继电保护原理及整定值计算

继电保护原理及整定值计算

1.线路过流保护

它是一种带动作时限（延时）的继电保护，有定时限和反时限两类。

定时限是指保护的延时时间与过电流的大小无关，是一个定值。反时限是

指保护的延时时间与过电流大小有关，过电流较大时，延时较短;过电流较

小时，延时则较长。

（1）定时限的过流保护如图11—27所示。电路中，继电器均采用电

磁式，其操作电源由专门的直流电源提供。电流互感器采用两相V式接

线。一次侧电路中发生短路故障时，电流继电器KAI、KA2中至少有一个

瞬间动作触点闭合，使时间继电器KT启动，经过一定的时限，其延时触

点闭合，使信号继电器KS和中间继电器KM动作。KS动作接通信号回路

并掉牌。而KM动作，接通断路器跳闸线圈YR,使QF跳闸，从而切断

短路故障。在故障切除后，继电器KAI、KA2、KT、KM失电自动复位，

KS可手动复位。

（2）反时限过流保护反时限过流保护一般采用感应式电流继电器，

操作电源直接由交流电源提供。图11—28所示为反时限过流保护电路

图。其工作原理较简单，读者可自行分析。

图11—27定时限过电流保护原理的电路图

a）集中丧示法b）分开表示法

QF一商压断路器TAI、TA2—电流互感器KAI、KA2-DL型电流继电器

KT-DS笈时间继电器KS-DXS!信号堆电器KN—DZ型中间维电器YR一跳M线圈

困11-28反时限过电流保护的原理电路图

a）集中表示法b）分开衰示法

（3）过泡保护动作电流的整定整定原则是电流继电器的返回电流。应大于线路

中的最大负荷电流根据这个原则可以得出动作电流4的整定值计算为：

式中—电流继电器的动作电流；

Km----可靠系数，对DL型电流继电器取1.2；CL型电流继电器取］3.

(—接线系数；

除T护装置的返回系数院=称器毂(可取0.8〜0.85)；

K.——电流互感器的变化。”

(4)过电流保护的动作时限整定动作时限的整定原则称为“阶梯原则”即相邻

两级过电流保护的动作时限相差一个时限阶段加。其隹定说明如图11—29所示。时限

阶段A/的取值：定时限取0.5s,反时限取0.7s。

图11—29找路过电流保护孩定说明图

a)电路图b)定时限过电流保护的动作时限曲线c)反时限过电流保护的动作时限曲线

(5)过流保护灵敏度校验灵敏度是对继电保护装置的要求之一，反映灵敏性的

参数就是灵敏度》,其定义如下：

S二本级线路末端的最小短路电流&

p-动作电流折算到初级的值=V

过流保护要求》ml.25~L5,即：

%=T二：

2.线路速断保护

式中Ky—可靠系数，对DL取1.2~1.3,对GL取1.4~1.5。

（2）电流速断保护的“死区”问题由速断保护整定原则可见，当本级线路末端发生

最严重的短路故障，速断保护不能反应。因此，速断保护只能保护本级线路靠近电源的一部

分线路，另一段线路就称为速断保护的“死区”。其电路和时限曲线如图11—31所示。

•）电路用b）时限曲线

/一一切一级保护应毓过的最大短路电流/中一前一级保护整定的一次速断电流

（3）速断保护灵敏度的检验速断保护的灵敏度，应按其安装处（即线路首端）

的两相短路电流作为最小短路电流来校验，即：

式中——线路首端的两相短路电流。

3.线路两段式电流保护

上述两种保护都存在一定缺陷：对于过流保护，由于延时与短路电流无关，所以保

护的速动性就不好，有可能使短路造成严重的危害；对于速断保护，又存在死区。因

此，一般规定过流保护的时限超过1s时，就应装设速断保护。这种将过流保护和速断

保护装设在一起的电流保护就称为两段式电流保护。这样，在速断区发生短路故障，由

速断保护来反应，而过流保护作为后备保护。在速断保护的死区，由过流保护来作为主

保护。图11—32所示为两段式保护电路图。

牛](]TA2震器电MOM

图11—32线路的定时限过电流保护和电流速断保护电路图

4.电力变压器的保护

（1）电力变压据常见的故障电力变压器的故障分为内部故障和外部

故障。内部故障有:线圈对铁壳绝缘击穿（接地短路）、匝间或层间短路、

高低压各相线圈短路及铁心烧损和漏油等。外部故隙有:各相输出线套管问

短路（相间短路）以及套管对铁壳的短路等。变压器的不正常工作状态主

要是过负荷，长时间过负荷将造成变压器温度升高，绝缘老化，从而缩短

使用寿命。

（2）电力变压器的继电保护类型电力变压器采用的继电保护装置有：

过电流、过负荷、单相接地、速断、气体及差动保护。通常根据变压器的

容量来设置不同的保护。

对400kVA以下的变压器通常采用高压熔断器保护。

时400〜800kV・A的变压器，一次侧装有高压熔断器时，可装设带时

限的过流保护;时限超过0.5s,还应装设电流速断保护。若一次侧装有负

荷开关时，则只能采用高压熔断器保护。若低不侧为干线Y-yO接线的变

压器，还应装设单相接地保护。安装在车间内容量越过320kV.A的变压

器还应装设气体保护。

对800kV・A以上的变压器，应装设过流、气体、过负荷保护及温度

信号等。如过流的时限超过0.5s,还应装设电流速断保护。

对2000~6300kV-A的变压器，如果速断保护灵敏度不能满足要求

时，则应采用差动保护。

对并列运行的容量为5600kW及以上的和单独运行的容量为7500kW

及以上的变压器，均应装设差动保护代替电流速断保护。

（3）变压器的过流保护与速断保护变压器的过流和速断保护通常用

来反应变压器内部和外部的相间短路故障及严重的匝间、层间短路。过流

保护还可以反应严重的过载。这两种保护装应装设在变压器一次侧断路器

下方。速断保护一般只能保护变压器一次，而过流保护则可保护整个变压

器（包括二次侧的母线）。

1）电流互感器接线的特点（假设变压器的变压比为1）

①Y—y接线的变压器一次侧单相短路时，如图11—33所示，反应到

一次侧的短路电流两相大小相等，均为r）/3,而且方向相同，另一相电

流大小为2r/3,方向与前两相相反。此时，若过流保护采用两相差接线，

显然不能反应这种故障（流过继电器的电流为零）。而采用两相继电器式

接线可以反应这种故障，但流过继电器的电流只有单相接地短路电流的

与，保护灵敏度太低。因此，宜用零序保护装设在变压器二次侧来反应这

种故障，如图11-34所示。

图11—33单相短路时的电流分布

a)Y-W联结的变压器，高压倒采用两相两维电器的过电流保护，在低压倒发生中相短路时的电流分布

b)丫一双联结的变压器，高压倒采用两相一维电器的过电波保护，在低压儡发生◎相短路时的电流分布

第5部分高级电工知识要求

②丫一△接线的变压器二次侧发生两相短路时，由图11—35可见，具有与Y-y

单和短路类似的情况。’

6-10kV

图11-34变压器的零序过电流保护图11-35Y一△变压器二次侧发生两相短路时

QF—高压断路器TAN一零序电流互感器

KA—电流继电器YR一断路器跳闸线图

2）变压器过流、速断保护的综合电路图如图11—36所示。该电路的工作原理读

者可结合线路的二段式电流保护自行分析。

3）变压器过流、速断保护的整定计算

①过流保护整定公式与线路过流保护基本相同，只是式4=》?/一中的/小

应取为1.5~3/2，/.为变压器的一次侧额定电流。动作时限的整定原则同样是“阶

梯原则”。灵敏度的校验按变压器高压侧在系统最小运行方式时发生两相短路（换算到

四压侧的电流值）来进行。Sp云1.5,个别情况可取%去1.25。

②速断保护动作电流的整定计算与线路速断基本相同，只是式心=~卢/2中

的儿皿应取二次侧母线三相短路电流换算到得压侧的电流值口灵敏度的校验按变压器高

压侧在系统最小运行方式时发生两相短路的短路电流小）来进行，要求外》2。

③变压器的零序电流保护图11—34所示的零序电流保护，其动作电流Q⑼按以

过变压器低压侧最大不平衡电流来整定，其计算为：

式中/2NT——变压器二次侧的额定电流;

图11-36变压器的定时限过电流保护、电流速断保护和过负荷保护的综合

电路图

Kdsq--不平衡系数，取0.25；

Krel—可靠系数,取1.2-13：

Ki-一等序电流互搏器的变化.

零序电流保护的动作时间一般取0.5~0.7s。灵敏度按低压干线末端发

生单相短路来校验，对架空线s,N1.5;对电缆线s,>1.25o

（4）变压器的气体保护，气体保护是油浸式电力变压器特有的一种

基本保护装置。它可以很灵敏地反应变压器油箱内部的各种故障（包括非

电性故障）。气体保护的主要元件是气体继电器，又称气体继电器。

1）气体继电器的结构和工作过程气体继电器安装在变压器油箱与油

枕之间的连通管上，如图11—37所示。油箱在安装时对地平面有1%〜

1.5%的倾斜度，以便油箱内气体的排出。

气体继电器的结构老式的为浮筒式，而现在多采用开口杯式。FJ,-80

型气体继电器的结构如图11—38所示。气体继电器的工作过程如图11-

39所示。

变压器正常运行时，继电器内两油杯中是充满油的，受平衡锤作用，

油杯升高，使上、下两触点均断（见图11—39a）o

当变压器内部有轻微故障时，将产生少量气体，并缓慢上升沿联通管

进入气体继电器内部。随气体的增多，气体继电器内部油面逐渐下降，使

上油杯露出，从而失去浮力落下，接通触点，这种情况称“轻气体”动作。

一般只给出音响及灯光信号（见图11—39b）£

当油箱内部有严重故障时，将产生大量的气体，这些气体将迅速通过

气体继电器冲向油枕。从而冲击了下开口杯的挡板，使下油杯降落，其触

点闭合，这种情况称“重气体”动作，将使断路器跳闸并发生报警及跳闸信

号（见图11—39c）o

当变压器油箱漏油时，气体继电器内的油面将缓慢下降，轻气体先动

作，重气体后动作（见图11—39d）o

图气体继电器在变压器上的安装示意图

11—37图11-38FJ,_80型气体继电器的结构

1一变压器油箝2—联通管3—气体继电器4-油枕

］一容器2-造板3一上油环4、8—永久敝铁

5一上动触点6一上静触点7—下油环

9一下动触点［。一下静触点支架

】2一下油杯平衡锤】3-下油杯转轴14T板

15一上油杯平衡径16一上油杯转轴］7—放飞阀

a）正常时b）轻微故障时（轻气体动作）o）产■故障时（.气体动作）

d）产重漏油时

1一上开口油杯2一下开口油杯

2）瓦斯保护的工作原理图11—40所示为变压器气体保护的电路图。

当气体继电器KC的1、2点闭合时，表示轻气体动作，将接通变电所内

的信号回路。当3、4点闭合时，将接通信号继电器KS,同时接通中间继

电器KM,使高压断路器QF跳闸，切除变压器。中间继电器的1、2触点

是防止瓦斯继电器触点“抖动”而采取的自保措施。

当新变压器或大修换油后的变压器初投入运行时，由于变压器油中溶

解的空气受热后从油中分解出来而导致气体继电器误动作，可将切换片

XB切换到电阻R上，待变压器运行一段时间后再切换过来。

3）变压器气体保护动作后的故障分析变压器气体保护装置动作后，

可采集气体继电器内部的气体进行一定的物理、化学分析来判断故障的原

因。其故障分析和处理措施见表11—1。

5.高压电动机的保护

（1）高压电动机常见故障不正常运行状态相或两相短路、一相碰壳

（接地）以及匝间短路等。最常见的不正常运行状态是由过负荷造成。

QF一商压断路器YR一断路器跳闸线网XB一连接片R一限流电阻

表11-1气体继电器动作后的气体分析和处理措施

_______气体性质故障原因处理措施

无色，无臭，不可燃油箱内含有空气允许继续运行

灰白色，有剧臭，可燃纸质绝缘烧毁应立即停电检修

黄色，难燃木质绝缘烧毁应立即停电检修

深灰或黑色，易燃油内闪络，油质炭化应分析油样，必要时停电

（2）高压由动如的原柏任罂米刑nonUW田下的高压由动机一曲南采F

（2）高压电动机的保护装置类型对20kW以下的高压电动机，通常

采用电流速断，过负荷、单相接地以及低电压保护等。容量超过2000kW

时，应装设差动保护代替速断保护，对同步电机还应设失步保护。下面简

要介绍高压电动机的过负荷保护，电流速断保护和单相接地保护。

（3）高压电动机的过负荷保护这种保护通常装在容易引起过负荷的

电动机上。当过负荷保护作用于切除电动机时，应采用两相差式或两相V

形接线，过电流继电器一般用GL型。

动作电流可按下式整定：

,心K

式中（I一可靠系数，作用于跳闸时取1.2,作用于信号时取1.。5;

4—电动机的额定电流。

动作时间的选择应躲过电动机正常启动时间。对异步电动机，常取10~16so

（4）电流速断保护电流速断保护是2000kW以下电动机的主要保护。对于易过

负荷的电动机常采用CL型继电器与过负荷保护结合在一起；对不易过负荷的电动机（，

可采用DL型电磁式继电器组成无时限的速断保护。

动作电流应按躲过电动机最大启动电流/来整定，计算为：

式中KM----可髓系数，对DL型取1.4~1.6,对GL型取1.8~2.0。

灵敏度Sp应按最小运行方式下电动机端子的两相短路电流A2来校验，即：

币写上2

(5)高压电动机的单相接地保护高压电动机所在的6~10kV系统是小电流接地

系统•当电动机发生单相接地其电容电流大于5A时，则认为是危险的，有可能过渡到

相间短路。因此，当电容电流大于5A时，应装设接地保护，可作用于信号或跳闸。如果

接地电流大于10A,接地保护一般作用于跳闸。单相接地保护的电路图如图117；所示。

接地保护的动作电流应大于无故障时的电容电流，计算如下：

J=心乙

式中段“——可林系数，不带时限取4~5,有0.5s的动作时限时，则取1.5~2；

4—电动机正常时本身的电容电流。

灵敏度应按下式校验：

式中/小―电动机线路发生单相接地时，流过故障点的接地电流。

6.自动重合闸装置

自动重合闸装置(ZCH)是电力系统中广泛采用的一种自动化装置。

在电力线路中，大多数短路故障都属于暂时性的。当保护装置动作后，故

障点电压消失，其绝缘一般会自行恢复，这时仍可将高压断路器重新投

入，继续供电。ZCH就是使跳闸的断路器实现自动再投人的装置。

(1)对自动重合闸装置的要求

1)当用控制开关断开断路器时，ZCH不应动作，但当保护装置跳开

断路器时，在故障点充分去游离后，应重新投入工作。

2）当用控制开关投入断路器于故障线路上而被保护装置断开时，

ZCH不应动作。

3）自动重合的次数应严格符合规定，当重合失败后，必须自动解除

动作。

4）当ZCH的继电器及其他元件的回路内发生不良情况时，应具有防

止多次重合于故障线路的环节。

下面介绍一种由DH-2A型继电器组成的一次式ZCH,图11-42所示

为这种ZCH的电路图。

WC(+)WC(一)

cDH-2A

AON；QFiT

0,]।叱iI辽；5R'

ZCH启动

ZCH放电

,5R闭饿

6H自

ZCH放电

♦♦♦111动

执行

«R

合

ZCH指示灯

闸

IKA3KAM

ZCH执行路

回监

SA后加速

OFFON继电器

防跳

继电器

手控合闸

跳闸

信羽「

合闸

信号灯

手控跳闸

眄

跳闸

IKS厂11KM

速断保护

保

定时限护

-------------------------------回

过流

n2KsIKT路

u~1后加速|

4KqJ-2KM

---.....................................-01—

用】】T2用DH-2A邪继电器构成的一次ZCH电路图

WCf制小被线HG一绿色指示灯I川一红色指示灯YR一跳闸线图

CR“一断路器辅助触点WF—闪光信号小电线SA一控制开关

YC-电源合同线mON—门闸OEF一分制

（2）ZCH的工作原理分析

I）转换开关SA的位置状态转换开关SA采用LW2-la-4-6a-40-20/F8

型，它有六种位置状态，如图11—43所示。

III

预合合

备

分闸

闸后闸

图UT3转换开关SA的位置状态

①假设要将断路器合闸，操作前SA处于分闸后位置操作过程如下：

a.先将SA旋至预备合闸处。

闸后闸闸后闸

b.将SA转至合闸位置，断路器合闸。

哈希合闸。图11-43转换开关SA的位置状态c.松开手柄，SA自动

返回到合闸后位置。

②若要将断路器分闸，操作前SA处丁合闸后位置，其操作过程如下;

a.先将SA旋至预备分闸处。b.将SA旋至分间位置，断路器分闸。c.松

开手柄，SA自动返回到分闸后位置。

2）正常情况下，断路器处于合闸状态时，此时SA处于合闸后位置，

SA21-23接通，使DH・2A型继电器内部的电容C通过R4充电，并达到稳

定状态，极性左"+‘右”ZCH指示灯HL得电发亮。由于断路器辅助触

点QF1是断开的，故DH-2A型内部的时间继电器KT不得电。SA10-13

通，使红灯HR通时，QF3和YR得电HR发亮，表示断路器处于合闸位

置。

3）断路器自动跳闸时当线路出现故障，过流或速断保护动作。中间

继电器1KM或2KM得电，常开触点闭合，接通跳闸线圈YR,断路器第

一次跳闸。QF1闭合，启动ZCH,使KT得电，经一定时间延时（通常整

定为0.8〜1s）,其延时闭合触点闭合，使电容C对中间继电器KM的电

压线圈放电，KM动作，触点KM1断开使ZCH指示灯熄灭。KM2、KM3

闭合，经信号继电器1KS接通断路器合闸线HYO,使断路器合闸。KM4

接通后加速时间继电器，其触点1KT瞬时闭合。为下次跳闸做好准备。若

线路故障已消失，则重合闸成功，各元件返回，若线路故障仍存在，则继

电保护装置将再次动作使断路器第二次跳开，±1于1KT触点的作用，故第

二次跳闸是瞬时的，这即所谓“后加速”作用。由于电容C来不及充电（C

的充电时间为15~25s）,故DH-2A型中的KM不会再得电，这样就保证

了ZCH只重合闸一次。

4）断路器手动跳闸时SA旋至分间位置，SA21-23断开，Z