淺談電力系統(tǒng)繼電保護(hù)技術(shù)原理及發(fā)展趨勢(shì)

張博

（北京四方繼保自動(dòng)化股份有限公司，北京 100085）

繼電保護(hù)技術(shù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展的，它與電力系統(tǒng)對(duì)運(yùn)行可靠性要求的不斷提高密切相關(guān)。繼電保護(hù)是在電網(wǎng)出現(xiàn)事故或異常運(yùn)行情況下動(dòng)作，保證電力系統(tǒng)和電氣設(shè)備安全運(yùn)行的自動(dòng)裝置，研究繼電保護(hù)技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，可以更好地提高繼電保護(hù)的技術(shù)水平，對(duì)電力系統(tǒng)發(fā)展意義重大。

1 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)概述

1.1 繼電保護(hù)基本概念

在電力系統(tǒng)運(yùn)行中，由于外界因素和內(nèi)部因素都可能引起各種故障及不正常運(yùn)行的狀態(tài)出現(xiàn)，常見的故障有：單相接地；三相接地；兩相接地；相間短路；短路等。電力系統(tǒng)非正常運(yùn)行狀態(tài)有：過負(fù)荷，過電壓，非全相運(yùn)行，振蕩，次同步諧振，同步發(fā)電機(jī)短時(shí)異步運(yùn)行等。電力系統(tǒng)繼電保護(hù)和安全自動(dòng)裝置是在電力系統(tǒng)發(fā)生故障和不正常運(yùn)行情況時(shí)，用于快速切除故障，消除不正常狀況的重要自動(dòng)化技術(shù)和設(shè)備。

1.2 繼電保護(hù)的工作原理

繼電保護(hù)的工作原理，是根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成，電力系統(tǒng)發(fā)生故障后，工頻電氣量變化的主要特征是：（1）電流增大。短路時(shí)故障點(diǎn)與電源之間的電氣設(shè)備和輸電線路上的電流將由負(fù)荷電流增大至大大超過負(fù)荷電流。（2）電壓降低。當(dāng)發(fā)生相間短路和接地短路故障時(shí)，系統(tǒng)各點(diǎn)的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點(diǎn)，電壓越低。（3）電流與電壓之間的相位角改變。正常運(yùn)行時(shí)電流與電壓間的相位角是負(fù)荷的功率因數(shù)角，一般約為20°，三相短路時(shí)，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60°～85°。（4）測(cè)量阻抗發(fā)生變化。測(cè)量阻抗即測(cè)量點(diǎn)（保護(hù)安裝處）電壓與電流之比值，正常運(yùn)行時(shí)，測(cè)量阻抗為負(fù)荷阻抗；金屬性短路時(shí)，測(cè)量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路阻抗，故障后測(cè)量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。利用短路故障時(shí)電氣量的變化，便可構(gòu)成各種原理的繼電保護(hù)。

1.3 繼電保護(hù)在電力系統(tǒng)中的任務(wù)

電力系統(tǒng)元件發(fā)生故障時(shí)，應(yīng)該由該元件的繼電保護(hù)裝置迅速準(zhǔn)確地給脫離故障元件最近的斷路器發(fā)出跳閘命令，使故障元件及時(shí)從電力系統(tǒng)中斷開，以最大限度地減少對(duì)電力系統(tǒng)元件本身的損壞，降低對(duì)電力系統(tǒng)安全供電的影響；并滿足電力系統(tǒng)的某些特定要求，能夠反應(yīng)電氣設(shè)備的不正常工作情況，并根據(jù)不正常工作情況和設(shè)備運(yùn)行維護(hù)條件的不同發(fā)出信號(hào)，以便值班人員進(jìn)行處理，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。

1.4 繼電保護(hù)裝置必須具備的基本性能

繼電保護(hù)裝置必須具備的基本性能有：（1）安全性：在不該動(dòng)作時(shí)，不誤動(dòng)；（2）可靠性：在該動(dòng)作時(shí)，不拒動(dòng)；（3）速動(dòng)性：能以最短時(shí)限將故障或異常從系統(tǒng)中切除或隔離；（4）選擇性：在自身整定的范圍內(nèi)切除故障，保證最大限度地向無故障部分繼續(xù)供電，不越級(jí)跳閘；（5）靈敏性：反映故障的能力，通常以靈敏系數(shù)表示；不拒動(dòng)不誤動(dòng)是關(guān)鍵。

2 繼電保護(hù)發(fā)展歷程

繼電保護(hù)是隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展而發(fā)展起來的，最早的繼電保護(hù)裝置是熔斷器。從20世紀(jì)50年代到90年代末，在40余年的時(shí)間里，繼電保護(hù)完成了發(fā)展的4個(gè)階段，即從電磁式保護(hù)裝置到晶體管式繼電保護(hù)裝置、到集成電路繼電保護(hù)裝置、再到微機(jī)繼電保護(hù)裝置。隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的飛速發(fā)展，智能化等先進(jìn)技術(shù)相繼在繼電保護(hù)領(lǐng)域的研究應(yīng)用，繼電保護(hù)技術(shù)向計(jì)算機(jī)化、網(wǎng)絡(luò)化、一體化、智能化方向發(fā)展。電力系統(tǒng)發(fā)展迅速，電網(wǎng)結(jié)構(gòu)越來越復(fù)雜，短路容量不斷增大，到20世紀(jì)產(chǎn)生了作用于斷路器的電磁型繼電保護(hù)裝置。1928年電子器件已開始被應(yīng)用于保護(hù)裝置，在50年代迅速發(fā)展。靜態(tài)繼電器有較高的靈敏度和動(dòng)作速度、維護(hù)簡單、壽命長、體積小、消耗功率小等優(yōu)點(diǎn)，但環(huán)境溫度和外界干擾對(duì)繼電保護(hù)的影響較大。1965年出現(xiàn)了應(yīng)用計(jì)算機(jī)的數(shù)字式繼電保護(hù)，出現(xiàn)了單板機(jī)繼電保護(hù)裝置。到了21世紀(jì)由于計(jì)算機(jī)技術(shù)發(fā)展非常快，微處理機(jī)和微型計(jì)算機(jī)的普遍應(yīng)用，極大地推動(dòng)了數(shù)字式繼電保護(hù)技術(shù)的開發(fā)，大規(guī)模集成化數(shù)字式繼電保護(hù)裝置應(yīng)用非常廣泛。

3 電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的發(fā)展趨勢(shì)

3.1 計(jì)算機(jī)化

隨著計(jì)算機(jī)硬件的迅猛發(fā)展，微機(jī)保護(hù)硬件也在不斷發(fā)展。電力系統(tǒng)對(duì)微機(jī)保護(hù)的要求不斷提高，除了保護(hù)的基本功能外，還應(yīng)具有大容量故障信息和數(shù)據(jù)的長期存放空間，快速的數(shù)據(jù)處理功能，強(qiáng)大的通信能力，與其它保護(hù)、控制裝置和調(diào)度聯(lián)網(wǎng)以共享全系統(tǒng)數(shù)據(jù)、信息和網(wǎng)絡(luò)資源的能力，高級(jí)語言編程等。這就要求微機(jī)保護(hù)裝置具有一臺(tái)PC機(jī)的功能。繼電保護(hù)裝置的微機(jī)化、計(jì)算機(jī)化是不可逆轉(zhuǎn)的發(fā)展趨勢(shì)。但對(duì)如何更好地滿足電力系統(tǒng)要求，如何進(jìn)一步提高繼電保護(hù)的可靠性，如何取得更大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益，尚需進(jìn)行具體深入的研究。

3.2 網(wǎng)絡(luò)化

計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)作為信息和數(shù)據(jù)通信工具已成為信息時(shí)代的技術(shù)支柱，它深刻影響著各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域，也為各個(gè)工業(yè)領(lǐng)域提供了強(qiáng)有力的通信手段。除了差動(dòng)保護(hù)和縱聯(lián)保護(hù)外，所有繼電保護(hù)裝置都只能反應(yīng)保護(hù)安裝處的電氣量，繼電保護(hù)的作用主要是切除故障元件，縮小事故影響范圍。因?yàn)槔^電保護(hù)的作用不只限于切除故障元件和限制事故影響范圍，還要保證全系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。這就要求每個(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)，各個(gè)保護(hù)單元與重合閘裝置在分析這些信息和數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上協(xié)調(diào)動(dòng)作，確保系統(tǒng)的安全穩(wěn)定運(yùn)行。

3.3 智能化

隨著通信和信息技術(shù)的快速發(fā)展，數(shù)字化技術(shù)及應(yīng)用在各行各業(yè)的日益普及也為探索新的繼電保護(hù)原理提供了條件，智能電網(wǎng)中可利用傳感器對(duì)發(fā)電、輸電、配電、供電等關(guān)鍵設(shè)備的運(yùn)行狀況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，把獲得的數(shù)據(jù)通過網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)進(jìn)行收集、整合和分析。利用這些信息可對(duì)運(yùn)行狀況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，實(shí)現(xiàn)對(duì)保護(hù)功能和保護(hù)定值的遠(yuǎn)程動(dòng)態(tài)監(jiān)控和修正。

結(jié)語

綜上所述，隨著電力系統(tǒng)的發(fā)展和計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)的進(jìn)步，繼電保護(hù)技術(shù)由數(shù)字時(shí)代跨入信息化時(shí)代，發(fā)展到一個(gè)新的水平。這對(duì)繼電保護(hù)工作者提出了艱巨的任務(wù)，也開辟了技術(shù)創(chuàng)新的廣闊天地。只有了解和掌握繼電保護(hù)技術(shù)，才能解決電力系統(tǒng)繼電保護(hù)遇到的各類問題，更好地保障電力系統(tǒng)的安全運(yùn)行。

[1]高亮.電力系統(tǒng)微機(jī)繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2007.

[2]霍利民.電力系統(tǒng)繼電保護(hù)[M].北京：中國電力出版社，2008.

[3]許正亞.發(fā)電廠繼電保護(hù)整定計(jì)算及其運(yùn)行技術(shù)[M].北京：中國水利水電出版社，2009.