繼電保護最全面的知識詳解
當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件（如發(fā)電機、線路等）或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危及電力系統(tǒng)安全運行時，能夠向運行值班人員及時發(fā)出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展的一種自動化措施和設(shè)備。實現(xiàn)這種自動化措施的成套設(shè)備，一般通稱為繼電保護裝置。
本期就為大家詳細介紹繼電保護的基本原理、基本要求、基本任務(wù)、分類和常見故障分析及其處理。
一、基本原理
繼電保護裝置必須具有正確區(qū)分被保護元件是處于正常運行狀態(tài)還是發(fā)生了故障，是保護區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護裝置要實現(xiàn)這一功能，需要根據(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
短路時故障點與電源之間的電氣設(shè)備和輸電線路上的電流將由負荷電流增大至大大超過負荷電流。
2）電壓降低
當(dāng)發(fā)生相間短路和接地短路故障時，系統(tǒng)各點的相間電壓或相電壓值下降，且越靠近短路點，電壓越低。
3）電流與電壓之間的相位角改變
正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數(shù)角，一般約為20°，三相短路時，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°，而在保護反方向三相短路時，電流與電壓之間的相位角則是180°+(60°～85°)。
4）測量阻抗發(fā)生變化
測量阻抗即測量點(保護安裝處)電壓與電流之比值。正常運行時，測量阻抗為負荷阻抗；金屬性短路時，測量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路阻抗，故障后測量阻抗顯著減小，而阻抗角增大。
不對稱短路時，出現(xiàn)相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現(xiàn)負序電流和負序電壓分量；單相接地時，出現(xiàn)負序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常運行時是不出現(xiàn)的。利用短路故障時電氣量的變化，便可構(gòu)成各種原理的繼電保護。
此外，除了上述反應(yīng)工頻電氣量的保護外，還有反應(yīng)非工頻電氣量的保護，如瓦斯保護。
二、基本要求
繼電保護裝置為了完成它的任務(wù)，必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動性、靈敏性和可靠性四個基本要求。對于作用于繼電器跳閘的繼電保護，應(yīng)同時滿足四個基本要求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運行情況的繼電保護裝置，這四個基本要求中有些要求可以降低。
1
選擇性
選擇性就是指當(dāng)電力系統(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時，其繼電保護僅將故障的設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當(dāng)故障設(shè)備或線路的保護或斷路器拒動時，應(yīng)由相鄰設(shè)備或線路的保護將故障切除。
2
速動性
速動性是指繼電保護裝置應(yīng)能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、低電壓運行的時間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性。
一般必須快速切除的故障有：
1）使發(fā)電廠或重要用戶的母線電壓低于有效值(一般為0.7倍額定電壓)。
2）大容量的發(fā)電機、變壓器和電動機內(nèi)部故障。
3）中、低壓線路導(dǎo)線截面過小，為避免過熱不允許延時切除的故障。
4）可能危及人身安全、對通信系統(tǒng)造成強烈干擾的故障。
故障切除時間包括保護裝置和斷路器動作時間，一般快速保護的動作時間為0.04s～0.08s，最快的可達0.01s～0.04s，一般斷路器的跳閘時間為0.06s～0.15s，最快的可達0.02s～0.06s。
對于反應(yīng)不正常運行情況的繼電保護裝置，一般不要求快速動作，而應(yīng)按照選擇性的條件，帶延時地發(fā)出信號。
3
靈敏性
靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運行情況時，保護裝置的反應(yīng)能力，保護裝置的靈敏性是用靈敏系數(shù)來衡量。
能滿足靈敏性要求的繼電保護，在規(guī)定的范圍內(nèi)故障時，不論短路點的位置和短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，都能正確反應(yīng)動作，即要求不但在系統(tǒng)最大運行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統(tǒng)最小運行方式下經(jīng)過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時也能可靠動作。
系統(tǒng)最大運行方式：
被保護線路末端短路時，系統(tǒng)等效阻抗最小，通過保護裝置的短路電流為最大運行方式。
系統(tǒng)最小運行方式：
在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)等效阻抗為最大，通過保護裝置的短路電流為最小的運行方式。
4
可靠性
可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護最根本的要求。
1）安全性
要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發(fā)生誤動。
2）信賴性
要求繼電保護在規(guī)定的保護范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動作的故障時可靠動作，即不拒動。
繼電保護的誤動作和拒動作都會給電力系統(tǒng)帶來嚴重危害，即使對于相同的電力元件，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，保護不誤動和不拒動對系統(tǒng)的影響也會發(fā)生變化。
以上四個基本要求是設(shè)計、配置和維護繼電保護的依據(jù)，又是分析評價繼電保護的基礎(chǔ)。這四個基本要求之間是相互聯(lián)系的，但往往又存在著矛盾。因此，在實際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì)，辯證地進行統(tǒng)一。
三、基本任務(wù)
電力系統(tǒng)繼電保護的基本任務(wù)是：
1、自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼續(xù)遭到破壞，保證其他無故障部分迅速恢復(fù)正常運行。
2、反應(yīng)電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護的條件（如有無經(jīng)常值班人員）而動作于信號，以便值班員及時處理，或由裝置自動進行調(diào)整，或?qū)⒛切├^續(xù)運行就會引起損壞或發(fā)展成為事故的電氣設(shè)備予以切除。此時一般不要求保護迅速動作，而是根據(jù)對電力系統(tǒng)及其元件的危害程度規(guī)定一定的延時，以免暫短地運行波動造成不必要的動作和干擾而引起的誤動。
3、繼電保護裝置還可以與電力系統(tǒng)中的其他自動化裝置配合，在條件允許時，采取預(yù)定措施，縮短事故停電時間，盡快恢復(fù)供電，從而提高電力系統(tǒng)運行的可靠性。
四、分類
繼電保護可按以下4種方式分類：
1、按被保護對象分類
有輸電線保護和主設(shè)備保護（如發(fā)電機、變壓器、母線、電抗器、電容器等保護）。
2、按保護功能分類
有短路故障保護和異常運行保護。前者又可分為主保護、后備保護和輔助保護；后者又可分為過負荷保護、失磁保護、失步保護、低頻保護、非全相運行保護等。
3、按保護裝置進行比較和運算處理的信號量分類
有模擬式保護和數(shù)字式保護，一切機電型、整流型、晶體管型和集成電路型（運算放大器）保護裝置，它們直接反映輸入信號的連續(xù)模擬量，均屬模擬式保護；采用微處理機和微型計算機的保護裝置，它們反應(yīng)的是將模擬量經(jīng)采樣和模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的離散數(shù)字量，這是數(shù)字式保護。
4、按保護動作原理分類
有過電流保護、低電壓保護、過電壓保護、功率方向保護、距離保護、差動保護、縱聯(lián)保護、瓦斯保護等。
五、異常
發(fā)現(xiàn)繼電保護運行中有異常或存在缺陷時，除了加強監(jiān)視外，對能引起誤動的保護退其出口壓板，然后聯(lián)系繼保人員處理。
如有下列異常情況，均應(yīng)及時退出：
1、母差保護
在發(fā)出“母差交流斷線”、“母差直流電壓消失”信號時；母差不平衡電流不為零時；無專用旁路母線的母聯(lián)開關(guān)串代線路操作及恢復(fù)倒閘操作中。
2、高頻保護
當(dāng)直流電源消失時；定期通道試驗參數(shù)不符合要求時；裝置故障或通道異常信號發(fā)出無法復(fù)歸時；旁母代線路開關(guān)操作過程中。
3、距離保護
當(dāng)采用的PT退出運行或三相電壓回路斷線時；正常情況下助磁電流過大、過小時；負荷電流超過保護允許電流相應(yīng)段時。
4、微機保護
總告警燈亮，同時四個保護（高頻、距離、零序、綜重）之一告警燈亮?xí)r，退出相應(yīng)保護；如果兩個CPU故障，應(yīng)退出該裝置所有保護；告警插件所有信號燈不亮，如果電源指示燈熄滅，說明直流消失，應(yīng)退出出口壓板，在恢復(fù)直流電源后再投入；總告警燈及呼喚燈亮，且打印顯示CPU×ERR信號，如CPU正常，說明保護與接口CPU間通訊回路異常，退出CPU巡檢開關(guān)處理，若信號無法復(fù)歸，說明CPU有致命缺陷，應(yīng)退出保護出口壓板并斷開巡檢開關(guān)處理。
5、瓦斯保護
在變壓器運行中加油、濾油或換硅膠時；潛油泵或冷油器（散熱器）放油檢修后投入時；需要打開呼吸系統(tǒng)的放氣門或放油塞子，或清理吸濕器時；有載調(diào)壓開關(guān)油路上有人工作時。
六、繼電保護常見的故障分析
1、電流互感飽和故障
電流互感器的飽和對電力系統(tǒng)繼電保護的影響是非常之大。隨著配電系統(tǒng)設(shè)備終端負荷的不斷增容，如果發(fā)生短路，則短路電流會很大。如果是系統(tǒng)在靠近終端設(shè)備區(qū)的位置發(fā)生短路時，電流可能會達到或者接近電流互感器單次額定電流的100倍以上。在常態(tài)短路情況下，越大電流互感器誤差是隨著一次短路電流倍數(shù)增大而增大，當(dāng)電流速斷保護使靈敏度降低時就可能阻止動作。在線路短路時，由于電流互感器的電流出現(xiàn)了飽和，而再次感應(yīng)的二次電流小或者接近于零，也會導(dǎo)致定時限過流保護裝置無法展開動作。當(dāng)在配電系統(tǒng)的出口線過流保護拒絕動作時而導(dǎo)致配電所進口線保護動作了，則會使整個配電系統(tǒng)出現(xiàn)斷電的狀況。
2、開關(guān)保護設(shè)備的選擇不當(dāng)
開關(guān)保護設(shè)備的選擇是非常重要的一項工作，現(xiàn)在的多數(shù)配電都在高負荷密集的地區(qū)建立起開關(guān)站，也就是采用變電所—開關(guān)站—配電變壓器的供電輸電的模式。在未實現(xiàn)繼電保護自動化的開關(guān)站內(nèi)，我們應(yīng)當(dāng)更多地采用負荷開關(guān)或與其組合的繼電器設(shè)備系統(tǒng)作為開關(guān)保護的設(shè)備。
七、繼電保護故障的處理方法和措施
1
常見的繼電保護故障的處理方法
1）替換法
用完好的元件代替被認定有故障的元件，來判斷它的好與壞，可以快速縮小故障的查找范圍；
2）參照法
通過對正常設(shè)備和非正常設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)對比，找出不正常設(shè)備的故障點。這個方法主要用于檢查接線錯誤、定值校驗過程中測試值與預(yù)想值有比較大差異的故障。在進行改造和設(shè)備更換之后二次接線不能正確恢復(fù)時，可參照同類設(shè)備的接線。并在繼電器定值校驗時，如果發(fā)現(xiàn)某一只繼電器測試值與整定值相差得比較遠，此時，不可以輕易做出判斷，判斷該繼電器特性不好，應(yīng)當(dāng)調(diào)整繼電器上的刻度值，可用同只表計去測量其他相同回路同類繼電器進行比較；
3）短接法
將回路某一段或一部分用短接線短接，來進行判斷故障是否存在短接線范圍內(nèi)或者其他地方，這樣來確定故障范圍。此法主要是用在電磁鎖失靈、電流回路開路、切換繼電器不動作、判斷控制等轉(zhuǎn)換開關(guān)的接點是否完好。
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確保繼電保護正常運行的措施
合理的人員配置，使人員調(diào)度和協(xié)助能順利進行，明確人員工作目標(biāo)，保證電力正常運行；完善規(guī)章制度，根據(jù)繼電保護的特點，健全和完善保護裝置運行管理的規(guī)章制度，繼電保護設(shè)備臺賬、運行維護、事故分析、定期校驗、缺陷處理等檔案應(yīng)逐步采用計算機管理跟蹤檢查、嚴格考核、實行獎懲；對二次設(shè)備實行狀態(tài)監(jiān)測方法，對綜合自動化變電站而言，容易實現(xiàn)繼電保護狀態(tài)監(jiān)測。
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