采用GPSL621C112微机保护装置的110kV线路二次回路设计毕业论文.docx
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采用GPSL621C112微机保护装置的110kV线路二次回路设计毕业论文
采用GPSL621C-112微机保护装置的110kV线路二次回路设计毕业论文
摘要......................................................Ⅰ
ABSTRACT................................................Ⅱ
1绪论1
1.1电力系统微机保护的概述1
1.2微机保护的特点2
1.3微机保护的国内外研究概述与发展趋势3
1.4本课题研究的背景和意义4
2110kV线路的一次设备及控制5
2.1主接线及其选择5
2.2断路器9
2.3刀闸14
2.4互感器17
3110kV线路保护的二次配置21
3.1110kv电网线路保护配置要求21
3.2本次设计所用保护装置的功能和特点23
3.3测控柜25
3.4端子箱26
4二次回路的设计28
4.1二次回路28
4.2交流电流电压回路接线设计30
4.3断路器的控制回路设计33
4.4信号回路设计34
4.5刀闸的防误回路设计35
5结语38
谢辞39
参考文献40
附录图纸41
1绪论
1.1电力系统微机保护的概述
电力系统的不断发展和安全稳定运行给国民经济和社会发展带来了巨大的动力和效益，继电保护是组成电力系统必不可少的子系统，它承担着断开故障和支持电力系统安全运行的任务,在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。
继电保护装置除了在故障的很短时间内动作外，长期是不动作的。
因而被喻为电力系统的无声警卫。
因此装置的某些缺陷可能不被觉察，从而成为故障，是不正确动作的隐患。
微机保护的自我监测和监视功能可以消除这一隐患。
众所周知，对电网继电保护的基本性能要求，包括了可靠性、选择性、快速性和灵敏性。
所谓可靠性，是要求所配置的继电保护装置只能在事先规定需要它动作的情况下动作，在其他一切不需要它动作的情况下不动作。
在术语上，前者称之为可信赖性，后者称之为安全性或稳定性；继电保护的选择性要求，是期望能在电力元件发生故障时，又在靠近故障元件的继电保护装置断开故障；动作的快速性，对电网继电保护系统来说，重要在于快速跳闸对提高电网暂态稳定的作用；动作灵敏性要求，是出于保护装置可靠动作的需要。
这些要求之间，有的相辅相成，有的相互制约，需要针对不同的使用条件，分别地进行协调。
继电保护的困难在于不仅要满足测量的精度，更重要的是在各种复杂的情况下都要能满足相互矛盾的四项要求，即“要正确动作，该动则动，不该动则不动。
”继电保护的正确动作取决于一系列的因素：
保护原理、装置的软硬件设计、产品质量、整定和调试、二次回路以及运行管理等。
1.2微机保护的特点
（l）维修调试方便：
相比较于过去大量使用的整流型继电保护装置，微机保护装置几乎可以不用调试，微机保护对硬件和软件都有自检功能，装置上电时，有故障就会立即报警，可以大大地减轻运行维护的工作量。
（2）可靠性高：
在各种保护方法中，考虑到了电力系统中的各种情况，具有很强的综合分析和判断能力。
微机系统运行时，可以不断进行自检，因此，可以立即检查出微机保护内部的大多数随机故障，而采取适当的纠正措施。
（3）易于获得各种附加功能：
由于计算机的通用性，因而在继电保护硬件的基础上，可以很方便地通过增加软件的方法获得保护之外的功能。
例如，保护的动作顺序记录，故障谐波分析，故障测距，低频减载等。
（4）保护性能易于改善：
对于相同的硬件，可以通过算法的不同，实现不同的保护。
这样，也就可以通过改善算法来不断完善保护性能，而不需要改动硬件。
通过软件算法的改善，可以较好地解决原有模拟继电保护装置无法解决的一些问题。
（5）便于远方监控：
目前的微机保护装置均设有通信接口，这样可以方便地将各地保护装置纳入变电站综合自动化系统，可以实现远方修改定值与投切保护装置。
（6）灵活性大：
目前，国内中低压变电站内不同一次设备的保护装置在硬件设计时，尽可能采用同样的设计方案。
而超高压电力系统保护装置若采用多CPU实现多种保护功能时，每块CPU模块的硬件设计也倾向于尽量相同。
由于保护的原理主要由软件决定，因此，只要改变软件就可以改变保护的特性和功能，从而可灵活地适应电力系统发展对保护要求的变化，也减少了现场的维护工作量。
（7）经济性好：
微处理器和集成电路芯片的性能不断提高而价格一直在下降，而电磁型继电器的价格在同一时期内却不断上升。
而且，微机保护装置是一个可编程序的装置，它可基于通用硬件实现多种保护功能，使硬件种类大大减少。
这样，在经济性方面也优于传统保护。
1.3微机保护的国内外研究概况与发展趋势
近四十年来，计算机技术发展日新月异，它的广泛应用给各行各业带来了翻天覆地的变化。
计算机技术也同样影响了继电保护技术的发展。
七十年代中、后期国外已有少数样机在电力系统中试运行，到八十年代初，各国都在这些方面继续做了很多努力，使计算机保护逐渐趋于实用。
我国对计算机保护的研究始于70年代后半期，开始是几个高等院校和水电部南京自动化研究所的一些继电保护工作者对国外计算机保护的发展作了广泛的介绍和综述分析。
70年代末至80年代初广泛地开展了各种算法以及样机的研制。
1984年，华北电力学院研制的第一套6809（CPU）为基础的距离保护样机投入试运行。
该年底在华中工学院召开了我国第一次计算机保护学术会议，标志着我国计算机保护的开发开始进入了重要的发展阶段。
90年代，南京电力自动化研究院将工频变化量方向继电器（1982年提出）在CKF、CKJ系列集成电路保护中的成功经验运用于计算机保护。
此后，各个厂家以80C196微控制器为控制核心相继研制了各自的线路保护，并在国内电力系统110kV～500kV线路中广泛运用，有代表的制造厂家有：
南瑞继保、南京电力自动化总厂、四方公司、许昌继电器厂等。
继电保护所应用元器件的发展，在一定程度上将推动继电保护技术的发展。
晶体管的出现推动了比相原理的发展，集成电路已具备了一定的计算功能，目前已广泛使用的微机保护，使继电保护步入了数字化的领域。
微机技术引入继电保护领域，扩展了继电保护装置的应用功能，基于微处理器的继电保护装置，具有一系列的特点：
可以集主保护、后备保护的完整功能于一身，大大简化了继电保护二次接线；远方通信功能，管理人员可以随时监测保护装置的运行状态、调用数据、改变定值，为现代化管理提供了必要的物质基础；自检功能，自动故障定位，及时发出警报，用备用插件置换故障部件，可以在实验室集中进行专业检修。
这一切都为提高保护装置的安全运行水平，显著地延长运行检测周期和减少运行检测项目提供了前提，同时也必将直接影响到专业人员的配置，从而大幅度的提高继电保护的管理水平和专业人员的劳动生产率。
目前，我国电力系统已大量采用的微机保护，大多采用80年代末期90年代初期推出的数字芯片，如Intel公司的80C196等。
新一代数字芯片的出现，特别是高速数字信号处理器DSP（DigitalSignalProcessor）以其高速、实时、低功耗和高集成度而得到大量的推广及应用，这必将引起继电保护新一轮的革命。
将高性能的微处理器应用于整个装置中，可以大大提高其运算速度，减少运算时间，这对电力系统继电保护来说也一个非常关键的问题。
1.4本课题研究背景和意义
1.4.1本课题研究的背景
在现代电网中，随着超高压、大容量、远距离输电线路的不断增多，对电力系统的安全稳定运行提出了更高、更严格的要求。
零序电流保护、距离保护作为线路保护的基本组成部分，其工作性能对电力系统的安全稳定运行有着直接和重要的影响。
保护性能改善的一个重要方面是在确保其动作的可靠性和选择性的条件下，加快保护的动作速度。
目前，提高保护速度面临的主要问题是距离保护采用故障后的稳态基频分量，在实际故障信号中包含有大量非基频噪声信号的情况下，保护动作速度越快，基频分量的滤波精度越差。
为了适应现代高压电网稳定运行的要求，设计者们除了在软件上尽力简化算法和提高算法的效率，对硬件的要求也越来越高。
目前电力系统继电保护设备中最常用的微处理器包括51系列和96系列等控制型器件。
但随着电力系统对实时性、数据量和计算要求的不断提高以及新的保护算法的不断出现，这些器件在许多方面，特别是在计算能力、存储容量方面，已不能很好地适应电力系统的要求。
本课题将对上述问题进行探讨，从硬件和软件两方面对电力系统微机保护设备进行深入分析，并设计一套完整的微机保护装置。
1.4.2本课题研究的意义
随着电力工业的发展，高压输电网络的结构、用电负荷性质和用户对供电的要求都发生了很大的变化，这也对继电保护工作提出了越来越高的要求。
对系统保护性能和功能需求的不断提高，也是促使担任微机保护装置的处理器位数不断提升的主要原因之一。
采用高性能高位数的DSP+CPU处理器芯片构成微机保护装置，已经成为电力系统保护产品的发展趋势。
2110kV变电所的一次设备及其控制
2.1主接线及其选择
电气主接线是由电气设备通过连接线，按其功能要求组成电路，负责接收和分配电能，成为传输强电流、高电压的网络。
用规定的电气设备图形符号和文字符号，并且按工作顺序排列，详细的表示电气设备和成套装置的全部组成和连接关系的单线接线图。
主接线代表了变电站电气部分的主体结构，是电力系统网络结构的重要组成部分，直接影响运行的可靠性、灵活性，并对电器选择、配电装置布置、继电保护、控制方式和自动装置的拟定都有决定性的关系。
对于6～220kV电压配电装置的接线，一般分两类：
一为母线类，包括单母线、单母线分段、双母线、双母线分段和增设旁路母线的接线；其二为无母线类，包括单元接线、桥形接线和多角形接线等。
应视电压等级和出线回数，酌情选用。
旁路母线的设置原则：
1）采用分段单母线或双母线的110kV配电装置，当断路器不允许停电检修时，一般需设置旁路母线。
因为110KV线路输送距离长、功率大，一旦停电影响范围大，且断路器检修时间较长（平均每年5～7天），故设置旁路母线为宜。
当有旁路母线时，应首先采用以分段断路器或母联断路器兼作旁路断路器的接线。
2）35kV配电装置可不设旁路母线，是因为重要用户多系双回路供电，有可能停电检修断路器。
其次，还因为断路器年平均检修时间短，通常为2～3天。
如线路断路器不允许停电检修时，可设置其它旁路设施。
3）10kV配电装置，可不设旁路母线。
对于出线回路数多或多数线路系向用户单独供电，以及不允许停电的单母线、分段单母线的配电装置，可设置旁路母线。
对于变电站的电气接线，当能满足运行要求时，其高压侧应尽量采用断路器少或不用断路器的接线。
当出线为2回时，一般采用桥形接线。
2.1.1对电气主接线的基本要求
变电站的电气主接线应根据该变电站所在电力系统中的地位、回路数、设备特点及负荷性质等条件确定，并应满足运行可靠、简单灵活、操作方便和节约投资等要求。
对电气主接线的基本要求，概括的说应包括可靠性、灵活性、和经济性。
安全可靠是电力生产的首要任务，保证供电可靠是电气主接线的最基本要求。
可靠性的工作是以保证对用户不间断的供电。
衡量可靠性的客观标准是运行实践。
主接线的可靠性是它的各组成元件，包括一、二次部分在运行中可靠性的综合。
因此，不仅要考虑一次设备对供电可靠性的影响，还要考虑继电保护二次设备的故障对供电可靠性的影响。
评价主接线可靠性的标志是：
1）断路器检修时是否影响停电；
2）线路、断路器、母线故障和检修时，停运线路的回数和停运时间的长短，以及能否对重要用户的供电；
3）变电站全部停电的可能性。
主接线的灵活性有以下几个方面的要求：
1）调度要求。
可以灵活的投入和切除变压器、线路，调配电源和负荷；能够满足系统在事故运行方式下、检修方式下以及特殊运行方式下的调度要求。
2）检修要求。
可以方便的停运断路器、母线及其继电保护设备进行安全检修，且不致影响对用户的供电。
3）扩建要求。
可以容易的从初期过渡到终期接线，使在扩建时，无论一次和二次设备改造量最少。
主接线经济性的要求
在满足技术要求的前提下，做到经济合理。
1）投资省：
主接线简单，以节约断路器、隔离开关等设备的投资；占地面积小：
电气主接线设计要为配电装置布置创造条件，以节约用地、架构、导线、绝缘子及安装费用。
2）电能损耗少：
经济选择主变压器型式、容量和台数，避免两次变压而增加电能损失。
2.1.2主接线的基本接线形式
主接线的基本形式，就是主要电气设备常用的几种连接方式，它以电源和出线为主体。
由于各个发电厂或变电站的出线回路数和电源数不同，而且每路馈线所传输的功率也不一样，因而为便于电能的汇集和分配，在进出线较多时（一般超过4回），采用母线作为中间环节，可使接线简单清晰，运行方便，有利于安装和扩建。
而与有母线的接线相比，无汇流母线的接线使用电气设备较少，配电装置占地面积较小，通常用于进出线回路少，不再扩建和发展的发电厂或变电站。
有汇流母线的接线形式可概括地分为单母线接线（及单母线分段接线）和双母线接线（及双母线分段接线）两大类。
（1）有母线接线
有汇流母线的接线形式的基本环节是电源、母线和出线（馈线）。
母线是中间环节，作用是汇集和分配电能，使接线简单清晰，运行、检修灵活方便，进出线可有任意数目，利于安装和扩建。
1）单母线接线（含单母线刀闸分段、单母线开关分段、单母线带旁路等）。
只有一组（可以有多段）工作母线的接线称单母线接线。
这种接线的每回进出线都只经过一台断路器固定接于母线的某一段上。
优点：
不分段单母线接线的优点是简单清晰，设备少，投资小，运行操作方便，有利于扩建和采用成套配电装置。
缺点：
不分段单母线接线的缺点是可靠性、灵活性差。
2）双母线接线（含双母线刀闸分段、双母线开关分段、双母线带旁路等）
有两组工作母线的接线称为双母线接线。
每个回路都经过一台断路器和两台母线隔离开关分别与两组母线连接，其中一台隔离开关断开；两母线之间通过母线联络断路器连接。
有两组母线后，使运行的可靠性和灵活性大为提高。
3）3/2台断路器接线
每2条回路共用3台断路器，每串的中间一台断路器为联络断路器。
正常运行时，两组母线和全部断路器都投入工作，形成多环状供电，具有很高的可靠性和灵活性。
4）4/3台断路器接线
5）变压器母线组接线
这种接线应用于超高压系统中，适用于有长距离大容量输电线路、要求线路有高度可靠性的配电装置。
（2）无汇流母线接线
无汇流母线的主接线没有母线这一中间环节，使用的开关电器少，配电装置占地面积少，投资较少，没有母线故障和检修问题，但其中部分接线形式只适用于进出线少并且没有扩建和发展可能的发电厂和变电所。
1）单元接线
发电机和主变压器直接连成一个单元，再经断路器接至高压系统，发电机出口处除厂用分支外不再装设母线。
2）桥形接线
当只有两台主变压器和两回输电线路时，采用桥形接线，所用断路器数量最少。
3）角形接线
它是将断路器布置闭合成环，并在相邻两台断路器之间引接一条回路的接线。
其角数等于进、出线回路总数，等于断路器台数。
2.1.3本次设计所用的主接线
本次110kV线路保护二次线设计中的电气主接线采用一般双母线接线。
一般双母线接线方式如图2.1所示，特点如下：
（1）一般在正常运行时，线路均分在两组母线上，以固定的连接方式运行。
其供电可靠性表现在检修任一母线时，可以利用母线把该母线上的全部回路倒换到另一组母线上，不会中断供电。
（2）检修任一回路的母线开关时，只需停该回路与隔离开关相连的母线。
任一母线发生故障时，可将所有连接于该母线的线路倒换到正常母线上使装置迅速恢复工作。
且一般的双母接线运行方式灵活，可采用两组母线并列运行方式，两组母线分裂运行方式，一组母线工作，另一组母线备用的运行方式。
多采用地一种方式，因母线故障时可缩小停电范围，且两组母线的负荷可以调配。
（3）该电气主接线方式投资较小。
满足电气主接线方式“可靠，灵活，经济”的要求，适用于本次设计。
图2.1一般双母线接线方式
一次系统主要一次设备有断路器、2把母线侧刀闸、1把出线侧刀闸、3把接地刀闸、4组电流互感器、线路电压互感器，如图2.2所示。
图2.2一次系统示意图
2.2断路器
2.2.1断路器的分类
断路器按其使用范围分为高压断路器和低压断路器，高低压界线划分比较模糊，一般将3kV以上的称为高压电器。
低压断路器又称自动开关，俗称“空气开关”也是指低压断路器。
高压断路器（或称高压开关）是发电厂、变电所主要的电力控制设备,具有灭弧特性,当系统正常运行时,它能切断和接通线路以及各种电气设备的空载和负载电流;当系统发生故障时,它和继电保护配合,能迅速切断故障电流,以防止扩大事故范围。
因此,高压断路器工作的好坏,直接影响到电力系统的安全运行；高压断路器种类很多，按其灭弧的不同，可分为：
油断路器（多油断路器、少油断路器）、六氟化硫断路器（SF6断路器）、真空断路器、压缩空气断路器等；
低压断路器是一种既有手动开关作用，又能自动进行失压、欠压、过载、和短路保护的电器。
它可用来分配电能，不频繁地启动异步电动机，对电源线路及电动机等实行保护，当它们发生严重的过载或者短路及欠压等故障时能自动切断电路，其功能相当于熔断器式开关与过欠热继电器等的组合。
而且在分断故障电流后一般不需要变更零部件，已获得了广泛的应用。
2.2.2断路器的作用
1.正常情况下接通和断开高压电路中的空载及负荷电流。
2.在系统发生故障时能与保护装置和自动装置相配合，迅速切断故障电流，防止事故扩大，从而保证系统安全运行。
其实断路器就是一种开关，它和普通开关的不同点主要在：
1.适用电压等级高2.灭弧截止及方式，有真空，少油，多油及六氟化硫等等3.灭弧能力强，效果好。
2.2.3断路器的控制方式和操作机构
2.2.3.1断路器的控制方式
一、断路器控制方式
断路器是电力系统中最重要的开关设备，在正常运行时断路器可以接通和切断电气设备的负荷电流，在系统发生故障时则能可靠地切断短路电流。
断路器一般由动触头、静触头、灭弧装置、操动机构及绝缘支架等构成。
为实现断路器的自动控制，在操动机构中还有与断路器的传动轴联动的辅助触头。
断路器的控制方式有多种，分述如下。
1．按控制地点分
（1）集中控制。
在主控制室的控制台上，用控制开关或按钮通过控制电缆去接通或断开断路器的跳、合闸线圈，对断路器进行控制。
一般对发电机、主变压器、母线、断路器、厂用变压器35kV以上线路等主要设备都采用集中控制。
（2）就地（分散）控制。
在断路器安装地点（配电现场）就地对断路器进行跳、合闸操作（可电动或手动）。
一般对10kV线路以及厂用电动机等采用就地控制，可大大减少主控制室的占地面积和控制电缆数。
2．按控制电源电压分
断路器的控制方式接控制电源电压分为强电控制和弱电控制两种。
（1）强电控制。
从断路器的控制开关到其操作机构的工作电压均为直流110V或220V。
（2）弱电控制。
控制开关的工作电压是弱电（直流48V），而断路器的操动机构的电压是220V。
目前在500kV变电所二次设备分散布置时，在主控室常采用弱电一对一控制。
3．按控制电源的性质分
断路器的控制方式按控制电源的性质可分为直流操作和交流操作（包括整流操作）两种。
直流操作一般采用蓄电池组供电；交流操作一般是由电流互感器、电压互感器或所用变压器提供电源。
2.2.3.2断路器的操作机构
1.断路器操作机构的作用
用来完成断路器分合闸操作，并能够使断路器保持在合闸位置。
2.断路器操作机构分类分为液压操作机构，弹簧操作机构和电磁操作机构。
液压操作机构利用油泵压缩10#航空液压油，利用油压传递将氮气压缩，储存能量，一旦跳合闸线圈动作，能量释放，完成开关分合闸。
弹簧操作机构是利用已储能的弹簧为动力完成开关分合闸，合闸过程释放合闸弹簧能量，同时使分闸弹簧储能能量，合闸后分闸弹簧开始储能。
自动重合闸：
断路器分闸后，由于合闸弹簧储能工作早已完成，若接到合闸命令，操作机构可再次使断路器合闸。
电磁操作机构是靠电磁力合闸的操作机构。
优点：
机构简单，工作可靠，制造成本低。
缺点：
合闸线圈消耗的功率太大，机构结构笨重，合闸时间较长。
合闸电流约为100A左右，合闸保险按1/3-1/4选取。
合闸过程使合闸弹簧储能。
2.2.4断路器控制回路的基本要求
断路器的控制回路必须完整、可靠，因此应满足下面一些要求：
（1）断路器的合、跳闸回路是按短时通电设计的，操作完成后，应迅速切断合、跳闸回路，解除命令脉冲，以免烧坏合、跳闸线圈。
为此，在合、跳闸回路中，接入断路器的辅助触点，既可将回路切断，又可为下一步操作做好准备。
（2）断路器既能在远方由控制开关进行手动合闸和跳闸，又能在自动装置和继电保护作用下自动合闸和跳闸。
（3）控制回路应具有反映断路器状态的位置信号和自动合、跳闸的不同显示信号。
（4）无论断路器是否带有机械闭锁，都应具有防止多次合、跳闸的电气防跳措施。
（5）对控制回路及其电源是否完好，应能进行监视。
（6）对于采用气压、液压和弹簧操作的断路器，应有压力是否正常，弹簧是否拉紧到位的监视回路和闭锁回路。
（7）接线应简单可靠、使用电缆芯数应尽量少。
2.2.5断路器控制的基本回路
2.2.5.1合闸回路
图2.2合闸回路示意图
（1）就地操作合闸
转换开关S3调整至就地控制档位；X1-602---S4合闸按---S3---K11---S11---合闸线圈Y4---S2---K14---S3---S4合闸按钮---X1-607构成合闸通路。
（2）远方操作合闸
转换开关S3调整至远方操作控制档位；X1-610合闸命令---S3---K11---S11---合闸线圈Y4---S2---K14---S3---X1-625构成分闸通路。
2.2.5.2分闸回路
图2.3分闸回路示意图
（1）就地操作分闸
转换开关S3调整至就地操作控制档位；X1-602---S5分闸按钮---S3---S11---分闸线圈Y1---K14---X1-645构成分闸通路。
（2）远方操作分闸
转换开关S3调整至远方操作控制档位；X1-630发出分闸命令---S3---S11---分闸线圈Y1---K14---X1-645构成分闸通路。
2.2.5.3自检闭锁、报警回路
对SF6压力、液压压力、合闸弹簧储能状态进行检测，以接点形式输出，有的接点直接串在合闸、分闸回路中构成闭锁条件，有的接点则以空接点形式送至监控系统发出信息或送至保护柜操作箱闭锁重合闸（如压力降低闭锁重合闸）。
GL312型断路器包含的此类回路有：
SF6泄露闭锁、合闸压力闭锁、自动重合闸闭锁等。
2.2.5.4操作电源回路
操作电源回路包括储能电机、照明、加热除湿以及插座供电回路，一般电源使用电缆从断路器端子箱引入，操作电源回路设有保护开关（一般为空气断路器）。
因故障导致操作电源回路空气断路器跳闸后也可发出报警信号。
采用的操动机构弹簧储能机构电动机为交流电动机，其三相交流电由两边相邻开关端子箱合闸回路通过电缆连接起来，构成环形供电网络，A,B,C三相电源通过组合开关1QA,2QA，3QA及熔断器3FU,4FU,5FU经开关端子排转接后由电缆送至操动机构，再经DT常开接点（该接点在弹簧未储能前为闭合）闭锁后送至电动机，切断电动机电源，使电动机停止工作。
2.2.5.5开关信息量输出回路
除了断路器异常工况需要由空接点输出报警信息，断路器的正常工况（如断路器合闸、分闸位置，远方/就地控制）也需要送至监控系统，另外隔离刀闸闭锁逻辑构成也需要
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