電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理(第四版)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)原理（第四版）

第二章繼電保護(hù)的硬件構(gòu)成

第一節(jié)繼電器的類別和發(fā)展歷程

繼電器

能反應(yīng)一個(gè)弱信號(hào)（電、磁、聲、光、熱）的變化而突然動(dòng)作，閉合或斷開(kāi)其接點(diǎn)以控制一個(gè)

較大功率的電路或設(shè)備的器件。繼電器的分類按輸入信號(hào)性質(zhì)分：非電量繼電器和電量繼

電器按功能分

量度繼電器在繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置中作為主要元件，與輔助元件有或無(wú)繼電器配套電流、

電壓、頻率、功率繼電器等有或無(wú)繼電器在保護(hù)裝置中作為輔助元件中間、時(shí)間、信號(hào)繼

電器等

電磁式繼電器銜鐵彈簧電腦鐵工作回路電磁繼電器觸點(diǎn)

信號(hào)電源

一、電磁型繼電器（Relay）

繼電特性：無(wú)論起動(dòng)和返回，繼電器的動(dòng)作都是明確干脆的，它不可能停留在某一個(gè)中間位

置動(dòng)作電流：使繼電器動(dòng)作的最小電流值最小短路電流返回電流：使繼電器返回原位的最大

電流值最大負(fù)荷電流返回系數(shù)（恒小于1）IKre=Kre=0.85~0.9IKact觸發(fā)特性曲線返回動(dòng)作

旋轉(zhuǎn)銜鐵式電流繼電器結(jié)構(gòu)

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二、感應(yīng)型繼電器

用電磁鐵在一鋁制圓盤(pán)中或圓筒中感應(yīng)產(chǎn)生電流，電流產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩使圓盤(pán)或圓筒轉(zhuǎn)動(dòng)，使接點(diǎn)

閉合的繼電器。四極感應(yīng)圓筒式感應(yīng)繼電器工作原理與鼠籠式感應(yīng)電機(jī)相似

相當(dāng)于兩相式的電動(dòng)機(jī)，垂直方向兩磁極的線圈和水平兩級(jí)的繞組磁通在空間上相差900,

如果兩磁通在時(shí)間上也相差900則可產(chǎn)生最大的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)圓筒上的轉(zhuǎn)矩：M=K（Pl（D2sin0

動(dòng)作條件：電流大于定值1轉(zhuǎn)矩大于彈簧反作用轉(zhuǎn)矩），且9為正（900時(shí)轉(zhuǎn)矩最大）可反應(yīng)兩個(gè)

電氣量，如電壓、電流，可實(shí)現(xiàn)方向繼電器、阻抗繼電器、差動(dòng)繼電器等

電磁式電流繼電器

側(cè)面正面

電磁式中間繼電器

正面

側(cè)面

五、微機(jī)保護(hù)

將反應(yīng)故障最變化的數(shù)字式元件和保護(hù)中需要的邏輯元件、時(shí)間元件、執(zhí)行元件等和在一起

用一個(gè)微機(jī)實(shí)現(xiàn)，成為微機(jī)保護(hù)，是繼電器發(fā)展的最高形式。20世紀(jì)70年代初、中期開(kāi)

始了微機(jī)保護(hù)研究的熱潮源于計(jì)算機(jī)技術(shù)重大突破：價(jià)格大幅度下降、可靠性提高70年代

中后期，國(guó)外已有少量樣機(jī)試運(yùn)行。

我國(guó)的微機(jī)保護(hù)發(fā)展始于上世紀(jì)70年代后半期1984年華北電力學(xué)院研制的第一套微機(jī)距

離保護(hù)樣機(jī)投入試運(yùn)行目前，在我國(guó)不同原理、不同機(jī)型的微機(jī)線路和主設(shè)備保護(hù)異彩紛

呈，各具特色，為電力系統(tǒng)提供一批新一代性能優(yōu)良、功能齊全、工作可靠的繼電保護(hù)裝置

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名詞解釋——元件

電網(wǎng)中的元件是指一次設(shè)備，如線路、變壓器、發(fā)電機(jī)等；在保護(hù)裝置

內(nèi)部有提到元件，指保護(hù)裝置的某環(huán)節(jié)，如電壓元件、電流元件、啟動(dòng)元件、方向元件等；

繼電保護(hù)有二大研究方面：線路保護(hù)和元件保護(hù)，這里的元件指發(fā)電機(jī)、變壓器、電容器等

的主設(shè)備。

第二節(jié)微處理器簡(jiǎn)介

微機(jī)保護(hù)裝置硬件的核心是微處理器其選擇原則速度、功能、通用性和工作環(huán)境

國(guó)內(nèi)外微機(jī)保護(hù)裝置所用的微處理器單片機(jī)數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)多核芯片：一個(gè)物理IC

芯片上同時(shí)集結(jié)了多個(gè)中央微

控制器和外圍控制器，并實(shí)現(xiàn)多個(gè)控制器的并行處理

第三節(jié)微機(jī)繼電保護(hù)硬件系統(tǒng)的構(gòu)成

微機(jī)保護(hù)是用微機(jī)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能難點(diǎn)在于電氣量測(cè)量和執(zhí)行部分，判據(jù)比較和邏輯

部分是微機(jī)的強(qiáng)項(xiàng)電氣量測(cè)量的關(guān)鍵：模擬信號(hào)

轉(zhuǎn)變

數(shù)字信號(hào)離散時(shí)間信號(hào)的數(shù)字化表示

輸入信號(hào)

測(cè)量部分整定值

邏輯部分

執(zhí)行部分

輸出信號(hào)

16

1

0.8

0.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

-0.8

-1

0

20XX年

4000

6000

8000

*****

120XX年

數(shù)值上的數(shù)字化:每個(gè)數(shù)俏必須轉(zhuǎn)變?yōu)槎M(jìn)制的微機(jī)能夠讀懂的數(shù)字量

時(shí)間上的離散化10.80.6

0.4

0.2

0

-0.2

-0.4

-0.6

***_********_*****

-0.8

-1

0

5

10

15

20

25

1

微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成

按功能可分為五個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)采集單元：包括電壓形成和模數(shù)轉(zhuǎn)換等模塊，完成將

模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的功能。數(shù)據(jù)處理單元：包括微處理器、只讀存儲(chǔ)器、隨

機(jī)存取存儲(chǔ)器、定時(shí)器以及并行口等。微處理器執(zhí)行存放在程序存儲(chǔ)器中的保護(hù)程序，對(duì)數(shù)

據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機(jī)存儲(chǔ)器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完成保護(hù)功能。開(kāi)關(guān)量輸入/輸出

接口：由若干并行接口、光電隔離器及中間繼電器組成，完成保護(hù)出口跳閘、信號(hào)報(bào)警、外

部接地輸入及人機(jī)對(duì)話等功能。通信接口：包括通信接n電路及接口實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信和聯(lián)網(wǎng)。

電源：供給微處理器、各集成甩路及繼電器等所需甩源。

微機(jī)保護(hù)裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)或

按功能可分為五個(gè)部分?jǐn)?shù)據(jù)采集系統(tǒng)：將模擬輸入量準(zhǔn)確地轉(zhuǎn)換為數(shù)字量的功能。

數(shù)據(jù)處理單元：執(zhí)行程序存儲(chǔ)器中的保護(hù)程序，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入的數(shù)據(jù)分析處理，以完

成保護(hù)功能通信接口：實(shí)現(xiàn)多機(jī)通信和聯(lián)網(wǎng)

開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口：完成保護(hù)出口跳閘、信號(hào)報(bào)警及人機(jī)對(duì)話等功能

電源

（一）數(shù)據(jù)采集單元1.電壓變換微機(jī)保護(hù)要從被保護(hù)元件的電流互感

器、電壓互感器等取得電氣量信息.但這些互感器二次側(cè)數(shù)值的變化范圍與微機(jī)保護(hù)裝置硬

件電路對(duì)輸入信號(hào)的承受水平并不匹配，故需要降低或變換電壓變換器:類似與小電壓互

感器電流變換器：通過(guò)電流變換器二次側(cè)

電壓變換回路

并聯(lián)電阻的方式取得微機(jī)保護(hù)裝置硬件芯片所需的電位信號(hào)電流、電壓變換回路除了起電

氣量變換作用外，還起隔離作用電流變換回路

2.采樣保持電路及采樣頻率的選擇

采樣保持電路原理模擬信號(hào)進(jìn)行數(shù)字量轉(zhuǎn)換時(shí)，從起動(dòng)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束輸出

數(shù)字量，需要一定的時(shí)間。為了防止轉(zhuǎn)換誤差，必須使模擬信號(hào)在轉(zhuǎn)換過(guò)程中基本保持不變。

采樣保持器的作用：把隨時(shí)間連續(xù)變化的電氣量離散化

在一個(gè)極短的時(shí)間內(nèi)測(cè)顯模擬輸入最在該時(shí)刻的瞬時(shí)值并在模數(shù)轉(zhuǎn)換器進(jìn)行轉(zhuǎn)換的期間保

持其輸出不變

z

工作原理：開(kāi)關(guān)S受邏轉(zhuǎn)輸入端電平控制采樣狀態(tài)：高電平時(shí)S閉合，電容迅速充電，使

電容兩端電壓等干采樣時(shí)刻的電壓值保持狀態(tài)：S打開(kāi),則電容C卜保持住K打開(kāi)瞬間的

電壓值

輸入信號(hào)的采樣保持過(guò)程如圖2-9所示TC為采樣脈沖寬度，TS為采樣周期采樣保持電路

輸出的信號(hào)已經(jīng)是離散化為模擬量

采樣周期TS的倒數(shù)稱為采樣頻率fS,其選擇是微機(jī)保護(hù)硬件設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題采樣頻率

應(yīng)該選多少？采樣頻率越高，精度越高，但

要求微處理器的運(yùn)算速度越高

微機(jī)保護(hù)為實(shí)時(shí)系統(tǒng)，數(shù)據(jù)采集單元以采樣頻率所決定的時(shí)間向微處理器輸入數(shù)據(jù)微處理器

必須在一個(gè)采樣周期內(nèi)完成所需的各種運(yùn)算和操作

采樣頻率過(guò)低，將不能真實(shí)反

映被采樣信號(hào)的變化情況

采樣頻率的選擇

連續(xù)時(shí)間信號(hào)經(jīng)采樣離散化成為離散時(shí)間信號(hào)后是否會(huì)丟失一些信息？以下圖為例進(jìn)行分

析，設(shè)信號(hào)的頻率為fo每周采樣一個(gè)點(diǎn)，即fS=fO:采樣所得到的是一直流量

電即每?jī)芍懿蓸?個(gè)點(diǎn)，采樣得到的是一個(gè)頻率低于fO的低頻信號(hào)當(dāng)fS=2fO時(shí)，采樣所

得到的波形的頻率為fO

fS=1.5

只有fS2fmax時(shí)，采樣后所得到的信號(hào)才有可能較為真實(shí)地代表輸入信號(hào)，否則會(huì)出現(xiàn)頻率

混疊現(xiàn)象，造成信號(hào)失真一一杳農(nóng)采樣定理

3.模擬低通濾波器

對(duì)于微機(jī)保護(hù)而言大多數(shù)的保護(hù)原理都是基于工頻或低頻電氣量

——所要求的采樣頻率不需要很高但是在系統(tǒng)故障瞬間，電壓、電流信號(hào)中都可能含有相

當(dāng)高的頻率分量

為了滿足采樣定理，防止頻率混置，必須限制輸入信號(hào)的最高頻率一一前置低通濾波器的作

用一種使有用頻率信號(hào)通過(guò)，同時(shí)抑制無(wú)用頻率信號(hào)

的電路

無(wú)源濾波器有源濾波器，RC元件與運(yùn)算放大器構(gòu)成

無(wú)源濾波器RLC元件構(gòu)成常用的二階無(wú)源低通濾波器的電路圖及對(duì)應(yīng)的幅頻特性

二階無(wú)源低通濾波

器

其傳遞函數(shù)為

H(s)=

11+3RCS+(RCS)2

(Rl=R2=R)

調(diào)整RC數(shù)值可以改變?yōu)V波器的截止頻率，一般取為fs/2接線簡(jiǎn)單，但對(duì)信號(hào)有衰減作用，

且會(huì)帶來(lái)延時(shí)

幅頻特性曲線

有源低通濾波器頻率特性更理想是主要采用的方式

4.模擬量多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)

繼電保護(hù)原理絕大多數(shù)基于多個(gè)輸入信號(hào)，因此保護(hù)裝置必需對(duì)多個(gè)模擬量同時(shí)采樣每?

通道都設(shè)置A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)采樣后同時(shí)進(jìn)行

A/D轉(zhuǎn)換一一經(jīng)濟(jì)上不劃算全部通道合用一個(gè)A/D轉(zhuǎn)換器，同時(shí)采樣，依次A/D轉(zhuǎn)換一一

需要多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)通道1通道2采樣保持器1采樣保持器2采樣保持器nA/D轉(zhuǎn)換器1A/D

轉(zhuǎn)換器2A/D轉(zhuǎn)換淵n通道1數(shù)據(jù)總線通道2采樣保持器1采樣保持器2采樣保持器n多路

轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器

數(shù)據(jù)總線

通道n

通道n

同時(shí)采樣同時(shí)A/D轉(zhuǎn)換

同時(shí)采樣依次A/D轉(zhuǎn)換

多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)一一實(shí)現(xiàn)通道切換，輪流由公用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器將模擬量轉(zhuǎn)換成數(shù)字量二進(jìn)制通

道地址，基本原理

由微機(jī)控制

把多個(gè)模擬量通道按順序賦予不同的二進(jìn)制地址在微機(jī)輸出地址信號(hào)后，多路轉(zhuǎn)換開(kāi)關(guān)通過(guò)

譯碼電路選通某一通道(開(kāi)關(guān)接通)多路轉(zhuǎn)換器A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)總線

通道1通道2

采樣保持器1采樣保持器2采樣保持器n

通道n

接A/D芯片接模擬量通道

同時(shí)采樣依次A/D轉(zhuǎn)換

5.模數(shù)轉(zhuǎn)換器(A/D)

微處理器只能對(duì)數(shù)字信號(hào)進(jìn)行分析運(yùn)算，所以檢測(cè)到的隨時(shí)間連續(xù)變化的電壓、電流等模擬

量必須轉(zhuǎn)化成離散的數(shù)字量實(shí)現(xiàn)模擬量變換成數(shù)字量的硬件芯片一一模數(shù)轉(zhuǎn)換器直接型：

輸入的模擬電壓離散值被直接轉(zhuǎn)換成數(shù)字代碼，不經(jīng)任何中間變換一一逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換

器原理間接型：先把輸入的模擬電壓轉(zhuǎn)換成某種中間變量，然后再把這個(gè)中間變量轉(zhuǎn)換成

數(shù)字代碼輸出一一電壓頻率變換式(VFC)

逐次逼近式A/D轉(zhuǎn)換器將一待轉(zhuǎn)換的模擬輸入信號(hào)Uin與一個(gè)推測(cè)信號(hào)Ui相比較，根據(jù)推

測(cè)信號(hào)大于還是小于輸入信號(hào)來(lái)決定增大還是減小該推測(cè)信號(hào)，以便向模擬信號(hào)逼近推測(cè)

信號(hào)由D/A轉(zhuǎn)換器的輸出獲得

推測(cè)值的取值方法使二進(jìn)制計(jì)數(shù)器中的每一位從最高位其依次置L尚未置位的較低各位為

0;若模擬輸入信號(hào)小于推測(cè)信號(hào)，則比較器輸出為零，計(jì)數(shù)器該位清零若模擬輸入信號(hào)大

于推測(cè)信號(hào)，則比較器輸出為1,計(jì)數(shù)器該位保持1不斷比較，直到最末一位數(shù)據(jù)輸出位即

對(duì)應(yīng)模擬輸入信號(hào)的數(shù)字量

例子：輸入的模擬量為191

二進(jìn)制計(jì)數(shù)器的最高位D7置1,即"*-*****,對(duì)應(yīng)十進(jìn)制為128,因此有*****，所以最

高位的1保留下來(lái)接著是次高位D6置1,即為***-*****,對(duì)應(yīng)十進(jìn)制為192,有*****,于是次高

位應(yīng)該清零然后是比較第三位，將其置1,即為***-*****,對(duì)應(yīng)十進(jìn)制為160,有*****,于是該

位的1保持下來(lái)如此依次比較，最后可得模擬量的數(shù)字轉(zhuǎn)換結(jié)果為***-*****

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)(一)

分辨率：A/D轉(zhuǎn)換器所能分辨模擬輸入信號(hào)的最小變化量。即數(shù)字輸出最低位1所對(duì)應(yīng)的模

擬量大小。設(shè)A/D轉(zhuǎn)換港位數(shù)為n,滿量程電壓為FSR,則定義為

FSR2n舉例：一個(gè)滿量程為10V的12位A/D,分辨率為2.44mV;16位A/D則為0.15mVA/D

轉(zhuǎn)換器的分辨率的高低取決于位數(shù)的多少

分辨率=

量程：A/D轉(zhuǎn)換器所能轉(zhuǎn)換模擬信號(hào)的電壓范圍。

0V~5V、-5V~5V、-10V~10V等

精度絕對(duì)精度：輸出數(shù)色的模擬電壓與實(shí)際模擬電壓之差絕對(duì)精度xlOO相對(duì)精度：絕對(duì)精

度與FSR之比的百分?jǐn)?shù)，F(xiàn)SR精度和分辨率是兩個(gè)不同的概念。

A/D轉(zhuǎn)換器的主要技術(shù)指標(biāo)(二)

轉(zhuǎn)換時(shí)間和轉(zhuǎn)換速率轉(zhuǎn)換時(shí)間：按照規(guī)定的精度將模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)

并輸出所需要的時(shí)間，一般用微秒表示。轉(zhuǎn)換速率：能夠重及進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換的速度，用每

秒轉(zhuǎn)換的次數(shù)表示。實(shí)際應(yīng)用中，至少要求所有通道輪流轉(zhuǎn)換所需要的時(shí)間總和小于采樣

間隔

（二）數(shù)據(jù)處理單元

數(shù)據(jù)處理單元包括微處理器、只讀存儲(chǔ)器、隨機(jī)存取存儲(chǔ)器、定時(shí)器以及并行口等，核心是

微處理器。微處理器執(zhí)行存放在程序存儲(chǔ)器中的保護(hù)程序，對(duì)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機(jī)存儲(chǔ)

器中的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理，以完成保護(hù)功能微處理器內(nèi)部設(shè)置有一定容量的存儲(chǔ)器，但一般

不能滿足實(shí)際需求，需要從外部進(jìn)行擴(kuò)展，配置外部存儲(chǔ)器程序常駐于只讀存儲(chǔ)器（EPROM）

計(jì)算過(guò)程和數(shù)據(jù)記錄所需要的臨時(shí)存儲(chǔ)由隨機(jī)讀寫(xiě)存儲(chǔ)

器（RAM）實(shí)現(xiàn)保護(hù)定值等信息則放在電可擦除可編程只讀存儲(chǔ)器（EEPROM）微處理器通過(guò)

其數(shù)據(jù)總線、地址總線、控制總線及譯碼器與存儲(chǔ)器進(jìn)行數(shù)據(jù)交換

（三）開(kāi)關(guān)量輸入/輸出接口

微機(jī)保護(hù)所采集的信息通?？煞譃槟M量和開(kāi)關(guān)量，這些量在微機(jī)保護(hù)中都是以二進(jìn)制的形

式存在存儲(chǔ)器中斷路器和隔離開(kāi)關(guān)、繼電器的節(jié)點(diǎn)、按鈕和普通

的開(kāi)關(guān)、刀閘等都具有分、合兩種工作狀態(tài)，可以用0、1表示

對(duì)它們工作狀態(tài)的輸入和控制命令的輸出都可以表示為數(shù)字量的輸入和輸出開(kāi)關(guān)量輸入回

路開(kāi)關(guān)量輸出回路

1.開(kāi)關(guān)量輸入回路

開(kāi)關(guān)量輸入回路是為了讀入外部接點(diǎn)的狀態(tài)：包括斷路器和隔離開(kāi)關(guān)的輔助接點(diǎn)或跳合閘

位置繼電器

接點(diǎn)、外部裝

置閉鎖接點(diǎn)、瓦斯繼電器接點(diǎn)、壓力繼電器接點(diǎn)等等

開(kāi)關(guān)量輸入電路外部接點(diǎn)K接通時(shí)，有電流流過(guò)光電耦合器發(fā)光二極管，

使光敏三極管導(dǎo)通，使PAB的電位近似為零外部接點(diǎn)K打開(kāi)，光敏三極管截止，PAB的電

位為+5VPAB可以是微處理器的I/OI」，或外擴(kuò)并行口光電耦合器使輸入和輸出在電氣上完

全隔離，使其具有較高的抗干擾能力

2.開(kāi)關(guān)量輸出回路

開(kāi)關(guān)量輸出主要包括保護(hù)的跳閘出口信號(hào)以及反應(yīng)保護(hù)工作情況的本地和中央信號(hào)等一般

都采用并行接口的輸出口去控制有無(wú)繼電器，但

為了提高抗干擾能力.一般也經(jīng)過(guò)一級(jí)光電隔離工作原理

由軟件指令使并行口PBO輸出“0”,而PB1輸出T,則“與非門(mén)”H將輸出低電平，光敏三極管導(dǎo)

通，繼電器K接點(diǎn)合上，信號(hào)輸出可靠性更高：信號(hào)輸出回路防