变电站继电保护装置若干问题探讨

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摘 要：首先从选择性、快速性、可靠性和灵敏性等四个方面介绍了变电站继电保护装置的基本要求及其主要任务；随后又说明了常用的变电站继电保护装置。最后，从网络化、微机化、保护测控数据通信一体化、智能化等四个方面阐述了继电保护装置未来的发展方向。
【关键词】：变电站；电力系统；继电保护装置
　　中图分类号：TD 11+.2 文献标识码：A
　　
　　 1 前言
　　变电站的主要作用就是变换和分配电能，其作为电厂和电力用户的中间环节，被广泛地应用在电网中。正是由于变电站在电网中占有着重要地位，因此变电站能否正常工作就决定了电网是否坚强、稳定。而变电站中的继电保护装置又在变电站的运行中具有不可替代的作用，它能通过缩小事故范围或预防事故来最大限度地保证向用户安全连续供电，提高系统运行的可靠性。继保装置在变电站发生故障时，能准确、迅速地隔离、切除变电站内部发生的各种故障，保证没有出现故障的部分继续运行。此外，继保装置还能及时地发出警报，以便运行维护人员能够尽快发现故障、解决故障，避免大面积地区停电事故，确保电力系统安全、稳定运行。
　　2 变电站继电保护装置的基本要求和主要任务
　　2.1 基本要求
　　由于继电保护装置要求在变电站的设备和线路出现可能危及电力系统安全运行的故障时，能够及时控制相应断路器跳闸以控制故障的影响范围，并发出警报。因此，对其有以下基本要求：
　　(1)选择性。其主要要求内容就是上、下级电网（也包括同级）的继保装置之间应遵循逐级配合的原则来进行整定，以保证故障发生时能够有选择性地切除故障。例如，在变电站某个设备或线路发生故障时，应首先由故障点的保护动作来切除故障。当故障点的保护、断路器拒动时，才由相邻设备或线路的保护、断路器动作来切除故障。
　　(2)快速性，这是继保装置对动作时间的要求。在故障发生时，为缩小故障影响的范围，确保系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，继保装置必须在最短时间内切除故障，这对提高备用设备自动投入和自动重合闸的效果也很有利。
　　(3)可靠性。若继保装置在变电站正常运行或故障不在保护范围内时动作了，就被称为误动；而若保护装置在应该动作时却没有动作就被称为拒动。继保装置在选用时都尽量采用运行经验丰富、装置可靠性高、原理简单和维护方便的保护，就是因为继保装置的误动和拒动会严重影响装置的可靠性，进而严重破坏电力系统的安全稳定运行。
　　(4)灵敏性。灵敏度越高，就说明继保装置对故障的反应能力越强，保护动作的反应时间越短。可以通过对继保装置的整定值进行调校来实现更好的灵敏性。整定值的调校应由供电部门具有校验资质的专业人士一年进行一次。
　　2.2 主要任务
　　继电保护装置组成见图1，其主要任务包括：
　　(1)对变电站电气设备的不正常工作情况作出反应，一方面由装置自动地进行调整，另一方面将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。并根据不同的设备运行维护条件和不正常工作情况发出相应信号，提醒变电站值班人员迅速采取措施以恢复电气设备的正常工作。
　　(2)监视变电站运行情况，最大限度地减少变电站故障对变电站设备和线路损坏，并降低故障对电力系统安全运行的影响。在故障发生时，故障点的继保装置应迅速准确地动作使故障设备或线路及时与电力系统断开。
　　(3)实现电力系统的自动化和远程操作，如备用电源自动投入、自动重合闸、遥控、遥测等工业生产自动控制功能。
　　3 常用的变电站继电保护装置
　　在变电站中，常用的继电保护装置主要有：
　　3.1 电压保护
　　(1)过/欠电压保护，主要是防止变电站设备由于雷击、雷电波入侵、操作过电压等特殊情况导致电压突然升高，或其他情况导致电压突然降低，致使电气设备损坏而设置的继电保护装置。如在变压器低压侧装设避雷器是用来防止雷电波从低压侧侵入而击穿变压器绝缘；在变压器高压侧装设避雷器就是用来保护变压器。
　　(2)零序电压保护，可用来预防因为变压器某一相绝缘遭到破坏时发生单相接地故障。零序电压保护在三相三线制中性点绝缘（不接地）的电力系统中有广泛的应用。在正常运行及相间短路时，一次侧零序电流为零（相量和），二次侧有很小的不平衡电流。在单相接地故障发生时，接地零序电流会流入电流继电器，一旦达到或超过整定值，继电器就会动作并发出信号。
　　3.2 电流保护
　　(1)电流速断保护。理论上，电流速断保护没有时限，即以零秒及以下时限动作以切除故障。其一般按照变压器二次侧发生三相短路电流或被保护电气设备及线路末端可能出现的最大短路电流来整定动作值。
　　(2)过电流保护，一般会在时限上设有相应的级差，这是使上、下级过电流保护能具有选择性。为确保电气设备和线路的正常运行，其一般按照躲过被保护电气设备或线路中可能出现的最大负荷电流如大电机启动电流（短时）和穿越性短路电流之类的非故障性电流来整定动作值。
　　电流速断保护和过电流保护常作为电气设备或线路的主保护和相邻线路的备用保护来配合使用。
　　(3)定时限过电流保护，其动作时间是恒定的，与短路电流的大小无关。定时限过电流保护一般由电流继电器、时间继电器和信号继电器三个元件组成，其中电流继电器用来测量电流大小，时间继电器用来设定动作时间，而信号继电器则发出动作信号。在被保护线路正常运行时，电流继电器不动作；而当被保护线路上发生故障时，电流继电器应可靠动作，经过设定好的动作时间，发生动作信号来切除故障。
　　(4)无时限电流速断保护，其只能保护一部分线路，不能保护整条线路。为了保证保护动作的选择性，其起动电流必须按通过被保护线路的电流为最大的运行方式整定。这是由于电流速断的保护范围会随着整定系统运行方式的变化而变化。此外，速断保护的特性受被保护线路的长短影响也较大，在线路较短时，保护范围就较小，受系统运行方式影响也较大；反之，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也较小。在规程中要求，无时限电流速断保护最小保护范围不应小于线路全长的15％。
　　3.3 差动保护
　　差动保护是根据被保护电气设备发生短路故障时在保护中产生的电流差而动作的继电保护装置。差动保护在保护区内发生故障时，可以整定为瞬时动作。其对保护区外的故障不会动作，因此不需要与保护区外相邻元件保护在动作值和动作时限上相互配合。差动保护可以用来对双绕组或三绕组变压器绕组内部及其引出线上发生的各种相间短路故障、变压器单相匝间短路故障进行保护。其保护范围是构成变压器差动保护的电流互感器之间的电气设备以及连接这些设备的导线。简而言之，就是输入两端TA 之间的设备。由于差动保护原理简单、保护范围明确、使用电气量单纯、动作不需延时，所以差动保护被用作电压器、发电机和并联电容器的主保护装置，被广泛应用于35kV及以上电压等级变电站中[3]。
　　3.4 电容器保护
　　主要用来防止电容器本身发生故障以及可能出现的引线短路故障，一般应配置带时限的速断保护和带外熔丝的电容器保护。若电容器组容量较大，可以加装零序保护或差动保护。
　　4 变电站继电保护装置未来的发展趋势
　　4.1 网络化
　　由于数据通信手段的限制，除了差动保护和纵联保护外，很多继电保护装置都只能对安装处的电气设备进行保护。但由于继电保护装置除了切除故障点电气设备、限制故障影响范围外，还要确保整个电力系统的安全稳定运行。这就要求各个保护单元与重合闸装置在分析运行和故障信息数据时协调动作，每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据。显然，要实现这种系统保护功能就必须要将全系统各主要设备的保护装置连接已形成一个网络，即实现微机保护装置网络化。
　　4.2 微机化
　　随着计算机硬件的迅猛发展，继电保护微机化的趋势越来越明显。现在，同微机保护装置大小相似的工控机的功能、速度、存储容量大大超过了当年的小型机，继电保护装置的微机化是不可逆转的发展趋势。
　　4.3 保护、测控、数据通信一体化
　　网络化、微机化后的继电保护装置实质上就是一台高性能、多功能的计算机，其作为整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。一方面，它可以从电力网中获取电力系统运行和故障的任何信息和数据。另一方面，它还可以将被保护设备的任何信息和数据传送至电力网。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能。
　　4.4 智能化
　　随着对人工智能技术如遗传算法、神经网络、小波变换、数据融合技术、进化规划、免疫理论、模糊逻辑等在电力系统中应用的研究的开展。继电保护领域相应的研究工作也在进行中，以神经网络技术为例，很多难以列出方程式或难以求解的复杂非线性问题在神经网络这种非线性映射的方法下，都会变得迎刃而解。其它如遗传算法、进化规划等也都有其独特的求解复杂问题的能力，若将这些人工智能方法适当应用到继电保护装置的设计和动作值整定过程中去，将会大大促进继电保护领域向前发展。
　　结论
　　继电保护技术是一门综合性很强的学科，其在现代电力系统中的应用，为最大限度地保证向电力用户安全连续供电，提高系统运行的可靠性作出了巨大的贡献。随着继电保护在硬件和软件上不断地向前发展，其在系统实现和功能上都较以往的单纯隔离、切除故障有了很大的不同。继电保护的动作速度越来越快、集成化程度越来越高、自动化程度越来越强、保护之间的联系也越来越紧密，相应能够实现的功能也越来越多。因此，继电保护工作者应在实践中应不断总结经验，探索求新，推进继电保护技术的不断前进。
　　参考文献
　　[1]李忠平.变电站继电保护装置的作用及分类[J].科技资讯，2010，1 :134-135.
　　[2]成花丽.浅谈继电保护在变电站中的应用及特点[J].科技创新导报，2011，11:95.
　　[3]曹法明.变压器差动保护[J].电气工程应用，2010，4:10-11.
               
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