電力系統(tǒng)繼電保護-全面介紹版

第7章電力系統(tǒng)繼電保護繼電保護的基本知識常用保護繼電器電力線路的繼電保護電力變壓器、電動機、電容器的保護1第1節(jié)繼電保護的基本知識一、繼電保護的作用

電力系統(tǒng)繼電保護裝置是一種能反應電力系統(tǒng)中電氣元件發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種反事故自動裝置。繼電保護基本任務：當系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能自動的、有選擇的、快速的將故障元件從系統(tǒng)切除，保證無故障部分繼續(xù)運行，使故障部分受損壞程度最輕。

反應電氣元件的不正常工作狀態(tài)，一般經(jīng)延時發(fā)出信號。在無人值班條件下，保護也可作用于延時跳閘。2二、對繼電保護的基本要求選擇性、速動性、靈敏性、可靠性選擇性：保護裝置動作時，僅將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使停電范圍盡量縮小，最大限度地保證系統(tǒng)中的非故障部分繼續(xù)運行。速動性：繼電保護裝置應以盡可能快的速度將故障元件從電網(wǎng)中切除。切除故障時間等于繼電保護動作時間和斷路器全開斷時間之和。3保護裝置的靈敏性，通常用靈敏系數(shù)Ks來衡量。

對于反應故障時參數(shù)量增加的保護（如過電流保護）靈敏性：保護裝置對其保護范圍內(nèi)的故障或不正常運行狀態(tài)的反映能力。對于反應故障時參數(shù)量降低的保護（如低電壓保護）保護裝置的靈敏度應該大于1?？煽啃裕褐副Ｗo裝置該動時不能拒動；不該動時不能誤動。4三、繼電保護的基本原理1、繼電保護的基本原理電力系統(tǒng)故障特征電力系統(tǒng)故障時，常伴有電流的增大、電壓的下降、電壓與電流之間相位角的改變、保護安裝處電壓與電流之比所表征的阻抗值下降等現(xiàn)象。繼電保護基本原理利用故障時電氣量的變化特征作故障判據(jù)，并把此判據(jù)轉(zhuǎn)化為操作信息，即可實現(xiàn)保護功能。利用不同的特征量做故障判據(jù)，可以構(gòu)成不同原理的繼電保護。52、繼電保護裝置的組成測量部分：從被保護對象輸入有關(guān)信號，并與給定的整定值進行比較，判斷是否發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)；邏輯部分：根據(jù)測量部分各輸出量的大小、性質(zhì)、輸出的邏輯狀態(tài)、出現(xiàn)的順序或它們的組合，進行邏輯判斷，以確定保護裝置是否應該動作；執(zhí)行部分：根據(jù)邏輯部分做出的判斷，執(zhí)行保護裝置所擔負的任務（跳閘或發(fā)信號）。6第2節(jié)常用保護繼電器一、概述繼電器：當輸入的物理量達到規(guī)定值時，其電氣輸出電路被接通或分斷的自動電器。1.輸入性質(zhì)：電氣繼電器、非電氣繼電器2.用途：控制繼電器、保護繼電器3.保護繼電器按功能分：測量繼電器、有或無繼電器4.按組成元件：機電型（電磁式、感應式）、晶體管型、微機型5.按反映物理量：電流、電壓、功率、瓦斯6.按反映數(shù)量變化：過量繼電器、欠量繼電器77.按在繼電保護中的用途分：起動繼電器、時間繼電器、信號繼電器、中間繼電器等88.按動作于斷路器的方式分：直接動作式（直動式）、間接動作式9.按與一次電路的聯(lián)系方式分：一次式繼電器、二次式繼電器9二、電磁型繼電器1.電磁型電流繼電器（KA）結(jié)構(gòu)：如右所示工作原理：當在繼電器線圈中通入電流IK時，電磁鐵產(chǎn)生的電磁力Fem為：DL-10型電磁式電流繼電器結(jié)構(gòu)圖1－線圈2－電磁鐵3－鋼舌片4－靜觸點5－動觸點6－起動電流調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)桿7－標度盤（銘牌）8－軸承9－反作用彈簧10－轉(zhuǎn)軸當電磁力Fem大于彈簧的反作用力Fsp和摩擦力Ffr時，繼電器觸點切換，這就叫做繼電器動作。10繼電器動作的必要條件：Fem≥Fsp+Ffr

動作電流：能使繼電器產(chǎn)生動作的最小電流，稱為繼電器的動作電流，用Iop表示。調(diào)整繼電器動作電流的方法有：改變繼電器線圈匝數(shù)NK（線圈的串并聯(lián)，級進調(diào)節(jié)）調(diào)節(jié)反作用彈簧的松緊，即調(diào)節(jié)Fsp（平滑調(diào)節(jié)）調(diào)整銜鐵與電磁鐵之間的氣隙長度，即調(diào)節(jié)Rm。

繼電器動作后，減小IK就能使繼電器返回原位。欲使繼電器返回的必要條件是：Fsp≥Fem+Ffr

返回電流：能使繼電器返回到原始位置的最大電流，稱為繼電器的返回電流，用Ire表示。11返回系數(shù)：是指繼電器的返回電流與動作電流的比值，用Kre表示對于過電流繼電器，Kre＜1，一般要求

Kre

=0.8～0.9；對于欠電流繼電器，Kre

＞1，一般要求

Kre=1.06～1.2。電磁型電流繼電器的動作迅速，是一種瞬時繼電器。電磁式電流繼電器的內(nèi)部接線和圖形符號122．電磁型電壓繼電器（KV）

其結(jié)構(gòu)和原理與電磁型電流繼電器相似，不同的是采用電壓線圈，匝數(shù)多、導線細，與PT相并聯(lián)。在供配電系統(tǒng)中多用低電壓（欠電壓）繼電器。動作電壓：能使繼電器產(chǎn)生動作的最高電壓，稱為繼電器的動作電壓，用Uop.K表示。返回電壓：能使繼電器返回到原始位置的最低電壓，稱為繼電器的返回電壓，用Ure.K表示。返回系數(shù)：是指繼電器的返回電壓與動作電壓的比值。說明：低電壓繼電器的返回系數(shù)Kre＞1，一般為1.25。返回系數(shù)越接近1，說明繼電器越靈敏。133.電磁式時間繼電器（KT）用來使保護裝置獲得所要求的延時（時限）。它屬于機電式有或無繼電器。延時時間的調(diào)節(jié)：改變主靜觸點的位置，即它與主動觸點的相對位置。注意：時間繼電器線圈通常不按長時間接上額定電壓設(shè)計，凡需長時間通電的時間繼電器，其線圈應串入限流電阻。14時間繼電器的內(nèi)部接線和圖形符號：154.電磁式信號繼電器（KS）在繼電保護裝置中，用來發(fā)出保護裝置動作的信號，屬于機電式有或無繼電器。電流型：電流線圈，阻抗小，串聯(lián)在二次回路中電壓型：電壓線圈，阻抗大，并聯(lián)在二次回路中165.電磁式中間繼電器（KM）作用：彌補主繼電器觸點數(shù)量和觸點容量的不足。安裝位置：裝設(shè)在保護裝置的出口回路，用以接通斷路器的跳閘線圈，也稱為出口繼電器。屬于機電式有或無繼電器。17

二、靜態(tài)繼電器靜態(tài)繼電器是指用模擬電子電路及部分數(shù)字電路構(gòu)成的電子型繼電器，分為晶體管型和集成電路型繼電器兩類。靜態(tài)繼電器的“靜態(tài)”是相對于電磁型繼電器的“觸點”動作而言的，它的信息傳遞是通過“0、1”開關(guān)信息傳遞的。靜態(tài)繼電器是用硅材料為主構(gòu)成的繼電器，因此又叫“固體”繼電器。181．晶體管型電流繼電器晶體管型繼電器的功能是由晶體管開關(guān)電路完成的。晶體管型電流繼電器的組成晶體管型過電流繼電器原理接線圖19晶體管型電流繼電器的動作情況當IK＜Iop時，UR3＜Ud

，a點為正電位，V6承受反向電壓，I6=0，VT1飽和導通，VT2截止，觸發(fā)器輸出電壓U0=E，繼電器不動作。20當IK≥Iop時，UR3≥

Ud

，a點電位由正變負，V6導通，VT1基極電流減小→VT1進入放大區(qū)→VT1集電極電壓升高→VT2基極電流增大→VT2進入放大區(qū)→U0下降→If減小→VT1基極電流進一步減小→VT1截止，VT2導通，觸發(fā)器輸出電壓U0=0，繼電器動作。21當IK≤Ire時，VT1又變?yōu)閷?，VT2又變?yōu)榻刂?，觸發(fā)器又翻轉(zhuǎn)到起始狀態(tài)，繼電器也隨之復位。222.晶體管型時間繼電器在正常情況下，VT1飽和導通，VD導通，電容器C被短接，其值小于穩(wěn)壓管VS的方向擊穿電壓，VT2截止，輸出“1”態(tài)信號。故障時，VT1截止，VD截止，電容器C通過R2充電（電壓按指數(shù)規(guī)律上升），當達到穩(wěn)壓管VS反向擊穿電壓時，VS導通，給VT2供給基極電流，VT2導通，輸出“0”態(tài)信號。233．集成電路型電流繼電器由集成電路構(gòu)成的靜態(tài)繼電器，也是由電壓形成回路、整流濾波回路、邏輯回路和執(zhí)行回路四部分組成，但在具體構(gòu)成時也有些差別。電壓形成回路與晶體管繼電器相同，邏輯回路由CMOS等數(shù)字電路構(gòu)成。為了減小直流電壓的脈動系數(shù)，減輕濾波負擔，在整流電路中采用的是由運算放大器構(gòu)成的全波整流電路。為了消除暫態(tài)過程中非周期分量及各種諧波分量的影響，濾波回路一般都采用高品質(zhì)因數(shù)的帶通有源濾波器。24第3節(jié)電力線路繼電保護一、概述電力線路，應裝設(shè)相間短路保護、單相接地保護和過負荷保護。

相間短路保護：應作用于斷路器的跳閘機構(gòu)，使斷路器跳閘，切除短路故障部分。

單相接地保護：絕緣監(jiān)視裝置，動作于信號；有選擇性的單相接地保護，動作于信號，嚴重時，動作于跳閘。

過負荷保護：動作于信號。25二、保護裝置的接線方式

保護裝置的接線方式：電流互感器和電流繼電器之間的連接方式。設(shè)電流互感器的變比為，保護裝置的動作電流為Iop，則相應的電流繼電器的動作電流為

接線系數(shù)Kw：在繼電保護回路中，流入繼電器中的電流IK與對應電流互感器的二次電流I2的比值，稱為接線系數(shù)261．三相完全星形接線方式特點：可以反映各種形式的故障，其接線系數(shù)Kw=1。

2．兩相不完全星形接線方式特點：可以反映除B相單相接地短路以外的所有故障，其接線系數(shù)Kw=1。三相完全星形接線方式兩相不完全星形接線方式273．兩相電流差接線方式流入繼電器中的電流等于A、C兩相電流互感器二次電流之差。特點：接線系數(shù)隨電力系統(tǒng)短路類型的不同而改變。正常運行或三相短路時：發(fā)生A、C兩相短路時：A、B或B、C兩相短路時：兩相電流差接線方式28兩相電流差接線方式能夠反映各種相間短路，但對各種相間短路的靈敏度不同。進行保護整定時，接線系數(shù)取，靈敏度校驗時，接線系數(shù)取1。29三、過電流保護過電流保護分為定時限過電流保護和反時限過電流保護兩種：定時限：保護裝置的動作時限按預先整定的時間固定不變，與短路電流大小無關(guān)；反時限：保護裝置的動作時間按照10倍動作電流整定，而實際的動作時間則是與短路電流成反比，短路電流越大，動作時間越短。

參數(shù)的整定：過電流保護的動作電流按躲過最大負荷電流整定，并以時間來保證動作的選擇性。

過電流保護的作用：作為本線路的后備保護（近后備）和下一級線路的后備保護（遠后備）。

保護范圍：本線路和相鄰線路的全長。30（一）過電流保護的原理與組成定時限過電流保護的接線圖和展開圖a）原理圖b）展開圖3132（二）過電流保護裝置的整定計算1、動作電流的整定a.動作電流Iop必須躲過線路上的最大負荷電流IL·maxb.保護裝置在外部故障切除后應能可靠返回原始位置裝置保護的返回電流Ire必須躲過外部短路切除后流過保護裝置的最大自起動電流KstIL.max33引入一個可靠性系數(shù)Krel，上式可改寫為：IOP：保護裝置動作電流

IOP·K：繼電器動作電流Krel：可靠性系數(shù)，電磁型1.2，感應型1.3Kst：電動機的自起動系數(shù)，一般取1.5～3Kre：繼電器的返回系數(shù)，電磁型0.85，感應型0.8KW：接線系數(shù)，星形和不完全星形取1，兩相電流差取Ki：電流互感器變比

IL·max：最大負荷電流342、動作時限的整定動作時間應按“階梯原則”進行整定，即從負荷側(cè)到電源側(cè)，各保護的動作時間應逐級增加Δt。Δt的作用：應保證保護裝置不誤動作，它應包括斷路器的跳閘時間、前一級保護的時間繼電器可能提前動作的負誤差、后一級保護的時間繼電器可能推遲動作的正誤差和一個裕度時間。

353、靈敏度校驗過電流保護的靈敏度應按系統(tǒng)最小運行方式下本線路末端（近后備）或相鄰下一級線路末端（遠后備）的兩相短路電流進行校驗。作遠后備時，要求Ks≥1.2；作近后備時，要求Ks≥1.3~1.5。若靈敏度不滿足要求，可采用低電壓閉鎖的過電流保護來提高其靈敏度。36三、低電壓閉鎖的過電流保護在線路過電流保護的過流繼電器KA的常開觸點回路中，串入低電壓繼電器KV的常閉觸點，而KV經(jīng)過電壓互感器TV接在被保護線路的母線上。式中，Uw.min為母線的最小工作電壓，取0.9UN；Kre取1.25；Kre1取1.1~1.2；Uop·K

約為60～70V。過電流繼電器的Iop·K

低電壓繼電器的Uop·K

37四、瞬時電流速斷保護1.瞬時電流速斷保護的原理接線圖瞬時電流速斷保護就是一種瞬時動作的過電流保護，就相當于定時限過電流保護中抽去時間繼電器。中間繼電器的作用：（1）彌補電流繼電器觸點容量的不足，起動YR。（2）防止管型避雷器放電時，發(fā)生誤動作。382.瞬時電流速斷保護的作用原理與整定計算曲線1——

曲線2——

直線3——瞬時電流速斷保護的動作電流動作電流Iop：躲過所保護線路末端的最大短路電流(Krel取1.2~1.3)電流速斷保護不能保護本線路全長。39lmax：最大保護范圍lmin：最小保護范圍保護死區(qū)：保護范圍之外的區(qū)域。當系統(tǒng)為最大運行方式三相短路時保護范圍最大；當系統(tǒng)為最小運行方式兩相短路時保護范圍最小。40通常用保護范圍衡量：最小保護范圍不小于線路全長的15%～20%。按照線路首端的最小兩相短路電流計算靈敏度?！?.0靈敏度的校驗：如果靈敏度不滿足要求，可采用電流電壓聯(lián)鎖速斷保護來提高保護的靈敏度。瞬時電流速斷保護的特點優(yōu)點：簡單可靠、動作迅速缺點：不能保護線路全長，有保護死區(qū)，因此不能做主保護，要與其它保護配合使用。41保護死區(qū)的處理方式為了彌補死區(qū)不能得到保護的缺陷，凡是安裝有電流速斷保護的線路，必須配備帶時限的保護（帶時限過電流保護、帶時限電流速斷保護），它們的動作時間要比電流速斷至少長一個時間級差Δ

t=0.5~0.7s

，而且前后的動作時間要符合“階梯原則”，以保證選擇性。42定時限過電流保護：KA1、KA2、KT、KS1、KM瞬時電流速斷：KA3、KA4、KS2、KM433、電流電壓聯(lián)鎖速斷保護整定原則：按躲過線路末端故障來整定；通常按經(jīng)常運行方式下電流元件和電壓元件的保護范圍相等來進行整定計算。設(shè)在經(jīng)常運行方式下的保護區(qū)等于線路全長的75%，即l1=0.75L，動作電流為：44電壓元件的動作電壓為：當下一級線路首端發(fā)生短路時：最大運行方式：KA可能動作；KV不會動作最小運行方式下：KV可能動作；KA不會動作在兩種情況下，均可以保證選擇性。電流電壓聯(lián)鎖速斷保護的最小保護范圍比瞬時電流速斷保護的保護范圍大，即，所以靈敏度比瞬時速斷保護高。45五、帶時限電流速斷保護任務：切除被保護線路上瞬時電流速斷保護區(qū)以外的故障。要求：在任何情況下都能可靠保護線路全長，而且動作時間盡可能短。措施：在下一級線路出口短路時就起動，并且動作時間和動作電流均和下一級線路的瞬時電流速斷相配合。46動作電流：躲過相鄰線路瞬時電流速斷保護的動作電流Krel取1.1~1.2。動作時限：靈敏度校驗：≥1.3～1.5若靈敏度不符合要求，可適當減小動作電流，使按照躲過下一級線路的帶時限電流速斷保護的動作電流整定，動作時限也大一個Δt。帶時限電流速斷保護原理接線圖只是將瞬時電流速斷保護接線圖中的中間繼電器換為時間繼電器（0.5s）。47六、三段式過電流保護瞬時電流速斷保護（第Ⅰ段）、帶時限電流速斷保護（第Ⅱ段）和定時限過電流保護（第Ⅲ段）配合構(gòu)成的一整套保護，稱為三段式過電流保護。1.三段式過電流保護的保護范圍和動作時限配合第Ⅰ段：為本線路的輔助保護，動作電流為，保護范圍為，動作時間為繼電器的固有動作時間；第Ⅱ段：為本線路的主保護，動作電流為，保護范圍為，動作時間；第Ⅲ段：作為本線路的近后備和相鄰線路保護的遠后備，動作電流為，保護范圍為，動作時限。48三段式過電流保護的保護范圍及時限配合492.三段式過電流保護的構(gòu)成三段式過電流保護的原理接線圖和展開圖a）原理接線圖b）展開圖第I段：由KA1、KA2、KM和KS1組成；第II段：由KA3、KA4、KT1和KS2組成；第III段：由KA5、KA6、KA7、KT2和KS3組成。50線路三段保護總結(jié)保護類型動作電流計算Ks計算Ks范圍瞬時電流速斷保護2.0帶時限電流速斷保護1.3～1.5定時限過電流保護近后備：1.3～1.5遠后備：1.251例：對下圖線路WL1首端的三段式電流保護進行整定計算（即計算保護1各段的保護裝置動作電流、繼電器動作電流、動作時間，并進行靈敏度校驗）。已知電源計算電壓115kV，XS﹒max=6.7Ω，XS﹒min=5.56Ω，XAB=12Ω，XBC=39Ω，AB線路最大負荷電流為IL﹒max=540A，電流互感器變比300/5，采用不完全星形接線，返回系數(shù)為0.85，Kst=1，線路WL2的過電流保護動作時間為2s。52步驟1、短路計算53步驟2、線路WL1的瞬時電流速斷保護的整定計算①動作電流整定線路WL1的Ⅰ段保護動作電流為：Ⅰ段保護繼電器動作電流為：②靈敏度校驗根據(jù)54靈敏度滿足要求。步驟3、線路WL1的帶時限電流速斷保護①動作電流整定線路WL2的Ⅰ段保護動作電流為：線路WL1的Ⅱ段保護動作電流為：Ⅱ段保護繼電器動作電流為：55②動作時限整定③靈敏度校驗線路WL1末端的最小兩相短路電流為：靈敏度滿足要求。步驟4、線路WL1的定時限過電流保護①動作電流的整定線路WL1的Ⅲ段保護動作電流為：56Ⅲ段保護繼電器動作電流為：②動作時限整定③靈敏度校驗該段保護作為線路WL1的近后備保護時，按照本線路末端最小兩相短路電流進行校驗。57該段保護作為線路WL2的遠后備保護時，按照相鄰線路末端最小兩相短路電流進行校驗。靈敏度滿足要求。58第4節(jié)電力變壓器的保護一、電力變壓器的故障類型和裝設(shè)的保護1.故障類型內(nèi)部故障繞組的匝間短路繞組的相間短路單相接地短路外部故障相間短路單相接地短路異常運行狀態(tài)變壓器過負荷外部短路引起的過電流油箱漏油引起的油面過低外部接地故障引起的中性點過電壓變壓器油溫升高592.電力變壓器的保護種類（1）高壓側(cè)為6～10kV通常裝設(shè)帶時限的過電流保護如果過電流保護動作時間大于0.5～0.7s時，還應裝設(shè)電流速斷保護；容量在800kVA及以上的油浸式變壓器和400kVA及以上的車間內(nèi)油浸式變壓器，還應裝設(shè)瓦斯保護；容量在400kVA以上的變壓器，當數(shù)臺并列運行或者單臺運行并作為其他負荷的備用電源時，應根據(jù)可能過負荷的情況裝設(shè)過負荷保護；過負荷保護及瓦斯保護在輕微故障時（通稱輕瓦斯保護），動作于信號，而其他保護包括瓦斯保護在嚴重故障時（通稱重瓦斯保護），一般均動作于跳閘。60（2）高壓側(cè)為35kV及以上應裝設(shè)過電流保護、電流速斷保護和瓦斯保護；在有可能過負荷時也應裝設(shè)過負荷保護；如果單臺運行的變壓器容量在10000kVA及以上或者并列運行的變壓器每臺容量在6300kVA及以上時，則應裝設(shè)縱聯(lián)差動保護來取代電流速斷保護。61二、瓦斯保護1.瓦斯保護的結(jié)構(gòu)和原理主要元件是氣體繼電器（瓦斯繼電器），安裝在油箱和油枕之間的連接管道上。正常運行：上、下觸點均斷開。油箱內(nèi)部發(fā)生輕微故障：上觸點閉合，發(fā)出信號——輕瓦斯動作。油箱內(nèi)部發(fā)生嚴重故障：下觸點閉合，發(fā)出跳閘脈沖——重瓦斯動作。變壓器漏油使油面降低：首先是上觸點閉合發(fā)出報警信號，然后下觸點閉合發(fā)出跳閘脈沖。62FJ3-80型開口杯擋板式氣體繼電器的結(jié)構(gòu)示意圖瓦斯繼電器動作說明632.瓦斯保護接線圖注意：由于重瓦斯保護是靠油流的沖擊而動作的，而油流速度的不穩(wěn)定可能造成觸點的抖動，為使斷路器能可靠跳閘，出口中間繼電器KM必須有自保持回路。優(yōu)點：動作迅速、靈敏度高、能反應油箱內(nèi)部發(fā)生的各種故障。缺點：不能反應變壓器外部端子上的故障。643．變壓器瓦斯動作后的故障分析變壓器瓦斯保護動作后，可由蓄積于氣體繼電器內(nèi)的氣體性質(zhì)來分析和判斷故障的原因及處理要求氣體繼電器動作后的氣體分析和處理要求氣體性質(zhì)故障原因處理要求無色、無臭、不可燃變壓器內(nèi)含有氣體允許繼續(xù)運行灰白色、有劇臭、可燃紙質(zhì)絕緣燒毀應