三段式继电保护器的作用与功能综述

第一章三段式继电保护器的作用与功能综述1.继电保护装置当电力系统的电力元件（如发电机，线路等）或电力系统本身发生了故障危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令已终止这些事件发展的一种自动化措施和设备，一般称为继电保护装置。继电保护装置的基本任务（1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，是故障元件免于继续遭到破坏，并保证其他无故障元件迅速恢复正常运行。（2）反映电气元件不正常运行情况，并根据不正常运行情况的种类和电气元件维护条件，发出信号，由运行人员进行处理或自动地进行调整或将那些继续运行会引起事故的电气元件予以切除。反应不正常运行情况的继电保护装置允许带有一定的延时动作。（3）继电保护装置还可以和电力系统中其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性。综上所述，继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运行的可靠性。所以继电保护装置是电力系统中重要的组成部分，是保证电力系统安全和可靠的重要技术措施之一。2.三段式电流保护因为无时限电流速断保护，带时限电流速断保护工作时都不能为被保护元件提供全面可靠的保护，所以通常采用三段式电流保护，即由无时限电流速断保护作为第Ⅰ段保护，带时限电流速断保护作为第Ⅱ段保护，定时限过电流保护作为第Ⅲ段保护，构成一整套保护装置。2.1无时限电流速断保护无时限电流速断保护又称为第Ⅰ段电流保护或瞬动Ⅰ段电流保护，其工作原理由下图表示：为了保证保护动作的选择性，将保护范围严格限制在本线路以内，就应是保护的动作电流Iset1.大于最大运行方式下线路末端发生三相短路时的短路电流Iknmax.，即IIknsetmax.1.,IKIknrelsetmax.1.式中Krel为可靠系数，当采用电磁型继电器时，取1.2～1.3.由此可知，无时限电流速断保护最大范围小于线路L的全长，说明无时限电流速断保护只能保护线路的一部分，不能保护线路的的全长。无时限电流速断保护的灵敏度可用其保护范围占线路全长的百分数来表示,即m=llp×100%。通常在最大运行方式要求m50%,在最小运行方式下两相短路时m不小于15%～20%.2.2带时限电流速断保护无时限电流速断保护虽能实现快速动作，但不能保护线路全长。因此需装设第Ⅱ段保护，即带时限电流速断保护，来反映无时限电流速断保护外的区域。其工作原理图如下为缩短保护的动作时限，要求带时限电流速断延伸至下一线路的保护范围不能超出下一条线路无时限电流速断的保护范围，即Iset1.Iset2.,Iset1.=KsetIset2.式中Kset为可靠系数，考虑到非周期分量的衰减一般取1.1～1.2保护动作时间t=t+t灵敏度校验Ksen=IIxsetK.min与无时限电流速断保护相对比带时限电流速断保护有灵敏系数高，保护范围大的优点，但只能较好地作为本线路的近后备保护，不能完全作邻下一线路的远后备保护。2.3定时限过电流保护无时限电流速断保护和带时限电流速断保护能保护线路全长，可作为线路的主保护，但为防止主保护发生拒动，通常采用定时过电流保护作为后备保护，用来作为本线路的近后备和下条线路的远后备。正常运行时，线路流过负荷电流，保护不动。当线路发生短路故障时，保护启动，经过保证选择性的延时动作，将故障切除。动作电流整定原则保证本线路正常运行时，本保护不动Ixset.Ixmax.当相邻元件故障切除后，本保护要可靠返回Issmax.Ires电流整定值为Ixset.=KKKresssrelIlmax.保护动作时间tn=tnmax1+∆t灵敏度校验近后备:Ksen近1.=IIsetkB1.2min.5.1远后备:2.11.2min.IIKsetKCsen远2.4三段式电流保护装置由无时限电流速断保护、带时限电流速断保护、定时限过电流保护，构成一整套保护装置。其中Ⅰ段无时限电流速断保护，Ⅱ段带时限电流速断保护是主保护，Ⅲ段定时限过电流保护是后备保护。其工作特性曲线如下第二章智能三段式数字保护器的基本设想1.智能继电器所谓智能继电器，就是以微处理器为控制核心，完成信号的输入输出及其转换，按指定规则算法进行计算、控制、处理，实现对保护元件的监控与保护，并能与上位控制计算机进行通信，完成信息交换。2.设计方案本系统采用PIC18F458为核心的单片机系统，单片机就是将中央处理器（CPU），随机访问存储器（RAM）,只读存储器（ROM）定时计数器和多种接口电路集成到一块集成电路芯片上构成的微型计算机，它具有体积小，功耗低，可靠性高，抗干扰能力强，控制功能强，价格便宜等特点。单片机应用的意义不仅在于它的广阔范围以及它所带来的经济效益，更重要的还在于从根本上改善传统的控制系统设计思路和设计方法。实现其智能化控制能有效地节省人力物力，最主要的是能更好地节约能源，降低成本，提高经济效益。避免了不必要的热能和电能浪费，又可起到实时监控的作用。2.1仪用电流互感器电流互感器的作用是可以把数值较大的一次电流通过一定的变比转换为数值较小的二次电流，用来进行保护、测量等用途。电力系统使用的电流互感器，为了和微机继电保护装置接口，必须首先变换成mA级的小电流信号，在通过电流—电压变换成A/D转换器可以接受的弱电压信号。电流互感器的使用特点：1）电流互感器的接线应遵守串联原则：即一次绕阻应与被测电路串联，而二次绕阻则与所有仪表负载串联2）按被测电流大小，选择合适的变化，否则误差将增大。同时，二次侧一端必须接地，以防绝缘一旦损坏时，一次侧高压窜入二次低压侧，造成人身和设备事故3）二次侧绝对不允许开路，因一旦开路，一次侧电流I1全部成为磁化电流，引起φm和E2骤增，造成铁心过度饱和磁化，发热严重乃至烧毁线圈；同时，磁路过度饱和磁化后，使误差增大。电流互感器在正常工作时，二次侧近似于短路。微型电流互感器也有人称之为“仪用电流互感器”。微型电流互感器与变压器类似也是根据电磁感应原理工作的。2.2A/D转换器因为单片机能接受和处理的是数字量，而从信号处理电路输出的信号为模拟信号，故被测模拟量必须先通过A/D转换器转换成数字量并输入单片机2.3键盘键盘在单片机应用系统中能实现向单片机输入数据、输送命令等功能，是人工干预单片机的主要手段。2.3.1键盘输入的特点键盘实质上是一组按键开关的集合。通常，按键开关利用了机械点的合、断作用。2.3.2按键确认键的闭合与否反应在行线输出电压上就是呈现高电平或低电平。如果呈现高电平，表示键断开，低电平表示键闭合，通过对行线电平高、低状态的检测，便可确认按键按下以及按键释放与否。2.3.3消除按键抖动软件延时消除按键抖动：在检测到有键按下时，该键所对应的行线为低电平，执行一段延时10ms的子程序后，确认该行线电平是否仍为低电平，如果仍为低电平，则确认该行确实有键按下。当按键松开时，行线的低电平变为高电平，执行一段延时10ms的子程序，检测该行线为高电平，说明按键确实已经松开。采取以上措施可消除两个抖动期t1和t3的影响.2.3.4键盘的工作方式键盘的工作方式选取的原则是，既要保证及时响应按键操作，又不要过多占用单片机的工作时间。通常键盘的工作方式有3种，即编程扫描、定式扫描和中断扫描。2.4显示器显示器是单片机系统中最重要的输出设备，用来显示系统的运行结果与运行状态。常见的显示其主要有LED数据管显示器、LCD液晶显示器和CRT显示器。因为LCD具有零辐射、低功耗、散热小、体积小、图像还原精确、字符显示锐利等特点，我们选用LCD液晶显示器。2.5抗干扰处理(1)电源抗干扰设计电源抗干扰的基本途径有以下几点：(1)采用交流稳压器。当电网电压波动范围较大时，应使用交流稳压器。若采用磁饱和式交流稳压器，对来自电源的噪声干扰也有很好的抑制作用。(2)电源滤波器。交流电源引线上的滤波器可以抑制输入端的瞬态干扰。直流电源的输出也接入电容滤波器，以使输出电压的纹波限制在一定范围内，并能抑制数字信号产生的脉冲干扰。(3)在要求供电质量很高的特殊情况下，可以采用发电机组或逆变器供电，如采用在线式UPS不间断电源供电。(4)电源变压器采取屏蔽措施。(2)地线系统抗干扰设计地线系统遵循以下特点：1)所有的模拟地和数字地分别连在一起2)模拟低于数字低通各自的保护地单点项链。因为如果有多点相连就会形成地回路，而地回路的电阻很小，因此很小的干扰电压也会引起很大的回路电流。这个电流在地线形成的地线噪音很容易窜入信号回路，而且过大的回路电流也会烧毁逻辑地的连线。2.6人工复位对于失控的单片机，最简单的方法是使其复位，程序自动从0000H开始执行。为此只要在单片机的RESET端加一个复位信号，并持续规定的时间即可。2.7报警电路报警电路主要是在线路发生短路时提醒工作人员对电力系统进行维修。第三章重要元器件的介绍及转换电路1.PIC18F458功能特性描述PIC18F458单片机是美国微芯公司推出的16位RISC指令集的高级产品。PIC18F458单片机是一种高性能的RISCCPU。该款单片机不仅集成了强大的外围功能模块，而且因其特殊的单片机特性(如：自振式看门狗、可编程代码保护功能、休眠省电方式等)及先进的FLASH技术(低功耗、高增强型FLASH技术，全静态设计，2.0～5.5V宽范围的工作电压，工业级和扩展级温度范围)，可以适用各种工业控制场合。1.1高性能的RISCCPU具有高达2MB的程序存储器；高达4KB的数据存储器；高达10MIPS的执行速度；DC～0MHz时钟输入；4～0MHz带PLL锁相环有源晶振/时钟输入；16位宽指令，8位宽数据通道；带优先级的中断；8×8单周期硬件乘法器。1.2外围功能模块具有PORTAPORTE五组I/O端口；定时器/计数器TMR0-TMR3模块；捕捉/比较/PWM(*)模块；增强型捕捉/比较/PWM(E*)模块；主同步串型端口；可寻址的通用同步/异步收发器；CAN控制模块；10位A/D转换器模块；比较模块。2.LCD12864功能特性描述带中文字库的128X64是一种具有4位/8位并行、2线或3线串行多种接口方式，内部含有国标一级、二级简体中文字库的点阵图形液晶显示模块；其显示分辨率为128×64,内置8192个16*16点汉字，和128个16*8点ASCII字符集.利用该模块灵活的接口方式和简单、方便的操作指令，可构成全中文人机交互图形界面。可以显示8×4行16×16点阵的汉字.也可完成图形显示.低电压低功耗是其又一显著特点。由该模块构成的液晶显示方案与同类型的图形点阵液晶显示模块相比，不论硬件电路结构或显示程序都要简洁得多，且该模块的价格也略低于相同点阵的图形液晶模块。基本特性（1）低电源电压（VDD:+3.0--+5.5V）（2）显示分辨率:128×64点（3）内置汉字字库，提供8192个16×16点阵汉字(简繁体可选)（4）内置128个16×8点阵字符（5）2MHZ时钟频率（6）显示方式：STN、半透、正显（7）驱动方式：1/32DUTY，1/5BIAS（8）视角方向：6点（9）背光方式：侧部高亮白色LED，功耗仅为普通LED的1/5—1/10（10）通讯方式：串行、并口可选（11）内置DC-DC转换电路，无需外加负压（12）无需片选信号，简化软件设计（13）工作温度:0℃-+55℃,存储温度:-20℃-+60℃3.A/D转换器A/D转换器的选择依据：（1）A/D转换的方法（2）A/D转换器的主要技术指标A/D转换的常用方法有：双积分式A/D转换，逐次逼近式A/D转换，计数型A/D转换等A/D转换器的主要技术指标有：分辨率，精度，量程，转换时间等根据实际控制要求，本系统选择AD574AAD574A是一种高性能的12位逐次逼近式A/D转换器，转换时间约为25（10）μs，线性误差为±1/2LSB，内部有时钟脉冲源和基准电压源，单通道单极性或双极性电