电力系统继电保护

电力技术之一

电力系统继电保护（relay protection of power system）是电力技术之一。

技术要求

最早的继电保护装置是熔断器。以后出现了以断路器为核心的电磁式继电保护装置、电子式静态继电保护装置，发展迅速的以远动技术信息技术和计算机技术为基础的微机型继电保护装置；

继电保护装置必须满足的四个基本要求：

1 选择性：当系统发生故障时，继电保护装置只将故障设备切除，使停电范围尽量缩小，保证无故障部分继续运行。

2 速动性：电力系统发生故障时，要求能快速切除故障以提高电力系统并列运行的稳定性；减少用户在电压降低的异常情况下的运行时间，使电动机不致因电压降低时间过长而处于停止转动状态，并利于电压恢复时电动机的自起动，以加速恢复正常运行的进程；此外，还可避免扩大事故，减轻故障元件的损坏程度。

3 灵敏性：是指保护对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反应能力，对于保护范围内故障，不论短路点的位置在哪里，短路类型如何，运行方式怎样变化，保护均应灵敏正确地反应。

4 可靠性：就是在保护范围以内发生属于它应该动作的故障时，不应该由于它本身的缺陷而拒绝动作；而在其它任何不属于它动作的情况下，不应该误动作。

继电保护的基本概念

在电力系统运行中，外界因素（如雷击、鸟害等）、内部因素（绝缘老化，损坏等）及操作等，都可能引起各种故障及不正常运行的状态出现，常见的故障有：单相接地；三相短路；两相短路；两相接地短路；断线等。

电力系统非正常运行状态有：过负荷，过电压，非全相运行，振荡，次同步谐振，同步发电机短时失磁异步运行等。

电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障和不正常运行情况时，用于快速切除故障，消除不正常状况的重要自动化技术和设备。电力系统发生故障或危及其安全运行的事件时，他们能及时发出告警信号，或直接发出跳闸命令以终止事件。

1.继电保护的基本任务

（1）自动迅速，有选择的跳开特定的断路器（2）反映电气元件的不正常运行状态

2.电力系统对继电保护的基本要求

速动性，选择性，灵敏性，可靠性。

发展历史

电力系统继电保护的发展经历了机电型、整流型、晶体管型和集成电路型几个阶段微机继电保护的发展史微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。它起源于20世纪60年代中后期，是在英国、澳大利亚和美国。

微机继电保护的发展史

微机继电保护指的是以数字式计算机（包括微型机）为基础而构成的继电保护。是在英国60年代中期，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想，但是由于当时计算机的价格昂贵，同时也无法满足高速继电保护的技术要求，因此没有在保护方面取得实际应用，但由此开始了对计算机继电保护理论计算方法和程序结构的大量研究，为后来的继电保护发展奠定了理论基础。计算机技术在70年代初期和中期出现了重大突破，大规模集成电路技术的飞速发展，使得微型处理器和微型计算机进入了实用阶段。价格的大幅度下降，可靠性、运算速度的大幅度提高，促使计算机继电保护的研究出现了高潮。在70年代后期，出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80年代，微机保护在硬件结构和软件技术方面日趋成熟，并已在一些国家推广应用。90年代，电力系统继电保护技术发展到了微机保护时代，它是继电保护技术发展历史过程中的第四代。

我国的微机保护研究起步于20世纪70年代末期、80年代初期，尽管起步晚，但是由于我国继电保护工作者的努力，进展却很快。经过10年左右的奋斗，到了80年代末，计算机继电保护，特别是输电线路微机保护已达到了大量实用的程度。我国对计算机继电保护的研究过程中，高等院校和科研院所起着先导的作用。从70年代开始，华中科技大学、东南大学、华北电力学院、西安交通大学、国电南京自动化研究院都相继研制了不同原理、不同型式的微机保护装置。1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在系统中获得应用，揭开了我国继电保护发展史上的新一页，为微机保护的推广开辟了道路。在主设备保护方面，东南大学和华中理工大学研制的发电机失磁保护、发电机保护和发电机－变压器组保护也相继于1989年、1994年通过鉴定，投入运行。南京电力自动化研究院研制的微机线路保护装置也于1991年通过鉴定。天津大学与南京电力自动化设备厂合作研制的微机相电压补偿式方向高频保护，西安交通大学与许昌继电器厂合作研制的正序故障分量方向高频保护也相继于1993年、1996年通过鉴定。至此，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全、工作可靠的继电保护装置。因此到了90年代，我国继电保护进入了微机时代。随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果，并且应用于实际之中[1～3]。

保护设备

微机保护装置

微机保护是用微型计算机构成的继电保护，是电力系统继电保护的发展方向（现已基本实现，尚需发展），它具有高可靠性，高选择性，高灵敏度。微机保护装置硬件包括微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等.该系统广泛应用于电力、石化、矿山冶炼、铁路以及民用建筑等。微机的硬件是通用的，而保护的性能和功能是由软件决定。

运行原理

微机保护装置的数字核心一般由CPU、存储器、定时器/计数器、Watchdog等组成。数字核心的主流为嵌入式微控制器（MCU），即通常所说的单片机;输入输出通道包括模拟量输入通道（模拟量输入变换回路（将CT、PT所测量的量转换成更低的适合内部A/D转换的电压量，±2.5V、±5V或±10V）、低通滤波器及采样、A/D转换）和数字量输入输出通道（人机接口和各种告警信号、跳闸信号及电度脉冲等）。

继电器

继电器（英文名称：relay）是一种电控制器件，是当输入量（激励量）的变化达到规定要求时，在电气输出电路中使被控量发生预定的阶跃变化的一种电器。它具有控制系统（又称输入回路）和被控制系统（又称输出回路）之间的互动关系。通常应用于自动化的控制电路中，它实际上是用小电流去控制大电流运作的一种“自动开关”。故在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

保护原理

继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。

电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：

(1) 电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大至大大超过负荷电流。

(2) 电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。

(3) 电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20°，三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60°～85°，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180°+(60°～85°)。

(4) 测量阻抗发生变化。测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。

不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。

利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电保护。

此外，除了上述反应工频电气量的保护外，还有反应非工频电气量的保护。

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