在变、配电站电力系统的运行过程中, 由于设备老化、绝缘降低、不正确操作等原因, 有可能发生各类故障和不正常的情况。当发生故障时, 在故障处会产生很大的短路电流或者电弧, 烧毁电力元件;不正常情况有过电压、过电流、电力系统振荡等, 这些情况会使电气设备发热, 使绝缘材料老化加速, 寿命降低。
为了防止电力故障和不正常情况的发生, 保护电力设备和电力系统的安全运行, 继电保护装置作为一种最基本的保护装置, 已被广泛应用, 它对变电站的安全运行起着至关重要的作用。
1 继电保护装置概念
变电站继电保护装置是指当变电站电力系统的组成元件或者线路出现故障, 可能危及到电力系统安全运行时, 能够及时发出报警信号并控制断路器跳闸, 使故障不会继续扩大的一种装置 (图1) 。
2 继电保护装置组成
一般继电保护装置并不是简单的一个设备构成, 而是由一整套设备组成的, 如图一所示, 基本可以分成取样比较元件、逻辑判断元件、执行输出元件。它的工作原理是在电流、电压互感器中取出采样信号, 送至比较单元与整定值进行比较, 通过比较判断是否有危及电力系统的故障和因素存在, 并输出相应的保护信号。当故障发生时, 通过逻辑判断元件 (中央处理单元) 及时进行逻辑判断, 判断保护装置的动作行为, 如控制断路器跳闸或者信号, 是否需要延时跳闸或延时发信号。执行输出单元根据逻辑判断元件输出的信息, 送出相应的跳闸信号或者警报信号, 控制断路器跳闸或者报警, 达到保护电力系统的作用。
3 继电保护装置的主要任务
(1) 监视电力系统运行情况, 当被保护的电力系统元件发生故障时, 应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令, 使故障元件及时从电力系统中断开, 以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏, 降低对电力系统安全供电的影响。当系统和设备发生的故障足以损坏设备或危及电网安全时, 继电保护装置能最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏, 降低对电力系统安全供电的影响。
(2) 反应电气设备的不正常工作情况, 并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同发出信号, 提示值班员迅速采取措施, 使之尽快恢复正常, 或由装置自动地进行调整, 或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反应不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。
(3) 实现电力系统的自动化和远程操作, 以及工业生产的自动控制。如:自动重合闸、备用电源自动投入、遥控、遥测等。
4 继电保护装置的基本要求
4.1 可靠性
根据继电保护的任务和保护范围, 如果某一保护装置应该动作而未动作则称为拒动;如果电力系统在正常运行状态或故障不在保护范围内, 保护装置不应动作而动作了则称为误动。继电保护的拒动和误动将影响装置的可靠性, 可靠性不高, 将严重破坏电力系统的安全稳定运行。因此现在的保护装置在选用时尽量采用原理简单、运行经验丰富、装置可靠性高的保护。
4.2 选择性
指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障, 当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时, 才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护来切除故障。上、下级电网 (包括同级) 继电保护之间的整定, 应遵循逐级配合的原则, 以保证电网发生故障时有选择性地切除故障。
4.3 灵敏性
指在设备或线路的被保护范围内发生金属性短路时, 保护装置应具有必要的灵敏系数。灵敏度高, 说明继电保护装置反映故障的能力强, 可以加速保护的起动。灵敏性是通过继电保护的整定值来实现的, 整定值的校验一般一年进行一次, 由供电部门有资质的专业人员进行整定校验。
4.4 快速性
指保护装置应尽快切除短路故障, 其目的是提高系统稳定性, 减轻故障设备和线路的损坏程度, 缩小故障波及范围, 提高自动重合闸和备用设备自动投入的效果。
5 常用继电保护装置的类型
5.1 电流保护
(1) 过电流保护:是按照躲过被保护设备或线路中可能出现的最大负荷电流来整定的。如大电机启动电流 (短时) 和穿越性短路电流之类的非故障性电流, 以确保设备和线路的正常运行。为使上、下级过电流保护能获得选择性, 在时限上设有一个相应的级差。
(2) 电流速断保护:是按照被保护设备或线路末端可能出现的最大短路电流或变压器二次侧发生三相短路电流而整定的。速断保护动作, 理论上电流速断保护没有时限。即以零秒及以下时限动作来切断断路器的。
过电流保护和电流速断保护常配合使用, 以作为设备或线路的主保护和相邻线路的备用保护。
(3) 定时限过电流保护:在正常运行中, 被保护线路上流过最大负荷电流时, 电流继电器不应动作, 而本级线路上发生故障时, 电流继电器应可靠动作;定时限过电流保护由电流继电器、时间继电器和信号继电器三元件组成 (电流互感器二次侧的电流继电器测量电流大小→时间继电器设定动作时间→信号继电器发出动作信号) ;定时限过电流保护的动作时间与短路电流的大小无关, 动作时间是恒定的。
(4) 反时限过电流保护:继电保护的动作时间与短路电流的大小成反比, 即短路电流越大, 继电保护的动作时间越短, 短路电流越小, 继电保护的动作时间越长。
(5) 无时限电流速断:不能保护线路全长, 它只能保护线路的一部分, 系统运行方式的变化, 将影响电流速断的保护范围, 为了保证动作的选择性, 其起动电流必须按最大运行方式 (即通过本线路的电流为最大的运行方式) 来整定, 但这样对其它运行方式的保护范围就缩短了, 规程要求最小保护范围不应小于线路全长的15%。另外, 被保护线路的长短也影响速断保护的特性, 当线路较长时, 保护范围就较大, 而且受系统运行方式的影响较小, 反之, 线路较短时, 所受影响就较大, 保护范围甚至会缩短为零。
5.2 电压保护
(1) 过电压保护:防止电压升高可能导致电气设备损坏而装设的。 (雷击、高电位侵入、事故过电压、操作过电压等) 10k V开闭所端头、变压器高压侧装设避雷器主要用来保护开关设备、变压器;变压器低压侧装设避雷器是用来防止雷电波由低压侧侵入而击穿变压器绝缘而设的。
(2) 欠电压保护:防止电压突然降低致使电气设备的正常运行受损而设的。
(3) 零序电压保护:为防止变压器一相绝缘破坏造成单相接地故障的继电保护。主要用于三相三线制中性点绝缘 (不接地) 的电力系统中。零序电流互感器的一次侧为被保护线路 (如电缆三根相线) , 铁芯套在电缆上, 二次绕组接至电流继电器;电缆相线必须对地绝缘, 电缆头的接地线也必须穿过零序电流互感器;原理:正常运行及相间短路时, 一次侧零序电流为零 (相量和) , 二次侧内有很小的不平衡电流。当线路发生单相接地时, 接地零序电流反映到二次侧, 并流入电流继电器, 当达到或超过整定值时, 动作并发出信号 (变压器零序电流互感器串接于零线端子出线铜排) 。
5.3 瓦斯保护
油浸式变压器内部发生故障时, 短路电流所产生的电弧使变压器油和其它绝缘物产生分解, 并产生气体 (瓦斯) , 利用气体压力或冲力使气体继电器动作。故障性质可分为轻瓦斯和重瓦斯, 当故障严重时 (重瓦斯) 气体继电器触点动作, 使断路器跳闸并发出报警信号。轻瓦斯动作信号一般只有信号报警而不发出跳闸动作。
变压器初次投入、长途运输、加油、换油等原因, 油中可能混入气体, 积聚在气体继电器的上部 (玻璃窗口能看到油位下降, 说明有气体) , 遇到此类情况可利用瓦斯继电器顶部的放气阀 (螺丝拧开) 放气, 直至瓦斯继电器内充满油。考虑安全, 最好在变压器停电时进行放气。容量在800k VA及以上的变压器应装设瓦斯保护。
5.4 差动保护
这是一种按照电力系统中, 被保护设备发生短路故障, 在保护中产生的差电流而动作的一种保护装置。常用做主变压器、发电机和并联电容器的保护装置, 按其装置方式的不同可分为。
(1) 横联差动保护:常用作发电机的短路保护和并联电容器的保护, 一般设备的每相均为双绕组或双母线时, 采用这种差动保护。
(2) 纵联差动保护:一般常用作主变压器的保护, 是专门保护变压器内部和外部故障的主保护。
5.5 高频保护
这是一种作为主系统、高压长线路的高可靠性的继电保护装置。目前我国已建成的多条500k V的超高压输电线路就要求使用这种可行性、选择性、灵敏性和动作迅速的保护装置。高频保护分为相差高频保护;方向高频保护。
相差高频保护的基本原理是比较两端电流的相位的保护。规定电流方向由母线流向线路为正, 从线路流向母线为负。就是说, 当线路内部故障时, 两侧电流同相位而外部故障时, 两侧电流相位差180°。方向高频保护的基本工作原理是, 以比较被保护线路两端的功率方向, 来判别输电线路的内部或外部故障的一种保护装置。
5.6 距离保护
这种继电保护也是主系统的高可靠性、高灵敏度的继电保护, 又称为阻抗保护, 这种保护是按照长线路故障点不同的阻抗值而整定的。
5.7 平衡保护
这是一种作为高压并联电容器的保护装置。继电保护有较高的灵敏度, 对于采用双星形接线的并联电容器组, 采用这种保护较为适宜。它是根据并联电容器发生故障时产生的不平衡电流而动作的一种保护装置。
5.8 负序及零序保护
这是作为三相电力系统中发生不对称短路故障和接地故障时的主要保护装置。
5.9 方向保护
这是一种具有方向性的继电保护。对于环形电网或双回线供电的系统, 某部分线路发生故障时, 而故障电流的方向符合继电保护整定的电流方向, 则保护装置可靠地动作, 切除故障点。
6 微机继电保护
6.1 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为基础而构成的继电保护。20世纪60年代中后期, 英国、澳大利亚和美国的一些专家提出用小型计算机实现继电保护的设想, 开始了对计算机继电保护理论计算方法、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。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渐成熟, 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。到了20世纪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。
6.2 微机继电保护的主要特点
研究和实践证明, 与传统的继电保护相比, 微机继电保护有如下特点:一是改善和提高了继电保护的动作特征和性能, 动作正确率高。主要表现在能得到常规保护不易获得的特性, 其很强的记忆力能更好地实现故障分量保护;可引进自动控制、新的数学理论和技术如自适应、状态预测、模糊控制及人工神经网络等, 其运行正确率很高并在运行实践中得到证明。二是可以方便地扩充其他辅助功能, 如故障录波、波形分析等, 可以方便地附加低频减载、故障录波、故障测距等功能。三是工艺结构条件优越, 体现在硬件比较通用, 制造容易统一标准;装置体积小, 减少了盘位数量, 功耗低等。四是可靠性提高, 体现在数字元件的特性不易受温度变化、电源波动、使用年限的影响, 不易受元件更换的影响;自检和巡检能力强, 可用软件方法检测主要元件、部件的工况以及功能软件本身。五是使用灵活方便, 人机界面越来越友好, 其维护调试也更方便, 从而缩短了维修时间;同时依据运行经验, 在现场可通过软件方法改变特性、结构。六是可以进行远方监控。微机保护装置具有串行通信功能, 与变电所微机监控系统的通信联络使微机保护具有远方监控特性。
摘要：变电站电力系统运行过程中, 发生故障或不正常运行时, 它的电气量会发生非常显著的变化, 继电保护就是根据电气量的变化测量值与系统正常时的电气参数的对比, 来检测故障类型和故障范围, 以便有选择的切除故障。
关键词：电力系统,继电保护,作用,分类
参考文献
[1] 郭仲礼, 于曰浩.高压电工实用技术 (第2版) [M].机械工业出版社, 2003, 1.
[2] 张宇辉.电力系统微型计算机继电保护[M].中国电力出版社, 2000.