繼電保護(hù)基本知識(shí)

1 名詞解釋?

Protective Relay,Power System Protection

　　研究電力系統(tǒng)故障和危及安全運(yùn)行的異常工況，以探討其對(duì)策的反事故自動(dòng)化措施。因在其發(fā)展過程中曾主要用有觸點(diǎn)的繼電器來保護(hù)電力系統(tǒng)及其元件（發(fā)電機(jī)、變壓器、輸電線路等），使之免遭損害，所以也稱繼電保護(hù)?；救蝿?wù)是：當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障或異常工況時(shí)，在可能實(shí)現(xiàn)的最短時(shí)間和最小區(qū)域內(nèi)，自動(dòng)將故障設(shè)備從系統(tǒng)中切除，或發(fā)出信號(hào)由值班人員消除異常工況根源，以減輕或避免設(shè)備的損壞和對(duì)相鄰地區(qū)供電的影響。

2基本原理

　　繼電保護(hù)裝置必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成。

電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：

(1) 電流增大。 短路時(shí)故障點(diǎn)與電源之間的電氣設(shè)備和輸電線路上的電流將由負(fù)荷電流增大至大大超過負(fù)荷電流。

(2) 電壓降低。當(dāng)發(fā)生相間短路和接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點(diǎn)，電壓越低。

(3) 電流與電壓之間的相位角改變。正常運(yùn)行時(shí)電流與電壓間的相位角是負(fù)荷的功率因數(shù)角，一般約為20°，三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°～85°，而在保護(hù)反方向三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角則是180°+(60°～85°)。

(4) 測(cè)量阻抗發(fā)生變化。測(cè)量阻抗即測(cè)量點(diǎn)(保護(hù)安裝處)電壓與電流之比值。正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量阻抗為負(fù)荷阻抗；金屬性短路時(shí)，測(cè)量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路阻抗，故障后測(cè)量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。

　　不對(duì)稱短路時(shí)，出現(xiàn)相序分量，如兩相及單相接地短路時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序電流和負(fù)序電壓分量；單相接地時(shí)，出現(xiàn)負(fù)序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運(yùn)行時(shí)是不出現(xiàn)的。

　　利用短路故障時(shí)電氣量的變化，便可構(gòu)成各種原理的繼電保護(hù)。

　　此外，除了上述反應(yīng)工頻電氣量的保護(hù)外，還有反應(yīng)非工頻電氣量的保護(hù)，如瓦斯保護(hù)。

3基本要求

　　繼電保護(hù)裝置為了完成它的任務(wù)，必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動(dòng)性、靈敏性和可靠性四個(gè)基本要求。對(duì)于作用于繼電器跳閘的繼電保護(hù)，應(yīng)同時(shí)滿足四個(gè)基本要求，而對(duì)于作用于信號(hào)以及只反映不正常的運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，這四個(gè)基本要求中有些要求可以降低。

1）選擇性

　　選擇性就是指當(dāng)電力系統(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時(shí)，其繼電保護(hù)僅將故障的設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當(dāng)故障設(shè)備或線路的保護(hù)或斷路器拒動(dòng)時(shí)，應(yīng)由相鄰設(shè)備或線路的保護(hù)將故障切除。

2）速動(dòng)性

　　速動(dòng)性是指繼電保護(hù)裝置應(yīng)能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓運(yùn)行的時(shí)間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。

一般必須快速切除的故障有：

(1) 使發(fā)電廠或重要用戶的母線電壓低于有效值(一般為0.7倍額定電壓)。

(2) 大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器和電動(dòng)機(jī)內(nèi)部故障。

(3) 中、低壓線路導(dǎo)線截面過小，為避免過熱不允許延時(shí)切除的故障。

(4) 可能危及人身安全、對(duì)通信系統(tǒng)造成強(qiáng)烈干擾的故障。

　　故障切除時(shí)間包括保護(hù)裝置和斷路器動(dòng)作時(shí)間，一般快速保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為0.04s～0.08s，最快的可達(dá)0.01s～0.04s，一般斷路器的跳閘時(shí)間為0.06s～0.15s，最快的可達(dá)0.02s～0.06s。

　　對(duì)于反應(yīng)不正常運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，一般不要求快速動(dòng)作，而應(yīng)按照選擇性的條件，帶延時(shí)地發(fā)出信號(hào)。

3）靈敏性

　　靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運(yùn)行情況時(shí)，保護(hù)裝置的反應(yīng)能力。

　　能滿足靈敏性要求的繼電保護(hù)，在規(guī)定的范圍內(nèi)故障時(shí)，不論短路點(diǎn)的位置和短路的類型如何，以及短路點(diǎn)是否有過渡電阻，都能正確反應(yīng)動(dòng)作，即要求不但在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下三相短路時(shí)能可靠動(dòng)作，而且在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下經(jīng)過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時(shí)也能可靠動(dòng)作。

　　系統(tǒng)最大運(yùn)行方式：被保護(hù)線路末端短路時(shí)，系統(tǒng)等效阻抗最小，通過保護(hù)裝置的短路電流為最大運(yùn)行方式；

　　系統(tǒng)最小運(yùn)行方式：在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)等效阻抗為最大，通過保護(hù)裝置的短路電流為最小的運(yùn)行方式。

　　保護(hù)裝置的靈敏性是用靈敏系數(shù)來衡量。

4）可靠性

　　可靠性包括安全性和信賴性，是對(duì)繼電保護(hù)最根本的要求。

　　安全性：要求繼電保護(hù)在不需要它動(dòng)作時(shí)可靠不動(dòng)作，即不發(fā)生誤動(dòng)。

　　信賴性：要求繼電保護(hù)在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動(dòng)作的故障時(shí)可靠動(dòng)作，即不拒動(dòng)。

　　繼電保護(hù)的誤動(dòng)作和拒動(dòng)作都會(huì)給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害。

　　即使對(duì)于相同的電力元件，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，保護(hù)不誤動(dòng)和不拒動(dòng)對(duì)系統(tǒng)的影響也會(huì)發(fā)生變化。

　　以上四個(gè)基本要求是設(shè)計(jì)、配置和維護(hù)繼電保護(hù)的依據(jù)，又是分析評(píng)價(jià)繼電保護(hù)的基礎(chǔ)。這四個(gè)基本要求之間是相互聯(lián)系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實(shí)際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì)，辯證地進(jìn)行統(tǒng)一。

4組成

　　一般情況而言，整套繼電保護(hù)裝置由測(cè)量元件、邏輯環(huán)節(jié)和執(zhí)行輸出三部分組成 。

測(cè)量比較部分

　　測(cè)量比較部分是測(cè)量通過被保護(hù)的電氣元件的物理參量，并與給定的值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，給出“是”“非”性質(zhì)的一組邏輯信號(hào)，從而判斷保護(hù)裝置是否應(yīng)該啟動(dòng)。

邏輯部分

　　邏輯部分使保護(hù)裝置按一定的邏輯關(guān)系判定故障的類型和范圍，最后確定是應(yīng)該使斷路器跳閘、發(fā)出信號(hào)或是否動(dòng)作及是否延時(shí)等，并將對(duì)應(yīng)的指令傳給執(zhí)行輸出部分。

執(zhí)行輸出部分

　　執(zhí)行輸出部分根據(jù)邏輯傳過來的指令，最后完成保護(hù)裝置所承擔(dān)的任務(wù)。如在故障時(shí)動(dòng)作于跳閘，不正常運(yùn)行時(shí)發(fā)出信號(hào)，而在正常運(yùn)行時(shí)不動(dòng)作等。

5工作回路

　　要完成繼電保護(hù)任務(wù)，除了需要繼電保護(hù)裝置外，必須通過可靠的繼電保護(hù)工作回路的正確工作，才能完成跳開故障元件的斷路器、對(duì)系統(tǒng)或電力元件的不正常運(yùn)行發(fā)出警報(bào)、正常運(yùn)行狀態(tài)不動(dòng)作的任務(wù)。

　　繼電保護(hù)工作回路一般包括：將通過一次電力設(shè)備的電流、電壓線性地轉(zhuǎn)變?yōu)檫m合繼電保護(hù)等二次設(shè)備使用的電流、電壓，并使一次設(shè)備與二次設(shè)備隔離的設(shè)備，如電流、電壓互感器及其與保護(hù)裝置連接的電纜等；斷路器跳閘線圈及與保護(hù)裝置出口間的連接電纜，指示保護(hù)動(dòng)作情況的信號(hào)設(shè)備；保護(hù)裝置及跳閘、信號(hào)回路設(shè)備的工作電源等。

繼電保護(hù)裝置的組成方框圖

6分類

繼電保護(hù)可按以下4種方式分類。

①按被保護(hù)對(duì)象分類，有輸電線保護(hù)和主設(shè)備保護(hù)(如發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、電抗器、電容器等保護(hù))。

②按保護(hù)功能分類，有短路故障保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)。前者又可分為主保護(hù)、后備保護(hù)和輔助保護(hù)；后者又可分為過負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、失步保護(hù)、低頻保護(hù)、非全相運(yùn)行保護(hù)等。

③按保護(hù)裝置進(jìn)行比較和運(yùn)算處理的信號(hào)量分類，有模擬式保護(hù)和數(shù)字式保護(hù)。一切機(jī)電型、整流型、晶體管型和集成電路型（運(yùn)算放大器）保護(hù)裝置，它們直接反映輸入信號(hào)的連續(xù)模擬量，均屬模擬式保護(hù)；采用微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)的保護(hù)裝置，它們反應(yīng)的是將模擬量經(jīng)采樣和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的離散數(shù)字量,這是數(shù)字式保護(hù)。

④按保護(hù)動(dòng)作原理分類，有過電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、功率方向保護(hù)、距離保護(hù)、差動(dòng)保護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)、瓦斯保護(hù)等。

7用途

①、當(dāng)電網(wǎng)發(fā)生足以損壞設(shè)備或危及電網(wǎng)安全運(yùn)行的故障時(shí)，使被保護(hù)設(shè)備快速脫離電網(wǎng)；

②、對(duì)電網(wǎng)的非正常運(yùn)行及某些設(shè)備的非正常狀態(tài)能及時(shí)發(fā)出警報(bào)信號(hào)，以便迅速處理，使之恢復(fù)正常；

③、實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)自動(dòng)化和遠(yuǎn)動(dòng)化，以及工業(yè)生產(chǎn)的自動(dòng)控制。

8異常

發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)運(yùn)行中有異常或存在缺陷時(shí)，除了加強(qiáng)監(jiān)視外，對(duì)能引起誤動(dòng)的保護(hù)退其出口壓板，然后聯(lián)系繼保人員處理。如有下列異常情況，均應(yīng)及時(shí)退出：

1）母差保護(hù)。在發(fā)出“母差交流斷線”、“母差直流電壓消失”信號(hào)時(shí)；母差不平衡電流不為零時(shí)；無專用旁路母線的母聯(lián)開關(guān)串代線路操作及恢復(fù)倒閘操作中。

2）高頻保護(hù)。當(dāng)直流電源消失時(shí)；定期通道試驗(yàn)參數(shù)不符合要求時(shí)；裝置故障或通道異常信號(hào)發(fā)出無法復(fù)歸時(shí)；旁母代線路開關(guān)操作過程中。

3）距離保護(hù)。當(dāng)采用的PT 退出運(yùn)行或三相電壓回路斷線時(shí)；正常情況下助磁電流過大、過小時(shí)；負(fù)荷電流超過保護(hù)允許電流相應(yīng)段時(shí)。

4）微機(jī)保護(hù)?？偢婢療袅?，同時(shí)四個(gè)保護(hù)（高頻、距離、零序、綜重）之一告警燈亮?xí)r，退出相應(yīng)保護(hù)；如果兩個(gè)CPU 故障，應(yīng)退出該裝置所有保護(hù)；告警插件所有信號(hào)燈不亮，如果電源指示燈熄滅，說明直流消失，應(yīng)退出出口壓板，在恢復(fù)直流電源后再投入；總告警燈及呼喚燈亮，且打印顯示CPU×ERR 信號(hào)，如CPU 正常，說明保護(hù)與接口CPU 間通訊回路異常，退出CPU 巡檢開關(guān)處理，若信號(hào)無法復(fù)歸，說明CPU 有致命缺陷，應(yīng)退出保護(hù)出口壓板并斷開巡檢開關(guān)處理。

5）瓦斯保護(hù)。在變壓器運(yùn)行中加油、濾油或換硅膠時(shí)；潛油泵或冷油器（散熱器）放油檢修后投入時(shí)；需要打開呼吸系統(tǒng)的放氣門或放油塞子，或清理吸濕器時(shí)；有載調(diào)壓開關(guān)油路上有人工作時(shí)?。

9系統(tǒng)保護(hù)

　　實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)功能的設(shè)備稱為繼電保護(hù)裝置。雖然繼電保護(hù)有多種類型,其裝置也各不相同,但都包含著下列主要的環(huán)節(jié)：①信號(hào)的采集，即測(cè)量環(huán)節(jié)；②信號(hào)的分析和處理環(huán)節(jié)；③判斷環(huán)節(jié)；④作用信號(hào)的輸出環(huán)節(jié)。以上所述僅限于組成電力系統(tǒng)的各元件（發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、輸電線等）的繼電保護(hù)問題，而各國(guó)電力系統(tǒng)的運(yùn)行實(shí)踐已經(jīng)證明，僅僅配置電力系統(tǒng)各元件的繼電保護(hù)裝置，還遠(yuǎn)不能防止發(fā)生全電力系統(tǒng)長(zhǎng)期大面積停電的嚴(yán)重事故。為此必須從電力系統(tǒng)的全局和整體出發(fā)，研究故障元件被相應(yīng)繼電保護(hù)裝置動(dòng)作而切除后，系統(tǒng)將呈現(xiàn)何種工況，系統(tǒng)失去穩(wěn)定時(shí)將出現(xiàn)何種特征，如何盡快恢復(fù)系統(tǒng)的正常運(yùn)行。這些正是系統(tǒng)保護(hù)所需研究的內(nèi)容。系統(tǒng)保護(hù)的任務(wù)就是當(dāng)大電力系統(tǒng)正常運(yùn)行被破壞時(shí)，盡可能將其影響范圍限制到最小，負(fù)荷停電時(shí)間減小到最短。

　　大電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行，首先必須建立在電力系統(tǒng)的合理結(jié)構(gòu)布局上，這是系統(tǒng)規(guī)劃設(shè)計(jì)和運(yùn)行調(diào)度工作中必須重視的問題。在此基礎(chǔ)上，系統(tǒng)保護(hù)的合理配置和正確整定，同時(shí)配合系統(tǒng)安全自動(dòng)裝置（如解列裝置、自動(dòng)減負(fù)荷、切水輪發(fā)電機(jī)組、快速壓汽輪發(fā)電機(jī)出力、自動(dòng)重合閘、電氣制動(dòng)等），達(dá)到電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的目的。

　　鑒于機(jī)、爐、電諸部分構(gòu)成電力生產(chǎn)中不可分割的整體，任一部分的故障均將影響電力生產(chǎn)的安全，特別是大機(jī)組的不斷增加和系統(tǒng)規(guī)模的迅速擴(kuò)大，使大電力系統(tǒng)與大機(jī)組的相互影響和協(xié)調(diào)問題成為電能安全生產(chǎn)的重大課題。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置的配置方案應(yīng)考慮機(jī)、爐設(shè)備的承受能力，機(jī)、爐設(shè)備的設(shè)計(jì)制造也應(yīng)充分考慮電力系統(tǒng)安全經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的實(shí)際需要。

　　為了巨型發(fā)電機(jī)組的安全，不僅應(yīng)有完善的繼電保護(hù)裝置，還應(yīng)積極研究和推廣故障預(yù)測(cè)技術(shù)，以期實(shí)現(xiàn)防患于未然，進(jìn)一步提高大機(jī)組的安全可靠性。

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10發(fā)展歷程

　　繼電保護(hù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的。20世紀(jì)初隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展，繼電器開始廣泛應(yīng)用于電力系統(tǒng)的保護(hù)，這時(shí)期是繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展的開端。最早的繼電保護(hù)裝置是熔斷器。從20世紀(jì)50年代到90年代末，在40余年的時(shí)間里，繼電保護(hù)完成了發(fā)展的4個(gè)階段，即從電磁式保護(hù)裝置到晶體管式繼電保護(hù)裝置、到集成電路繼電保護(hù)裝置、再到微機(jī)繼電保護(hù)裝置。

　　隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，人工智能技術(shù)如人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、遺傳算法、進(jìn)化規(guī)模、模糊邏輯等相繼在繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用，繼電保護(hù)技術(shù)向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化、智能化方向發(fā)展。

　　19世紀(jì)的最后25年里，作為最早的繼電保護(hù)裝置熔斷器已開始應(yīng)用。電力系統(tǒng)的發(fā)展，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)日趨復(fù)雜，短路容量不斷增大，到20世紀(jì)初期產(chǎn)生了作用于斷路器的電磁型繼電保護(hù)裝置。雖然在1928年電子器件已開始被應(yīng)用于保護(hù)裝置，但電子型靜態(tài)繼電器的大量推廣和生產(chǎn)，只是在50年代晶體管和其他固態(tài)元器件迅速發(fā)展之后才得以實(shí)現(xiàn)。靜態(tài)繼電器有較高的靈敏度和動(dòng)作速度、維護(hù)簡(jiǎn)單、壽命長(zhǎng)、體積小、消耗功率小等優(yōu)點(diǎn)，但較易受環(huán)境溫度和外界干擾的影響。1965年出現(xiàn)了應(yīng)用計(jì)算機(jī)的數(shù)字式繼電保護(hù)。大規(guī)模集成電路技術(shù)的飛速發(fā)展,微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用,極大地推動(dòng)了數(shù)字式繼電保護(hù)技術(shù)的開發(fā)，目前微機(jī)數(shù)字保護(hù)正處于日新月異的研究試驗(yàn)階段，并已有少量裝置正式運(yùn)行。