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知识目标
1.能阐述继电保护的任务与作用。
2.掌握继电保护的 4 项基本要求。
能力目标
会依照继电保护的基本要求对简单电路保护动作行为进行分析。
班级学生自由组合为若干个运行学习小组，各运行学习小组自行选出运行组长，并明确各小组成员的角色。在变电站仿真运行场景下，各运行学习小组按照《电力安全工作规程发电厂和变电站电气部分》（GB 26860—2011）、《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB / T 14285—2023）的要求，进行定值查看操作。
（1）规程学习
学习《继电保护和安全自动装置技术规程》（GB / T 14285—2023），了解继电保护规程大概框架。
（2）设备、资料准备
预先熟悉变电站继电保护设备，收集继电保护设备图片上传网络学习平台。
（3）知识准备
预习本节相关知识内容，并回答以下问题：
①什么是继电保护？
②继电保护的任务是什么？
电能作为便捷、清洁的二次能源，社会对电能的需求越来越突出，对电力系统安全稳定和电能质量的要求也越来越高。要保证规模不断扩大、运行情况复杂的电力系统安全稳定地运行，必须依靠自动的保护装置。因最初电力系统的保护装置是由一个一个继电器所组成的，故称继电保护装置。继电保护装置是能反映电力系统中电气元件发生的故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。
继电保护的任务
电力系统的运行状态可分为正常运行状态、不正常运行状态和故障。正常运行状态是指电力系统中电气设备运行参数在额定允许范围内的状态。不正常运行状态是指电气设备的正常工作遭到破坏，运行参数超出极限允许范围，但没有发生故障，如过负荷、频率异常、电压异常以及系统振荡等，都属于不正常运行状态。电气设备在不正常运行状态时，通常可坚持运行一段时间，但若不及时处理将可能发展为故障。故障状态是指电气设备发生的短路或断相。在故障状态下，电气设备应立即从电力系统中切除，以防止故障的扩大，造成事故。事故是指电气设备正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电，或电能质量变坏到不能允许的地步，甚至造成电气设备的损坏和人身伤亡等。故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故。
电力系统的故障一旦发生，将会迅速发展，造成严重后果。因此，建立保护体系是对电力系统安全运行的保证。继电保护装置是保障电力系统安全和稳定运行不可或缺的重要设备。电力系统继电保护的基本任务如下：
①在电力系统发生故障时，能迅速、有选择性地切除故障元件，保证无故障部分继续运行，减小停电范围。
②在电力系统出现不正常运行状态时，能发出警示信号，提醒值班人员进行及时处理，或视设备情况作用于减负荷或延时跳闸。
继电保护的四项基本要求
为了保证电力系统的安全和稳定运行，任何电气设备都不允许在无继电保护的状态下运行。继电保护装置应满足以下 4 项基本要求：
（1）可靠性
可靠性是指继电保护在应该动作时动作，不该动作时不动作。可靠性是对电力系统继电保护装置最基本的要求。影响保护装置可靠性的因素主要有装置本身硬件方面异常或原理上的缺陷，以及二次回路和通道方面的异常等。为保证可靠性，在满足性能要求的前提下，应尽可能地选用原理或结构简单的保护方案。
（2）选择性
选择性是指首先应由对故障设备或故障线路本身的保护来切除故障。当对故障设备和故障线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备和线路的保护，或断路器失灵保护来切除故障。
在如图1.1 所示的电网中，当线路L 2 发生故障时，应由离故障点最近的断路器QF 2 的保护 2 动作来切除故障。此时，停电的影响范围最小，保护满足选择性。若保护 1 动作，断路器QF 1 断开，则无故障线路L 1 也停电，从而扩大了停电范围，保护失去了选择性。但如果保护2 失效或断路器QF 2 拒动，无法切除故障；保护1 动作断开断路器QF 1 ，则这种情况也被认为保护是满足选择性的。
图1.1 保护选择性说明图
（3）速动性
速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障。电力系统是一个从发电到用电实时同步的系统，发生故障时若不及时切除，故障将迅速发展，故障范围扩大并危及系统的稳定和安全。为减少故障损失，要求快速切除故障。
速动性通常以故障切除时间来衡量。故障切除时间是指从故障开始到电弧熄灭的时间，等于保护装置的动作时间与断路器动作时间（包括灭弧时间）之和。因此，要提高速动性，应选择动作更快的保护装置及断路器。
（4）灵敏性
灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障时，保护装置具有正确动作能力的裕度，一般用灵敏系数来描述。灵敏系数越高，保护越灵敏。灵敏性反映了保护装置对保护范围内微小故障的敏锐感知能力。对不同的保护装置与被保护设备，其灵敏系数也各不相同。
灵敏系数与系统参数和运行方式有关。在继电保护的灵敏系数计算中，通常需要考虑系统的最大或最小运行方式。最大运行方式是指使流过保护装置的短路电流最大的系统工作状态及其连接方式；反之，称为最小运行方式。
继电保护的 4 项基本要求是分析继电保护装置性能的基础。四“性”之间紧密联系，既相互统一又相互矛盾。例如，在某些情况下，为了加速切除故障可能会牺牲选择性，或为了能灵敏地反映故障而需要延长保护时间，这四者的关系需要视具体的情况来协调处理。
（1）继电保护的基本原理
继电保护的基本原理是利用设备的运行参数来区分电力系统处在正常运行、不正常运行或故障状态。正常运行与故障时，系统中电气量或非电气量的区别越明显，保护性能越好。
电力系统发生故障时，电气量最显著的变化特征是电流增大、电压降低。此外，还有电压与电流之间的相角发生改变，出现负序或零序分量、谐波，以及一些非电气量等。利用这些特征，可构成各类保护。例如，利用电流增大的特征可构成过电流保护；利用电压降低的特征可构成低电压保护；利用出现零序电流，可构成零序电流保护；利用出现气体，可构成气体保护等。
（2）继电保护装置的构成
继电保护装置由测量部分、逻辑部分和执行部分组成。
测量部分是将所测量的被保护设备的输入信号与给定值作比较，以此来判断是否发生了故障或处于不正常状态。若判断结果为“是”，则保护启动。在过电流保护中，如电流增大超过了给定值，则判断为设备发生故障，保护启动。
逻辑部分是根据测量部分各输出量的大小、性质以及出现的顺序，确定是否应使断路器跳闸或发出报警信号，并将有关命令传达给执行部分。保护启动后，并不都使断路器跳闸。在如图1.1 所示的电网中，线路 2 发生短路时，短路电流分别流过保护 1 与保护 2。若大于两个保护的给定值，则两个保护都将启动。启动后，保护装置根据逻辑关系来判断，保护 1为不动作，保护 2 动作，使相应的断路器跳闸或发信号（注意保护的启动和动作的区别）。
执行部分是执行逻辑部分的指令，发出报警信号或跳闸信号。
继电保护的分类方法有很多，主要有以下 5 种：
①按照被保护的对象，可分为线路保护、变压器保护和母线保护等。
②按照保护原理，可分为过电流、低电压、功率方向、阻抗距离及差动保护等。
③按照保护所反映的故障类型，可分为相间短路保护、接地故障保护和匝间短路保护等。
④按继电保护装置的实现技术，可分为电磁型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等。
⑤按照保护所起的作用，可分为主保护、后备保护和辅助保护等。
主保护是指满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护。后备保护是在主保护失效且断路器拒动时用来切除故障的保护。在图1.1中，保护 2 用来在线路L 2 发生故障时最快并正确切除故障，称保护 2 为线路L 2 的主保护。保护 1 在保护 2 拒动时再切除故障，称保护 1 为线路L 2 的后备保护。
后备保护可分为远后备和近后备两种方式。近后备是指当主保护拒动时，由该电力设备或线路的另一套保护来实现的后备保护；或当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现的后备保护。远后备是指当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。图1.1 中，保护 1 对线路L 2 的保护是在远处实现的，称为远后备保护。可知，若由断路器QF 1 断开来切除故障，会使停电范围扩大。为避免这种情况，通常会在断路器QF 2 的主保护安装处再设一套后备保护，这套保护即近后备保护。
辅助保护是对主保护和后备保护性能的补充，或是当主保护和后备保护退出运行时增设的简单保护。
电力系统的发展，电网结构日趋复杂，容量日益增大，范围越来越广，对继电保护不断提出新的要求，继电保护就是随着电力系统的发展而发展起来的。最早的继电保护装置是熔断器。到如今，继电保护完成了 4 个发展历程：机电型（电磁式）保护装置、晶体管式继电保护装置、集成电路继电保护装置及微机型继电保护装置。
随着电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展，更多的技术在继电保护领域的研究应用，继电保护技术向计算机化、网络化、智能化以及保护、控制、测量、数据通信一体化方向发展。
计算机化是指电力系统对微机保护的要求不断提高，要求相当于一台PC机的功能，具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其他保护、控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，以及高级语言编程等。
网络化是指将全系统各主要设备的保护装置用计算机网络连接起来，确保每个保护单元都能共享全系统的运行和故障信息的数据，各个保护单元与重合闸装置在分析这些信息和数据的基础上协调动作，以保证系统的安全稳定运行。
智能化是指对保护装置而言，保护功能除了需要本保护对象的运行信息外，还需要相关联的其他设备的运行信息。一方面，保证故障的准确实时识别；另一方面，保证在没有或少量人工干预下，能快速隔离故障、自我恢复，避免大面积停电的发生。
保护、控制、测量、数据通信一体化在实现继电保护的计算机化和网络化的条件下，保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是整个电力系统计算机网络上的一个智能终端。它可从网上获取电力系统运行和故障的任何信息和数据，也可将它所获得的被保护元件的任何信息和数据传送给网络控制中心或任一终端。因此，每个微机保护装置不但可完成继电保护功能，而且在无故障正常运行情况下还可完成测量、控制、数据通信功能，即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。
广域继电保护系统是计算机化、网络化方向的体现。随着电网的大范围互联，电力系统的安全稳定问题越来越突出。广域保护系统是一种对电力领域中继电保护系统进行优化的有效方式，能有效遏制潜在的大规模电力系统连锁故障的风险，提高系统功角、电压稳定性，是未来系统保护的发展方向之一。目前，广域保护系统的研究取得了很多成果，随着计算机技术和通信技术的快速发展，广域保护系统如何保障电网整体安全运行，仍将是需要深入研究的课题。
智能变电站继电保护技术是智能化方向的体现。2009 年以来，在智能电网、智能变电站建设的大背景下，继电保护技术领域经历了一场深刻而广泛的变革。随着电网的发展，继电保护面临网络可靠性提升技术、电子式互感器新技术等新机遇，面临特高压直流、新能源接入导致电网电力电子化、网络安全、电网高效经济运营的新挑战。智能变电站继电保护可靠性将得到明显提升，减少一次系统停电，降低保护设备对系统运行的约束；将全面提升信息共享水平，提高设备管理的精度和密度；逐步实现“免定检、自维护”，大幅降低运维人力成本，实现高绩效运维，构建安全可控的二次设备架构和厂站二次系统多级安全防护体系，实现电网立体式防护体系。
继电保护课程理论性和实践性都很强。理论学习是基础，必须掌握电力系统各种故障或不正常状态时的特征，如发生相间故障和接地故障时会有电流的增大，电压的降低，接地故障还会有零序分量出现。通过这些特征将故障或不正常与正常状态进行区分，判别故障类型，这是各类继电保护构成的基本原理。继电保护原理的学习因涉及电工基础、电气设备和电力系统分析等多门课程，对初学者而言，会感觉理论要求高、逻辑性强，难以理解。只有边进行理论学习、边进行任务练习，才能更好地学习、理解和掌握“继电保护”这门课程，做到学以致用。
（1）继电保护装置的认识
各类型保护装置外观大同小异。装置面板基本由液晶显示屏、信号灯和按键 3 个部分组成。以CSC-122B为例，装置面板外观如图1.2 所示。
图1.2 CSC-122B装置面板图
装置面板各信号灯及按键含义见表1.1。
表1.1 装置面板信号灯及按键说明表
操作装置按键，可进行时钟核对、定值调阅和报告查看等操作。一般操作方法如下：
①时钟核对、修改。在主菜单下，选择“设置”菜单，进入后选择“时间”，用于设置时钟。修改后，按“确认”键执行。后台主站通信时，应有主站对时。
②定值调阅、修改、打印。定值调阅采用从后台机上进行。从后台机上，首先选择“保护设备”进入，然后选择需要调阅的设备间隔即可。
③定值查看、打印。在主菜单下，选择“定值”菜单，进入后选择“定值”，查看及修改定值。定值按保护功能进行分类，进入后先选择定值区，再选择某路保护，即可查看或修改本区内与该保护相关的定值。
④报告查看与打印。在主菜单下，选择“报告”菜单，进入后选择“查看报告”，可查看历史报告，报告按发生时间顺序排列。第一个报告为最近时间内产生的报告，进入后装置会提示当前共有多少个报告，用户选择好报告序号后按“确认”键，即可查看该报告。
（2）保护定值单的认识
1）保护定值
保护定值包括整定值、软硬压板和控制字 3 个方面的内容。
整定值是由电力调度部门的继电保护整定计算人员对其所辖设备的参数及系统运行要求，通过计算分析给出的各项定值。保护定值单如图1.3 所示。
图1.3 保护定值单
软压板是指保护装置软件系统的某个功能的投退，如投入、退出某保护和控制功能，可通过修改保护装置的软件控制字来实现。软压板是程序，可操作保护装置的液晶面板在装置内部进行投退。其中，1 表示投入，0 表示退出。
硬压板是指保护柜内连接片之类的硬件设备，分为功能压板和出口压板。
控制字，对应一个功能的投退。
保护装置软压板（控制字）和功能压板（硬压板）是“与”关系。如差动保护功能投入，必须是保护装置内部差动保护软压板（控制字）置“1”，同时保护屏柜内的差动保护功能压板在“投入”位置。
2）保护定值调整的操作流程及规定
由于保护定值关系电网中各级设备的协调配合，保护定值由调度部门统筹管理。因此，运行中保护装置定值的变更及投退，必须根据调度命令执行，运行人员无权擅自变动。长远定值的变更由继电保护人员调整，运行人员只能进行临时定值变更的调整，并填用操作票。
保护定值调整操作流程如下：
①保护定值调整前，首先退出被调整保护装置的所有出口压板。
②进行定值调整时，必须有专人监护并核对无误。工作负责人对整定人员应详细交代保护装置不同定值区所适应的运行方式以及定值差异。作业人员应认真核对定值单内整定值、控制字、软压板以及CT变比等重要参数。作业过程中，作业人员的语言交流必须使用准确、规范的专业术语，以免他人引起歧义。
变更后，应立即打印定值清单，并在打印出定值清单上注明开关编号（保护）、保护人员、运行人员，应同时签名确认。注意调整时间后归档保存，与调度下达定值单核对无误，在继电保护定值记录簿作好记录，及时回执整定计算人员。
保护定值查看任务工单见表1.2。
表1.2 保护定值查看任务工单
续表
