电力系统继电保护配置原则

一、概述

电力系统是指由发电、送电、变电、配电和用电等各个环节（一次设备）所构成的有机整体，也包括相应的通信、继电保护（含安全自动装置）、调度自动化等设施（二次设备）。

电力系统安全运行是指运行中所有电力设备必须在不超过它们所允许的电流、电压、频率及时间限额内运行(强调充裕性)。不安全的后果可能导致电力设备的损坏，大面积停电。

2003年8月14日下午，美国纽约、底特律和克利夫兰以及加拿大多伦多、渥太华等城市均发生停电事故。事故原因俄亥俄州阿克伦城的第一能源公司的两根高压电线其中一根因树枝生长碰至线路后跳闸，另外一条线路因安全自动装置误动，导致第二条线路跳闸，最终导致各个子电网潮流不能平衡，最终系统解列。

可见，要保证电力的安全稳定运行，必须配置安全可靠的继电保护装置和安全自动装置。继电保护顾名思义在系统发生故障时及时隔离故障点保护一次设备，同时能够让电力系统继续安全稳定运行。

二、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。

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1）要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。

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。所谓主保护即设备发生故障时可以无延时跳闸，此外还要考虑断路器失灵保护。对电压等级低的系统则可以采用远后备的方式，在故障设备本身的保护装置无法正确动作时相邻设备的保护装置延时跳闸。

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是，在可能条件下尽量简化接线。

4）要注意相邻设备保护装置的死区问题

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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。

三、线路保护

输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

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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。我省220kV线路基本采用单相重合闸，110kV线路采用三相重合闸方式。

四、变压器保护

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；

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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。

五、母线保护

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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

我省母联充电保护和母联过流解列保护是单独配置的，充电保护是相电流保护，母联过流解列保护要相电流和零序过流保护。

六、备用电源自投装置

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

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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。

七、其它安全自动装置

继电保护装置动作后切除故障后可能引起电力系统无功和有功的不平衡和是电力设备的超载运行。这些将导有可能导致导致系统的稳定破坏或设备的损坏。安全自动装置是自动装置的一种，它通过采集相关间隔的电压、电流及位置信息分析电力系统是否存在影响安全稳定的隐患并执行预先设置好的策略，如切除机组、切除负荷等以达到防治电力系统失去稳定性和避免电力系统发生大面积停电的目的，包括低频低压切负荷、过载联切、振荡解列、失步解列等。安全自动装置的基本工作原理和继电保护装置是相同的。在国外也有将安全自动装置称作系统保护（system oriented protection），以区别于继电保护装置（object oriented protection）。如果说继电保护是电力系统的第一道防线，那么安全自动装置是电力系统的第二道防线。

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