第6章 继电保护与安全自动装置

第6章继电保护与安全自动装置6.1概述什么是继电保护装置?当电力系统中的电力元件(如发电机、线路等)或电力系统本身发生了故障（如短路）或者不正常运行状态（如过负荷）危及电力系统安全运行时，能够向运行值班人员及时发出警告信号，或者直接向所控制的断路器发出跳闸命令以终止这些事件进一步发展的一种自动化装置和设备，一般通称为继电保护装置。电力系统安全自动装置则用以快速恢复电力系统的完整性，防止发生长期大面积停电的重大系统事故，如系统失去稳定、电压崩溃和频率崩溃等自动重合闸装置:是指断路器跳闸之后，经过整定的动作时限，能够使断路器重新合闸的自动装置。自动重合闸装置的英文名称为AutomaticRecloser，缩写为AR。备用电源自动投入装置:将两路电源线路分为工作电源线路和备用电源线路。仅当工作电源线路发生故障退出运行时，备用电源线路才自动投入运行。6.1.1继电保护的作用继电保护在电力系统中的任务是什么?当被保护的电力系统元件发生故障时，应该由该元件的继电保护装置迅速准确地给脱离故障元件最近的断路器发出跳闸命令（自动、迅速、有选择性），使故障元件及时从电力系统中断开，以最大限度地减少对电力系统元件本身的损坏，降低对电力系统安全供电的影响，并满足电力系统的某些特定要求(如保持电力系统的暂态稳定性等)。反映电气设备的不正常工作情况，并根据不正常工作情况和设备运行维护条件的不同(例如有无经常值班人员)发出信号，以便值班人员进行处理，或由装置自动地进行调整（减负荷），或将那些继续运行会引起事故的电气设备予以切除（调闸）。反映不正常工作情况的继电保护装置允许带一定的延时动作。6.1.2继电保护的基本原理继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流增大、电压降低、电流电压间相位角、功率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理（过电流保护、低电压保护、方向保护等），也有其他的物理量，如变压器油箱内故障时伴随产生的大量瓦斯（瓦斯保护）和油流速度的增大或油压强度的增高、电机绕组温度升高（过负荷保护）。大多数情况下，不管反映哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、逻辑部分、执行部分。测量部分:测量保护对象输入信号，并与整定值进行比较(如流入继电保护装置中的电流是通过电流互感器与电流继电器的连接来实现。)逻辑部分：根据测量部分的输出量进行逻辑运算产生控制指令执行部分：根据逻辑部分输出的控制指令执行相关保护动作（跳闸、发出信号等）6.1.3继电保护的分类1.按构成原理分类 ①电流保护；②电压保护；③阻抗保护（距离保护）；④方向保护；⑤纵联保护；⑥序分量保护；⑦其他保护，如瓦斯保护、行波保护。2.按构成元件分类 电磁型保护、感应型保护、整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护和微机保护。3.按被保护设备分类 线路保护、发电机保护、变压器保护、母线保护和电容补偿装置保护。4.按职责分类(1)主保护；(2)后备保护（近后备和远后备保护）；(3)辅助保护6.1.4对继电保护的基本要求继电保护装置应满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求：这四“性”之间紧密联系，既矛盾又统一。可靠性是指在保护该动作时（在保护范围内发生故障或异常）应可靠地动作而不拒绝动作。不该动作时（在正常时或保护范围外发生故障）应可靠不动作而不误动作。可靠性是对继电保护装置性能的最根本的要求。如何保证继电保护的可靠性?继电保护的可靠性主要由配置合理、质量和技术性能优良的继电保护装置以及正常的运行维护和管理来保证。任何电力设备(线路、母线、变压器等)都不允许在无继电保护的状态下运行。220kV及以上电网的所有运行设备都必须由两套交、直流输入、输出回路相互独立，并分别控制不同断路器的继电保护装置进行保护。当任一套继电保护装置或任一组断路器拒绝动作时，能由另一套继电保护装置操作另一组断路器切除故障。在所有情况下，要求这套继电保护装置和断路器所取的直流电源都经由不同的熔断器供电。选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障，以尽量减少停电范围；当故障设备或线路本身的保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备保护、线路保护或断路器失灵保护切除故障（后备保护）。为保证对相邻设备和线路有配合要求的保护和同一保护内有配合要求的两元件（如启动与跳闸元件或闭锁与动作元件）的选择性，其灵敏系数及动作时间在一般情况下应相互配合。灵敏性是指在设备或线路的被保护范围内发生故障或者异常时，保护装置应具有必要的灵敏系数，不论短路点位置、类型、最大运行方式或最小运行方式都可正确灵敏反映。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。保护装置灵敏与否，一般都用灵敏系数（ks）来衡量。灵敏系数标志着在故障发生初期，继电器保护反应故障的能力。高灵敏度的保护装置使故障易于反应，从而减少了故障对系统的影响和波及范围。各类保护的最小灵敏系数在规程中有具体规定。选择性和灵敏性的要求，通过继电保护的整定实现。对于过电流保护装置，灵敏度系数ks为：被保护区末端发生金属短路时的最小短路电流保护装置的一次侧动作电流对于低电压保护装置，灵敏度系数ks

被保护区末端发生金属短路时的最高短路电压保护装置的一次侧动作电压被保护的电气设备

继电保护装置类型

最低灵敏度ks

变压器、线路等所有电气设备

过电流保护

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

2.0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我国电力设计技术规范规定的各类保护装置的灵敏度系数有一个要求见表所示：速动性是指保护装置应尽快地切除短路故障，其目的是提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度，缩小故障波及范围，提高自动重合闸和备用电源或备用设备自动投入的效果等。切除故障时间＝保护装置动作时间(目前最快可达0.02s)＋断路器跳闸时间(目前最快可达0.04s)6.2电力线路的继电保护继电器是组成继电保护装置的基本元件。根据继电器反应的物理量分，有电流继电器、电压继电器、气体继电器等。根据继电器的工作原理分，有电磁式、感应式等。按其反应参量变化情况分，有过电流继电器、过电压继电器、欠电压继电器等。按其与一次电路的联系分，有一次式和二次式：一次式继电器的线圈与一次电路直接相连，二次式继电器的线圈连接在电流互感器或电压互感器的二次侧。各种继电器的表示符号和图形符号电流继电器是保护装置主要起动元件。电流继电器分为电磁式和感应式的。电磁式继电器的电流时间特性是定时限特性，电流超过设定电流值就动作，动作时限是固定的，与外加电流无关。感应式继电器是反时限特性，动作时限与通入电流大小平方成反比。6.2.1三段式电流保护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。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。一.电流继电器电流继电器是反映故障电流增大而自动动作的电器，在此作为代表来分析继电器原理和特性电磁型电流继电器线圈通电流在铁芯中产生磁通，通过铁芯、空气隙和转动舌片组成磁路，舌片磁化产生电磁力偶Fdc若舌片力臂为Lk

，则电磁转矩Mdc为：（以上Mf和M分别为弹簧反抗力矩和摩擦力矩）因此调整继电器启动电流方法可有：改变线圈匝数Wk；改变弹簧的Mf；改变能引起磁阻Rc变化的空气隙当流过线圈的电流Ik减小时，舌片在弹簧作用下将返回原位置，返回条件为：返回系数恒小于1，一般取0.85继电特性继电特性

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”。

二.定时限过电流保护过电流保护：通常指其启动电流按照躲开（大于）最大负荷电流来进行整定的一种保护装置。即应该使Ist>IL·max，以保证正常运行时不动作时限特性：只要通过继电器的电流大于其动作电流时，保护就能按预定时间动作（阶梯原则），动作时间一定，与电流大小无关为了满足选择性要求，可依靠各保护装置带有不同的延时来满足。保护装置同时启动但不同时动作跳闸（YT跳闸线圈）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。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确定△t时，考虑断路器的动作时间tQF，前一级保护装置动作时限可能发生提前动作的负误差t(+)；后一级保护装置滞后的正误差t(+),还要一定的裕度储备时间tch，过电流保护的接线方式可以完全反映各种短路，但设备最多，主要应用于110KV及以上电流系统不能完全反映单相短路，但设备可减少1/3，主要用于10～35KV线路设备最简单，可靠性最低，主要用于不太重要的6～10KV线路过电流保护的整定计算和灵敏度校验整定计算：就是正确地选择保护装置的动作参数，主要是动作电流和动作时限（时限阶段△t一般选0.5~0.6s)动作电流基本要求：当被保护元件流过最大负荷电流时保护装置不应动作跳闸，在外部短路切除后能可靠地返回（保护1启动后又会返回）。Ist>IL·maxIr>IL·max由于电压恢复时，电机有个自启动过程，自启动电流将大于电机正常工作电流，因此引入自启动系数Kast(>1)，同时为确保Ir大于自启动时最大电流，引入可靠系数Krel(一般用1.15~1.25)，有Ir=Krel

Kast

IL·max考虑返回系数Kr(一般用0.85)有Ist=Krel

Kast

IL·max/Kr灵敏度Ksen=Ik·min/Ist（Ksen>1.2)Ik·min——保护范围末端发生金属性短路时流过保护装置的最小短路电流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。三.电流速断保护为了满足速动性要求，保护动作应越快越好，可取消时限特性。如在右图中，k-2发生短路时，只有保护2动作，让保护1不动作。即无时限电流速断保护的整定原则为：必须选择保护1的动作电流大于其保护范围外的最大短路电流

Ist=Krel

Ik·max特点：动作迅速，但保护范围较小，且受运行方式影响电流速断的灵敏度用保护范围来表示，不应小于线路全长的15％～20％1.无时限电流速断保护速断保护动作电流的确定为了保证选择性，在下一段线路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应动作线路电流速断保护的保护区

2.限时电流速断保护在系统最小运行方式下，为了能保护线路全长，必须将保护范围延伸到下一个保护器的范围，这样为了保证动作的选择性，就必须使保护动作带有一定的时限，时限应越小越好，通常比过电流保护时限更小（0.35~0.6s）。一般应使下段电流速断和本段限时电流速断保护配合工作：四.三段式电流保护三种电流保护区别1.选择动作电流原则：电流速断和限时电流速断保护按照躲开某点的最大短路电流整定，其保护范围必然是有限的；过电流保护是按照躲开最大负荷电流来整定的。2.作用范围：（无时限）电流速断保护不能保护线路全长；限时电流速断保护能保护线路全长，但由于保护范围仍然有限，不能作为相邻元件的后备保护；过电流保护一旦超过最大负荷电流将动作，可作为相邻元件的后备保护；将三种保护组合构成三段式电流保护，可同时满足速动、选择性和可靠性接线图阶段性电流保护总体评价电流速断、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前方各相邻元件电流速断保护的动作电流而整定。而过电流保护则是按照躲开最大负荷电流来整定。电流速断(电流Ⅰ段)、限时电流速断(电流Ⅱ段)和过电流保护(电流Ⅲ段)组成的三段式电流保护优点是简单、可靠，并且在一般情况下也能够满足快速切除故障的要求。因此，在电网中特别是在35kV及以下的较低电压的网络中获得了广泛的应用。缺点是它直接受电网的接线以及电力系统运行方式变化的影响，例如整定值必须按系统最大运行方式来选择，而灵敏性则必须用系统最小运行方式来校验，这就使它往往不能满足灵敏系数或保护范围的要求。6.2.2方向电流保护1.方向电流保护的提出现代电力系统是多电源系统。三段式电流保护应用于多电源网络时，存在固有的选择性难题。如图所示两端有电源的线路上，为了切除线路上的故障必须在线路两侧均装设断路器及其相应的保护。

双电源网络中电流保护的选择性若两个电源同时存在，使得线路上短路电流的大小与短路点位置的关系变复杂，速断保护和过电流保护动作电流难以整定。如当k1点短路时，按选择性要求，应由距故障点最近的保护2和6动作切除故障。距k1点较近的保护1本是以电源EI为起点整定的，然而此时由电源EII产生的短路电流将通过保护1，该短路电流可能会大于保护1的起动电流，则保护1的电流速断或过电流保护会误动作。同理，其它地点短路时，对有关的保护装置也能得出相应的结论。误动作的保护都是在自己所保护的线路反方向发生故障时，由对侧电源供给的短路电流引起的。对误动作的保护而言，实际短路功率的方向都是由线路流向母线的。为了消除这种无选择性的动作，需要在可能误动作的保护上装设一个功率方向闭锁元件，该元件只当短路功率方向由母线流向线路(规定此方向为正)时动作，由线路流向母线(规定此方向为负)时不动作，从而继电保护的动作具有一定的方向性。方向性过电流保护主要由方向元件，电流元件和时间元件组成。方向元件和电流元件必须都动作以后，才能起动时间元件，再经过预定延时后动作于跳闸。2.方向电流保护的构成图中，TV为电压互感器；TA为电流互感器；KA为电流测量元件；KW为功率方向测量元件，在保护线路正方向短路时动作，即短路功率为正(由母线流向线路)时动作；KT为延时逻辑元件；KS为信号元件。为简化保护接线和提高保护的可靠性，电流保护每相的第I、II、III段可共用一个方向元件。一般来说，电流保护的第I段在动作电流满足选择性时，不加方向元件；电流保护的第II段在动作电流和动作时间能满足选择性时，不加方向元件。方向电流保护的构成原理3.功率方向元件功率方向元件是利用在保护正、反方向短路时，保护安装处母线电压和流过保护的电流之间的相位变化构成的为了保证功率方向元件的方向性和灵敏度，相间短路的功率方向元件一般采用90°接线方式。所谓90°接线方式是指系统在三相对称且功率因数为1的情况下，接入功率方向元件的电流超前所加电压90°的接线。功率方向元件的动作方程为：功率方向元件的动作特性图

(a)动作区

(b)角度特性

(c)伏安特性功率方向元件的动作特性 4.三段式电流保护整定举例【例6-1】图6-11所示网络中，已知

（1）线路装有三段式电流保护1、2、3和4。流过线路AB和线路BC的最大负荷电流分别为120A和100A，负荷的自启动系数为1.8；（2）保护3的第II段保护的延时为0.5s，第III段保护的延时为1.0s；线路AB第II段保护的延时允许大于1s；（3）A电源电抗，；B电源电抗，；线路电抗，；（4）AB电源振荡时，流过A侧开关最大电流为1770A；（5）可靠系数；躲开最大振荡电流的可靠系数；返回系数；

试对保护1进行整定(即计算其动作电流、灵敏系数和动作时限)。

图6-11例6-1网络一次接线图【解】(1)电流I段整定

AB线路接有双电源，因此动作电流必须大于流过A侧开关的可能最大电流。A电源最大运行方式下，B母线处最大三相短路电流B电源最大运行方式下，A母线处最大三相短路电流

因为1.15×1770=2040>1.25×1210=1513A，所以动作电流整定应以躲过AB电源振荡时流过A侧开关最大电流为原则，即

其灵敏度(保护范围)应通过最小运行方式下两相短路电流来校验。对应动作电流的最小保护范围(距离可用电抗表示)可由式(6-3)推得

用百分值表示的最小保护范围

可见，满足灵敏性要求。电流I段的动作时限为0s。

(2)电流II段整定电流II段的动作电流按式(6-4)整定，即

此处，

最小分支系数(按电抗分流计算)

故动作电流：

灵敏系数：

灵敏系数不满足要求。

计算电流II段动作时限。如前所述，当该保护灵敏度不满足要求时，动作电流可采用和相邻线路电流保护第Ⅱ段整定值配合方案，即

(3)电流III段整定

作近后备时的灵敏系数，同(2)理求得

可见灵敏性满足要求。

作远后备时，应以C母线处两相最小短路电流，并考虑分支电流的影响，此时分支系数应取最小运行方式下的最大值，即

灵敏性满足要求。电流III段的动作时限6.2.3零序电流保护接地短路是电力系统中架空线路上出现最多的一类故障，尤其是单相接地故障可能占所有故障中的90%左右。前述电流保护如果采用三相完全星形接线，虽然也可以反映中性点接地电网的单相接地短路，但灵敏度不够理想，时限也较长，因此要考虑装设专用的接地保护即零序电流保护。

1.中性点直接接地系统中接地时零序分量的特点当中性点直接接地电网(或者大接地电流系统)中发生接地短路时，系统中将出现很大的零序电流，这在正常运行时是不存在的，因此利用零序电流来构成接地保护就具有很大的优点。在大接地电流系统中发生接地短路时，可以利用对称分量法将电流、电压分解为正序、负序和零序分量，并利用复合序网表示它们之间的关系。单相接地时零序电流与零序电压从图可以看出：当发生单相接地时，故障点出现了零序电压，规定零序电压的方向，是线路高于大地为正。零序电流可以看成是由故障点的零序电压所产生的，它们经过变压器中性点构成回路。零序电流的正方向，仍然采用由母线流向故障点为正。

由零序网络图可见，零序分量具有以下特点：(1)故障点的零序电压最高，离故障点越远处的零序电压越低，到变压器接地的中性点处零序电压为0。(2)由于零序电流是由零序电压产生的，因此零序电流的大小和相位由零序电压和电网中性点至接地故障点的零序阻抗所决定。(3)零序功率的正方向与正序功率的正方向相反，是由故障点指向母线。(4)保护安装处(例如A点)的零序电压为

亦即接入保护装置的零序电压与零序电流的相位差，只取决于保护安装处背后变压器的零序阻抗而与被保护线路的零序阻抗及故障点的位置无关。

2.大接地电流系统的零序电流保护

在大接地电流系统中的零序电流保护是利用中性点直接接地电网中发生接地故障时出现零序电流的特点而构成。在110kV以上的单电源辐射形网络，常常采用无方向的三段式零序电流保护作为接地故障的主保护及后备保护。通常三段式零序电流保护由以下三部分组成：1)无时限零序电流速断保护，又称零序I段保护；2)带时限零序电流速断保护，又称零序Ⅱ段保护；3)零序过电流保护，又称零序Ⅲ段保护。从保护构成情况看，三段式零序电流保护与三段式相间电流保护相类似，其主要区别在于零序电流保护的测量元件(电流继电器)接入的电流量的性质不同，零序电流保护的测量元件是接在零序电流滤过器的出口。3.中性点直接接地电网接地短路的零序方向电流保护

在双侧或多侧电源中性点直接接地电网中，电源处变压器中性点一般至少有一台是接地的。由于零序电流的实际流向是由故障点流向各个中性点接地的变压器。因此在变压器接地数目比较多的复杂网络中，如果仅配置无方向的零序电流保护，就可能失去选择性，导致保护的误动作。为了解决这一矛盾，应在零序电流保护的基础上，加装方向元件，以判别正、反方向的故障，这样的保护就称之为零序方向电流保护。取保护安装处零序电流的正方向为由母线指向线路，零序电压的方向是线路高于大地的电压为正方向。通常保护背侧系统零序阻抗角约为70°～80°，故零序电流超前零序电压的相角一般95°～110°。零序功率方向继电器的电流线圈接于零序电流滤过器回路，输入电流3I0；电压线圈接于电压互感器二次侧开口三角形绕组的输出端，输入电压为3U0。零序功率方向继电器只反映被保护线路正方向接地短路时的零序功率方向。当前，在电力系统中实际使用的零序功率方向继电器都是把最大灵敏角制成70°～85°，即若从其正极性端输入的电流3I0滞后于按正极性端子接入的电压3U0为70°～85°，继电器最灵敏。实际工作中，应把零序功率方向继电器的电流线圈中标有“*”号的端子与零序电流滤过器上有“*”的端子相连(即同极性相连)，以取得3I0。而把继电器电压线圈上有“*”的端子与零序电压滤过器上没有“*”的端子相连(即异极性相连)，以取得-3U0，保证正方向发生接地故障时，继电器工作在最灵敏的状态下。

4.中性点非直接接地系统保护(1)中性点不接地系统单相接地的特点。正常情况下电源中性点对地电压为0，各相对地电压即为相电势。三相对地电压之和与三相电容电流之和均为0，此时电网中没有零序电压和零序电流。中性点不接地系统单相接地

当发生单相接地时，接地相(例如A相)的对地电容被短接，则A相电位变为0，此时大地的电位不再和电网中性点等电位，而B、C两相对地电压将升高√3倍，而电网中性点电压则由0升高至相电压。由于故障相(本例A相)为0，所以电网内所有线路A相对地电容电流均为零，而非故障相(本例B、C相)由于电压升高其电容电流不为0，从而出现了零序电容电流。而所有零序电流将全部汇流到接地点(即故障点)，亦即接地点处的电流为各条线路非故障相对地电容电流的总和。由图6-13可以看出，所有非故障相的电流都是从母线流向线路的。故障线路始端的零序电流为整个电网非故障线路的零序电流之和，其方向由线路流向母线。根据对中性点不接地系统接地时电流电压分析，可以总结为：1)接地相电压为0，非接地相电压升高√3倍，系统内出现零序电压，其大小等于故障前电网的相电压，且系统各处零序电压相等。2)非故障线路的保护安装处通过的零序电流为该线路本身非故障相对地电容电流之和，方向从母线流向线路，超前零序电压90°。3)故障线路的保护通过的零序电流为所有非故障线路零序电流之和，其方向从线路指向母线，滞后零序电压90°。

根据以上分析，又考虑到单相接地故障时，故障电流数值不大，三个线电压仍然对称，对负荷供电短时不致有很大影响，线路可以继续供电1~2h。(2)中性点不接地系统的接地保护对策。1)绝缘监视装置。利用单相接地时，系统会出现零序电压这一特征而构成的绝缘监视装置是最简单实用的中性点不接地系统单相接地保护方式。2)零序电流保护。利用故障线路的零序电流大于非故障线路零序电流的特点，可以构成有选择性的零序电流保护并可动作于信号或跳闸。3)零序方向保护。利用接地时故障线路与非故障线路保护安装处零序电流的方向恰好相差180°的特点，可以构成有选择性的零序方向保护。(3)中性点经消弧线圈接地的系统单相接地的特点及其保护。我国对小电流接地系统规定了接地电容电流的限制，那么，当电网实际的电容电流超过限值时，就必须采取措施，即在电源中性点处接入消弧线圈使系统变为中性点经消弧线圈接地系统。所谓消弧线圈，是一种带铁芯的特殊电抗器。在中性点经消弧线圈接地的系统中发生单相接地时，零序电容电流的分布与未接消弧线圈前是相同的，其不同点在于，当系统出现零序电压时，消弧线圈中有一感性电流流过，这样流过接地点的电流变成电感电流和电容电流的向量和。因为电感电流与电容电流的方向相反，故电感电流实际上是起“补偿作用”，从而使接地电流减小。根据电感电流对电容电流的补偿程度，可分为完全补偿、欠补偿和过补偿三种补偿方式。为避免谐振，一般采用过补偿(IL>ICΣ)方式。中性点经消弧线圈接地的系统单相接地如图6-14所示。

图6-14中性点经消弧线圈接地系统单相接地

电流、电压保护的主要优点是简单、可靠、经济，但是，系统在正常运行时，不可能总工作于最大运行方式下，因此当运行方式变小时，电流保护的保护范围将缩短，灵敏度降低。对于容量大、电压高或结构复杂的网络，它们难于满足电网对保护的要求。电流、电压保护一般只适用于35kV及以下电压等级的配电网。而距离保护，顾名思义它测量的是短路点至保护安装处的距离，受系统运行方式影响较小，保护范围稳定。常用于对于110kV及以上电压等级的复杂网线路保护。6.2.4距离保护距离保护是利用阻抗元件来反映保护安装处至故障点的距离，并根据距离的远近而确定动作时限的一种保护装置。测量保护安装处至故障点的距离，实际上是测量保护安装处至故障点之间的阻抗（用电压与电流的比值U/I=Z）大小，故有时又称之为阻抗保护。距离保护反应的信息量比反应单一物理量的电流保护灵敏度高。距离保护的实质是用整定阻抗Zzd与被保护线路的测量阻抗Zcl比较。当短路点在保护范围以外时，即Zcl

>Zzd时继电器不动。当短路点在保护范围内，即Zcl

<Zzd时继电器动作。因此，距离保护又称为低阻抗保护。1.距离保护的基本概念2.距离保护的时限特性当短路点距保护安装处近时，其量测阻抗小，动作时间短;当短路点距保护安装处远时，其量测阻抗大,动作时间就增长，这样保证了保护有选择性地切除故障线路。距离保护的动作时间(t)与保护安装处至短路点距离(l)的关系t=f(l),称为距离保护的时限特性。为了满足继电保护速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛采用具有三段动作范围的时限特性。三段分别称为距离保护的Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段，它们分别与电流速断、限时电流速断及过电流保护相对应。距离保护的第Ⅰ段是瞬时动作的，它的保护范围为本线路全长的80～85％;第Ⅱ段与限时电流速断相似,它的保护范围应不超出下一条线路距离第Ⅰ段的保护范围，并带有高出一个△t的时限以保证动作的选择性;第Ⅲ段与过电流保护相似，其起动阻抗按躲开正常运行时的负荷参量来选择，动作时限比保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个△t。

距离保护的原理与时限特性距离I段，为保证选择性，其保护范围应限制在本线路内。以保护1为例，它的整定阻抗应小于ZAB，通常整定为(0.8~0.85)ZAB。由于不必和其他线路的保护配合，故第I段动作不需带时限，仅由继电器的固有动作时间决定。距离II段，用以弥补第I段之不足，尽快切除本线路末端15％~20％范围内的故障，但为了切除全线上的故障，势必延伸到下一条线路首端部分区域。为了缩短动作时限，距离II段的保护范围要与相邻下一线距距离I段配合。时限也与相邻下一线的I段时限配合。距离I段和距离II段共同作为线路的主保护。距离III段，作为本线路距离I段和距离II段的近后备及相邻线路的远后备。其时限可与相邻下一线的III段或II段时限配合。在超高压网络中，为简化距离保护的接线，也可采用只有I、II段或只有II、III段的两段式简化距离保护。一般情况下,距离保护装置由以下4种元件组成。①起动元件：在发生故障的瞬间起动整套保护，并可作为距离保护的第Ⅲ段。起动元件常取用过电流继电器或低阻抗继电器。②方向元件：保证保护动作的方向性，防止反方向故障时保护误动作。方向元件可取用单独的功率方向继电器，也可取用功率方向继电器与距离元件结合构成方向阻抗继电器。③距离元件：距离保护装置的核心部分。它的作用是量测短路点至保护安装处的距离。一般采用阻抗继电器。④时限元件：配合短路点的远近得到所需的时限特性，以保证保护动作的选择性。一般采用时间继电器。3.距离保护评价距离保护的主要优点在于阻抗继电器同时反应电压的降低与电流的增大而动作，因此距离保护较电流电压保护有较高的灵敏度;保护范围不受运行方式的变化的影响而保持恒定。距离保护的主要缺点是：(1)不能实现全线瞬动。对双侧电源线路，将有全线30％～40％的范围采用第II段时限。这使得距离保护可能不满足一般220kV及以上电压等级的输电线路的暂态稳定要求的极限切除时间，因而不便采用作为主保护。(2)装置本身构成的元件多、接线复杂，因而维护较难，可靠性相对也较低。距离保护的应用很广。对于不要求全线速动的高压和部分超高压线路(如35kV、110kV及部分220kV线)可作为相间主保护；对于一般的220kV及以上线路(包括部分110kV线)，可作为相间及接地故障的后备保护。6.2.5高频保护高频保护是将线路两端的电流相位或功率方向转化为高频信号，然后利用输电线路本身或专用通道将信号送至对端，以比较两端电流相位或功率方向而决定保护是否动作的一种保护。因为它不反应于被保护输电线范围以外的故障，在定值选择上也无需与下一条线路相配合，故可不带动作延时。利用输电线路本身作为高频通道时，在传送50Hz工频电流的输电线上，叠加传送一个高频信号(或称载波信号)，高频信号一般采用40~300kHz的频率，以便与输电线路的工频相区别。输电线经高频加工后就可作为高频通道。高频加工所需的设备称高频加工设备。高频保护广泛应用于高压和超高压输电线路，是比较成熟和完善的一种无时限快速原理保护。目前广泛采用的高频保护，按工作原理的不同可分为两大类：（1）方向高频保护：其基本原理是比较线路两端的功率方向。（2）相差高频保护：其基本原理则是比较两端电流的相位。1.高频闭锁方向保护是比较被保护线路两侧功率的方向，规定功率方向由母线指向某线路为正，指向母线为负;线路内部故障，两侧功率方向都由母线指向线路，保护动作跳闸，信号传递方式相同。目前广泛应用的高频闭锁方向保护，是以高频通道经常无电流而在外部故障时发出闭锁信号的方式构成的。此闭锁信号由短路功率方向为负的一端发出，这个信号被两端的受信机所接收，而把保护闭锁，故称为高频闭锁方向保护。这种保护的工作原理是利用非故障线路的一端发出闭锁该线路两端保护的高频信号，而对于故障线路的两端则不需要发出高频信号使保护动作于跳闸，这样就可以保证在内部故障并伴随有通道的破坏是（例如通道所在的一相接地或是断线），保护装置仍能够正确动作，这是它的主要优点，也是这种高频信号工作方式得到广泛应用的主要原因之一。对接于相电流和相电压（或线电压）上的功率方向元件，当系统发生振荡且振荡中心位于保护范围以内时，由于两端的功率方向均为正，保护将要误动，这是一个严重的缺点。而对于反应负序或另序的功率方向元件，则不受振荡的影响。

由以上分析可以看出，距故障点较远一端的保护所感觉到的情况，和内部故障时完全一样，此时主要是利用靠近故障点一端的保护发出的高频闭锁信号，来防止远端保护的误动作。因此，在外部故障时保护正确动作的必要条件是靠近故障点一端的高频发信机必须起动，而如果两端起动元件的灵敏度不相配合时，就可能发生误动作。由于采用了两个灵敏度不同的起动元件，在内部故障时，必须起动远端元件动作后才能跳闸，因而降低了整套保护的灵敏度，同时也使接线复杂化。此外，对于这种工作方式，当外部故障时在远离故障点一端的保护，为了等待对端发来的高频闭锁信号，还必须要求起动元件远端的动作时间大于近端起动元件的动作时间，这样就降低了整套保护的动作速度。以上是这种保护的主要缺点。2.相差高频保护其基本原理在于比较被保护线路两端短路电流的相位。在此仍采用电流的给定正方向是由母线流向线路。当保护范围内部故障时，理想情况下，两端电流相位相同，两端保护装置应动作，使两端的断路器跳闸；当保护范围外部故障时，两端电流相位相差接近180°，保护装置则不应动作。区内故障：两侧电流同相位，发出跳闸脉冲；区外故障：两侧电流相位相差180°，保护不动作

为了满足以上要求，当采用高频通道经常无电流，而在外部故障时发出高频电流（即闭锁信号）的方式来构成保护时，在实际上可以做成当短路电流为正半周，使它操作高频发信机发出高频电流，而在负半周则不发，如此不断的交替进行。这样当保护范围内部故障时，由于两端的电流同相位，它们将同时发出闭锁信号也同时停止闭锁信号，因此，两端收信机所收到的高频电流是间断的。当保护范围外部故障时，由于两端电流的相位相反，两个电流仍然在它们自己的正半周发出高频信号。因此，两个高频电流发出的时间就相差半个周期(0.01s)。这样从两端收信机中所收到的总信号就是一个连续不断的高频电流。相差动高频保护也是一种传送闭锁信号的保护，也具有闭锁式保护所具有的缺点，需要两套起动元件。用来鉴别是连续的还是间断的以及间断角度大小的回路称为相位比较回路。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和接地。

过负荷、温升过高以及油面下降超过了允许程度等。

6.3变压器保护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。6.3.2变压器的瓦斯保护1.瓦斯保护工作原理

电力变压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.瓦斯继电器的安装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。

瓦斯保护动作快，灵敏度高，结构简单，并能反映变压器油箱内的各种故障，在工厂中使用相当广泛，但它不能反映变压器引出端子以上的故障。

瓦斯保护的原理接线图6.3.3变压器纵差动保护1.变压器纵差动保