单片机在高压线路保护中的应用

1、广西大学毕业设计论文 单片机在高压线路保护中的应用第一章 绪论第一节 研究课题背景及其意义线路保护在电力系统中发挥着十分重要的作用。在生产和生活中，线路是一个比较容易出现故障的地方，线路一旦发生故障，往往造成停电以及连接在线路中的电力设备的损坏，造成很大的损失。例如1998年12月8日，美国太平洋天然气公司和电力公司在所属的圣马特奥变电所安装新变压器工作中，施工人员挂了一组临时接地线，工作结束时忘记拆除，运行人员合闸送电时造成短路故障。由于送电前该变电所相关保护未投入，致使向旧金山市和北半岛输电的5条115kV线路跳闸，引起系统潮流和电压波动，旧金山市两座发电厂解裂停机，造成大面积停电事故。还

2、有对于2008年初我国的南方雪灾，我们依然记忆犹新。根据中国南方电网公司副总经理肖鹏介绍，灾害造成南方电网和国家电网公司36740条10千伏及以上电力线路停运，各电压登记线路杆塔倒塌及损坏97万多处，导致3348万户、1亿多人口停电。在此次灾害中，中国南方电网公司的直接损失为134.3亿元，国家电网公司的直接损失为104亿元。在发电系统，中央发电企业的直接损失超过了6.3亿元，间接损失超过60亿元，这次灾害为世界电力工业史所罕见。因此线路保护是否可靠是关系到整个电网安全的关键因素，输电线路的保护成为继电保护系统中最重要的部分之一。继电保护是电力系统中一种重要的保护措施，它的基本任务是：（1）当

3、电力系统的被保护元件发生故障时，继电保护装置应能自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，以保证无故障部分迅速恢复正常运行，并使故障元件免于继续遭受损害。（2）当电力系统被保护元件出现异常运行状态时，继电保护应能及时反应，并根据运行维护条件，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要动作和由于干扰而引起的误动作。第二节 国内外继电保护技术的历史与发展现状继电保护从形成概念到现在刚过百年.但其技术却有飞速发展，从最初的机电型发展到今天的微机型，经历了四代的更新。1901年出现了感应型过电流继电器。1908年提出

4、了比较被保护元件两端的电流差动保护原理。1910年方向性电流保护开始得到应用，在此时期也出现了将电压与电流相比较的保护原理，并导致了20世纪20年代初距离保护装置的出现。在1927年前后，出现了利用高压输电线路上高频载波电流传送和比较输电线路两端功率方向或电流相位的高频保护装置。在20世纪50年代，微波中继通信开始应用于电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线路两端故障电气量的微波保护。与此同时，构成继电保护装置的元件、材料，保护装置的结构型式和制造工艺也发生了巨大的变革。20世纪50年代以前的继电保护都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的。这些继电器都具有机械转动部件，通称为机电式继电

5、器，但这种保护装置体积大，消耗功率大，动作速度慢，机械转动部分和触点容易磨损或粘连，调试维护比较复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求。20世纪50年代，由于半导体晶体管的发展，开始出现了晶体管式继电保护装置。这种保护装置体积小，功率消耗小，动作速度快，无机械转动部分，称为电子式静态保护装置，20世纪70年代时晶体管继电保护装置在我国大量采用的时期，满足了当时电力系统向超高压、大容量方向发展的需要。由于集成电路技术的发展，可以将数十个或更多的晶体管集成在一个半导体芯片上，从而出现了体积更小、工作更加可靠的集成运算放大器和集成电路元件，20世纪80年代后期，标志着静态继电保护从第一代（晶体管

6、式）向第二代（集成电路式）的过渡，目前，集成电路静态继电保护装置的主要形式。在20世纪60年代末，就提出了用小型计算机实现继电保护的设想，但是因为小型计算机价格昂贵，难以在实用上采用。随着微处理器技术的迅速发展及其价格急剧下降，在20世纪70年代后半期，出现了比较完善的微型计算机保护样机，并投入到电力系统中试运行，20世纪80年代微型计算机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟，并已经在一些国家推广使用，这就是第三代的继电保护装置，微型计算机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，由存储记忆功能，因而可用以实现任何性能完善且复杂的保护原理，且具有很高的可靠性，进入20世纪90年代以来，在我国得到

7、大量应用，将成为继电保护装置的主要形式，可以说微型计算机已经成为电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分。在国内，我国的继电保护起步晚，在对微机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起了先导的作用。从70年代开始，华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学自动化研究院都相继研制了不同原理和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得以应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。国内目前已有众多厂家能生产微机远动、微机保护等设备，大部分己经达到能投入实际运行的水平，有些产品如微机保护

8、已跻身国际先进行列。目前国内微机保护自动化工作正处于飞速发展、蒸蒸日上的阶段。目前国内外应用于微机保护的处理器有单片机、DSP和嵌入式的处理器。单片机是通过大规模集成电路技术将CPU、ROM、RAM等封装在一个芯片中，具有接口设计简单、可靠性高、低功耗和性价比高的特点，从最初的8位单片机到16位、32位单片机的保护设计；从最初的单CPU到现在的多CPU，都在电力系统微机保护中得到了广泛的应用。总的来说，用单片机实现微机保护系统有以下几个优点:(l) 单片机价格低廉，接口电路设计简单，扩展外围电路比较容易。(2) 单片机主要面向控制领域，抗干扰能力强，可靠性比较高。(3) 单片机技术基本己经成熟

9、，可参考的例子和资料非常多，可以缩短开发周期。第三节 论文的主要工作首先，本文先介绍了输电线路的故障类型和原因，介绍了输电线路的故障诊断方法，并且针对2008年初的南方雪灾探讨了输电线路覆冰的原因和对策，然后分析了输电线路上的继电保护。接着，本文以ATmega16单片机作为硬件核心，将采集到的电气量等模拟量信号经过A/D转换器转换为数字量信号后送入单片机系统中进行处理，通过处理的结果来判断输电线路是否存在故障和故障类型等。本系统采用相应的线路电流保护、距离保护、差动保护等继电保护来防止因短路故障或不正常运行状态造成的线路损坏，以此提高供电的可靠性。第二章 线路故障分析第一节 线路常见故障类型及

10、其分析一、短 路 线路故障中最严重的故障是短路故障。所谓短路，是指电力系统正常运行情况以外的一切相与相之间或相与地之间的“短接”。在电力系统正常运行时，除中性点外，相与相或相与地之间是绝缘的。如果由于某种原因使其绝缘破坏而构成短路，就称电力系统发生了短路故障。其产生的主要原因是电气设备载流部分的绝缘损坏所致。1.短路的原因 造成短路的主要原因，是电气设备载流部分的绝缘损坏。比如，设备长期运行，绝缘自然老化；设备本身设计、安装和运行维护不良；绝缘材料陈旧；绝缘强度不够而被正常电压击穿；设备绝缘正常而被过电压（包括雷电过电压）击穿；设备绝缘受到外力损伤等都可能造成短路。电力线路发生断线和倒杆事故可

11、能导致短路。运行人员不遵守操作规程发生的误操作，如带负荷拉、合隔离开关，检修后忘拆除地线合闸等。鸟兽跨越在裸露的相线之间或相线与接地物体之间，或者咬坏设备导线的绝缘，也是导致短路的一个原因。2、短路的危害 发生短路时，由于部分负荷阻抗被短接掉，供电系统的总阻抗减小，因而短路回路中的短路电流比正常工作电流大得多。在大容量电力系统中，短路电流可达几万安培甚至几十万安培。如此大的短路电流会对供电系统产生极大的危害。 1）短路电流通过导体时，使导体大量发热，温度急剧升高，从而破坏设备绝缘；同时，通过短路电流的导体会受到很大的电动力作用，使导体变形甚至损坏。2）短路可造成停电状态，而且越靠近电源，停电范

12、围越大，给国民经济造成的损失也越大。3）严重的短路故障若发生在靠近电源的地方，且维持时间较长，可使并联运行的发电机组失去同步，严重的可能造成系统解列。4）不对称的接地短路，其不平衡电流将产生较强的不平衡磁场，对附近的通信线路、电子设备及其他弱电控制系统可能产生干扰信号，使通讯失真、控制失灵、设备产生误动作。由此可见，短路的后果是十分严重的。所以必须设法消除可能引起短路的一切因素，使系统安全可靠地运行。3.短路的类型在三相系统中，可能发生的短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相短路。三相短路是对称短路，用表示，如图21（a）所示。因为短路回路的三相阻抗相等，所以三相短路电流和电压仍然是

13、对称的，只是电流比正常值增大，电压比额定值降低。三相短路发生的概率最小，只有5%左右，但它却是危害最严重的短路形式。图2-1短路的类型两相短路是不对称短路，用表示，如图2-1（b）所示。两相短路的发生概率约在10%-15%左右。两相接地短路也是一种不对称短路，用表示，如图2-1（c）和2-1（d）所示。它是指中性点不接地系统中两不同相均发生单相接地而形成的两相短路，亦指两相短路后又接地的情况。两相接地短路发生的概率约在10%-20%左右。单相短路用表示，如图2-1（e）和2-1（f）所示，也是一种不对称短路。它的危害虽不如其他短路形式严重，但在中性点直接接地系统中，发生的概率最高，约占短路故障

14、的65%-70%。二、断 线1.断线的危害断路是最常见的故障。断路故障最基本的表现形式是回路不通。在某些情况下，断路还会引起过电压，断路点产生的电弧还可能导致电气火灾和爆炸事故。1）断路点电弧故障。电路断线，尤其是那些似断非断点(即时断时通的断路点)，在断开瞬间往往会产生电弧，或者在断路点产生高温，电力线路中的电弧和高温可能会酿成火灾。2）三相电路中的断路故障。三相电路中，如果发生一相断路故障，一则可能使电动机因缺相运行而被烧毁；二则使三相电路不对称，各相电压发生变化，使其中的相电压升高，造成事故。三相电路中，如果零线(中性线)断路，则单相负荷影响更大。3）架空线路发生断线故障，不但影响供电可

15、靠性，而且由于断线下垂至地面，容易引发安全事故。发生断线故障以后，系统正常运行时的三相对称性被破坏，流过配电变压器的三相电流步平衡，个别相绕组可能已经过负荷或过热。他还会引起系统电压的不对称，使电能质量变坏。2.断线故障的原因有很多原因可能导致导线断裂。常见机械性破坏故障，如倒杆，外力断线等;耐张杆塔的相跳线因接头不良或烧断等造成线路的缺相运行。普通型绝缘导线配电线路断线事故的部分原因是由于雷电引起绝缘子闪络引发工频续流烧断导线。在以前采用架空裸导线时，同样也会由于雷电(直击或感应)引起闪络事故，也存在工频续流的问题。但工频续流在其电磁力的作用下，电弧会沿着导线滑动，不会集中在某一点烧蚀，不存

16、在断线问题。而采用绝缘导线后，电弧集中在某一点而不能滑动，则最终导致导线的烧断。造成普通型绝缘导线配电线路断线的另一个原因是绑扎线与绝缘导线之间的间隙，发生局部放电引起的。当绝缘支架表面积污秽并在湿润天气条件下，相间导线在支架处将产生较大的泄漏电流，泄漏电流产生的热效应使支架温度超出聚碳酸脂的工作范围，从而引起支架绝缘性能的下降。当泄漏电流发展成电弧，支架的耐电弧能力完全不能阻止电弧发展时，导线绝缘层在泄漏电流和电弧作用下损坏，则电弧持续发展，电弧在导线夹紧处燃烧，最终导致断线。导线在风力作用下将产生振动，固定导线的支架将受到交替应力作用，由于支架的耐疲劳强度较低，极易产生开裂。支架在户外强烈

17、日光作用下，易引起裂纹或破碎。另外，聚碳酸脂在加工过程中，由于模具设计不当，加工方法欠妥也会使支架容易开裂。三、线路接地故障线路接地一般有如下原因: 1）线路附近的树枝等碰及导线。 2）导线接头处氧化腐蚀脱落，导线断开落地。 3）外因破坏造成导线断开落地。如在线路附近伐树倒在线路上，线跨越道路时汽车碰断等。4）电气元件绝缘能力下降，对附近物体放电。第二节 线路的故障诊断一、单相接地故障的确定当输电线路上一相的某一点发生单相接地故障时，其故障特征是:该点的对地电压远远小于正常相的对地电压。若某一相电压乘以10以后仍然小于另外两相的对地电压，则可判断出该相发生单相接地故障。二、相间故障的确定相间故

18、障的特征是:非故障相电流远远小于故障相电流，因为故障相的电流是发生相间故障时由电源提供的短路电流，而非故障相电流则是该相的对地电容电流。所以判据与单相接地时相仿，即某一相电流乘以10以后仍小于另外两相的故障电流，则可判断出另外两相发生相间故障。三、三相接地故障的确定当输电线路发生三相接地故障时，其故障特征是:线电压和相电流突变，用故障前和故障后的量比较，即可判断出是否发生三相故障。四、断路故障的确定当输电线路上一相的某一点发生了单相断路故障时，其故障特征是:故障相的电流很小，故障点前的电压为额定供电电压，故障点后边各点的电压减小。五. 内部故障信息的提取方法故障信息分为内部故障信息和外部故障信

19、息两类。内部故障信息用于切除故障设备，外部故障信息用于防止切除非故障设备。内部故障信息的提取方法是根据比较被保护对象输入输出电气量的基本原理实现的。按被比较电气量的性质来划分，提取内部故障信息的方法有：（1）电流差动法。电流差动法是应用最广泛且性能特别优越的一种获得内部故障信息的方法。其所以性能特别优越，是因为这种方法兼有区分非故障状态和故障状态和故障设备与非故障设备的双重功能。（2）电流相位比较法。电流相位比较法是电流差动法的一种特殊情况，它只利用了电流向量中的相位信息，舍去了幅值信息。（3）方向比较法。方向比较法是根据被保护对象输入和输出各端的功率方向判定内部或外部故障，在规定指向被保护对

20、象的功率方向为正方向时，则其所有的联系线上的功率方向均为正方向即可判断时内部故障，当不符合上述条件时判为外部故障。用方向比较法提取内部故障信息时，需要在保护对象的各端获得方向信息，而方向信息是由电压和电流之间的相位关系决定的，不仅需要电压量，也需要电流量。（4）量值区分法。量值区分法是用数值大小来区分内部或外部故障。如电流速断和距离保护I段等。但是，利用这种方法提取的内部故障信息是不完全的，它丢失了保护范围以外的内部故障信息。（5）逻辑判定法。根据逻辑关系获得故障信息是逻辑判定法的几处。如过电流保护中的电流元件只能判别出现故障，但不具有获得内部故障信息的能力。为了取得内部故障信息，增设了时间元

21、件。在规定的时间内故障未被消除，则判定为内部故障。第三节 输电线路覆冰的原因和对策一、线路覆冰的形成及冰害故障类型输电线路导线表面产生覆冰，必须达到以下气象条件：1）气温及导线表面温度达到0ºC以下；2）空气相对湿度在85%以上；3）风速大于1m/s。较高湿度空气中的液水是产生覆冰的水来源，风的作用使空气中的过冷却水滴产生运动，与导线发生碰撞后被导线捕获，较低的温度使水滴产生冻结。试验及研究表明，当空气相对湿度小或无风或风速很小，及时空气温度在0ºC以下，导线上基本不会发生覆冰现象。导线覆冰的形状也有所不同，如圆形、椭圆形、松针形等。导线覆冰首先在迎风面上生长，如风向不发生

22、急剧变化，迎风面上的覆冰厚度就会继续增加。当迎风面冰达到一定厚度，其重量足以使导线扭转时，导线发生扭转现象；导线再扭转，覆冰就会继续成长变大，会在导线上形成圆形或椭圆形的覆冰。覆冰对线路的危害有过负荷、覆冰舞动和脱冰跳跃、绝缘子冰闪，会造成杆塔变形、倒塔、导线断股、金具和绝缘子损坏、绝缘子闪络。图2-2 南方雪灾中的电力设施二、输电线路抗冰设计方法（一）认真调查气象条件、避开不利的地形对于地形复杂多变的微气象覆冰区，应充分利用有利气象、地形因素，尽量避开最严重的覆冰地段或避重就轻。为了较好地确定气象条件及“微地形”或“微气象”覆冰的影响，应有计划地先期在沿线建立观测站，以便掌握覆冰的特征和资料

23、。当线路通过覆冰地区成为不可避免时，应力求“避重就轻”，即进行线路路径选择时，应尽量做到避开最严重的覆冰地段，线路宜沿起伏不大的地形走线。尽量避开横跨垭口、风道和通过湖泊、水库等容易覆冰的地带。翻越山岭时应避免大档距、大高差。沿山岭通过时，宜沿覆冰季节背风或向阳面走线，应避免将转角点架设在开阔的山脊上，且转角角度不宜过大，如遇台风地宽窄不一、不连续时，则注意选取云雾不连续地段，达到减小覆冰概率和减轻覆冰程度的目的。（二）采取抗冰措施对于确定为覆冰地段的输电线路，可根据其具体情况采取以下预防抗冰措施。1.防倒塔断线措施（1）在海拔较高、湿度较大、雨凇和雾凇易于形成的山顶、风口、垭口地带，对较长的

24、耐张段，宜在中间适当位置设立耐张塔或加强型直线塔，以避免一基倒塌引起的连环破坏。（2）对于档距较大的覆冰地段，采取增加杆塔、缩小档距的措施，以增加导地线的过载能力，减轻杆塔荷载，减小不均匀脱冰时导地线相碰撞的机遇。对重覆冰区新建线路应尽量避免大档距，使重覆冰区线路档距较为均匀。（3）加强杆塔、缩短耐张段长度。将事故频繁、荷重较大、两侧档距相差较大及垂直档距系数小于0.6的直线杆塔采用加固措施后改为耐张塔；对于横跨峡谷、风口处则改为孤立档，并相应加强杆塔。（4）改善杆塔结构、扩大导线与地线的水平位移。（5）为减少或防止覆冰后钢芯铝绞线断线或断股，重覆冰区输电线路导线可采用高强度钢芯铝合金或其它加

25、强型的抗冰导线。（6）为减轻或防止重覆冰区线路由于不平衡张力作用和脱冰跳跃震动而损害导线，宜采用预绞丝护线条保护导线。（7）对于悬挂角与垂直档距较大的直线杆塔采用双线夹，以增加线夹出口处导线的受弯强度。2.防绝缘子串冰闪措施（1）悬式绝缘子串增加大盘径伞裙阻隔法。（2）悬垂绝缘子串斜挂法。（3）为防止杆塔横担上积水，冰水不致淌落到绝缘子串上，可在绝缘子串悬挂点处增设一块防水挡板。（4）涂具有憎水性能的涂料。3.防导线舞动措施（1）开展导线舞动观测，力求获取全面的基础数据和资料，划分舞动易发区域，用以设计避让时参考。（2）改进铁塔紧固方式，加强易舞动地区杆塔强度。（3）对易舞动区域线路直线杆塔，

26、设计时加大导线间距离，这不能避免导线舞动，但可避免它造成的相间短路。（4）利用失谐锤、重锤、集中防震锤的阻尼作用抑制起舞条件，但对不同线路效果各异，因这些装置的设计特性不能完全耦合所有频率的导线舞动。（5）新线路采用双绞线导线，不但可提高输电能力，而且其阻尼特性可破坏导线覆冰形状，改变其空气动力学特性，防止舞动。三、线路防冰、除冰方法防覆冰方法时在覆冰物体覆冰前采取各种有效技术措施，使各种形式的冰在覆冰物体上无法积覆，或即使积覆，其总的覆冰载荷也能控制在物体可承受的范围内。除冰方法定义为物体覆冰达到危险状态后采取有效措施，部分或全部除去物体上覆冰的方法或措施。一般来说，只有当设计阶段无法达到抗

27、冰目的和无法了解输电线路的局部地区的准确覆冰情况时，才采取后期防冰除冰技术方法。国内外用来防冰、除冰的方法很多，这些方法从类别上可分为：（1）热力融冰法。包括潮流分配、短路电流、铁磁线、热气、热吸收器、电磁波微波激光器等。（2）机械破冰法。包括“adhoc”方法、风力、电磁力、强力震动、电磁脉冲、超声震动、气动法等。（3）自然被动法。包括平衡导线重量、使用防雪环、使用憎水、憎冰性涂料等。以上防冰、除冰的方法中可用于输电线路的方法有：改变潮流分配法、短路融冰法等。1.改变潮流分配融冰工程应用中针对输电线路最方便、有效、适用的除冰方法为增大线路传输负荷电流。相同气候条件下，重负载线路覆冰较轻或不覆

28、冰，轻载线路覆冰较重，而避雷线与架空地线相对于导线覆冰更多，这一现象与导线通过电流时的焦耳效应有关。当负荷电流足够大时，导线自身的温度超过冰点，则落在导体表面的雨雪就不会结冰。通过对导线在通流情况下的覆冰过程进行有效的传热分析可得覆冰气象条件下导线不覆冰的临界负荷电流为式中：为1ºC时单位长度导体交流电阻，计算中可近似取20ºC的直流电阻；为单位长度辐射散热；为单位长度对流散热。、的值与外部气候条件和导体本身情况有关。为防止导线覆冰，对220kV及以上轻载线路，主要依靠科学的调度，提前改变电网潮流分配，使线路电流达到临界电流以上；110kV及以上变电所间的联络线，可通过调度

29、让其带负荷运行，并达临界电流以上。其它类型的重要轻载线路，可采用在线路末端变电所母线上装设足够容量的并联电容器或电抗器以增大无功电流的办法，达到导线不覆冰的目的，提升负荷电流防止覆冰。但此方法无法预防避雷线和架空地线上的覆冰。2.短路融冰三相短路融冰时指将线路的一端三相短路，另一端供给融冰电源，用较低电压提供较大短路电流加热导线的方法使导线上的覆冰融化。根据短路电流大小来选取合适的短路电压是短路融冰的重要环节。对融冰线路施加融冰电流有两种方法：发电机零起升压和全电压冲击合闸。零起升压对系统影响不是很大，但冲击合闸在系统电压较低、无功备用不足时有可能造成系统稳定破坏事故。短路融冰时需将包括融冰线

30、路在内所有融冰回路中架空输电线停下来，对于大截面、双分裂导线因无法选取融冰电源而难以做到，对500kV线路而言则更加困难。3.用电磁力为超高压架空输电线路除冰加拿大IREQ高压实验室提出了一种新颖的基于电磁力的方法为覆冰严重的315kV双分裂超高压线路除冰，即将输电线路在额定电压下短路，同一相的两个子导线的短路电流产生适当的电磁力使导体互相撞击而使覆冰脱落。为了降低短路电流幅值和发导体的固有震荡，增加其运动幅度。实验表明，幅值分别为10kA和12kA的短路电流可以有效地为315kV双分裂导线除冰。三相短路引起的电压降落超过了系统可接受的程度，而单相短路引起的电压降落幅度相对较小。虽然短路电流对

31、电力系统使不利的，但在严重冰灾的紧急情况下，可以在315kV系统应用这种方法。第三章 线路保护分析第一节 继电保护的基本要求及原理一、继电保护的基本要求1选择性当电力系统发生短路故障时，继电保护装置动作，只切除故障元件，并使停电范围最小，以减小故障停电造成的损失。保护装置这种能挑选故障元件的能力称为保护的选择性。 2. 速动性为了减小由于故障引起的损失，减少用户在故障时低电压下的工作时间，以及提高电力系统运行的稳定性，要求继电保护在发生故障时尽快动作将故障切除。快速地切除故障部分可以防止故障扩大，减轻故障电流对电气设备的损坏程度，加快供电系统电压的恢复，提高供电系统运行的可靠性。3. 灵敏性灵

32、敏性是指在保护范围内发生故障或不正常工作状态时，保护装置的反应能力。即在保护范围内故障时，不论短路点的位置以及短路的类型如何，保护装置都能敏锐且正确地作出反应。继电保护装置的灵敏性用灵敏度来衡量。4. 可靠性可靠性是指继电保护装置在其所规定的保护范围内发生故障或不正常工作时，一定要准确动作，即不能拒动；而不属其保护范围的故障或不正常工作时，一定不要动作，即不能误动。二、继电保护的基本原理电力系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流与电压间相位的变化，因此电力系统中所应用的各种继电保护，大多数是利用故障时物理量与正常运行时物理量的差别来构成的。例如，反应电流增大时的过电流保护以及反

33、应电压降低（或升高）时的低电压（或过电压）保护等。继电保护原理结构的方框图，如图31所示。它由三部分组成：即测量部分，用来测量被保护设备输入的有关信号（电流、电压等），并和已给定的整定值进行比较判断是否应该起动；逻辑部分，根据测量部分各输出量的大小、性质及其组合或输出顺序，使保护装置按照一定的逻辑程序工作，并将信号传输给执行部分；执行部分，限据逻辑部分传输的信号，最后完成保护装置所负担的任务，给出跳闸或信号脉冲。 图3-1 继电保护原理结构方框图第二节 电流保护输电线路发生短路时，电流突然增大，电压降低。利用电流突然增大使保护动作而构成的保护装置，称为电流保护。利用电压降低构成的保护，称为电压

34、保护。电压、电流保护在35kV及以下输电线路中被广泛采用。根据线路故障对主、后备保护的要求，输电线路的电流保护有三种:1.无时限电流速断保护，简称电流保护第I段，其作用是保证在任何情况下只切除本线路上的故障，它是按照躲开相邻线路出口处的最大短路电流来整定的。2.带时限电流速断保护，简称电流保护第II段，其作用是为了弥补电流速断保护无法保护线路全长的缺陷， 3.定时限过电流保护，简称电流保护第III段，其作用是作本线路主保护的后备保护，即近后备保护，并作相邻下一线路 (或元件)的后备保护，即远后备保护，电流保护的起动电流按照躲开最大负荷电流来整定，在动作时限上过电流保护满足阶梯状的动作特性，即从

35、负荷到电源端依次提高一个时间阶段。第 I 、II 、III段统称为线路短路的三段式电流保护。一、无时限电流速断保护1.无时限电流速断保护工作原理对于反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护。为了保证其选择性，一般只能保护线路的一部分。对反应电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置启动的最小电流值称为保护装置的整定电流，以表示，显然必须当实际的短路电流时，保护装置才能动作。2.电流速断保护的构成电流速断保护的单相构成原理接线如图3.2所示。过电流继电器接于电流互感器TA的二次侧，当流过它的电流大于它的动作电流后，比较环节KA有输出。在某些需要闭锁跳闸回路，设置闭锁环节

36、在保护不需要闭锁时输出为1，在保护需要闭锁时输出为0。当比较环节KA有输出并且不被闭锁时，与门有输出，发出跳闸命令的同时，启动信号回路KS。 图3-2 电流速断保护单相原理接线二、带时限电流速断保护 电流I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，

37、也叫电流II段保护，电流II段保护的延时时间一般为0.3s左右。 在图2.3中看出，只要AB间的II段电流保护范围不超过BC间的I段电流保护范围，就可以保证选择性，即: 其中是AB 间II段电流保护的整定值，是BC间I段电流保护的整定值，为可靠系数，一般大于1.1。 在线路上安装了电流I段和电流II段保护以后，整段线路的故障可在0.3-0.5s之内得到解决，我们称电流I段和II段保护为线路的主保护。图3.3 三段式电流保护原理图三、定时限过电流保护 1定时限过电流保护的动作原理如图31所示为单端供电线路的定时限过电流保护的配置示意图。图34单端供电线路的定时限过电流保护的配置示意图 图中过电流

38、保护装置1、2、3分别装设在线路、的电源侧，每套保护装置主要保护本段线路和由该段线路直接供电的变电所母线。假设在线路上的k-1点发生相间短路，短路电流将由电源经过线路、流到短路点k-1。如果短路电流大于保护装置1、2、3的动作电流时，则三套保护将同时起动。根据选择性的要求，应该是距离故障点k-1最近的保护装置3动作，使断路器跳闸。为此，需以延时来保证选择性，也就是使保护装置3的动作时间小于保护装置2和保护装置1的动作时间和。这样，当 k-1点短路时，保护装置 3首先以较短的延时 动作使 跳闸。 跳闸后，短路电流消失，保护装置 2和 1还来不及使 和 跳闸就返回到正常位置。同理，当线路上的k-2

39、点发生相间短路时，为了保证选择性，保护装置2的动作时间应小于保护装置1的动作时间。因此，为了保证单端供电线路过电流保护动作的选择性，保护装置的动作时间必须满足以下条件，即这种选择保护装置动作时间的方法，称为时间阶梯原则。2定时限过电流保护的整定（1）动作电流整定定时限过电流保护装置一次动作电流为 =/ （3-1）考虑了接线系数和电流互感器的变比以后，过电流保护装置的继电器动作电流为 （3-2）式中 线路最大负荷电流，取（1.5-3）； 可靠系数，一般取1.151.25；电流互感器变化； 返回系数。对DL-10型电流继电器一般取0.85-0.9；对GL-10型电流继电器一般取动0.8。（2）灵敏

40、度校验按式（33）确定的动作电流，在线路出现最大负荷电流时不会发生误动作。但当线路发生各种短路故障时，保护装置都必须准确动作，即要求流过保护装置的最小短路电流必须大于其动作电流。能否满足这项要求，需要进行灵敏度校验。具体校验方法分两种情况进行。过电流保护作为本段线路的近后备保护时，灵敏度校验点设在被保护线路末端，其灵敏度应满足 （3-3）式中被保护线路末端在系统最小运行方式下的两相短路电流，即 （3-4）过电流保护作为相邻线路的远后备保护时，其校验点设在相邻线路末端，其灵敏度应满足 （3-5）第三节 距离保护1.距离保护的工作原理距离保护是以距离测量元件为基础构成的保护装置。其动作和选择性取决

41、于本地测量参数 (阻抗、电抗、方向)与设定的被保护区段参数的比较结果，而阻抗、电抗又与输电线的长度成正比，故名距离保护。 如图3-5所示，假设各断路器处所装保护测量元件的输入是该处的母线电压 (称为保护的测量电压)和流经该线路的电流 (称为保护的测量电流)之比为该处保护的测量阻抗，即 (3-6)图35 距离保护原理图 在正常工作情况下， (母线的工作电压)， (线路的负荷电流)，此时保护测量元件的测量阻抗为负荷阻抗，即如断路器 1QF处负荷阻抗为: (3-7)显然，正常运行时母线上的工作电压在额定值附近，一般来说，线路的负荷电流相对于短路电流小得多，故线路在负荷状态下的测量阻抗值较大，且其角度

42、为负荷功率因数角。而在AB线路上点发生三相金属性短路时，在断路器1QF处所测量的阻抗 (等于该处母线残余电压与流经该处保护的电流的比值)为： （3-8）式中，-点短路时保护安装处A母线的残余电压，且。此时1QF处保护测量元件的测量阻抗即为短路阻抗及，即 (3-9)式中，一故障点至保护安装处的线路阻抗，其阻抗值小而阻抗角(称为短路阻抗角)等于线路阻抗角。同理，点发生故障时 (3-10) 设线路每公里的正序阻抗为，则 式中，-从故障点至保护安装处母线A的距离; -从故障点至保护安装处母线A的距离。 因，故，即短路时测量阻抗的大小与短路点到保护安装处的距离成正比。 线路距离保护与电流保护类同，亦可构

43、成三段式距离保护，其中距离保护第I 、II段为线路的主保护，距离保护第III段为本线路主保护的近后备保护和相邻元件的远后备保护。距离保护的构成可用图3-6所示的框图来说明。图3-6 三段式距离保护构成的单相原理框图图中，、分别是距离保护第I 、II 、 III段的测量元件; 2KT和3KT分别是距离保护第II、III段的延时元件; 元件1是电流或阻抗测量元件，作为整套距离保护的启动元件; 元件2和3分别是振荡闭锁元件和电压互感器二次回路断线闭锁元件；1 KS、2KS、3KS为距离保护第 I、II、 III段的信号元件。第四节 纵联保护 电流保护和距离保护用于输电线路的主要缺陷是当靠近线路断路器

44、处发生故障时，远离故障侧的保护只能以第II段延时 (0. 5s，甚至大于0. 5s)切除故障，这对于很多重要的高压网络线是不允许的。为了电力系统的稳定运行，要求设置具有无延时切除线路任意处故障时的保护装置。输电线纵联保护正是随着电力系统的不断发展，为满足这种技术的要求而产生的。1.纵联保护的工作原理 当输电线MN内部出现短路故障(如图3-7中点所示)时，流经输电线两侧断路器的故障电流均从母线流向线路 (规定从母线流向线路为正，反之为负)；而当输电线MN外部短路 (如图中点)时，实际上是同一个电流从线路的一端流入，又从另一端流出，即M侧电流为正，N侧电流为负。利用线路内部短路两侧电流均从母线流向

45、线路，而外部短路一侧电流从母线流向线路、另一侧电流从线路流向母线的特点，保护装置可通过直接或间接比较线路两侧电流 (或功率)方向来区分线路内部和外部故障。纵联保护的基本原理是:当输电线路内部任何地点发生故障时，线路两侧电流为正方向，两侧保护无延时动作跳两侧断路器，即1QF和2QF跳闸;当输电线路外部短路时，一侧电流方向为正、另一侧电流方向为负，保护不动作。在理论上，纵联保护有很好的选择性、灵敏度，且能瞬时切除被保护线路内部任一处的故障，故称它为全线速动保护。 图3-7 纵联保护原理 根据向线路两侧传输电流（或功率）讯号的通道类型不同，纵联保护通常可分为四种：导引线纵联保护（简称导引线保护），电

46、力线载波纵联保护（简称高频保护），微波纵联保护（简称微波保护）和光纤纵联保护（简称光纤保护）。目前在超高压输电线路中广泛采用的纵联保护时高频保护，其原理是将两侧电流的相位（或功率方向）转化为高频信号经输电线（称高频传输通道）传至对侧进行直接或间接的相位比较（或逻辑判断）来实现全线速动保护。纵联保护作为220kV及以上电压等级电网的主保护，它的优缺点如下:1.能够实现全线无时限速动，在定值选择上无需与下一条线路相配合，具有很好的选择性和灵敏度。2.在原理上纵联保护不能作为相邻线路的后备保护。3.各种形式的纵联保护都需要有相关的通信通道将线路各端的电气量联系起来，这样既影响保护运行的可靠性，又增加

47、了专用通道的投资费用。第四章 线路保护装置的硬件设计第一节 线路故障诊断系统的结构线路故障诊断系统的硬件结构框图如图4-1所示。 本装置硬件系统总体可分为以下几个部分：数据采集系统、计算机主系统、人机接口、通信系统、电源系统。数据采集系统的功能是采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，经过预处理后转化为所需数字量；计算机主系统以ATmega16微处理器为核心，处理速度可达16MIPS，内部含硬件乘法器，并自带16K字节可编程Flash、512字节EEPROM，1K字节片内SRAM；人机接口部分主要包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整、对微机工作

48、状态的干预等；通信系统可以完成机间通信及远动的要求；电源系统提供了整个装置所需的直流稳压电源，保证整个系统的可靠供电。第二节 单片机控制系统单片机控制系统由ATmega16、单八路模拟开关CD4051、电源等组成。Atmega16为系统的CPU，系统的所有操作都是由它进行的。单片机控制系统是整个装置的基础，只有确保控制系统正常工作才能保证ATmega16能够正常执行程序，整个系统才可以正常工作，发挥它应有的作用。1、 ATmega16单片机ATmega16是基于增强的AVR RISC结构的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先进的指令集以及单时钟周期指令执行时间，ATmega16的数据吞吐率达1

49、MIPS/MHz，从而可以缓减系统在功耗和处理速度之间的矛盾，ATmega16工作电压和速度等级为4.5-5.5V，16 MHz。ATmega16 有如下特点:16K字节的系统内可编程Flash，512 字节EEPROM，1K 字节SRAM，32 个通用I/O 口线，32 个通用工作寄存器，用于边界扫描的JTAG 接口，支持片内调试与编程，三个具有比较模式的灵活的定时器/ 计数器(T/C),片内/外中断，可编程串行USART，有起始条件检测器的通用串行接口，具有片内振荡器的可编程看门狗定时器，一个SPI 串行端口，以及六个可以通过软件进行选择的省电模式。同时由于采用了小引脚封装形式，所以其价格

50、仅与低档单片机相当，因此Atmgea16是一款性价比很高的8位单片机。（1）ATmega16引脚结构 ATmega16共有32个可编程的I/O口（脚），芯片封装形式有40引脚的PDIP、44引脚的TQFP和44引脚的MLF封装。在试验中可使用PDIP28封装，在实际应用时可使用贴片式（即TQFP封装），因为它体积小，容易缩小产品尺寸。ATmega16引脚结构（PDIP封装）如图4-2所示：图4-2 ATmega16 的引脚二、单八路模拟开关CD4051 CD4051输出哪一通道，由3位地址码ABC来决定。其真值表见表1。“INH”是禁止端，当“INH”=1时，各通道均不接通。此外，CD4051

51、还设有另外一个电源端VEE，以作为电平位移时使用，从而使得通常在单组电源供电条件下工作的CMOS电路所提供的数字信号能直接控制这种多路开关，并使这种多路开关可传输峰-峰值达15V的交流信号。例如，若模拟开关的供电电源VDD=+5V,VSS=0V,当VEE=-5V时，只要对此模拟开关施加0-5V的数字控制信号，就可控制幅度范围为-5V至+5V的模拟信号。表4-1 CD4051真值表输入状态接通通道INHCBA0000“0”0001“1”0010“2”0011“3”0100“4”0101“5”0110“6”0111“7”1均不接通三、电源电源是系统的重要组成部分，是系统稳定正常工作的动力，本系统采

52、用7805电源芯片，输出5V直流电供给CPU和其他芯片，电路图如图4-3示： 图4-3源电路原理图第三节 电压及电流值的交流采集电网的电压和电流进行模数转换是进行电力参数采集的关键，在本设计中，采用 AVR单片机的片内逐次通进模数转换器。ATmega16有一个10位的逐次逼近型ADC。ADC与一个8通道的模拟多路复用器连接，通过分时复用的方式，能对来自端口A的 8路单端输入电压逐个进行采样。其转换结果为: （4-1）其中，VIN为被选中引脚的输入电压。使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范围在以GND为基准的0 V到参考电压的范围内。以使用片内的2.56 V参考电压为例，ADC的分辨范围在

53、0 V与2.56 V之间。因此在进行模数转换之前，必须要对交流信号加以处理。在本设计中，交流电压、电流信号分别经过电压互感器和电流互感器整流，输入数据采集板。互感器可以将任意数值的交流电流变换成用标准测量仪表可以直接测量的交流电流值;并使高压回路与维护人员可以接近的测量仪表绝缘。由于AVR的ADC对采集信号的要求，进行交流采集前需要对电压及电流信号加以整形。将具有正负半波的交流信号整形为全部信号均大于“0”我们可以采取通过全波精密整流电路将负半周翻转的方法，进行交流采集还可以将正弦波的负半波翻转，以获得单片机能接收的信号。其原理图如图 4-4所示: 图4-4 交流信号采集的原理图其中：A1为半

54、波精密整流电路，A2为反相加法器电路。当时，D2导通，D1截止，有： （4-2）即： （4-3）当时，D1导通，D2截止，有： （4-4）有A2组成的反相加法电路有：即： 因此，可以得到：当时， =；当时，；即： （4-5）由此可以看到经过精密整流电路后，经过调整的交流电压、电流变成A/D转换可以接受的单向脉动电，且幅值为正。图4-5 电压波形的调整 一、电压和电流互感器的选择本文中所选的电压和电流互感器分别为：JZSZV-10(W)户外浇注式组合互感器、TVS1908-03小型交流电压互感器、HCT254测量用电流互感器。（1） JZSZV-10(W)户外浇注式组合互感器本型电压、电流组合互

55、感器是供交流50Hz，额定电压10kV线路中，供电压、电流和电能测量和继电保护用。本型互感器为户外环氧树脂浇注全封闭、支柱式结构。由于采用户外环氧树脂浇注，该互感器具有耐电弧、耐紫外线、耐老化等特点。该互感器由两台产单相全绝缘电压互感器组成“V”形接线，两台电流互感器分别串接在A、C相上，并能电流互感器二次绕组带有抽头可得到不同的电流变比。技术参数：1.额定绝缘水平：12/42/75kV； 2.表面爬电比距：满足III级污秽等级； 3.环境温度：-40°C至+40°C,日平均温度不超过+30°C； 4.海拔高度：1000米以下额定一次电压（kV)额定二次电压（kV)额