電力系統繼電保護

繼電保護裝置，是指裝設於整個電力系統的各個元件上，能在指定區域內快速準確地對電氣元件發生的各種故障或不正常運行狀態做出響應，並在規定的時限內動作，使斷路器跳閘或發出信號的一種反事故自動裝置。由於最初的繼電保護裝置是由機電式繼電器為主構成的，故稱為繼電保護裝置。現代繼電保護裝置已發展成為由電子元器件或微型計算機為主構成的，但仍沿用此名稱。繼電保護一詞泛指繼電保護技術或由各種繼電保護裝置組成的繼電保護系統。

繼電保護裝置的基本任務是：

(1)自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統中切除，並最大限度地保證其他無故障部分的正常運行不受影響。

(2)能對電氣元件的不正常運行狀態做出反應，並根據運行維護規範發出告警信號，或自動減負荷，或延時跳閘，使系統運行人員根據告警的種類採取相應的措施進行處理，避免引起更大的系統故障。

(3)可以和電力系統中其他自動裝置如自動重合閘裝置相配合，在條件允許時，可採取預定措施，儘快地恢復供電和設備運行，從而提高電力系統運行的可靠性。

綜上所述，繼電保護是一種電力系統安全保障技術，而繼電保護裝置是一種電力系統的反事故自動裝置。在電力系統正常運行時，繼電保護裝置不動作，而只是實時地嚴密監視電力系統及其元件的運行狀態。一旦發生故障或不正常運行狀態，繼電保護裝置將迅速動作，實現故障隔離併發出告警，保障電力系統安全。因此，繼電保護裝置又被形象化地稱為電力系統的“保護神”。它對保障系統安全運行、保證電能質量、防止故障擴大和事故發生，都有極其重要的作用。

為了使繼電保護裝置能準確及時地完成繼電保護任務，在技術上動作於跳閘的繼電保護，一般應滿足以下四個基本要求。

1．可靠性

繼電保護裝置的可靠性是指，在規定的保護範圍內發生了i亥繼電保護裝置應該動作的故障時，其不應拒絕動作（又稱為信賴性），而在其他任何不應該動作的情況下，都不發生誤動作（又稱為安全性）。

繼電保護裝置的誤動作和拒絕動作都會給電力系統造成嚴重的危害。但提高其不誤動的可靠性和不拒動的可靠性的措施常常是互相矛盾的。由於電力系統的結構和負荷性質的不同，誤動和拒動的危害程度有所不同，因此提高保護裝置可靠性的著重點在各種具體情況下也應有所不同。例如，當系統中有充足的旋轉備用發電容量、輸電線路很多、各系統之間和電源與負荷之間聯繫很緊密時，因繼電保護裝置的誤動作使發電機、變壓器或輸電線切除而給電力系統造成的損失可能很小，但如果發電機、變壓器或輸電線故障時繼電保護裝置拒絕動作，則將會造成設備的損壞或系統穩定的破壞，損失是巨大的。在此情況下，提高繼電保護不拒動的可靠性比提高不誤動的可靠性更為重要。當系統中旋轉備用發電容量小、各系統之間和電源與負荷之間的聯繫比較薄弱時，因繼電保護裝置的誤動作將發電機、變壓器或輸電線路切除，將會引起對負荷供電的中斷，甚至造成系統穩定的破壞，其損失是巨大的，而當繼電保護裝置拒動時，其後備保護仍可以動作、切除故障，因此，在這種情況下，提高繼電保護裝置不誤動的可靠性比提高其不拒動的可靠性更為重要。由此可見，提高繼電保護裝置的可靠性應根據電力系統和負荷的具體情況採取適當的措施。

2．靈敏性

繼電保護裝置的靈敏性，是指對於其保護範圍內發生故障或正常運行狀態的反應能力。滿足靈敏性要求的繼電保護裝置，應該當在規定的保護範圍內發生故障時，不論短路點的位置、短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，都能敏銳檢測出故障，正確作出反應。繼電保護裝置的靈敏性，通常用靈敏係數來衡量，該係數主要決定於被保護元件和電力系統的參數和運行方式。GB/T 14285-2006《繼電保護和安全自動裝置技術規程》中對各種繼電保護裝置的靈敏係數的最小值都作了具體的規定。

3．選擇性

繼電保護裝置動作的選擇性是指，其動作時僅將故障元件從電力系統中切除，使故障範圍盡量縮小，以保證系統中的無故障部分仍能繼續安全運行。

4．速動性

繼電保護裝置的速動性，是指其儘可能快地切除故障的能力。快速地切除故障可以提商電力系統並列運行的穩定性，減少用戶在電壓降低的情況下工作的時間，縮小故障元件的擄壞程度。因此，在發生故障時，應力求繼電保護裝置能迅速動作。

在電力系統中應用各種繼電保護裝置，儘管它們在結構上各不相同，但基本上是由測量、邏輯、執行三部分組成。

1．測量部分

測量部分的功能是測量從被保護對象輸入的有關電氣量，並與已給定的整定值進行比較，根據比較的結果，給出“是”、“非”或“大於”、“不大於”或“等於0”、“等於1”等邏輯信號，從而判斷保護是否應該起動。

2．邏輯部分

邏輯部分的功能是根據測量部分各個輸出量的大小、性質，輸出的邏輯狀態、出現的順序以及這些狀態和順序的組合，使保護裝置按給定的邏輯關係工作，確定是否應該使斷路器跳閘或發出信號，並將有關命令傳送給執行部分。繼電保護中常用的邏輯電路有“或”、“與”、“非”、“延時起動”、“延時返回”以及“記憶”電路等。

3．執行部分

執行部分的功能是根據邏輯部分傳送的信號，最後完成保護裝置所擔負的任務，如故障時動作於跳閘、不正常運行時發出信號、正常運行時不動作等。

需要指出的是，僅靠繼電保護裝置是不能達到保護電力設備的目的，只有通過互感器、斷路器（含操作機構）、繼電保護裝置、工作電源及其相互間的連接電纜的協調配合，才能實現繼電保護的工作任務。

繼電保護技術是隨著電力系統的發展而發展起來的。電力系統中的短路是不可避免的，短路必然伴隨著電流的增大，因此，首先出現了防止電流超過一預定值的過電流保護。熔斷器就是最早的、最簡單的過電流保護，如今，這種保護方式仍廣泛應用於低壓線路和用電設備中。隨著電網的接線日益複雜，僅靠熔斷器已不能滿足選擇性和快速性的要求，於是19世紀90年代又出現了裝於斷路器上並直接作用於斷路器的一次式的電磁型過電流繼電器。到20世紀初，隨著電力系統的發展，二次式繼電器開始廣泛應用於電力系統的保護。這個時期可認為是繼電保護技術發展的開端。

1901年，出現了感應型過電流繼電器。1908年，提出了比較被保護元件兩端電流的電流差動保護原理。1910年，方向性電流保護開始得到應用。20世紀20年代初，距離保護裝置開始出現。隨著電力系統載波通信的發展，在1927年前後，出現了利用高壓輸電線路上高頻載波電流傳送和比較輸電線路兩端功率方向或電流相位的高頻載波保護裝置。在20世紀50年代，微波中繼通信開始應用於電力系統，從而出現了利用微波傳送和比較輸電線路兩端故障電氣量的微波保護。在20世紀70年代末，經過20餘年的研究，利用故障點產生的行波實現無通道快速繼電保護的行波保護裝置開始應用。21世紀以來，隨著光纖通信在電力系統中的普及，利用光纖通道的繼電保護，如光纖差動保護、光纖距離保護等，已得到了廣泛的應用。

與此同時，構成繼電保護裝置的元件、材料，保護裝置的結構形式和製造工藝也發生了巨大的變革。20世紀50年代以前的繼電保護裝置都是由電磁型、感應型或電動型繼電器組成的。這些繼電器經歷了數次重大的改進，積累了豐富的運行經驗，工作比較可靠，因而在電力系統中曾得到廣泛應用。但這種繼電保護裝置體積大，消耗功率大，動作速度慢，機械轉動部分和觸點容易磨損或粘連，調試維護比較複雜，不能滿足超高壓、大容量電力系統的要求。自20世紀50年代開始，出現了晶體管式繼電保護裝置。這種保護裝置體積小，功率消耗小，動作速度快，無機械轉動部分，稱為電子式靜態保護裝置。此後，出現了體積更小、工作更加可靠的集成運算放大器和其他集成電路元件，促進了靜態繼電保護裝置向集成電路化方向的發展。20世紀80年代後期，是靜態繼電保護從第一代（晶體管式）向第二代（集成電路式）的過渡時期，20世紀90年代開始則是向微機保護過渡的時期。

微機保護裝置具有巨大的計算、分析和邏輯判斷能力，有儲存記憶功能，因而可用於實現性能完善且複雜的保護原理。微機保護裝置可連續不斷地對本身的工作情況進行自檢，其工作可靠性很高。此外，微機保護裝置可用同一硬體實現不同的保護原理，這使裝置的製造大為簡化，也容易實行保護裝置的標準化。微機保護裝置除了保護功能外，還兼有故障錄波、故障測距、事件順序記錄和與調度計算機交換信息等輔助功能，這對簡化保護裝置的調試、事故分析和事故后的處理等都有重大意義。微機保護裝置由於其巨大優越性和潛力而受到運行人員的歡迎，進入20世紀90年代以來在我國得到大量應用，已成為繼電保護裝置的主要形式，並已成為電力系統保護、控制、運行調度及事故處理的統一計算機系統的組成部分。

隨著計算機技術、信息技術、微電子技術的不斷發展，微機繼電保護裝置的體積會更小，功能會更強、性能會更優，而且基於計算機網路提供的數據信息共享，微機保護裝置可以佔有全系統的運行數據和信息。微機保護裝置的應用，將使繼電保護向網路化、智能化、自適應化和保護、測量、控制、數據通信一體化方面快速發展。

繼電保護學科是電力學科中最活躍的分支，電力系統的快速發展，以及超大型機組和特高壓交、直流輸電線路的出現，對繼電保護提出了更高的要求，賦予了更艱巨的任務，可以預計，繼電保護學科必將向更高的理論技術高度發展。

微機保護是用微型計算機構成的繼電保護，是電力系統繼電保護 的發展方向（現已基本實現，尚需發展），它具有高可靠性，高選擇性，高靈敏度。微機保護裝置硬體包括微處理器（單片機）為核心，配以輸入、輸出通道，人機介面和通訊介面等。該系統廣泛應用於電力、石化、礦山冶鍊、鐵路以及民用建築等。微機的硬體是通用的，而保護的性能和功能是由軟體決定。

運行原理：微機保護裝置的數字核心一般由CPU、存儲器、定時器/計數器、Watchdog等組成。數字核心的主流為嵌入式微控制器（MCU），即通常所說的單片機；輸入輸出通道包括模擬量輸入通道（模擬量輸入變換迴路（將CT、PT所測量的量轉換成更低的適合內部A/D轉換的電壓量，±2.5V、±5V或±10V）、低通濾波器及採樣、A/D轉換）和數字量輸入輸出通道（人機介面和各種告警信號、跳閘信號及電度脈衝等）。

繼電器（英文名稱：relay）是一種電控制器件，是當輸入量（激勵量）的變化達到規定要求時，在電氣輸出電路中使被控量發生預定的階躍變化的一種電器。它具有控制系統（又稱輸入迴路）和被控制系統（又稱輸出迴路）之間的互動關係。通常應用於自動化的控制電路中，它實際上是用小電流去控制大電流運作的一種“自動開關”。故在電路中起著自動調節、安全保護、轉換電路等作用。

保護原理：繼電保護裝置必須具有正確區分被保護元件是處於正常運行狀態還是發生了故障，是保護區內故障還是區外故障的功能。保護裝置要實現這一功能，需要根據電力系統發生故障前後電氣物理量變化的特徵為基礎來構成。

電力系統發生故障后，工頻電氣量變化的主要特徵是：

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

(2) 電壓降低。當發生相間短路和接地短路故障時，系統各點的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點，電壓越低。

(3) 電流與電壓之間的相位角改變。正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數角，一般約為20°，三相短路時，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°，而在保護反方向三相短路時，電流與電壓之間的相位角則是180°+(60°～85°)。

(4) 測量阻抗發生變化。測量阻抗即測量點(保護安裝處)電壓與電流之比值。正常運行時，測量阻抗為負荷阻抗；金屬性短路時，測量阻抗轉變為線路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。

不對稱短路時，出現相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現負序電流和負序電壓分量；單相接地時，出現負序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運行時是不出現的。

利用短路故障時電氣量的變化，便可構成各種原理的繼電保護。

此外，除了上述反應工頻電氣量的保護外，還有反應非工頻電氣量的保護。