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

发电机系统的

微机继电保护设计

指导老师李世芳

摘要

随着电子技术和计算机技术的发展，电力系统的继电保护也突破了传统的继电器保护形式，出现了以微处理器为核心的电力系统继电保护形式。

本文着重介绍了发电机系统内的微机继电保护方式：

发电机定子绕组短路故障保护——比率制动式纵差保护、发电机负序电流保护、发电机定子绕组单相接地保护（利用零序电压）这三种。

【关键字】发电机纵差保护负序电流微机继电保护

一、绪论

1、微机继电保护的发展史

微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。

我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。

经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。

我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。

从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。

1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路。

在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机－变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。

南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。

天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。

至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。

因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。

随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中。

2、微机保护的优越性

微机保护装置在我国投入运行已有10多年的历史,并且越来越受到继电保护人员和运行人员的普遍欢迎。

具有比常规的继电器型或晶体管型保护装置不可比拟的优越性,突出表现在以下几方面:

（l）灵活性强。

由于微机保护装置是由软件和硬件结合来实现保护功能的,因此在很大程度上,不同原理的继电保护的硬件可以是一样的,换以不同的程序即可改变继电器功能。

（2）综合判断能力强。

利用微计算机的逻辑判断能力,很容易解决常规继电保护中碰到要考虑的因素太多时,用模拟电路很难实现的问题,因而可以使继电保护的动作规律更合理。

（3）性能稳定,可靠性高。

微机保护的功能主要取决于算法和判据,也即由软件决定,对于同类型的保护装置,只要程序相同,其保护性能必然一致,所以性能稳定。

（4）微机保护利用微机的记忆功能,可明显改善保护性能,提高保护的灵敏性。

例如,由微机软件实现的功率方向元件,可消除电压死区,同时有利于新原理保护的实现。

（5）微机保护利用微机的智能,可实现故障自诊断、自闭锁和自恢复。

（6）体积小、功能全。

由软件可实现多种保护功能,可大大简化装置的硬件结构,可以在事故后,打印出各种有用数据。

例如故障前后电压、电流采样值、故障点距离、保护的动作过程和出口时间等。

（7）运行维护工作量小,现场调试方便。

3、继电保护的未来发展

继电保护技术未来趋向是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

3.1　计算机化

　　随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。

目前已和研制成一种功能齐全的32位大模块，一个模块就是一个小型计算机。

采用32位微机芯片并非只着眼于精度，更重要的是32位微机芯片具有很高的集成度，很高的工作频率和计算速度，很大的寻址空间，丰富的指令系统和较多的输入输出口。

CPU的寄存器、数据总线、地址总线都是32位的，具有存储器管理功能、存储器保护功能和任务转换功能，并将高速缓存（Cache）和浮点数部件都集成在CPU内。

电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，和其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。

　　继电保护装置的微机化、计算机化是不可逆转的发展趋向。

3.2　网络化

　　因继电保护的功能不只限于切除故障元件和限制事故影响范围（这是首要任务），还要保证全系统的平安稳定运行。

这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元和重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的平安稳定运行。

显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。

这在当前的技术条件下是完全可能的。

　　微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机保护发展的必然趋向。

3.3　保护、控制、测量、数据通信一体化

　　在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。

它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。

因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。

　　目前，为了测量、保护和控制的需要，室外变电站的所有设备，如变压器、线路等的二次电压、电流都必须用控制电缆引到主控室。

所敷设的大量控制电缆不但要大量投资，而且使二次回路非常复杂。

假如用光纤作为网络的传输介质，还可免除电磁干扰。

3.4　智能化

　　近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的探究也已开始。

神经网络是一种非线性映射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性新问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。

例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性新问题，距离保护很难正确作出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；假如用神经网络方法，经过大量故障样本的练习，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。

其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂新问题的能力。

将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。

二、保护原理介绍

1、数字式保护装置硬件原理

数字式保护装置硬件系统原理框图

微机继电保护装置的硬件包括以下五个部分：

–数据采集系统（或称模拟量输入系统）：

包括电压形成、采样保持、多路开关及模数转换。

–CPU（或微处理器）主系统：

包括微处理器、程序存储器（ROM）、数据存储器（RAM）、定时器、并串接口等。

–开关量输入输出系统：

并行接口、光电耦合器及中间继电器等组成。

完成各种保护的出口跳闸、信号警报、外部接点输入等功能。

–人机接口与通信系统：

由液晶显示器、键盘、打印机及通信芯片等组成。

完成装置调试、系统状态显示、定值整定及实现与其他设备通信等功能。

–电源系统：

提供整个装置所需要的直流稳压电源。

1.1继电保护原理：

微机继电保护的输入信号是电力系统的模拟量，而计算机只能对数字量进行计算和判断，因此由电力系统经电压互感器和/或电流互感器输入的模拟量必先经过预处理继电保护在大部分情况下取用输入信号中的基波模拟量。

根据采样定理，如被测信号频率（或要求保留的最高次谐波频率）为,则采样频率必须大于2,否则由采样值不可能拟合还原成原来的曲线。

对于那些大于0.5频率的谐波分量,必须在进入采样器之前，利用模拟式低通滤波器（前置模拟滤波）将其滤掉。

由于输入信号常常有多个，故设置多路转换器将输入模拟信号逐个交与A/D变换器转化成数字量这些数字量应在存储器中按先后顺序排列，以便后续功能处理程序取用。

1.2、滤波

为了保证计算机计算和判断的正确，实现以某种频率的正弦电量为基础的继电保护原理,必须将经A/D变换后的数字量再经一次滤波。

由于数字滤波器精度高、可靠而且调整灵活，通过时分复用可使装置简化，因此微机保护中普遍采用数字滤波器。

数字滤波器本身可理解为一个计算程序或算法，它将代表输入信号的数字时间序列转换为代表输出信号的数字时间序列，使信号按照预定的形式变化。

微机继电保护中应根据电力系统信号的特点和保护原理的要求设计、选择相应的数字滤波器。

数学滤波器的主要性能指标是频域特性、时延和计算量。

1.3、系统采集

1.3.1、电量变换

微机保护中通常要求输入信号为±5V或±10V的电压信号，这是由所采用的模数转换器所决定的。

而从被保护的电力线路或电气设备的电流互感器、电压互感器或其它变换器上取得的二次数值对微机电路是不适用的，所以需要进行电量变换。

电量变换一般采用中间变换器来实现。

1.3.2、采样定理和模拟低通滤波

由于输入信号是模拟量，因此信号在进入微型计算机之前首先进行采样并保持。

采样就是把一个是时间连续函数信号变换为对时间。

2、保护方式

发电机的故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。

发电的不正常运行状态主要有：

由于外部短路引起的定子绕组过电流；由于负荷超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷；由外部不对称短路或不对称负荷（如单相负荷，非全相运行等）而引起的发电机负序过电流；由于突然甩负荷而引起的定子绕组过电压；由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷；由于汽轮机主汽门突然关闭而引起的发电机逆功率等。

针对以上故障类型及不正常运行状态，发电机应装设以下继电保护装置：

（1）对1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差动保护。

（2）对直接连于母线的发电机定子绕组单相接地故障，当单相接地故障电流（不考虑消弧线圈的补偿作用）大于规定的允许值时，应装设有选择性的接地保护装置。

（3）对于发电机定子绕组的匝间短路，当定子绕组星形接线、每相有并联分支且中性点侧有分支引出端时，应装设横差保护。

（4）对于发电机外部短路引起的过电流，可采用下列保护方式

（1）负序过电流及单元件低电压过电流保护，一般用于50MW以上的发电机

（2）复合电压启动的过电流保护，包括负序电压及线电压，一般用于1MW以上的发电机（3）过电流保护，用于1MW及以下的小型发电机（4）带电流记忆的低压过流保护，用于自并励发电机。

（5）对于由不对称负荷或外部不对称短路而引起的负序过电流，一般在50MW及以上的发电机上装设负序过电流保护

（6）对于由对称负荷引起的发电机定子绕组过电流，应装设接于一相电流的过

负荷保护。

（7）对于水轮发电机定子绕组过电压，应装设带延时的过电压保护。

（8）对于发电机励磁回路的一点接地故障，对1MW及以下的小型发电机可装设定期检测装置；对1MW以上的发电机应装设专用的励磁回路一点接地保护。

（9）对于发电机励磁消失故障，在发电机不允许失磁运行时，应在自动灭磁开关断开时连锁断开发电机的断路器；对采用半导体励磁以及100MW及以上采用电机励磁的发电机，应增设直接反应发电机失磁时电气参数变化的专用失磁保护。

（10）对于转子回路的过负荷，在100MW及以上，并且采用半导体励磁系统的发电机上，应装设转子过负荷保护。

3、发电机定子绕组短路故障保护——纵差动保护

（1）发电机定子绕组短路故障的形成主要有五种情况：

——单相接地电弧引发相间短路

——相间绝缘击穿短路

——单相接地对地电压升高，引发另一点接地

——发电机端部相间短路

——同一相匝间短路

（2）纵差动保护主要反应发电机定子绕组及其引出线的相间短路故障，动作于瞬时跳发电机出口开关、灭磁及停机。

其原理是在发电机两侧（中性点侧与出口开关侧）装有两组变比相同的电流互感器，按环流法连接将该相的差流回路接入电流继电器，在正常或保护范围外发生短路故障时，中性点与出口侧的电流数值和相位都相同，差流回路没有电流或极小，继电器不会动作；而当保护范围内发生故障时，将产生一个回路差流，当其超过电流继电器整定值时即启动发电机纵差保护动作。

（3）比率制动式纵差动保护

外部短路不误动——躲最大不平衡电流；

内部短路灵敏度高——定值要低；

动作值（电流）随外部短路电流增大而自动增大称为比率制动特性。

图中，规定一次电流已流入发电机为正方向。

当正常运行及发生保护区外故障时，流入差动继电器的差动电流为0，继电器将不动作。

当发生发电机内部故障时，流入差动继电器的差动电流将会出现较大的数值，当差动电流超过整定值时，继电器判为发生了发电机内部故障而作用于跳闸。

左图为发电机纵差保护原理图

动作量：

Id=|I’1+I’2|

制动量：

Ires=|（I’1—I’2）/2|

动作条件：

Id≧Id.min（Ires≦Ires.min）

Id≧Id.min+K*（Ires-Ires.min）

（Ires〉Ires.min）

Id——差动电流或动作电流

Ires——制动电流Ires.min——拐点电流

Id.min——启动电流K为制动特性斜率K=tgα

比率制动特性曲线

Id.min躲最大负荷下不平衡电流（0.10.2）I2n。

Ires.min一般≦I2n,外部短路时呈比率制动特性。

制动线斜率K=tgα；经验整定。

外部短路时有制动。

（4）标积制动式纵差动保护

动作量制动量

动作方程

（5）标积制动式与比率制动式区别

——区外短路时，φ＝180°，cosφ=－1，动作量为零，而制动量达最大值KresI2，保护可靠不动作。

——区内短路时，φ≈0，cosφ≈1，制动量为负，负值的制动量即为动作量，即此时动作量为（I1+I2）2＋KresI1I2，制动量为零，大大地提高了保护动作的灵敏度。

——当发电机单机送电或空载运行时发生区内故障，因机端无电流，制动量为零，动作量为I22，保护仍能灵敏动作。

而比率制动式差动保护在这种情况下会有较大的制动量，降低了保护的灵敏度。

（6）发电机纵差动保护动作逻辑

1）单相纵差动保护的动作逻辑

相差动动作：

TA断线闭锁

2）循环闭锁方式动作逻辑

相间短路必有多个差动动作，

单个为TA断线防机内一点机

外一点故障误认TA断线，用

负序电压判。

（断线无U2）

4、发电机定子绕组单相接地保护

（1）．发电机定子绕组单相接地时的基波零序电压和电流

发电机定子绕组单向接地时的电路图和向量图

定子绕组单相接地时电容电流：

当中性点不接地时，故障点的接地电流为：

当中性点经消弧线圈接地时，故障点的接地电流为：

总电容为定值，一般采用欠补偿运行方式。

（2）利用零序电压构成定子绕组单相接地保护

定子绕组单相接地故障时出现3U0（对地）随接地故障点的位置不同而变化，取动作电压为10V时,保护区为90%。

为提高灵敏度应滤掉三次谐波；动作延时应大于系统中接地的后备保护动作延时。

3Uo取自发电机出口TV或中性点接地配变二次侧。

动作区机端向中性点85-90%。

影响因素：

——TV一次侧断线的闭锁措施。

——发电机的三次谐波电势，需有三次谐波滤除功能。

——机端三相TV各相间的变比误差；

——发电机电压系统中三相对地绝缘不一致；

——主变压器高压侧发生接地故障时由变压器传递到发电机的系统零序电压。

发电机定子单相接地极有可能发展成为匝间短路、相间短路和两点接地短路。

大型发电机中性点高阻抗（配电变压器,二次侧接小电阻）可限制暂态过电压）接地。

定子绕组单相接地故障，要求保护有100%的保护范围。

动作于短延时信号、长延时跳闸全停。

（3）发电机定子接地100%的保护。

1）利用发电机固有三次谐波电势在发电机端或中性点侧单相接地时三次谐波电压的比值变化实现保护。

2）附加直流或低频（25HZ）电源，从机端电压互感器注入电流，定子单相接地时反映电流增大而动作；

3）发电机中性点加装固定工频偏移电压，10%～15%发电机相电压，中性点引出线加装零序电流互感器。

当发电机定子单相接地时，由偏移电压加大接地电流而动作；

（4）发电机的负序过电流保护

1）负序过电流保护的作用

当电力系统中发生不对称短路或在正常运行情况下三相负荷不平衡是，在发电机定子绕组中竟将出现负序电流，负序过电流引起转子过热（产生100Hz振动）（主保护）；邻元件不对称短路的后备保护（灵敏度高）。

2）两段式负序过流过负荷保护躲过长期允许负序电流，延时t2（5－10s）发信号。

躲短时允许负序电流，延时t1（3－5s）跳闸。

不能和发热允许负序电流曲线很好配合,不能反应负序电流变化时转子的热积累过程。

3）反时限负序过流保护

发热量与负序电流平方和持续时间的乘积成正比为反时限特性,定时限保护不能正确反应热积累过程,因此采用负序反时限过流保护作为转子过热的主保护.

上限定时限：

I2>I2up（2.0）tup=1.0s时限与高压侧出线快速保护配合;

下限定时限：

I2>I2m负序反时限过流保护启动值。

长延时t1跳闸解列。

反时限：

I2m

负序过负荷发信号:

I2>I2ms延时ts发信号

两段定时限负序电流保护动作特性

结束语

随着计算机技术的发展，微机运用于继电保护已成为一种必然趋势。

由于计算机的优越存储能力，可以方便地得到保护需要的故障分量并准确地予以保持，这是模拟式保护装置难以达到的，因此微机保护装置以其独特的优势迅速淘汰了电磁继电器、集成电路和晶体管保护装置。

新的微机保护装置和先进的保护算法在不断的推成出新，对原有的微机保护装置不断的进行着改进和完善。

而且由于计算机的强大运算能力，可以实现一些以往模拟式保护装置无法实现的复杂保护动作特性、自适应性的定值或特性改变以及良好的自检功能。

但同常规继电保护相比，微机继电保护的抗电磁干扰能力较弱，因此，它的广泛应用受到一定的限制。

应用微机继电保护时，应特别注意解决好电磁兼容性问题。

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