電力系統(tǒng)繼電保護(hù)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(yùn)行狀態(tài)的裝置，即繼電保護(hù)裝置。電力系統(tǒng)的繼電保護(hù)裝置，必須具備區(qū)分被保護(hù)設(shè)備正常運(yùn)行、發(fā)生故障或異常運(yùn)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(hù)設(shè)備參數(shù)的不同來實(shí)現(xiàn)相應(yīng)地功能。

1 繼電保護(hù)的基本工作原理

繼電保護(hù)工作的基本原理就是保護(hù)裝置通過正確的區(qū)分被保護(hù)設(shè)備是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是處于異常的運(yùn)行狀態(tài)，從而進(jìn)行相應(yīng)的動作。如，電力線路發(fā)生短路故障時(shí)，明顯特征之一就是電流劇增，保護(hù)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(hù)。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(hù)。再則，還可以同時(shí)反應(yīng)故障時(shí)電壓降低和電流增加的特征，由于故障時(shí)所測得的阻抗是變小的，故而在輸電線路中，由保護(hù)安裝處所測得的阻抗的大小反應(yīng)了故障點(diǎn)與保護(hù)安裝處的距離遠(yuǎn)近，因此輸電線路的阻抗保護(hù)常稱為距離保護(hù)。同理，如果同時(shí)反應(yīng)電壓與電流之間相位角的變化，則可以判斷故障點(diǎn)的方向是處于保護(hù)安裝處的正方向還是反方向，這就是實(shí)現(xiàn)方向保護(hù)的原理。為了更確切地區(qū)分設(shè)備的正常運(yùn)行與故障或異常狀態(tài)，還可以利用正常運(yùn)行時(shí)沒有或很小的電氣量，而故障時(shí)卻很大的電氣量，如電壓、電流的某一對稱分量（負(fù)序或零序）或諧波分量來構(gòu)成保護(hù)。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(hù)。總之，無論是反應(yīng)哪種物理量而構(gòu)成的保護(hù)，當(dāng)其測量值達(dá)到一定數(shù)值（即整定值）時(shí)繼電保護(hù)就能夠按設(shè)定的程序準(zhǔn)確地切除故障或顯示電氣設(shè)備的實(shí)時(shí)運(yùn)行情況。

2 繼電保護(hù)裝置是如何分類的

1）按繼電保護(hù)所保護(hù)的對象分為：發(fā)電機(jī)的保護(hù)、變壓器的保護(hù)、輸配電線路的保護(hù)以及母線保護(hù)、電動機(jī)、電容器的保護(hù)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(hù)和動作于發(fā)信號的異常運(yùn)行保護(hù)兩大類。其中，短路保護(hù)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(hù)、接地短路保護(hù)及匝間短路保護(hù)等；

（2）按其功能的不同，有主保護(hù)、后備保護(hù)及輔助保護(hù)，且后備保護(hù)又有遠(yuǎn)后備保護(hù)與近后備保護(hù)之分；

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

（4）按保護(hù)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(jī)型保護(hù)等，目前使用的基本上是微機(jī)型繼電保護(hù)裝置；

（5）按保護(hù)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(hù)和欠量保護(hù)。

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

（1）主保護(hù)

主保護(hù)指的是能以最短的時(shí)限，靈敏的、選擇性地切除被保護(hù)設(shè)備和線路故障的保護(hù)。它既能滿足系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)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(yùn)行，如階段式電流保護(hù)的I 段和II 段、距離保護(hù)的I 段和II 段、高頻保護(hù)、差動保護(hù)等。

（2）后備保護(hù)

繼電保護(hù)的后備保護(hù)裝置指的就是當(dāng)主保護(hù)或斷路設(shè)備拒絕動作時(shí)，能夠在設(shè)定的時(shí)限內(nèi)切除故障的裝置，如電流保護(hù)的第Ⅲ段、距離保護(hù)的第Ⅲ段等。后備保護(hù)不僅可以對本保護(hù)范圍的線路或設(shè)備的主保護(hù)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(hù)又可分為遠(yuǎn)后備和近后備兩種方式。

（3）輔助性保護(hù)

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

3 繼電保護(hù)的組成及作用

繼電保護(hù)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(gè)部分組成，把保護(hù)各組成部分之間的作用串接在一起，就是一套保護(hù)裝置的工作過程。

1）測量部分的作用是指通過測量被保護(hù)的輸變電設(shè)備、線路的實(shí)時(shí)運(yùn)行參數(shù)；

2）邏輯部分是繼電保護(hù)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(hù)裝置內(nèi)部已設(shè)定的各種參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)的分析、比較，從而判斷被保護(hù)的設(shè)備、線路是否處于正常的運(yùn)行狀態(tài)，以決定保護(hù)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(hù)裝置執(zhí)行準(zhǔn)確的動作。

4 繼電保護(hù)裝置的基本任務(wù)

4.1 電力系統(tǒng)出現(xiàn)異常運(yùn)行狀態(tài)時(shí)

電力系統(tǒng)的正常運(yùn)行狀態(tài)遭到破壞但還未形成故障時(shí)，一般可繼續(xù)運(yùn)行一段時(shí)間而不必立即進(jìn)行跳閘，稱為異常運(yùn)行狀態(tài)。常見的有過負(fù)荷、中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)的單相接地、發(fā)電機(jī)突然甩負(fù)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(yùn)行狀態(tài)時(shí)將影響電能質(zhì)量，長時(shí)間的過負(fù)荷運(yùn)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(yán)重時(shí)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(yùn)行狀態(tài)時(shí)，要求繼電保護(hù)裝置能自動、及時(shí)、有選擇性地發(fā)出信號，讓值班人員知曉后及時(shí)進(jìn)行相應(yīng)的處理。

4.2 電力系統(tǒng)出現(xiàn)故障時(shí)

電力系統(tǒng)最常見及最危險(xiǎn)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(diǎn)直接接地系統(tǒng)的單相接地短路以及電機(jī)、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(xiǎn)，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(shí)，將由電源向故障點(diǎn)提供比正常運(yùn)行時(shí)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(diǎn)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(diǎn)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(yùn)行的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)引起系統(tǒng)振蕩，甚至使整個(gè)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(shí)，對繼電保護(hù)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(shí)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(yùn)行。因此，繼電保護(hù)對保證系統(tǒng)安全運(yùn)行和確保電能質(zhì)量、防止故障擴(kuò)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(hù)的基本要求

為了保證繼電保護(hù)能確實(shí)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(hù)裝置，應(yīng)具備以下四個(gè)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(shí)，對保護(hù)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(hù)進(jìn)行故障的切除，只有當(dāng)其保護(hù)或斷路器拒動時(shí)，才允許由其他的保護(hù)或裝置切除故障。也就是說，保護(hù)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(hù)裝置應(yīng)盡可能地快速切除短路故障，應(yīng)注意以下兩個(gè)問題：

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

2）保護(hù)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(hù)動作時(shí)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(rèn)為是不夠迅速的。

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

3）靈敏性

靈敏性的要求是指保護(hù)裝置對于其所保護(hù)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(hù)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(shí)，故障設(shè)備的保護(hù)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(hù)，必須同時(shí)具備靈敏性。

4）可靠性

保護(hù)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(hù)裝置應(yīng)在良好的工作狀態(tài)下，在保護(hù)裝置不該動作時(shí)應(yīng)可靠地不動作，而在保護(hù)裝置該動作時(shí)應(yīng)可靠地動作。

以上繼電保護(hù)的四個(gè)基本要求，它們應(yīng)同時(shí)滿足，但是這種滿足只是相對的，因?yàn)樵谶@四個(gè)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(shí)就要求保護(hù)動作帶上延時(shí)；為保證靈敏性，有時(shí)就允許保護(hù)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(shí)需采采用較復(fù)雜的保護(hù)裝置，因而降低了可靠性。因此，在確定繼電保護(hù)方案時(shí)，必須從電力系統(tǒng)的實(shí)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(hù)技術(shù)的發(fā)展前景

當(dāng)前，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(hù)裝置正在逐漸退出電力系統(tǒng)保護(hù)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(jī)型繼電保護(hù)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(hù)技術(shù)也不斷地朝著微型計(jì)算機(jī)化，網(wǎng)絡(luò)信息化，保護(hù)、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(hù)的微型計(jì)算機(jī)化

微機(jī)型繼電保護(hù)裝置從上世紀(jì)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(yàn)，微機(jī)保護(hù)裝置具有運(yùn)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(yàn)等功能，它相當(dāng)于一臺功能強(qiáng)大、性能優(yōu)良的微型計(jì)算機(jī)，具有很好的優(yōu)越性，使電力系統(tǒng)的運(yùn)行穩(wěn)定性能得到了較大的提高。

6.2 繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)化、信息化

當(dāng)前，電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)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(shí)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(hù)的要求也越來越高，當(dāng)前，繼電保護(hù)除了必須按時(shí)準(zhǔn)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(gè)系統(tǒng)最大限度地安全穩(wěn)定地運(yùn)行。如今，通過將系統(tǒng)中輸變電設(shè)備的各種保護(hù)裝置用網(wǎng)絡(luò)連接起來，形成一個(gè)繼電保護(hù)網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)，使得繼電保護(hù)實(shí)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(qiáng)大的通信功能，以及能與其他保護(hù)、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(shí)保護(hù)裝置能自動進(jìn)行系統(tǒng)的數(shù)據(jù)整理比對，使相關(guān)保護(hù)和自動化裝置能協(xié)調(diào)動作，從而提高了系統(tǒng)運(yùn)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(jī)保護(hù)已經(jīng)把以往運(yùn)行中需要多臺裝置來完成的各種功能合在了一起，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)、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(jì)算機(jī)的相關(guān)功能，它作為電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)智能終端，可以從網(wǎng)絡(luò)上獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的各種信息，也可將自身所獲得的保護(hù)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(shí)也實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)方的監(jiān)控等功能。

6.4 繼電保護(hù)智能化

近年來，隨著電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)技術(shù)的不斷成熟，繼電保護(hù)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(jìn)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(hù)中，為繼電保護(hù)技術(shù)的未來發(fā)展注入了新的活力。可以預(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(hù)領(lǐng)域也必將會得到更加深入的應(yīng)用，繼電保護(hù)智能化將是今后發(fā)展的必然趨勢。

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