供电技术(余建明)4-供电系统的继电保护课件

1、内容提要：概述供电系统保护的一些基本知识和基本问题 首先简要说明继电保护的基本概念； 然后介绍单端供电网络的保护， 电力变压器的保护， 低压配电系统的保护； 第4章 供电系统的保护第4章 供电系统的保护第一节 继电保护的基本概念第二节 单端供电网络的保护第三节 电力变压器的保护第四节 低压配电系统的保护第五节 供电系统的微机保护第一节 继电保护的基本概念 一、 供电系统的保护1供电系统中保护装置的作用与类型 在供电系统中需装设不同类型的保护装置，在发生故障时能自动检测出故障，并且迅速、及时地将故障区域从供电系统中切除，以免系统设备继续遭到破坏。当系统处于不正常运行，如过载、欠电压等情况时，能发

2、出报警信号，以便及时处理，保证安全可靠地供电。 供电系统中常见的保护装置类型主要有如下三种： (1) 继电保护装置 是一种能反映供电系统中电气元件（线路、变压器、母线、用电设备等）发生故障或处于不正常运行状态、并动作于断路器跳闸或发出信号的自动装置，其适用于要求供电可靠性较高的高压供电系统中。 (2) 熔断器保护 广泛适用于高、低压供电系统。由于装置简单经济，在供电系统中应用得相当普遍。但是它的断流能力较小，选择性差，熔体熔断后更换不方便，不能迅速恢复供电，因此在要求供电可靠性较高的场所不宜用。 (3) 低压断路器保护 又称低压自动开关保护，由于低压断路器带有多种脱扣器，能够进行过电流、过负载

3、、失电压和欠电压保护等，而且可作为控制开关进行操作，因此在对供电可靠性要求较高且频繁操作的低压供电系统中广泛应用。 (1) 可靠性 保护装置在其保护范围内发生故障时，必须可靠动作，不应拒绝动作，在不该动作的情况下就不应该误动作。 为了满足可靠性的要求，保护装置接线应尽可能简单，力求减少继电器接点，避免保护装置断线、短路、接地和错误的接线，所有辅助元件如连接端子、连接导线以及安装施工，都应当十分可靠。 (2) 灵敏性 保护装置对其保护区内发生故障或不正常运行状态的反应能力称为灵敏性，如果保护装置对其保护区内极轻微的故障都能及时地反应动作，即具有足够的反应能力，说明保护装置的灵敏度高。保护装置灵敏

4、与否，一般都用灵敏系数（ks）来衡量。以过电流保护为例，灵敏系数表示为： 系统在最小运行方式时保护区末端的短路电流； 保护装置一次侧动作电流。 (3) 选择性 当供电系统发生故障时，离故障点最近的保护装置应先动作，切除故障，而供电系统的其他无故障部分继续运行，满足这一要求的动作就叫有选择性。 k点故障QF2动作 (4) 速动性 保护装置在尽可能的条件下，应尽快地动作切除事故，以减少对用电设备的影响，如果故障能在0.2s内切除，则一般电动机就不会停转。迅速的动作还能减轻对系统的破坏程度，减轻对元件的损害程度，减少用户在低电压下工作的时间和停电时间，加速恢复正常运行的过程，提高系统的稳定性。 二、

5、继电器与继电特性1继电器继电器是组成继电保护装置的基本元件。它是一种能自动执行断、续控制的部件，当其输入量达到一定值时，能使其输出的被控制量发生预计的状态变化，如触点打开、闭合，或电平由高变低、由低变高等，具有对被控电路实现“通”、“断”控制的作用。 按反应的物理量分为：电流继电器、电压继电器、气体继电器 按实现的型式分为：电磁式、感应式、数字式 按继电器在保护回路中所起的作用分为：量度继电器、时间继电器、 中间继电器、信号继电器、出口继电器2继电特性为保证继电器动作后可靠地有输出，防止当输入电流在整定值附近波动时输出不停地跳变，对继电器有明确的动作特性要求。 例如过电流继电器，流过正常状态下

6、的电流I时不动作，输出高电平E0（或其触点是开的）；只有其流过的电流大于动作电流Iop时才能够迅速起动、稳定可靠地输出低电平E1（或闭合其触点）；一旦流过继电器的电流减小，并小于返回电流Ire（其值能够确保继电器复位到初始状态），继电器又能立即返回到输出高电平E0（或触点重新打开）。无论起动和返回，继电器的动作都是明确的，它不可能停留在某一个中间位置，这种动作特性常称之为“继电特性”。 其中，返回电流Ire与起动电流Iop的比值称为继电器的返回系数kre， 为了保证动作后输出状态的稳定性和可靠性，过电流继电器的返回系数恒小于1。 在实际应用中，常常要求过电流继电器有较高的返回系数，如0.850

7、.95。 所谓电流互感器的10%误差曲线，是指互感器的电流误差为10%时一次电流对其额定电流的倍数 k= 与二次侧负荷阻抗 的关系曲线2电流互感器与电流继电器的接线方式 为了表述继电器电流Ik与电流互感器二次侧电流 的关系，特引入一个接线系数kkx式中 流入电流互感器的电流； 电流互感器二次侧电流。 电流互感器与电流继电器之间的接线方式有： 三相三继电器式完全星形接线 两相两继电器式不完全星形接线 两相三继电器式不完全星形接线 两相一继电器电流差式接线 (1) 三相三继电器式接线 所用保护元件最多 所有短路电流都会通过继电器反映出来，产生相应的保护动作。 (2) 两相两继电器式接线和两相三继电

8、器式接线 两相式接线 所用元件较少 未接互感器的单相短路故障不能保护 采用两相三继电器接线提高灵敏度 (3) 两相一继电器式接线（两相差式接线） 流入继电器的电流为两相电流互感器二次侧电流之差 不同短路电流通过继电器有不同的灵敏度。 不能反应出第三相（B相）的单相接地短路故障 第二节单端供电网络的保护 所谓定时限，是指过电流保护的动作时限是固定的，与通过其上电流的大小无关。一、过电流保护 当流过被保护元件中的电流超过预先整定的某个数值时，保护装置启动，并用时限保证动作的选择性，使断路器跳闸或给出报警信号，这种继电保护称为过电流保护。 定时限过电流保护 正常运行时，1KA、2KA、KT、KS的触

9、点都是断开的，当被保护区故障或电流过大时，1KA或2KA动作，通过其触点起动时间继电器KT，经过预定的延时后，KT的触点闭合，将断路器QF的跳闸线圈YR接通，QF跳闸，同时起动了信号继电器KS，信号牌掉下，并接通灯光或音响信号。这样，不正常状态或故障被切除。 定时限过电流保护的展开图 为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对不动作，显然保护装置的起动电流必须整定得大于该线路上出现的最大负荷电流；同时还必须考虑在外部故障切除后电压恢复，负荷自起动电流作用下保护装置必须能够返回，其返回电流应大于负荷自起动电流。一般情况下，负荷自起动电流大于最大负荷电流，因此往往以负荷自起动电流决定过电流保护的

10、起动电流。 (2) 定时限过电流保护的工作原理 定时限过电流保护的动作电流 式中 Iop 继电器的动作电流（一次侧）； 保护装置的可靠系数，一般取1.151.25 ； 自起动系数，由负荷性质及线路接线决定，一般取1.53； Kre 保护装置的返回系数，工程上一般采用0.850.95 ； 计算负荷电流。 (3) 按选择性要求整定过电流保护的动作时限 各级过电流保护中时间继电器KT的延时时限是按阶梯原则来整定的 定时限过电流保护的动作时限整定和配合 为了保证前后两级保护装置动作的选择性，在后一级保护装置的线路首端k点发生三相短路时，前一级保护的动作时间应比后一级保护的动作时间要大一个时间差 ，对于

11、定时限保护装置，一般取0.5s（对于微机型过电流保护，常取0.35s）。 (4) 过电流保护灵敏系数的校验 定时限过电流保护的灵敏系数是以其保护末端最小短路电流与动作电流Iop之比ks来衡量，要求ks1.31.5。对于中性点不接地的供电系统，最小短路电流出现在最小运行方式下末端两相短路时的短路电流，故 = (1) 反时限过电流保护的原理接线 2. 反时限过电流保护a) 原理图 b) 展开图(2) 反时限过电流保护的整定配合 a) 短路点距离与动作时间的关系 b) 反时限动作特性曲线 定时限过电流保护的优点是：动作时间准确，容易整定。而且不论短路电流大小，动作时间是一定的，不会因短路电流小而动作

12、时间长。 定时限过电流保护的缺点是：继电器数目较多，接线比较复杂。在靠近电源处短路时，保护装置的动作时间太长。 反时限过电流保护的优点是：可采用交流操作，接线简单，所用保护设备数量少，因此这种方式简单经济，在工厂供电系统中的车间变电所和配电线路上用得较多。 反时限过电流保护的缺点是：整定、配合较麻烦，继电器动作时限误差较大，当距离保护装置安装处较远的地方发生短路时，其动作时间较长，延长了故障持续时间。 3、定时限与反时限过电流保护的比较 二、电流速断保护 定时限过电流保护装置的时限一经整定便不能变动，如下图所示，当k3处发生三相短路故障时，断路器QF3处继电保护动作时间必须经过 才能动作，达不

13、到速动性的目的。为了减小本段线路故障下的事故影响范围，当过电流保护的动作时限大于0.7s时，便需设置反应电流增大而瞬时动作的电流保护即电流速断保护，以保证本段线路的短路故障能迅速地被切除。 具有电流速断和定时限过电流保护的原理线路图 电流速断保护的动作电流必须按躲过它所保护线路末端在最大运行方式下发生的短路电流来整定。 式中 Iop.k速断保护动作电流； kk 可靠系数，一般可取1.21.3； 被保护线路末端短路时的最大短路电流。 速断保护的灵敏度是在系统最小运行方式下保护安装处两相短路电流与其动作电流Iop之比，即=线路电流速断保护的保护区电流速断保护的“死区”及其弥补 由于电流速断保护的动

14、作电流是按被保护线路末端的最大短路电流来整定的，因而其动作电流会大于被保护范围末端的短路电流，这使得保护装置不能保护全段线路，出现一段“死区”。 速断保护只能保护线路的一部分，而不能保护线路的全长。 为了弥补死区得不到保护的缺点，在装设电流速断保护的线路上，必须配备带时限的过电流保护。在电流速断的保护区内，速断保护为主保护，过电流保护为后备保护；而在电流速断保护的死区内，过电流保护为基本保护。 定时限过电流保护与电流速断保护配合的动作时间示意图例 某工厂10kV供电线路，已知计算负荷电流 =180A， =1.5，在最大运行方式下末端和始端的短路电流分别为 2300A， 4600A；在最小运行方

15、式时， 2200A， 4400A，线路末端出线保护动作时间为0.5s，线路首端保护的继电器为非全星形联结，试整定该保护各个参数。 解： 1) 过电流保护整定如下： =1.5180A=270A，选用300/5A电流互感器，=300/5=60。 保护动作一次侧电流 = 继电器1KA动作电流 =6.35A, 取6.5A=时间继电器的整定时限 保护灵敏度 = 2) 因动作时限大于0.7s，需加速断保护装置，其整定计算如下：一次动作电流= 继电器2KA的动作电流 =，取48A速断保护的灵敏度= 三、低电压保护低电压闭锁的过电流保护 定时限过电流保护的动作电流是按躲过最大负荷电流来整定的，在某些情况下可能

16、满足不了灵敏度要求。为此，可采用低电压闭锁的过电流保护来提高其灵敏度。2. 用于电动机的低电压保护 电动机采用低电压保护的目的是当电网电压降低到某一数值时，低电压保护动作，将不重要的或不允许自起动的电动机从电网切除，以保证重要电动机在电网电压恢复时顺利地自起动。 1) 在电网发生故障时往往伴随着电压暂时下降甚至消失，当故障切除后系统电压又恢复时，为了保证重要电动机此时能顺利自起动，对不重要和不准许自起动的电动机，可装设动作电压为(60%70%) UN、时限为0.51.5s的低电压保护，即 =2) 对于由于生产工艺或技术、安全的要求不允许“长期”失电后再自起动的电动机，可装设动作电压为(50%5

17、5%) UN、时限为(510)s的低电压保护。即=四、中性点非有效接地系统的单相接地保护 用户供电系统采取中性点非有效接地方式，当发生单相接地时，流经故障点的电流IC由线路相对地的分布电容决定（IC为正常时每相对地电容电流的3倍），比负荷电流小得多，而且三相之间的线电压仍然保持对称，对接于线电压上负荷的供电没有影响，因此在一般情况下允许系统再继续运行12h。但是，在单相接地以后，故障相对地电压为零，非故障相对地电压升高到 倍，如果流过故障点的接地电流数值较大，就会在接地点产生间歇性电弧以致引起约3.5倍的过电压、损坏绝缘，故障有可能进一步扩大成为相间或两相对地短路。此时，应及时发出信号，以便工

18、作人员查找发生接地的线路，采取措施予以消除；特别是，当单相接地对人身和设备的安全有危险时，则应动作于跳闸。 因此，根据中性点非有效接地系统发生单相接地时的特点，对供电系统应当装设绝缘监测装置，必要时还装设零序电流保护。 1. 绝缘监视装置 其利用供电系统单相接地后出现的零序电压给出信号。在中性点非有效接地的供电系统中，只要本级电压网络中发生单相接地故障，则在同一电压等级的所有母线上都将出现数值较高的零序电压。利用这一特点，在变电所的母线上一般装设网络单相接地的绝缘监视装置，它利用接地后出现的零序电压，带延时动作于信号，表明本级电压网络中出现了单相接地。 在供电系统中常用三相五芯柱式电压互感器或

19、三只三绕组单相电压互感器作中性点不接地系统的绝缘监测装置绝缘监视装置的保护方法简单，但给出信号没有选择性，值班人员想判别出故障发生在哪一条线路上，还需要依次断开各条线路来寻找。若断开某线路时接地信号能消失，即表明故障是在该线路上。这种监视装置可用于出线不太多、负荷电流允许短时间内切断的供电网中。此外，在电网正常运行时，由于电压互感器本身有误差以及高次谐波电压的存在，开口三角形绕组有不平衡电压输出，因此继电器的动作电压要躲过这一不平衡电压，一般整定为15V。 利用单相接地故障线路的零序电流较非故障线路大的特点，实现有选择性地发出信号或动作于跳闸，此即线路的零序电流保护。 当供电系统某一线路发生单

20、相接地故障时，其他线路上都会出现不平衡的电容电流（零序电流），而这些非故障线路属于正常线路，其保护装置不应动作，因此，非故障线路保护装置的动作电流应至少大于本线路的电容电流。 2. 零序电流保护 五 过负荷保护 其动作电流整定为 Ic所保护线路的计算电流。 对于可能时常出现过负荷的电缆线路，应装设过负荷保护，延时动作于信号，必要时可动作于跳闸。 动作时间一般整定为1015s 第三节电力变压器的保护 一、 概述 1变压器易产生的故障和不正常工作状态 变压器故障及不正常工作状态变压器故障不正常工作状态内部故障线圈的相间短路、匝间或层间短路、单相接地短路以及烧坏铁心等。 外部故障套管及引出线上的短路

21、和接地。 过负荷、温升过高以及油面下降超过了允许程度等。 2电力变压器上常见的继电保护装置 对于电力变压器的常见故障及异常运行状态，一般应装设下列保护： (1) 差动保护或电流速断保护 反应变压器的内、外部故障，瞬时动作于跳 闸。 (2) 瓦斯保护 反应变压器的内部故障或油面降低，瞬时动作于信号或跳闸。 (3) 过电流保护 反应变压器外部短路引起的过电流，带时限动作于跳闸， 可作为上述保护的后备。 (4) 过负荷保护 反应过载而引起的过电流，一般作用于信号。 (5) 温度保护 反应变压器油、绕组温度升高或冷却系统的故障， 动作于信号或跳闸。二电力变压器的瓦斯保护 1. 瓦斯保护工作原理电力变压

22、器通常是利用变压器油作为绝缘和冷却介质。当变压器油箱内故障时，在故障电流和故障点电弧的作用下，变压器油和其他绝缘材料会因受热而分解，产生大量气体。气体排出的多少以及排出速度，与变压器故障的严重程度有关。利用这种气体来实现保护的装置，称为瓦斯保护。 对于容量在800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的户内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。瓦斯继电器（气体继电器），安装于变压器油箱与油枕之间的连通管上，如图4-18a)所示。为让变压器的油箱内产生的气体顺利通过与瓦斯继电器连接的管道流入油枕，应保证连通管对变压器油箱顶盖有2%4%的倾斜度，变压器安装应取1%1.5%的倾斜度。 2. 瓦斯继

23、电器的安装 图4-18 a)瓦斯继电器在变压器上的安装 1 变压器油箱 2 联通管 3 瓦斯继电器 4 油枕图4-18 b) FJ3-80型开口杯式瓦斯继电器的结构示意图1盖；2容器；3上油杯；4永久磁铁；5上动触点；6上静触点；7下油杯；8永久磁铁；9下动触点；10下静触点；11支架；12下油杯平衡锤；13下油杯转轴；14挡板；15上油杯平衡锤；16上油杯转轴；17放气阀；18接线盒 3. 瓦斯继电器的结构 。 瓦斯继电器有浮筒式和开口杯式 开口杯式结构及工作：(1) 变压器正常运行时，上开口杯3及下开口杯7都浸在油内，均受到浮力。因平衡锤的重量所产生的力矩大于开口杯（包括杯内的油重）一侧的

24、力矩，开口杯处于向上倾斜的位置，此时上、下两对触点都是断开的。 (2) 变压器内部发生轻微故障时，产生的气体聚集在继电器的上部，迫使继电器内油面下降，上浮子的开口杯3逐渐露出油面，浮力逐渐减小，上油杯因其中盛有残余的油而使其力矩大于另一端平衡锤的力矩而降落，这时上接点闭合而接通信号回路，这称之为“轻瓦斯动作”。 (3) 当变压器内部发生严重故障时，产生的大量气体或强烈的油流将冲击挡板14，使下开口杯7立刻向下转动，使下触点接通跳闸回路，这称之为“重瓦斯动作”。 (4) 如果变压器油箱漏油，使得瓦斯继电器内的油也慢慢流尽，先是继电器的上油杯下降，发出信号，接着继电器的下油杯下降，使断路器跳闸。

25、4. 变压器瓦斯保护动作后的故障分析 收集瓦斯继电器内的气体做色谱分析，如无气体，应检查二次回路和瓦斯继电器的接线柱及引线绝缘是否良好； 检查油位、油温、油色有无变化； 检查防爆管是否爆裂喷油； 检查变压器外壳有无变形，焊缝是否开裂喷油； 如果经检查未发现任何异常，而确定是因二次回路故障引起误动作时，可退出瓦斯保护，投入其他保护，试送变压器，并密切监视； 在瓦斯保护的动作原因未查清前，不得合闸送电。 三、 变压器的电流保护 1变压器的过电流保护和电流速断保护 规程规定，电压10kV及以下、容量在10MVA及以下的变压器，对其内部、套管及引出线的短路故障应采用电流速断保护；3566kV及以下中小

26、容量的降压变压器，对其外部相间短路引起的过电流，宜采用过电流保护。同时，对于供电系统中单侧电源的双绕组或三绕组变压器，过电流保护宜安装于变压器的各侧。 变压器过电流保护和电流速断保护的工作原理、整定原则与线路保护的基本相同 。图4-19 Dyn11变压器低压侧ab相间短路电流分布及相量图(1)电流互感器的接线方式对变压器电流保护的影响通过对电流相量图的分析可以得出，当变压器低压侧ab相间短路时，流 若变压器保护用电流继电器采用非全星形结线，则由于A、C相都是流过较小的故障电流，因此灵敏度较低。 过变压器高压侧A、C相的故障电流均为，且方向相同。而且方向相同。而B相流流过的故障电流为2，由此可见

27、： 若电流互感器采用全星形结线或两相三继电器结线，则总有一个继电器 若电流互感器采用两相电流差结线，则通过继电器的故障电流为零，保护装置不动作。流过的故障电流为2 ，因此比非全星形结线灵敏度高。因此，变压器过电流保护互感器的结线方式，通常采用全星形或非全星形 。(2) 过电流保护和电流速断保护的整定1）变压器过电流保护动作电流整定 式中 IL.max (1.53)I1N.T ； I1N.T 变压器一次侧的额定电流。 其动作时间也按“阶梯原则”整定，与线路过电流保护完全相同。对车间变电所来说，其动作时间可整定为最小值（0.5s）。 灵敏度按变压器低压侧母线在系统最小运行方式下发生两相短路电流换算

28、到高压侧来校验。 变压器电流速断保护主要是对变压器的内部故障，如相间短路等进行保护。 动作电流整定计算公式 式中 Ik.max 变压器低压侧母线的三相短路电流换算 到高压侧的穿越电流值。 灵敏度按保护装置安装处（高压侧）在系统最小运行方式下发生两相短路的短路电流值来校验。要求ks1.5。 2）变压器电流速断保护保护动作电流整定 变压器过电流保护动作跳闸，应作如下检查和处理：1）检查母线及母线上的设备是否有短路；2）检查变压器及各侧设备是否短路；3）检查低压侧保护是否动作，各条线路的保护有无动作；4）确认母线无电时，应拉开该母线所带的线路；5）如是母线故障，应视该站母线设置情况，用倒母线或转带负

29、荷的方法处理；6）经检查确认是否越级跳闸，如是，应试送变压器；7）试送良好，应逐路检查故障线路。 (3) 变压器过电流保护动作跳闸后故障分析2零序电流保护 零序电流保护整定零序电流保护灵敏度校验 一次侧接入10kV及以下非有效接地系统中Yyno联结的变压器，对低压侧单相接地短路，可以选择在低压侧中性点回路装设零序电流保护。 3变压器的过负荷保护 对于400kVA及以上数台并列运行的变压器和作为其他负荷备用电源的单台运行变压器，根据实际可能出现过负荷情况，一般应装设过负荷保护。由于过负荷电流在大多数情况下是三相对称的，只需在一相中安装一个电流继电器即可构成过负荷保护装置。对经常有人值班的变电所，

30、过负荷保护作用于信号；在无经常值班人员的变电所，过负荷可动作于跳闸或切除部分负荷。四变压器的差动保护 （1）变压器差动保护的工作原理。 在变压器正常工作或保护区域外部发生短路故障时，电流互感器二次侧电流同时增加，流入继电器的动作电流也是为零，或仅为变压器一、二次侧的不平衡电流，不平衡电流小于继电器动作电流，故保护装置不动作。 当变压器差动保护范围内发生故障时，在单电源的情况下，流入继电器回路的电流，如图所示。此时继电器回路的电流大于其动作电流，保护装置动作，使QF1、QF2同时跳闸，切除变压器。（2） 变压器差动保护的不平衡电流 为了保证差动保护能正确动作，必须使其动作电流大于最大的不平衡电流

31、；另一方面，为了提高差动保护的灵敏度，在变压器正常运行或保护区外部短路时希望流入继电器的不平衡电流尽可能小。 1) 变压器一、二次绕组结线方式的不同而引起的不平衡电流2) 电流互感器的实际变比与计算变比不同而引起的不平衡电流 3) 变压器两侧电流互感器的型号不同而引起的不平衡电流 4) 有载调压变压器分接头的改变而引起的不平衡电流 5) 变压器励磁电流产生的不平衡电流 变压器差动保护中的不平衡电流包括:（3）变压器差动保护动作电流的一般整定原则 1) 躲过变压器外部故障时的最大不平衡电流 2) 躲过变压器的最大励磁电流 3) 躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流 = kkIop=kk ke

32、IN = kk（4 ）变压器差动保护的灵敏度校验ks= 式中 变压器区内端部故障时流经差动继电器的 最小差动电流所对应的一次侧故障电流；ks灵敏度，一般不应低于2。当按上述整定原则计算的动作电流不能满足灵敏度要求时，需要采用具有制动特性的差动继电器，在微机保护中还可以采用鉴别励磁涌流而构成的差动保护，这些内容将在本章最后一节中进行介绍。 第四节 低压配电系统的保护 1. 熔断器及其安秒特性曲线决定熔体熔断时间和通过其电流的关系曲线tf(I)称为熔断器熔体的安秒特性曲线 熔断器包括熔管和熔体 一、 熔断器保护 低压熔断器广泛应用于低压500V以下的电路中，作为电力线路、电动机及其他电器的过载及短路保护。2熔断器选择要求 选