第八章繼電保護及自動裝置

第八章繼電愛護及自動裝置

第一節(jié)繼電愛護的作用及原理

所謂繼電愛護，就是指能反映電力系統(tǒng)中電氣設施所發(fā)生的故障或不正常狀態(tài)，并動作

于斷路器跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置。在電力系統(tǒng)中，由于電氣設施的絕緣老化或損壞、

雷擊、鳥害、設施缺陷或誤操作等緣由，可能發(fā)生各種故障和不正常運行狀態(tài)。其中最常見

也是最危急的故障是各種類型的短路，包括三相短路、兩相短路、兩相接地短路以及中性點

直接接地中的單相接地短路，此外，還可能發(fā)生輸電線路的一相斷線、兩相斷線以及發(fā)電機、

變壓器一相繞組的匝間短路。

一.繼電愛護的作用

電力系統(tǒng)發(fā)生故障或消失不正常運行狀態(tài)時，可能引起系統(tǒng)全部或部分正常工作受到破

壞，使電能質(zhì)量變壞到不能允許的程度，甚至造成人身傷亡和電氣設施的損壞。所以，在電

力系統(tǒng)中應實行各種措施消退或削減發(fā)生各種故障的可能性，此外，故障一旦發(fā)生，必需快

速而有選擇性地將故障設施從系統(tǒng)中切除，以保證無故障設施的連續(xù)運行。要想完成上述任

務，只能通過繼電愛護裝置才能實現(xiàn)，繼電愛護的作用就是：

⑴當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，能自動地、快速地、有選擇性地將故障設施從電力系統(tǒng)中切除，

以保證系統(tǒng)其余部分快速恢復正常運行，并使故障設施不再連續(xù)患病損壞。

⑵當系統(tǒng)發(fā)生不正常工作狀況時，能自動地、準時地、有選擇性地發(fā)出信號通知運行人員進

行處理，或者切除那些連續(xù)運行會引起故障的電氣設施.

由此可見，繼電愛護裝置是電力系統(tǒng)必不行少的重要組成部分，對保障系統(tǒng)平安運行，保證

電能質(zhì)量、防止故障的擴大和事故的發(fā)生，都有極其重要的作用。

二.繼電愛護的基本原理

電氣設施從正常工作到故障或不正常運行，其電氣量往往會發(fā)生顯著的變化，主要特征

是：

⑴電流增大。短路時故障點與電源之間的電氣設施和輸電線路上的電流，將由負荷電流變?yōu)?/p>

短路電流。

⑵電壓降低。當發(fā)生相間短路或接地短路故障時，系統(tǒng)各點的相間電壓或相電壓值下降，且

越靠近短路點的電壓越低，短路點的電壓為零。

⑶電流與電壓之間的相位角轉(zhuǎn)變。正常運行時電流與電壓之間的相位角是負荷的功率因數(shù)

角，一般為20°—30°。在愛護裝置的正方向發(fā)生短路時，高雅與電流之間的相位角一般為60°

—85'；而在愛護的反方向短路時，電壓與電流之間的相位角則為180"+(60"-85°)o

⑷不對稱短路時，消失負字重量的電流和電壓；接地短路時，消失零序重量的電流和電壓。

在正常對稱運行時，既無零序重量也無負序重量。

因此，采用短路時電氣量的變化，便可構成各種原理的繼電愛護。列如，依據(jù)短路故障

時電流的增大，可構成過電流愛護；依據(jù)電壓的降低，可構成低電壓愛護；依據(jù)電流與電壓

之間相位角的變化，可構勝利率方向愛護；依據(jù)電壓與電流的比值，可構成距離愛護；依據(jù)

部對稱時消失的零序和負序重量，可構成零序愛護等。此外，還有一些反應非電量的愛護，

如變壓器的瓦斯愛護，過負荷愛護等。

一般一套繼電愛護裝置由以下三部分組成，如圖8—1所示。

1.測量部分。測量部分從被愛護設施輸入有關信號，并與已給定的整定值進行比較，從而

推斷愛護是否應當動作。

2.規(guī)律部分。規(guī)律部分是依據(jù)測量部分輸出的信號大小、性質(zhì)、消失的挨次，經(jīng)過規(guī)律部

分的推斷，最終確定是否應當使短路器跳閘或發(fā)出信號。

3.執(zhí)行部分。執(zhí)行部分接受規(guī)律部分傳送來的信號，最終發(fā)出訪愛護跳閘的命令或在不正

常運行時，發(fā)出相應的信號。

其次節(jié)繼電愛護的基本要求

依據(jù)繼電愛護在電力系統(tǒng)中所擔負的任務，繼電愛護必需滿意以下四個要求，即選擇性、

速動性、靈敏性和牢靠性，

一.選擇性

所謂繼電愛護裝置動作的選擇性就是指當電力系統(tǒng)中的設施或線路發(fā)生短路時，其繼電

愛護裝置僅將故障設施或線路從系統(tǒng)中切除，當故障設施或線路的愛護或斷路器拒絕動作

時，應由相鄰設施或線路的愛護將故障切除。

如圖8-2所示電網(wǎng)，當在線路L1的5點故障時，應有故障線路上的愛護I和2動作，

使斷路器1DL和2DL跳閘，將故障線路L切除。這時變電站B仍可由線路連續(xù)供電。

當線路L3的ch點發(fā)生故障時，應由該線路的愛護5動作，使斷路器5DL跳閘，將線路L3

切除。這樣，在發(fā)生故障時，只有故障設施被切除，停電范圍限制在最小，愛護裝置的上述

動作，稱為有選擇性。如當線路L上d3發(fā)生故障時，假如該處的愛護6或斷路器6DL拒動，

則應有線路L3的愛護5動作，使5DL跳閘，從而達到切除故障的目的?？梢姁圩o5對線路

U起到后備愛護的作用。這種由上一級元件的愛護實現(xiàn)對下一級元件故障時的后備愛護，

通常稱為遠后備愛護。有時，為了防止一套愛護（主愛護）拒動時，造成擴大事故，可在同

一處此外再裝設一套后備愛護，當主愛護拒動時，可由后備愛護動作跳閘。這種在就地實現(xiàn)

的后備愛護稱為近后備愛護。

遠后備愛護對相鄰元件的愛護裝置，斷路器、二次回路和直流電源引起的拒動，均能實現(xiàn)后

備作用。而近后備愛護只能對愛護裝置的拒動起到后備作用，對斷路器拒動實現(xiàn)近后備的愛

護裝置稱為斷路器失靈愛護。

二.速動性

快速切除故隙可以提高電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性，削減用戶在低電壓下的工作時間，

以及減輕設施的損壞程度，

如圖8—3中，如K點發(fā)生短路，A廠母線電壓降到幾乎接近于零而甩負荷，汽輪機調(diào)速系

統(tǒng)來不及作相應的調(diào)整，發(fā)電廠A的機組轉(zhuǎn)速必定提升。此時，發(fā)電廠B甩去的負荷不多（有

較高的殘壓），發(fā)電機轉(zhuǎn)速增加不少，這樣A、B兩廠的發(fā)電機就產(chǎn)生轉(zhuǎn)速差。假如短路持

續(xù)的時間較長，兩廠的發(fā)目機將失去同步，使系統(tǒng)發(fā)生振蕩甚至瓦解。假如能快速切除故障,

因兩廠發(fā)電機的轉(zhuǎn)差尚小，則故障切除后，很簡潔被拉入同步，恢復系統(tǒng)穩(wěn)定運行。因此，

快速切除故障是提高系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性、防止事故進一步擴大的重要措施。

此外，系統(tǒng)發(fā)生短路時，電壓大幅度降低，用戶的電動機受到制動而轉(zhuǎn)速減慢，若遲

緩切除故障，電動機將停上轉(zhuǎn)動，用戶的正常運行遭到破壞。若快速切除故障，電壓很快恢

復，電動機就簡潔自啟動并快速恢復正常運行，從而大大減小對用戶正常生產(chǎn)的影響。此外,

短路時，故障設施本身將通過很大的短路電流，由于電動力和熱效應的作用，設施也招遭到

嚴峻破壞，短路時間越長，設施損壞越嚴峻，所以快速切除故障，便能減輕電氣設施的損壞

程度，防止故障的進一步于大。再則，快速切除故障，短路點易于去游離，從而可以提高自

動重合閘的勝利率。

切除故障的總時間等于愛護裝置的動作時間與斷路器跳閘時間之和。一般快速愛護的動

作時間為0.08—0.12S,最快可達0.02—0.04；斷路器的跳閘時間一般為0.1—0.15S,最快可

達0.04—0.05S。所以，最快的故障切除時間為0.06—0.09S。

三.靈敏性

愛護裝置對在愛護范圍內(nèi)發(fā)生的故障和不正常運行狀態(tài)的反應稱為愛護裝置的靈敏度。

為使愛護裝置的確起到愛護作用，要求其在各種運行方式下都應具有足夠的靈敏性。對相間

短路愛護來說，不但在最大運行性方式下三相金屬性短路時能夠靈敏動作，而且在最小運行

方式下也應有足夠的靈敏度。

所謂最小運行方式，是指故障時，流過愛護裝置的電流為最小的運行方式。最大運行方式是

指故障時流過愛護裝置的電流為最大的運行方式。

愛護裝置的靈敏度用靈敏系數(shù)Ks來表示.

對反應故障時參數(shù)提升的愛護裝置，其靈敏系數(shù)為：

_愛護區(qū)末端金屬性短路時故障參數(shù)的最小計算值

S=愛護裝置的動件值

對反應故障時參數(shù)降低的愛護裝置，其靈敏系數(shù)為：

_______________愛護裝置的動作值_______________

S"愛護區(qū)末端金屬性短路對故障參數(shù)的最大計算值

各種不同的愛護裝置的靈敏系數(shù)是不同的，一般對主愛護的靈敏系數(shù)要求不小于1.5—2；對

后備愛護的靈敏系數(shù)要求不小于1.2—1.5。

四.牢靠性

愛護裝置的牢靠性是指在該愛護裝置規(guī)定的愛護范圍內(nèi)發(fā)生了它應當動作的故障時，它

應牢靠動作，而不應當拒動。而在其他任何不屬于它的愛護范圍內(nèi)故障時，它應牢靠地不動

作，而不應當誤動。愛護裝置的拒動或誤動都會造成嚴峻的后果，使事故擴大。

愛護裝置不能正確動作的緣由主要有：繼電相及元件質(zhì)量差，安裝調(diào)試質(zhì)量不高，運行維護

不當或設計整定計算錯誤，因此，為保證愛護的牢靠性，應選用質(zhì)量高、動作牢靠的繼電器

和元器件，愛護接線應盡量簡潔，削減繼電器及串聯(lián)接點，提高安裝和調(diào)試質(zhì)量，加強維護

與管理。

愛護裝置的四個基本要求卻相互聯(lián)系，有時乂相互沖突，所以在裝設愛護時要從全局考慮。

一般來說，在保證牢靠性的前提下，首先要滿意選擇性，對于非選擇性動作是肯定不允許的。

第三節(jié)輸電線路的愛護

一.高頻愛護

1.高頻愛護的構成及分類

高頻愛護可分為三個主要部分：即愛護部分，收發(fā)信機部分，通道部分。如圖8—4所

/Ko

愛護部分是反映故障時的電氣量的變化；收發(fā)信機是發(fā)出高頻信號和接受高頻信號的裝置；

通道是傳送高頻信號的路徑。

高頻愛護按測量元件的實現(xiàn)原理分為：測量元件為方向元件的高頻方向愛護；測量元件為方

向阻抗元件的高頻距離愛護；測量元件為相位比較元件的高頻相差動愛護。

2.相差動高頻愛護的基本原理

相差動高頻愛護是基于采用高頻電流信號比較被愛護線路兩端電流相位的原理構成的。

如圖8—5所示，設電流從母線流向線路為正，由線路流向母線為負。當愛護線路內(nèi)部故障

時，如圖8—5(a)兩端的電流1M與IN都從母線流向線路，同時為正方向，兩個電流同相，

相位差(p=0°,兩端愛護動作，跳開斷路器。而當外部短路時，如圖8—5(b)電流iM從母

線流向線路為正，電流iN從線路流向母線為負，相位差(p=180°,兩端愛護不動作。

相差動高頻愛護的高頻信號可以按允許信號和閉鎖信號兩種方式工作，我們國家目前廣泛采

納按閉鎖方式工作的相差動高頻愛護。在工頻電流的正半波，操作發(fā)信機發(fā)高頻信號；在工

頻電流的負半波，使發(fā)信機停止發(fā)信。如圖8—6所示，當線路外部故障時，兩端工頻操作

電流相位相反，如圖中a、b所示。各端發(fā)信機均于工頻操作電流正半周時發(fā)信，于負半周

時停信，如圖中c、d所示，因而兩端收信機均收到連接不斷的信號，如圖中e所示。由于

高頻信號在傳輸過程中有衰耗，故收信機收到對側發(fā)來信號的幅值要小一曲。此時收信機輸

出的電流為零，如圖中f所示。因兩側繼電器線圈中無電流通過，如圖中g所示，故愛護不

動作。當線路內(nèi)部故隙時，兩端工頻操作電流相位相同，如圖中a'和b'所示。兩端發(fā)信

機均于工頻操作電流正半波時發(fā)信，于負半波時停信。如圖中c'和d'所示。兩端收信機

收到斷續(xù)信號，如圖中e'所示。此時收信機輸出斷續(xù)的電流方波，如圖中f'所示，該方

波電流經(jīng)加工后使兩側繼電器線圈中有電流通過，如圖中g'所示，故愛護動作。

3.高頻方向愛護工作原理

圖8-7是高頻閉鎖方向愛護的原理框圖。該圖只表示線路一側的高頻閉鎖方向愛護裝置，

線路另一側與其完全相同。圖中P-為反方向功率方向兀件，P+為正方向功率方向元件。當

P-動作時，一方面起動發(fā)信機發(fā)信，另一方面閉鎖P+掌握的停信回路。當P+動作時，延時

t2停止發(fā)信。當P+動作，且收不到高頻信號時可發(fā)出跳河命令。

以圖8-8雙側電源系統(tǒng)說明該愛護的工作原理。

當D點短路時，在AB線路上，A側P+動作，B側P+動作，而兩側的P?均不動作。所以兩

側愛護滿意跳閘條件，短路器1、2跳閘，切除故障點。假如是在BC線路上故障，短路器

3、4跳閘。而短路器1、2由于B側P-動作，發(fā)信機發(fā)唁，所以短路器1、2不動作。

圖8-9為一個多電源環(huán)網(wǎng)，當D點故障時，線路MN和MP上的功率流向如圖中實線所示,

而當6DL跳閘后，MN線路上的功率流向為從N向M,如圖中虛線所示。

6DL跳閘前，MN線路上N側P-動作，發(fā)出閉所信號，1DL、2DL均不跳閘，當6DL跳開

后MN線路上的功率方向發(fā)生變化，即N側P-返回，P+動作，而M側P+返回，P-動作。

假如N側P+動作快，而M側P+返回慢，就會有一小段時間，兩側均為P+動作，從而停止

發(fā)信，1DL、2DL愛護誤動。解決的方法有兩種，其一是加延時，即先感受為區(qū)外故障，之

后若感受為區(qū)內(nèi)故障，連續(xù)停信時間必需大于60ms才能跳閘。其二是讓P-動作優(yōu)先于P+,

一旦P-動作則閉鎖P+動作回路。這樣，在上述狀況下，一開頭MN線路上N側P-動作，由

于P-先動作，閉鎖N側P+動作回路，這樣在功率倒向后，仍能牢靠發(fā)出閉鎖信號。

二.距離愛護

所謂距離愛護，就是反應故障點到愛護安裝處的距離，井依據(jù)該距離的遠近確定動作時

間的一種愛護裝置。當故障點距愛護安裝處越近時，愛護感受到的距離越小，動作時間就越

短；反之，當故障點離愛護越遠，愛護感受到的距離越大，動作時間就越長。這樣，故障將

總是由距故障點近的愛護首先切除，從而保證在任何外形電網(wǎng)中，故障線路都能有選擇地切

除。1.距離愛護的組成

⑴測量元件。作用是測量故障點至愛護安裝處的阻抗（距離），并與整定阻抗進行比較，以

確定愛護是否動作。測量元件通常采納阻抗繼電器，是愛護中的關鍵元件。

⑵起動元件。它的主要作用是當發(fā)生故障時，馬上起動整套愛護，并可兼作距離III短的測量

元件。起動元件可采納電流繼電器或阻抗繼電器，也可采納反應負序、零序電流或其他增量

的電流元件。

⑶方向元件。它是判別故障時短路功率的方向，防止在愛護安裝處反方向故障時誤動。一般

采納功率方向繼電器，也可采納具有方向性的阻抗繼電器，兼作測量元件。

⑷時間元件。它的作用是建立距離II段和III段的動作時限，以保證愛護動作的選擇性。通常

采納時間繼電器或時間電路作時間元件。

2.距離愛護的基本原理

距離愛護的測量元件應能則量故障點到愛護安裝處的距離。而測量故障點到愛護安裝處的距

離，實際上是測量故障點至愛護安裝處的線路阻抗。故障時，愛護安裝處的母線電壓。與

母線流向線路的電流i的比值即為故障點至愛護安裝處的線路阻抗ZKo若假設愛護用電流

互感器和電壓互感器變比均為I,則測量元件的阻抗Zm=Um/Ln=Si=ZK。測量元件將側得的

阻抗“與整定阻抗Zs進行比較，當ZmVZs時，表明故障在愛護范圍內(nèi)，愛護動作；當Zm

>Zs時，表明故障在愛護范圍外，愛護不動作。所以距離愛護又叫低阻抗愛護。由于ZK只

與故障點到愛護安裝處的電離有關，基本上不受運行方式的影響。

距離愛護的動作時限t與故障點至愛護安裝處的距離1的關系，稱為距離愛護的時限特性。

目前廣泛采納的是三段式階梯時限特性，如圖8—10所示。距離愛護的第I、II、III段與電

流愛護的第I、II、HI段相像，其根本不同之處是距離愛護各段的愛護范圍基本上不隨運行

方式而轉(zhuǎn)變。為了保證選擇性，瞬時動作的距離【段愛護范圍應限制在本線路內(nèi)，如圖8—

10中愛護H段的測量元件的整定阻抗7即應小于線路阻抗治“通常距離I段的愛護范圍為被

愛護線路全長的80—85%,其動作時間為元件的固有動作時間。距離n段整定阻抗相像帶時

限電流速段，即其愛護范圍不超過相鄰下一線路距離I段的愛護范圍，同時在時限上與相鄰

的下一線路距離I段的動作時限心進行協(xié)作，即

t"=t'i+At

距離I段和II段可共同作為線路的主愛護。距離III段作為本線路距離I段、H段的近后備及

作相鄰下一線路得遠后備愛護，其整定阻抗的選擇與過電流愛護相像，應躲過正常運行時的

最小負荷阻抗來整定，動作時限也按階梯原則整定。

3.阻抗繼電器

⑴全阻抗繼電淵。全阻抗繼電器的特性圓是以坐標原點

為圓心、以整定阻抗以為半徑所作的一個圓，如圖8—

11所示。圓內(nèi)為動作區(qū)，當測量阻抗Zj落在圓上時繼電

器剛好動作，對應此時的阻抗叫繼電器的動作阻抗，以

Zdz.j表示。當采納肯定值比較方式是，這種阻抗繼電器

的動作阻抗條件是：

I九|W|ZmI

不論□與ii間相位差（P，此時總是成立的，因此全阻抗

繼電器無方向性。將式兩邊同乘以電流ij,則得動作電

壓條件為

IiiZjI&IiZdI

電壓ijZj可通過中間變壓器TV取得，當TV的輸入電壓為口時，使輸出電壓KuUj=ijZJo而LZj

可以通過電抗變壓器TL取得，當輸入電流為ij時，使輸出電壓Kli=iz。故上式可寫成

IKlUj|&IKjj|

移相得Iu/tIwIK./K,.|

由此可知，采納肯定值比較的全阻抗繼電器

可按圖8-12接線。這里有三個參數(shù)需辨別

清晰：①測量阻抗乙（繼電器端子上的感受

電抗），即U/I隨故障點與愛護安裝處之間

的距離而變。②動作阻抗Z械j（繼電器剛好

動作時的測量阻抗），即愛護范圍邊界短路

時的測量阻抗。③整定阻抗。.（依據(jù)動作阻

抗選擇繼電器參數(shù)所打算的阻抗），其值

應與動作阻抗相近，整定阻抗預定了愛護范

圍。U圖8—12全阻抗繼電器原理接線圖

⑵方向阻抗繼電器

上述全阻抗繼電器無方向性，不能判別短路故障的方向，若采納它作測量元件，有時尚需另

加一個方向元件與之協(xié)作，而方向阻抗繼電器可滿意這一要求，其特性圓是一個以整定阻抗

Zzd為直徑，圓周過坐標原點的圓，如圖8—13所示。園內(nèi)為動作區(qū)。當愛護正方向故隙時.，

測量阻抗Zj位于第I象限，只要Zj落在園內(nèi)，繼

電器就動作,而愛護反方向短路時，Zj位于第III象

限，不行能落在園內(nèi)，繼電器就不會動作，故該繼

電器的動作具有方向性。

三.電流速斷愛護

第四節(jié)發(fā)電機愛護

一.發(fā)電機的縱差愛護

發(fā)電機的縱差愛護反應發(fā)電機定子繞組及其

引出線的相間短路，是發(fā)電機的主要愛護。

1.帶斷線監(jiān)視的發(fā)電機縱差愛護

圖方向陰抗繼電器的動作特性

圖8—14為帶斷線監(jiān)視的發(fā)電機縱差愛護原理接線8—13

圖，愛護采納三相式接線，1KD-3KD為差動繼電器。在差動回路的中性線上接有斷線監(jiān)

視電流繼電器KMD,KPO為出口中間繼電器，其線圈上并聯(lián)的電阻R「是為了提高信號繼

電器KS的牢靠性。愛護的動作電流應按在正常狀況卜，電流互感器二次斷線時愛護不動作

的條件整定。即

IpU=Krel【LG

斷線監(jiān)視繼電器的動作電流【PUK應按躲過正常運行時的不平衡電流整定，一般為

IpuK=0.2ILG/nT

整定之后還應按愛護范圍內(nèi)的最小短路電流來校驗靈敏度，一般要求不小于2。在靠近中性

點發(fā)生相間短路時，短路電流特別小，愛護可能不動作，即為縱差動愛護的死區(qū)。

2.采納BCH—2型差動繼電器的發(fā)電機縱差愛護

如圖8—15為BCH—2型差

動繼電器構成的發(fā)電機縱差愛護

原理圖。當電流互感器一次回路斷

線時,斷線相差動繼電器的差動線

圈及其三個平衡線圈中均通過數(shù)

值相等的負荷電流，由于每相繼電

器的差動線圈與平衡線圈反極性

串聯(lián)，因此，斷線相差動繼電器鐵

心中的工作磁通相互抵消,該繼電

器不會動作。在非斷線相的差動繼

電器中，只有平衡線圈通過負荷電

流，只要適當?shù)倪x擇平衡線圈的匝

數(shù)，就可以使非斷線繼電器不動

作。一般經(jīng)過選擇有：

IpUK=0.55Ig

可見動作電流小，故內(nèi)部短路時靈敏度高，以稱之為高靈敏度的縱差愛護。

二.發(fā)電機定子繞組匝間短路愛護

發(fā)電機繞組發(fā)生匝間短路時，縱差動愛護不能反應，所以裝設了發(fā)電機匝間短路愛護。

1.橫差電流愛護

對于定子繞組的每一支路中性點側都有引出端的發(fā)電機，可以采納定子繞組單繼電器的橫差

電流愛護，其愛護的接線原理如圖8—16所示。一般依據(jù)運行閱歷，愛護的動作電流通常取

為發(fā)電機額定電流的20—30%,即

Ipu=(0.2—0.3)Ie

當短路的叱數(shù)特別少時，中性連線的電流很小,因此愛護將不動作，消失死區(qū)。

2.反應零序電壓的匝間短路愛護

發(fā)電機正常運行及相間短路時，無零序電

壓。定子繞組單相接地時，故障相對地電壓等于

零，中相點對地電壓提升為相電壓，此時三相定

子繞組對中性點的電壓仍舊對稱，不消失零序電

壓。若定子繞組發(fā)生匝間短路，則機端三相對中

性點電壓不對稱，因而消失零序電壓，因此可采

用此零序電壓來構成定子繞組的匝間短路愛護。

其原理接線如圖8-17所示。此種愛護仍存在死

區(qū)。

3.反應轉(zhuǎn)子回路二次諧波電流的匝間短路愛護

發(fā)電機定子繞組發(fā)生匝間短路時，定子繞組電流

中有負序重量，負序重量建立的負序磁場，以同

步轉(zhuǎn)速沿與轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)方向相反的方向旋轉(zhuǎn)。因

此，負序磁場在轉(zhuǎn)子繞組中感應出二次諧波電勢，轉(zhuǎn)子回路中消失了二次諧波電流，采用該

二次諧波電流，可以實現(xiàn)匝間短路

愛護。圖8-18示出了該愛護的原

理圖。采納負序功率方向繼電器后，

愛護的整定值只需按躲開與發(fā)電機

正常運行時允許的最大不對稱度相

對應的在轉(zhuǎn)子回路感應的二次諧波

電流來整定，其靈敏度較高。

三.發(fā)電機定子繞組單相接地愛護

發(fā)電機定子外殼是接地的，當圖8—18反應轉(zhuǎn)子二次諧波電流的匝間短路保護原理庭圖

某相絕緣損壞發(fā)生對外殼短路時就1一負序電流過濾器；2—負序電壓過濾器；

3—二次諧波過濾器；P2一負序功率方向繼電器；

是單相接地，單相接地發(fā)生的機會12一二次諧波電流繼電器

比匝間或相間短路多。一般規(guī)定，發(fā)生單相接地時，接地電流小于5A時，一般裝設作用于

信號的接地愛護；當接地電流大于5A時，應裝設作用于跳閘的單相接地愛護。

1.反應零序電流的定子繞組單相接地愛護

反應零序電流的發(fā)電機定子繞組單相接地愛護，通常用于并聯(lián)在發(fā)電機電壓母線上運行的發(fā)

電機。采用發(fā)

電機內(nèi)、外部

接地時，流過

零序電流互

感器的零序

電流差別較

大的特點，愛

護將有足夠

的靈敏型，如

圖8—19所

圖8—19反應零序電流的單相接地保護原理接線圖

示。愛護的動作電流可只按躲開外部單相接地時流過零序電流互感器的零序電流和正常狀況

下零序電流互感器二次側消失的不平衡電流來整定。愛護一般帶有1—2S的時限，以躲開

外部單相接地時暫態(tài)電容電流的影響。

2.反應零序電壓的發(fā)電機定子繞組單相接

地愛護

對于發(fā)電機一變壓器組，接地電容電流較

少，所以一般裝設反應零序電壓的接地愛

護，如圖8—20所示。從機端電壓互感器開

口三角側取得3Uo，過電壓繼電器KV通過

三次諧波濾過器接于開口三角形的兩端。電

壓繼電器的動作電壓可整定為IOV左右。

3.具有100%愛護范圍的發(fā)電機定子繞組接d9

地愛護

上面兩種發(fā)電機定子單相接地愛護都存在

著死區(qū)，采用3次諧波電壓和基波零序電壓

可構成的雙頻式100%定子接地愛護，如圖

8—21所示。圖中，ON和Us分別表示由中

圖8—20反應零序電壓的發(fā)電機定子繞蛆

性點和機端取得的溝通電壓，由電抗變壓擲的接地保護原理接線圖

1TL的一次繞組與電容Ci組成對3次諧波

串聯(lián)諧振電

路，由電感Li

和電容C3組

成基波串聯(lián)

諧振電路，因

此加于整流

橋ZL1的溝

通電壓基本

上是3次諧波

電壓，該電壓

與機端3次諧

波電壓成比

例。ZL1的整

流電壓經(jīng)C5

濾波后作為

動作量加入

執(zhí)行元件。電

圖8—21雙頻式100%發(fā)電機定子接地保護原理接點圖

抗變壓器2TL（a）一次系統(tǒng)接線圖；（b）保護原理接線圖

的一次繞組

與電容C2組成3次諧波串聯(lián)諧振電路，電感L2與電容C4組成基波串聯(lián)諧振電路，因此加

于整流橋ZL2的溝通電壓基本上也是3次諧波電壓，該電壓與中性點3次諧波電壓成比例。

ZL2的整流電壓經(jīng)C6濾波后作為制動量加入執(zhí)行元件。執(zhí)行元件兩端電壓為：

Uab=|US3|—|UN3I

正常狀況下，|Os3|v|tlN3l，UabVO,執(zhí)行元件不動作：而在aV50%處發(fā)生單相接地故障

時，IUs3l>IUN3l，uab>o,執(zhí)行元件動作。調(diào)整電位器即便可轉(zhuǎn)變愛護的整定值。中間

變壓器TV的一次側接至機端電壓互感器1TV的開口三角形側，反應機端基波零序電壓。經(jīng)

整流橋ZL3整流和n型濾波器濾波后的直流電壓加于電位器R小調(diào)整其滑動端，可以轉(zhuǎn)變

基波零序部分的啟動電壓。當接地靠近機端時，基波零序電壓較高，執(zhí)行元件動作。由上述

可見，3次諧波電壓部分用于反應a<50與范圍內(nèi)的接地故障，故障點越靠近中性點，該部

分愛護的靈敏性越高；基波零序電壓部分用于反應a>15%范圍內(nèi)的接地故障，故障點越接

近機端，該愛護部分的靈敏性越高。這樣，雙頻式愛護構成了有100%愛護區(qū)的定子繞組單

相接地愛護。

四.發(fā)電機失磁愛護

1.失磁愛護的判據(jù)

發(fā)電機失磁愛護的主要判據(jù)都是依據(jù)失磁后發(fā)電機定子回路的參數(shù)變化來推斷的。一般

主要判據(jù)有以下三種：

⑴監(jiān)測發(fā)電機無功功率方向的變化。

⑵監(jiān)測機端測量阻抗是否落入靜態(tài)邊界圓內(nèi)。

⑶監(jiān)測機端測量阻抗是否落入異步阻抗圓內(nèi)。

為了防止失磁愛護在其它非失磁狀況下誤動，還應在主判據(jù)的基礎上再加入一些閉鎖措施。

通常稱這些措施為幫助判據(jù)。在失磁愛護中，常用幫助判據(jù)主要有以下五種：

⑴轉(zhuǎn)子勵磁電壓降低。

⑵負序重量消失。因失磁過程中，定子二相電路仍舊是對稱的，無負存重量消失，而在發(fā)生

各種短路時，總是伴隨有負序重量消失，即使是三相短路，在短路初期也會短時消失負序重

量。

⑶采用延時躲過系統(tǒng)振蕩，由于發(fā)生振蕩時，失磁阻抗繼電器總是周期性地動作，而失磁失

步后，測量阻抗則穩(wěn)定地落在異步阻抗圓內(nèi)。

⑷電壓回路斷線閉鎖。以防止電壓互感器二次斷線時阻抗元件動作。

⑸采用操作閉鎖。例如當發(fā)電機并列時，為防止失磁阻抗繼電器的誤動，可采納操作閉鎖的

方法將失磁愛護閉鎖，并列完成后再自動投入失磁愛護。

2.失磁愛護的構成及原理

圖8-22是一種以靜穩(wěn)邊界圓為主判據(jù)，轉(zhuǎn)子低電壓為幫助判據(jù)的失磁愛護原理方框圖。

圖中Z為失磁阻抗繼電器，其動作特性為靜穩(wěn)邊界阻抗圓。UV為低電壓元件，UV為轉(zhuǎn)子

低電壓元件。當發(fā)生失磁故障時，如母線電壓降低到保證系統(tǒng)平安運行的允許電壓一下，同

時，轉(zhuǎn)子低電壓元件動作，則匕有輸出，經(jīng)延時L跳河。延時L用以躲開振蕩過程中短時

的電壓降低，一般取0.5—1S。假如失磁后機端測量阻抗進入靜穩(wěn)邊界圓內(nèi)，Z元件動作，

同時轉(zhuǎn)子低電壓元件動作，丫2有輸出，經(jīng)時間元件t2延時跳閘。匕動作后馬上發(fā)出失磁信號,

說明發(fā)電機已與系統(tǒng)失去同步。延時匕躲過系統(tǒng)振蕩與自同期并列的影響，一般取1—1.5So

在發(fā)電機外部短路或電壓互感器二次回路斷線時，由于ULV元件不會動作，因而失磁愛護不

會誤動。當電壓互感器斷線時，可由IV元件經(jīng)延時，七發(fā)出失壓信號。

第五節(jié)變壓器愛護

一.變壓器瓦斯愛護

在油浸式變壓器油箱內(nèi)發(fā)生故障時.，由于故障點電弧的作用，變壓器油及其它絕緣材料

分解.，產(chǎn)生氣體，采用這種氣體實現(xiàn)的愛護稱為瓦斯愛護。瓦斯愛護的測量元件是氣體繼電

器，它安裝在變壓器油箱與油枕間的連接管道上。為便于氣流順當通過氣體繼電器，變壓器

的頂蓋與水平面間應有1—1.5%的坡度，連接管道應有2—4%的坡度。

瓦斯繼電器的型式較多，這里以性能較好的開口杯擋板式瓦斯繼電器的結構和工作原理進行

介紹。開口杯擋板式氣體繼電器的結構如圖

8-23所示。上部有一個附帶永久磁鐵4的

開口杯5,下部有一面附帶永久磁鐵11的擋

板10。正常狀況下，繼電器內(nèi)布滿油，開口

杯在油的浮力與重錘6的作用下，處于上翹

位置，永久磁鐵4遠離干簧接點15,干簧接

點15斷開。擋板10在彈簧9的保持下，處

于正常位置，其附帶的永久磁鐵11遠離干

簧接點13,干簧接點13牢靠斷開。

當變壓器內(nèi)部發(fā)生稍微故障時，產(chǎn)生少量氣

體，匯合在瓦斯繼電器的上部，迫使瓦斯繼11

ID

電器內(nèi)油面下降，使開口杯露出油面。物體

12

在氣體中所受浮力比在油中受到的浮力小，

圖8—23開口杯擋板式氣體繼電器結構圖

因而開口杯失去平衡，繞地落下，永久磁鐵1—里；2一頂棄；3—氣塞；4—永久磁鐵；

5一開口杯；6一重錘；7一探針；8一并口銷；

隨之落下，接通干簧觸點，發(fā)生輕瓦斯動

49一彈簧；10一擋板；11一永久磁鐵；12—螺

作信號。當變壓器嚴峻漏油時，同樣會發(fā)生桿；13—干簧觸點（重瓦斯用）；14一調(diào)節(jié)桿

；15一千簧觸點（輕瓦斯用）；16—套管

“輕瓦斯動作”信號。

當變壓器內(nèi)部發(fā)生嚴峻故障時，油箱內(nèi)產(chǎn)生大量的氣體，形成劇烈油流，油流從油箱通過瓦

斯繼電器沖向油枕，該油流速度將超過重瓦斯（下?lián)醢澹┱ǖ挠土魉俣龋土鲗醢宓臎_

擊力將克服彈簧的作用力,擋板被

沖動，永久磁鐵靠近干簧接點，使

干簧接點閉合，發(fā)出跳閘脈沖，斷

開變壓器各電源側的斷路器。

瓦斯愛護的原理接線如圖8—24

所示，瓦斯繼電器KG的輕瓦斯觸

點（上觸點）閉合，延時發(fā)出“輕

瓦斯動作”信號。重瓦斯觸點（下

觸點）閉合后，經(jīng)信號繼電器KS、

切換壓板，起動出口中間繼電器

KPO,作用于跳開變壓器斷路器。出口中間繼電器是自保持中間繼電器,，切換壓板的作用是

轉(zhuǎn)變重瓦斯的出口方式，當變壓器換油或氣體繼電器試驗時，通過切換壓板，將愛護換接于

電KIR回路，以防止重瓦斯誤動跳閘。

二.變壓器縱差動愛護

變壓器縱差動愛護主要用來反應變壓器油箱內(nèi)部、套管及引出線上的各種短路故障。其

原理接線如圖8-25所示。變壓器兩

側裝設的電流互感器按循環(huán)電流法接

線，兩電流互感器之間為縱差動愛護

的愛護范圍。由于變壓器兩側電流的

大小和相位都不相同，兩側互感器的

型式、變比和接線方式也不相同，并

且在靠近電源側有勵磁電流存在，特

殊是在空載合閘時，將有很大的勵磁

涌流消失。這些特點都將導致差動回

路中的不平衡電流大大增加，使變壓

器的縱差動愛護處于不利的工作條件

卜，這就構成了變壓器縱差愛護的特

殊性。所以為保證愛護的牢靠性，應

實行措施減小或消退不平衡電流對愛

護的影響。一般實行的措施有：

⑴當變壓器采納Y/A接線時，變壓器圖8—25變壓器期差動保護原理接線圖

兩側的電流互感器應采納A/Y接線，以實現(xiàn)相位補償。

⑵當變壓器兩側的電流互感器的變比不能抱負匹配時，應增設平衡線圈，實現(xiàn)數(shù)值補償。

⑶對于空載合閘時消失的勵磁涌流，可采納帶短路線圈的速飽和型差動繼電器來消退這種影

響。

⑷對于外部短路時所產(chǎn)生的不平衡電流，可通過提高愛護的整定值躲開這種影響。

變壓器縱差動愛護的整定原則

⑴按躲過變壓器空載合閘和外部短路故障后，電壓恢復時的勵磁涌流整定。

U=KKIN

式中：KK一牢靠系數(shù)，取1.3；

L一變壓器額定電流。

⑵按躲過外部短路時的最大不平衡電流整定。

Idz=Kklbp.nax=KK(0.2Ik.na.x)

式中：KK—牢靠系數(shù)，取1.3;

Ibp.<mx—最大不平衡電流；

Ik.皿一外部故障時最大短路電流的周期重量。

⑶考慮電流互感器二次回路斷線，按躲過變壓器正常運行的最大負荷電流整定。

Idz=KKI?I.iiax

式中：降一牢靠系數(shù)，取1.3；

Im山一變壓器正常運行時的最大負荷電流，在最大負荷電流不能確定時，可用變壓

器的額定電流。

可依據(jù)以上三個條件算出的結果，選用其中最大者作為整定值。

三.變壓器的接地愛護

1.中性點直接接地變壓器的零序電流愛護

圖8-26示出了中

性點直接接地雙繞

組變壓器的零序電

流愛護原理圖。愛護

用電流互感器接于

中性點引出線上，其

額定電壓可選擇低

一級的，其變比依據(jù)

接地短路電流引起

的熱穩(wěn)定和電動力

穩(wěn)定條件來選擇。愛

護的動作電流按與

被愛護側母線零序圖8—26中性點直接接地變壓器零序電流保護原理圖

電流愛護后備段在靈敏系數(shù)上協(xié)作的條件整定。愛護的靈敏度按后備愛護范圍末端接地短路

校驗，靈敏度不小于1.2。愛護的動作時限應比引出線零序電流后備段的最大動作時限大一

個階梯時限。

2.中性點可能接地或不接地變壓器的接地短路愛護

⑴分級絕緣變壓器

分級絕緣變壓器，其中性點的耐壓強度較低，若中性點未裝放電愛護，為防止中性點絕緣在

工頻過電壓作用下?lián)p壞，不允許在無接地中性點的狀況下帶接地故障點運行，因此，當發(fā)生

接地故障時，應先切除中性點不接地變壓器，然后切除中性點接地變壓器。圖8—27示出了

這種變壓器（無放電間隙）接地愛護的原理接線圖，其中匕＞t2。

⑵全絕緣變壓器

全絕緣變壓器的接地故障爰護原理框圖如圖8-28所示。變壓器除裝設零序電流愛護外，還

增設零序電壓愛護，作為變壓器中性點不接地運行時的愛護。零序電壓元件的動作值應躲開

部分中性點接地系統(tǒng)中發(fā)生接地短路時，愛護安裝處可能消失的最大零序電壓，一般可取

UPuo=l80Vo由于零序電壓愛護僅在系統(tǒng)中發(fā)生接地短路，且中性點接地的變壓器已全部斷

開后才動作，因此愛護的動作時限無需與電網(wǎng)中其它接地愛護的動作時限相協(xié)作，可以整定

的很小。為躲開電網(wǎng)單相接地短路時的暫態(tài)過程的影響，愛護通常帶0.3—0.5S的延時。

第六節(jié)微機型線路愛護

本節(jié)以WXH—11型系列微機型線路愛護為列說明其結構。

一.硬件原理

該裝置配置有高頻、距離、零序和綜合重合閘的四個CPU插件，管理人機對話、打卬、多

CPU之間通信的接口插件，變換插件，以VFC為原理的兩個模數(shù)轉(zhuǎn)換插件，開關量輸出、

開關量輸入、規(guī)律、跳閘、信號，告警及逆變電源插件。

接口插件面板上裝有復位犍、液晶顯示器、鍵盤、打印機插座，主要電路作用如下：

I.與各CPU進行串行通，言的接口電路

接口插件主要完成人機對

話及巡檢等功能，而這些

功能依靠于各單片機的串

行接口、該插件單片機內(nèi)

串行接口與各愛護插件的

串行口按輻射狀相連，每

08-29串行通信的接口電路

個愛護插件都可以同接口進行雙向的串行通信，而各愛護插件之間不能相互通信，如圖8-

29所示。圖中CPU。、CPU、CPU?、CPU3、CPU分別代表接口、高頻、距離、零序電流

和綜合插件。正常運行狀態(tài)，接口插件不斷地通過串行口向各CPU插件發(fā)出巡檢令，當各

CPU均正常時，應分別作出回答。假如某一CPU插件自檢出硬件故障，一方面驅(qū)動該CPU

告警繼電器，?方面收到巡檢令后向接口插件傳送故障信息及出錯碼，接口插件收到錯碼后，

驅(qū)動總告警繼電器，并顯示（或打?。┏龉收闲畔ⅰ＜偃缃涌诓寮l(fā)巡檢令，某一CPU未

作回答，則接口插件通過外部復位開關量輸出強制使該CPU復位，然后再發(fā)巡檢令，假如

仍得不到回答，則驅(qū)動總告警開關量輸出，并顯示（或打印）出該CPU出錯信息。采納先

復位后報警是為了防止某一愛護插件因干擾造成程序出錯但無硬件損壞時，可在復位后使其

恢復正常工作，不必告警。假如人機對話插件發(fā)生故障而不能執(zhí)行循環(huán)檢測程序時，其它

CPU插件在規(guī)定的時間內(nèi)收不到巡檢命令，就驅(qū)動巡檢中斷繼電器告警。

2.鍵盤輸入電路

通過鍵盤并借助于液晶顯示可以輸入命令、地址和數(shù)據(jù)。

3.液晶顯示電路

正常運行時，可通過顯示器顯示裝置的工作狀態(tài)，調(diào)試時，可顯示命令、數(shù)據(jù)。

4.硬件時鐘電路

正常時可自動、手動設置半、月、口、時、分、秒，并自動辨別月結束。其電源由直流供電，

直流電消逝時，山電池供電，以保持時鐘連續(xù)運行。

5.硬件自復位電路

如圖8—30所示，每隔500ms由

MC146818的SQW端發(fā)送一標準脈

沖，給74LS393計數(shù)器的輸入端，

8031單片機定時對74LS393計數(shù)器

進行檢測并清零。假如接II插件由

于程序出錯不能對計數(shù)器進行檢測

并清零，那么經(jīng)過肯定的時間，

74LS393計數(shù)器將通過其2QD端向

8031發(fā)復位信號，使接匚插件重新圖8—30自復位電路

投入正常工作。此外，接口插件設

有兩路開入量，即啟動反饋開入量與外部P鍵開入量，通過啟動反饋來完成整理總報告的

功能，通過外部P鍵開入展來完成復制總報告功能。

第七節(jié)廠用電源快速切換裝置

一.廠用電源切換方式

在發(fā)電廠中，保證廠用電連續(xù)牢靠供電是保證發(fā)電機組平安運行的基本條件，廠用工作

電源和備用電源之間的快速切換是實現(xiàn)廠用電連續(xù)牢靠供電的重要手段，按工作電源和備用

電源之間的切換方式不同，分為以下幾種類型。

I.按開關動作挨次分類

⑴并聯(lián)切換。先合上備用電源，兩電源短時并聯(lián)，再跳開工作電源，這種方式多用于正常切

換。并聯(lián)切換方式又分為并聯(lián)自動切換和并聯(lián)半自動切換兩種。

⑵串聯(lián)切換。先跳開工作電源，再合上備用電源，母線斷電時間至少為備用開關合閘時間，

此中方式多用于事故切換，

⑶同時切換。這種方式介于并聯(lián)切換和串聯(lián)切換之間。合備用電源命令在跳工作電源命令發(fā)

出之后、工作電源開關跳開之前發(fā)出。母線斷電時間大于。而小于備用電源開關合閘時間，

可設置延時來調(diào)整。這種方式既可用于正常切換，也可用于事故切換。

2.按啟動緣由分類

⑴正常切換。由運行人員手動啟動，快切裝置按事先設定的手動切換方式(并聯(lián)、同時)進

行分合閘操作。

⑵事故切換。由愛護啟動，發(fā)變組、廠用變和其他愛護出口跳工作進線開關的同時，啟動快

切裝置進行切換，快切裝置按事先設定的自動切換方式(串聯(lián)、同時)進行分合閘操作。

⑶不正常切換。有兩種狀況，一是母線失壓，母線電壓低于整定電壓達到整定時間后，裝置

自行啟動，并按自動方式進行切換。二是工作開關誤跳，由工作開關幫助接點啟動裝置，在

切換條件滿意時合上備用電源。

3.按切換速度分類

按切換速度可分為：快速切換、短延時切換、同期捕樸捉切換、長延時切