學(xué)生課件2繼電保護(hù)硬件構(gòu)成

第二章繼電保護(hù)的硬件構(gòu)成主講：梁遠(yuǎn)升ysliang@計劃課時：3第一節(jié)繼電器傳統(tǒng)保護(hù)的硬件構(gòu)成傳統(tǒng)的電磁型繼電保護(hù)裝置是由各種不同類型的繼電器組成例如過電流保護(hù)電流繼電器時間繼電器中間繼電器信號繼電器測量部分邏輯部分執(zhí)行部分1.繼電器繼電器（Relay），一種能反應(yīng)一個弱信號的變化而突然動作，閉合或斷開其接點(diǎn)以控制一個較大功率電路或設(shè)備的器件。繼電保護(hù)因繼電器而得名，指用繼電器實(shí)現(xiàn)的電力系統(tǒng)保護(hù)。繼電保護(hù)的發(fā)展階段機(jī)電式保護(hù)（電磁型、感應(yīng)式）晶體管式集成電路式數(shù)字式（微機(jī)保護(hù)）1.電磁型繼電器繼電器的起動條件：動作轉(zhuǎn)矩起動電流：滿足起動條件的電流繼電器的返回條件：返回轉(zhuǎn)矩返回電流：滿足返回條件的電流起動過程中加速起動返回過程中加速返回繼電器的起動和返回過程都是明確干脆的，不會停留在某個中間位置返回電流必小于起動電流繼電特性繼電特性：無論起動和返回，繼電器的動作都是明確干脆的，它不可能停留在某一個中間位置返回系數(shù)：返回電流與動作電流之比過量動作的繼電器，返回系數(shù)恒小于1動作電流：使繼電器動作的最小電流值IK.act返回電流：使繼電器返回原位的最大電流值IK.re為保證可靠返回，返回電流應(yīng)大于最大負(fù)荷電流若要保證靈敏動作，動作電流應(yīng)小于最小短路電流要求返回系數(shù)大于0.85~0.9繼電器起動后，怎么會出現(xiàn)返回失??？調(diào)整繼電器的起動電流繼電器的起動電流繼電器的返回電流IL.maxIk發(fā)生故障時故障被下一級保護(hù)切除負(fù)荷電流比繼電器的返回電流還要大，繼電器不能返回，保護(hù)將越級起動而誤動。邏輯電平，不是母線電壓繼電器（保護(hù)）起動后，如何才能可靠返回？調(diào)整繼電器的起動電流，使其返回電流大于負(fù)荷電流繼電器的起動電流繼電器的返回電流IL.maxIk發(fā)生故障時故障被下一級保護(hù)切除負(fù)荷電流小于繼電器的返回電流，繼電器返回，保護(hù)不動作。2.感應(yīng)型繼電器常見為感應(yīng)圓盤式繼電器當(dāng)電流較小，低于動作電流時，動接點(diǎn)被彈簧拉著，位于擋板，繼電器不動作；當(dāng)電流大于動作電流，圓盤轉(zhuǎn)動，動接點(diǎn)最終與靜接點(diǎn)接通；電流越大，轉(zhuǎn)動速度越快，動作時間越短；相反，電流越小，動作時間越長反時限特性常用于反時限電流保護(hù)，即故障電流越小，動作時間越長，故障電流越大，動作時間越短。四極感應(yīng)圓筒式繼電器垂直方向磁極與水平方向磁極空間上相差90°；若I1超前I290°，則磁通Φ1與Φ2同相，在圓筒上的轉(zhuǎn)矩為最大；若I1和I2同相，則磁通Φ1與Φ2的相位相差90°，在圓筒上的轉(zhuǎn)矩為最大轉(zhuǎn)矩的0.707；若I1滯后I290°，則磁通Φ1與Φ2反相，在圓筒上的轉(zhuǎn)矩為0。該繼電器可反應(yīng)兩個量，如電壓與電流，可實(shí)現(xiàn)方向繼電器、阻抗繼電器、差動繼電器等3.集成電路型和微機(jī)繼電保護(hù)*由模擬電路構(gòu)成的繼電器基本都是包含：取樣、濾波、整流、比較、脈沖展寬和輸出等環(huán)節(jié)。除了出口繼電器和信號繼電器外，沒有接點(diǎn)和機(jī)械轉(zhuǎn)動部分，稱為靜態(tài)式繼電保護(hù)，具有較高的可靠性微機(jī)保護(hù)具有維護(hù)調(diào)試方便、可靠性高、靈活性大、易于實(shí)現(xiàn)、友好的人機(jī)交互等優(yōu)越性能提問環(huán)節(jié)返回系數(shù)=？/？當(dāng)過電流保護(hù)按躲開負(fù)荷電流的原則進(jìn)行定值整定時，需考慮什么？短路電流計算溫故為知新穩(wěn)態(tài)短路電流計算短路過程本質(zhì)上是動態(tài)過程用于工頻保護(hù)原理的短路電流實(shí)際上是其中的周期分量用于繼電保護(hù)原理的短路電流計算通常為穩(wěn)態(tài)短路電流計算，且常略去負(fù)荷電流，即無故障電流流過的元件視為開路。短路發(fā)生初期，短路電流中包含各種分量工頻分量（穩(wěn)態(tài)分量）衰減非周期分量（暫態(tài)分量）衰減的各次諧波分量（暫態(tài)分量）對稱短路的計算方法三相短路電流的計算方法對于三相短路可以用一相代表三相進(jìn)行計算要點(diǎn)：通過網(wǎng)絡(luò)等值變換，算出電源到短路點(diǎn)的綜合電抗值。網(wǎng)絡(luò)等值變換采用標(biāo)么值的簡化計算中，通常略去負(fù)荷，選定基準(zhǔn)功率S和基準(zhǔn)電壓V，而電源的電勢標(biāo)么值取1。不對稱短路的計算方法正常電力系統(tǒng)故障電壓源迭加原理電力系統(tǒng)簡單不對稱短路的計算利用對稱分量變換將不對稱的三相分解為三相對稱的三個序網(wǎng)，滿足疊加原理正序網(wǎng)，電源三相相序與轉(zhuǎn)換前相同負(fù)序網(wǎng)，電源三相相序與轉(zhuǎn)換前相反零序網(wǎng)，電源三相同相不對稱短路的計算方法分析步驟對稱分量變換分析步驟對稱分量變換形成正、負(fù)、零序等效網(wǎng)絡(luò)，得到正、負(fù)、零序綜合阻抗根據(jù)各種故障的邊界條件，列寫故障邊界方程，代入對稱分量變換式，形成相應(yīng)的復(fù)合序網(wǎng)根據(jù)復(fù)合序網(wǎng)求解正、負(fù)、零序故障電流根據(jù)對稱分量反變換計算各相故障電流單相短路（設(shè)故障相為A相）邊界條件相間短路（設(shè)故障相為BC相）邊界條件兩相接地（設(shè)故障相為BC相）邊界條件正序等效定則正序等效定則：不對稱短路時，短路點(diǎn)正序電流的大小等于在短路點(diǎn)串聯(lián)一附加電抗XΔ并在其后發(fā)生三相短路時的電流大小。短路電流計算短路電流計算通常將短路類型分為兩大類相間短路——無零序分量三相短路兩相短路接地短路——存在零序單相接地兩相接地繼電保護(hù)根據(jù)上述兩大類型故障又可分為兩種不同類型的保護(hù)相間XX保護(hù)（如：相間過電流保護(hù)）接地XX保護(hù)（如：零序過電流保護(hù)）短路電流計算公式也可分為兩大類型進(jìn)行整理相間短路計算公式三相短路額定相電動勢注意：電壓等級的電壓實(shí)際是線電壓（相間電壓）例如：110kV電壓等級，額定電壓是115kV，相電壓應(yīng)該是115/1.732kV兩相短路哪個大？接地短路計算接地短路時，繼電保護(hù)只關(guān)心零序分量I0.f單相接地I0.f兩相接地哪個大？第二節(jié)微處理器簡介單片機(jī)DSP微處理器微機(jī)保護(hù)裝置硬件的核心——微處理器速度、功能、通用性、工作環(huán)境發(fā)展方向功能強(qiáng)如：數(shù)字信號處理功能全如：A/D轉(zhuǎn)換、存儲器、通信接口、定時器選用工業(yè)級的處理器微機(jī)保護(hù)所用的微處理器主要有單片機(jī)和DSP（數(shù)字信號處理器）1.單片機(jī)單片機(jī)——把組成微型計算機(jī)的各功能部件制作在一塊集成芯片中中央處理器CPU隨機(jī)存取存儲器RAM只讀存儲器ROM可擦除只讀存儲器EPROMI/O接口電路定時器/計數(shù)器串行通信接口1.單片機(jī)特點(diǎn)控制功能強(qiáng)體積小功耗小成本低單片機(jī)技術(shù)的發(fā)展提高運(yùn)算速度擴(kuò)展中斷源、I/O口和定時器增加可編程的時鐘輸出、可編程的計數(shù)器陣列帶有可擦除非易失性記憶元件閃存存儲器FLASH電可擦除只讀存儲器EEPROM2.DSP數(shù)字信號微處理器（DigitalSignalProcessor）專用于完成各種實(shí)時數(shù)字信息處理通用數(shù)字信號處理（數(shù)字濾波、快速傅立葉變換等）通信（高速M(fèi)ODEM，編解碼器等）聲音處理圖形處理控制儀器微處理器發(fā)展的重要趨勢是單片機(jī)與DSP芯片的融合，單片機(jī)保持本身適用于控制系統(tǒng)的要求，在計算能力和運(yùn)算速度方面不斷融入DSP的技術(shù)和功能。第三節(jié)微機(jī)繼保硬件系統(tǒng)構(gòu)成微機(jī)繼保硬件系統(tǒng)的構(gòu)成數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)處理單元開關(guān)量輸入/輸出接口微機(jī)保護(hù)裝置采用模塊化設(shè)計，不同保護(hù)原理或應(yīng)用場合的保護(hù)裝置僅在軟件程序和模塊組合與數(shù)量的不同數(shù)據(jù)采集單元數(shù)據(jù)處理單元開關(guān)量輸入/輸出接口通信接口電源1.數(shù)據(jù)采集單元電壓變換通過TV和TA獲得電氣量信息這些互感器二次側(cè)數(shù)值的變化范圍與保護(hù)轉(zhuǎn)置硬件不匹配，需經(jīng)過變換減低，采用電流變換器和電壓變換器變換器還起隔離作用，使保護(hù)裝置與二次回路隔離1.數(shù)據(jù)采集單元采樣保持（S/H）模數(shù)轉(zhuǎn)換需要時間，要求模擬信號保持不變采樣保持器1.數(shù)據(jù)采集單元采樣頻率采樣定理

只有當(dāng)fs≥2fo，采樣所得信號才能還原原信號。頻率混疊現(xiàn)象

原信號中高于fs/2的頻率成分將被錯誤地認(rèn)為是一個低頻信號。對于工頻50Hz信號，理論上只需100Hz采樣頻率；但為了保證采樣精度，常采用更高的采樣頻率，如5kHz。1.數(shù)據(jù)采集單元模擬低通濾波器（ALF,AnalogLow-passFilter）故障初期，電壓、電流信號中含有高頻分量，出現(xiàn)高頻混疊現(xiàn)象，影響采樣精度采用ALF將高頻分量濾除，一方面可提高采樣精度，另一方面可降低對采樣頻率的要求將ALF配置在S/H之前，通常又稱為前置模擬低通濾波器。1.數(shù)據(jù)采集單元RC無源低通濾波器缺點(diǎn)：RC回路對信號有衰減，并帶來延時，不利于快速保護(hù)模擬式有源低通濾波器缺點(diǎn)：元件參數(shù)變化對濾波器效果影響大1.數(shù)據(jù)采集單元模擬量多路轉(zhuǎn)換開關(guān)保護(hù)轉(zhuǎn)置需對多個模擬量同時采樣，以獲取各電氣量的相位關(guān)系，要求對每個模擬量設(shè)置一套電壓形成、ALF、S/H；所有S/H由定時器同時給采樣脈沖為降低成本，采用多路S/H通道，共用一個A/D轉(zhuǎn)換器用多路轉(zhuǎn)換開關(guān)實(shí)

現(xiàn)通道切換，輪流

接通各S/H通道，

經(jīng)過A/D轉(zhuǎn)換成數(shù)

字量1.數(shù)據(jù)采集單元A/D轉(zhuǎn)換器實(shí)現(xiàn)模擬量變換為數(shù)字量的硬件芯片逐次逼近式原理68.510000000=128>68.5001000000=064<68.5101100000=096>68.5001010000=080>68.5001001000=072>68.5001000100=068<68.5101000110=070>68.5001000101=069>68.50010001001.數(shù)據(jù)采集單元VFC變換式A/D轉(zhuǎn)換器原理：把電壓信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率信號1.數(shù)據(jù)采集單元A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)分辨率：分辨模擬信號的最小變化量，即數(shù)字量最低位的1所表示的模擬量大小分辨率=FSR/2n

最小有效位LSB

（FSR為滿量程）分辨率也可用百分?jǐn)?shù)來表示

分辨率=1/2n×100%如：滿量程電壓為10V的12位A/D轉(zhuǎn)換器，能分辨模擬量輸入電壓變化的最小值為2.44mV也可用輸出的位數(shù)n來代表分辨率VFC式的分辨率取決于計算間隔期間計數(shù)的最大值

Dk=fmaxNTs量程：能轉(zhuǎn)換模擬信號的電壓范圍1.數(shù)據(jù)采集單元精度量化誤差：±0.5LSB，與分辨率有關(guān)轉(zhuǎn)換精度：不包含量化誤差，用LSB表示絕對誤差：也叫最大偏差，包括量化誤差、截斷誤差、增益誤差、偏移誤差、非線性誤差。相對誤差=絕對誤差/FSR×100%例：8位A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換精度±1LSB，量程-5~+5V。8位A/D的分辨率為

5/27=0.0391V（取一位作為符號位）

或10/28=0.0391V絕對誤差為±1.5LSB，±0.0587V1.數(shù)據(jù)采集單元轉(zhuǎn)換時間和速率超高速（轉(zhuǎn)換時間≤330ns）次超高速（330ns~3.3μs）高速（轉(zhuǎn)換時間3.3~333μs）低速（轉(zhuǎn)換時間＞330μs）等。1.數(shù)據(jù)采集單元趨勢舊的，上百微秒若采樣頻率5kHz，采樣間隔為200us必須采用采樣/保持器現(xiàn)在，幾微秒1us采樣周期

1MHz采樣頻率。A/D轉(zhuǎn)換所需時間足夠短，可在采樣脈沖時間內(nèi)完成轉(zhuǎn)換。對于高速A\D轉(zhuǎn)換器，已無需保持電路，也無需采樣電路，直接通過CPU時鐘脈沖控制A\D轉(zhuǎn)換芯片的多路模擬開關(guān)，直接A/D轉(zhuǎn)換。2.數(shù)據(jù)處理單元CPU內(nèi)部儲存器不能滿足要求，需要從外部進(jìn)行擴(kuò)展程序駐于只讀存儲器（EPROM）計算過程和故障數(shù)據(jù)儲存于（RAM）設(shè)定值存放于可編程只讀存儲器（EEPROM）在5V電源下可反復(fù)讀寫，無需特殊讀寫電路，斷電不會丟失數(shù)據(jù)3.開關(guān)量輸入/輸出接口開關(guān)量輸入回路輸入的開關(guān)量斷路器和隔離開關(guān)的輔助接點(diǎn)外部對裝置的閉鎖接點(diǎn)氣體繼電器、壓力繼電器接點(diǎn)光電隔離為防止輔助接點(diǎn)接觸不良，接點(diǎn)回路中所加電壓較高，不便直接進(jìn)入檢測系統(tǒng)；輔助接點(diǎn)與開關(guān)量輸入回路間連線較長，容易引起干擾。3.開關(guān)量輸入/輸出接口開關(guān)量輸出回路輸出的開關(guān)量保護(hù)的跳閘出口信號反應(yīng)保護(hù)工作情況的本地信號向監(jiān)控系統(tǒng)發(fā)送保護(hù)工作情況的中央信號光電隔離問題1：發(fā)光二極管為什么不直接與并口相連？問題2：為什么要經(jīng)過與非門接入發(fā)光二極管？并口的帶負(fù)載能力有限設(shè)置一對相反的信號，滿足兩個條件才能使繼電器K動作，提高抗干擾能力4.通信接口并行通信數(shù)據(jù)有多少位就需要多少根傳輸線；通常一字節(jié)含8位，則需8根線，一次可發(fā)送1個字節(jié)計算機(jī)、保護(hù)裝置內(nèi)部常用方式串行通信逐位傳送數(shù)據(jù);發(fā)送端到接收端只需一根線路；網(wǎng)絡(luò)常用方式，常用于保護(hù)裝置與其他裝置的數(shù)據(jù)傳送優(yōu)點(diǎn)：廉價缺點(diǎn)：慢兩種基本通信方式異步通信同步通信4.通信接口通信的同步過程設(shè)備之間交換數(shù)據(jù)，通過0和1的二進(jìn)制流進(jìn)行通信以數(shù)字傳輸方式，0/1可反映為信號的高低電平，如最簡單的單極性不歸零碼：

若已知信號每位寬度是2，則二進(jìn)制流為010110； 若已知信號每位寬度是1，則二進(jìn)制流為001100111100； 若位置每位寬度未知，則不確定二進(jìn)制流通信的同步過程——收發(fā)雙方的信號頻率保持一致02468104.通信接口數(shù)據(jù)通信參數(shù)串行通信方式，通信線上的數(shù)據(jù)是按位傳輸，每一位的寬度(位寬)由數(shù)據(jù)傳送速率(波特率)決定。波特率——單位時間內(nèi)傳送的信息量

1Boud=1bit/s（1波特=1位/秒）位寬即為波特率的倒數(shù)

自同步法：從信號中提取同步信號如：曼切斯特碼——每一位中間有一跳變，這一跳變作為時鐘信號和數(shù)據(jù)信號優(yōu)點(diǎn)：自同步能力和抗干擾性能缺點(diǎn)：每個碼元調(diào)制成兩個電平，調(diào)制速率低4.通信接口同步傳輸（位同步）外同步法：發(fā)送端先發(fā)出同步信號給接收端0