繼電保護系統在不同技術領域的適用度研究

鄧立群

（內江職業技術學院 電氣工程系，內江 641100）

1 電力系統繼電保護的作用和發展

1.1 繼電保護的定義、功能

電力系統的故障：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、復合故障等。電力系統不正常運行狀態：小接地電流系統的單相接地、過負荷、變壓器過熱、系統振蕩、電壓升高、頻率降低等。繼電保護系統的作用在于，當其保護的系統中電路或元器件出現故障或不正常運行時，這個系統的額保護裝置能及時根據設定的程序在系統相應的部位實現跳閘或短路等既定操作，使故障電路或元器件從系統中脫離或者發出信號通知管理人員處理，以達到最大限度地降低電路或元器件的損壞，保護整個電路系統的安全，使被保護系統穩定運行，提高系統的安全性，減少因部分電路或元器件損壞而導致的大面積故障的情況。

繼電保護的發展是隨著電力系統和自動化技術的發展而發展的。繼電保護系統的特殊功能決定其對電路系統的安全、穩定運行起著關鍵的保護作用，其相應的功能也要隨著電力系統的發展而改變。目前，繼電保護應用的最主要方面是高壓輸電，隨著我國電力運輸系統的規模不斷壯大和輸電系統等級的不斷提高，輸電系統的運行方式和系統機構愈加復雜，對繼電保護提出了更高的要求。要保證受保護的電力系統安全、可靠的運行，電力系統的繼電保護必須具備四個特性：可靠性、靈敏性、速動性和選擇性。即保護系統必須反應速度快，回應動作快，靈敏性高，判斷準確。

圖1 繼電保護系統示意圖

1.2 繼電保護裝置的發展，局限性及其現階段的應用范圍

繼電保護原理的發展是從簡單的電流保護逐步向復雜的距離保護和高頻保護過度的。繼電保護裝置的發展則依賴于構成繼電保護裝置元器件技術的發展。其發展大致經歷了四個階段，即從電磁型、晶體管型、集成電路型到微機型保護的發展歷程[1]。傳統的電磁和電磁感應原理的保護存在動作速度慢、靈敏度低、抗震性差以及可動部分有磨損等固有缺點。晶體管繼電保護裝置也有抗干擾能力差、判據不準確、裝置本身的質量不是很穩定等明顯的缺點[2]。

繼電保護系統在電力系統中起著開關或警報的作用，我們可以將該原理稱為開關原理。現階段，我們習慣性的將繼電保護系統認定為高壓、低壓的電力輸電系統的保護系統。然而，繼電保護的這一開關原理已經廣泛應用于大部分的電路、電器、電子等高壓、低壓、強電、弱電等技術領域。因為每個繼電保護系統所要保護的對象不同，所以需要采用的保護裝置也要相應的加以選擇，以達到功能與成本的匹配。

2 繼電保護系統的不同技術應用領域

2.1 電壓矢量跳躍技術的繼電保護系統的應用

三相平衡交流供電蹦的電壓，其大小和相位是相對穩定的，只要系統阻抗或電流不發生改變，則系統電壓矢量基本維持不變。當系統故障時，突變電流將導致電壓相角跳變。如突變電流增大，則系統短路；突變電流為零，則系統開路失壓。

常用的差動保護原理足利用比較被保護設備兩端電流的大小和相位作為啟動判據，不反應區外故障或電網的擾動。當系統故障，由于三干重合閘，會引起發電機輸出電壓或頻率的波動。嚴重時可能出現異步情況，損壞發電機或者發電機和設備之間的傳動裝置。監視電壓相角可作為確定饋線受擾的依據。當系統故障時，突變電流將導致電壓相角跳變。跳變相角△由負載變化的大小和性質決定。△的變化作為保護啟動的判據，當它超過保護設置的限值時，將開斷發電機或跳耦合斷路器，這意味著矢量跳躍主要用于電網去耦。

具有矢量跳躍功能的微機保護裝置，尤其適應于以下幾個類型的保護：水輪機、蓄能發電機、入網發電站、柴油發電機、汽輪機、工業電力站傳統的蒸汽發電站、大中型同步電動機、大中型主變壓器等。

2.2 孤島保護技術繼電系統的應用

孤島(islanding)效應，是指當電網失電后，分布式發電系統繼續向一部分負荷供電的情況。如果配電網發生故障后，在保證電力系統安全的前提下，盡可能維持DG正常供電，而將配電網轉化為若干孤島自治運行，將可以減小停電面積，提高供電可靠性，對電網公司、DG發電商和用戶都是有利的。

但是非計劃性孤島運行時也會有很嚴重的后果：1）電網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。可能會對用戶的設備造成損壞；2）如果負載容量大于逆變電源容量，逆變電源過載運行，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，降低電剛的安全性；4）對孤島進行重臺閘操作會導致該線路再次跳閘，還有可能損壞逆變電源和其他設備。可見，研究孤島檢測方法及保護措施。將孤島產生的危害降至最低具有十分重要的現實意義。當主電網跳閘時，分布式發電裝置的非計劃運行將對用戶以及配電設備造成嚴重損害，因此實際電網系統中分布式發電裝簧必須具備反孤島保護的功能，即具有檢測孤島效應并及時與電網切離的功能[3]。

2.3 基于網格平臺的中壓電網廣域保護系統

廣域保護是這幾年來國內外新興的一個課題，它不同于傳統的單個電氣元件的邏輯保護，而是從電網的整體或區域電網的角度出發，以保證受擾動的系統能夠安全、穩定地運行為最大目標。廣域保護的提出是建立在計算機和通信技術發展的基礎上的。與大型互聯電網的安全和穩定性要求有著密切的關系。借助可靠的通信網絡，以及智能儀器的推理和信息交換功能，廣域保護系統可以獲得電力系統多測點的信息，在快速準確地切除故障的同時，能根據故障切除前后電網潮流分布和拓撲結構變化的情況，合理選擇預防性的控制措施，更新保護區域的劃分和保護整定值，防止大規模的連鎖跳閘和崩潰。

廣域保護系統從電網的整體或區域電網的角度出發，用廣域測量系統測得電力系統多測點的信息，在快速準確切除故障的同時，能根據故障切除前后的電網潮流分布和拓撲結構的變化情況，合理選擇預防性的控制措施，更新保護區域的劃分和保護整定值，防止大規模的連鎖跳閘和崩潰，保證了受擾動的系統能夠安全、穩定的運行[4]。

3 繼電保護系統應用枚舉

3.1 現代船舶應用繼電保護系統

隨著船舶工業的快速發展，船舶電站的供配電系統也日趨現代化，勢必對船舶電力系統的安全性提出更高的要求。船舶電力系統的繼電保護是保證船舶供配電網絡安全運行的關鍵系統。繼電保護系統在保護電力系統安全、可靠運行、維護和故障排除等方面發揮重要作用。速動性、選擇性、靈敏性和可靠性是船舶電力系統繼電保護的四個基本要求。由于現代船舶電力繼電保護系統日趨復雜和精細，傳統的晶體管型以及集成電路繼電保護已經難以滿足需要，微電腦繼電保護系統正在逐步得到發展和應用[5]。

應用到船舶上的微電腦繼電保護系統應該具有能及時、準確地測出發電機的三相交流電壓、電流及其變化關系并快速反應的功能；具有其他如測量頻率、功率等相關功能；具有操作方便、顯示直觀的顯示界面；能適應船舶的潮濕、搖晃、大功率長時間運行的特點。

3.2 廠礦企業中應用繼電保護系統

廠礦企業中，各種設備相對比較集中，大容量的用電設備在電力系統中中占有較大的比重。因此保證生產的重要條件之一是保證廠礦企業中供配電系統及電氣設備安全運行。這就要求供電系統能承受大功率用電的負擔，并且能對各種電力系統的故障快速反應。

廠礦企業中機器設備多，運行時斷時停，不同時段消耗的電功率不同，設備相互關聯較密切，且人機相隔較近，容易出現壞一點而壞一片的情況。所以廠礦企業中的繼電保護系統對所保護的系統具有敏感的判斷能力和快速的反應能力。大多數廠礦企業采用WPLZ-350繼電保護系統。該系統采用分層分布式結構；以工業控制網絡CANBUS構成總線形式，可靠性高、擴充方便；設有就地手動操作機構作后備微機交流來樣精度高；達到元人值守水平，人機分離，保證工作人員的人身安全。

3.3 一般家庭用電中應用繼電保護系統

一般家庭電力系統的用電都是通過大型變電站降壓處理后輸送到每一個供電網絡中。相對于變電站和高壓輸電系統，一般家庭電力系統的電力繼電保護系統不需要在可靠性、靈敏性、速動性和選擇性上達到最高級的程度。綜合功能和成本的考慮，一般家庭電力系統的繼電保護系統只需要傳統的電磁繼電保護系統即可滿足應用需求。

4 電力系統繼電保護安全性能分析

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

4.1 電器設備的安全標準

IEC 60255-27：2005將電氣設備進行了分類，按照不同的安全防護級別劃分為三類設備，根據不同類別的設備，提出了不同的安全要求，其中包括：1）一般要求；2）電擊防護要求及單一故障狀態定義；3）機械方面安全要求；4）可燃性及防火要求；5）通用和基本安全設計要求。該標準為保證繼電保護及自動化產品的安全運行提供了依據。

4.2 繼電保護裝置的安全標準

繼電保護產品在現場運行中存在著包括電擊、著火、機械、輻射、化學等多方面的危險形式，因而此類產品在安全性能方面必須達到以下幾點條件：1）在預期的環境條件下能抵御外界的非機械的影響，而不危及人身與設備的安全；2）在滿足預期的過載條件下，不應危及人身和設備的安全；3）在可預見的過載條件下，不應危及人身和設備的安全：4）應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措施；5）不應產生危害人身安全的溫度、電弧或輻射等危險；6）絕緣性能應滿足各種預見的情況；7）對危害人身和設備安全的其他危險應有足夠的防護措施[7]。

5 結論

建國以來，我國電力系統繼電保護技術發展過程經歷了從電磁型、晶體管型、集成電路型到微機型保護4個時代，隨著電力系統的發展和計算機通信技術的進步，繼電保護技術的發展向計算機化的方向發展，這對繼電保護工作者提出了新的挑戰，但這也是我國電力技術的發展的一個巨大機遇。我國的電力工作者和計算機通信工作者要抓住這個機遇，盡可能早地研究、掌握新技術，發展我國電力事業。

[1] 袁浩.面向對象的電力系統繼電保護系統設計[M].2006.

[2] 馮大彬.ARM微處理器在電力系統線路保護中的應用研究[M].2007.

[3] 艾迪佳,艾帝恩.用于繼電保護中的幾種技術方法[M].2009.

[4] 施凌鵬.基于網格平臺的中壓電網廣域保護分析[M].2009.

[5] 翁石光,卞根發.船舶電力網繼電保護測試系統的研究[M].2009.

[6] 德恒,談克雄. 電絕緣診斷技術[M].1998.

[7] 周永榮,胥岱遐,韓天行.電力系統繼電保護安全性能評估[M].2008.