第六章 继电保护与自动装置

第六章 继电保护与自动装置第一节 继电保护基础继电保护基本任务是：当电气系统或设备发生故障时，能快速、自动地指挥断路器将故障部分从供电系统中切除（断电），将事故限制在允许的范围之内。

一、继电保护的组成与原理继电保装置护一般由测量部分、逻辑部分和执行部分所组成。

测量部分从被保护对象输入有关信号，再与给定的整定值相比较，决定是否动作。

根据测量部分各输出量的大小、性质、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的逻辑关系工作，最后确定保护应有的动作行为，由执行部分立即或延时发出警报信号或跳闸信号。

二、对继电保护的基本要求（一）选择性继电保护的选择性是指当系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，使停电范围尽量缩小，从而保证非故障部分继续运行。

当k1点发生短路故障时，应由故障线路上的保护1 和2 动作，将故障线路切除，这时变电所B 则仍可由另一条非故障线路继续供电。

在要求保护动作有选择性的同时，还必须考虑保护或断路器有拒动的可能性，因而就需要考虑后备保护的问题。

（二）快速性快速切除故障可以减轻故障的危害程度，加速系统电压的恢复，为电动机自起动创造条件等。

故障切除时间等于继电保护动作时间与断路器跳闸时间（包括熄弧时间）之和。

对于反应不正常运行状态的继电保护，一般不需要求快速反应，而是按照选择性的条件，带延时发出信号。

（三）灵敏性是指保护装置对保护范围内故障的反应能力，通常用灵敏系数K s 来衡量。

反应故障参数增加的保护装置，其灵敏系数为k min s opI K I ⋅=反应故障参数降低的保护装置，其灵敏系数为ops k max U K U ⋅=（四）可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，应正确动作，不应拒动；而在任何其它该保护不应该动作的情况下，则不应误动作。

对继电保护的基本要求是选择设计继电保护的依据，它们既相互联系又有一定的矛盾，故在选用、设计继电保护装置时，应从全局出发，统一考虑。

三、常用继电器（一）电磁型继电器1. 工作原理电磁型继电器主要由电磁铁、可动衔铁、线圈、接点、反作用弹簧等元件组成。

当在继电器的线圈中通入电流I 时，当电磁力矩足以克服弹簧的反作用力矩时，衔铁被吸向电磁铁，带动常开接点闭合，称为继电器动作，这就是电磁型继电器的基本工作原理。

2. 返回系数电磁型电流继电器，能使其动作的最小电流称为动作电流，用I op 表示；能使动作状态下的继电器返回的最大电流称为返回电流，用I re 表示；通常把返回电流与动作电流的比值称为继电器的返回系数K re ，即re re opI K I = 返回系数是继电器的一项重要质量指标。

对于反应参数增加的继电器，如过电流继电器，K re 总小于1；而反应参数减小的继电器，如低电压继电器，其返回系数总大于1。

继电保护规程规定：过电流继电器的K re 应不低于0.85；低电压继电器的K re 应不大于l.25。

3. 电磁型低压继电器对于电磁型电压继电器，它与电流继电器不同之处是线圈所用导线细且匝数多，阻抗大，以适应接入电压回路的需要。

电压继电器分为过电压和低电压两种，过电压继电器与过电流继电器的动作、返回概念相同；低电压继电器是电压降低到一定程度而动作的继电器，故与过电流继电器的动作与返回概念相反。

能使低电压继电器动作的最大电压，称为动作电压，能使动作后的低电压继电器返回的最小电压，称为返回电压。

（二）感应型电流继电器感应型电流继电器的动作机构主要由部分套有铜制短路环的主电磁铁、瞬动衔铁和可动铝盘等元件组成。

当电磁铁线圈电流在一定范围内时，铝盘因两个不同相位交变磁通所产生的涡流而转动，经延时带动接点系统动作，由于电流越大，铝盘转动越快，故其动作具有反时限特性。

（三）静态型继电器1．整流型继电器LL －10系列整流型继电器亦具有反时限特性，可以取代感应型继电器使用。

2．晶体管型继电器晶体管型与整流型继电器在保护的测量原理类似。

现代的晶体管保护已为集成电路保护所取代，成为第二代静态型保护，称为模拟式保护装置。

3．微机保护微型计算机和微处理器的出现，使继电保护进入数字化时代，目前微机继电保护已日趋成熟并得到广泛的应用。

四、电流保护的接线方式电流保护的接线方式，是指保护装置中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。

常用的接线方式有三种：完全星形接线，不完全星形接线，两相电流差接线。

（一） 接线系数1. 星形接线 通过继电器的电流是互感器的二次侧电流，如果引入一个接线系数r wc 2I K I =，那么对于星形接线有K wc ＝1。

2. 两相电流差通过继电器的电流是两相电流之差，即r a c I I I =-。

因此，不同类型的短路类型，其接线系数不同。

由相量图可以看出，在三相短路时，r a c I ==，K wc两相短路时，r ac a 2I I ⋅=， r ab a I I ⋅=或r bc c I I ⋅=，K wc 为2或1；单相短路为1或0。

（二）各种接线方式的性能与应用完全星形接线方式能保护任何相间短路和单相接地短路。

不完全星形和两相电流差接线方式能保护各种相间短路，但在没有装设电流互感器的一相（B 相）发生单相接地短路时，保护装置不会动作。

从上述分析看出，三种接线方式都能反应任何相间短路，因此这里以几种特殊故障下的保护性能对它们进行评价。

1．两点接地短路故障的保护接线方式选择2．Y ，d 变压器后两相短路故障的接线方式选择对小接地电流电网，采用完全星形和不完全星形两种接线方式时，各有利弊，但考虑到不完全星形接线方式节省设备和平行线路上不同相两点接地的机率较高，故多采用不完全星形接线方式。

当保护范围内接有Y ，d 接线的变压器时，为提高对两相短路保护的灵敏度，可以采用两相三继电器的接线方式，接在公共线上的继电器，即反应B 相电流。

对于大接地电流电网，为适应单相接地短路保护的需要，应采用完全星形接线。

第二节 电网相间短路的电流电压保护一、有时限的电流保护（一）原理是指动作电流按照躲开最大负荷电流来整定的保护装置。

当电网发生短路时，则能反应于电流的增大而动作。

由于短路电流一般比最大负荷电流大得多，所以保护的灵敏性较高，不仅能保护本线路的全长，作本线路的近后备保护，而且还能保护相邻线路全长，作相邻线路的远后备保护。

过流保护按所用继电器的时限特性不同，分为定时限和反时限两种，时限级差t ∆一般对定时限保护取t ∆＝0.5s ，反时限保护取t ∆＝0.7s 。

（二）整定计算1．动作电流的计算过流保护装置的动作电流应按以下两个条件进行整定：l ）应能躲过正常最大工作电流I 1.max ， 即op max l I I ⋅≥2）电流继电器的返回电流I re 大于线路最大工作电流，即r e m a x l I I ⋅>或表示为re co max co o ca l l I K I K K I ⋅==式中 K co ——可靠系数，考虑继电器动作电流的误差及最大工作电流计算上的不准确而取的系数，一般取为1.15～1.25。

由继电器的返回系数定义可知，re re op /K I I =，则保护装置的动作电流为re co o op ca re rel I K K I I K K == 继电器的动作电流I opr 为co o wc op r ca re TA l K K K I I K K ⋅=继电器的返回系数K re ，对DL 型继电器取0.85；GL 型继电器取0.8；晶体管型继电器取0.85～0.9。

2．灵敏系数校验按躲过最大工作电流整定的过流保护装置，还必须校验在短路故障时保护装置的灵敏系数，即在它的保护区内发生短路时，能否可靠地动作。

根据灵敏系数的定义，有()2k.min s op I K I =()2wc k min s TA op rK I K K I ⋅⋅= 灵敏系数的最小允许值，对于主保护区要求K s ≥1.5；作为后备保护时要求K s ＞1.2。

（三）动作时限的配合1．定时限保护的配合为了保证动作的选择性，过流保护的动作时间沿线路的纵向按阶梯原则整定。

2．反时限保护的配合反时限保护的动作时间与故障电流的大小成反比。

在配合点上应有t 1＝t 2＋Δt 。

3．定时限与反时限的配合二、电流速断保护过电流保护的选择性是靠纵向动作时限阶梯原则来保证。

因此，越靠近电源端，保护的动作时间越长，不能快速地切除靠近电源处发生的严重故障。

为了克服这个缺点，可加装无时限或有时限电流速断保护。

（一）无时限电流速断保护1. 保护动作原理① 定义：对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。

② 对速断保护的期望和要求速动性好；保护本线路全长（灵敏性：全线速动，最理想效果）；下条线路出口短路时保护不动作（选择性：基本要求，必须满足）。

2.整定计算电流速断保护的动作电流可按下式计算：()3op qb co k max I K I ⋅⋅=。

继电器的动作电流为()3k max op qb r co wc TAI I K K K ⋅⋅⋅=。

3. 灵敏度校验电流速断保护的灵敏系数通常用保护范围来衡量，保护范围越长，表明保护越灵敏。

保护范围通常用线路全长的百分数表示，一般要求最大保护范围≥50%，最小保护范围≥15%。

4.评价无时限电流速断保护接线简单、动作迅速可靠；其主要缺点是不能保护线路全长，并且保护范围直接受系统运行方式变化的影响。

当系统运行方式变化很大，或者被保护线路长度很短时，速断保护就可能没有保护范围。

（二） 时限电流速断1 定义：由于电流速断保护不能保护本线路全长，为了切除本线路速断保护范围外的故障，并作为作为速断保护的后备，需增加一段新的保护，因该保护动作带有延时，故称限时电流速断保护。

2 对限时速断保护的期望和要求任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性；在满足上述要求的前提下，力求动作时限最小。

3.整定计算为保证选择性及最小动作时限，首先考虑其保护范围不超出下一条线路第Ⅰ段的保护范围,动作时限高出下一条线路Ⅰ段保护Δt 。

即整定值与相邻线路第Ⅰ段配合。

假设保护2 装有电流速断保护，其动作电流整定为保护1 限时电流速断保护的动作电流应整定为动作时限的整定为了能够保护本线路的全长，限时电流速断保护在系统最小运行方式下线路末端发生两相短路时，应具有足够的灵敏性，一般用灵敏系数来校验，即规程规定灵敏系数不应低于1.25～1.5。

三、三段式电流保护1. 阶段式电流保护的构成与配合为保证迅速、可靠而有选择性地切除故障，可将电流速断保护（电流Ⅰ段）限时电流速断保护（电流Ⅱ段）定时限过电流速断保护（电流Ⅲ段），根据需要组合在一起构成一整套保护，称为三段式电流保护。

具体应用时，可以采用电流速断保护加定时限过电流保护，或限时电流速断保护加定时限过电流保护，也可以三者同时采用。