电力系统自主可控芯片化继电保护

第1章 继电保护装置概述 1.1 继电保护的概述与要求 1.1.1 继电保护概述 电力系统在运行中，可能发生各种故障或处于不正常运行状态，会危及电力系统安全稳定运行，使电能质量下降，造成停电或少供电，甚至毁坏设备，造成人身伤亡。为避免或减少事故的发生，提高电力系统运行的可靠性，应尽可能提高电气设备设计制造水平，保证设计安装质量，加强设备维护和检修，提高业务人员运维水平，尽一切可能采取积极的事故预防措施，减小事故发生的概率。 在电力系统中，除应采取各种积极措施消除或降低发生故障的可能性以外，故障一旦发生，必须依赖继电保护装置迅速且准确地隔离故障区域，以确保电力系统非故障部分继续安全运行，*大限度地保证连续供电和可靠供电，这是保证电力系统安全稳定运行的*有效方法之一。 继电保护技术是电气工程领域的重要分支。要实现系统非正常运行状态的检测，并迅速采取措施使系统尽快恢复到正常状态，显然采用人工干预方式是不现实的，必须采用继电保护装置自动切除予以实现并力求对系统造成的冲击*小。 继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护整定计算、继电保护装置运行与维护等技术构成，其中，继电保护装置是保护功能的具体实现，是保证电力系统安全运行至关重要的一种自动装置。 继电保护装置是指装设于整个电力系统的各个元件之上，当电力系统内指定区域发生故障时，能在极短的时间内 (如几十毫秒 )断开故障设备，保证其余部分的正常运行，避免大面积停电事故发生的一种反事故自动装置。它的基本任务如下。 (1)当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置自动、迅速、准确地给离故障元件*近的断路器发出跳闸命令，使故障元件及时从电力系统中断开，非故障部分迅速恢复正常运行，*大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求(如保持电力系统的暂态稳定性等)。 (2)反映电气设备的不正常运行状态。根据不正常运行状态的种类和设备运行维护条件 (如有无经常值班人员 )发出信号，由值班人员进行处理或自动进行调整，减负荷或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除。反映不正常运行状态的继电保护装置允许带有一定的延时动作。 由此可见，继电保护装置是电力系统中一种较为特殊的控制装置。它反映电力系统中被保护设备的运行状态：正常、异常或者故障状态。它的输出只有两种状态：“是”或者“否”。“是”和“否”的临界点用“不等式”的“判据”来表达，例如，“故障电流幅值是否大于整定阈值 ？”，大于为“是”，不大于为“否”。这样就可以用判据是否满足来判定电力系统被保护设备是处于故障、异常还是正常运行状态，这样的输出特性称为“继电特性”，有这样输出特性的设备或装置称为“继电器”或“继电装置”，用于保护动作时，就是“继电保护装置”。 继电保护技术是电力系统中不可或缺的一部分，是保障电力终端安全、防止或限制电力系统大面积停电的*基本、*重要、*有效的技术手段。电力系统中的所有一次设备都必须装设继电保护装置，相关电力规程规定：任何电气设备 (线路、母线、发电机、变压器等 )都不允许在无继电保护的状态下运行。可见，继电保护装置在保障一次设备安全运行方面担任着不可或缺的重要角色。而且国内外实践证明，继电保护装置一旦发生不正确动作，往往会扩大事故，酿成严重后果。 由于*初的继电保护装置是以机电式继电器为主构成的，故称为继电保护装置。尽管现代继电保护装置已发展成以微型计算机为主构成，但其基本功能及特征没有变，故仍沿用此名称。 1.1.2 对电力系统继电保护的基本要求 继电保护装置为了实现它的基本任务，在技术上必须满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对作用于断路器跳闸的继电保护装置，应同时满足这四个基本要求；对作用于信号，即只反映不正常运行情况的继电保护装置，某些基本要求如速动性可以降低[1]。 1)选择性 继电保护装置的选择性是指故障发生时，继电保护装置应当由*靠近故障点的断路器将故障快速断开，以保证电力系统的其余部分继续安全稳定地运行。如果应当动作的继电保护装置或断路器因故拒绝动作，则应由电源侧上一级的断路器将故障切除，以保证受故障影响的电力系统范围缩到*小，*大限度地保证系统中非故障部分能继续运行。 例如，在如图1.1所示的单侧电源网络中，G为电源，T为变压器，当线路 L3上 K3点发生故障时，保护装置 P4动作，使断路器 QF4断开，其他保护装置和断路器不动作，仅将线路 L3从系统中切除，此时电网中的其他线路仍正常供电，停电范围*小，因此继电保护具备选择性。当 K3点故障时，若保护装置 P3动作，断路器 QF3断开，则变电所 C、D都将停电，这无疑造成了停电范围的扩大，继电保护的这种动作被视为无选择性的。若保护装置 P4或断路器 QF4故障导致保护拒动，这种情况下保护装置 P3的动作又是具有选择性的，此时保护装置 P3称为线路 L3的后备保护。 图1.1 单侧电源网络的保护选择性动作 又如，线路 L1上 K1点发生故障时，应由保护装置 P1和 P2同时动作，使断路器 QF1和 QF2切除故障线路。总之，要求继电保护装置有选择性地动作，是提高电力系统供电可靠性的基本条件。 2)速动性 电力系统元件发生短路故障时，快速切除故障能减轻故障元件的损坏程度，减小对用户工作的影响，提高电力系统的稳定性。例如，系统发生短路时，电压大为降低，短路点附近用户的电动机转矩因供电电压降低而降低，若迟缓切除短路元件，电动机将因无法拖动生产机械而导致其停止转动，用户的正常生产将受影响；若能快速切除短路元件，系统电压将很快得以恢复，电动机很容易自动启动并迅速恢复正常运行，从而大大减小对用户正常生产的影响。另外，短路时，故障元件本身将通过很大的短路电流，由于电动力和热效应的作用，元件也将遭到严重损坏。短路电流流过元件的时间越长，损坏也越严重，所以快速切除短路故障，便能减轻电气元件的损坏程度，防止短路故障的进一步扩大。再则，快速切除短路元件，使短路点易于去游离，可以提高自动重合闸的成功率。因此，应根据具体情况，对继电保护装置的速动性提出合理要求。 由于速动性和选择性在一般情况下是难以同时满足的，为兼顾两者，一般只能允许继电保护装置经过一定的延时后切除故障。但有时不仅要满足选择性的要求，还要求快速切除故障，如必须快速切除高压输电线路上的故障。对于反映不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的要求，带延时地发出信号。 3)灵敏性 继电保护装置的灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。能满足灵敏性要求的继电保护装置，在规定或整定的保护范围内出现故障时，不论短路点的位置和短路的性质如何，都能正确反应。 保护装置的灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量。各种保护装置灵敏系数的*小值在《继电保护和安全自动装置技术规程》(GB/T 14285—2006)中都做了具体规定。 4)可靠性 保护装置的可靠性是指在其保护范围内发生它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作；在任何该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作，即不拒动不误动。继电保护装置的误动和拒动都会给电力系统造成严重的危害。由于电力系统的结构和负荷性质的不同，误动和拒动的危害程度有所不同，因而提高保护装置可靠性的着重点在各种具体情况下也应有所不同。例如，当系统中有充足的旋转备用容量、输电线路很多、各系统之间以及电源与负荷之间联系很紧密时，若继电保护装置发生误动使某发电机、变压器或输电线路切除，给电力系统造成的影响可能不大；但发电机、变压器或输电线路发生故障时继电保护装置发生拒动，会引起设备的损坏或系统稳定性的破坏，造成巨大的损失，在此情况下，降低继电保护装置拒动的可能性则更为重要。反之，当系统中旋转备用容量很少，以及各系统之间和电源与负荷之间的联系比较薄弱时，继电保护装置发生误动使某发电机、变压器或输电线路切除，会引起负荷供电的中断或系统稳定性的破坏，造成巨大的损失；而当某一保护装置拒动时，其后备保护仍可以切除故障，在这种情况下，降低保护装置误动的可能性则显得更为重要。 以上4个基本要求是分析研究继电保护装置性能的基础，它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。选择性是基础，可靠性是基本条件，在满足灵敏性的条件下应保证继电保护装置的速动性。 1.2 继电保护装置的构成 无论是模拟型还是微机型继电保护装置，都由三部分组成：测量回路、逻辑回路和执行回路。其构成原理框图如图1.2所示。 图1.2 继电保护装置的构成原理框图 1)测量回路 测量回路的作用是测量与被保护元件有关的物理量的变化，如电流、电压的变化，以确定电力系统是否发生了短路故障或出现不正常运行状态。测量得到的物理量值与整定值进行比较，以确定继电保护装置是否应该启动。 2)逻辑回路 逻辑回路的作用是根据测量回路输出量的大小、性质、逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑及时序关系工作，*后确定继电保护装置是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传送到执行回路。 3)执行回路 执行回路接收逻辑回路的判断结果，然后驱动跳闸回路或信号回路，动作于断路器的跳闸或发出不正常运行信号。 1.2.1 模拟型继电保护装置的基本结构 模拟型继电保护装置是采用各种继电器，如电流继电器、电压继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器等，按照一定的逻辑关系组合来实现的。下面以图1.3所示的线路过电流保护为例，简单说明其结构[2]。 图1.3 线路过电流保护结构原理图 电流互感器 TA将线路一次电流变换为二次电流送入电流继电器 KA，当流过 KA的电流大于其整定阈值时，其输出信号启动时间继电器 KT，经一定延时后， KT的输出信号启动中间继电器 KM，然后接通断路器的跳闸回路，同时信号继电器 KS发出保护动作的信号。由于断路器 QF处于合闸位置时，其触点 QF′是闭合的，因此线圈 YR带电，在电磁力的作用下使脱扣机构释放，断路器在跳闸弹簧力的作用下跳开，故障设备被切除，短路电流消失，电流继电器返回，整套保护装置复归，以备下次保护动作。 1.2.2 微机型继电保护装置的基本结构 微机型继电保护装置由计算机软件算法来分析计算电力系统的故障判定电气量，再通过比对决定是否发出跳闸信号。其硬件装置主要包括 4个基本部分，如图1.4所示。 图1.4 微机型继电保护装置硬件结构图 (1)模拟量数据采集单元：包括电压电流形成和模数转换等模块，电压电流形成模块又包含模拟低通滤波器 (analog low pass filter，ALF)、采样保持器 (sample/hold， S/H)等，将电压互感器和电流互感器输入的模拟量转换为数字量。 (2)数据处理单元：其基本功能是进行数值及逻辑运算。当实时采样数据送入计算机系统后，计算机根据继电保护程序对采样数据进行实时计算分析，并判断是否发生故障、故障范围类型等，以实现各种继电保护功能。 (3)开关量输入/输出单元：经过并行结构芯片、光电隔离元件和附加电路驱动中间继电器实现跳闸、合闸或信号输出，以及光电隔离后实现开关状态输入等功能。 (4)人机接口单元：采用并行接口接通液晶显示屏、键盘和打印机等设备，用于实现观测、调试、定值等功能。 1.3 继电保护装置的发展历程与发展趋势 1.3.1 继电