電力系統繼電保護詳解
閱讀：40發布時間：2024-6-5
< >## [電力系統繼電保護詳解](http://zt- "電力系統繼電保護詳解")當電力系統中的電力元件（如發電機、線路等）或電力系統本身發生了故障危及電力系統安全運行時，能夠向運行值班人員及時發出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發出跳閘命令以終止這些事件發展的一種自動化措施和設備。實現這種自動化措施的成套設備，一般通稱為繼電保護裝置。 本文小編就為大家詳細介紹繼電保護的基本原理、基本要求、基本任務、分類和設備的繼電保護。## 基本原理 [繼電保護裝置](http://zt- "繼電保護裝置")必須具有正確區分被保護元件是處于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后電氣物理量變化的特征為基礎來構成。電力系統發生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：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，如瓦斯保護。## 基本要求[繼電保護裝置](http://zt- "繼電保護裝置")為了完成它的任務，必須在技術上滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個基本要求。對于作用于繼電器跳閘的繼電保護，應同時滿足四個基本要求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運行情況的繼電保護裝置，這四個基本要求中有些要求可以降低。**（1）選擇性**選擇性就是指當電力系統中的設備或線路發生短路時，其繼電保護僅將故障的設備或線路從電力系統中切除，當故障設備或線路的保護或斷路器拒動時，應由相鄰設備或線路的保護將故障切除。**（2）速動性**速動性是指繼電保護裝置應能盡快地切除故障，以減少設備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設備的損壞程度，提高系統并列運行的穩定性。一般必須快速切除的故障有：1）使發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）大容量的發電機、變壓器和電動機內部故障。3）中、低壓線路導線截面過小，為避免過熱不允許延時切除的故障。4）可能危及人身安全、對通信系統造成強烈干擾的故障。故障切除時間包括保護裝置和斷路器動作時間，一般快速保護的動作時間為0.04s～0.08s，的可達0.01s～0.04s，一般斷路器的跳閘時間為0.06s～0.15s，的可達0.02s～0.06s。對于反應不正常運行情況的繼電保護裝置，一般不要求快速動作，而應按照選擇性的條件，帶延時地發出信號。**（3）靈敏性**靈敏性是指電氣設備或線路在被保護范圍內發生短路故障或不正常運行情況時，保護裝置的反應能力。能滿足靈敏性要求的繼電保護，在規定的范圍內故障時，不論短路點的位置和短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，都能正確反應動作，即要求不但在系統運行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統最小運行方式下經過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時也能可靠動作。系統運行方式：被保護線路末端短路時，系統等效阻抗最小，通過保護裝置的短路電流為運行方式。系統最小運行方式：在同樣短路故障情況下，系統等效阻抗為，通過保護裝置的短路電流為最小的運行方式。保護裝置的靈敏性是用靈敏系數來衡量。**（4）可靠性**可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護最根本的要求。安全性：要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發生誤動。信賴性：要求繼電保護在規定的保護范圍內發生了應該動作的故障時可靠動作，即不拒動。繼電保護的誤動作和拒動作都會給電力系統帶來嚴重危害。即使對于相同的電力元件，隨著電網的發展，保護不誤動和不拒動對系統的影響也會發生變化。以上四個基本要求是設計、配置和維護繼電保護的依據，又是分析評價繼電保護的基礎。這四個基本要求之間是相互聯系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實際工作中，要根據電網的結構和用戶的性質，辯證地進行統一。## 基本任務電力系統繼電保護的基本任務是：1）自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統中切除，使故障元件免于繼續遭到破壞，保證其他部分迅速恢復正常運行。2）反應電氣元件的不正常運行狀態，并根據運行維護的條件（如有無經常值班人員）而動作于信號，以便值班員及時處理，或由裝置自動進行調整，或將那些繼續運行就會引起損壞或發展成為事故的電氣設備予以切除。此時一般不要求保護迅速動作，而是根據對電力系統及其元件的危害程度規定一定的延時，以免暫短地運行波動造成不必要的動作和干擾而引起的誤動。3）繼電保護裝置還可以與電力系統中的其他自動化裝置配合，在條件允許時，采取預定措施，縮短事故停電時間，盡快恢復供電，從而提高電力系統運行的可靠性。## 分類繼電保護可按以下4種方式分類。1）按被保護對象分類，有輸電線保護和主設備保護（如發電機、變壓器、母線、電抗器、電容器等保護）。2）按保護功能分類，有短路故障保護和異常運行保護。前者又可分為主保護、后備保護和輔助保護；后者又可分為過負荷保護、失磁保護、失步保護、低頻保護、非全相運行保護等。3）按保護裝置進行比較和運算處理的信號量分類，有模擬式保護和數字式保護。一切機電型、整流型、晶體管型和集成電路型（運算放大器）保護裝置，它們直接反映輸入信號的連續模擬量，均屬模擬式保護；采用微處理機和微型計算機的保護裝置，它們反應的是將模擬量經采樣和模/數轉換后的離散數字量，這是數字式保護。4）按保護動作原理分類，有過電流保護、低電壓保護、過電壓保護、功率方向保護、距離保護、差動保護、縱聯保護、瓦斯保護等。本期專題先對一些設備的繼電保護進行介紹，對于線路的繼電保護將在后續進行介紹。## 三次諧波式定子接地保護三次諧波式定子接地保護的主要任務是檢測發電機中性點附件的單相接地故障。1）接線方式。從發電機機端TV開口三角處引入機端三次諧波電壓。從發電機中性點TV或消弧線圈引入發電機中性點側三次諧波電壓。2）出口邏輯電路。三次諧波保護出口可發信或跳閘。3）原理。三次諧波定子接地保護的構成原理是：反應機端和中性點三次諧波大小和相位的變化。總體而言，三次諧波保護原理受諸多因素的影響。首先是受發電機定子繞組對地電容大小的影響；第二是受中性點接地方式的影響；第三是受發電機出力的影響。4）整定計算。由于整定計算受運行機組參數影響較大，一般采用現場調試整定的方法。現在微機保護大多采用自動整定的方法，以簡化現場整定。## 發電機負序電流保護當發電機在外部或內部發生不對稱短路或當發電機供給的負荷不對稱時，定子繞組就會流過負序電流。1）接線方式。一般構成發電機負序電流保護的電流來自發電機中性點側三相電流，這樣可以兼作發電機并網前的內部短路故障的后備保護。2）原理。負序電流保護有定、反時限兩種，大機組用反時限特性。反時限特性曲線一般由三部分組成：上限定時限；反時限；下限定時限。當發電機負序電流大于上限整定時，則按上限定時限動作；如果負序電流超過下限整定值，但不足以使反時限部分動作時，則按下限定時限動作；負序電流在此之間，則按反時限規律動作。## 失步保護失步運行時電機電勢與系統等效電勢的相位差為180度的瞬間，振蕩電流的幅值將接近機端三相短路時流經發電機的電流值。對于三相短路故障均有快速保護切除，而振蕩電流則要在較長時間內反復出現，若無相應保護會使定子繞組遭受熱損傷或端部遭受機械損傷。1）基本要求。失步保護應能鑒別短路故障、穩定振蕩和非穩定振蕩，且只在發生非穩定振蕩時可靠動作，而在發生短路故障和穩定振蕩情況下，不應當誤動作。另外失步保護動作于跳閘時，在功角為180度時使斷路器斷開，則會因遮斷電流而對斷路器熄弧不利，因此失步保護應避免在這一時機動作于跳閘。2）原理。失步保護的原理是以機端測量阻抗運動軌跡及其隨時間的變化特征來構成失步保護判據。## 發電機逆功率保護發電機逆功率保護，主要用于保護汽輪機。當主汽門誤關閉時，發電機就變成了同步電動機運行，從電力系統吸收有功功率。發電機組不允許在這種狀況下長期運行。逆功率保護有兩種實現方法。其一是反應逆功率大小的逆功率保護，當發現發電機處于逆功率運行時該保護動作。另外一種是習慣上稱為程序跳閘的逆功率保護。程序跳閘的逆功率保護動作時，保護出口先關閉汽輪機的主汽門，然后由逆功率保護與主汽門觸點聯動跳開發電機一變壓器組的主斷路器。在發電機停機時，可利用該保護的程序跳閘功能，先將汽輪機中的剩余功率向系統送完后再跳閘，從而更能保證汽輪機的安全。該保護是以反應發電機從系統吸收有功功率的大小而動作的，是以主汽門是否關閉的條件來決定動作時間的。## 變壓器瓦斯保護當變壓器內部故障嚴重時，產生強烈的瓦斯氣體，使變壓器內部壓力突增，產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，帶動磁鐵向干簧觸點接通，發出信號。瓦斯保護能反應變壓器郵箱內的內部故障，包括鐵心過熱燒傷，油面降低等，但差動保護對此無反應。又如變壓器繞組產生少數線匝的匝間短路，雖然短路匝內短路電流很大，會造成局部繞組嚴重過熱，但表現在相電流上卻不大。因此差動保護沒有反應，但瓦斯保護對此卻能靈敏地加以反應。## 發電機（變壓器）過勵磁保護對于發電機，當標么值大于1時，會引起發電機過勵磁。過勵磁主要表現為發電機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增強，處于這一漏磁場中的定子定位筋，也要感應出電動勢，并且相鄰定位筋中的感應電動勢存在相位差，并通過定子鐵心形成閉路，流過電流。當過勵磁時，漏磁場急劇增強，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，造成機組局部燒傷。一般來說，發電機承受過勵磁能力比變壓器要弱一些，當發電機和變壓器之間沒有斷路器相接時，過勵磁保護可按發電機過勵磁特性來整定。過勵磁保護可采用定時限和反時限兩種。對于大型機組一般采用反時限特性。過勵磁保護是通過反應標么值的增加而動作的。
