供用电网络继电保护

一、继电保护的基本原理与作用

（一）基本原理

• 故障特征利用：当电网发生故障时，电流会骤增、电压会下降，电流与电压的相位差也会变化，继电保护装置通过检测这些电气量的异常来识别故障。

• 动作逻辑：基于 “选择性、速动性、灵敏性、可靠性” 四大原则设计，确保只切除故障设备，而非全网停电。

（二）核心作用

• 故障隔离：快速切断故障线路或设备，防止故障蔓延至整个电网。

• 系统安全保障：避免电气设备因过电流、过电压等损坏，延长设备寿命。

• 供电可靠性维持：减少停电范围和时间，保障非故障区域的正常供电。

二、继电保护装置的组成与分类

（一）装置组成

• 测量部分：采集电流、电压等电气量，与整定值比较。

• 逻辑部分：根据测量结果判断是否满足故障条件，决定是否触发动作。

• 执行部分：发出跳闸指令或报警信号，驱动断路器等设备动作。

（二）分类方式及类型

三、常见继电保护类型及工作原理

（一）过电流保护

• 原理：当线路电流超过整定值时，保护装置延时动作，切断电路。

• 分类：

• 定时限过电流保护：动作时间固定，与电流大小无关。

• 反时限过电流保护：电流越大，动作时间越短，更符合故障紧急程度。

• 应用：常用于线路和设备的过载及短路后备保护。

（二）差动保护

• 原理：比较被保护元件（如变压器、线路）两端的电流大小和相位，正常时两端电流平衡，故障时平衡被打破，立即动作。

• 特点：动作速度快（毫秒级）、灵敏度高，作为主保护。

• 示例：变压器差动保护可区分内部故障（如绕组短路）和外部故障（如线路短路）。

（三）距离保护

• 原理：通过测量故障点到保护安装处的 “阻抗”（与距离成正比）来判断故障位置，阻抗越小，距离越近，动作时间越短。

• 优势：不受电网运行方式变化影响，适用于长距离输电线路。

（四）零序保护（接地保护）

• 原理：检测三相系统中的零序电流（接地故障时产生），用于识别单相接地故障。

• 应用：在中性点直接接地系统（如 110kV 及以上电网）中作为接地故障的主保护。

（五）速断保护

• 原理：不设延时，当电流超过整定值时立即跳闸，用于快速切除近端严重故障。

• 局限：保护范围受电网运行方式影响，可能存在 “保护死区”。

四、继电保护的配置原则与整定计算

（一）配置原则

• 选择性：仅切除故障设备，非故障设备继续运行（如相邻线路故障时，应由相邻线路保护动作）。

• 速动性：故障发生后尽快动作，减少设备损坏和电网波动（一般要求主保护动作时间≤0.1 秒）。

• 灵敏性：对轻微故障也能可靠动作，用灵敏系数（如故障电流 / 整定值）衡量，一般要求≥1.5。

• 可靠性：保护装置本身应可靠工作，避免误动（拒动）或拒动（误动），通过双重化配置等方式实现。

（二）整定计算要点

• 电流整定值：躲过正常最大负荷电流，避免过负荷误动。

• 动作时限：按 “阶梯原则” 设置，离电源越近的保护，动作时间越长（如末端线路保护 0.5 秒，上游线路保护 1.0 秒）。

• 配合校验：确保主保护与后备保护、上下级保护之间的动作时间和整定值相互配合，无冲突。

五、供用电网络继电保护的典型应用场景

（一）输电线路保护

• 配置：通常采用 “纵联差动保护 + 距离保护 + 零序保护” 的组合。

• 示例：220kV 输电线路需配置双重化主保护（两套独立差动保护），防止单一保护失效。

（二）变压器保护

• 主保护：差动保护（防止绕组短路）、瓦斯保护（检测内部故障产生的气体）。

• 后备保护：过电流保护、零序过电压保护，防止外部故障影响变压器。

（三）电动机保护

• 保护类型：过电流保护（防止过载）、断相保护（三相电源缺相时动作）、低电压保护（电压过低时停机，避免电动机烧毁）。

• 应用场景：工厂大型电动机（如风机、水泵）的保护。

（四）低压配电系统保护

• 装置：小型断路器（MCB）、塑壳断路器（MCCB）内置过电流、短路保护功能。

• 特殊需求：漏电保护器（RCD）用于防止人身触电和接地故障，动作电流一般为 30mA 以下。

六、继电保护技术的发展趋势

• 智能化与数字化

• 基于 IEC 61850 标准构建数字化变电站，保护装置通过光纤传输数字信号，提升可靠性和实时性。

• 智能保护装置集成故障诊断、自检功能，可自动识别装置异常并报警。

• 网络化与协同化

• 利用通信网络实现区域保护协作（如广域继电保护），多个保护装置共享数据，优化故障判断逻辑。

• 与电力调度自动化系统（SCADA）互联，实现保护动作后的系统重构和负荷转移。

• 自适应与自愈化

• 根据电网运行方式自动调整保护整定值（如线路重载时提高过流保护阈值）。

• 结合人工智能算法（如神经网络）预测故障趋势，提前预警潜在风险。

• 节能环保

• 采用低功耗芯片和高效电源，降低保护装置能耗。

• 优化保护配置，减少不必要的设备投入，降低系统成本。

七、继电保护的安全与规范

（一）安全措施

• 双重化配置：重要设备（如主变压器、220kV 及以上线路）配置两套独立保护装置，避免单一故障导致保护失效。

• 抗干扰设计：保护装置采用屏蔽、接地等措施，防止电磁干扰（如雷电、高压设备操作）引起误动。

• 定期校验：通过继电保护测试仪对装置的动作值、动作时间进行校验，确保性能可靠。

（二）相关标准

• 国家标准：GB/T 14285《继电保护和安全自动装置技术规程》、GB 50062《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》。

• 行业标准：DL/T 408《电力安全工作规程》（变电部分）、DL/T 587《微机继电保护装置运行管理规程》。

八、典型故障案例与保护动作分析

（一）变压器内部短路故障

• 故障现象：差动保护动作，断路器跳闸，瓦斯保护发出信号。

• 原因分析：绕组绝缘损坏导致相间短路，差动保护检测到两端电流差超过整定值，立即跳闸。

（二）线路单相接地故障

• 中性点直接接地系统：零序保护动作，切除故障线路。

• 中性点不接地系统：一般不立即跳闸，但发出接地报警，运行人员需及时查找故障点（因接地电流小，不影响三相平衡，但长期运行可能发展为相间短路）。

（三）电动机过载故障

• 保护动作：热过载继电器或电子保护器延时动作，切断电动机电源，防止绕组过热烧毁。