供配电实用技术第五章工厂供配电系统的保护

第五章
工厂供配电系统的保护
5.1 供配电系统保护装置的作用和要求
一、供配电系统保护装置的作用
1. 故障：跳闸，切除故障；
2. 不正常运行状态：发出报警信号。

二、对供配电系统保护装置的基本要求
1. 选择性
当供电系统发生故障时，只离故障点最近的保护装置动作，切除故障，而供电系统的其他部
分正常运行。

目的：停电范围最小。

分析：
2. 快速性
保护装置在尽可能的条件下，应尽快地动作切除事故，减少对用电设备的影响，如果故
障能够在0.2s内切除，则一般电动设备不会停
转。

迅速的动作还可减轻对系统的破坏程度，减轻对元件的损害程度，减少用户在低电压下工作的时间和停电时间，加速恢复正常运行的过程，提高系统运行的稳定性。

3. 可靠性
保护装置在其保护范围内发生故障时，必须可靠动作，不应拒绝动作；在不应该动作的情况下，必须不能误动作。

为了满足可靠性的要求，保护装置接线应尽可能简单，力求减少继电器的
接点，避免保护装置断线、短路、接地和错误的接线，所有辅助元件(连接端子、连接导线)以及安装施工都应当十分可靠。

4. 灵敏性
灵敏性：保护装置对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。

如果保护装置对其保护区内极轻微的故障都能及时地反映动作，即保护装置具有足够的反应能力，说明保护装置的灵敏度高。

灵敏性用参数灵敏度系数S
来描
p
灵敏度系数的表达式：
最小运行方式：指电力系统处于短路阻抗为最大，短路电流为最小的状态的一种运行方式。

注意：对于三相三线制系统，其最小运行状态时的短路电流为两相短路电流。

两相短路电流与三相短路电流的关系为：
min 1⋅⋅=k p op I S I I k·min —系统在最小运行方式下保护区末端短路的短路电流；I op·1—保护装置一次侧动作电流。

(2)
(3)(3)30.8662
==k k k I I I
三、工厂常用保护装置的类型
1. 继电保护
继电保护是用各种不同类型的继电器按一定的方式连接、组合，构成继电保护装置。

当系统出现事故或故障时，检测出并使相应的高压断路器跳闸，将故障部分切除，或给出报警信号。

范围：供电可靠性较高、操作灵活方便特别是自动化程度较高的高压供电系统中。

2. 熔断器保护
广泛应用于高、低压供电系统。

由于其装置简单经济，所以在工厂供电系统中应用非常普遍，但它的断流能力较小，选择性较差，且熔体熔断后更换不便，不能迅速恢复供电，因此在要求供电可靠性较高的场所不宜采用。

3. 低压断路器保护
又称为低压自动开关保护。

由于低压断路器带有多种脱扣器，能够进行过电流、过负载、失
电压和欠电压保护等，而且也可作为控制开关进行操作，因此在对供电可靠性高，且频繁操作的低压供电系统中广泛应用。

5.2 常用保护继电器和继电器的接线方式
一、继电器的分类和工作原理
1.
分类：
⎧⎪⎨⎪⎩{
2. 电磁式继电器的工作原理(1). 原理
(2). 有关继电器的几个常见参数
①常开触点
继电器线圈不通电的初始情况下，处于打开状态的触点。

②常闭触点
继电器线圈不通电的初始情况下，处于闭合状态的触点。

③继电器的动作电流I op
继电器线圈中流过的使过流继电器动作的最小电流。

④继电器的返回电流I re
继电器线圈中流过的使过流继电器由动作状态返回到初始位置的最大电流。

⑤继电器的返回系数K re
继电器返回电流I re 与动作电流I op 的比值。

对于过量继电器其返回系数小于1，一般取0.8，如果过电流继电器；对于欠量继电器其返回系数大于1，一般取1.25，如低电压继电器。

re re op
=K I I
二、常用保护继电器
1. 电磁式电流和电压继电器
KA KV
2.
电磁中间继电器
KM 作用：
增加触点数目，增大触点的容量。

3.
电磁式信号继电器
KS 作用：
发出指示信号
4. 电磁式时间继电器
KT
作用：
使保护装置得到所需的延时
5. 感应式电流继电器
KA
感应式电流继电器的动作特性曲线
反时限—电流越大动作时间越短
速断电流倍数n qb —继电器线圈中使电流速断元件动作的最小电流值(速断电流I qb )与继电器的动作电流I op 的比值。

感应式电流继电器的特点：
①一个继电器兼有两种保护，即利用感应部分作过电流保护，利用电磁部分作速断保护；②结构复杂，准确性不高。

三、继电器的接线方式
1. 定义
继电器的接线方式是指电流互感器和电流继电器之间的连接方式。

2. 接线系数K w
表述继电器电流I kA 与电流互感器二次侧电流I 2的关系，即
KA
w 2
=
I K I
3. 接线方式
(1).
三相三继电器接线方式
接线系数K
w =1
用于110kV及以上中性点直接接地系统中，作为相间短路和单相短路的保护。

Yd11变压器的过电流保护大都采用这种接线，以提高保护装置的灵敏性。

(2). 两相两继电器接线方式
接线系数K w
=1
用于工厂中性点
不接地的6-10kV 保护
线路，作为相间短路
的保护。

(3). 两相三继电器接线方式
作为相间短路和
单相短路的保护。

接线系数K =1
(4). 两相一继电器接线方式项目
接线系数三相短路
A 、C 相短路
2
A 、
B 或B 、
C 相短路1
3用于10kV 及以下工
厂企业的高压电动机保
护。

接线系数
四、保护装置的操作电源
1. 作用
在正常或故障情况下向继电保护装置、信号装置及断路器操作机构等不间断地供电。

2. 要求
不受供电系统运行情况的影响，在供电系统发生故障时，也能保证继电保护和断路器可靠地动作，并在断路器进行合闸时有足够的容量。

3. 分类
直流操作电源，交流操作电源。

4. 交流操作方式
(1). 直接动作方式
利用断路器操作机构内
的过流脱扣器(跳闸线圈)YR
直接作用于跳闸。

设备少，接线简单，但
由于受脱扣器型号的限制，
(2). 去分流跳闸方式
接线简单，灵敏度高，但要求继电器的触点容量较大。

在工厂企业中应用相当广泛。

5.3 工厂高压线路继电保护
一、线路过电流保护
为了具有选择性，过电流保护通常应有一定的时限。

1. 定时限过电流保护装置的组成和原理
(1). 动作时间
定时限过电流保护装置的动作时间是按照整定的动作时间固定不变的，与故障电流大小无关。

(2). 组成及原理
原理图
展开图
2. 反时限过电流保护装置的组成和原理
(1). 动作时间
保护装置的动作时限是变化的，时间随通过保护装置的故障电流变化而反时限变化，即通过电保护装置的故障电流越大，动作时间越短，故障电流越小，动作时间越长。

(2). 组成和原理
展开图原理图
3. 过电流保护装置的动作原理和整定
(1). 动作原理
(2).过电流保护动作电流的整定
整定原则：动作电流按躲过线路正常运行时流经本线路的最大负荷电流，其保护装置的返回电流也必须躲过线路的最大负荷电流。

计算公式：
(3).过电流保护装置动作时限的整定和配合①定时限过电流保护的动作时限整定和配合
rel W op max re i ⋅=L K K I I K
K K rel —可靠系数，可取1.2(DL),1.3(GL)K re —返回系数，可取0.85(DL),0.8(GL)K i —电流互感器的变流比I L·max —最大负荷电流, I L·max =(1.5~3)I 30
Δt=0.5s
t1=t2+ Δt
②反时限过电流保护的动作时限整定和配合
Δt=0.7s
(4). 过电流保护装置的灵敏度
过电流保护的灵敏度S p 由下式确定：
其中：I k·min 为被保护线路末端在系统最小运行方式下的两相短路电流。

(2)w k min
p i op 1.5⋅=≥K I S K I
(5).
低电压闭锁的过电流保护动作电流：
rel W op 30re i
=K K I I K K 动作电压：
()min op rel re U
N U
0.60.7=≈ U U K K K U K
(6). 定时限与反时限过电流保护的比较
①定时限过电流保护
优点：动作时间准确，整定简单。

缺点：继电器数目多，接线复杂，需直流操作电源，投资大，另外，靠近电源处的保护装置动作时间较长。

②反时限过电流保护
优点：继电器数目少，接线简单，投资少。

缺点：整定配合较麻烦，继电器动作时限误差较大，当距离保护装置安装处较远地方发生短路时，动作时间较长，延长了故障持续时间。

例5-1 某厂10kV供电线路，如图所示。

保护装置的接线方式为两相式接线。

已知WL
2
的最大负荷
电流为57A，TA
1的变比为150:5，TA
2
的变比为
100:5，继电器为电磁型电流继电器。

已知KA1已整定，其动作电流为10A，动作时间为1s。

k-1点的三相短路电流为500A，k-2点的三相短路电流为200A。

确定保护装置KA
2
的动作电流和动作时间，并检验其灵敏度。

解：1.整定动作电流：
取K rel =1.2,K re =0.85,K i =100:5=20,I L·max =57A
取动作电流整定值为4A。

rel W op max re i 1.2157 4.02(A)0.8520
⋅×==×=×L K K I I K K
2.整定动作时间：
3. 灵敏度的校验：
由此可见，灵敏度满足要求。

2110.5=−Δ=−=t t t (2)(3)k min
k-2(2)w k min p i op 30.866200173(A)2
1173 2.16 1.5204⋅⋅==×=×===>×I I K I S K I
二、电流速断保护
1. 电流速断保护的组成
电流速断保护的特点：
优点：动作迅速、接线
简单、维护方便
2. 电流速断保护的整定
(1)整定原则：按躲过所保护线路末端发生短路时的最大短路电流(三相短路电流) 来整定的。

即：(2) 电流速断保护的
“死区”及弥补
以过电流保护作为后备保护。

rel w qb max
i
⋅=k K K I I K K rel —可靠系数，对DL 取1.2～1.3,对GL 取1.4 ～1.
3. 灵敏度校验：
按保护安装处(线路首端)在系统最小运行方式下的两相短路电流作为最小短路电流来校验，即：注意：如果配电线路较短，配电线路可只装过电流保护，不装速断保护。

(2)
w k min
p i qb
1.52
⋅=
≥ K I
S K I
例5-2 如图所示10kV供电线路，保护装置的接线方式为两相式接线。

继电器为电磁型电流继电
器。

已知TA
2的变比为100:5，k-1点的三相短路
电流为500A，k-2点的三相短路电流为200A。

确定保护装置KA
2
的速断电流，并检验其灵敏度。

解：1. 电流速断保护的动作电流
2. 校验保护灵敏度
可见，KA 2速断保护的灵敏度满足要求。

rel w qb max i
1.31
20013(A)20⋅×==×=k K K I I K (2)
(3)
k min
k-1(2)w k min
p i qb
30.866500433(A)21433 1.66 1.5
2013⋅⋅=
=×=×===>×I I K I S K I 取K rel =1.3,K i =20,I k·max =200A
三、过负荷保护
1.保护的组成
2.动作电流整定计算
3.动作时间t=10～15s
op 30
i
1.2 1.3= I I
K
四、单相接地保护
发生单相接地故障时：大电流接地系统，保护装置迅速动作，将故障切除；小电流接地系统，一般不跳闸，仅发出信号，让工作人员及时采取措施。

1.绝缘监察装置
利用发生故障
后出现零序电
压而发出信号
2.零序电流保护
利用发生单相接地故障时，故障线路比非故障线路的零序电流大的原理实现动作的选择性。

(1) 架空线路的单相接地保护
零序电流过滤器
(2) 电缆线路的单相接地保护
特别注意：
电缆头接地线必须
穿过零序电流互感
器的铁芯，否则接
地保护装置不起作
用。

(3) 单相接地保护装置动作电流的整定动作值的整定：
灵敏度的校验：
()
op E i
=rel c
K I I K K rel —可靠系数
保护装置不带时限取4~5；保护装置带时限，取1.5~2。

I c —发生单相接地时，被保护线路本身流入电网的电容电流。

()
c c
p i op E 1.5
∑−=≥I I S K I I c ∑—流经接地地点的接地电容电流总和。