继电保护的基本原理

1.2.1　继电保护的基本原理

为了实现继电保护的功能，该种设备必须能够区分系统正常运行与发生故障或不正常运行工作状态之间的差别。要区分这三种运行状态，必须找出电气元件在三种运行状态下的可测参量（主要是电气量）的差异，并提取和利用这些差异，实现对正常、不正常工作和故障元件的快速区分。依据可测电气量的不同差异，可以构成不同原理的继电保护。目前已经发现不同运行状态下具有明显差异的电气量有：流过电气元件的相电流、序电流、功率及其方向；元件的运行相电压、序电压幅值；元件的电压与电流的比值即（测量）阻抗等。发现并正确利用能可靠地区分三种运行状态的新的可测参量或参量的新差异，就可以形成新的继电保护原理。

1）以电气量大小差异区分

如图1.1（a）所示我国常用的110kV及以下单侧电源供电网络，在正常运行时，每条线路上都流过由其电源供给的负荷电流越靠近电源端，负荷电流越大。假定在线路B—C上发生三相短路，如图1.1（b）所示，从电源到短路点之间将流过很大的短路电流。利用被保护元件中电流幅值的增大，可以构成过电流保护。

正常运行时，各变电所母线上的电压一般都在额定电压±（5%～10%）范围内变化，且靠近电源端母线上的电压略高。短路后，短路点的电压降低到零，各变电所母线电压有不同程度的降低，离短路点越近，电压降得越低。利用短路时电压幅值的降低，可以构成低电压保护。

同样，在正常运行时，线路始端的电压与电流之比反映的是该线路与供电负荷的等值阻抗及负荷阻抗角（功率因数角），等值阻抗一般较大，阻抗角较小。短路后，线路始端的电压与电流之比反映的是该测量点到短路点之间线路段的阻抗和阻抗角，测量阻抗较小且正比于该线路段的距离（长度）。利用测量阻抗幅值的降低和阻抗角的变大，可以构成距离（低阻抗）保护。

图1.1　单侧电源网络接线

通过以上分析可知，一般情况下，发生短路后总伴随有电流增大，电压降低，线路始端测量阻抗减小以及电压与电流之间相位角的变化，因此，可以利用这些基本参数在正常运行和故障时的区别，构成各种不同原理的继电保护装置。

2）以电气分量变化区分

如果发生的不是三相对称短路，而是不对称短路，则在供电网络中会出现某些不对称分量，如负序或零序等的电流和电压，并且幅值较大。而在正常运行时系统对称，负序和零序分量不会出现。利用这些序分量的幅值构成的保护，一般都具有良好的选择性和灵敏性，获得了广泛的应用。

在短路时，短路点到电源之间所有元件中的以上电气量与正常运行时都有相同的差异。利用这些差异构成的保护装置，短路时都有可能做出反应。要甄别出是故障元件还是短路点到电源之间的非故障元件，还需要确定装在每个元件上的保护装置的保护范围。常用的方法是预先求出预定的保护范围末端发生短路时的电气量，将短路时测得的电气量与之进行比较，做出是否动作的判别。当故障发生在本线路末端与下级线路的首端出口处时，本线路首端的电气量与正常运行时差别不大。为了保证本线路短路被快速切除而在下级线路短路时不动作，快速动作的保护只保护本线路的一部分；对末端部分的短路，采用慢速动作的保护，只有当下级线路快速保护不动作时才切除本级线路。这种利用单端电气量的保护，需要上、下级保护（离电源的近、远）动作整定值和动作时间配合，才能完成切除任意点短路的保护任务，被称为阶段式保护特性。

3）以电气量方向变化区分

对于220kV及以上多侧电源输电网络中的任一电气元件，如图1.2中的线路A—B，在正常运行的任一瞬间，负荷电流总是从一侧流入而从另一侧流出，如图1.2（a）所示。如果规定电流的正方向都是从母线指向线路，那么，A—B两侧的电流大小相等，相位相差180°，两侧电流的矢量和为零。当在线路A—B外部短路时，即如图1.2（b）所示的d₁点短路情况，A—B两侧的电流仍然大小相等，相位相差180°，其特征与正常运行时一样。

图1.2　双侧电源网络接线

但是，当被保护的线路A—B内部d₂点发生短路时，如图1.2（c）所示，两侧电源分别向短路点供给短路电流线路A—B两侧的电流都是由母线流向线路，此时两个电流大小不一定相等，在理想条件下（两侧电势同相位且全系统的阻抗角相等），两个电流同相位，两个电流的矢量和等于短路点的总电流，其值较大。

所以，利用每个电气元件在内部故障与外部故障时，两侧电流相位或功率方向的差别即可构成各种利用差动原理的保护。例如，利用每个电气元件在内部与外部短路时两侧电流相量的差别可以构成电流差动保护；利用两侧电流相位的差别可以构成电流相位差动保护；利用两侧功率方向的差别可以构成方向差动保护；利用两侧测量阻抗的大小和方向等的差别还可以构成其他原理的纵联差动保护。同时比较被保护元件两侧电气量正常运行与故障时差异构成的保护，称为纵联保护。它们只在被保护元件内部故障时动作，可以快速切除被保护元件内部任意点的故障，而不反应外部故障。因此，被认为具有绝对的选择性，常被用作220kV及以上输电网络和较大容量发电机、变压器、电动机等电气元件的主保护。

除反应上述各种电气量变化特征的保护外，还有根据电气设备的特点实现反应非电量特征的保护。例如，当变压器油箱内部的绕组短路时，反应变压器油受热分解所产生的气体而构成的气体保护；反应电动机绕组温度的升高而构成的过热保护等。