电力系统继电保护技术 第4版 课件 第2章 继电保护基本元件

第2章继电保护基本元件普通电流互感器：一次绕组的匝数较少，串联于电路中，二次绕组的匝数较多。

变比为一次、二次绕组磁势相等，即

实际运行中二次侧负荷阻抗小，接近于短路状态。

1、电流互感器原理2.1电流互感器穿芯式电流互感器其变比根据一次绕组穿过互感器铁心中的匝数确定，穿芯匝数越多，变比越小；反之，穿芯匝数越少，变比越大。二次电流为2.1电流互感器2、电流互感器极性L1和K1为同极性端

注意事项：电流互感器极性端的标注与变压器不同。2.1电流互感器极性端标注法。2.1电流互感器3、电流互感器的10%误差曲线磁势平衡方程

由于励磁电流的存在，电流互感器的一次折算后的电流和二次电流大小不相等，相位不相同，说明电流转换中将出现数值和相位误差。

变比误差2.1电流互感器保护用的电流互感器都要按10%误差曲线校验，防止保护装置在被保护对象发生故障时拒动，保证电力系统稳定、可靠的运行，提高继电保护的正确动作。2.1电流互感器为了控制误差在一定的范围，对一次电流倍数及二次侧的负载阻抗有一定的限制。误差曲线是指一次电流倍数与最大允许负载阻抗的关系曲线，称为10%误差曲线。

允许变比误差为10％，角度误差为7°。2.1电流互感器允许的二次负荷阻抗

一次电流倍数

二次负荷阻抗较大则允许的一次电流倍数就较小。如果二次负荷阻抗较小，则允许的一次电流倍数就较大。2.1电流互感器当不满足10%误差要求时，采取的措施：1）改用伏安特性较高的电流互感器二次绕组，提高带负荷的能力；2）提高变比或采用额定电流小的电流互感器；以减小一次电流倍数；3）串联相同级别电流互感器二次绕组；2.1电流互感器5）将电流互感器的不完全星形接线方式改为完全星形接线方式；差电流接线改为不完全星形接线方式；6）改变二次负荷元件的接线方式，将部分负荷移至互感器备用绕组，以减小计算负荷。4）增大二次电缆截面或采用消耗功率小的继电器；2.1电流互感器作用：1)变换电量：将电流或电压转换为弱电压。2）隔离电路：将保护逻辑部分与电气设备的二次隔离。

3)用于定值调整：改变绕组匝数以实现定值整定或扩大定值范围。4)用于电量的综合处理：将多个电量综合成单一电电，简化保护。2.2测量变换器2、分类电压变换器电流变换器电抗变换器2.2测量变换器3、工作特性（1）电压变换器铁心工作在磁化曲线的直线部分，电压变换器二次侧电压与一次侧电压的关系可近似表示为要求：为减小误差要求励磁电流要小、连接负载要大、漏抗要小，铁芯工作在线性部分。2.2测量变换器（2）电流变换器

将一次侧电流变换为一个与之成正比的二次侧电压。输出电压：

当铁心不饱和时，输出电压波形基本保持一次侧电流的波形。2.2测量变换器（3）电抗变换器

电抗变换器将输入电流直接转换成与电流成正比电压的一种电量变换装置。输出电压：调相电阻，用于改变输入电流与输出电压之间的相角差。2.2测量变换器

开路结论：电压超前电流约2.2测量变换器为了满足被保护线路不同阻抗角要求，需要通过调整输入电流与输出电压间的相位。措施：在接入调相电阻来实现。转移阻抗，复常数。2.2测量变换器调相电阻接入时结论：适当选择调相电阻，即可调节相位。2.1电流互感器电抗变换器特点：1）电抗变换器具有电感性质，有放大高次谐波的作用。2）有较强抑制非周期分量的作用。3）铁芯的线性范围比电流变换器宽。要求：输出电压与输入电流间呈线性关系，即转移阻抗为常数。2.2测量变换器

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教学要求:掌握零序分量滤过器、负序分量滤过器工作原理以及分析方法。2.3对称分量滤过器2.3.1概述电力系统发生不对称短路，故障参数出现负序分量，接地故障出现零序分量，正常运行负、零序分量基本为零。序分量作用：1）利用电流、电压的不对称，判断故障的位置和类型；2）利用反映负序、零序分量可构成不对称短路保护。2.3对称分量滤过器序分量保护优点：能避开负荷电流，可提高保护灵敏度；不反映系统振荡；能判断故障位置类型；简化保护构成。

当输入端三相电流、电压中含有三序分量时，输出端只输出零序分量，称为零序分量滤过器；只输出负序分量时，称为负序分量滤过器；只输出正序分量时，称为正序分量滤过器。2.3.2零序分量滤过器2.3对称分量滤过器1、零序分量滤过器（1）零序电流滤过器

根据不对称分量的理论，正序、负序三相仍然对称，其三相相量和等于零。因此：2.3对称分量滤过器

三相并联的输出电流为：2.3对称分量滤过器正常运行时：出现不平衡电流原因：互感器励磁电流不对称。

在保护区外发生短路故障时，因短路电流较大，互感器铁芯饱和，不平衡电流要比正常运行时大的多。2.3对称分量滤过器

(2)零序电压滤过器由于三相电压不完全对称，即使不发生接地故障，也有不平衡电压输出。2.3对称分量滤过器

2.3.4负序电压滤过器滤过器参数关系:

由于相间电压中不存在零序分量，相当于零序分量已被滤掉。因此，负序电压滤过器无一例外地加入相间电压。2.3对称分量滤过器即2.3对称分量滤过器输出为2.3对称分量滤过器

由于元件参数不准确,阻抗值随温度及频率的影响,加入正序电压时有不平衡电压输出,使用时应注意。

如果将负序电压滤过器任意两个输入端互换连接，则滤过器就会成为正序电压滤过器。2.3对称分量滤过器2.3.5负序电流滤过器电流变换器的一次绕组匝数关系为：

其目的是消除零序电流的影响。输出电压为：2.3对称分量滤过器电抗变换器一次两个绕组匝数相等，加入两相电流差。其二次输出为：

加入两相电流差的目的也是为了消除零序分量的影响。2.3对称分量滤过器负序电流滤过器的输出为：2.3对称分量滤过器如果，则无输出。

加入正序分量时：2.3对称分量滤过器加入负序分量时：输出为2.3对称分量滤过器2.3对称分量滤过器二次极性相反

以上的分析中，没有考虑变换器的角度误差，若计及误差存在，正常运行时有一不平衡分量输出。

通常可采取在电流变换器电阻旁并联一个电容，可保证电流变换器输出与电抗变换器输出同相位。且二次电压超前电流角度小于。2.3对称分量滤过器小结：1)采用序分量滤过器的目的，可以提高保护的灵敏度；2)为获得零序分量，只要将三相电流互感器同极性并联，电压顺极性串联；3)为了消除零序分量影响，加入负序电压滤过器的电压应为线电压；4)必须合理选择参数，才能满足负序分量滤过器的要求；2.3对称分量滤过器5）如果参数失调，可构成复合滤过器；6)若将负序滤过器的相序对换，则成为正序滤过器，即正序、负序滤过器的内部结构相同，只是相序不同而已；7）为了消除零序分量的影响，负序电流滤过器采用零序电流补偿法与加入两相电流差方法。2.3对称分量滤过器

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2.4电磁型继电器电磁型继电器结构：2.4电磁型继电器1、电磁型电流继电器线圈通过电流时，产生电磁力，力矩表示为当转矩大于反作用力矩和摩擦力矩时，常闭触点闭合。2.4电磁型继电器摩擦力矩反作用力矩2.4电磁型继电器2.4电磁型继电器2.4电磁型继电器使继电器动作的最小电流，称为继电器的动作电流。使继电器由动作状态返回到起始位置的最大电流，称为继电器的返回电流。2.4电磁型继电器1、改变弹簧反作用力2、改变绕组联接方式3、改变舌片初始位置返回系数：2.4电磁型继电器输入电流不变：串联磁势为并联接磁势为动作电流并联是串联的2倍。串联并联2.4电磁型继电器2.4电磁型继电器2、电磁型电压继电器过电压继电器动作电压、返回电返回系数与过电流基本相同。低电压继电器动作电压：使继电器动作的最高电压。低电压继电器返回电压：使继电器动作的最小电压。2.4电磁型继电器2、电磁型电压继电器串联磁势为并联磁势为结论：串联是并联的2倍。2.4电磁型继电器3、信号继电器作用：保护装置动作的信号指示，接通声光信号回路。特点：动作后触点自保持，应手动复归。2.4电磁型继电器4、中间继电器特点：触点容量大，触点数量多，可直接接通跳闸回路。可实现小延时。2.4电磁型继电器2.4电磁型继电器2.4电磁型继电器检验分类:新安装验收检验；定期检验；补充检验。1）新安装验收检验；要求对继电器进行全面检查试验，以保证继电器投入运行后的性能和质量满足要求。

2）定期检验：分为定期全部检验、定期部分检验以及作用于断路器的整组跳合闸试验。5、电流继电器检验2.4电磁型继电器3）补充检验：主要是指由于装置改造、一次设备检修或更换、运行中发现异常现象情况以及在事故以后所进行的检验。

试验接线：接线的基本构成原则应尽量模拟实际运行情况，使得试验时加入继电器的电气量与继电器的实际工作情况相符合。2.4电磁型继电器过电流继电器应采用突然加入电流，模拟故障发生时电流突然上升的方法。测量误差：真值：在测量中，被测量所具有的真实大小称为该量的真值。测量误差：测量结果对被测量的真值的偏差称为测量误差。2.4电磁型继电器测量误差通常分为：绝对误差和相对误差。

绝对误差是指被测得值与真值之间的差值。相对误差：绝对误差：（整定值）平均误差：在相同规定条件下，对同一继电器所进行的规定测量中，每次测量所得误差值(绝对误差、相对误差)的代数和的平均值。2.4电磁型继电器动作值变差：n次试验中动作值的最大值与最小值之差称为变差，其表示法有绝对变差和相对变差。绝对变差：相对变差：2.4电磁型继电器动作值的离散度：n次试验中与平均值之差最大的动作值减去n次动作值的平均值，再与n次动作值的平均值之比称为动作值的离散度。

6、一般性检验项目和要求2.4电磁型继电器（1）内部和机械部分检查（2）绝缘检验（3）继电器触点工作可靠性检验：带上实际负荷对继电器的触点进行检查。（4）动作电流和返回电流的检验检验方法步骤：2.4电磁型继电器

1)将继电器的线圈串联，将调整杆放在某一个整定值上，调压器处在输出电压最小位置（电阻最大位置）。2.4电磁型继电器

2)合上刀闸ＱＫ，然后调节输出电压，慢慢地增加电流直至继电器动作，停止调节。记下电流数值，即动作电流，再重复二次，求它的平均值。2.4电磁型继电器3)继电器动作后，均匀地减小输出电流，直至继电器的触点刚刚分开，此时电流为返回电流，重复二次将其值填入表内，求它的平均值。根据动作电流和返回电流算出返回系数。2.4电磁型继电器

动作值与返回值的测量应重复三次，每次测量值与整定值误差不超过±3％。

过电流继电器的返回系数应不小于0.85。当大于0.9时，应注意触点压力。2.4电流继电器检验

6）返回系数的调整改变舌片的起始角与终止角、适当调整触点压力。7）动作值的调整

继电器在最大刻度值附近时调整舌片的起始位置、继电器在最小刻度值附近时调整弹簧。4)将调整杆放在其它标度重复上述试验。

5)将继电器线圈采用并联接法，按上述步骤试验。重点1）电流互感器极性2）电流互感器10%误差校验3）变换器作用4）电流继电器原理及定值调整5）中间、信号继电器作用6）电流继电器检验方法及要求

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2.5微机保护硬件微机保护主要部分是微型计算机,须配备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接口。还需输入相关计算和操作程序、输出记录的信息，供运行人员分析事故。2.5.1硬件组成2.5微机保护硬件2.5微机保护硬件1、数据采集系统数据采集系统：电压形成、模拟滤波、采样保持、多路转换、模-数转换等功能块。

其作用：将所检测的模拟量准确地转换为微机所需数字量。2、微机主系统2.5微机保护硬件微机主系统（）：微处理器、只读存储器、随机存储器、定时器、并行及串行接口等。3、开关量输入/输出

由并行口适配器、光隔器件及触点中间继电器等组成。

主要实现：各种保护的出口跳闸、信号报警、外部触点输入及人机对话、通信等功能。2.5微机保护硬件2.5.2数据采集系统1、电压形成回路微机保护模拟量的设置以满足保护功能为基本准则，输入量与计算方法结合后，能够反映被保护对象的所有故障特征。以高压输电线路距离保护为例：2.5微机保护硬件

模拟量一般设置为：三相相电流、零序电流、三相相电压和线路侧相电压。

微机保护从被保护对象的电流、电压互感器或其他变换器上取得信息，但互感器二次值对微机保护电路不适用，通常将输入量变换为±5伏或±10伏范围内的电压信号。因此采用中间变换器实现。2.5微机保护硬件2、采样保持电路和低通滤波器采样基本原理：在极短时间内测量输入量在该时刻瞬时值，并在模-数转换期间保持不变。要求：电子模拟开关AS的闭合时间应满足有足够的充电或放电时间，即采样时间。2.5微机保护硬件对采样保持电路的要求：

采样宽度短、保持时间长、模拟开关的动作延时、闭合电阻和开断时的漏电流要小。2.5微机保护硬件2.5微机保护硬件采样频率的选择：采样间隔的倒数称为采样频率。2.5微机保护硬件要求：采样频率必须大于2倍最大频率，即采样定理。

因短路瞬间电流、电压中含有高频率信号，为了防止混叠误差，要求采样频率很高，势必增加对硬件的要求。目前大多数微机保护原理是反映工频量的，可以在采样之前将最高信号波频率分量限制在一定频带内。一般在采样前用一个低通滤波器（ALF）将高频分量滤掉。2.5微机保护硬件3、多路转换开关

多路转换开关又称多路转换器，它是将多个采样保持后信号逐一与模数转换器芯片接通的控制电路。常被测量或被控制量往往可能是几路或几十路。例如，阻抗、功率方向等都要求对各个模拟量同时采样，以准确的获得各个量之间的相位关系，以进行保护计算。2.5微机保护硬件

在微机保护中，各个通道模拟电压是在同瞬间采样并保持记忆，在保持期间各路被采样的模拟量电压依次被取出进行模-数转换，但微机所得到的仍认为是同一时刻的信息。4、模数转换器原理：电力系统中电流、电压为模拟量，微机只能对数字量进行运算，必须用模-数转换器将连续的模拟量转换为离散的数字量。2.5微机保护硬件模-数转换器被视为编码电路。它将输入模拟量相对于模拟参考量经编码电路转换成数字量输出。输入与输出关系：对于单极性模拟量，小数点在最高位前，既要求输入必须小于参考量。2.5微机保护硬件也可写成：

微机保护用的模数转换器绝大多数都是应用逐次逼近法实现的。2.5微机保护硬件原理：逐次逼近法是指数码设定方式是从最高位到低位逐次设定每位的数码是“1”或“0”，并逐位将所设定的数码转换为基准电压与待转换的电压相比较，从而确定各位数码应该是“1”还是“0”。2.5微机保护硬件2.5.3微机主系统主系统包括：中央处理器、只读存储器、电擦除可编程只读存储器、随机存取储器、定时器等。

1）中央处理器：用于实现微机保护整体控制及保护各种功能运算。2）只读存储器：用于存储各种编写好的程序，如监控程序、保护功能等。2.5微机保护硬件3）电擦除可编程只读存储器：用于存储保护定值等信息数据，保护定值的设定或修改可通过面板键盘实现。4）随机存储器：用于采样数据及运算过程中数据的暂存。5）定时器：用于计数、产生采样脉冲和实时钟等。2.5微机保护硬件

微机主系统还配有小键盘、液晶显示器和打印机等常用设备用于人机对话。4、开关量输入/输出电路（1）开关量输出电路2.5微机保护硬件微机保护装置中设开关量输出(DO，简称“开出”)电路，用于驱动各种继电器。如跳闸出口继电器、重合闸出口继电器、装置故障告警继电器等。开关量输出电路主要包括保护的跳闸出口、本地和中央信号及通信接口、打印机接口，一般都采用并行接口的输出口来控制有触点继电器的方法，但为提高抗干扰能力，经一级光电隔离。2.5微机保护硬件分类：一类是开出电源受告警，启动继电器的触点闭锁开出量；另一类是开出电源不受闭锁的开出量。

AXJ告警继电器触点；QDJ起动继电器触点。2.5微机保护硬件正常运行时，软件通过并行口发出闭锁开出电路的命令(即PB⋅7=1、PB⋅6=0、PB⋅5=0)，从而光电隔离不导通，出口继电器均不动作。2.5微机保护硬件发生故障后，起动继电器动作QDJ的触点闭合。经微机保护程序计算，如故障位于保护区内，则发出跳闸命令(即PB⋅7=0、PB⋅6=1)，光电隔离导通，三极管导通，24V电源经告警继电器的常闭触点、三极管、隔离二极管使出口继电器CKJ1动作。软件检查断路器跳闸成功后应收回跳闸命令。2.5微机保护硬件保护装置正常运行时，软件每隔一段时间对开出量电路进行一次检查。方法是：通过并行口发出动作命令(即PB⋅7=0、PB⋅6=1)，然后从并行口的输入线读取状态，当该位为低电平时，说明开出电路正确，否则说明开出电路有断路情况，报告开出电路故障。2.5微机保护硬件如检查正确，则再发出闭锁命令(即PB⋅7=1、PB⋅6=0)，然后从并行口的输入线读取状态，当该位为高电平时，说明开出电路正确，否则说明开出电路有短路情况，报告开出电路故障。2.5微机保护硬件2、开关量输入电路保护装置中一般设置几路开关量输入电路。开关量输入(DI，简称“开入”)主要用于识别运行方式、运行条件等，以便控制程序的流程。开关量输入电路主要是将外部一些开关触点引入微机保护的电路，通常外部触点不能直接引入微机保护装置，必须经过光电隔离芯片引入。开关量输入电路包括断路器和隔离开关的辅助触点或跳合闸位置继电器触点输入，外部装置闭锁重合闸触点输入，轻瓦斯和重瓦斯继电器触点输入，及装置上连接片位置输入等回路。2.5微机保护硬件开关量触点分类：1）安装在装置面板上的触点。这类触点指键盘触点及切换装置工作方式用的转换开关等。2)从装置外部经端子排引入装置的触点。由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板、转换开关以及其他保护装置和操作继电器的触点等。2.5微机保护硬件图a的原理：当外部触点接通时，光电隔离导通，其集电极输出低电位；当外部触点断开，光电隔离不导通，其集电极输出高电位，读并行口该位的状态，即可知道外部触点的状态。2.5微机保护硬件图b的原理：当外部触点接通时，光电隔离导通，其发射极输出高电位；当外部触点断开，光电隔离不导通，其发射极输出低电位，读并行口该位的状态，也可知道外部触点的状态。2.5微机保护硬件

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主讲人：许建安2.6微机软件系统配置微机保护软件分为监控程序和运行程序两部分。监控程序：对人机接口键盘命令处理程序及插件调试、整定设置、显示等配置的程序。运行程序：指保护装置在运行状态下所需执行的程序。

运行程序软件一般三个部分:2.6微机软件系统配置1）主程序:包括初始化，全面自检、开放及等待中断等；2）中断服务程序:通常有采样中断、串行口中断等。

采样中断包括数据采集与处理、保护起动判定等，串行口中断完成保护CPU与保护管理CPU之间的数据传送。

2.6微机软件配置3）故障处理程序:在保护起动后才投入，用以进行保护特性计算、判定故障性质等。2.6微机软件系统配置2.6微机软件系统配置1、主程序给保护装置上电或按复归按钮后，进行必要的初始化（初始化一）。如堆栈寄存器赋值、控制口的初始化、查询面板上开关的位置（如在调试位置进入监控程序，否则进入运行状态）。CPU开始运行状态所需的各种准备工作（初始化二）。2.6微机软件配置首先往并行控制口写数，让所有继电器处于正常位置；2.6微机软件配置然后询问面板上定值切换开关的位置，按照定值套号从EEPROM中取出定值，放至规定的定值区。准备好定值后，将对装置各部分进行全面自检，在确认一切良好后才允许数据采集系统开始工作。2.6微机软件配置完成采样系统初始化后，开放采样定时器中断和串行口中断，等待中断发生后转入中断服务程序。全面自检包括有：随机存储器读写检查，质读存储器程序和定值求和检查，开出量回路检查等。2.6微机软件配置若中断时刻未到，就进入循环状态。它不断进行循环通用自检及专用自检项目。2.6微机软件配置2.6微机软件系统配置通用自检包括有：定值选择拨轮的监视和开入量的监视等。2.6微机软件系统配置专用自检依不同的被保护元件或不同保护原理而设置。

2、采样中断服务程序包括：1）数据采样及存贮；2）电流差突变量启动元件；3）电压、电流求和自检。

2.6微机软件系统配置2.6微机软件系统配置进入中断服务程序后，先关闭其他中断，在中断返回前则应开中断。2.6微机软件配置求和中断故障中断电压、电流求和自检目的是检查是否断线。

延时60ms后一直满足，则置起动标志QDB=1，程序中断返回时转至故障处理程序。3、故障处理程序2.6微机软件系统配置进入故障处理程序先查电压、电流求和自检标志，以确定采样中断是求和自检不通过，还是相电流差突变量启动元件动作而进入故障处理程序。若求和自检不通过，需进一步判定自检不通过原因。

一次系统故障所致，那么此时应满足2.6微机软件系统配置(零序滤过器)当表明电压或电流采集通道故障，闭锁保护并报警。2.6微机软件系统配置（自产）2.6微机软件系统配置2.6微机软件系统配置4、算法分类2.6微机软件系统配置保护算法的实质是实现某种保护功能的数学模型。按该数学模型编制微机应用程序，对输入的实时离散数字信号量进行数学运算，从而获得保护动作的判据。简单地说保护的算法是从采样值中得到反应系统状态的特征量的方法。算法的输出是继电保护动作的依据。（1）分类：正弦量函数算法、微分方程算法、按实际波形的复杂数学模型算法及继电器动作方程直接算法。2.6微机软件系统配置分析算法评价方法：精度和速度。精度：则往往要利用更多的采样点和更多的计算量。速度：算法的数据窗长度（或称采样点数）、算法运算工作量。（2）正弦函数模型的算法2.6微机软件系统配置假设：被采样的电压、电流信号都是纯正弦特性，即不含有非周期分量，又不含有