電力系統(tǒng)繼電保護(hù)知識(shí)詳解

當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機(jī)、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行時(shí)，能夠向運(yùn)行值班人員及時(shí)發(fā)出警告信號(hào)，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展的一種自動(dòng)化措施和設(shè)備。實(shí)現(xiàn)這種自動(dòng)化措施的成套設(shè)備，一般通稱為繼電保護(hù)裝置。

        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)。

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。

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本任務(wù)是：

1）自動(dòng)、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞，保證其他無故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。

2）反應(yīng)電氣元件的不正常運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行維護(hù)的條件（如有無經(jīng)常值班人員）而動(dòng)作于信號(hào)，以便值班員及時(shí)處理，或由裝置自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，或?qū)⒛切├^續(xù)運(yùn)行就會(huì)引起損壞或發(fā)展成為事故的電氣設(shè)備予以切除。此時(shí)一般不要求保護(hù)迅速動(dòng)作，而是根據(jù)對(duì)電力系統(tǒng)及其元件的危害程度規(guī)定一定的延時(shí)，以免暫短地運(yùn)行波動(dòng)造成不必要的動(dòng)作和干擾而引起的誤動(dòng)。

3）繼電保護(hù)裝置還可以與電力系統(tǒng)中的其他自動(dòng)化裝置配合，在條件允許時(shí)，采取預(yù)定措施，縮短事故停電時(shí)間，盡快恢復(fù)供電，從而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。

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。

本期專題先對(duì)一些設(shè)備的繼電保護(hù)進(jìn)行介紹，對(duì)于線路的繼電保護(hù)將在后續(xù)進(jìn)行介紹。

三次諧波式定子接地保護(hù)的主要任務(wù)是檢測(cè)發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)附件的單相接地故障。

1）接線方式。從發(fā)電機(jī)機(jī)端TV開口三角處引入機(jī)端三次諧波電壓。從發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)TV或消弧線圈引入發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)三次諧波電壓。

2）出口邏輯電路。三次諧波保護(hù)出口可發(fā)信或跳閘。

3）原理。三次諧波定子接地保護(hù)的構(gòu)成原理是：反應(yīng)機(jī)端和中性點(diǎn)三次諧波大小和相位的變化?？傮w而言，三次諧波保護(hù)原理受諸多因素的影響。首先是受發(fā)電機(jī)定子繞組對(duì)地電容大小的影響；第二是受中性點(diǎn)接地方式的影響；第三是受發(fā)電機(jī)出力的影響。

4）整定計(jì)算。由于整定計(jì)算受運(yùn)行機(jī)組參數(shù)影響較大，一般采用現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試整定的方法?，F(xiàn)在微機(jī)保護(hù)大多采用自動(dòng)整定的方法，以簡(jiǎn)化現(xiàn)場(chǎng)整定。

當(dāng)發(fā)電機(jī)在外部或內(nèi)部發(fā)生不對(duì)稱短路或當(dāng)發(fā)電機(jī)供給的負(fù)荷不對(duì)稱時(shí)，定子繞組就會(huì)流過負(fù)序電流。

1）接線方式。一般構(gòu)成發(fā)電機(jī)負(fù)序電流保護(hù)的電流來自發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)側(cè)三相電流，這樣可以兼作發(fā)電機(jī)并網(wǎng)前的內(nèi)部短路故障的后備保護(hù)。

2）原理。負(fù)序電流保護(hù)有定、反時(shí)限兩種，大機(jī)組用反時(shí)限特性。反時(shí)限特性曲線一般由三部分組成：上限定時(shí)限；反時(shí)限；下限定時(shí)限。當(dāng)發(fā)電機(jī)負(fù)序電流大于上限整定時(shí)，則按上限定時(shí)限動(dòng)作；如果負(fù)序電流超過下限整定值，但不足以使反時(shí)限部分動(dòng)作時(shí)，則按下限定時(shí)限動(dòng)作；負(fù)序電流在此之間，則按反時(shí)限規(guī)律動(dòng)作。

失步運(yùn)行時(shí)電機(jī)電勢(shì)與系統(tǒng)等效電勢(shì)的相位差為180度的瞬間，振蕩電流的幅值將接近機(jī)端三相短路時(shí)流經(jīng)發(fā)電機(jī)的電流值。對(duì)于三相短路故障均有快速保護(hù)切除，而振蕩電流則要在較長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)反復(fù)出現(xiàn)，若無相應(yīng)保護(hù)會(huì)使定子繞組遭受熱損傷或端部遭受機(jī)械損傷。

1）基本要求。失步保護(hù)應(yīng)能鑒別短路故障、穩(wěn)定振蕩和非穩(wěn)定振蕩，且只在發(fā)生非穩(wěn)定振蕩時(shí)可靠動(dòng)作，而在發(fā)生短路故障和穩(wěn)定振蕩情況下，不應(yīng)當(dāng)誤動(dòng)作。另外失步保護(hù)動(dòng)作于跳閘時(shí)，在功角為180度時(shí)使斷路器斷開，則會(huì)因遮斷電流最大而對(duì)斷路器熄弧最為不利，因此失步保護(hù)應(yīng)避免在這一時(shí)機(jī)動(dòng)作于跳閘。

2）原理。失步保護(hù)的原理是以機(jī)端測(cè)量阻抗運(yùn)動(dòng)軌跡及其隨時(shí)間的變化特征來構(gòu)成失步保護(hù)判據(jù)。

發(fā)電機(jī)逆功率保護(hù)，主要用于保護(hù)汽輪機(jī)。當(dāng)主汽門誤關(guān)閉時(shí)，發(fā)電機(jī)就變成了同步電動(dòng)機(jī)運(yùn)行，從電力系統(tǒng)吸收有功功率。發(fā)電機(jī)組不允許在這種狀況下長(zhǎng)期運(yùn)行。

逆功率保護(hù)有兩種實(shí)現(xiàn)方法。其一是反應(yīng)逆功率大小的逆功率保護(hù)，當(dāng)發(fā)現(xiàn)發(fā)電機(jī)處于逆功率運(yùn)行時(shí)該保護(hù)動(dòng)作。另外一種是習(xí)慣上稱為程序跳閘的逆功率保護(hù)。程序跳閘的逆功率保護(hù)動(dòng)作時(shí)，保護(hù)出口先關(guān)閉汽輪機(jī)的主汽門，然后由逆功率保護(hù)與主汽門觸點(diǎn)聯(lián)動(dòng)跳開發(fā)電機(jī)一變壓器組的主斷路器。在發(fā)電機(jī)停機(jī)時(shí)，可利用該保護(hù)的程序跳閘功能，先將汽輪機(jī)中的剩余功率向系統(tǒng)送完后再跳閘，從而更能保證汽輪機(jī)的安全。

該保護(hù)是以反應(yīng)發(fā)電機(jī)從系統(tǒng)吸收有功功率的大小而動(dòng)作的，是以主汽門是否關(guān)閉的條件來決定動(dòng)作時(shí)間的。

當(dāng)變壓器內(nèi)部故障嚴(yán)重時(shí)，產(chǎn)生強(qiáng)烈的瓦斯氣體，使變壓器內(nèi)部壓力突增，產(chǎn)生很大的油流向油枕方向沖擊。因油流沖擊擋板，擋板克服彈簧的阻力，帶動(dòng)磁鐵向干簧觸點(diǎn)接通，發(fā)出信號(hào)。

瓦斯保護(hù)能反應(yīng)變壓器郵箱內(nèi)的內(nèi)部故障，包括鐵心過熱燒傷，油面降低等，但差動(dòng)保護(hù)對(duì)此無反應(yīng)。又如變壓器繞組產(chǎn)生少數(shù)線匝的匝間短路，雖然短路匝內(nèi)短路電流很大，會(huì)造成局部繞組嚴(yán)重過熱，但表現(xiàn)在相電流上卻不大。因此差動(dòng)保護(hù)沒有反應(yīng)，但瓦斯保護(hù)對(duì)此卻能靈敏地加以反應(yīng)。

對(duì)于發(fā)電機(jī)，當(dāng)標(biāo)么值大于1時(shí)，會(huì)引起發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁。過勵(lì)磁主要表現(xiàn)為發(fā)電機(jī)鐵心包和之后諧波磁密增加，使附加損耗增加，引起過熱。另外由于定子鐵心背部漏磁場(chǎng)增強(qiáng)，處于這一漏磁場(chǎng)中的定子定位筋，也要感應(yīng)出電動(dòng)勢(shì)，并且相鄰定位筋中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)存在相位差，并通過定子鐵心形成閉路，流過電流。當(dāng)過勵(lì)磁時(shí)，漏磁場(chǎng)急劇增強(qiáng)，鐵心中的電流也將隨之增大，使之在定位筋附近的部位電流密度很大，將引起局部過熱，造成機(jī)組局部燒傷。

一般來說，發(fā)電機(jī)承受過勵(lì)磁能力比變壓器要弱一些，當(dāng)發(fā)電機(jī)和變壓器之間沒有斷路器相接時(shí)，過勵(lì)磁保護(hù)可按發(fā)電機(jī)過勵(lì)磁特性來整定。

過勵(lì)磁保護(hù)可采用定時(shí)限和反時(shí)限兩種。對(duì)于大型機(jī)組一般采用反時(shí)限特性。過勵(lì)磁保護(hù)是通過反應(yīng)標(biāo)么值的增加而動(dòng)作的。

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