【分享】继电保护之各类保护的基本特点分析

继电保护选择的基本要求

继电保护配置方式要满足电力网结构和厂站的主接线的要求，并考虑电力网和厂站的运行方式的灵活性。所配置的继电保护装置应能满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。

1） 根据保护对象的故障特征来配置

继电保护装置是通过提取保护对象表征其运行状况的故障量，来判断保护对象是否存在故障或异常工况并采取相应的措施的自动装置。用于继电保护状态判别的故障量，随被保护对象而异，也随电力系统周围条件而异。使用最普遍的工频电气量，而最基本的是通过电力元件的电流和所在母线的电压以及由这些量演绎出来的其它量，如功率、序相量、 阻抗、频率等，从而构成电流保护、电压保护、方向保护、阻抗保护、差动保护等。

2）根据保护对象的电压等级和重要性来配置

不同电压等级的电网的保护配置要求不同。在高压电网中由于系统稳定对故障切除时间要求比较高，往往强调主保护，淡化后备保护。220kV 及以上设备要配置双重化的两套主保护。

3）在满足安全可靠性的前提下要尽量简化二次回路

继电保护系统是继电保护装置和二次回路构成的有机整体，缺一不可。二次回路虽然不是主体，但它在保证电力生产的安全，保证继电保护装置正确工作发挥重要的作用。但复杂的二次回路可能导致保护装置不能正确感受系统的实际工作状态而不正确动作。因此在选择保护装置时尽量简化接线。

4）要注意相邻设备保护装置的死区问题

电力系统各个元件都配置各自的保护装置不能留下死区。在设计时要合理分配的电流互感器绕组，两个设备的保护范围要有交叉。同时对断路器和电流互感器之间的发生的故障要考虑死区保护。

线路保护的基本特点

电线路在整个电网中分布最广，自然环境也比较恶劣，因此输电线路是电力系统中故障概率最高的元件。输电线路故障往往由雷击、雷雨、鸟害等自然因素引起。线路的故障类型主要是单相接地故障、两相接地故障，相间故障，三相故障。
不同电压等级的输电线路保护配置不同。35kV 及以下电压等级系统往往是不接地系统，线路保护要求配置阶段式过流保护。由于过流保护受系统运行方式比较大，为了保证保护的选择性，对一些短线路的保护也需要配置阶段式距离保护。110kV 线路保护要求配置阶段式相过流保护和零序保护或阶段式相间和接地距离保护辅以一段反映电阻接地的零序保护。110kV 及以下线路的保护采用远后备的方式，当线路发生故障时，若本线路的瞬时段保护不能动作则由相邻线路的延时段来切除。根据系统稳定要求，有些 110kV 双侧电源线路也配置一套纵联保护（全线速动保护）。为了保证功能的独立性， 110kV 线路保护装置和测控装置是完全独立的。220kV及以上线路保护采用近后备的方式，配置两套不同原理的纵联保护和完整的后备保护。全线速动保护主要指高频距离保护、高频零序保护、高频突变量方向保护和光纤差动保护。后备保护
包括三段相间和接地距离、四段零序方向过流保护。此外 220kV 线路保护还要配置三相不一致保护。
输电线路的故障大多数是瞬时性的，因此装设自动重合闸可以大大提高供电可靠性。
选用重合闸的方式必须根据系统的结构及运行稳定要求、电力设备承受能力，合理地选定。
凡是选用简单的三相重合闸方式能满足具体系统实际需要的线路都能当选用三相重合闸方式。
当发生单相接地故障时，如果使用三相重合闸不能保证系统稳定，或者地区系统会出现大面积停电，或者影响重要负荷停电的线路上，应当选用单相或综合重合闸方式。在大机组出口一般不使用三相重合闸。我国 220kV 线路基本采用单相重合闸， 110kV 线路采用三相重合闸方式。

变压器保护的基本特点

电力变压器是电力系统中使用相当普遍和十分重要的电器设备，它若发生故障将给供电和电力系统的运行带来严重的后果。为了保证变压器的按安全运行防止扩大事故，按照变压器可能发生的故障，装设灵敏、快速、可靠和选择性好保护装置。
变压器可能发生的故障有：各向绕组之间的相间短路；单相绕组部分线匝之间匝间短路，单相绕组和铁芯绝缘损坏引起的接地短路；引出线的相间短路；引出线通过外壳发生的单相接地短路以及油箱和套管漏油。变压器的不正常工作情况有：外部短路或过负荷引起的过电流；变压器中性点电压升高或由于外加电压过高引起的过励磁等。
根据继电保护和安全自动装置技术规程规定，变压器一般情况要配置以下保护：变压器油箱内部短路故障和油面降低的瓦斯保护、压力释放、油温过高、冷却器全停等非电量保护；
变压器绕组和引出线多相短路、大电流接地系统侧绕组和引出线的单相接地短路及绕组匝间短路的纵联差动保护或电流速断保护；
变压器外部相间短路并作为瓦斯保护和差动保护（电流速动保护）后备的低电压起动过流保护（或复合电压起动的过电流保护或负序过电流保护）；
大电流接地系统中变压器外部接地短路得零序电流保护；
变压器对称过负荷的过负荷保护；
变压器过激磁的过激磁保护。
不同电压等级和容量的变压器配置有所区别，电压等级越高，变电容量越大的变压器配置越复杂。对电压为 220kV 及以上大型变压器除非电量保护外，要求配置两套完全独立的差动保护和各侧后备保护。
220kV 侧的后备保护包括：零序方向过流（两段两时限）和不带方向的零序过流；复合电压方向过流（一段两时限）和复合电压过流；间隙零序电流和电压保护。
110kV 侧的后备保护包括：零序方向过流（两段两时限）和零序过流；复合电压方向过流（一段两时限）和复合电压过流；间隙零序电流和电压保护。
35kV 侧的后备保护包括：复合电压方向过流（一段三时限）。
各侧装设过负荷保护，自耦变还装设公共绕组过负荷保护

母线保护的基本特点

发电厂和变电所的母线是电力系统中的一个重要组成元件， 与其他电气设备一样，母线及其绝缘子也存在着由于绝缘老化、污秽和雷击等引起的短路故障，此外还可能发生由值班人员误操作而引起的人为故障，母线故障造成的后果是十分严重的。当母线上发生故障时，将使连接在故障母线上的所有元件被迫停电。此外，在电力系统中枢纽变电所的母线上故障时，还可能引起系统稳定的破坏。一般说来， 低压母线不采用专门的母线保护，而利用供电元件的保护装置就可以把母线故障切除。当双母线同时运行或单母线分段时，供电元件的保护装置则不能保证有选择性地切除故障母线， 因此在超高压电网中普遍地装设专门的母线保护装置。母线保护的基本配置为：

（ 1） 母线差动保护
（ 2） 母联充电保护
（ 3） 母联过流保护
（ 4） 母联失灵与母联死区保护

（ 5） 断路器失灵保护

备用电源自投保护的基本特点

备用电源自动投入装置是保证供电可靠性的重要设备。电源备自投装置采集断路器位置、电压、电流等信息，如判断出配电装置已失去主电源将自动合上备用电源。微机型电源备自投装置的工作原理和微机保护基本相同。
备用电源备自投装置主要用于 110kV 及以下的中低压配电系统中，因此其主接线方案是根据变电所、发电厂厂用电的主要一次接线方案设计的。和一次接线方案相对应，电源备自投装置主要有低压母线分段开关、内桥开关、线路三种备自投方案。

微机保护装置的一般构成

从功能上来划分，微机保护装置可以分为 6 个部分：①模拟量输入系统（或称数据采集系统）；②继电功能回路（CPU 主系统）；③开关量输入/输出回路；④人机接口回路；⑤通信回路；⑥电源回路。微机保护硬件系统构成示意图见图 1.2-1 微机保护硬件系统构成示意图。

模拟量输入系统的主要功能是采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，并将此信号经过适当的预处理，然后转换为所需的数字量。CPU 主系统包括微处理器 CPU，只读存储器(EPROM)、随机存取存储器(RAM)及定时器(TIMER)等。CPU 执行存放在 EPROM 中的程序，对由数据采集系统输入至 RAM 区的原始数据进行分析处理，以完成各种继电保护功能。开关量输入/输出回路由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号报警及外部接点输入等工作。人机接口部分主要包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整、人对机器工作状态的干预等。人机接口应定时或在保护动作后打印或显示运行情况及保护执行结果。考虑到保护之间通信及远动的要求，还应有通信接口。供电电源回路提供了整个装置所需的直流稳压电源， 以保证整个装置的可靠供电。

根据模数转换的原理不同，微机保护装置中模拟量输入回路有两种方式，一是基于逐次逼近型 A/D 转换方式，二是利用电压/频率变换(VFC)原理进行 A/D 转换的方式。前者包括电压形成回路、模拟低通滤波器(ALF)、采样保持回路(S/H)、多路转换开关电路(MPX)及模数转换回路(A/D)等功能块；后者主要包括电压形成、 VFC 回路、计数器等环节， 模拟量输入回路框图见图1.2-2 所示。

开关量输入大多数是触点状态的输入，可以分成两类：
1)安装在装置面板上的触点，例如各种工作方式开关，调试装置或运动中定期检查装置用的键盘触点，复位按钮及其他按钮等。
这类触点，与外界电路无联系，可直接接至微机的并行接口，如图 1-3 所示，也可以直接与 CPU 口线相连。在初始化时规定图中可编程并行口的 PA0 为输入口， CPU 可以通过软件查询，随时知道外部触点 S 的状态。当 S 未被按下时，通过上拉电阻使 PA0 输人电压为 5V， S按下时， PA0 输入电压为 0V。因此 CPU 通过查询 PA0 的输入电压，就可以判断 S 是处于断开
还是闭合状态。
2)从装置外部经过端子排引入装置的触点，例如需要由运行人员不打开装置外盖而在运行中切换的各种压板，转换开关以及其他保护装置和操作继电器的触点等。
这类触点由于与外电路有联系，需经光耦器件进行隔离，以防触点输入回路引入的干扰，其原理接线如图 1.2-3 所示。图中虚线框内是光耦元件，集成在一个芯片内。当外部触点 S 接通时，有电流通过光耦器件的发光二极管，使光敏三极管受激发而导通，三极管集电极电位呈低电平。S 打开时，光敏三极管截止，集电极输出高电平。因此三极管集电极的电位亦即 PA0

口线的电位变化，就代表了外部触点的通断情况。这种电路使可能带有电磁干扰的外部接线回路和微机电路之间，只有光的耦合而无电的联系，因此可大大削弱干扰。

对于某些外部触点，如果在其通断变化后须立即得到处理，用软件查询方式会带来延时，这时可以将光敏三极管的集电极直接接 CPU 的中断请求端子。
开关量输出主要包括保护的跳闸出口、合闸出口以及本地和中央信号等。一般都采用并行接口的输出口来控制有触点继电器(干簧或密封小中间继电器)的方法。为提高抗干扰能力，也要经过光电隔离，如图 1.2-4 所示。只要由软件使并行口的 PB0 输出“0”， PB1 输出“l”，便可使与非门 Y2 输出低电平，发光二极管导通，光敏三极管激发导通，使继电器 K 动作，其触点闭合，启动后级电路。在初始化和需要继电器返回时，应使 PB0 输出“1”， PB1 输出“0”。

这里经与非门 Y1(用作反相器)及与非门 Y2 输出，而不是将发光二极管直接同并行口相连，一方面是为了增强并行口的带负荷能力，另一方面是在采用了与非门后，要满足两个条件才能使 K 动作，从而增加了抗干扰能力。

PB0 经一反相器，而 PB1 却不经反相器，这样接可防止在拉合直流电源的过程中继电器 K 的短时误动。因为在拉合直流电源过程中，当 5V 电源处在中间某一临
界电压时，可能由于逻辑电路的工作紊乱而造成保护动作，特别是保护装置的电源往往接有大量的电容器，所以拉合直流电源时，无论是 5V 电源还是驱动继电器 K 用的电源正， 都可能缓慢上升或下降，从而完全可能来得及使继电器 K 的触点短时闭合。
人机对话回路主要包括键盘、显示器、打印接口及用于干预装置工作的各种按钮或开关等，有些回路严格来说属于开关量输入输出回路的范畴，但目前多数微机保护装置特别是采用多 CPU 之后，将人机对话部分专门做成一个插件。

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