一、電力系統基本概念

1、電力系統定義

由發電廠內的發電機、電力網內的變壓器和輸電線路以及用戶的各種用電設備，按照一定的規律連接而組成的統一整體，稱爲電力系統。

2、電力系統的組成

電力系統由發電廠的發電機、電力網及電能用戶（用電設備）組成的。

3、電力系統電壓等級

系統額定電壓：電力系統各級電壓網絡的標稱電壓值。

系統額定電壓值是：220V、380V、3kV、6kV、10kV、35kV、63kV、110kV、220kV、330kV、500kV、750kV。

4、電力設備

電力系統的電氣設備分爲一次設備和二次設備，一次設備（也稱主設備）是構成電力系統的主體，它是直接生產、輸送和分配電能的設備，包括髮電機、電力變壓器、斷路器、隔離開關、電力母線、電力電纜和輸電線路等。二次設備是對一次設備進行控制、調節、保護和監測的設備，它包括控制器具、繼電保護和自動裝置、測量儀表、信號器具等。二次設備通過電壓互感器和電流互感器與一次設備取得電的聯繫。

二、電力系統故障及其危害

凡造成電力系統運行不正常的任何連接或情況均稱爲電力系統的故障。電力系統的故障有多種類型，如短路、斷線或它們的組合。短路又稱橫向故障，斷線又稱爲縱向故障。

短路故障可分爲三相短路、單相接地短路（簡稱單相短路）兩相短路和兩相接地短路，注意兩相短路和兩相接地短路是兩類不同性質的短路故障，前者無短路電流流入地中，而後者有。三相短路時三相迴路依舊是對稱的，故稱爲對稱短路；其他幾種短路均使三相迴路不對稱，因此稱爲不對稱短路。

斷線故障可分爲單相斷線和兩相斷線。斷線又稱爲非全相運行，也是一種不對稱故障。大多數情況下在電力系統中一次只有一處故障，稱爲簡單故障或單重故障，但有時可能有兩處或兩處以上故障同時發生，稱爲複雜故障或多重故障。

短路故障一旦發生，往往造成十分嚴重的後果，主要有：

（1）電流急劇增大。短路時的電流要比正常工作電流大得多，嚴重時可達正常電流的十幾倍。大型發電機出線端三相短路電流可達幾萬甚至十幾萬安培。這樣大的電流將產生巨大的衝擊力，使電氣設備變形或損壞，同時會大量發熱使設備過熱而損壞。有時短路點產生的電弧可能直接燒壞設備。

（2）電壓大幅度下降。三相短路時，短路點的電壓爲零，短路點附近的電壓也明顯下降，這將導致用電設備無法正常工作，例如異步電動機轉速下降，甚至停轉。

（3）可能使電力系統運行的穩定性遭到破壞。電力系統發生短路後，發電機輸出的電磁功率減少，而原動機輸入的機械功率來不及相應減少，從而出現不平衡功率，這將導致發電機轉子加速。有的發電機加速快，有的發電機加速慢，從而使得發電機相互間的角度差越來越大，這就可能引起並列運行的發電機失去同步，破壞系統的穩定性，引起大片地區停電。

（4）不對稱短路時系統中將流過不平衡電流，會在鄰近平行的通訊線路中感應出很高的電勢和很大的電流，對通訊產生干擾，也可能對設備和人身造成危險。

在以上後果中，最嚴重的是電力系統並列運行穩定性的破壞，被喻爲國民經濟的災難，其次是電流的急劇增大。

除此之外，電力系統中還可能出現一些不正常工作狀態，如電氣設備超過額定值運行（稱爲過負荷），它也將使電氣設備絕緣加速老化，造成故障隱患甚至發展成故障；如發電機尤其是水輪發電機突然甩負荷引起定子繞組的過電壓、電力系統的振盪、電力變壓器和發電機的冷卻系統故障以及電力系統的頻率下降等。系統中的故障和不正常運行狀態都可能引起電力系統事故，不僅使系統的正常工作遭到破壞，甚至可能造成電氣設備損壞和人身傷亡。

三、電力系統繼電保護

電力系統中的各元件之間有十分緊密的電或電磁聯繫，一旦某個元件發生故障，電氣信息將以近似光的速度向系統各處傳播。這種故障不可能用人工手動方法排除而必須有高速自動化的裝置來排除。這是保證電力系統安全運行最有效的方法。

電力系統繼電保護就是一門研究這種自動識別故障並排除故障元件的自動裝置的技術學科。也就是說，繼電保護自動裝置是能反應電力系統中電氣元件故障或不正常運行狀態並動作於斷路器跳閘或發出指示信號的一種自動裝置。

1、繼電保護的作用

1）自動、迅速、有選擇性的將故障元件從電力系統中切除，使故障元件免於繼續遭到破壞，保證無故障部分迅速恢復正常運行。

2）反應電氣元件的不正常運行狀態，並根據運行維護條件，而動作於發出信號或跳閘。

2、繼電保護裝置

當電力系統中的電力元件（如發電機、線路等）或電力系統本身發生了故障危及電力系統安全運行時，能夠向運行值班人員及時發出警告信號，或者直接向所控制的斷路器發出跳閘命令以終止這些事件發展的一種自動化措施和設備。實現這種自動化措施的成套設備,一般通稱爲繼電保護裝置。

3、繼電保護裝置的組成及工作原理

一般繼電保護裝置由測量比較元件、邏輯判斷元件和執行輸出元件三部分組成。

1）測量比較元件：測量通過被保護的電力元件的物理參量，並與給定的值進行比較，根據比較的結果，給出“是”、“非”、“0”或“1”性質的一組邏輯信號，從而判斷保護裝置是否應該啓動。

2）邏輯判斷元件：根據測量比較元件輸出的邏輯信號的性質、先後順序、持續時間等，使保護裝置按一定的邏輯關係判定故障的類型和範圍，最後確定是否應該使斷路器跳閘、發出信號或不動作，並將對應的指令傳給執行輸出部分。

3）執行輸出元件：根據邏輯判斷部分傳來的指令，發出跳開斷路器的跳閘脈衝及相應的動作信息、發出警報或不動作。

4、繼電保護的分類

1）、按被保護的對象分類：輸電線路保護、發電機保護、變壓器保護、母線保護、電動機保護等。

2）、按保護原理分類：電流保護、電壓保護、距離保護、差動保護、方向保護、零序保護等。

3）、按保護所反應故障類型分類：相間短路保護、接地短路保護、匝間短路保護、斷線保護、失步保護、失磁保護及過勵磁保護等。

4）、按繼電保護裝置的實現技術分類：機電型保護、整流型保護、晶體管型保護、集成電路型保護、微機型保護。

5）、繼電保護測量值與整定值的關係分類：過量保護（測量值﹥整定值）、欠量保護（測量值﹤整定值）

6）、按保護所起的作用分類：主保護、後備保護、輔助保護等。

主保護是指滿足系統穩定和設備安全要求，能以最快速度有選擇地切除被保護設備和線路故障的保護。

後備保護是指主保護或斷路器拒動時用來切除故障的保護。又分爲近後備保護和遠後備保護。近後備保護：在本元件處裝設兩套保護，當主保護拒動時，由本元件的另一套保護動作。遠後備保護：當主保護拒動時，由該電力設備或線路的另一套保護實現後備的保護；當斷路器拒動時，由斷路器失靈保護來實現的後備保護。

5、繼電保護的基本要求：

選擇性、速動性、靈敏性、可靠性；

可靠性是指保護該動作時應動作，不該動作時不動作。

選擇性是指首先由故障設備或線路本身的保護切除故障，當故障設備或線路本身的保護或斷路器拒動時，才允許由相鄰設備、線路的保護或斷路器失靈保護切除故障。

靈敏性是指在設備或線路的被保護範圍內發生故障時，保護裝置具有的正確動作能力的裕度，一般以靈敏係數來描述。

速動性是指保護裝置應能儘快地切除短路故障，其目的是提高系統穩定性，減輕故障設備和線路的損壞程度，縮小故障波及範圍，提高自動重合閘和備用電源或備用設備自動投入的效果等。

四、變電站綜合自動化系統

利用先進的計算機技術、現代電子技術、通信技術和信息處理技術等實現對變電站二次設備(包括繼電保護、控制、測量、信號、故障錄波、自動裝置及遠動裝置等)的功能進行重新組合、優化設計，對變電站全部設備的運行情況執行監視、測量、控制和協調的一種綜合性的自動化系統。通過變電站綜合自動化系統內各設備間相互交換信息，數據共享，完成變電站運行監視和控制任務。