中国矿业大学供电技术

中国矿业大学供电技术第1页/共155页第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2页/共155页第一节继电保护的基本概念

第3页/共155页供电系统在运行中，可能出现各种故障和不正常运行状态。故障：相间短路、接地短路，变压器、电动机一相绕组的匝间短路等。不正常运行状态：过负荷、小接地电流系统中的单相接地等。故障原因：外部原因：（如雷击、污闪等）内部原因：（如绝缘老化、损坏等）误操作：（运行时）故障后果:损坏设备、缩短设备使用寿命；破坏系统运行的稳定性；用户电压下降，破坏工作稳定，影响产品质量；供电质量：电压、频率、谐波。针对故障要求尽快将故障部分切除；针对不正常运行状态，要求能够让值班人员知道。－>继电保护装置第4页/共155页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：适用于供电可靠性较高要求的高压供电系统中。(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、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。第5页/共155页1．继电保护、继电保护装置及其任务继电保护装置: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。继电保护:泛指继电保护的技术和由各种继电保护设备组成的保护系统。具体包括：继电保护的设计、配置、整定、调试等技术；从获取电量信息的互感器二次回路、经过继电保护装置、至断路器跳闸线圈的一整套设备。如需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。第6页/共155页1．继电保护、继电保护装置及其任务从继电保护装置的定义可看出，其两大任务：发生故障时，自动、迅速、有选择地借助于断路器将故障部分从供电系统中切除；（继电保护动作于断路器跳闸）当设备出现不正常运行状态时，根据运行条件而动作于发出信号、减负荷或者跳闸。（继电保护动作于发信号）第7页/共155页2．继电保护的工作原理供电系统发生故障时，会引起电流的增加和电压的降低，以及电流、电压间相位角的变化等。因此，利用故障时参数与正常运行时的差别，就可以构成不同原理和类型的继电保护。分成两类：反应电气量变化的保护,反映非电气量变化的保护。第8页/共155页反应电气量变化的保护原理：利用短路时电流增大的特征，可构成过电流保护；利用电压降低的特征，可构成低电压保护；利用电压和电流比值的变化，可构成阻抗（距离）保护；利用电流和电压之间相位关系的变化，可构成方向保护；利用比较被保护设备各端电流大小和相位的差别可构成差动保护等。第9页/共155页反应非电气量变化的保护原理：利用故障时变压器油分解所产生的气体，可构成瓦斯保护。利用电动机绕组温度的升高，可构成过负荷保护或过热保护。可利用任何故障与正常运行状态下有区别的信号来实现保护第10页/共155页3．继电保护装置的构成

测量部分：测量从被保护对象输入的有关电气量，适当处理后并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果，给出逻辑信号。判断保护装置是否应该起动。逻辑部分：根据测量部分的输出，使保护装置按照一定的逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发出信号。执行部分：根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。第11页/共155页4．对继电保护的基本要求对作用于跳闸的继电保护，在技术上有四个基本要求：选择性灵敏性可靠性速动性第12页/共155页（1）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动作第13页/共155页图解：下图中各断路器都装有保护。K1点短路时，保护只跳开1QF和2QF，使其余部分继续供电；又如K3点短路，断路器1QF～6QF均有短路电流，保护只应跳6QF，除变电站D停电外，其余继续供电。K3点短路时，若6QF因本身失灵或保护拒动而不能跳开，此时5QF的保护应使5QF跳闸，这显然符合选择性的要求，这种作用称为远后备保护。第14页/共155页（1）对于反应故障时参数量增加的保护装置例如：过电流保护的灵敏系数为

kS＝Ik(n)／Iop

Ik(n)——保护区内故障的最小短路电流值

Iop——保护装置动作电流（一次侧）（2）对于反应故障时参数量降低的保护装置例如：低电压保护的灵敏系数为

kS＝Uop／Uk(n)Uk(n)——保护区内故障的最大残压值

Uop——保护装置动作电压（一次侧）（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，用灵敏系数（ks）来衡量。第15页/共155页（2）灵敏性被保护的电气设备

继电保护装置类型

最低灵敏度变压器、线路等所有电气设备

过电流保护

1.5（如满足此要求将使保护复杂时，灵敏度可降为1.25）电流速断保护

1.3～1.5(线路)；

后备保护

1.2（如满足此要求将使保护过分复杂或在技术上难以实现时，可仅按常见的运行方式和故障类型校验灵敏度）

变压器

纵联差动保护

2.03～10kV电缆线路

中性点不直接接地电力网中的零序电流保护

1.253～10kV架空线路

1.50第16页/共155页（3）可靠性指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。不误动；不拒动。可靠性主要指保护装置本身的质量和运行维护水平而言。保护装置动作的可靠性是非常重要的，任何拒动或误动都将使事故扩大，造成严重后果。可靠性是绝对要求的。装置不可靠还不如不装。第17页/共155页（4）速动性为了减小由于故障引起的损失，减少用户在故障时低电压下的工作时间，以及提高电力系统运行的稳定性，要求继电保护在发生故障时尽快动作将故障切除。

注意：必须在满足选择性的基础上第18页/共155页快速性快速切除故障可以减轻故障的危害程度，加速系统电压的恢复，为电动机自起动创造条件等。故障切除时间等于继电保护动作时间与断路器跳闸时间（包括熄弧时间）之和。一般快速保护的动作时间为0.06-0.12s，最快可大0.01-0.04s；一般断路器的动作时间为0.06-0.15s，最快的可达0.02-0.06s。对于反应不正常运行状态的保护，一般无需要求迅速，可带延时发出信号。快速性不是绝对要求的。在一些情况下，允许保护装置带有一定的延时切除故障。第19页/共155页必须快速切除的故障根据维持系统稳定的要求，必须快速切除的高压输电线路上发生的故障。使发电厂或重要用户的母线电压低于允许值（一般为0.7倍的额定电压）的故障。大容量的发电机、变压器以及电动机内部发生的故障。1-10kV线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。可能危及人身安全、对通信系统或铁道号志系统有强烈干扰的故障。第20页/共155页四个基本要求之间的关系四个方面相互联系又相互矛盾。可靠性最重要。灵敏性直接影响可靠性。快速性是尽量要求的，有时不要求选择性影响快速性。选择性通过装置的可靠性和时间的合理配合实现，能最大限度地减小停电范围。第21页/共155页继电器的定义和分类按动作原理：电磁型、感应型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型等继电器。按反应的物理量：电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、阻抗继电器和频率继电器等。按作用：起动继电器、时间继电器、中间继电器、信号继电器和出口继电器等。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。5.继电器与继电特性第22页/共155页第23页/共155页第24页/共155页第25页/共155页对继电器的要求工作可靠。动作值误差小。接点可靠。消耗的功率要小。动作迅速。热稳定、动稳定要好。安装调试容易、运行维护方便、价格便宜。第26页/共155页动作电流：能使继电器动作(对过电流继电器来说：其常开接点(动合触电)闭合、常闭接点(动断触电)打开称为继电器动作)的最小电流称为动作电流，以Iop表示。返回电流：能使继电器返回(对过电流继电器来说：其常开接点打开、常闭接点闭合称为继电器返回)的最大电流为返回电流，以Ire表示。返回系数：过电流型：kre=Ire/Iop；低电压型：kre=Ure/Uop；低电压型其动作和返回概念与过电流相反：动作电压为能使低电压继电器动作即使其常闭接点闭合的最大电压；返回电压为能使低电压继电器返回即使其常闭接点断开的最小电压；返回系数规定：过流继电器的不应低于0.85；低电压继电器的应不大于1.25。尽量接近于1。电磁型继电器第27页/共155页电磁式电流继电器及其继电特性

动作电流Iop——过电流继电器线圈中的使继电器动作的最小电流。

电磁式电流继电器的其动作特性如图所示。

返回电流Ire——过电流继电器线圈中的使继电器由动作状态返回到起始位置的最大电流。

当流过正常状态下的电流时不动作，输出低电平（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、稳定可靠地输出高电平（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低电平（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”。

第28页/共155页电磁型电压继电器：过电压、低电压电磁型时间继电器在保护装置中起延时作用，以保证保护装置动作的选择性。电磁型中间继电器的作用是为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量，也可以使触点闭合或断开时带有不大的延时(0.4～0.8S)。电磁型信号继电器用于各保护装置回路中，作为保护动作的指示器其他电磁型继电器第29页/共155页各种继电器的表示符号和图形符号常闭接点常开接点第30页/共155页6、继电保护用的电流互感器

(1)电流互感器的10%误差曲线

供电系统中主要是采用电流保护，下面着重对电流互感器的两个重要方面进行介绍。电流互感器的电流误差是指测出的电流kTAI2对实际电流I1的相对误差百分值，即

规程规定：保护用电流互感器的电流误差范围为±10％。一个电流互感器的输出电流幅值、相角和输入量之间的相对误差与接到其二次侧的负荷阻抗Z2密切相关。Z2大，则允许的一次电流对其额定电流的倍数就较小，Z2小，则允许的一次电流对其额定电流的倍数就较大。第31页/共155页

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第32页/共155页(2)电流互感器的接线方式电流互感器的接线方式是指作为相间短路的过电流保护用的电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。分为三种：三相完全星形接线方式两相不完全星形接线两相电流差接线接线系数kkx

：指通过继电器的电流IK与电流互感器二次电流ITA.2的比值，即：

kkx＝IK／ITA.2。第33页/共155页三相完全星形接线方式三相完全星形接线方式是用三台电流互感器与三只继电器对应连接的。可以反映任何形式短路故障。所用保护元件最多。kkx＝1第34页/共155页两相不完全星形接线两相不完全星形接线方式是在A、C两相装有电流互感器，分别与两只电流继电器相连接。可以反映除B相单相接地短路以外的所有故障。可见：

kkx＝1第35页/共155页三相三完全星形接线可以准确反映三相中每一相的真实电流。该接线方式应用在大电流接地系统中，保护线路的三相短路、两相短路和单相接地短路。两相两继电器不完全星形接线可以准确反映两相的真实电流。该接线方式应用在6～10kV中性点不接地的小电流接地系统中，保护线路的三相短路、两相短路。第36页/共155页两相不完全星形接线方式还可以接成两相三继电器形式，以提高可靠性。两相三完全星形接线中流入第三个继电器的电流是

该接线方式应用在大电流接地系统中，保护线路的三相短路、两相短路。

可见：

Kkx＝1第37页/共155页两相电流差接线

两相电流差接线方式由两台电流互感器和一只电流继电器组成。正常工作时，通过继电器的电流为：第38页/共155页两相电流差接线的接线系数不同的相间短路时，接线系数是不一样的。正常和三相短路时接线系数为；AC相短路时接线系数为2；AB相或BC相短路时接线系数为1。该接线方式应用在6～10kV中性点不接地的小电流接地系统中，保护线路的三相短路、两相短路、小容量电动机保护、小容量变压器保护。第39页/共155页接线系数kkx的值

项

目

三相三继电器

两相两继电器

两相一继电器

两相三继电器

三相短路

111A、C相短路

1121A、B或B、C相短路

1111

引入接线系数后，电流互感器一次侧电流与流入电流继电器电流的关系为：式中KTA——电流互感器的变流比；

I1、I2——电流互感器一次侧、二次侧电流；

Ik——流入电流继电器的电流。第40页/共155页三种接线方式性能比较三相三继电器两相两继电器两相一继电器可靠性灵敏性最好较好差经济性差较好最好适用场合中性点接地电网中性点不接地电网10kV以下和高压电动机保护第41页/共155页第二节单端供电网络的保护

第42页/共155页单端供电网络，即全部负荷只能由一个电源来供电的网络。GB50062－1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定，供电线路的相间短路、单相接地或异常运行应设下述保护：过电流保护、电流速段保护、低电压保护、中性点非直接接地系统中单相接地保护、过负荷保护等。第43页/共155页

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。

定时限过电流保护当被保护线路中电流增大且超过整定值时，电流继电器启动，同时启动时间继电器，待时间继电器延时到预先整定时间，保护装置动作切除故障并报警。定时限过电流保护在供电系统中多采用两相式接线。第44页/共155页

由电流继电器1KA与2KA、时间继电器KT和信号继电器KS组成。其中，1KA、2KA是测量元件，用来判断通过线路电流是否超过预设值；KT为延时元件，它以适当的延时来保证装置动作有选择性；KS用来发出保护动作的信号。定时限过电流保护的原理图

(1)定时限过电流保护的原理接线第45页/共155页定时限过电流保护装置工作原理正常情况下，断路器QF闭合，保持正常供电，线路中流过正常电流，此时电流继电器不会启动。当线路发生相间短路故障时，线路中流过的电流迅速增加，使电流继电器KA瞬时动作，启动时间继电器KT，经过延时，KT延时触点闭合，使串联的信号继电器（电流型）KS和中间继电器KM动作，KS触点闭合接通报警线路，KM触点闭合，接通跳闸线圈YR回路，使断路器QF跳闸，切除短路故障。在短路故障切除后，继电保护装置除KS外的其他所有继电器都自动返回起始状态，而KS需手动复位。第46页/共155页

正常运行时，1KA、2KA、KT、KS的触点都是断开的，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

第47页/共155页定时限过电流保护动作电流整定为保证在正常情况下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起动电流。

第48页/共155页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。定时限过电流保护动作时限整定第49页/共155页

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）。

第50页/共155页(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Ikmin与动作电流Iop之比ks来衡量，要求ks≥1.3~1.5。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：=

第51页/共155页说明：越靠近电源动作时间t越长－缺点；属于后备保护；t与整定电流无关；靠时间来保证保护的选择性。定时限过电流保护装置第52页/共155页2.反时限过电流保护装置反时限过电流保护就是通过保护装置的故障电流越大，动作时间越短，而故障电流越小，动作时间就越长。这种保护装置由GL型电流继电器组成。工作原理：在正常情况下，电流继电器通过正常工作电流，其常闭接点闭合，常开接点断开，断路器的跳闸线圈不会得电。发生短路时，电流继电器KA中流过的电流增大，到达其动作值，常开接点闭合，接通YR，常闭接点断开，去掉分流使YR得电带动断路器跳闸。交流操作的反时限过电流保护装置第53页/共155页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第54页/共155页反时限过电流保护整定步骤1）保护装置Ⅰ和Ⅱ动作电流Iop.kI和Iop.kⅡ的整定与定时限过电流保护一样。保护装置动作时限的整定，首先应从距离电源最远的保护装置Ⅰ开始。2)根据已知的保护装置Ⅰ的继电器动作电流Iop.kI和动作时限，选择相应的电流继电器的动作特性曲线。3)根据线路l1首端k1点的短路电流，计算出保护装置Ⅰ的继电器动作电流倍数n1=Ik1(3)/IopkⅠ。根据n1在保护装置Ⅰ的特性曲线上查到保护装置Ⅰ在k1点短路时的实际动作时间t1，而线路l1其他各点短路时，保护装置Ⅰ的动作时间可以用同样的方法求得。这样便可画出线路l1中各点短路时保护装置Ⅰ的动作时间曲线。如图中曲线1所示。第55页/共155页4)根据k1点短路时流经保护装置Ⅱ的继电器的电流，计算出动作电流倍数n2

当k1点短路时，保护装置Ⅱ也将起到，为了满足保护装置动作的选择性，保护装置Ⅱ所需的动作时限t2应比保护装置I的动作时限大一个时限⊿t

n2和t2的坐标交点为P，过P的特性曲线②为保护装置Ⅱ的继电器动作特性曲线。由曲线②又可得线路上其他各点短路时保护装置Ⅱ的时限特性，如图4-11a中的曲线2。从图中可知：当k1点发生短路时，其∆t较线路l1上其他各地短路时小，所以，如果k1点短路的时限配合能达到要求，则其他各点短路时，必定能保证动作的选择性，这也是选择该点为配合点的原因。第56页/共155页3.定时限和反时限过电流保护的比较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。继电器触电容量小。在靠近电源处短路时，保护装置的动作时间太长。第57页/共155页3.定时限和反时限过电流保护的比较反时限过电流保护的优点是：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。其缺点是：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。定时限过电流保护的优点是：时限整定方便，且在上下级保护的选择上容易做到准确的配合。其缺点是：所需继电器数量多，接线复杂，继电器接点容量较小，不能用交流操作电源作用于跳闸，靠近电源处保护装置动作时限长。

定时限过电流保护的选择性是靠纵向动作时限阶梯原则来保证。越靠近电源端，保护动作时间越长，不能快速切除靠近电源处发生的最严重的故障。为了克服这个缺点可加装无时限电流速度保护（Ⅰ段）或有时限电流速段保护（Ⅱ段）。第58页/共155页反应电流增大而瞬时动作的电流保护就叫电流速段保护。设AB、BC线路均装设电流速段保护(保护2和1)。当A-B线路发生短路故障时，流经保护2的电流增大，保护2瞬时动作。当B-C线路发生短路故障时，流经保护2和1的电流都增大；按照保护选择性的要求，保护1瞬时动作，保护2不动作。它们的保护范围最好能达到本线路的全长。对保护2：当k1点短路，希望其能瞬时动作切除故障，而当相邻线路BC的始端k2点短路时(习惯上称出口处)，按照选择性要求速断保护2就不应该动作，因为该处故障应由保护1切除。但实际上k1和k2点短路时，流过保护2的短路电流的数值几乎一样。因此希望k1点短路时保护2能动作，而k2点短路时又不动作的要求就不可能同时得到满足。解决办法：从整定值上保证下一条线路出口处短路时不起动。在继电保护技术中，这又称为按躲开下一条线路出口处短路的条件整定。二、电流速断保护（Ⅰ段）第59页/共155页电流速断保护的原理图第60页/共155页采用中间继电器的原因：增大接点容量：电流继电器接点容量比较小，不能直接接通跳闸线圈。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段保护误动作。

第61页/共155页速断保护的动作电流的确定：为了保证保护装置的选择性，在下一段线路上发生最大短路电流时保护装置不应动作。在本段线路内发生最小短路电流时，保护装置应动作。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。由于保证断路器动作选择性而引入可靠系数kk后，速断保护动作电流大于被保护范围末端的最大短路电流，使保护装置不能保护全段线路而有一段死区，因此速断保护不能单独作为主保护去使用。kk：1.2-1.3第62页/共155页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之比。电流速断保护灵敏度的校验-方法1电流速断保护灵敏度的校验-方法2按照最小保护范围占线路全长的百分数来校验。当系统为最大运行方式时，电流速段保护的范围最大，当出现其他运行方式或两相短路时，速段的保护范围都要减小，当出现最小运行方式下的两相短路时，电流速段的保护范围最小。按照这种运行方式校验速段保护的灵敏度。第63页/共155页lb运行方式对电流速断保护的影响①②分别为最大运行方式下三相短路电流和最小运行下两相短路电流随距离变换的曲线；③为保护2的速段保护的整定值。第64页/共155页《规程》规定，在最小运行方式下，速断保护范围的相对值

lb%＞（15%~20%）时，为合乎要求，即

×100%≥（15~20）%由短路电流计算公式可知：

将上式整理得：

电流速断保护灵敏度的校验-方法2第65页/共155页特点：只能保护本线路的一部分t=0保护范围受系统运行方式影响，当运行方式变化很大时，可能很小。当线路较长时其始端与末端短路电流差别较大，保护范围较大；当线路较短时其始端与末端短路电流差别较小，保护范围较小，所以：短线路更受运行方式影响。第66页/共155页电流速断保护的“死区”及其弥补

由于电流速断保护的动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”。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。或者采用其他新的保护。第67页/共155页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第68页/共155页具有电流速断和定时限过电流保护的原理线路图第69页/共155页三．限时电流速断保护（Ⅱ段）提出：电流速断保护无法保护线路的全长，为了在本线路任意点故障都能迅速切除故障。可考虑采用一种新的保护，用来切除本线路上速段保护范围以外的故障，同时也能作为速段的后备保护，这就是限时电流速段保护(Ⅱ段)保护原理：靠整定电流和动作时间来实现选择性。为保证能保护整个线路，必须延伸到下一线路。为了使t最小，以保护范围不超过下一线路Ⅰ段保护的范围，即与下一线路的速断保护相配合。（动作整定值和动作时间）第70页/共155页第71页/共155页3.整定计算：（1）动作电流值整定计算按与下一级所有线路或元件的速断保护配合例如下图:第72页/共155页然后取最大值作为整定值。（2）时限第73页/共155页Ⅰ、Ⅱ段联合工作在一般情况下能够满足速动性的要求。具有这种性能的保护称为该线路的主保护。第74页/共155页灵敏度校验

：能否反映本线路上所有故障当小于1.3时需重新与下一级线路的Ⅱ段相配合。原因（取1.3~1.5）（1）短路点过渡电阻（2）短路电流计算误差（3）互感器误差（4）继电器整定误差（5）一定裕度靠牺牲时间来增加灵敏度第75页/共155页特点：保护线路的全长；t=0.5～1s受运行方式的影响。第76页/共155页四.阶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。它们的区别主要在于按照不同的原则来选择起动电流。速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时速断是按照躲开下级相邻线路电流速断保护的动作电流整定。过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。速断不能保护线路全长，限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护，因此保证迅速而有选择性地切除故障，常常将三者组合在一起，构成阶段式电流保护。具体应用时可只采用速断加过电流或者三者都采用。第77页/共155页三段式保护原理图其中KA1、KA2、KS1构成第Ⅰ段电流速断；KA3、KA4、KT1、KS2构成第Ⅱ段限时电流速断；KA5、KA6、KT2、KS3构成第Ⅲ段定时限过电流。三段保护共用一个中间继电器KOM，任何一段保护动作均启动KOM，使断路器跳闸，同时相应段的信号继电器动作掉牌。第78页/共155页三段式保护展开图第79页/共155页三段式电流保护的特点及应用Ⅰ段Ⅱ段Ⅲ段保护范围本线路一部分本线路全部到相邻线路灵敏度最低次之最高作用主保护主保护后备保护动作时间00.5～1st下max+0.5s选择性保证整定电流整定电流与时间时间整定电流运行方式大、尤其是短线路考虑下一线路为短线路长距离重负荷线路低（最小短路电流小、而整定电流大）灵敏度降低第80页/共155页例

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：=1.5×180A=270A，选用300/5A电流互感器，=300/5=60。

保护动作一次侧电流==

继电器动作电流==6.35A,取6.5A=时间继电器的整定时限第81页/共155页保护灵敏度===>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===

第82页/共155页例如下图所示网络，试对保护1进行电流速断，限时电流速断和定时限过电流保护整定计算（起动电流，动作时限和灵敏系数）。第83页/共155页解：1、对保护1进行电流速断保护的整定计算

（1）电流整定

（2）灵敏度校验：

第84页/共155页=41.67%>15%符合要求（3）动作时限：电流速断保护动作时限近似为零，即t=0s第85页/共155页2、限时电流速断保护的整定计算

（1）电流整定：

=1.21.31250=1950(A)第86页/共155页（2）灵敏度校验：

符合要求

（3）动作时限

第87页/共155页3.定时限电流保护整定计算

（1）电流整定：

(2)灵敏度校验：

符合要求

第88页/共155页

(3)动作时限：第89页/共155页五、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。第90页/共155页整定原则过电流继电器的动作电流不必按躲过线路的最大负荷电流（一般为线路计算负荷电流的1.5-3倍）来整定，而只需按躲过计算负荷电流IC来整定。低电压继电器的动作电压Uopk按照躲过正常最低工作电压Umin来整定，即：第91页/共155页灵敏度校验其中的过电流继电器灵敏度校验，与不带低电压闭锁的过电流保护一样。低电压继电器(反应电压下降而动作)的灵敏度的校验，按下式：第92页/共155页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0.5~1.5s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%~55%)UN、时限为(5~10)s的低电压保护。即=第93页/共155页六、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1~2h。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。

第94页/共155页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第95页/共155页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。第96页/共155页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

第97页/共155页七、相间短路的方向性电流保护设置方向性电流保护的必要性：当k1点短路：应由保护3，4动作切除若采用电流速断保护：保护2、3均动作，母线B全部停电；若采样过流保护，用时限获得选择性：k3短路要求3的时限大于2，k1短路2的时限大于3，出现矛盾。第98页/共155页规定电流正方向为：母线线路所以：为保证选择性设置功率方向元件功率方向为母线到线路：保护开放；功率方向为线路到母线：保护闭锁。在电流保护基础上加一方向元件构成的保护称为方向电流保护。第99页/共155页保护原理单方向时限阶梯原则：1、3、5一组；2、4、6一组。同一母线两侧的开关，时限长的可不要装方向保护，时限相同都要装。第100页/共155页原理接线★：只有当功率方向元件和电流元件同时启动时，保护才出口。第101页/共155页八过负荷保护

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10~15s

第102页/共155页第三节电力变压器的保护

第103页/共155页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、单相接地短路等。

外部故障套管及引出线的相间短路和单相接地。

过负荷、温升过高以及油面下降超过了允许程度等。

第104页/共155页

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。第105页/共155页原理油箱内部发生故障（包括匝间短路、经电阻的接地等轻微故障）→故障点电流、电弧→变压器油及其它绝缘材料受热分解→产生气体→流向油枕的上部。当故障严重时变压器油迅速膨胀产生大量的气体，气体夹杂着油流冲向油枕的上部。反映上述气体或油流而动作的保护－瓦斯保护1、气体与油的混合物－重（严重故障）反应油流速度跳闸2、气体与油的混合物－轻（不正常or少数匝间）气体体积发信号一、电力变压器的瓦斯保护第106页/共155页

轻瓦斯：反应油面降低，匝数很少的匝间故障重瓦斯：严重故障跳闸特点：内部保护之一，反应油箱内部故障H2：潮气CO、CO2：固体绝缘材料分解C2H2(乙炔)：放电故障

CH4（甲烷）、C2H4（乙烯）：过热性通过瓦斯气体分析，诊断变压器潜伏性故障对于容量在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。一、电力变压器的瓦斯保护第107页/共155页瓦斯继电器（气体继电器），安装于变压器油箱与油枕之间的连通管上。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。一、电力变压器的瓦斯保护第108页/共155页变压器正常运行时，上、下两对触点都是断开的。当变压器内部发生轻微故障时，上接点闭合而接通信号回路，这称之为“轻瓦斯动作”。当变压器内部发生严重故障时，下接点闭合而接通信号回路，这称之为“重瓦斯动作”。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。FJ3-80型开口杯式瓦斯继电器的结构示意图1—容器；2—盖；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—接线盒第109页/共155页瓦斯保护的原理接线图第110页/共155页瓦斯保护的原理接线图当变压器内部轻微故障时，瓦斯继电器KG动作，上触点闭合，发出轻瓦斯动作预告信号。当变压器内部发生严重故障时，瓦斯继电器KG下触点闭合，起动中间继电器KM，使断路器跳闸线圈YR动作，断路器跳闸，同时信号继电器KS发出重瓦斯跳闸信号。为了避免重瓦斯动作时，瓦斯继电器因油气混合物冲击引起下触点“抖动”，利用中间继电器触点1-2进行“自保持”，以保证断路器可靠跳闸。变压器在运行中进行滤油、加油、换硅胶时，必须将重瓦斯经切换片XB改接信号灯HL，防止重瓦斯误动作，断路器跳闸。第111页/共155页1、优点：灵敏度高，接线简单，能反应油箱内任何故障2、缺点：动作速度慢，仅能反应油箱内故障，不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上的故障。

瓦斯保护可作为变压器的主保护之一。需要和其他种类的保护配合使用。一、电力变压器的瓦斯保护第112页/共155页二、变压器的电流保护1.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；35~66kV及以下中小容量的降压变压器，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。第113页/共155页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——(1.5～3)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到高压侧来校验。第114页/共155页

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ks≥1.5。

2）变压器电流速断保护保护动作电流整定

第115页/共155页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。＝

第116页/共155页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，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。第117页/共155页三、变压器的差动保护问题的提出过流保护动作时限较长电流速断保护存在死区瓦斯保护只能反应油箱内部故障故规程规定：对容量在10MVA及以上单独运行的变压器或两台并列运行、每台容量在6.3MVA以上的变压器，对于电压为10kV的重要的变压器当电流速断保护灵敏度不满足要求时，均应装设变压器的差动保护。第118页/共155页（一）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。第119页/共155页原理：1、正常和外部故障时2、内部故障第120页/共155页保护特点：①保护整个变压器②与其它保护无配合关系——可实现整个Tr的快速保护③与运行方式无关④必须选择合适的CT变化使与接近即变压器变比第121页/共155页（1）由于变压器一、二次侧结线不同引起的不平衡电流

Y/△-11接线的变压器原副边相位相差330°，因此必须补偿回来。补偿方法为：变压器电流互感器备注Y△两种三角形接法必须相同△Y（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制方法第122页/共155页（2）由于变压器分接头改变引起的不平衡电流变压器在运行时，往往采用改变分接头位置(即改变高压线圈的匝数)进行调压。因为分接头的改变，就是变压器变比的改变，电流互感器二次侧电流因而改变，引起新的不平衡电流。

通过提高保护动作电流躲过。按“0”分接头整定，考虑5%的变动。（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制方法第123页/共155页（3）由于变压器励磁涌流引起的不平衡电流。正常运行时，变压器的励磁电流很小，一般不超过额定电流的2％～10％。在变压器空载投入和外部故障切除后电压恢复时，则可能有很大的励磁电流(即励磁涌流)。（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制措施第124页/共155页

励磁涌流有下列特点：（1）含有的非周期分量幅值很大，最大值可达变压器额定电流的4-8倍，常使励磁涌流偏于时间轴的一侧；（2）含有大量的高次谐波，尤其是二次谐波为主，其初值约为基波的40％-60％，0.5-1s后衰减至25％-50％，但完全衰减需要数十秒；（3）波形间有明显的间断角。第125页/共155页依据上述特点，在变压器差动保护中可采用具有速饱和铁心的差动继电器，以减少减小励磁涌流非周期分量的影响微机保护中采用二次谐波或波形间断角的方法来鉴别内部故障和励磁涌流，使涌流出现时差动保护可靠不动作，从而完全躲开励磁涌流的不利影响。（二）变压器差动保护的不平衡电流及限制措施第126页/共155页（三）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=kkke

IN=kk第127页/共155页（四）变压器差动保护的灵敏度校验ks=

——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。

第128页/共155页第四节

低压配电系统的保护

第129页/共155页第六节低压配电系统的保护熔断器保护低压断路器保护第130页/共155页（一）熔断器及其安秒特性曲线熔断器包括熔管(又称熔体座)和熔体。通常它接在被保护的设备前或接在电源引出线上。当被保护区出现短路故障或过电流时，熔断器熔体被熔断，使设备与电源隔离，免受过电流损坏。熔断器结构简单、使用方便、价格低廉，所以应用广泛。一、熔断器保护

第131页/共155页（一）熔断器及其安秒特性曲线熔断器的技术参数：熔断器(熔管)的额定电压和额定电流，分断能力。熔体的额定电流和熔体的安秒特性曲线。决定熔体熔断时间和通过其电流的关系曲线t=f(I)称为熔断器熔体的安秒特性曲线。250V和500V是低压熔断器，3～110kV是高压熔断器。一、熔断器保护

第132页/共155页决定熔体熔断时间和通过其电流的关系曲线称为熔断器熔体的安秒特性曲线。该曲线由实验得出，它只表示时限的平均值，其时限相对误差会高达±50％。第133页/共155页（二）熔断器的选用及其与导线的配合熔断器应在各配电线路的首端装设；熔断器只装在各相相线上，中性线不允许装设熔断器。第134页/共155页图4-25低压配电系统示意图a)放射式b)变压器干线式1干线2分干线3支干线4支线

Q低压断路器(自动空气开关)第135页/共155页对保护电力线路和电气设备的熔断器，其熔体电流的选用按以下条件进行1)熔断器熔体电流应不小于线路正常运行时的计算电流Ic。第136页/共155页2)熔断器熔体电流还应躲过由于电动机起动所引起的尖峰电流Ipk，以便线路出现正常的尖峰电流而不致熔断。k:选择熔体时用的计算系数。k值应根据熔体的特性和电动机的起动情况来决定。轻载起动且起到时间不超过3s，k=0.25～0.4；轻载起动且起到时间不超过3s，k=0.25～0.4；重载起动且起到时间为3～8s，k=0.35～0.5；超过8s的重载起到或频繁起到、反接制动等，k=0.5～0.6；Ipk尖峰电流。单台电机：Ipk=kstMINM；Ipk=Ic+(kstMax-1)INMax；第137页/共155页3)为使熔断器可靠地保护导线和电缆不致在线路短路或过负荷损坏甚至起燃，熔断器的熔体额定电流IN,FE必须和导线或电缆的允许电流Ial相配合：

对于保护电力变压器的熔断器，其熔体电流可按下式选定保护电压互感器的熔断器额定电流通常为0.5A。kr：比例系数。设计规范规定，对电缆或穿管绝缘导线取2.5；对明敷绝缘导线取1.5；对已经装有其他过负荷保护的绝缘导线、电缆线路而又要求用熔断器进行短路保护时取1.25。第138页/共155页（三）熔断器保护灵敏度校验熔断器保护的灵敏系数ks计算如下：Ikmin(n)：熔断器保护线路末端在系统最小运行方式下的短路电流。INFE:熔断器熔体的额定电流。第139页/共155页为了保证动作选择性，也就是保证最接近短路点的熔断器熔体先熔断，以避免影响更多的用电设备正常工作，必须要考虑上下级熔断器熔体的配合。前后熔断器的选择性配合，宜按它们的保护特性曲线（安秒特性曲线）来校验。设上一级熔体的理想熔断时间为t1，下一级为t2，因熔体安秒特性曲线误差约为±50％，为了保证可靠期间，设上一级熔体为负误差即实际熔断时间t1’=0.5t1，下一级熔体为正误差即实际熔断时间t2’=1.5t2，如欲使某一电流下t1’>t2’，就应使t1>3t2。按这个条件可从熔体的安秒特性曲线上分别查出这两个熔体的额定电流。一般使上下级熔体额定值差2个等级即可满足选择性的要求。（四）上下级熔断器的相互配合第140页/共155页（四）上下级熔断器的相互配合第141页/