1110KV输电线路保护配置
1.1主接线示意图
图1.1主接线示意图
1.2配置原则及内容
电流、电压的继电保护的主要优点是简单、经济、可靠，在35KV及以下电压等级电网中得到了广泛的应用。但由于它们的定值选择、保护范围以及灵敏度等受系统运行方式变化的影响较大，难以应用于更高电压等级的电网。所以本设计选择以距离保护和零序电流保护配合的继电保护配置方案。
从原则上来说，继电保护的配置应当满足两点最基本的要求：
(1)任何电力设备和线路，不得在任何时候处于无继电保护的状态下运行。
(2)任何电力设备和线路在运行中，必须在任何时候有至少两套完全独立的继电保护装置分别控制两台完全独立的断路器实现选择性保护。
第一点要求很容易理解，而第二点的“完全独立”也就是由继电保护中常说的“主保护”和“后备保护”配合。对于llOkV及以下电压的电网，基本上实现的是“远后备”，即当最邻近故障元件的断路器上配置的继电保护拒动或断路器本身拒动时，可以由电源侧上一级断路器处的继电保护装置动作断开故障。这样就充分实现了“完全独立”且具有选择性，从而获得丁完整意义上的“后备保护”。对于llOkV及以下电网，应当尽可能以辐射状网络方式运行，地区电源也应当以辐射线路接入联络变电所。实行环状或双回线布置，但以开环或线路变压器组方式运行，这是应当遵循的原则。
在短路故障中，输电线路的故障有单相接地故障、两相接地和相间短路故障及三相短路故障。其中单相短路故障的几率最大，其次是两相接地短路。两者合计约占输电线路故障总数的90%。接地故障用零序电流保护、接地距离保护可以满足要求。两相短路不接地故障的儿率很小，约占226-3%，其原因多半是由于两导线受风吹而摆动的频率不等造成的，三相短路基本都是不接地的，相间距离保护可以有效切除故障。
2保护类型
2.1距离保护
距离保护根据测量阻抗的大小，反应故障点的远近，故称距离保护。同时，由于它是反应阻抗参数而作的，又称为阻抗保护。距离保护在任何复杂形式的电网中都可有选择性的切除故障，而且具有足够的灵敏性和快速性，因此在高压及超高压线路中获得了最广泛的应用。该装置设置了完整的三段相间和接地距离保护。距离继电器是距离保护的主要测量元件，应满足以下要求：
（1）在被保护线路上发生直接短路时继电器的测量阻扰应正比于母线与短路点间的距离。
（2）在正方向区外故障时不应超越动作。超越有暂态超越和稳态超越两种。暂态超越是由短路的暂态分量引起的，继电器仅短时动作，一旦暂态分量衰减继电器就返回。稳态超越是由短路处的过渡电阻引起的。
（3)应有明确的方向性。正方向出口短路时无死区，反方向短路时不应误动作。
（4)在区内经达过渡电阻短路时府仍能灵敏的动作（又称动作特性能覆盖大过渡电阻），但这主要是接地距离继电器要考虑的问题。
（5)不受系统振荡的影响。
2.2零序方向电流保护
llOkV电网都采用中性点直接接地方式。在这类电网中发生接地短路（单相接地短路或两相接地短路）时，往往有很大的短路电流经过电网和接地故障处，阶段式零序电流保护能准确、有效地切除故障凡率占到90%的接地故障，因此在llOkV线路中零序方向电流保护得到广泛应用。
2.3自动重合闸
在电力系统中，输电线路是发生故障最多的设备，而且它发生的故障人都属于暂时性的，因此，自动重合闸装置在高压输电线路上得到极其广泛的应用。在高压输电线路上装设自动重合闸，对于提高供电的可靠性意义很大：在输电线路发生瞬时性故障时，可迅速恢复供电，从而提高供电可靠性；对于双侧电源的高压输电线路，可以提高系统并列运行稳定性，从而提高线路输送容量；可以纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸。
根据运行经验，该设计采用重合闸后加速保护，其接线原理图
利用图后加速元件KCP所提供的常开触点实现重合闸后加速。图中KA为过电流继电器的触点，当线路发生故障时，它启动时间继电器KS，然后经过整定时限后KS2触点闭合，启动出口继电器KCO而跳闸。当重合闸启动后，后加速元件KCP的触点将闭合1秒的时间，如果重合于永久故障上，则KA再次动作，此时即可由时间继电器KS的瞬时常开触点KS1、压板XB和后加速元件KCP的触点串联而启动KCO动作于跳闸，从而实现了重合闸后加速保护的要求。
3距离阻抗继电器的保护原理
3.1短路时母线残压计算的一般公式
阻抗继电器的主要作用是测量短路点到保护安装处（一般为母线）的线路阻杭，并与整定阻抗进行比较以确定是否动作，基本公式即为Zj=Uj／Ij。
图3.1距离保护原理示意图
图3.1距离保护原理示意图
如图3.1所示，母线的故障相电压应是短路点故障相电压Uk与线路上的压降之和。线路上的压降是各序压降之和。考虑到输电线路的正序和负序相等，因而母线故障相的相电压表达式为：
式(3，1)中，K—(Z0-Z1)／321，为零序电流补偿系数。
对于相间故障，母线上的故障相间电压为：
(3.2)
式(3.2)是按(3.1)分别求出两个故障相的相电压，再求出相间电压。式(3.1)和(3.2)是母线残压计算的一般公式，它适用于任何故障类型中对任何一相或相间电压的计算。也适用于非全相运行中运行相又发生故障时对母线电压的计算。
3.2低压距离继电器
当正序电压小于1026Un时，进入低压距离继电器程序．此时只可能有三相短路和系统振荡两种情况：系统振荡由振荡闭锁同路区分，这里只需考虑三相短路。因为三相对称，相间阻抗继电器和接地阻抗继电器的测量阻抗是一样的，所以在低压距离中，测量相阻抗，而且工作电压中没有310项。在三相低压程序里，由正序电压记忆量极化，I、II段距离继电器在动作前设置正的门坎，保证母线三相故障时继电器不可能失去方向性；继电器动作后改为反门坎，保证正方向三相故障继电器动作后一直保持到故障切除。Ⅲ段距离继电器始终采用反门坎，因而三相短路Ⅲ段稳态特性包含原点，不存在电压死区。一般情况下各相阻抗一样，但为了保证母线故障转换至线路构成三相故障时仍能快速切除故障，所以对三相阻抗均进行计算，任意一相动作跳闸时选为三相故障。低压距离继电器比较工作电压和极化电压的相位。
在距离保护中，距离继电器也就是阻抗继电器的作用就是系统发生短路故障时，通过测量故障环路上的测量阻抗Zm并将它与整定阻抗Zset相比较，以确定故障所在的区段，在保护范围内部故障时，给出动作信号。
所谓故障环路，就是指在故障时故障电流能够流通的通路。包括相，地故障环路和相．相故障环路。只有故障环路上电压、电流之间的关系才符合式(3.1)、(3.2)的关系。用它们作为测量电压和测量电流所算出的测量阻抗，才能够正确反应保护安装处到故障点的距离。在单相短路中，存在一个故障相和大地之间的故障环路（相．地故障环）；两相接地短路存在两个故障相和大地之间的（相，地）故障环路和一个两故障相之间的（相．相）故障环路；两项不接地短路存在一个两故障相之间的（相，相）故障环路；三相短路接地情况下，存在三个故障相与地之间的（相．地）故障环路和三个两两故障相之间的（相·相）故障环路。
为保护接地短路，取接地故障环路为相，地故障环路，测量电压为保护安装处的故障相对地电压，测量电流为带育零序电流补偿的故障相电流，由它们测出的测量阻抗能反应各种接地短路类型的故障距离，称之为接地距离保护接线方案。同理，对于相间短路，故障环路取相．相故障环路，取测量电压为保护安装处两故障相的电压相量差，测量电流取两故障相电流相量差，由它们测出的测量阻抗能反应各种相间短路类型故障距离，称之为相间距离保护接线方式。
距离保护是欠量保护，当保护安装处的测量阻抗小于整定阻抗时，继电器动作于跳闸。但在实际情况下，由于互感器误差、故障点过渡电阻等因素的影响，继电器实际测量阻抗得到的Zm-般并不能严格落在整定阻抗Zset同直线方向上，而是落在该直线附近的一区域中。为动作范围应该是一个包括Zset对应线段在内，但在整定阻抗方向上不超过Zset的一个区域。如圆形区域、四边形区域、苹果形区域、橄榄形区域等。当测量阻抗Zn1．落在该区域中时，就判断为区内故障，阻抗继电器动作；当落在该区域外面时，判断为区外故障，继电器不动作。这个区域的边界就是阻抗继电器的临界动作边界。
圆形区域阻抗继电器动作特性即常说的动作阻抗圆
图3.2阻抗圆动作特性
其中，Zsetl为正向整定阻抗，2set2为反向整定阻抗，Zk为测量阻抗。圆心为Zsetl
和2set2的连线中点10.5(2setl+2set2)l处，半径为10.5(2setl-2set2)I。圆内为动作区，
圆外为非动作区，圆周为继电器临界动作边界。
动作条件可以表示如下：
幅值比较动作方程为:
b)相位比较动作方程为:
正方向故障时，测量阻抗Zk在阻抗复数平面上的动作特性，正方向故障时，测量阻抗Zk在阻抗复数平面上的动作特性如图3.2，反方向故障时，动作特性也如图3.2。由于动作特性经过原点。因此母线和出口故障时。继电器处于动作边界。为了保证母线故障，特别是经弧光电阻三相故障时不会误动作，因此，对I、Ⅱ段距离继电器设置了门坎电压，其幅值取最大弧光压降。当正向三相出口短路时，当I、II距离继电器暂态动作后。将继电器的门坎倒置。相当于将特性圆包含原点，以保让继电器动作后能保持到故障切除，如果I、II段距离继电器不动作，该门槛电压无需倒置；当反向出口三相短路时，继电器不动作，门槛电压也无需倒置。该电压的存在，可以使稳态特性圆的F端上移，从而保让其稳态时不误动。为了保让Ⅲ段距离继电器的后备性能，Ⅲ段距离元件的门坎电压总是倒置的，其特性包含原点，靠Ⅲ段延时来保证其选择性。
3.3克服过渡电阻影响的措施
由于大多数的短路故障并非金属性短路，而往往是经较大电阻，这就需要考虑过渡电阻的影响。在过渡电阻大小和两侧电流相位一定的情况下，它对阻抗继电器的影响，与短路点所处位置、继电器所选用的特性密切相关。对于圆特性的方向阻抗继电器来说，在被倮护区的始端和末端短路时，受过渡电阻影响较大，而在中部短路时，则受其影响较小。在整定值相同的情况下，动作特性在+R轴上所占面积越小，受过渡电阻影响就越大。此外，由于接地故障一般远大于相间故障时的电阻，所以过渡电阻对接地距离元件的影响要大于对相间距离元件的影响。
采用能容许较大过渡电阻而不至于拒动的测量元件动作特性，是克服过渡电阻影响的主要措施。对此，可采用四边形特性、苹果圆特性等以加大在+R轴上的面积。在现实中，往往采用不同动作特性进行复合，可以获得较好的抗过渡电阻动作特性。
3.4振荡闭锁
距离保护的振荡闭锁措施，应能满足以下基本要求：
(1).系统发生全相或非全相振荡时，保护装置不应误动作跳闸。
（2).系统在全相或非全相振荡过程中，被保护线路又发生各种类型的不对称故障，保护装置应有选择性动作跳闸。
（3).系统在全相振荡过程中再发生三相故障时，保护装置应可靠动作跳闸，并允许带短延时。根据上述要求，利用短路与振荡时电气量的变化差异特征，距离保护振荡闭锁可采用以下措施：
(1)利用系统短路时负序、零序分量或电流突变量，短时开放保护，实现振荡闭锁。
(2)利用阻抗变化率的不同来构成振荡闭锁，也就是现实中俗称的“大圆套小圆’闭锁原理。
3.5零序方向继电器的保护原理
我国的llOkV电网采用中性点直接接地方式。在该电压等级输电线路中，接地故障约占输电线路故障总数的90%。当发生接地短路时，将产生很大的零序电流（相对于正常运行时的零序电流而言）。因而即使经大电阻接地短路时，零序电流保护也可以有足够的灵敏度，用其作为接地距离保护的补充是很合适的。发生单相接地故障时系统零序等值电路如图3.5所示。
图3.5零序方向保护工作原理图
由图可见，越靠近保护安装处发生单相接地故障，保护装置检测到的零序电压UO越高，零序电流10越大，因此不存在出口三相短路误判方向的问题。
4整定计算
4.1距离保护的整定计算
图4.1主接线网络示意图
图4.1主接线网络示意图
假定线路参数为每公里阻抗==0.4Q/km、=1.2Q/km，阻抗角(pL=700，线路1-2长度30km，线路3长度60km.电动机自启动系数Ks=l.5，分值系数K。，。访=K。…。=1.2．线路1-2段最大负荷电流Imax=350A、功率因数COS<01=0.9．正常时母线最低工作电压Umin=0.9Un(Un=llOkv).
解：线路1-2的正序阻抗:
线路3的正序阻抗:
保护1、2的距离一段整定：
动作时间:
保护1的距离二段整定：
灵敏度校验：
按本线路末端短路校验:;满足要求
动作时间:t"=0.5s
距离三段整定：按躲过最小负荷阻抗整定
其中可靠系数Krel=l.2，返回系数Kre=l.15和，=arccos0.9=25.8。
灵敏度校验：
1)本线路末端短路时的灵敏系数为
;满足要求
2)相邻元件末端短路时的灵敏系数为
;满足要求
4.2距离保护和零序方向保护
4.2.1三段式距离保护接线图
图4.2.1三段式距离保护接线图
注：TA处至阻抗继电器之间经“绝对值比较电压”形成，限于篇幅，图中未画出。
4.2.2零序功率方向判别元件的交流接线图至跳闸线圈
图4.2.2零序功率方向判别元件的交流接线
5装置硬件部分
5.1引言
微机保护的维护调试方便、可靠性高、占用体积小、经济适用、人性化交互界面等一系列优点使其在电力系统中有着广泛的应用。随着计算机技术、网络通信技术和自动控制技术的发展，变电站自动化系统正向着分散式、分布式、网络化的方向发展。电力系统配电网结构的日益复杂，对其保护、控制、测量、通信等功能的要求越来越高。微机保护和测控装置将逐步实现高集成度、全功能化。随着电力工业的发展和继电保护相关科学技术的进步给微机继电保护的研究提出了前所未有的机遇和挑战。本章在广泛收集分析国内外微机保护继电保护设计研究的资料基础之上，探讨了继电保护设计。通过分析南瑞继保LFP系列保护装置的硬件部分，介绍了微机继电保护硬件设计的基本模块。旨在于通过分析当今普遍采用的基于DSP的微机继电保护装置来熟悉微机继电保护的各部分功能及实现方法。
5.2硬件系统基本结构
本装置采用80C296+DSP的结构，将主、后备保护集成在一块CPU板上，DSP和单片机独立采样，由DSP完成所有的数字滤波、保护算法和出口逻辑，由CPU完成装置的总启动元件和人机界面、后台通信及打印功能。纽成装置的插件有：直流电源插件(DC)、交流插件(AC)、低通滤波器(IPF)，CPU插件(CPU)、通信插件(COM)、24V光耦插件(OPT)、跳闸出口插件(OUT)、操作回路插件(SWI)、电压切换插件(YQ)、显示面板(LCD)。具体硬件模块见图5.2
图5.2基于DSP的微机继电保护具体硬件模块图
5.3电源插件(DC)
外部开入DC插件为电源插件，可选220V或IlOV。保护装置的电源从正、负输入端子经抗干扰盒、背板电源开关至内部DC／DC转换器，输出+5v、±12V、+24V（继电器电源）给保护装置其它插件供电。±12V供运算放大器用，一路+24v供信号、出口继电器用，另一路供光耦用，+5V为CPU使用。
5.4交流输入变换插件(AC)
AC捅件为交流输入变换插件，可选用IA或5A。外部电流及电压输入经隔离变换器隔离变换后，其作用是把额定电压(57.7V)／额定电流(IA/5A)变换成满足模数变换器量程要求的电压0.35V，通过总线板与LPF插件联结。在此采用的隔离变换器一般是电磁感应原理的变换器，以便在电气上将电力系统与数据采集系统相隔离，兼有安全隔离的作用。电力系统的过压往往对数据采集系统有干扰作用，所以往这一环节上也要采取一定的过电压防护和干扰抑制措施。
5.5低通滤波插件(IPF)
本插件无外部连线，主要是从上部分交流插件部分和仪器部分来，主要完成两种功能：1）滤除高次谐波；2）调整电压。其功能示意图如图5.5所示。
图5.5低通滤波示意图
5.6CPU插件
该插件是装置核心部分，由单片机(CPU)和数字信号处理器(DSP)组成。CPU完成装置的总起动元件和人机界面及后台通信功能，DSP完成所有的保护算法和逻辑功能。装置采样率为每周波24点，在每个采样点对所有保护算法和逻辑进行并行实时计算，使得装置具有很高的可靠性及安全性。起动CPU内设总起动元件，起动后开放出口继电器的上E电源，同时完成事件记录及打印、保护部分的后台通信及与面板通信：另外还具有完整的故障录波功能，录波格式与COMTRADE格式兼容，录波数据可单独从串口输出或打印输出。CPU采用INTEL公司的80C296，I）DSP芯片采用AD公司的ADSP2181。
总结
本课题是针对110kv中性点直接接地系统的线路继电保护设计，课题中分别完成了继电保护原理、线路整定计算、保护类型和装置选择。本设计主要完成了110kv线路段的距离保护三段整定计算和零序保护的三段整定计算。设计中还涉及到了当今普遍采用的基于DSP的线路微机继电保护装置。通过查阅分析多种微机继电保护产品的设计思路和功能用途，熟悉了实际生活中线路微机继电保护的基本原理和实现方法。但由于微机继电保护模块众多、接线复杂，加上时间紧迫及本人学识所限，本设计未能完成线路微机继电保护的完整线路板的连线绘制工作，而仅就其中必备的模块插件给出设计思想，从中熟悉当今线路微机继电保护硬、软件设计，为以后可能从事此类研究工作打下基础。
致谢
在这次设计报告，不只是我们有付出，更离不开指导老师的耐心讲解与指导。我们的指导老师张老师在我们的这次制作中更是付出了大量的心血，张老师一遍又一遍的给我们讲解，从选课题到查资料，张老师每个步骤都给我们进行了耐心的讲解，我们在张老师的指导下顺利的完成设计报告。
在这里我要感谢张老师对我们的辛勤培育耐心指导，我们的设计里夹杂了张老师太多的汗水，同时也感谢我们组员对我的支持，没有这些支持，就不会有我们的成果。为了老师和同学的支持我必须更加努力，我不会让老师的心血白费，我会去回报老师的培育之恩。最后让我们再一次对申老师献上更高的敬意。
参考文献
[1]张西利．110kv数字式线路保护装置研制[硕士学位论文]．南京：东南大学，2006
[2]张保会，尹项根等，电力系统继电保护[M].北京：中国电力出版，2005
[3]杨奇逊，微型机继电保护基础[M].北京：水利电力出版社，1988
[4]刘一江．微机距离保护的新方法．电工技术学报，1999
[5]张冰．微机继电保护发展的历史、现状及其趋势，电力论文3，2
继电保护课程设计
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