新型微机保护的工作原理

新型微机保护的工作原理

本局的保护已经基本实现微机化，微机保护比起电磁型保护来讲，能够对电气量进行很复杂的计算，形成新的保护原理，从而开发出新种类的继电器。这对调试保护提出了新的要求，因此必须熟悉这些原理，才能保证微机保护安装调试的质量。鉴于各保护都有专用的技术说明书，这里只对书中部分难点作出详细的分析。

第一节 工频变化量距离继电器

距离继电器的工作方式是比较测量阻抗Z J 与整定值Z zd 的大小.但是保护装置是无法直接得到Z J ，需要对所测电压和电流进行计算，也就是说，可以把比较阻抗的方程转化为比较故障时候的极化电压Up 和工作电压Uop 的方法。

极化电压：故障点在故障前的电压，是保护的记忆量；

工作电压：工作电压的公司是保护选取采用的公式，该公式能在保护计算中能很好的区分出区内故障和区外故障。

工作电压的公式：Uop=U －Z zd *I

下面分析工频变化量距离继电器的工作原理

正常运行时，输电线路忽略线路阻抗的情况下线路电压Uz 处处相等。如图3.1

在线路K 点发生金属性接地短路，故障点电压为零，相当于在图3.1的K 点增加了一个反方向的电压Uz 。如图3.2

根据电路的叠加原理，就可以将图3.2分解为正常运行的网络（图3.1）与故障分量网络（图3.3）。故障分量网络就是工频变化量分析的对象。

图3.3只有一个附加电势Uz ，它的值就是故障前的母线电压，这里选作极化量。

一、作出区内故障阻抗图。图3.4

图3.1 E M =E E N =E

E M =E E N =E

图3.3 图

3.4

Z Zd

M

Z M ：M 侧系统阻抗；Z K 线路M 侧母线至K 点阻抗；Z zd ：保护整定值；工作电压Uop:保护范围末端F 点的电压；△I ：电流故障分量。

线路M 侧的保护动作情况，

Uz=（Z M +Z K ）*△I

Uop=（Z M + Z zd ）*△I

作出函数U=△I*X 的坐标图，图3.5，当X=（Z M +Z K ）时，U=Uz ，当X=（Z M + Z zd ）时，U=Uop

这里的Uop 的电压是实际是不存在的，只不是是保护计算出的一个比较电气量，△U M = Z M *△I ，是故障后母线电压的电气量。所以Uop=△U M + Z zd *△I 。公式右边所有的电气量是可以测到的，所以可以计算出Uop 的值。

由图3.5明显可以得到在区内故障时候︱Uz ︱<︱Uop ︱ (式3.1)

同理可以分析出正方向区外故障 ︱Uz ︱>︱Uop ︱ (式3.2)

二、反方向故障的阻抗图 如图3.6

在M 侧反方向K 点故障时，Uop= Zs*△I ，Uz=（Z Zd +Z K +Zs ）*△I 。同样作出函数U=△I*X 的坐标图（图3.7），当X= Zs ，U= Uop ；当X=（Z Zd +Z K +Zs ），U= Uz 。Zs 虽然无法实际测到，但︱Uz ︱—︱Uop ︱=︱（Z Zd +Z K ）*△I ︱=︱Z Zd *△I ︱+△U M ，公式右边的数值也是可以测得的，︱Uz ︱—︱Uop ︱>0。

可知，在反方向故障时︱Uz ︱>︱Uop ︱ (式3.3)

归纳式3.1、式3.2和式3.3，就得到工频变化量距离继电器动作方程︱Uz ︱<︱Uop ︱，同时也证明Uop 作为工作电压选择的正确性。

以上是以M 侧继电器为分析对象，同理也可以分析出N 侧继电器动作方程。

图3.5 F

M △I 图3.6 图3.7

三、工频变化量距离继电器的动作特征

正方向区内故障，得到公式︱Uz ︱<︱Uop ︱，即︱Z M +Z K ︱<︱Z M + Z zd ︱，也就是 ︱Z K －（－ Z M ）︱<︱Z zd －（－Z M ）︱动作区间是圆点在－Z M ，半径为︱Z M + Z zd ︱的圆内。图3.8

该动作区间包含了坐标原点，因此能很好的切除出口短路故障。

用电气变化量作为分析对象比普通阻抗继电器更加灵敏，有关工频变化量构成的保护可以阅读本章第四节《复合距离继电器》。

正方向区外或者反方向故障时，令Z Zd +Zs= Zs ’，注意到Z K 是M 侧的反方向，有

︱Z S ’－ Zz d ︱<︱Z S ’ －Z k ︱,动作区间是以Zs ’为圆心，︱Z S ’－ Zz d ︱为半径的上抛圆，这个圆在整定值Zz d 之外，所以不会误动做。图3.9

第二节 普通距离继电器

在南瑞系列保护中，作为后备保护的普通距离继电器通常也是比较工作电压与极化电压来判定保护是否应该动作。极化量Up 一般选择用故障时候的正序电压U1，因为在比相式继电器中，极化量是作为基准量与Uop 比相，通常要求Up 能保持故障前电压的相位不变，幅值不能太小，比较容易取得的电气量。正序电压U1能够很好的满足要求。

以A 相故障分析

⑴ 单相故障

U 1a = Ua

⑵ A 、B 两相故障

U 1a = Ua ⑶ A 、B 两相接地故障 U 1a = Ua

⑷ 三相对称故障

U 1a ≈0

（注：以上公式推导过程可参阅《技术问答》第2版第23页）

因此采用正序电压为极化量能很好的保持故障前正常电压的特征。当三相短路时，保护的正序电压低于10%正常电压，这时保护进入低压测量程序，一般就采用记忆回路记住正常时的工作电压。 继电器的比相方程 －90°＜arg ＜ 90° (式3.5) 图3.8

图3.9 Z 2 3 1 2

1 3 Uop Up

工作电压：Uop=U －I*Zzd

极化电压：Up=－U 1m

在图3.10中，线路K 点发生故障时, U 1m =E m *e , E M = (Z K +Zs)*I , Uop=(Z K －Zs)*I,

这里需要解释δ角的存在，如果考虑正常运行情况下负荷的潮流情况，上面分析的是电流从M 侧流向N 侧，必须要有电势角（也就是两边要有电位差）。如图3.11，系统电势E M 超前M 点电压δ角，即公式中的δ＜0。如果电流是从E N 流向E M ，则E M 落后M 点电压δ

角，即公式中的＞0。

把以上的公式带入式3.5，最后得到

－90°＜arg 〔(Z k －Z zd )/(Zs+Z k ) *e 〕＜ 90°

作出上式的动作特征区间，有图3.12。

图3.12给出了在δ=0、δ=－30°和δ=30°的三种动作区间，结合上面的公式分析，在送电侧δ＜0，动作区间偏向第一象限，克服过渡电阻的能力强，在受电侧，动作区间偏向第二象限，能较好的躲避负荷阻抗。

这里要注意两点：1、记忆回路提供的极化量并不是一直不变的，它只在故障瞬间保持故障前的状态，只有它幅值逐渐衰减，但在衰减的过程中保持相位不变。用图3.13可以表示出该动作区间的变化过程，①是故障瞬间的暂态圆，②是故障过程中极化量衰减时的过渡圆，③是最终的稳态圆。2、取用极化量是－U 1m ，而不是U 1m ，如果采用U 1m ，就得不到该动作区间。

以上主要解释了在三相短路时候的动作方程及特征区间，反应接地故障的接地距离继电器和反应相间故障的相间距离继电器与其原理基本一致，不同的地方有两点：

1、极化量的选取，三相故障时选用记忆量，其他距离继电器选用故障的正序分量，前面已经很详细的说明了。

2、接地距离继电器由于零序电流的存在引入了零序补偿系数K ，所以它的工作为

E M =E E N =E j δ Up=－(Z K +Zs) *I*e j δ δ 图3.11 M

N E M E N

j δ 图3.12

Uop=U －（I+3K*I 0）Z zd , 下面以A 相故障为例，推导零序补偿系数K 的公式。

U A =U 1+U 2+U 0= Z 1*I 1+Z 2*I 2+Z 0*I 0

= Z 1*I 1+ Z 1* I 2+ Z 1* I 0+ Z 0*I 0－Z 1* I 0 （一般的Z 1 =Z 2）

= Z 1（I 1+ I 2+ I 0）+ （Z 0 －Z 1）* I 0 = Z 1*I A +3 Z 1*（ ）* I 0 = Z 1*I A +3K* I 0 Z 1 （令K= ） =（I A +3K* I 0）*Z 1

一般情况下，可一取K=0.67。 同时，变换公式得到Z 1= ，得到单相继电器的接线方式为 。

南瑞系列保护接地距离I 、II 段还提供了可以整定的稳态角θ ，θ 可以取0°，15°和30°动作区间向第一象限偏移θ 角，提高抗过渡电阻的能力。如图3.14

为了防止对侧助增电流引起的超越，在I 、II 段中还提供了电抗继电器，该继电器大约向下倾斜12°，故其动作区间如图3.15。作为远后备保护的III 段距离继电器不设电抗继电器，因为即使是下一段故障超越进本段的距离III 段范围内，下一段的距离I 、II 、III 段动作时间也比本段的距离III 段动作时间快，因此不需要。

第三节 距离继电器的超越

在上一节中提到加入电抗继电器是为了防止超越，这一节就分析为什么会出现超越。 在系统中，线路通过过渡电阻R 接地，如图3.16

M 侧的距离继电器测量阻抗 Z J = 因为Um = Z k *I 1+(I 1+I 2)*R （两边同时除以I 1） 所以Z J = Z k + R+ *R =K*e k=︱ ︱ θ为I 1和I 2的夹角。

最后得到公式Z J = Z k + R+ K* R* e Z 0 －Z 1 3 Z 1 Z 0 －Z 1 3 Z 1 U A I A +3K* I 0 U φ I φ+3K* I 0

图

3.14 图3.15

图3.16 E M =E

Um I 1 I 2 I 1

I 2 I 1 j θ I 2 I 1

j θ

因此，Z J 在特征区间可以用图3.17表示，当I 1超前I 2，θ＜0，I 1落后I 2，θ＞0，由于对侧助增电流的角度的不确定性，在θ＜0时，测量阻抗Z J 小于实际的阻抗（Z k+R ），在II 段的故障就有可能落在I 段动作。所以，我们设计了电抗继电器来躲避这种情况。

第四节 复合距离继电器

在高频保护中，南瑞公司902系列保护采用复合距离继电器作为高频方向元件。复合距

离继电器由两部分组成，一部分是第一节讲述的工频变化量距离继电器，另一部分是四边形距离继电器。因此称作复合距离继电器。

四边形距离继电器动作特征如图 3.18，Z zd =1.5Z L , Zx=0.05Z zd , Z zd 阻抗角78°，Φ1=Φ2=30°，R zd ⊥Z zd 。只需要整定R zd 和Z zd ，四边形的区间大小就可以确定下来了。

为了防止在双电源下线路故障出现距离保护超越现象，AB 边不与R 轴平行，而是向下倾斜10°~15°，为了防止出口经

过渡电阻接地也能可靠动作，CD 边也要向

下倾斜，R zd 由过渡电阻有可能的最大值决定，为了保证经过渡电抗接地也能可靠动

作，取Φ1=Φ2=30°得到A 、B 两点。

工频变化量的整定值分两个，一个是在后备保护中的距离I 段Z zd1，它与四边形距离继电器共同构成快速独立跳闸元件，即△Z ，动作时间小于10 ms 。必须注意理解的是△Z 也是复合距离继电器，而不仅仅是工频变化量距离继电器。△Z 的动作特征区间如图3.19。第二个是以超范围整定到对端电源的工频变化量阻抗保护D zzdF ，它与四边形距离继电器构成高 频距离保护Z++的方向元件。它的动作区间如图3.20。

图3.18 B C 图3.17

这里看到Z++的动作区间就是四边形距离继电器，似乎工频变化量距离没有用处，其实由于四边形是固定的，在反方向和区外故障时候工频变化量是一个远离四边形的上抛圆，与四边形无交集，也就没有动作区，所以能很好的防止非故障区故障时候高频正方向元件的误动。

第五节 保护闭锁系统振荡的原理

有关什么是系统振荡，和发生振荡时，系统中各点的电压，电流，相角变化规律以及振荡对不同地点距离保护的影响的问题在《技术问答》上有详细的讲解，这里只对南瑞公司保护的开放闭锁元件的四个判据作详细的分析。

在系统发生振荡时，应该由手动或自动减少发电机机端出力和有选择性的切除负荷，不应由保护无选择的任意解列系统。因此，对有可能出现电网振荡的保护必须加装振荡闭锁元件。

正常运行时，振荡闭锁元件一直是投入的，它闭锁了距离保护等的动作，在网络异常时，保护会启动，该元件必须立刻判断出异常是什么原因造成的。如果是系统振荡，则该元件继续投入，如果是故障，该闭锁元件应立刻开放。下面就讲南瑞保护区别振荡和故障用的四个判据。

一、保护启动瞬间开放160ms.

即使是保护由于系统振荡的原因而启动，系统两侧电势由正常功角θ摆至振荡中心角180°的时间也远大于200ms 。这样振荡的轨迹还没有进入动作区间闭锁元件就已经复归。

如图3.21，正常运行在Ａ点，振荡时振

荡轨迹是从Ａ点到Ｂ点（θ由θ1到θ2）的

时间远远超过160ms 。轨迹在这个时间内不能进入保护动作区。此时若是故障引起的保护启动，闭锁元件已经开放，保护可以动作。

所以这个判据在系统振荡时候不会误动，在故障时候不会拒动。该判据只在启动瞬间开放160ms ，之后就永久闭锁（保护整组复归

时才复归），即使是在系统振荡时候再有故

障也不开放，这就需要其他判据。

图3.19

图3.20

图3.21

二、不对称故障开放元件

不对称故障时的开放判据：∣I 0∣+∣I 2∣＞m ∣I 1∣ （式3.6）

系统振荡时，I 0、I 2接近于零，该判据不满足。

不对称故障时，根据对称分量法作出复合序网图，可以得到短路点各序电流的关系： 单相接地短路：∣I 0∣+∣I 2∣=2∣I 1∣

两相短路∣I 2∣=∣I 1∣ （式3.7）

两相接地短路∣I 0∣+∣I 2∣=∣I 1∣

考虑到两端电网分支系数的影响，在式3.6中m 取0.6，很好的满足式3.7。

三、对称故障开放判据 Uos=Ucos φ

在保护启动160ms 后再发生三相对称短路，以上的判据都不能满足，所以需要新的判据，即采用振荡中心的电压Uos （图3.22）的大小作为判据。

无论系统是正常运行还是振荡，∣OM ∣都是M 点母线电压U ，Ucos φ都反应了振荡中心

点S 的正序电压∣OS ∣。三相短路一般都是弧

光短路，弧光电阻压降小于0.05U 。此时分析振荡中心在最不利的情况下，如何用延时来躲过振荡轨迹处于区内的问题。

该判据又分两部分：

（1）－0.03U ＜Uos ＜0.08U ，延时150ms 开放。

cos φ1=0.08 , φ1=85.5°系统角171°

cos φ2=－0.03 , φ2=91.7°系统角183.5°

图3.23给出了此时振荡的轨迹图。从φ1到φ2变化了6.2°，整个振荡周期φ变化是180°以最大振荡周期3〞计算，振荡周期在这个区间内停留的时间是104ms ，取延时150ms 闭锁开放，即使该区域是保护动作区保护也能躲过振荡轨迹。

（2）－0.1U ＜Uos ＜0.25U ，延时500ms 开放

该判据作为（1）判据的后备分析的道理和（1）完全一致。

以上的判据在Uos 很小时候，就能很好的用延时来躲避可能是振荡原因引起的低压。从而保证保护不会误动。

如何更好的理解（1）、（2）两个判据的关系，如图3.24振荡轨迹是由A 到B 到C 到D 的单向运动，进入A 点即（2）判据开始工作，接着进入B 点，（1）判据也开始 ，如果是故障进入B 点后150ms 后（1）判据动作，如果是振荡或者故障条件不满足（1）的判据，轨迹继续进入C 点，如果是故障，在进入A 点开始后的500ms 时（2）判据动作。如果是振荡，则进入D 点继续运行。

以上的分析都是基于线路阻抗角为90°状态下。在南瑞技术书上提到如果线路阻抗角不为90°时，φ角需要补偿，这里解释一下补偿的原因。

图3.22 E M E N

M N O S φ 图3.24 D C B A －0.1 －0.03 0.08 0.25 判据（2） 判据（1）

图3.23 M N

S φ1 Φ2

三相短路时，M 点测得的电压实际上是一个呈感抗性质的线路压降与一个纯电阻性质的弧光电阻压降，一次系统图如图3.25

可见，U 1与U 2相加就是母线电压U ，结合图2.26，如果R 不是纯电感性质，则U 1与U 2之间的角度不再是90°而是线路的阻抗角δ，因此Ucos φ也不再是弧光电阻U 2，作一个

矢量U 3，让U 3⊥U 2，则θ =90° δ ，Ucos(φ+θ)=U 3 , U 3﹤U 2，U 3是振荡中心的电压，U 2

是弧光电压，当然用U 3来代替U 2把Ucos φ的范围缩小了，判据仍然有效，不会造成振荡时保护误动。θ就是补偿角。在运行中，U 和φ是保护采集量，δ是整定值，所以U 3的大小能够计算出来，说明这个判据也是实用的。

另外从图3.26可以分析出，当线路阻抗角为90°时，A 、B 、C 三点合一，即δ=90°，则θ=0°，不需要补偿，这和前面讲的公式是一致的。

四、非全相时的振荡判据

分相操作电网系统中，还要考虑非全相运行的情况。由于是非全相运行，选相元件会一直选中断开相，此时系统振荡不会误动，若此时健全相再故障，选相元件就会选中故障相，因此可以用选相元件在不在断开相来开放闭锁元件。

另外，也可以采用测量健全相电流的工频变化量来判断是否开放非全相的振荡闭锁。

第六节 高频零序方向元件（0++）

零序方向元件由零序功率P 0决定，P 0

=3 U 0*3 I 0*Z D 。Z D 是一个幅值为1，相角为78°的补偿阻抗。

在正方向A 相金属性接地故障时的电气量如图3.27，三相合成的零序电压和零序电流如图3.28，φ角为线路阻抗角，一般为78°，I 0在补偿了78°之后P 0的矢量图如图3.29。

图3.29正好反映了在正方向故障时零序电流由线路流向母线，计算公式：

－ 图3.25 2 图3.26

图3.27

图3.28 图3.29

P 0=3 U 0*3 I 0*Z D =9∣U 0* I 0∣cos180°=－9∣U 0* I 0∣﹤0

那么在保护的反方向故障时，3 U 0、3 I 0和补偿后的3 I 0矢量图如图3.30。

P 0==9∣U 0* I 0∣cos0°=9∣U 0* I 0∣＞0 由次可得，当P 0＞0时，反方向元件F 0－动作，

当P 0﹤0时，正方向元件F 0+动作，为了增加正方向元件动作的可靠性，将这个结论稍微改成当P 0﹤－1

时，正方向元件F 0+动作。

线路阻抗角一般为78°，所以设计补偿角也为78°，目的是让P 0取得最大值，拥有更高的可靠性。

如果没有这个阻抗，线路出口经过渡电容或者过渡电感接地时，零序电压和零序电流之间的夹角就有可能接近90°或270°，此时P 0=0，处于动作的临界点，保护就有可能误动或拒动。

在RCS 系列保护中，零序保护正方向元件由零序比较过流元件和F 0+与门输出，反方向元件由零序启动元件和F 0－与门输出，零序比较过流元件定值比零序启动元件大，所以反方向元件更加灵敏，这样提高了装置的可靠性。

第七节 主变保护的比率差动

南瑞系列变压器保护的比率差动保护动作方程如下

I d ﹥I cdqd

I d ﹤K*I r

同时满足上式两个条件保护动作，I d ：差动电流，I cdqd ：差动启动电流，I r ：制动电流，K 比率系数。

设计比率差动主要有两方面原因

1、正常运行时，主变各侧CT 的参数特性不一致，CT 的励磁电流不同，保护平衡系数整定的误差，使得差动回路中有不平衡电流通过，不平衡电流有可能超过差动电流的启动电流。

2、在差动保护外部短路时（图3.31），CT 一次侧短路电流含有大量随指数衰减的非周

期分量，它衰减速度远小于周期分量，所以很难转变到CT 二次侧，而主要作为CT 的励磁电流，使CT 铁

芯更加饱和，二次电流误差更大，这种电流又称暂态

穿越性电流。 以上两种情况都能使不平衡电流增大，尤其是后

者，在大电流故障时极有可能使差动保护误动。 因此引入了制动电流来克服这些缺点。

制动电流的采用对象各个保护是不一样的，有选

择各侧电流矢量差的，有选用各侧电流最大值的，南

瑞变压器系列保护用后者，I d =∣I 1+I 2+I 3∣，

I r =max ｛∣I 1∣、∣I 2∣、∣I 3∣｝，一般故障电流为最大，所以可以把I r 理解为故障电流，图3.30

图3.31

若是在区内故障，那么差动电流I d 远远超过制动电流I r ，若是区外故障，I r 将远大于不平衡电流，所以比率差动保护的安全可靠性很高。

第八节 主变的电流保护

本节讲述以220KV 主变后备保护LFP973E 为例，考虑到220KV 和110KV 都是接地系统。

主变的后备电流保护有复压过流保护和零序电流保护。复压过流的方向由控制字FL 控制。当FL=0时，复压过流方向指向系统，灵敏角为228°，当FL=1时， 复压过流方向指向变压器，灵敏角为48°。方向的解释如图3.32

当K 点发生故障，若在变压器其他侧系统内有电源（如中压侧EN ），中压侧会向高压侧反送潮流I k ，对于高压侧母线H 的电压来将，I k 方向是指向系统，有228°，当P 点发生故障，高压侧母线H 送出电流Ip ，Ip 方向是指向变压器，有48°。所以设定了这两种方向控制字，根据网络具体情况整定。

零序过流是用变压器中性点的CT 采集，CT 极性端安装在变压器侧，零序方向元件也是采用控制字FL0整定，当FL0=1时，零序方向指向变压器，灵敏角258°，当FL0=0时，零序方向指向系统，灵敏角78°。作出变压器零序电抗的等值电路图

3.33来解释。

如果在高压侧线路故障，在线路上有附加零序电压U 0和零序电流I 0I ，相对与高压母线H ，零序电流I 0I 的方向是变压器流出指向系统，角度为258°，而中压侧中性点感应出的零序电流I 0II 相对于中压侧母线M 是系统流出指向变压器，角度为78°。注意，零序电流是采用图3.34所标示的中性点的电流。

注意：在做变压器零序过流保护和间隙零序过流保护试验时候，南瑞保护故障报告里M 图3.32 图3.33 U 0I 图3.34

显示的故障电流是系统A 、B 、C 三相电流的最大值，而不是零序电流或者间隙零序电流的值，所以如果试验时仅仅加入零序电流或者间隙零序电流，报告会显示电流为0。这一点必须注意。

第九节 母差保护

母线差动保护根据母线上所有连接间隔的电流值计算差动电流，构成大差元件作为差动保护区内的故障判别元件。根据各连接间隔的刀闸位置开入计算出每条母线的各自的差动电流，构成小差元件作为故障故障母线的选择元件。间隔刀闸跨越上母线时，装置自动识别为单母线运行，不选择故障母线。任何一条母线故障都将所有间隔同时切除。

除此之外，若I 母故障，则I 母小差启动，II 母小差不启动，大差启动，保护切除I 母上各间隔。II 母故障同理。

注意，两条母线的小差计算都包括了母联电流。

母联死区保护（如图3.35），在母联开关与母联CT 之间的导线发生故障，此时I 母小差动作，II 母小差不动作，大差动作，I 母上的间隔（包括母联）都被切除。但是故障仍然存在，I 母小差仍旧动作，正好处于II 母小差的死区，为此专门设计了母联死区保护，死区保护动作条件是把母联开关断开之后，母联CT 上仍有电流，并且大差元件与母联开关侧的小差都不返回时，经死区保护延时跳开另一条母线。

母差保护接入了母线上所有间隔元件的电流、间隔刀闸位置信号、失灵启动母差信号，母差跳闸回路四个电气量，在保护屏端子排上同一间隔的这四个电气量的接线位置是一一对应的，这一点要特别注意，如果将各间隔电气量位置混淆，将会造成母差不正确动作，后果非常严重。在第二章已经讲了前三个电气量回路的接法，母差跳闸回路（图 3.36）接在图

2.16的手跳位置，或者220KV 间隔保护操作回路的R 端子。

图3.36

I 母 II 母 图3.35