电力系统继电保护-全面介绍版

第7章电力系统继电保护继电保护的基本知识常用保护继电器电力线路的继电保护电力变压器、电动机、电容器的保护1第1节继电保护的基本知识一、继电保护的作用

电力系统继电保护装置是一种能反应电力系统中电气元件发生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反事故自动装置。继电保护基本任务：当系统出现故障时，能自动的、有选择的、快速的将故障元件从系统切除，保证无故障部分继续运行，使故障部分受损坏程度最轻。

反应电气元件的不正常工作状态，一般经延时发出信号。在无人值班条件下，保护也可作用于延时跳闸。2二、对继电保护的基本要求选择性、速动性、灵敏性、可靠性选择性：保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，最大限度地保证系统中的非故障部分继续运行。速动性：继电保护装置应以尽可能快的速度将故障元件从电网中切除。切除故障时间等于继电保护动作时间和断路器全开断时间之和。3保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数Ks来衡量。

对于反应故障时参数量增加的保护（如过电流保护）灵敏性：保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反映能力。对于反应故障时参数量降低的保护（如低电压保护）保护装置的灵敏度应该大于1。可靠性：指保护装置该动时不能拒动；不该动时不能误动。4三、继电保护的基本原理1、继电保护的基本原理电力系统故障特征电力系统故障时，常伴有电流的增大、电压的下降、电压与电流之间相位角的改变、保护安装处电压与电流之比所表征的阻抗值下降等现象。继电保护基本原理利用故障时电气量的变化特征作故障判据，并把此判据转化为操作信息，即可实现保护功能。利用不同的特征量做故障判据，可以构成不同原理的继电保护。52、继电保护装置的组成测量部分：从被保护对象输入有关信号，并与给定的整定值进行比较，判断是否发生故障或不正常运行状态；逻辑部分：根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，进行逻辑判断，以确定保护装置是否应该动作；执行部分：根据逻辑部分做出的判断，执行保护装置所担负的任务（跳闸或发信号）。6第2节常用保护继电器一、概述继电器：当输入的物理量达到规定值时，其电气输出电路被接通或分断的自动电器。1.输入性质：电气继电器、非电气继电器2.用途：控制继电器、保护继电器3.保护继电器按功能分：测量继电器、有或无继电器4.按组成元件：机电型（电磁式、感应式）、晶体管型、微机型5.按反映物理量：电流、电压、功率、瓦斯6.按反映数量变化：过量继电器、欠量继电器77.按在继电保护中的用途分：起动继电器、时间继电器、信号继电器、中间继电器等88.按动作于断路器的方式分：直接动作式（直动式）、间接动作式9.按与一次电路的联系方式分：一次式继电器、二次式继电器9二、电磁型继电器1.电磁型电流继电器（KA）结构：如右所示工作原理：当在继电器线圈中通入电流IK时，电磁铁产生的电磁力Fem为：DL-10型电磁式电流继电器结构图1－线圈2－电磁铁3－钢舌片4－静触点5－动触点6－起动电流调节转杆7－标度盘（铭牌）8－轴承9－反作用弹簧10－转轴当电磁力Fem大于弹簧的反作用力Fsp和摩擦力Ffr时，继电器触点切换，这就叫做继电器动作。10继电器动作的必要条件：Fem≥Fsp+Ffr

动作电流：能使继电器产生动作的最小电流，称为继电器的动作电流，用Iop表示。调整继电器动作电流的方法有：改变继电器线圈匝数NK（线圈的串并联，级进调节）调节反作用弹簧的松紧，即调节Fsp（平滑调节）调整衔铁与电磁铁之间的气隙长度，即调节Rm。

继电器动作后，减小IK就能使继电器返回原位。欲使继电器返回的必要条件是：Fsp≥Fem+Ffr

返回电流：能使继电器返回到原始位置的最大电流，称为继电器的返回电流，用Ire表示。11返回系数：是指继电器的返回电流与动作电流的比值，用Kre表示对于过电流继电器，Kre＜1，一般要求

Kre

=0.8～0.9；对于欠电流继电器，Kre

＞1，一般要求

Kre=1.06～1.2。电磁型电流继电器的动作迅速，是一种瞬时继电器。电磁式电流继电器的内部接线和图形符号122．电磁型电压继电器（KV）

其结构和原理与电磁型电流继电器相似，不同的是采用电压线圈，匝数多、导线细，与PT相并联。在供配电系统中多用低电压（欠电压）继电器。动作电压：能使继电器产生动作的最高电压，称为继电器的动作电压，用Uop.K表示。返回电压：能使继电器返回到原始位置的最低电压，称为继电器的返回电压，用Ure.K表示。返回系数：是指继电器的返回电压与动作电压的比值。说明：低电压继电器的返回系数Kre＞1，一般为1.25。返回系数越接近1，说明继电器越灵敏。133.电磁式时间继电器（KT）用来使保护装置获得所要求的延时（时限）。它属于机电式有或无继电器。延时时间的调节：改变主静触点的位置，即它与主动触点的相对位置。注意：时间继电器线圈通常不按长时间接上额定电压设计，凡需长时间通电的时间继电器，其线圈应串入限流电阻。14时间继电器的内部接线和图形符号：154.电磁式信号继电器（KS）在继电保护装置中，用来发出保护装置动作的信号，属于机电式有或无继电器。电流型：电流线圈，阻抗小，串联在二次回路中电压型：电压线圈，阻抗大，并联在二次回路中165.电磁式中间继电器（KM）作用：弥补主继电器触点数量和触点容量的不足。安装位置：装设在保护装置的出口回路，用以接通断路器的跳闸线圈，也称为出口继电器。属于机电式有或无继电器。17

二、静态继电器静态继电器是指用模拟电子电路及部分数字电路构成的电子型继电器，分为晶体管型和集成电路型继电器两类。静态继电器的“静态”是相对于电磁型继电器的“触点”动作而言的，它的信息传递是通过“0、1”开关信息传递的。静态继电器是用硅材料为主构成的继电器，因此又叫“固体”继电器。181．晶体管型电流继电器晶体管型继电器的功能是由晶体管开关电路完成的。晶体管型电流继电器的组成晶体管型过电流继电器原理接线图19晶体管型电流继电器的动作情况当IK＜Iop时，UR3＜Ud

，a点为正电位，V6承受反向电压，I6=0，VT1饱和导通，VT2截止，触发器输出电压U0=E，继电器不动作。20当IK≥Iop时，UR3≥

Ud

，a点电位由正变负，V6导通，VT1基极电流减小→VT1进入放大区→VT1集电极电压升高→VT2基极电流增大→VT2进入放大区→U0下降→If减小→VT1基极电流进一步减小→VT1截止，VT2导通，触发器输出电压U0=0，继电器动作。21当IK≤Ire时，VT1又变为导通，VT2又变为截止，触发器又翻转到起始状态，继电器也随之复位。222.晶体管型时间继电器在正常情况下，VT1饱和导通，VD导通，电容器C被短接，其值小于稳压管VS的方向击穿电压，VT2截止，输出“1”态信号。故障时，VT1截止，VD截止，电容器C通过R2充电（电压按指数规律上升），当达到稳压管VS反向击穿电压时，VS导通，给VT2供给基极电流，VT2导通，输出“0”态信号。233．集成电路型电流继电器由集成电路构成的静态继电器，也是由电压形成回路、整流滤波回路、逻辑回路和执行回路四部分组成，但在具体构成时也有些差别。电压形成回路与晶体管继电器相同，逻辑回路由CMOS等数字电路构成。为了减小直流电压的脉动系数，减轻滤波负担，在整流电路中采用的是由运算放大器构成的全波整流电路。为了消除暂态过程中非周期分量及各种谐波分量的影响，滤波回路一般都采用高品质因数的带通有源滤波器。24第3节电力线路继电保护一、概述电力线路，应装设相间短路保护、单相接地保护和过负荷保护。

相间短路保护：应作用于断路器的跳闸机构，使断路器跳闸，切除短路故障部分。

单相接地保护：绝缘监视装置，动作于信号；有选择性的单相接地保护，动作于信号，严重时，动作于跳闸。

过负荷保护：动作于信号。25二、保护装置的接线方式

保护装置的接线方式：电流互感器和电流继电器之间的连接方式。设电流互感器的变比为，保护装置的动作电流为Iop，则相应的电流继电器的动作电流为

接线系数Kw：在继电保护回路中，流入继电器中的电流IK与对应电流互感器的二次电流I2的比值，称为接线系数261．三相完全星形接线方式特点：可以反映各种形式的故障，其接线系数Kw=1。

2．两相不完全星形接线方式特点：可以反映除B相单相接地短路以外的所有故障，其接线系数Kw=1。三相完全星形接线方式两相不完全星形接线方式273．两相电流差接线方式流入继电器中的电流等于A、C两相电流互感器二次电流之差。特点：接线系数随电力系统短路类型的不同而改变。正常运行或三相短路时：发生A、C两相短路时：A、B或B、C两相短路时：两相电流差接线方式28两相电流差接线方式能够反映各种相间短路，但对各种相间短路的灵敏度不同。进行保护整定时，接线系数取，灵敏度校验时，接线系数取1。29三、过电流保护过电流保护分为定时限过电流保护和反时限过电流保护两种：定时限：保护装置的动作时限按预先整定的时间固定不变，与短路电流大小无关；反时限：保护装置的动作时间按照10倍动作电流整定，而实际的动作时间则是与短路电流成反比，短路电流越大，动作时间越短。

参数的整定：过电流保护的动作电流按躲过最大负荷电流整定，并以时间来保证动作的选择性。

过电流保护的作用：作为本线路的后备保护（近后备）和下一级线路的后备保护（远后备）。

保护范围：本线路和相邻线路的全长。30（一）过电流保护的原理与组成定时限过电流保护的接线图和展开图a）原理图b）展开图3132（二）过电流保护装置的整定计算1、动作电流的整定a.动作电流Iop必须躲过线路上的最大负荷电流IL·maxb.保护装置在外部故障切除后应能可靠返回原始位置装置保护的返回电流Ire必须躲过外部短路切除后流过保护装置的最大自起动电流KstIL.max33引入一个可靠性系数Krel，上式可改写为：IOP：保护装置动作电流

IOP·K：继电器动作电流Krel：可靠性系数，电磁型1.2，感应型1.3Kst：电动机的自起动系数，一般取1.5～3Kre：继电器的返回系数，电磁型0.85，感应型0.8KW：接线系数，星形和不完全星形取1，两相电流差取Ki：电流互感器变比

IL·max：最大负荷电流342、动作时限的整定动作时间应按“阶梯原则”进行整定，即从负荷侧到电源侧，各保护的动作时间应逐级增加Δt。Δt的作用：应保证保护装置不误动作，它应包括断路器的跳闸时间、前一级保护的时间继电器可能提前动作的负误差、后一级保护的时间继电器可能推迟动作的正误差和一个裕度时间。

353、灵敏度校验过电流保护的灵敏度应按系统最小运行方式下本线路末端（近后备）或相邻下一级线路末端（远后备）的两相短路电流进行校验。作远后备时，要求Ks≥1.2；作近后备时，要求Ks≥1.3~1.5。若灵敏度不满足要求，可采用低电压闭锁的过电流保护来提高其灵敏度。36三、低电压闭锁的过电流保护在线路过电流保护的过流继电器KA的常开触点回路中，串入低电压继电器KV的常闭触点，而KV经过电压互感器TV接在被保护线路的母线上。式中，Uw.min为母线的最小工作电压，取0.9UN；Kre取1.25；Kre1取1.1~1.2；Uop·K

约为60～70V。过电流继电器的Iop·K

低电压继电器的Uop·K

37四、瞬时电流速断保护1.瞬时电流速断保护的原理接线图瞬时电流速断保护就是一种瞬时动作的过电流保护，就相当于定时限过电流保护中抽去时间继电器。中间继电器的作用：（1）弥补电流继电器触点容量的不足，起动YR。（2）防止管型避雷器放电时，发生误动作。382.瞬时电流速断保护的作用原理与整定计算曲线1——

曲线2——

直线3——瞬时电流速断保护的动作电流动作电流Iop：躲过所保护线路末端的最大短路电流(Krel取1.2~1.3)电流速断保护不能保护本线路全长。39lmax：最大保护范围lmin：最小保护范围保护死区：保护范围之外的区域。当系统为最大运行方式三相短路时保护范围最大；当系统为最小运行方式两相短路时保护范围最小。40通常用保护范围衡量：最小保护范围不小于线路全长的15%～20%。按照线路首端的最小两相短路电流计算灵敏度。≥2.0灵敏度的校验：如果灵敏度不满足要求，可采用电流电压联锁速断保护来提高保护的灵敏度。瞬时电流速断保护的特点优点：简单可靠、动作迅速缺点：不能保护线路全长，有保护死区，因此不能做主保护，要与其它保护配合使用。41保护死区的处理方式为了弥补死区不能得到保护的缺陷，凡是安装有电流速断保护的线路，必须配备带时限的保护（带时限过电流保护、带时限电流速断保护），它们的动作时间要比电流速断至少长一个时间级差Δ

t=0.5~0.7s

，而且前后的动作时间要符合“阶梯原则”，以保证选择性。42定时限过电流保护：KA1、KA2、KT、KS1、KM瞬时电流速断：KA3、KA4、KS2、KM433、电流电压联锁速断保护整定原则：按躲过线路末端故障来整定；通常按经常运行方式下电流元件和电压元件的保护范围相等来进行整定计算。设在经常运行方式下的保护区等于线路全长的75%，即l1=0.75L，动作电流为：44电压元件的动作电压为：当下一级线路首端发生短路时：最大运行方式：KA可能动作；KV不会动作最小运行方式下：KV可能动作；KA不会动作在两种情况下，均可以保证选择性。电流电压联锁速断保护的最小保护范围比瞬时电流速断保护的保护范围大，即，所以灵敏度比瞬时速断保护高。45五、带时限电流速断保护任务：切除被保护线路上瞬时电流速断保护区以外的故障。要求：在任何情况下都能可靠保护线路全长，而且动作时间尽可能短。措施：在下一级线路出口短路时就起动，并且动作时间和动作电流均和下一级线路的瞬时电流速断相配合。46动作电流：躲过相邻线路瞬时电流速断保护的动作电流Krel取1.1~1.2。动作时限：灵敏度校验：≥1.3～1.5若灵敏度不符合要求，可适当减小动作电流，使按照躲过下一级线路的带时限电流速断保护的动作电流整定，动作时限也大一个Δt。带时限电流速断保护原理接线图只是将瞬时电流速断保护接线图中的中间继电器换为时间继电器（0.5s）。47六、三段式过电流保护瞬时电流速断保护（第Ⅰ段）、带时限电流速断保护（第Ⅱ段）和定时限过电流保护（第Ⅲ段）配合构成的一整套保护，称为三段式过电流保护。1.三段式过电流保护的保护范围和动作时限配合第Ⅰ段：为本线路的辅助保护，动作电流为，保护范围为，动作时间为继电器的固有动作时间；第Ⅱ段：为本线路的主保护，动作电流为，保护范围为，动作时间；第Ⅲ段：作为本线路的近后备和相邻线路保护的远后备，动作电流为，保护范围为，动作时限。48三段式过电流保护的保护范围及时限配合492.三段式过电流保护的构成三段式过电流保护的原理接线图和展开图a）原理接线图b）展开图第I段：由KA1、KA2、KM和KS1组成；第II段：由KA3、KA4、KT1和KS2组成；第III段：由KA5、KA6、KA7、KT2和KS3组成。50线路三段保护总结保护类型动作电流计算Ks计算Ks范围瞬时电流速断保护2.0带时限电流速断保护1.3～1.5定时限过电流保护近后备：1.3～1.5远后备：1.251例：对下图线路WL1首端的三段式电流保护进行整定计算（即计算保护1各段的保护装置动作电流、继电器动作电流、动作时间，并进行灵敏度校验）。已知电源计算电压115kV，XS﹒max=6.7Ω，XS﹒min=5.56Ω，XAB=12Ω，XBC=39Ω，AB线路最大负荷电流为IL﹒max=540A，电流互感器变比300/5，采用不完全星形接线，返回系数为0.85，Kst=1，线路WL2的过电流保护动作时间为2s。52步骤1、短路计算53步骤2、线路WL1的瞬时电流速断保护的整定计算①动作电流整定线路WL1的Ⅰ段保护动作电流为：Ⅰ段保护继电器动作电流为：②灵敏度校验根据54灵敏度满足要求。步骤3、线路WL1的带时限电流速断保护①动作电流整定线路WL2的Ⅰ段保护动作电流为：线路WL1的Ⅱ段保护动作电流为：Ⅱ段保护继电器动作电流为：55②动作时限整定③灵敏度校验线路WL1末端的最小两相短路电流为：灵敏度满足要求。步骤4、线路WL1的定时限过电流保护①动作电流的整定线路WL1的Ⅲ段保护动作电流为：56Ⅲ段保护继电器动作电流为：②动作时限整定③灵敏度校验该段保护作为线路WL1的近后备保护时，按照本线路末端最小两相短路电流进行校验。57该段保护作为线路WL2的远后备保护时，按照相邻线路末端最小两相短路电流进行校验。灵敏度满足要求。58第4节电力变压器的保护一、电力变压器的故障类型和装设的保护1.故障类型内部故障绕组的匝间短路绕组的相间短路单相接地短路外部故障相间短路单相接地短路异常运行状态变压器过负荷外部短路引起的过电流油箱漏油引起的油面过低外部接地故障引起的中性点过电压变压器油温升高592.电力变压器的保护种类（1）高压侧为6～10kV通常装设带时限的过电流保护如果过电流保护动作时间大于0.5～0.7s时，还应装设电流速断保护；容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器，还应装设瓦斯保护；容量在400kVA以上的变压器，当数台并列运行或者单台运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护；过负荷保护及瓦斯保护在轻微故障时（通称轻瓦斯保护），动作于信号，而其他保护包括瓦斯保护在严重故障时（通称重瓦斯保护），一般均动作于跳闸。60（2）高压侧为35kV及以上应装设过电流保护、电流速断保护和瓦斯保护；在有可能过负荷时也应装设过负荷保护；如果单台运行的变压器容量在10000kVA及以上或者并列运行的变压器每台容量在6300kVA及以上时，则应装设纵联差动保护来取代电流速断保护。61二、瓦斯保护1.瓦斯保护的结构和原理主要元件是气体继电器（瓦斯继电器），安装在油箱和油枕之间的连接管道上。正常运行：上、下触点均断开。油箱内部发生轻微故障：上触点闭合，发出信号——轻瓦斯动作。油箱内部发生严重故障：下触点闭合，发出跳闸脉冲——重瓦斯动作。变压器漏油使油面降低：首先是上触点闭合发出报警信号，然后下触点闭合发出跳闸脉冲。62FJ3-80型开口杯挡板式气体继电器的结构示意图瓦斯继电器动作说明632.瓦斯保护接线图注意：由于重瓦斯保护是靠油流的冲击而动作的，而油流速度的不稳定可能造成触点的抖动，为使断路器能可靠跳闸，出口中间继电器KM必须有自保持回路。优点：动作迅速、灵敏度高、能反应油箱内部发生的各种故障。缺点：不能反应变压器外部端子上的故障。643．变压器瓦斯动作后的故障分析变压器瓦斯保护动作后，可由蓄积于气体继电器内的气体性质来分析和判断故障的原因及处理要求气体继电器动作后的气体分析和处理要求气体性质故障原因处理要求无色、无臭、不可燃变压器内含有气体允许继续运行灰白色、有剧臭、可燃纸质绝缘烧毁应