变配电站继电保护常见问题及分析
现在电力系统变配电站已经全部采用变电站综合自动化系统（微机保护），工业与民用建筑变电站也开始推广变电站综合自动化系统（微机保护）。采用变配电站综合自动化系统（微机保护）后，变电站的继电保护出现了许多新问题，需要大家进行讨论。
1 事故与继电保护分析
电能是一种特殊的物质，它不能存储，在其传输过程中要有可靠的绝缘。各相之间绝缘破坏就会发生相间短路事故，各相对地之间绝缘破坏就会发生单相接地短路事故或故障。
根据欧姆定律电压等于电流与电阻的乘积： U＝I×R I＝U÷R
在交流电路中电压等于电流与阻抗的乘积： U＝I×Z I＝U÷Z
供电系统中的阻抗包括发电设备、输电线路、变配电设备与负载的阻抗。输电线路与变配电设备的阻抗远小于负载的阻抗。当输电线路或变配电设备绝缘破坏，负载被短路，阻抗变小，电流就要变大。如果不及时将发生短路的输电线路或变配电设备断开（切除），就会使事故扩大，造成设备损坏、引起火灾、威胁人身安全，甚至破坏供电系统的稳定运行。短路保护是供电系统的主要保护。
短路事故有相间短路与单相接地短路，相间短路有三相短路与两相短路。电源中性点接地的供电系统发生单相接地时，短路电流有回路流通，可称为单相接地短路。电源中性点不接地的供电系统发生单相接地时，因为短路电流没有回路流通，只有三相对地不平衡电容电流，称为单相接地故障。二者的继电保护原理是不相同的。远方短路及用电设备不正常造成的过电流与过负荷，及瓦斯与温度等非电量故障均属于异常运行，也需要及时报警或跳闸。
继电保护就是在供电系统发生短路事故与异常运行时，能够按照要求迅速而有选择性地将其切除或报警，最大限度减小事故造成的影响，保证供电系统的稳定运行。
可靠性、选择性、灵敏性与速动性是继电保护的四大要素。可靠性要求无事故时不误动，发生事故时不拒动。选择性可减少停电范围。灵敏性是继电保护对事故的反应能力，它用灵敏系数来表示，灵敏系数必须符合规范要求，灵敏系数等于最小运行方式下的事故电流除以继电保护动作电流。速动性要求尽快地切除事故，必要时可无选择性动作，再用自动重合闸或备用电源自动投入来减小停电范围。
熔断器（保险丝）是最早出现，至今仍然在使用的继电保护装置，220/380 V低压配电系统除采用熔断器外，低压断路器由于其保护及附加功能的扩大，得到广泛的应用。
中高压配电系统采用具有断合功能的断路器，发生短路事故与异常运行时，需要由继电保护动作去断开断路器来切除或报警。
供电系统发生事故后电流、电压与频率等参数就要发生变化，继电保护就根据采集到电流、电压与频率等参数变化来动作。频率变化超过规定值后，由自动低频减载与解列动作来保证供电系统的稳定运行。电流与电压变化超过规定值后，继电保护就要动作将事故切除。有备用电源时，当主供电源断电后，通过备用电源自动投入装置将备用电源自动投入，帮助继续供电。
供电系统继电保护按照保护对象分为：发电机、变压器、线路、电动机、电容器、电抗器与母线保护等。按照保护性质分为：电流、电压、电流与电压、距离、差动保护与非电量保护。
常规继电保护由各种电流、电压及信号继电器组成包括测量、保护、控制与信号的二次电路。保护继电器根据采集到电流、电压等参数，与保护整定值比较后跳开断路器将事故切除。
变电站综合自动化系统（微机保护）由模拟量输入（测量回路），开关量输出（保护与控制回路）与开关量输入（信号回路）组成二次电路。由模拟量输入（测量回路）通过交流采样直接采集到电流、电压等参数（测量回路）后，由软件进行各种保护处理，当电流、电压或时间超过变化整定值时，由开关量输出（保护与控制回路）发出跳闸命令将事故切除。
由此可见常规继电保护与变电站综合自动化系统（微机保护），二次电路设计有着非常大的差别，常规继电保护需要根据保护功能要求来选择各种保护继电器，二次电路设计就比较复杂，工作量也大。
变电站综合自动化系统（微机保护）的保护功能由软件来实现，只要根据保护功能要求设计好模拟量输入（测量回路）、开关量输出（保护与控制回路）与开关量输入（信号回路）就可以了，不用设计各种保护继电器，二次电路设计相对比较简单。
数字化变电站是变电站继电保护的最新技术。传统的电流与电压互感器被电子或光电式电流与电压互感器所代替，二次侧输出的不再是AC0～5A与AC0～100V模拟量信号，而是根据IEC61850规约定义的数字量信号。断路器的合分闸与位置信号完全由智能化装置根据IEC61850规约定义输出数字量信号。数字化变电站的二次二次电路发生了本质性变革，设计更为简单。
2 相间短路保护
相间短路保护由主保护来完成。主保护有电流与电压保护，分别根据发生事故后的电流与电压同保护整定值中设定的动作值进行比较来发出跳闸命令进行事故跳，完成继电保护。国外电流保护分为若干段，而且有保护选择性连锁。国内把电流保护分为速断、过电流与过负荷保护，通常称为三段式保护，实际上速断还分为不带延时与带延时电流保护。国内外基本上是相同的。
电压保护分为过电压、低电压与失压保护。过电压与低电压用于发电机、高压电动机、高压电力电容器与电力变压器中性点保护。失压保护主要用于备用电源自投与不允许自起动的高压电动机。
随着电力系统的不断发展，电流与电压保护就开始满足不了要求。就出现了复合电压电流保护、低电压起动过电流保护与电流电压联锁速断保护，方向保护、距离保护、纵差动保护、横差动保护与高频保护等。工业与民用建筑变电站一般为终端站，复合电压电流保护、电流电压联锁速断保护、距离保护、方向保护、横差动保护与高频保护等遇到的非常少。
事故电流受电力系统运行方式的影响非常大，在继电保护的电流速断保护整定时涉及到电力系统最大运行方式与最小运行方式。电力系统最大运行方式下，下一级保护安装处的三相短路电流乘以可靠系数作为本保护的电流速断保护动作电流，然后再用电力系统最下运行方式下的两相短路电流除以电流速断保护动作电流作为灵敏系数进行校验，灵敏系数必须符合规范要求。
但电力系统主要发电机、变压器或线路检修或发生事故，运行方式就要发生变化，短路电流就会减小，灵敏系数就降低，保护范围就要缩小，甚至消失，这是非常危险的。有计划的正常检修，可以根据运行方式的变化，人为的改变电流速断保护整定值。当发生事故时引起运行方式变化时，目前无法自动改变电流速断保护整定值。就需要采用复合电压电流保护、低电压起动电流保护与电流电压联锁速断保护，方向保护、距离保护、纵差动保护、横差动保护与高频保护等，来克服运行方式发生变化对继电保护的影响，以保证继电保护动作的可靠性与选择性。
电力系统正常运行时母线电压不会低于规定值，一般为额定电压的10～15％。发生事故时母线电压会降低很多，短路不对称时，还会产生很大的负序电压。复合电压电流保护就是软件以逻辑或的关系判负序电压与低电压，然后在以逻辑与判电流，最后进行保护动作。此时电流速断保护电流整定值就可以适当减小，从而提高灵敏系数，或增加保护范围。
当有电动机负荷时，受电动机起动电流的影响，有时就需要采用低电压起动的过电流保护。当过电流是由于电动机起动原因引起时，母线电压一般不会下降太多，就不起动过电流保护。当过电流是由于事故原因引起时，母线电压一般会下降很多，此时再起动过电流保护。低电压起动过电流保护有时称为低电压闭锁电流保护。
电力系统最大运行方式下，因为短路电流最大，电流保护范围最大，由于电压降小，而低电压保护范围反而最小。在电力系统最小运行方式下，因为短路电流最小，电流保护范围最小，由于电压降大，而低电压保护范围反而最大。采用电流电压联锁速断保护后，按照主要运行方式下电流与电压保护具有相同的保护范围来整定。在运行方式为最大与最小时，保护实际动作范围按照电流与电压最小保护范围来动作，所以不会误动作，可以在主要运行方式下达到提高灵敏系数，或增加保护范围的目的。
对于有两个以上电源的电力系统，双侧电源流过保护装置的电流随着电流的方向不同而变化，因此就采用方向保护。根据短路电流方向不同而设置两套不同的电流速断保护整定值。环网式供电在闭环运行时，也需要装设带方向的电流保护。
对于线路保护，当电流电压保护满足不了选择性、灵敏性与速动性要求时，可采用距离保护。常规保护采用阻抗继电器，按照正序阻抗来整定。电力系统正常运行时母线电压不会低于规定值，一般为额定电压的10～15％。发生事故时母线电压会降低很多，可以根据发生事故时母线电压与流向事故点的电流计算出阻抗来进行保护，阻抗反应了距离，所以称为距离保护。阻抗计算只与发生事故时母线电压与流向事故点的电流有关，与电力系统运行方式无关。变电站综合自动化系统（微机保护）由软件来进行阻抗计算，不再需要阻抗继电器。变电站综合自动化系统（微机保护）软件有记忆功能，可以采用记忆的事故发生前一个周波的电压作为方向判拒。
纵差动保护主要用于变压器、高压电动机、发电机保护。对于1～2 k m （3～4 k m）的短距离线路，灵敏系数不能满足要求时，也可采用线路纵差动保护。环网式供电在闭环运行时，也可采用线路纵差动保护。
横差动保护主要用于发电机，星星联结的高压电力电容器等保护。
高频保护主要用于高压远距离输电线路。
发电机保护与母线保护工业与民用建筑电气设计中遇到的比较少。
高压电动机保护与高压电力电容器保护工业建筑电气设计中经常遇到，除上述电流与电压保护外，可以根据所选用的变电站综合自动化系统（微机保护）产品功能，在调试时进行设置。
3 单相接地保护
单相接地保护决定于电源中性点的接地方式。110 kV及以上电压等级的电源中性点接地系统，单相接地保护采用带方向或不带方向的阶段式零序电流保护。不能满足要求时，可装设接地距离保护，再采用零序电流保护作为后备保护。
电源中性点不接地的供电系统发生单相接地时，因为短路电流没有回路流通，只有三相对地不平衡电容电流，称为单相接地故障。此时采用单相接地故障检测进行保护，动作于报警或跳闸。通常采用小电流接地选线装置。现在许多变电站综合自动化（微机保护）装置也具有单相接地故障检测功能，动作于报警或跳闸。
电源中性点不接地的供电系统发生单相接地后，接地相对地电压为零，不接地两相对地电压升高为线电压，就可以通过零序电压进行报警，全系统的其他两相对地电容电流的向量和，由接地点，经过接地故障回路流回电源，此对地电容电流等于全系统单相对地电容电流的3倍。根据零序电压以及对地电容电流的大小与方向，就可以对发生单相接地的回路进行保护，动作于报警或跳闸。
我国10 kV、35 kV与63 kV 目前还为电源中性点不接地的供电系统。在单相接地电容电流不大的供电系统中，发生发生单相接地后可以只报警不跳闸。当单相接地电容电流大于10A时就需要报警并跳闸。现在城市电网发展很快，所以在一些大城市供电部门要求报警并跳闸。由于全系统单相对地电容电流精确计算很困难，单相接地保护整定就比较困难，误动与拒动经常发生。目前我国10 kV供电系统，还不能够改为电源中性点直接接地的供电系统。有些地区供电部门已经要求10 kV供电系统，采用电源中性点经过串联电阻接地的供电系统。此时单相接地保护就可以按照零序过电流保护来整定。可以不计算单相接地电流，按照三相不平衡电流不大于25％来整定，整定值比较准确，动作可靠性就有了保证。无法安装零序电流互感器时，可以从三相电流互感器二次侧中性线取得零序电流的滤序器方案。
4 采用变电站综合自动化系统（微机保护）后几个需要思考的问题：
1）目前变电站综合自动化系统（微机保护）基本上是在原有常规继电保护基础上发展起来的。由于受到设计规范与传统概念的限制，计算机软件与网络功能没有得到充分利用。数字化变电站与IEC61850的推广，可能会给计算机软件与网络功能的发挥带来机遇，应引起开发与使用者重视。
2）保护选择性联锁技术
保护选择性联锁技术在国外已经得到应用。保护选择性联锁是由下一级保护动作时，立即发出信号给上一级保护；上一级保护受到下一级保护发来的信号后，起动延时作为后备；上一级保护受不到下一级保护发来的信号时，不起动延时主保护动作。
由此可见保护选择性联锁技术在不影响保护选择性配合的情况下，可以适当减小保护级间配合时间，有效防止越级跳闸。可以通过计算机I/O接口传输保护选择性联锁信号，也可以通过计算机网络来传输保护选择性联锁信号。
3）现在变电站综合自动化系统（微机保护）的备用电源自投，采用计算机I/O接口在两路电源进线与母联断路器之间传输备自投信号，二次电路比较复杂而又不统一，不利于二次电路设计与维护。如果利用计算机网络来传输备自投信号，二次电路可由通信代替，有利于二次电路设计与维护。
4）单相接地保护
如果利用计算机网络将各变电站综合自动化装置（微机保护）的零序电流，传输到变电站综合自动化系统（微机保护）的电压互感器测控装置。就可以由变电站综合自动化系统（微机保护）的电压互感器测控装置来实现小电流接地选线，通过软件计算就可以实现无定值判断。
5）利用软件判断合闸来躲过励磁涌流与起动电流
变压器励磁涌流可以通过二次谐波制动或尖端角来躲过，但目前只用于变压器差动保护。电动机起动电流目前只从保护延时来躲过。采用变电站综合自动化装置（微机保护）后，完全可以通过软件判断合闸来来躲过励磁涌流与起动电流的影响，提高保护的灵敏系数。
电力电容器与输电线路合闸时都回出现充电电流，如果利用软件判断合闸来躲过励磁涌流与起动电流可行，也可以用于躲过电力电容器与输电线路合闸时充电电流对保护的影响。
6）通过软件判二次侧电流来躲过外部短路对差动保护的影响
差动保护还要考虑外部短路以及电流互感器带来的不平衡电流影响。可以通过软件判二次侧电流来躲过外部短路对差动保护的影响。二次侧电流为零时，为空载运行，可以按照变压器空载电流乘以可靠系数整定出差动保护动作电流，然后随着二次侧电流的增加再按照比率系数增加，二次侧电流接近于变压器额定电流时，为第一个拐点，比率系数在扩大。
7）数字化变电站
数字化变电站技术出现后，在保护处理与原理上目前还没有大的变化，仍然分为过程层、间隔层与站控层，采用智能化测量与控制装置，在数据采集与控制上会发生了大的变化，二次地区内陆设计更为简化，应该用于户外变电站。
对于采用开关柜等成套设备，变电站综合自动化装置（微机保护）分散安装于开关柜上的户内变电站，电流互感器、断路器与变电站综合自动化装置（微机保护）之间的距离只有几米远。有些用户变电站不与电力系统调度联网，有些用户变电站甚至无计算机系统，因此用户变电站是否需要采用数字化变电站与IEC61850通信规约，需要大家展开讨论。