【正文】 第三章 微機繼電保護硬件系統(tǒng)的構(gòu)成與原理 天津大學(xué)電力系 167。 傳統(tǒng)保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成 電力系統(tǒng)發(fā)生故障時 ， 有關(guān)參數(shù)將發(fā)生變化 。 例如 ， 電流增大 、 電壓降低以及電流與電壓之間的相位角變化等 。 利用故障與正常運行時這些基本參數(shù)的差別 ， 就可構(gòu)成不同原理的繼電保護裝置 ， 如： 1） 反應(yīng)電流變化的有電流速斷 、 定時限過電流保護 、 反時限過電流保護 。 2） 反應(yīng)電壓變化的有低電壓 、 或過電壓保護 、 或電壓閉鎖電流保護 。 3） 既反應(yīng)電流變化又反應(yīng)輸送功率方向的有方向過電流保護 。 4） 反應(yīng)輸入電流與輸出電流之差值變化的有差動保護 。 5） 反應(yīng)電壓與電流比值變化的有距離保護 。 根據(jù)不同原理構(gòu)成的繼電保護裝置種類雖然很多，但一般情況下，它們都是由三個基本部分組成，即測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分，其原理方框圖如下所示： 各基本部分的作用是： 測量部分的作用是測量被保護設(shè)備工作狀態(tài) （ 正常狀態(tài) 、 故障狀態(tài)或不正常工作狀態(tài) ） 的一個或幾個有關(guān)的電氣量 。 邏輯部分的作用是根據(jù)各測量元件輸出量的大小 、 性質(zhì) 、 組合方式 、 出現(xiàn)的順序 ， 來判斷被保護設(shè)備的工作狀態(tài) ， 以決定保護是否應(yīng)該動作 。 執(zhí)行部分的作用是根據(jù)邏輯部分所作出的決定 ， 執(zhí)行保護裝置所承擔(dān)的任務(wù) ， 即發(fā)出信號 、 跳閘或不動作 。 現(xiàn)以輸電線路的電流保護為例 ， 說明傳統(tǒng)保護裝置的基本工作原理及其組成元件 。 圖 1為方向過電流保護裝置的單相原理示意圖 。 圖中的機構(gòu)及觸點狀態(tài)是按斷路器在分閘狀態(tài) ， 保護在非動作狀態(tài)下繪制的 。 在正常運行時 ， 斷路器處在合閘位置 ， 線路中只有負荷電流 ， 因而電流互感器的二次側(cè)的電流較小 ， 流過電流繼電器線圈的電流所產(chǎn)生的電磁力不足以吸動銜鐵 ， 其動合觸點打開著 ， 即繼電器處于不動作狀態(tài) 。 當線路上發(fā)生故障時 ， 線路上流過很大短路電流 ， 因此繼電器線圈中的電流也按比例地增大 。 當此電流足夠大時 ， 產(chǎn)生的電磁力吸動銜鐵 ， 使繼電器觸點閉合 ， 若功率方向元件判定故障為正方向 ， 接通斷路器的跳閘回路 （ 正電源 → 繼電器的觸點 →斷路器的輔助觸點 → 跳閘線圈 → 負電源 ） ， 跳閘線圈中便有直流電流通過 ， 其鐵芯磁化并撞開鎖扣機構(gòu) ， 于是斷路器在跳閘彈簧的作用下 ， 迅速斷開 ， 將故障切除 。 圖 1 方向過電流保護的原理示意圖 在圖 1中 ， 電流互感器 LH和電壓互感器 YH、 功率方向繼電器和電流繼電器的電壓線圈 、 電流線圈是保護裝置的測量部分 。 它監(jiān)視著被保護設(shè)備的工作狀態(tài) ， 只有在發(fā)生故障時 ， 短路功率方向為正方向并且電流增大到大于預(yù)定整定值時才動作 。 因此 ，測量部分根據(jù)所反應(yīng)的電氣量的大小可處于動作或不動作兩種狀態(tài) 。 繼電器的觸點回路和延時元件是保護裝置的邏輯部分 。 邏輯部分接受測量部分送來的信號 ， 再根據(jù)信號的組合和順序來確定是否能使邏輯部分構(gòu)成回路 ， 如能構(gòu)成通路 ， 則向執(zhí)行部分送出執(zhí)行信號 。 執(zhí)行部分一般是由中間繼電器擔(dān)任 ， 它接到邏輯部分送來的信號后 ， 發(fā)出使斷路器跳閘或動作于音響信號的脈沖 ， 以完成整套保護裝置的動作 。 167。 微機保護裝置硬件系統(tǒng)構(gòu)成 微機保護裝置硬件系統(tǒng)包含以下五個部分： （ 1） 數(shù)據(jù)采集單元即模擬量輸入系統(tǒng) 。 包括電壓形成 、 模擬濾波 、 采樣保持 、 多路轉(zhuǎn)換以及模數(shù)轉(zhuǎn)換等功能塊 ， 完成將模擬輸入量準確地轉(zhuǎn)換為所需的數(shù)字量的功能 。 （ 2） 數(shù)據(jù)處理單元即微機主系統(tǒng) 。 包括微處理器 、 只讀存儲器 、 隨機存取存儲器以及定時器等 ． 微處理器執(zhí)行存放在只讀存儲器中的程序 ， 對由數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)輸入至隨機存取存儲器中的數(shù)據(jù)進行分析處理 ， 以完成各種繼電保護的功能 。 （ 3） 數(shù)字量輸入 /輸出接口即開關(guān)量輸入輸出系統(tǒng) 。 由若干并行接口 、 光電隔離器及中間繼電器等組成 ， 以完成各種保護的出口跳閘 、 信號警報 、 外部接點輸入及人機對話等功能 。 （ 4） 通信接口 。 包括通信接口電路及接口以實現(xiàn)多機通信或聯(lián)網(wǎng) 。 （ 5） 電源 。 供給微處理器 、 數(shù)字電路 、 A/D轉(zhuǎn)換芯片及繼電器所需的電源 。 保護裝置的硬件示意圖如下所示 ： 圖 2 微機保護硬件示意框圖 下面分別介紹各子系統(tǒng)的電路構(gòu)成原理 ： 一 ． 數(shù)據(jù)采集單元 （ l） 電壓變換 微機保護要從被保護的電力線路或設(shè)備的電流互感器 、 電壓互感器或其它變換器上取得信息 ， 但這些互感器的二次數(shù)值的輸入范圍對微機保護裝置硬件電路并不適用 ， 故需要降低和變換 。 在微機保護中通常要求輸入信號為 177。 5V或 177。 10V的電壓信號 ， 具體取決于所用的模數(shù)轉(zhuǎn)換器 。 因此 ， 一般采用中間變換器來實現(xiàn)以上的變換 。 例如電流變換器和電壓變換器 。 交流電流的變換一般采用電流變換器 ， 在其二次側(cè)并聯(lián)電阻取得所需電壓 。 改變電阻值就可以改變輸入電流范圍的大小 。 例如 ， 當圖 3中 R１和R2阻值相等 ， 若 R2斷開時電流允許輸入范圍為 0～ 50A， 則 R2并聯(lián)接入后 ，電流的輸入范圍為 0～ 100A。 電流變換器最大的優(yōu)點是 ， 只要鐵芯不飽和 ，其二次電流及并聯(lián)電阻上電壓的波形就可基本與一次電流成比例且同相 ， 即可以做到不失真變換 。 這一點對微機保護是很重要的 。 因為只有在這種條件下作精確的運算與定量分析才是有意義的 。 電流變換器的缺點是在非周期分量的作用下容易飽和 ， 線性度差 ， 動態(tài)范圍也小 。 但只要妥善設(shè)計是可以克服這個缺點的 。 電流電壓變換回路除了起電量變換作用外，還起到隔離作用。它使微機電路在電氣上與電力系統(tǒng)隔離，在初級和次級繞組之間應(yīng)有接地的屏蔽繞組以防止來自高壓系統(tǒng)的電磁干擾。 圖 3 電流輔助變換電路 （ 2）采樣保持（ S／ H）電路及采樣頻率的選擇 采樣保持電路的作用是在一個極短的時間內(nèi)測量模擬輸入量在該時刻的瞬時值，并在模擬 /數(shù)字轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換的期間內(nèi)保持其輸出不變。即把隨時間連續(xù)變化的電氣量離散化。采樣保持電路的工作原理可用圖 4說明。 圖 4 采樣保持電路原理 它由一個電子模擬開關(guān) K，電容 C以及兩個阻抗變換器組成。開關(guān) K受邏輯輸入端電平控制。在高電平時K閉合，此時，電路處于采樣狀態(tài)， C迅速充電或放電到電容上電壓等于該采樣時刻的電壓值 (Ui)。 K的閉合時間應(yīng)滿足使 C有足夠的充電或放電時間即采樣時間。為了縮短采樣時間，這里采用阻抗變換器 l，它在輸入端呈現(xiàn)高阻抗，輸出端呈現(xiàn)低阻抗，使 C上電壓能迅速跟蹤等于 Ui值。 K打開時，電容 C上保持住 K打開瞬間的電