35KV微机线路保护原理说明书

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，它是能使电流保护动作的最小电流，通常用 IDZ 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Ｉ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Ａ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 IDZ 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：
I (3) d
E
ZS
Zd
（2-1）
其中， E 是电源系统相电势， ZS 是电源系统阻抗， Zd 是故障点到保护安装处之问的
阻抗，由式(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 ZS 取
[1]

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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 ZS 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， Id f (Ld ) 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，快速切除AB线路的故障是它的首要任务，因此其动
作值 IDZ 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
I
(2) B.min
I ，
(2) B.min
I DZ
。
同时，当BC线路靠近B端发生短路时，由于短路电流大于
I (2) B.min
，这时有可能使在AB
[2]

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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：
I DZ
K I (3) k B.min
（2-2）
其中， K k
是可靠系数，通常
Kk
≥1.3，
I
(3) B.min
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断保护，也叫电流Ⅰ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 Lmin 最小，而在 最大运行方式下保护的范围 Lm ax 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Ⅱ段保护) ”
电流Ⅰ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Ⅱ段保护，电流Ⅱ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Ⅱ段电流保护范围不超过 BC 间的Ⅰ段电流保护范围， 就可以保证选择性，即：
I II DZ .1
K III I K DZ .2
（2-3）
其中
I
II DZ
.1
是
AB
间Ⅱ段电流保护的整定值，I
I DZ
.2
是
BC
间Ⅰ段电流保护的整定值，K
II K
可
靠系数，
K
II K
一般大于
1.1。
[3]

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在线路上安装了电流Ⅰ段和电流Ⅱ段保护以后，整段线路的故障可在 0.3~0.5s 之 内得到解决，我们称电流Ⅰ段和Ⅱ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Ⅲ段保护)
一条线路保护中只安装了主保护，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Ⅲ 段保护，一般是定时限过电流保护，在图 2.3 中可以看出Ⅲ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：
K K I III I K DZ.1
III K st L.AB.max
re
（2-4）
其中，
K III K
是电流Ⅲ段可靠系数，
K III K
大于
1.2，
K st
是自启动系数，
K st
大于等于
1，
Kre
为返回系数，
Kre
小于
1，
I L.
AB.max
为线路
AB
上可能流过的最大电流，
I
III DZ
.1
是装在
保护 1 处的电流Ⅲ段整定值。
电流Ⅲ段保护的延时时间比电流Ⅱ段保护的延时时间要长，而且，越靠近电网末端 的Ⅲ段电流保护动作时间越短，在越靠近电源附近的Ⅲ段电流保护动作时间越长，所以 电流Ⅲ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
[4]

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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 I 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d1 ，那么保护 3 的短路
电流和母线电压之间的夹角是1800 d1 ，则保护 2 和保护 3 处的短路功率为 P2>O,P3根据功率方向元件可以判断哪个保护应该动作，哪个保护不应该动作，从而有效的解决 了保护的误动作。
采用 900 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。
[5]

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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，不必立即跳闸，但是这时其它两相的对地电压要升高倍 3 ，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 C0 ，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 3 倍，对地电容电流也变为原来的 3 倍，
我们用 Ib 和 I c 来表示非故障相的对地电流，则可以得出：
Ib U BD jC0
Ic UCD jC0
（2-5）
此时，从接地点流回的电流 Id Ib Ic 3UC0 ，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，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
I0x Ibx Icx
（2-6）
其有效值是 3I0x 3UC0 ，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。
[6]

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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 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：⑴ 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。⑵ 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。 ⑶ 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。⑷ 外部通信接口：与外部设备通讯。⑸ 人机对话接口：完成人机对话。 ⑹ 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 3-1 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
[7]

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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 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 Ts ：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Ts 1 fs 。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。
[8]

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（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， fs 2 fmax 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：ua 、ub 、uc 、 ux 、 ia 、 ib 、 ic 、 3i0 ， 3u0 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 3u0 方法获得。
通道1
交流变换器
通道2
交流变换器
LPF
S/H
LPF
S/H
MPX
A/D
数字量输出
通道n
交流变换器
LPF
S/H
图3-2模数转换器（A/D）构成的数据采集系统的原理框图
各个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的误差，因为有些算法是基于工频正弦量得到的，
[9]

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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。
5V（+）
+
开入专用电源
-
外部 接点
光隔 电平输出 图3-3开关量输入系统
（1）开关量输入系统
[10]

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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。
5V（+） 控制端
QDJ
光隔
（+）
J
图3-4开关量输出系统
（-）
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，
[11]

保护退出。
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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：
M
x(t) [an sin n1t bn cos n1t] n0
（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， an ， bn 分别为第 n 次谐波分量的实部和虚部， 1 为基频角频率，根据三角函数系在区间[0，T1 ]（T1 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：
an
2 T1
T1 0
x(t ) sin
n1tdt
（4-2）
[12]

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bn
2 T1
T1 0
x(t) cos n1tdt
（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
an
2 N
N 1
x(t) sin ni
i0
2 N
2 N 1
2
bn N i0 x(t) cos ni N
根据 n 取不同值时，可以求得各次谐波的幅值和相角：
（4-4） （4-5）
X n an2 bn2
（4-6）
arctan bn an
（4-7）
当 n=1 时，就可得到基频分量的幅值和相角。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：
i1(t) a1 sin 1t b1 cos1t
基波电流的有效值及相角为：
[13]
（4-8）

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I1
a12 b12 2
（4-9）
arctan b1
a1
（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。
[14]