电力系统继电保护

电力系统继电保护

张申珅

锡林郭勒盟电力勘察设计院有限公司   内蒙古锡林郭勒盟   026000

摘要：一种自动的测量和装置，它是指在电力系统中的发电机、线路等部件或电力系统自身出现故障而威胁到电力系统的安全操作时，可以对操作人员发出警报，或直接给受控制的断路器下达跳闸指令，以结束此类事故的发展。完成此项自动控制的成套设备通常称为继电保护。编者将对继电保护的基本原理、基本要求、基本任务、分类和设备的继电保护。

关键词：电力系统；继电保护；基本原理

一、基本原理

继电器应具备正确区分受保护部件是否在正常工作或出现故障、是否在保护区范围或区域以外。为了达到这种目的，必须从电力系统故障前后的电物量的变化特点出发，建立起保护设备的安全防护功能。

在电力系统故障后，工频电气量的变化表现为：

1)增加了电流。当发生短路时，在断路处与供电端的电力装置及传输线的电流会从负载电流增加到远大于负载电流。

2)电压下降（voltage）。在相间和接地之间出现短路时，系统中各个点的相位电压或相电压都会降低，并且随着距离短路点的增加而降低。

3)电流和电压的相位角度发生变化。当三相短路时，电流和电压的相角是负载的功率因数角，通常为20度左右，当三相短路时，电流和电压的相角是60~85度，而当保护反向短路时，电流和电压的相位角度为180°+(60°~85°）。

4)测量阻抗发生变化。测量电阻，也就是测量点的电压和电流的比率（在保护装置上）。在正常工作状态下，测得的阻抗是负载阻抗；当金属短路时，测量的阻抗向线路的阻抗转换，当发生故障时，测量的阻抗明显降低，而阻抗角增加。

非对称短路时，会产生相序成分，例如，当两相或单相接地短路时，会产生负序电流和负序电压；在单相接地的情况下，会产生负、零序和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。

根据短路故障时的电量变化，可以根据不同的原理，组成继电保护。

另外，除上述的反应工频电气量保护外，还提供了气体保护、继电保护等反应非工频电容量保护。

二、基本要求

要实现继电保护装置任务，必须满足四个基本的技术需求：选择性、速度性、灵敏度、可靠性。对继电器跳闸的继电保护，必须满足四项基本条件，而对起到信号和仅能反应故障的继电保护设备来说，上述四项基本要求中的一些要求可以降低。

（1）选择性

选择性是指在电力系统中的装置或线路出现短路时，它的继电器只会把有故障装置或线路从电源系统中切断，而在有故障装置或线路被保护或断路器拒绝动作时，则要通过邻近装置或线路的保护来消除故障。

（2）速动性

快速性是指在大电流、低电压下，尽量缩短设备和使用者的时间，减小设备的损毁，并改善并联运行的稳定性。

通常需要迅速清除的故障包括：

1)将发电站或主要用户的汇流电压降低到有效值（典型为额定电压的0.7倍）。

2)发电机，变压器和电动机的大容量的内部失效。

3)中低压线路导线的横断面太短，为了防止因过热而造成的延迟切断。

4)一种会危及人身安全、严重干扰通信系统的故障。

故障切断时间包含了保护和断路器的工作时间，通常，快速保护在0.04~0.08s之间，最快在0.01~0.04s之间，而在普通断路器在0.06~0.15s之间，在0.02~0.06s之间。

对非正常操作的继电器，通常不需要迅速启动，而是根据有选择的条件，以带有延迟的方式发送信号。

（3）灵敏性

灵敏性是指在受保护区域内，当电器或线路出现短路或非正常工作时，其保护装置的响应能力。

具有较高的灵敏度，在一定的故障范围内，无论短路部位、短路类型、短路部位是否存在过渡电阻；既要在系统最大工作模式下三相短路时可靠地工作，又要在最小工作模式下通过大的两相或单相短路故障。

最大运行模式：当被保护线路的端部短路时，系统等效阻抗最小，而由保护设备的短路电流为最大操作模式。

最小运行模式：当发生相同的短路故障时，系统等效阻抗最大，短路电流最少。

保护器的灵敏度是由灵敏度系数来测量的。

（4）可靠性

可靠性分为安全与信任两个方面，是继电保护的基本需求。

安全：要求继电器在不需要其操作的情况下，不能工作，也就是不会出现误动。

可靠性：指在一定的保护范围内，当出现应进行的故障时，继电保护是可靠的，也就是不拒绝。

由于继电器的故障和故障的拒动，对电力系统的安全运行造成了很大的影响。

即使是同一功率单元，在电力系统发展过程中，不误动和不拒动对电力系统的影响也会随之改变。

这四个基本要求是继电保护设计、配置和维护的基础，也是对继电保护进行分析和评估的基础。四个基本条件既有联系，也有冲突。因此，在具体工作中应结合电力系统的特点，结合电力系统的特点，对其进行辨证统一。

三、基本任务

电力系统继电保护的主要工作有：

1)自动、迅速地、选择性地从电源系统中切断失效的部件，防止失效部件的持续损坏，并确保其它非失效部件迅速地恢复正常操作。

2)响应电子部件的异常操作状况，并通过信号（如果有频繁的值班人员）操作，以使值班员能够迅速地进行处理，或者通过设备的自动调节，或者切断由于持续操作而造成损害或发展为意外的电器。在这种情况下，通常不需要快速的保护，只会按照对电力系统和各部件的危险程度设定一段时间延迟，避免短暂的工作波动，造成不必要的操作和干扰。

3)继电器也可与其它自动设备协作，在条件许可的情况下，采用预先确定的措施，减少发生故障的断电；尽快恢复电力供应，以改善电力系统的运行可靠性。

四、线路继电保护技术

（一）三次谐波式定子接地保护

三次谐波式定子接地保护的主要工作是对发电机中性点的设备进行单相接地故障的探测。

1)连接模式。将三次谐波电压从发生器末端 TV开口三角形导入。将发电机的三次谐波电压从发电机的中性点 TV或消弧线圈中导入。

2)输出逻辑.三次谐波防护，可发出或断开。

3)基本原则。三次谐波定子接地保护的基本原则是：三次谐波的幅值、相位的改变。总的来说，三次谐波保护的原理受到多种因素的制约。首先考虑到发电机定子线圈对地容量的影响；其次是受接地方式的影响；再次是发电机的输出功率。

4)调整和计算。由于机组的参数对整定精度有很大的影响，所以通常都是就地进行调整。目前，为了方便现场的整定，大部分的微机保护都是采用了自动调整的方式。

（二）发电机负序电流保护

当发电机内外不对称短路或负载不均匀时，定子绕组就会产生负序电流。

1)连接模式。发电机的负序电流通常是由发电机的三相三相电流组成，在并网之前，它可以作为发电机的备用电源。

2)基本原则。负序保护有两种类型：定、反时限保护。逆时间特征曲线通常包括三个方面：上限制时间、反向限制时间、限制时间。当发电机的负序电流超过最高整定时间时，按照最高限值运行；当负序电流超出下限整定值而不能引起反限值的情况下，按照下限的时间限制操作；负序电流在这两个值之间，按照逆时间限制法操作。

1)基础条件。失步保护应该能够区分出短路、稳定和不稳定的振荡，只有在出现不稳定的情况下才能正常工作，如果出现短路故障或稳定振荡，则不能正常工作。此外，在跳闸过程中，当功角180°时，当断路器处于断路状态时，由于短路电流的最大，对断路器的熄弧是最有害的，所以，在这个时候，失步保护应该尽量避免发生短路。

2)基本原则。失步保护的基本原理是通过在机端测量阻抗的运动轨迹和在一定的时间内发生的变化，从而形成失步保护的准则。

（四）发电机逆功率保护

发电机的反功率保护，主要是为了对涡轮进行保护。在主汽门不正确关断的情况下，发电机变为同步电动机，并吸收电力系统的有功。在此条件下，发电机不能长时间工作。

结束语：

有两种实现逆向功率保护的方案。一种是逆向功率响应的逆向保护，在发现逆向电源操作时，这种保护工作被启动。另一种则是通常所说的反电源保护，即程序跳闸。在反电源保护中，当程序跳闸时，保护出口首先关闭主汽门，再通过反电源保护，使主开关与主汽门触头联动，使主开关脱离。当机组停止运行时，可采用此保护的程序跳闸功能，首先将机组内多余的电力输送到系统中，然后再跳闸，这样可以更好地保障机组的运行。这种保护是根据反应发生器在系统中吸收的有功功率的多少而进行的，并根据主汽门的闭合状态来确定操作时间。

参考文献：

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