繼電保護(hù)系統(tǒng)在不同技術(shù)領(lǐng)域的適用度研究

鄧立群

（內(nèi)江職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電氣工程系，內(nèi)江 641100）

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的作用和發(fā)展

1.1 繼電保護(hù)的定義、功能

電力系統(tǒng)的故障：三相短路、兩相短路 、單相短路接地、兩相短路接地、斷線、變壓器繞組匝間短路、復(fù)合故障等。電力系統(tǒng)不正常運(yùn)行狀態(tài)：小接地電流系統(tǒng)的單相接地、過負(fù)荷、變壓器過熱、系統(tǒng)振蕩、電壓升高、頻率降低等。繼電保護(hù)系統(tǒng)的作用在于，當(dāng)其保護(hù)的系統(tǒng)中電路或元器件出現(xiàn)故障或不正常運(yùn)行時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)的額保護(hù)裝置能及時(shí)根據(jù)設(shè)定的程序在系統(tǒng)相應(yīng)的部位實(shí)現(xiàn)跳閘或短路等既定操作，使故障電路或元器件從系統(tǒng)中脫離或者發(fā)出信號通知管理人員處理，以達(dá)到最大限度地降低電路或元器件的損壞，保護(hù)整個(gè)電路系統(tǒng)的安全，使被保護(hù)系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行，提高系統(tǒng)的安全性，減少因部分電路或元器件損壞而導(dǎo)致的大面積故障的情況。

繼電保護(hù)的發(fā)展是隨著電力系統(tǒng)和自動(dòng)化技術(shù)的發(fā)展而發(fā)展的。繼電保護(hù)系統(tǒng)的特殊功能決定其對電路系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定運(yùn)行起著關(guān)鍵的保護(hù)作用，其相應(yīng)的功能也要隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而改變。目前，繼電保護(hù)應(yīng)用的最主要方面是高壓輸電，隨著我國電力運(yùn)輸系統(tǒng)的規(guī)模不斷壯大和輸電系統(tǒng)等級的不斷提高，輸電系統(tǒng)的運(yùn)行方式和系統(tǒng)機(jī)構(gòu)愈加復(fù)雜，對繼電保護(hù)提出了更高的要求。要保證受保護(hù)的電力系統(tǒng)安全、可靠的運(yùn)行，電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)必須具備四個(gè)特性：可靠性、靈敏性、速動(dòng)性和選擇性。即保護(hù)系統(tǒng)必須反應(yīng)速度快，回應(yīng)動(dòng)作快，靈敏性高，判斷準(zhǔn)確。

圖1 繼電保護(hù)系統(tǒng)示意圖

1.2 繼電保護(hù)裝置的發(fā)展，局限性及其現(xiàn)階段的應(yīng)用范圍

繼電保護(hù)原理的發(fā)展是從簡單的電流保護(hù)逐步向復(fù)雜的距離保護(hù)和高頻保護(hù)過度的。繼電保護(hù)裝置的發(fā)展則依賴于構(gòu)成繼電保護(hù)裝置元器件技術(shù)的發(fā)展。其發(fā)展大致經(jīng)歷了四個(gè)階段，即從電磁型、晶體管型、集成電路型到微機(jī)型保護(hù)的發(fā)展歷程[1]。傳統(tǒng)的電磁和電磁感應(yīng)原理的保護(hù)存在動(dòng)作速度慢、靈敏度低、抗震性差以及可動(dòng)部分有磨損等固有缺點(diǎn)。晶體管繼電保護(hù)裝置也有抗干擾能力差、判據(jù)不準(zhǔn)確、裝置本身的質(zhì)量不是很穩(wěn)定等明顯的缺點(diǎn)[2]。

繼電保護(hù)系統(tǒng)在電力系統(tǒng)中起著開關(guān)或警報(bào)的作用，我們可以將該原理稱為開關(guān)原理?，F(xiàn)階段，我們習(xí)慣性的將繼電保護(hù)系統(tǒng)認(rèn)定為高壓、低壓的電力輸電系統(tǒng)的保護(hù)系統(tǒng)。然而，繼電保護(hù)的這一開關(guān)原理已經(jīng)廣泛應(yīng)用于大部分的電路、電器、電子等高壓、低壓、強(qiáng)電、弱電等技術(shù)領(lǐng)域。因?yàn)槊總€(gè)繼電保護(hù)系統(tǒng)所要保護(hù)的對象不同，所以需要采用的保護(hù)裝置也要相應(yīng)的加以選擇，以達(dá)到功能與成本的匹配。

2 繼電保護(hù)系統(tǒng)的不同技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域

2.1 電壓矢量跳躍技術(shù)的繼電保護(hù)系統(tǒng)的應(yīng)用

三相平衡交流供電蹦的電壓，其大小和相位是相對穩(wěn)定的，只要系統(tǒng)阻抗或電流不發(fā)生改變，則系統(tǒng)電壓矢量基本維持不變。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，突變電流將導(dǎo)致電壓相角跳變。如突變電流增大，則系統(tǒng)短路；突變電流為零，則系統(tǒng)開路失壓。

常用的差動(dòng)保護(hù)原理足利用比較被保護(hù)設(shè)備兩端電流的大小和相位作為啟動(dòng)判據(jù)，不反應(yīng)區(qū)外故障或電網(wǎng)的擾動(dòng)。當(dāng)系統(tǒng)故障，由于三干重合閘，會引起發(fā)電機(jī)輸出電壓或頻率的波動(dòng)。嚴(yán)重時(shí)可能出現(xiàn)異步情況，損壞發(fā)電機(jī)或者發(fā)電機(jī)和設(shè)備之間的傳動(dòng)裝置。監(jiān)視電壓相角可作為確定饋線受擾的依據(jù)。當(dāng)系統(tǒng)故障時(shí)，突變電流將導(dǎo)致電壓相角跳變。跳變相角△由負(fù)載變化的大小和性質(zhì)決定。△的變化作為保護(hù)啟動(dòng)的判據(jù)，當(dāng)它超過保護(hù)設(shè)置的限值時(shí)，將開斷發(fā)電機(jī)或跳耦合斷路器，這意味著矢量跳躍主要用于電網(wǎng)去耦。

具有矢量跳躍功能的微機(jī)保護(hù)裝置，尤其適應(yīng)于以下幾個(gè)類型的保護(hù)：水輪機(jī)、蓄能發(fā)電機(jī)、入網(wǎng)發(fā)電站、柴油發(fā)電機(jī)、汽輪機(jī)、工業(yè)電力站傳統(tǒng)的蒸汽發(fā)電站、大中型同步電動(dòng)機(jī)、大中型主變壓器等。

2.2 孤島保護(hù)技術(shù)繼電系統(tǒng)的應(yīng)用

孤島(islanding)效應(yīng)，是指當(dāng)電網(wǎng)失電后，分布式發(fā)電系統(tǒng)繼續(xù)向一部分負(fù)荷供電的情況。如果配電網(wǎng)發(fā)生故障后，在保證電力系統(tǒng)安全的前提下，盡可能維持DG正常供電，而將配電網(wǎng)轉(zhuǎn)化為若干孤島自治運(yùn)行，將可以減小停電面積，提高供電可靠性，對電網(wǎng)公司、DG發(fā)電商和用戶都是有利的。

但是非計(jì)劃性孤島運(yùn)行時(shí)也會有很嚴(yán)重的后果：1）電網(wǎng)無法控制孤島中的電壓和頻率，如果電壓和頻率超出允許的范圍?？赡軙τ脩舻脑O(shè)備造成損壞；2）如果負(fù)載容量大于逆變電源容量，逆變電源過載運(yùn)行，易被燒毀；3）與逆變電源相連的線路仍然帶電，對檢修人員造成危險(xiǎn)，降低電剛的安全性；4）對孤島進(jìn)行重臺閘操作會導(dǎo)致該線路再次跳閘，還有可能損壞逆變電源和其他設(shè)備?？梢?，研究孤島檢測方法及保護(hù)措施。將孤島產(chǎn)生的危害降至最低具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。當(dāng)主電網(wǎng)跳閘時(shí)，分布式發(fā)電裝置的非計(jì)劃運(yùn)行將對用戶以及配電設(shè)備造成嚴(yán)重?fù)p害，因此實(shí)際電網(wǎng)系統(tǒng)中分布式發(fā)電裝簧必須具備反孤島保護(hù)的功能，即具有檢測孤島效應(yīng)并及時(shí)與電網(wǎng)切離的功能[3]。

2.3 基于網(wǎng)格平臺的中壓電網(wǎng)廣域保護(hù)系統(tǒng)

廣域保護(hù)是這幾年來國內(nèi)外新興的一個(gè)課題，它不同于傳統(tǒng)的單個(gè)電氣元件的邏輯保護(hù)，而是從電網(wǎng)的整體或區(qū)域電網(wǎng)的角度出發(fā)，以保證受擾動(dòng)的系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定地運(yùn)行為最大目標(biāo)。廣域保護(hù)的提出是建立在計(jì)算機(jī)和通信技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)上的。與大型互聯(lián)電網(wǎng)的安全和穩(wěn)定性要求有著密切的關(guān)系。借助可靠的通信網(wǎng)絡(luò)，以及智能儀器的推理和信息交換功能，廣域保護(hù)系統(tǒng)可以獲得電力系統(tǒng)多測點(diǎn)的信息，在快速準(zhǔn)確地切除故障的同時(shí)，能根據(jù)故障切除前后電網(wǎng)潮流分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化的情況，合理選擇預(yù)防性的控制措施，更新保護(hù)區(qū)域的劃分和保護(hù)整定值，防止大規(guī)模的連鎖跳閘和崩潰。

廣域保護(hù)系統(tǒng)從電網(wǎng)的整體或區(qū)域電網(wǎng)的角度出發(fā)，用廣域測量系統(tǒng)測得電力系統(tǒng)多測點(diǎn)的信息，在快速準(zhǔn)確切除故障的同時(shí)，能根據(jù)故障切除前后的電網(wǎng)潮流分布和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的變化情況，合理選擇預(yù)防性的控制措施，更新保護(hù)區(qū)域的劃分和保護(hù)整定值，防止大規(guī)模的連鎖跳閘和崩潰，保證了受擾動(dòng)的系統(tǒng)能夠安全、穩(wěn)定的運(yùn)行[4]。

3 繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)用枚舉

3.1 現(xiàn)代船舶應(yīng)用繼電保護(hù)系統(tǒng)

隨著船舶工業(yè)的快速發(fā)展，船舶電站的供配電系統(tǒng)也日趨現(xiàn)代化，勢必對船舶電力系統(tǒng)的安全性提出更高的要求。船舶電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)是保證船舶供配電網(wǎng)絡(luò)安全運(yùn)行的關(guān)鍵系統(tǒng)。繼電保護(hù)系統(tǒng)在保護(hù)電力系統(tǒng)安全、可靠運(yùn)行、維護(hù)和故障排除等方面發(fā)揮重要作用。速動(dòng)性、選擇性、靈敏性和可靠性是船舶電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的四個(gè)基本要求。由于現(xiàn)代船舶電力繼電保護(hù)系統(tǒng)日趨復(fù)雜和精細(xì)，傳統(tǒng)的晶體管型以及集成電路繼電保護(hù)已經(jīng)難以滿足需要，微電腦繼電保護(hù)系統(tǒng)正在逐步得到發(fā)展和應(yīng)用[5]。

應(yīng)用到船舶上的微電腦繼電保護(hù)系統(tǒng)應(yīng)該具有能及時(shí)、準(zhǔn)確地測出發(fā)電機(jī)的三相交流電壓、電流及其變化關(guān)系并快速反應(yīng)的功能；具有其他如測量頻率、功率等相關(guān)功能；具有操作方便、顯示直觀的顯示界面；能適應(yīng)船舶的潮濕、搖晃、大功率長時(shí)間運(yùn)行的特點(diǎn)。

3.2 廠礦企業(yè)中應(yīng)用繼電保護(hù)系統(tǒng)

廠礦企業(yè)中，各種設(shè)備相對比較集中，大容量的用電設(shè)備在電力系統(tǒng)中中占有較大的比重。因此保證生產(chǎn)的重要條件之一是保證廠礦企業(yè)中供配電系統(tǒng)及電氣設(shè)備安全運(yùn)行。這就要求供電系統(tǒng)能承受大功率用電的負(fù)擔(dān)，并且能對各種電力系統(tǒng)的故障快速反應(yīng)。

廠礦企業(yè)中機(jī)器設(shè)備多，運(yùn)行時(shí)斷時(shí)停，不同時(shí)段消耗的電功率不同，設(shè)備相互關(guān)聯(lián)較密切，且人機(jī)相隔較近，容易出現(xiàn)壞一點(diǎn)而壞一片的情況。所以廠礦企業(yè)中的繼電保護(hù)系統(tǒng)對所保護(hù)的系統(tǒng)具有敏感的判斷能力和快速的反應(yīng)能力。大多數(shù)廠礦企業(yè)采用WPLZ-350繼電保護(hù)系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用分層分布式結(jié)構(gòu)；以工業(yè)控制網(wǎng)絡(luò)CANBUS構(gòu)成總線形式，可靠性高、擴(kuò)充方便；設(shè)有就地手動(dòng)操作機(jī)構(gòu)作后備微機(jī)交流來樣精度高；達(dá)到元人值守水平，人機(jī)分離，保證工作人員的人身安全。

3.3 一般家庭用電中應(yīng)用繼電保護(hù)系統(tǒng)

一般家庭電力系統(tǒng)的用電都是通過大型變電站降壓處理后輸送到每一個(gè)供電網(wǎng)絡(luò)中。相對于變電站和高壓輸電系統(tǒng)，一般家庭電力系統(tǒng)的電力繼電保護(hù)系統(tǒng)不需要在可靠性、靈敏性、速動(dòng)性和選擇性上達(dá)到最高級的程度。綜合功能和成本的考慮，一般家庭電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)系統(tǒng)只需要傳統(tǒng)的電磁繼電保護(hù)系統(tǒng)即可滿足應(yīng)用需求。

4 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)安全性能分析

社會現(xiàn)代化的日新月異變化對不斷發(fā)展的電力系統(tǒng)提出了越來越高的要求，其中最為重要的前提條件是“安全”。作為電力系統(tǒng)的重要組成部分，電力電氣設(shè)備的安全性能不容忽視[6]。

4.1 電器設(shè)備的安全標(biāo)準(zhǔn)

IEC 60255-27：2005將電氣設(shè)備進(jìn)行了分類，按照不同的安全防護(hù)級別劃分為三類設(shè)備，根據(jù)不同類別的設(shè)備，提出了不同的安全要求，其中包括：1）一般要求；2）電擊防護(hù)要求及單一故障狀態(tài)定義；3）機(jī)械方面安全要求；4）可燃性及防火要求；5）通用和基本安全設(shè)計(jì)要求。該標(biāo)準(zhǔn)為保證繼電保護(hù)及自動(dòng)化產(chǎn)品的安全運(yùn)行提供了依據(jù)。

4.2 繼電保護(hù)裝置的安全標(biāo)準(zhǔn)

繼電保護(hù)產(chǎn)品在現(xiàn)場運(yùn)行中存在著包括電擊、著火、機(jī)械、輻射、化學(xué)等多方面的危險(xiǎn)形式，因而此類產(chǎn)品在安全性能方面必須達(dá)到以下幾點(diǎn)條件：1）在預(yù)期的環(huán)境條件下能抵御外界的非機(jī)械的影響，而不危及人身與設(shè)備的安全；2）在滿足預(yù)期的過載條件下，不應(yīng)危及人身和設(shè)備的安全；3）在可預(yù)見的過載條件下，不應(yīng)危及人身和設(shè)備的安全：4）應(yīng)有對人體的直接觸電或間接觸電所引起的身體傷害及其他危害有足夠的防護(hù)措施；5）不應(yīng)產(chǎn)生危害人身安全的溫度、電弧或輻射等危險(xiǎn)；6）絕緣性能應(yīng)滿足各種預(yù)見的情況；7）對危害人身和設(shè)備安全的其他危險(xiǎn)應(yīng)有足夠的防護(hù)措施[7]。

5 結(jié)論

建國以來，我國電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展過程經(jīng)歷了從電磁型、晶體管型、集成電路型到微機(jī)型保護(hù)4個(gè)時(shí)代，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)通信技術(shù)的進(jìn)步，繼電保護(hù)技術(shù)的發(fā)展向計(jì)算機(jī)化的方向發(fā)展，這對繼電保護(hù)工作者提出了新的挑戰(zhàn)，但這也是我國電力技術(shù)的發(fā)展的一個(gè)巨大機(jī)遇。我國的電力工作者和計(jì)算機(jī)通信工作者要抓住這個(gè)機(jī)遇，盡可能早地研究、掌握新技術(shù)，發(fā)展我國電力事業(yè)。

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