继电保护的作用及原理

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发展的一种自动化措施和设备。

实现这种自动化措施的成套设备，一般通称为继电保护装置。

基本原理

继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了

故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要

根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。

电力系统发生故障后,工频电气量变化的主要特征是：

a.电流增大

短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增大

至大大超过负荷电流。

b.电压降低

当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且

越靠近短路点，电压越低。

c电流与电压之间的相位角改变

正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数角，一般约为20。，三相

短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60。〜85。，

而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180。+(60°~85°)。

d.测量阻抗发生变化

测量阻抗即测量点（保护安装处）电压与电流之比值。正常运行时，测量阻抗为

负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减

小，而阻抗角增大。

不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负

序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常

运行时是不出现的。利用短路故障时电气量的变化，便可构成各种原理的继电

保护。

此外，除了上述反应工频电气量的保护外，还有反应非工频电气量的保护，如

瓦斯保护。

基本要求

继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性

和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个

基本要求，而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，

这四个基本要求中有些要求可以降低。

①选择性

选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的

设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应

由相邻设备或线路的保护将故障切除。

②速动性

速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、

低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

一般必须快速切除的故障有:

a.使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值（一般为0.7倍额定电压）。

b.大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。

c.中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。

d.可能危及人身安全、对通信系统造成强烈干扰的故障。

故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为

0.04s~0.08s,最快的可达0.01s~0.04s,一般断路器的跳闸时间为0.06s~

0.15s,最快的可达0.02s~0.06s。

对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选

择性的条件，带延时地发出信号。

③灵敏性

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况

时，保护装置的反应能力，保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。

能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和

短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不

但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下

经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。

系统最大运行方式：

被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大

运行方式。

系统最小运行方式：

在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最

小的运行方式。

④可靠性

可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。

a.安全性

要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。

b.信赖性

要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒

动。

继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害，即使对于相同的电

力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒助对系统的影响也会发生变化。

以上四个基本要求是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保

护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，

在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质,辩证地进行统一。

基本任务

电力系统继电保护的基本任务是：

①自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继

续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。

②反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（如有无经常值班

人员）而动作于信号,以便值班员及时处理，或由装置自动进行调整，或将那

些继续运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予以切除。此时一般不要

求保护迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，

以免暂短地运行波动造成不必要的动作和干扰而引起的误动。

③继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，

采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的

可靠性。

分类

继电保护可按以下4种方式分类：

①按被保护对象分类

有输电线保护和主设备保护（如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保

护）。

②按保护功能分类

有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护；

后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护

等。

③按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类

有模拟式保护和数字式保护，一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运

算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；

采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反应的是将模拟量经采样和模/

数转换后的离散数字量，这是数字式保护。

④按保护动作原理分类

有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差幼保

护、纵联保护、瓦斯保护等。

异常

发现继电保护运行中有异常或存在缺陷时，除了加强监视外，对能引起误动的

保护退其出口压板，然后联系继保人员处理。

如有下列异常情况，均应及时退出：

①母差保护

在发出“母差交流断线"、"母差直流电压消失"信号时；母差不平衡电流不

为零时；无专用旁路母线的母联开关串代线路操作及恢复倒闸操作中。

②局）频保护

当直流电源消失时；定期通道试验参数不符合要求时；装置故障或通道异常信

号发出无法复归时；旁母代线路开关操作过程中。

③距离保护

当采用的PT退出运行或三相电压回路断线时；正常情况下助磁电流过大、过

小时；负荷电流超过保护允许电流相应段时。

④微机保护

总告警灯亮，同时四个保护（高频、距离、零序、综重）之一告警灯亮时，退

出相应保护；如果两个CPU故障，应退出该装置所有保护；告警插件所有信

号灯不亮，如果电源指示灯熄灭，说明直流消失,应退出出口压板，在恢复直

流电源后再投入；总告警灯及呼唤灯亮，且打印显示CPUxERR信号，如CPU

正常，说明保护与接口CPU间通讯回路异常，退出CPU巡检开关处理，若信

号无法复归,说明CPU有致命缺陷,应退出保护出口压板并断开巡检开关处

理。

⑤瓦斯保护

在变压器运行中加油、滤油或换硅胶时；潜油泵或冷油器（散热器）放油险修

后投入时；需要打开呼吸系统的放气门或放油塞子，或清理吸湿器时；有载调

压开关油路上有人工作时。

继电保护常见的故障分析

①电流互感饱和故障

电流互感器的饱和对电力系统继电保护的影响是非常之大。随着配电系统设备

终端负荷的不断增容，如果发生短路，则短路电流会很大。如果是系统在靠近

终端设备区的位置发生短路时，电流可能会达到或者接近电流互感器单次额定

电流的100倍以上。在常态短路情况下，越大电流互感器误差是随着一次短路

电流倍数增大而增大，当电流速断保护使灵敏度降低时就可能阻止动作。在线

路短路时，由于电流互感器的电流出现了饱和，而再次感应的二次电流小或者

接近于零，也会导致定时限过流保护装置无法展开动作。当在配电系统的出口

线过流保护拒绝动作时而导致配电所进口线保护动作了，则会使整个配电系统

出现断电的状况。

②开关保护设备的选择不当

开关保护设备的选择是非常重要的一项工作，现在的多数配电都在高负荷密集

的地区建立起开关站，也就是采用变电所一开关站一配电变压器的供电输电的

模式。在未实现继电保护自动化的开关站内，我们应当更多地采用负荷开关或

与其组合的继电器设备系统作为开关保护的设备。

继电保护故障的处理方法和措施

①常见的继电保护故障的处理方法

a.替换法

用完好的元件代替被认定有故障的元件，来判断它的好与坏，可以快速缩小故

障的查找范围；

b.参照法

通过对正常设备和非正常设备的相关技术参数对比，找出不正常设备的故障点。

这个方法主要用于检查接线错误、定值校验过程中测试值与预想值有比较大差

异的故障。在进行改造和设备更换之后二次接线不能正确恢复时，可参照同类

设备的接线。并在继电器定值校验时，如果发现某一只继电器测试值与整定值

相差得比较远，此时,不可以轻易做出判断，判断该继电器特性不好，应当调

整继电器上的刻度值，可用同只表计去测量其他相同回路同类继电器进行比较；

c短接法

将回路某一段或一部分用短接线短接，来进行判断故障是否存在短接线范围内

或者其他地方，这样来确定故障范围。此法主要是用在电磁锁失灵、电流回路

开路、切换继电器不动