继电保护系统在不同技术领域的适用度研究

邓立群

（内江职业技术学院 电气工程系，内江 641100）

1 电力系统继电保护的作用和发展

1.1 继电保护的定义、功能

电力系统的故障：三相短路、两相短路 、单相短路接地、两相短路接地、断线、变压器绕组匝间短路、复合故障等。电力系统不正常运行状态：小接地电流系统的单相接地、过负荷、变压器过热、系统振荡、电压升高、频率降低等。继电保护系统的作用在于，当其保护的系统中电路或元器件出现故障或不正常运行时，这个系统的额保护装置能及时根据设定的程序在系统相应的部位实现跳闸或短路等既定操作，使故障电路或元器件从系统中脱离或者发出信号通知管理人员处理，以达到最大限度地降低电路或元器件的损坏，保护整个电路系统的安全，使被保护系统稳定运行，提高系统的安全性，减少因部分电路或元器件损坏而导致的大面积故障的情况。

继电保护的发展是随着电力系统和自动化技术的发展而发展的。继电保护系统的特殊功能决定其对电路系统的安全、稳定运行起着关键的保护作用，其相应的功能也要随着电力系统的发展而改变。目前，继电保护应用的最主要方面是高压输电，随着我国电力运输系统的规模不断壮大和输电系统等级的不断提高，输电系统的运行方式和系统机构愈加复杂，对继电保护提出了更高的要求。要保证受保护的电力系统安全、可靠的运行，电力系统的继电保护必须具备四个特性：可靠性、灵敏性、速动性和选择性。即保护系统必须反应速度快，回应动作快，灵敏性高，判断准确。

图1 继电保护系统示意图

1.2 继电保护装置的发展，局限性及其现阶段的应用范围

继电保护原理的发展是从简单的电流保护逐步向复杂的距离保护和高频保护过度的。继电保护装置的发展则依赖于构成继电保护装置元器件技术的发展。其发展大致经历了四个阶段，即从电磁型、晶体管型、集成电路型到微机型保护的发展历程[1]。传统的电磁和电磁感应原理的保护存在动作速度慢、灵敏度低、抗震性差以及可动部分有磨损等固有缺点。晶体管继电保护装置也有抗干扰能力差、判据不准确、装置本身的质量不是很稳定等明显的缺点[2]。

继电保护系统在电力系统中起着开关或警报的作用，我们可以将该原理称为开关原理。现阶段，我们习惯性的将继电保护系统认定为高压、低压的电力输电系统的保护系统。然而，继电保护的这一开关原理已经广泛应用于大部分的电路、电器、电子等高压、低压、强电、弱电等技术领域。因为每个继电保护系统所要保护的对象不同，所以需要采用的保护装置也要相应的加以选择，以达到功能与成本的匹配。

2 继电保护系统的不同技术应用领域

2.1 电压矢量跳跃技术的继电保护系统的应用

三相平衡交流供电蹦的电压，其大小和相位是相对稳定的，只要系统阻抗或电流不发生改变，则系统电压矢量基本维持不变。当系统故障时，突变电流将导致电压相角跳变。如突变电流增大，则系统短路；突变电流为零，则系统开路失压。

常用的差动保护原理足利用比较被保护设备两端电流的大小和相位作为启动判据，不反应区外故障或电网的扰动。当系统故障，由于三干重合闸，会引起发电机输出电压或频率的波动。严重时可能出现异步情况，损坏发电机或者发电机和设备之间的传动装置。监视电压相角可作为确定馈线受扰的依据。当系统故障时，突变电流将导致电压相角跳变。跳变相角△由负载变化的大小和性质决定。△的变化作为保护启动的判据，当它超过保护设置的限值时，将开断发电机或跳耦合断路器，这意味着矢量跳跃主要用于电网去耦。

具有矢量跳跃功能的微机保护装置，尤其适应于以下几个类型的保护：水轮机、蓄能发电机、入网发电站、柴油发电机、汽轮机、工业电力站传统的蒸汽发电站、大中型同步电动机、大中型主变压器等。

2.2 孤岛保护技术继电系统的应用

孤岛(islanding)效应，是指当电网失电后，分布式发电系统继续向一部分负荷供电的情况。如果配电网发生故障后，在保证电力系统安全的前提下，尽可能维持DG正常供电，而将配电网转化为若干孤岛自治运行，将可以减小停电面积，提高供电可靠性，对电网公司、DG发电商和用户都是有利的。

但是非计划性孤岛运行时也会有很严重的后果：1）电网无法控制孤岛中的电压和频率，如果电压和频率超出允许的范围。可能会对用户的设备造成损坏；2）如果负载容量大于逆变电源容量，逆变电源过载运行，易被烧毁；3）与逆变电源相连的线路仍然带电，对检修人员造成危险，降低电刚的安全性；4）对孤岛进行重台闸操作会导致该线路再次跳闸，还有可能损坏逆变电源和其他设备。可见，研究孤岛检测方法及保护措施。将孤岛产生的危害降至最低具有十分重要的现实意义。当主电网跳闸时，分布式发电装置的非计划运行将对用户以及配电设备造成严重损害，因此实际电网系统中分布式发电装簧必须具备反孤岛保护的功能，即具有检测孤岛效应并及时与电网切离的功能[3]。

2.3 基于网格平台的中压电网广域保护系统

广域保护是这几年来国内外新兴的一个课题，它不同于传统的单个电气元件的逻辑保护，而是从电网的整体或区域电网的角度出发，以保证受扰动的系统能够安全、稳定地运行为最大目标。广域保护的提出是建立在计算机和通信技术发展的基础上的。与大型互联电网的安全和稳定性要求有着密切的关系。借助可靠的通信网络，以及智能仪器的推理和信息交换功能，广域保护系统可以获得电力系统多测点的信息，在快速准确地切除故障的同时，能根据故障切除前后电网潮流分布和拓扑结构变化的情况，合理选择预防性的控制措施，更新保护区域的划分和保护整定值，防止大规模的连锁跳闸和崩溃。

广域保护系统从电网的整体或区域电网的角度出发，用广域测量系统测得电力系统多测点的信息，在快速准确切除故障的同时，能根据故障切除前后的电网潮流分布和拓扑结构的变化情况，合理选择预防性的控制措施，更新保护区域的划分和保护整定值，防止大规模的连锁跳闸和崩溃，保证了受扰动的系统能够安全、稳定的运行[4]。

3 继电保护系统应用枚举

3.1 现代船舶应用继电保护系统

随着船舶工业的快速发展，船舶电站的供配电系统也日趋现代化，势必对船舶电力系统的安全性提出更高的要求。船舶电力系统的继电保护是保证船舶供配电网络安全运行的关键系统。继电保护系统在保护电力系统安全、可靠运行、维护和故障排除等方面发挥重要作用。速动性、选择性、灵敏性和可靠性是船舶电力系统继电保护的四个基本要求。由于现代船舶电力继电保护系统日趋复杂和精细，传统的晶体管型以及集成电路继电保护已经难以满足需要，微电脑继电保护系统正在逐步得到发展和应用[5]。

应用到船舶上的微电脑继电保护系统应该具有能及时、准确地测出发电机的三相交流电压、电流及其变化关系并快速反应的功能；具有其他如测量频率、功率等相关功能；具有操作方便、显示直观的显示界面；能适应船舶的潮湿、摇晃、大功率长时间运行的特点。

3.2 厂矿企业中应用继电保护系统

厂矿企业中，各种设备相对比较集中，大容量的用电设备在电力系统中中占有较大的比重。因此保证生产的重要条件之一是保证厂矿企业中供配电系统及电气设备安全运行。这就要求供电系统能承受大功率用电的负担，并且能对各种电力系统的故障快速反应。

厂矿企业中机器设备多，运行时断时停，不同时段消耗的电功率不同，设备相互关联较密切，且人机相隔较近，容易出现坏一点而坏一片的情况。所以厂矿企业中的继电保护系统对所保护的系统具有敏感的判断能力和快速的反应能力。大多数厂矿企业采用WPLZ-350继电保护系统。该系统采用分层分布式结构；以工业控制网络CANBUS构成总线形式，可靠性高、扩充方便；设有就地手动操作机构作后备微机交流来样精度高；达到元人值守水平，人机分离，保证工作人员的人身安全。

3.3 一般家庭用电中应用继电保护系统

一般家庭电力系统的用电都是通过大型变电站降压处理后输送到每一个供电网络中。相对于变电站和高压输电系统，一般家庭电力系统的电力继电保护系统不需要在可靠性、灵敏性、速动性和选择性上达到最高级的程度。综合功能和成本的考虑，一般家庭电力系统的继电保护系统只需要传统的电磁继电保护系统即可满足应用需求。

4 电力系统继电保护安全性能分析

社会现代化的日新月异变化对不断发展的电力系统提出了越来越高的要求，其中最为重要的前提条件是“安全”。作为电力系统的重要组成部分，电力电气设备的安全性能不容忽视[6]。

4.1 电器设备的安全标准

IEC 60255-27：2005将电气设备进行了分类，按照不同的安全防护级别划分为三类设备，根据不同类别的设备，提出了不同的安全要求，其中包括：1）一般要求；2）电击防护要求及单一故障状态定义；3）机械方面安全要求；4）可燃性及防火要求；5）通用和基本安全设计要求。该标准为保证继电保护及自动化产品的安全运行提供了依据。

4.2 继电保护装置的安全标准

继电保护产品在现场运行中存在着包括电击、着火、机械、辐射、化学等多方面的危险形式，因而此类产品在安全性能方面必须达到以下几点条件：1）在预期的环境条件下能抵御外界的非机械的影响，而不危及人身与设备的安全；2）在满足预期的过载条件下，不应危及人身和设备的安全；3）在可预见的过载条件下，不应危及人身和设备的安全：4）应有对人体的直接触电或间接触电所引起的身体伤害及其他危害有足够的防护措施；5）不应产生危害人身安全的温度、电弧或辐射等危险；6）绝缘性能应满足各种预见的情况；7）对危害人身和设备安全的其他危险应有足够的防护措施[7]。

5 结论

建国以来，我国电力系统继电保护技术发展过程经历了从电磁型、晶体管型、集成电路型到微机型保护4个时代，随着电力系统的发展和计算机通信技术的进步，继电保护技术的发展向计算机化的方向发展，这对继电保护工作者提出了新的挑战，但这也是我国电力技术的发展的一个巨大机遇。我国的电力工作者和计算机通信工作者要抓住这个机遇，尽可能早地研究、掌握新技术，发展我国电力事业。

[1] 袁浩.面向对象的电力系统继电保护系统设计[M].2006.

[2] 冯大彬.ARM微处理器在电力系统线路保护中的应用研究[M].2007.

[3] 艾迪佳,艾帝恩.用于继电保护中的几种技术方法[M].2009.

[4] 施凌鹏.基于网格平台的中压电网广域保护分析[M].2009.

[5] 翁石光,卞根发.船舶电力网继电保护测试系统的研究[M].2009.

[6] 德恒,谈克雄. 电绝缘诊断技术[M].1998.

[7] 周永荣,胥岱遐,韩天行.电力系统继电保护安全性能评估[M].2008.