電力系統(tǒng)繼電保護基本原理、任務(wù)和作用分析

廖永川，劉才德

國網(wǎng)福建武平縣供電有限公司，福建武平 364300

電力系統(tǒng)中的輸變電設(shè)備和電力線路，都需裝設(shè)能反應(yīng)故障和不正常運行狀態(tài)的裝置，即繼電保護裝置。電力系統(tǒng)的繼電保護裝置，必須具備區(qū)分被保護設(shè)備正常運行、發(fā)生故障或異常運行狀態(tài)的能力，并能夠根據(jù)上述三種不同狀態(tài)下被保護設(shè)備參數(shù)的不同來實現(xiàn)相應(yīng)地功能。

1 繼電保護的基本工作原理

繼電保護工作的基本原理就是保護裝置通過正確的區(qū)分被保護設(shè)備是處于正常運行狀態(tài)還是處于異常的運行狀態(tài)，從而進行相應(yīng)的動作。如，電力線路發(fā)生短路故障時，明顯特征之一就是電流劇增，保護裝置根據(jù)電流參數(shù)的顯著變化來區(qū)分設(shè)備的工作狀態(tài)，因而稱為電流保護。短路故障的另一特征是電壓劇減，因此，相應(yīng)的還有低電壓保護。再則，還可以同時反應(yīng)故障時電壓降低和電流增加的特征，由于故障時所測得的阻抗是變小的，故而在輸電線路中，由保護安裝處所測得的阻抗的大小反應(yīng)了故障點與保護安裝處的距離遠近，因此輸電線路的阻抗保護常稱為距離保護。同理，如果同時反應(yīng)電壓與電流之間相位角的變化，則可以判斷故障點的方向是處于保護安裝處的正方向還是反方向，這就是實現(xiàn)方向保護的原理。為了更確切地區(qū)分設(shè)備的正常運行與故障或異常狀態(tài)，還可以利用正常運行時沒有或很小的電氣量，而故障時卻很大的電氣量，如電壓、電流的某一對稱分量（負序或零序）或諧波分量來構(gòu)成保護。另外，還可以利用其他物理量，如氣體、溫度等非電量來構(gòu)成保護?？傊?，無論是反應(yīng)哪種物理量而構(gòu)成的保護，當(dāng)其測量值達到一定數(shù)值（即整定值）時繼電保護就能夠按設(shè)定的程序準確地切除故障或顯示電氣設(shè)備的實時運行情況。

2 繼電保護裝置是如何分類的

1）按繼電保護所保護的對象分為：發(fā)電機的保護、變壓器的保護、輸配電線路的保護以及母線保護、電動機、電容器的保護等；

2）按動作的結(jié)果不同分類：動作于斷路器跳閘的短路故障保護和動作于發(fā)信號的異常運行保護兩大類。其中，短路保護的種類有以下幾種：

（1）按反應(yīng)故障類型的不同，有相間短路保護、接地短路保護及匝間短路保護等；

（2）按其功能的不同，有主保護、后備保護及輔助保護，且后備保護又有遠后備保護與近后備保護之分；

（3）按保護基本工作原理不同分類，有反應(yīng)穩(wěn)態(tài)量的常規(guī)保護和反應(yīng)暫態(tài)量的新原理保護兩大類。根據(jù)所反應(yīng)的參數(shù)不同，常規(guī)繼電保護裝置有反映過電流的保護、反映低電壓的保護、反映短路電流不同方向的方向電流保護、能反映系統(tǒng)接地現(xiàn)象的零序電流保護以及阻抗保護、差動保護、高頻保護和反映變壓器內(nèi)部氣體變化的保護等，另外體現(xiàn)新的保護原理的還有工頻變化量保護和行波保護等；

（4）按保護裝置動作原理不同分類，主要有電磁型、整流型、晶體管型、集成電路型及微機型保護等，目前使用的基本上是微機型繼電保護裝置；

（5）按保護裝置通過反應(yīng)參數(shù)增大或減小而動作歸類，有過量保護和欠量保護。

3）根據(jù)保護裝置所起的作用不同，繼電保護可分為主保護、后備保護和輔助性保護。

（1）主保護

主保護指的是能以最短的時限，靈敏的、選擇性地切除被保護設(shè)備和線路故障的保護。它既能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運行及設(shè)備安全要求，也能保證系統(tǒng)中其他非故障部分的繼續(xù)運行，如階段式電流保護的I 段和II 段、距離保護的I 段和II 段、高頻保護、差動保護等。

（2）后備保護

繼電保護的后備保護裝置指的就是當(dāng)主保護或斷路設(shè)備拒絕動作時，能夠在設(shè)定的時限內(nèi)切除故障的裝置，如電流保護的第Ⅲ段、距離保護的第Ⅲ段等。后備保護不僅可以對本保護范圍的線路或設(shè)備的主保護起后備作用，而且對相鄰線路也可以起后備作用。因此，后備保護又可分為遠后備和近后備兩種方式。

（3）輔助性保護

輔助保護，為補充主保護和后備保護的不足而增設(shè)的簡單保護，通常電流速斷就可以作為這類性質(zhì)的保護。

3 繼電保護的組成及作用

繼電保護的種類雖然很多，但就其基本動作原理而言，基本上由測量部分、邏輯部分和執(zhí)行部分三個部分組成，把保護各組成部分之間的作用串接在一起，就是一套保護裝置的工作過程。

1）測量部分的作用是指通過測量被保護的輸變電設(shè)備、線路的實時運行參數(shù)；

2）邏輯部分是繼電保護裝置重要的組成部分，它能根據(jù)測量部分測量得到的結(jié)果，然后與保護裝置內(nèi)部已設(shè)定的各種參數(shù)進行系統(tǒng)的分析、比較，從而判斷被保護的設(shè)備、線路是否處于正常的運行狀態(tài)，以決定保護裝置是否應(yīng)動作；

3）執(zhí)行部分的作用就是根據(jù)邏輯部分分析判斷后的結(jié)果，使保護裝置執(zhí)行準確的動作。

4 繼電保護裝置的基本任務(wù)

4.1 電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常運行狀態(tài)時

電力系統(tǒng)的正常運行狀態(tài)遭到破壞但還未形成故障時，一般可繼續(xù)運行一段時間而不必立即進行跳閘，稱為異常運行狀態(tài)。常見的有過負荷、中性點非直接接地系統(tǒng)的單相接地、發(fā)電機突然甩負荷引起的過電壓、電力系統(tǒng)振蕩等。電力系統(tǒng)處于異常運行狀態(tài)時將影響電能質(zhì)量，長時間的過負荷運行將引起設(shè)備過熱，加速絕緣老化，影響電氣設(shè)備的正常使用，輕者降低設(shè)備使用壽命，嚴重時導(dǎo)致絕緣擊穿引發(fā)短路，損壞設(shè)備。當(dāng)電力系統(tǒng)處于異常運行狀態(tài)時，要求繼電保護裝置能自動、及時、有選擇性地發(fā)出信號，讓值班人員知曉后及時進行相應(yīng)的處理。

4.2 電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時

電力系統(tǒng)最常見及最危險的故障是各種類型的短路故障，短路故障分為三相短路、兩相短路、兩相接地短路、中性點直接接地系統(tǒng)的單相接地短路以及電機、變壓器繞組的匝間短路等幾種。其中三相短路、兩相短路又稱相間短路，兩相接地短路、單相接地短路又稱接地短路，并以三相短路最為危險，以單相接地短路最為常見。當(dāng)設(shè)備或線路發(fā)生短路故障時，將由電源向故障點提供比正常運行時大得多的短路電流，對電力系統(tǒng)可能造成以下后果：

1）故障點的電弧將故障設(shè)備燒壞；

2）短路電流的熱效應(yīng)和電動力效應(yīng)使故障回路的設(shè)備受到損傷，降低使用壽命；

3）系統(tǒng)電壓損失增大使設(shè)備工作電壓下降，離故障點越近，所受影響越大，用戶的正常工作條件遭到破壞；

4）破壞電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，嚴重時引起系統(tǒng)振蕩，甚至使整個電力系統(tǒng)瓦解，導(dǎo)致大面積停電。

當(dāng)電氣設(shè)備出現(xiàn)故障時，對繼電保護裝置的要求是能自動快速的、靈敏的、有選擇性可靠地通過斷路器跳閘，將發(fā)生故障的設(shè)備從系統(tǒng)中及時切除，防止故障設(shè)備繼續(xù)遭到破壞，確保系統(tǒng)其余非故障的部分還能繼續(xù)正常運行。因此，繼電保護對保證系統(tǒng)安全運行和確保電能質(zhì)量、防止故障擴大和事故發(fā)生，起著極其重要的作用，是電力系統(tǒng)必不可少的組成部分。

5 對繼電保護的基本要求

為了保證繼電保護能確實完成其在電力系統(tǒng)中所承擔(dān)的任務(wù)及作用，對動作于跳閘的繼電保護裝置，應(yīng)具備以下四個基本要求。

5.1 選擇性

選拌性要求的內(nèi)容是：在電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，對保護裝置的動作必須有一定的選擇。首先由發(fā)生故障的設(shè)備、線路的保護進行故障的切除，只有當(dāng)其保護或斷路器拒動時，才允許由其他的保護或裝置切除故障。也就是說，保護裝置的動作應(yīng)只切除已發(fā)生故障的部分，或盡量使故障的影響限制在最小的范圍。

5.2 速動性

速動性要求是指保護裝置應(yīng)盡可能地快速切除短路故障，應(yīng)注意以下兩個問題：

l）切除故障的時間為繼電保護的動作時間和斷路器的跳閘時間之和。因此，要縮短故障切除時間，不僅要求保護動作速度要快，而且與之配套使用的斷路器跳閘時間也應(yīng)盡可能短；

2）保護的速動性要求是相對的，不同電壓等級的電網(wǎng)要求不同。如，同樣的保護動作時間0.5s，在110kV 及以下電壓等級電網(wǎng)中被以為是迅速的，而在220kV 及以上電壓等級電網(wǎng)中則被認為是不夠迅速的。

繼電保護的速動性應(yīng)根據(jù)被保護設(shè)備和系統(tǒng)運行的要求確定，并非越快越好，否則，勢必帶來保護裝置其他性能的降低，或者增加保護的復(fù)雜性，而且經(jīng)濟上也不合理。

3）靈敏性

靈敏性的要求是指保護裝置對于其所保護的范圍內(nèi)發(fā)生的各種故障，應(yīng)具有足夠敏捷的反應(yīng)能力。保護裝置的靈敏性要求與選擇性要求的關(guān)系密切，在電力系統(tǒng)故障時，故障設(shè)備的保護必須先能夠靈敏地反應(yīng)故障，才可能有選擇性地切除故障，因此能有選擇切除故障的保護，必須同時具備靈敏性。

4）可靠性

保護裝置的誤動或拒動是電力系統(tǒng)發(fā)生事故的根源之一，因此，保護裝置應(yīng)在良好的工作狀態(tài)下，在保護裝置不該動作時應(yīng)可靠地不動作，而在保護裝置該動作時應(yīng)可靠地動作。

以上繼電保護的四個基本要求，它們應(yīng)同時滿足，但是這種滿足只是相對的，因為在這四個基本要求之間，既有相互緊密聯(lián)系的一面，也有相矛盾的一面。例如：為保證選擇性，有時就要求保護動作帶上延時；為保證靈敏性，有時就允許保護非選擇性動作，再由自動重合閘裝置來糾正，而為保證速動性和選擇性，有時需采采用較復(fù)雜的保護裝置，因而降低了可靠性。因此，在確定繼電保護方案時，必須從電力系統(tǒng)的實際情況出發(fā)，分清主次，以求得最優(yōu)情況下的統(tǒng)一。

6 電力系統(tǒng)繼電保護技術(shù)的發(fā)展前景

當(dāng)前，電子技術(shù)、計算機技術(shù)和通信技術(shù)已經(jīng)在日新月異的向前發(fā)展，電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)也在高速發(fā)展中，傳統(tǒng)的電磁型、晶體管等型式的保護裝置正在逐漸退出電力系統(tǒng)保護裝置的歷史舞臺。如今，新建的發(fā)、變、配電站已基本上采用微機型繼電保護裝置，隨著國內(nèi)外電力系統(tǒng)新興技術(shù)的蓬勃發(fā)展，繼電保護技術(shù)也不斷地朝著微型計算機化，網(wǎng)絡(luò)信息化，保護、測量、控制和數(shù)據(jù)通信一體化，人工智能化的方向發(fā)展。

6.1 繼電保護的微型計算機化

微機型繼電保護裝置從上世紀90 年代開始研究，現(xiàn)在已經(jīng)取得了比較成熟的應(yīng)用經(jīng)驗，微機保護裝置具有運行靈活、方便，動作正確率高，可靠性高，易于獲得各種附加功能，以及能夠簡化定期校驗等功能，它相當(dāng)于一臺功能強大、性能優(yōu)良的微型計算機，具有很好的優(yōu)越性，使電力系統(tǒng)的運行穩(wěn)定性能得到了較大的提高。

6.2 繼電保護網(wǎng)絡(luò)化、信息化

當(dāng)前，電子技術(shù)、計算機技術(shù)正不斷地飛速發(fā)展，網(wǎng)絡(luò)技術(shù)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為當(dāng)今時代的主要潮流，隨作電力系統(tǒng)智能化電網(wǎng)的不斷發(fā)展，對繼電保護的要求也越來越高，當(dāng)前，繼電保護除了必須按時準確切除電力系統(tǒng)的已發(fā)生故障的元件和限制事故影響的范圍，更重要的是還要確保整個系統(tǒng)最大限度地安全穩(wěn)定地運行。如今，通過將系統(tǒng)中輸變電設(shè)備的各種保護裝置用網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一個繼電保護網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得繼電保護實現(xiàn)了具備有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，具有了快速的數(shù)據(jù)處理和強大的通信功能，以及能與其他保護、測控、自動化裝置共享系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)資源的能力，當(dāng)發(fā)生故障時保護裝置能自動進行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理比對，使相關(guān)保護和自動化裝置能協(xié)調(diào)動作，從而提高了系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性和可靠性。

6.3 保、測、控以及數(shù)據(jù)通信一體化

當(dāng)前，微機保護已經(jīng)把以往運行中需要多臺裝置來完成的各種功能合在了一起，實現(xiàn)了保護、測量、控制、數(shù)據(jù)通信一體化的功能，它相當(dāng)于融合了一臺高性能、多功能的微型計算機的相關(guān)功能，它作為電力系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡(luò)上的一個智能終端，可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的各種信息，也可將自身所獲得的保護設(shè)備的相關(guān)信息傳送給網(wǎng)絡(luò)控制中心或任一終端，同時也實現(xiàn)了遠方的監(jiān)控等功能。

6.4 繼電保護智能化

近年來，隨著電力系統(tǒng)微機繼電保護技術(shù)的不斷成熟，繼電保護研究領(lǐng)域內(nèi)的不少工作正逐步向人工智能技術(shù)方面發(fā)展。當(dāng)前，代表著先進科研領(lǐng)域的人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、專家系統(tǒng)、人工智能等新技術(shù)正逐步應(yīng)用于電力系統(tǒng)繼電保護中，為繼電保護技術(shù)的未來發(fā)展注入了新的活力?？梢灶A(yù)見，隨著電力系統(tǒng)技術(shù)的不斷發(fā)展，人工智能技術(shù)在繼電保護領(lǐng)域也必將會得到更加深入的應(yīng)用，繼電保護智能化將是今后發(fā)展的必然趨勢。

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