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1、大连理工大学硕士学位论文通信技术与电流保护的配合及实现姓名：王刚申请学位级别：硕士专业：电力系统指导教师：董恩源20081101大连理工大学专业学位硕士学位论文摘要电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，而计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术注入新的活力，微机继电保护凭借众多传统继电保护无法比拟的优越性得以推广和应用，正朝着网络化，智能化，以及保护、控制、测量和数据通信一体化的方向发展。本文在分析传统电力系统电流保护选择性与速动性相互关系的基础上，提出了一种基于现场总线通信网络的电力系统保护方法。其基本思想是每台数字式微机保护平台都作为现场总线的一个节点接入到通信网络中，在电力
2、系统发生故障时通过各个节点的信息交换来确定故障发生的位置，目的是使电力系统线路全程实现速断保护。本文在分析了现在比较流行的几种现场总线通信网络后，根据电力系统线路分级以及电力系统运行方式发生变化的特点，选用了节点信息分成不同优先级以及支持采用非破坏性总线仲裁技术的C A N 总线通信网络。本文制定了适用于故障发生时快速判断故障位置的网络通信协议，阐述了通过C A N 网络后各个保护平台节点选择性与速动性的配合关系，得出了该方法相对于传统三段式电流保护方法的优点。本文以最新的3 2 位A R M 核处理器和可编程逻辑器件(C P L D)为核心，介绍了微机保护装置通用硬件平台的整体设计思路和整体
3、平台C A N 通信部分的设计方法，设计了适用于该平台的C A N 通信电路。然后论述了整个系统的软件设计思路和方法，包括嵌入式实时操作系统设计、A R M 处理器软件编程以及C A N 通信方案和保护方案的软件实现等。最后，本文论述了C A N 总线的实时性研究方法，分析了故障时节点通信时间对保护速断性影响，证明了采用该方法实现全程速断保护的可行性，并对该方法的外延和前景做了展望。关键词：电力系统；电流保护；通信技术；故障类型通信技术与电流保护的配合及实现T h eC o o p e r a t i o nA n dA c h i e v e m e n to fC o m m u n i
4、c a t i o nT e c h n i q u eA n dC u r r e n tP r o t e c t i o nA b s t r a c tT h er a p i dg r o w t ho ft h ep o w e r s y s t e ma l w a y sb r i n g sh i g h e rd e m a n df o rt h er e l a yp r o t e c t i o n，w h il et h er e l a yp r o t e c t i o n t e c h n o l o g yi sb e e ni m p r o v
5、i n gb yt h er a p i dd e v e l o p m e n to ft h eP Ca n dc o m m u n i c a t i o nt e c h n o l o g y B es u p e r i o rt ot h et r a d i t i o n a lr e l a yp r o t e c t i o n，t h em i c r o c o n t r o l l e ro n ei sd e v e l o p i n ga i ma tn e t t i n g，i n t e l l i g e n t i z ea n di n t
6、 e g r a t i v eo fp r o t e c t i o n，c o n t r o l，m e a s u r ea n dd a t ac o m m u n i c a t i o n Al o c a l b u sc o m m u n i c a t i n gp o w e rs y s t e mp r o t e c t i o nm e t h o di si n t r o d u c e di nt h et h e s i sb a s e do nt h ea n a l y s i So ft h er e l a t i o n s h i pb
7、 e t w e e nt h es e l e c t i v i t ya n dq u i c k a c t i o no ft h et r a d i t i o n a lp o w e rs y s t e m T h eb a s i cp r i n c i p l eo ft h em e t h o dm e n t i o n e da b o v ei st h a te a c hd i g i t a lm i c r o。c o n t r o ll e rp r o t e c t i o nd e v i c ei Sb e e nc o n n e c
8、t e dt ot h ec o m m u n i c a t i o nn e t w o r ka san o d eo ft h el o c a l-b u s，a n di t si n t e n t i o ni si m p l e m e n tq u i c k。b r e a kp r o t e c t i o no ft h ew h o l ec i r c u i t r yo ft h ep o w e rs y s t e mb yt h ei n f o e x c h a n g eo fe a c hn o d ew h e nf a u l th a
9、 p p e n e d A f t e ra n a l y z i n gs e v e r a lp o p u l a rl o c a l b u sc o m m u n i c a t i o nn e t w o r k T h et h e s i sa d o p t sC A N-b u sw h i c hc o n t a i n sN o d ei n f oP R Ia n dN o n d e s t r u c t i r eb u sa r b i t r a t i o nt e c h n o l o g ya c c o r d i n gt ot h
10、 ec l a s s i f i c a t i o na n dc h a n g eo ft h ep o w e rs y s t e m T h en e tc o m m u n i c a t i o np r o t o c o li se s t a b li s h e di nt h i st h e s i s，w h i c hc a nj u d g et h em a l f u n c t i o n Sl o c a t i o n w h e ni th a p p e n e d，a n dd e m o n s t r a t e dt h ec o o
11、 p e r a t i o nr e l a t i o no ft h es e l e c t i v i t ya n dq u i c k a c t i o no f e a c hC A N b u s Sp r o t e c t i o nn o d e T h ea d v a n t a g eo ft h em e t h o de x c e l l e dt ot h et r a d i t i o n a lt h r e e s e g m e n tc u r r e n tp r o t e c t i o ni sc o n f i r m e d B
12、a s e do nl a t e s t3 2 一b i tA R Mc o n t r o l l e ra n dC P L D，t h eb a s i cd e s i g np r i n c i p l eo ft h ep r o t e c t i o nd e v i c e sh a r d w a r ep l a t f o r ma n dt h eC A Nc o m m u n i c a t i o nm o d u l ei si n t r o d u c e di nt h et h e s i s，t h er e l a t i v eC A Nc
13、i r c u i ti sd e s i g n e da l s o A n dt h e nt h ep r i n c i p l ea n dm e t h o do ft h es o f t w a r eo ft h ew h o l es y s t e ma r ed i s c u s s e d，w h i c hi n c l u d ee m b e d d e dR T O S，A R Mc o n t r o l l e rs o f t w a r ep r o g r a m m ea n dt h ei m p l e m e n to ft h eC A
14、 Nc o m m u n i c a t i o na n dp r o t e c t i o ns c h e m e-I I 大连理工大学专业学位硕士学位论文F i n a l l y，t h et h e s i sd i s s e r t a t e dt h er e a l t i m er e s e a r c hm e t h o do ft h eC A N-b u sa n da n a l y z e dt h ei n f l u e n c eb e t w e e nt h en o d ec o m m u n i c a t i o nt i m ea
15、n dt h eq u i c k b r e a kp r o t e c t i o n，t h er e s u l t sp r o v e dt h ef e a s i b i l i t yo ft h em e t h o dt oi m p l e m e n tt h ew h o l el i n eq u i c k b r e a kp r o t e c t i o n，m e a n w h i l e，t h et h e s i sp r o s p e c t e dt h ee x t e n s i o na n df o r e g r o u n d
16、o ft h em e t h o di nt h ee n d K E Y W O R D S：T h ep o w e rs y s t e m；C u r r e n tp r o t e c t i o n：C o m m u n i c a t i o nt e c h n i q u e：M a l f u n c t i o nt y p eI I I 大连理工大学专业学位硕士学位论文大连理工大学学位论文版权使用授权书本人完全了解学校有关学位论文知识产权的规定，在校攻读学位期间论文工作的知识产权属于大连理工大学，允许论文被查阅和借阅。学校有权保留论文并向国家有关部门或机构送交论文
17、的复印件和电子版，可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印、或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。学位论文题目：龟5 墨丛查皇!趁丛孟霉至兰塑垒!墨塞丝型作者签名：导师签名：日期：2 翌星年上三月j I 日日期：趁盈年上生月三日大连理工大学学位论文独创性声明作者郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下进行研究工作所取得的成果。尽我所知，除文中已经注明引用内容和致谢的地方外，本论文不包含其他个人或集体已经发表的研究成果，也不包含其他已申请学位或其他用途使用过的成果。与我一同工作的同志对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。若有不实之处，
18、本人愿意承担相关法律责任。学位论文题目：通焦技盔生电速堡塑鲍醒佥区塞趣作者签名：每旌猢日期：2Q Q 年j 上月上王日大连理工大学专业学位硕士学位论文1 绪论继电保护装置在电网中担负着重要责任，不仅要保证电力系统的安全运行，也要保证电力设备的安全运行，还兼有测量、显示、监控、通信等多种功能，因此它是电力系统自动化的重要硬件装置，是构成智能化开关柜的理想电器设备。随着电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展，继电保护技术得到了长足的发展，在5 0 余年的时间里先后经历了机电式继电保护、晶体管继电保护、集成电路保护这三个时代，从9 0 年代开始我国继电保护技术进入了微机保护时代I l】。1 1 研
19、究背景及意义6 6 千伏以下的电压等级的电网，主要承担供，配电任务，发生单相接地后为保证继续供电，中性点采用非直接接地方式；为了便于继电保护的整定配合和运行管理，通常采用双电源互为备用，正常时单侧电源供电的运行方式。其主保护一般由阶段式动作特性的电流保护担任。使用一段，二段或三段组成的阶段式电流保护，其主要优点就是简单可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的需求。保护的缺点是它直接受电网的接线方式以及电力系统运行方式变化的影响，例如整定值必须按照系统最大运行方式来选择，而灵敏性必须按照系统最小运行方式来校验，这就使它往往不能满足灵敏系数或者保护范围的要求【2 1。三段式电流保护方法，在发
20、生故障时速断保护不能保护线路全长，速断保护某些情况下甚至没有保护区间，限时速断和定时限过电流保护能保护线路全长，但是相对于速断保护需要5 0 0 m s 到1 0 0 0 m s 的延时。这就是电力系统继电保护中选择性与速断性的矛盾。传统的三段式电流保护在满足选择性的同时在速动性上做出了让步，而计算机技术，网络通信技术的发展，为解决选择性与速动性的矛盾提供了思考的空间。本文提出了以下思路和方法，该方法的基础就是构建一个以数字式保护平台为节点的通信网络，基于此通信网络，各个保护平台可以实现点对点以及一点对多点的数据通信，通过各个保护平台之间的数据交换快速判断故障位置，确定需要启动保护动作的装置所
21、在的位置，省去了限时电流速断保护与定时限过电流保护的等待延时址，实现了全程速断保护的功能。本文所研究的就是故障发生时各个保护节点通过通信网络确定故障位置的过程。本文采用C A N 总线作为通信平台，各个保护装置采用总线型接线方式接入C A N 总线。通信技术与电流保护的配合及实现1 2 继电保护的现状与发展1 2 1 继电保护现状我国从7 0 年代末即已开始了计算机继电保护的研究，高等院校和科研院所起着先导的作用。华中理工大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、天津大学、上海交通大学、重庆大学和南京电力自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1 9 8 4 年原华北电力学
22、院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机变压器组保护也相继于1 9 8 9、1 9 9 4 年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1 9 9 1 年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1 9 9 3、1 9 9 6 年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系
23、统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。可以说从9 0 年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代。12 2 继电保护发展趋势继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言编程等。这就要求微机保护装置具有相当于一台P C 机的功能。在计算机保护发
24、展初期，曾设想过用一台小型计算机作成继电保护装置。由于当时小型机体积大、成本高、可靠性差，这个设想是不现实的。现在，同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，因此，用成套工控机作成继电保护的时机已经成熟，这将是微机保护的发展方向之一。计算机网络作为信息和数据通信工具已成为信息时代的技术支柱，使人类生产和社会生活的面貌发生了根本变化。它深刻影响着各个工业领域，也为各个工业领域提供了强有力的通信手段。到目前为止，除了差动保护和纵联保护外，所有继电保护装置都只能反应保护安装处的电气量。继电保护的作用也只限于切除故障元件，缩小事故影响范一2 一大连理工大学专业学位硕士
25、学位论文围。这主要是由于缺乏强有力的数据通信手段。国外早已提出过系统保护的概念，这在当时主要指安全自动装置。因继电保护的作用不只限于切除故障元件和限制事故影响范围(这是首要任务)，还要保证全系统的安全稳定运行。这就要求每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，确保系统的安全稳定运行。显然，实现这种系统保护的基本条件是将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络联接起来，亦即实现微机保护装置的网络化。这在当前的技术条件下是完全可能的。对于一般的非系统保护，实现保护装置的计算机联网也有很大的好处。继电保护装置能够得到的系统故障信息愈
26、多，则对故障性质、故障位置的判断和故障距离的检测愈准确。对自适应保护原理的研究已经过很长的时间，也取得了一定的成果，但要真正实现保护对系统运行方式和故障状态的自适应，必须获得更多的系统运行和故障信息，只有实现保护的计算机网络化，才能做到这一点。对于某些保护装置实现计算机联网，也能提高保护的可靠性。天津大学1 9 9 3 年针对未来三峡水电站5 0 0 k V 超高压多回路母线提出了一种分布式母线保护的原理，初步研制成功了这种装置。其原理是将传统的集中式母线保护分散成若干个(与被保护母线的回路数相同)母线保护单元，分散装设在各回路保护屏上，各保护单元用计算机网络联接起来，每个保护单元只输入本回路
27、的电流量，将其转换成数字量后，通过计算机网络传送给其它所有回路的保护单元，各保护单元根据本回路的电流量和从计算机网络上获得的其它所有回路的电流量，进行母线差动保护的计算，如果计算结果证明是母线内部故障则只跳开本回路断路器，将故障的母线隔离。在母线区外故障时，各保护单元都计算为外部故障均不动作。这种用计算机网络实现的分布式母线保护原理，比传统的集中式母线保护原理有较高的可靠性。因为如果一个保护单元受到干扰或计算错误而误动时，只能错误地跳开本回路，不会造成使母线整个被切除的恶性事故，这对于象三峡电站具有超高压母线的系统枢纽非常重要。由上述可知，微机保护装置网络化可大大提高保护性能和可靠性，这是微机
28、保护发展的必然趋势。在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。通信技术与电流保护的配合及实现近年来，人工智能技术如神经网络、遗传算法、进化规划、模糊逻辑等在电力系统各个领域都得到了应用，在继电保护领域应用的研究也已开始。神经网络是一种非线性映
29、射的方法，很多难以列出方程式或难以求解的复杂的非线性问题，应用神经网络方法则可迎刃而解。例如在输电线两侧系统电势角度摆开情况下发生经过渡电阻的短路就是一非线性问题，距离保护很难正确作出故障位置的判别，从而造成误动或拒动；如果用神经网络方法，经过大量故障样本的训练，只要样本集中充分考虑了各种情况，则在发生任何故障时都可正确判别。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力。将这些人工智能方法适当结合可使求解速度更快。天津大学从1 9 9 6 年起进行神经网络式继电保护的研究，已取得初步成果。可以预见，人工智能技术在继电保护领域必会得到应用，以解决用常规方法难以解决的问题I l J。
30、1 3 本文主要研究工作本文作者分析电力系统电流保护现状，结合当今电力系统继电保护的发展趋势，以计算机技术和网络通信技术的飞速发展为基础，以为实现电力线路全程速断保护为目的，提出并且研究了基于现场总线通信网络的电力系统电流保护方法，给出了适用于该方法的数字式继电保护平台，本文具体研究工作可归纳为以下几方面：(1)本文深入分析6 6 千伏等级以下电力系统常用的三段式电流保护方法，提出了速断保护不能保护线路全长，有些情况下甚至没有保护区间的缺点；限时速断为保护线路全程而牺牲了速动性的缺点。提出了基于现场总线通信网络的保护方法，具体分析了几种基于现场总线的保护方法的实现方式，提出了把故障类型判断引入
31、电力系统电流保护的观点。并且通过对两种方法的比较比较得出了新方法的优点。(2)详细了解和比较了现在流行的几种现场总线后，选取C A N 总线作为数字式继电保护平台的通信节点。本文介绍了C A N 总线通信模型和C A N 总线的特点，分析了C A N 的网络分层结构与电力系统线路分级的对应关系，详细分析了C A N 总线通信的关键技术：位定时与位同步以及C A N 的位仲裁技术。为了适应电力系统运行方式会发生变化的特点，提出了动态设定C A N 网络通信节点优先级的方法，给出了方法的实现方式，并针对某变电所线路进行了具体分析。制定了适用于基于现场总线的电流保护方法的网络通信协议。(3)本文给出
32、了作为现场总线网络通信节点的数字式继电保护平台的设计方法，在硬件方面选用嵌入式芯片A R M 作为微处理器，通过C P L D 控制硬件平台的外围模块，设计了C P L D 中C A N 时序控制模块，本文还设计了具有通用性的C A N 通信电路板，给出了保护大连理工大学专业学位硕士学位论文平台接入总线的方式。软件方面选用了g C O S I I 嵌入式操作平台，在此平台上编写了外围通信电路底层驱动程序，C A N 通信程序和保护程序。(4)本文研究的目的是实现电力系统全程速断保护，因此本文分析了C A N 总线通信的实时性问题j 根据本文制定的网络通信协议，针对故障时网络节点的通信过程，本文
33、对故障时网络通信实时性问题做了详细研究，证明了故障发生后通过C A N 通信网络可以满足准确判断故障位置要求的同时，保护的速断性也完全满足需要，从而表明了本文研究的目的和意义。通信技术与电流保护的配合及实现2 电流保护方法分析本章首先论述了传统的电力系统三段式电流保护方法，说明了它们的保护原理，整定值的选取原则，灵敏性的分析方法，进而得出了传统的三段式电流保护的一些缺点，如速断保护保护区间的限制以及限时速断和定时限过电流保护动作时间的限制，在此基础上提出了基于现场总线通信网络的电力系统电流保护方法，并阐述了其保护原理，且举例说明了保护平台节点当电力系统发生故障时的通信过程。2 1 继电保护的要
34、求当在系统中的同一地点或不同地点装有两套保护时，其中有一套动作比较快，而另一套动作比较慢，动作比较快的就称为主保护；而动作比较慢的就称为后备保护。即：为满足系统稳定和设备的要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护，就称为主保护；当主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护，就称为后备保护。后备保护不应理解为次要保护，它同样是重要的。后备保护不仅可以起到当主保护应该动作而未动作时的后备，还可以起到当主保护虽已动作但最终未能达到切除故障部分的作用。为了使快速动作的主保护实现选择性，从而就造成了主保护不能保护线路的全长，而只能保护线路的一部分。也就是说，出现了保护的死区。这一死区就必须
35、利用后备保护来弥补不可 3 J。动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性，选择性，速动性和灵敏性，这几个要求之间，紧密联系，即矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配合，配置，制定每个电力元件的继电保护，充分发挥和利用继电保护的科学性，工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性，稳定性和可靠性发挥最大效能。可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护性能的最根本要求，所谓安全性，是要求继电保护在不需要它动作时可靠的不动作，即不发生误动作，所谓信赖性，时要求继电保护在固定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠的动作，即不发生拒绝动作。选择性包含两种
36、意思，其一时只应由装在故障元件上的保护装置切除故障；其二是要力争相邻元件的保护装置对它起后备保护的作用。速动性是指尽可能快的切除故障，以减少设备及用户在大短路电流，低电压下运行的时间，降低设备的损坏程度，提高电力系统并列运行的稳定性。动作迅速而有能满足选择性要求的保护装置，般结构都比较复杂，价格比较昂贵，对大量的中低压电力元一6 一大连理工大学专业学位硕士学位论文件，不一定都采用高速动作的保护。如何平衡速动性和选择性之间的矛盾，是本文研究的重点之一。灵敏性是指对于保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该使在固定的保护范围内部故障时，在系统任意的运行条件下，无论
37、短路点的位置，短路的类型如何，以及短路点时候有过渡电阻，当发生短路时都能敏锐感觉，正确反应1 4 J。可以看出可靠性，选择性，速动性和灵敏性是对继电保护的基本要求。本文分析了传统的阶段式动作特性的电流保护，针对其接近电源侧线路选择性和速动性的矛盾，提出了基于现场总线通信网络的电流保护方法，对该方法的基本技术要求是：在满足继电保护选择性的前提下，在速动性方面，使保护线路全程达到速断或接近速断保护的要求，使保护线路全程动作时间控制在4 0 7 0 m s，并且这个时间段包括了网络通信时间在内，也就是说在网络通信上的时间要控制在2 5 m s 之内。在第六章会对实时性进行详细的分析。2 2 阶段式动
38、作特性的电流保护6 6 千伏以下电压等级的电网，主要承担供，配电任务，发生单相接地后为保证继续供电，中性点采用非直接接地方式：为了便于继电保护的整定配合和运行管理，通常采用双电源互为备用，正常时单侧电源供电的运行方式。其主保护一般由阶段式动作特性的电流保护担任。3l汰，l，J 21 1一一上f图2 1 单侧电源供电网电流曲线通信技术与电流保护的配合及实现对于图2 1 所示的单侧电源供电的网络，正常运行时，各条线路中流过的负荷电流，越是靠近电源测的线路，所流过的电流就越大。负荷电流的大小，取决于用户负荷接入的多少，当用户的负荷同时都接入时，形成最大负荷电流。负荷电流与供电电压之间的相位角就是通常
39、所说的功率因数角，一般小于3 0 0。各条线路中流过的最大负荷电流幅值如上图曲线，1，J 2，J 3，J 所示。当供电网络中发生三相和两相短路时，流过短路点与电源间线路中的短路电流包括工频周期分量，暂态高频分量和衰减直流分量。其短路工频周期分量近似计算式为：l=”h=兰旦=b 一竺l _(2 1)z z乙+及式中：西系统等效电源的相电动势压为短路点至保护安装处之间的阻抗乃为保护安装处到系统等效电源之间的阻抗R为短路类型系数，三相短路取l，两相短路取半2随整个电力系统开机方式，保护安装处到电源之间的网络的网络拓扑，负荷水平的变化，R 和乙都会变化，造成短路电流的变化。随短路点距离保护安装处远近的
40、变化和短路类型的不同，Z 和的值不同，短路电流也不同。找到这样的运行方式，队形的系统等值阻抗最小。也可以找到这样的系统运行方式，在相同地点发生相同类型的短路时流过保护安装处的电流最小，对继电保护而言称为系统最小运行方式，对应的系统等值阻抗最大。取最大运行方式下三相短路和最小运行方式下两相短路，经计算后绘出流经保护安装处的短路电流随短路点距离变化的两条曲线。如图2 1 中曲线2，3 所示，在系统所有运行方式下，在相同地点发生不同类型短路时流过保护安装处的电流都介于这两个短路电流值之间。比较各条线路最大电荷幅值和曲线2，3 可以发现，在保护范围内短路电流的幅值总是大于负荷电流的幅值，而且要大很多。
41、正常运行与短路状态间的差别明显，利用流过保护安装处电流幅值的大小来区分运行状态，实现保护简单可靠，方便易行。但是，流过保护安装处的短路电流的大小与以下因素紧密相关：(a)电力系统运行方式(Z s)的变化；(b)电力系统正常运行状态(凰)的变化；(c)不同的短路类型()(d)随短路点距等职电源的距离变化，短路电流连续变化，越远电流越小，并且在本线路末端和下级线路出口短路，电流没有差别。一8 一大连理工大学专业学位硕士学位论文以上特点，都是在构成完善的电流保护时必须考虑的问题l l J。1)电流速断保护对应反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护，为了保证其选择性，一般只能保护
42、线路的一部分。以图2 1 所示的网络接线为例，假定在每条线路上均装有电流速断保护，当线路A B 上发生故障时，希望保护4 能瞬时动作，而当线路B C 上故障时，希望保护3 能瞬时动作，它们的保护范围最好能达到本线路全长的1 0 0，但是这个理论能否实现，还要具体分析。以保护4 为例，当相邻线路B C 的始端短路时，按照选择性的要求，速断保护4 就不应该动作，因为该处的故障应由速断保护3 动作切除。而当线路A B 末端短路时，希望速断保护4 能够瞬时动作切除故障。但是实际上，线路A B 末端和线路B-C 始端短路时，从保护安装处4 流过的电流的数值几乎是一样的。因此，希望A B 末端短路时保护4
43、 能动作，而B C 始端短路时保护4 不动作的要求就不可能同时得到满足。同样的，保护3 也无法区别B C末端和C D 始端的短路。为了解决这个矛盾通常有两种办法。通常都是优先保证动作的选择性，即从保护装置启动参数的整定上保证下一条线路出口处短路时不启动，在继电保护技术中，这又称为按躲开下一条线路出1 3 处短路的条件整定。另一种办法就是在个别情况下，当快速切除故障是首要条件时，就采取无选择性的速断，而以自动重合闸来纠正这种无选择性动作。对反应电流升高而动作的电流速断保护而言，能使该保护装置启动的最小电流值成为保护装置的整定电流，以k 表示，显然必须当实际的短路电流h 芝k 时，保护装置才能动作
44、。保护装置的整定电流k，是用电力系统一次侧的参数表示的，所代表的意义是：当在被保护线路的一次侧电流达到这个数值时，安装在该处的这套保护装置就能够动作。以图2 1 保护4 为例，为保证动作的选择性，保护装置的启动电流k 必须大于下一条线路出口处短路时可能的最大短路电流，从而造成在本线路末端短路时保护不能启动，保护不能启动的范围随运行方式，故障类型的变化而变化，在各种运行方式下发生各种短路保护都能动作切除故障的短路点位置的最小范围称为最小的保护范围。当系统运行方式变化很多，或者被保护线路的长度很短时，速断保护就可能没有保护范围，因而不能采用。但在个别情况下，有选择性的电流速断也可以保护线路的全长，
45、例如当电网的终端线路上采用线路一变压器组的接线方式，由于线路和变压器可以看成是一个元件，因此速断保护就可以按照躲开变压器低压侧线路出口处的短路来整定，由于变压器的阻抗一般比较大，因此低压侧短路电流就大为减少，这样整定之后，电流速断就能够保护线路的全长，并能保护变压器的一部分。一9 一通信技术与电流保护的配合及实现2)限时电流速断保护由于有选择性的电流速断保护不能保护本线路的全长，因此可以考虑增加一段带时限动作的保护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时也能作为速断保护的后备，这就是限时电流速断保护。对于这个保护的要求，首先是在任何情况下能保护线路的全长，并且具有足够的灵敏性；其次是在满
46、足上述要求的前提下，力求具有最小的动作时限；在下级线路短路时，保证下级保护优先切除故障，满足选择性要求。j 团j 囹囝i 田图2 2 三段式电流保护整定值与动作时间配合特性如图2 2 所示系统保护2，由于要求限时电流速断保护必须保护线路的全长，因此它的保护范围必然要延伸到下级线路中去，这样当下级线路出口处发生短路时，它就要启动，在这种情况下，为了保证动作的选择性，就必须使保护的动作带有一定的时限，为了使这一时限尽量缩短，照例都是首先考虑使它的保护范围不超过下级线路速断保护范围，而动作时限则比下级线路的速断保护高出一个时间阶梯，此时间阶梯以出表示。如果与下级线路的速断保护配合后，在本线路末端短路
47、灵敏性不足时，则此限时电流速断保护与下级线路的限时电流速断保护配合，动作时限比下级的限时速断保护高出一个时间阶梯。通过上下级保护间保护定值与动作时间的配合，使全线路的故障都可以在一个出(少数与限时电流速断保护配合时为两个A t)内切除。对于通常采用的断路器和间接作用于断路器的二次式继电器而言，出的数值在0 3 一O 5 s 之间，通常多取为O 5 s。限时电流速断保护的整定值的选取原则，是按照躲开下级线路速断保护整定值的原则进行，以图2 2 为例，线路C D 段速断保护整定值为1 2 1，则C D 段上一级即B C 段限大连理工大学专业学位硕士学位论文时电流速断保护整定值取为1 3 2，1 3
48、 2 1 2 1，引入可靠性配合系数，一般取为1 11 2，则得1 3 2=1 2 I。考虑到保护装置灵敏性，为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，具有足够的反映能力，这个能力通常用灵敏性系数来衡量。对反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏系数的含义是：，保护范围内发生金属性短路时故障参数设计值，、mA s e n 一葆孤匪瓣两硒匆巍r 一毕吆，式中，故障参数的计算值，应根据实际情况合理采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定，但不必考虑可能性很小的特殊情况。对于保护2 的限时电流速断而言，即应采取系统最小运行方式下线路C D
49、末端发生两相短路时短路电流作为故障参数的计算值。设此电流为五6 n f i a，带入上式，则灵敏系数为K s e n：I k b r a i n1 2 2(2-3)为了保证在线路末端短路时，保护装置一定能够动作，要求1 3 一1 5。要求灵敏系数大于一的原因是考虑可能会出现一些不利于保护启动的因素，而在实际上存在这些因数时，为使保护仍然能够动作，显然就必须留有一定的裕度。3)定时限过电流保护作为下级线路主保护和断路器拒动时的远后备保护，同时作为本线路主保护拒动时的近后备保护，也作为过负荷时的保护，当电流的幅值超过最大负荷电流值时启动。过电流保护有两种，一种是保护启动后出口动作时间是固定的整定时
50、间，称为定时限过电流保护；另一种是出口动作时间与过电流的倍数相关，电流越大，出口动作越快，称为反时限过电流保护。过电流保护在正常运行时不启动，而在电网发生故障时，则能反映于电流的增大而动作。在一般情况下，它不仅能够保护本线路的全长，而且保护相邻线路的全长，可以起到远后备保护的作用。为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对不动作，显然保护装置的启动电流必须大于该电路上出现的最大负荷电流五懈；同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流作用下保护装置必须能够返回，其返回电流应该大于负荷自启动电流。例如图2 2 所示B C 段定时限过电流保护整定值为1 3 3。4)阶段式动作特性的电流