电力工程课件-电力系统继电保护(二次系统)

第六章电力系统继电保护电力系统概论3/26/20241河北科技大学电气工程系第六章电力系统继电保护6.1二次接线的基本概念和二次回路图6.2继电保护的基本知识6.3常用保护继电器6.4线路的电流保护6.5其他类型的继电保护简介3/26/20242Tuesday,March26,20246.1二次接线的基本概念和二次回路图3/26/20243Tuesday,March26,2024对一次设备的工作状态进行监视、测量、控制和保护的辅助电气设备称为二次设备。变电所的二次设备包括测量仪表、控制与信号回路、继电保护装置以及远动装置等。它们相互间所连接的电路称为二次回路或二次接线。

二次回路按照功用可分为控制回路、合闸回路、信号回路、测量回路、保护回路以及远动装置回路等；按照电路类别分为直流回路、交流回路和电压回路。反映二次接线间关系的图称为二次回路图。二次回路的接线图按用途可分为原理接线图、展开接线图和安装接线图3种形式。3/26/20244Tuesday,March26,2024供配电系统的二次回路功能示意图如图所示。3/26/20245Tuesday,March26,2024图中，断路器控制回路的主要功能是对断路器进行通、断操作，当线路发生短路故障时，电流互感器二次回路有较大的电流，相应继电保护的电流继电器动作，保护回路做作出相应的动作，一方面保护回路中的出口(中间)继电器接通断路器控制回路中的跳闸回路，使断路器跳闸，断路器的辅助触点启动信号系统回路发出声响和灯光信号；另一方面保护回路中相应的故障动作回路的信号继电器向信号回路发出信号，如光字牌，信号掉牌等。

操作电源主要是向二次回路提供所需的电源。电压、电流互感器还向监测、电能计量回路提供主回路的电流和电压参数。3/26/20246原理接线图

原理接线图用来表示继电保护、监视测量和自动装置等二次设备或系统的工作原理，它以元件的整体形式表示各二次设备间的电气连接关系。通常在二次回路的接线原理图上还将相应的一次设备画出，构成整个回路，便于了解各设备间的相互工作关系和工作原理。

6～10kV高压线路电气测量仪表原理接线图3/26/202476.2继电保护的基本知识

3/26/20248常用保护装置的类型（1）继电保护。继电保护是用各种不同类型的继电器按一定方式连接和组合，构成继电保护装置。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。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。继电保护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。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。这种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。

3/26/20249电力系统继电保护装置是一种能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种反事故自动装置。

一、继电保护的作用自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除，使其他非故障部分迅速恢复正常运行。能正确反应电气设备的不正常运行状态，并根据要求发出报警信号、减负荷或延时跳闸。它的基本任务是：3/26/202410测量部分：从被保护对象输入有关信号，并与给定的整定值进行比较，决定保护是否动作；逻辑部分：根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，进行逻辑判断，以确定保护装置是否应该动作；执行部分：根据逻辑部分做出的判断，执行保护装置所担负的任务（跳闸或发报警信号）。

二、继电保护的基本原理图6-1继电保护装置组成方框图断路器跳闸或报警信号3/26/2024111故障时电流上升，构成过电流保护；2故障时电压下降，构成低电压保护；3电压和电流比值的变化，构成阻抗（距离）保护；4电压和电流相位角的变化，构成方向保护。3/26/202412

继电保护装置的组成继电保护装置是由若干个继电器组成的，如图所示，当线路上发生短路时，起动用的电流继电器KA瞬时动作，使时间继电器KT起动，KT经整定的一定时限后，接通信号继电器KS和中间继电器KM，KM触头接通断路器QF的跳闸回路，使断路器QF跳闸。3/26/202413

三、对继电保护的基本要求（1）选择性：保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，最大限度地保证系统中的非故障部分继续运行。图6-2电力系统继电保护选择性说明图k3点故障QF6动作3/26/202414（2）快速性（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。（3）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。

3/26/202415（4）灵敏性：指保护装置对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反映能力。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，一般都用灵敏系数来衡量，灵敏系数大，灵敏度越高。

对于反应故障时参数量增加的保护（如过电流保护）：对于反应故障时参数量降低的保护（如低电压保护）：3/26/202416被保护的电气设备继电保护装置类型最低灵敏度Sp

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表

电流继电保护装置灵敏度

3/26/2024176.2常用保护继电器

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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。高压系统应用的的保护继电器一般都属于二次式继电器。

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电磁继电器作用原理1—铁心；2—衔铁；3—线圈；4—接点（触头）；5—弹簧

电磁式电流和电压继电器在继电保护装置中均为启动元件，属于测量元件。

一、电磁型继电器（DL型）3/26/2024201．电磁型电流继电器（KA）结构：如图6-3所示。工作原理：当在继电器线圈中通入电流IK时，电磁铁产生的电磁力Fem。当电磁力Fem大于弹簧的反作用力Fsp和摩擦力Ffr时，继电器便产生动作。图6-3电磁式电流继电器结构图1－线圈2－电磁铁3－钢舌片4－静触点5－动触点

6－起动电流调节转杆7－标度盘（铭牌）8－轴承

9－反作用弹簧10－转轴3/26/202421动作电流：能使继电器产生动作的最小电流，称为继电器的动作电流，用Iop.K表示。返回电流：能使继电器返回到原始位置的最大电流，称为继电器的返回电流，用Ire.K表示。返回系数：是指继电器的返回电流与动作电流的比值，用Kre表示，即继电器动作后，减小IK就能使继电器返回原位。对于过电流继电器，Kre＜1，一般要求

Kre

=0.8～0.9；对于欠电流继电器，Kre

＞1，一般要求

Kre=1.06～1.2。3/26/2024222．电磁型电压继电器（KV）其结构和原理与电磁型电流继电器相似，在供配电系统中多用低电压（欠电压）继电器。动作电压：能使继电器产生动作的最高电压，称为继电器的动作电压，用Uop.K表示。返回电压：能使继电器返回到原始位置的最低电压，称为继电器的返回电压，用Ure.K表示。返回系数：是指继电器的返回电压与动作电压的比值。说明：低电压继电器的返回系数Kre＞1，一般为1.25。3/26/2024233．时间继电器(KT)的作用：使保护装置获得一定的延时，以保证保护装置动作的选择性。当继电器的线圈接上工作电压时，经过一定的时间，继电器的触点才动作。4.中间继电器(实质上是电压继电器KM)的作用:

5.信号继电器(KS)的作用：用于各保护装置回路中，作为保护动作的指示信号，以提醒运行人员注意。为了扩充保护装置出口继电器的接点数量（一般有8对）和容量；使触点闭合或断开时带有不大的延时(0.4～0.8s)；通过继电器的自保持，以适应保护装置的需要。3/26/202424

二、感应型继电器（GL型）结构：如图6-4所示。感应系统：由线圈1、带短路环3的电磁铁2和铝盘4组成，它的动作是有时限的；电磁系统：由线圈1、电磁铁2和衔铁15组成，它的动作是瞬时的。图6-4感应式电流继电器结构图1—线圈2—电磁铁3—短路环4—可转铝盘5—钢片6—可偏铝框架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3/26/202425

GL型电流继电器的功能：兼有电磁型电流继电器、时间继电器、信号继电器和中间继电器的功能。因此，可用感应型电流继电器实现过电流保护和电流速断保护，从而使保护接线大大简化。

三、静态继电器静态继电器是指用模拟电子电路及部分数字电路构成的电子型继电器，分为晶体管型和集成电路型继电器两类。静态继电器的“静态”是相对于电磁型继电器的“触点”动作而言的，它的信息传递是通过“0、1”开关信息传递的。静态继电器是用硅材料为主构成的继电器，因此又叫“固体”继电器。3/26/202426各种继电器的表示符号和图形符号3/26/2024276.3线路的电流保护

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一、保护装置的接线方式接线系数：在继电保护回路中，流入继电器中的电流IK与对应电流互感器的二次电流I2的比值，称为接线系数，即3/26/202429电流互感器与电流继电器之间的接线方式

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3/26/202430（1）三相完全星形接线方式（三相三继电器式接线）图

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。用于高压大接地电流系统（中性点直接接地），保护相间短路和单相短路。

电路特点3/26/202431（2）两相两继电器式接线和两相三继电器式接线三相不完全星形接线方式图

两相式接线电路特点所用元件较少，KM＝1

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用于小接地电流系统的相间短路保护3/26/202432（3）两相一继电器式接线（两相差式接线）电路特点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。Kw不同。不能反应出第三相（B相）的单相接地短路故障

用于6-10kV和高压电动机的保护正常运行或三相短路时：发生A、C两相短路时：A、B或B、C两相短路时：3/26/202433二、继电保护装置的操作电源

继电保护装置的操作电源，有直流操作电源和交流操作电源两大类。由于交流操作电源具有投资小、运行维护方便及二次回路简单、可靠等优点，因此它在中、小型工厂应用最为广泛。交流操作继电保护装置

直接动作式

去分流跳闸式3/26/202434（1）直接动作式利用断路器操作机构内的过电流脱扣器（跳闸线圈）YR作为电流继电器直接动作于跳闸，可接成两相两继电器式或两相差式接线。正常运行时，YR流过的电流小于YR的动作电流，不动作。当一次电路发生相间短路时，短路电流反映到电流互感器的二次侧，流过YR的电流达到动作值，使断路器QF跳闸。这种接线保护灵敏度低.直接动作式过电流保护电路3/26/202435（2）去分流跳闸式正常运行时，电流继电器KA的常闭接点将跳闸线圈YR短路，YR无电流流过，断路器QF不会跳闸。而在一次电路发生相间短路时，KA动作，其常闭接点断开，使YR的短路分流支路被去掉（即“去分流”），电流互感器的二次侧的电流全部流过YR，断路器跳闸。这种接线简单，灵敏度较高，但要求继电器的触点容量较大。去分流跳闸式过电流保护电路3/26/202436

当通过线路的电流大于继电器的动作电流，保护装置启动，并用时限(各个保护装置具有不同的延时动作时间-时间继电器)保证动作的选择性。每一线路的过电流保护除保护本线路外，还对相邻下一线路起后备保护。越靠近电源的线路，保护动作时限就越长，称阶梯式时限特性。

短路离电源越远，故障电流越小。

三、过电流保护3/26/2024371.过电流保护的原理和组成定时限过电流保护的动作原理和组成（图6-11）图6-11定时限过电流保护的原理图和展开图a）原理图b）展开图3/26/202438

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。这种保护装置的动作时间是预先整定的，不随短路电流大小的变化而变化，因而称为定时限。定时限过电流保护在工厂供电系统中多采用两相式接线（2个电流继电器）。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。3/26/202439反时限过电流保护的动作原理和组成（图6-12）图6-12反时限过电流保护的原理图和展开图a）原理图b）展开图3/26/202440

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（反时限）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，其动断触点闭合，动合触点断开，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，动合触点闭合，接通YR，动断触点断开，去掉分流使YR得电带动断路器跳闸。3/26/2024412.过电流保护装置的整定计算动作电流：

Iop＞

IL.max保护装置的动作电流Iop应躲过线路的最大负荷电流IL.max，以免在最大负荷通过时保护装置误动作。即

图6-13过电流保护的计算示意图返回电流也应该躲过线路的最大负荷电流，以保证保护装置在外部故障切除后，能可靠地返回到原始位置，避免发生误动作。3/26/202442①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。②反时限过电流保护的动作时限整定和配合。为了保证各保护装置动作的选择性，反时限过电流保护装置也应该按照阶梯原则来选择。对反时限过电流保护装置，

t一般取0.7s。动作时限：3/26/202443动作时限：应按“阶梯原则”整定（见图6-14）定时限过电流保护：反时限过电流保护：图6-14过电流保护整定说明图a）电路b）定时限过电流保护的时限整定c）反时限过电流保护的时限整定即3/26/202444过电流保护的评价：优点：既可作本级近后备，又可作下级远后备。缺点：越靠近电源端，定时限过电流保护的动作时限反而越长，因此不能作为主保护；反时限过电流保护的接线简单，但动作时限整定复杂。3/26/202445四．线路的过负荷保护（补充）线路的过负荷保护线路图动作于信号3/26/202446五电流速断保护线路越靠近电源，过电流保护的动作时限就越长，而短路电流也越大，危害也越大，这是过电流保护的不足。国家规定，当过电流保护动作时限超过0.5s-0.7s时，应该装设瞬动的电流速断保护。电流速断保护是一种无时限的过电流保护。3/26/2024471．电流速断保护的组成及整定图

电流速断保护的原理图

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。（大于）

保护范围死区3/26/2024482．瞬时电流速断保护的原理接线图（图6-18）瞬时电流速断保护的评价：优点：简单可靠，动作迅速；缺点：其动作电流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”。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。图6-18瞬时电流速断保护的单相原理接线图3/26/202449按GB50062—1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》规定；对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。

作为线路的相间短路保护，主要采用带时限的过电流保护和瞬时动作的电流速断保护(按规定，过电流保护的时限不大于0.5～0.7s时，可不装设瞬时动作的电流速断保护)。相间短路保护应动作于断路器的跳闸机构，使断路器跳闸，切除短路故障部分。对可能经常过负荷的电缆线路，按GB50062—1992规定，应装设过负荷保护，动作于信号。3/26/202450

七、三段式过电流保护由瞬时电流速断保护（第Ⅰ段）、带时限电流速断保护（第Ⅱ段）和定时限过电流保护（第Ⅲ段）配合构成的一整套保护，称为三段式过电流保护。1.三段式过电流保护的保护范围及时限配合（图6-21）第Ⅰ段与第二段联合：为本线路的主保护。第Ⅲ段：作为本线路的近后备和相邻线路保护的远后备。某些情况下，可以只有两段保护。3/26/202451其他线路保护方向保护用于35Kv以下两侧电源辐射型网络和单电源环形网络的主保护。（方向继电器）

距离保护

35Kv电网的主保护，及不要求全线速动的110Kv以上电网的主保护；

要求全线速动的110Kv以上电网的后备保护。

高频保护1）利用电力线载波通讯技术：50—300KHz2）微波通讯：

3000—30000MHz

主要用于220Kv以上线路的主保护，实现全线速动保护。3/26/2024526.4其他类型的继电保护简介

3/26/202453一电力变压器的保护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。

3/26/2024542.变压器的保护装置（1）带时限的过电流保护装置。（2）电流速断保护装置。主要是对变压器的内部故障，如相间短路等进行保护。

（3）瓦斯保护装置。（4）过负荷保护装置。（5）温度保护装置。3/26/2024553．电力变压器的瓦斯保护瓦斯继电器有浮筒式和开口杯式。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。

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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。3/26/202457当变压器内部发生轻微故障时，电弧高温使油分解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”。

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”。3/26/202458瓦斯保护的原理接线图瓦斯保护动作快，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。3/26/202459Tuesday,March26,2024NSP712变压器差动保护，适用于110kV及以下电压等级的双圈、三圈变压器，满足三侧差动的要求。

主要功能：

（1）

差动速断保护；比率差动保护，采用二次谐波制动；

（2）

复合电压过流保护；零序电压保护；过负荷保护；

（3）

CT断线判别等功能。

典型应用：

国内由本公司实施的工程中已有数十套运行于220kV、110kV和35kV等各级电压变电站和发电厂中。3/26/202460Tuesday,March26,2024发电机保护：差动保护，失磁保护，接地保护母线保护：差动保护电动机保护：差动保护，电流速断保护，接地保护断路器失灵保护：主要用于110Kv以上线路的后备保护（双跳闸回路与线圈）电力电容器保护：过流保护，差动保护，过压保护3/26/202461Tuesday,March26,2024NSP711发电机保护装置，适用于大、中、小型汽轮发电机、水轮发电机、燃汽轮发电机等类型的发电机直接上网接线方式、发电机变压器组单元接线方式等。NSP711适用的几种典型接线方式为：

（1）用于直接上网的发电机保护

（2）用于大型发变组的发电机专用保护3/26/202462Tuesday,March26,2024主要功能

（1）

差动速断保护和比率差动保护，采用二次谐波制动，复合电压闭锁过流；

（2）

定子接地保护（1、电流型，