供电技术(余建明)4-供电系统的继电保护

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、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。

2．继电保护装置的基本要求

选择性快速性可靠性灵敏性

(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。

继电保护装置灵敏度

(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、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……例如——过电流继电器来自电流互感器二次侧的电流I，加入到过电流继电器的输入端。当电流I大于由继电器的安装位置和工作任务而预先给定的动作值Iop时，比较环节有输出。在电磁型继电器中，由于需要靠电磁转矩驱动机械触点的转动与闭合，需要一定的功率和时间，继电器有自身固有动作时间（几毫秒），一般的干扰不会造成误动；在数字型继电器中，由于其动作速度快、功率小，为提高动作的可靠性并防止干扰信号引起的误动作，故考虑了必须使测量值大于动作值的持续时间超过2~3ms时，继电器才能动作于输出。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0.85~0.95。三、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

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接线系数kkx的值

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

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

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1.15~1.25

；

——自起动系数，由负荷性质及线路接线决定，一般取1.5~3；

Kre——保护装置的返回系数，工程上一般采用0.85~0.95

；

——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

=

(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1.2～1.3；——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0.5~1.5s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=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。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10~15s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。