1、廣西大學畢業設計論文 單片機在高壓線路保護中的應用第一章 緒論第一節 研究課題背景及其意義線路保護在電力系統中發揮著十分重要的作用。在生產和生活中，線路是一個比較容易出現故障的地方，線路一旦發生故障，往往造成停電以及連接在線路中的電力設備的損壞，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接地線，工作結束時忘記拆除，運行人員合閘送電時造成短路故障。由于送電前該變電所相關保護未投入，致使向舊金山市和北半島輸電的5條115kV線路跳閘，引起系統潮流和電壓波動，舊金山市兩座發電廠解裂停機，造成大面積停電事故。還

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

3、電力系統的被保護元件發生故障時，繼電保護裝置應能自動、迅速、有選擇地將故障元件從電力系統中切除，以保證無故障部分迅速恢復正常運行，并使故障元件免于繼續遭受損害。（2）當電力系統被保護元件出現異常運行狀態時，繼電保護應能及時反應，并根據運行維護條件，而動作于發出信號、減負荷或跳閘。此時一般不要求保護迅速動作，而是根據對電力系統及其元件的危害程度規定一定的延時，以免不必要動作和由于干擾而引起的誤動作。第二節 國內外繼電保護技術的歷史與發展現狀繼電保護從形成概念到現在剛過百年.但其技術卻有飛速發展，從最初的機電型發展到今天的微機型，經歷了四代的更新。1901年出現了感應型過電流繼電器。1908年提出

4、了比較被保護元件兩端的電流差動保護原理。1910年方向性電流保護開始得到應用，在此時期也出現了將電壓與電流相比較的保護原理，并導致了20世紀20年代初距離保護裝置的出現。在1927年前后，出現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裝置。在20世紀50年代，微波中繼通信開始應用于電力系統，從而出現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。與此同時，構成繼電保護裝置的元件、材料，保護裝置的結構型式和制造工藝也發生了巨大的變革。20世紀50年代以前的繼電保護都是由電磁型、感應型或電動型繼電器組成的。這些繼電器都具有機械轉動部件，通稱為機電式繼電

5、器，但這種保護裝置體積大，消耗功率大，動作速度慢，機械轉動部分和觸點容易磨損或粘連，調試維護比較復雜，不能滿足超高壓、大容量電力系統的要求。20世紀50年代，由于半導體晶體管的發展，開始出現了晶體管式繼電保護裝置。這種保護裝置體積小，功率消耗小，動作速度快，無機械轉動部分，稱為電子式靜態保護裝置，20世紀70年代時晶體管繼電保護裝置在我國大量采用的時期，滿足了當時電力系統向超高壓、大容量方向發展的需要。由于集成電路技術的發展，可以將數十個或更多的晶體管集成在一個半導體芯片上，從而出現了體積更小、工作更加可靠的集成運算放大器和集成電路元件，20世紀80年代后期，標志著靜態繼電保護從第一代（晶體管

6、式）向第二代（集成電路式）的過渡，目前，集成電路靜態繼電保護裝置的主要形式。在20世紀60年代末，就提出了用小型計算機實現繼電保護的設想，但是因為小型計算機價格昂貴，難以在實用上采用。隨著微處理器技術的迅速發展及其價格急劇下降，在20世紀70年代后半期，出現了比較完善的微型計算機保護樣機，并投入到電力系統中試運行，20世紀80年代微型計算機保護在硬件結構和軟件技術方面已趨成熟，并已經在一些國家推廣使用，這就是第三代的繼電保護裝置，微型計算機保護具有巨大的計算、分析和邏輯判斷能力，由存儲記憶功能，因而可用以實現任何性能完善且復雜的保護原理，且具有很高的可靠性，進入20世紀90年代以來，在我國得到

7、大量應用，將成為繼電保護裝置的主要形式，可以說微型計算機已經成為電力系統保護、控制、運行調度及事故處理的統一計算機系統的組成部分。在國內，我國的繼電保護起步晚，在對微機繼電保護的研究過程中，高等院校和科研院所起了先導的作用。從70年代開始，華中理工大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學自動化研究院都相繼研制了不同原理和不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學院研制的輸電線路微機保護裝置首先通過鑒定并在系統中得以應用，揭開了我國繼電保護發展史上新的一頁，為微機保護的推廣開辟了道路。國內目前已有眾多廠家能生產微機遠動、微機保護等設備，大部分己經達到能投入實際運行的水平，有些產品如微機保護

8、已躋身國際先進行列。目前國內微機保護自動化工作正處于飛速發展、蒸蒸日上的階段。目前國內外應用于微機保護的處理器有單片機、DSP和嵌入式的處理器。單片機是通過大規模集成電路技術將CPU、ROM、RAM等封裝在一個芯片中，具有接口設計簡單、可靠性高、低功耗和性價比高的特點，從最初的8位單片機到16位、32位單片機的保護設計；從最初的單CPU到現在的多CPU，都在電力系統微機保護中得到了廣泛的應用。總的來說，用單片機實現微機保護系統有以下幾個優點:(l) 單片機價格低廉，接口電路設計簡單，擴展外圍電路比較容易。(2) 單片機主要面向控制領域，抗干擾能力強，可靠性比較高。(3) 單片機技術基本己經成熟

9、，可參考的例子和資料非常多，可以縮短開發周期。第三節 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。接著，本文以ATmega16單片機作為硬件核心，將采集到的電氣量等模擬量信號經過A/D轉換器轉換為數字量信號后送入單片機系統中進行處理，通過處理的結果來判斷輸電線路是否存在故障和故障類型等。本系統采用相應的線路電流保護、距離保護、差動保護等繼電保護來防止因短路故障或不正常運行狀態造成的線路損壞，以此提高供電的可靠性。第二章 線路故障分析第一節 線路常見故障類型及

10、其分析一、短 路 線路故障中最嚴重的故障是短路故障。所謂短路，是指電力系統正常運行情況以外的一切相與相之間或相與地之間的“短接”。在電力系統正常運行時，除中性點外，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成短路，就稱電力系統發生了短路故障。其產生的主要原因是電氣設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，是電氣設備載流部分的絕緣損壞。比如，設備長期運行，絕緣自然老化；設備本身設計、安裝和運行維護不良；絕緣材料陳舊；絕緣強度不夠而被正常電壓擊穿；設備絕緣正常而被過電壓（包括雷電過電壓）擊穿；設備絕緣受到外力損傷等都可能造成短路。電力線路發生斷線和倒桿事故可

11、能導致短路。運行人員不遵守操作規程發生的誤操作，如帶負荷拉、合隔離開關，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，或者咬壞設備導線的絕緣，也是導致短路的一個原因。2、短路的危害 發生短路時，由于部分負荷阻抗被短接掉，供電系統的總阻抗減小，因而短路回路中的短路電流比正常工作電流大得多。在大容量電力系統中，短路電流可達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產生極大的危害。 1）短路電流通過導體時，使導體大量發熱，溫度急劇升高，從而破壞設備絕緣；同時，通過短路電流的導體會受到很大的電動力作用，使導體變形甚至損壞。2）短路可造成停電狀態，而且越靠近電源，停電范

12、圍越大，給國民經濟造成的損失也越大。3）嚴重的短路故障若發生在靠近電源的地方，且維持時間較長，可使并聯運行的發電機組失去同步，嚴重的可能造成系統解列。4）不對稱的接地短路，其不平衡電流將產生較強的不平衡磁場，對附近的通信線路、電子設備及其他弱電控制系統可能產生干擾信號，使通訊失真、控制失靈、設備產生誤動作。由此可見，短路的后果是十分嚴重的。所以必須設法消除可能引起短路的一切因素，使系統安全可靠地運行。3.短路的類型在三相系統中，可能發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。因為短路回路的三相阻抗相等，所以三相短路電流和電壓仍然是

13、對稱的，只是電流比正常值增大，電壓比額定值降低。三相短路發生的概率最小，只有5%左右，但它卻是危害最嚴重的短路形式。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。它是指中性點不接地系統中兩不同相均發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重，但在中性點直接接地系統中，發生的概率最高，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，斷路點產生的電弧還可能導致電氣火災和爆炸事故。1）斷路點電弧故障。電路斷線，尤其是那些似斷非斷點(即時斷時通的斷路點)，在斷開瞬間往往會產生電弧，或者在斷路點產生高溫，電力線路中的電弧和高溫可能會釀成火災。2）三相電路中的斷路故障。三相電路中，如果發生一相斷路故障，一則可能使電動機因缺相運行而被燒毀；二則使三相電路不對稱，各相電壓發生變化，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，則單相負荷影響更大。3）架空線路發生斷線故障，不但影響供電可

15、靠性，而且由于斷線下垂至地面，容易引發安全事故。發生斷線故障以后，系統正常運行時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過負荷或過熱。他還會引起系統電壓的不對稱，使電能質量變壞。2.斷線故障的原因有很多原因可能導致導線斷裂。常見機械性破壞故障，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行。普通型絕緣導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引發工頻續流燒斷導線。在以前采用架空裸導線時，同樣也會由于雷電(直擊或感應)引起閃絡事故，也存在工頻續流的問題。但工頻續流在其電磁力的作用下，電弧會沿著導線滑動，不會集中在某一點燒蝕，不存

16、在斷線問題。而采用絕緣導線后，電弧集中在某一點而不能滑動，則最終導致導線的燒斷。造成普通型絕緣導線配電線路斷線的另一個原因是綁扎線與絕緣導線之間的間隙，發生局部放電引起的。當絕緣支架表面積污穢并在濕潤天氣條件下，相間導線在支架處將產生較大的泄漏電流，泄漏電流產生的熱效應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。當泄漏電流發展成電弧，支架的耐電弧能力完全不能阻止電弧發展時，導線絕緣層在泄漏電流和電弧作用下損壞，則電弧持續發展，電弧在導線夾緊處燃燒，最終導致斷線。導線在風力作用下將產生振動，固定導線的支架將受到交替應力作用，由于支架的耐疲勞強度較低，極易產生開裂。支架在戶外強烈

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，由于模具設計不當，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線。 2）導線接頭處氧化腐蝕脫落，導線斷開落地。 3）外因破壞造成導線斷開落地。如在線路附近伐樹倒在線路上，線跨越道路時汽車碰斷等。4）電氣元件絕緣能力下降，對附近物體放電。第二節 線路的故障診斷一、單相接地故障的確定當輸電線路上一相的某一點發生單相接地故障時，其故障特征是:該點的對地電壓遠遠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:非故障相電流遠遠小于故障相電流，因為故障相的電流是發生相間故障時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。所以判據與單相接地時相仿，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生相間故障。三、三相接地故障的確定當輸電線路發生三相接地故障時，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，即可判斷出是否發生三相故障。四、斷路故障的確定當輸電線路上一相的某一點發生了單相斷路故障時，其故障特征是:故障相的電流很小，故障點前的電壓為額定供電電壓，故障點后邊各點的電壓減小。五. 內部故障信息的提取方法故障信息分為內部故障信息和外部故障信

19、息兩類。內部故障信息用于切除故障設備，外部故障信息用于防止切除非故障設備。內部故障信息的提取方法是根據比較被保護對象輸入輸出電氣量的基本原理實現的。按被比較電氣量的性質來劃分，提取內部故障信息的方法有：（1）電流差動法。電流差動法是應用最廣泛且性能特別優越的一種獲得內部故障信息的方法。其所以性能特別優越，是因為這種方法兼有區分非故障狀態和故障狀態和故障設備與非故障設備的雙重功能。（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。方向比較法是根據被保護對象輸入和輸出各端的功率方向判定內部或外部故障，在規定指向被保護對

20、象的功率方向為正方向時，則其所有的聯系線上的功率方向均為正方向即可判斷時內部故障，當不符合上述條件時判為外部故障。用方向比較法提取內部故障信息時，需要在保護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系決定的，不僅需要電壓量，也需要電流量。（4）量值區分法。量值區分法是用數值大小來區分內部或外部故障。如電流速斷和距離保護I段等。但是，利用這種方法提取的內部故障信息是不完全的，它丟失了保護范圍以外的內部故障信息。（5）邏輯判定法。根據邏輯關系獲得故障信息是邏輯判定法的幾處。如過電流保護中的電流元件只能判別出現故障，但不具有獲得內部故障信息的能力。為了取得內部故障信息，增設了時間元

21、件。在規定的時間內故障未被消除，則判定為內部故障。第三節 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線表面產生覆冰，必須達到以下氣象條件：1）氣溫及導線表面溫度達到0ºC以下；2）空氣相對濕度在85%以上；3）風速大于1m/s。較高濕度空氣中的液水是產生覆冰的水來源，風的作用使空氣中的過冷卻水滴產生運動，與導線發生碰撞后被導線捕獲，較低的溫度使水滴產生凍結。試驗及研究表明，當空氣相對濕度小或無風或風速很小，及時空氣溫度在0ºC以下，導線上基本不會發生覆冰現象。導線覆冰的形狀也有所不同，如圓形、橢圓形、松針形等。導線覆冰首先在迎風面上生長，如風向不發生

22、急劇變化，迎風面上的覆冰厚度就會繼續增加。當迎風面冰達到一定厚度，其重量足以使導線扭轉時，導線發生扭轉現象；導線再扭轉，覆冰就會繼續成長變大，會在導線上形成圓形或橢圓形的覆冰。覆冰對線路的危害有過負荷、覆冰舞動和脫冰跳躍、絕緣子冰閃，會造成桿塔變形、倒塔、導線斷股、金具和絕緣子損壞、絕緣子閃絡。圖2-2 南方雪災中的電力設施二、輸電線路抗冰設計方法（一）認真調查氣象條件、避開不利的地形對于地形復雜多變的微氣象覆冰區，應充分利用有利氣象、地形因素，盡量避開最嚴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，應有計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、。當線路通過覆冰地區成為不可避免時，應力求“避重就輕”，即進行線路路徑選擇時，應盡量做到避開最嚴重的覆冰地段，線路宜沿起伏不大的地形走線。盡量避開橫跨埡口、風道和通過湖泊、水庫等容易覆冰的地帶。翻越山嶺時應避免大檔距、大高差。沿山嶺通過時，宜沿覆冰季節背風或向陽面走線，應避免將轉角點架設在開闊的山脊上，且轉角角度不宜過大，如遇臺風地寬窄不一、不連續時，則注意選取云霧不連續地段，達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，可根據其具體情況采取以下預防抗冰措施。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、風口、埡口地帶，對較長的

24、耐張段，宜在中間適當位置設立耐張塔或加強型直線塔，以避免一基倒塌引起的連環破壞。（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，以增加導地線的過載能力，減輕桿塔荷載，減小不均勻脫冰時導地線相碰撞的機遇。對重覆冰區新建線路應盡量避免大檔距，使重覆冰區線路檔距較為均勻。（3）加強桿塔、縮短耐張段長度。將事故頻繁、荷重較大、兩側檔距相差較大及垂直檔距系數小于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、風口處則改為孤立檔，并相應加強桿塔。（4）改善桿塔結構、擴大導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，重覆冰區輸電線路導線可采用高強度鋼芯鋁合金或其它加

25、強型的抗冰導線。（6）為減輕或防止重覆冰區線路由于不平衡張力作用和脫冰跳躍震動而損害導線，宜采用預絞絲護線條保護導線。（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線的受彎強度。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）為防止桿塔橫擔上積水，冰水不致淌落到絕緣子串上，可在絕緣子串懸掛點處增設一塊防水擋板。（4）涂具有憎水性能的涂料。3.防導線舞動措施（1）開展導線舞動觀測，力求獲取全面的基礎數據和資料，劃分舞動易發區域，用以設計避讓時參考。（2）改進鐵塔緊固方式，加強易舞動地區桿塔強度。（3）對易舞動區域線路直線桿塔，

26、設計時加大導線間距離，這不能避免導線舞動，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，因這些裝置的設計特性不能完全耦合所有頻率的導線舞動。（5）新線路采用雙絞線導線，不但可提高輸電能力，而且其阻尼特性可破壞導線覆冰形狀，改變其空氣動力學特性，防止舞動。三、線路防冰、除冰方法防覆冰方法時在覆冰物體覆冰前采取各種有效技術措施，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。除冰方法定義為物體覆冰達到危險狀態后采取有效措施，部分或全部除去物體上覆冰的方法或措施。一般來說，只有當設計階段無法達到抗

27、冰目的和無法了解輸電線路的局部地區的準確覆冰情況時，才采取后期防冰除冰技術方法。國內外用來防冰、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）機械破冰法。包括“adhoc”方法、風力、電磁力、強力震動、電磁脈沖、超聲震動、氣動法等。（3）自然被動法。包括平衡導線重量、使用防雪環、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荷電流。相同氣候條件下，重負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線覆冰更多，這一現象與導線通過電流時的焦耳效應有關。當負荷電流足夠大時，導線自身的溫度超過冰點，則落在導體表面的雨雪就不會結冰。通過對導線在通流情況下的覆冰過程進行有效的傳熱分析可得覆冰氣象條件下導線不覆冰的臨界負荷電流為式中：為1ºC時單位長度導體交流電阻，計算中可近似取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體本身情況有關。為防止導線覆冰，對220kV及以上輕載線路，主要依靠科學的調度，提前改變電網潮流分配，使線路電流達到臨界電流以上；110kV及以上變電所間的聯絡線，可通過調度

29、讓其帶負荷運行，并達臨界電流以上。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足夠容量的并聯電容器或電抗器以增大無功電流的辦法，達到導線不覆冰的目的，提升負荷電流防止覆冰。但此方法無法預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線的方法使導線上的覆冰融化。根據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節。對融冰線路施加融冰電流有兩種方法：發電機零起升壓和全電壓沖擊合閘。零起升壓對系統影響不是很大，但沖擊合閘在系統電壓較低、無功備用不足時有可能造成系統穩定破壞事故。短路融冰時需將包括融冰線

30、路在內所有融冰回路中架空輸電線停下來，對于大截面、雙分裂導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高壓實驗室提出了一種新穎的基于電磁力的方法為覆冰嚴重的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，同一相的兩個子導線的短路電流產生適當的電磁力使導體互相撞擊而使覆冰脫落。為了降低短路電流幅值和發導體的固有震蕩，增加其運動幅度。實驗表明，幅值分別為10kA和12kA的短路電流可以有效地為315kV雙分裂導線除冰。三相短路引起的電壓降落超過了系統可接受的程度，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、電力系統使不利的，但在嚴重冰災的緊急情況下，可以在315kV系統應用這種方法。第三章 線路保護分析第一節 繼電保護的基本要求及原理一、繼電保護的基本要求1選擇性當電力系統發生短路故障時，繼電保護裝置動作，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。保護裝置這種能挑選故障元件的能力稱為保護的選擇性。 2. 速動性為了減小由于故障引起的損失，減少用戶在故障時低電壓下的工作時間，以及提高電力系統運行的穩定性，要求繼電保護在發生故障時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大，減輕故障電流對電氣設備的損壞程度，加快供電系統電壓的恢復，提高供電系統運行的可靠性。3. 靈敏性靈

32、敏性是指在保護范圍內發生故障或不正常工作狀態時，保護裝置的反應能力。即在保護范圍內故障時，不論短路點的位置以及短路的類型如何，保護裝置都能敏銳且正確地作出反應。繼電保護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裝置在其所規定的保護范圍內發生故障或不正常工作時，一定要準確動作，即不能拒動；而不屬其保護范圍的故障或不正常工作時，一定不要動作，即不能誤動。二、繼電保護的基本原理電力系統發生故障時，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，因此電力系統中所應用的各種繼電保護，大多數是利用故障時物理量與正常運行時物理量的差別來構成的。例如，反應電流增大時的過電流保護以及反

33、應電壓降低（或升高）時的低電壓（或過電壓）保護等。繼電保護原理結構的方框圖，如圖31所示。它由三部分組成：即測量部分，用來測量被保護設備輸入的有關信號（電流、電壓等），并和已給定的整定值進行比較判斷是否應該起動；邏輯部分，根據測量部分各輸出量的大小、性質及其組合或輸出順序，使保護裝置按照一定的邏輯程序工作，并將信號傳輸給執行部分；執行部分，限據邏輯部分傳輸的信號，最后完成保護裝置所負擔的任務，給出跳閘或信號脈沖。 圖3-1 繼電保護原理結構方框圖第二節 電流保護輸電線路發生短路時，電流突然增大，電壓降低。利用電流突然增大使保護動作而構成的保護裝置，稱為電流保護。利用電壓降低構成的保護，稱為電壓

34、保護。電壓、電流保護在35kV及以下輸電線路中被廣泛采用。根據線路故障對主、后備保護的要求，輸電線路的電流保護有三種:1.無時限電流速斷保護，簡稱電流保護第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.帶時限電流速斷保護，簡稱電流保護第II段，其作用是為了彌補電流速斷保護無法保護線路全長的缺陷， 3.定時限過電流保護，簡稱電流保護第III段，其作用是作本線路主保護的后備保護，即近后備保護，并作相鄰下一線路 (或元件)的后備保護，即遠后備保護，電流保護的起動電流按照躲開最大負荷電流來整定，在動作時限上過電流保護滿足階梯狀的動作特性，即從

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

36、在保護不需要閉鎖時輸出為1，在保護需要閉鎖時輸出為0。當比較環節KA有輸出并且不被閉鎖時，與門有輸出，發出跳閘命令的同時，啟動信號回路KS。 圖3-2 電流速斷保護單相原理接線二、帶時限電流速斷保護 電流I段保護并不能保護線路的全長，應該在A母線處再裝設一套電流保護，這套電流保護用來保護AB線路的全長，這樣，如果在下一段相鄰線路BC靠近B端發生短路時，這套保護將會跳開 1DL而失去選擇性，因此，將這套保護啟動以后經過一個延時再作用于出口跳閘，當BC始端發生短路時，裝在B母線的電流速斷保護2首先動作，而裝在保護1處的帶延時的電流保護不會誤動，從而保證了選擇性。這套電流保護被稱為限時電流速斷保護，

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

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

39、點發生相間短路時，為了保證選擇性，保護裝置2的動作時間應小于保護裝置1的動作時間。因此，為了保證單端供電線路過電流保護動作的選擇性，保護裝置的動作時間必須滿足以下條件，即這種選擇保護裝置動作時間的方法，稱為時間階梯原則。2定時限過電流保護的整定（1）動作電流整定定時限過電流保護裝置一次動作電流為 =/ （3-1）考慮了接線系數和電流互感器的變比以后，過電流保護裝置的繼電器動作電流為 （3-2）式中 線路最大負荷電流，取（1.5-3）； 可靠系數，一般取1.151.25；電流互感器變化； 返回系數。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、度校驗按式（33）確定的動作電流，在線路出現最大負荷電流時不會發生誤動作。但當線路發生各種短路故障時，保護裝置都必須準確動作，即要求流過保護裝置的最小短路電流必須大于其動作電流。能否滿足這項要求，需要進行靈敏度校驗。具體校驗方法分兩種情況進行。過電流保護作為本段線路的近后備保護時，靈敏度校驗點設在被保護線路末端，其靈敏度應滿足 （3-3）式中被保護線路末端在系統最小運行方式下的兩相短路電流，即 （3-4）過電流保護作為相鄰線路的遠后備保護時，其校驗點設在相鄰線路末端，其靈敏度應滿足 （3-5）第三節 距離保護1.距離保護的工作原理距離保護是以距離測量元件為基礎構成的保護裝置。其動作和選擇性取決

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

42、為負荷功率因數角。而在AB線路上點發生三相金屬性短路時，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該處保護的電流的比值)為： （3-8）式中，-點短路時保護安裝處A母線的殘余電壓，且。此時1QF處保護測量元件的測量阻抗即為短路阻抗及，即 (3-9)式中，一故障點至保護安裝處的線路阻抗，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，點發生故障時 (3-10) 設線路每公里的正序阻抗為，則 式中，-從故障點至保護安裝處母線A的距離; -從故障點至保護安裝處母線A的距離。 因，故，即短路時測量阻抗的大小與短路點到保護安裝處的距離成正比。 線路距離保護與電流保護類同，亦可構

43、成三段式距離保護，其中距離保護第I 、II段為線路的主保護，距離保護第III段為本線路主保護的近后備保護和相鄰元件的遠后備保護。距離保護的構成可用圖3-6所示的框圖來說明。圖3-6 三段式距離保護構成的單相原理框圖圖中，、分別是距離保護第I 、II 、 III段的測量元件; 2KT和3KT分別是距離保護第II、III段的延時元件; 元件1是電流或阻抗測量元件，作為整套距離保護的啟動元件; 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為距離保護第 I、II、 III段的信號元件。第四節 縱聯保護 電流保護和距離保護用于輸電線路的主要缺陷是當靠近線路斷路器

44、處發生故障時，遠離故障側的保護只能以第II段延時 (0. 5s，甚至大于0. 5s)切除故障，這對于很多重要的高壓網絡線是不允許的。為了電力系統的穩定運行，要求設置具有無延時切除線路任意處故障時的保護裝置。輸電線縱聯保護正是隨著電力系統的不斷發展，為滿足這種技術的要求而產生的。1.縱聯保護的工作原理 當輸電線MN內部出現短路故障(如圖3-7中點所示)時，流經輸電線兩側斷路器的故障電流均從母線流向線路 (規定從母線流向線路為正，反之為負)；而當輸電線MN外部短路 (如圖中點)時，實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側電流為正，N側電流為負。利用線路內部短路兩側電流均從母線流向

45、線路，而外部短路一側電流從母線流向線路、另一側電流從線路流向母線的特點，保護裝置可通過直接或間接比較線路兩側電流 (或功率)方向來區分線路內部和外部故障。縱聯保護的基本原理是:當輸電線路內部任何地點發生故障時，線路兩側電流為正方向，兩側保護無延時動作跳兩側斷路器，即1QF和2QF跳閘;當輸電線路外部短路時，一側電流方向為正、另一側電流方向為負，保護不動作。在理論上，縱聯保護有很好的選擇性、靈敏度，且能瞬時切除被保護線路內部任一處的故障，故稱它為全線速動保護。 圖3-7 縱聯保護原理 根據向線路兩側傳輸電流（或功率）訊號的通道類型不同，縱聯保護通常可分為四種：導引線縱聯保護（簡稱導引線保護），電

46、力線載波縱聯保護（簡稱高頻保護），微波縱聯保護（簡稱微波保護）和光纖縱聯保護（簡稱光纖保護）。目前在超高壓輸電線路中廣泛采用的縱聯保護時高頻保護，其原理是將兩側電流的相位（或功率方向）轉化為高頻信號經輸電線（稱高頻傳輸通道）傳至對側進行直接或間接的相位比較（或邏輯判斷）來實現全線速動保護。縱聯保護作為220kV及以上電壓等級電網的主保護，它的優缺點如下:1.能夠實現全線無時限速動，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.在原理上縱聯保護不能作為相鄰線路的后備保護。3.各種形式的縱聯保護都需要有相關的通信通道將線路各端的電氣量聯系起來，這樣既影響保護運行的可靠性，又增加

47、了專用通道的投資費用。第四章 線路保護裝置的硬件設計第一節 線路故障診斷系統的結構線路故障診斷系統的硬件結構框圖如圖4-1所示。 本裝置硬件系統總體可分為以下幾個部分：數據采集系統、計算機主系統、人機接口、通信系統、電源系統。數據采集系統的功能是采集由被保護設備的電流電壓互感器輸入的模擬信號，經過預處理后轉化為所需數字量；計算機主系統以ATmega16微處理器為核心，處理速度可達16MIPS，內部含硬件乘法器，并自帶16K字節可編程Flash、512字節EEPROM，1K字節片內SRAM；人機接口部分主要包括打印、顯示、鍵盤、各種面板開關等，其主要功能用于人機對話，如調試、定值調整、對微機工作

48、狀態的干預等；通信系統可以完成機間通信及遠動的要求；電源系統提供了整個裝置所需的直流穩壓電源，保證整個系統的可靠供電。第二節 單片機控制系統單片機控制系統由ATmega16、單八路模擬開關CD4051、電源等組成。Atmega16為系統的CPU，系統的所有操作都是由它進行的。單片機控制系統是整個裝置的基礎，只有確保控制系統正常工作才能保證ATmega16能夠正常執行程序，整個系統才可以正常工作，發揮它應有的作用。1、 ATmega16單片機ATmega16是基于增強的AVR RISC結構的低功耗8位CMOS微控制器。由于其先進的指令集以及單時鐘周期指令執行時間，ATmega16的數據吞吐率達1

49、MIPS/MHz，從而可以緩減系統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:16K字節的系統內可編程Flash，512 字節EEPROM，1K 字節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，支持片內調試與編程，三個具有比較模式的靈活的定時器/ 計數器(T/C),片內/外中斷，可編程串行USART，有起始條件檢測器的通用串行接口，具有片內振蕩器的可編程看門狗定時器，一個SPI 串行端口，以及六個可以通過軟件進行選擇的省電模式。同時由于采用了小引腳封裝形式，所以其價格

50、僅與低檔單片機相當，因此Atmgea16是一款性價比很高的8位單片機。（1）ATmega16引腳結構 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。在試驗中可使用PDIP28封裝，在實際應用時可使用貼片式（即TQFP封裝），因為它體積小，容易縮小產品尺寸。ATmega16引腳結構（PDIP封裝）如圖4-2所示：圖4-2 ATmega16 的引腳二、單八路模擬開關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“INH”=1時，各通道均不接通。此外，CD4051

51、還設有另外一個電源端VEE，以作為電平位移時使用，從而使得通常在單組電源供電條件下工作的CMOS電路所提供的數字信號能直接控制這種多路開關，并使這種多路開關可傳輸峰-峰值達15V的交流信號。例如，若模擬開關的供電電源VDD=+5V,VSS=0V,當VEE=-5V時，只要對此模擬開關施加0-5V的數字控制信號，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、電源電源是系統的重要組成部分，是系統穩定正常工作的動力，本系統采

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 電壓及電流值的交流采集電網的電壓和電流進行模數轉換是進行電力參數采集的關鍵，在本設計中，采用 AVR單片機的片內逐次通進模數轉換器。ATmega16有一個10位的逐次逼近型ADC。ADC與一個8通道的模擬多路復用器連接，通過分時復用的方式，能對來自端口A的 8路單端輸入電壓逐個進行采樣。其轉換結果為: （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為基準的0 V到參考電壓的范圍內。以使用片內的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。因此在進行模數轉換之前，必須要對交流信號加以處理。在本設計中，交流電壓、電流信號分別經過電壓互感器和電流互感器整流，輸入數據采集板。互感器可以將任意數值的交流電流變換成用標準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半周翻轉的方法，進行交流采集還可以將正弦波的負半波翻轉，以獲得單片機能接收的信號。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。當時，D2導通，D1截止，有： （4-2）即： （4-3）當時，D1導通，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：當時， =；當時，；即： （4-5）由此可以看到經過精密整流電路后，經過調整的交流電壓、電流變成A/D轉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用。本型互感器為戶外環氧樹脂澆注全封閉、支柱式結構。由于采用戶外環氧樹脂澆注，該互感器具有耐電弧、耐紫外線、耐老化等特點。該互感器由兩臺產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。技術參數：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