电气主设备继电保护技术分析

李　平

摘要：近年来，主设备保护通过对故障过程的电磁暂态过程的研究、TA饱和特性的研究、内部故障理论分析，结合实际动模和数字仿真，提出了一些新的原理并已在现场广泛应用。TA饱和问题是主设备保护共同面对的问题，国内外也提出了一些识别TA饱和的办法，但是也存在不足之处。文章着重介绍了电力系统中主设备继电保护的现状，阐述了发展趋势。

关键词：电气主设备；TA饱和；光电压互感器；继电保护；技术分析

中图分类号：TM772 文献标识码：A 文章编号：1009-2374（2009）15-0010-02

电气设备的继电保护主要是研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以称继电保护。

随着科学技术的发展，特别是电子技术、计算机技术和通信技术的发展，电力系统继电保护先后经历了不同的发展时期。近10年来，电力工业突飞猛进，整个电力系统呈现出往超高电压等级、单机容量增大、大联网系统方向发展的趋势，这就对主设备保护的可靠性、灵敏性、选择性和快速性提出了更高的要求。

一、电气主设备保护的现状

以往电力系统大型主设备（包括发电机、变压器、母线、高压并联电抗器等）继电保护与超高压线路继电保护相比，处于一种相对滞后的状态，主设备保护正确动作率一直较低，与线路保护相比有较大差距。

近年来主设备保护的分析计算方法取得了很大进展，比如采用多回路分析法可以比较精确地计算发电机的内部故障，主设备内部故障保护的配置具备了理论基础。利用真实反应主设备内部各种故障及异常工况的动模系统和仿真系统检验主设备保护，极大地提高了新原理新技术的验证水平。随着基于新硬件平台的数字式主设备保护的推陈出新，实现了主设备保护双主双后的配置方案，保护的设计方案、配置原则趋于完善，同时，新原理和新技术的应用也大大提高了主设备保护的安全运行水平。

（一）主设备保护的双重化配置和主后一体化趋势

近年来，双主双后保护配置方案逐渐应用到主设备保护的领域，尤其是国电调[2002]138号文件《防止电力生产重大事故的二十五项重点要求》继电保护实施细则对主设备保护的双重化作出规定后，双主双后保护方案成为主设备保护研制、设计的指导准则，并为现场运行提供了极大的方便。

双主双后的保护实现方式是针对一个被保护对象，配置2套独立的保护。每套保护均包含主后备保护，并且每套保护由2个CPU系统构成。2个CPU系统之间均能进行完善的自检和互检，出口方式采用2个CPU系统“与”门出口。这种配置方案概念清晰，彻底解决了保护拒动和误动的矛盾，即双重化配置解决了拒动问题，双CPU系统“与”门出口解决了硬件故障导致的误动问题。这种思想已成功地应用到主设备保护上，大大提高了主设备保护的运行水平。

（二）主设备保护的新原理

近年来，主设备保护通过对故障过程的电磁暂态过程的研究、TA饱和特性的研究、内部故障理论分析，结合实际动模和数字仿真，提出了一些新的原理并已在现场广泛应用。

1．差动保护。常规的两折线、三折线比率差动、标积制动式差动、采样值差动等已在很多文献中有所介绍。

2．关于励磁涌流。目前在工程上应用的判别励磁涌流的原理都是从涌流波形与短路电流波形的不同特征入手，来区分励磁涌流与短路的。各种涌流判别原理都具有在故障合闸时，保护动作时间长或动作时间离散度大的缺点。

3．关于TA饱和。TA饱和问题是主设备保护共同面对的问题。由于大型发电机变压器组容量大，故障电流非周期分量衰减时间常数长，可能引起差动保护各侧TA传变暂态不一致或饱和。对于变压器，各侧TA特性不一致，更易引起TA饱和，这样可能会造成在区外发生故障时差动保护误动对于母线近端发生区外故障时，TA也会严重饱和。因此差动保护需有可靠的 TA饱和判据。

针对TA饱和问题，国内外也提出了一些识别TA饱和的办法：采用附加额外的电路来检测TA饱和，缺点是现场工程应用很不方便；提高定值，缺点是降低了内部故障的灵敏度；采用流出电流判据的标积式比率差动，理论计算表明当发电机发生某些内部故障时，也有流出电流，存在拒动的可能性。

二、主设备保护的发展趋势

（一）保护装置的一体化发展

1．充分的资源共享，一个装置包含了被保护元件所有的模拟量，保护逻辑的判据可以充分利用所有电气量，使保护更加完善、可靠，判据更加灵活实用。

2．主后一体化装置，给故障录波、后台分析带来了便利。任何一个故障启动或动作保护装置就可以录下整个单元所有模拟量，使得现场故障的综合分析、定性及事故处理更加方便，而分体式保护只能录下部分信息。

3．主后一体化装置便于保护双重化的实现。主后共用一组TA，TA断线概率大大下降；装置数量少，误动概率降低。

（二）新型光电流互感器、光电压互感器的应用

传统的电磁式TA是一种非线性电流互感器，具有铁磁谐振、磁饱和、绝缘结构复杂、动态范围小、使用频带窄、铜材耗费大，远距离传送造成电位升高等问题。

新型光电流互感器（OTA）、光电压互感器（OTV）相对于电磁式TA具有明显的技术优势：不存在饱和问题，频率响应宽，动态范围大，在很大的电流变化区间内保持线性变换关系；实现了强电和弱电的完全绝缘隔离，具有很强的抗电磁干扰能力；不存在二次开路的问题，二次输出值较小，适合与保护直接接口。因此其将成为主设备微机保护的发展趋势。

（三）信息网络化

变电站监控和发电厂电气监控系统的发展，要求主设备保护具有强大的通信功能，以便通过监控系统实现保护动作报文管理、故障数据处理、定值远方整定、事故追忆等功能，实现了电气智能设备运行的深层次管理。

在采用高速度、大容量的微处理器及高速总线设计后，保护装置将具有更完善的数据处理功能和通信功能，可以更好地实现保护信息化、网络化设计。主设备保护除了动作后经通信网络上传故障报文、数据到监控系统以外，还可以为系统动态提供保护装置的运行状态和信息，并可根据系统运行方式的变化通过数据交换，提供修改保护判据和定值的依据，保证全系统的安全稳定运行。

（四）故障分析技术

新一代主设备保护必须具有强大的故障录波功能，除了记录完整的事件报文、故障数据外，装置还可以记录故障发生前后全过程所有的模拟量、开关量、启动量、中间量的变化，完整地记录每个保护的动作行为。主设备保护的故障信息上传至电气监控系统或保护信息管理系统后，通过高级应用软件，分析保护的动作行为是否正确，为故障查找、分析提供充分的依据。完整的故障数据经数字仿真系统可实现主设备的故障再现，对事故进行深入分析，为保护性能的改进完善提供重要的依据。

（五）信息网络技术

当代继电保护技术的发展，正在从传统的模拟式、数字式探索着进入信息技术领域。在变电站综合自动化方面，保护的配置比较灵活。如果变电站综合自动化采用传统模式，也就是远方终端装置（RTU）加上当地监控系统，这时候，保护装置的信息可以通过遥信输入回路进入RTU，也可以通过串行口与RTU按照约定的通信规约进行信息传递。

（六）自适应技术、智能技术和数字技术的发展

自适应继电保护的基本思想是使保护能尽可能地适应电力系统的各种变化，进一步改善保护的性能。对于主设备保护而言，它与某些保护的判据、定值和系统的变化也是息息相关的，比如发电机失步保护、变压器零序保护等。目前，部分保护功能已经具备了一定的自适应能力，比如浮动门限、变斜率比率差动保护中的制动特性、自适应3次谐波电压比率定子接地判据等。随着与微机保护技术密切相关的其他科技领域新技术和新理论的出现，通信技术、信息技术、自适应控制理论、全球定位系统（GPS）等的应用，必将促进自适应保护的飞速发展。

三、结语

随着电力系统容量日益增大，范围越来越广，仅设置系统各元件的继电保护装置，远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此，必须从电力系统全局出发，进行电气设备继电保护的相关研究。

参考文献

[1]王维俭．电气主设备继电保护原理与应用[J]．北京：中国电力出版社，1996．

[2]沈全荣，何雪峰．大型发变组微机保护双重化配置探讨[J]．电力系统自动化，2002，（10）．

作者简介：李平（1959－），男，广西钟山人，供职于广西电网公司梧州供电局，研究方向：电气主设备继电保护技术。