继电保护的基本元件精选(九篇)

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第1篇：继电保护的基本元件范文

【关键词】电力电子设备;配电系统;电流保护;故障;谐波

引言

随着科技的发展，人们对供、配电系统电能质量要求越来越高。配电系统是发电系统、输电系统同用电负荷之间的联络枢纽，因此，对配电系统所采取的任何一种“改变”都应该以不同影响配电系统的正常运行前提。目前常采用诸如故障限流器、动态电压恢复器、无功补偿器等装置来达到提高电能质量的目的。这些装置的控制单元和整流逆变单元主要由电力电子器件构成，其快速反应的动作特性使系统运行的可靠性得到提高。但是，这些电力电子设备在保证高质量的供、配电的同时，也给系统带来了不可忽视的运行隐患，如对继电保护正常运行的影响等。

1.电力电子设备的应用及谐波的产生

在一个理想的电力系统中，人们除了用规定的电压水平对电能质量进行衡量以外，也常使用频率的指标来评价电能质量。电力电子设备作为非线性负荷的一种，应用在实际的电力系统中，会使电压电流的波形发生畸变，从而严重影响系统中各种电力设备的正常运行以及用户和通讯线路的信号传输。近年来电网中的谐波含量日益严重，而电力电子设备也被视为电力系统的最重要的谐波源[1]。

（1）晶闸管整流设备

由于晶闸管整流在无功补偿装置、动态电压恢复器及电力机车等许多方面得到了越来越广泛的应用，给电网造成了大量的谐波。晶闸管整流装置常采用移相控制，由于它从电网中吸收的是缺角的正弦波，且给电网留下的是另一部分缺角的正弦波，因此在留下的缺角正弦波中含有大量的谐波。如果整流装置为单相整流电路，在接感性负载时则含有奇次谐波电流，其中3次谐波的含量可达基波的30%;接容性负载时则含有奇次谐波电压，其谐波含量随电容值的增大而增大。如果整流装置为三相全控桥6脉冲整流器，变压器一次侧及供电线路含有5次及以上奇次谐波电流;如果是12脉冲整流器，则还会含有11次及以上奇次谐波电流。经统计表明：由整流装置产生的谐波占所有谐波的近40%，这是最大的谐波源[2]。

（2）变频装置

变频装置由于采用了相位控制，谐波成分很复杂，除含有整数次谐波外，还含有分数次谐波，且随着变频调速的发展对电网造成的谐波也越来越多。

（3）电弧炉、电石炉

直流电弧炉以其经济、高效的特点，越来越受到工矿企业，尤其是钢铁冶炼企业的青睐，由于其采用整流器馈电，故也被列入电力电子设备的行列。注入电网的谐波电流主要是 27次谐波，平均可达基波的8%～20%，最大可达 45%。

（4）无功补偿装置及动态电压恢复器中的变压器

变压器和饱和电抗器产生的高次谐波是铁芯饱和造成的，一般产生的是三次和五次谐波电压畸变，数量最多的是三次谐波。

2.电力电子设备引起的谐波的影响

2.1 电力电子设备引起的谐波对配电系统的影响

通常，为了补偿负荷的无功功率，提高系统的功率因数，常在负载连接的母线上装有并联电容器。此外，为了滤除系统谐波，也会装设由电容器和电抗器组成的滤波器。在工频频率下，这些电容器的容抗比系统的感抗大的多，不会产生谐振[3]。但对于谐波频率而言，系统感抗大大增加而容抗大大减小，就可能产生谐振。

这种谐振会使谐波电流放大几倍甚至数十倍，会对系统，特别对电容器和与之串联的的电抗器形成很大的威胁，常常使电容器和电抗器烧毁。

一般，电力电子设备引起的谐波对配电系统主要有以下几个方面的影响[4]：

（1）谐波对一次电气设备的影响高次谐波在电力系统中传递，将使公用电网中的元件产生附加的谐波损耗，引起铜损和铁损增大、设备过热、产生噪音、降低设备工作效率。另外，高次谐波的负序分量有可能使旋转设备产生反方向的转矩，造成机械损伤和热耗。而且，当电压含有高次谐波时，还使得电气设备的耐压下降，介质损耗增加，充电电流增大，绝缘老化，寿命缩短，从而引起各种故障;

（2）谐波会引起并联谐振和串联谐振，从而使谐波放大，使危害大大增加，甚至引起严重的事故;

（3）谐波对系统中的各种自动装置、继电保护装置及电子仪表造成的影响严重由于大多数的自动装置、继电保护装置及电子仪表的设计运行频率为基波频率，且其动作整定值也是基于基波频率下的电压或电流值，因此，当系统中由谐波存在时，常常会导致自动装置、继电保护装置产生误动、拒动，使电子仪表失灵;

（4）谐波还可能会对临近的通信系统产生干扰，轻者产生噪音，降低通信质量，重者则会导致信息丢失，使通信系统无法正常工作。

2.2 电力电子设备引起的谐波对继电保护的影响[5]

无论是电力系统，还是配电系统，加装继电保护的目的都是为了保证系统的安全运行，因此继电保护必须具备“区分”电力系统的正常、不正常工作和故障运行状态的能力，即在系统各种运行状态下及时“甄别”出发生故障和出现异常的元件，寻找可测参量的“差异”，提取并利用这些可测参量的“差异”，实现对三种运行状态的快速“区分”。配电系统中运行的继电保护因保护类型的不同及安装地点的不同所受谐波的影响也不同，其中可能引起继电保护误动、拒动的情况主要有以下几个方面[6]：

A.在电气距离上接近大的谐波源;

B.保护装置的安装地点具备谐波严重放大或接近于谐波谐振条件，例如安装地点具有并联电容器等;

C.保护装置的动作整定值很小，尤其是对于接在差流回路、零序电路或负序电路上的继电保护装置，其整定值通常只有相电流或相电压的百分之几;

D.继电保护装置中所选用的元件或动作原理对谐波的敏感度高，尤其是反映电压、电流的瞬时值、有效值变化的过量型继电保护;

E.系统中有不平衡负荷或涌流的基波负序电流，并且和谐波电流同时存在时，继电保护无法正确、可靠动作。

通常系统中的谐波会改变继电保护，尤其是量度式继电保护的性能，引起误动作或拒动作。不同类型的继电保护的工作原理不同和设计性能不同，则谐波对其的影响也有较大的差别。电磁型继电保护的动作是由其电流有效值的平方决定的，对频率的不同并不敏感。一般在谐波含量小于10%时，对电磁型继电保护的影响并不大。对于铁心用软铁材料制成的电磁型继电保护，谐波含量小于40%时，其动作误差不大于10%。但在动态情况下可能会有很大影响，如投入空载变压器时会产生谐波含量很高的励磁涌流，会造成继电保护误动作而使开关跳闸。感应型继电保护对谐波也不敏感。这种继电保护的圆盘或圆筒在磁场作用下都将产生感应电流，该电流和空间中另一磁场相互作用产生转矩，推动圆盘或圆筒转动。无谐波时转动很平稳，有谐波时则会有抖动。因为转动部分的惯性较大，轻微的抖动并不会影响其误动作。

整流型继电保护的种类很多，原理各不相同，有的受谐波的影响较为严重。如反映瞬时值的电流继电保护由全波整流后的脉冲电压来控制其动作，就很容易受到谐波的影响。增量型继电保护中由于有LC并联谐振电路和电阻组成的四臂电桥，电桥平衡是按50Hz电流考虑的，因此也容易受到谐波的影响。但是微机保护的整定仍然是基于传统的傅式算法，其整定值也会因为系统中存在不同程度的谐波而受到影响。

并且系统的运行工况复杂，在整定时不可能对每一种情况都考虑的很周密，因此，其受谐波的影响也是不可避免的。

3.有谐波电流下电流保护的实现

3.1 电流保护的配合及基本应用

电流速断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护都是反应与电流升高而动作的保护。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择启动电流。速断是按照躲开本线路末端的最大短路电流来整定;限时速断是按照躲开下级各相邻元件电流速断保护的最大动作范围来整定;而过电流保护则是按照躲开本元件最大负荷电流来整定。

由于电流速断不能保护线路全长，限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护，因此为保证迅速而有选择地切除障碍，常将电流速断保护、限时电流速断保护和过电流保护组合在一起，构成阶段式电流保护。具体应用时，可以只采用速断保护加过电流保护，或限时速断保护加过电流保护，也可以三者同时采用。

3.2 区分故障电流和谐波电流的基本思路

一般，各种类型的电流保护都属于量度式继电保护装置，其整定值的设置都是基于对各电气量在系统正常运行和故障运行的两种不同运行状态下存在的差别进行分析，而并没有考虑不正常运行状态的运行特性，在实际系统中，也常配合使用频率测试仪以实现对故障电流和不正常运行状态时的电流的区分。然而，随着 DVR、STATCOM、SFCL 等电力电子装置在配电系统中的应用，使得系统在运行过程中产生大量的谐波，尤其会影响到如电流保护等自动化装置的正常运行，而就继电保护本身而言，它区分故障状态和由谐波引起的不正常运行状态的能力很差。

所以对如何快速、有效地区分电力系统故障运行状态和不正常运行状态，尤其是短路故障和谐波状态的问题，需设计一种可区分故障和谐波的方案，从而达到继电保护装置正确、可靠地动作的目的。

4.结论

任何一种电网种都会产生一定的谐波，仅有谐波的含量达到了某一程度，尤其是当在谐波频率下发生了谐振时，使得流入系统中的谐波电流放大几倍甚至十几倍，才会影响电网中各种设备的正常运行。随着越来越多的电力电子设备应用于配电系统中，可能产生谐波谐振、谐波放大的现象，其给配电系统带来许多不良的影响，尤其是对继电保护的影响;另外，在配电系统中的任何一种“改变”，如加装用于提高供、配电电能质量的电力电子设备等，都会或多或少的改变系统的阻抗结构，从而引起电压、电流及等效阻抗的变化。所以需要引起相关技术领域人员越来越多的关注。

参考文献

[1]周雪松，徐晓宁，马幼捷等.配电系统电压稳定性概念的分析[J].天津理工大学学报，2006，22（2）：27-30.

[2]余贻鑫，李国庆，戴宏伟.电力系统电压稳定性的基本理论与方法（一）[J].电力系统自动化，1996，20（6）：61-65.

[3]张明，毕鹏翔，刘健.配电系统电压稳定性的研究[J].电力建设，2002，23（10）：41-43.

[4]金燕云，罗毅，涂光瑜.配电系统电压跌落问题的研究[J].继电器，2003，31（10）：56-62.

第2篇：继电保护的基本元件范文

变电站自动化数据通信智能设备系统集成计算机网络

0引言

近年来，计算机芯片及网络等新技术的不断采用，从根本上改变了传统变电站二次设备的基本面貌，全数字化的设备、以网络构成的系统，辅以成熟的调度自动化系统，正在不断地提高变电站运行的自动化程度和可靠性，从原来的分部分的变电站设备及运行状态的监测发展到整个变电站设备监控的集成的自动化系统，已基本做到了自动化应能实现的功能，即不再是好看不好用的花架子，而是真正可以解决和满足生产实际运行中出现的新问题和需要，无人值班变电站及变电站自动化系统已基本被用户接受并使用。在实际应用中，国内、外不同的专业厂家分别推出了具有不同特征的系统，基本上都能满足系统的运行要求，但在不同程度上，由于开发的背景、运行经验及技术水平的限制，仍有相当一部分系统存在者功能重复设置，没有做到信息资源共享，从而导致了现场接线复杂、系统的各部分接口的通信规约不一致，增加了投资并影响了系统的可靠性，这就大大影响了整个系统的开放性及可扩展性。出现这些新问题的主要原因便是缺乏系统设计及在系统设计思路指导下的各组成部分（智能单元）的开发。由于以往变电站二次部分的开发是分保护、测量、监控等各专业独立开发、功能相对独立设置的，由此为满足系统的功能配置要求而在“搭系统”，从而导致要么底层控制单元无法投入系统，信息传送不上来，就是系统要求的功能底层控制设备单元不具备。针对上述新问题，本文试图从整体系统设计思想入手，讨论对变电站内智能化设备的基本要求及其构成、系统集成的基本思想，以供同行讨论参考。

1变电站自动化的特征及智能设备的构成

国内变电站二次产品早期开发过程是按保护、测量、控制和通信部分分类独立开发，随着技术的进步以及电力系统自动化的要求，变电站自动化工作的开展首先从远动、自动化及通信专业开始，初期开展的工作只是对站内的部分状态量及模拟量数据采集并处理的微机监视或监控系统，随着调度自动化及微机保护的成熟及应用，变电站自动化及无人值班运行模式便成为实际的需要和急待解决的课题。变电站自动化近几年的发展状况大致存在集中式及分布式两种系统结构，由于电力系统管理方式及二次产品开发的历史原因，大多数系统仍采用的是按功能“拼凑”的方式开展，没有按工程的实际需要及正确的系统设计指导思想进行，从而导致系统的性能指标下降以及出现许多无法解决的工程新问题。从对分布、开放性以及系统整体的发展趋向来看，采用分布式测控、保护、自动装置及计算机局域网的结构方式显然比较优越。采用分布、开放性的网络拓扑结构和计算机局域网技术的变电站自动化系统，各现场单元可完全脱离系统独立运行，单个装置的故障不影响系统的正常运行，从而达到“分散布置、集中管理”的目的，加强了系统的可靠性和可扩充性。这种构成模式正越来越被我国电力系统所接受，其最大特征就是尽可能地充分利用软、硬件资源，并尽可能地共享软、硬件和系统资源，并且利用通信网络代替大量的控制信号电缆，避免设备重复设置，多次投资。

根据IEC国际电工委员会电力系统控制和通信技术委员会的划分以及变电站自动化系统的特征，变电站内的设备可划分为如下三个层次。

设备层摘要：包括各种一次设备象开关、线路、变压器、电容器、CT/PT等。

间隔层摘要：是各种二次设备包括采集、测量、控制、保护、自动装置、故障滤波等，它们大多能独立完成某种功能，且具有和外部进行数据交换的能力。

变电站管理层摘要：对整个变电站进行平安监视、控制、操作，并和变电站外部进行数据交换，如当地监控微机、和控制中心通信的网关等。

上图标示了变电站内的三个层次和它们之间的数据交换。从对变电站电能传输、分配进行检测、控制和管理的观点出发，可以认为变电站由母线、变压器、线路、电容器等基本元件组成；一个基本元件通过一个或多个间隔向二次系统提供数据，接收二次系统的控制命令。根据每一个基本元件自身的特性和检测、控制要求，并按照基本元件内部数据采集及故障检测和隔离由元件自身解决的原则，设计每一种基本元件对应一种硬件结构即智能电子设备（IED）。

从图中还可以看出，在设备层和间隔层之间的数据交换量不大，主要是设备间向间隔层提供运行中的各种I/O信号，间隔层向设备发出控制信号等。

在间隔层和变电站管理层之间，存在大量的数据交换，一方面，间隔层内的各种智能设备需要把采集到的信息及时上传至当地监控系统和通过通信处理机送到远方控制中心，不仅数据量大，而且要求具有很高的实时性，象站内的事件顺序记录需达到毫秒级，测量值及信号的刷新时间需在3秒之内完成。另一方面，变电站层的系统时钟、控制和调节命令、运行参数的整定命令，也要快速下发至各智能设备。

间隔层的各智能设备之间，也存在着部分数据交换，但这种交换量不大，对实时性要求也不高。而且由于保护设备大都是独立的设备，故和其它装置的数据交换很少。其它智能设备，也存在一定量的数据交换。

基于以上情况，设计中的变电站自动化系统考虑了在间隔层横向按站内一次设备分布式的配置，有条件时，还可将间隔层设备安装在开关柜上；各间隔设备相对独立，仅通过站内通信网互联，并同变电站层设备进行快速通讯。

在功能分配上，采用可以下放的功能尽量下放的原则。凡是可以在本间隔内就地完成的功能绝不依靠通讯网完成，这样构成的系统同以往的集中式系统相比有着明显的优点摘要：可靠性提高、可扩展性和灵活性提高以及站内二次电缆简化、节省投资。

2智能设备的集成

在变电站自动化中存在一些促使设备集成的动力。首先，变电站自动化要求采用较少的设备完成更多的功能，其解决方法之一是安装具有集成功能的智能电子设备。最基本的继电保护IED就是一个例子，它集成了保护、测量、控制、录波、事件顺序记录以及通信等功能。用一个设备完成所有这些功能，这样就实现了设备整体费用的优化，减少资金和运行维护费用。

另一个向集成化发展的动力是先进的自适应能力和系统控制性能。在这些先进的性能中系统知识是非常有用的，它答应继电保护IED动态改变运行参数。具有核心级的系统知识可以使系统的稳定性和潮流都得到控制。

技术进步也是向集成化发展的主要动力。微处理器、计算机通信及应用软件技术的飞速发展促成了集成系统的开发，将来的重点可能由硬件IED发展为“智能化”软件。

还有一个动力是为客户服务。经济的快速发展要求越来越少的停电时间，电力公司内部也经常为自身设定顾客电量利用率的目标。对于这个目标，系统集成给操作员和工程师提供了更多的信息，如在什么情况下答应系统快速恢复等。和有用的信息一起集成化的另一个好处是对误操作的辨认分析，对于由继电保护或系统设计带来的新问题可以高效跟踪和修改，从而可以提高整个系统的可靠性和可用性。

3局域网络通信技术

变电站内智能电子设备的集成化设计策略采用了分布式功能配置的概念，因为分布式体系结构可使任何规模的变电站具有可扩充性。通过共享冗余得到了高可靠性、简化的布线以及可选择的性能升级能力。

在设计信息及数据通信的策略中，几乎每一个制造商设计的IED都有以电气工业协会（EIA）的RS-232或RS-485标准为基础的物理层接口，并在数据链路层和应用层用软件完成系统和任何一个IED设备的连接，但随着计算机局部网络（LAN）技术的发展，越来越多的制造商把注重力集中在LAN上。采用计算机局域网技术可实现数据高速、可靠传输，可将过去集中处理的功能分散到各个节点去处理，并可以传送大批量的数据，如故障录波数据和图像数据等。在变电站自动化系统中，采用局域网技术，将变电站内的数据采集部分的各智能单元分别挂网运行，站内自动化系统通过变电站层控制中心和各IED进行数据通信，以取得对现场IED设备的控制权，如断路器的分/合、自动重合闸的开/闭、继电保护装置的参数设置、故障诊断、远程抄表等控制命令。这就要求IED设备满足局域网标准，I/O设备作为局域网上的一个节点。在实际采用计算机局域网的标准上，一般存在着采用“工业以太网”和“现场总线”两种不同的做法。

在90年代中期，国内外曾掀起一场声势不小的“现场总线热”，国家有关部门也拨款几千万元组成攻关课题。但在实际应用中，还有许多共同的疑问。其中最主要是其标准新问题。现场总线有多种标准有两个原因，首先是技术上的原因，即适用场合和用户习惯原因。广义的现场总线包括传感器执行器总线，亦称I/O总线，其特征是信息简单但传输速度快，其典型代表有基于CAN的DeviceNet,interbus-s等；另外还有设备总线可用于控制，其信息量大而且复杂，传输较慢，如基金会总线FF、HART、LonWorks和Profibus。而狭义的现场总线仅指后者。除此外不同行业有其传统使用习惯。对价格和技术完善性有不同要求，再有是不同的总线标准往往和某些公司或公司集团有内在的商业利益关系。所以说最终现场总线标准也不会形成一统天下的局面。就目前情况来看，在过程控制领域，基金会总线FF将占有最大的份额，而在其它离散控制领域尚不十分明朗。

如何在众多的总线标准中，选择一种合适的总线，既能满足大数据量、传输速度快的要求，又要兼顾那些通讯相对少、实时性不很高的设备，以有效减少网络负载。LonWorks在可靠性和传输速率上显然达不到要求，HART用户支持较少，不宜选择；作为传输最快的总线Profibus在网络拓扑、数据吞吐量均表现出色，但其作为欧洲标准，在世界范围非凡是中国的支持不够，尚不能普遍采用，FF虽然得到世界范围内的广泛认同，但所欠标准化进程仍遥遥无期。

以太网（Ethernet）经过若干年的发展，技术上已经十分成熟。随着适合于工业现场应用的嵌入式以太网微处理器的发展，以太网已可十分便利的应用于变电站自动化场合。首先10M以太网具有目前国内变电站自动化系统采用的网络不可比拟的高速特征，可将系统信息快速交换；同时以太网在长期发展中以公认的可靠性、平安性、灵活性著称，如网络节点均带耐高压的网络隔离变压器，网络拓扑结构灵活，支持多种通信媒介，可根据变电站的实际情况确定网络结构及选用通信媒介。在自动化系统升级时可将系统通信网络结构及媒介稍加改动甚至不改动的情况下平滑地使通信系统升级，节省开支，如升为100M快速以太网。

下图为美国和欧洲一些国家普遍采用的变电站自动化系统的通信结构。

传统的变电站自动化产品供给商们通过扩充他们的RTU的通信能力，即具有多个串行通信口的增强式RTU来接收各种形式的智能变电站设备（IED），包括计量表计、故障记录和继电保护等设备。现代的变电站智能设备通过局域网建立了一个规模较大的变电站控制系统，以太网由于其优越的性能被用做变电站LAN，变电站内不同制造商的IED产品可以通过规约转换器（networkinterfacemodulesNIM）进行连接，还有一部分IED产品可以直接挂网运行。NIM和底层的IED可以通过廉价的RS485方式相连，规约采用标准的IEC870-5-103变电站内继电保护配套规约，IEC870-5-103规约在欧洲和其他一些受IEC影响的国家被普遍采用，我国国家电力公司也把该规约作为变电站内的配套标准规约。

4智能电子设备的发展目标和变电站自动化的趋向展望

变电站自动化系统和其它工业自动化领域一样，正沿着“分布化、智能化、集成化、可视化和协调化”的方向发展。这就给智能电子设备提出了更高的目标，这主要体现在以下几点摘要：

1）、可互操作性摘要：当前和将来都可以和任意一个生产厂家的IED进行通信。

2）、即插即用摘要：所有连在LAN上的设备将由系统自动识别。

3）、可靠性/平安/可信性摘要：这是基本的继电保护特性，目的是使整个系统达到同一水平。

4）、开放性摘要：提供一个变电站自动化系统的平台。

5）、冗余度；任何单一的部件故障不会影响整体系统性能。

6）、智能化摘要：提供一个人工智能的应用平台；通过这个功能实现故障分析、选择性的数据和电力系统配合。

7）、自动化摘要：通过嵌入算法软件或按用户定义的控制顺序提供未来的自动控制功能。对于继电保护设备，可通过用户自定义的计算方法和动作次序支持未来的自适应继电保护功能。

8）、灵活性/可扩充性摘要：对于当前的硬、软件系统设计要考虑到将来的扩充，应当易于修改。

智能电子设备的采用，将彻底改变常规继电保护、自动装置及测量仪表等的单一功能结构，变为包括继电保护、过程自动化、录波、计量、测控等多功能智能化设备的变电站自动化系统。由于现场设备的高智能、多功能，使得主控系统的负担得以分散，实现了彻底的分散控制保护及自动化，由此可极大提高控制、保护、自动化系统的可靠性、自治性、灵活性。

由分布式的智能设备构成的变电站自动化系统带来的另一个好处是可以取消常规变电站所使用的控制屏、中心信号屏等集中控制设备。对于35kV及以下的电压等级的现场智能设备可以集合安装于开关柜上；对于110kV及以上电压等级的现场智能设备可以按各个控制对象即变电站内一次电气设备元件按单元安装在各电压等级的开关场地内或“保护小间”。现代技术已解决了电磁干扰、振动、温度、灰尘等对IED的影响，只需用计算机通信网络把它们联起来再和变电站层的主系统连接，这样做可大量减少控制信号电缆，也减少了组屏建筑面积。

智能电子设备的采用还使得变电站

一、二次设备结合成为现实。假如把现场智能设备的控制保护的一次设备对象的CT、PT，开关、刀闸等的操作机构箱、主变压器等设备也采用网络通信方式相连，就可以取消控制信号电缆，仅仅保留开关操作机构跳、合闸所需的高压交、直流电源的动力电缆，从而可以使现场智能设备采用低压电源，提高了设备的抗干扰能力；另外通信网还可以将设备丰富的信息及数据上传，便于事故分析和状态监视，还可构成网络式的防误闭锁和平安保障系统，从而提高整个分布式变电站自动化系统的可靠性、先进性和优越性。