泵站计算机技术-继电保护

泵站计算机综合自动化技术武汉大学黎文安2/6/20231前言

在上世纪70年代，我国大规模的新建了各种规模的泵站。但三十多年来，这些泵站的设备一直未得到很好的更新改造。尤其是在电子技术、通信技术、计算机技术、控制技术飞速发展的时期，泵站的自动化技术一直未能随着世界先进技术的发展而发展，而是出于严重滞后的状态。直到2000年以后，泵站的改造工作才大面积展开，这其中就包括泵站自动化设备的投入和改造。

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由于几十年来，我国的泵站基本上谈不上自动化，所以这方面的人才匮乏，与之相应的技术资料和培训资料也极其稀少。鉴于目前的现状和水利行业对泵站自动化培训的迫切需要，我们组织相关人员编写了这本培训教材。

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泵站自动化技术涉及的知识面很广，它包含了电气技术、电子技术、计算机技术、自动控制技术、通信技术、泵站调度运行等多个方面，具体内容有：电气回路、电气控制、传感器技术、数据采集、计算机控制、微机保护、防雷与接地、PLC系统、智能仪表、软件系统、直流系统、励磁系统等。

2/6/20234什么是自动化

机器或装置在无人干预的情况下按规定的程序或指令自动进行操作或控制的过程，其目标是“稳，准，快”。自动化技术广泛用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、商业、医疗、服务和家庭等方面。采用自动化技术不仅可以把人从繁重的体力劳动、部分脑力劳动以及恶劣、危险的工作环境中解放出来，而且能扩展人的器官功能，极大地提高劳动生产率，增强人类认识世界和改造世界的能力。因此，自动化是工业、农业、国防和科学技术现代化的重要条件和显著标志。2/6/20235自动化（Automation）是指工具或生产过程不依赖或少量依赖人的干预而主要依靠预设指令和程序自动完成工作的过程。2/6/20236

采用具有自动控制，能自动调节、检测、加工的机器设备、仪表，按规定的程序或指令自动进行作业的技术措施。其目的在于增加产量、提高质量、降低成本和劳动强度、保障生产安全等。自动化程度已成为衡量现代国家科学技术和经济发展水平的重要标志之一。2/6/20237自动化是一门涉及学科较多、应用广泛的综合性科学技术。作为一个系统工程，它由5个单元组成：①程序单元。决定做什么和如何做。②作用单元。施加能量和定位。③传感单元。检测过程的性能和状态。

④制定单元。对传感单元送来的信息进行比较，制定和发出指令信号。⑤控制单元。进行制定并调节作用单元的机构。2/6/20238泵站综合自动化的任务测量控制保护优化运行信号传输远程调度2/6/20239学习内容计算机技术——工业控制机（IPC）

数据采集数据通信

I/OPLCPLC基础

PLC体系结构常用PLC——三菱、施耐德2/6/202310继电保护继电保护基本概念互感器、继电器电流保护变压器保护微机保护2/6/202311励磁结构工作原理直流防雷与过电压保护基本概念一次防雷二次防雷2/6/202312传感器传感器基本知识泵站常用传感器计算机软件工业控制软件基本知识组态软件2/6/202313第19章

继电保护基础

继电保护概述互感器继电器过电流保护

变压器保护零序保护2/6/20231419.1继电保护概述继电保护装置（relayprotectordecvice）——是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并发出使断路器跳闸的命令或指示信号的一种自动装置。2/6/20231519.1.1继电保护装置的任务

1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除。2）当电气元件不正常运行时，保护装置迅速发出预告信号、减负荷或跳闸。

2/6/20231619.1.2对继电保护的基本要求

1）选择性——故障发生以后，保护装置使离故障点最近的断路器跳闸。2）速动性——迅速将故障切除。快速保护的动作时间为：0.08″~0.12″最快的为：0.02″~0.04″断路器的动作时间为：0.1″~0.15″最快的可达：0.05″~0.06″故障切除时间=保护动作时间+断路器动作时间3）灵敏性——在保护范围内，无论短路的位置和形式怎样，保护装置都能敏捷而正确地反应。用灵敏系数Km表示（或Klm）。4）可靠性——在保护范围以内发生故障时，保护装置不应该拒动或误动。

2/6/20231719.1.3继电保护原理的一般概念

（1）Id↗>IF——过电流保护（2）Ud↘<UF——低电压保护（3）Zd<ZF——阻抗保护（距离保护）（4）UI的方向变化——电流方向保护（5）分量的变化——零序保护、负序保护继电保护就是由这些参数的变化而引出的不同原理进行设计的。保护装置的主要元件是继电器。

2/6/20231819.1.4继电器的类型（1）按反应的电量分：

LJ、YJ、ZKJ、GJ（2）按作用的原理分：电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型、计算机保护（数字型）

2/6/20231919.1.5继电保护的分类

泵站供电系统发生故障时会引起电流增大、电压降低以及电流与电压相位的变化等，因此，绝大多数的保护装置都是以反应这些物理量变化为基础，利用正常运行与故障时各物理量的差别来实现。

2/6/202320(1)按被保护的对象分类。输电线路保护、变压器保护、电动机保护、母线保护、电容器保护等。(2)按保护原理分类。根据所反应物理量不同，可构成不同类型的保护。例如，反应电流量变化的为电流保护，反应电压量变化的为电压保护，既反应电流又反应相角改变的为过电流方向保护等。此外还有距离保护、差动保护、零序保护等。

2/6/202321(3)按保护所反应故障类型分类。有相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等。(4)按继电保护装置的实现技术或根据保护所采用的继电器分类。有机电型保护(如电磁型保护和感应型保护)、整流型保护及微机型保护等。随着计算机技术的飞速发展，目前微机保护在大中型泵站电气保护中得到广泛的应用。

2/6/20232219.1.6继电保护技术发展动向与趋势

继电保护技术是随着电力系统和大型电力装置的发展而兴起，并与现代科学技术、特别是微电子学、计算机技术、自动控制理论密切相关的一门科学，现代电力系统对保护、控制功能特性的要求不断提高，更加促进了它的发展。集成化数字化利用光导纤维作为信息通道微型计算机保护技术

2/6/202323微机继电保护的发展趋势一、高速数据处理芯片的应用微机保护的巨大优越性不容置疑，并已被普遍接受。随着计算机硬件的迅猛发展，微机保护硬件也在不断发展。我国的微机保护装置硬件设计经历了从8位微处理器、16位微处理器到32位微处理器的几个发展阶段。为提高微机保护的抗干扰能力，提出了总线不出板、总线不出芯片的设计思想。

2/6/202324电力系统对微机保护的要求不断提高。除了保护的基本功能外，还要求大容量故障信息和数据的长期存放空间、快速的数据处理功能、强大的通信能力、与其他保护或控制装置和调度联网以共享全系统数据、信息和网络资源的能力，高级语言的编程等。目前，国外和国内已研制出以32位数字信号处理器为硬件基础的保护、控制、测量、一体化的微机保护综合控制装置。

2/6/202325二、微机保护的网络化

为了适应变电站自动化的要求，微机保护的对外通信能力不断地加强，从现场总线到嵌人式以太网的应用，网络技术的发展已跨越了几个阶段。变电站内分布式网络结构的设计，网络可靠性和性能的不断提高，以及方便灵活、扩展性强的网络特点，使微机保护内部网络化的潜在优势日益明显，使网络化硬件设计的思想开始深入到保护装置内部。

2/6/202326三、保护、控制、测量、数据通信一体化

保护装置实际上就是一台高性能、多功能的计算机，是电力系统计算机网络上的智能终端。它可以从电力网上获取电力系统运行、故障的任何信息和数据，也可将所获得的被保护信息和数据传送给网络中心或任一终端。因此每个微机保护装置不仅可以完成继电保护功能，而且在无故障运行情况下还可以完成测量、控制、数据通信的功能，亦即实现保护、控制、测量、数据通信一体化。

2/6/202327四、继电保护的智能化

2/6/20232819.2互感器

互感器分为电压互感器和电流互感器，它的主要用途是：(1)将二次回路与一次回路隔离，以保证操作人员和二次设备的安全。(2)将被测量或被保护组件的运行工况参数，变换成统一的标准值，以减少测量仪表和继电器的规格品种，使仪表和继电器标准化。为了人身和设备的安全，互感器的副线圈都应接地，可以防止当互感器绝缘损坏时，在仪表和继电器上出现危险的高电压。

2/6/20232919.2.1电压互感器

2/6/202330示意图2/6/202331电压互感器的型式2/6/202332一、原理及结构形式电压互感器(TV)是隔离高电压，供继电保护、自动装置和测量仪表获取一次电压信息的传感器，是一种特殊型式的变换器。

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电压互感器按结构形式分为电磁式电压互感器、电容式电压互感器、光电式互感器。1)电磁式电压互感器。(1)优点：结构简单，暂态响应特性较好．

(2)缺点：因铁芯的非线性特性，容易产生铁磁谐振，引起测量不准确和造成电压互感器的损坏。

2/6/2023342)电容式电压互感器(CVT)。

(1)优点：没有谐振问题，装在线路上时可以兼作高频信道的结合电容器。(2)缺点：暂态响应特性较电磁式差。

2/6/202335电容式电压互感器原理接线C1-高压电容；C2-中压电容；T-中间变压器ZD-阻尼器；L-补偿电抗器；F-氧化锌避雷器；Ll-排流线圈；P-保护间隙；S-接地开关

2/6/202336(3)光电式互感器。无饱和，高精度，线性度好，体积小，重量轻，可靠性、安全性高等。光电互感器的采集器单元(包括电流电压传输变换和信号处理等)与电力设备的高电压部分等电位，高低压之间全部使用光纤连接，将一次电流电压转变为小电压信号，就地转换为数字量，通过光纤传输给保护、测量和监控等设备使用。

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二、电压互感器的变比及误差

以电磁式电压互感器为例分析电压互感器变比及误差。电磁感应式电压互感器的结构原理、接线和工作特性与变压器相似，主要区别在于互感器容量很小。

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电压互感器的额定变比，就是一次、二次额定电压之比。即

2/6/202339

电压误差为副边测量电压所求得的数值(U2Ku)与原边实际电压值(U1)的差，与原边实际电压U1之比的百分值表示,即

角误差是指电压互感器一次电压向量与反向二次电压向量之间的夹角。

2/6/202340

电压互感器的误差与其励磁电流、二次负荷、功率因数以及电压波形有关。对于测量用电压互感器的标准准确度级有：O.1、O.2、0.5、1.O、3.0五个等级，继电保护用电压互感器的标准准确度级有3P和6P两个等级。

2/6/202341测量用电压互感器的标准准确度级2/6/202342保护用电压互感器的标准准确度级2/6/202343三、电压互感器的接线图

最常用的接线——星形接线2/6/2023442/6/2023452/6/2023462/6/20234719.2.2电流互感器

电流互感器作用就是把大电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值，以便用仪表直接测量，并作为各种继电保护的信号源。由于其一次、二次绕组之间有足够的绝缘，从而保证所有低压设备与高电压相隔离。电流互感器二次绕组必须与仪表、继电器的电流绕组串联。

2/6/202348电流互感器的结构原理普通电流互感器原理结构图2/6/202349穿心式电流互感器原理结构图穿心式电流互感器原理结构图2/6/202350多抽头电流互感器原理图2/6/202351不同变比电流互感器原理图2/6/2023522/6/2023532/6/2023542/6/2023552/6/2023562/6/202357

一、电流互感的特点

(1)由于接在电流互感器二次侧的仪表和继电器电流绕组的阻抗很小，因此电流互感器正常运行时相当于二次绕组处于短路状态的变压器。(2)电流互感器的一次绕组串联在电路中，匝数很少，因此电流互感器一次绕组中的电流取决于主电路中的负荷电流，与电流互感器的二次负荷无关。(3)电流互感器在运行中不容许二次侧开路。

2/6/202358二、电流互感的接线方式1）三相星形接线

III。+2/6/202359三个电流互感器二次线圈同名端接成星形三个电流继电器亦接成星形两个星形的中性点利用中性线连到一起

在星形接线中，通过继电器的电流就是电流互感器二次侧的电流。接线系数——流过电流继电器线圈的电流与电流互感器二次电流的比值。用Kjx表示。在三相星形接线中，Kjx=1.0

2/6/202360按三相星形接线方式，保护装置可以反应各种类型的短路故障（三相短路、两相短路和单相接地短路）。它的缺点是费用较高（需要三个互感器、三个继电器、四根连接导线）。必须指出，这种接线方式必须有中性线。

2/6/202361如果没有中性线，当保护范围内发生单相接地短路时（例如B相），故障相的二次电流没有正常通路，只得通过A、C相电流互感器二次线圈流回。由于电流互感器二次线圈本身的阻抗很大，所以B相电流互感器将会达到不能容许的过负荷。

如果有中性线，则B相电流将只流过故障一相的继电器与中性线相成回路。

2/6/2023622）二相星形（不完全星形）接线

II+2/6/202363在正常及三相短路时，中性线中通过电流，也就是说，这时中性线中电流在数值上就等于B相电流Ib。这种接线方式的接线系数两个电流互感器一般装设在A相及C相上。

缺点：在未装电流互感器的中间相发生单相接地时，故障电流不流经电流互感器和继电器，因而保护不动作。

2/6/20236419.3继电器继电保护要借助于其内部各个继电器去完成预定的任务，继电器是继电保护的基本组件。

继电器是一种电子控制器件，它具有控制系统(又称输入回路)和被控制系统(又称输出回路)，通常应用于自动控制电路中，它实际上是用较小的电流去控制较大电流的一种“自动开关”。

2/6/202365继电器是一种能根据某物理量的变化而自动动作的电器，当控制它的物理量达到一定数值时，它能使被控制的物理量发生突然变化，在电路中起着自动调节、安全保护、转换电路等作用。

2/6/20236619.3.1继电器(relay)的工作原理和特性

继电器是一种当输入量(如电压、电流、温度等)达到规定值时，使被控制的输出电路导通或断开的电器。

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继电器种类很多，总体看，根据继电器所反应物理量的种类不同，可分为电气量(如电流、电压、频率、阻抗、功率等)继电器及非电气量(如瓦斯、温度、转速、压力等)继电器两大类。继电器具有动作快、工作稳定、使用寿命长、体积小等优点，广泛应用于电力保护、自动化、运动、遥控、测量和通信等装置中。

2/6/20236819.3.2电磁式继电器的工作原理和特性

2/6/202369一、动作原理

继电器的主要组成部分：①铁心②衔铁③线圈④接点（动接点、固定接点）⑤反作用弹簧⑥止档

2/6/202370

式中：K1、K2——比例常数2/6/202371二、继电特性

当Ij<Idz时→继电器根本不动作当Ij》Idz时→继电器突然迅速动作当电流减小到Ij《Ifh时，→继电器立即突然的返回原位。

2/6/202372无论起动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置，这种特性称为“继电特性”。

2/6/202373返回系数——返回电流与起动电流的比值。

kfh——返回系数。kfh<1

2/6/202374IjU出IjU出＋－2/6/20237519.4电流保护

电流保护是反应与电流上升的保护。2/6/20237619.4.1过电流保护

~lt1tt3t2ΔtΔtd3d2d12/6/202377一、动作原理及时限特性

阶梯型时限特性

一个很重要的缺点：愈靠近电源处短路时，切除故障的时间愈长

2/6/202378二、过电流保护的组成

DLCTILJSJXJt信号+++2/6/202379LH——电流互感器，把大电流变成小电流起动元件——LJ延时元件——时间继电器，建立一定延时信号元件——给出信号

2/6/202380三、过电流保护的整定及检验

整定：LJ的动作值应定为多少？检验：Km（灵敏度）动作值的整定原则：（1）在正常情况下，保护应不动作，即躲开最大负荷电流。（2）故障切除后，上一级保护应能可靠返回。

2/6/202381所以

（注：用大写字母表示没有通过电流互感器变化的电流）

2/6/202382LJ不能返回U出IfhIdzIFmaxU出IFHIDZIFmaxLJ能返回

IFH>FFmax

2/6/202383灵敏性的校验

对于反应于数值上升而动作的过量保护装置，灵敏度的含义是：（或用Km表示）

2/6/202384

式中：故障参数（如电流、电压、阻抗等）的计算值，应根据实际情况合理地采用最不利于保护动作的系统运行方式和故障类型来选定，但不必考虑可能性很小的特殊情况。

2/6/202385对于电流保护而言

主保护，一般Km=1.5后备保护，一般Km=1.25

2/6/202386式中：——最小运行方式下保护范围末端的两相短路电流。

最小运行方式是指：（1）系统容量最小；（2）并联变压器最少；（3）保护范围在末端短路——阻抗最大；（4）两相短路。

2/6/202387优点：简单可靠缺点：（1）动作时间长；（2）灵敏度低（低）。所以，这种保护一般用于低于（3万伏以下）

2/6/20238819.4.2电流速断保护

仅反应于电流增大而瞬间动作的电流保护。电流速断保护与过电流保护的区别在于动作电流是按躲过被保护线路末端最大短路电流整定的，使保护装置在本线路以外发生短路时不动作，因而在时限上无须再与下一级线路相配合。

2/6/202389电流速断保护动作特性的分析

~A21BClIdDd-1d-2d-4最大运行方式ⅠⅡd-3最小运行方式2/6/202390保护2为例：d—1点短路时——保护2应瞬间动作；d—2点短路时——保护2不应动作，而保护1应瞬间动作。但实际上，d—1点和d—2点短路时，从保护2安装处所流过的短路电流的数值几乎是一样的，因此，希望d—1点短路时速断保护2动作，而d—2点短路时又不动作的要求就不可能同时得到满足。同理，保护1也无法区别d—3点和d—4点的短路。

2/6/202391解决的办法：（1）优先保证动作的选择性。（2）当快速切除故障是首要条件时，就采用无选择性的速断保护。以下只讲有选择性的电流速断保护。

2/6/202392三相短路电流为：式中：——系统等效电源的相电势；

Zd——短路点至保护安装处之间的阻抗；

Zs——保护安装处到系统等效电源之间的阻抗。由上式可绘出的变化曲线

2/6/202393整定计算原则：对保护1来讲，其起动电流必须整定得大于d-4点短路时，可能出现的最大短路电流，即在最大运行方式下变电所C母线上三相短路时的电流，即：

引入可靠系数，KK′=1.2～1.3，则上式即可写为

对保护2来讲

2/6/202394灵敏性：用保护范围的大小来衡量，此保护范围通常用线路全长的百分数来表示。当系统为最大运行方式时，电流速断保护的范围最大，当出现其它运行方式或两相短路时，速断保护范围都要减小，当出现系统最小运行方式下的两相短路时，电流速断的保护范围最小。

2/6/202395电流速断保护的单相原理接线

DLCTILJZJXJ中间继电器信号＋－＋＋2/6/202396中间继电器的作用：（1）电流继电器的触点容量较小，不能只接接通断路器的跳闸线圈，故应先起动中间继电器，然后再由中间继电器的触点（容量大）去跳闸。（2）当线路上装有管型避雷器时，利用中间继电器来增大保护装置的固有动作时间，以防止管型避雷器放电时引起速断保护误动作。2/6/202397优点：简单可靠、动作迅速缺点：（1）不能保护线路的全长；（2）保护范围直接受系统运行方式的影响。

2/6/202398系统运行方式变化对电流速断保护的影响

~A12LIdI′dz.2最大运行方式最小运行方式ⅡⅠ2/6/20239919.4.3限时电流速断保护电流速断保护因照顾了选择性，而使其不能保护本线路的全长。因此，须考虑增设第二套电流速断保护，其保护范围要包括线路全长，甚至要延伸到下一线路的一部分。为了保证选择性，第二套速断必须带有一定的时限，以便和下段线路无时限电流速断相配合，这个带短延时（short-delay）的电流速断，即为延时电流速断保护（即限时电流速断保护）。

2/6/2023100一、整定计算

为了让限时速断的动作时限尽量缩短，它的保护范围应不超过下一条线路速断保护的范围，而动作时限则比下一条线路的速断保护高出一个时间阶段（以△t表示）。

2/6/2023101~A21BCB/B//AA/A//LI＇dz.A′IdI＂da.AI＂da.BM2/6/2023102设保护B装有电流速断，其起动电流为，保护A的限时电流速断不应超出保护B的电流速断的范围，因此在单侧电源供电的情况下，它的起动电流应整定为：引入可靠系数：一般取2/6/2023103二、动作时限的选择

式中：△t=0.35~0.6秒，通常取△t=0.5秒。

~ABCDLttA/ΔtΔttA//tB//tB/2/6/2023104三、灵敏性的校验

为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护必须在系统最小运行方式下，线路末端发生两相短路时，具有足够的反应能力。对于保护A的限时速断而言，应采用系统最小运行方式下线路A-B末端发生两相短路时的短路电流作为故障的计算值来检验灵敏性，设B的两相短路电流值为，则

要求：Km》1.3~1.5

2/6/2023105四、限时电流速断保护的单相原理接线

DLCTtI＋信号＋＋－2/6/202310619.4.4三段式电流保护电流速断、限时电流速断和过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护装置。它们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择起动电流。即：速断和限时速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。

2/6/2023107由于电流速断不能保护线路全长，限时电流速断全能保护线路全长，但不能作为下段线路的后备保护，因此，还必须采用过电流保护作为本线路和下段线路的后备保护。

2/6/2023108

由电流速断、限时电流速断和过电流保护相配合构成的一套保护，叫做三段式电流保护。它可以保证有选择地快速切除线路上短路故障。

2/6/2023109一、接线图具有电流速断、限时电流速断和过电流保护的单相原理接线图

DLLHI1信号+I2I3t1t2信号信号++++++++－－－2/6/2023110二、时限配合L54321~ABCDDtt3/t4/t1/t4//t4///t2/t3//t3///LIDI/dz.4I//dz.4I/dz..3I//dz..3I/dZ.1I/dz22/6/2023111在电网的最末端——用瞬间动作的过电流保护即可满足要求，其起动电流按躲开电动机自起动时的最大电流整定，与电网中其它保护在定值和时限上都没有配合关系。

2/6/2023112在电网的倒数第二级上，保护2应首先考虑用0.5秒的过电流保护，如果在电网中对线路C-D上的故障没提出瞬时切除的要求，则保护2只装设一个0.5秒的过电流保护是允许的，如果要求线路C-D上的故障必须快速切除，则可增加一个电流速断，此时保护2就是一个速断加过电流的两段式保护。

2/6/2023113保护3，其过电流保护由于要和保护2配合，因此动作时限要速定为1~1.2秒。一般在这种情况下，就需要考虑增设电流速断或同时增设电流速断和限时电流速断，此时保护3可能是两段式也可能是三段式。

2/6/2023114越靠近电源端，则过电流保护的动作时限就越长，因此，一般都需要装设三段式的保护。

2/6/2023115三、动作情况分析

后备保护：（1）近后备保护——作为本段的后备保护（2）远后备保护——作为下一级的后备保护后备保护（指过电流保护）至少要保护到下一段线路的末端，即可以作为远后备保护。

2/6/2023116优点：（1）采用三段式电流保护，保护的速动性提高了，无论哪一点短路，都能有选择地快速切除故障，保护时间最多0.5秒（不拒动的前提下）（2）简单，可靠

2/6/2023117缺点：（1）灵敏度低。（2）保护范围的大小受系统运行方式和短路类型的影响。（3）只能用在单电源放射式网络中。

2/6/202311819.4.5低压闭锁过电流保护

对于电流保护而言，

∵按规定，过电流保护应满足Km≥1.5。

∴IDZ↑→Km↓,

欲使Km↑则→IDZ↓2/6/2023119

当过电流保护的灵敏度达不到上述要求时，可采用低电压启动的过电流保护装置，以提高灵敏度。定义：低电压启动的过电流保护也称为低电压锁闭过电流保护。

2/6/2023120一、原理接线图

DLI>+信号+t+－U<2/6/2023121二、整定计算

正常运行时，不管线路负荷电流有多大，母线电压总是接近于额定电压，低压继电器的舌片被吸动，常闭接点处于断开状态。这时，即使电流继电器动作，保护装置也不会启动。

2/6/2023122因此，在整定电流继电器的动作电流时，可以不按躲开最大负荷电流IL.max（IL.max为计算负荷I30的1.5~3倍）来整定，而只按正常负荷电流IE（即计算电流I30）进行计算，即：

2/6/2023123式中：IE——正常负荷电流（计算电流）；Kk——可靠系数（confidencefactor），一般取1.15~1.25；Kfh——返回系数（returningfactor），一般小于0.85。

2/6/2023124可见：采用低电压继电器闭锁→IDZ↓→Km↑

2/6/2023125短路时，线路有很大的短路电流，母线电压随之下降，低电压继电器Z形舌片被释放，常闭接点关合，此时低电压继电器才为启动动作，可见低电压继电器的动作电压系指使继电器动作的最大电压。它应按躲开最小工作电压Umin来整定，故低电压继电器动作电压应整定为：

2/6/2023126式中：Umin——母线允许的最小工作电压，通常为额定电压的90~95%；Kk——可靠系数，通常Kk=1.1~1.2；Kfh——低电压继电器的返回系数。

2/6/2023127UDZUFHUminUEU出U入上图中：UDZ——动作电压；UFH——返回电压；

Umin——最小工作电压；UE——正常工作电压。2/6/2023128三、灵敏度校验

对于低压闭锁而言

（一般取Km≥1.25）式中：

UDZ——低压闭锁装置的一次侧动作电压；

Uresmax——被保护区末端短路，流通三相最大短路电流时，保护装置安装处母线的最大剩余电压（residualvoltage）。

2/6/2023129注意：低压闭锁电流保护的主体仍然是电流保护。

2/6/202313019.5变压器保护变压器的故障可分为内部故障和外部故障两种。内部故障有：相间短路、绕组匝间短路和单相接地（碰壳）短路等。外部故障有：变压器引出线的相间短路和接地（对变压器外壳）短路。变压器不正常运行状态有：外部短路和过负荷引起的过电流、油面过低和油温过高等。

2/6/2023131根据上述故障情况，变压器一般应装设以下保护：

1)瓦斯保护——防御变压器油箱内部故障和油面降低，瞬时作用于信号或跳闸；２）差动保护或电流速断保护——防御变压器的内部故障和引出线的相间短路、接地短路，瞬时作用于跳闸；

2/6/2023132３）过电流保护——防御外部短路而引起的过电流，并作为上述保护的后备保护，带时限动作于跳闸；４）过负荷保护——防御因过载而引起的过电流。这种保护只有在变压器确有可能过载时才装设，一般作用于信号。５）温度信号——监视变压器温度升高和油冷却系统的故障，作用于信号。

2/6/202313319.5.1变压器的瓦斯保护装置

2/6/2023134A、B——上、下油杯C、D——永久磁铁E、F——固定接点G——挡板Q——容器油流方向2/6/2023135正常状态时正常状态时：整个容器Ｑ内充满变压器油，Ａ和Ｂ受油的浮力作用向左上方倾斜，继电器Ｅ、Ｆ断开。

2/6/2023136轻微故障（轻瓦斯）时当变压器内部发生轻微故障（轻瓦斯）时：产生的气体聚集在容器Ｑ的上部，迫使油面相应降低，此时上油杯Ａ下降，带动动接点Ｃ与磁力接点Ｅ接通，发出报警信号。

2/6/2023137严重故障（重瓦斯）时当变压器内部发生严重故障（重瓦斯）时：联结管内产生油流，其流向如图中所示，达到一定流速时，使冲动挡板Ｇ动作，并带动下油杯Ｂ下降，使动接点Ｄ与磁力接点Ｆ接通，作用于变压器断路器跳闸。

2/6/2023138变压器漏油时当变压器漏油时，容器Ｑ内的油慢慢流尽，这时上油杯Ａ先降落，发出报警信号，接着下油杯降落，使断路器跳闸。

2/6/2023139瓦斯保护的原理接线++++ZJXJWSJ－信号轻瓦斯信号重瓦斯信号AN2DL1DL2/6/2023140中间继电器的自保持中间继电器的自保持：当瓦斯继电器（WSJ）的下油杯受到气体冲击时，其接点可能振动或闭和时间很短，为保证断路器可靠跳闸，中间继电器采用自保持的方法，即在WSJ的下接点瞬时闭合时，通过ZJ的一对常开接点将其本身锁住，以保证断路器得到可靠的跳闸电源。2/6/2023141AN为中间继电器的复位按钮。切换片QP的作用是在检修或试验WSJ时将其切换到信号位置。2/6/2023142瓦斯保护的优点

动作迅速，灵敏度高，结构简单，能反应变压器油箱内部各种类型的故障。尤其对绕组的匝间短路，反应最为灵敏。因为匝间短路故障点的循环电流虽然很大，可能造成严重的过热，但反映在外部电流的变化却很小，各种反应电流量的保护装置都不能动作。因此瓦斯保护对保护这种故障有特殊重要的意义。

2/6/2023143瓦斯保护的缺点不能反应油箱外部套管和引出线的故障，还需要与其他保护装置（例如电流速断和过电流保护）配合使用。

2/6/202314419.5.2变压器的差动保护一、差动保护的工作原理+I－IZJ+XJ信号+－CJd1d22/6/2023145

差动保护是反应变压器两侧电流差额而动作的保护装置。

2/6/2023146将变压器两侧的电流互感器串联起来构成环路，电流继电器并联在环路中，这样，流入继电器的电流等于两侧电流互感器二次侧电流之差，即：

2/6/2023147适当选择变压器两侧电流互感器的变比和接线，可使在正常运行和外部短路（指两电流互感器所包围的范围以外部分，如图中的d1点），其二次侧电流和大小相等，相位相同，流入电流继电器内的电流，保护装置不动作。

2/6/2023148当保护区内发生短路时（如图中的d2点），对于单端电源供电的变压器，则

于是

对于双侧电源供电的并联运行变压器，则及

方向改变，于是，若该电流大于电流继电器动作电流，即

继电器动作，并瞬时作用于变压器两侧的断路器跳闸。

2/6/2023149二、变压器差动保护的特殊问题——不平衡电流1）变压器两侧绕组接线方式不同产生电流相位的不同而产生的不平衡电流2/6/2023150变压器差动保护原理接线图I-II-II-I2/6/2023151工厂降压变压器通常采用Y/△-11接线。变压器两侧线路电流的相位差是30。。如果变压器两侧电流互感器采用相同的接线方式。则其二次电流I1与I2的相位不同，此时即使I1与I2的数值相等，仍有一定不平衡电流流入继电器，其大小为：2/6/2023152消除方法：将安装在变压器Y侧电流互感器接成△形，而将安装在变压器△侧的电流互感器接成Y形。

2/6/20231532）变压器两侧电流互感器的变比不能选得完全合适而产生的不平衡电流

变压器两侧电流互感器都选用定型产品，所以实际需要的计算变比与产品的标准变比不一致，从而在差动回路中出现不平衡电流。

2/6/2023154例如：一个容量为S=31500千伏安、电压为115/10.5千伏，Y/△接线的变压器，计算结果如下：

2/6/20231552/6/2023156从上面计算可以看出，由于差动回路电流不相等，在正常额定情况下就有不平衡电流流入差动继电器，其值为

消除方法：利用速饱和变流器的平衡线圈加以平衡。

2/6/20231573）在变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复的过渡过程中，将会产生很大的励磁涌流。

2/6/2023158当变压器投入电网或电压恢复时，变压器铁芯中的磁通不能突变，出现一个过渡过程，产生两个磁通：周期分量和非周期分量。在初瞬间（t=0），两个磁通极性相反，合成磁通等于零；但到第二个半周时，两个磁通极性相同，合成磁通相加，使变压器铁芯中磁通达到最大值，若变压器铁芯中存在剩磁，合成磁通值还要大些，合成磁通将大于稳态磁通的二倍以上。由于变压器正常运行在磁化曲线的弯曲点附近，这样过渡过程产生的很大磁通使铁芯饱和，励磁电流可达变压器额定电流的8～10倍，叫做励磁涌流。

2/6/2023159励磁涌流只通过变压器的原绕组，不能反映到副绕组，因此，在差动回路中将会产生很大的不平衡电流流入继电器。

2/6/2023160消去方法：广泛采用速饱和变流器消除它对差动保护的影响。这是利用励磁涌流中非周期分量使速饱和变流器铁芯饱和来阻止励磁涌流流进继电器。

2/6/20231614）变压器两侧电流互感器的型式和特性不同也会引起不平衡电流。不同类型或特性的互感器，其磁化特性不同。

2/6/20231625）变压器分接头的改变也会引起不平衡电流以调压为目的而改变分接头就等于改变变压器的变比，这时，变压器两侧电流的比值也随之改变，因而产生新的不平衡电流。

2/6/2023163三、变压器差动保护动作电流的整定保护装置的动作电流必须满足下列三个条件，并取其中最大者作为整定值。1）躲过变压器空载投入或外部短路切除后电压快速时的励磁涌流，即

Idz=Kk

×IeB

式中：KK——可靠系数，取1~1.3；

KeB——变压器额定电流。

2/6/20231642)当差动保护电流互感器二次回路断线时保护不应误动作；即：

Idz=Kk×IeB式中：Kk——可靠系数，取1.2~1.3

2/6/20231653）躲过外部短路时的最大不平衡电流，即：式中：Kk——可靠系数。取1.3；

K——电流互感器的同型系数。当两互感器型号不同时，K=1；当两互感器型号相同时，K=0.5；

△f——电流互感器的最大允许误差，一般不超过10%，即=0.1；

2/6/2023166△U——变压器调压，即改变变比，两侧电流比值也随之改变，产生不平衡电流，由调压引起的相对误差，一般不超过5%；△f′——速饱和变流器平衡线圈使用匝数与计算匝数不等而引起的相对误差，一般也不超过5%；I(3)d.max——外部短路时，流过电流互感器一次侧的作大穿越短路电流。

2/6/2023167第20章微机保护原理20.1概述

继电保护是关系着电力系统安全运行的关键。继电保护技术的发展大致分为四个历史阶段：电磁型、晶体管型（又称半导体型或分立元件型）、集成电路型、微型计算机型。目前，随着微电子技术的发展，微机型继电保护技术的应用已越来越广泛。

2/6/2023168微机型继电保护的优点与传统的继电保护技术相比，微机继电保护主要有以下的优点：（1）改善和提高继电保护的动作特性和性能；（2）可靠性大为提高；

（3）内部编程软接线的方式大大降低了电气二次线路的复杂性

2/6/2023169（4）可以充分利用CPU的资源，实现其他测量、管理、通讯等功能；（5）微机特有的记忆存槠功能能很好的实现故障追忆，提高运行管理效率；（6）自检能力强，可以省去每年花费大量人力物力而必须去做的继电保护预防性试验，可以保证生产的连续运行；（7）扩展能力强。

2/6/202317020.2微机型继电保护装置的硬件构成

20.2.1微机继电保护装置典型硬件结构微机型继电保护装置是微机控制技术的应用实例之一。它是以微处理器（单片机）为核心，配以输入、输出通道，人机接口和通讯接口等。图2.1给出了微机保护的典型硬件结构图。

2/6/2023171微机保护的典型硬件结构图图2.1微机保护的典型硬件结构图2/6/202317220.2.2微机保护装置的输入输出通道微机保护的输入通道分为模拟量输入通道和开关量输入通道，输出通道主要为继电器逻辑回路。输入通道主要完成电力系统的电压、电流信号的采集和一次设备的状态量采集（比如断路器的运行状态）；而输出通道主要完成保护跳闸信号、告警信号的输出。

2/6/202317320.2.2.1模拟量输入通道

目前，微机保护的模拟量采集均采用交流采样技术。模拟量输入通道主要由模拟量输入变换回路、低通滤波器、采样和A/D转换器等几个环节构成。

2/6/2023174一、模拟量输入变换回路

由一次回路的CT、PT的二次侧输入至微机保护器的信号，一般数值较大，不适合内部A/D转换的电平要求（一般A/D转换回路的输入电压范围为±2.5V、±5V或±10V）。

2/6/2023175

模拟量输入变换回路的主要任务就是将输入的电量进一步变换，将二次电量值变得更小，同时将电流量变为电压量，以适合内部A/D转换的要求。同时，该变换回路还起着隔离外部干扰的作用。

2/6/2023176设计模拟量输入变换回路要注意的几点：①要保证各电流变换器之间、各电压变换器之间及电流、电压变换器之间的一次、二次侧相位移保持一致；②变换器的铁芯磁导率要选取得当，保证工作的线性范围；③变换器本身的损耗要小；④要保证在最大短路电流下，变换器的输出不使A/D发生溢出。

2/6/2023177二、低通滤波器及采样

由于计算机处理的是离散的时间信号，故输入的连续模拟量必须要被采样为离散的模拟量。同时，要使采样值能准确无误的反映输入的模拟量，采样频率必须遵循一定的要求，即采样频率必须大于原始输入信号中最高频率分量的频率的2倍，这就是采样定理。否则，采样信号将出现频率混叠，不能真实反映原始输入信号。

2/6/2023178系统的故障电流、电压信号中一般含有许多高频分量。而常见的微机保护原理大多是基于工频量的。这样，为