第六章 工厂供电系统过电流保护

第六章工厂供电系统的过电流保护教学目的1．了解：过电流保护的任务和要求；低压断路器保护；常用的保护继电器；高压电动机的继电保护。2．理解并掌握：熔断器保护；工厂高压线路的继电保护；电力变压器的继电保护。重点工厂高压线路继电保护的过电流和速断整定、校验。难点电力变压器继电保护的过电流和速断整定、校验；高压电动机的继电保护。2/3/20231工厂供电第一节过电流保护的任务和要求一、过电流保护的类型和任务

为了保证工厂供电系统的安全运行，以防过负荷和短路引起的过电流对系统的影响，故在工厂供电系统中装有不同类型的过电流保护装置（over-currentprotector）。1．类型熔断器保护、低压断路器保护、继电保护。2/3/20232工厂供电（1）熔断器保护fuse-protection，适用于高低压供电系统。简单、经济、应用广泛，但断流能力小，选择性差，且熔体熔断后要进行更换，不能迅速恢复供电，故要求供电可靠性较高的场所不宜采用。（短路保护）（2）低压断路器保护low-voltagecircuit-breakerprotection，又称低压自动开关保护，适用于要求供电可靠性较高和操作灵活方便的低压供电系统。（还可欠压、失压动作）2/3/20233工厂供电⑶继电保护relayprotection，适于要求可靠性较高、操作灵活方便特别是自动化程度较高的高压供电系统中。（过负荷报警，短路时跳闸）2．任务（1）熔断器保护和低压断路器保护：过负荷和短路时切除故障，保证其他部分运行。（2）继电保护过负荷时，发出报警信号（不正常，音响、灯光等）；短路时，QF跳闸（故障时）。2/3/20234工厂供电二、对保护装置的基本要求1．选择性最靠近故障点的保护装置动作，切除故障，而其他部分仍能正常运行→“选择性动作”。近的拒动（不动作）→前一级动作（越级动作）→“失去选择性”。2．快速性尽快动作，切除故障。3．可靠性“不拒动、不误动”。2/3/20235工厂供电4．灵敏度（sensitivity）又称灵敏系数。：最小运行方式（Z↑，I↓，如双路的单路运行）时的最小短路电流（保护区末端）。：保护装置一次动作电流（动作电流换算到一次电路的值）。以上4点往往各有所侧重。T：灵敏度高，线路：选择性高。有时牺牲选择性保证速动性→尽快恢复某些重要负荷供电。2/3/20236工厂供电第二节熔断器保护一、熔断器在供电系统中的配置

符合选择性保护的原则→使故障范围缩小到最低限度；经济性→FU尽量少。

2/3/20237工厂供电教材P196图6-1熔断器在低压系统中的合理配置（见上页图）示例。放射式线路，FU5保护其后线路及M，若k-5，则FU5熔断，其他不熔断。

注意：低压系统中PE线和PEN线上不允许装设FU，以免PE线或PEN线因FU熔断而断路时，使所有接PE线或PEN线的设备外露可导电部分带电，危及人身安全。1．熔体额定电流应不小于线路的计算电流I30，以使熔体在线路正常时不致熔断，即：二、熔断器熔体电流的选择

（一）保护电力线路的FU熔体电流的选择2/3/20238工厂供电2．还应躲过线路的尖峰电流Ipk，即在线路出现正常尖峰电流（如M起动电流）时，熔体不致熔断，即：

K＜1，计算系数。（1）单台MK应根据FU的特性和电动机的起动情况决定。轻载起动：（起动时间＜3s），K=0.25~0.35；重载起动：（起动时间3~8s），K=0.35~0.5；起动时间超过8s或频繁起动、反接制动，

K=0.5~0.6。≥≥2/3/20239工厂供电（2）多台M的线路FU视容量最大的一台M的起动情况、线路Ipk与I30的比值及熔断器的特性而定，K=0.5~1。如果，可取K=1。规定：IN.FE＞IN（M），且其安秒特性曲线计及偏差后略高于电动机起动电流和起动时间的交点。当电动机频繁起动和制动时，IN·FE再加大1~2级。3．与被保护的线路相配合，使之不致发生因过负荷和短路引起绝缘导线或电缆过热起燃而熔体不熔断的事故，应满足：IN.FE≤KOLIal2/3/202310工厂供电KOL：绝缘导线和电缆的允许短时过负荷倍数。

Ial：允许载流量。（1）FU只作短路保护时明敷绝缘导线，KOL=1.5；穿管绝缘导线和电缆，KOL=2.5。（2）作过负荷保护、短路保护时长期过负荷的动力线，延燃外层，KOL=1；若IN·FE≤25A，取KOL=0.85；爆炸气体和粉尘区内线路，KOL=0.8。若按1、2选择的不满足3，则改选或↑。2/3/202311工厂供电（二）保护电力变压器的FU的选择教材P198表6-1。

IN.FE=（1.5~2.0）I1N.T

I1N.T：T一次绕组额定电流。上式考虑了三个因素：1．躲过T允许的正常过负荷电流，正常20~30％，事故下甚至更多。2．躲过来自低压侧的电动机自起动引起的Ipk。3．躲过T自身的励磁电流（即空载合闸电流，空载投入或者外部故障切除后突然恢复电压时所产生的一次电流）。（0.01s，Φmax（ish），8~10Φ1N.T）2/3/202312工厂供电（三）保护TV（PT）的FU的IN.FERN2型FU等，IN.FE=0.5A。（∵TV二次侧的负荷很小）三、熔断器保护灵敏度的校验保护区内发生短路故障时可靠地熔断。

教材P198表6-2。≥K

2/3/202313工厂供电Ik.min：FU保护线路末端在电力系统最小运行方式下的最小短路电流，对TN、TT系统为线路末端单相短路电流或单相接地故障电流，对IT系统为线路末端的两相短路电流，对保护降压T的高压FU来说为低压侧母线的两相短路电流折算到高压侧的值。四、FU的选择与校验１．选择（1）UN.FE≥UN（保护线路的额定电压）；（2）IN.FU≥IN.FE；（3）FU的类型要符合安装条件（户内、户外）及要求。2/3/202314工厂供电2．校验（断流能力）（1）对限流式FU，如RN1、RT0等，由于它能在短路电流达到冲击值之前完全熄灭电弧、切除短路故障，因此应满足：

IOC≥IOC：FU的最大分断电流。：FU安装地点的三相次暂态短路电流有效值，对∞系统：。（2）对非限流式FU，如RM0、RW4等，由于它不能在前切除短路故障，∴IOC≥（安装点的冲击电流有效值）。2/3/202315工厂供电（3）对具有断流能力上下限的熔断器，如RW4等:上限：≥下限：≤（IT系统两相短路电流）教材P199例6-1。五、前后熔断器之间的选择性配合要求：在线路发生故障时，靠近故障点的FU最先熔断，切除故障部分，而使系统的其他部分仍能正常运行。按保护特性曲线（安秒特性曲线）校验（±30~±50%）。教材P200图6-3。2/3/202316工厂供电=0.5t1＞=1.5t2，即t1＞3t2（前后熔断器保护选择性的条件）。若不满足这一要求，则IN.FE1（前级）↑（1~2）级，再校验，如不用特性曲线，则一般前一级FU的IN.FE1＞后一级的IN.FE22~3倍以上。教材P201例6-2。2/3/202317工厂供电第三节低压断路器保护一、低压QF在低压配电系统中的配置教材P201图6-3。2/3/202318工厂供电1．单台T高压侧有QS，低压侧单独装设低压断路器，6-3a。2．两台T的变电所，低压侧QF+QK（刀开关，相当于QS，隔离T与QF→检修），6-3b。3．低压配出线，QK+QF，6-3c。4．频繁操作的低压线路，低压QF（短路保护）+KM（频繁操作）+KH（热继电器，过负荷保护）。5．低压QF的断流能力不足以断开电路的短路电流，FU或QKF<短路保护>+低压QF<通断控制和过负荷保护>。我国现已生产低压QF与自复式组合电器，DZ10-100R等。2/3/202319工厂供电二、低压断路器脱扣器的选择和整定（一）低压QF过电流脱扣器（over-currentrelease）额定电流的选择

≥I30（二）动作电流的整定Iop1．瞬时过电流脱扣器动作电流的整定（躲过线路Ipk）

≥Krel：可靠系数（reliabilitycoefficient）。对动作时间在0.02s以上的万能式断路器（DW型），取1.35；对动作时间在0.02s以下的塑料外壳式断路器（DZ型），取2~2.5。2/3/202320工厂供电2．短延时（short-delay）过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定（躲过线路短时出现的负荷，Ipk）≥Krel：取1.2。动作时间分0.2s、0.4s、0.6s三级，前后差一级，差0.2s。3．长延时（long-delay）过电流脱扣器动作电流和动作时间的整定主要用于保护过负荷，∴躲过线路的最大负荷电流，即I30。≥Krel：取1.1。2/3/202321工厂供电动作时间应躲过允许过负荷的持续时间。反时限特性，即过负荷电流越大，其动作时间越短，一般1~2h。（三）过电流脱扣器与被保护线路的配合要求防止绝缘导线或电缆因过负荷或短路而过热起燃。Ial：绝缘导线和电缆的允许载流量。KOL：绝缘导线和电缆允许的短时过负荷倍数。对瞬时和短延时过电流脱扣器，一般取4.5；对长延时过电流脱扣器，可取1；对有爆炸性气体和粉尘区域内的线路，应取为0.8。≤2/3/202322工厂供电如果不满足以上配合要求，应改选Iop或A↑（导线和电缆）。1．热脱扣器的额定电流应不小于线路的计算电流，即：≥I302．热脱扣器动作电流的整定（用于过负荷保护）≥Krel·I30Krel：一般取1.1，但宜通过实际运行试验进行检验。（三）低压断路器热脱扣器的选择和整定2/3/202323工厂供电三、低压断路器过电流保护灵敏度的校验保证低压QF的瞬时或短延时过电流脱扣器在电力系统最小运行方式下在其保护取内发生最轻微的短路故障时能可靠地动作：

Iop：瞬时或短延时过电流脱扣器的动作电流（Iop(o)，Iop(s)）。：低压QF所保护线路末端在系统最小运行方式下的单相短路电流（对TN和TT系统）或两相短路电流（对IT系统）。

≥K

2/3/202324工厂供电

K：灵敏度最小值，取1.3。四、低压QF的选择与校验1．选择（1）低压断路器的额定电压≥保护线路的额定电压UN；（2）低压断路器的额定电流≥脱扣器的额定电流；（3）低压断路器的类型符合安装条件、保护性能及操作方式（同时选择操作机构型式）。2/3/202325工厂供电2．校验（1）动作时间在0.02s以上的万能式QF（DW型），其极限分断电流IOC应不小于通过的最大三相短路电路周期分量有效值，即：

IOC≥

（2）动作时间在0.02s以下的塑壳式QF（DZ型）IOC≥或iOC≥教材P203例6-3，应增加选择Iop(s)、Iop(l)等。2/3/202326工厂供电五、前后低压QF之间及低压QF与FU之间的选择性配合（一）前后低压QF之间的选择性配合偏差范围：±20%~±30%。（保护特性曲线）前一级负偏差＞后一级正偏差，即：对非常重要的负荷，允许前后保护电器之间无选择性动作。一般有选择性动作，前一级QF宜采用短延时的过电流脱扣器，后一级则采用瞬时过电流脱扣器，2/3/202327工厂供电而动作电流也是前一级＞后一级，至少≥1.2倍，即Iop.1≥Iop.2。（二）低压QF与FU之间的配合保护特性曲线。前一级低压断路器QF按曲线的-30%~-20%的负偏差考虑，后一级FU可按厂家提供的保护特性曲线的+30%~+50%的正偏差考虑。两曲线之间的间距越大，动作选择性越有保证。2/3/202328工厂供电第四节常用的保护继电器一、概述1．继电器Relay，是一种在其输入的物理量（电量或非电量）达到规定值时，其电器输出电路被接通（导通）或分断（阻断、关断）的自动电器。2．分类按输入量性质分：电气继电器和非电气继电器；按用途分：控制继电器（用于自动控制电路中）和保护继电器（用于继电保护电路中）。2/3/202329工厂供电过电流保护框图KA—电流继电器；KT—时间继电器；KS—信号继电器；KM—中间继电器

2/3/202330工厂供电二、电磁式电流继电器（DL）

均为起动元件，属测量继电器。继电器的动作电流：过电流继电器中的使继电器动作的最小电流，称为继电器的动作电流（opera-tingcurrent），用（Iop）表示。继电器返回电流：过电流继电器中的使继电器由动作状态返回到起始位置的最大电流，称为继电器返回电流（returningcurrent），Ire。继电器返回电流与动作电流的比值，称为继电器的返回系数（returningratio），Kre

。2/3/202331工厂供电三、电磁式时间继电器（DS）

文字符号KT，如教材P208图6-7、8。

DS-110：直流，DS-120：交流。

四、电磁式信号继电器（DX）

文字符号KS教材P209图6-9、10。

电流型：串联在二次回路内；

电压型：并联在二次回路上使用。

五、电磁式中间继电器（DZ）

文字符合KM。辅助继电器（auxiliaryrelay），写为KM时，接触器为K。教材P210图6-11、12，快吸快放的电磁式中间继电器。一般0.8，越→1越灵敏，过低误动作。2/3/202332工厂供电六、感应式电流继电器（GL）1-线圈，2-电磁铁，3-短路环，4-铝盘，5-钢片，6-铝框架，7-调节弹簧，8-制动永久磁铁，9-扇形齿轮，10-蜗杆，11-扁杆，12-继电器触点，13-时限调节螺杆，14-速断电流调节螺钉，15-衔铁，16-动作电流调节插销。2/3/202333工厂供电工厂供电系统中，广泛采用GL作过电流保护兼电流速断保护，∵GL有上述DL、DS、DX、KM的功能，大大简化继电保护装置。交流操作，投资↓。感应元件：“反时限”。

电磁元件：“速断”。教材P212图6-15，反时限和速断特性。

速断电流倍数：。

感应式电流继电器的这种有一定限度的反时限动作特性，称为“有限反时限特性”。2/3/202334工厂供电教材P213图6-17，“先合后断转换触点”。a）正常位置b）动作后常开触点先闭合c）接着常闭触点断开2/3/202335工厂供电第五节工厂高压线路的继电保护一、概述GB50062-1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定：3~66kV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。一般工业高压线路不长，容量不是很大，其继电保护装置通常比较简单。相间短路保护：带时限的过电路保护（定时限、反时限）；瞬时动作的电流速断保护。2/3/202336工厂供电当过电流保护的动作时限≤0.5~0.7s时，可不装设速断保护。相间短路保护动作于QF的跳闸机构，使QF跳闸，切除短路故障部分。

单相接地保护：

绝缘监视装置，装在变电所高压母线上→信号。有选择性的单相接地保护（又称零序电流保护）→信号，严重时跳闸。

过负荷保护：对于可能经常过负荷的电缆线路，→信号。2/3/202337工厂供电二、继电保护装置的接线方式

两相两继电器式：教材P213图6-18。Kw=1。

2/3/202338工厂供电两相一继电器式（两相电流差接线）：教材P214图6-19，正常和，Kw=；AC相短路，2；AB、BC相短路，1。2/3/202339工厂供电三、继电保护装置的操作方式

操作电源：直流操作电源、交流操作电源（应用广泛）。交流电源供电的继电保护装置有三种操作方式：1．直接动作式教材P215图6-21，YR，灵敏度低，少用。

2/3/202340工厂供电2．中间电流互感器供电方式TAM→YR，速饱和铁心：①短路时限制通过YR的电流，7-12A；②减小TA1、TA2的二次负荷阻抗。Sp↓，被下边的方式代替。

2/3/202341工厂供电3．“去分流跳闸”的操作方式正常时：KA的常闭触点将YR短路分流，QF不会跳闸。短路时：KA动作，NC→O，“去分流”，QF“去分流跳闸”。应用广泛。“先合后断转换触点”，教材P213图6-17。2/3/202342工厂供电四、带时限的过电流保护按动作时限特性分：定时限过电流保护：动作时间固定，与故障电流大小无关。反时限过电路保护：动作时间与故障电流成反比，“反比延时特性”。（一）定时限过电流保护装置的组成和原理

教材P216图6-23，接线图展开图。起动元件、时限元件、信号元件、出口元件（参看P205图6-4）。2/3/202343工厂供电原理：当一次电路发生短路时，KA动作→KT延时动作，→KS信号（灯光、音响）→KM→YR→QF跳闸→QF跳闸后切除短路，除KS手动复位外，其他继电器自动返回起始状态。2/3/202344工厂供电（二）反时限过电流保护装置的组成和原理

GL15/25型电流继电器组成，教材P217图6-24，接线图和展开图。图b）常开触点（KA）与YR串联，防止误动作（NC振动）。*常开触点先闭合，常闭触点后断开的“先合后断转换触点”。否则：①TA二次次开路（危险）；②不起保护作用。2/3/202345工厂供电定时限反时限2/3/202346工厂供电（三）过电流保护动作电流的整定

带时限的过电流保护的动作电流（定、反时限），应躲过线路最大负荷电流（正常过负荷电流和尖峰电流），以免保护误动作，Ire也应躲过。如教材P217图6-25，选择性，t1＞t2，躲过。2/3/202347工厂供电反时限过电流保护的时限整定说明

电路定时限过电流保护的时限整定说明2/3/202348工厂供电Krel：可靠系数，DL：1.2，GL：1.3。Kw：两相两继电器式，1；两相一继电器式（；2；1）。：（1.5~3）I30，一般取2倍。脱扣器YR的动作电流，。→整定2/3/202349工厂供电（四）过电流保护动作时间的整定

动作时间“阶梯原则”整定，前后两级的选择性。Δt=Δt1（t1负偏差）+Δt2（t2正偏差）+Δt3（GL惯性误差）+Δt4（保险，0.1~0.15s）。

Δt：定时限0.5s，反时限0.7s。

整定计算步骤：教材P219图6-26（反时限），已知t2，求t1。2/3/202350工厂供电（五）过电流保护的灵敏度

由

所以，。

若过电流保护为后备保护，≥1.2。若过电流保护不满足要求，则采用低电压闭锁保护来提高其灵敏度。最小运行方式下。≥2/3/202351工厂供电（六）提高过电流保护的措施

低电压闭锁，教材P228图6-27。欠电压继电器。正常时，KV动作，NC→OUmin（），NC→C

Umin：0.85~0.95UN；Krel：1.2；Kre：1.25；Ku：TV的变比。Iop↓∝I30，∴Sp↓2/3/202352工厂供电（七）定时限过电流保护与反时限过电流保护的比较

定时限过电流保护：优点是动作时间比较精确，整定简单，与短路电流大小无关，不会出现短路电流小动作时间长而延长故障时间的问题。缺点是所需继电器多，接线复杂。反时限过电流保护：优点是继电器数量大为减少，可同时实现电流速断保护，加之交流操作，简单、经济、投资↓。缺点是动作时间整定比较麻烦，误差大，当Ik小→t↑。教材P221例6-4，。2/3/202353工厂供电五、过电流速断保护上述带时限的过电流保护明显的一个缺点就是越靠近电源，线路的过电流保护动作时间越长，而短路近电源，Ik↑，危害大。∴在过电流保护t＞0.5~0.7s时，装设电流速断保护。（一）电流速断保护的组成及Iqb整定教材P222图6-29，GL。

Iqb躲过保护线路末端的最大短路电流Ik.max。

2/3/202354工厂供电无Kre，∵速断。

Krel：DL：1.2~1.3，GL：1.4~1.5，YR：1.8~2。（二）电流速断保护的“死区”及弥补速断保护不能保护线路的全长，∴“死区”。弥补：配备带时限的过电路保护，“阶梯原则”Δt=0.5~0.7s。在电流的速断保护区内，速断保护作主保护，过电流保护作后备保护，在电流速断保护区外（死区），过电路保护作基本保护。（三）电流速断保护的灵敏度2/3/202355工厂供电六、有选择性的单相接地保护：安装处（首端）在最小方式的两相短路电流，。教材P224例6-5，（6-4、6-5结合）。在小接地电流的系统中，若发生单相接地故障时，只有很小的接地电容电流，而相间电压不变，因此可暂时继续运行。但是，由于非故障相的对地电压要升高为原来对地电压的倍，对线路绝缘是一种威胁，如果长期下去，可能引起非故障相的对≥2/3/202356工厂供电地绝缘击穿而导致两相接地短路。在发生单相接地故障时，必须通过无选择性的绝缘监视装置或有选择性的单相接地保护装置，发出报警信号，以便运行值班人员及时发现和处理。

单相接地保护又称零序电流保护，它利用单相接地所产生的零序电流使保护装置动作。当单相接地危及人身和设备安全时，则动作于跳闸,如右图所示。单相接地保护的零序电流互感器的结构和接线

2/3/202357工厂供电必须强调：电缆头的接地线必须穿过零序电流互感器的铁心，否则接地保护装置不起作用,如左图所示。

2/3/202358工厂供电

Krel：4~5，不带时限；1.5~2，带时限。t＞相间短路保护一个Δt，选择性。末端发生单相接地故障时的不平衡电流作为最小故障电流来校验。2/3/202359工厂供电七、线路的过负荷保护教材P229图6-33。对可能经常出现过负荷的电缆线路装设→信号。动作时间一般取10~15s。TA—电流继电器KA—电流互感器KT—时间继电器KS—信号继电器

2/3/202360工厂供电第六节电力变压器的继电保护一、概述GB50062-1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定，规定，下列故障及异常运行方式应装设相应的保护装置：①绕组及其引出线的相间短路和中性点直接接地侧的单相接地短路；②绕组的匝间短路；③外部相间短路引起的过电流；④中性点直接接地电力网中外部接地短路引起的过电流及中性点过电压；2/3/202361工厂供电⑤过负荷；⑥变压器温度升高或油箱压力升高或冷却系统故障。6~10kV车间变电所（STS）的主变压器T高压侧通常装设：①带时限的过电流保护；②电流速断保护（带时限的t＞0.5~0.7s时）；③800kV·A及以上油浸式T和400kV·A及以上车间内油浸式T，瓦斯保护（气体继电保护）；④过负荷保护。2/3/202362工厂供电高压侧为35kV及以上的工厂总降压变电所主T：过电流保护、电流速断保护、瓦斯保护，10000kV·A及以上或并列的6300kV·A及以上纵联差动保护取代电流速断保护。二、T低压侧短路时换算到高压侧的穿越电流值

Yyn0，Dyn11，教材P228表6-5。三、T低压侧的单相短路保护1．低压QF→低压开关，相间和单相短路，应用最广。2．低压FU，不重要负荷的T。2/3/202363工厂供电3．中性点引出线装设零序电流保护，教材P230图6-36。Krel：1.3；

Kdsq：不平衡系数，0.25；

Ki：TAN变比；

I2N。T：T二次侧额定电流；动作时间0.5~0.7s。灵敏度按低压干线末端发生单相短路来校验，对架空线Sp≥1.5；对电缆线Sp≥1.25。灵敏度高，投资大。2/3/202364工厂供电四、变压器的过电流保护、电流速断保护、过负荷保护

装在T的一次侧。（一）过电流保护

与线路的整定公式基本相同。

Krel：DL，1.2；GL，1.3；

IL.max=（1.5~3）I1N.T，一般取2倍。→再整定。4．两相三继电器接线或三相三继电器接线的过电流保护，教材P231图6-372/3/202365工厂供电：折算，二次侧的→一次侧，穿越电流。若不满足，应采用低电压闭锁的过电流保护。（二）T的电流速断保护躲过末端*折算：二次→一次。

t1=t2+Δt，对于STS：t=0.5s。≥2/3/202366工厂供电*：一次侧最小运行方式下的k(2)，不折算。“死区”→配置带时限的过电流保护弥补。T空载试投若干次校验速断保护。

（三）过负荷保护

≥2/3/202367工厂供电I1N·T：T的一次侧的额定电流。教材P232，例6-6。

五、变压器的差动保护纵联差动保护：用于单回路。横联差动保护：用于双回路。主要用来保护T内部以及引出线和绝缘套管的相间短路，并且也可用来保护T的匝间短路，保护区为T的一、二次侧所装电流互感器之间。Iop(d)、Sp。2/3/202368工厂供电六、变压器的瓦斯保护a)正常状态b)轻瓦斯动作c)重瓦斯动作d)严重漏油时

2/3/202369工厂供电第七节高压电动机的继电保护一、概述规定：3kV及以上的异步电动机和同步电动机在下列故障及异常方式应装设相应的保护装置：①定子绕组相间短路②定子绕组单相接地；③定子绕组低电压；