變電站繼電保護(hù)裝置若干問(wèn)題探討

楊愛(ài)春

（麗水電業(yè)局，浙江 麗水 323000）

1 前言

變電站的主要作用就是變換和分配電能，其作為電廠和電力用戶的中間環(huán)節(jié)，被廣泛地應(yīng)用在電網(wǎng)中。正是由于變電站在電網(wǎng)中占有著重要地位，因此變電站能否正常工作就決定了電網(wǎng)是否堅(jiān)強(qiáng)、穩(wěn)定。而變電站中的繼電保護(hù)裝置又在變電站的運(yùn)行中具有不可替代的作用，它能通過(guò)縮小事故范圍或預(yù)防事故來(lái)最大限度地保證向用戶安全連續(xù)供電，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。繼保裝置在變電站發(fā)生故障時(shí)，能準(zhǔn)確、迅速地隔離、切除變電站內(nèi)部發(fā)生的各種故障，保證沒(méi)有出現(xiàn)故障的部分繼續(xù)運(yùn)行。此外，繼保裝置還能及時(shí)地發(fā)出警報(bào)，以便運(yùn)行維護(hù)人員能夠盡快發(fā)現(xiàn)故障、解決故障，避免大面積地區(qū)停電事故，確保電力系統(tǒng)安全、穩(wěn)定運(yùn)行。

2 變電站繼電保護(hù)裝置的基本要求和主要任務(wù)

2.1 基本要求

由于繼電保護(hù)裝置要求在變電站的設(shè)備和線路出現(xiàn)可能危及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的故障時(shí)，能夠及時(shí)控制相應(yīng)斷路器跳閘以控制故障的影響范圍，并發(fā)出警報(bào)。因此，對(duì)其有以下基本要求：

(1)選擇性。其主要要求內(nèi)容就是上、下級(jí)電網(wǎng)（也包括同級(jí)）的繼保裝置之間應(yīng)遵循逐級(jí)配合的原則來(lái)進(jìn)行整定，以保證故障發(fā)生時(shí)能夠有選擇性地切除故障。例如，在變電站某個(gè)設(shè)備或線路發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)首先由故障點(diǎn)的保護(hù)動(dòng)作來(lái)切除故障。當(dāng)故障點(diǎn)的保護(hù)、斷路器拒動(dòng)時(shí)，才由相鄰設(shè)備或線路的保護(hù)、斷路器動(dòng)作來(lái)切除故障。

(2)快速性，這是繼保裝置對(duì)動(dòng)作時(shí)間的要求。在故障發(fā)生時(shí)，為縮小故障影響的范圍，確保系統(tǒng)穩(wěn)定性，減輕故障設(shè)備和線路的損壞程度，繼保裝置必須在最短時(shí)間內(nèi)切除故障，這對(duì)提高備用設(shè)備自動(dòng)投入和自動(dòng)重合閘的效果也很有利。

(3)可靠性。若繼保裝置在變電站正常運(yùn)行或故障不在保護(hù)范圍內(nèi)時(shí)動(dòng)作了，就被稱為誤動(dòng)；而若保護(hù)裝置在應(yīng)該動(dòng)作時(shí)卻沒(méi)有動(dòng)作就被稱為拒動(dòng)。繼保裝置在選用時(shí)都盡量采用運(yùn)行經(jīng)驗(yàn)豐富、裝置可靠性高、原理簡(jiǎn)單和維護(hù)方便的保護(hù)，就是因?yàn)槔^保裝置的誤動(dòng)和拒動(dòng)會(huì)嚴(yán)重影響裝置的可靠性，進(jìn)而嚴(yán)重破壞電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

(4)靈敏性。靈敏度越高，就說(shuō)明繼保裝置對(duì)故障的反應(yīng)能力越強(qiáng)，保護(hù)動(dòng)作的反應(yīng)時(shí)間越短?？梢酝ㄟ^(guò)對(duì)繼保裝置的整定值進(jìn)行調(diào)校來(lái)實(shí)現(xiàn)更好的靈敏性。整定值的調(diào)校應(yīng)由供電部門具有校驗(yàn)資質(zhì)的專業(yè)人士一年進(jìn)行一次。

2.2 主要任務(wù)

繼電保護(hù)裝置組成見(jiàn)圖1，其主要任務(wù)包括：

(1)對(duì)變電站電氣設(shè)備的不正常工作情況作出反應(yīng)，一方面由裝置自動(dòng)地進(jìn)行調(diào)整，另一方面將那些繼續(xù)運(yùn)行會(huì)引起事故的電氣設(shè)備予以切除。并根據(jù)不同的設(shè)備運(yùn)行維護(hù)條件和不正常工作情況發(fā)出相應(yīng)信號(hào)，提醒變電站值班人員迅速采取措施以恢復(fù)電氣設(shè)備的正常工作。

(2)監(jiān)視變電站運(yùn)行情況，最大限度地減少變電站故障對(duì)變電站設(shè)備和線路損壞，并降低故障對(duì)電力系統(tǒng)安全運(yùn)行的影響。在故障發(fā)生時(shí)，故障點(diǎn)的繼保裝置應(yīng)迅速準(zhǔn)確地動(dòng)作使故障設(shè)備或線路及時(shí)與電力系統(tǒng)斷開(kāi)。

(3)實(shí)現(xiàn)電力系統(tǒng)的自動(dòng)化和遠(yuǎn)程操作，如備用電源自動(dòng)投入、自動(dòng)重合閘、遙控、遙測(cè)等工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)控制功能。

3 常用的變電站繼電保護(hù)裝置

在變電站中，常用的繼電保護(hù)裝置主要有：

3.1 電壓保護(hù)

(1)過(guò)/欠電壓保護(hù)，主要是防止變電站設(shè)備由于雷擊、雷電波入侵、操作過(guò)電壓等特殊情況導(dǎo)致電壓突然升高，或其他情況導(dǎo)致電壓突然降低，致使電氣設(shè)備損壞而設(shè)置的繼電保護(hù)裝置。如在變壓器低壓側(cè)裝設(shè)避雷器是用來(lái)防止雷電波從低壓側(cè)侵入而擊穿變壓器絕緣；在變壓器高壓側(cè)裝設(shè)避雷器就是用來(lái)保護(hù)變壓器。

(2)零序電壓保護(hù)，可用來(lái)預(yù)防因?yàn)樽儔浩髂骋幌嘟^緣遭到破壞時(shí)發(fā)生單相接地故障。零序電壓保護(hù)在三相三線制中性點(diǎn)絕緣（不接地）的電力系統(tǒng)中有廣泛的應(yīng)用。在正常運(yùn)行及相間短路時(shí)，一次側(cè)零序電流為零（相量和），二次側(cè)有很小的不平衡電流。在單相接地故障發(fā)生時(shí)，接地零序電流會(huì)流入電流繼電器，一旦達(dá)到或超過(guò)整定值，繼電器就會(huì)動(dòng)作并發(fā)出信號(hào)。

3.2 電流保護(hù)

(1)電流速斷保護(hù)。理論上，電流速斷保護(hù)沒(méi)有時(shí)限，即以零秒及以下時(shí)限動(dòng)作以切除故障。其一般按照變壓器二次側(cè)發(fā)生三相短路電流或被保護(hù)電氣設(shè)備及線路末端可能出現(xiàn)的最大短路電流來(lái)整定動(dòng)作值。

圖1 繼電保護(hù)裝置的組成

(2)過(guò)電流保護(hù)，一般會(huì)在時(shí)限上設(shè)有相應(yīng)的級(jí)差，這是使上、下級(jí)過(guò)電流保護(hù)能具有選擇性。為確保電氣設(shè)備和線路的正常運(yùn)行，其一般按照躲過(guò)被保護(hù)電氣設(shè)備或線路中可能出現(xiàn)的最大負(fù)荷電流如大電機(jī)啟動(dòng)電流（短時(shí)）和穿越性短路電流之類的非故障性電流來(lái)整定動(dòng)作值。

電流速斷保護(hù)和過(guò)電流保護(hù)常作為電氣設(shè)備或線路的主保護(hù)和相鄰線路的備用保護(hù)來(lái)配合使用。

(3)定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)，其動(dòng)作時(shí)間是恒定的，與短路電流的大小無(wú)關(guān)。定時(shí)限過(guò)電流保護(hù)一般由電流繼電器、時(shí)間繼電器和信號(hào)繼電器三個(gè)元件組成，其中電流繼電器用來(lái)測(cè)量電流大小，時(shí)間繼電器用來(lái)設(shè)定動(dòng)作時(shí)間，而信號(hào)繼電器則發(fā)出動(dòng)作信號(hào)。在被保護(hù)線路正常運(yùn)行時(shí)，電流繼電器不動(dòng)作；而當(dāng)被保護(hù)線路上發(fā)生故障時(shí)，電流繼電器應(yīng)可靠動(dòng)作，經(jīng)過(guò)設(shè)定好的動(dòng)作時(shí)間，發(fā)生動(dòng)作信號(hào)來(lái)切除故障。

(4)無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)，其只能保護(hù)一部分線路，不能保護(hù)整條線路。為了保證保護(hù)動(dòng)作的選擇性，其起動(dòng)電流必須按通過(guò)被保護(hù)線路的電流為最大的運(yùn)行方式整定。這是由于電流速斷的保護(hù)范圍會(huì)隨著整定系統(tǒng)運(yùn)行方式的變化而變化。此外，速斷保護(hù)的特性受被保護(hù)線路的長(zhǎng)短影響也較大，在線路較短時(shí)，保護(hù)范圍就較小，受系統(tǒng)運(yùn)行方式影響也較大；反之，當(dāng)線路較長(zhǎng)時(shí)，保護(hù)范圍就較大，而且受系統(tǒng)運(yùn)行方式的影響也較小。在規(guī)程中要求，無(wú)時(shí)限電流速斷保護(hù)最小保護(hù)范圍不應(yīng)小于線路全長(zhǎng)的15%。

3.3 差動(dòng)保護(hù)

差動(dòng)保護(hù)是根據(jù)被保護(hù)電氣設(shè)備發(fā)生短路故障時(shí)在保護(hù)中產(chǎn)生的電流差而動(dòng)作的繼電保護(hù)裝置。差動(dòng)保護(hù)在保護(hù)區(qū)內(nèi)發(fā)生故障時(shí)，可以整定為瞬時(shí)動(dòng)作。其對(duì)保護(hù)區(qū)外的故障不會(huì)動(dòng)作，因此不需要與保護(hù)區(qū)外相鄰元件保護(hù)在動(dòng)作值和動(dòng)作時(shí)限上相互配合。差動(dòng)保護(hù)可以用來(lái)對(duì)雙繞組或三繞組變壓器繞組內(nèi)部及其引出線上發(fā)生的各種相間短路故障、變壓器單相匝間短路故障進(jìn)行保護(hù)。其保護(hù)范圍是構(gòu)成變壓器差動(dòng)保護(hù)的電流互感器之間的電氣設(shè)備以及連接這些設(shè)備的導(dǎo)線。簡(jiǎn)而言之，就是輸入兩端TA之間的設(shè)備。由于差動(dòng)保護(hù)原理簡(jiǎn)單、保護(hù)范圍明確、使用電氣量單純、動(dòng)作不需延時(shí)，所以差動(dòng)保護(hù)被用作電壓器、發(fā)電機(jī)和并聯(lián)電容器的主保護(hù)裝置，被廣泛應(yīng)用于35kV及以上電壓等級(jí)變電站中[3]。

3.4 電容器保護(hù)

主要用來(lái)防止電容器本身發(fā)生故障以及可能出現(xiàn)的引線短路故障，一般應(yīng)配置帶時(shí)限的速斷保護(hù)和帶外熔絲的電容器保護(hù)。若電容器組容量較大，可以加裝零序保護(hù)或差動(dòng)保護(hù)。

4 變電站繼電保護(hù)裝置未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

4.1 網(wǎng)絡(luò)化

由于數(shù)據(jù)通信手段的限制，除了差動(dòng)保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)外，很多繼電保護(hù)裝置都只能對(duì)安裝處的電氣設(shè)備進(jìn)行保護(hù)。但由于繼電保護(hù)裝置除了切除故障點(diǎn)電氣設(shè)備、限制故障影響范圍外，還要確保整個(gè)電力系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求各個(gè)保護(hù)單元與重合閘裝置在分析運(yùn)行和故障信息數(shù)據(jù)時(shí)協(xié)調(diào)動(dòng)作，每個(gè)保護(hù)單元都能共享全系統(tǒng)的運(yùn)行和故障信息的數(shù)據(jù)。顯然，要實(shí)現(xiàn)這種系統(tǒng)保護(hù)功能就必須要將全系統(tǒng)各主要設(shè)備的保護(hù)裝置連接已形成一個(gè)網(wǎng)絡(luò)，即實(shí)現(xiàn)微機(jī)保護(hù)裝置網(wǎng)絡(luò)化。

4.2 微機(jī)化

隨著計(jì)算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展，繼電保護(hù)微機(jī)化的趨勢(shì)越來(lái)越明顯?，F(xiàn)在，同微機(jī)保護(hù)裝置大小相似的工控機(jī)的功能、速度、存儲(chǔ)容量大大超過(guò)了當(dāng)年的小型機(jī)，繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。

4.3 保護(hù)、測(cè)控、數(shù)據(jù)通信一體化

網(wǎng)絡(luò)化、微機(jī)化后的繼電保護(hù)裝置實(shí)質(zhì)上就是一臺(tái)高性能、多功能的計(jì)算機(jī)，其作為整個(gè)電力系統(tǒng)計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)上的一個(gè)智能終端。一方面，它可以從電力網(wǎng)中獲取電力系統(tǒng)運(yùn)行和故障的任何信息和數(shù)據(jù)。另一方面，它還可以將被保護(hù)設(shè)備的任何信息和數(shù)據(jù)傳送至電力網(wǎng)。因此，每個(gè)微機(jī)保護(hù)裝置不但可完成繼電保護(hù)功能，而且在無(wú)故障正常運(yùn)行情況下還可完成測(cè)量、控制、數(shù)據(jù)通信功能。

4.4 智能化

隨著對(duì)人工智能技術(shù)如遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)、小波變換、數(shù)據(jù)融合技術(shù)、進(jìn)化規(guī)劃、免疫理論、模糊邏輯等在電力系統(tǒng)中應(yīng)用的研究的開(kāi)展。繼電保護(hù)領(lǐng)域相應(yīng)的研究工作也在進(jìn)行中，以神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)技術(shù)為例，很多難以列出方程式或難以求解的復(fù)雜非線性問(wèn)題在神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)這種非線性映射的方法下，都會(huì)變得迎刃而解。其它如遺傳算法、進(jìn)化規(guī)劃等也都有其獨(dú)特的求解復(fù)雜問(wèn)題的能力，若將這些人工智能方法適當(dāng)應(yīng)用到繼電保護(hù)裝置的設(shè)計(jì)和動(dòng)作值整定過(guò)程中去，將會(huì)大大促進(jìn)繼電保護(hù)領(lǐng)域向前發(fā)展。

結(jié)論

繼電保護(hù)技術(shù)是一門綜合性很強(qiáng)的學(xué)科，其在現(xiàn)代電力系統(tǒng)中的應(yīng)用，為最大限度地保證向電力用戶安全連續(xù)供電，提高系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性作出了巨大的貢獻(xiàn)。隨著繼電保護(hù)在硬件和軟件上不斷地向前發(fā)展，其在系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)和功能上都較以往的單純隔離、切除故障有了很大的不同。繼電保護(hù)的動(dòng)作速度越來(lái)越快、集成化程度越來(lái)越高、自動(dòng)化程度越來(lái)越強(qiáng)、保護(hù)之間的聯(lián)系也越來(lái)越緊密，相應(yīng)能夠?qū)崿F(xiàn)的功能也越來(lái)越多。因此，繼電保護(hù)工作者應(yīng)在實(shí)踐中應(yīng)不斷總結(jié)經(jīng)驗(yàn)，探索求新，推進(jìn)繼電保護(hù)技術(shù)的不斷前進(jìn)。

[1]李忠平.變電站繼電保護(hù)裝置的作用及分類[J].科技資訊，2010，16:134-135.

[2]成花麗.淺談繼電保護(hù)在變電站中的應(yīng)用及特點(diǎn)[J].科技創(chuàng)新導(dǎo)報(bào)，2011，17:95.

[3]曹法明.變壓器差動(dòng)保護(hù)[J].電氣工程應(yīng)用，2010，4:10-11.