1、廣西大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)論文 單片機(jī)在高壓線路保護(hù)中的應(yīng)用第一章 緒論第一節(jié) 研究課題背景及其意義線路保護(hù)在電力系統(tǒng)中發(fā)揮著十分重要的作用。在生產(chǎn)和生活中，線路是一個比較容易出現(xiàn)故障的地方，線路一旦發(fā)生故障，往往造成停電以及連接在線路中的電力設(shè)備的損壞，造成很大的損失。例如1998年12月8日，美國太平洋天然氣公司和電力公司在所屬的圣馬特奧變電所安裝新變壓器工作中，施工人員掛了一組臨時(shí)接地線，工作結(jié)束時(shí)忘記拆除，運(yùn)行人員合閘送電時(shí)造成短路故障。由于送電前該變電所相關(guān)保護(hù)未投入，致使向舊金山市和北半島輸電的5條115kV線路跳閘，引起系統(tǒng)潮流和電壓波動，舊金山市兩座發(fā)電廠解裂停機(jī)，造成大面積停電事故。還

2、有對于2008年初我國的南方雪災(zāi)，我們依然記憶猶新。根據(jù)中國南方電網(wǎng)公司副總經(jīng)理肖鵬介紹，災(zāi)害造成南方電網(wǎng)和國家電網(wǎng)公司36740條10千伏及以上電力線路停運(yùn)，各電壓登記線路桿塔倒塌及損壞97萬多處，導(dǎo)致3348萬戶、1億多人口停電。在此次災(zāi)害中，中國南方電網(wǎng)公司的直接損失為134.3億元，國家電網(wǎng)公司的直接損失為104億元。在發(fā)電系統(tǒng)，中央發(fā)電企業(yè)的直接損失超過了6.3億元，間接損失超過60億元，這次災(zāi)害為世界電力工業(yè)史所罕見。因此線路保護(hù)是否可靠是關(guān)系到整個電網(wǎng)安全的關(guān)鍵因素，輸電線路的保護(hù)成為繼電保護(hù)系統(tǒng)中最重要的部分之一。繼電保護(hù)是電力系統(tǒng)中一種重要的保護(hù)措施，它的基本任務(wù)是：（1）當(dāng)

3、電力系統(tǒng)的被保護(hù)元件發(fā)生故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置應(yīng)能自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，以保證無故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行，并使故障元件免于繼續(xù)遭受損害。（2）當(dāng)電力系統(tǒng)被保護(hù)元件出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，繼電保護(hù)應(yīng)能及時(shí)反應(yīng)，并根據(jù)運(yùn)行維護(hù)條件，而動作于發(fā)出信號、減負(fù)荷或跳閘。此時(shí)一般不要求保護(hù)迅速動作，而是根據(jù)對電力系統(tǒng)及其元件的危害程度規(guī)定一定的延時(shí)，以免不必要動作和由于干擾而引起的誤動作。第二節(jié) 國內(nèi)外繼電保護(hù)技術(shù)的歷史與發(fā)展現(xiàn)狀繼電保護(hù)從形成概念到現(xiàn)在剛過百年.但其技術(shù)卻有飛速發(fā)展，從最初的機(jī)電型發(fā)展到今天的微機(jī)型，經(jīng)歷了四代的更新。1901年出現(xiàn)了感應(yīng)型過電流繼電器。1908年提出

4、了比較被保護(hù)元件兩端的電流差動保護(hù)原理。1910年方向性電流保護(hù)開始得到應(yīng)用，在此時(shí)期也出現(xiàn)了將電壓與電流相比較的保護(hù)原理，并導(dǎo)致了20世紀(jì)20年代初距離保護(hù)裝置的出現(xiàn)。在1927年前后，出現(xiàn)了利用高壓輸電線路上高頻載波電流傳送和比較輸電線路兩端功率方向或電流相位的高頻保護(hù)裝置。在20世紀(jì)50年代，微波中繼通信開始應(yīng)用于電力系統(tǒng)，從而出現(xiàn)了利用微波傳送和比較輸電線路兩端故障電氣量的微波保護(hù)。與此同時(shí)，構(gòu)成繼電保護(hù)裝置的元件、材料，保護(hù)裝置的結(jié)構(gòu)型式和制造工藝也發(fā)生了巨大的變革。20世紀(jì)50年代以前的繼電保護(hù)都是由電磁型、感應(yīng)型或電動型繼電器組成的。這些繼電器都具有機(jī)械轉(zhuǎn)動部件，通稱為機(jī)電式繼電

5、器，但這種保護(hù)裝置體積大，消耗功率大，動作速度慢，機(jī)械轉(zhuǎn)動部分和觸點(diǎn)容易磨損或粘連，調(diào)試維護(hù)比較復(fù)雜，不能滿足超高壓、大容量電力系統(tǒng)的要求。20世紀(jì)50年代，由于半導(dǎo)體晶體管的發(fā)展，開始出現(xiàn)了晶體管式繼電保護(hù)裝置。這種保護(hù)裝置體積小，功率消耗小，動作速度快，無機(jī)械轉(zhuǎn)動部分，稱為電子式靜態(tài)保護(hù)裝置，20世紀(jì)70年代時(shí)晶體管繼電保護(hù)裝置在我國大量采用的時(shí)期，滿足了當(dāng)時(shí)電力系統(tǒng)向超高壓、大容量方向發(fā)展的需要。由于集成電路技術(shù)的發(fā)展，可以將數(shù)十個或更多的晶體管集成在一個半導(dǎo)體芯片上，從而出現(xiàn)了體積更小、工作更加可靠的集成運(yùn)算放大器和集成電路元件，20世紀(jì)80年代后期，標(biāo)志著靜態(tài)繼電保護(hù)從第一代（晶體管

6、式）向第二代（集成電路式）的過渡，目前，集成電路靜態(tài)繼電保護(hù)裝置的主要形式。在20世紀(jì)60年代末，就提出了用小型計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的設(shè)想，但是因?yàn)樾⌒陀?jì)算機(jī)價(jià)格昂貴，難以在實(shí)用上采用。隨著微處理器技術(shù)的迅速發(fā)展及其價(jià)格急劇下降，在20世紀(jì)70年代后半期，出現(xiàn)了比較完善的微型計(jì)算機(jī)保護(hù)樣機(jī)，并投入到電力系統(tǒng)中試運(yùn)行，20世紀(jì)80年代微型計(jì)算機(jī)保護(hù)在硬件結(jié)構(gòu)和軟件技術(shù)方面已趨成熟，并已經(jīng)在一些國家推廣使用，這就是第三代的繼電保護(hù)裝置，微型計(jì)算機(jī)保護(hù)具有巨大的計(jì)算、分析和邏輯判斷能力，由存儲記憶功能，因而可用以實(shí)現(xiàn)任何性能完善且復(fù)雜的保護(hù)原理，且具有很高的可靠性，進(jìn)入20世紀(jì)90年代以來，在我國得到

7、大量應(yīng)用，將成為繼電保護(hù)裝置的主要形式，可以說微型計(jì)算機(jī)已經(jīng)成為電力系統(tǒng)保護(hù)、控制、運(yùn)行調(diào)度及事故處理的統(tǒng)一計(jì)算機(jī)系統(tǒng)的組成部分。在國內(nèi)，我國的繼電保護(hù)起步晚，在對微機(jī)繼電保護(hù)的研究過程中，高等院校和科研院所起了先導(dǎo)的作用。從70年代開始，華中理工大學(xué)、東南大學(xué)、華北電力學(xué)院、西安交通大學(xué)自動化研究院都相繼研制了不同原理和不同型式的微機(jī)保護(hù)裝置。1984年原華北電力學(xué)院研制的輸電線路微機(jī)保護(hù)裝置首先通過鑒定并在系統(tǒng)中得以應(yīng)用，揭開了我國繼電保護(hù)發(fā)展史上新的一頁，為微機(jī)保護(hù)的推廣開辟了道路。國內(nèi)目前已有眾多廠家能生產(chǎn)微機(jī)遠(yuǎn)動、微機(jī)保護(hù)等設(shè)備，大部分己經(jīng)達(dá)到能投入實(shí)際運(yùn)行的水平，有些產(chǎn)品如微機(jī)保護(hù)

8、已躋身國際先進(jìn)行列。目前國內(nèi)微機(jī)保護(hù)自動化工作正處于飛速發(fā)展、蒸蒸日上的階段。目前國內(nèi)外應(yīng)用于微機(jī)保護(hù)的處理器有單片機(jī)、DSP和嵌入式的處理器。單片機(jī)是通過大規(guī)模集成電路技術(shù)將CPU、ROM、RAM等封裝在一個芯片中，具有接口設(shè)計(jì)簡單、可靠性高、低功耗和性價(jià)比高的特點(diǎn)，從最初的8位單片機(jī)到16位、32位單片機(jī)的保護(hù)設(shè)計(jì)；從最初的單CPU到現(xiàn)在的多CPU，都在電力系統(tǒng)微機(jī)保護(hù)中得到了廣泛的應(yīng)用。總的來說，用單片機(jī)實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)系統(tǒng)有以下幾個優(yōu)點(diǎn):(l) 單片機(jī)價(jià)格低廉，接口電路設(shè)計(jì)簡單，擴(kuò)展外圍電路比較容易。(2) 單片機(jī)主要面向控制領(lǐng)域，抗干擾能力強(qiáng)，可靠性比較高。(3) 單片機(jī)技術(shù)基本己經(jīng)成熟

9、，可參考的例子和資料非常多，可以縮短開發(fā)周期。第三節(jié) 論文的主要工作首先，本文先介紹了輸電線路的故障類型和原因，介紹了輸電線路的故障診斷方法，并且針對2008年初的南方雪災(zāi)探討了輸電線路覆冰的原因和對策，然后分析了輸電線路上的繼電保護(hù)。接著，本文以ATmega16單片機(jī)作為硬件核心，將采集到的電氣量等模擬量信號經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為數(shù)字量信號后送入單片機(jī)系統(tǒng)中進(jìn)行處理，通過處理的結(jié)果來判斷輸電線路是否存在故障和故障類型等。本系統(tǒng)采用相應(yīng)的線路電流保護(hù)、距離保護(hù)、差動保護(hù)等繼電保護(hù)來防止因短路故障或不正常運(yùn)行狀態(tài)造成的線路損壞，以此提高供電的可靠性。第二章 線路故障分析第一節(jié) 線路常見故障類型及

10、其分析一、短 路 線路故障中最嚴(yán)重的故障是短路故障。所謂短路，是指電力系統(tǒng)正常運(yùn)行情況以外的一切相與相之間或相與地之間的“短接”。在電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)，除中性點(diǎn)外，相與相或相與地之間是絕緣的。如果由于某種原因使其絕緣破壞而構(gòu)成短路，就稱電力系統(tǒng)發(fā)生了短路故障。其產(chǎn)生的主要原因是電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞所致。1.短路的原因 造成短路的主要原因，是電氣設(shè)備載流部分的絕緣損壞。比如，設(shè)備長期運(yùn)行，絕緣自然老化；設(shè)備本身設(shè)計(jì)、安裝和運(yùn)行維護(hù)不良；絕緣材料陳舊；絕緣強(qiáng)度不夠而被正常電壓擊穿；設(shè)備絕緣正常而被過電壓（包括雷電過電壓）擊穿；設(shè)備絕緣受到外力損傷等都可能造成短路。電力線路發(fā)生斷線和倒桿事故可

11、能導(dǎo)致短路。運(yùn)行人員不遵守操作規(guī)程發(fā)生的誤操作，如帶負(fù)荷拉、合隔離開關(guān)，檢修后忘拆除地線合閘等。鳥獸跨越在裸露的相線之間或相線與接地物體之間，或者咬壞設(shè)備導(dǎo)線的絕緣，也是導(dǎo)致短路的一個原因。2、短路的危害 發(fā)生短路時(shí)，由于部分負(fù)荷阻抗被短接掉，供電系統(tǒng)的總阻抗減小，因而短路回路中的短路電流比正常工作電流大得多。在大容量電力系統(tǒng)中，短路電流可達(dá)幾萬安培甚至幾十萬安培。如此大的短路電流會對供電系統(tǒng)產(chǎn)生極大的危害。 1）短路電流通過導(dǎo)體時(shí)，使導(dǎo)體大量發(fā)熱，溫度急劇升高，從而破壞設(shè)備絕緣；同時(shí)，通過短路電流的導(dǎo)體會受到很大的電動力作用，使導(dǎo)體變形甚至損壞。2）短路可造成停電狀態(tài)，而且越靠近電源，停電范

12、圍越大，給國民經(jīng)濟(jì)造成的損失也越大。3）嚴(yán)重的短路故障若發(fā)生在靠近電源的地方，且維持時(shí)間較長，可使并聯(lián)運(yùn)行的發(fā)電機(jī)組失去同步，嚴(yán)重的可能造成系統(tǒng)解列。4）不對稱的接地短路，其不平衡電流將產(chǎn)生較強(qiáng)的不平衡磁場，對附近的通信線路、電子設(shè)備及其他弱電控制系統(tǒng)可能產(chǎn)生干擾信號，使通訊失真、控制失靈、設(shè)備產(chǎn)生誤動作。由此可見，短路的后果是十分嚴(yán)重的。所以必須設(shè)法消除可能引起短路的一切因素，使系統(tǒng)安全可靠地運(yùn)行。3.短路的類型在三相系統(tǒng)中，可能發(fā)生的短路類型有三相短路、兩相短路、兩相接地短路和單相短路。三相短路是對稱短路，用表示，如圖21（a）所示。因?yàn)槎搪坊芈返娜嘧杩瓜嗟龋匀喽搪冯娏骱碗妷喝匀皇?/p>

13、對稱的，只是電流比正常值增大，電壓比額定值降低。三相短路發(fā)生的概率最小，只有5%左右，但它卻是危害最嚴(yán)重的短路形式。圖2-1短路的類型兩相短路是不對稱短路，用表示，如圖2-1（b）所示。兩相短路的發(fā)生概率約在10%-15%左右。兩相接地短路也是一種不對稱短路，用表示，如圖2-1（c）和2-1（d）所示。它是指中性點(diǎn)不接地系統(tǒng)中兩不同相均發(fā)生單相接地而形成的兩相短路，亦指兩相短路后又接地的情況。兩相接地短路發(fā)生的概率約在10%-20%左右。單相短路用表示，如圖2-1（e）和2-1（f）所示，也是一種不對稱短路。它的危害雖不如其他短路形式嚴(yán)重，但在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生的概率最高，約占短路故障

14、的65%-70%。二、斷 線1.斷線的危害斷路是最常見的故障。斷路故障最基本的表現(xiàn)形式是回路不通。在某些情況下，斷路還會引起過電壓，斷路點(diǎn)產(chǎn)生的電弧還可能導(dǎo)致電氣火災(zāi)和爆炸事故。1）斷路點(diǎn)電弧故障。電路斷線，尤其是那些似斷非斷點(diǎn)(即時(shí)斷時(shí)通的斷路點(diǎn))，在斷開瞬間往往會產(chǎn)生電弧，或者在斷路點(diǎn)產(chǎn)生高溫，電力線路中的電弧和高溫可能會釀成火災(zāi)。2）三相電路中的斷路故障。三相電路中，如果發(fā)生一相斷路故障，一則可能使電動機(jī)因缺相運(yùn)行而被燒毀；二則使三相電路不對稱，各相電壓發(fā)生變化，使其中的相電壓升高，造成事故。三相電路中，如果零線(中性線)斷路，則單相負(fù)荷影響更大。3）架空線路發(fā)生斷線故障，不但影響供電可

15、靠性，而且由于斷線下垂至地面，容易引發(fā)安全事故。發(fā)生斷線故障以后，系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)的三相對稱性被破壞，流過配電變壓器的三相電流步平衡，個別相繞組可能已經(jīng)過負(fù)荷或過熱。他還會引起系統(tǒng)電壓的不對稱，使電能質(zhì)量變壞。2.斷線故障的原因有很多原因可能導(dǎo)致導(dǎo)線斷裂。常見機(jī)械性破壞故障，如倒桿，外力斷線等;耐張桿塔的相跳線因接頭不良或燒斷等造成線路的缺相運(yùn)行。普通型絕緣導(dǎo)線配電線路斷線事故的部分原因是由于雷電引起絕緣子閃絡(luò)引發(fā)工頻續(xù)流燒斷導(dǎo)線。在以前采用架空裸導(dǎo)線時(shí)，同樣也會由于雷電(直擊或感應(yīng))引起閃絡(luò)事故，也存在工頻續(xù)流的問題。但工頻續(xù)流在其電磁力的作用下，電弧會沿著導(dǎo)線滑動，不會集中在某一點(diǎn)燒蝕，不存

16、在斷線問題。而采用絕緣導(dǎo)線后，電弧集中在某一點(diǎn)而不能滑動，則最終導(dǎo)致導(dǎo)線的燒斷。造成普通型絕緣導(dǎo)線配電線路斷線的另一個原因是綁扎線與絕緣導(dǎo)線之間的間隙，發(fā)生局部放電引起的。當(dāng)絕緣支架表面積污穢并在濕潤天氣條件下，相間導(dǎo)線在支架處將產(chǎn)生較大的泄漏電流，泄漏電流產(chǎn)生的熱效應(yīng)使支架溫度超出聚碳酸脂的工作范圍，從而引起支架絕緣性能的下降。當(dāng)泄漏電流發(fā)展成電弧，支架的耐電弧能力完全不能阻止電弧發(fā)展時(shí)，導(dǎo)線絕緣層在泄漏電流和電弧作用下?lián)p壞，則電弧持續(xù)發(fā)展，電弧在導(dǎo)線夾緊處燃燒，最終導(dǎo)致斷線。導(dǎo)線在風(fēng)力作用下將產(chǎn)生振動，固定導(dǎo)線的支架將受到交替應(yīng)力作用，由于支架的耐疲勞強(qiáng)度較低，極易產(chǎn)生開裂。支架在戶外強(qiáng)烈

17、日光作用下，易引起裂紋或破碎。另外，聚碳酸脂在加工過程中，由于模具設(shè)計(jì)不當(dāng)，加工方法欠妥也會使支架容易開裂。三、線路接地故障線路接地一般有如下原因: 1）線路附近的樹枝等碰及導(dǎo)線。 2）導(dǎo)線接頭處氧化腐蝕脫落，導(dǎo)線斷開落地。 3）外因破壞造成導(dǎo)線斷開落地。如在線路附近伐樹倒在線路上，線跨越道路時(shí)汽車碰斷等。4）電氣元件絕緣能力下降，對附近物體放電。第二節(jié) 線路的故障診斷一、單相接地故障的確定當(dāng)輸電線路上一相的某一點(diǎn)發(fā)生單相接地故障時(shí)，其故障特征是:該點(diǎn)的對地電壓遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于正常相的對地電壓。若某一相電壓乘以10以后仍然小于另外兩相的對地電壓，則可判斷出該相發(fā)生單相接地故障。二、相間故障的確定相間故

18、障的特征是:非故障相電流遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于故障相電流，因?yàn)楣收舷嗟碾娏魇前l(fā)生相間故障時(shí)由電源提供的短路電流，而非故障相電流則是該相的對地電容電流。所以判據(jù)與單相接地時(shí)相仿，即某一相電流乘以10以后仍小于另外兩相的故障電流，則可判斷出另外兩相發(fā)生相間故障。三、三相接地故障的確定當(dāng)輸電線路發(fā)生三相接地故障時(shí)，其故障特征是:線電壓和相電流突變，用故障前和故障后的量比較，即可判斷出是否發(fā)生三相故障。四、斷路故障的確定當(dāng)輸電線路上一相的某一點(diǎn)發(fā)生了單相斷路故障時(shí)，其故障特征是:故障相的電流很小，故障點(diǎn)前的電壓為額定供電電壓，故障點(diǎn)后邊各點(diǎn)的電壓減小。五. 內(nèi)部故障信息的提取方法故障信息分為內(nèi)部故障信息和外部故障信

19、息兩類。內(nèi)部故障信息用于切除故障設(shè)備，外部故障信息用于防止切除非故障設(shè)備。內(nèi)部故障信息的提取方法是根據(jù)比較被保護(hù)對象輸入輸出電氣量的基本原理實(shí)現(xiàn)的。按被比較電氣量的性質(zhì)來劃分，提取內(nèi)部故障信息的方法有：（1）電流差動法。電流差動法是應(yīng)用最廣泛且性能特別優(yōu)越的一種獲得內(nèi)部故障信息的方法。其所以性能特別優(yōu)越，是因?yàn)檫@種方法兼有區(qū)分非故障狀態(tài)和故障狀態(tài)和故障設(shè)備與非故障設(shè)備的雙重功能。（2）電流相位比較法。電流相位比較法是電流差動法的一種特殊情況，它只利用了電流向量中的相位信息，舍去了幅值信息。（3）方向比較法。方向比較法是根據(jù)被保護(hù)對象輸入和輸出各端的功率方向判定內(nèi)部或外部故障，在規(guī)定指向被保護(hù)對

20、象的功率方向?yàn)檎较驎r(shí)，則其所有的聯(lián)系線上的功率方向均為正方向即可判斷時(shí)內(nèi)部故障，當(dāng)不符合上述條件時(shí)判為外部故障。用方向比較法提取內(nèi)部故障信息時(shí)，需要在保護(hù)對象的各端獲得方向信息，而方向信息是由電壓和電流之間的相位關(guān)系決定的，不僅需要電壓量，也需要電流量。（4）量值區(qū)分法。量值區(qū)分法是用數(shù)值大小來區(qū)分內(nèi)部或外部故障。如電流速斷和距離保護(hù)I段等。但是，利用這種方法提取的內(nèi)部故障信息是不完全的，它丟失了保護(hù)范圍以外的內(nèi)部故障信息。（5）邏輯判定法。根據(jù)邏輯關(guān)系獲得故障信息是邏輯判定法的幾處。如過電流保護(hù)中的電流元件只能判別出現(xiàn)故障，但不具有獲得內(nèi)部故障信息的能力。為了取得內(nèi)部故障信息，增設(shè)了時(shí)間元

21、件。在規(guī)定的時(shí)間內(nèi)故障未被消除，則判定為內(nèi)部故障。第三節(jié) 輸電線路覆冰的原因和對策一、線路覆冰的形成及冰害故障類型輸電線路導(dǎo)線表面產(chǎn)生覆冰，必須達(dá)到以下氣象條件：1）氣溫及導(dǎo)線表面溫度達(dá)到0ºC以下；2）空氣相對濕度在85%以上；3）風(fēng)速大于1m/s。較高濕度空氣中的液水是產(chǎn)生覆冰的水來源，風(fēng)的作用使空氣中的過冷卻水滴產(chǎn)生運(yùn)動，與導(dǎo)線發(fā)生碰撞后被導(dǎo)線捕獲，較低的溫度使水滴產(chǎn)生凍結(jié)。試驗(yàn)及研究表明，當(dāng)空氣相對濕度小或無風(fēng)或風(fēng)速很小，及時(shí)空氣溫度在0ºC以下，導(dǎo)線上基本不會發(fā)生覆冰現(xiàn)象。導(dǎo)線覆冰的形狀也有所不同，如圓形、橢圓形、松針形等。導(dǎo)線覆冰首先在迎風(fēng)面上生長，如風(fēng)向不發(fā)生

22、急劇變化，迎風(fēng)面上的覆冰厚度就會繼續(xù)增加。當(dāng)迎風(fēng)面冰達(dá)到一定厚度，其重量足以使導(dǎo)線扭轉(zhuǎn)時(shí)，導(dǎo)線發(fā)生扭轉(zhuǎn)現(xiàn)象；導(dǎo)線再扭轉(zhuǎn)，覆冰就會繼續(xù)成長變大，會在導(dǎo)線上形成圓形或橢圓形的覆冰。覆冰對線路的危害有過負(fù)荷、覆冰舞動和脫冰跳躍、絕緣子冰閃，會造成桿塔變形、倒塔、導(dǎo)線斷股、金具和絕緣子損壞、絕緣子閃絡(luò)。圖2-2 南方雪災(zāi)中的電力設(shè)施二、輸電線路抗冰設(shè)計(jì)方法（一）認(rèn)真調(diào)查氣象條件、避開不利的地形對于地形復(fù)雜多變的微氣象覆冰區(qū)，應(yīng)充分利用有利氣象、地形因素，盡量避開最嚴(yán)重的覆冰地段或避重就輕。為了較好地確定氣象條件及“微地形”或“微氣象”覆冰的影響，應(yīng)有計(jì)劃地先期在沿線建立觀測站，以便掌握覆冰的特征和資料

23、。當(dāng)線路通過覆冰地區(qū)成為不可避免時(shí)，應(yīng)力求“避重就輕”，即進(jìn)行線路路徑選擇時(shí)，應(yīng)盡量做到避開最嚴(yán)重的覆冰地段，線路宜沿起伏不大的地形走線。盡量避開橫跨埡口、風(fēng)道和通過湖泊、水庫等容易覆冰的地帶。翻越山嶺時(shí)應(yīng)避免大檔距、大高差。沿山嶺通過時(shí)，宜沿覆冰季節(jié)背風(fēng)或向陽面走線，應(yīng)避免將轉(zhuǎn)角點(diǎn)架設(shè)在開闊的山脊上，且轉(zhuǎn)角角度不宜過大，如遇臺風(fēng)地寬窄不一、不連續(xù)時(shí)，則注意選取云霧不連續(xù)地段，達(dá)到減小覆冰概率和減輕覆冰程度的目的。（二）采取抗冰措施對于確定為覆冰地段的輸電線路，可根據(jù)其具體情況采取以下預(yù)防抗冰措施。1.防倒塔斷線措施（1）在海拔較高、濕度較大、雨凇和霧凇易于形成的山頂、風(fēng)口、埡口地帶，對較長的

24、耐張段，宜在中間適當(dāng)位置設(shè)立耐張塔或加強(qiáng)型直線塔，以避免一基倒塌引起的連環(huán)破壞。（2）對于檔距較大的覆冰地段，采取增加桿塔、縮小檔距的措施，以增加導(dǎo)地線的過載能力，減輕桿塔荷載，減小不均勻脫冰時(shí)導(dǎo)地線相碰撞的機(jī)遇。對重覆冰區(qū)新建線路應(yīng)盡量避免大檔距，使重覆冰區(qū)線路檔距較為均勻。（3）加強(qiáng)桿塔、縮短耐張段長度。將事故頻繁、荷重較大、兩側(cè)檔距相差較大及垂直檔距系數(shù)小于0.6的直線桿塔采用加固措施后改為耐張塔；對于橫跨峽谷、風(fēng)口處則改為孤立檔，并相應(yīng)加強(qiáng)桿塔。（4）改善桿塔結(jié)構(gòu)、擴(kuò)大導(dǎo)線與地線的水平位移。（5）為減少或防止覆冰后鋼芯鋁絞線斷線或斷股，重覆冰區(qū)輸電線路導(dǎo)線可采用高強(qiáng)度鋼芯鋁合金或其它加

25、強(qiáng)型的抗冰導(dǎo)線。（6）為減輕或防止重覆冰區(qū)線路由于不平衡張力作用和脫冰跳躍震動而損害導(dǎo)線，宜采用預(yù)絞絲護(hù)線條保護(hù)導(dǎo)線。（7）對于懸掛角與垂直檔距較大的直線桿塔采用雙線夾，以增加線夾出口處導(dǎo)線的受彎強(qiáng)度。2.防絕緣子串冰閃措施（1）懸式絕緣子串增加大盤徑傘裙阻隔法。（2）懸垂絕緣子串斜掛法。（3）為防止桿塔橫擔(dān)上積水，冰水不致淌落到絕緣子串上，可在絕緣子串懸掛點(diǎn)處增設(shè)一塊防水擋板。（4）涂具有憎水性能的涂料。3.防導(dǎo)線舞動措施（1）開展導(dǎo)線舞動觀測，力求獲取全面的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)和資料，劃分舞動易發(fā)區(qū)域，用以設(shè)計(jì)避讓時(shí)參考。（2）改進(jìn)鐵塔緊固方式，加強(qiáng)易舞動地區(qū)桿塔強(qiáng)度。（3）對易舞動區(qū)域線路直線桿塔，

26、設(shè)計(jì)時(shí)加大導(dǎo)線間距離，這不能避免導(dǎo)線舞動，但可避免它造成的相間短路。（4）利用失諧錘、重錘、集中防震錘的阻尼作用抑制起舞條件，但對不同線路效果各異，因這些裝置的設(shè)計(jì)特性不能完全耦合所有頻率的導(dǎo)線舞動。（5）新線路采用雙絞線導(dǎo)線，不但可提高輸電能力，而且其阻尼特性可破壞導(dǎo)線覆冰形狀，改變其空氣動力學(xué)特性，防止舞動。三、線路防冰、除冰方法防覆冰方法時(shí)在覆冰物體覆冰前采取各種有效技術(shù)措施，使各種形式的冰在覆冰物體上無法積覆，或即使積覆，其總的覆冰載荷也能控制在物體可承受的范圍內(nèi)。除冰方法定義為物體覆冰達(dá)到危險(xiǎn)狀態(tài)后采取有效措施，部分或全部除去物體上覆冰的方法或措施。一般來說，只有當(dāng)設(shè)計(jì)階段無法達(dá)到抗

27、冰目的和無法了解輸電線路的局部地區(qū)的準(zhǔn)確覆冰情況時(shí)，才采取后期防冰除冰技術(shù)方法。國內(nèi)外用來防冰、除冰的方法很多，這些方法從類別上可分為：（1）熱力融冰法。包括潮流分配、短路電流、鐵磁線、熱氣、熱吸收器、電磁波微波激光器等。（2）機(jī)械破冰法。包括“adhoc”方法、風(fēng)力、電磁力、強(qiáng)力震動、電磁脈沖、超聲震動、氣動法等。（3）自然被動法。包括平衡導(dǎo)線重量、使用防雪環(huán)、使用憎水、憎冰性涂料等。以上防冰、除冰的方法中可用于輸電線路的方法有：改變潮流分配法、短路融冰法等。1.改變潮流分配融冰工程應(yīng)用中針對輸電線路最方便、有效、適用的除冰方法為增大線路傳輸負(fù)荷電流。相同氣候條件下，重負(fù)載線路覆冰較輕或不覆

28、冰，輕載線路覆冰較重，而避雷線與架空地線相對于導(dǎo)線覆冰更多，這一現(xiàn)象與導(dǎo)線通過電流時(shí)的焦耳效應(yīng)有關(guān)。當(dāng)負(fù)荷電流足夠大時(shí)，導(dǎo)線自身的溫度超過冰點(diǎn)，則落在導(dǎo)體表面的雨雪就不會結(jié)冰。通過對導(dǎo)線在通流情況下的覆冰過程進(jìn)行有效的傳熱分析可得覆冰氣象條件下導(dǎo)線不覆冰的臨界負(fù)荷電流為式中：為1ºC時(shí)單位長度導(dǎo)體交流電阻，計(jì)算中可近似取20ºC的直流電阻；為單位長度輻射散熱；為單位長度對流散熱。、的值與外部氣候條件和導(dǎo)體本身情況有關(guān)。為防止導(dǎo)線覆冰，對220kV及以上輕載線路，主要依靠科學(xué)的調(diào)度，提前改變電網(wǎng)潮流分配，使線路電流達(dá)到臨界電流以上；110kV及以上變電所間的聯(lián)絡(luò)線，可通過調(diào)度

29、讓其帶負(fù)荷運(yùn)行，并達(dá)臨界電流以上。其它類型的重要輕載線路，可采用在線路末端變電所母線上裝設(shè)足夠容量的并聯(lián)電容器或電抗器以增大無功電流的辦法，達(dá)到導(dǎo)線不覆冰的目的，提升負(fù)荷電流防止覆冰。但此方法無法預(yù)防避雷線和架空地線上的覆冰。2.短路融冰三相短路融冰時(shí)指將線路的一端三相短路，另一端供給融冰電源，用較低電壓提供較大短路電流加熱導(dǎo)線的方法使導(dǎo)線上的覆冰融化。根據(jù)短路電流大小來選取合適的短路電壓是短路融冰的重要環(huán)節(jié)。對融冰線路施加融冰電流有兩種方法：發(fā)電機(jī)零起升壓和全電壓沖擊合閘。零起升壓對系統(tǒng)影響不是很大，但沖擊合閘在系統(tǒng)電壓較低、無功備用不足時(shí)有可能造成系統(tǒng)穩(wěn)定破壞事故。短路融冰時(shí)需將包括融冰線

30、路在內(nèi)所有融冰回路中架空輸電線停下來，對于大截面、雙分裂導(dǎo)線因無法選取融冰電源而難以做到，對500kV線路而言則更加困難。3.用電磁力為超高壓架空輸電線路除冰加拿大IREQ高壓實(shí)驗(yàn)室提出了一種新穎的基于電磁力的方法為覆冰嚴(yán)重的315kV雙分裂超高壓線路除冰，即將輸電線路在額定電壓下短路，同一相的兩個子導(dǎo)線的短路電流產(chǎn)生適當(dāng)?shù)碾姶帕κ箤?dǎo)體互相撞擊而使覆冰脫落。為了降低短路電流幅值和發(fā)導(dǎo)體的固有震蕩，增加其運(yùn)動幅度。實(shí)驗(yàn)表明，幅值分別為10kA和12kA的短路電流可以有效地為315kV雙分裂導(dǎo)線除冰。三相短路引起的電壓降落超過了系統(tǒng)可接受的程度，而單相短路引起的電壓降落幅度相對較小。雖然短路電流對

31、電力系統(tǒng)使不利的，但在嚴(yán)重冰災(zāi)的緊急情況下，可以在315kV系統(tǒng)應(yīng)用這種方法。第三章 線路保護(hù)分析第一節(jié) 繼電保護(hù)的基本要求及原理一、繼電保護(hù)的基本要求1選擇性當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置動作，只切除故障元件，并使停電范圍最小，以減小故障停電造成的損失。保護(hù)裝置這種能挑選故障元件的能力稱為保護(hù)的選擇性。 2. 速動性為了減小由于故障引起的損失，減少用戶在故障時(shí)低電壓下的工作時(shí)間，以及提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，要求繼電保護(hù)在發(fā)生故障時(shí)盡快動作將故障切除。快速地切除故障部分可以防止故障擴(kuò)大，減輕故障電流對電氣設(shè)備的損壞程度，加快供電系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。3. 靈敏性靈

32、敏性是指在保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)時(shí)，保護(hù)裝置的反應(yīng)能力。即在保護(hù)范圍內(nèi)故障時(shí)，不論短路點(diǎn)的位置以及短路的類型如何，保護(hù)裝置都能敏銳且正確地作出反應(yīng)。繼電保護(hù)裝置的靈敏性用靈敏度來衡量。4. 可靠性可靠性是指繼電保護(hù)裝置在其所規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生故障或不正常工作時(shí)，一定要準(zhǔn)確動作，即不能拒動；而不屬其保護(hù)范圍的故障或不正常工作時(shí)，一定不要動作，即不能誤動。二、繼電保護(hù)的基本原理電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，會引起電流的增加和電壓的降低，以及電流與電壓間相位的變化，因此電力系統(tǒng)中所應(yīng)用的各種繼電保護(hù)，大多數(shù)是利用故障時(shí)物理量與正常運(yùn)行時(shí)物理量的差別來構(gòu)成的。例如，反應(yīng)電流增大時(shí)的過電流保護(hù)以及反

33、應(yīng)電壓降低（或升高）時(shí)的低電壓（或過電壓）保護(hù)等。繼電保護(hù)原理結(jié)構(gòu)的方框圖，如圖31所示。它由三部分組成：即測量部分，用來測量被保護(hù)設(shè)備輸入的有關(guān)信號（電流、電壓等），并和已給定的整定值進(jìn)行比較判斷是否應(yīng)該起動；邏輯部分，根據(jù)測量部分各輸出量的大小、性質(zhì)及其組合或輸出順序，使保護(hù)裝置按照一定的邏輯程序工作，并將信號傳輸給執(zhí)行部分；執(zhí)行部分，限據(jù)邏輯部分傳輸?shù)男盘枺詈笸瓿杀Ｗo(hù)裝置所負(fù)擔(dān)的任務(wù)，給出跳閘或信號脈沖。 圖3-1 繼電保護(hù)原理結(jié)構(gòu)方框圖第二節(jié) 電流保護(hù)輸電線路發(fā)生短路時(shí)，電流突然增大，電壓降低。利用電流突然增大使保護(hù)動作而構(gòu)成的保護(hù)裝置，稱為電流保護(hù)。利用電壓降低構(gòu)成的保護(hù)，稱為電壓

34、保護(hù)。電壓、電流保護(hù)在35kV及以下輸電線路中被廣泛采用。根據(jù)線路故障對主、后備保護(hù)的要求，輸電線路的電流保護(hù)有三種:1.無時(shí)限電流速斷保護(hù)，簡稱電流保護(hù)第I段，其作用是保證在任何情況下只切除本線路上的故障，它是按照躲開相鄰線路出口處的最大短路電流來整定的。2.帶時(shí)限電流速斷保護(hù)，簡稱電流保護(hù)第II段，其作用是為了彌補(bǔ)電流速斷保護(hù)無法保護(hù)線路全長的缺陷， 3.定時(shí)限過電流保護(hù)，簡稱電流保護(hù)第III段，其作用是作本線路主保護(hù)的后備保護(hù)，即近后備保護(hù)，并作相鄰下一線路 (或元件)的后備保護(hù)，即遠(yuǎn)后備保護(hù)，電流保護(hù)的起動電流按照躲開最大負(fù)荷電流來整定，在動作時(shí)限上過電流保護(hù)滿足階梯狀的動作特性，即從

35、負(fù)荷到電源端依次提高一個時(shí)間階段。第 I 、II 、III段統(tǒng)稱為線路短路的三段式電流保護(hù)。一、無時(shí)限電流速斷保護(hù)1.無時(shí)限電流速斷保護(hù)工作原理對于反應(yīng)于短路電流幅值增大而瞬時(shí)動作的電流保護(hù)，稱為電流速斷保護(hù)。為了保證其選擇性，一般只能保護(hù)線路的一部分。對反應(yīng)電流升高而動作的電流速斷保護(hù)而言，能使該保護(hù)裝置啟動的最小電流值稱為保護(hù)裝置的整定電流，以表示，顯然必須當(dāng)實(shí)際的短路電流時(shí)，保護(hù)裝置才能動作。2.電流速斷保護(hù)的構(gòu)成電流速斷保護(hù)的單相構(gòu)成原理接線如圖3.2所示。過電流繼電器接于電流互感器TA的二次側(cè)，當(dāng)流過它的電流大于它的動作電流后，比較環(huán)節(jié)KA有輸出。在某些需要閉鎖跳閘回路，設(shè)置閉鎖環(huán)節(jié)

36、在保護(hù)不需要閉鎖時(shí)輸出為1，在保護(hù)需要閉鎖時(shí)輸出為0。當(dāng)比較環(huán)節(jié)KA有輸出并且不被閉鎖時(shí)，與門有輸出，發(fā)出跳閘命令的同時(shí)，啟動信號回路KS。 圖3-2 電流速斷保護(hù)單相原理接線二、帶時(shí)限電流速斷保護(hù) 電流I段保護(hù)并不能保護(hù)線路的全長，應(yīng)該在A母線處再裝設(shè)一套電流保護(hù)，這套電流保護(hù)用來保護(hù)AB線路的全長，這樣，如果在下一段相鄰線路BC靠近B端發(fā)生短路時(shí)，這套保護(hù)將會跳開 1DL而失去選擇性，因此，將這套保護(hù)啟動以后經(jīng)過一個延時(shí)再作用于出口跳閘，當(dāng)BC始端發(fā)生短路時(shí)，裝在B母線的電流速斷保護(hù)2首先動作，而裝在保護(hù)1處的帶延時(shí)的電流保護(hù)不會誤動，從而保證了選擇性。這套電流保護(hù)被稱為限時(shí)電流速斷保護(hù)，

37、也叫電流II段保護(hù)，電流II段保護(hù)的延時(shí)時(shí)間一般為0.3s左右。 在圖2.3中看出，只要AB間的II段電流保護(hù)范圍不超過BC間的I段電流保護(hù)范圍，就可以保證選擇性，即: 其中是AB 間II段電流保護(hù)的整定值，是BC間I段電流保護(hù)的整定值，為可靠系數(shù)，一般大于1.1。 在線路上安裝了電流I段和電流II段保護(hù)以后，整段線路的故障可在0.3-0.5s之內(nèi)得到解決，我們稱電流I段和II段保護(hù)為線路的主保護(hù)。圖3.3 三段式電流保護(hù)原理圖三、定時(shí)限過電流保護(hù) 1定時(shí)限過電流保護(hù)的動作原理如圖31所示為單端供電線路的定時(shí)限過電流保護(hù)的配置示意圖。圖34單端供電線路的定時(shí)限過電流保護(hù)的配置示意圖 圖中過電流

38、保護(hù)裝置1、2、3分別裝設(shè)在線路、的電源側(cè)，每套保護(hù)裝置主要保護(hù)本段線路和由該段線路直接供電的變電所母線。假設(shè)在線路上的k-1點(diǎn)發(fā)生相間短路，短路電流將由電源經(jīng)過線路、流到短路點(diǎn)k-1。如果短路電流大于保護(hù)裝置1、2、3的動作電流時(shí)，則三套保護(hù)將同時(shí)起動。根據(jù)選擇性的要求，應(yīng)該是距離故障點(diǎn)k-1最近的保護(hù)裝置3動作，使斷路器跳閘。為此，需以延時(shí)來保證選擇性，也就是使保護(hù)裝置3的動作時(shí)間小于保護(hù)裝置2和保護(hù)裝置1的動作時(shí)間和。這樣，當(dāng) k-1點(diǎn)短路時(shí)，保護(hù)裝置 3首先以較短的延時(shí) 動作使 跳閘。 跳閘后，短路電流消失，保護(hù)裝置 2和 1還來不及使 和 跳閘就返回到正常位置。同理，當(dāng)線路上的k-2

39、點(diǎn)發(fā)生相間短路時(shí)，為了保證選擇性，保護(hù)裝置2的動作時(shí)間應(yīng)小于保護(hù)裝置1的動作時(shí)間。因此，為了保證單端供電線路過電流保護(hù)動作的選擇性，保護(hù)裝置的動作時(shí)間必須滿足以下條件，即這種選擇保護(hù)裝置動作時(shí)間的方法，稱為時(shí)間階梯原則。2定時(shí)限過電流保護(hù)的整定（1）動作電流整定定時(shí)限過電流保護(hù)裝置一次動作電流為 =/ （3-1）考慮了接線系數(shù)和電流互感器的變比以后，過電流保護(hù)裝置的繼電器動作電流為 （3-2）式中 線路最大負(fù)荷電流，取（1.5-3）； 可靠系數(shù)，一般取1.151.25；電流互感器變化； 返回系數(shù)。對DL-10型電流繼電器一般取0.85-0.9；對GL-10型電流繼電器一般取動0.8。（2）靈敏

40、度校驗(yàn)按式（33）確定的動作電流，在線路出現(xiàn)最大負(fù)荷電流時(shí)不會發(fā)生誤動作。但當(dāng)線路發(fā)生各種短路故障時(shí)，保護(hù)裝置都必須準(zhǔn)確動作，即要求流過保護(hù)裝置的最小短路電流必須大于其動作電流。能否滿足這項(xiàng)要求，需要進(jìn)行靈敏度校驗(yàn)。具體校驗(yàn)方法分兩種情況進(jìn)行。過電流保護(hù)作為本段線路的近后備保護(hù)時(shí)，靈敏度校驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在被保護(hù)線路末端，其靈敏度應(yīng)滿足 （3-3）式中被保護(hù)線路末端在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下的兩相短路電流，即 （3-4）過電流保護(hù)作為相鄰線路的遠(yuǎn)后備保護(hù)時(shí)，其校驗(yàn)點(diǎn)設(shè)在相鄰線路末端，其靈敏度應(yīng)滿足 （3-5）第三節(jié) 距離保護(hù)1.距離保護(hù)的工作原理距離保護(hù)是以距離測量元件為基礎(chǔ)構(gòu)成的保護(hù)裝置。其動作和選擇性取決

41、于本地測量參數(shù) (阻抗、電抗、方向)與設(shè)定的被保護(hù)區(qū)段參數(shù)的比較結(jié)果，而阻抗、電抗又與輸電線的長度成正比，故名距離保護(hù)。 如圖3-5所示，假設(shè)各斷路器處所裝保護(hù)測量元件的輸入是該處的母線電壓 (稱為保護(hù)的測量電壓)和流經(jīng)該線路的電流 (稱為保護(hù)的測量電流)之比為該處保護(hù)的測量阻抗，即 (3-6)圖35 距離保護(hù)原理圖 在正常工作情況下， (母線的工作電壓)， (線路的負(fù)荷電流)，此時(shí)保護(hù)測量元件的測量阻抗為負(fù)荷阻抗，即如斷路器 1QF處負(fù)荷阻抗為: (3-7)顯然，正常運(yùn)行時(shí)母線上的工作電壓在額定值附近，一般來說，線路的負(fù)荷電流相對于短路電流小得多，故線路在負(fù)荷狀態(tài)下的測量阻抗值較大，且其角度

42、為負(fù)荷功率因數(shù)角。而在AB線路上點(diǎn)發(fā)生三相金屬性短路時(shí)，在斷路器1QF處所測量的阻抗 (等于該處母線殘余電壓與流經(jīng)該處保護(hù)的電流的比值)為： （3-8）式中，-點(diǎn)短路時(shí)保護(hù)安裝處A母線的殘余電壓，且。此時(shí)1QF處保護(hù)測量元件的測量阻抗即為短路阻抗及，即 (3-9)式中，一故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處的線路阻抗，其阻抗值小而阻抗角(稱為短路阻抗角)等于線路阻抗角。同理，點(diǎn)發(fā)生故障時(shí) (3-10) 設(shè)線路每公里的正序阻抗為，則 式中，-從故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處母線A的距離; -從故障點(diǎn)至保護(hù)安裝處母線A的距離。 因，故，即短路時(shí)測量阻抗的大小與短路點(diǎn)到保護(hù)安裝處的距離成正比。 線路距離保護(hù)與電流保護(hù)類同，亦可構(gòu)

43、成三段式距離保護(hù)，其中距離保護(hù)第I 、II段為線路的主保護(hù)，距離保護(hù)第III段為本線路主保護(hù)的近后備保護(hù)和相鄰元件的遠(yuǎn)后備保護(hù)。距離保護(hù)的構(gòu)成可用圖3-6所示的框圖來說明。圖3-6 三段式距離保護(hù)構(gòu)成的單相原理框圖圖中，、分別是距離保護(hù)第I 、II 、 III段的測量元件; 2KT和3KT分別是距離保護(hù)第II、III段的延時(shí)元件; 元件1是電流或阻抗測量元件，作為整套距離保護(hù)的啟動元件; 元件2和3分別是振蕩閉鎖元件和電壓互感器二次回路斷線閉鎖元件；1 KS、2KS、3KS為距離保護(hù)第 I、II、 III段的信號元件。第四節(jié) 縱聯(lián)保護(hù) 電流保護(hù)和距離保護(hù)用于輸電線路的主要缺陷是當(dāng)靠近線路斷路器

44、處發(fā)生故障時(shí)，遠(yuǎn)離故障側(cè)的保護(hù)只能以第II段延時(shí) (0. 5s，甚至大于0. 5s)切除故障，這對于很多重要的高壓網(wǎng)絡(luò)線是不允許的。為了電力系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，要求設(shè)置具有無延時(shí)切除線路任意處故障時(shí)的保護(hù)裝置。輸電線縱聯(lián)保護(hù)正是隨著電力系統(tǒng)的不斷發(fā)展，為滿足這種技術(shù)的要求而產(chǎn)生的。1.縱聯(lián)保護(hù)的工作原理 當(dāng)輸電線MN內(nèi)部出現(xiàn)短路故障(如圖3-7中點(diǎn)所示)時(shí)，流經(jīng)輸電線兩側(cè)斷路器的故障電流均從母線流向線路 (規(guī)定從母線流向線路為正，反之為負(fù))；而當(dāng)輸電線MN外部短路 (如圖中點(diǎn))時(shí)，實(shí)際上是同一個電流從線路的一端流入，又從另一端流出，即M側(cè)電流為正，N側(cè)電流為負(fù)。利用線路內(nèi)部短路兩側(cè)電流均從母線流向

45、線路，而外部短路一側(cè)電流從母線流向線路、另一側(cè)電流從線路流向母線的特點(diǎn)，保護(hù)裝置可通過直接或間接比較線路兩側(cè)電流 (或功率)方向來區(qū)分線路內(nèi)部和外部故障。縱聯(lián)保護(hù)的基本原理是:當(dāng)輸電線路內(nèi)部任何地點(diǎn)發(fā)生故障時(shí)，線路兩側(cè)電流為正方向，兩側(cè)保護(hù)無延時(shí)動作跳兩側(cè)斷路器，即1QF和2QF跳閘;當(dāng)輸電線路外部短路時(shí)，一側(cè)電流方向?yàn)檎⒘硪粋?cè)電流方向?yàn)樨?fù)，保護(hù)不動作。在理論上，縱聯(lián)保護(hù)有很好的選擇性、靈敏度，且能瞬時(shí)切除被保護(hù)線路內(nèi)部任一處的故障，故稱它為全線速動保護(hù)。 圖3-7 縱聯(lián)保護(hù)原理 根據(jù)向線路兩側(cè)傳輸電流（或功率）訊號的通道類型不同，縱聯(lián)保護(hù)通常可分為四種：導(dǎo)引線縱聯(lián)保護(hù)（簡稱導(dǎo)引線保護(hù)），電

46、力線載波縱聯(lián)保護(hù)（簡稱高頻保護(hù)），微波縱聯(lián)保護(hù)（簡稱微波保護(hù)）和光纖縱聯(lián)保護(hù)（簡稱光纖保護(hù)）。目前在超高壓輸電線路中廣泛采用的縱聯(lián)保護(hù)時(shí)高頻保護(hù)，其原理是將兩側(cè)電流的相位（或功率方向）轉(zhuǎn)化為高頻信號經(jīng)輸電線（稱高頻傳輸通道）傳至對側(cè)進(jìn)行直接或間接的相位比較（或邏輯判斷）來實(shí)現(xiàn)全線速動保護(hù)。縱聯(lián)保護(hù)作為220kV及以上電壓等級電網(wǎng)的主保護(hù)，它的優(yōu)缺點(diǎn)如下:1.能夠?qū)崿F(xiàn)全線無時(shí)限速動，在定值選擇上無需與下一條線路相配合，具有很好的選擇性和靈敏度。2.在原理上縱聯(lián)保護(hù)不能作為相鄰線路的后備保護(hù)。3.各種形式的縱聯(lián)保護(hù)都需要有相關(guān)的通信通道將線路各端的電氣量聯(lián)系起來，這樣既影響保護(hù)運(yùn)行的可靠性，又增加

47、了專用通道的投資費(fèi)用。第四章 線路保護(hù)裝置的硬件設(shè)計(jì)第一節(jié) 線路故障診斷系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)線路故障診斷系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖4-1所示。 本裝置硬件系統(tǒng)總體可分為以下幾個部分：數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)、計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)、人機(jī)接口、通信系統(tǒng)、電源系統(tǒng)。數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的功能是采集由被保護(hù)設(shè)備的電流電壓互感器輸入的模擬信號，經(jīng)過預(yù)處理后轉(zhuǎn)化為所需數(shù)字量；計(jì)算機(jī)主系統(tǒng)以ATmega16微處理器為核心，處理速度可達(dá)16MIPS，內(nèi)部含硬件乘法器，并自帶16K字節(jié)可編程Flash、512字節(jié)EEPROM，1K字節(jié)片內(nèi)SRAM；人機(jī)接口部分主要包括打印、顯示、鍵盤、各種面板開關(guān)等，其主要功能用于人機(jī)對話，如調(diào)試、定值調(diào)整、對微機(jī)工作

48、狀態(tài)的干預(yù)等；通信系統(tǒng)可以完成機(jī)間通信及遠(yuǎn)動的要求；電源系統(tǒng)提供了整個裝置所需的直流穩(wěn)壓電源，保證整個系統(tǒng)的可靠供電。第二節(jié) 單片機(jī)控制系統(tǒng)單片機(jī)控制系統(tǒng)由ATmega16、單八路模擬開關(guān)CD4051、電源等組成。Atmega16為系統(tǒng)的CPU，系統(tǒng)的所有操作都是由它進(jìn)行的。單片機(jī)控制系統(tǒng)是整個裝置的基礎(chǔ)，只有確保控制系統(tǒng)正常工作才能保證ATmega16能夠正常執(zhí)行程序，整個系統(tǒng)才可以正常工作，發(fā)揮它應(yīng)有的作用。1、 ATmega16單片機(jī)ATmega16是基于增強(qiáng)的AVR RISC結(jié)構(gòu)的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進(jìn)的指令集以及單時(shí)鐘周期指令執(zhí)行時(shí)間，ATmega16的數(shù)據(jù)吞吐率達(dá)1

49、MIPS/MHz，從而可以緩減系統(tǒng)在功耗和處理速度之間的矛盾，ATmega16工作電壓和速度等級為4.5-5.5V，16 MHz。ATmega16 有如下特點(diǎn):16K字節(jié)的系統(tǒng)內(nèi)可編程Flash，512 字節(jié)EEPROM，1K 字節(jié)SRAM，32 個通用I/O 口線，32 個通用工作寄存器，用于邊界掃描的JTAG 接口，支持片內(nèi)調(diào)試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時(shí)器/ 計(jì)數(shù)器(T/C),片內(nèi)/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，具有片內(nèi)振蕩器的可編程看門狗定時(shí)器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進(jìn)行選擇的省電模式。同時(shí)由于采用了小引腳封裝形式，所以其價(jià)格

50、僅與低檔單片機(jī)相當(dāng)，因此Atmgea16是一款性價(jià)比很高的8位單片機(jī)。（1）ATmega16引腳結(jié)構(gòu) ATmega16共有32個可編程的I/O口（腳），芯片封裝形式有40引腳的PDIP、44引腳的TQFP和44引腳的MLF封裝。在試驗(yàn)中可使用PDIP28封裝，在實(shí)際應(yīng)用時(shí)可使用貼片式（即TQFP封裝），因?yàn)樗w積小，容易縮小產(chǎn)品尺寸。ATmega16引腳結(jié)構(gòu)（PDIP封裝）如圖4-2所示：圖4-2 ATmega16 的引腳二、單八路模擬開關(guān)CD4051 CD4051輸出哪一通道，由3位地址碼ABC來決定。其真值表見表1。“INH”是禁止端，當(dāng)“INH”=1時(shí)，各通道均不接通。此外，CD4051

51、還設(shè)有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時(shí)使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數(shù)字信號能直接控制這種多路開關(guān)，并使這種多路開關(guān)可傳輸峰-峰值達(dá)15V的交流信號。例如，若模擬開關(guān)的供電電源VDD=+5V,VSS=0V,當(dāng)VEE=-5V時(shí)，只要對此模擬開關(guān)施加0-5V的數(shù)字控制信號，就可控制幅度范圍為-5V至+5V的模擬信號。表4-1 CD4051真值表輸入狀態(tài)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、電源電源是系統(tǒng)的重要組成部分，是系統(tǒng)穩(wěn)定正常工作的動力，本系統(tǒng)采

52、用7805電源芯片，輸出5V直流電供給CPU和其他芯片，電路圖如圖4-3示： 圖4-3源電路原理圖第三節(jié) 電壓及電流值的交流采集電網(wǎng)的電壓和電流進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換是進(jìn)行電力參數(shù)采集的關(guān)鍵，在本設(shè)計(jì)中，采用 AVR單片機(jī)的片內(nèi)逐次通進(jìn)模數(shù)轉(zhuǎn)換器。ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復(fù)用器連接，通過分時(shí)復(fù)用的方式，能對來自端口A的 8路單端輸入電壓逐個進(jìn)行采樣。其轉(zhuǎn)換結(jié)果為: （4-1）其中，VIN為被選中引腳的輸入電壓。使用AVR的ADC需要注意：ADC的分辨范圍在以GND為基準(zhǔn)的0 V到參考電壓的范圍內(nèi)。以使用片內(nèi)的2.56 V參考電壓為例，ADC的分辨范圍在

53、0 V與2.56 V之間。因此在進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換之前，必須要對交流信號加以處理。在本設(shè)計(jì)中，交流電壓、電流信號分別經(jīng)過電壓互感器和電流互感器整流，輸入數(shù)據(jù)采集板。互感器可以將任意數(shù)值的交流電流變換成用標(biāo)準(zhǔn)測量儀表可以直接測量的交流電流值;并使高壓回路與維護(hù)人員可以接近的測量儀表絕緣。由于AVR的ADC對采集信號的要求，進(jìn)行交流采集前需要對電壓及電流信號加以整形。將具有正負(fù)半波的交流信號整形為全部信號均大于“0”我們可以采取通過全波精密整流電路將負(fù)半周翻轉(zhuǎn)的方法，進(jìn)行交流采集還可以將正弦波的負(fù)半波翻轉(zhuǎn)，以獲得單片機(jī)能接收的信號。其原理圖如圖 4-4所示: 圖4-4 交流信號采集的原理圖其中：A1為半

54、波精密整流電路，A2為反相加法器電路。當(dāng)時(shí)，D2導(dǎo)通，D1截止，有： （4-2）即： （4-3）當(dāng)時(shí)，D1導(dǎo)通，D2截止，有： （4-4）有A2組成的反相加法電路有：即： 因此，可以得到：當(dāng)時(shí)， =；當(dāng)時(shí)，；即： （4-5）由此可以看到經(jīng)過精密整流電路后，經(jīng)過調(diào)整的交流電壓、電流變成A/D轉(zhuǎn)換可以接受的單向脈動電，且幅值為正。圖4-5 電壓波形的調(diào)整 一、電壓和電流互感器的選擇本文中所選的電壓和電流互感器分別為：JZSZV-10(W)戶外澆注式組合互感器、TVS1908-03小型交流電壓互感器、HCT254測量用電流互感器。（1） JZSZV-10(W)戶外澆注式組合互感器本型電壓、電流組合互

55、感器是供交流50Hz，額定電壓10kV線路中，供電壓、電流和電能測量和繼電保護(hù)用。本型互感器為戶外環(huán)氧樹脂澆注全封閉、支柱式結(jié)構(gòu)。由于采用戶外環(huán)氧樹脂澆注，該互感器具有耐電弧、耐紫外線、耐老化等特點(diǎn)。該互感器由兩臺產(chǎn)單相全絕緣電壓互感器組成“V”形接線，兩臺電流互感器分別串接在A、C相上，并能電流互感器二次繞組帶有抽頭可得到不同的電流變比。技術(shù)參數(shù)：1.額定絕緣水平：12/42/75kV； 2.表面爬電比距：滿足III級污穢等級； 3.環(huán)境溫度：-40°C至+40°C,日平均溫度不超過+30°C； 4.海拔高度：1000米以下額定一次電壓（kV)額定二次電壓（kV)額