微机保护的原理与试验大全.docx
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微机保护的原理与试验大全
输电线路的电流、电压微机保护
（一）目的
1．学习电力系统中微机型电流、电压保护时间、电流、电压整定值的调整方法。
2．研究电力系统中运行方式变化对保护的影响。
3．了解电磁式保护与微机型保护的区别。
4．熟悉三相一次重合闸与保护配合方式的特点。
（二）原理
关于三段式电流保护和电流电压联锁保护的基本原理可参考第三章有关内容，以下着重介绍本试验台关于微机保护的原理。
1．微机保护的硬件
微型机保护系统的硬件一般包括以下三大部分。
（1）模拟量输入系统（或称数据采集系统）。
包括电压的形成，模拟滤波，多路转换（MPX）以及模数转换（A/D）等功能块,完成将模拟输入量准确的转换为所需要的数字量的任务。
（2）CPU主系统。
包括微处理器（80C196KC），只读存储器（EPROM），随机存取存储器（RAM）以及定时器等。
CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护的功能。
（3）开关量（或数字量）输入/输出系统。
由若干并行接口适配器（PIO），光电隔离器件及有触点的中间继电器组成，以完成各种保护的出口跳闸，信号报警，外部接点输入及人机对话等功能。
微机保护的典型结构图5-1所示。
图5-1微机保护典型硬件结构图
2．数据采集系统
微机保护要从被保护的电力线路或设备的电流互感器﹑电压互感器或其他变换器上获取的有关信息，但这些互感器的二次数值﹑输出范围对典型的微机电路却不适用，故需要变换处理。
在微机保护中通常要求模拟输入的交流信号为±5V电压信号，因此一般采用中间变换器来实现变换。
交流电流的变换一般采用电流中间变换器并在其二次侧并电阻以取得所需要的电压的方式。
对微机保护系统来说，在故障初瞬电压、电流中可能含有相当高的频率分量（例如2KHZ以上），而目前大多数的微机保护原理都是反映工频量的，为此可以在采样前用一个低通模拟滤波器（ALF）将高频分量滤掉。
对于反映两个量以上的继电器保护装置都要求对各个模拟量同时采样，以准确的获得各个量之间的相位关系，因而对每个模拟量设置一套电压形成。
但由于模数转换器价格昂贵，通常不是每个模拟量通道设一个A/D，而是公用一个，中间经模拟转换开关（MPX）切换轮流由公用的A/D转换成数字量输入给微机。
模数转换器（A/D转换器或称ADC）。
由于计算机只能对数字量进行运算，而电力系统中的电流。
电压信号均为模拟量，因此必须采用模数转换器将连续的模拟量变为离散的数字量。
模数转换器可以认为是一编码电路。
它将输入的模拟量UA相当于模拟参考量UR经一编码电路转换成数字量D输出。
3．输入输出回路
（1）开关量输出回路
开关量输出主要包括保护的跳闸以及本地和中央信号等。
一般都采用并行的输出口来控制有触点继电器（干簧或密封小中间继电器）的方法，但为了提高抗干扰能力，也经过一级光电隔离，如图5-2所示。
（2）定值输入回路
对于某些保护装置，如果需要整定的项目很有限，则可以在装置面板上设置定值插销或拨轮开关，将整定值的数码的每一位象接点那样输入。
对于比较复杂的保护装置，如果需要整定的项目很多时，可以将定值由面板上的键盘输入，并在装置内设置固化电路，将输入定值固化在E2PROM中。
本装置采用键盘输入方式设置定值，整定方法详见附录二中的有关使用说明。
4．CPU系统
选择什么级别的CPU才能满足微机保护的需求，关键的问题是速度。
也就是说，CPU能否在两个相邻采样间隔内完成必须完成的工作。
本微机保护采用美国INTEL公司高档16位微处理器80C196KC作为中央处理器。
在80C196KC的内部集成了8路10位单极性A/D﹑6通道高速输出（HSO）和2通道高速输入（HIS）﹑4通道16位定时器﹑全双工串行通讯接口﹑多路并行I/O口﹑512字节片内寄存器等，集成度高﹑功能强大，极其利于构成各种高性能控制器。
5．微机保护的软件
在DJZ-Ⅲ实验保护台中，微机保护装有无时限速断电流保护，带时限电流速断保护，定时限过电流保护以及电流电压联锁速断保护。
在DJZ-Ⅲ变压器微机试验台中，装有变压器差动保护和变压器速切保护两种。
保护的软件是根据常规保护的原理，结合微机计算机的特点来设计的，具有以下几个功能：
（1）正常运行时，装置可以测量电流（电压），起到类似电流、电压表的作用，同时还起到监视装置是否正常工作的作用。
（2）被保护元件（变压器及线路）故障时，它能正确地区分保护区内、外故障，并能有效地躲开励磁涌流的影响。
（3）它具有较完善的自检功能，对装置本身的元件损坏及时发出信号。
（4）有软件自恢复的功能。
电流电压保护软件基本框图如图5-3所示。
（三）实验内容
电流、电压微机保护实验内容与第三章的实验内容近似，可参考。
下面列出微机保护实验的有关内容。
1．三段式电流微机保护实验
1）电流速断保护灵敏度检查实验
（1）DJZ-III试验台的常规继电器和微机保护装置都没有接入电流互感器TA回路，在实验之前应该接好线才能进行试验，实验用一次系统图参阅图3-1，实验原理接线图如图5-4所示。
按原理图完成接线，同时将变压器原方CT的二次侧短接。
（2）将模拟线路电阻滑动头移动到0Ω处。
（3）运行方式选择，置为“最小”处。
（4）合上三相电源开关，直流电源开关，变压器两侧的模拟断路器1KM、2KM，调节调压器输出，使台上电压表指示从0V慢慢升到100V为止，注意此时的电压应为变压器二次侧电压，其值为100V。
（5）合上微机装置电源开关，根据第三章中三段式电流整定值的计算和附录二中所介绍的微机保护箱的使用方法，设置有关的整定，同时将微机保护的I段（速断）投入，将微机保护的II、III段（过流、过负荷）退出。
（6）此时A相、B相、C相负载灯全亮。
（7）因用微机保护，则需将LP1接通（微机出口连接片投入）。
（8）任意选择两相短路，如果选择AB相，合上AB相短路模似开关。
（9）合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生两相短路故障，此时负荷灯部分熄灭，台上电流表读数大于保护整定值，故应由保护动作跳开模拟断路器，从而实现保护功能。
将动作情况和故障时电流测量幅值记录于表5-1中。
表5-1电流速断保护灵敏度检查实验数据记录表
短路阻抗/Ω
1
2
4
5
6
7
8
9
10
最大
运行方式
AB相短路
Ⅰ段动作情况
1
1
1
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
8.79
7.32
5.46
4.98
4.42
4.00
3.64
3.28
3.10
BC相短路
Ⅰ段动作情况
1
1
1
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
8.96
7.40
5.70
5.10
4.48
4.17
3.77
3.52
3.21
CA相短路
Ⅰ段动作情况
1
1
1
1
0
0
0
0
0
短路电流/A
9.13
7.61
5.61
5.21
4.50
4.13
3.89
3.53
3.25
1
2
4
5
6
7
8
9
10
正常运行方式
AB相短路
Ⅰ段动作情况
1
1
0
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
6.44
5.60
4.48
4.00
3.85
3.50
3.10
3.09
2.85
BC相短路
Ⅰ段动作情况
1
1
0
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
6.55
5.60
4.48
4.00
3.85
3.50
3.10
3.09
2.85
CA相短路
Ⅰ段动作情况
1
1
0
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
6.82
5.79
4.58
4.17
3.94
3.69
3.29
3.24
3.05
1
2
4
5
6
7
8
9
10
最小运行方式
AB相短路
Ⅰ段动作情况
1
0
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
5.86
5.10
4.14
3.83
3.63
3.31
2.96
2.89
2.75
BC相短路
Ⅰ段动作情况
1
0
0
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
5.72
5.05
4.21
3.82
3.7
3.43
3.00
2.98
2.78
CA相短路
Ⅰ段动作情况
1
1
0
0
0
0
0
0
0
短路电流/A
6.14
5.28
4.25
3.92
3.71
3.39
3.10
3.05
2.96
（10）断开故障模拟断路器，当微机保护动作时，需按微机保护箱上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器，负载灯全亮，即恢复模拟系统无故障运行状态。
（11）按表5-1中给定的电阻值移动短路电阻的滑动接头，重复步骤（9）和（10）直到不能使I段保护动作，再减小一点模拟线路电阻，若故障时保护还能动作，记录此时的短路电流和滑线变阻器的阻值，记入表5-1中（1代表保护动作，0代表保护不动作）。
（12）改变系统运行方式，分别置于“最大”、“正常”运行方式，重复步骤（6）至（11），记录实验数据填入表5-1中。
（13）分别改变短路形式为BC相和CA相，重复步骤（6）至（12）。
（14）实验结束后，将调压器输出调回零，断开各种短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。
2）带时限电流速断保护灵敏度检查实验
实验步骤与实验1）完全相同，只是将微机保护的I、III段退出，只将II段投入，同时为减少实验次数，可将短路电阻初始位置设为5Ω处。
关于III段（过负荷）保护范围的检查，请参考以上实验步骤，自己设计实验，这里不赘述，此外三相短路实验对三段式电流保护范围的检查步骤同上，这里也不重复，请大家自行设计。
3）过电流保护范围检验
实验步骤参考以上实验。
4）三相短路时三段式保护各段范围检查
步骤参考以上实验。
5）同站间保护配合实验
为了观察同站间微机保护的配合，根据本试验台的硬件设置情况，必须断开所有微机保护的出口分闸回路，改用常规过电流保护分开故障线路的摸拟断路器。
（1）常规保护按完全星形两段式接线图接好（只需使用常规过电流保护，且整定时间稍大于微机保护III段动作时间）。
同站保护配合实验原理接线图如图5-5所示：
图5-5同站间保护配合实验原理接线图
（2）把常规保护各元件的整定值按I、III段整定，且时间继电器整定时间要比微机保护III段的整定时间多1~2秒。
（3）合上三相电源开关，直流电源开关。
（4）合上微机装置电源开关，按实验1）中所述方法整定有关整定值，退出低压启动和重合闸功能，将保护I、II、III段均投入。
（5）将模拟线路电阻滑动头移到5处。
（6）系统运行方式选择，置于“最大”，将微机出口LP1退出，将常规出口LP2投入。
（7）合上模拟断路器。
（8）调节调压器输出，使台上电压表指示从0V慢慢升到100V。
，负载灯全亮。
（9）合上SA、SB、SC短路模拟开关。
（10）合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。
此时负荷灯全部熄灭，微机I段保护首先动作，显示“Sd-”（为测量的故障电流幅值大小），同时“I段动作”指示灯点亮，因LP1开路会导致模拟断路器不能分断，随后微机II段保护动作，显示“GL-”，同时“II段动作”指示灯点亮，但因本试验台微机保护I、II、III段出口共用LP1，所以此时，模拟断路器仍不能分断，再延时一会就会有微机Ⅲ段保护动作，显示“FH-”，同时“III段动作”指示灯点亮，但因共用一个出口且LP1并没有投入，所以微机保护不能将故障切除。
但因为常规保护III段投入了，且常规保护III段动作时间整定比微机保护III段动作时间稍长，所以常规保护III段将在微机保护III段动作之后动作切除故障（此处加入常规保护III段，是为配合本实验，因微机I、II、III段共用一个出口LP1，将其退出之后，本试验台就没有任何保护，当短路故障发生后，因电流较大，怕故障长时间不能切除而烧损设备，故投入常规保护III段以作后备）。
（11）也可通过查询故障显示画面顺序确定故障发生的先后顺序。
（12）断开故障模拟断路器，按微机保护装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器，即恢复模拟系统的无故障运行。
（13）改变故障短路点和系统运行方式，比较实验现象有何不同。
并记录实验数据于下表：
短路电阻/W
短路电流
3
4
5
6
7
8
Ⅰ段动作情况
1
0
0
0
0
0
Ⅱ段动作情况
1
1
1
1
1
10
Ⅲ段动作情况
1
1
1
1
1
1
动作电流Id/A
5.32
4.85
4.41
4.21
3.77
3.64
（14）实验结束后，将调压器输出调回零，断开短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。
注意：
为了获得比较理想的实验效果，可以适当延长各段保护时间整定值间的差值大小。
2．电流电压联锁微机保护实验
本次实验在最小运行方式下模拟线路30%处三相短路实验。
（1）按图5-4所式原理接线图完成实验接线。
（2）将台面上部的LP1接通（微机出口连接片投入），将LP2断开（常规出口连接片不投入）。
（3）将线路电阻滑动头移动到3Ω处。
（4）系统运行方式选择开关置于“最小”位置处。
（5）合上实验三相电源开关，直流电源开关，并将线路模型中的PT测量接入微机保护装置中的微机PT输入。
（6）合上微机装置电源开关，根据实验1中介绍的方法设置有关整定值，将三段电流保护全部投入，将保护装置的低电压起动值设置为30V，并将低压闭锁功能投入，将重合闸功能退出。
（7）合上模拟断路器，调节调压器输出，使屏上电压表指示从0V慢慢上升到100V为止。
负荷灯全亮。
（8）合上SA、SB、SC短路模拟开关。
（9）合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。
此时，负荷灯全熄，虽然微机保护测量电流幅值大于I段整定值，但由于其电压测量值高于低电压起动元件的设置值，所以，I段保护不会动作（“I段动作”指示灯不会点亮），只有延时一会后，在II段保护延时时间到达后装置才会发跳闸命令断开模拟断路器，同时显示屏显示“GL－XXX”，并点亮“II段动作”指示灯。
注意：
为了获得明显的效果，可适当地加长II段保护动作延时时间的整定值大小。
（10）断开故障模拟断路器，按微机保护装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器，即恢复模拟系统无故障运行方式。
（11）修改微机保护单元箱中低压起动值，将其改为60V，再重复步骤（9）的实验过程，此时应该由I段保护动作，并发命令断开模拟断路器，同时保护单元箱上显示屏显示“Sd－XXX”，并点亮“I段动作”指示灯。
（12）改变微机保护单元箱中低电压启动值为不同数值，重复步骤（9）和（10），将实验数据填入下表。
整定电压/V
短路电流
48
60
50
60
70
80
Ⅰ段动作情况
不动作
动作
Ⅱ段动作情况
动作
动作
动作电流Id/A
5.48A
5.75A
（13）实验结束后，将调压器输出调回零，断开直流电源，断开短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。
3．微机重合闸实验
本次实验改为最小运行方式下三相短路实验。
（1）本实验接线与实验2中的一样。
（2）将台面上部的LP1接通（微机出口连接片投入），将LP2断开（常规出口连接片不投入）。
（3）将线路电阻滑动头移动到3Ω处。
（4）系统运行方式选择开关置于“最小”位置处。
（5）合上三相电源开关，直流电源开关。
（6）合上微机装置电源开关，根据前几次实验的中介绍方法确定整定值的大小，将三段电流保护全部投入，保护装置的低电压值设为60V，并将低压闭锁和重合闸功能均投入。
（7）合上模拟断路器，将调压器输出从屏上电压表指示0V慢慢上升到100V为止，负载灯全亮，。
让其在正常状态下运行约10秒钟。
（8）合上SA、SB、SC短路模拟开关。
（9）短时间合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。
此时，负载灯全熄，保护单元箱I段保护动作，发命令断开模拟断路器，同时显示屏显示“Sd－XXX”，并点亮“I段动作”指示灯；等待一会后（等待时间由装置中设置的重合闸时间确定），微机装置会发命令将断开的模拟断路器再次合上，同时显示屏显示为“--CH--”，若此时故障模拟断路器仍然处在合闸状态，则保护装置会迅速再发出跳闸命令将模拟断路器永久分开，并不再进行重合闸操作，同时，微机保护装置显示改为“GS-XXX”；若重合闸发生时，故障模拟断路器已经处于断开状态，则可使重合闸操作成功。
重合闸操作成功后约10秒钟，再进行故障实验，则动作情景同上所述。
（10）对永久性故障，在加速跳闸后，断开故障模拟断路器，复位微机装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器恢复无故障运行。
（11）根据下表中给定的短路电阻值重新设置短路电阻滑动触头的位置，重复步骤（9）和（10），将实验数据数据记录在下表中。
短路电阻/W
短路电流
3
4
6
8
Ⅰ段动作情况
动作
不动作
不动作
不动作
Ⅱ段动作情况
不动作
动作
动作
动作
Ⅲ段动作情况
不动作
动作电流Id/A
5.67A
5.05A
4.29A
3.73A
永久性故障时动作情况
GS-5.67
（12）实验结束后，将调压器输出调回零，断开短路模拟开关，断开模拟断路器，最后断开所有实验电源开关。
4．微机保护与重合闸继电器配合实验
本次实验选择最大运行方式下模拟线路三相短路实验。
（1）按图5-4完成实验接线。
（2）将台面上部的LP1接通（微机出口连接片投入）。
（3）将线路电阻滑动头移到3处。
（4）系统运行方式选择开关置于“最大”位置处。
（5）合上三相电源开关。
（6）合上微机装置电源开关，根据前几次实验中介绍方法确定整定值，将三段电流保护全部投入，将保护装置的低电压起动值设置为60V，并将低压闭锁和选择外接重合闸继电器功能均投入，将微机重合闸功能退出，并将重合闸继电器功能选择开关投入“ON”位置。
（7）合上直流电源开关；合上模拟断路器，将调压器输出从屏上电压表指示0V慢慢升到100V，此时100V电压仍为变压器二次侧线电压，负荷灯全亮，让系统在正常状态下运行约30秒钟，让重合闸继电器充电电容充电，直到重合闸继电器充电指示灯变亮。
（8）合上SA、SB、SC短路模拟开关。
（9）短时合上故障模拟断路器3KM，模拟系统发生三相短路故障。
此时负荷灯全熄，保护单元箱I段动作，发命令断开模拟断路器，同时显示屏显示“Sd-”，并短时间点亮“I段动作”指示灯，等待一段时间后（等待时间由重合闸继电器整定），重合闸继电器会发出命令将断开的模拟断路器再次合上，若此时故障模拟断路器仍然处在合闸状态，则保护装置会迅速再发出跳闸命令将模拟断路器永久分开，并不再进行重合闸操作，同时，微机保护装置显示改为“GS-”；若重合闸发生时，故障模拟断路器已经处于断开状态，则可使重合闸操作成功。
重合闸操作成功后约30秒，再进行故障实验，则动作情景同上所述。
（10）对永久性故障，在加速跳闸后，断开故障模拟断路器，复位微机装置上的“信号复位”按钮，重新合上模拟断路器恢复无故障运行。
（11）根据下表中给定的短路电阻值重新设置短路电阻滑动触头的位置，重复步骤（9）和（10），将实验结果记录下表中。
（12）实验结束后，将调压器输出调到零，断开短路模拟开关和模拟断路器，断开所有实验电源开关。
短路电阻/W
短路电流
3
6
8
6
7
8
Ⅰ段动作情况
1
0
0
Ⅱ段动作情况
0
1
1
Ⅲ段动作情况
0
0
0
动作电流Id/A
5.71A
4.42
3.71A
永久性故障时动作情况
GS
GS
GS
输电线路距离保护
（一）实验目的
1．熟悉阻抗继电器原理、特性及调整整定值方法。
2．掌握阻抗继电器在线路距离保护中的应用和实现方法以及与重合闸继电器的配合方式。
3．了解不同的运行方式对距离保护的影响。
4．了解同一变电站阻抗保护各段之间配合的动作过程。
（二）基本原理
随着电力系统的发展，出现了容量大、电压高或结构复杂的网络，这时简单的电流、电压保护难于满足电网对保护的要求。
例如，对于高压长距离重负荷线路，由于负荷电流大，线路末端短路时，短路电流的数值与负荷电流相差不大，故电流保护往往不能满足灵敏度的要求；对于电流速断保护，其保护范围随电网运行方式的变化而改变，保护范围不稳定，某些情况下甚至无保护区，所以如何使继电保护的灵敏度不受（或少受）系统运行方式的影响，这就是系统发展对继电保护提出的新要求。
阻抗保护就是适应此要求的一种保护。
1．阻抗保护的基本原理
所谓阻抗保护，就是指反应保护安装处至短路故障点的距离，并根据这一距离的远近而确定是否动作的一种保护装置，其基本原理图如图6-1所示。
系统正常工作时，保护安装处测量到的电压为Uw，它接近于额定电压。
保护安装处测量到的电流为负荷电流IL，则比值Uw/IL=Zm，基本上是负荷阻抗ZL，其值较大，负荷阻抗角k1较小（一般为30~40左右）。
当图6-1所示k1点短路时，保护安装处测量到的电压为k1点短路时的残压Uk1=Ik1Zk1，测量到的电流为Ik1，则比值Uk1/Ik1=Zk1。
而当k2点短路时，则有
=ZAB+Zk2。
后两种状态下的阻抗值均较小，而阻抗角为k其值较大。
显然利用电压和电流的比值，不但能清楚地判断系统的正常工作状态和短路状态，还能反映短路点到保护安装处的电气距离。
短路点远，Zk大。
由于Zk只与短路点到保护安装处的电气距离有关，因此，用
构成的保护，其保护范围基本上不受运行方式变化的影响。
这就克服了电流、电压保护的灵敏度受系统运行方式影响的缺点。
距离保护与电流保护一样，也有一个保护范围，短路发生在这一范围内，保护动作，否则不动作。
这个保护范围通常是用给定阻抗值的大小来实现的。
这个给定的阻抗称整定阻抗，用Zset表示。
当线路发生短路时，距离保护测量到的阻抗Zm（正常时Zm=ZL，短路时Zm=Zk）小于整定阻抗，即ZmZset，保护不动作。
因此，距离保护实质上是一种低量动作保护。
2．距离保护的时限特性
目前广泛应用的距离保护的动作时限具有阶梯形时限特性，这种动作时限特性与三段式电流保护的时限特性相同，一般也作成三阶梯式，即有与三个动作范围相应的三个动作时限：
tI、tII、tIII。
图6-2示出了线路AB距离保护的时限特性。
图6-2距离保护三段式阶梯时限特性
通常，距离保护的第Ⅰ段的保护范围为本线路全长的80%~85%，即
=（0.8~0.85）ZAB，动作时限为t1»0s，距离保护的第Ⅱ段要与下一线路的第I段相配合，即
=（0.8~0.85）（ZAB+
），tII=0.
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