1、微机保护原理说明书35KV微机线路保护原理说明书1 35kV线路保护配置及功能本保护装置是以三段式方向过电流保护；零序电流保护；小电流接地选线；三相一次重合闸（检无压或检同期可选）和后加速；低频减载；PT断线检测及PT断线闭锁方向或保护；说明了35KV微机线路保护的主要原理、硬件部分和软件部分的构成。2 35KV线路保护的主要原理 2.1 三段式过电流保护原理输电线路发生短路时，相电流突然增大，线电压降低，当故障线路上的相电流大于某一个规定值，同时保护安装处母线电压小于某一个规定值时，保护将跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电，这就是过电流保护的工作原理。其中，规定值就是过电流保护的动作电流
2、，它是能使电流保护动作的最小电流，通常用表示。过电流保护在35KV及以下的输电线路中被广泛应用。下面对三段式过电流保护分别予以介绍：（1）无时限的电流速断保护（电流段保护）我们以图2.2中单侧电源网络中输电线路AB上所装设的电流保护来分析电流保护的原理。在图2.2中，为了反映全线路的短路电流，设AB线路的电流保护装于线路始端母线处，在图上叫做电流保护1，显然电流保护1要可靠动作，它的动作值必须选择小于或等于保护范围内可能出现的最小短路电流。在图2.2中，假设AB线路上d1点发生三相短路，则线路上的短路电流为： （2-1）其中，是电源系统相电势，是电源系统阻抗，是故障点到保护安装处之问的阻抗，由
3、式(2-1)可以看出，当系统电压一定的时候，短路电流的大小与系统阻抗和短路点的位置及短路类型有关，系统阻抗是由运行方式决定的，在最大运行方式下取图2.2 单侧电源网络中电流保护原理图最小值，在最小运行方式下取最大值，在实际中，一般来说系统在最大运行方式下三相短路电流最大，称此为保护的最大运行方式，系统在最小运行方式下两相短路电流最小，称此为保护的最小运行方式。这两种情况下的短路电流随故障点位置变化的曲线如图2.2中的曲线l和曲线2，曲线1为最大运行方式下的曲线，曲线2为最小运行方式下的曲线，当系统运行在其它任何方式下发生任何类型的短路时，曲线位于曲线l和曲线2之间。对安装在AB线路的保护1来说
4、，快速切除AB线路的故障是它的首要任务，因此其动作值应该小于等于AB线路上可能出现的最小短路电流，最小短路电流为线路末端发生两相短路时的短路电流，。同时，当BC线路靠近B端发生短路时，由于短路电流大于，这时有可能使在AB线路的保护1误动作，因此，为了不使保护1误动作同时可以区分所保护线路的末端故障和下一条线路的始端故障并且考虑到信号处理系统所产生的误差，保护1的动作电流应满足： （2-2）其中，是可靠系数，通常1.3，是B母线处在最大运行方式下发生三相短路的电流。根据式(2-2)整定的电流可以保证保护的选择性，如果省略装置和断路器的动作时间，保护可以无延时动作，因此将此电流保护叫做无时限电流速
5、断保护，也叫电流段保护，它的动作值选择原则为：按躲开本线路末端发生短路时的最大短路电流整定。但是，从图2.2中可以看出，系统在最小运行方式下保护的范围最小，而在最大运行方式下保护的范围最大，无时限电流速断保护的范围随着运行方式的变化而变化，在最小方式下保护范围可能为0，这是无时限电流速断保护的缺点。（2）限时电流速断保护(电流段保护) ”电流段保护并不能保护线路的全长，应该在A母线处再装设一套电流保护，这套电流保护用来保护AB线路的全长，这样，如果在下一段相邻线路BC靠近B端发生短路时，这套保护将会跳开1DL而失去选择性，因此，将这套保护启动以后经过一个延时再作用于出口跳闸，当BC始端发生短路
6、时，装在B母线的电流速断保护2首先动作，而装在保护1处的带延时的电流保护不会误动，从而保证了选择性。这套电流保护被称为限时电流速断保护，也叫电流段保护，电流段保护的延时时间一般为0.5左右。在图2.3中看出，只要AB闻的段电流保护范围不超过BC间的段电流保护范围，就可以保证选择性，即： （2-3）其中是AB间段电流保护的整定值，是BC间段电流保护的整定值，可靠系数，一般大于1.1。在线路上安装了电流段和电流段保护以后，整段线路的故障可在0.30.5s之内得到解决，我们称电流段和段保护为线路的主保护。图2.3三段式电流保护原理图（3）定时限过电流保护(电流段保护) 一条线路保护中只安装了主保护，
7、理论上来说可以解决线路的所有故障，但是当主保护由于各种原因而拒动时，就需要一个后备保护，用来解决当主保护拒动时切除线路故障，后备保护可以保护本线路全长，也可以保护相邻线路全长。后各保护也叫电流段保护，一般是定时限过电流保护，在图2.3中可以看出段电流的保护范围，它的动作值整定原则为：躲过正常运行时的最大负荷电流来整定，即： （2-4）其中，是电流段可靠系数，大于1.2，是自启动系数，大于等于1，为返回系数，小于1，为线路AB上可能流过的最大电流，是装在保护1处的电流段整定值。 电流段保护的延时时间比电流段保护的延时时间要长，而且，越靠近电网末端的段电流保护动作时间越短，在越靠近电源附近的段电流
8、保护动作时间越长，所以电流段保护只能用做后备保护。2.2 输电线路方向性电流保护的工作原理前面分析的是单侧电网过电流保护，而在实际中，一般都是双侧电源或者环网，以双侧电源网络为例说明，为了切除线路上的故障，线路的两侧都应该装设保护装置和断路器。图2.4方向型电流保护工作原理图从图2.4可以看出，当两端都有电源时，如果d1点发生短路故障，按选择性要求应该是离故障点最近的保护1和保护2动作，使1DL和2DL跳闸切除故障，但是由于保护2和保护3流过同一电流有可能使保护3误动作，而这个误动作的保护是由于保护安装处反方向发生故障时，由对侧电源提供的短路电流而引起的，而且误动作的保护上流过的电流方向都是由
9、被保护的线路流向保护安装处母线，正确动作的保护上电流方向是由保护安装处母线流向被保护的线路，两者电流方向正好相反，所以，应该在原来三段式电流保护的基础上加上一个判断电流方向的元件，当正方向电流时保护动作，而负方向电流时保护不动作，这就是方向电流保护的工作原理。在实际中，由于电流是交流量，不用直接来判断它的方向，但是当故障点一定的时候，短路电流和保护安装处的母线电压之间的夹角是不变的，所以应该利用功率方向元件来判断，如果设保护2的短路电流和母线电压之间的夹角为，那么保护3的短路电流和母线电压之间的夹角是，则保护2和保护3处的短路功率为P2O,P3O，根据功率方向元件可以判断哪个保护应该动作，哪个
10、保护不应该动作，从而有效的解决了保护的误动作。采用接线方式后，当保护安装处附近发生两相相间短路时，有两相输入保护的电压中含有非故障相电压，而非故障相电压不变，故障相电压降低，所以输入保护装置的电压仍然很高，这样就消除了保护的死区，当保护安装处附近发生三相短路时，因为输入保护的电压都很低，但是在故障前瞬间这些值都很大，所以可以利用微机保护的记忆功能来使输入电压的幅值增大而保持故障电压的相位特征，从而可以消除死区。2.3单相接地报警原理 35KV电网是中性点不接地系统，当发生单相接地故障时，故障点的电流很小，而且三相线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影响，在一般情况下，允许再运行1-2小时，
11、不必立即跳闸，但是这时其它两相的对地电压要升高倍，为防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而对负荷供电造成影响，应该及时的发出报警信号，以便运行人员采取措施给予清除。小电流系统的单相接地原理图如图2.5所示。在图2.5中可以看出，系统在正常运行情况下，三相对地有相同的电容，每一相都有一个对地电容电流，这三个电流之和为0，假设A相发生单相接地短路，A相对地电压为0，其它两相对地电压变为原来的倍，对地电容电流也变为原来的倍，我们用和来表示非故障相的对地电流，则可以得出： （2-5） 此时，从接地点流回的电流，为正常运行时三相对地电容电流的算术和。当系统中有多条线路存在时，每条线路上都有对地电容存在
12、，当其中一条线路A相发生单相接地故障时，整个系统的A相对地电压都为0，所以A相的对地电容电流为0，在非故障线路上，B相和C相流有本身的电容电流，因此，在线路的始端反应的零序电流为 （2-6） 其有效值是，就是该线路本身的电容电流，该电容电流的方向为母线流向线路。总结以上分析的结果，我们可以得出以下结论：（1）发生单相接地故障时，整个系统都出现零序电压。（2）非故障线路上的零序电流数值上等于本身的对地电容电流，电容性无功功率实际方向是从母线流向线路。图2.5小电流系统单相接地原理图（3）故障线路上，零序电流为整个系统非故障线路对地电容电流之和，数值比较大，电容性无功功率方向是从线路流向母线。3
13、保护装置的硬件构成及特点 3.1 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。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：它是以中央处理器（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。 模拟量数据采集系统：对模拟量信号进行测量和数字量转换。 开关量的输入输出系统：对输入开关量进行采样、通过驱动小型继电器输出跳闸命令和开出信号。 外部通信接口：与外部设备通讯。 人机对话接口：完成人机对话。 电源：把变电站的直流电压转换成微机保护装置需要的稳定的直流电压。保护装置的硬件工作原理图如图3
14、-1所示，它采用双CPU系统，下面的CPU称为起动CPU，运行起动元件，当起动元件动作时，给出口继电器送正电源。上面的CPU（采用DSP数字信号处理器）称为故障判断CPU，运行各种动作继电器算法和逻辑判断程序，动作后给出口继电器发跳闸脉冲。只有出口继电器同时得到正电源和跳闸脉冲，才能完成保护跳闸。从逻辑上来说，双CPU组成了逻辑与的关系，起动元件和故障判断元件同时动作，保护才能出口跳闸，这样提高了装置的可靠性。图3-1保护装置硬件工作原理图3.2 模拟量数据采集系统模拟量数据采集系统的功能是将来自电压、电流互感器的连续的电压、电流信号转换成离散的数字量信号供微机主系统进行保护运算。在介绍模拟量
15、数据采集系统前，先对若干名词作一些解释。 （1） 采样：在给定的时刻对连续的模拟量信号进行测量称做采样。每隔相同的时间对模拟量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。 （2）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。 （3）采样周期：相邻的两个采样点之间的时间间隔称做采样同期。采样同期与采样频率互为倒数。当采样频率为600Hz、
16、1000Hz、1200Hz时，相应的采样周期分别为1.666ms、1ms、0.833ms。（4）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。（5）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，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。由图3-2模数转换器（A/D）构成的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量信号需要采样，例如南瑞继保电气公司的线路保护采样八个量：、，电压则不从TV的开口三角处采样，而从三个相电压相加的自产方法获得。 各个
17、模拟量有各自独立的采样通道，通过多路转换开关进行通道切换，实以现一个A/D转换器完成对若干个模拟量信号的模数转换功能。交流变换器：主要有两个作用，一是将来自TV、TA的高电压、大电流信号变换成小的电压信号供保护装置内部的电子电路使用，二是对输入信号进行电气隔离和屏蔽。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。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
18、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。S/H：采样保持器，采样开始时同时接受采样脉冲，将该时刻的电压保持住，以保证每次采样得到的电流、电压信息都是同一时刻的，避免相互间有相位差。MPX：模拟量多路切换开关，它是一种多路输入、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的功能。A/D：模数转换器，它的作用是把模拟量信号转换为数字量信号。3.3 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
19、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）开关量输入系统图3-3给出了开关量信号的输入原理，当外部接点闭合时，光耦
20、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，光耦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。微机系统根据输出电平的高低就可以判断外部开关量的状态。（2）开关量输出系统图3-4给出了开关量信号的输出原理，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。4 保护装置的软件构成及特点 4.1软件主程序结构 软件主程序结构框图如图4-1所示，主程序按固定的采样周期接受采样中断进入采样程序，在采样程序中进行模拟量采
21、集与滤波、开关量的采集、装置硬件自检、交流电流断线和起动判据的计算，根据是否满足起动条件而决定进入正常运行程序或故障计算程序。正常运行程序中进行采样值自动零漂调整及运行状态检查，运行状态检查内容包括：交流电压断线检查、开关位置状态检查、变化量制动电压形成、重合闸充电、准备手合判别等。不正常时发告警信号，信号分两种：一种是运行异常告警，这时不闭锁装置仅提醒运行人员进行相应处理；另一种是闭锁告警信号，发告警的同时将装置闭锁，保护退出。图4-1 软件主程序结构框图故障计算程序中进行各种保护的算法计算，跳闸逻辑判断以及事件报告、故障报告及波形的整理。4.2 非正弦信号的特征量算法全周傅氏算法全周傅氏算
22、法的基本思想源于傅里叶级数。假设输入信号为周期函数，即输入信号中除基频分量外，还包含直流分量和各种整次谐波分量。其表达式为： （4-1）其中，n=0,1,2、M，M为信号中所含的最高次谐波的次数，分别为第n次谐波分量的实部和虚部，为基频角频率，根据三角函数系在区间0，（基频周期）上的正交性和傅里叶系数的计算方法，可在式（4-1）中直接导出实部、虚部计算式为： （4-2） （4-3）取每基频周期N点采样，并采用按采样时刻分段的矩形面积之和来近似上式连续积分，则有 （4-4） （4-5）根据n取不同值时，可以求得各次谐波的幅值和相角： （4-6） （4-7）当n=1时，就可得到基频分量的幅值和相角
23、。以上算法的数据窗为一个完整的基频周期，故称之为全周傅氏算法。全周傅氏算法可保留基波并完全滤除恒定直流分量；虽不能完全滤除非整次谐波分量，但有很好的抑制作用，尤其对高频分量的滤波能力相当强。但全周傅氏算法易受衰减的非周期分量的影响，计算误差可能超过10%。为了减少又衰减直流分量引起的计算误差，一个简单可行的方法是对输入信号的原始采样数据先进行一次差分滤波，然后再进行傅氏计算。装置要实现的功能是把计算得到的模拟量有效值与系统的整定值相比较，如果模拟量有效值超过系统整定值，就迸一步通过驱动出口继电器和断路器跳闸，从式（4-1）可得，基波电流可以表示为： （4-8）基波电流的有效值及相角为： （4-
24、9） （4-10）在算法的判据中，主要就是根据采样点数算出模拟量，然后就可以计算出基波分量的有效值和相角，最后通过与保护整定值进行比较而判断装置是否动作。5 小结由于经验不足，知识面不全，时间有限，以上就是我对35KV微机线路保护的一个简单说明，通过写这个说明书，我深刻的体会到了学知识不仅要学还要学精，并且同时要有实践经验。希望老师提出本文的不足之处，以便我能及时发现问题之所在。参考文献【1】 张保会，尹项根等，电力系统继电保护（第二版），北京：中国电力出版社，2009.12【2】 胡文杰，35KV线路微机保护装置的研究设计，西安科技大学硕士学位论文，2007.4【3】 高压微机线路保护员工培训讲义，南瑞继保。15
