電氣主設(shè)備繼電保護(hù)技術(shù)分析

李　平

摘要：近年來(lái)，主設(shè)備保護(hù)通過對(duì)故障過程的電磁暫態(tài)過程的研究、TA飽和特性的研究、內(nèi)部故障理論分析，結(jié)合實(shí)際動(dòng)模和數(shù)字仿真，提出了一些新的原理并已在現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用。TA飽和問題是主設(shè)備保護(hù)共同面對(duì)的問題，國(guó)內(nèi)外也提出了一些識(shí)別TA飽和的辦法，但是也存在不足之處。文章著重介紹了電力系統(tǒng)中主設(shè)備繼電保護(hù)的現(xiàn)狀，闡述了發(fā)展趨勢(shì)。

關(guān)鍵詞：電氣主設(shè)備；TA飽和；光電壓互感器；繼電保護(hù)；技術(shù)分析

中圖分類號(hào)：TM772 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-2374（2009）15-0010-02

電氣設(shè)備的繼電保護(hù)主要是研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運(yùn)行的異常工況，以探討其對(duì)策的反事故自動(dòng)化措施。因在其發(fā)展過程中曾主要用有觸點(diǎn)的繼電器來(lái)保護(hù)電力系統(tǒng)及其元件（發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等），使之免遭損害，所以稱繼電保護(hù)。

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，特別是電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和通信技術(shù)的發(fā)展，電力系統(tǒng)繼電保護(hù)先后經(jīng)歷了不同的發(fā)展時(shí)期。近10年來(lái)，電力工業(yè)突飛猛進(jìn)，整個(gè)電力系統(tǒng)呈現(xiàn)出往超高電壓等級(jí)、單機(jī)容量增大、大聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)方向發(fā)展的趨勢(shì)，這就對(duì)主設(shè)備保護(hù)的可靠性、靈敏性、選擇性和快速性提出了更高的要求。

一、電氣主設(shè)備保護(hù)的現(xiàn)狀

以往電力系統(tǒng)大型主設(shè)備（包括發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、高壓并聯(lián)電抗器等）繼電保護(hù)與超高壓線路繼電保護(hù)相比，處于一種相對(duì)滯后的狀態(tài)，主設(shè)備保護(hù)正確動(dòng)作率一直較低，與線路保護(hù)相比有較大差距。

近年來(lái)主設(shè)備保護(hù)的分析計(jì)算方法取得了很大進(jìn)展，比如采用多回路分析法可以比較精確地計(jì)算發(fā)電機(jī)的內(nèi)部故障，主設(shè)備內(nèi)部故障保護(hù)的配置具備了理論基礎(chǔ)。利用真實(shí)反應(yīng)主設(shè)備內(nèi)部各種故障及異常工況的動(dòng)模系統(tǒng)和仿真系統(tǒng)檢驗(yàn)主設(shè)備保護(hù)，極大地提高了新原理新技術(shù)的驗(yàn)證水平。隨著基于新硬件平臺(tái)的數(shù)字式主設(shè)備保護(hù)的推陳出新，實(shí)現(xiàn)了主設(shè)備保護(hù)雙主雙后的配置方案，保護(hù)的設(shè)計(jì)方案、配置原則趨于完善，同時(shí)，新原理和新技術(shù)的應(yīng)用也大大提高了主設(shè)備保護(hù)的安全運(yùn)行水平。

（一）主設(shè)備保護(hù)的雙重化配置和主后一體化趨勢(shì)

近年來(lái)，雙主雙后保護(hù)配置方案逐漸應(yīng)用到主設(shè)備保護(hù)的領(lǐng)域，尤其是國(guó)電調(diào)[2002]138號(hào)文件《防止電力生產(chǎn)重大事故的二十五項(xiàng)重點(diǎn)要求》繼電保護(hù)實(shí)施細(xì)則對(duì)主設(shè)備保護(hù)的雙重化作出規(guī)定后，雙主雙后保護(hù)方案成為主設(shè)備保護(hù)研制、設(shè)計(jì)的指導(dǎo)準(zhǔn)則，并為現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)行提供了極大的方便。

雙主雙后的保護(hù)實(shí)現(xiàn)方式是針對(duì)一個(gè)被保護(hù)對(duì)象，配置2套獨(dú)立的保護(hù)。每套保護(hù)均包含主后備保護(hù)，并且每套保護(hù)由2個(gè)CPU系統(tǒng)構(gòu)成。2個(gè)CPU系統(tǒng)之間均能進(jìn)行完善的自檢和互檢，出口方式采用2個(gè)CPU系統(tǒng)“與”門出口。這種配置方案概念清晰，徹底解決了保護(hù)拒動(dòng)和誤動(dòng)的矛盾，即雙重化配置解決了拒動(dòng)問題，雙CPU系統(tǒng)“與”門出口解決了硬件故障導(dǎo)致的誤動(dòng)問題。這種思想已成功地應(yīng)用到主設(shè)備保護(hù)上，大大提高了主設(shè)備保護(hù)的運(yùn)行水平。

（二）主設(shè)備保護(hù)的新原理

近年來(lái)，主設(shè)備保護(hù)通過對(duì)故障過程的電磁暫態(tài)過程的研究、TA飽和特性的研究、內(nèi)部故障理論分析，結(jié)合實(shí)際動(dòng)模和數(shù)字仿真，提出了一些新的原理并已在現(xiàn)場(chǎng)廣泛應(yīng)用。

1．差動(dòng)保護(hù)。常規(guī)的兩折線、三折線比率差動(dòng)、標(biāo)積制動(dòng)式差動(dòng)、采樣值差動(dòng)等已在很多文獻(xiàn)中有所介紹。

2．關(guān)于勵(lì)磁涌流。目前在工程上應(yīng)用的判別勵(lì)磁涌流的原理都是從涌流波形與短路電流波形的不同特征入手，來(lái)區(qū)分勵(lì)磁涌流與短路的。各種涌流判別原理都具有在故障合閘時(shí)，保護(hù)動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)或動(dòng)作時(shí)間離散度大的缺點(diǎn)。

3．關(guān)于TA飽和。TA飽和問題是主設(shè)備保護(hù)共同面對(duì)的問題。由于大型發(fā)電機(jī)變壓器組容量大，故障電流非周期分量衰減時(shí)間常數(shù)長(zhǎng)，可能引起差動(dòng)保護(hù)各側(cè)TA傳變暫態(tài)不一致或飽和。對(duì)于變壓器，各側(cè)TA特性不一致，更易引起TA飽和，這樣可能會(huì)造成在區(qū)外發(fā)生故障時(shí)差動(dòng)保護(hù)誤動(dòng)對(duì)于母線近端發(fā)生區(qū)外故障時(shí)，TA也會(huì)嚴(yán)重飽和。因此差動(dòng)保護(hù)需有可靠的 TA飽和判據(jù)。

針對(duì)TA飽和問題，國(guó)內(nèi)外也提出了一些識(shí)別TA飽和的辦法：采用附加額外的電路來(lái)檢測(cè)TA飽和，缺點(diǎn)是現(xiàn)場(chǎng)工程應(yīng)用很不方便；提高定值，缺點(diǎn)是降低了內(nèi)部故障的靈敏度；采用流出電流判據(jù)的標(biāo)積式比率差動(dòng)，理論計(jì)算表明當(dāng)發(fā)電機(jī)發(fā)生某些內(nèi)部故障時(shí)，也有流出電流，存在拒動(dòng)的可能性。

二、主設(shè)備保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)

（一）保護(hù)裝置的一體化發(fā)展

1．充分的資源共享，一個(gè)裝置包含了被保護(hù)元件所有的模擬量，保護(hù)邏輯的判據(jù)可以充分利用所有電氣量，使保護(hù)更加完善、可靠，判據(jù)更加靈活實(shí)用。

2．主后一體化裝置，給故障錄波、后臺(tái)分析帶來(lái)了便利。任何一個(gè)故障啟動(dòng)或動(dòng)作保護(hù)裝置就可以錄下整個(gè)單元所有模擬量，使得現(xiàn)場(chǎng)故障的綜合分析、定性及事故處理更加方便，而分體式保護(hù)只能錄下部分信息。

3．主后一體化裝置便于保護(hù)雙重化的實(shí)現(xiàn)。主后共用一組TA，TA斷線概率大大下降；裝置數(shù)量少，誤動(dòng)概率降低。

（二）新型光電流互感器、光電壓互感器的應(yīng)用

傳統(tǒng)的電磁式TA是一種非線性電流互感器，具有鐵磁諧振、磁飽和、絕緣結(jié)構(gòu)復(fù)雜、動(dòng)態(tài)范圍小、使用頻帶窄、銅材耗費(fèi)大，遠(yuǎn)距離傳送造成電位升高等問題。

新型光電流互感器（OTA）、光電壓互感器（OTV）相對(duì)于電磁式TA具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)：不存在飽和問題，頻率響應(yīng)寬，動(dòng)態(tài)范圍大，在很大的電流變化區(qū)間內(nèi)保持線性變換關(guān)系；實(shí)現(xiàn)了強(qiáng)電和弱電的完全絕緣隔離，具有很強(qiáng)的抗電磁干擾能力；不存在二次開路的問題，二次輸出值較小，適合與保護(hù)直接接口。因此其將成為主設(shè)備微機(jī)保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)。

（三）信息網(wǎng)絡(luò)化

變電站監(jiān)控和發(fā)電廠電氣監(jiān)控系統(tǒng)的發(fā)展，要求主設(shè)備保護(hù)具有強(qiáng)大的通信功能，以便通過監(jiān)控系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)保護(hù)動(dòng)作報(bào)文管理、故障數(shù)據(jù)處理、定值遠(yuǎn)方整定、事故追憶等功能，實(shí)現(xiàn)了電氣智能設(shè)備運(yùn)行的深層次管理。

在采用高速度、大容量的微處理器及高速總線設(shè)計(jì)后，保護(hù)裝置將具有更完善的數(shù)據(jù)處理功能和通信功能，可以更好地實(shí)現(xiàn)保護(hù)信息化、網(wǎng)絡(luò)化設(shè)計(jì)。主設(shè)備保護(hù)除了動(dòng)作后經(jīng)通信網(wǎng)絡(luò)上傳故障報(bào)文、數(shù)據(jù)到監(jiān)控系統(tǒng)以外，還可以為系統(tǒng)動(dòng)態(tài)提供保護(hù)裝置的運(yùn)行狀態(tài)和信息，并可根據(jù)系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化通過數(shù)據(jù)交換，提供修改保護(hù)判據(jù)和定值的依據(jù)，保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

（四）故障分析技術(shù)

新一代主設(shè)備保護(hù)必須具有強(qiáng)大的故障錄波功能，除了記錄完整的事件報(bào)文、故障數(shù)據(jù)外，裝置還可以記錄故障發(fā)生前后全過程所有的模擬量、開關(guān)量、啟動(dòng)量、中間量的變化，完整地記錄每個(gè)保護(hù)的動(dòng)作行為。主設(shè)備保護(hù)的故障信息上傳至電氣監(jiān)控系統(tǒng)或保護(hù)信息管理系統(tǒng)后，通過高級(jí)應(yīng)用軟件，分析保護(hù)的動(dòng)作行為是否正確，為故障查找、分析提供充分的依據(jù)。完整的故障數(shù)據(jù)經(jīng)數(shù)字仿真系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)主設(shè)備的故障再現(xiàn)，對(duì)事故進(jìn)行深入分析，為保護(hù)性能的改進(jìn)完善提供重要的依據(jù)。

（五）信息網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

當(dāng)代繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展，正在從傳統(tǒng)的模擬式、數(shù)字式探索著進(jìn)入信息技術(shù)領(lǐng)域。在變電站綜合自動(dòng)化方面，保護(hù)的配置比較靈活。如果變電站綜合自動(dòng)化采用傳統(tǒng)模式，也就是遠(yuǎn)方終端裝置（RTU）加上當(dāng)?shù)乇O(jiān)控系統(tǒng)，這時(shí)候，保護(hù)裝置的信息可以通過遙信輸入回路進(jìn)入RTU，也可以通過串行口與RTU按照約定的通信規(guī)約進(jìn)行信息傳遞。

（六）自適應(yīng)技術(shù)、智能技術(shù)和數(shù)字技術(shù)的發(fā)展

自適應(yīng)繼電保護(hù)的基本思想是使保護(hù)能盡可能地適應(yīng)電力系統(tǒng)的各種變化，進(jìn)一步改善保護(hù)的性能。對(duì)于主設(shè)備保護(hù)而言，它與某些保護(hù)的判據(jù)、定值和系統(tǒng)的變化也是息息相關(guān)的，比如發(fā)電機(jī)失步保護(hù)、變壓器零序保護(hù)等。目前，部分保護(hù)功能已經(jīng)具備了一定的自適應(yīng)能力，比如浮動(dòng)門限、變斜率比率差動(dòng)保護(hù)中的制動(dòng)特性、自適應(yīng)3次諧波電壓比率定子接地判據(jù)等。隨著與微機(jī)保護(hù)技術(shù)密切相關(guān)的其他科技領(lǐng)域新技術(shù)和新理論的出現(xiàn)，通信技術(shù)、信息技術(shù)、自適應(yīng)控制理論、全球定位系統(tǒng)（GPS）等的應(yīng)用，必將促進(jìn)自適應(yīng)保護(hù)的飛速發(fā)展。

三、結(jié)語(yǔ)

隨著電力系統(tǒng)容量日益增大，范圍越來(lái)越廣，僅設(shè)置系統(tǒng)各元件的繼電保護(hù)裝置，遠(yuǎn)不能防止發(fā)生全電力系統(tǒng)長(zhǎng)期大面積停電的嚴(yán)重事故。為此，必須從電力系統(tǒng)全局出發(fā)，進(jìn)行電氣設(shè)備繼電保護(hù)的相關(guān)研究。

參考文獻(xiàn)

[1]王維儉．電氣主設(shè)備繼電保護(hù)原理與應(yīng)用[J]．北京：中國(guó)電力出版社，1996．

[2]沈全榮，何雪峰．大型發(fā)變組微機(jī)保護(hù)雙重化配置探討[J]．電力系統(tǒng)自動(dòng)化，2002，（10）．

作者簡(jiǎn)介：李平（1959－），男，廣西鐘山人，供職于廣西電網(wǎng)公司梧州供電局，研究方向：電氣主設(shè)備繼電保護(hù)技術(shù)。