电力系统继电保护课程设计.docx
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电力系统继电保护课程设计
电力系统继电保护课程设计
题目：
载波保护方法应用设计
班级:
姓名:
学号:
指导老师:
张继红
内蒙古科技大学课程设计任务书
课程名称
电力系统继电保护原理
设计题目
载波保护方法应用设计（第四组学生做）
指导教师
时间
1周
一、教学要求
电力系统继电保护课程设计是培养学生应用理论知识的一种综合训练。
本课程设计教学要求是：
（1）理论联系实际；
（2）学习电力系统保护的高频保护（即载波保护）的元件构成及功能特性。
（3）熟练掌握一类绘制电气原理图的工程软件。
（4）学习保护配置原则、整定方法等。
通过课程设计，使学生系统地掌握电力系统载波保护中的常用方法（即闭锁纵联方向保护）的工作原理、整定计算方法与实现过程。
二、设计资料及参数
（一）设计原始资料
1、待设计电网或变电所系统图
2、系统运行的两种方式
3、三相供电系统
4、电网电压等级为110kV
三、设计要求及成果
1、对于反映单端电气量变化的继电保护装置，由于反映的是单端电气量，所以保护不能正确地反映是本线路末端故障还是相邻线路的首端故障。
所以设计时，为了保证保护的选择性，在全线路任意一点故障时，保护不可能都能无时限地动作，需加时限来保证。
2、而对于反映双端电气量变化的继电保护装置，由于反映的是双端电气量，所以保护能正确地反映本线路内任意一点故障，即在全线路任意一点故障时，保护都能无时限地动作。
但此种保护的保护区只在本线路内，所以，不能作为相邻线路的后备保护。
所以说，这两种保护各有优缺点，一般配合使用。
3、分析现有载波保护的元件构成及通信方式的不足，有针对性地提出可行性方案。
4、按照任务书规定的内容和进度完成。
四、进度安排
1、讲解设计目的、要求、方法、任务分工。
（2小时）
2、查阅资料，熟悉用户任务要求，（0.5天）
3、设计保护方案，提出可行性报告（1天）
4、查阅图书、资料、产品手册和工具书进行设备校验，绘制继电保护二次展开图（1天）。
5、撰写设计说明书（2天）
五、评分标准
课程设计成绩采用非百分制记法。
主要注重量化过程考核，创新能力考核，评分内容和标准如下：
（1）设计态度20%
遵守劳动纪律和安全文明实训，准时上下课，不大声喧哗，不随意走动，不做与课程设计无关的事。
认真查找资料，主动提出问题，分析问题，解决问题。
服从管理，按时完成设计任务。
（2）实践能力20%
继电保护装置满足规程要求，可靠性高，设备选择得当，计算、保护、整定等满足要求。
保护屏安装规范，布置美观。
设计过程有创新，故障判断准确，短路电流计算正确。
（3）方案设计40%
课程设计报告包含两部分，设计说明书和图纸。
设计说明书要求内容完整，文字流畅，字迹端正，图纸规范，尤其要突出设计创新，采用新方法，新工艺，新设备。
设计论证充分，可靠性高。
设备选择正确合理，设计心得体会真实可信。
（4）课题说明书20%
对课题考核重点理解深刻，能正确、全面地回答问题。
若发现有抄袭或请别人代做者，取消参加考核的资格，成绩以零分记录。
最后总评以优、良、中、及格、不及格记。
六、建议参考资料
1．张保会．电力系统继电保护［M］，北京：
中国电力出版社第二版，2005
2．贺家李，宋从矩．电力系统继电保护原理［M］，北京：
中国电力出版社第二版，1994
3．杨奇逊．微机型继电保护基础［M］，北京：
中国电力出版社1988
4．王维俭．电力系统继电保护原理［M］，北京：
清华大学出版社，1992
5．知网数据库论文
目录
摘要7
关键词7
继电保护的基本原理8
继电保护的作用9
电力线载波通信存在的主要问题9
高频保护（载波保护）11
高频阻波器的原理结构12
高频收、发信机13
相差高频保护14
功率方向闭锁高频保护15
高频闭锁方向保护概念15
载波通道的工作方式17
1、正常时无高频电流方式17
2、正常有高频电流方式17
3、移频方式17
电力线载波信号的种类18
1、闭锁信号18
2、允许信号18
3、跳闸信号19
载波保护噪声干扰类型及抗干扰措施19
（一）装设抗干扰电容20
（二）在高频通道电缆中串接电容口20
（三）装置可靠接地20
（四）限制过电压对装置的影响21
（五）高频位置停信加装手合继电器延时闭合接点21
（六）相一相耦合方式中，高频差接网络必须可靠接地。
21
高频保护的相关问题21
载波通讯的不足：
21
智能小区中的应用24
总结25
参考文献26
摘要
本文对高频载波保护做了简要概述，分别介绍了高频保护的基本原理，输电线路高频载波保护构成，输电线路高频载波保护分类，高频通道的构成，高频通道工作方式，高频信号的应用。
特别介绍了高频闭锁方向保护以及相差高频保护，包括高频闭锁方向保护概念，闭锁式方向纵联保护的基本构成，影响方向比较式纵联保护正确动作的因素以及相差高频保护工作原理，相差高频保护的构成，相差高频保护的相位特性，高频闭锁方向保护的实现特点，其中相差高频保护有一系列重要优点，在输电线路纵联保护发展过程中起了重要作用，目前在国外仍有应用。
为了在远距离输电线上实现差动保护，必须将线路一端的电气量传送到另一端，广泛采用的方法之一是利用高压输电线本身作通道，以50～300kHz的高频电流相互传送两侧电气量，这就是载波保护。
又称高频保护。
载波保护应在被保护线路两端配置收、发信机。
当收信机收到的信息是保护装置发出跳闸命令的必要条件时，则称为允许跳闸式（简称允许式）；当收信机收到信息就不允许发出跳闸命令时称为闭锁跳闸式（简称闭锁式）。
控制发信的元件除应有方向性外，其正向保护范围小于被保护线路全长者称为欠范围式；反之若正向保护范围大于被保护线路全长者则称为超范围式。
按照保护所取用的判别量，载波保护又可分为方向比较、相位比较和电流差动3种保护方式，电力线载波保护是利用高压输电线路为载波通道传输本线路各端的保护信息，并以其相互比较为动作判据的一种线路纵联保护。
它是迄今为止得到广泛采用并在可预见的将来仍将使用的一种线路纵联保护。
组成安装在本线路两端的阻波器，阻止载频两端高压母线，藕合电容器隔离工频高压并形成载频通路只能利用有限的带宽，电力线载波保护只适用于传输“有一无”信息的方向比较式纵联保护或电流相位比较式纵联保护，以及窄带移频式的远方跳闸装置。
关键词高频载波载波通信高频闭锁方向保护相差高频保护
继电保护的基本原理
继电保护主要是利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量（电流、电压、功率、频率等）的变化构成继电保护动作的原理，还有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。
大多数情况下，不管反应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分（和定值调整部分）、逻辑部分、执行部分。
电力系统运行中的参数（如电流、电压、功率因数角）在正常运行和故障情况时是有明显区别的。
继电保护装置就是利用这些参数的变化，在反映、检测的基础上来判断电力系统故障的性质和范围，进而做出相应的反应和处理（如发出警告信号或令断路器跳闸等）。
继电保护装置的原理分析：
A、取样单元---它将被保护的电力系统运行中的物理量（参数）经过电气隔离并转换为继电保护装置中比较鉴别单元可以接受的信号，由一台或几台传感器如电流、电压互感器组成。
B、比较鉴别单元---包括给定单元，由取样单元来的信号与给定信号比较，以便下一级处理单元发出何种信号。
（正常状态、异常状态或故障状态）比较鉴别单元可由4只电流继电器组成，二只为速断保护，另二只为过电流保护。
电流继电器的整定值即为给定单元，电流继电器的电流线圈则接收取样单元（电流互感器）来的电流信号，当电流信号达到电流整定值时，电流继电器动作，通过其接点向下一级处理单元发出使断路器最终掉闸的信号；若电流信号小于整定值，则电流继电器不动作，传向下级单元的信号也不动作。
鉴别比较信号“速断”、“过电流”的信息传送到下一单元处理。
C、处理单元---接受比较鉴别单元来的信号，按比较鉴别单元的要求进行处理，根据比较环节输出量的大小、性质、组合方式出现的先后顺序，来确定保护装置是否应该动作；由时间继电器、中间继电器等构成。
电流保护：
速断---中间继电器动作，过电流——时间继电器动作。
（延时过程）
D、执行单元---故障的处理通过执行单元来实施。
执行单元一般分两类：
一类是声、光信号继电器；（如电笛、电铃、闪光信号灯等）另一类为断路器的操作机构的分闸线圈，使断路器分闸。
E、控制及操作电源---继电保护装置要求有自己独立的交流或直流电源，而且电源功率也因所控制设备的多少而增减；交流电压一般为220伏，功率1KVA以上。
继电保护的作用
随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行、故障期间以及故障后的恢复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。
这些控制操作的技术与装备大致可分为两大类：
其一是为保证电力系统正常运行的经济性和电能质量的自动化技术与装备，主要进行电能产生过程的连续自动调节，动作速度相对迟缓，调节稳定性高，把整个电力系统或其中的一部分作为调节对象，这就是通常理解的“电力系统自动化控制”。
其二是当电网或电气设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与装备，其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理解的“电力系统继电保护与安全自动装置”。
电力系统继电保护的基本作用是：
在全系统范围内，按指定分区实时的检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度地维持系统的稳定，保持供电的连续性，保障人身的安全，防止或减轻设备的损坏。
电力线载波通信存在的主要问题
进入八九十年代以来，我国电力事业和电力系统以前所末有速度迅猛发展。
大电站、大机组、超高压输电线路不断增加，电网规模越来越大。
电网的发展必然对电网管理和技术提出更高的要求，这就要求电力系统通信更加完善和先进。
电力线载波由于其固有的弱点：
通道干扰大、信息量小，再加上我们设备水平、管理维护等方面造成的稳定性差、故障率高等不足，已显得不能适应现代电网对通信多方面、多功能的要求；而与此同时，信息时代的到来，促进了全世界范围内电信科技的全面、多维发展，各种新兴的通信技术不断出现；通信设备性能越来越先进，价格越来越低廉。
于是，数字微波、卫星通信、光纤通信、移动通信、对流层散射通信、特高频通信、扩展频谱通信、数字程控交换机及以数据网等新兴通信技术在电力系统中得以逐渐的推广应用。
我们已经看到，电力线载波已成为电力系统应用最为广泛的通信手段，当然，其缺点和不足从中也得以充分体现；加之和其它新兴通信手段共存，更显示出了其局限。
目前对电力线载波评价不高似乎已是比较普遍的现象。
然而，仔细分析，我们可以发现，其原因也是多方面的：
既有技术上的，也有管理上的；既有设备制造、工程设计施工上的，也有运行维护上的；既有客观上的，也有认识上的。
1、载波频率分配使用中的问题
我国电力线载波频率使用范围为40～500KHZ，载波频带带宽为4KHZ，所以在整个载波频率范围内只能不重复安排57套载波机；而我们要使用的载波机要远大于这个数目。
实际上，即使在这个频段内的频率，要完全利用也非常困难。
在低频段，存在着阻波器制作上的困难；高频段，易受广播信号的干扰，而且还要考虑线路对信号衰减的不均匀性等因素。
而我们在对这有限的频率安
排使用上，可以说不少地方做得并不好，造成了一方面是频谱紧张，一方面又浪费频率资源。
（1）在频率的安排上,有些地区安排频率带有很大的随意性，&127;“见缝插针”，没有长远的计划，以致于干扰严重，不断改频；有些则只注意本地区频率规划，结果即影响了别人，又影响了自己。
甚至一些上级频率主管部门，对频率的管理也不够重视，在分配频率时也没有严肃认真的科学态度和科学的方法。
（2）没有全局观念、统筹意识，往往就事论事，就频率考虑频率。
如现在比较普遍的情况是高频保护占据单独一相（A相）；如果改为与载波复用，&127;则可节省下保护占用的频带。
再有，现在的通信网络结构一般是点对点结构，通道占用多，利用率低，如改组成调度程控交换网，也可节省通道，并能达到灵活、可靠的效果。
2、电力线载波机的问题
不可否认，国产载波机无论是在技术性能、工艺结构还是在电路上，同国际上一些先进设备相比仍存在有很大的差距，从频谱的利用率、自动增益控制（AGC）&127;范围和灵敏度、载供系统的精度、滤波器的性能，到载波机整个通道频率特性以及工作环境温度范围，都难以达到进口机的水平。
实际上，比技术先进更重要的是设备的可靠性和稳定性。
国外载波机平均无故障时间（MTBF）可达几十年，在这点国产机是根本无法相提并论的——即使引进技术的国产化机如ESB500恐怕也不能保证达到甚至接近进口机的水平。
3、配套工程存在的问题
配套工程存在的问题主要有电源的可靠性不高和容量小、防雷技术措施不完善、仪器仪表配置不完备和落后等问题。
无疑，这些问题的存在也在相当大的程度上影响了通信的可靠性。
比如，有些地区由于电源引起的故障竟高达三分之二！
雷雨季节由于雷击而致使通信中断的事件也时有发生。
至于仪器仪表配置不完备和落后，更是直接影响了设备正常维护测试的质量和速度。
4、管理运行上的问题
管理运行上的问题是比其它问题更突出的问题。
多年来，我们的工作中一直不同程度地存在着重主机轻辅机、轻配套，重设备轻人员、轻管理、轻完善等现象，很多必须的工作都开展不力或根本没有开展，造成新设备刚运行一段时间甚至一开始运行就出问题。
旧通信系统、旧通道存在的问题，尤其涉及到多专业的问题，很多长期得不到解决。
（1）领导重视不够，对通信的重要性认识不足
（2）基础工作不扎实不健全
（3）管理体制等方面上的问题
（4）通信人员待遇低，通信队伍稳定性差
高频保护（载波保护）
定义：
高频保护是用高频载波代替二次导线，传送线路两侧电信号的保护，原理是反应被保护线路首末两端电流的差或功率方向信号，用高频载波将信号传输到对侧加以比较而决定保护是否动作。
高频保护包括相差高频保护、 高频闭锁距离保护和功率方向闭锁高频保护。
组成：
1.高频阻波器2．结合电容器3．连接滤波器4．高频电缆5．保护间隙6．接地刀闸7．高频收、发信机组成
原理结构图
高频阻波器的原理结构
高频阻波器是电力系统载波通信及高频保护的专用附属加工设备，是载波通信及高频保护不可或缺的一个环节。
它串联在电力线路始末两端和分支线的分支点上，用以减少变电站或分支线对高频信号的分流（介入衰耗），并使通道衰耗均匀，在不影响工频电流通过，保证工频能量传输的前提下，防止高频信号的外溢。
此外，线路高频阻波器作为高频通道加工设备，不仅限制变电站一次系统对高频通道的分流影响，减少信号衰耗，同时还隔离变电站开关操作引起的高频暂态分量，防止他们对高频保护系统形成干扰。
高频阻波器的一般结构如图1所示，其最主要元件是一个电感线圈和一个可变电容器。
电感（（L）和
电容（C）组成的并联谐振电路，对调谐于高频保护频率的高频电流呈现很大的阻抗，对工频电流呈现很小的阻抗（约为0 04Ω），从而防止高频信号分流。
其中电感线圈（L）为强流线圈，直接串接在输电线路上。
电容器（C）为调谐元件。
Lfz为辅助线圈，起到雷击时保护调谐电容器的作用。
P为阀型避雷器的放电间隙，也起到高压下保护调谐电容器的作用。
R为阀型避雷器的非线性电阻。
2 高频阻波器故障对高频保护的影响
高频阻波器出现故障后，在可能的情况下母线的对地阻抗足够大，母线的介入衰耗可能不足以影响收发信机的收发信，收发信机收信电平足够高，线路两端的高频保护装置可以依据此电平做出正确的判断，但是这是缺乏坚实的支撑基础的[3,4]。
这不仅仅因为母线高频阻抗
高频收、发信机
高频收发信机的作用是发送和接收高频信号。
发信机部分是由继电保护来控制，通常都是在电力系统发生故障时，保护起动之后它才发出信号，但有时也可以采用长期发讯的方式。
由发信机发出信号，通过高频通道为对端的收信机所接收，也可为自己一端的收信机所接收。
高频收信机接收到由本端和对端所发送的高频信号。
经过比较判断之后，再动作于跳闸或将它闭锁。
高频保护介绍
相差高频保护
相差高频保护是测量和比较被保护线路两侧电流量的相位，是采用输电线路载波通信方式传递两侧电流相位的。
假设线路两侧的电势同相位，系统中各元件的阻抗角相同。
规定：
电流从母线流向线路为正，从线路流向母线为负。
区内故障：
两侧电流同相位，发出跳闸脉冲；
区外故障：
两侧电流相位相差180°，保护不动作
为了满足以上要求，采用高频通道正常时无信号，而在外部故障时发出闭锁信号的方式来构成保护。
实际上，当短路电流为正半周，高频发信机发出信号；而在负半周，高频发信机不发出信号。
当被保护范围内部故障时。
由于两侧电流相位相同，两侧高频发信机同时工作，发出高频信号，也同时停止发信。
这样，在两侧收信机收到的高频信号是间断的，即正半周有高频信号，负半周无高频信号。
当被保护范围外部故障时，由于两侧电流相位相差180°，线路两侧的发信机交替工作，收信机收到的高频信号是连续的高频信号。
由于信号在传输过程中幅值有衰耗，因此送到对侧的信号幅值就要小一些。
经检波限幅倒相处理后，电流为直流。
由以上的分析可见，相位比较实际上是通过收信机所收到的高频信号来进行的。
在被保护范围内部发生故障时，两侧收信机收到的高频信号重叠约10ms，于是保护瞬时的动作，立即跳闸。
在被保护范围外部故障时，两侧的收信机收到的高频信号是连续的，线路两侧的高频信号互为闭锁，使两侧保护不能跳闸。
高频闭锁距离保护的评价：
优点：
内部故障时可瞬时切除故障，在外部故障时可起到后备保护的作用。
缺点：
主保护（高频保护）和后备保护（距离保护）的接线互相连在一起，不便于运行和检修。
功率方向闭锁高频保护
功率方向闭锁高频保护，是比较被保护线路两侧功率的方向，规定功率方向由母线指向某线路为正，指向母线为负，线路内部故障，两侧功率方向都由母线指向线路，保护动作跳闸，信号传递方式相同。
最大优点：
是无时限的从被保护线路两侧切除各种故障；不需要和相邻线路保护配合；相差高频保护不受系统振荡影响。
高频闭锁方向保护.
高频闭锁方向保护概念：
高频闭锁方向保护是以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭锁信号的方式构成的。
此闭锁信号由短路功率为负的一侧发出，这个信号被两端的收信机所接收，而把保护闭锁。
当区外故障时，被保护线路近短路点一侧为负短路功率，向输电线路发高频波，两侧收信机收到高频波后将各自保护闭锁。
如d1点短路，线路AB两侧的KA1动作，接通发信机电源，向高频通道发信。
B侧的短路功率为负，KPD不动作，不停信。
收信机收到高频信号，将保护闭锁，不跳闸。
当区内故障时，线路两端的短路功率方向为正，发信机不向线路发送高频波，保护的起动元件不被闭锁，瞬时跳开两侧断路器。
如在d2点短路，两侧KA1起动，向高频通道发信，但两侧KPD承受正方向短路功率而起动。
首先停信，与此同时闭锁继电器起动，发出跳闸脉冲。
参考下图
这种保护的优点是利用非故障线路一端的闭锁信号，闭锁非故障线路不跳闸，而对于故障线路跳闸，则不需要闭锁信号。
这样在区内故障伴随有通道的破坏时，两端保护仍可能跳闸。
这是故障启动发信闭锁式纵联保护得到广泛应用的主要原因。
高频闭锁距离保护.
距离保护可以作为变电所母线和下级相邻线路的远后备保护，同时由于距离保护的主要元件也可以作为实现闭锁式方向纵联保护的主要元件，因此常常把两者结合起来构成闭锁式距离纵联保护，使得区内故障时能够瞬时切除故障，而在区外故障时则具有常规距离保护的阶段式配合特性，起到后备保护的作用，从而有两种保护的优点，并且能简化这个保护的接线。
闭锁式距离纵联保护实际上是由两端完整的三段式距离保护附加高频通信部分组成，它以两端的距离保护三段继电器动作为故障启动发信元件，以两端的距离保护二段为方向判别元件和停信元件，以距离保护一段作为两端独立跳闸段。
工作原理如图3.3所示。
当保护范围内部故障时，两端的起动元件动作，起动发信机，但两端的距离II段也动作，又停止了发信机。
当收信机收不到高频信号时，KL触点闭合，使距离II段可瞬时动作于跳闸。
当保护范围外部故障时，靠近故障点的B端距离II段不动作，不停止发信，A端II段动作停止发信，但A端收信机可收到B端送来的高频信号使闭锁继电器动作，KL触点打开，因而断开了II段的瞬时跳闸回路，使它只能经过II段时间元件去跳闸，从而保证了动作的选择性。
高频闭锁距离保护存在着优缺点其优点是内部故障时可瞬时切除故障，在外部故障时可起到后备保护的作用。
缺点：
主保护（高频保护）和后备保护（距离保护）的接线互相连在一起，不便于运行和检修。
载波通道的工作方式
输电线路纵联保护载波通道按其工作方式可分为三大类：
正常无高频电流方式、正常有高频电流方式和移频方式。
根据高频保护对动作可靠性要求的不同特点，可以选用任意的工作方式，我国电力系统主要采用正常无高频电流方式。
1、正常时无高频电流方式
在电力系统正常运行状况下发信机不发信，沿通道不传送高频电流，发信机只在电力系统发生故障期间才由保护的启动元件启动发信，因此又称之为故障启动发信的方式。
在利用正常无高频电流方式时，为确知高频通道完好，往往采用定期检查的方法，定期检查又可分为手动和自动两种。
在手动检查的调节下，值班员手动启动发信，并检查高频信号是否合格，通常是每班一次。
该方式在我国电力系统中得到了广泛的采用。
自动检查的方法是利用专门的时间元件按规定时间自启动发信，检查通道，并向值班员发出信号。
2、正常有高频电流方式
在电力系统正常工作条件下发信机处于发信状态，沿高频通道传送高频电流，因此又称之为长期发信方式。
其主要优点是使高频保护中的高频通道部分经常处于被监视的状态，可靠性较高；此外，无需收、发信机启动元件，使得装置简化。
它的缺点是因为发信机经常处于发信状态，增加了对其他通信设备的干扰时间；因为经常处于收信状态，外界对高频信号干扰的时间长，要求收信机自身有更高的抗干扰能力。
应该指出，长期发信的条件下，通道部分能否得到完善的监视要视具体情况而定。
例如，当两端发信机的工作频率不同时，任何一端的收信机只收对端送来的高频电流信号，收、发信机和通道的中端能够及时发现。
但是到两端发信机在同一频率时，由于任何一端的收信机不仅收到对端送来的高频电流，同时也收到本端发信机发出的高频电流，因此，任何一个发信机或通道工作的中断都不能直接从收信结果判断出来，仍需采用其他附加的措施才能达到完全监视的目的。
2、移频方式
在电力系统正常运行的工况下，发信机处在发信状态，向对端送出频率f1的高频电流，这一高频电流可作为通道的连续检查或闭锁保护之用。
在线路发生故障时，保护装置控制发信机停止送出频率f1的高频电流，改为频率为f2的高频电流。
这种方式能监视通道的工作情况，提高了通道工作的可靠性，并且抗干扰能力较强；但是他占用的频率带宽，通道利用率低。
移频方式在国外已得到了广泛的应用。
电力线载波信号的种类
按照高频载波通道传送的信号在纵联保护中所起作用的不同，将电力线载波信号分为闭锁信号、允许信号、和跳闸信号，下面来介绍这三种信号。
1、闭锁信号
闭锁信号就是阻止保护动作于跳闸的信号。
同时满足以下两个条件保护作用于跳闸：
a本端保护元件动作；
b无闭锁信号。
表示闭锁信号的逻辑方框图如图a
外部故障时，近故障端发出闭锁信号，另一端收到闭锁信
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