。短路的危害如下：（1）巨大的短路电流，使设备发热，危及设备绝缘。（2）短路点处产生的电弧可能会烧坏设备。（3）巨大的电动力冲击下，使电气设备变形或损坏。（4）引起电网中的电压降低，影响无故障用户用电。（5）短路故障可能引起系统失去稳定性。（6）干扰通信系统，甚至危及通信设备和人身安全。（7）短路故障会危及发电机的安全。电力工业生产的特点如下：（1）连续性：即电能生产的实时性，要求发、变、供、用同时进行，在同一时间内完成。（2）重要性：即电力工业和国民经济、人民生活息息相关有着极其紧密的联系。（3）电力工业生产是电力系统的电磁暂态过程非常迅速，电网运行状态的变化都是在极短的时间内完成的。所以一旦状态出现异常或发生故障，要求以最快的速度发出报警信号或选择性地将故障设备从系统中隔离出来，这个任务就是由继电保护装置完成的。继电保护装置是指能反应电气设备和元件的电气运行参数，并且当电气设备故障或工作状态异常时，能自动地、有选择性地作用于相应断路器跳闸或发报警信号的一种自动装置。继电保护装置的基本任务是：（1）当被保护对象故障时，能自动、迅速、有选择性地将故障设备从系统中切除，保证非故障设备继续正常运行，防止故障设备继续遭到破坏。（2）当被保护对象状态异常时，自动地发出报警信号，提醒值班人员及时采取相应措施。（3）线路保护与自动重合闸装置配合使用可以加快故障切除。运行实践证明继电保护装置作用有：（1）可以防止事故的发生和发展。（2）可以限制事故的影响及范围。（3）可以保证电能质量，提高供电可靠性。二、继电保护原理图12表示了继电保护装置的构成及工作原理。图12继电保护原理框图测量部分的作用是测量被保护设备的物理量，比如电流、电压、相位差、阻抗、温度、压力等，再与给定的整定值进行比较，确定被保护设备的运行状态（正常运行状态、故障还是不正常工作状态）。逻辑部分的作用是根据测量部分送来的信号进行逻辑判断，以决定保护是否动作以及如何动作（瞬时动作还是延时动作）。执行部分的作用是根据逻辑部分的判断，完成保护的任务（发跳闸脉冲或发报警信号）。三、四个基本要求继电保护装置必须满足四个方面的基本要求，分别是可靠性、选择性、快速性、灵敏性。（1）可靠性，即保护装置的可依赖性，指的是保护装置不拒动也不误动。影响保护装置可靠性的因素很多：比如说保护原理、产品质量、运行环境、维护质量、保护配置（主保护、后备保护、断路器失灵保护、辅助保护）等。这里主保护指的是能在满足系统稳定性要求时限内切除区内故障的保护。后备保护是当主保护拒动时，用以切除该故障的另一套保护。后备保护又分为远后备保护和近后备保护，远后备保护是本组件保护拒动时由上一线路的保护切除故障，则该上一线路保护被称为本组保护的远后备。近后备保护是当本组件的主保护拒绝动作时，由本组件安装处另一套保护切除故障，该另一套保护叫近后备保护。断路器失灵保护指的是当断路器拒绝动作时，由相关电气元件保护联合实施切除故障的保护。辅助保护是用以补充主保护、后备保护不足的保护（过负荷、温度、零序不灵敏1段等）。（2）选择性，指的是继电保护动作时的针对性，继电保护装置动作时仅仅将故障元件切除，而保证非故障元件的继续运行称为选择性。图13选择性示意图当然如果主保护拒动或断路器拒动时，由远后备保护装置动作将故障切除也称为选择性。如图13所示，d3点故障，保护6动作是选择性的，如果保护6拒动或断路器6拒动时，由保护5动作，断路器5跳闸将故障切除，仍然称为选择性的。（3）快速性，是指继电保护装置动作速度要快，快速性的主要目的在于快速切除故障，而切除故障离不开断路器操作，切除故障时间等于继电保护动作时间与断路器分闸时间之和，所以为了快速切除故障，必须配置快速性的断路器与继电保护配合工作。一般的快速保护的动作时间为0.06～0.12s，最快的可达0.01～0.04s。一般的断路器的动作时间为0.06～0.15s，最快的可达0.02～0.06s。注意断路器的选择和继电保护装置的配置除了满足技术条件还应考虑经济性。（4）灵敏性，又叫灵敏度，是指对于设计规定保护范围内发生的故障和不正常工作状态的反应能力，一般用有效保护范围和灵敏系数表征灵敏度。灵敏度，是衡量一套保护装置是否合格的一个重要指标。灵敏度校验合格的保护装置才可以投入使用。为了统一标准，灵敏度标准均大于1。对于过量保护与欠量保护，在灵敏度校验时应分别采用不同的校验公式。在进行短路电流计算和灵敏度校验时，常常要考虑电力系统的最大运行方式与最小运行方式，最大运行方式是指电力系统投入运行的电源容量最大，等值阻抗最小，短路时流过保护安装处的短路电流为最大的运行方式。最小运行方式是指电力系统投入运行的电源容量最小，等值阻抗最大，短路时流过保护安装处的短路电流为最小的运行方式。四、保护用互感器继电保护工作时必须首先进行测量，测量的对象和内容是被保护对象的物理量，其中电流量电压量是经常被利用的两个电气量。电流量电压量的测量必须利用互感器进行。互感器包括电流互感器与电压互感器，互感器的结构和原理与变压器相似，可以认为是小型化的变压器，它们的基本作用有二：一是电量的变换，方便二次回路的应用，使二次回路及设备小型化及标准化；二是电路的隔离，保证二次回路设备及人员的安全。图14电流互感器原理示意1.电流互感器TA电流互感器的作用：①将一次侧大电流按比例变换成二次侧的小电流（5A或1A）；②进行电路的隔离，利用电磁感应原理工作，可保证二次系统的安全。电流互感器使用注意事项：①二次绕组不允许开路；②二次绕组必须可靠接地。电流互感器原理示意图如14所示。2.电压互感器TV电压互感器的作用：①将一次侧高电压按比例变换成二次侧的低电压（100V或100/V）；②进行电路的隔离，可保证二次系统的安全。电压互感器使用注意事项：①二次绕组不允许短路；②二次绕组必须可靠接地。思考与练习1.电力系统包括哪些内容？2.电力系统短路故障有哪些类型？3.什么是继电保护装置？4.什么是短路故障？5.短路故障有哪些危害？6.继电保护能起到哪些作用？7.短路故障的基本特征有哪些？8.四个基本要求的内容是什么？9.互感器有什么作用？课题二常用继电器学习目标1.知道继电器的分类。2.知道继电器的作用。知识点1.电磁型继电器动作与返回。2.电流继电器动作电流、返回电流和返回系数。3.低电压继电器动作与返回。4.低电压继电器动作电压与返回电压。5.时间继电器作用。6.中间继电器作用。技能点1.检查继电器。2.继电器定值调整。3.电流继电器检验。4.低电压继电器检验。5.时间继电器检验。6.中间继电器检验。学习内容构成继电保护装置的核心元件是各种各样的继电器。继电器指的是这样一种电器，当给它通入一定的物理量或通入的物理量达到一定值时，它所控制的另一个物理量会发生突然的变化，而无临界状态，这种电器称为继电器，这种突然变化而无临界状态的特性称为继电特性。根据所反映的物理量不同，继电器有电流继电器、电压继电器、气体继电器等；根据所起的作用不同，有测量继电器（电流、电压继电器）、辅助继电器（中间继电器、时间继电器）等；根据结构型式及工作原理不同，有电磁型继电器、微机型继电器等。一、电磁型电流继电器电流继电器的作用是测量电流的大小。电流继电器的结构和图形符号如图15所示。图15电磁型电流继电器结构图与符号（a）结构图；（b）图形符号

1—电磁铁；2—线圈；3—Z形舌片；4—螺旋弹簧；5—动触点；6—静触点；

7—整定值调整把手；8—刻度盘；9—轴承；10—止挡电流继电器线圈导线较粗、匝数少，串接在电流互感器的二次侧使用，作为电流保护的测量起动元件，用以判断被保护对象的运行状态。电磁型继电器由铁芯、线圈、固定在转轴上的Z形舌片、螺旋弹簧和动、静触点构成。通过继电器的电流产生电磁力矩Mc，作用于Z形舌片，螺旋弹簧产生反作用力矩Ms，作用于转轴。当Mc大于Ms时，使Z形舌片转动，带动动合触点闭合，称之为继电器动作。继电器的动作条件为动合触点也叫常开触点，指的是继电器不通电或通电不足时处于打开状态的触点。使继电器动作的最小电流称为动作电流，用Iact表示。继电器动作后，若通过继电器的电流减小，则电流产生的电磁力矩Mc随之减小。当电磁力矩Mc小于螺旋弹簧产生的反作用力矩Ms时，Z形舌片在Ms的作用下回到原来动作前的位置，动合触点断开，称之为继电器返回。继电器的返回条件为使继电器返回的最大电流称为返回电流，用Ir表示。返回电流Ir总小于动作电流Iact。返回电流Ir与动作电流Iact的比值称为返回系数Kr，Kr＝0.85～0.95图16电磁型继电器内部接线图（a）线圈串联；（b）线圈并联继电器的定值调整通常有两种方式：①调整整定把手，改变弹簧力矩；②是改变内部线圈的串并联方式。如图16所示。电流继电器线圈并联时的动作电流是线圈串联的2倍。二、电磁型电压继电器电压继电器的作用是测量电压的高低，应用时并接在电压互感器的二次侧，作为保护的测量起动元件。电磁型电压继电器的结构与电流继电器基本相同，但电压继电器的线圈导线细、匝数多，绕组多采用康铜线绕制。电压继电器的图形符号如图17所示。图17电压继电器图形符号（a）过电压继电器；（b）低电压继电器电压继电器分为过电压继电器和低电压继电器。过电压继电器的动作和返回、动作值和返回值的概念与电流继电器相似。低电压继电器内部常设动断触点，动断触点又称为常闭触点，在继电器不通电或通电不足时处于闭合状态。所以系统正常运行时，电压互感器的二次额定电压加在低电压继电器上，产生的电磁转矩Mc大于螺旋弹簧产生的反作用力矩Ms，触点被吸持，处于断开状态；当发生短路故障时，系统电压下降，电压互感器的二次电压随之下降，当产生的电磁转矩Mc小于螺旋弹簧产生的反作用力矩Ms，其触点闭合，称为低电压继电器动作。使低电压继电器动作的最高电压称为低电压继电器的动作电压Uact。在故障切除以后电压恢复过程中，当电压升高到产生的电磁转矩Mc大于螺旋弹簧产生的反作用力矩Ms时，其触点断开，称为低电压继电器返回。使低电压继电器返回的最低电压称为低电压继电器的返回电压Ur。低电压继电器的返回系数通常要求Kr≤1.2。电压继电器的动作值的调整与电流继电器类似，仍可通过改变整定把手位置和改变内部线圈的串并联方式来实现。大家思考一下：串联与并联线圈会对动作值产生怎样的影响？三、电磁型时间继电器时间继电器的作用是为继电保护装置建立必要的动作延时，以保证继电保护动作的选择性和某种正确的逻辑关系。时间继电器的操作电源一般多为直流电源，所以多为直流时间继电器。对时间继电器的要求：①带电能准确地延时动作；②失电能可靠地瞬时返回。电磁型时间继电器的结构及图形符号如图18所示。它主要由电磁部分、钟表机构和触点组成。图18电磁型时间继电器结构及图形符号（a）结构图；（b）图形符号

1—线圈；2—电磁铁；3—衔铁；4—返回弹簧；5、6—固定瞬时动断、动合触点；

7—扎头；8—可瞬动触点；9—曲柄杠杆；10—时钟机构；11、12—动静触点；13—刻度盘四、电磁型中间继电器中间继电器起中间桥梁作用，与前述的电流继电器、电压继电器相比，有如下特点：①触点的数量多；②触点的容量大；③可实现短时延时；④可实现自保持。所以中间继电器能满足复杂保护和自动装置的接线需要，应用非常广泛。中间继电器在保护中的作用主要是扩展前级继电器触点的数和容量，在特殊情况下实现延时或自保持功能。电磁型中间继电器一般都是吸引衔铁式的，其结构及图形符号如图19所示。图19电磁型中间继电器结构及图形符号（a）结构图；（b）图形符号

1—电磁铁；2—线圈；3—活动衔铁；4—静触点；5—动触点；6—弹簧；7—衔铁行程限制为保证在操作电压降低时继电器仍能可靠动作，中间继电器的动作电压一般不应大于额定电压的70%（动作电流不应大于铭牌额定电流），在线圈所加电压（或电流）完全消失时返回。具有自保持功能的中间继电器，其保持电流不应大于额定电流的80%，保持电压不应大于其额定电压的65%。在DZS型中间继电器的铁芯上，装设了短路环或短路线圈等磁阻尼元件，所以当继电器接通或断开电源时，短路环短路线圈中的感应电流总是力图阻止磁通的变化的，延缓了铁芯中磁通建立或消失的过程，从而得到了一定的动作延时或返回延时，所以这类中间继电器具有一定的短延时功能。五、电磁型信号继电器信号继电器作为装置动作的信号指示器，标示装置所处的状态、接通灯光信号或音响回路。信号继电器的触点为自保持，由值班人员手动或电动复归。DX-11型信号继电器的结构及图形符号如图110所示，当线圈中通电时，衔铁3克服弹簧6的拉力被吸引，信号牌9失去支持而落下，并保持在垂直位置，动静触点闭合，从信号牌显示窗口可以看到掉牌。在值班员手动转动复归旋钮后才能将掉牌信号和触点复归。信号牌恢复到水平位置后，由衔铁3支持，准备下一次动作。图110DX—11型信号继电器结构及图形符号（a）结构图；（b）图形符号

1—电磁铁；2—线圈；3—衔铁；4—动触点；5—静触点；

6—弹簧；7—信号牌显示窗口；8—复归旋钮；9—信号牌DXM—2A型信号继电器分为电流型和电压型两种。电流起动的信号继电器结构如图111所示。继电器采用磁力自保持，灯光显示，电动复归。当工作线圈通电时，电流产生磁通与置于线圈内永久磁铁的磁通方向相同，磁通通过簧片使触点相吸而接通，信号指示灯亮。工作线圈断电后，由永久磁铁磁通保持触点闭合。复归时给释放线圈加电压，其所产生的磁通与永久磁铁的磁通方向相反而互相抵消，触点返回。图111DXM—2A型信号继电器结构及接线图（a）结构图；（b）接线图

1—干簧触点；2—工作线圈磁通；3—释放线圈磁通；4—释放线圈；5—永久磁铁；6—工作线圈电压起动的信号继电器的原理与之相同。思考与练习1.什么叫电流继电器动作？2.什么叫电流继电器返回？3.什么叫电流继电器动作电流？4.什么叫电流继电器返回电流？5.什么叫低电压继电器动作？6.什么叫低电压继电器返回？7.什么叫低电压继电器动作电压？8.什么叫低电压继电器返回电压？9.时间继电器有什么作用？10.对时间继电器有哪些要求？11.中间继电器有什么特点？具有哪些功能？12.改变继电器整定值的方法有哪些？13.线圈串联与并联时对电流继电器和电压继电器分别有哪些影响？14.按实验指导书上电路图完成实验接线并通电试验，实测继电器动作参数。课题三微机保护及其特点学习目标知道微机保护及其特点。知识点1.微机保护构成特点。2.微机保护使用特点。技能点能根据微机保护屏面板标识判断出是什么保护装置。学习内容随着计算机技术的发展，微机型继电保护应运而生，而且在电力系统中的应用越来越广泛。我国在微机继电保护方面的研究起步较晚，但进展却很快。我国第一套微机保护产品是1984年由华北电力学院研制的一套MDP—1型微机距离保护，经试运行后通过了科研鉴定，于1987年投入批量生产。这是我国第一代微机保护产品，其型号为01型。进入20世纪90年代后，单片机技术的应用为继电保护技术的发展提供有非常有利的条件，产生了第二代微机保护装置，它是由华北电力学院北京研究生部首先研制的，其型号为11型。第一套11型微机保护装置于1990年5月投入试运行，代表产品WXH—11和WXB—11遍及全国，它的运算速度与精度比第一代保护有了大幅度地提高。我国第三代微机保护是由北京哈德威四方保护与控制设备公司和华北电力大学联合研制生产的CS系列产品，如CSL—101系列线路保护、CST—200系列变压器保护等。此时我国微机保护装置硬件结构已达到国际先进水平。近年来，我国许多大专院校、保护研究所和专业厂家都投入了极大的力量研究、开发出新型保护原理，从本质上突破了我国快速保护的现状，使我国继电保护水平达到国际先进水平。代表产品是国家电力公司南京电力自动化研究院的LFP—900系列保护装置。一、微机保护的构成特点传统的继电保护是布线逻辑，比如由电磁型继电器构成的传统继电保护装置完全是由硬件电路构成的。继电保护的每个环节、每项功能都由看得见摸得着的元器件通过导线的正确连接完成。保护装置中接线复杂、接点繁多，任何一点纰漏都将直接影响到整套保护装置的可靠性。微机保护装置是由硬件电路和软件两方面结合实现继电保护功能的一种自动装置。微机保护装置的硬件结构通用性好、适合标准化系列化生产，制造质量得以保障；软件由科研机构编制而成通过特殊手段（光或电）读写到相应的存储器中，不易被改写，因此保护功能相当稳定；微机保护装置在生产现场的接线少，维护调试工作量小，因此出现失误的机率也小；另外，相同的硬件结构配以不同保护原理的软件可以实现不同的保护功能，也直接影响着继电保护的选择性、快速性、灵敏性、可靠性。二、微机保护的使用特点归纳起来，目前微机保护装置的特点如下：1.维护调试方便过去使用的电磁型、整流型或晶体管型继电保护，保护装置的各种元件都是由硬件组成，每一种逻辑功能都由相应的硬件构成，逻辑越复杂，硬件就越多，试验也麻烦，因此这类保护装置的调试工作量都很大，尤其是一些复杂的保护，调试一套保护往往需要一周时间甚至更长。而微机保护除了输入量的采集外，所有的计算、逻辑判断都是由软件完成，成熟的软件一次设计测试完好后，就不必在投产前逐项试验。而且微机保护对硬件和软件都有自检功能，装置上电后硬件有故障就会立即报警，所以微机保护几乎就不用调试，需要调试的主要项目都是在厂家完成的，在生产现场装置投运前做一次静态和动态试验就可以试运行了。2.可靠性高常规的继电保护装置由于是由各种器件组成的，不可能做得很复杂，硬件越多、逻辑越复杂，装置本身出故障的概率就越大，装置的可靠性就会越差。而微机保护的硬件结构是标准化系列化生产，性能稳定，微机保护的软件设计，也考虑到了电力系统中各种复杂的故障，具有很强的综合分析和判断能力，简直就是一个专家智能系统。另外，微机保护的自检测功能也大大提高了整套装置的可靠性。3.动作正确率高由于软件计算的实时性，微机保护装置能保证在任何时刻均不断迅速地采样计算，反复准确地校核，对发生的故障进行正确地判断。微机保护装置对于转换性故障也能及时做出反应，因此微机保护的动作正确率很高，运行实践早已证明了这一点。4.易于获得各种附加功能由于计算机软件的特点，使得微机保护可以做到硬件和软件资源共享，在不增加任何硬件投入的情况下，通过增加软件就可以获得多种附加功能。比如故障测距、故障录波、自动重合闸等功能。5.保护性能容易得到改善微机保护功能是在硬件支持下由软件实现的，因此利用计算机软件可方便改写的特点，保护的性能就可以通过研究新的保护原理来得到改善。而且现代许多新原理的算法是不可能通过硬件来实现的。6.具有远方监控特性微机保护都有串行通信功能，与变电站微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控的特点，微机保护成为变电站综合自动化系统中不可缺少的重要一部分。7.使用灵活、方便目前微机保护装置的人机界面做得越来越人性化，交互性非常好，使用越来越简单方便。比如汉化的操作界面、方便的整定值查询、整定值更改等，受到现场继电保护工作人员的普遍欢迎。三、微机保护的起动元件为了提高保护动作的可靠性，保护装置的出口均经起动元件闭锁，只有在保护起动元件起动后，保护装置出口闭锁才被解除。目前用到的起动方式有以下几种：（1）根据相电流突变量起动（2）零序辅助起动元件零序辅助起动元件很灵敏，带0.2s延时，动作后同样驱动QDJ，防止在线路末端经特大电阻接地时（220kV——100Ω、500kV——300Ω），相电流突变量元件不能起动。（3）相电流差突变量起动（4）正负序综合电流工频变化量起动四、微机保护的选相元件微机保护具有自动选相的功能，能够选出故障相，判断故障类型，以下介绍两种选相方式：1.采用相电流差突变量选相测量ΔIAB、ΔIBC、ΔICA三值，并比较其大小：（1）若三值几乎相等则是三相短路。（2）若三值不等，排大、中、小，满足（大-中）≪（中-小）条件时是单相接地，最小值的两相是健全相，不满足以上条件时是两相故障，再通过零序电压超定值判断是否接地。2.工作电压突变量ΔUOP选相元件对于ΔUOPA、ΔUOPB、ΔUOPC、ΔUOPAB、ΔUOPBC、ΔUOPCA先比较三个相电压，取最大相者与另两相的相间工作电压比较，大于一定倍数即判为该最大相单相故障，不满足，则判为多相故障。思考与练习1.什么是微机保护？2.传统继电保护构成的特点是什么？3.微机保护的构成特点有哪些？4.微机保护的使用特点有哪些？课题四微机保护硬件结构学习目标了解掌握微机保护硬件构成及各部分功能。知识点1.微机保护的典型硬件结构。2.采样。3.采样周期。4.采样频率。5.对采样频率的要求。6.电隔离技术。技能点在成套微机保护装置上能分清各部分硬件结构并说出它们的作用。学习内容微机型继电保护与传统继电保护的最大区别就在于前者不仅有实现继电保护功能的硬件电路，而且还必须有实现保护和管理功能的软件——程序，而后者则只有硬件电路。本课题所介绍的微型机继电保护装置的构成是指微机保护装置硬件电路构成的一般原则，而并不涉及某种具体的微机保护装置。一般地，一套微机保护装置的硬件构成可分为五部分，即信号输入电路、微型机、人机接口电路、信号输出电路、电源，如图112所示。图112典型的微机保护系统框图一、信号输入电路传统保护是把电压互感器二次侧电压信号及电流互感器二次电流信号直接引入继电保护装置或者把二次电压、电流经过变换（信号幅值变化或相位变化）组合后再引入继电保护装置。无论是电磁型、感应型继电器还是整流型、晶体管型继电保护装置都属于反应模拟信号的保护。尽管在集成电路保护装置中采用了数字逻辑电路，但从保护装置测量元件的原理来看，它仍属于反应模拟量的保护。而微机保护中的微型计算机则是处理数字信号的，即送入微型计算机的信号必须是数字信号。这就要求必须有一个将模拟信号变换成数字信号的系统，这就是数据采集系统。微机保护装置输入信号主要有两类，即开关量和模拟量信号。信号输入电路部分就是妥善处理这两类信号，完成单片微机系统输入信号接口功能。通常输入的开关量信号不能满足单片微机的输入电平要求，因此需要信号电平转换。为了提高保护装置的抗干扰性能，通常还需要经整形、延时、光电隔离等处理。输入的电压和电流信号，是模拟量信号。由于计算机是一种数字电路设备，只能接受数字脉冲信号，所以就需要将这一类模拟信号转换为计算机能接受的数字脉冲信号。完成模拟量至数字脉冲的变换称为模数变换。1.模拟量输入电路所谓的模拟量信号指的是定义域和函数值都是连续的信号。而数字脉冲信号指的是定义域和函数值不连续，均是一些离散的点的集合的信号。如果仅是定义域不连续则称为离散信号。将模拟量变换为数字量通常有两种方式：一是利用A/D芯片构成的逐次逼近式转换系统，二是通过压-频变换式转换系统，即ADC和VFC。ADC是直接将模拟量转为数字量的，而VFC是将模拟量电压先转变为频率脉冲量，通过脉冲计数变换为数字量的。对于中低压设备保护装置，这两种变换方式都可采用，对于要求动作速度快、测量精度高的高压超高压保护设备，多采用VFC式变换系统。由A/D芯片构成的逐次逼近式转换系统框图如下图113所示。图113由A/D芯片构成的逐次逼近式转换系统框图要将模拟信号变换为数字信号，必须要经过两个环节：即采样与模/数变换。采样就是测量，是在给定时刻对模拟信号进行的测量。采样采用的是等间隔采样方式，采样时单位时间内完成的采样数就是采样频率，完成一次采样所需要的时间就是采样周期，分别用fs和Ts表示。要保证采样信号不失真，采样定理要求采样频率必须不小于所有的输入信号频谱中最高频率的2倍。所以要求采样频率应该足够高才行，但是采样频率太高，采样周期过短，单位时间内CPU处理的数据过多，当时间过短，超出CPU的处理能力时，就会造成数据堆积，微机保护就不能正常进行判断和分析处理。图中电压形成回路主要完成电压电流互感器的二次值的量值变换，变换成适合计算机处理的弱电压信号。低通滤波器的作用主要是降低输入信号的最高频率，以适当地降低采样频率，减轻CPU处理数据的负担。采样/保持器的作用是完成采样并保持采样结果的恒定不变。多路转换开关是一个多输入端口单一输出端口的控制器，由控制端控制哪一路输入量可以输出。A/D芯片是核心元件，完成模/数转换。CPU是构成微机保护的核心，数据的分析处理、保护功能的实现都离不了它。压-频变换式模/数变换是将电压模拟信号ui线性地变换为数字脉冲式的频率f，然后由计数器对数字脉冲计数，供CPU读入，原理框图如图114所示。图114电压频率变换式转换系统框图2.开关量输入开关量输入是微机保护与外部设备的联系部分，因为输入信号是开关量信号（即接点的通、断），所以称为开关量输入电路。例如，保护装置的压板、连接片、屏上切换开关，其他保护动作的接点等均作为开关量输入到微机保护。为了提高装置的抗干扰能力，开关量输入时要经过隔离技术。如图115所示。图115开关量输入电路（隔离电路）（a）装置内接点输入回路；（b）装置外接点输入回路二、微型计算机系统微型计算机系统是微机型继电保护装置的核心。目前计算机保护的计算机部分都是由微型计算机或单片微型计算机构成的，这也是微机型继电保护名称的由来。由一片微处理器（CPU）配以程序存储器（EPROM）、数据存储器（RAM）、接口芯片——包括并行接口芯片、串行接口芯片、定时器/计数器芯片等构成的微机系统称为单微机系统。由单片微型计算机配以部分接口芯片也可以构成微机系统。在一套微机保护装置中仅有一个单片机称为单微机系统，而在一套保护装置中有两片或两片以上单片机则称为多微机系统。单微机系统中只有一个CPU，整套保护装置的所有功能都是在它的管理之下（执行程序）实现的，而多微机系统中有两个或两个以上的CPU，每一个CPU可执行分配给它的一部分任务，几个CPU之间的任务是并行工作的。目前，多微机系统的任务分配方法有多种方案。例如有两个CPU的系统，其中一个CPU负责完成数据采集任务，而另一个CPU则完成数据处理任务；另一种方案是一个CPU实现设备的主保护任务，而另一个CPU实现设备的后备保护任务，也有的让两个CPU实现完全相同的任务，从而对微机系统来说，硬件电路与软件完全双重化，有利于提高微机保护的可靠性在复杂的保护装置中，一般有两个以上的CPU或单片机。此时，可由一个CPU或单片机实现人机对话功能，其他CPU或单片机则分别完成不同的保护功能，这种硬件结构称为主从式多CPU并行工作系统。三、人机接口部分在许多情况下，单片微机系统必须接受操作人员的干预，例如整定值的输入，工作方式的变更，对单片微机系统状态的检查等都需要人机对话。这部分工作在CPU控制之下完成，通常可以通过键盘、汉化液晶显示、打印及信号灯、音响或语言告警等来实现人机对话。四、信号输出电路输出通道部分是对控制对象（例如断路器）实现控制操作的出口通道。通常这种通道主要任务是将小信号转换为大功率输出，满足驱动输出的功率要求。在出口通道里还要防止控制对象对微机系统的反馈干扰，因此出口通道也需要光电隔离。总的说来输出通道仍然是一种被控对象与微机系统之间的接口电路，如图116所示。图116信号输出电路（隔离）五、电源微机保护装置的电源是一套微机保护装置的重要组成部分。电源工作的可靠性直接影响微机保护装置的可靠性。微机保护系统对电源要求较高，通常这种电源是逆变电源，即将直流逆变为交流，再把交流整流为微机系统所需的直流电压。它把变电站的强电系统的直流电源与微机的弱电系统电源完全隔离开。微机保护装置不仅要求电源的电压等级多，而且要求电源特性好具有强的抗干扰能力。通过逆变后的直流电源具有极强的抗干扰水平，对来自变电站中因断路器跳合闸等原因产生的强干扰可以完全消除掉。一般地，集成电路芯片的工作电压为5V，而数据采集系统的芯片通常需要双极性的±15V或±12V，输出电路中继电器驱动需要24V。思考与练习1.模拟信号与数字信号有什么区别？2.什么叫采样？3.什么是采样周期？4.什么是采样频率？5.对采样频率有什么要求？6.微机保护的典型硬件结构有哪几部分组成？7.低通滤波器有什么作用？8.画出光电隔离器原理示意图。9.到实验室或变电站认识微机保护装置。单元二低压电网的电流保护本单元主要介绍三段式电流保护、方向性电流保护、零序电流保护等电流保护知识，学完本单元后对电流保护构成、原理、工作性质都应该有了非常明确清晰的认识。要求学生掌握保护的构成、工作原理、作用等，会进行简单的事故分析。课题一线路相间故障的三段式电流保护学习目标1.知道三段式电流保护内容。2.会画三相完全星形接线方式及两相不完全星形接线方式图。3.知道阶梯形时限特性。知识点1.瞬时电流速断保护。2.限时电流速断保护。3.定时限过电流保护。4.电流保护接线方式。技能点线路故障时会进行保护动作行为分析。学习内容电力系统在运行过程中不可避免地会受到各种干扰而发生短故障，短路故障的基本特征之一是电流增加，所以根据电流的变化，反应电流增加而动作的保护是最基本的保护形式，电流保护的功能一般都是由几个特性不同的电流保护相互配合完成的，典型配置通常为三段式，三段分别为：第Ⅰ段：瞬时电流速断保护。第Ⅱ段：限时电流速断保护。第Ⅲ段：定时限过电流保护。在具体应用时，也可以根据需要配置为两段式电流保护，两段式电流保护即只配置第Ⅱ段和第Ⅲ段。一、影响短路电流大小的因素影响短路电流大小的因素有系统的运行方式、短路点的位置、短路类型等。电力系统的运行方式不同，在相同位置发生同样类型短路故障时，短路电流大小不同，运行方式越大，短路电流越大，运行方式越小，短路电流也越小。当出现最大运行方式和最小运行方式两种极端运行方式时，短路电流大小也出现最大值与最小值。短路点的位置对短路电流大小也有影响，由欧姆定律可知，电路中电流大小与阻抗成反比，所以当短路故障点离电源近时，短路阻抗小，短路电流较大；当短路故障点离电源远时，短路阻抗大，短路电流较小。短路类型对短路电流的影响非常大，当发生不同短路类型时，短路回路中短路阻抗均不同，短路电流大小也不同。综合分析，短路电流曲线如图21所示。图21短路电流曲线图二、瞬时电流速断保护该保护整定值按躲过被保护区末端最大的短路电流计算值来整定，保护不带延时，瞬时动作，保护范围较小，通常只有线路全长的15%～50%，且保护范围会随着运行方式而改变，由于保护范围小，灵敏度不合格，所以该保护不能单独使用，作为阶段式电流保护的第Ⅰ段使用，目的是当线路的前15%～50%范围内故障时可以瞬时快速切除故障。瞬时电流速断的单相原理接线图如图22所示。三、限时电流速断保护限时电流速断保护即第Ⅱ段保护，装置设该保护的目的是为了弥补第Ⅰ段保护的严重不足：保护范围小，灵敏度不合格。为了增大保护范围、提高保护的灵敏度，只有降低保护的动作值，但要增大保护范围到线路全长时，保护范围不可避免地要延伸到了相邻下一线路，需要与相邻下一线路的保护相配合，否则就会造成保护的无选择性动作。限时电流速断保护的整定值通常按大于相邻下一线路第Ⅰ段保护的定值来确定，同时为了保证保护动作的选择性，该保护动作时限要比相邻下一线路第Ⅰ段保护的时限长，且至少长一个时限级差Δt。限时电流速断的单相原理接线图如图23所示，限时电流速断保护与瞬时电流速断保护保护范围如图24所示。图22瞬时电流速断保护单相原理接线图23限时电流速断保护单相原理接线图图24速断保护范围四、定时限过电流保护定时限过电流保护即第Ⅲ段保护，它作为本线路的近后备保护以及作为相邻下一线路的远后备保护，保护范围最大，动作值最低，它的整定值是按大于最大的负荷电流来确定的，即在最大负荷电流作用下不能起动，且在装置动作以后故障切除后在最大负荷电流作用下能可靠返回。为了保证该保护动作的选择性，它的动作延时按阶梯形时限配合原则来确定。阶梯型时限配合原则如图25所示。定时限过电流保护原理接线图与限时电流速断保护相同。三段式电流保护各段保护范围与时限配合曲线图如图26所示，三段式电流保护原理接线图如图27所示。图25定时限过电流保护的动作时限（a）单电源辐射网络；（b）时限特性五、电流保护接线方式电流保护是用电流互感器将大电流按比例变换成二次侧小电流，再由串联在电流互感器二次侧的电流继电器反应被保护对象电流的变化，以决定保护是否动作的。电流继电器与电流互感器二次侧的连接方式，称为电流保护的接线方式。流入电流继电器的电流与电流互感器的二次绕组电流的比值称为接线系数Kcon。电流保护接线方式不同，当发生不同类型的短路故障时，接线系数也可能不尽相同，对保护的灵敏度会有影响。电流保护的接线方式有三相完全星形接线、两相不完全星形接线、两相电流差接线、两相三继电器式接线等。图26三段式电流保护各段保护范围及时限的配合1.三相完全星形接线三相完全星形接线如图28所示。三相均装设有电流互感器，各相电流互感器和电流继电器的线圈串联，然后接成星形连接，通过中性线形成回路。这种接线方式能反映各种形式短路故障，且接线系数Kcon＝1。由于三个电流继电器的触点并联，任何一个继电器动作，都可以起动整套保护装置。2.两相不完全星形接线图27三段式电流保护原理接线图图28三相完全星形接线图图29两相不完全星形接线两相不完全星形如图29所示。电流互感器装设在A、C两相上，其二次绕组与各自对应的电流继电器线圈串联后，连接成不完全星形。这种接线方式能反映各种相间短路故障，且接线系数Kcon＝1。当发生相间短路故障时，至少有一个电流互感器流过短路电流，使相应的电流继电动作，从而起动整套保护装置。但是，如果在没有装设电流互感器的那一相上发生单相接地故障时，保护装置将不动作。3.两相电流差接线两相电流差接线如图210所示。这种接线方式在A、C两相上装设两个电流互感器，而只有一个电流继电器，流入电流继电器的是两个电流互感器二次绕组上电流的差值。这种接线方式简单、接线系数随故障情况不同大小不同，常在电动机保护中使用。4.两相三继电器式接线两相三继电器式接线如图211所示。与两相不完全星形接线形式相比，只是在中性线路回路中串入了一个电流继电器，该继电器的触点与另两个电流继电器的触点并联使用，这种接线方式多用于Yd11接线变压器的后备保护，装于Y侧，可提高灵敏度一倍。图210两相电流差接线图图211两相三继电器接线思考与练习1.什么是三段式电流保护？2.三段式电流保护中各段电流保护有何特点？3.画图说明限时电流速断保护构成及工作原理。4.画出说明三段式电流保护时限特性。5.画图说明三相完全星形接线方式的特点。6.画图说明两相不完全星形接线方式的特点。课题二电网相间短路的方向电流保护学习目标1.知道方向性问题。2.知道加装方向元件的原则。3.知道功率方向继电器的作用及90°接线方式。4.会画按相起动电路图。知识点1.按相起动电路图。2.功率方向继电器的90°接线方式图。3.同一母线两侧的过电流保护加装方向元件的原则。4.方向元件的死区位置。技能点1.能分清正、负方向。2.能区分正、负方向上的故障。3.会进行方向过电流保护的动作情况分析。学习内容一、方向性问题的提出提高供电可靠性，保证电能质量是电力系统运行的基本要求，单电源辐射形网络的供电可靠性较差，这在前面讲解选择性问题时已经感觉到了，采用双电源同时供电或单电源环网供电形式可以使供电可靠性大大提高，如图所示212所示。图212环网供电和双电源同时供电形式（a）环网供电形式；（b）双电源同时供电形式但是同时也出现了新的问题。以图213所示的双电源同时供电形式为例进行分析如下：图213双电源同时供电电网由于增加了供电电源，为了切除线路上的故障，线路两侧都装设有断路器和相应的保护装置，假定装设前面讲述过的电流保护，将不能保证保护动作的选择性。比如当k1点短路时，保护3处的短路电流从母线流向线路，保护3应该动作而保护2不应该动作，只有通过增加保护2的动作时间，使得t2＞t3来保证选择性动作；而当k2点短路时，保护3处的短路电流从线路流向母线，保护2应该动作而保护3不该动作，也只有通过增加保护3的动作延时，使得t3＞t2来保证选择性动作。很明显，保护2与保护3的动作时间是固定的，不可能同时出现t2＞t3和t3＞t2的情况，所以出现了矛盾的要求和结果。也就是说明原来在单电源辐射形供电网络中应用的过电流保护已经不适应新的供电网络的要求了。但是，经过分析得知，无论保护2还是保护3，凡是它们不应该动作时，流过它们所在处的短路电流都是由线路流向母线的，凡是它们该动作时，流过它们所在处的短路电流都是由母线流向线路的。所以为了保证选择性，在原来的过电流保护基础上增加了方向判别元件即功率方向继电器。关于功率方向是这样规定的：功率的方向由母线流向线路的方向为正，由线路流向母线的方向为负。功率方向由功率方向继电器来判断。当功率方向为正时功率方向继电器动作，其动合触点（常开触点）接通，当功率方向为负时不动作，其动合触点断开。由以上分析可知，判别短路功率的方向是解决电流保护用于双侧电源供电或单电源环网供电线路选择性问题的有效方法。增加判别功率方向的电流保护称为方向电流保护，其原理接线图和逻辑框图如图214所示。图214方向电流保护原理接线图及逻辑框图（a）原理接线图；（b）逻辑框图二、加装功率方向继电器的原则虽然加装功率方向继电器构成方向电流保护是保证双电源或单电源环网供电时保护动作选择性的有效方法，但是否过电流保护应用在双电源或单电源环网供电时必须加装功率方向继电器呢？答案是否定的，理由：①由分析知并不是所有的过电流保护都一定会误动；②增加功率方向继电器会增加投资；③增加功率方向继电器会使保护逻辑关系变得复杂，降低可靠性。所以如果某套过电流保护不会误动作时就没必要加装功率方向继电器了。加装功率方向继电器的原则如下：①在双侧电源供电或单电源环网供电线路中，同一母线两侧的过电流保护，动作时间短者必须加装功率方向继电器，动作时间长者没必要加装；②如果同一母线两侧的保护的动作时间相同，则两个保护必须同时加装功率方向继电器。三、功率方向继电器功率方向继电器的作用是判别功率的方向。正方向故障，功率从母线流向线路时动作；反方向故障，功率从线路流向母线时不动作。式中U——保护安装处母线的电压；I——保护安装处的电流；φ——电压U与电流I的相位角。当正向故障时，φ在0°～90°范围内变化，为锐角，P＞0；当反向故障时，φ角增加180°为钝角，P＜0。所以方向元件的动作条件为分析功率方向继电器时必须掌握以下几个概念：（1）动作区——以某一电气量为参考相量，另一个（一些）电气在某一区域变化时，继电器能动作，该区域就是继电器的动作区。（2）死区——在保护范围内发生故障时，保护应该动作但由于某种因素使保护拒绝动作的区域，称为继电器的死区。（3）最大灵敏角——继电器的动作量最大、制动量最小（或保护范围最长）时，接入继电器的电压与电流的夹角称为最大灵敏角Φsen·max四、功率方向继电器的接线方式功率方向继电器的接线方式，是指在三相系统中继电器电压及电流的接入方式。对功率方向继电器接线方式的要求是：①应能正确反应故障的方向，保证正方向短路时动作，反方向短路时不动作；②应有足够高的灵敏度，力求电压电流相位角接近最大灵敏角。在相间短路保护中，广泛采用的接线方式是90°接线方式，所谓90°接线方式是指电流线圈接入本相电流，电压线圈则按照一定顺序接至其他两相的线电压上，系统三相对称时，cosφ＝1，加入继电器的电流超前电压90°，功率方向继电器90°接线方式接入的电流及电压量见表21，其电路图和相量图如图215所示。表2190°接线方式接入功率方向继电器的电流及电压量图215功率方向继电器90°接线方式的电路图和相量图（a）电路图；（b）相量图五、按相起动电路在三相系统中，方向过电流保护如何起动问题是非常重要的，如图216所示的图（a）为按相起动电路，图（b）为非按相起动电路。按相起动是指电流元件的触点必须与对应相别的方向元件的触点相串联，按相别连接后再作并联完成起动的。非按相起动指的电流元件触点与方向元件触点不按相别连接。非按相起动可能会造成保护误动作。如图217所示情况下，采用非按相起电路时保护2会误动作，若采用按相起动电路，则可保证保护2不会误动作。图216按相起动电路与非按相起动电路（a）按相起动电路；（b）非按相起动电路图216非按相起动电路误动作分析系统图思考与练习1.什么是方向电流保护？2.加装功率方向继电器的原则是什么？3.画出方向过电流保护的单相原理接线图。4.对功率方向继电器的接线要求是什么？5.功率方向继电器有死区吗？如果有在什么位置？6.画出功率方向继电器的90°接线方式图。7.画出按相起动电路图。课题三电网的接地保护学习目标1.知道大接地电流系统发生接地故障的基本特征。2.知道大接地电流系统发生接地故障时零序电流与零序电压的变化规律。3.知道阶段式零序电流保护。4.知道中性点不接地系统发生接地故障时电流电压的变化规律。5.知道继电绝缘监视装置的原理。知识点1.中性点直接接地系统接地故障的基本基本特征。2.中性点直接接地系统零序电流零序电压的变化规律。3.零序电流滤过器。4.阶段式零序电流保护。5.中性点不接地系统接地故障的基本特征。6.继电绝缘监视装置原理。技能点1.会画单相接地时电压相量图。2.会画零序电流互感器原理接线图。3.会根据绝缘监察装置原理图进行接地情况分析。学习内容一、中性点直接接地电网接地故障的特点1.接地故障分析中性点直接接地系统又称为大接地电流系统，因为发生这种电网接地故障时，会出现很大的短路电流。当发生接地故障时，要求继电保护动作，跳开相应的断路器。我国110kV及以上电压等级的电网，均采用大接地电流系统。统计表明，在大接地电流系统中发生的故障，绝大多数为单相接地故障，因此需要针对接地故障配置专门的保护装置。前述的三相完全星形接线的电流保护，虽然具备反应接地故障的能力，但那是专门为相间短路配置的保护，保护的整定值、时限配合等都不是针对接地故障的，所以如果依赖过电流保护作为接地故障的保护的话，保护的灵敏度和快速性往往不满足要求（灵敏度低、动作时间长）。中性点直接接地系统发生单相接地故障时，接地相对地电压为零，其他两相对地电压不变，三相电压不平衡，三相电压相量和不为零，产生了零序电压；接地相产生很大短路电流，其余两相为正常负荷电流（忽略负荷电流时为零），三相电流相量和不为零，产生了零序电流。所以产生零序电压和零序电流是中性点直接接系统发生接地故障时最显著的特点。通过获取接地故障时产生的零序分量构成专门的接地保护，称为零序保护。零序电压的分布特点是：接地故障点处的零序电压最高，离故障点越远，零序电压越低，变压器中性点处的零序电压为零。零序电流的分布特点是：零序电流的大小和电源没有直接的关系，零序电流的大小与变压器中性点是否接地以及接地的位置和接地的数目有关。2.零序电流互感器对于电缆线路，可采用零序电流互感器以取得零序电流，如图218所示。3.零序电流滤过器在不能采用零序电流互感器的电路中，可采用零序电流滤过器，根据对称分量的表达式，将三相电流互感器的二次侧同极性端并联，便构成零序电流滤过器。如图219所示，要求构成零序电流滤过器的三个电流互感器的变比、型号及励磁特性完全一致。图218零序电流互感器（a）结构图；（b）接线示意图图219零序电流滤过器实际上，由于三相电流互感器的励磁特性不可能完全一致，在正常运行和相间故障时，继电器中会有不平衡电流流过。分析知正常运行时不平衡电流很小，相间短路时由于铁芯饱和使不平衡电流增大。接地保护的动作电流必须大于此时的不平衡电流。4.零序电压滤过器获取零序电压，需要采用零序电压滤过器。构成零序电压滤过器时，须考虑零序电磁通的铁芯路径，所以采用的电压互感器铁芯型式只能是三个单相的或三相五柱式的。根据对称分量表达式，互感器的二次绕组顺极性接成开口三角形，即可取得零序电压，如图220所示。图220零序电压滤过器（a）由三个单相电压互感器组成；（b）由三相五柱式电压互感器组成二、中性点直接接地电网的零序保护1.阶段式零序电流保护中性点直接接地系统发生接地故障时的保护通常采用零序电流保护。与相间短路故障时的电流保护相似，零序电流电流保护也采用阶段式，通常采用三段式或四段式保护。三段式零序电流保护由瞬时零序电流速断（零序Ⅰ段），限时零序电流速断（零序Ⅱ段）、零序过电流（零序Ⅲ段）组成。这三段保护在保护范围、动作值整定、动作时限配合等方面与三段式电流保护相类似。三段式零序电流保护原理接线如图221所示。图221三段式零序电流保护零序Ⅰ段的动作电流整定时应考虑如下因素：①应躲过被保护线路末端发生接地故障时可能出现的最大不平衡电流；②应躲过由于三相断路器触头不同时合闸所出现的最大零序电流；③当保护中采用单相或综合自动重合闸时，还考虑到非全相运行时电力系统发生振荡情况下产生的巨大零序电流。按条件①和②确定的零序Ⅰ段为灵敏零序Ⅰ段，按条件③确定的零序Ⅰ段为不灵敏的零序Ⅰ段，在自动重合闸装置动作时自动闭锁灵敏零序Ⅰ段，投入不灵敏零序Ⅰ段。零序Ⅰ段只能保护线路的一部分。零序Ⅱ段的动作电流应和相邻下一线路零序Ⅰ段保护动作值相配合，动作时限应比相邻下一线路零序Ⅰ段时限长一个时限级差。零序Ⅱ段能保护线路全长。零序Ⅲ段即零序过电流保护与相间短路的过电流保护相似，用作本线路接地故障的近后备和相邻下一线路接地故障的远后备。动作电流应按躲过相邻下一线路相间短路时流过本保护的最大不平衡电流来确定。动作时限也是按阶梯形时限配合原则确定。2.零序方向电流保护在两侧变压器的中性点均接地的电网中，当线路上发生单相接地故障时，故障点的零序电流将分为两个支路分别流向两侧的接地中性点。这种情况与双侧电源电网中反应相间短路故障的过电流保护一样，如果不装设方向元件不能保证保护动作的选择性，如图222所示。所以与方向过电流保护相同，必须在零序电流保护基础上增加零序功率方向继电器，以判别零序电流的方向，构成零序方向电流保护。三段式零序方向电流保护原理接线如图223所示。图222零序方向电流保护方向性分析（a）网络结构图；（b）k1点短路时零序网络网；（c）k2点短路时零序网络图图223三段式零序方向电流保护原理接线图三、中性点不接地电网单相接地故障的特点中性点不接地系统正常运行时，系统的三相电压对称，三相对地电容电流很小且对称，故没有零序电压和零序电流。电源中性点和对称星形边接电容的中性点（大地）同电位，即中性点对地电压为零UN＝0，各相对地电压等于各自相电压。当发生单相接地故障时：①接地故障相对地电压降为零，其他两相对地电压升高为线电压（倍相电压），产生零序电压，但相间电压仍保持不变；②接地故障相电容电流也降为零，其他两相电容电流随之升高到正常电流的倍，产生零序电流；③非故障线路的零序电流为本线路两非故障相的电容电流的相量和，其相位超前零序电压90°，方向由母线流向线路；故障线路始端的零序电流等于系统全部非故障线路对地电容电流之和，其相位滞后零序电压90°，其方向为由线路流向母线，如图224所示。图224中性点不接地系统单相接地特点分析（a）网络图；（b）相量图四、中性点不接地电网单相接地故障保护中性点不接地电网发生单相接地故障时，由于故障点电流很小，三相线电压仍然对称，对负荷供电影响小，因此一般情况下，要求保护动作于信号，不必立即跳闸，允许继续运行1～2h，只有在对人身和设备安全有危险时，才动作于跳闸。中性点不接地系统单相接地的保护方式通常有无选择性地绝缘监视装置、零序电流保护、零序功率方向保护等。1.绝缘监视装置绝缘监视装置是利用单相接地时出现的零序电压的特点构成的，其原理接线如图225所示。电压互感器的二次侧有两组绕组，其中一组接成星形，分别接三只电压表用以测量三相对地电压；另一组绕组接成开口三角形，以取得零序电压，在开口三角形的开口处接入一个过电压继电器，用来反应系统的零序电压，动作时接通信号回路。2.零序电流保护当发生单相接地故障时，故障线路的零序电流是所有非故障元件的零序电流之和，所以当出线较多时，故障线路零序电流比非故障线路零序电流大得多，利用这个特点就可以构成选择性的零序电流保护。原理示意图如图226所示。图225绝缘监视装置原理接线图图226用零序电流互感器构成的零序电流接地保护图227零序功率方向保护原理接线图3.零序功率方向保护当变电站出线较少时，故障线路零序电流与非故障线路零序电路大小比较接近时，很难实施选择性地零序电流保护，可以利用故障线路与非故障线路零序功率方向不同的特点，构成有选择性地零序功率方向保护。原理接线图如图227所示。思考与练习1.中性点直接接地系统接地故障的基本特征是什么。2.中性点直接接地系统零序电流零序电压的变化规律分别是什么？3.中性点不接地系统发生单相接地故障时电压电流有哪些变化？4.画出零序电流滤过器原理接线图。5.继电绝缘监视装置的原理是什么？是否具有选择性？6.中性点不接地系统发生单相接地故障时为什么可以不立即跳闸？课题四微机保护程序逻辑原理学习目标知道线路保护逻辑框图。知识点中低压线路保护逻辑框图。技能点能读懂中低压线路保护逻辑框图。学习内容一、保护配置中低压线路保护配置一般为阶段式电流保护辅以三相一次自动重合闸。典型配置为三段式，三段通常为瞬时电流速断保护段、限时电流速断保护段、定时限过电流保护段，根据需要可以增或减相应的保护段，改为二段式或四段式保护，保护在实施时为了提高保护的灵敏度以及保护装置的可靠性，保护通常增设低压闭锁元件和方向元件，方向元件可通过定值整定，改变控制字进行投退。重合闸功能可通过装置面板上的控制开关把手进行功能切换或投退，也可通过定值整定，改变控制字进行功能切换或投退。另外，配备有零序电流保护用以反应接地故障。二、程序逻辑与常规保护一样，微机电流或微机距离保护也设计成三段式，三段均可带方向或不带方向，如图228所示为低压闭锁的方向过电流保护原理框图。以Ⅰ段为例，当正方向故障且低压元件动作时，M3输出，TV无异常时，M4有输出，M5或门输出，M6或门输出，Ⅰ段过流元件动作，M7门输出，过电流Ⅰ段动作出口。思考与练习1.中低压电网的保护一般是如何配置的？2.如何进行重合闸功能的投退？3.读图229说明保护原理。图228低压闭锁的方向过电流保护（第Ⅰ段）原理框图图229低压闭锁的方向过电流保护（第Ⅱ、Ⅲ段）原理框图单元三电网的距离保护本单元主要介绍距离保护基本原理、阻抗继电器的构成原理、阻抗继电器工作特性分析、距离保护程序逻辑等，通过本单元学习，学生能对距离保护的构成、原理、特性等有较全面的认识。课题一距离保护的基本原理学习目标1.掌握距离保护概念。2.知道三段式距离保护构成。3.能画出阻抗继电器特性圆。知识点1.测量阻抗。2.动作特性。3.特性圆。4.三段式距离保护。技能点会画特性圆，分清动作区域与非动作区域并能写出动作方程。学习内容一、概述距离保护是反应故障点到保护安装处距离而构成的保护，与电流电压保护相比较，距离保护受系统运行方式的影响较小，保护性能较稳定。因为当某点发生短路故障时，随着运行方式以及故障类型的不同，短路电流大小会不同，严重地影响电流保护的保护范围和灵敏度，而距离保护是反应故障点到保护安装处的距离而构成的保护装置，该距离不受系统运行方式及短路类型的影响。故障点到保护安装处的距离是通过测量阻抗间接得到的，所以距离保护又称为阻抗保护。测量阻抗指的是加到阻抗继电器电压线圈上的二次电压与通入电流线圈上的二次电流的比值，该比值称为测量阻抗，用Zm＝表示。正常运行时，测量阻抗反应负荷阻抗，当发生短路故障时，测量阻抗反应故障点到保护安装处的线路阻抗，所以距离保护是反映参数降低而动作的低量保护，也叫欠量保护。用于测量故障点到保护安装处阻抗（或距离）的继电器称为阻抗继电器。能使阻抗继电器动作的最大测量阻抗称为动作阻抗。阻抗是一个有大小和相位的相量。距离保护常采用的也是三段式结构：（1）距离Ⅰ段为瞬时速断距离保护，能保护线路全长的80%～85%。（2）距离Ⅱ段为限时速断距离保护，保护线路全长，一般带0.5s短延时。（3）距离Ⅲ段为定时限距离保护，作为本线路近后备及相邻下一线路的远后备，动作时限仍然按阶梯形时限配合原则确定，如图31所示。图31三段式距离保护原理框图二、阻抗继电器的动作特性阻抗继电器是构成距离保护的核心元件。阻抗Z＝R＋jX是一个相量。阻抗的变化包括幅值的变化和复角的变化，阻抗表示在复平面上为矢量，不同方向的相量是不能比较它们的大小的，所以阻抗保护与电流保护的特性不同。阻抗继电器要测量阻抗幅值的变化和相位的变化，其动作特性为复平面上的“几何面积”（称为动作区），当测量阻抗落入动作区时，继电器动作，测量阻抗落在动作区外时，继电器不动作。所以阻抗继电器的动作特性指的是在复数平面上表示的，所有能使阻抗继电器动作的测量阻抗相量所组成的几何图形。1.整流型圆特性阻抗继电器整流型圆特性阻抗继电器有三种：全阻抗继电器、方向阻抗继电器和偏移特性阻抗继电器。全阻抗继电器的动作特性是以坐标原点为圆心，以整定阻抗为半径的圆。圆内为动作区，圆外为非动作区，圆周为动作边界，通常将动作边界归为动作区域，如图32所示。图32全阻抗继电器动作特性圆（a）临界动作状态；（b）动作状态（区内故障）；（c）非动作状态（区外故障）由分析可知：全阻抗继电器无死区，无方向性，正方向和反方向故障都会动作。绝对值比较式阻抗继电器的动作方程是相位比较式阻抗继电器的动作方程是方向阻抗继电器的动作特性是以整定阻抗为直径、过阻抗复平面坐标原点的圆，如图33所示。图33方向阻抗继电器动作特性圆（a）临界动作状态；（b）动作状态；（c）非动作状态由分析可知：方向阻抗继电器具有明确的方向性，但有保护死区。由于方向阻抗继电器的圆周过坐标原点，而坐标原点对应保护安装处，当保护安装处及附近短路时，测量阻抗Zm为零，保护会拒动，死区位置就在保护安装处及附近。绝对值比较式阻抗继电器的动作方程是相位比较式阻抗继电器的动作方程是偏移特性阻抗继电器的动作特性是向第Ⅲ象限偏移了α角，即正方向保护范围为Zset，反方向保护范围为-αZset。偏移特性阻抗继电器反映反方向故障的程度，一般用百分数来表示，偏移度α＝10%～20%，如图34所示。图34偏移特性阻抗继电器动作特性圆（a）临界动作；（b）动作状态；（c）非动作状态由分析可知：偏移特性阻抗继电器的动作区包括坐标原点，正向保护范围长，反向保护范围短，反方向保护范围的大小取决于α的大小，理想的α值为正方向故障无死区、反方向故障尽可能不误动作。即既可消除保护死区，又具有方向性。绝对值比较式阻抗继电器的动作方程是相位比较式阻抗继电器的动作方程是2.微机型阻抗继电器圆特性阻抗继电器较好地解决了超越问题，但抵抗过渡电阻的能力较差，四边形特性阻抗继电器却正好相反，解决了抵抗过渡电阻的问题但超越问题没有解决，而且传统的保护要实现四边形特性非常难，要解决使用过程中的超越等问题就更加有难度了。所以微机保护应用以来，较好地解决了这些矛盾。如图35所示。直线DF下倾是为了防止下级故障时上级保护发生超越性动作及“切掉”误动作区域。图35实际应用的微机型阻抗继电器动作特性直线OE下倾是为了防止本级出口（首端）经过渡电阻短路时，保护拒动，保证本级保护可靠动作。OD左倾：高压超高压线路，线路阻抗角大，加上TV、TA的误差，使测量阻抗角大于90°时保护会拒动，为防拒动，所以左倾15°。整定阻抗角一般为线路的短路阻抗角，EF倾角小于整定阻抗角，一般为60°。首端故障切除时间较末端故障切除时间短，首端受过渡电阻影响比末端小，EF倾角小于线路阻抗角有利于克服末端的过渡电阻的影响。思考与练习1.什么是距离保护？2.什么是动作阻抗？3.什么是阻抗继电器的动作特性？4.动作阻抗是否等同于整定阻抗？5.画出方向阻抗继电器的特性圆并写出绝对值比较式动作方程。课题二阻抗继电器接线方式学习目标了解阻抗继电器的构成及接线方式。知识点阻抗继电器的接线方式。技能点会绘制阻抗继电器的接线方式图。学习内容一、阻抗继电器的构成以全阻抗继电器绝对值比较式为例介绍阻抗继电器的构成。由动作方程两边都乘以Im得将动作方程中两个阻抗的比较转换为两个电压量的比较，很明显，式子左边电压量可从电抗变压器的输出得到，右侧电压可从电压变换器的输出得到。所以利用电抗变压器和电压变换器就可以得到两个要比较的量了，如图36所示。如何进行两个电压量的比较呢？将上面得到的两个交流电压，通过桥式全波整流变换成直流电压，使用如图37所示的均压法比较电路或者环流法比较电路即可实现比较。图中KP为极化继电器。图36全阻抗继电器接线原理二、阻抗继电器的接线方式阻抗继电器的接线问题解决的是应该将什么电压与什么电流接入阻抗继电器的问题。对于布线逻辑的常规保护来讲由于保护原理是由接线来完成的，接线方式比较复杂；对于微机型保护来讲，由于保护原理是由程序来完成的，所以只需将各个电压与电流按要求正确接入端子排的输入端即可。图37绝对值比较电路（a）均压法比较回路；（b）环流法比较回路1.对阻抗继电器接线方式的要求（1）应保证阻抗继电器的测量阻抗与故障点到保护安装处的距离成正比。（2）阻抗继电器的测量阻抗与故障的类型无关。2.反映相间短路故障的阻抗继电器的0°接线所谓零度接线指的是理想情况下，即电力系统cosφ＝1时，接入继电器的电流、电压同相位，见表31。3.反映接地故障的阻抗继电器0°接线反映接地故障时，就不能采用相间故障的接线方法，必须考虑到零序分量的特点，通常采用是带零序电流补偿的0°接线方式，即接入相电压和同名相的电流加，详见表32。表31阻抗继电器0°接线接入电流电压表32反映接地故障阻抗继电器的0°接线接入电流电压思考与练习1.对阻抗继电器的接线要求是什么？2.反应相间短路故障时0°接线具体内容是什么？3.反应接地故障的0°接线具体内容是什么？课题三阻抗继电器工作特性分析学习目标1.知道影响阻抗继电器正确测量的因素有哪些。2.知道过渡电阻对阻抗继电器正确测量的影响什么。3.知道助增与汲取。4.知道振荡闭锁。5.知道断线闭锁。知识点1.影响阻抗继电器正确测量的因素。2.振荡闭锁。3.断线闭锁。技能点会做距离保护试验。学习内容一、概述阻抗继电器正确测量是距离保护正确判断的前题和基础，影响阻抗继电器正确测量的因素较多，主要的影响因素有：（1）故障点的过渡电阻。（2）故障点到保护安装处之间的分支电流。（3）电压互感器二次回路断线。（4）电力系统振荡。二、故障点的过渡电阻的影响故障点的过渡电阻包括过渡物电阻和电弧电阻两部分，由于我们分析的金属性短路，所以这里不考虑过渡物电阻，只分析电弧电阻。电弧电阻RT的大小可根据经验公式得出式中LL——电弧长度，m；IK——短路电流（电弧电流）有效值，A。过渡电阻呈电阻性质，它的存在使测量增大、保护范围缩小、保护的灵敏度降低。但是RT对不同特性的阻抗继电器以及对不同位置的继电器的影响程度是不同的。（1）RT的最大值出现在短路后0.3～0.5s，所以对距离第Ⅱ段的影响最大。（2）由于方向阻抗继电器的动作区域面积最小，所以RT对方向阻抗继电器的影响最大，对全阻抗继电器的影响最小。（3）RT对离故障点近的距离保护的影响大，而对距离远的距离的影响小。过渡电阻的影响如图38所示。（a）网络图；（b）动作特性图解决过渡电RT对距离继电器的影响的办法有：（1）采用四边形特性阻抗继电器。（2）采用瞬时测定法。瞬时测定法如图39所示。若故障发生在第Ⅱ范围内，KR2和KR3在故障瞬间动作，经中间继电器KM自保持，故障不切除起动元件KR3就不返回，一直等到KT2以第Ⅱ段时即动作并发出跳闸信号。三、分支电流的影响分支电流有助增电流和汲取电流两种情况。如图310所示为助增电流，当k点短路时，QF1处的保护的测量阻抗为图39瞬时测定装置接线图图310具有助增电流的网络图式中Kbra——分支系数，考虑到助增电流的影响，Kbra＞1；Lk——保护安装处到故障点k之间的距离；LAB