继电保护基础知识.docx
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继电保护基础知识
继电保护…CRelayProtection……）…
绪论
本部分主要介绍电力系统故障类型，不正常运行状态及电力系统发生故障产生的危害后果。
重点介绍继电保护部分的任务，工作原理及对继电保护的要求。
一.电力系统的故障与不正常运行
1.电力系统：
电能的生产，输送，分配和应用组成的系统。
2.一次设备：
电能通过的设备。
如发电机，变压器，断路器，隔离开关，PT,CT,电力电容器，电抗器，母线及线路为一次设备。
3.二次设备：
对一次设备运行状态进行监视，测量，保护及控制的设备为二次设备。
（弱电）
电力系统在运行中可能会发生各种故障及不正常运行状态，会严重影响系统的正常运行，甚至会使系统瓦解。
4.电力系统中的故障和不正常运行状态及后果。
a.故障：
最常见也是最危险的故障是发生各种形式的短路，其次是系统断路及复合故障。
危害：
①通过故障点很大的短路电流（为负载电流的几倍或几十倍）备。
©短路电流通过电源到短路点的非故障元件。
由于发热和电动力的作用（如线路间力的作用）使它们损坏或缩短使用寿
命，功能降低
◎使电压大大下降，供电质量下降，影响用户工作的稳定性（大面积停电）
©破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡。
b.不正常运行状态：
电力系统中电气设备不能正常工作，但没发生故障。
©1过负荷：
负荷超过电气设备额定值，即负载上升，R下降，负荷电
流上升大于额定电流即|巾＞|N（载流部分和绝缘材料温度上
升，加速绝缘的老化损坏，可能会发展为故障）
©2过电压：
发电机突然甩负荷或急剧下降。
R上升。
I下降
UEaIaRa
©3系统频率下降（低用状态）
©4发生轻微振荡。
5．短路的类型：
©1三相短路D（3）2%
（2）
©2两相短路D1.6%
（1）
©3单相接地短路D
（1）87%
（1.1）
©4两相接地短路D（1.1）6.1%
6．系统发生事故的原因：
©1自然条件因素（如雷击等）
©2设备设计不合理，使正常的电流偏离。
©3设备制造或安装中的缺陷，维护不及时造成的绝缘损坏
④误操作（带电切刀闸等）及人为因素。
电力系统继电保护的任务：
1•继电保护装置：
指能反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作
与跳闸或发出信号的一种装置
2•基本任务：
O故障后，能自动迅速，有选择地切除故障源，使故障设备免于遭到破
坏，保证其它无故障设备能正常运行。
O反应电气设备的不正常运行状态，动作与发出信号，减负荷或跳闸，
对于不正常运行状态，一般不要求迅速动作，延时可避免由于干扰而弓I起的情况，防止误动作。
继电保护的原理及组成
1•继电保护的组成：
为完成继电保护所完成的任务，保护装置应该有能够正确地区分系统正常运行
与发生故障或不正常运行状态之间的区别，以实现保护。
因此保护装置应用测量部
分，逻辑分析部分及执行保护三部分组成：
如图
输入信号
测量部分
4
逻辑部分
►
执行部分
输出
■跳闸
（模拟量）
信号
整定值
O测量部分：
测量被保护对象输入的模拟信号，并和已给定的整定值进行比较，
从而判断是否应该起动。
©逻辑部分：
根据测量信号部分输出信号的性质（大小顺序等），使被保护按
一定的逻辑关系工作，最后确定是否发出跳闸信号。
①执行部分：
根据逻辑部分送来的信号，执行相应的任务
即：
a.故障时，动作与跳闸
b.不正常运行时，发出信号
c.正常运行时，不动作
2.继电保护的基本原理：
继电保护的原理是利用被保护设备故障前后模拟量的突变，越过门槛电压（阈
电压），或电流等其它模拟量时，经逻辑判别环节发出跳闸命令或中央信号。
在一般情况下，发生短路之后总是伴随着IT,UJ（U〔a|dRa）和线
路起始端距故障点的阻抗I下降，以及相位角的变化。
因此，利用正常运用时与故障时这些基本参数的突变，够成了不同原理的继电保护
（1）根据基本参数：
O1I上升过电流保护
◎u下降低电压保护
©测量阻抗Z下降距离保护（短路点到保护安装地点之
间的距离阻抗）
Z
Zd
Zdid
（2）根据电流（功率）的方向：
（差动保护
A
（D双侧电源网络正常运行时，电流从A侧流入B侧流出，如果规定电流的正方
向为由母线流向线路，则A侧与B侧电流可以认为是相等大小方向相反。
当在线路AB以外短路时，AB侧电流为大小相等方向相位相反。
当在线路AB内短路时，A侧电流与B侧电流为由母线流向线路，相位相反,
但大小不一定相等（与短路阻抗有关）
所以利用内部故障与外部故障两侧电流相位或功率方向的差别就可以构成
各种差动保护。
（相差保护，纵联保护等）
差动保护只能在被保护线路内部故障时才动作，而不反映外边故障，所以有
绝对的选择性
（3）根据负序，零序的是否存在，零序保护（对称分量法）
系统正常运行时，三相电压或电流均为对称
即:
UaL&B1&C0我们可以把每一相分成正序，负序和零序
广U&AUaL&A1
Ao
「且三相正序UaUbUC大小相等方向
UbI&bL&BL&B0'
o
成120，三相负序也是，因此，三相零
1序大小相等方向相同。
2
「UbaUa
厂Ub
al&A
•UcaUa
•Uc
al&A
o
j120
e
2cos
3
..2jsin
3
O在系统正常运行时，或三相同时接地短路时，只有正序分量且等于每相线电压而负序和
零序分量均为零
O在系统出现非对称故障时（单相接地或两相接地时），有负序和零序分量（有中性线零序
电流经中性线流入大地）
所以利用负序和零序分量的非零值可构成保护装置
（4）根据非电量参数：
O瓦斯保护（主变绕组短路油分解产生气体）
O过温保护（电动机绕组温度升高）
3.故障时参数的变化情况（以单侧电源网络为例）
O
系统正常运行时，每条线路上都流有由它供电的负荷电流If,且
a.越靠近电流端的线路上负载电流越大。
|A|B|C（分流）。
越靠近电流
端的母线电压也越高。
UAUBUC（线路压降）
b.母线电压与电流之间的相位角取决于由它供电的负载功率因数。
c.电压与电流之比为“测量阻抗”，对母线来说某一条线路负载的等效阻抗，其
值一般都比较大。
Ud=0
假定在线路BC上发生了三相接地短路，则a.短路点电压Ud降至0，C段母线上停电
b.从电源到短路点之间均将流过很大的短路电流|d
C.各段母线上的电压将大幅度的下降（|dzfUaEa|dRa
UbUaIdZ）
且距离短路点越近，电压降的越多（ubUaIdZ）
d.B母线上的残余电压为UdIdZd，B母线段的短路阻抗为Zd，且Zd正比于短路点到B母线之间的距离。
4.电流保护实例
O正常时，一次设备流过负荷电流|f,电流互感器，线性地反映|f（1-5A），其值
If©被保护线路短路时，一次设备中短路电流|d>|f（正常值）几十倍，则互感器二
次侧电流|f>|zd，贝ULJ的结点闭合，起动中间继电器，此结点闭合，使DL跳
闸线圈TQ带电，由吸引力使脱钩机构释放，（杠杆顺时针转时）DL在弹簧F的作用下跳开（同时DL也跳开），切除了故障，|d消失，LJ返回。
四•对继电保护的基本要求
1.选择性：
o只需切除故障部分，无故障部分继续安全运行。
©使停电的范围最小
A12B5C6
d3
©当di处短路时，应由距短路点最近的保护1跳闸，将故障线路切除，变电所B仍
可由另一无故障线路继续供电。
◎当d1处短路时，保护6跳闸，切除CD段线路，变电所D停电。
a.后备保护：
由继电器保护为DL拒动而设计的。
如当d3处短路时，距短路点
最近的保护6应动作切除故障，但由于某种原因，该处继电器保护或DL拒动,此时如果保护5动作也能消除故障，此时变电所C,D停电，能起保护5这种作用的保护称为相邻元件的后备保护。
b.远后备保护：
5作为6的后备保护，而1，3又可做5，7的后备保护，按以上方式构成的在远处实现的后备保护称为远后备保护。
c.近后备保护：
当实现远后备保护在技术上有问题时可采用近后备保护
保护主保护（每个被保护着被有九套保护装置）
近后备保护兼下一线路保护或DL拒动时的员后备保护
◎主保护为速断保护，它只保护本条线路的一部分，故速断保护的动作电流大于本条
线路末端短路时最大短路电流，在本线路末端及末端以外短路时，本线路速断保护
不会动作。
根据|d大小而定。
◎后备保护是过流保护
a.本线路速断不动时，过流保护动作。
b.下一条线路两套保护均不动作时，作为下条线路的后备保护，但动作延时要比
下条线路过流保护延时长△t.
（0如d2处短路，Id流过保护1.2时，此时：
「保护1的速断不会动作（因为1的动作电流大于本线路以外的|d）
保护2的速断可能动作（d2是否在BC段的末端）
■_如果动作切除BC段，C变电站停电。
如果不动作，保护2过流动作，如果再不动，则保护1过流动作。
0如d3处短路，|d流过保护1.2.3时，此时：
'保护1.2的速断不会动作（速断只保护本线一部分）
保护3的速断应最先动作，如果不动，保护3的过流动作，再不动，保护2的过
流作为后备应动作（此时停电范围要扩大）
保护1.2.3的过流保护中，3的延时最短，1的最长
2.速动作：
快速切除故障，以提高系统运行的稳定性，尽量减少由于故障而造成的
破坏（用户用电质量UaJ设备不损坏）保护装置的动作时间为40ms.
3.灵敏性：
是指对保护范围内发生不正常运行状态或故障的反应能力，在保护范围内
应正确反应。
灵敏系数：
klm
0对过量继电器（高于整定值保护动作）
Klm
保护范围内突变量最小值
整定值
O对欠量继电器（低于整定值，保护动作）
整定值
Klm保护范围内突变量最大值
4.可靠性：
指在保护范围内发生它应该动作的故障时不应该拒动，在不应该动作的情
况下不应该误动
5.安全性：
第一章电网的过流保护
§.1电网相间短路的过流保护
一•继电器的类和要求
继电器是组成继电保护装置的基本元件。
它的基本作用是反映一个电气量突变
而动作，即其输入模拟量达到一定值时输出被控量。
1.继电器的分类：
O按动作原理：
a.电磁型b.晶体管型c.集成型d.微机型
O按反应的物理量：
a.电流继电器b.电压继电器c.功率方向继电器
d.阻抗继电器e.频率继电器
©按其作用：
a•启动继电器b.时间继电器c•出口继电器d•中间继电器
e.信号继电器
2.对继电器的基本要求：
O1工作可靠©灵敏度高©误差小动作迅速
要保证以上对继电器的基本要求，必须做到设计合理，制造工艺先进，严格的质量检测。
电磁型继电器
吸引衔铁式
三种
其中:
Iw为通电线圈在铁芯中产生的磁势（
IjW相当电压）
转动衔铁式
1.电磁型继电器的基本组成部分
©铁芯（固定）及线圈组成电磁铁
©可动衔铁
©接点（通断外电路）
©反作用弹簧
©止挡
2.电磁型继电器的工作原理：
磁路欧姆定律：
©当电磁铁的线圈通有电流i时，将在铁芯（固定及可动）
及空气隙组成的回路中产生磁通0•磁通的瞬时值t及
流入继电器线圈电流的瞬时值|j的关系是图
Rm
1W（磁通欧姆定律）
W为线圈的匝数
Rm为整个磁路的磁阻」铁芯中的磁阻
空气中的磁阻（占主要地位）
且Rm空气隙宽度）
所以磁通欧姆定律可写为
1W（K=COS
（2D电磁转矩：
衔铁被电磁铁的磁场变化率以后，将产生电磁力
Fe，对轴的转
矩为电磁转矩Mdc且
2
Mdc*
所以M北Ki
2
Ki（ijW）
K2
2
即:
MdcTj
i
Mdc*2
©继电器启动及返回过程:
a.设反作用弹簧产生的反向力矩为
Mth，由弹簧特性可知:
i
Mth-
即：
s（空气隙）越小，则
Mth（反力矩）越大，因此,
Mth随§线性
变化（成反比），在M-§中为一条直线。
b.当mdc（电磁转矩）＜Mth（弹簧反力矩）时，其结点断开，丁不动
c.当线圈电流Ij1Mdc
2
K2Ij2此时会产生与mdc相反的摩擦力
矩Mm，如果一旦MdcMthMm时，可动衔铁移动使继电器结
1
点闭合，且随，电磁转矩Mdcf（双曲线，因为Mdc*）使结点
可靠闭合，此时空气隙由1降至2（继电器启动）
d.继电器动作电流：
使继电器刚刚起动的最小电流IdzJ（大于IdzJ则继电
更能启动）
2十IW
（MdcK，而厂）
2
22
因为MdeMthMmK鸟K'1dzJV^
IdzjwJMthKMm（丁的最小启动电流）
所以IdzJ可由下列方法来调整：
|I.改变继电器线圈的匝数W
、n.改变弹簧的反作用力矩Mth
川.改变引起阻磁变化的空气隙3.
只要MdeMthMm继电器就会起动而且还会产生剩余转矩Msh
2
（MdeK丄刁随3的变小，Mde平方变大。
增大速度较快，呈双曲线，可以保证继
电器可靠起动，结点闭合）
e.继电器起动以后，要使它返回原位，就必须减小电流以减小电磁转矩
Mde。
如果mth（弹簧反作用力矩）+mm，则继电器开始返回，此时Mm与Mde同向（即Mm起阻碍返回的作用）
所以继电器的返回条件是MdeMthMm
继电器返回电流：
继电器返回原位时的最大电流，IhJ返回电磁转矩为
2
Ih.J
MhK22
f.继电特性：
「当|j|dzJ时，继电器根本不动作。
、当|j|dzJ时，继电器能突然迅速动作，闭合触点。
继电器动作以后，只要|j|h.j时，继电器又能迅速返回原位，打开
触点，无论起动或返回，继电器的动作都是明确干脆的，不可能停留在
|h.J
|dz.J
中间的某一个位置，这一特性称为“继电特性”
dzJ
返回系数：
返回电流Ih.J与起动电流IdzJ之比
Kh
|h.J
r~
（合）
41—-
1
|dz.J
1
1
对于过量的继电器来说
（分）
Kh1
且要求kh大一些比较好
0.85Kh越大则保护灵敏度越好。
Kh"mf
h.继电器的返回系数与哪些因素有关呢？
（如何提高返回系数Kh）
『采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩MmJf|dz.JKhJ
-改善磁路结构以减小剩余转矩mshj容易返回|h.jf
吸引衔铁型多被用于中间继电器（驱动）
转动衔铁型多用于过电流保护继电器（kh高，klm高）
螺管线圈式多用于时间继电器
三.体管型继电器
1.晶体管型过电流继电器
Rl上的压降UR1
UR1K|j
整流电路阻抗t
。
电压形成回路:
-用变流器LB将输入电流转换成一个在
-与电流互感器二次回路隔离取的所需电压
◎整流滤波回路
D1:
d4由二极管组成全波整流桥
CQ2C3为型滤波
它将系统输出电压uR1变成一比较平滑的直流电压，加在电位器r3上,
UR3Ij
◎电压比较回路：
由正电源e1,R4，稳压管w构成回路。
W被反向击穿，W两端为稳压的电压Ub（一般选3v稳
压管），且UR3可调，即可变继电器的起动电流。
Ub:
门槛电压，Ub（3v）UR3=°v时，即可起动
图中。
处为反向击穿稳压，O2为正向导通的二极管
O执行回路是一个由三极管T1，T2构成的两级单稳定触发器
正常工作时，IJ因此
a点具有正电位，大约为3v,正确选择R5使d点电位由Ei经R5后
降至
3v,D5承受反向而截止，此时
T1的基极电流|b为:
Ib
IlI2
1R5
（经偏流电阻供给）
2R8R9
（经反馈电阻供给）
此时不饱和导通，集电极
C1点电位为低电平0.1：
0.2,T2截止，T2集电极
C2电位为高电平，此时继电器不动作。
b.当输入电流Ijf使UR3下端为+3v,上端经UR3压降为负电位，a点为负电
位，D5马上导通，使Ib1被分流而减小，T1进入放大区，a点为回升，使T2基极电流Ib2f，T2由截止向放大区过渡，C2点电位下降，I2J，此过程循环，最后T1截止，T2导通，C2点电位为0v，继电器动作。
Ij>IdzJ时，Ib1Jpc1f^Ib2f^Uc2—I2J——
4
c.动作以后再减小电流IJ，使UR3J，a点电位回升，最后又D2截止，Ib1f使T1由截止变成导通，T2截止，输出高电平，继电器返回。
d.D3保护下，C3为干扰电容
1（正常）2不动
（启动翻转）
4
3
（返回）
动
2.晶体管型延时继电器
O正常时，T1饱和导通，a点为低电平，D1导通，
电容C被短接b点电位为bUDUce10.8V图
此值不能使W反向击穿，T2基极为低电平，T2截
止，输出Usc为高电平。
O当输入电平为低电平时，T1截止，a点电位为高电平，D1截止，电源经R2向
电容充电，当b点电位大于W的击穿电压时，W被击穿，T2饱和导通，输出低电平，即：
继电器延时输出。
（Uc电容起始电压）
延时时间tRClnEc―U_c
EcUw
四.
五.
六.
调节
电流互感器。
电压互感器。
电流速断保护
R2改变延时.
（略）
（略）
（过流I段）无时限电流速断。
1.工作原理:
当网络相间短路时，电源与故障之间的电流会增大t电流保护动作
O概念：
反应电流增大而瞬时动作的电流保护称为电流速断。
©对电流速断保护的要求：
a.根据继电保护速动性的要求，必须保证系统稳定和重要用户供电的可靠性。
原则上要求越快越好，所以对各种电气设备应力求安装速动保护装置。
b.要保证动作的选择性，例如：
3
did2d3d4
假定在每条线路上均装有电流速断保护装置，此时如果当AB段发生短路
时，希望保护2能迅速动作，BC段故障时，保护1能动作。
电流速断的保护范围最好能达到本条线路全长的100%，但是：
■-当AB段线路末端di短路时，希望保护2动作切除故障。
当BC段线路始端d2短路时，希望保护1动作而保护2不动（B站还能送电）
而di点和d2点短路时流过保护2的电流几乎是一样的，所以要求di短
路时保护2动作而d2短路时保护2不动，就不能同时满足。
保护1也无法区分d3和d4点的短路。
d.速断至少要保护线路的一部分
为解决以上矛盾，通常都是优先保证动作的选择性，即：
在BH2的启动
电流Idz.2，保证下一条线路出口处短路的条件整定，此时起动参数的整定称之为“按躲开下一条线路出口处短路的条件整定”。
因此说电流速断无法保护
线路的全长。
2.整定计算：
O系统最大运行方式：
某一保护在保护范围内末端短路时，流过保护的电流最大。
当1或2断路跳开时就变为最小运行方式
（D系统最小运行方式：
在保护范围末端短路时流过的电流最小
特点：
对应的阻抗较大系统的运行方式是根据短路类型及系统接线不同而变化的
e短路电流：
根据电力系统短路分析，当电源电势一定时，短路电流的大小决定于短路点与电源之间的总阻抗z
a.在最大运行方式下发生三相短路时，最小短路电流为：
⑶ExE
ZXM.minXlgL
Idmax
b.在最小运行方式下发生三相短路时，最小短路电流为:
⑵
Idmin
Ex3
Z兀
^Xxt.min
XiL
’⑵
（|d
—]g|d3），见电力工程
P196）
其中：
Ex:
电源电势
Xxt.max:
保护安装地到电源的最大阻抗
Xxt.min:
保护安装地到电源的最小阻抗
XI:
线路单位长度阻抗
L：
短路的点到保护安装地的距离
Xxt
在一定的系统运行方式下，ex（电源电势）和Xxt（保护到电源的阻抗）均
为常数，此时短路电流|d随ZdXlL（短路阻抗）的增大而减小，所以|d
随距离L的变化曲线如图：
⑶
d
图中：
O：
LminOLmax
当系统运行方式及故障类型改变时|d都将随之变化
O无时限电流速断保护的整定：
为了保证电流速断的选择性（如对bh1来说，当在D4处发生短路时bh1电
流速断不应该动作，而由bh3电流速断动作）所以，bh1的起动电流必须大于D4短路时可能出现的最大短路电流。
d.c.max
即：
I
Idz
Idz
（n。
电流互感器的变化）
其中:
BH1起动电流
d.c.max
最大运行方式下变电所C母线的三相短路电流
d.c.max
Xx.minXBC
这样才能保证D4短路时BH1电流速断不动，满足选择性的要求。
'
（2）
所以整定电流为：
Idz.1KkId.c.max
其中：
Kk=1・2：
1・3为可靠系数
引入Kk的目的是:
考虑各种存在的误差。
实际的短路电流要大于理论计算值。
考虑必要的裕度
对bh2来讲，起动电流I
dz.2KkId.B.max
3.无时限电流速断Id2Id.max（本线路末端最大短路电流）即：
无时限电流速断不
反映外部故障。
它没有时间元件，仅以继电器本身固有的动作时间动作，它完全依
靠提高整定值来获得选择性。
由于动作电流Idz整定后是固定不变的，所以可用直线来表示它与I和n各有交点。
-在交点以前短路时由于短路电流大于起动电流，保护装置能动作
在交点以后短路时由于短路电流小于起动电流，保护装置不能动作
而系统在不同的运行方式下或不同的短路类型下它的保护范围是不同的。
在最大运行方式下短路电流比较大，保护启动的可能性大，保护范围就大
在最小运行方式下短路电流比较小，保护启动的可能性小，保护范围就小
CD保护范围：
如果保护的动作电流Idz已知，则:
系统运行在最小方式下，且为两相短路时，短路电流最小，此时保护范围最小。
Idz
Ex/乜
^Xxtmax
XoL
min
（Ex取线电压）
所以电流速断的最小保护范围为
1min
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