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微机电流保护装置的设计
摘要
在电力系统中,输电线路是最重要的部分,因此,输电线路的保护对于整个电力系统的稳定运行有非常重要的意义。
电力系统继电保护装置是反映电力系统故障和不正常运行状态、并且作用于断路器跳闸和发出告警信号的设备。
随着电力工业的发展和电压等级的不断升高,对微机保护装置的要求也越来越高,因此,研制出一种高性能的继电保护装置对于电力系统有重要的理论和现实意义。
论文论述了微机保护装置在国内外的发展历史和研究现状,详细的分析了短路故障的形成,原理及产生的危害,对线路设备造成的影响,以及三段式保护的相关设计原理和整定方法。
并为此设计了一套由电压、电流采集电路;A/DMAX197转换电路;数据采集电路和发光二极管显示电路组成的微机保护装置。
关键词:
微机保护;三段式保护;短路故障;A/D转换;
ABSTRACT
Inthepowersystem,thetransmissionlinesisthemostimportantpart,therefore,thetransmissionlineprotectionforthewholeofthestableoperationofthepowersystemhasaveryimportantsignificance.Andthesafeandstableoperationofthepowersystemtothenationaleconomyandpeople'slifeandsocialstabilityhasaverysignificantinfluence.Powersystemprotectiondeviceisareflectionoftheelectricpowersystemfaultandnotnormalworkingconditions,andhasaneffectoncircuitbreakertrippedandissuedawarningsignalequipment.Alongwiththedevelopmentoftheelectricpowerindustryandthevoltagelevelupwards,totherequirementsofthemicrocomputerprotectiondevicemoreandmoreisalsohigh,therefore,todevelopakindofhighperformancerelayprotectiondeviceforelectricpowersystemisofgreattheoreticalandpracticalsignificance.
Thispaperdiscussesthemicrocomputerprotectiondeviceinthedomesticandforeigndevelopmenthistoryandstatus,anddetailedanalysisoftheformationoftheshortcircuitfaults,principleanddangers,theimpactofthelineequipment,andtheprotectionofthreedesignprincipleandrelevantsettingmethod.Andforthisdesignbyasetofvoltage,currentacquisitioncircuit;A/DMAX197transformcircuit;Dataacquisitioncircuitandledsdisplaycircuitcomposedofmicrocomputerprotectiondevice.
Keywords:
Microcomputerprotection;Tastingprotection;Shortcircuitfault;A/Dconversion
1绪论1
1.1微机保护的意义1
1.2微机继电保护系统的发展历史及国内外研究现状1
1.3微机保护装置的特点2
2故障分析与保护4
2.1电力系统故障分析的目的与内容4
2.2短路的种类5
2.3短路的危害6
2.4谐波概述6
2.5继电保护的分类7
2.5.1线路保护7
2.5.2变压器保护7
2.5.3发电机保护8
2.5.4母线保护8
3保护原理及整定方法8
3.1电流速断保护8
3.2瞬时电流速断保护(I段)9
3.3限时电流速断保护(II段)12
3.4定时限过电流保护(III段)15
3.5三段式电流保护的特点18
3.6零序电流保护18
4微机式保护设计19
4.1保护装置实现的功能19
4.2结构框图19
4.3数据采集电路硬件设计20
4.3.1电压、电流采集电路20
4.3.2数据采集电路21
4.3.3硬件电路器件的介绍22
4.3.4数据采集系统完成的功能27
4.4按键和显示电路设计27
4.5装置实现的功能29
4.6装置的硬件抗干扰措施30
4.7本章总结31
结论32
参考文献33
附录一35
附录二36
附录三37
附录四38
翻译部分
英文原文39
中文译文50
致谢58
1绪论
1.1微机保护的意义
电力在国民经济和人民生活中处于非常重要的位置。
电力生产的规律、以及电力企业的自身需要,决定了电力必须安全生产。
其对整个电力系统的安全至关重要。
在运行过程中,电力系统时常会发生各种故障和不正常工作情况。
最常见的故障是各种类型的短路。
故障一旦发生,就会造成以下一些严重后果[1]:
①电力系统电压大幅下降,用户的正常工作遭到破坏。
②故障处有很大的短路电流,形成电弧,烧坏电气设备。
③通过强大短路电流的电气设备,由于发热和电动力的作用,影响其寿命并且遭到损坏。
④破坏发动机并列运行的稳定性,引起电力系统震荡甚至使整个电力系统因失去稳定而瓦解。
⑤故障时还可能发生人身安全事故。
设计电力系统继电保护装置的基本任务是:
当电力系统发生故障时,能自动地、迅速地、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,并使故障设备不再继续遭到损坏;当发生不正常工作情况时,能自动地、迅速地、有选择地发出信号交由工作人员进行处理。
由此可见,继电保护装置是任何电力系统必不可少的组成部分,研制开发一套切合实际的微机继电保护装置,对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大及发生,有着极其重要的作用。
1.2微机继电保护系统的发展历史及国内外研究现状
继电保护装置是电力系统的重要组成部分,它在保证系统安全、稳定和经济运行等方面起着非常重要的作用。
早在1965年,英国剑桥大学的P.G.Mclarm及其同事就提出用计算机构成电力系统继电保护的设想.并发表了《SamplingTechniquesappliedtoderivationLetter》的文章。
1967年澳大利亚新南威尔士大学的L.E.Morrison预测了输电线路计算机控制的前景。
1969年美国西屋公司与GE公司合作研制成功一套输电线路的计算机保护装置。
这是世界上第一套比较完整的用于现场的计算机保护装置,它具备了计算机保护的基本组成部分。
但由于当时微型机尚未出现,因此该保护装置是由一台小型计算机实现的。
在整个70年代,各国的专家学者围绕算法理论作了大量的工作,为计算机继电保护的发展奠定了比较完整和牢固的基础。
经过80年代的继续努力,现在计算机保护的算法已比较完善和成熟[31]。
70年代中期出现了单片微型计算机,微处理器和单片机的出现使计算机在电力系统继电保护的应用更加现实。
1979年,国际电子电气工程师学会教育委员会,组织了一次世界性的计算机继电保护研修班,对20世纪70年代以来的计算机保护的研究成果进行了总结和交流。
世界各大继电器制造商都先后推出了各种商业性微机保护装置,到20世纪80年代中期计算机保护在电力系统中获得了广泛的应用。
在我国,计算机继电保护技术的研究和开发,起步比较晚,比先进国家大约延后10年。
国内自1979年开始微机继电保护的研究工作,首先在各高校和一些科研单位开展了微机保护的研究工作,1984年4月,华北电力大学研究的以MC6809CPU构成的MDP—l型微机线路保护装置在河北某电厂投入运行,这是我国研究成功的第一套微机线路保护装置。
我国微机保护的发展从硬件上看大体可分为三个阶段[2]:
①以单CPU的8位微处理器构成的微机保护装置。
②以多个8位单片机组成的多微机系统。
③以16位单片机组成的多微机系统。
由于我国继电保护工作者的努力,从20世纪80年代中期开始,到目前为止,经过近20年左右的奋斗,计算机继电保护——特别是输电线路的微机保护已达到了大量采用的程度。
输电线路的微机保护从用于500kV系统的保护装置到用于10kV线路的微机保护装置均有相应的产品,近年来,发电机、变压器以及大型发电机变压器组和母线的微机保护也相继研究成功,已投入使用。
据2001年全国电力系统继电保护动作情况的统计数据,2001年我国220kV以上电网的继电保护动的正确动作率达到了99.13%,元件保护的正确动作率达到了90.3%。
这些成果无疑与微机保护的成功应用分不开[17]。
1.3微机保护装置的特点
微机保护在发展过程中继承、借鉴了模拟式继电保护的成熟经验,并利用微机的优越性能把继电保护技术推向前进。
实践证明,微机保护的性能显著优于传统的继电保护。
微机保护与常规保护相比主要有以下特点[4][6]:
①常规保护是布线逻辑式,保护的功能完全依赖于硬件,而微机保护除硬件外.还必须具备相应得软件,因此微机保护可实现智能化。
②常规保护的完好性是依赖于定期检验时发现的,在正常运行时保护装置的隐患不能及时发现,一旦系统发生故障,将产生严重后果,而微机保护装置可利用程序对其硬件进行在线自检,一旦发现问题,可立即报警。
对于软件的异常及干扰的影响,可自动识别并排除。
因而,微机保护装置的可靠性大大提高。
③常规保护装置的功能单一,仅仅是保护功能,而微机保护装置除了能够做到与常规保护完全相同的功能外,还可以提供一些附加功能,例如距离保护的故障类型判断,故障测距,故障录波,事件记录,零序电流方向保护的开口三角电压的极性判断。
电压互感器的二次侧是否发生断线等信息。
④微机保护具有调试维护方便的特点。
微机保护装置由于具备友好的人机界面,依靠软件可在较短的时间内完成调试工作,特别是某些保护具有专用的调试仪器,除交流变送器部分,可自动对保护的功能进行快速检查。
⑤微机保护具有完善的网络通信功能,可适应无人值守或较少人值守的自动化变电站。
⑥利用微机的智能特点,可以采用一些新原理,解决一些常规保护难以解决的问题。
例如模糊识别原理或波形对称原理,识别判断励磁涌流,利用模糊识别原理判断振荡过程中的短路故障,采用自适应原理改善保护的性能等。
⑦对于不同类型的保护对象,微机保护装置可采用完全相同的硬件结构,不同的保护功能体现在软件上,缩短了新产品的研制和开发周期。
⑧微机保护装置本身功耗低,降低了对电流自感器和电压互感器的要求。
另外,正在研究的数字式电压、电流传感器更便于与微机保护实现接口。
2故障分析与保护
2.1电力系统故障分析的目的与内容
在系统运行过程中常常会受到各种扰动,其中对电力系统影响较大的是系统中发生的各种故障。
常见的且危害比较严重的有短路、断线、各种复杂故障亦指在不同地点(两处或两处以上)同时发生不同的断线或短路的情况。
在所有这些故障中短路又是最为严重的也是最为常见的情况。
因此,故障分析的重点是对短路故障的分析。
所谓短路是指由于电气设备绝缘损坏,或由于运行操作不当,或由于人为和自然灾难的破坏等导致相与相或相与地之间发生短接。
这种短接会使电流急剧增大,电压大幅度下降并进一步造成电气设备的损坏,电动机的停转或过负荷,电力系统中的功率平衡受到剧烈扰动而导致系统失去稳定等。
为了减少短路造成的危害,继电保护是一种可以采用的手段。
但是继电保护电路的设计与整定计算时需要有故障电流与电压方面的数据。
此外开断故障电流的电气设备(指断路器等)也需要考虑清楚电气设备承受故障电流的能力。
在三相供电系统中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。
三相短路称为对称短路,所以可以按相分析,即以一相的电流来代替三相,而其他短路通称为不对称短路。
但若将不对称电量分解成三相对称分量从而形成三个对称的序网,则仍可以按相分析,然后再进行叠加。
电力系统的运行经验证明,各种短路发生的机率不同,其中单相接地占65%,两相短路占10%,两相接地短路占20%,三相短路占5%。
三相短路发生的机会最少,但它产生的后果最严重,同时它又是分析不对称故障的理论基础。
短路故障分析通常是指电力系统故障后电流的计算、短路容量的计算(故障电流乘以故障前的电压)及故障后系统各点电压的计算以及一些其它可能需要计算的量,如故障时线路电流与电压之间的相角的计算等。
短路电流分析也如电力系统的其它分析一样在计算精度上希望能保持在小数点后三位。
但实际上在故障情况下有许多因素是难以精确确定的。
例如故障的过渡阻抗在通过故障电流的过程中会有大范围的波动,而且这种波动具有非线性或随机性,此外由于线路参数通常是指在50度以下的数据,变压器铭牌参数也是指的正常负荷温升下得数据,而在故障时电流大大超过了正常工作范围,故难以精确描写出它的数值。
电力系统的负荷在潮流计算时用恒定阻抗或二者的混合模式,这是一种当母线电压为正常情况下得描述方法;在故障过程中,由于母线电压不正常,所以负荷的电流电压特性也是未知的。
根据所有上述大的情况,可能得到的最乐观的计算精度是误差不大于10%。
其中包括电流、短路容量以及其他的故障分量[15]。
短路电流分析是继电保护设计与整定计算、开关电器设备的设计与选择、串联电抗器的配置、稳定性评估以及其它涉及故障影响的各种规划、设计的重要依据。
电力系统短路故障发生的原因很多,既有客观的,也有主观的,而且由于设备的结构和安装地点的不同,引发短路故障的原因也不同。
但是根本原因是电气设备载流部分,相与相之间或相与地之间的绝缘遭到破坏。
其表现主要有:
元件损坏,气象条件恶化,违规操作和其他。
2.2短路的种类
在三相供电系统中可能发生的主要短路类型有三相短路、两相短路、两相接地短路和单相接地短路等。
第一种短路称为对称短路,后三种短路通称为不对称短路[11][12]。
如下表
表2.1短路分类
短路种类
示意图
符号
性质
三相短路
三相同时在一点短接,属于对称短路。
两相短路
两相同时在一点短接,属于不对称短路。
两相接地短路
两相在不同地点与地短接。
不对称。
单相接地短路
在中性点直接接地中,一相与地接地,不对称。
2.3短路的危害
发生短路时,系统中总阻抗减小,短路电流达到很大的数值,强大的短路电流产生的热和电动力效应会使电气设备破坏,短路点的电弧可烧毁电气设备,短路点附近的电压显著降低,供电受到破坏,发电厂附近发生短路时,可使全电力系统运行解裂。
不对称接地短路所造成的零序电流,会在邻近的通讯线路产生感应电势,干扰通信,及人身和设备的安全。
研究短路的目的是为了限制短路的危害和缩小故障影响的范围,在变电所和供电系统的设计和运行中,必须进行短路电流计算,以解决下列问题:
(1)选择电气设备和载流导体,必须用短路电流校验其热稳定性和机械强度。
(2)选择和整定继电保护装置,使之能正确地切除短路故障。
(3)确定限流措施,当短路电流过大造成设备选择困难或不够经济时,可采取限制短路电流的措施。
(4)确定合理的主结线方案和主要运行方式等。
进行短路计算的基本假设:
①忽略磁路的饱和与磁滞现象,认为系统中的各元件参数为恒定。
②忽略各元件的电阻。
③忽略短路点的过渡电阻。
④除不对称故障处出现局部不对称外,实际的电力系统通常可以当作三相对称的。
2.4谐波概述
当电力线路发生各种类型的故障时,故障点的电压和电流均会发生相应的变化,这时的电压和电流等都不是纯正弦量,而是含有各种高次谐波的模拟量,谐波主要是由电力系统中非线形负载引起的,谐波主要是奇次波,幅值一般不会超过基波幅值的50%,而且它的幅值随着谐波次数的增大而降低,所有的谐波对于数据采集和运算等都带来极大的困难,因此,必须采取措施予以滤除。
传统的滤波方法有模拟滤波和数字滤波两种,其中模拟滤波主要是采用低通模拟滤波器来进行滤波,模拟滤波器是用无源或者有源(包括运算放大器等)等电路元件组成的。
数字滤波是通过采样和模数转换变为数字量后,进行某种数字处理以去掉信号中的无用部分,实际上,在微机保护中讨论的数字滤波通过执行一段程序达到滤波的目的,不需要增加任何附加硬件。
2.5继电保护的分类
2.5.1线路保护
(1)过电流保护当线路发生故障,短路电流超过继电保护的整定值时,即动作。
(2)接地保护当发生接地故障时,保护动作。
对于大接地电流系统动作于跳闸,对于小接地电流系统一般动作于信号。
(3)功率方向保护当线路发生故障时,短路电流超过整定值且功率流动方向为保护方向时动作。
(4)距离保护根据被保护线路的电压和电流比值来测定从保护安装处到故障点间的电气距离若在整定保护范围内,保护装置动作于跳闸。
(5)高频保护利用高频通道将故障时线路两端的电流方向(或相位)或功率方向的信号,相互送到对端,经测定后,若故障在保护区段内,则两端保护装置同时动作于跳闸
(6)此外,还有线路纵差保护、行波保护等。
2.5.2变压器保护
(1)瓦斯保护当侵入变压器油中的线圈或铁心过热、故障时,油发生分解,产生气体(瓦斯)。
根据故障的程度,瓦斯保护动作于信号或动作于断路器。
(2)差动保护差动保护大都采用循环电流原理,当变压器内部发生故障时,其差桥的高低压线圈两侧电流之和超过整定值时动作于跳闸。
(3)过负荷保护当变压器过负荷会导致线圈过热降低寿命以致烧毁,所以变压器应装设过负荷保护,当过负荷时保护动作于信号。
(4)变压器后备保护当变压器外部故障引起过电流时,可采用过电流保护、负序电流保护。
外部接地故障引起过电流时,可装设零序电流保护。
在变压器内部故障主保护瓦斯、差动保护拒动时以上保护应起到后备作用。
2.5.3发电机保护
(1)差动保护当发电机内部故障时动作于断路器,动作原理同变压器差动保护。
(2)静子接地保护当发电机任一相线圈接地应动作于断路器。
(3)转子接地保护当转子线圈任一点接地应动作于信号。
(4)失磁保护当发电机励磁突然全部消失或部分消失,保护应延时动作于跳闸。
(5)此外,还有负序保护以及与变压器相类似的后备保护。
2.5.4母线保护
当发电厂和变电所的母线发生故障时,保护应动作于跳闸,迅速的将故障隔离在最小停电范围。
3保护原理及整定方法
3.1电流速断保护
电流速断保护是以保护装置的动作电流大于保护区域外短路时的最大短路电流而获得选择性的一种电流保护。
电流速断保护按被保护设备的短路电流整定,当短路电流超过整定值时,则保护装置动作,断路器跳闸,电流速断保护一般没有时限,不能保护线路全长(为避免失去选择性),即存在保护的死区。
为克服此缺陷,常采用略带时限的电流速断保护以保护线路全长。
时限速断的保护范围不仅包括线路全长,而深入到相邻线路的无时限保护的一部分,其动作时限比相邻线路的无时限保护大一个级差。
对高压来讲,过流保护一般是对线路或设备进行过负荷及短路保护,而电流速断一般用于短路保护。
过流保护设定值往往较小(一般只需躲过正常工作引起的电流),动作带有一定延时;而电流速断保护一般设定值较大,多为瞬时动作。
继电保护装置为了能够完成其自动保护任务,必须满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性的要求:
1选择性:
指保护装置动作时,仅将故障元件从电力系统中切除,使停电范围尽量缩小,以保证系统中的无故障部分仍然能继续安全运行。
含义一:
仅将故障元件从电力系统中切除,使停电范围最小。
含义二:
上级保护对下一级有后备保护作用。
2速动性:
指快速地切除故障以提高电力系统并列运行的稳定性,减少用户在电压降低的情况下工作的时间,以及缩小故障元件的损坏程度。
好处:
1)有利于提高系统运行的稳定性;2)减少用户低电压运行的时间;3)减少设备的损坏程度;4)避免事故进一步扩大,如:
接地故障、短路故障、瞬间性故障、永久性故障。
3灵敏性:
指对于其保护范围内发生故障及不正常运行状态的反应能力。
通常用灵敏系数来衡量,它主要决定于被保护元件和电力系统的参数、运行方式。
4可靠性:
指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时,它不应该拒绝动作,而在任何其他该保护不应该动作的情况下,则不应该误动作。
可靠性主要指保护装置本身的质量和运行维护水平。
3.2瞬时电流速断保护(I段)
1)瞬时电流速断保护的提出,基于速断性的要求,在简单可靠和保证选择性的前提下越快越好。
其能够快速切除设备和线路故障
2)瞬时电流速断保护的原理,仅反应电流增大而瞬时动作,如下图
图3.1瞬时电流速断保护I-t曲线
当A-B线路发生短路故障时,流经保护2的电流增大,保护2瞬时动作。
当B-C线路发生短路故障时,流经保护2和1的电流都增大。
按照保护选择性的要求,保护1瞬时动作,保护2无动作。
3)整定计算
(1)三相短路电流的计算:
(3-1)
式中:
E——系统等效电源单相电势
Zd—短路点到保护安装处之间的阻抗
Zs—保护安装处到系统等效电源之间的阻抗
(2)两相短路电流的计算:
(3-2)
(3)起动电流整定计算:
为保证选择性和速动性按本线路A-B线路末端的最大短路电流计算(以保护2为例)
(3-3)
为最大短路电流(即系统最大运行方式下的三相短路电流)
为可靠系数=1.2~1.3
考虑以下原因:
实际电流大于计算电流;非周期分量的影响;装置实际启动电流可能小于整定电流;考虑必要的裕度,从而保证不误动。
(3-4)
(4)起动时间整定
保护1同样可得
4)原理接线,如下图
2
4
1
3
图3.2瞬时电流速断保护原理接线
图3.2中(1为TQ线圈,2为直流继电器,3为电流继电器,4为中点继电器)
5)灵敏度检验
要求:
(3-5)
按最小运行方式下发生两相短路情况校验
由公式:
(3-6)
推出灵敏度
6)瞬时电流速断保护的特点:
只能保护本线路的一部分,保护范围受系统运行方式影响,当运行方式变化很大时,可能很小。
当线路较长时其始端与末端短路电流差别较大,
较大;当线路较短时其始端与末端短路电流差别较小,
较小,所以较短线路更受运行方式影响。
当
时采用电压电流连锁速断保护或纵差保护。
个别情况下可以保护线路全长。
例如当电网的终端线路采用
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