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摘要：本文通过针对继电保护在传统电流保护方面的应用，并通过实例证明了其可行性。
关键词：继电保护 传统电流保护 电力系统
引言
电力系统继电保护是在电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证电力系统其余部分迅速恢复正常运行，并使故障设备不再继续遭到损坏。随着计算机技术的飞速发展，继电保护已从电磁型、晶体管型及集成电路型发展到计算机型。
自适应继电保护是20世纪80年代提出的研究课题。其基本思想是使保护装置尽可能地适应电力系统的各种变化，改善保护性能，使其能够适应电力系统各种运行方式和复杂故障类型，有效地处理故障信息，从而获得更可靠的保护。自适应继电保护能够克服同类型传统保护长期以来存在的困难和问题，改善保护的动作性能。目前，自适应保护还处在研究阶段，但现有研究成果己证明了它优越性。
1 自适应电流速断保护
电力系统继电保护的基本要求包括选择性和速动性。当发生故障时，继电保护不仅要有选择地切除故障路线，而且要在保障可靠性和稳定性的前提下尽量快速地执行，以最大限度地减少故障造成的损失。这种在电流瞬时增大时动作的电流保护就是电流速断保护。
传统的速断装置是在离线状态下，假定工作在最大运行方式下，线路末端发生短路时确定出整定值并让设备依据这个值来进行保护工作。随着电力系统的不断发展，电网结构越来越复杂，其规模越来越大，而且处在不断地变化之中，使电力系统故障变得多种多样，这使得传统的速断保护装置显得力不从心。一方面，整定值虽然相对合理，但与实际运行状态仍有区别，它必将导致保护装置不能总是运行在最佳状态；另一方面，整定值是假设工作在最大运行方式下得到的，当系统运行在其它(或最小)运行方式时，保护可能失效。
自适应电流速断保护出现在20世纪80年代，它的特点是可以根据电力系统的運行方式和故障状态实时改变保护性能和整定值。这种集实时信息采集、信号处理及微机继电保护等新技术于一体的技术装置很好地解决了上述问题。
1．1 传统电流速断保护原理
根据电力系统短路分析，当电源电势一定时，三相短路电流可以表示为
Id=E/Zs+Zd ,(1)
式中：E—系统等效电源的相电势；
Zd ,—短路点至保护安装处的阻抗，即被保护线路的阻抗；
Zs—保护安装处到系统等效电源的阻抗。
Id.max=E/Zs.min+Zd 0(2)
则流过保护的电流的整定值
ID=KkId.max，(3)
式中，可靠度系数Kk=1.2～1.3，用来反映理论计算与实际情况之间存在的差别。
以上仅是理论上的计算值，在实际运行中，短路电流还与故障点的位置和故障类型有关，用公式表示为
ID.1=Kd.E/Zs+aZd，(4)
式中，Kd为故障类型系数，故障类型不同，Kd取不同的值，在相间短路保护条件下，三相短路时，Kd =1；两相短路时，Kd：√3／2。
令ID.1=ID，可得电流速断最小保护范围为
a=Kd/(Zs.min+Zd)/Kk.Zd-Zs/Zd。(5)
分析以上公式可以得出，传统速断保护的不足在于实际的保护范围总是小于最大运行方式下的保护范围，且保护范围受系统运行方式的影响很明显，严重时甚至会出现保护范围为0的情况，这是亟待解决的问题。
1.2自适应电流速断保护
自适应电流保护的优点是利用微型机的计算和记忆功能，在线计算出电流速断保护的整定值，即让整定值随着运行方式和故障类型的变化而变化，恰好解决了传统电流速断保护的问题。自适应电流保护整定值
I,D=KkKdE/Zs+Zd’ (6)
式中：E —系统等效电源的相电势；
Zd— 短路点至保护安装处的阻抗，即被保护线路的阻抗；
Zs—保护安装处到系统等效电源的阻抗；
Kk— 取1．2～1．3；
Kd — 故障类型系数。
所以，必须实时测量出Kd 和Zs才能确保整定值的实时性。
测量Kd的关键是判断电网的故障是三相故障还是两相故障。三相故障时会有很小的不平衡负序电出现；两相故障时，会有较大的负序电流出现。可据此判断线路的故障类型。三相短路时，Kd= 1；
两相短路时，Kd =√3／2。
令式(6)与式(4)相等，得到自适应电流保护的范围
а,=Zd-(KK-1)Zs/KkZd。(7)
从式(7)可以看出，自适应电流保护的保护范围与故障类型无关，但а,是随时间变化的，它的大小取决于阻抗的大小，并能够使保护总是处在最佳保护的状态。
为了比较传统电流速断保护和自适应电流保护的性能，将Zs.min =0.187Ω，Zs =0.00375 LΩ，Zd=0.0032LΩ式中L为阻抗计算长度，0．187，0．00375，0．0032分别为1km的阻抗值，代入式(5)和式(7)，分别计算出а和а,，结果见表1。
表1 传统电流速断保护和自适应电流保护的性能比较
三相短路 两相短路
L/km α á α á
50 〈0 0.419
100 0.108 0.626 〈0 0.626
从表1可以看出，自适应电流速断保护的性能明显优于传统速断保护。所以，自适应电流保护的研究是十分有意义的。
2 自适应过电流保护
过电流保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护。它在正常运行时不应该起动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作。在一般情况下，它不仅能够保护本线路，而且能够保护相邻线路，以起到后备保护的作用。
2．1 传统过电流保护
过电流保护是根据在电网发生故障时短路电流增大的原理动作的。为了保证在非故障情况下保护误动，传统过电流保护的整定式如下
IDZ=KkKzg/kh IHmax, (8)
式中： IDZ— 电流组件的启动电流；
kk—可靠系数，取1.15～1.25；
Kzg— 自启动系数，Kzg >1；
kh—— 电流组件的返回系数，ks1>0．85；
IHmax,—最大负荷电流。
过电流保护是否有效决定于灵敏度KLm
KLm=IFmin/IDZ,(9)
式中，IFmin为最小运行方式下，保护区末端发生金属两相短路的短路电流。
当灵敏系数KLm≥1.3时，可以采用过电流保护。从式(9)可以看出，在IFmin 固定的条件下，ID的大小决定了灵敏系数能否满足要求。
可见，传统的过电流保护是按躲过最大负荷电流进行整定，在区外故障切除后继电器应能可靠返回，且要考虑电动机自启动系数。所以，过电流保护的保护范围受系统运行方式、负荷变化、返回系数及自起动系数的影响，使它的保护范围大大减小。
2．2 自适应过电流保护
自适应过电流保护为克服传统保护的缺点，要求按照当时的负荷电流来整定动作电流的定值；动作时限按反时限特性在线或离线整定。
设当时的负荷电流为，IH，其动作电流就整定为
IzDz=KkKzqIH/Kho(10)
动作时限设定，以离线方式整定
t= Tp／[(I,d/IP)n-1]，(11)
式中：t —动作时间；
Tp— 时间常数；
I,d—流人保护安装处电流继电器的电流；
IP—电流系数，取IP =(2／3)IDZ；
n —般反时限取0.02，非常反时限取1。
如图1所示，当保护线路分成几段时，上一段要与后一段相配合，只能采用一种特性，先把最后一段线路的时限设定好，比如设为t1，而上一段线路的时间就为t1+△t，由此求出上一段线路的， 值来确定动作时间曲线。
根据式(10)可以使保护装置随系统运行方式、负荷的变化实时调整动作电流定值，当故障电流Id大于整定电流,IzDz时，保护启动，再用故障电流，Id与时间曲线方程式(11)计算出动作延时，经过动作延时使保护动作切除故障。
由此可见，自适应过电流保护可以通过对负荷电流的实时监测，随时调整动作电流整定值及动作时限特性，使保护处于最佳动作状态。
3 结束语
本文通过对传统电流保护和自适应电流保护的算法的比较，得出了自适应电流保护优于传统保护的结论，并用算例予以验证。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：继电保护 传统电流保护 电力系统
引言
电力系统继电保护是在电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证电力系统其余部分迅速恢复正常运行，并使故障设备不再继续遭到损坏。随着计算机技术的飞速发展，继电保护已从电磁型、晶体管型及集成电路型发展到计算机型。
自适应继电保护是20世纪80年代提出的研究课题。其基本思想是使保护装置尽可能地适应电力系统的各种变化，改善保护性能，使其能够适应电力系统各种运行方式和复杂故障类型，有效地处理故障信息，从而获得更可靠的保护。自适应继电保护能够克服同类型传统保护长期以来存在的困难和问题，改善保护的动作性能。目前，自适应保护还处在研究阶段，但现有研究成果己证明了它优越性。
1 自适应电流速断保护
电力系统继电保护的基本要求包括选择性和速动性。当发生故障时，继电保护不仅要有选择地切除故障路线，而且要在保障可靠性和稳定性的前提下尽量快速地执行，以最大限度地减少故障造成的损失。这种在电流瞬时增大时动作的电流保护就是电流速断保护。
传统的速断装置是在离线状态下，假定工作在最大运行方式下，线路末端发生短路时确定出整定值并让设备依据这个值来进行保护工作。随着电力系统的不断发展，电网结构越来越复杂，其规模越来越大，而且处在不断地变化之中，使电力系统故障变得多种多样，这使得传统的速断保护装置显得力不从心。一方面，整定值虽然相对合理，但与实际运行状态仍有区别，它必将导致保护装置不能总是运行在最佳状态；另一方面，整定值是假设工作在最大运行方式下得到的，当系统运行在其它(或最小)运行方式时，保护可能失效。
自适应电流速断保护出现在20世纪80年代，它的特点是可以根据电力系统的運行方式和故障状态实时改变保护性能和整定值。这种集实时信息采集、信号处理及微机继电保护等新技术于一体的技术装置很好地解决了上述问题。
1．1 传统电流速断保护原理
根据电力系统短路分析，当电源电势一定时，三相短路电流可以表示为
Id=E/Zs+Zd ,(1)
式中：E—系统等效电源的相电势；
Zd ,—短路点至保护安装处的阻抗，即被保护线路的阻抗；
Zs—保护安装处到系统等效电源的阻抗。
Id.max=E/Zs.min+Zd 0(2)
则流过保护的电流的整定值
ID=KkId.max，(3)
式中，可靠度系数Kk=1.2～1.3，用来反映理论计算与实际情况之间存在的差别。
以上仅是理论上的计算值，在实际运行中，短路电流还与故障点的位置和故障类型有关，用公式表示为
ID.1=Kd.E/Zs+aZd，(4)
式中，Kd为故障类型系数，故障类型不同，Kd取不同的值，在相间短路保护条件下，三相短路时，Kd =1；两相短路时，Kd：√3／2。
令ID.1=ID，可得电流速断最小保护范围为
a=Kd/(Zs.min+Zd)/Kk.Zd-Zs/Zd。(5)
分析以上公式可以得出，传统速断保护的不足在于实际的保护范围总是小于最大运行方式下的保护范围，且保护范围受系统运行方式的影响很明显，严重时甚至会出现保护范围为0的情况，这是亟待解决的问题。
1.2自适应电流速断保护
自适应电流保护的优点是利用微型机的计算和记忆功能，在线计算出电流速断保护的整定值，即让整定值随着运行方式和故障类型的变化而变化，恰好解决了传统电流速断保护的问题。自适应电流保护整定值
I,D=KkKdE/Zs+Zd’ (6)
式中：E —系统等效电源的相电势；
Zd— 短路点至保护安装处的阻抗，即被保护线路的阻抗；
Zs—保护安装处到系统等效电源的阻抗；
Kk— 取1．2～1．3；
Kd — 故障类型系数。
所以，必须实时测量出Kd 和Zs才能确保整定值的实时性。
测量Kd的关键是判断电网的故障是三相故障还是两相故障。三相故障时会有很小的不平衡负序电出现；两相故障时，会有较大的负序电流出现。可据此判断线路的故障类型。三相短路时，Kd= 1；
两相短路时，Kd =√3／2。
令式(6)与式(4)相等，得到自适应电流保护的范围
а,=Zd-(KK-1)Zs/KkZd。(7)
从式(7)可以看出，自适应电流保护的保护范围与故障类型无关，但а,是随时间变化的，它的大小取决于阻抗的大小，并能够使保护总是处在最佳保护的状态。
为了比较传统电流速断保护和自适应电流保护的性能，将Zs.min =0.187Ω，Zs =0.00375 LΩ，Zd=0.0032LΩ式中L为阻抗计算长度，0．187，0．00375，0．0032分别为1km的阻抗值，代入式(5)和式(7)，分别计算出а和а,，结果见表1。
表1 传统电流速断保护和自适应电流保护的性能比较
三相短路 两相短路
L/km α á α á
50 〈0 0.419
100 0.108 0.626 〈0 0.626
从表1可以看出，自适应电流速断保护的性能明显优于传统速断保护。所以，自适应电流保护的研究是十分有意义的。
2 自适应过电流保护
过电流保护通常是指其启动电流按照躲开最大负荷电流来整定的一种保护。它在正常运行时不应该起动，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作。在一般情况下，它不仅能够保护本线路，而且能够保护相邻线路，以起到后备保护的作用。
2．1 传统过电流保护
过电流保护是根据在电网发生故障时短路电流增大的原理动作的。为了保证在非故障情况下保护误动，传统过电流保护的整定式如下
IDZ=KkKzg/kh IHmax, (8)
式中： IDZ— 电流组件的启动电流；
kk—可靠系数，取1.15～1.25；
Kzg— 自启动系数，Kzg >1；
kh—— 电流组件的返回系数，ks1>0．85；
IHmax,—最大负荷电流。
过电流保护是否有效决定于灵敏度KLm
KLm=IFmin/IDZ,(9)
式中，IFmin为最小运行方式下，保护区末端发生金属两相短路的短路电流。
当灵敏系数KLm≥1.3时，可以采用过电流保护。从式(9)可以看出，在IFmin 固定的条件下，ID的大小决定了灵敏系数能否满足要求。
可见，传统的过电流保护是按躲过最大负荷电流进行整定，在区外故障切除后继电器应能可靠返回，且要考虑电动机自启动系数。所以，过电流保护的保护范围受系统运行方式、负荷变化、返回系数及自起动系数的影响，使它的保护范围大大减小。
2．2 自适应过电流保护
自适应过电流保护为克服传统保护的缺点，要求按照当时的负荷电流来整定动作电流的定值；动作时限按反时限特性在线或离线整定。
设当时的负荷电流为，IH，其动作电流就整定为
IzDz=KkKzqIH/Kho(10)
动作时限设定，以离线方式整定
t= Tp／[(I,d/IP)n-1]，(11)
式中：t —动作时间；
Tp— 时间常数；
I,d—流人保护安装处电流继电器的电流；
IP—电流系数，取IP =(2／3)IDZ；
n —般反时限取0.02，非常反时限取1。
如图1所示，当保护线路分成几段时，上一段要与后一段相配合，只能采用一种特性，先把最后一段线路的时限设定好，比如设为t1，而上一段线路的时间就为t1+△t，由此求出上一段线路的， 值来确定动作时间曲线。
根据式(10)可以使保护装置随系统运行方式、负荷的变化实时调整动作电流定值，当故障电流Id大于整定电流,IzDz时，保护启动，再用故障电流，Id与时间曲线方程式(11)计算出动作延时，经过动作延时使保护动作切除故障。
由此可见，自适应过电流保护可以通过对负荷电流的实时监测，随时调整动作电流整定值及动作时限特性，使保护处于最佳动作状态。
3 结束语
本文通过对传统电流保护和自适应电流保护的算法的比较，得出了自适应电流保护优于传统保护的结论，并用算例予以验证。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。