電力系統繼電保護(電力技術之一)

電力系統繼電保護的發展經歷了機電型、整流型、電晶體型和積體電路型幾個階段後，現在發展到了微機保護階段。微機繼電保護的發展史微機繼電保護指的是以數字式計算機（包括微型機）為基礎而構成的繼電保護。它起源於20世紀60年代中後期，是在英國、澳大利亞和美國。

基本介紹

• 中文名：電力系統繼電保護
• 外文名：Power system relay protection
• 實質：電力系統繼電保護
• 特色：選擇性

技術要求

電力系統繼電保護（relay protection of power system）

最早的繼電保護裝置是熔斷器。以後出現了以斷路器為核心的電磁式繼電保護裝置、電子式靜態繼電保護裝置，發展迅速的以遠動技術信息技術和計算機技術為基礎的微機型繼電保護裝置；

繼電保護裝置必須滿足的四個基本要求：

1 選擇性：當系統發生故障時，繼電保護裝置只將故障設備切除，使停電範圍儘量縮小，保證無故障部分繼續運行。

2 速動性：電力系統發生故障時，要求能快速切除故障以提高電力系統並列運行的穩定性；減少用戶在電壓降低的異常情況下的運行時間，使電動機不致因電壓降低時間過長而處於停止轉動狀態，並利於電壓恢復時電動機的自起動，以加速恢復正常運行的進程；此外，還可避免擴大事故，減輕故障元件的損壞程度。

3 靈敏性：是指保護對其保護範圍內的故障或不正常運行狀態的反應能力，對於保護範圍內故障，不論短路點的位置在哪裡，短路類型如何，運行方式怎樣變化，保護均應靈敏正確地反應。

4 可靠性：就是在保護範圍以內發生屬於它應該動作的故障時，不應該由於它本身的缺陷而拒絕動作；而在其它任何不屬於它動作的情況下，不應該誤動作。

繼電保護的基本概念

在電力系統運行中，外界因素（如雷擊、鳥害等）、內部因素（絕緣老化，損壞等）及操作等，都可能引起各種故障及不正常運行的狀態出現，常見的故障有：單相接地；三相短路；兩相短路；兩相接地短路；斷線等。

電力系統非正常運行狀態有：過負荷，過電壓，非全相運行，振盪，次同步諧振，同步發電機短時失磁異步運行等。

電力系統繼電保護和安全自動裝置是在電力系統發生故障和不正常運行情況時，用於快速切除故障，消除不正常狀況的重要自動化技術和設備。電力系統發生故障或危及其安全運行的事件時，他們能及時發出告警信號，或直接發出跳閘命令以終止事件。

1.繼電保護的基本任務

（1）自動迅速，有選擇的跳開特定的斷路器（2）反映電氣元件的不正常運行狀態

2.電力系統對繼電保護的基本要求

速動性，選擇性，靈敏性，可靠性。

發展歷史

電力系統繼電保護的發展經歷了機電型、整流型、電晶體型和積體電路型幾個階段微機繼電保護的發展史微機繼電保護指的是以數字式計算機（包括微型機）為基礎而構成的繼電保護。它起源於20世紀60年代中後期，是在英國、澳大利亞和美國。

微機繼電保護的發展史

微機繼電保護指的是以數字式計算機（包括微型機）為基礎而構成的繼電保護。是在英國60年代中期，有人提出用小型計算機實現繼電保護的構想，但是由於當時計算機的價格昂貴，同時也無法滿足高速繼電保護的技術要求，因此沒有在保護方面取得實際套用，但由此開始了對計算機繼電保護理論計算方法和程式結構的大量研究，為後來的繼電保護發展奠定了理論基礎。計算機技術在70年代初期和中期出現了重大突破，大規模積體電路技術的飛速發展，使得微型處理器和微型計算機進入了實用階段。價格的大幅度下降，可靠性、運算速度的大幅度提高，促使計算機繼電保護的研究出現了高潮。在70年代後期，出現了比較完善的微機保護樣機，並投入到電力系統中試運行。80年代，微機保護在硬體結構和軟體技術方面日趨成熟，並已在一些國家推廣套用。90年代，電力系統繼電保護技術發展到了微機保護時代，它是繼電保護技術發展歷史過程中的第四代。

我國的微機保護研究起步於20世紀70年代末期、80年代初期，儘管起步晚，但是由於我國繼電保護工作者的努力，進展卻很快。經過10年左右的奮鬥，到了80年代末，計算機繼電保護，特別是輸電線路微機保護已達到了大量實用的程度。我國對計算機繼電保護的研究過程中，高等院校和科研院所起著先導的作用。從70年代開始，華中科技大學、東南大學、華北電力學院、西安交通大學、國電南京自動化研究院都相繼研製了不同原理、不同型式的微機保護裝置。1984年原華北電力學院研製的輸電線路微機保護裝置首先通過鑑定，並在系統中獲得套用，揭開了我國繼電保護髮展史上的新一頁，為微機保護的推廣開闢了道路。在主設備保護方面，東南大學和華中理工大學研製的發電機失磁保護、發電機保護和發電機－變壓器組保護也相繼於1989年、1994年通過鑑定，投入運行。南京電力自動化研究院研製的微機線路保護裝置也於1991年通過鑑定。天津大學與南京電力自動化設備廠合作研製的微機相電壓補償式方向高頻保護，西安交通大學與許昌繼電器廠合作研製的正序故障分量方向高頻保護也相繼於1993年、1996年通過鑑定。至此，不同原理、不同機型的微機線路和主設備保護各具特色，為電力系統提供了一批新一代性能優良、功能齊全、工作可靠的繼電保護裝置。因此到了90年代，我國繼電保護進入了微機時代。隨著微機保護裝置的研究，在微機保護軟體、算法等方面也取得了很多理論成果，並且套用於實際之中[1～3]。

保護設備

微機保護裝置

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，人機接口和通訊接口等.該系統廣泛套用於電力、石化、礦山冶煉、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（人機接口和各種告警信號、跳閘信號及電度脈衝等）。

繼電器

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。通常套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。

電力系統發生故障後，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，故障後測量阻抗顯著減小，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。