淺析電力系統繼電保護的應用與發展

摘 要：隨著我國科學技術的迅速發展，電力已經成為我國社會的主要能源，電力系統的正常運行已經成為經濟健康發展，人民正常生活的重要保證。本文從繼電保護的基本原理對繼電保護技術進行了簡單的介紹，并從小電流接地系統的接地保護闡述了繼電保護技術的應用，并分析了繼電保護技術的發展。

關鍵詞：電力系統；繼電保護；應用；發展

1 前言

隨著社會的進步，市場經濟的不斷發展，電力成為了社會生活和經濟建設的核心能源。然而，伴隨電力系統輸電規模幾何級數的增加以及輸電距離的不斷增長，再加上人們對于電力系統運行的可靠性、穩定性以及電力輸送的質量等都提出了更高的要求，這就對電力系統的正常運行和繼電保護提出了極大的壓力和挑戰。同時各地區電網結構、復雜的自然條件以及氣候變化，設備更迭以及人力資源配備等情況的差異，似的整個電力系統的運行控制變得極其困難。然而各種類型的短路卻是電力系統穩定運行的最大障礙，例如因設備故障導致的短路會對電力設備和電力元件產生較大的損害，而某處電壓的異常下降會是電力傳輸的質量產生影響，而若果電力系統因其他外力受到干擾而不能正常運行還可能英氣系統的震蕩，甚至導致系統崩潰和癱瘓。隨之科學技術以及計算機技術的不斷進步，繼電保護設備和技術逐步被研發出來并應用到電力系統運行的監測和維護中，從而有效保障和提升電力系統供電能力與供電質量。因此，我們要加強對電力系統繼電保護的研究，確保電力系統的順利運行。

2 繼電保護技術

繼電保護的定義就是指在電力系統故障和危及安全運行的異常工況的情況下，可以自動地對電力系統產生保護的措施。它之所以叫做繼電保護是因為有觸點的繼電器在其發展過程中被用為保護電力系統及一些諸如電線等的工作部件。繼電保護的基本任務就是：在電力運行的過程中出現問題后以最快的速度和最窄的范圍內自動將問題源去除或者發出警報，將損失降低到最小。

3 繼電保護技術的應用

我國電力系統中性點接地方式主要有兩種，即：（1）中性點直接接地方式（大電流接地系統）；（2）中性點不直接接地方式（小電流接地系統）。本文繼電保護技術的應用主要介紹中性點不直接接地方式的接地保護。

3.1 輸配電線路的接地保護

小電流接地系統中，如果電力系統發生單相接地故障，故障相對地電壓降低，非故障兩相的相電壓升高1.732倍，但線電壓的大小和相位不變（依然對稱），不影響對用戶的連續供電，所以負荷供電也不會受到影響。

小電流接地系統主要通過三種方式保護電路：第一，零序電壓保護。不發生故障時，電路中是不存在零序電壓的，各相電流的矢量和等于零，當電力系統中發生單相接地故障時，系統中就會出現零序電壓，直接導致信號繼電器報警。由于系統出現問題的時候相電壓會降低而沒有問題的時候正好相反，所以我們可以也通過觀察三個電壓表的情況來判斷是否發生故障。第二，零序電流保護。當系統出現單相接地短路問題時，問題線路的零序電流會高于正常線路，根據這一原理來進行系統的保護具有靈敏度高的優點，因此對于系統中安裝有零序電流互感器的話，這一原理效果很好。第三，零序功率方向保護。對于那些沒有安裝零序電流互感器的線路或者是零序電流差比較小的故障，零序功率方向保護不失為一種比較好的選擇，而且它也可以達到比較高的敏捷度。

3.2 變壓器的保護

電力變壓器是電力系統中一個最基本也最重要的電氣設備，它運行正常與否直接影響著整個電力系統，所以很好地保護好它可以在很大程度上減少相應的損失。

（1）變壓器的瓦斯保護。當變壓器的油箱內發生故障時，電弧會將其中的油等物質分解為可燃氣體，如沒有及時發現后果將十分嚴重。瓦斯保護措施可以在在檢測到變壓器中有這些氣體時迅速跳開它各側的斷路器并報警。

（2）變壓器相間短路的后備保護。變壓器相間過流可采用阻抗保護或過電流保護作為后備保護。第一，阻抗保護。阻抗保護是利用阻抗元件來反應短路故障的保護裝置，阻抗元件的阻抗值是接入該元件的電壓與電流的比值，也就是短路點至保護安裝處的阻抗值；第二，過電流保護。當流過被保護原件中的電流超過預先整定的某個數值時，保護裝置啟動，并用時限保證動作的選擇性，使斷路器跳閘或給出報警信號。

（3）變壓器中性點接地保護。變壓器中性點接地保護專用于電力變壓器中性點，以實現變壓器中性點接地運行或不接地運行兩種不同的運行方式；從而避免由于系統故障，引發變壓器中性點電壓升高造成對變壓器的損害。

3.3 母線保護

根據原理不同，差動原理的母線保護和相位比較原理的母線保護是母線保護的兩種方式。第一，差動原理母線保護。其實它的原理就是基爾霍夫第一電流定理，它通過在所有母線的元件上裝上特性和變化都一樣的專用的電流互感器，差動繼電器繞組與電流互感器二次繞組并聯，從而接入母線差動保護裝置。第二，相位比較原理的母線保護。相位比較原理的母線保護是通過比較相位來進行保護的，所以與幅值沒有關系，這樣一來不僅可以提高了母線保護的靈敏性，而且不平衡電流也不用考慮。

從上述母線保護的原理我們可知，它的結構應盡量簡單，并且應滿足可靠性、快速性和選擇性。小電流接地系統可以使用兩相式接線方式，因為母線保護只需反應相間短路。而對于大電流接地系統，母線保護則應采用三相式接線方式。

3.4 發電機保護

發電機也是電力系統中一個十分重要的元件，所以對于發電機的主保護和后備保護也是非常重要的。

發電機的主保護包括以下幾個方面：（1）縱聯差動保護。它的原理是比較發電機機端側與中性點側電流與相位的大小；（2）匝間短路保護。由于發電機差動保護不能保護定子繞組匝間短故障，在發生匝間短路后，若不能及時處理，則可能發展成為相間故障，造成發電機重大損壞，因此在大機組中都裝設有發電機定子匝間短路保護，同時也可保護定子繞組斷線故障；（3）定子繞組單相接地保護。發電機定子繞組與鐵芯間的絕緣一單破壞，就會形成定子單相接地故障，故應裝設定子繞組單相接地保護；（4）發電機失磁保護。

發電機的后備保護包括：（1）功率方向保護。當發電機出現逆功率，逆功率保護動作斷路器跳閘。需要采集三相電壓和二相電流信號；（2）外部短路引起的定子繞組過電流保護。當發電機縱差保護范圍外發生短路，而短路元件的保護或斷路器拒絕動作，這種保護作為外部短路的后備，也兼作縱差保護的后備保護；（3）定子繞組過負荷保護。定子繞組過負荷保護是對于發電機因過負荷或外部故障引起的定子繞組過電流，裝設定子繞組對稱過負荷保護。發電機定子繞組過負荷保護由定時限和反時限兩部分組成；（4）定子繞組過電壓保護。過電壓保護用來保護發電機各種運行情況下引起的定子過電壓，過電壓保護動作于跳閘；（5）失步保護。當負載突然變化時，由于轉子有慣性，轉子功角不能立即穩定在新的數值，而是在新的穩定值左右要經過若干次擺動，保護動作于信號；（6）低頻率保護。當發電機的頻率值低于規定值（大小、時間）時即按規定發出警告信號或相應保護動作，避免汽輪機低頻運行造成發電機葉片損傷、振動等，保護作用于信號。

4 繼電保護的發展

繼電保護技術發展離不開科學技術支持，二十一世紀以來，我國的電力系統發生了突飛猛進的發展，電力能源市場需求的迫切性不斷增強，我國供電能源產業在未來有著更為廣闊的發展余地。繼電保護技術作為電力系統正常運行的有力保障，勢必需要不斷的突破創新，未來繼電保護技術是向計算機化，智能化發展，網絡信息化的趨勢發展。

4.1 計算機化發展

隨著經濟發展的需要，社會對電力能源的需求量越來越大，高負荷的電力系統對繼電保護的要求也越來越高。除了要具有保護功能以外，還對其提出了很多其他方面的要求：擁有快速處理數據和強大的通信的功能；擁有較大的儲存空間能夠長期存放大容量故障信息和數據；與其它保護和控制裝置聯網共享整個店里系統運行和故障信息數據的能力；擁有高級語言編程能力等等。因此，繼電保護裝置的微機化、計算機化成為不可阻擋的趨勢。

4.2 智能化發展

二十世紀末，繼電保護技術開始引進人工智能技術，并起到了十分重要的作用，將我國繼電保護工作帶入了一個嶄新的時代。其中在繼電保護中比較頻繁使用的人工智能技術有人工神經網絡、進化規劃、遺傳算法、模糊邏輯等，神經網絡作為一種非線性映射的方法能夠模擬人類認知過程的信息處理系統化解異常龐雜的非線性問題，目前應用較為廣泛。

4.3 網絡信息化發展

我們都知道，互聯網技術已然成為當今這個信息時代的技術支柱，它在各個方面都使我們生活的方方面面發生了巨大的改變。繼電保護除了能發現出現問題的元件和將故障影響范圍控制在最小范圍內，還需要要有能保障整個電力系統的穩定安全運行的能力，這樣一來就需要系統中的各個單元能夠一同分享整個系統的各種數據，需要各個保護和控制裝置在分析統計這些數據和信息的基礎上協調運行。如此，繼電保護裝置得到關于故障的信息數據越多，對故障發生地點、故障性質的判定和故障距離的確定就越精確，從而大幅度提高了繼電保護的可靠性和靈敏性。

5 結語

繼電保護技術是電力系統的安全運行的保障，繼電保護技術是我國電力系統穩定運行的安全衛士，更是我國經濟持續保持可持續發展的安全衛士，是我國電力系統安全、穩定運行的重要保證。另外，還必須要每隔一定的時間檢查和維護運行中的繼電保護裝置，按時巡檢其運行狀況，只有這樣才可以及時發現故障并做好相關的處理，才可以保證系統設備無故障地穩定運行，從而為各項建設事業供電以促進經濟發展。繼電保護技術在我國的發展是隨著我國科學技術的發展而相互促進與共同發展的，由于最近幾年以來電腦技術和電子信息技術等當代先進技術的快速發展，我國繼電保護系統也將迎來發展的春天，從而保障電力系統的安全穩定，促進我國供電事業的發展。

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作者簡介：鄭權偉（1981-），男，江蘇蘇州人，本科，工程師，研究方向：繼電保護。