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电力二次系统概述

本章介绍电力系统继电保护、安全自动装置（以下简称自动装置）、二次回路的相关概念，使读者掌握其作用和三者之间的关系；

介绍电力系统对继电保护和自动装置的四个基本要求、继电保护和自动装置的基本组成，为读者学习和分析继电保护、自动装置的具体问题打下基础。

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第一节继电保护、自动装置、二次回路

一、继电保护

电力系统在运行中会发生故障，最常见的故障是各种类型的短路。

当短路故障发生时，将伴随出现很大的短路电流和部分地区电压降低，对电力系统可能产生以下后果：

（1）破坏电力系统并联运行的稳定性，引发电力系统振荡，甚至造成系统瓦解、崩溃；

（2）故障点通过很大的短路电流和燃烧电弧，损坏或烧毁故障设备；

（3）在电源到短路点之间，短路电流流过非故障设备，产生发热和电动力，造成非故障设备损坏或缩短使用寿命；

（4）故障点附近部分区域电压大幅度下降，用户的正常工作遭到破坏或影响产品质量。

电力系统运行中还可能出现异常运行状态，使电力系统的正常工作受到干扰，运行参数偏离正常值。

最常见的电力系统异常状态是过负荷，过负荷使电力系统元件或设备温度升高，加速绝缘老化，甚至发展成故障。

另外，电力系统异常状态还有电办系统振荡、频率降低、过电压等。

故障和异常运行如果得不到及时处理，都可能在电力系统中引起事故。

电力系统事故是指整个系统或部分的正常运行遭到破坏，造成对用户少送电或电能质量严重恶化，甚至造成人身伤亡、电气设备损坏或大面积停电等事故。

针对电力系统可能发生的故障和异常运行状态．需要装设继电保护装置。

继电保护装置是在电力系统故障或异常运行情况下动作的一种自动装置，与其他辅助设备及相应的二次回路一起构成继电保护系统。

因此，继电保护系统是保证电力系统和电气设备的安全运行，迅速检出故障或异常情况，并发出信号或向断路器发跳闸命令，将故障设备从电力系统切除或终止异常运行的一整套设备。

继电保护的任务是：

1）反映电力系统元件和电气设备故障,自动、有选择性、迅速地将故障元件或设备切除，保证非故障部分继续运行，将故障影响限制在最小范围·

2）反映电力系统的异常运行状态，根据运行维护条件和设备的承受能力．自动发出信号，减负荷或延时跳闸。

二、自动装置

保障电力系统安全经济运行、提高供电可靠性和保证电能质量，电力系统自动装置是必不可少的。

电力系统自动装置可分为自动调节装置和自动操作装置。

自动调节装置一般是为了保证电能质量、消腧系统异常运行状态等对某些电量实施自动地调节，例如同步发电机励磁自动调节、电力系统频率自动调节等。

自动操作装置的作用对象往往是某些断路器，自动操作的目的是提高电力系统的供电可靠性和保证安全运行，例如备用电源自动投入装置、线路自动重合闸装置、低频减载装置等；

还有某些自动操作装置用来提高电力系统的自动化程度，例如发电机自动并列装置等。

三、二次回路

发电厂、变电站的龟气系统，按其作用分为一次系统和二次系统。

一次系统是直接生产、传输和分配电能的设备及相互连接的电路。

在电能生产和使用的过程中，对一次电力系统的发电、输配电以及用电的全过程进行监视、控制、调节、调度，以及必要时的保护等作用的设备称为二次设备，二次设备及其相互问的连接电蹄称为二次系统或二次回路。

可见，二次回路也是电力系统正常、安全运行的必不可少的部分。

二次系统或二次回路主要包括继电保护、自动装置、测量仪表、控制、信号和操作电源等子系统。

（1）继电保护和自动装置系统。

由互感器、变换器，各种继电保护装置和自动装置、选择开关及其回路接线构成,实现电力系统故障和异常运行时的自动处理。

（2）控制系统。

由各种控制开关和控制对象（断路器、隔离开关）的操动机构组成，实现对开关设备的就地和远方跳、合闸操作，满足改变一次系统运行方式和故障处理的需要。

（3）测量及监测系统。

由各种电气测量仪表、监测装置、切换开关及其回路接线构成，实现指示或记录一次系统和设备的运行状态和参数。

（4）信号系统。

由信号发送机构、接收显示元件及其回路接线构成，实现准确、及时显示一次系统和设备的工作状态。

（5）调节系统。

由测量机构、传送设备、执行元件及其回路接线构成，实现对某些设备工作参数的调节。

（6）操作电源系统。

由直流电源设备和供电网络构成，实现供给以上二次系统工作电源。

第二节对继电保护自动装置的基本要求

电力系统对反映故障、动作于跳闸的继电保护有选择性、快速性、灵敏性、可靠性四个基本要求。

对反映异常运行状态、作用于信号的继电保护，则不要求同时满足这四个基本要求，例如快速性要求可以降低。

一、选择性

选择性是指继电保护装置动作时．仅将故障元件或设备切除，使非故障部分继续运行，停电范围尽可能小。

继电保护动作具有选择性，要求首先由故障元件或设备本身的保护切除故障，即最靠近故障点的保护和断路器动作；

当故障元件或设备本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻元件或设备的保护动作（通常称为后备保护）。

所以，选择性有两个含义：

笫一，应由装设在故障元件或设备上的继电保护动作切除故障，第二，考虑继电保护或断路器存在拒动的可能，由后备保护切除故障时，也应保证停电范围尽可能小。

因此，选择性要求系统中的继电保护之间，在动作时必须满足一定的配合关系。

以图2-l为例．说明继电保护的选择性。

当kl点发生故障时，应该由保护1和保护2动作使断路器IQF和2QF跳闸，切除故障线路L1，保证系统其他部分继续运行；

k2点发生故障时，应该由保护4动作使断路器4QF跳闸切除故障线路L4，保证系统其他部分继续运行。

这种按照电力系统安全性要求，故障发生后首先动作的继电保护是主保护。

故障元件的主保护正确动作的结果，将故障范围限制在最小，甚至可以保证所有母线都不停电（例如上述kl点故障的情况），这是选择性的第一个含义。

如果线路L4在k2点故障时，其主保护拒动，则应由线路L4的另一套具有后备作用的保护动作，使断路器4QF跳闸切除故障，这就是近后备保护}如果线路L4的主保护和近后备保护都拒动或断路器4QF拒动，则应由上一级线路L3的后备保护动作，使断路器3QF跳闸切除故障，实现保护3对线路L4的远后备保护作用。

这种当故障时主保护拒动或断路器拒动，由后备保护动作切除故障，也是具有选择性的，即选择性的第二个含义。

综上所述继电保护根据所承担的任务分为主保护和后备保护。

电力系统故障时，主保护按照电力系统的安全性要求·

以最短的时限和最小的停电范围动作切除故障，保证电力系统和设备的安全；

后备保护一般动作延时较长，是当主保护拒动或断路器拒动时，以大于主保护的动作时限动作切除故障。

近后备保护是在主保护拒动时。

由本设备的另—保护实现的后备保护；

远后备保护是在保护拒动或断路器拒动时，由上一级设备或线路保护实现的后备保护。

可见，继电保护动作的选择性是为了提高供电的可靠性，而继电保护无选择性动作，必将扩大停电范围，带来不应有的损失。

二、快速性

快速性是指继电保护装置应以尽可能快的速度动作切除故障元件或设备。

继电保护快速动作切除故障，可以控制故障影响程度，减少设备损伤，避免造成设备无法修复的损坏；

减小故障影响时间，城少用户在低电压情况下的工作时间，避免用户电动机转速严重下降、甚至自启动失败；

防止系统稳定性破坏，提高电力系统运行的稳定性。

故障切除时闻等于保护装置动作时间和断路器动作时间之和。

实际中，应根据具体电网对故障切除时间的不同要求，设计继电保护的动作延时。

三、灵敏性

灵敏性是指继电保护装置对保护范围内故障的反应能力,通常用灵敏系数Ksen来衡量,也称为灵敏度。

衡量继电保护的灵敏度，需考虑继电保护在保护范围内，应该反映的各种故障类型,即保证在最不利于保护动作的条件下仍能够可靠动作。

在被保护元件或设备故障时，保护的灵敏度用保护装置反应的故障参数（例如短路电流）与保护装置的动作参数（例如动作电流）之比表示。

对于反应故障参数上升而动作的过量保护装置，如过流保护、过压保护等

灵敏系数计算式为

（2-1）

例如反应故障时电流增大动作的过电流保护，要使保护动作，流过保护的短路电流必须大于保护的动作电流，即灵敏系数必须大于1。

对于反应故障参数降低而动作的欠量保护装置，如电动机的欠压保护

（2-2）

例如反应故障时电压降低动作的低电压保护，要使保护动作，保护安装处的母线残压必须小于保护的动作电压，同样灵敏系数必须大于1。

式（2-1）和式（2-2）中，故障参数计算值根据保护类型和保护范围，采用最不利于保护动作的系统运行方式、短路类型和短路点，计算实际可能的最小灵敏度，故式（2-1）用故障参数的最小计算值，式（2-2）用故障参数的最大计算值。

在继电保护的相关规程中，对各类保护的灵敏系数都作了具体的规定。

另外,对上、下级保护之间的灵敏性和动作时限还有配合的要求，一般用在后备保护（例如过电流保护），指下一级保护的灵敏度应高于上一级保护的灵敏度，下一级保护的动作延时应小于上一级保护的动作延时，如图2-2所示．各保护的灵敏度之问应满足关系Ksen.1>

Ksen.2>

Ksen.3；

动作时限之间应满足关系t1<

t2<

t3。

继电保护的选择性要求，首先由故障元件或设备本身的保护切除故障。

当故障元件或设备本身的保护或断路器拒动时，才允许由上一级相邻元件或设备的保护动作。

可见，后备保护灵敏度和动作时限的配合要求是防止上一级相邻元件或设备的保护越级动作跳闸的措施之一，也是保证选择性的条件之一。

四、可靠性

可靠性是指继电保护装置在需要它动作时可靠动作（不拒动），不需要它动作时可靠不动作（不误动）。

将继电保护装置应该动作时不拒动也称为继电保护的可依赖性，不应该动作时不误动也称为继电保护的安全性。

继电保护的可靠性是对继电保护最根本的要求。

当电力系统中故障或异常运行状态出现时，继电保护必须具有迅速且正确的判断能力，按照预定方案动作；

而当电力系统正常时，不能做出错误判断，产生误动作。

电力系统常用继电保护的正确动作率衡量其可靠

性，表示如下：

式中，保护实际动作次数包括保护正确动作次数和误动作次数。

继电保护的可靠性主要由配置合理、质量和技术性能优良的继电保护装置，以及运行维护和管理来保证。

为了提高继电保护的可靠性，选择保护装置时，在满足电力系统要求的前提下，尽可能选择简单保护，应力求接线简单、元件性能可靠、回路触点尽可能少。

需要指出的是．电力系统对继电保护的四个基本要求，是分析研究继电保护的基础，是设计评价继电保护的依据。

四个基本要求既相互依赖又存在矛盾，例如灵敏性是实现保护可靠动作的前提，保护之间灵敏度和动作时限的配合又是选择性的基础，而在某些情况下又不得不牺牲快速性来保证保护的选择性。

所以，针对实际问题，需要具体处理基本要求之间的关系，取得合理统一。

电力系统对自动装置的要求，参照以上基本要求。

第三节继电保护和自动装置的基本构成及发展

一、继电保护和自动装置的基本构成

继电保护和自动装置的形式虽然多样，而且具有不问功能，但就一般情况而言，整套装置总是由测量部分、逻辑部分和执行部分构成。

继电保护原理结构框图如图2-3所示。

（1）测量部分。

继电保护的基本原理，是利用电力系统正常运行与故障（包括异常状态）时，各运行参数的差别判断故障（或异常运行），因此需要将输入量与鉴别系统运行状态的基准量比较，这个基准量即继电保护动作整定值。

测量部分的作用是测量被保护对象的各类运行参数，在故障情况下测得的是故障参数，与给定的整定值进行比较，将比较结果（即对系统运行状态的判断结果）输出给逻辑部分。

根据继电保护的实现原理，作为输人量的各类运行参数可能是单一的，如电流、电压等或者包括多个运行参数，如电流和电压。

（2）逻辑部分。

电力系统发生故障时，不是所有测量到故障的继电保护都动作使断路器跳闸，而是按照选择性要求有选择地切除故障。

逻辑部分的作用是根据测量部分的输出（可能有不止一个输出），按照继电保护预先设置的逻辑关系进行判断，确定保护是否应该使断路器跳闸或者发出信号，并将判断结果输出给执行部分。

继电保护常用的逻辑包括“或”、“与”、“否”、“延时”、“记忆”等。

（3）执行部分。

执行部分的作用是根据逻辑部分的输出，完成继电保护发出断路器跳闸命令或信号。

例如，针对保护区内的故障，保护发出跳闸命令；

针对异常状态，保护发出告警信号。

二、继电保护和自动装置的发展

继电保护和自动装置是随着电力系统的发展和科学技术的进步而发展起来的。

电力系统电压等级的提高和容量的扩大，不断对继电保护和自动装置提出更高的要求，科学技术的进步为继电保护、自动装置的改进及性能提高创造了条件。

就继电保护技术而言，其发展过程经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型和微机型等阶段，目前在电力系统中运行着大量的微机型继电保护。

与以往各类继电保护相比，微机型继电保护在构成原理上有很大的灵活性。

由于采用了微处理器和超大规模集成电路以及数字计算技术，微机型保护的性能更加完善，能够实现复杂原理保护，并且除常规的保护功能外，还能同时实现故障录波、故障测距和通信等功能。