變電站繼電保護裝置若干問題探討

楊愛春

（麗水電業局，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節，被廣泛地應用在電網中。正是由于變電站在電網中占有著重要地位，因此變電站能否正常工作就決定了電網是否堅強、穩定。而變電站中的繼電保護裝置又在變電站的運行中具有不可替代的作用，它能通過縮小事故范圍或預防事故來最大限度地保證向用戶安全連續供電，提高系統運行的可靠性。繼保裝置在變電站發生故障時，能準確、迅速地隔離、切除變電站內部發生的各種故障，保證沒有出現故障的部分繼續運行。此外，繼保裝置還能及時地發出警報，以便運行維護人員能夠盡快發現故障、解決故障，避免大面積地區停電事故，確保電力系統安全、穩定運行。

2 變電站繼電保護裝置的基本要求和主要任務

2.1 基本要求

由于繼電保護裝置要求在變電站的設備和線路出現可能危及電力系統安全運行的故障時，能夠及時控制相應斷路器跳閘以控制故障的影響范圍，并發出警報。因此，對其有以下基本要求：

(1)選擇性。其主要要求內容就是上、下級電網（也包括同級）的繼保裝置之間應遵循逐級配合的原則來進行整定，以保證故障發生時能夠有選擇性地切除故障。例如，在變電站某個設備或線路發生故障時，應首先由故障點的保護動作來切除故障。當故障點的保護、斷路器拒動時，才由相鄰設備或線路的保護、斷路器動作來切除故障。

(2)快速性，這是繼保裝置對動作時間的要求。在故障發生時，為縮小故障影響的范圍，確保系統穩定性，減輕故障設備和線路的損壞程度，繼保裝置必須在最短時間內切除故障，這對提高備用設備自動投入和自動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行或故障不在保護范圍內時動作了，就被稱為誤動；而若保護裝置在應該動作時卻沒有動作就被稱為拒動。繼保裝置在選用時都盡量采用運行經驗豐富、裝置可靠性高、原理簡單和維護方便的保護，就是因為繼保裝置的誤動和拒動會嚴重影響裝置的可靠性，進而嚴重破壞電力系統的安全穩定運行。

(4)靈敏性。靈敏度越高，就說明繼保裝置對故障的反應能力越強，保護動作的反應時間越短。可以通過對繼保裝置的整定值進行調校來實現更好的靈敏性。整定值的調校應由供電部門具有校驗資質的專業人士一年進行一次。

2.2 主要任務

繼電保護裝置組成見圖1，其主要任務包括：

(1)對變電站電氣設備的不正常工作情況作出反應，一方面由裝置自動地進行調整，另一方面將那些繼續運行會引起事故的電氣設備予以切除。并根據不同的設備運行維護條件和不正常工作情況發出相應信號，提醒變電站值班人員迅速采取措施以恢復電氣設備的正常工作。

(2)監視變電站運行情況，最大限度地減少變電站故障對變電站設備和線路損壞，并降低故障對電力系統安全運行的影響。在故障發生時，故障點的繼保裝置應迅速準確地動作使故障設備或線路及時與電力系統斷開。

(3)實現電力系統的自動化和遠程操作，如備用電源自動投入、自動重合閘、遙控、遙測等工業生產自動控制功能。

3 常用的變電站繼電保護裝置

在變電站中，常用的繼電保護裝置主要有：

3.1 電壓保護

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

(2)零序電壓保護，可用來預防因為變壓器某一相絕緣遭到破壞時發生單相接地故障。零序電壓保護在三相三線制中性點絕緣（不接地）的電力系統中有廣泛的應用。在正常運行及相間短路時，一次側零序電流為零（相量和），二次側有很小的不平衡電流。在單相接地故障發生時，接地零序電流會流入電流繼電器，一旦達到或超過整定值，繼電器就會動作并發出信號。

3.2 電流保護

(1)電流速斷保護。理論上，電流速斷保護沒有時限，即以零秒及以下時限動作以切除故障。其一般按照變壓器二次側發生三相短路電流或被保護電氣設備及線路末端可能出現的最大短路電流來整定動作值。

圖1 繼電保護裝置的組成

(2)過電流保護，一般會在時限上設有相應的級差，這是使上、下級過電流保護能具有選擇性。為確保電氣設備和線路的正常運行，其一般按照躲過被保護電氣設備或線路中可能出現的最大負荷電流如大電機啟動電流（短時）和穿越性短路電流之類的非故障性電流來整定動作值。

電流速斷保護和過電流保護常作為電氣設備或線路的主保護和相鄰線路的備用保護來配合使用。

(3)定時限過電流保護，其動作時間是恒定的，與短路電流的大小無關。定時限過電流保護一般由電流繼電器、時間繼電器和信號繼電器三個元件組成，其中電流繼電器用來測量電流大小，時間繼電器用來設定動作時間，而信號繼電器則發出動作信號。在被保護線路正常運行時，電流繼電器不動作；而當被保護線路上發生故障時，電流繼電器應可靠動作，經過設定好的動作時間，發生動作信號來切除故障。

(4)無時限電流速斷保護，其只能保護一部分線路，不能保護整條線路。為了保證保護動作的選擇性，其起動電流必須按通過被保護線路的電流為最大的運行方式整定。這是由于電流速斷的保護范圍會隨著整定系統運行方式的變化而變化。此外，速斷保護的特性受被保護線路的長短影響也較大，在線路較短時，保護范圍就較小，受系統運行方式影響也較大；反之，當線路較長時，保護范圍就較大，而且受系統運行方式的影響也較小。在規程中要求，無時限電流速斷保護最小保護范圍不應小于線路全長的15%。

3.3 差動保護

差動保護是根據被保護電氣設備發生短路故障時在保護中產生的電流差而動作的繼電保護裝置。差動保護在保護區內發生故障時，可以整定為瞬時動作。其對保護區外的故障不會動作，因此不需要與保護區外相鄰元件保護在動作值和動作時限上相互配合。差動保護可以用來對雙繞組或三繞組變壓器繞組內部及其引出線上發生的各種相間短路故障、變壓器單相匝間短路故障進行保護。其保護范圍是構成變壓器差動保護的電流互感器之間的電氣設備以及連接這些設備的導線。簡而言之，就是輸入兩端TA之間的設備。由于差動保護原理簡單、保護范圍明確、使用電氣量單純、動作不需延時，所以差動保護被用作電壓器、發電機和并聯電容器的主保護裝置，被廣泛應用于35kV及以上電壓等級變電站中[3]。

3.4 電容器保護

主要用來防止電容器本身發生故障以及可能出現的引線短路故障，一般應配置帶時限的速斷保護和帶外熔絲的電容器保護。若電容器組容量較大，可以加裝零序保護或差動保護。

4 變電站繼電保護裝置未來的發展趨勢

4.1 網絡化

由于數據通信手段的限制，除了差動保護和縱聯保護外，很多繼電保護裝置都只能對安裝處的電氣設備進行保護。但由于繼電保護裝置除了切除故障點電氣設備、限制故障影響范圍外，還要確保整個電力系統的安全穩定運行。這就要求各個保護單元與重合閘裝置在分析運行和故障信息數據時協調動作，每個保護單元都能共享全系統的運行和故障信息的數據。顯然，要實現這種系統保護功能就必須要將全系統各主要設備的保護裝置連接已形成一個網絡，即實現微機保護裝置網絡化。

4.2 微機化

隨著計算機硬件的迅猛發展，繼電保護微機化的趨勢越來越明顯。現在，同微機保護裝置大小相似的工控機的功能、速度、存儲容量大大超過了當年的小型機，繼電保護裝置的微機化是不可逆轉的發展趨勢。

4.3 保護、測控、數據通信一體化

網絡化、微機化后的繼電保護裝置實質上就是一臺高性能、多功能的計算機，其作為整個電力系統計算機網絡上的一個智能終端。一方面，它可以從電力網中獲取電力系統運行和故障的任何信息和數據。另一方面，它還可以將被保護設備的任何信息和數據傳送至電力網。因此，每個微機保護裝置不但可完成繼電保護功能，而且在無故障正常運行情況下還可完成測量、控制、數據通信功能。

4.4 智能化

隨著對人工智能技術如遺傳算法、神經網絡、小波變換、數據融合技術、進化規劃、免疫理論、模糊邏輯等在電力系統中應用的研究的開展。繼電保護領域相應的研究工作也在進行中，以神經網絡技術為例，很多難以列出方程式或難以求解的復雜非線性問題在神經網絡這種非線性映射的方法下，都會變得迎刃而解。其它如遺傳算法、進化規劃等也都有其獨特的求解復雜問題的能力，若將這些人工智能方法適當應用到繼電保護裝置的設計和動作值整定過程中去，將會大大促進繼電保護領域向前發展。

結論

繼電保護技術是一門綜合性很強的學科，其在現代電力系統中的應用，為最大限度地保證向電力用戶安全連續供電，提高系統運行的可靠性作出了巨大的貢獻。隨著繼電保護在硬件和軟件上不斷地向前發展，其在系統實現和功能上都較以往的單純隔離、切除故障有了很大的不同。繼電保護的動作速度越來越快、集成化程度越來越高、自動化程度越來越強、保護之間的聯系也越來越緊密，相應能夠實現的功能也越來越多。因此，繼電保護工作者應在實踐中應不斷總結經驗，探索求新，推進繼電保護技術的不斷前進。

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

[2]成花麗.淺談繼電保護在變電站中的應用及特點[J].科技創新導報，2011，17:95.

[3]曹法明.變壓器差動保護[J].電氣工程應用，2010，4:10-11.