电力系统继电保护基本原理、任务和作用分析

摘 要 电力系统由很多设备组成，在电力系统运行过程中，由于各种因素的影响，如恶劣自然条件、雷击、外力破坏、产品质量、运行维护不到位及人为误操作等，均有可能出现各种形式的故障或异常运行状态。当发生异常状态时，继电保护装置就须能通过发信号让值班人员能及时进行处理，从而可起到预防故障进一步扩大的作用；而一旦发生故障，继电保护装置通过快速跳闸等，又可以起到把故障影响限制在最小范围的作用。

关键词 电力系统；继电保护；异常运行；短路故障

中图分类号TM7 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2013）103-0063-03

电力系统中的输变电设备和电力线路，都需装设能反应故障和不正常运行状态的装置，即继电保护装置。电力系统的继电保护装置，必须具备区分被保护设备正常运行、发生故障或异常运行状态的能力，并能够根据上述三种不同状态下被保护设备参数的不同来实现相应地功能。

1 继电保护的基本工作原理

继电保护工作的基本原理就是保护装置通过正确的区分被保护设备是处于正常运行状态还是处于异常的运行状态，从而进行相应的动作。如，电力线路发生短路故障时，明显特征之一就是电流剧增，保护装置根据电流参数的显著变化来区分设备的工作状态，因而称为电流保护。短路故障的另一特征是电压剧减，因此，相应的还有低电压保护。再则，还可以同时反应故障时电压降低和电流增加的特征，由于故障时所测得的阻抗是变小的，故而在输电线路中，由保护安装处所测得的阻抗的大小反应了故障点与保护安装处的距离远近，因此输电线路的阻抗保护常称为距离保护。同理，如果同时反应电压与电流之间相位角的变化，则可以判断故障点的方向是处于保护安装处的正方向还是反方向，这就是实现方向保护的原理。为了更确切地区分设备的正常运行与故障或异常状态，还可以利用正常运行时没有或很小的电气量，而故障时却很大的电气量，如电压、电流的某一对称分量（负序或零序）或谐波分量来构成保护。另外，还可以利用其他物理量，如气体、温度等非电量来构成保护。总之，无论是反应哪种物理量而构成的保护，当其测量值达到一定数值（即整定值）时继电保护就能够按设定的程序准确地切除故障或显示电气设备的实时运行情况。

2 继电保护装置是如何分类的

1）按继电保护所保护的对象分为：发电机的保护、变压器的保护、输配电线路的保护以及母线保护、电动机、电容器的保护等；

2）按动作的结果不同分类：动作于断路器跳闸的短路故障保护和动作于发信号的异常运行保护两大类。其中，短路保护的种类有以下几种：

（1）按反应故障类型的不同，有相间短路保护、接地短路保护及匝间短路保护等；

（2）按其功能的不同，有主保护、后备保护及辅助保护，且后备保护又有远后备保护与近后备保护之分；

（3）按保护基本工作原理不同分类，有反应稳态量的常规保护和反应暂态量的新原理保护两大类。根据所反应的参数不同，常规继电保护装置有反映过电流的保护、反映低电压的保护、反映短路电流不同方向的方向电流保护、能反映系统接地现象的零序电流保护以及阻抗保护、差动保护、高频保护和反映变压器内部气体变化的保护等，另外体现新的保护原理的还有工频变化量保护和行波保护等；

（4）按保护装置动作原理不同分类，主要有电磁型、整流型、晶体管型、集成电路型及微机型保护等，目前使用的基本上是微机型继电保护装置；

（5）按保护装置通过反应参数增大或减小而动作归类，有过量保护和欠量保护。

3）根据保护装置所起的作用不同，继电保护可分为主保护、后备保护和辅保护。

（1）主保护

主保护指的是能以最短的时限，灵敏的、选择性地切除被保护设备和线路故障的保护。它既能满足系统稳定运行及设备安全要求，也能保证系统中其他非故障部分的继续运行，如阶段式电流保护的I段和II段、距离保护的I段和II段、高频保护、差动保护等。

（2）后备保护

继电保护的后备保护装置指的就是当主保护或断路设备拒绝动作时，能够在设定的时限内切除故障的装置，如电流保护的第Ⅲ段、距离保护的第Ⅲ段等。后备保护不仅可以对本保护范围的线路或设备的主保护起后备作用，而且对相邻线路也可以起后备作用。因此，后备保护又可分为远后备和近后备两种方式。

（3）辅保护

辅助保护，为补充主保护和后备保护的不足而增设的简单保护，通常电流速断就可以作为这类性质的保护。

3 继电保护的组成及作用

继电保护的种类虽然很多，但就其基本动作原理而言，基本上由测量部分、逻辑部分和执行部分三个部分组成，把保护各组成部分之间的作用串接在一起，就是一套保护装置的工作过程。

1）测量部分的作用是指通过测量被保护的输变电设备、线路的实时运行参数；

2）逻辑部分是继电保护装置重要的组成部分，它能根据测量部分测量得到的结果，然后与保护装置内部已设定的各种参数进行系统的分析、比较，从而判断被保护的设备、线路是否处于正常的运行状态，以决定保护装置是否应动作；

3）执行部分的作用就是根据逻辑部分分析判断后的结果，使保护装置执行准确的动作。

4 继电保护装置的基本任务

4.1电力系统出现异常运行状态时

电力系统的正常运行状态遭到破坏但还未形成故障时，一般可继续运行一段时间而不必立即进行跳闸，称为异常运行状态。常见的有过负荷、中性点非直接接地系统的单相接地、发电机突然甩负荷引起的过电压、电力系统振荡等。电力系统处于异常运行状态时将影响电能质量，长时间的过负荷运行将引起设备过热，加速绝缘老化，影响电气设备的正常使用，轻者降低设备使用寿命，严重时导致绝缘击穿引发短路，损坏设备。当电力系统处于异常运行状态时，要求继电保护装置能自动、及时、有选择性地发出信号，让值班人员知晓后及时进行相应的处理。

4.2电力系统出现故障时

电力系统最常见及最危险的故障是各种类型的短路故障，短路故障分为三相短路、两相短路、两相接地短路、中性点直接接地系统的单相接地短路以及电机、变压器绕组的匝间短路等几种。其中三相短路、两相短路又称相间短路，两相接地短路、单相接地短路又称接地短路，并以三相短路最为危险，以单相接地短路最为常见。当设备或线路发生短路故障时，将由电源向故障点提供比正常运行时大得多的短路电流，对电力系统可能造成以下后果：

1）故障点的电弧将故障设备烧坏；

2）短路电流的热效应和电动力效应使故障回路的设备受到损伤，降低使用寿命；

3）系统电压损失增大使设备工作电压下降，离故障点越近，所受影响越大，用户的正常工作条件遭到破坏；

4）破坏电力系统运行的稳定性，严重时引起系统振荡，甚至使整个电力系统瓦解，导致大面积停电。

当电气设备出现故障时，对继电保护装置的要求是能自动快速的、灵敏的、有选择性可靠地通过断路器跳闸，将发生故障的设备从系统中及时切除，防止故障设备继续遭到破坏，确保系统其余非故障的部分还能继续正常运行。因此，继电保护对保证系统安全运行和确保电能质量、防止故障扩大和事故发生，起着极其重要的作用，是电力系统必不可少的组成部分。

5对继电保护的基本要求

为了保证继电保护能确实完成其在电力系统中所承担的任务及作用，对动作于跳闸的继电保护装置，应具备以下四个基本要求。

5.1选择性

选拌性要求的内容是：在电力系统发生故障时，对保护装置的动作必须有一定的选择。首先由发生故障的设备、线路的保护进行故障的切除，只有当其保护或断路器拒动时，才允许由其他的保护或装置切除故障。也就是说，保护装置的动作应只切除已发生故障的部分，或尽量使故障的影响限制在最小的范围。

5.2速动性

速动性要求是指保护装置应尽可能地快速切除短路故障，应注意以下两个问题：

l）切除故障的时间为继电保护的动作时间和断路器的跳闸时间之和。因此，要缩短故障切除时间，不仅要求保护动作速度要快，而且与之配套使用的断路器跳闸时间也应尽可能短；

2）保护的速动性要求是相对的，不同电压等级的电网要求不同。如，同样的保护动作时间0.5s，在110kV及以下电压等级电网中被以为是迅速的，而在220kV及以上电压等级电网中则被认为是不够迅速的。

继电保护的速动性应根据被保护设备和系统运行的要求确定，并非越快越好，否则，势必带来保护装置其他性能的降低，或者增加保护的复杂性，而且经济上也不合理。

3）灵敏性

灵敏性的要求是指保护装置对于其所保护的范围内发生的各种故障，应具有足够敏捷的反应能力。保护装置的灵敏性要求与选择性要求的关系密切，在电力系统故障时，故障设备的保护必须先能够灵敏地反应故障，才可能有选择性地切除故障，因此能有选择切除故障的保护，必须同时具备灵敏性。

4）可靠性

保护装置的误动或拒动是电力系统发生事故的根源之一，因此，保护装置应在良好的工作状态下，在保护装置不该动作时应可靠地不动作，而在保护装置该动作时应可靠地动作。

以上继电保护的四个基本要求，它们应同时满足，但是这种满足只是相对的，因为在这四个基本要求之间，既有相互紧密联系的一面，也有相矛盾的一面。例如：为保证选择性，有时就要求保护动作带上延时；为保证灵敏性，有时就允许保护非选择性动作，再由自动重合闸装置来纠正，而为保证速动性和选择性，有时需采采用较复杂的保护装置，因而降低了可靠性。因此，在确定继电保护方案时，必须从电力系统的实际情况出发，分清主次，以求得最优情况下的统一。

6 电力系统继电保护技术的发展前景

当前，电子技术、计算机技术和通信技术已经在日新月异的向前发展，电力系统智能化电网也在高速发展中，传统的电磁型、晶体管等型式的保护装置正在逐渐退出电力系统保护装置的历史舞台。如今，新建的发、变、配电站已基本上采用微机型继电保护装置，随着国内外电力系统新兴技术的蓬勃发展，继电保护技术也不断地朝着微型计算机化，网络信息化，保护、测量、控制和数据通信一体化，人工智能化的方向发展。

6.1继电保护的微型计算机化

微机型继电保护装置从上世纪90年代开始研究，现在已经取得了比较成熟的应用经验，微机保护装置具有运行灵活、方便，动作正确率高，可靠性高，易于获得各种附加功能，以及能够简化定期校验等功能，它相当于一台功能强大、性能优良的微型计算机，具有很好的优越性，使电力系统的运行稳定性能得到了较大的提高。

6.2继电保护网络化、信息化

当前，电子技术、计算机技术正不断地飞速发展，网络技术作为信息和数据通信工具已成为当今时代的主要潮流，随作电力系统智能化电网的不断发展，对继电保护的要求也越来越高，当前，继电保护除了必须按时准确切除电力系统的已发生故障的元件和限制事故影响的范围，更重要的是还要确保整个系统最大限度地安全稳定地运行。如今，通过将系统中输变电设备的各种保护装置用网络连接起来，形成一个继电保护网络系统，使得继电保护实现了具备有大容量故障信息和数据的长期存放空间，具有了快速的数据处理和强大的通信功能，以及能与其他保护、测控、自动化装置共享系统数据、信息和网络资源的能力，当发生故障时保护装置能自动进行系统的数据整理比对，使相关保护和自动化装置能协调动作，从而提高了系统运行的稳定性和可靠性。

6.3保、测、控以及数据通信一体化

当前，微机保护已经把以往运行中需要多台装置来完成的各种功能合在了一起，实现了保护、测量、控制、数据通信一体化的功能，它相当于融合了一台高性能、多功能的微型计算机的相关功能，它作为电力系统计算机网络上的一个智能终端，可以从网络上获取电力系统运行和故障的各种信息，也可将自身所获得的保护设备的相关信息传送给网络控制中心或任一终端，同时也实现了远方的监控等功能。

6.4继电保护智能化

近年来，随着电力系统微机继电保护技术的不断成熟，继电保护研究领域内的不少工作正逐步向人工智能技术方面发展。当前，代表着先进科研领域的人工神经网络、专家系统、人工智能等新技术正逐步应用于电力系统继电保护中，为继电保护技术的未来发展注入了新的活力。可以预见，随着电力系统技术的不断发展，人工智能技术在继电保护领域也必将会得到更加深入的应用，继电保护智能化将是今后发展的必然趋势。

参考文献

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