继电保护讲义

继电保护培训讲义

中卫供电局保护自动化所

2006.6.20

继电保护培训讲义

一、相间短路的电流电压保护

输电线路发生相间短路时的特征是线路电流增大，线路所在母线

电压降低。此外，当线路内部故障时，电流从两侧的母线流向线路；

当线路外部故障时，流经线路的短路电流是穿越性的，仅一侧由母线

流向线路，另一侧则由线路流向母线。通常规定，线路电流由母线流

向线路为电流正方向；而由线路流向母线为电流反方向。根据这些特

征，可以构成过电流保护、低电压闭锁过电流保护和方向过电流保护

和电压速断保护等。

1.电流保护的接线方式

电流保护有三种基本接线方式。

(1)三相三继电器的完全星形接线

(2)两相三继电器的不完全星形接线

(3)两相一继电器的两相电流差接线

二.相间短路的三段式电流保护

由无时限电流速断、带时限电流速断与定时限过电流保声相配

合构成的一整套保护，称为三段式电流保护，其时限特性见图2—8。

第工段为无时限电流速断保护，它的保护范围为本线路的一部分，动

作时限为主11,它由继电器的固有动作时限决定。第H段为带时限电

流速断保护，它的保护范围为线路11的全部并延伸至线路L2的一部

分，其动作时限为外二f/+^2。无时限电流速断和带时限电流速断是

llOkV及以下电压等级线路L1的主保护。第三段为定时限过电流保护,

保护范围包括L1及L2全部。

三、高频保护

目前，电压为llOkV及以上的电力系统中，为了保证其并列运行

的稳定性和提高输送功率，在很多情况下，都要求保护装置能无延时

地从线路两侧切除被保护线路任何一点的故障，也就是所谓的全线速

动保护。

1、高频保护的工作原理

高频保护的工作原理是：将线路两端的电流相位或功率方向转化

为高频信号，然后利用输电线路本身构成高频电流通道，将此信号送

至对端，以比较两端电流的相位或功率方向的一种保护装置。当保护

分为内部发生故障时，它瞬时将两端的断路器跳闸。当外部故障时保

到高频闭锁信号，断路器3和4无延时跳闸。而对输电线路AB和CD

来说，均为外部故障，流经2和5保护的功率方向都为负，2和5保

护的发信机发信，使本侧与对侧的收信机分别收到高频闭锁信号，故

使断路器1、2和5、6都不跳闸。

2、高频保护的基本类型

2.1.高频零序方向保护

高频零序方向保护作为输电线路接地短路的主保护，由于控制收

发信机的正向故障判别元件采用零序方向元件而得名。它可以构成超

范围、欠范围允许式或超范围闭锁式，其特点和要求为：

(1)正常运行和系统振荡时，电网中无零序分量，保护不会动作。

(2)保护安装处田口短路，零序电压较高，零序方向元件无电压死

区。

(3)区外接地短路，线路两侧零序电流基本相等而近故障点处的零

序电压高，易于实现灵敏度配合

(4)在环网中可能发生零序电流(功率)倒向，该保护不应误动作跳

闸。

(5)装设综合重合闸的输电线路，在非全相运行期间，若零序方向

元件动作使保护误动时，则在此期间内宜将本保护闭锁

(6)若零序电压取自母线上电压互感器，当断路器合闸三相不同期

而出现较大零序分量时，保护不应误动作跳闸。

(7)在装设综合重合闸装置的线路上，当发生单相接地故障时，故

障相两侧先跳开断路器的保护装置，仍需短时保持原来的载频信号状

态，即不停发载频允许信号或不改发载频闭锁信号，这是为了使后跳

闸一侧保护装置可靠跳闸

2.2.高频负序方向保护

高频闭锁方向保护作为输电线路不对称短路的主保护，由于控制

收发信机的正向故障判别元件采用负序方向元件而得名。它具有高频

零序方向保护的优点，但其结构比较复杂。进口保护采用较多

2.3.高频闭锁式距离保护'。

高频负序方向保护一般利用三阶段式距离保护装置中任何一段方

向阻抗元件，作为故障判别元件和控制收发信机的停、发信，构成各

种方式(允许式或闭锁式)高频距离保护，但我国目前多采用高频闭锁

式距离保护。它不仅可作为线路相间短路和接地短路的主保护，而且

可以作为相邻线路的后备保护。其主要特点和要求为：

(1)利用距离保护中动作最快，由负、零序电流增量原理构成的起

动元件来控制发信机发送高频闭锁信号，用方向阻抗元件来停信，在

接线回路上还采取了远方起动发信的措施，解决了保护起动与跳闸之

间灵敏度和动作时间配合上的困难，因而在保证可靠性的前提下，使

整套保护装置的动作时间不大于30ms它宜用于一般线路，但不能用于

单侧电源线路U

3.光纤差动保护

3.1差动继电器动作原理

相差动作方程为：

△ICD>0.75XAU

△ICD>IHO

其中，差动电流△LD二|AIM+AIN|即为两侧电流变化量矢量和的幅值；

制动电流△■△1广△IN即为两侧电流变化量的标量和；

L为“差动电流高定值”（整定值，4倍实测电容电流和）；

零差动作方程为：

△ICDO>O.75X△IRO

△ICDO^IQDO

其中，零序差动电流△［（）=IAIMO+AINOI即为两侧零序电流变化量矢量

和的幅值；

零序制动电流△IRO=△猫-即为两侧零序电流变化量矢量差的

幅值；

当差动继电器满足上述任意一组方程便可启动。

2.2差动保护动作原理逻辑

差动保护动作原理逻辑框图如下：

光纤差动保护逻辑原理框图

光纤差动保护动作条件有两个：

1、本侧差动元件（相差或零差）动作;

2、保护启动的同时收到对侧允许跳闸信号；

对于第一个条件，差动电流满足定值即可动作。对于第二个条件,

只有在对侧差动元件动作的同时有跳位开入（开关在分位）才可开放

允许信号。

3.光纤差动保护运行压板投退

由于光纤差动保护在开关运行方式发生变化时存在误动的可能性

较大，旁路代路运行方式时，由于并旁路开关后对本线开关形成了分

流，势必造成本线开关保护存在差流现象，造成光纤差动保护;吴动，

使线路停电。因此，需对光纤差动保护在不同运行方式下的操作进行

规范，以防误操作或运行误动。

在线路两侧开关间隔进行带路操作前，必须退出两侧差动保护，

并且在带路运行方式下，光纤差动保护始终不能投入运行；恢复正常

运行方式后（即两侧均恢复本开关间隔运行后）方可投入差动保护。

在此操作过程中，线路开关将短时失去主保护，建议运行人员提高操

作速度，操作要快速、谨慎，尽快使主保护投入运行。距离、零序、

重合闸相应保护压板依据定值投入。

4、运行注意事项

4.1运行中，变电所运行人员不得对保护屏处尾纤进行操作，以免损

坏接口或将赃物进入光纤接口，影响通道传输性能。

4.2日常运行中，运行人员要定期检测（通过面板菜单查看两侧电流

及差流）通道的工作状况。正常运行中面板“通道异常”指示灯应灭。

4.3、保护的退出，装置告警不能复归时或保护由于其他原因影响

到正常运行时退出保护，并通知继电保护人员处理。

四、电网的距离保护

距离保护是利用阻抗继电器作为测量元件，测量故障点至保护安

装处之间的距离（阻抗），并根据距离远近来确定保护动作时间的一种

保护。当短路点与保护安装地点相近时，测量阻抗小，动作时间就短;

反之，当短路点远离保护安装点时，测量阻抗大，保护动作时间就长,

从而保证了有选择性地切除故障线路。

1、距离保护的基本原理

图（a）示出一次系统网络图。当线路正常运行时，母线电压为额

定电压Un,线路电流为IL,电压Un与IL之比，基本上反应负荷阻抗,

即ZL=Un/ILo

由上述分析可知，利用线路始端电压与线路电流之比值作为短路

判据的保护，要比单独反应电流升高而动作的电流保护灵敏得多，

综上所述，距离保护是利用阻抗继电器作为测量元件，测量故障

点至保护装置安装处之间的电气距离（阻抗），并根据距离远近来确定

动作时间的一种保护。当短路点与保护安装处距离越近时，测量阻抗

越小，动作时间越短；反之，•当短路点远离保护安装处时，测量阻抗

较大，保护动作时间较长，从而保证了有选择性地切除故障线路U

ti=osBti=os

\tll=o.6$乙二tll=0.3S

2t111=2.551tIII=2.2S

G）--x/----------------畜/—N---------------H/—

_ZD」

ZAB+ZD

距离保护的作用原理网络图

如上图所示的电力系统中，当d点发生短路时，保护1测量阻抗为

ZD,保护2的测量阻抗是ZAB+ZD,由于保护1距短路点较近，而保护距

短路点较远，所以保护1动作时间比保护2动作时间短，故障由保护

1动作切除，故障切除后保护2返回。这种选择性的配合是靠适当选

择各保护的动作阻抗和动作时间来实现的。一般距离保护1段通常保

护线路全长的80-85乐动作时间为保护的固有时间。距离保护2段通

常保护范围需与下一线路的保护定值相配合，一般为被保护线路的全

长及下一线路全长的30-40%,动作时间要与下一线路的保护1段动作

时间配合，一般为0.5S左右，第3段为后备保护，其保护范围较长，

包括本线路和下一线路的全长或更远。时间按阶梯原则配合。

ALl«L2「

QWHta--Z1-（80--85-%）-----------

K----------------------►!

，Z2（L1全长+30-40%）1

Z3（L1L2全长）

------------------------------------------------------------------------------------------►•

距离保护配合特性

2、电网的接地保护

电力系统中性点的工作方式有：中性点直接接地、中性点不接地

和中性点经消弧线圈接地。在中性点直接接地系统中，发生一点接地

时就构成接地短路，故障相中流过很大短路电流，故又称为大接地电

流系统。大接地电流系统单相接地短路故障占故障总次数的70%〜80虬

电网在正常运行以及发生相间短路时，三相电流之和为零，三相对地

电压之和也为零，即系统中既无零序电流也无零序电压。只有系统发

生接地短路时，才出现零序电流和零序电压。因此，可以根据有无零

序分量，判断系统是否发生接地短路，从而构成接地短路保护。零序

电流保护的原理就是依据此特征构成的。

ALIRL2

L01b(7-0-8-0%-)--j*---

------------------►!

1L02(L1全长+30-4皆b

LO3(L1L2全长)

零序保护按阶梯原则配合。

五、综合重合闸

对于220kV及以上超高压输电线路，由于输送功率大，稳定问题

比较突出，采用一般的三相重合闸方式可能难以满足系统稳定要求，

尤其是对于通过单回线联系的两个系统的线路，当线路故障三相跳闸

后，两个系统完全失去联系，原来通过线路输送的大量功率被切断，

必然造成两个系统功率不平衡：送电侧系统功率过剩，频率升高；受

电侧系统功率不足，频率下降。对于这种线路，采用一般的等待同期

重合闸方式很难达到同期条件。若采用非同期重合闸方式，将引起剧

烈振荡，其后果是严重的。至于采用快速三相重合闸，则必须符合一

定条件。考虑到超高压输电线路相间距离较大，发生相间短路的机会

相对较少。实践证明，单相接地故障次数约占总故障次数的85%左右,

而且多数是瞬，时性故障。于是就提出这样一个问题：单相故障时，

能否只切除故障相，然后单相重合闸。在重合闸周期内，两侧系统不

完全失去联系，因而大大有利于保持系统稳定运行。这就是广泛采用

综合重合闸的基本出发点。综合重合闸具有下列功能：

(1)单相接地故障时，只切除故障相，经一定延时后，进行单相重

合；如果重合到永久性故障时，跳三相不再进行第二次重合。

(2)如果在切除故障相后的两相运行过程中，另两相又发生故障，

这种故障发生在发出单相重合闸脉冲前，则应立即切除三相，并进行

一次三相重合闸；如果故障发生在发出单相重合闸脉冲后，则切除三

相后不再进行重合闸

(3)当线路发生相间故障时，切除三相进行一次三相重合闸。

综合重合闸装置应设置重合闸方式切换开关，以便于运行部门根

据实际运行条件，分别实现下列几种方式：

⑴综合重合闸方式。单相接地故障时，实现单相重合闸；相间

故障时，实现单相重合闸；当重合到永久性故障时，均断开三相而不

再进行重合闸.

(2)三相重合闸方式。不论任何故障类型，均实现三相重合闸方

式；当重合到永久性故障时，断开三相不再进行重合闸。

(3)单相重合闸方式。单相接地故障时，实现一次单相重合闸；

相间故障时，或单相重合到永久性故障时，均断开三相而不再进行重

合闸.

六、母线保护

1、母线故障和装设母线保护的基本原则

母线是变电所中的重要电气元件，当枢纽变电所的母线上故障时,

将使连接在故障母线上的所有元件停电，使事故扩大。

2、母线故障的主要原因

2.1空气污秽，导致母线绝缘子、断路器套管以及装设在母线设备的

支持绝缘子和套管闪络。

2.2支持绝缘子、断路器套管损坏。

2.3运行人员误操作

3、常用的母线保护

3.1、固定连接的母线差动保护

当发电厂和变电所的母线为双回线且采用将元件固定连接至不同

母线而母联断路器在合闸运行方式时，配置固定连接的母线差动保护。

该保护应有能区别哪一组母线故障的选择元件和能反映区内、外故障

的启动元件。

保护工作原理：

将同一母线上所连全部元件与母联元件的电流相量和接人差动保

护继电器中，构成该母线的选择元件，即小差。

将两组选择元件电流的相量和接人另一差动继电器中，构成启动

元件即大差。

启动元件动作后实现如下功能：

(1)直接作用于母联断路器跳闸。

(2)作为整套保护的启动元件，开放正电源。

(3)当固定连接方式遭到破坏时起到防止母线区外故障时保护误

动作的作用。

(举例分析母线区内故障和母联死区故障，充电保护)

七、失灵保护

1、设计原则

(1)对带有母联开关的母线，要求失灵保护动作后首先动作断

开母联开关，然后动作于断开与拒动断路连接在同一母线上的所有支

路的开关。

(2)失灵保护由故障元件的继电保护启动，手跳时不可启动失

灵保护。

(3)失灵保护回路中，除故障元件的触点外，还应包括矢灵判

别元件触点。利用分相判别失灵故障的存在。

(4)失灵保护动作时间应大于故障元件开关跳闸时间和保护返

回时间。

(5)一般只考虑单相拒动。

(6)失灵保护动作闭锁重合闸。

八、变压器

1、变压器继电保护装置

变压器一般应装设下列继电保护装置：

(1)反应变压器油箱内部故障和油面降低的瓦斯保护。

(2)反应变压器绕组、引出线的相间短路，中性点直接接地侧绕组、

引出线和套管的接地短路，以及绕组匝间短路的电流速断保护或纵联

差动保护。

对高压侧电压为330kV及以上的变压器，应装设双重差动保护。

对于220kV主变压，器的微机保护必须双重化。

当变压器纵联差动保护对单相接地短路灵敏度不符合要求时，可

增设零序差动保护。

(3)反应外部相间短路的过电流保护、复合电压启动的过电流保

护、负序电流保护和阻抗保护。这些保护既可作为变压器主保护的后

备保护，又可作相邻母线或线路的后备保护。过电流保护宜用于降压

变压器。复合电压启动的过电流保护一般用于升压变压器、系统联络

变压器和过电流保护不符合灵敏度要求的降压变压器。阻抗保护一般

用于上述保护灵敏性和选择性不符合要求的升压变压器和系统联络变

压器

(4)反应中性点直接接地电力网中单相接地短路的零序后备保护。

对中性点直接接地电力网中的中性点接地变压器应装设两段零序电流

保护。在中性点直接接地电力网.中的中性点不接地变压器，应装设

间隙零序电流保护和零序过电压保护。零序电流保护设两段。每段设

2〜3个时限，以较短时限跳母联断路器或分段断路器，以第二时限跳

本侧开关，以第三时限跳各侧开关。间隙零序电流和零序过电正保护

通常设一段，一个时限并经该时限启动总出口。

⑸反应对称过负荷的保护：①过负荷保护经延时动作于信号；②

对自耦变压器和多

绕组变压器，保护装置应能反映公共绕组及各侧过负荷的情况。

(6)作用于信号或动作于跳闸的装置：①对变压器温度升高和冷却

系统故障而装设的动作于信号或跳闸的装置；②反映变压器匝间短路

的匝间保护。

2、瓦斯保护

瓦斯保护装置结构简单、经济，对缓慢发展的故障其灵敏性比变

压器差动保护优越，能够反映变压器油箱内部各种类型的故障。但对

变压器油箱外部套管引出线上的短路不能反应，对绝缘突发击穿的反

应不及差动保护快，且在部分情况下还要退出运行。因此，瓦斯保护

尚不能作为变压器的唯一主保护，一般与差动保护共同使用构成变压

器的主保护。

2.1瓦斯保护的作用

变压器油箱内部故障产生电弧，使绝缘物和变压器油分解产生大

量的气体，利用这种气体来实现的保护装置，称瓦斯保护。气体排出

的多少与变压器故障的严重程度和性质有关。当变压器内部有不正常

情况或发生轻微故障时，由于产生气体，使运行人员能迅速发现并及

时处理，可避免变压器遭受严重损坏。

九、直流系统

1.220KV保护设备直流回路

220kV设备保护电源和操作电源分开，自直流馈线屏的两段母线分

别引两路保护专用电源，在220kV保护屏屏顶形成保护电源小母线I、

II,各单元两套保护屏分别由保护电源小母线I、II供电。220kV主

变保护、220kV母差失灵保护、220kV线路保护、220kV录波器等均划

归为220kV保护设备。这些设备中各单元的保护配置如果为双套，则

在保护电源小母线I、II上分别接一套，如果保护配置为单套，则接

在保护电源小母线I上。

2.3控制回路直流电源

2.3.1控制回路直流电源设置原则

控制电源按照电压等级分段设置，每段电源在控制屏屏顶设置控

制电源小母线，分别为220kV控制电源小母线，110kV控制电源小母

线，35KV控制电源小母线，10kV控制电源小母线，10kV设备为就地

控制，需将各开关柜的控制电源通过电缆连接起来，形成控制电源小

母线。形成各级小母线后，属于各级设备的控制电源分别接在各自的

控制电源小母线上。

2.3.2220KV控制回路直流电源

在220kV控制屏屏顶设置两组控制电源小母线，分别为220kV控

制电源小母线I、II,如果220kV断路器为双跳闸回路，两套跳间回

路电源分别接在控制电源小母线I、IIio单套操作回路则接在控制

电源I上。

2.3.3主变控制回路直流电源

主变保护操作回路的控制电源设有控制总电源和各侧断路器控制

分电源，各侧断路器控制分电源接在总电源之后。220kV主变总电源

接在220kV控制小母线上，110kV主变总电源接在110kV控制小母线

上。

2.3.4110KV及35KV、10KV控制回路直流电源

110kV及10KV设备各单元的保护回路和操作回路共用一组电源，

电源均由各自的控制小母线引出。

2.4公用设备直流电源

在中央信号控制屏设置公用电源小母线。中央信号继电屏、PT回

路、遥测屏、远动装置等公用设备的直流电源由公用电源小母线引出。

2.5信号回路直流电源

信号回路由专用回路供电。自直流馈线屏独立支路引接信号回路

专用电源，在控制屏屏顶形成信号小母线，各支路信号电源由信号小

母线供电，直流馈线屏处的总电源采用空气开关控制，各支路信号电

源由刀闸控制。信号电源不得与其它回路混用，并在中央信号控制屏

处装设信号电源监视继电器，当信号电源消失时发出“信号电源消失”

的光字牌，此光字牌的电源由公用电源引来。

2.6打压电源及合闸电源

变电站打压、合闸电源回路的配置，每段打压、合闸电源回路均按

双电源配置，双电源分别取自直流馈线屏的两段母线，无需对这些回

路作改动，但要检查各回路中的空气开关和熔断器参数，防止“以大

代小”或“以小代大”情况发生。

2.7直流空气开关选择原则

将直流回路中交直流空气开关或交流空气开关更换为直流空气开

关，上下级熔断器（空气开关）之间必须有选择性。直流馈线屏处的

各支路采用空气开关供电。

2.8熔断器及空气开关参数选择

直流回路中的熔断器（空气开关）建议按如下参数选择：

2.8.1直流馈线屏处控制、保护等支路的熔断器（空气开关）选为20Ao

打压、合闸电源支路熔断器（空气开关）选为63A,电磁机构选为100A。

2.8.2控制屏处小母线下一级各支路的熔断器（空气开关）选为5A。

主变控制回路总电源熔断器（空气开关）选为16A。

2.8.3微机保护屏、微机自动装置屏处各单元的直流电源熔断器（空

气开关）选为3Ao

2.8.4配电装置处各单元的打压、合闸电源支路熔断器（空气开关）

选为10Ao

2.9直流回路电缆选取

直流回路技改所用的电缆采用ZRKVVP2-22-4X4电缆。

3具体施工方案

3.1更换空气开关

直流馈线屏I和屏II上原有的空气开关的配置不满足技改方案的

要求需要更换，另外空气开关的数目不够的需增加。用于220KV、110KV、

35KV、10KV的保护、控制电源以及公用电源、信号电源的空气开关需

更换为20A的空气开关。220KV、110KV.35KV、10KV的打压及合闸电

源所用空气开关需更换为32A的空气开关。这些工作需要检修工区的

配合完成。

3.2敷设电缆

3.2.1控制回路电缆敷设

从直流馈线屏I和屏II上分别放1根电缆到220KV控制屏顶、

110KV控制屏顶、35KV、10KV控制屏顶、中央信号控制屏顶形成220KV、

11OKV.35KV、1OKV的保护、控制电源以及公用电源，另外放一根电

缆到所有控制屏顶形成信号电源小母线，两段互为备用。

3.2.2信号回路电缆敷设

原220KV、11OKV.35KV、1OKV控制屏顶有FM、PM直流小母线两

根，现已不用，可以改造为信号电源小母线。从直流馈线屏I和屏II

上分别放1根电缆到220KV、11OKV、35KV、1OKV控制屏顶，接到信号

电源小母线上，送上电后各个间隔的信号电源先并在信号电源小母线

上，再解开至原控制母线的接线。

3.2.3公用回路电缆敷设

在中央信号控制屏顶铺设2根小母线，作为公用电源小母线。远

动、通讯电源及PT电源需各自放1根电缆至中央信号控制屏，先并在

公用电源小母线上，再解开至直流馈线屏I和屏II上的接线。这些工

作需要调度通讯班配合完成。

3.2.4保护设备电缆敷设

220KV保护屏顶需铺设4根小母线，分别为+BM1、-BM1、+BM2、

-BM2,从直流馈线屏I和屏II上分别放1根电缆到220KV保护屏顶，

接好线并将+BM1、-BM1.+BM2、-BM2两组保护小母线带上电，此时将

高闭屏的保护电源接至+BM1、-BM1,将高方屏的保护电源接至+BM2、

-BM2o接好后再解开原来至控制屏直流电源。

3.3直流回路小母线敷设

3.3.1220KV控制屏小母线敷设

220KV控制屏顶需铺设2根小母线作为第二组控制电源小母线

+KM2、-KM2。将原来的+KM、-KM作为第一组控制电源小母线+KM1、-KM1。

从直流馈线屏I和屏II上分别放1根电缆到220KV控制屏顶，接到

+KM1、-KM1、+KM2、-KM2上并带上电，此时解开原来至直流馈浅屏I

和屏II的接线。先变电所的220KV开关为单操作回路，因此各个间隔

保护屏至控制屏的控制电源的接线不变，即接至第一组控制电源小母

线+KM1、-KM1上。

3.3.211OKV控制屏小母线敷设

110KV控制屏顶使用原有的控制母线，不需铺设小母线。只需从

直流馈线屏I和屏II上分别放1根电缆到110KV控制屏顶，并在一起

接到+KM、-KM上，带上电后将220KV第一组控制电源小母线十KM1、-KM1

与110KV控制母线+KM、-KM解开。因110KV保护与控制电源没有必要

分开，所以110KV保护屏上的接线不做改动。

3.3.335KV、10KV控制屏小母线敷设

35KV、10KV控制屏顶使用原有的控制母线，不需铺设小母线。只

需从直流馈线屏I和屏II上分别放1根电缆到35KV、10KV控制屏顶，

并在一起接到+KM、-KM上，带上电后将控制小母线与220KV第一组控

制电源小母线+KM1、-KM1以及