电力系统继电保护技术简介

电力系统继电保护技术

1.1继电保护的基本概念

“继电”源于继电器（Relay）.最早诞生的继电器是电磁型过电流继电器。在正常情况

下，其触点是打开的。当输入电流大于预先设定的动作旦流（称为整定值）时，其触点将闭

合（启动）。只有当输入电流减小到小于返回电流时，继电器触点才重新打开（返回）。返回

电流小于启动电流。

无论启动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，不可能停留在某一个中间位置，这种

特性称为“继电特性”。

继电保护（RelayProtection）泛指能反应电力系统中电气设备发生的故障（如短路、

断线）或不正常运行状态（如过负荷），并动作于相应断路器跳闸或发出告警信号的一种自

动化技术和装置。

继电保护装置是保证电力元件安全运行的基本装备，任何电力元件不得在无继电保护

的状态下运行。

1.2继电保护研究的内容

•提出保护原理

在分析电网发生故障或不正常运行状态卜各种电气量或其他特征物理量（如变压器油

箱内的瓦斯）的变化规律的基础上，找出它们与正常运行状态的之间的差别，然后制定出合

理的保护动作判据。

•研制保护装置

根据已经提出的保护原理，设计实际装置来实现继电保护功能。

1.3继电保护分类

•按反应的电网运行状态分类

I）反应故障（包括短路和断线）状态，保护动作于用应断路器跳闸；

2）反应不正常运行状态（如过负荷、小电流接地系统发生单相接地故隙等），保护动作

于告警信号。

•按保护对象分类

如：变压器保护、线路保护、电容器保护等。

•按保护所起的作用分类

可分为主保护、后备保护和辅助保护。

主保护满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除所保护范围内的故障。

•按保护所起的作用分类

可分为主保护、后备保护和辅助保护。

后备保护指主保护或断路器拒动时用来切除所保护范围内故障的保护原理或装置，可分

为远后备保护和近后备保护。远后备保护由相邻电力设各或线路的保护来实现。近后备保护

由本电力设备或线路的另一套保护来实现（当主保护拒动时），或者由断路器失灵保护来实

现（当断路器拒动时，只动作于母联断路器和母线分段断路器）。

•按保护所起的作用分类

可分为主保护、后备保护和辅助保护。

辅助保护是为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行时所增设的

简单保护。

•按构成保护判据的特征物理量分类

如：电流保护、距离保护、差动保护等。

•按利用的故障信号频谱特征分类

I）工频分量；2）暂态分量

常规保护原理只反应工频分量。利用暂态分量可以构成各种超高速保护，如行波保护、

暂态保护等。

•按通信通道分类

主要针对线路保护而言。可分为有通道保护和无通道保护。前者包括高频保护、微波保

护、光纤保护等，后者包括所有只利用本端测量信号的保护原理。

•按保护装置结构型式分类

可分为机电型、静态型和微机型。

1.4继电保护的工作回路

总体构成：

继电保护装置

继电保护装置的构成：

•测最比较环节：测最特征量，并与整定值比较，以判断是否应该启动。

•逻辑判断环节：按一定逻辑关系判断是否发生区内故障。

•执行输出环节：负货发出保护动作脉冲信号。

出

输入输

号

信（接通跳闸或信号回路）

信号

整定值

1.5对继电保护的基本要求

对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性、选择性、速动性

和灵敏性。

•可靠性

包括安全性和信赖性，是对继电保护性能最根本的要求。安全性要求继电保护在不需要

它动作时可靠不动作，即不发生误动作。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，即不发生拒绝动作。

・选择性

指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障部分从电力系统中断开，最大限度地保

证系统中无故障部分仍能继续安全运行。它包含两层意思：

1）只应由装在故障元件上的保护装置动作切除故障：

2）力争相邻元件的保护装置对它起后备保护的作用。

选择性

•速动性

故障发生时，应力求保护装置能迅速动作切除故障元件，以提高系统稳定性，减少用户

经受电压骤降的时间以及故障元件的损坏程度。

故障切除时间等于保护装置和断路器动作时间的总和。一般快速保护的动作时间为

0.06s〜0.12s,最快的可达0.01s~0.04sc一般断路器的动作时间为0.06s~0.15s,最快的可达

0.02s-0.06so

保护动作速度越快，为防止保护误动采取的措施越复杂，成本也相应提高。因此，配电

网保护装置在切除故障时往往允许带有一定延时"

•灵敏性

指对于保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。在规定的保护范围内发生故

障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，保护装置都应能

灵敏反应，没有似动非动的模糊状态。保护装置的灵敏性通常用灵敏系数来衡量。根据规程

规定，要求灵敏系数在1.2~2之间。

实际工作中，在确定被保护元件的保护方式时，还要考虑其经济性要求，即在满足基本

保护功能要求的前提下，应尽可能减少投资。随着电力市场化进程的深入，对经济性要求越

来越重视，甚至把它和前面介绍的四个基本要求合在一起，称为保护的五个基本要求。

考虑经济性时，不能仅仅局限于保护装置本身投资的大小，还应从电网的整体安全及社

会利益出发，按被保护元件在电网中的作用和地位来确定保护方式，因为保护不完善或不可

靠造成的损失，一般都远远超过即使是最复杂的保护装置的投资。

对继电保护装置的各项基本要求是研究分析继电保护性能的基础。这些要求之间往往

是相互制约的，例如提高保护装置动作可靠性的措施，一般会造成动作速度及动作灵敏性下

降，并增加保护成本。因此，继电保护的研究、设计、制造和运行的绝大部分T作就是围绕

着如何处理好这些基本要求之间关系进行的。

实际工作中，要根据具体情况以及要解决的主要矛盾，统筹兼顾，寻求一个适当的解

决方案。

1.6继电保护发展概况

继电保护原理随着对电网故障特性认识的不断深入而呈现出低速、高速到超高速的发展

趋势。

破。

全数字式继电保护装置：

随着电子传感器及高速数据（光纤）通信技术的发展，微机保护装置可以通过通信接

口获取来自现场的数字化后的电压、电流信号，进而实现全数字式继电保护，使微机保护装

置的构成出现革命性的变化。

2.继电保护基本原理

2.1电流保护

（1）三段式电流保护

（2）反时限过电流保护

（3）方向电流保护

（4）零序电流保护

（1）三段式电流保护

包括：

1）无时限电流速断保护（I段保护）

2）带时限电流速断保护（II段保护）

3）定时限过电流保护（HI段保护）

它们可组合成两段或三段电流保护。

这三种电流保护都是反应电流增大而动作，区别主要在于按照不同的原则来整

定动作电流及动作时限。

（1）三段式电流保护

I段保护——

工作原理：

反应于短路电流幅值增大而瞬时动作。

为了保证选择性，被保护线路的保护动作电流要躲过（即大于）下级线路出口处（可

等同于被保护线路末端母线处）短路时可能出现的最大短路电流。

set.l-八rel'kC.max

I段保护-式中《为可靠系数:

动作电流的整定:set.2-Krel'kB.max心=1.2〜1.3

引入可靠系数的原因是消除整定值的计算和设置误差、短路电流中非周期分量等因素的

影响，使保护动作具有选择性，以确保在被保护线路以外出现故障时不会误动作。

动作时限的整定：

/I取决于保护装置本身固有的动作时间，一般小于10ms。考虑到躲过线路中避雷器的

放电时间为（40〜60）ms,一般人为地加入（60〜80）ms的动作延时，以防止保护误动作。

灵敏性校验：

有选择性的I段保护不可能保护线路的全长。因此，其灵敏性只能用保护范围的大小来

衡量，通常用线路全长的百分数来表示。当出现电网最小运行方式下的两相短路时，I段保

护范围最小。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验其保护范围，要求大于被保

护线路全长的（15-20）%。

保护的最小范围计算：

I、、於%L

&=-----；~~；—皿x100%〉（15〜20）%

Zs.max+ZlAninL

Eg——系统等效电源的相电碘：

Z，max—最小运行方式下保护舞处到

系统等效电源之间的阻抗；

Lmin一一I段最小保护范围长度；

z,——线路单位长度的正序阻抗；

L——被保护线路全长

评价：

主要优点是动作迅速，缺点是不可能保护线路的全长，并且保护范围受电网运行方式变

化及短路型式的影响。

II段保护—

工作原理：

从选择性出发，通过与下级线路保护在动作电流与动作时限上的配合，将保护范围延伸

到下级线路中去，从而能够以较小的时限快速切除被保护线路全线范围内的故障。

动作电流配合表示要躲过下级保护的动作电流。

动作时限配合表示在下级保护动作时限的基础上，增加一定的动作延时。

T11-了]式中K置为可靠性配合系数：

动作电流的整定：/„et7=K",||

set.2relset.lK胃=1.1〜1.2

考虑n段保护动作时，非周期分量已经衰减，因而可靠性配合系数比I段保护整定时所

取的可靠系数要小。

动作时限的整定:gl=十八，

△/通常取为0.5s。随着技术的发展，保护和断路器动作速度以及定时精度有了很大的提高。

为了缩短故障持续时间，减少故障引起的电压骤降对用电设备的影响，人们开始倾向于将△

，选得更小一些，如选为0.3s甚至更短。

灵敏性校验：

保护2的II段应采用系统最小运行方式下线路A-B末端（B母线）发生两相短路时的

短路电流计算灵敏系数，具体可以表示为：

K-'kB.min

△sen―"Tn

1set.2

为了保证在线路末端短路时，保护一定能够动作，要求Ksen21.3~1.5。

当灵敏系数不能满足要求时.，通常考虑降低H段的整定值，使之与下级线路n段保护

相配合。在这种情况下的动作时限应取为：

.II|A/

12—11+△，

考将达至l」（l〜l.2）s

评价：

主:要优点是能够保护线路全长，动作比较迅速（仅当与下级线路I段配合时），缺点是保护

范围受电网运行方式变化及短路型式的影响。

当被保护线路同时配备了I段和H段保护时，它们的联合工作就可以保证全线路范围内

的故障都能够在设定的时限（＜0,5s）内予以切除，在•般情况下都能够满足速动性的要求。

具有这种性能的保护称为该线路的“主保护”。

III段保护——

工作原理：

是一种过负荷保护，其动作电流按照躲开最大负荷电流来整定。其动作时限按选择性要

求来整定，是固定的（与电流的大小无关）。

它在正常运行时不启匆，而在电网发生故障时，则能反应于电流的增大而动作。

动作电流的整定：

K】llKK；；：-------可靠系数，一般取为.157.25；

/in=⑹住j系统等效电源之间的阻抗；

set丫7L.max

K[e七-------电动机自启动系数；

Krc-------过流返回系数一般取为0.85~0.95；

ILmax----------正常运行时最大负荷电流。

动作时限的整定:

灵敏性校验：

1）当作为本线路主保护时，应采用最小运行方式下本线路末端两相短路时的电流进行校

验，要求KsenN1.3~1.5c

2）当作为相邻线路的后备保护时，则应采用最小运行方式下相邻线路末端两相短路时的

电流进行校验，要求Ksen21.2。

3）对于同一故障点而言，各个过电流保护的灵敏系数必须相互配合，即要求越靠近故障

点的保护应具有越高的灵敏系数。

评价：

1）主要优点是不仅能够保护本线路的全长，而且也能保护相邻线路的全长，从而起到远

后备保护的作用。缺点是动作速度较慢。另外，由于要躲过电动机的自启动电流，因而降低

了反应故障的灵敏性。

2）对于靠近电源端的定时限过电流保护来说，不管短路电流多大，其动作延时都是很长

的。因此，定时限过电流保护仅用作本线路和相邻元件的后备保护。由于它作为相邻元件

后备保护的作用是在远处实现的，因此是属于远后备保护。

3）对于电网终端的过电流保护来说，动作延时并不长。因此，可以作为主保护兼后备保

护，而无需再装设无时限和带时限速断保护。

（2）反时限过电流保护

是动作时限与被保护线路中电流大小有关的一种保护，其动作时限与电流呈反时限特

性，即当电流大时，保护的动作时限短，而电流小时动作时限长。

C——启动电流；

—瞬时动作电流;

tb——瞬时动作时间。

反时限过电流保护起动电流的整定与定时限过电流保护类似。为保证选择性，保护的动

作时限的整定配合较复杂，当系统最小运行方式下短路时，其动作时限可能较长。因此，主

要用于单侧电源供电的终瑞线路和较小容量的电动机上，作为主保护和后备保护使用。

保护的反时限动作特性与电气设备发热特性相吻合,因此适合用于保护电动机等电气设

备；当作为终端线路保护时，容易与分支线路上的熔断器配合，保证其动作的选择性。

（3）方向电流保护

在双侧电源供电情况下，仅靠电流保护无法保证选择性，需要增加故障方向判别元件,

构成方向电流保护。

•当K1点短路时，对A侧电源来说，如果保证保护的选择性，要求保护3动作时间

大于保护4的动作的时问。

•当K2点故障时，却要求保护3的动作时间小于保护4的动作时间。

•解决方案是给电流保护加装一个短路电流方向闭锁元件，并将动作方向规定为短路

电流由母线流向线路。

•当双侧电源网络上的电流保护装设方向元件以后，就可以把它们拆开看成两个单侧

电源网络的保护，这两组方向保护之间不要求有配合关系，这样就可以采用单侧电

源网络的三段式电流保护的工作原理和整定计算原则。

•方向电流保护可通过判别短路功率的方向或电流、电压之间的相位关系来实现。

4）零序电流保护

•在中性点直接接地（如UOkV系统）或经小电阻接地的配电网中，当线路发生单相

或两相接地故障时，将出现很大的零序电流。

•对于采用单三角形接线的补偿电容器组，当任一台或数台电容器内部串联元件发生

击穿故障时，因三条支路电流失去平衡而同样会出现零序电流。

•在正常运行情况下，电网中并不存在零序电流。因此，可以利用零序电流构成继电

保护。

•与相电流保护相比，零序电流保护具有灵敏度高、动作速度快、不受负荷电流影响

的优点。

零序电流和零序电压一般通过专门的零序电流互感器和零序电压互感器（三相五柱式电压互

感器）获得。在微机保护装置中，也可以分别利用三相电流和三相电压来合成：

3/0=iA+iB+ic=u八+uB+uc

・零序电流保护•般由三段构成，第I段为无时限零序电流速断保护，第1I段为带时

限零序电流速断保护，第ni段为定时限零序过电流保护。三段式零序电流保扶的基

本工作原理，与一•般的三段式电流保护工作原理基本相同。

•在双电源或多电源电网中，一般有多台变压器中性点接地运行，零序电流保护往往

需要加装方向元件才能满足线路保护选择性要求。当被保护线路正方向发生短路时,

零序电压落后于零序电流；而当反方向发生短蟀时，零序电压超前于零序电流。因

此，通过测量零序电压、电流之间的相位关系，即可以判断接地故障的方向。

2.2距离保护

（1）距离测量的基本概念

（2）距离保护的阻抗整定原则

（3）三段式距离保护

（4）距离保护的构成原理

（1）距离测量的基本概念

•当配电线路发生短路故障时，故障点到保护安装处的距离可以通过“测量阻抗”来换

算。

•故障距离或故障后的测量阻抗与故障电流的大小无关，也基本不受电网运行方式的

影响。

•因此，通过测量故障距离可以实现继电保护，这就是距离保护，也称为阻抗保护，

其保护范围比较稳定。

（2）距离保护的阻抗整定原则

•距离保护动作时的阻抗值，整定为线路上被保护范围末端发生故障时的测量阻抗值。

•在被保护范围内故障时，测鼠阻抗小于整定值，保护动作；而在被保护范围外故障

时，测量阻抗大于整定值，保护不动作。

（3）三段式距离保护

类似于电流保护，距离保护也采用具有三段动作范围的阶梯时限特性，并分别称为距

离保护的I、II、IH段。

•距离I段是瞬时动作的，tl是其固有动作时间。距离I段只能保护本线路全长的

80%〜85%。为了切除本线路末端15%〜20%范围以内的故障，就需设置距离II

段。

•距离II段整定值的选择类似带时限电流速断，即应使其不超出下一条线路距离I段

的保护范围，同时带有一个的△，时限，以保证选择性。

•距离I段与II段的联合工作构成本线路的主保护。

•为了作为相邻线路保护和断路器拒动的后备保广，同时也作为本线路距离I、H段

的后备保护，还应该装设距离III段。对距离•III段整定值的考虑与过电流保护相似,

其起动阻抗要按般开正常运行时的负荷阻抗来选择，而动作时限则应使其比距离III

段保护范围内其它各保护的最大动作时限延长一个。

（4）距离保护的构成原理

主要由三种元伫构成。

主要由三种元件构成：

1）起动元件，在发生故障的瞬间起动整套保护，井和阻抗元件的输出组成与门，起动

出口回路动作于跳闸，以提高保护动作可靠性。

2）阻抗元件，是距离保护的核心元件，它测量故隙点到保护安装处之间的距离（阻抗）,

其作用与电流保护中的电流元件类似。

3）时间元件，用来建立阶梯性保护动作时限，以保证保护选择性。

2.3电压保护

电压保护一般用于无功补偿电容器组的保护，具体可以分为:

（1）过压保护

（2）失压保护

（3）零序电压保护

（I）过压保护

•当接有补偿电容器组的母线电压过高时，不但电容器的功率损耗和发热量随电压值

的平方增大，而且电容器的寿命也随之缩短。还有可能导致其过热损坏。

•我国有关规程规定补偿电容器允许在105%Ue下长期运行，在110%Ue下运行时间

不得超过6h。所以，电容器组的运行电压若超过1.05〜1.10倍额定电压，过压保护

应动作，把电容器从电网上切除。

•过压保护的动作时限应躲过电网可能发生的瞬时过电压。

（2）失压保护

当电容器组所接母线突然失压时，可能产生以下后果：

1）当电压突然恢复时，电源变压器与补偿电容器形成串联回路（即LC回路），在过渡

过程中，可能在电容器上出现过电压而损坏。

2）母线失压后，如在电容器上的残留电荷未完全释放的情形下，电压突然恢复，由于

合闸瞬间电源极性使残留与电源电压相加亦会使电容器损坏。

因此，失压保护必须在电容器组所接母线失压后，立即将其从电网上切除。

失压保护的启动电压应小于正常运行时电容器组配接母线可能出现的最低电压值，动

作时延应大于该母线上所接馈线短路保护的最长动作时延。但又应小于电源侧自动重合闸的

动作时延。

（3）零序电压保护

当补偿电容器组为三相星形接法时，当任一台或数台电容器内部串联元件发生击穿故障

时，三条支路电压不平衡，三相电压互感器二次电压相量和不为零，可由此构成零序电压保

护。

2.4纵联电流差动保护

（1）全线（回路）速动维电保护的必要性

（2）线路纵差保护

（3）变压器纵差保护

（1）全线（回路）速动继电保护的必要性

1）在电力系统中，为保证系统运行的稳定性，要求对超高压输电线路全长范围内的故

障进行无时限切除（即全线速动）；

2）在配电网中，一些重要的线路，如要求全线速动的110kV线路、110kV短线路以

及直接接入配电网的中小型分散发电厂的联络线等，需要配备能够保护线路全长的无时限速

断保护；

3）如果电网接有对电压骤降特别敏感的重要用电设备，也应无时限切除故障，以防止

故障持续时间过长引起长时间低电压，影响这些重要用电设备的正常运行；

4）对于变压器、发电机等元件，也需要其主保护在整个元件回路范围内具有速动特性;

5）所有单端电气展保护不具有全线（回路）速动特性；

6）解决问题的途径是通过纵向比较被保护设备两端的同类电气量（如电流、功率方向）

之间的差异，识别内部故障和外部故障。如果是内部故障，则两端的保护将各自瞬时动作于

跳闸。这种双端电气量保护称为纵联保护；

7）目前，在纵联保护中应用较为广泛的是纵联电流差动保护，简称纵差保护。

（2）线路纵差保护

MN

光纤通道

（3）变压器纵差保护

变压器纵差保护一般也称为变压器差动保护。

3.利用故障分量的继电保护原理

3.1故障信息与故障分量

3.2故障分量的提取

3.3故障分量的运用

3.1故障信息与故障分量

电力系统的故障信号中同时含有故障信息和和非故障信息，其中故障信息包括故障发生时

间、故障方向、故障类型、故障距离及故障持续时间等，是电力系统故障的表征特性。

电力系统的短路故障行为等效于故障瞬间在故障支路中串联接入两个大小相等、方向相反的

电压源。在线性电路的假设前提下，可以将故障状态网络分解为一个故障前状态网络和一个

故障附加状态网络。

•如果忽略线路故障后系统调节的影响，则故障前网络即为正常运行状态网络，其中

的电气量（电压、电流）就是负荷分量。

•故障附加状态下的电气量（电压、电流）称为故障分量。故障分量是故隙信息的外

在表现形式。

•对故障分量进行适当处理，就能够得到各种故障信息，并且不受正常负荷状态以及

系统振荡的影响。

3.2故障分量的提取

如果忽略线路故障后系统调节的影响，则故障分量可以通过消除负荷分量来提取。

SO（，）=S⑺—（―—〃7/2）

33故障分量的运用

・电流元件

•方向元件

•差动元件

•启动元件

•选相元件

•距离元件

4.小电流接地系统单相接地故障保护

4.1小电流接地系统单相接地故障的稳态特征

4.2小电流接地系统单相接地故障的暂态特征

43利用暂态故障分量的小电流接地系统单相接地故障保护原理

4.1小电流接地系统单相接地故障的稳态特征

•接地相电压几乎为零（对于金属性接地故障），车故障相电压升高1.732倍。

•故障电流中基波幅度较小。

•消弧线圈的补偿影响（故障电流中基波幅度更加微弱）。

4.2小电流接地系统单相接地故障的暂态特征

•哲态电流远大于稳态电容电流。音态最大电流与稳态电容电流之比，近似等于自由

振荡频率与工频之比，可达到几倍到十几倍。

•暂态最大电流值与故障时电压相角有关。一般故障都发生在电压最大值附近。

•故障电弧不稳定（间隙性拉弧），信号畸变严重。

I-—V

4.3利用暂态故障分量的小电流接地系统单相接地故隙保护原理

•暂态电流幅值比较法（面保护）

比较同一母线所有出线暂态零序电流的幅值（均方根值），幅值最大者被选定为故障线路。

•暂态电流极性比较法（面保护）

比较同一母线所有出线暂态零序电流的极性，极性与其他线路相反者被选定为故障线

路。

•暂态容性电流方向判别法

故障线路容性电流由线路流向用线，健全线路容性电流由用线流向线路。检测容性电流

方向，可以确定故障方向。

5.微机保护装置的构成原理

5.1微机保护装置的硬件结构

5.2微机保护装置的软件技术

5.3微机保护的算法基础

5.1微机保护装置的硬件结构

总体结构

电

力

系

统

主站或调

度中心

GPS对时

操作界面

及指示灯

模拟量采集系统多

电压形成fALFfS/IIf

路

转信号

模拟量输入

换输出

（TV、TAA/D