[科普中国]-电力系统继电保护

电力系统继电保护在电力系统事故或异常运行情况下动作，保证电力系统和电气设备安全运行的自动装置。在现代化的电力系统中，如果没有继电保护装置，就无法维持电力系统的正常运行。

基本任务继电保护装置，是指装设于整个电力系统的各个元件上，能在指定区域内快速准确地对电气元件发生的各种故障或不正常运行状态做出响应，并在规定的时限内动作，使断路器跳闸或发出信号的一种反事故自动装置。由于最初的继电保护装置是由机电式继电器为主构成的，故称为继电保护装置。现代继电保护装置已发展成为由电子元器件或微型计算机为主构成的，但仍沿用此名称。继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。

继电保护装置的基本任务是：

(1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，并最大限度地保证其他无故障部分的正常运行不受影响。

(2)能对电气元件的不正常运行状态做出反应，并根据运行维护规范发出告警信号，或自动减负荷，或延时跳闸，使系统运行人员根据告警的种类采取相应的措施进行处理，避免引起更大的系统故障。

(3)可以和电力系统中其他自动装置如自动重合闸装置相配合，在条件允许时，可采取预定措施，尽快地恢复供电和设备运行，从而提高电力系统运行的可靠性。

综上所述，继电保护是一种电力系统安全保障技术，而继电保护装置是一种电力系统的反事故自动装置。在电力系统正常运行时，继电保护装置不动作，而只是实时地严密监视电力系统及其元件的运行状态。一旦发生故障或不正常运行状态，继电保护装置将迅速动作，实现故障隔离并发出告警，保障电力系统安全。因此，继电保护装置又被形象化地称为电力系统的“保护神”。它对保障系统安全运行、保证电能质量、防止故障扩大和事故发生，都有极其重要的作用。1

基本要求为了使继电保护装置能准确及时地完成继电保护任务，在技术上动作于跳闸的继电保护，一般应满足以下四个基本要求。

1．可靠性

继电保护装置的可靠性是指，在规定的保护范围内发生了i亥继电保护装置应该动作的故障时，其不应拒绝动作（又称为信赖性），而在其他任何不应该动作的情况下，都不发生误动作（又称为安全性）。

继电保护装置的误动作和拒绝动作都会给电力系统造成严重的危害。但提高其不误动的可靠性和不拒动的可靠性的措施常常是互相矛盾的。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，因此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发电容量、输电线路很多、各系统之间和电源与负荷之间联系很紧密时，因继电保护装置的误动作使发电机、变压器或输电线切除而给电力系统造成的损失可能很小，但如果发电机、变压器或输电线故障时继电保护装置拒绝动作，则将会造成设备的损坏或系统稳定的破坏，损失是巨大的。在此情况下，提高继电保护不拒动的可靠性比提高不误动的可靠性更为重要。当系统中旋转备用发电容量小、各系统之间和电源与负荷之间的联系比较薄弱时，因继电保护装置的误动作将发电机、变压器或输电线路切除，将会引起对负荷供电的中断，甚至造成系统稳定的破坏，其损失是巨大的，而当继电保护装置拒动时，其后备保护仍可以动作、切除故障，因此，在这种情况下，提高继电保护装置不误动的可靠性比提高其不拒动的可靠性更为重要。由此可见，提高继电保护装置的可靠性应根据电力系统和负荷的具体情况采取适当的措施。

2．灵敏性

继电保护装置的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的继电保护装置，应该当在规定的保护范围内发生故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能敏锐检测出故障，正确作出反应。继电保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数来衡量，该系数主要决定于被保护元件和电力系统的参数和运行方式。GB/T 14285-2006《继电保护和安全自动装置技术规程》中对各种继电保护装置的灵敏系数的最小值都作了具体的规定。

3．选择性

继电保护装置动作的选择性是指，其动作时仅将故障元件从电力系统中切除，使故障范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。

4．速动性

继电保护装置的速动性，是指其尽可能快地切除故障的能力。快速地切除故障可以提商电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，缩小故障元件的掳坏程度。因此，在发生故障时，应力求继电保护装置能迅速动作。2

组成在电力系统中应用各种继电保护装置，尽管它们在结构上各不相同，但基本上是由测量、逻辑、执行三部分组成。

1．测量部分

测量部分的功能是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”或“大于”、“不大于”或“等于0”、“等于1”等逻辑信号，从而判断保护是否应该起动。

2．逻辑部分

逻辑部分的功能是根据测量部分各个输出量的大小、性质，输出的逻辑状态、出现的顺序以及这些状态和顺序的组合，使保护装置按给定的逻辑关系工作，确定是否应该使断路器跳闸或发出信号，并将有关命令传送给执行部分。继电保护中常用的逻辑电路有“或”、“与”、“非”、“延时起动”、“延时返回”以及“记忆”电路等。

3．执行部分

执行部分的功能是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务，如故障时动作于跳闸、不正常运行时发出信号、正常运行时不动作等。

需要指出的是，仅靠继电保护装置是不能达到保护电力设备的目的，只有通过互感器、断路器（含操作机构）、继电保护装置、工作电源及其相互间的连接电缆的协调配合，才能实现继电保护的工作任务。2

发展简史继电保护技术是随着电力系统的发展而发展起来的。电力系统中的短路是不可避免的，短路必然伴随着电流的增大，因此，首先出现了防止电流超过一预定值的过电流保护。熔断器就是最早的、最简单的过电流保护，如今，这种保护方式仍广泛应用于低压线路和用电设备中。随着电网的接线日益复杂，仅靠熔断器已不能满足选择性和快速性的要求，于是19世纪90年代又出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式的电磁型过电流继电器。到20世纪初，随着电力系统的发展，二次式继电器开始广泛应用于电力系统的保护。这个时期可认为是继电保护技术发展的开端。

1901年，出现了感应型过电流继电器。1908年，提出了比较被保护元件两端电流的电流差动保护原理。1910年，方向性电流保护开始得到应用。20世纪20年代初，距离保护装置开始出现。随着电力系统载波通信的发展，在1927年前后，出现了利用高压输电线路上高频载波电流传送和比较输电线路两端功率方向或电流相位的高频载波保护装置。在20世纪50年代，微波中继通信开始应用于电力系统，从而出现了利用微波传送和比较输电线路两端故障电气量的微波保护。在20世纪70年代末，经过20余年的研究，利用故障点产生的行波实现无通道快速继电保护的行波保护装置开始应用。21世纪以来，随着光纤通信在电力系统中的普及，利用光纤通道的继电保护，如光纤差动保护、光纤距离保护等，已得到了广泛的应用。

与此同时，构成继电保护装置的元件、材料，保护装置的结构形式和制造工艺也发生了巨大的变革。20世纪50年代以前的继电保护装置都是由电磁型、感应型或电动型继电器组成的。这些继电器经历了数次重大的改进，积累了丰富的运行经验，工作比较可靠，因而在电力系统中曾得到广泛应用。但这种继电保护装置体积大，消耗功率大，动作速度慢，机械转动部分和触点容易磨损或粘连，调试维护比较复杂，不能满足超高压、大容量电力系统的要求。自20世纪50年代开始，出现了晶体管式继电保护装置。这种保护装置体积小，功率消耗小，动作速度快，无机械转动部分，称为电子式静态保护装置。此后，出现了体积更小、工作更加可靠的集成运算放大器和其他集成电路元件，促进了静态继电保护装置向集成电路化方向的发展。20世纪80年代后期，是静态继电保护从第一代（晶体管式）向第二代（集成电路式）的过渡时期，20世纪90年代开始则是向微机保护过渡的时期。

微机保护装置具有巨大的计算、分析和逻辑判断能力，有储存记忆功能，因而可用于实现性能完善且复杂的保护原理。微机保护装置可连续不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机保护装置可用同一硬件实现不同的保护原理，这使装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。微机保护装置除了保护功能外，还兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录和与调度计算机交换信息等辅助功能，这对简化保护装置的调试、事故分析和事故后的处理等都有重大意义。微机保护装置由于其巨大优越性和潜力而受到运行人员的欢迎，进入20世纪90年代以来在我国得到大量应用，已成为继电保护装置的主要形式，并已成为电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的统一计算机系统的组成部分。

随着计算机技术、信息技术、微电子技术的不断发展，微机继电保护装置的体积会更小，功能会更强、性能会更优，而且基于计算机网络提供的数据信息共享，微机保护装置可以占有全系统的运行数据和信息。微机保护装置的应用，将使继电保护向网络化、智能化、自适应化和保护、测量、控制、数据通信一体化方面快速发展。

继电保护学科是电力学科中最活跃的分支，电力系统的快速发展，以及超大型机组和特高压交、直流输电线路的出现，对继电保护提出了更高的要求，赋予了更艰巨的任务，可以预计，继电保护学科必将向更高的理论技术高度发展。2

本词条内容贡献者为:

杜强 - 高级工程师 - 中国科学院工程热物理研究所