電力系統(tǒng)繼電保護技術的現(xiàn)狀與發(fā)展

王俊星 劉洋

【摘? 要】在科學技術水平提高和現(xiàn)代化社會發(fā)展的共同作用下，電力資源成為我國生產(chǎn)生活各個領域發(fā)展中不可或缺的資源之一，電力系統(tǒng)也因此被視作重要的供應系統(tǒng)。電力系統(tǒng)本身就是大型且安全隱患較多的作業(yè)系統(tǒng)，因此，對電力系統(tǒng)的繼電保護十分關鍵，并且難度很大。基于此，論文分析了繼電保護技術的相關概念，匯總了電力工程繼電保護故障的成因，隨后探究了電力工程繼電保護技術的運用原則，最后分析了電力系統(tǒng)繼電保護技術的未來發(fā)展趨勢，以供相關人士交流參考。

【Abstract】Under the joint action of the improvement of science and technology level and the development of modern society， power resources have become one of the indispensable resources in the development of various fields of production and life in China. Therefore， power system is also regarded as an important supply system. The power system itself is a large-scale operation system with many security risks. Therefore， the relay protection of the power system is very critical and difficult. Based on this， this paper analyzes the related concepts of relay protection technology， summarizes the causes of relay protection faults in power engineering， then explores the application principles of relay protection technology of power engineering， and finally analyzes the future development trend of relay protection technology of power system， for relevant people to exchange and reference.

【關鍵詞】電力系統(tǒng);繼電保護技術;現(xiàn)狀;發(fā)展

【Keywords】power system; relay protection technology; current situation; development

【中圖分類號】TM77? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文獻標志碼】A? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?【文章編號】1673-1069（2021）09-0185-03

1 引言

當前，電力資源是人們生產(chǎn)生活中不可或缺的重要資源，供電系統(tǒng)也成為保證人們正常生活和穩(wěn)定生產(chǎn)的主要能源系統(tǒng)，電力系統(tǒng)中的任何部位出現(xiàn)安全隱患都會影響整個電力系統(tǒng)的安全運行，甚至引發(fā)大面積停電現(xiàn)象。由此可知，電力系統(tǒng)的繼電保護工作十分重要和關鍵。隨著電力系統(tǒng)的改革和創(chuàng)新，電力系統(tǒng)的繼電保護和維修工作的難度日漸提升。繼電保護是在這種背景下提出的新型保護方式，改善了傳統(tǒng)電力系統(tǒng)保護方式的缺陷和不足，融合了幾種電力系統(tǒng)保護方式的優(yōu)勢，在現(xiàn)代供電網(wǎng)絡當中發(fā)揮了重要作用。

2 繼電保護技術概述

2.1 繼電保護技術的概念

繼電保護技術的應用實質(zhì)上是繼電保護器在發(fā)揮作用的過程，繼電保護器由開關、電流感應器等構件組成。在電流感應器感知到電流異常之后，會自動把主回路切斷來保證設備不受到損壞和工作過程中不造成人員損傷。繼電保護器主要具有2種功能，即過載保護和電流短路保護，一般會在設備產(chǎn)生漏電故障時自動啟用保護功能，從而避免意外事故的發(fā)生[1]。

2.2 繼電保護技術的應用背景

如果不正確使用熔斷電阻絲，實際運用的電流量超過了承載值，這時流經(jīng)導線的電流產(chǎn)生的熱量會將外表的絕緣層融化，這時就容易造成故障隱患。如果在日常工作中對器材的損壞較為嚴重并且沒有及時檢查和發(fā)現(xiàn)損壞情況，就容易影響電流的正常使用，容易造成安全隱患，從而引發(fā)安全事故，威脅人員安全。此時，繼電保護技術的應用十分必要。

2.3 繼電保護技術的工作原理

繼電保護技術是應用在設備漏電故障發(fā)生之時保護設備和保證安全工作的手段，因此，為更好地應用這項技術，相關人員需要了解它的工作原理。繼電保護技術實質(zhì)上是繼電保護器對于設備出現(xiàn)漏電故障時利用其過載保護和短路保護的功能避免工作過程中安全事故的發(fā)生。在建筑電力系統(tǒng)工作過程中，因為使用電力系統(tǒng)的設備和環(huán)節(jié)過多，所以稍有不慎就容易導致安全事故的發(fā)生。然而，一般使用這些電力系統(tǒng)設備的人員只是普通的建筑人員，操作不當、檢查不及時、對實際的使用原理不了解是當前工作團隊中的常見問題，這極易導致各種漏電事故頻頻發(fā)生[2]。

繼電保護器中利用其組成結(jié)構中的電流感應器，在感知電流異常時，保護器會自動關閉開關從而進行斷電。一般的電力系統(tǒng)設備在電流輸入的地方會安裝繼電保護器，通過導線一端接入電流感應變壓裝置，斷電的開關安裝在導線的在另一邊，以便在電流通過時及時感知異常，從而阻斷異常電流對設備的損壞。

3 電力工程繼電保護故障的成因

3.1 人為原因造成的故障問題

在電力工程中，技術人員往往會遇到一種情況，即根據(jù)事故報警裝置顯示繼電保護發(fā)生了故障問題，但是找不到導致這一故障發(fā)生的源頭[3]。另外一種情況就是繼電保護機械停止工作，事故報警裝置卻沒有提前預警，這就使得技術人員未能判斷故障產(chǎn)生的緣由和過程。然而，根據(jù)以往數(shù)據(jù)顯示這幾種故障情況的產(chǎn)生都是由于各種各樣的人為原因，如職工在工作崗位中不集中注意力、沒有采取及時有效的解決措施、操作不當?shù)取Ｒ坏┏霈F(xiàn)這種人為原因?qū)е碌墓收希夹g人員一定要在第一時間將情況如實向管理人員匯報，以此來保障故障解決的效率。

部分情況下，電力工程單位會發(fā)生一種故障情況就是電壓失常，這種故障情況在發(fā)生時檢測其開關等主要裝置均不會排查到任何異常情況。但是技術人員會因主觀原因?qū)е屡凶x不到位，進而導致故障處理方法不當，容易造成各種安全隱患。

3.2 輔助工具應用不到位造成的故障問題

一般情況下，技術維修人員在解決電力工程繼電保護故障問題時，會通過以往的故障匯總信息庫、機械報警裝置等要素來判斷故障發(fā)生的原因，并確定故障處理的方法。電力工程管理人員會安排專門的負責人員來對繼電保護器進行定期排查，如果系統(tǒng)存在故障問題，可以對系統(tǒng)進行針對性維修檢查，這種情況和繼電保護機械異常是無關的。然而，一旦排查到繼電保護機械出現(xiàn)了異常情況，技術人員應當預先做好故障表現(xiàn)特征的信息備案，先規(guī)劃出解決故障問題的方案再實施正確的解決措施，以此來降低故障問題造成更大損失的概率。在電力工程單位中，各種機械裝置能夠作為技術人員檢查繼電保護機械的輔助工具，因此，技術人員必須充分發(fā)揮這些機械裝置的優(yōu)勢作用，以此來提升故障判斷的準確性和故障解決的效率。在繼電保護機械發(fā)生故障問題時，這時觀察檢測裝置就會發(fā)現(xiàn)很多數(shù)據(jù)顯示正常，出現(xiàn)這些情況的原因是相應的負責人員沒有做到實時監(jiān)測繼電保護機械的工作情況，未發(fā)揮輔助工具的作用，同時，并未做好日常數(shù)據(jù)的記錄，這時技術人員就會誤判繼電保護故障問題發(fā)生的原因，進而引發(fā)更加嚴重的故障問題。由此可見，一旦繼電保護出現(xiàn)任何故障問題，技術人員必須對整個系統(tǒng)進行整體綜合排查，以此來提高事故處理的質(zhì)量[4]。

4 電力系統(tǒng)繼電保護技術的運用原則

繼電保護技術是使得電力系統(tǒng)設備能夠正常運行的手段，那么面對大量使用電力系統(tǒng)設備且用電環(huán)節(jié)多、大規(guī)模生產(chǎn)的電力企業(yè)來說，更應該注重這項技術的使用原則。

4.1 三段式繼電保護原則

在電力系統(tǒng)工作時，流過電流感應器的電流有相反的方向和相同的大小，這就說明電流是正常的，繼電保護器并沒有工作。一般來說在這種情況下，感應器中的感應磁通數(shù)值為零，且斷電開關沒有啟動。而如果一切情況相反，流過感應器的電流有相同的方向，感應器中的感應磁通的數(shù)值不為零，且其中電流大小數(shù)值相等，斷電開關工作，這就是設備在漏電故障情況下自動啟用繼電保護器的征兆。

4.2 接零保護原則

一般電力系統(tǒng)設備如果存在導線外露的情況，管理人員會安排設備人員對接線采取接零保護，主要針對器材中帶有金屬的部分。一般接零保護時，只是配備保護的零線而不是熔斷電阻絲。另外，開關不會安裝在次要的保護零線上，接地保護零線和接零保護零線也不會安裝在一起，這樣能夠保證繼電保護器的安全使用。

4.3 接地保護原則

為有效避免使用的電力系統(tǒng)裝備接地效果受到影響，技術人員應該遵循接地保護原則。在大型軌道工具作業(yè)時，接地處理和3個以上的接地點是必備的，另外，1～4Ω是電力系統(tǒng)連接節(jié)點處可控的電阻率范圍。接地保護是應用在電力系統(tǒng)設備導線外露的情況下，主要是在外露的導線并沒有產(chǎn)生電流的情況下對其進行接地保護，從而使得工作人員在觸碰外露導線時不會出現(xiàn)安全事故。這是任何金屬外殼和裝備進行接地處理時的必要措施，這樣能保證每一個工作環(huán)節(jié)的工作人員在接觸金屬外露的部分時不會造成故障問題[5]。

4.4 繼電保護器的安裝原則

①額定的繼電保護時長。一般來說，針對不同等級的支干線額定的繼電保護時長不同，一級的支干線相較于平常的保護時長會相差0.2s，而三級的額定保護時長則與其相差0.4s。②針對不同等級的支干線來說，額定的繼電保護電流大小也不同，主要在0～300mA的數(shù)值范圍根據(jù)不同等級的支干線分別調(diào)節(jié)。

5 電力系統(tǒng)繼電保護技術的發(fā)展趨勢

5.1 網(wǎng)絡化

互聯(lián)網(wǎng)技術的快速發(fā)展推動了社會各個領域的變革，例如，技術領域、政治領域、經(jīng)濟領域，等等。國民的數(shù)據(jù)信息通信工具就是計算機網(wǎng)絡，并且在新時代占據(jù)了重要的支柱性地位，促使國民生活生產(chǎn)的情況出現(xiàn)了本質(zhì)轉(zhuǎn)變，其對工業(yè)生產(chǎn)行業(yè)產(chǎn)生了很大程度的影響，也使得該行業(yè)具備了有力的通信保障。近期，基于縱聯(lián)差動保護的繼電保護設備在新時代占據(jù)了重要的地位，對電力系統(tǒng)的安全、穩(wěn)定、持續(xù)運行提供了保障。雖然繼電保護主要的作用是體現(xiàn)在排除問題配件與降低安全事故影響等方面，但是該裝置的作用并不僅限于此。在20世紀末，國內(nèi)某大學專門為三峽水壩的回路母線研發(fā)出了一類分布型母線保護設備，這一設備是將傳統(tǒng)的集中型母線保護劃分為不同的母線保護。技術人員會在不同回路的保護屏當中安裝這些保護單元，單元之間會留有一定的空隙，不同保護單元之間是通過計算機網(wǎng)絡相連接的，這一網(wǎng)絡會將回路的所有保護單元構建成為一個完整的體系。各個保護單元會按照該回路的電流量以及由計算機網(wǎng)絡所得到的其余回路電流量作為參考依據(jù)，從而計算母線的差動保護數(shù)值。

當結(jié)果得出是母線發(fā)生了故障問題，那么繼電保護裝置就會將該回路的斷路器隔離，排除故障線路。當外部發(fā)生故障問題時，任一保護單元計算結(jié)果均顯示為外援故障，所以不會發(fā)生任何反應。相較于傳統(tǒng)的集中型母線保護技術來說，當前這一類通過計算機所實現(xiàn)的分布型母線保護技術能夠為電力保護系統(tǒng)提供更加穩(wěn)定的技術保障。

5.2 智能化

隨著新型電子芯片的研發(fā)和新興技術的快速發(fā)展，繼電保護裝置的智能化水平不斷提升。神經(jīng)網(wǎng)絡是一種非線性映射的方法，很多難以列出方程式或難以求解的復雜的非線性問題，應用神經(jīng)網(wǎng)絡方法則可迎刃而解。例如，在輸電線兩側(cè)系統(tǒng)電勢角度擺開情況下發(fā)生經(jīng)過渡電阻的短路就是一種非線性問題，距離保護很難正確作出故障位置的判別，從而造成誤動或拒動。如果用神經(jīng)網(wǎng)絡方法，經(jīng)過大量故障樣本的訓練，只要樣本集中充分考慮了各種情況，則在發(fā)生任何故障時都可正確判別。其他方法如遺傳算法、進化規(guī)劃等也都有其獨特的求解復雜問題的能力。將這些人工智能方法適當結(jié)合可使求解速度更快[6]。天津大學從1996年起便開始研究神經(jīng)網(wǎng)絡式繼電保護，已取得初步成果。可以預見，人工智能技術在繼電保護領域必會得到應用，以解決用常規(guī)方法難以解決的問題。

5.3 綠色化

近年來，國內(nèi)工業(yè)領域的發(fā)展速度不斷加快，國民的生活水平也日漸提升，能夠享受到越來越好的物質(zhì)條件。然而，在經(jīng)濟水平高速提升的同時環(huán)境問題日益凸顯。現(xiàn)階段，國內(nèi)的污染情況越來越嚴重，資源浪費問題也越來越嚴峻，國家對環(huán)保節(jié)能的關注度提升，相關部門出臺了很多環(huán)保相關的政策和節(jié)能策略。由此可知，未來社會將會朝著保護環(huán)境、節(jié)約能源的方向發(fā)展，由此還誕生出了環(huán)保產(chǎn)品的概念。無論是從設計、生產(chǎn)、研發(fā)、運用等角度來看，繼電保護裝置都和保護環(huán)境、國民健康發(fā)展的需求相關。

5.4 一體化

在實現(xiàn)繼電保護技術計算機化和網(wǎng)絡化的條件下，保護裝置實際上就是一臺高性能、多功能的計算機，是整個電力系統(tǒng)計算機網(wǎng)絡中的一個智能終端。它可從網(wǎng)上獲取電力系統(tǒng)運行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)，也可將它所獲得的被保護元件的任何信息和數(shù)據(jù)傳送給網(wǎng)絡控制中心或任一終端。因此，每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能，而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數(shù)據(jù)通信功能，即實現(xiàn)保護、控制、測量、數(shù)據(jù)通信一體化[7]。

6 提升繼電保護技術應用效果的有效方法

6.1 配備專業(yè)技術人員

當前，科學技術處在不斷發(fā)展的狀態(tài)當中，并且繼電保護技術尤為重要，對于工作人員的素質(zhì)提出了較高要求。相關部門需要聘請專業(yè)的技術人員，并且組織對于工作人員的專門培訓，使其掌握繼電保護技術的理論知識和操作原理，從而在電力系統(tǒng)工作中重視繼電保護技術的準確運用和電力系統(tǒng)設備的定期排查，從而提高人員素質(zhì)，促進工作安全有效開展[8]。

6.2 重視繼電保護器

繼電保護器是繼電保護技術中主要應用的設備，其使用種類和作業(yè)場所的環(huán)境都會對其正常使用產(chǎn)生影響。電力企業(yè)應該將繼電保護器安裝到固定電源處且遠離對電力系統(tǒng)產(chǎn)生安全隱患的因素，從而保證繼電保護器的正常使用。另外，安裝具有報警器的繼電保護器是必要的，這使得電力企業(yè)中的工作人員可以及時通過警報發(fā)現(xiàn)設備的故障和安全隱患，從而提升供電工作的質(zhì)量。

7 結(jié)語

綜上所述，國內(nèi)的繼電保護技術歷經(jīng)了4個發(fā)展階段，由于科學技術與供電體系的快速發(fā)展，繼電保護技術也朝著多個方向發(fā)展。具體表現(xiàn)為朝著網(wǎng)絡化、智能化、綠色化的方向發(fā)展，這使得相關行業(yè)的人員面臨著更加復雜的問題，但也推動了繼電保護技術的快速發(fā)展。

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