35KV输电线路微机保护装置设计.doc

35kv输电线微机保护装置设计论文名称： 35kv输电线微机保护装置设计 年级专业： 电气f1205 学生姓名： 徐同乐 学 号： 201223910124 评阅教师： 张华 目 录摘要 . 11.1 继电保护的作用12.35kv线路三相一次重合闸13.35kv线路保护的主要原理23.1 三段式过电流保护原理23.2 输电线路方向性电流保护的工作原理53.3单相接地报警原理64 微机保护84.1 微机保护的软硬件组成84.1.1微机保护的特点84.1.2微机保护装置硬件结构94.1.3微机保护的软件组成94.2 微机保护的算法104.3 35kv系统微机保护配置11参考文献12总 结1335kv输电线路的继电保护课程设计摘 要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动力和效益。但是一旦发生故障如不能及时有效控制，就会破坏稳定运行，造成大面积停电，给社会带来灾难性的严重后果。随着电力系统的迅速发展，大量机组、超高压输变电的投入运行，对继电保护不断提出新的更高要求。继电保护是电力系统的重要组成部分，做好继电保护工作是保证电力系统安全运行的必不可少的重要手段。因此，加强线路继电保护非常重要。近四十年来，计算机技术发展很快，其应用广泛而深入地影响着科学技术、生产和生活等各个领域。有关计算机保护的研究及开发就是电力系统计算机在线应用的重要组成部分。 本次课程设计首先介绍了继电保护的作用，然后详细介绍了35kv线路主保护及后备保护的选择与整定，35kv线路三相一次重合闸，最后介绍35kv系统的微机保护。关键词：继电保护；主保护；微机保护；重合闸1继电保护的作用电力系统在生产过程中，有可能发生各类故障和各种不正常情况。其中故障一般可分为两类：横向不对称故障和纵向不对称故障。横向不对称故障包括两相短路、单相接地短路、两相接地短路三种，纵向对称故障包括单相断相和两相断相，又称非全相运行。电网在发生故障后会造成很严重的后果。 继电保护被称为是电力系统的卫士，它的基本任务有：（1）当电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证系统其余部分迅速恢复正常运行，防止故障进一步扩大。 （2）当发生不正常工作情况时，能自动、及时地选择信号上传给运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。2、35kv线路三相一次重合闸 针对该35kv输电线路的特点，由于其采用架空钢芯铝绞线，更易受到瞬时性故障的影响，因此必须采用线路三相一次重合闸装置。电力系统的运行经验表明，架空线路故障大都是“瞬时性”的，除此之外，也有“永久性故障”，例如由于线路倒杆，断线，绝缘子击穿或损坏等引起的故障，在线路被断开以后，它们仍然存在。这时，即使再合上电源，由于故障依然存在，线路还要被继电保护再次断开，因而就不能恢复正常的供电。由于送电线路上的故障具有以上的性质，因此，在线路被断开以后再进行一次合闸就有可能大大提高供电的可靠性。由运行人员手动进行合闸，固然也能够实现上述作用，但由于停电时间过长，用户电动机多数已经停转，因此，其效果就不显著。为此在电力系统中采用厂自动重合闸(缩写为zch)，即当断路器跳闸之后，能够自动地将断路器重新合闸的装置。在线路上装设重合闸以后，由于它并不能够判断是瞬时性故障还是永久性故障，因此，在重合以后可能成功(指恢复供电不再断开)，也可能不成功。对于重合闸的经济效益，应该用无重合闸时，因停电而造成的国民经济损失来衡量。由于重合闸装置本身的投资很低，工作可靠，因此，在电力系统中获得了广泛的应用。3.35kv线路保护的主要原理3.1 三段式过电流保护原理本保护装置是以三段式方向过电流保护；零序电流保护；小电流接地选线；三相一次重合闸（检无压或检同期可选）和后加速；低频减载；pt断线检测及pt断线闭锁方向或保护；说明了35kv微机线路保护的主要原理、硬件部分和软件部分的构成。输电线路发生短路时，相电流突然增大，线电压降低，当故障线路上的相电流大于某一个规定值，同时保护安装处母线电压小于某一个规定值时，保护将跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电，这就是过电流保护的工作原理。其中，规定值就是过电流保护的动作电流，它是能使电流保护动作的最小电流，通常用表示。过电流保护在35kv及以下的输电线路中被广泛应用。下面对三段式过电流保护分别予以介绍：（1）无时限的电流速断保护（电流段保护）我们以图2.2中单侧电源网络中输电线路ab上所装设的电流保护来分析电流保护的原理。在图2.2中，为了反映全线路的短路电流，设ab线路的电流保护装于线路始端母线处，在图上叫做电流保护1，显然电流保护1要可靠动作，它的动作值必须选择小于或等于保护范围内可能出现的最小短路电流。在图2.2中，假设ab线路上d1点发生三相短路，则线路上的短路电流为： （2-1）其中，是电源系统相电势，是电源系统阻抗，是故障点到保护安装处之问的阻抗，由式(2-1)可以看出，当系统电压一定的时候，短路电流的大小与系统阻抗和短路点的位置及短路类型有关，系统阻抗是由运行方式决定的，在最大运行方式下取图2.2 单侧电源网络中电流保护原理图最小值，在最小运行方式下取最大值，在实际中，一般来说系统在最大运行方式下三相短路电流最大，称此为保护的最大运行方式，系统在最小运行方式下两相短路电流最小，称此为保护的最小运行方式。这两种情况下的短路电流随故障点位置变化的曲线如图2.2中的曲线l和曲线2，曲线1为最大运行方式下的曲线，曲线2为最小运行方式下的曲线，当系统运行在其它任何方式下发生任何类型的短路时，曲线位于曲线l和曲线2之间。对安装在ab线路的保护1来说，快速切除ab线路的故障是它的首要任务，因此其动作值应该小于等于ab线路上可能出现的最小短路电流，最小短路电流为线路末端发生两相短路时的短路电流，。同时，当bc线路靠近b端发生短路时，由于短路电流大于，这时有可能使在ab线路的保护1误动作，因此，为了不使保护1误动作同时可以区分所保护线路的末端故障和下一条线路的始端故障并且考虑到信号处理系统所产生的误差，保护1的动作电流应满足： （2-2）其中，是可靠系数，通常1.3，是b母线处在最大运行方式下发生三相短路的电流。根据式(2-2)整定的电流可以保证保护的选择性，如果省略装置和断路器的动作时间，保护可以无延时动作，因此将此电流保护叫做无时限电流速断保护，也叫电流段保护，它的动作值选择原则为：按躲开本线路末端发生短路时的最大短路电流整定。但是，从图2.2中可以看出，系统在最小运行方式下保护的范围最小，而在最大运行方式下保护的范围最大，无时限电流速断保护的范围随着运行方式的变化而变化，在最小方式下保护范围可能为0，这是无时限电流速断保护的缺点。（2）限时电流速断保护(电流段保护) ”电流段保护并不能保护线路的全长，应该在a母线处再装设一套电流保护，这套电流保护用来保护ab线路的全长，这样，如果在下一段相邻线路bc靠近b端发生短路时，这套保护将会跳开1dl而失去选择性，因此，将这套保护启动以后经过一个延时再作用于出口跳闸，当bc始端发生短路时，装在b母线的电流速断保护2首先动作，而装在保护1处的带延时的电流保护不会误动，从而保证了选择性。这套电流保护被称为限时电流速断保护，也叫电流段保护，电流段保护的延时时间一般为0.5左右。在图2.3中看出，只要ab闻的段电流保护范围不超过bc间的段电流保护范围，就可以保证选择性，即： （2-3）其中是ab间段电流保护的整定值，是bc间段电流保护的整定值，可靠系数，一般大于1.1。在线路上安装了电流段和电流段保护以后，整段线路的故障可在0.30.5s之内得到解决，我们称电流段和段保护为线路的主保护。图2.3三段式电流保护原理图（3）定时限过电流保护(电流段保护) 一条线路保护中只安装了主保护，理论上来说可以解决线路的所有故障，但是当主保护由于各种原因而拒动时，就需要一个后备保护，用来解决当主保护拒动时切除线路故障，后备保护可以保护本线路全长，也可以保护相邻线路全长。后各保护也叫电流段保护，一般是定时限过电流保护，在图2.3中可以看出段电流的保护范围，它的动作值整定原则为：躲过正常运行时的最大负荷电流来整定，即： （2-4）其中，是电流段可靠系数，大于1.2，是自启动系数，大于等于1，为返回系数，小于1，为线路ab上可能流过的最大电流，是装在保护1处的电流段整定值。 电流段保护的延时时间比电流段保护的延时时间要长，而且，越靠近电网末端的段电流保护动作时间越短，在越靠近电源附近的段电流保护动作时间越长，所以电流段保护只能用做后备保护。3.2 输电线路方向性电流保护的工作原理前面分析的是单侧电网过电流保护，而在实际中，一般都是双侧电源或者环网，以双侧电源网络为例说明，为了切除线路上的故障，线路的两侧都应该装设保护装置和断路器。图2.4方向型电流保护工作原理图从图2.4可以看出，当两端都有电源时，如果d1点发生短路故障，按选择性要求应该是离故障点最近的保护1和保护2动作，使1dl和2dl跳闸切除故障，但是由于保护2和保护3流过同一电流有可能使保护3误动作，而这个误动作的保护是由于保护安装处反方向发生故障时，由对侧电源提供的短路电流而引起的，而且误动作的保护上流过的电流方向都是由被保护的线路流向保护安装处母线，正确动作的保护上电流方向是由保护安装处母线流向被保护的线路，两者电流方向正好相反，所以，应该在原来三段式电流保护的基础上加上一个判断电流方向的元件，当正方向电流时保护动作，而负方向电流时保护不动作，这就是方向电流保护的工作原理。采用接线方式后，当保护安装处附近发生两相相间短路时，有两相输入保护的电压中含有非故障相电压，而非故障相电压不变，故障相电压降低，所以输入保护装置的电压仍然很高，这样就消除了保护的死区，当保护安装处附近发生三相短路时，因为输入保护的电压都很低，但是在故障前瞬间这些值都很大，所以可以利用微机保护的记忆功能来使输入电压的幅值增大而保持故障电压的相位特征，从而可以消除死区。3.3单相接地报警原理 35kv电网是中性点不接地系统，当发生单相接地故障时，故障点的电流很小，而且三相线电压仍然保持对称，对负荷的供电基本没有影响，在一般情况下，允许再运行1-2小时，不必立即跳闸，但是这时其它两相的对地电压要升高倍，为防止故障进一步扩大成两点或多点接地短路而对负荷供电造成影响，应该及时的发出报警信号，以便运行人员采取措施给予清除。小电流系统的单相接地原理图如图2.5所示。在图2.5中可以看出，系统在正常运行情况下，三相对地有相同的电容，每一相都有一个对地电容电流，这三个电流之和为0，假设a相发生单相接地短路，a相对地电压为0，其它两相对地电压变为原来的倍，对地电容电流也变为原来的倍，我们用和来表示非故障相的对地电流，则可以得出： （2-5） 此时，从接地点流回的电流，为正常运行时三相对地电容电流的算术和。当系统中有多条线路存在时，每条线路上都有对地电容存在，当其中一条线路a相发生单相接地故障时，整个系统的a相对地电压都为0，所以a相的对地电容电流为0，在非故障线路上，b相和c相流有本身的电容电流，因此，在线路的始端反应的零序电流为 （2-6） 其有效值是，就是该线路本身的电容电流，该电容电流的方向为母线流向线路。总结以上分析的结果，我们可以得出以下结论：（1）发生单相接地故障时，整个系统都出现零序电压。（2）非故障线路上的零序电流数值上等于本身的对地电容电流，电容性无功功率实际方向是从母线流向线路。图2.5小电流系统单相接地原理图（3）故障线路上，零序电流为整个系统非故障线路对地电容电流之和，数值比较大，电容性无功功率方向是从线路流向母线。4微机保护4.1 微机保护的软硬件组成 4.1.1微机保护的特点微机保护充分利用了计算机技术上的两个显著优势：高速的运算能力和完备的存贮记忆能力，以及采用大规模集成电路和成熟的数据采集，a/d模数变换、数字滤波和抗干扰措施等技术，使其在速动性、可靠性方面均优于以往传统的常规保护，而显示了强大生命力，与传统的继电保护相比，微机保护有许多优点，其主要特点如下：（1）改善和提高继电保护的动作特征和性能，正确动作率高。 (2)可以方便地扩充其他辅助功能。如故障录波、波形分析等，可以方便地附加低频减载、自动重合闸、故障录波、故障测距等功能。(3)工艺结构条件优越。体现在硬件比较通用，制造容易统一标准；装置体积小，减少了盘位数量；功耗低。(4)可靠性容易提高。体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响，不易受元件更换的影响；且自检和巡检能力强，可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。（5）使用灵活方便，人机界面越来越友好。其维护调试也更方便，从而缩短维修时间；同时依据运行经验，在现场可通过软件方法改变特性、结构。（6）可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能，与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。 数据采集系统 cpu主系统 硬件 开关量输出 输入系统 外围设备等 微机保护的基本构成 初始化模块 数据采集管理模块 软件 故障检出模块 故障计算模块 自检模块等 4.1.2 微机保护装置硬件结构微机继电保护的主要部分是微机，因此，除微机本体外，还必须配自电力系统向计算机输入有关信息的输入接口和计算机向电力系统输出控制信息的输出接口。此外计算机还要输入有关计算和操作程序，输出记录的信息，以供运行人员进行分析事故，即计算机还必须有人机联系部分。微机保护装置硬件系统如图6.1所示，一般包括以下几部分。数据采集人机接口微机系统触摸按键继电器打印机显示器开关量输出开关量输入图6.1微机保护硬件示意框图（1）模拟量输入系统由于微机系统是一种数字电路设备，只能识别数字量，所以就需要将来自ta,tv的电流，电压这一类模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字信号。（2）微机系统微机系统是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器，只读存储器，随机存取存储器以及定时器，“看门狗”等。微机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发生跳闸信号。（3）开关量输入/输出系统 开关量输入/输出回路由若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。（4）人机对话接口回路该回路主要功能用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语音告警等。（5）电源微机保护的电源是一套微机保护装置的重要组成部分。通常采用逆变稳压电源，一般集成电路芯片的工作电压为5v,而数据采集系统的芯片通常需要双极性的15v或12v工作电压，继电器回路则需要24v电压。4.1.3 微机保护的软件组成微机保护系统的软件分为接口软件和保护软件两大部分。（1）接口软件接口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为监控程序和运行程序。调试方式下的执行监控程序，运行方式下执行运行程序。由接口面板上的工作方式或显示器上显示的菜单选择执行哪一部分程序。监控程序主要就是键盘命令处理程序，是为接口插件及各cpu保护插件进行调节和整定而设置的程序。（2）保护软件的配置各保护软件的cpu插件的保护软件配置为主程序和中断服务程序。主程序通常由三个基本模块：初始化和自检循环模块，保护逻辑判断模块和跳闸模块，故障处理模块。对于不同原理的保护，一般而言，前后两个模块基本相同，而保护逻辑判断模块就随不同的保护装置而相差甚远。软件保护一般都有三种工作状态：运行，调试和不对应状态。不同状态时程序流程也就不相同。有的保护没有不对应状态，只有运行状态和调试两种工作状态。4.2 微机保护的算法微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析、运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法；常用算法有：两点乘积算法，导数算法，半周积分算法，突变量电流算法，傅里叶级数算法等，r-l模型算法（解微分方程算法）等。因为微机保护的算法比较繁琐，考虑到自己所学知识的有限和本次设计的要求，在这里对微机保护的算法就只做大概的了解，不具体分析了，希望老师能够谅解。但微机保护的算法对以后工作来说还是很重要的，所以在以后的自学和工作中还是会重点学习和钻研的。按算法的目标可分为两大类：一类是根据输入电气量的若干点采样值通过数学式或方程式计算出保护所反应的量值，然后与给定值进行比较。另一类算法，他是直接模仿模拟型保护的实现方法，根据动作方程来判断是否在动作区内，而不计算具体的数值。，这里主要介绍一下正弦函数模型的算法：1半周积分算法半周积分算法的依据是 即正弦函数半周积分与其幅值成正比。式(8-6)的积分可以用梯形法则近似求出： 式中第k次采样值; n一周期t内的采样点数; k0时的采样值; kn/2时的采样值。 2、三采样值积算法 三采样值积算法是利用三个连续的等时间间隔ts的采样值中两两相乘，通过适当的组合消去t项以求出u、i的幅值和其它电气参数。设在tk+1 后再隔一个ts为时刻tk+2 ，此时的u、i采样值为 上式两采样值相乘，得 上式与式 相加，得 可得 三采样值积算法的数据窗是2ts。从精确角度看，如果输入信号波形是纯正弦的，这种算法没有误差，因为算法的基础是考虑了采样值在正弦信号中的实际值。4.3 35kv系统微机保护配置 针对该35kv系统的特点，微机保护应设以下功能模块：（1）进线和馈电线路的主、后备保护及自动重合闸装置。（2）变压器的主保护和后备保护。其他子功能模块：小电流接地系统的单相接地选相，低频减载，备用电源自动投入，故障录波。（3）馈电线路微机保护。对于35kv及以下的小接地电流系统中，线路上应装设反映相间故障和单相接地故障的保护装置，当发生相间故障和单相接地故障时，保护装置应动作，对于单侧电源供电系统，一般装设电流保护。线路ta二次侧的电流经数字采集系统传至cpu，cpu实时计算并进行三段电流判断。为了躲开避雷器的放电时间，装置的一段应设有独立整定的延时时间。、段电流保护的逻辑十分相似，各段判别逻辑一致，其动作条件如下：a.相电流iphn段电流定值in.setb.动作时间tn段电流定值tn.setc.相应于过电流相的低电压条件满足线路保护中还要带有以下功能：tv断线检测。当tv断线时，装置中的方向元件电压元件均可能误动作，装置在检测到tv断线后，可根据预先设定好的控制字选择退出带方向元件，电压元件的各