基于单片机的线路保护设计与实现

基于单片机的线路保护设计与实现内容摘要：

，电压下降越多，短路点电压最低可降到零。 测量组浪即为测量点电压与电流相量之比值。 3。 正常运行时只出现正序分量，当发生不对称短路时，将出现负序和零序分量 6 .电气组件流入和流出电流的关系发生变化。 对任意正常运行的电气组件，流入电流等于流出电流，但组件内部发生故障时则不等。 利用故障 时电气量的变化，可以构成各种作用原理 的继电保护，除了反映各种工频电气量的保护原理外，还有反映非工频电气量的保护，对于反映电气组件不正常运行情况的继电保护，主要根据不正常运行情况时电压和电流变化的特征来构成。 [2] 继电保护装置的构成 继电保护装置的发展经历 了几个阶段，但无论那种阶段的保护装置，其构成结构均可由图 11 表示。 由图知道，一套继电保护装置由测量部分，逻辑部分和执行部分所组成。 测 量 部 分 执 行 部 分逻 辑 部 分跳 闸 或 发 信 号被 测 量 物 理 量 图 11 继电保护装置组成 结构 框图 测量部分从被保护对象输入的有关电气 量，并与预先给定 的整定值进行比较，根据比较的结果，确定被保护对象有无故障和不正常运行情况发生，从而给出 一组逻辑信号。 逻辑部分根据测量部分各输出逻辑信号的大小、性质、输出的逻辑状态、 出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸后发出信号，并将有关命令传送给执行部分。 执行部分根据逻辑部分输出的信号，送出跳闸信号或报警信号。 [3] 继电保护的基本要求 选择性 继电保护动作的选择性指保护装置动作时，仅将故障组件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小。 要满足选择性，必须从两方 面出发进行考虑。 一方面考虑哪个组件发生 故障 应由该组件上的保护装置动作切除故障。 另一方面，考虑到继电保护或断路器有拒绝动作的可能性，需要考虑后备保护问题。 速动性 当电力系统发生故障时，继电保护装置应该能迅速动作切除故障。 快速切除故障可以提高电力系统运行稳定性，减少用户在电压降低情况下的工作时间，缩小故障组件的损坏程度，还有利于电弧闪络处的绝缘程度恢复，从而提高再送电的成功率。 切除故障的总时间等于保护装置和断路器动作时间之和。 一般的快速保护动作时间为～ ，最快的可达到 ～ ；一般的断路器的动作时间为 ～ ，最快的可达 ～。 4 灵敏性 灵敏性 指的是继电保护装置对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力，通常用灵敏系数来衡量。 满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点是否存在过度电阻，都能敏锐感觉，正确反应。 可靠性 可靠性指就保护装置本身的质量和运行维护水平而言，要求在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不拒绝动作；而在任何其他不应该动作 的情况下，则不误动作。 提高继电保护装置不误动可靠性和不拒动可靠性的措施常是矛盾的，在选用和设计继电保护装置时，需要依据保护对象的具体情况，对两方面的性能要求适当的予以协调。 例如，对于传送大功率的输电线路保护，一般强调不误动作的可靠性；对于其它线路保护，则往往强调不拒动的可靠性。 除了上述四个基本要求以外，选用保护装置时还应该考虑经济性。 在保证电力系统安全运行的前提下，尽可能地采用投资少，维护费用低的保护装置。 微机保护系统的简介 继电保护的发展过程 继电保护的发展与世界工业技术的发展息 息相关。 19 世纪末出现了直接作用于断路器的电磁型电流继电器，这可认为是保护技术的开端。 20 世纪 50 年代，电子工业方面出现了半导体晶体管，随后人们又将多个晶体管集成在一个半导体芯片上，就出现了集成电路。 20 世纪 70 年代后期，由于微机处理器技术的发展，计算机价格下降，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。 20 世纪 80 年代微机保护被一些国家广泛应用，这就是第三代的静态继电保护装置，也叫数字型保护装置。 到了 20 世纪 90 年代，微机保护在我国开始大量应用。 进入 21 世纪，微机保护已经成为继电保护的主要形 式。 [4] 微机保护的特点 微机保护主要由硬件和软件两大 部分组成。 硬件主要包括输入信号的预处理系统，一台计算机系统向计算机输入信号和计算机向外输出信息的输入和输出端口，打印机，键盘及调试整定设备等。 软件主要指用汇编语言编写的计算机初始化程序，针对保护原理而设计的测量和判断故障的程序，数字滤波程序，计算机硬件和软件的自检程序等。 微机保护具有以下优点： 一台微机保护除了有保护功能外，同时还可以兼有故障滤波，故障测距或重合闸 等功能。 微机保护可 以通过软件设计而改变保护定值和特性以适应电力系统运行方式 变化 要5 求。 微机保护由于有自动检测和自诊断能力， 能自动检测出硬件的故障和对输入数据进行校错，使检测监视变得容易，从而使保护可靠性大大提高。 同时，由于它的硬件和软件的测试是自动进行的，所以不存在大量的调试工作。 由于一套微机保护同时能具有保护，测距和滤波等多种功能 ， 且它的体积小，耗电量少 ， 维护工作量小，而微处理器价格也逐渐下降，这使用户的投资成本降低。 [5] 6 2 输电线路 电流保护的原理 三段式保护的基本概述 电流保护装置是 反映相间短路基本特征，并接于全电流的相间短路保护装置。 整套电流保护装置一般由瞬时 段 、限时段、 定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。 三段式电流保护一般用于 110KV及以下电压极的单电源出线上，对于双电源辐射线可以加方向元件组成带方向的各段保护。 三段保护的 I 和 II 为主保护段， III 为后备保护段。 第一段一般不带时限，称瞬时电流速断，其动作时间是保护装置固有动作时间； II 带较小的延时，一般称电流速断； III 称定时限过电流保护，带较长时限，对于 6V～ 10V 配电线路，一般采用两段式保护，有时采用有限反时限过电流保护，该保护装置有速断部分和反时限部分，兼主保护和后备保护功能。 在中性点非直接接地系统中 ，电流保护为两相式，电流常取 A， C 相，因此，当两点接地不在同一地点时，保护装置有 2/3 机会断开一个接地点，仅 A， C 相接地时，才有可能断开两个接地点。 当 A 或 C 相两点接地， 相接地在辐射串联线路相邻线上时，相邻线保护可能越级动作。 在中性点直接接地系统中，电流保护装置为三相式，以检测各种相间短路故障。 [6] 对于各级电压线路，当采用带方向的保护时，为消灭死区或某种特殊需要，例如加速切除线路近端故障时，可装设辅助性质的瞬时电流速断，通称辅助保护。 辅助电流速断不带方向。 电流保护简单可靠，有一定反应弧光电阻的能力 ，因此，当保护性能满足基本要求时，应优先采用。 三段式 电流 保护的整定方式 输电线路上发生各种相间短路时，总伴随着故障相电流的增大。 当故障线路上的电流大于某一个规定值，保护将跳开故障线路上的断路器而将故障线路断电。 这就是电流保护原理。 规定值就是电流保护的动作值，它是能使电流保护动作的最小电流，通常用 Idz 表示。 为了及时可靠的切除输电线路上的故障，输电线路常配置三段式电流保护。 三段式电流保护包括： ； ；。 以上 2 属于主保护 ， 3 属于后备保护。 电流速断保护（第 Ⅰ 段） 7 对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。 1． 要求 ： 接线简 单，动作可靠，切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系统 行方式变化的影响较大。 ~AdEsZB C1 2 312b a3Ild z lId B m a xIm i nIm a xIdld( ZlId)Zd 图 21 电流速断保护 图中 1―― 最大运行方式下 d (3 ) 2―― 最小运行方式下 d (2 ) 3―― 保护 1 第一段动作电流 dlsodsod lZZ EZZ EI )3( （ 21 ） dlsodd lZZ EII  2323 )3()2( （ 22） 可见， Id 的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关。 最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。 最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。 2． 整定值计算及灵敏性校验 ： 为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路 电流 整定。 m a x..11. bdkdz IKtI  （ 23） IkK ～ 保护装置的动作电流 （ IdZ） ：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。  在图中为直线 3，与曲线 2 分别交于 a、 b 点。 可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长。 8 灵敏性：用保护范围的大 小来衡量 lmax 、 lmin 一般用 lmin 来校验 ， %100min ll 要求： ≥（ 15～ 20）％ 希望值 50％ 方法： 1. 图解法 2. 解析法： dlsodd lZZ EII  2323 )3()2( 可得 )23(1%100 m a x1.m in sdZLZIEZll    （ 24） 式中 LZ 为 被保护线路全长的阻抗值 限时电流速断保护（第 Ⅱ 段） ： 任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性 在满足要求 1 的前提下，力求 动作时限最小。 因动作带有延时，故称限时电流速断保护。 ~AdEsZB C1 2 3D 图 22 电流限时保护 ： 为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第 Ⅰ 段的保护范围。 即整定值与相邻线路第 Ⅰ 段配合。 动作电流：非周期分量已衰减）(~ .  kIdzkdzK IKI (25) 动作时间： ttt   21 (26) 灵敏性： 1..dZnmidBlm IIK  要求： ~ (27) 若灵敏性不满足要求，与相邻线路第 2 段配合。 此时： 动作电流：   . dZkdZ IKI (28) 动作时间： ttt   21 (29) 9 定时限过电流保护（第 Ⅲ 段） ： 作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。 其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。 动作电流： m . fkdZ IKI  ⅢⅢ (210) ，电动机自起动时，应可靠返回。 电动机自起动电流要大于正常工作电流，因此引入自起动系数 ZqK m ax fZqZq IKI  m a a x fZqkZqkh IKKIKI  ⅢⅢ (211) m a xfh ZqkhhdZ IKKKKII  ⅢⅢ 式中， ~ⅢkK 3~ZqK hK 显然，应按（ 211）式计算动作电流，且由（ 211）式可见， hK 越大， dzI 越小， lmK越大。 因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。 （过电流继电器的返回系数为～ ） ： 在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第 Ⅲ 段的测量元件均可能动作。 例如 ： 如图 23 中 d1 短路时，保护 1～ 4 都可能起动。 为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。 ~AdEsZB C1 2 3Dt4I I It2I I It1I I It3I I ItDl 图 23 三段式保护阶梯性 即 ⅢⅢⅢⅢ 432。