变配电站继电保护有关问题分析

1、变配电站继电保护有关问题分析现 在 电 力系 统变 配 电 站已经 全部采用 变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ），工 业 与民用建筑变电站也开始推广 变电 站 综 合自 动化系统 （微机保护） 。采用变配 电 站 综 合自 动 化系统 （微机保护 ）后， 变电 站的继电 保 护 出 现 了 许 多新问题，需要大家进 行 讨论。事故与 继电保 护 分析电 能是一种特殊的物 质 ，它不能存 储 ，在其 传输过 程中要有可靠的 绝缘。各相之间绝缘破坏就会发 生相 间 短路事故，各相 对 地之 间绝缘 破坏就会 发 生 单相接地短路事故或故障。根据欧姆定律 电压等于电流与电阻的乘积：

2、U=IXRI = U+R在交流电路中电压等于电流与阻抗的乘积： U=IXZI = U+Z供 电 系 统 中的阻抗包括 发电设备、输电线路、变配 电设备 与 负载的阻抗。输电线路与 变 配 电设备的阻抗 远 小于 负载的阻抗。当输电线 路或 变 配 电设备绝缘破坏， 负载 被短路，阻抗变 小， 电 流就要 变大。如果不及时将 发 生短路的 输电线 路或 变 配 电设备 断开（切除），就会使事故扩 大，造成 设备损坏、引起火灾、威胁人身安全，甚至破坏供电 系 统 的 稳定运行。短路保护是供 电 系 统 的主要保 护。短路事故有相 间 短路与 单 相接地短路，相 间短路有三相短路与两相短路。电 源中

3、性点接地的供电 系 统发 生 单 相接地时 ，短路电 流有回路流通，可称为单相接地短路。电 源中性点不接地的供 电 系统发 生 单 相接地 时 ，因 为 短路 电 流没有回路流通，只有三相 对 地不平衡电 容 电 流，称为单 相接地故障。二者的继电保 护原理是不相同的。远方短路及用 电设备 不正常造成的 过电 流与 过负 荷，及瓦斯与温度等非电 量故障均属于异常运行，也需要及 时报 警或跳 闸。继电 保 护 就是在供 电 系 统发 生短路事故与异常运行时 ，能 够 按照要求迅速而有选择 性地将其切除或 报 警，最大限度减小事故造成的影响，保证 供 电 系 统 的 稳定运行。可靠性、选择性、灵敏

4、性与速动性是 继电 保 护的四大要素。可靠性要求无事故时不 误动 ， 发 生事故 时 不拒 动。选择 性可减少停电 范 围。灵敏性是继电保 护对 事故的反 应 能力，它用灵敏系数来表示，灵敏系数必须 符合 规 范要求，灵敏系数等于最小运行方式下的事故电 流除以继电 保 护动 作 电 流， 。速动 性要求尽快地切除事故，必要 时 可无 选择 性 动 作，再用自 动 重合 闸 或 备 用 电 源自动 投入来减小停电 范 围。熔断器（保 险丝 ）是最早出 现 ，至今仍然在使用的 继电 保 护 装置， 220/380 V 低 压 配 电 系 统 除采用熔断器外，低压 断路器由于其保护 及附加功能的 扩

5、 大，得到广泛的 应用。中高 压 配 电 系 统 采用具有断合功能的断路器， 发 生短路事故与异常运行时 ，需要由 继电 保 护动作去断开断路器来切除或报警。供 电 系 统发 生事故后 电流、电压与 频 率等参数就要 发 生 变 化， 继电 保 护 就根据采集到 电流、电压与 频 率等参数 变 化来 动作。频 率 变 化超 过规 定 值 后，由自动 低 频 减 载 与解列动 作来保 证 供 电 系 统 的稳定运行。电流与 电压变 化超 过规 定 值 后， 继电保 护 就要动作将事故切除。有备 用 电 源时 ，当主供电源断 电 后，通 过备 用 电 源自 动 投入装置将备 用 电 源自 动 投入

6、，帮助 继续 供 电。供 电 系 统继电 保 护 按照保 护对 象分 为 ： 发电机、变压器、线路、电动机、电容器、电 抗器与母 线 保 护等。按照保护性 质 分 为 ： 电流、电压、电流与 电压、距离、差动保 护 与非电 量保 护。常 规继电 保 护 由各种 电流、电压及信号 继电 器 组 成包括 测量、保护、控制与信号的二次电路。保护继电 器根据采集到 电流、电压 等参数，与保护 整定 值 比 较后跳开断路器将事故切除。变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保护 ）由模拟 量 输 入（ 测 量回路），开关量输 出（保 护 与控制回路）与开关量 输 入（信号回路） 组 成二次 电路。由模拟

7、量 输 入（ 测 量回路）通 过 交流采 样 直接采集到 电流、电压 等参数（ 测 量回路）后，由 软 件 进 行各种保 护处 理，当 电流、电压 或 时间 超 过变 化整定 值时 ，由开关量 输 出（保 护 与控制回路） 发 出跳 闸命令将事故切除。由此可 见 常 规继电 保 护 与 变电站 综合自 动 化系 统 （微机保 护 ），二次 电 路 设计 有着非常大的差别 ，常 规继电 保 护 需要根据保护 功能要求来选择 各种保 护继电 器，二次 电 路 设计 就比较 复 杂 ，工作量也大。变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ）的保 护 功能由 软 件来 实现 ，只要根据保 护 功

8、能要求 设计 好模 拟量输入（ 测量回路） 、开关量输 出（保 护与控制回路）与开关量输入（信号回路）就可以了，不用 设计各种保 护继电 器，二次 电 路 设计 相 对 比 较简单。数字化 变电 站是 变电 站 继电保 护 的最新技术。传统 的 电 流与 电压 互感器被 电 子或光 电 式 电 流与电压互感器所代替，二次 侧输出的不再是AC05A与AC0100V模拟量信号，而是根据IEC61850 规约 定义的数字量信号。断路器的合分闸 与位置信号完全由智能化装置根据IEC61850 规约 定义输出数字量信号。数字化变电 站的二次二次电路 发生了本 质性变革， 设计 更为简单。相 间 短路保

9、护相间短路保 护由主保 护来完成。主保护有电流与 电压 保护 ，分 别根据 发生事故后的 电流与 电压同保 护 整定 值 中 设 定的动 作 值进 行比 较 来 发 出跳 闸 命令 进 行事故跳，完成继电 保 护。国外电流保 护分 为若干段，而且有保护选择 性连锁。国内把电流保 护分 为速断、过电流与 过负 荷保 护 ，通常称 为三段式保 护 ， 实际 上速断 还分 为 不 带 延 时 与 带 延时电 流保 护。国内外基本上是相同的。电压 保 护 分 为过电压、低电压 与失 压 保 护。过电压与低 电压 用于 发电机、高压电动机、高压电 力电 容器与 电 力 变压 器中性点保 护。失压 保 护

10、 主要用于 备 用 电 源自投与不允许 自起 动 的高 压电动机。随着 电 力系统 的不断发 展， 电 流与 电压 保 护 就开始 满足不了要求。就出现 了复合 电压电 流保 护、低 电压 起 动过电 流保 护 与电 流 电压联锁速断保 护 ，方向保 护、距离保护、纵差 动 保 护、横差动保 护 与高频保护等。工业与民用建筑变电 站一般 为终 端站，复合 电压电 流保 护、电 流电压联锁 速断保 护、距离保 护、方向保护、横差动保 护 与高 频 保 护等遇到的非常少。事故 电 流受电 力系统 运行方式的影响非常大，在 继电 保 护 的 电 流速断保 护 整定 时 涉及到 电 力系统最大运行方式

11、与最小运行方式。电力系统 最大运行方式下，下一级 保 护 安装 处 的三相短路电 流乘以可靠系数作为 本保护 的 电 流速断保 护动 作 电 流，然后再用 电 力系 统 最下运行方式下的两相短路电 流除以 电 流速断保 护动 作 电 流作 为 灵敏系数 进 行校 验 ，灵敏系数必须 符合 规范要求。但电力系 统主要 发电机、变压器或 线 路检修或 发生事故，运行方式就要发生变化，短路 电流就会减小，灵敏系数就降低，保 护 范 围 就要 缩 小，甚至消失， 这 是非常危 险的。有计划的正常 检 修，可以根据运行方式的 变 化，人 为 的改 变电 流速断保 护 整定 值。当发 生事故 时 引起运行

12、方式变 化 时 ，目前无法自 动 改 变电 流速断保 护 整定 值。就需要采用复合电压电流保 护、低电压 起 动电 流保 护 与 电 流 电压联锁 速断保 护 ，方向保 护、距离保护、纵差 动 保 护、横差动保 护 与高频 保 护 等，来克服运行方式发生变化对继电 保护的影响，以保证继电 保护动 作的可靠性与 选择性。电力系统正常运行时母线电压不会低于规定值，一般为额定电压的1015%。发生事故时母线 电压 会降低很多，短路不对 称 时 ， 还 会 产 生很大的 负 序 电压。复合电压电流保 护 就是 软 件以 逻辑 或的关系判 负 序 电压 与低 电压 ，然后在以 逻辑 与判 电 流，最后

13、进 行保 护动作。此时电流速断保 护电 流整定 值 就可以适当减小，从而提高灵敏系数，或增加保护 范 围。当有 电动 机 负 荷 时 ，受 电动 机起 动电 流的影响，有时 就需要采用低 电压 起 动 的 过电 流保 护。当过电 流是由于 电动 机起 动 原因引起时 ，母 线电压 一般不会下降太多，就不起动过电 流保 护。当过电 流是由于事故原因引起时 ，母 线电压 一般会下降很多，此时 再起 动过电 流保 护。低电压起 动过电 流保护有时称为低 电压闭锁电流保 护。电 力系 统 最大运行方式下，因 为 短路 电 流最大， 电 流保 护 范 围 最大，由于 电压 降小，而低 电压 保 护范围反

14、而最小。在电 力系 统最小运行方式下，因 为短路 电流最小， 电流保 护范围最小，由于 电压 降 大，而低 电压 保 护 范 围反而最大。采用电流 电压联锁速断保 护 后，按照主要运行方式下电 流与电压保 护 具有相同的保护 范 围来整定。在运行方式为 最大与最小 时 ，保 护实际动 作范 围 按照 电 流与 电压最小保 护 范 围 来 动 作，所以不会 误动 作，可以在主要运行方式下达到提高灵敏系数，或增加保护 范围的目的。对 于有两个以上电 源的 电 力系统 ，双侧电 源流过 保护 装置的 电 流随着 电 流的方向不同而变 化，因此就采用方向保护。根据短路电 流方向不同而设 置两套不同的电

15、 流速断保 护 整定 值。环 网式供 电在 闭环 运行 时 ，也需要装 设带 方向的 电 流保 护。对 于 线 路保 护 ，当 电 流 电压 保 护满 足不了 选择性、灵敏性与速动性要求 时 ，可采用距离保护。常规 保 护 采用阻抗 继电器，按照正序阻抗来整定。电 力系 统 正常运行时 母 线电压不会低于规 定 值 ，一般为额定电压的1015%。发生事故时母线电压会降低很多，可以根据 发生事故时母线电压与流向 事故点的电 流 计 算出阻抗来进 行保 护 ，阻抗反 应 了距离，所以称为 距离保 护。阻抗计算只与 发 生事故 时 母 线电压 与流向事故点的 电 流有关，与电 力系 统运行方式无关。

16、变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ）由 软 件来 进 行阻抗 计 算，不再需要阻抗 继电器。变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ） 软 件有 记 忆 功能，可以采用 记忆 的事故 发 生前一个周波的 电压作 为方向判拒。纵差动保护主要用于变压器、高压电动机、发电机保护。对于12km 34 k m）的短距离线路，灵敏系数不能满 足要求 时 ，也可采用 线 路 纵 差 动 保 护。环 网式供 电 在 闭环 运行 时 ，也可采用线 路纵 差 动 保 护。横差动 保 护 主要用于发电机，星星 联结 的高 压电 力 电 容器等保 护。高 频 保 护 主要用于高压远距离输电线路。

17、发电 机保 护 与母 线 保 护 工 业 与民用建筑电 气 设计 中遇到的比较少。高 压电动 机保 护 与高 压电 力 电 容器保 护 工 业 建筑 电 气 设计 中 经 常遇到，除上述电 流与 电压 保 护外，可以根据所 选 用的 变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ） 产 品功能，在 调试时进 行 设置。单 相接地保 护单 相接地保 护 决定于 电源中性点的接地方式。 110 kV 及以上 电压 等 级 的 电 源中性点接地系 统 ， 单 相接地保 护 采用 带 方向或不 带 方向的 阶 段式零序 电 流保 护。不能满足要求 时 ，可装 设 接地距离保护 ，再采用零序电 流保

18、护 作 为 后 备 保 护。电 源中性点不接地的供 电 系 统发生 单 相接地时 ，因 为 短路 电 流没有回路流通，只有三相 对 地不平衡 电 容 电 流，称为单相接地故障。此时采用 单 相接地故障检测进 行保 护 ， 动 作于 报 警或跳 闸。通常采用小 电 流接地 选线装置。现在 许 多 变电 站 综 合自 动 化（微机保 护 ）装置也具有单 相接地故障检测功能， 动 作于 报 警或跳 闸。电 源中性点不接地的供 电 系 统发生 单 相接地后，接地相对 地 电压为 零，不接地两相 对 地 电压 升高 为线电压 ，就可以通过 零序 电压进行 报 警，全系统 的其他两相对 地 电 容 电 流

19、的向量和，由接地点，经过 接地故障回路流回 电 源，此 对 地 电 容 电 流等于全系 统单 相 对 地 电 容 电 流的 3 倍。根据零序电压 以及 对 地 电 容电 流的大小与方向，就可以 对发生 单 相接地的回路进 行保 护 ， 动 作于 报 警或跳 闸。我国 10 kV、 35 kV 与 63 kV 目前 还为电 源中性点不接地的供 电系统。在单 相接地 电容 电流不大的供 电 系 统 中， 发 生 发 生 单 相接地后可以只 报 警不跳 闸。当单 相接地 电 容 电 流大于 10A 时 就需要 报 警并跳 闸。现 在城市 电 网 发 展很快，所以在一些大城市供 电 部 门 要求 报

20、警并跳 闸。由于全系统单相对 地 电 容 电 流精确计 算很困 难 ， 单 相接地保 护 整定就比 较 困 难 ， 误动 与拒 动经 常 发生。目前我国 10kV 供 电 系 统 ， 还 不能 够 改 为电 源中性点直接接地的供电 系 统。有些地区供电部 门 已 经 要求 10 kV供 电 系 统 ，采用 电 源中性点 经过 串 联电 阻接地的供电 系 统。此时单相接地保护 就可以按照零序过电流保 护来整定。可以不计算 单 相接地 电 流，按照三相不平衡电 流不大于 25 来整定，整定 值 比 较 准确， 动 作可靠性就有了保证。无法安装零序电流互感器 时 ，可以从三相电 流互感器二次侧 中性

21、 线 取得零序 电 流的 滤序器方案。采用 变电 站 综 合自 动 化系统 （微机保护 ）后几个需要思考的问题 ：）目前 变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ）基本上是在原有常规继电保 护 基 础 上 发展起来的。由于受到 设计规 范与 传统 概念的限制， 计 算机 软 件与网 络功能没有得到充分利用。数字化变电 站与 IEC61850 的推广，可能会 给计 算机 软 件与网 络功能的 发挥带 来机遇， 应引起开 发与使用者重视。）保 护选择 性联锁 技术保 护选择 性 联锁 技 术 在国外已经 得到 应用。保护选择性 联锁 是由下一 级 保 护动 作 时 ，立即 发 出信号给 上

22、一 级 保 护 ；上一级 保 护 受到下一级 保 护发 来的信号后，起动 延 时 作 为 后 备 ；上一 级 保 护 受不到下一级 保 护发 来的信号 时 ，不起动 延 时 主保护动作。由此可见 保 护选择性 联锁 技 术 在不影响保护选择 性配合的情况下，可以适当减小保护级间 配合时间 ，有效防止越 级跳 闸。可以通过计算机 I/O 接口 传输 保 护选择 性联锁 信号，也可以通过计 算机网络来传输 保 护选择 性联锁信号。）现 在 变电 站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ）的 备 用 电 源自投，采用 计 算机 I/O 接口在两路电源 进线 与母 联 断路器之 间传输备 自投信号，

23、二次电 路比较 复 杂 而又不统 一，不利于二次电 路 设计 与 维护。如果利用 计 算机网 络 来 传输备 自投信号，二次电 路可由通信代替，有利于二次电 路 设计与 维护。） 单 相接地保 护如果利用 计 算机网 络 将各 变电 站 综 合自 动 化装置（微机保护 ）的零序 电 流， 传输 到 变电 站 综 合自动 化系 统 （微机保 护 ）的 电压 互感器 测控装置。就可以由变电站 综 合自 动 化系 统 （微机保 护 ）的 电压互感器 测 控装置来 实现 小 电 流接地 选线 ，通 过软 件 计 算就可以 实现 无定 值判断。）利用软 件判断合 闸 来 躲过 励磁涌流与起动电 流变压 器励磁涌流可以通过 二次 谐 波制 动 或尖端角来躲过 ，但目前只用于变压 器差 动 保