第7章供配电系统的继电保护

第7章供配电系统的继电保护 第一节继电保护的基本知识第二节常用的保护继电器第三节电力线路的继电保护第四节电力变压器的继电保护第五节高压电动机的继电保护第六节 6~10kV电容器的继电保护第七节配电系统微机保护

第一节继电保护的基本知识 继电保护防止因短路故障或不正常运行状态造成电气设备或供配电系统的损坏，提高供电可靠性，因此，电保护是变电所二次回路的重要组成部分，也是供电设计的主要内容．本章讲述继电保护的基本知识和理论，继电保护的整定计算方法。继电保护装置：就是能反应供配电系统中电器设备发生的故障或不正常运行状态, 并能动作于断路器跳闸或启动信号装置发出预告信号的一种装置。一、继电保护的任务 1．自动地、迅速地、有选择性地将故障设备从供配电系统中切除，使其它非故障部分迅速恢复正常供电。

2．正确反应电器设备的不正常运行状态，发出预告信号，以便运行人员采取措施，恢复电器设备的正常运行。2．正确反应电器设备的不正常运行状态，发出预告信号，以便运行人员采取措施，恢复电器设备的正常运行。 3．与供配电系统的自动装置（如自动重合闸装置，备用电源自动投入装置等）配合，提高供配电系统的供电可靠性。二、对继电保护的要求 1.选择性：当供配电系统发生短路故障时，继电保护装置动作，只切除故障设备，使停电范围最小，保证系统中无故障部分仍正常工作。

2.可靠性：继电保护在其所规定的保护范围内，发生故障或不正常运行状态，要准确动作，不应该拒动作；发生任何保护不应该动作的故障或不正常运行状态，不应误动作。如图7-1所示系统K点发生短路，保护3不应该拒动作，保护1和保护2不应该误动作。 3.速动性：发生故障时，继电保护应该尽快地动作切除故障，减小故障引起的损失，提高电力系统的稳定性。 4.灵敏性：灵敏性是指继电保护在其保护范围内，对发生故障或不正常运行状态的反应能力。在继电保护的保护范围内，不论系统的运行方式、短路的性质和短路的位置如何，保护都应正确动作。继电保护的灵敏性通常用灵敏度KS来衡量，灵敏度愈高，反应故障的能力愈强。灵敏度Ks按下式计算：

三、继电保护的基本工作原理 供配电系统发生故障时，会引起电流增大、电压降低、电压和电流间相位角改变等。因此，利用上述物理量故障时与正常时的差别，可构成各种不同工作原理的继电保护装置。继电保护的种类很多，但是其工作原理基本相同，它主要由测量、逻辑和执行三部分组成，如图7-2所示。 1.测量部分测量被保护设备的某物理量，和保护装置的整定值进行比较，判断被保护设备是否发生故障，保护装置是否应该起动。

2.逻辑部分：逻辑部分根据测量部分输出量的大小、性质、出现的顺序，使保护装置按一定的逻辑关系工作，输出信号到执行部分。2.逻辑部分：逻辑部分根据测量部分输出量的大小、性质、出现的顺序，使保护装置按一定的逻辑关系工作，输出信号到执行部分。 3.执行部分：执行部分根据逻辑部分的输出信号驱动保护装置动作，使断路器跳闸或发出信号。四、电流保护的接线方式和接线系数电流保护的接线方式是指电流保护中的电流继电器与电流互感器二次绕组的连接方式。为了便于分析和保护的整定计算，引入接线系数Kw，它是流入继电器的电流IKA与电流互感器二次绕组电流I2的比值，即

1.三相三继电器接线方式 三相三继电器接线方式又称完全星形接线。它能反应各种短路故障，流入继电器的电流与电流互感器二次绕组电流相等，其接线系数在任何短路情况下均等于1,即Kw=1。这种接线方式主要用于高压大接地电流系统，保护相间短路和单相短路。

2.两相两继电器接线方式 两相两继电器接线方式又称不完全星形接线。由于B相没有装设电流互感器和电流继电器，它不能反应单相短路，只能反应相间短路，其接线系数在各种相间短路时均为1。此接线方式主要用于小接地电流系统作相间短路保护用。

3.两相一继电器接线方式 流入继电器的电流为两电流互感器二次绕组电流之差，，因此又称两相电流差接线。 A、C两相短路时，KW=2，；A、B或B、C两相短路时，KW=1；可反应各种相间短路，但其接线系数随短路种类不同而不同，保护灵敏度也不同，主要用于高压电动机的保护。

第二节常用的保护继电器 保护继电器的种类：（1）按继电器的结构原理分，有电磁式、感应式、数字式、微机式等继电器；（2）按继电器反应的物理量分有电流继电器、电压继电器、功率方向继电器、气体继电器等；（3）按继电器反应的物理量变化分，有过量继电器和欠量继电器，如过电流继电器、欠电压继电器；（4）按继电器在保护装置中的功能分，有起动继电器、时间继电器、信号继电器和中间继电器等。常用的继电器主要是电磁式和感应式继电器。

一、电磁式继电器 1.电磁式电流继电器（1）文字符号和图形符号文字符号：KA （2）结构和工作原理使过电流继电器动作的最小电流称为继电器的动作电流，用Iop.kA表示。使继电器返回到起始位置的最大电流，称为继电器的返回电流，用Ire.KA表示。继电器的返回电流与动作电流之比称为返回系数Kre，即电磁式电流继电器的返回系数通常为0.85。

（3）动作电流的调节 调节电磁式电流继电器的动作电流的方法有两种： ①改变调整杆6的位置来改变弹簧的反作用力，进行平滑调节。 ②改变继电器线圈的连接。当线圈由串联改为并联时，继电器的动作电流增大一倍，进行级进调节。 2.电磁式电压继电器（1）文字符号和图形符号（KV）（2）结构和工作原理与DL型电磁式电流继电器基本相同。不同之处仅是电压继电器的线圈为电压线圈，匝数多，导线细，与电压互感器的二次绕组并联。电磁式电压继电器有过电压和欠电压继电器两种。过电压继电器的返回系数通常为0.8；欠电压继电器的返回系数通常为1.25。

3.电磁式时间继电器 时间继电器用于继电保护装置中，使继电保护获得需要的延时，以满足选择性要求。（1）文字符号：KT （2）结构和工作原理由电磁系统、传动系统、钟表机构、触头系统和时间调整系统等组成。（3）动作时限调整：通过改变主静触头的位置，即改变主动触头的行程获得。

4.电磁式信号继电器 信号继电器在继电保护装置中用于发出指示信号，表示保护动作，同时接通信号回路，发出灯光或者音响信号。文字符号：KS 5.电磁式中间继电器中间继电器在继电保护装置中用于弥补主继电器触头容量或触头数量的不足。文字符号：KM

二、感应式电流继电器（图7-14；P169） 1.文字符号和图形符号——文字符号：KA 2.结构和工作原理感应式电流继电器有两个系统：感应系统和电磁系统。反时限动作:继电器线圈中的电流越大，动作时限越短。速断动作:继电器线圈中的电流增大到继电器的速断电流整定值时，电磁铁将衔铁瞬时吸下。

感应式电流继电器的这种有一定限度的反时限动作特性，称为“有限反时限特性”。感应式电流继电器的这种有一定限度的反时限动作特性，称为“有限反时限特性”。 3.动作电流和动作时限的调节 (1)继电器的动作电流的调节用插销16改变线圈抽头（匝数）进行级进调节；也可以用调节弹簧7的拉力进行平滑调节。 (2)继电器的动作时限的调节用螺杆13改变扇形齿轮顶杆行程的起点进行调节。继电器速断电流倍数可用螺钉14改变衔铁与电磁铁之间的气隙进行调节。

第三节电力线路的继电保护 1.常见故障：相间短路、单相接地、过负荷。 2.保护配置：配置相间短路保护、单相接地保护和过负荷保护。电力线路装设带时限的过电流保护和瞬时电流速断保护，保护动作于断路器跳闸，作为相间短路的保护。电力线路装设绝缘监视装置（零序电压保护）或单相接地保护（零序电流保护），保护动作于信号，作为单相接地故障保护。可能经常过负荷的电缆线路，装设过负荷保护，动作于信号。一、电力线路的常见故障

二、过电流保护 当通过线路的电流大于继电器的动作电流，保护装置起动，并用时限保证动作的选择性，这种继电保护装置称为过电流保护。由于采用的继电器不同，其时限特性有两种：由电磁式电流继电器等构成的定时限过电流保护和由感应式电流继电器构成的反时限过电流保护。分为定时限过电流保护、反时限过电流保护。 1.过电流保护的接线和工作原理（1）定时限过电流保护装置的接线和工作原理（2）反时限过电流保护装置的接线和工作原理

定时限过电流保护装置的接线图

2.保护整定计算 过电流保护的整定计算有动作电流整定，动作时限整定和灵敏度校验三项内容。（1）动作电流整定过电流保护装置的动作电流必须满足下列两个条件： a.正常运行时，保护装置不动作，即保护装置一次侧的动作电流Iop1应大于线路的最大负荷电流IL.max（正常过负荷电流和尖峰电流），即Iop1>IL.max b.保护装置在外部故障切除后，可靠返回到原始位置,即保护装置一次侧的返回电流Ire1大于线路的最大负荷电流IL.max（应包含电动机的自起动电流），即Ire1>IL.max

由于过电流保护Iop1大于Ire1，所以，以Ire1＞IL.max整定动作电流，同时引入可靠系数Krel，将不等式改写成等式。继电器的动作电流Iop.KA为由于过电流保护Iop1大于Ire1，所以，以Ire1＞IL.max整定动作电流，同时引入可靠系数Krel，将不等式改写成等式。继电器的动作电流Iop.KA为式中,Krel为可靠系数,DL型继电器取1.2，GL型继电器取1.3；Kw为接线系数，由保护的接线方式决定；Kre为继电器的返回系数，DL型继电器取0.85，GL型继电器取0.8；Ki为电流互感器变比。 IL.max=（1.5~3.0）Ic 保护装置一次侧的动作电流为（2）动作时限整定 a.定时限过电流动作时限整定

为保证动作的选择性，自负载侧向电源侧，后一级线路的过电流保护装置的动作时限应比前一级线路保护的动作时限大一个时限级差Δt，即按阶梯原则进行整定： t1=t2+⊿t　式中,⊿t为时限级差，定时限过电流保护取0.5s，反时限过电流取0.7s。

b.反时限过电流保护动作时限整定 在整定反时限过电流保护的动作时限时应指出某一动作电流倍数（通常为10倍）时的动作时限。为保证动作的选择性，反时限过电流保护时限整定也应按照“阶梯原则”来确定，即上下级线路的反时限过电流保护在保护配合点K点发生短路时的时限级差为Δt=0.7s。

动作时限整定具体步骤如下： a、计算线路2WL首端K点三相短路时保护2的动作电流倍数n2。式中，为K点三相短路时，流经保护2继电器的电流，，Kw.2和Ki.2分别为保护2的接线系数和电流互感器变比。 b、由n2从特性曲线2求K点三相短路时保护2的动作时限t2。 c、计算K点三相短路时保护1的实际动作时限t1，t1应较t2大一个时限级差Δt，以保证动作的选择性，即 d、计算K点三相短路时，保护1的实际动作电流倍数n1。式中，为K点三相短路时，流经保护1继电器的电流，，Kw.2和Ki.2分别为保护1的接线系数和电流互感器变比。

（3）保护灵敏度校验 过电流保护的灵敏度用系统最小运行方式下线路末端的两相短路电流进行校验。式中，Iop1为保护装置一次侧动作电流。例7-1试整定图所示线路1WL的定时限过电流保护。已知1TA的变比为750/5A，线路最大负荷电流（含自启动电流670A，保护采用两相两继电器接线，线路2WL定时限过电流保护的动作时限0.7s，最大运行方式时K1点三相短路电流4kA，K2点三相短路电流2.5kA，最小运行方式时K1和K2点三相短路电流分别为3.2kA和2kA。

解：1、整定动作电流 选DL-11/10电流继电器，线圈并联，整定动作电流7A 过电流保护一次侧动作电流为 2、整定动作时限线路1WL定时限过电流保护的动作时限应较线路2WL定时限过电流保护动作时限大一个时限级差Δt。

3、校验保护灵敏度 保护线路1WL灵敏度按线路1WL末端最小两相短路电流校验：由此可见，保护整定满足灵敏度要求。

三、电流速断保护 线路越靠近电源，过电流保护的动作时限越长，而短路电流越大，危害也越大，这是过电流保护的不足。因此GB50062-92规定当过电流保护动作时限超过0.5~0.7s时，应装设瞬动的电流速断保护。 1.电流速断保护的接线和工作原理 2.电流速断保护的整定（1）动作电流整定为了保证速断保护动作的选择性，在下一级线路首端发生最大短路电流时电流速断保护不应动作，即速断保护动作电流Iop1＞IK.max，速断保护动作电流整定值为

式中，IK.max为线路末端最大三相短路电流；Kre1为可靠系数，DL型继电器取1.3，GL型继电器取1.5；Kw为接线系数；Ki为电流互感器变比。式中，IK.max为线路末端最大三相短路电流；Kre1为可靠系数，DL型继电器取1.3，GL型继电器取1.5；Kw为接线系数；Ki为电流互感器变比。对GL型电流继电器，还要整定速断动作电流倍数，即需要注意的是，电流速断保护的动作电流大于线路末端的最大三相短路电流，电流速断保护存在保护死区。只能保护线路的一部分，线路不能被保护的部分称为保护死区，线路能被保护的部分称为保护区。

（2）灵敏度校验 只能用线路首端最小两相短路电流校验，即例7-2 试整定例7-1中线路1WL的电流速断保护。已知线路1WL首端最小三相短路电流为9.2kA。解：电流速断保护和过电流保护共用电流互感器和出口中间继电器。电流速断保护需整定动作电流和校验灵敏度。（1）动作电流整定选DL-11/50电流继电器，线圈并联，整定动作电流35A。速断保护一次侧动作电流为（2）灵敏度校验:以线路1WL首端最小两相短路电流校验电流速断保护整定满足要求。

例7-3 图所示的10kV线路1WL和2WL都采用GL-15/10电流继电器构成两相两继电器接线的过电流保护。已知1TA的变比为100/5A，2TA的变比为75/5A，1WL的过电流保护动作电流整定9A，10倍动作电流的动作时间为1s，2WL的计算电流为36A，2WL首端三相短路电流为900A，末端三相短路电流320A。试整定线路2WL的保护。解：线路由GL-15/10感应式电流继电器构成两相式过电流保护和电流速断保护（1）过电流保护 ①动作电流

整定继电器动作电流8A，过电流保护一次侧动作电流为 ②动作时限整定由线路1WL和2WL保护配合点K1，整定2WL的电流继电器动作时限曲线。 a、计算K1点短路1WL保护的动作电流倍数n1和动作时限t1：由n1查GL-15电流继电器t|n=10=1s特性曲线，得t1=1.4s b、计算K1点短路2WL保护的动作电流倍数n2和动作时限t2。

c、由n2和t2从GL-15电流继电器动作特性曲线查得10倍动作电流动作时限0.6s ③灵敏度校验＞1.5 2WL过电流保护整定满足要求（2）电流速断保护 ①动作电流整定整定速断保护动作倍数4倍，一次侧动作电流为 ②灵敏度校验＞1.5 2WL电流速断保护整定满足要求。

四、单相接地保护 1.多线路系统单相接地分析（1）流过接地线路的总接地电流IE等于所有在电气上有直接联系的接地电容电流之和IC∑减去接地线路的接地电容电流Ic。（2）流过非接地线路的接地电容电流就是该非接地故障线路的接地电容电流Ici。

2．单相接地保护 （1）单相接地保护的接线和工作原理架空线路用三只电流互感器构成零序电流互感器，电缆线路用一只零序电流互感器。实现有选择性的单相接地保护，又称零序电流保护。

（2）动作电流整定 系统中其它线路发生单相接地，被保护线路流过接地电容电流IC时，单相接地保护不应动作，即式中，Kre1为可靠系数，保护装置不带时限时，取Kre1=4~5，保护装置带时限时，取Kre1=1.5~2； Ki为零序电流互感器的变比。保护装置一次侧动作电流为（3）灵敏度校验被保护线路发生单相接地，流过接地电容电流，单相接地保护应可靠动作。

3.绝缘监视装置 在变电所每段母线上装一只三相五柱电压互感器或三只单相三绕组电压互感器，在接成Y的二次绕组上接三只相电压表，在接成开口三角形的二次绕组上接一只电压继电器。系统发生单相接地故障时，接地相对地电压近似为零，非故障相对地电压升高倍，近似为线电压。同时，开口三角形绕组两端电压也升高，近似为100V，电压继电器动作，发出单相接地信号。因此，绝缘监视装置又称为零序电压保护,无选择性。运行人员可根据接地信号和电压表读数，判断哪一段母线、哪一相发生单相接地，但不能判断哪一条线路发生单相接地，因此绝缘监视装置是无选择性的。只能采用依次拉合的方法，判断接地故障线路。

五、过负荷保护 1.接线和工作原理 2.保护整定 (1)过负荷保护的动作电流按线路的计算电流Ic整定，即式中，Krel为可靠系数，取1.2~1.3；Ki为电流互感器之比。 (2)动作时间一般整定10s~15s。

第四节电力变压器的继电保护 一、电力变压器的常见故障和保护配置 1.常见故障常见故障分短路故障和不正常运行状态。 (1)变压器的短路故障按发生在变压器油箱的内外，分内部故障和外部故障。内部故障有匝间短路、相间短路和单相碰壳故障。外部故障有套管及其引出线的相间短路、单相接地故障。 (2)变压器的不正常运行状态有过负荷、油面降低和变压器温度升高等。

2.保护配置 (1)装设过电流保护和电流速断保护装置用于保护相间短路； (2)800kVA以上油浸式变压器和400kVA及以上车间内油浸式变压器应装设气体保护装置用于保护变压器的内部故障和油面降低； (3)单台运行的变压器容量在10000kVA及以上和并列运行的变压器每台容量在6300kVA及以上或电流速断保护的灵敏度不满足要求时应装设差动保护装置用于保护内部故障和引出线相间短路； (4)装设过负荷保护和温度保护装置分别用于保护变压器的过负荷和温度升高。

二、变压器二次侧短路流经一次侧的穿越电流和电流保护的接线方式二、变压器二次侧短路流经一次侧的穿越电流和电流保护的接线方式变压器电流保护的基本原理与电力线路保护类似，但由于变压器的接线组别和保护的接线方式，变压器二次侧短路时流经一次侧的穿越电流分布不同，将影响变压器保护的灵敏度。 1．Yyno联结的变压器二次侧单相短路时一次侧的穿越电流 Yyno联结的变压器，二次侧发生单相短路时，一次侧穿越短路电流分布不对称，B相为,A相和C相为（K为变压器的变比）。见向量图

2．Yd11联结的变压器二次侧两相短路时一次侧的穿越电流 Yd11联结的变压器二次侧a、b相发生两相短路，一次侧的短路穿越电流B相为，A、C相为。

3．变压器电流保护的接线方式 (1)两相两继电器式接线（适用于相间短路保护）对Yyno联结的变压器，二次侧发生单相短路时，流经保护装置穿越电流仅为二次侧的三分之一（设变压器变比为1），保护灵敏度只有相间保护的三分之一。对Yd11联结的变压器二次侧ab两相短路，流经保护装置的穿越电流仅为二次侧的，保护灵敏度也将降低。 (2)两相一继电器式接线（保护灵敏度随短路种类而异）但Yyno联结的变压器二次侧发生单相短路和yd11联结的变压器二次侧发生两相短路，保护装置不动作，因此，该连线方式不能用于Yyno联结的变压器的电流保护。

三、变压器的电流保护 1.变压器的过电流保护 (1)接线和工作原理和线路过电流保护的接线、工作原理完全相同。 (2)变压器过电流保护整定和线路过电流保护的整定类似。 a.继电器的动作电流整定式中，I1N为变压器一次侧额定电流；可靠系数Kre1、接线系数Kw、返回系数Kre同线路过电流保护；Ki为电流互感器的变比。

b.动作时限 变压器过电流保护动作时限应比二次侧出线过电流保护的最大动作时限大一个Δt。对车间变电所的变压器过电流保护动作时限，一般取0.5~0.7s。 c.灵敏度校验式中，I（2）'K.min为变压器二次侧在系统最小运行方式下发生两相短路时一次侧的穿越电流。 2.变压器电流速断保护 (1)接线和工作原理和线路速断保护的接线、工作原理完全相同。

(2)变压器电流速断保护整定 和线路过电流保护的整定类似。 a.动作电流式中，为变压器二次侧母线在系统最大运行方式下三相短路时一次侧的穿越电流；Kre1为可靠系数，同线路的电流速断保护。 b.灵敏度校验与线路速断保护灵敏度校验一样，以变压器一次侧最小两相短路电流进行校验，即

3.变压器的零序电流保护 Yyn0连接的变压器二次侧单相短路时，若变压器过电流保护的灵敏度不满足要求，可在变压器二次侧零线上装设零序电流保护。 (1)接线和工作原理 (2)整定 a.动作电流零序电流保护的动作电流按躲过变压器二次侧最大不平衡电流整定，最大不平衡电流取变压器二次侧额定电流的25%，即

第7章供配电系统的继电保护