20、60kV输电线路电流电压保护设计文档格式.doc
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D
C
G2
G3
9
8
7
6
5
4
系统接线图
系统接线图如图：
课程设计的内容及技术参数参见下表
设计技术参数
工作量
L1=L2=60km,L3=40km,
LB-C=40km,LC-D=50km,
LD-E=30km,线路阻抗0.4/km,
,
最大负荷电流IB-C.Lmax=165A,
IC-D.Lmax=130A,
ID-E.Lmax=70A,
电动机自启动系数Kss=1.5，电流继电器返回系数Kre=0.85。
最大运行方式：
三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行；
最小运行方式：
G2、L2退出运行。
一、整定计算
1.确定保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗。
2.进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算。
3.整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并计算各自的最小保护范围。
4.整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度。
5.整定保护1、2、3的过电流保护定值，假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。
二、硬件电路设计
包括CPU最小系统、电流电压数据采集、开关设备状态检测、控制输出、报警显示等部分。
三、软件设计
说明设计思想，给出参数有效值计算及故障判据方法，绘制流程图或逻辑图。
四、实验验证
给出实验电路及实验结果，分析实验结果同理论计算结果的异同及原因。
续表
进度计划
第一天：
收集资料，确定设计方案。
第二天：
等值电抗和短路电流计算、电流I段整定计算及灵敏度校验。
第三天：
电流II段、III段整定计算及灵敏度校验。
第四天：
硬件电路设计（最小系统、数据采集、状态检测部分）。
第五天：
硬件电路设计（控制输出、报警显示部分）。
第六天：
软件设计（有效值计算、故障判据）。
第七天：
软件设计（绘制流程图或逻辑图）
第八天：
实验验证及分析。
第九天：
撰写说明书。
第十天：
课设总结，迎接答辩。
指导教师评语及成绩
平时：
论文质量：
答辩：
总成绩：
指导教师签字：
年月日
注：
成绩：
平时20%论文质量60%答辩20%以百分制计算
摘要
本文针对60KV输电线路电流电压进行继电保护设计，采用三段式电流保护的方法，确定出最大、最小运行方式下的等值电抗，并计算了相间短路的最大、最小短路电流。
从而对保护1、2、3做了电流速断的整定值计算，并计算了各自的最小保护范围。
对保护2、3做了限时电流速断的整定计算，并校验了灵敏度。
除此之外，还确定了保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。
运用单片机及其他控制电路对整个系统进行智能化控制，并绘制三段式电流保护原理接线图，分析了保护动作过程。
最后在实验室通过实验模拟对设计进行了实验的验证。
关键词：
电流电压保护；
最大最小运行；
整定校验；
微型机控制
目录
第1章绪论 1
1.1微机继电保护概况 1
1.2本文研究内容 2
第2章输电线路电流保护整定计算 3
2.1电流Ι段整定计算 3
2.1.1保护3在最大、最小运行方式下的等值阻抗 3
2.1.2C、D、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算 4
2.1.3保护1、2、3的电流速断整定值计算及最小保护范围 4
2.2电流II段整定计算 5
2.3电流III段整定计算 6
第3章微型机控制电路及电流保护原理 8
3.1微型机控制电路总体方案 8
3.2模拟量采集电路的设计 8
3.2.1交流电流变送器 9
3.2.2交流电压变送器 9
3.2.3输出控制电路 9
3.3电流三段式保护原理接线图 10
3.4三段式电流保护电路图 11
第4章软件设计 13
4.1主程序设计 13
4.2子程序设计 14
第5章实验验证及分析 15
第6章课程设计总结 16
参考文献 17
第1章绪论
1.1微机继电保护概况
计算机技术和电子技术的飞速发展，使电力系统的继电保护突破了传统的电磁型、晶体管型及集成电路型继电保护形式，出现了以微型机、微控制器为核心的继电保护形式。
我们把以微型机、微控制器为核心的电力系统继电保护称为系统微机继电保护。
微机继电保护是指将微型机、微控制机器等器件作为核心部件构成的继电保护。
国内在微机保护方面的研究工作起步较晚，但进步却很快，经过10多年的研究、应用、推广与实践，现将新投入使用的高中压等级继电保护设备几乎均为微机保护产品，继电保护领域的研究部门和制造厂家已经完全转向进行微机保护的研究与制造，出现了百花齐放、百家争鸣的竞争与发展共存的良好局面。
随后，在微机保护和网络通信等技术结合后，变电站自动化系统、配网自动化系统也已经在全国电力系统中得到了广泛的应用，将保护、测量、控制、录波、监视、通信、调节、报表和防误操作等多功能融为一体，进一步提高了电力系统的安全、稳定、可靠和经济运行，为电网高质量的电能传输和供电提供了更好的技术保障，也为变电站实现无人或少人值守创造了必要的条件。
微机继电保护装置维护调试方便，可靠性高，易于获得附加功能，灵活性大，保护性能得到了很好改善。
其硬件主要包括数据采集系统、微型机主系统以及开关量（或数字量）输入/输出系统。
微机继电保护是电力系统继电保护的发展方向，但其最终实现的目的是相同的。
继电保护的安全靠运行一直是受到电网各级管理部门的高度重视。
特别是当前，大容量机组的增加、电网容量的不断扩大，电网的安全稳定运行问题为重要。
其必须要具有选择性、快速性、灵敏性和可靠性。
我们由电力系统继电保护中可知，在线路相间短路的电流电压保护有三种：
无时限电流速断保护、带时限速断保护以及定时限速断保护。
这三种相间短路电流电压保护分别称为相间短路电流保护第I段、第II段和第III段。
其中由动作时间快但是不能保护线路全长的第I段和在任何情况下均能保护本线路的全长但为了保证在相邻的下一个线路出口处短路时保护的选择性，必须和相邻的无时限电流速断保护配合的第II段作为线路主保护，第III段作为本线路主保护的近后备保护和相邻线路或元件的远后备保护。
这第I、II、III段统称为线路相间短路的三段式电流电压保护。
1.2本文研究内容
本文主要研究了母线在短路时，保护1、2、3的第I段、第II段和第III段的最大、最小运行方式的整定值，并对整定值校验灵敏度，经过对电流保护的动作过程的分析，通过实验来验证研究结果是否正确。
第2章输电线路电流保护整定计算
60KV输电线路电流电压保护设计选用三段式电流保护作线路的保护方案，具体的方案实现，设计的有关计算如下：
2.1电流Ι段整定计算
2.1.1保护3在最大、最小运行方式下的等值阻抗
（1）保护3在最大运行方式下：
三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行，等效电路图如图2.1所示：
图2.1最大运行方式等值阻抗图
已知：
，，线路阻抗为0.4Ω/km。
根据设计参数计算得：
（2）最小运行方式：
在最大运行方式基础上，G2及L2退出运行
图2.2最小运行方式等值阻抗图
2.1.2C、D、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算
C母线最大短路电流：
C母线最小短路电流：
D母线最大短路电流：
D母线最小短路电流：
E母线最大短路电流：
E母线最小短路电流：
2.1.3保护1、2、3的电流速断整定值计算及最小保护范围
在微机继电保护中，无时限速断保护依靠的是电流值来保证选择性，电流速断保护的动作电流应躲过本线末端的最大短路电流，只有在内部短路时流过该保护的电流有可能大于其动作值，使保护动作。
那么考虑到最小运行方式下的三相短路电流可计算出保护1、2、3的第I段的动作电流为：
保护1：
保护2：
保护3：
通过计算保护1、2、3的最小保护范围来校验保护的灵敏度：
三段式电流电压保护中的无时限电流速断保护不能保护线路全长，所以应采用最不利情况下的保护的保护范围来校验保护的灵敏度，一般要求保护的最小的线路长度不小于线路长度的15%。
保护1灵敏度系数：
保护2灵敏度系数：
保护3灵敏度系数：
由此可见，I段保护1、2、3的灵敏度均不合格。
2.2电流II段整定计算
在继电保护中，无时限的速断保护或无时限电流电压联锁速断保护只能保护线路的一部分，而该线路剩下部分的短路故障必须依靠另外一种电流保护。
在任何情况下，带时限电流速断保护均能保护本线路的全长，为此，保护范围必须延伸至相邻的下一线路，以保证保护在各种误差的情况下仍能保护线路全长；
为了保证在相邻的下一线路出口出短路时保护的选择性，本线路的带时限电流速断保护在动作时间和动作电流两个方面均能必须和相邻线的无时限电流速断保护相配合。
现对电流II段进行整定计算，即保护2的II段应与保护1的I段配合：
动作电流：
灵敏度：
保护3的II段应与保护2的I段相配合：
保护3的II段应与保护2的II段相配合：
由此可见，II段保护灵敏度均小于1.3均不合格。
2.3电流III段整定计算
定时限过电流保护一般作为主保护的后备保护，保护动作时限是固定的，与短路电流大小无关。
为了满足保护选择性的要求，保护装置动作时间是从用户到电源逐级增加，越靠近电源，保护动作时间越长。
保护特性的形状像一个阶梯，故亦称为梯形时限特性。
我们假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3做远后备的灵敏度，现对Ⅲ段保护进行整定。
保护1的III段：
保护2的III段：
保护3的III段：
根据计算结果来校验灵敏度：
故保护1可作E点的近后备的保护。
故保护2可作E点的远后备的保护。
故保护3也可作E点远后备的灵敏度：
由计算可得，保护1、2、3的III段保护灵敏度均满足要求。
那么我们假定母线E处的过电流保护动作时限为0.5s，即：
，由此可求得各保护的动作时间。
保护1的III段动作时间：
保护2的III段动作时间：
保护3的III段动作时间：
第3章微型机控制电路及电流保护原理
3.1微型机控制电路总体方案
微机继电保护主要由三大部分组成。
第一部分的数据采集系统主要用来完成将模拟输入量准确地转换为微型机能够识别的数字量；
第二部分的微型机控制系统主要来完成各种继电保护的测量、逻辑和控制功能；
第三部分的开关量（或数字量）输入输出系统主要来完成各种保护的出口跳闸、信号、外部触点输入、人机对话及通信等功能。
在本设计中，我们为了实现60KV的输电线路的电流电压保护，必须高压的模拟量转换为低压微机可识别的数字量。
对于微机控制系统选择我在电子实验中最为常用的STC系列单片机STC12C5A60S2，用这个单片机作为本设计的主微型机CPU。
本设计需要要用模拟量采集电路将高压交流输电线路电流电压信号采集，送至低压直流回路的CPU分析处理，超过预设值便由CPU发出动作信号让电流三段保护动作。
从而使信号报警电路发出声光报警，跳闸回路跳开断路器实现跳闸断电。
那么根据本设计所要完成的任务要求，微型机控制电路设计框图如图3.1所示。
模拟量采集电路
微型机控制系统
信号报警电路
跳闸回路
图3.1微型机控制电路设计框图
3.2模拟量采集电路的设计
模拟量采集电路一般包括电压形成、低通滤波、采样保持、多路转换以及模数转换等功能电路模块。
如图3.2为A/D转换模拟量数据采集系统的结构框图。
变换器
电压形成回路
低通滤波
采样保持
多路转换开关
A/D
CPU
…
图3.2A/D转换模拟量数据采集系统的结构框图
3.2.1交流电流变送器
交流电流变送器的主要任务就是将交流电流（由电流互感器TA二次送来）变换成额定为5V的直流电压。
电流采集电路如图3.3所示。
图3.3电流采集电路
3.2.2交流电压变送器
交流电流变送器的主要任务就是将交流电压（由电压互感器TA二次送来）变换成额定为5V的直流电压。
电压采集电路如图3.4所示。
图3.4电压采集电路
采集到的数字信号直接送入单片机，STC12C5A60S2自带A/D转换器，将模拟量转换为数字量，从而实现对电流电压的采样。
3.2.3输出控制电路
本设计的输出控制部分作用主要是将CPU内部处理完的数据进行输出，经由D/A转换，V/I变换，信号放大，最终输出控制电流，从而控制断路器的跳闸线圈启动，进而使线路跳闸，切除故障，使保护线路上的电力系统设备不被损坏，维持电力系统运行的稳定状态，具体电路图3.5所示
图3.5输出控制部分电路
3.3电流三段式保护原理接线图
当保护线路上发生短路故障时，其主要特征为电流增加和电压降低。
电流保护主要包括:
无限时电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护。
电流速断、限时电流速断、过电流保护都是反映电流升高而动作的保护装置。
它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择启动电流。
速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时电流速断是按照躲开下一级相邻元件电流速断保护的动作电流整定，而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。
但由于电流速断不能保护线路全长，限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护，因此，为保证迅速而有选择地切除故障，常将电流速断、限时电流速断和过电流保护组合在一起，构成三段式电流保护。
具体应用时，可以只采用速断加过电流保护，或限时电流速断加过电流保护，也可以三者同时采用。
电流三段式保护原理接线图如图3.6所示。
电流速断部分由继电器KA1、KA2组成、限时电流速断部分由继电器KA3、KA4组成和过电流保护由继电器KA5、KA6组成。
由于三段的启动电流和动作时间整定得均不相同，因此，必须分别使用两个电流继电器和时间继电器，而信号继电器KS1、KS2、KS3分别用以发出I、II、III段动作的信号。
使用I段、II段或III段组成的阶段式电流保护，起最主要的优点就是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。
因此，在电网中特别是在35kV及以下的较低电压的网络中获得了广泛的应用。
倘若在I段保护范围内发生了两相短路，电流继电器KA1、KA2、KA3、KA4、KA5、KA6都会动作，从而使下一级电路回路导通，而KA1和KA2直接将中间继电器和信号继电器导通，并使断路器切除故障。
虽然KA3、KA4、KA5、KA6都动作并启动了延时继电器，但故障被切除后，故障电流就消失了，所以所有测量元件和延时未到的延时继电器均将恢复初始的正常状态，电流保护的II、III段便不会再输出跳闸信号。
图3.6电流三段式保护原理接线图
3.4三段式电流保护电路图
展开图中交流回路和直流回路分开表示，如图3.2、图3.3和图3.4所示。
其特点是每个继电器的输出量和输出量根据实际动作的回路情况分别画在途中不同的位置上，但仍然用同一个符号标注，以便查对。
在展开图中，继电器线圈和触点的连接尽量按故障后的动作顺序链接，自左而右，自上而下的排列。
交流回路的电流互感器的二次绕组构成不完全星形联结，二次绕组接电流继电器KA1~KA7的线圈。
交流回路展开图如图3.7所示。
图3.7电流三段式保护交流回路展开图
直流控制回路中，由直流操作电源+WC、-WC供电；
KA1、KA2、KS1构成第Ι段瞬时电流速断；
KA3、KA4、KT1、KS2构成第II段限时电流速断；
KA5、KA6、KT2、KS3构成第III段限时电流速断；
三段保护均作用于一个中间继电器KOM，任何一段保护动作均可启动KOM，使断路器跳闸，同时相应段的信号继电器动作。
直流回路展开图如图3.8所示。
图3.8电流三段式保护直流回路展开图
当直流回路中的相应信号继电器动作时，信号回路即被接通，值班人员便可知道是哪套保护动作，进而可以对故障的大概范围做出判断。
信号回路如图3.9所示。
图3.9电流三段式保护信号回路展开图
第4章软件设计
4.1主程序设计
在本设计中，软件的作用主要用来对输电线路的是否发生故障做一判断，并对故障类型进行识别，最后通过控制输出实现跳闸保护。
根据所要完成的任务，软件主程序流程图设计如图4.1所示。
CPU初始化
开始
A/D转换程序
是
否
是否有故障?
开故障类型判断中断
故障类型判断
D/A转换程序
中断返回
控制输出
结束
图4.1主程序流程图
4.2子程序设计
本设计中的子程序主要实现故障类型的判别，在微机继电保护中，最常用的就是突变量的电流算法。
这种算法可以实现在片内进行数据处理并输出控制脉冲，如果有短路故障发生，CPU就会执行程序进行故障的处理，这样就需要对故障类型进行判断，以便进行其他操作。
判断故障类型流程图如图4.2所示。
图4.2判断故障类型流程图
Y
N
最大
A相接地
AB相特征
最明显
BC相特征
CA相特征
比较三种相电流差，找出最大者
故障相判别程序入口
计算和比较三种相电流差的突变量
?
最小
第5章实验验证及分析
根据实验要求，按照实验任务书所给数据，在实验室对设计结果进行实验验证。
首先我们按照电流三段式保护的原理接线图3.6将电路连接好，电流三段式保护实物接线图如图5.1所示。
图5.1电流三段式保护实物接线图
接通电源，发电机部分给予100V电压模拟60KV电源发电，将保护范围调为80%保护，正常运行，A站保护，接通负荷。
这时我们模拟两相接地短路，将故障按钮按下。
由于过电流的因素，导致电流互感器带电，将电流继电器吸合，同时时间继电器开始计时，电流继电器吸合从而使Ι段无时限信号回路接通，并使A站断路器断开。
当短路电流值小于电流Ι段的启动值时，电流的Ι段速动未能启动，与其相配合的II段和III段便开始启动，在经过II段预设的延时时间5s后，电流II段电流继电器通电吸合，使信号回路5s后导通，A站断路器在5s后跳闸，电流II段成功按时动作。
虽然电流III三段已经启动，但还没来得及动作，电流II段已经将短路故障切除，从而使电流III段返回。
当在线路末端发生短路产生的短路电流较小时，没能到达保护I、II段预设跳闸电流值，所以都不会启动，而III段便会启动，经过预设的延时时间后，III段动作而跳闸，切除故障。
电流第III段保护不仅可以作为主保护的近后备保护，还可以作为相邻线路和断路器的远后备保护，同时还作为过负荷时的保护。
最后经过设置各参数进行了本设计实验的验证，实验中观察到，由于短路电流较小，电流三段式保护的I、II段灵敏度都未能满足动作要求，导致电流三段式保护的I、II段均未能动作，只有III段发生了动作，而这个结果恰恰与本设计计算部分的整定校验结果相符合，由此验证了本设计。
第6章课程设计总结
该设计主要研究了输电线路电流电压保护，其中最为关键的是要保证继电保护的配置结果应满足继电保护的基本要求，即保证继电保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性。
本次设计，首先对微机继电保护进行了简单的介绍，然后对电流电压做了概述和计算并校验灵敏度，之后给出了三段式电流保护的原理图并绘制了电流三段式保护原理接线图，最后通过实验对系统进行了验证。
最后得出现象与计算的结果相一致。
由设计过程可以看出，在运行方式变化很大的60KV多点系统中，最大运行方式下三相短路的短路电流与最小运行方式下的两相短路电流相差很大。
按躲过最大运行方式下末端最大短路电流整定的电流速断保护对的动作值很大，最小运行方式下灵敏度不能满足要求。
限时电流速断保护的定值必须与下一级线路电流速断保护的定值相匹配合，所以其定值也很大，灵敏度也均不能满足要求。
过电流整定按照躲过最大负荷电流整定，其动作值受运行方式的限制不大，作为近后备和远后备灵敏度都能满足要求，一般会采用受运行方式变化影响很小的距离保护。
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