《电力工程基础》第6章电力系统继电保护

电力工程基础电力工程基础第六章电力系统继电保护第六章电力系统继电保护

6.1继电保护的基本知识

6.2常用保护继电器

6.3线路的电流电压保护

6.6距离保护简介

6.7电力变压器的保护6.1继电保护的基本知识

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：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（跳闸或发信号）。6.1继电保护的基本知识

二、继电保护的基本原理6.1继电保护的基本知识

三、对继电保护的基本要求选择性：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。速动性：继电保护装置应以尽可能快的速度将故障元件从电网中切除。6.1继电保护的基本知识

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。保护装置的灵敏性，通常用灵敏系数Ks来衡量。

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）：可靠性：指保护装置该动时不能拒动；不该动时不能误动。6.2常用保护继电器

一、电磁型继电器（DL型）1．电磁型电流继电器

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为：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。6.2常用保护继电器

因此，欲使继电器动作的必要条件是：

Fem≥Fsp+Ffr

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。调整继电器动作电流的方法有：改变继电器线圈匝数NK（级进调节）；调节反作用弹簧的松紧，即调节Fsp（平滑调节）；调整衔铁与电磁铁之间的气隙长度，即调节Rm。

6.2常用保护继电器

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。欲使继电器返回的必要条件是：

Fsp≥

Fem+Ffr

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。6.2常用保护继电器

2．电磁型电压继电器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。注意：低电压继电器的返回系数Kre＞1，一般为1.25。6.2常用保护继电器

3．时间继电器的作用：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。4.中间继电器的作用:

5.信号继电器的作用：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。6.3线路的电流电压保护

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

设电流互感器的变比为，保护装置的动作电流为Iop，则相应的电流继电器的动作电流为6.3线路的电流电压保护

1．三相完全星形接线方式（图6-7）特点：可以反映各种形式的故障，其接线系数Kw=1。2．三相不完全星形接线方式（图6-8）特点：可以反映除B相单相接地短路以外的所有故障，其接线系数Kw=1。6.3线路的电流电压保护

3．两相电流差接线方式（图6-9）

流入继电器中的电流等于A、C两相电流互感器二次电流之差，即

特点：各种短路形式下的接线系数不同，如图6-10所示。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：6.3线路的电流电压保护

一般情况下：保护整定时取；灵敏度校验时取Kw

＝1。6.3线路的电流电压保护

二、过电流保护1.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）6.3线路的电流电压保护

反时限过电流保护的动作原理和组成（图6-12）6.3线路的电流电压保护

2.过电流保护（III段）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，即

6.3线路的电流电压保护

动作时限：应按“阶梯原则”整定，即定时限过电流保护：反时限过电流保护：定时限过电流保护的动作时间取决于时间继电器预先整定的时间，与短路电流的大小无关；反时限过电流保护的动作时间根据前后两级保护的GL型电流继电器的动作特性曲线来整定。6.3线路的电流电压保护

灵敏度校验：式中，为系统最小运行方式下本线路末端（作近后备时）或相邻线路末端（作远后备时）的两相短路电流。作远后备时，要求Ks≥1.2；作近后备时，要求Ks≥1.3~1.5。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。若灵敏度不满足要求，可采用低电压闭锁过电流保护来提高其灵敏度。6.3线路的电流电压保护

三、低电压闭锁的过电流保护该保护装置有两个测量元件:

过电流继电器KA欠电压继电器KV

动作电流按躲过正常负荷电流整定。可提高保护的灵敏度。6.3线路的电流电压保护

四、瞬时电流速断保护（I段）1．瞬时电流速断保护的作用原理与整定计算（图6-17）曲线1——

曲线2——

直线3——瞬时电流速保护的动作电流。动作电流：躲过本保护区末端B处的最大短路电流，即式中，Krel取1.2~1.3。6.3线路的电流电压保护

灵敏度校验：要求其最小保护范围lmin不小于线路全长的15%～20%。若灵敏度不满足要求，可采用电流电压联锁保护来提高其灵敏度。2．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：不能保护线路全长，有保护死区。6.3线路的电流电压保护

五、电流电压联锁速断保护

整定原则：和瞬时电流速断保护一样，按躲过线路末端故障来整定。通常按经常运行方式下电流元件和电压元件的保护范围相等来进行整定计算。6.3线路的电流电压保护

当下一级线路首端发生短路时：保护范围由电流继电器决定保护范围由电压继电器决定

可见，在这两种情况下都能保证选择性，且保护范围均比正常情况下的保护范围小。由图6-19知，电流电压联锁速断保护的最小保护范围比瞬时电流速断保护的保护范围大，即，所以灵敏度比瞬时速断保护高。6.3线路的电流电压保护

六、带时限电流速断保护（II段）动作电流：躲过相邻线路瞬时电流速断保护的动作电流，即式中，Krel取1.1~1.2。动作时限：灵敏度校验：≥1.3～1.5若灵敏度不满足要求，可与下一级相邻线路的带时限电流速断保护相配合。6.3线路的电流电压保护

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：为本线路的辅助保护，动作电流为，保护范围为，动作时间为继电器的固有动作时间；第Ⅱ段：为本线路的主保护，动作电流为，保护范围为，动作时间；第Ⅲ段：作为本线路的近后备和相邻线路保护的远后备，动作电流为，保护范围为，动作时限。6.3线路的电流电压保护

6.3线路的电流电压保护

2.三段式过电流保护的构成（图6-22）第I段：由KA1、KA2、KM和KS1组成；第II段：由KA3、KA4，KT1和KS2组成；第III段：由KA5、KA6、KA7，KT2和KS3组成。例6-1

（见教材194页）6.6距离保护简介一、距离保护的基本概念

距离保护是反应保护安装处至故障点的距离（或阻抗），并根据距离的远近而确定是否动作的一种保护装置。

正常工作时，保护安装处测量到的电压为，电流为负荷电流，比值基本上是负荷阻抗，其值较大。当系统短路时，保护安装处测量到的电压为残余电压，电流为短路电流，比值为短路阻抗，其值较小。距离保护的工作原理距离保护的优点：由于只与短路点到保护安装处的距离有关，因此，用构成的距离保护，其保护范围基本上不受运行方式变化的影响。

6.6距离保护简介距离保护的保护范围

距离保护的保护范围用整定阻抗Zset值的大小来表示。

当线路发生短路时，若距离保护的测量阻抗Zm小于整定阻抗，即Zm＜Zset，保护动作；若Zm＞Zset，则保护不动作。因此，距离保护实质上是一种低量动作保护。二、距离保护的时限特性采用三段式阶梯延时特性，如图6-40所示。

第I段：保护范围为本线路全长的80%～85%，动作时限为继电器本身的固有时间。第II段：保护范围为本线路全长的125%，其动作时限应比下一线的第I段保护动作时限大

。6.6距离保护简介第III段：保护范围较长，包括本线路和下一线路全长乃至更远，其动作时限应比下一线路第III段的动作时限大。6.6距离保护简介三、距离保护的主要组成元件

三段式距离保护装置的简化逻辑框图如图6-41所示。方向元件：可采用单独的功率方向继电器，但更多的是采用方向阻抗继电器，既作为方向元件，又作为阻抗元件。测量元件：采用带方向性的阻抗继电器。时间元件：采用时间继电器或延时电路。起动元件：采用过电流继电器或阻抗继电器。6.6距离保护简介四、阻抗继电器的基本构成原理与动作特性

图6-42中，设BC线路距离Ⅰ段的整定阻抗Zset=0.85ZBC，并设，则阻抗继电器的动作特性应是在Zset范围内的一条线段，通常用包含该线段在内的一个圆来表示。6.6距离保护简介全阻抗继电器：以B点为圆心，以Zset为半径得到的圆1，称为全阻抗继电器的特性圆。方向阻抗继电器：以B点为圆心，以Zset为直径得到的圆2，称为方向抗继电器的特性圆。

全阻抗继电器在线路反方向短路时也动作，即继电器没有方向性，因此，必须和方向元件配合使用使其反方向短路时不动作。

由特性圆2可以看出，当方向阻抗继电器的整定阻抗角与线路的阻抗角相等，即时，继电器的动作阻抗Zop最大（等于圆的直径），保护范围最长，继电器最灵敏。此时的整定阻抗角称为阻抗继电器最大灵敏角，用表示。6.7电力变压器的保护一、电力变压器的故障类型和应装设的保护故障类型内部故障绕组的匝间短路绕组的相间短路单相接地短路外部故障相间短路单相接地短路异常运行状态变压器过负荷外部短路引起的过电流油箱漏油引起的油面过低外部接地故障引起的中性点过电压变压器油温升高6.7电力变压器的保护二、瓦斯保护瓦斯继电器的结构和工作原理

瓦斯继电器安装在油箱与油枕之间的连接管道上，如图6-43所示。图6-43瓦斯继电器安装示意图一对触点在变压器油箱内发生轻微故障时动作，作用于信号——轻瓦斯动作；另一对触点在变压器油箱内发生严重故障时动作，作用于跳闸——重瓦斯动作。

瓦斯继电器有两对灵敏的触点：6.7电力变压器的保护图6-44FJ3-80型瓦斯继电器的结构示意图

图6-44为目前在我国电力系统中推广应用的开口杯挡板式瓦斯继电器的内部结构。正常运行时：上、下触点均断开。油箱内部发生轻微故障时：上触点闭合，发出信号——轻瓦斯动作。油箱内部发生严重故障时：下触点闭合，发出跳闸脉冲——重瓦斯动作。变压器漏油使油面逐渐降低时：首先是上触点闭合发出报警信号，然后下触点闭合发出跳闸脉冲。6.7电力变压器的保护变压器瓦斯保护的接线图（图6-45）注意：由于重瓦斯保护是靠油流的冲击而动作的，而油流速度的不稳定可能造成触点的抖动，为使断路器能可靠跳闸，出口中间继电器KM必须有自保持回路。优点：动作迅速、灵敏度高、能反应油箱内部发生的各种故障。缺点：不能反应变压器外部端子上的故障。6.7电力变压器的保护三、电流速断保护

当变压器电源侧为小接地电流系统时，保护可采用两相式接线；当电源侧为大接地电流系统时，可采用三相式或两相三继电器式接线。对于容量较小的变压器，应在电源侧装设电流速断保护。四、变压器的纵联差动保护1.纵联差动保护的基本原理双绕组变压器差动保护的原理接线如图6-46所示。若灵敏度不满足要求，可改用差动保护。6.7电力变压器的保护正常运行或外部短路时（k1点）：——继电器不动作。内部短路时（k2点）对双侧电源：

对单侧电源：

——继电器动作。6.7电力变压器的保护五、变压器相间短路的后备保护1．过电流保护

过电流保护应装在变压器的电源侧，采用完全星形接线，其单相原理接线如图6-51所示。动作电流：应躲过变压器可能出现的最大负荷电流。6.7电力变压器的保护2．低电压起动的过电流保护（图6-52） 6.7电力变压器的保护3．复合电压起动的过电流保护（图6-53）6.7电力变压器的保护当采用低电压起动的过电流保护，电压元件的灵敏度不满足要求时，可采用复合电压起动的过电流保护。灵敏度高，应用较广泛。4．三绕组变压器过流保护的装设原则对单侧电源的三绕组变压器，一般应装设两套过电流保护，如图6-54所示。6.7电力变压器的保护一套装在负荷侧（如II侧），该侧外部短路时，保护以时限跳开QF2。另一套装在电源侧（I侧），它有两个动作时限和。当III侧外部故障时，保护以时限（≥

）跳开QF3，使I、II侧继续运行。当变压器内部故障而主保护拒动时，保护以时限

,(≥

）跳开三侧断路器。

6.7电力变压器的保护对多侧均有电源的三绕组变压器，应在三侧都装设独立的