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电力系统继电保护论文

论文摘要：

在电力系统中，各种类型的、大量的电气设备通过电气线路紧密地联结在一起。

由于其覆盖的地域极其辽阔、运行环境极其复杂以及各种人为因素的影响，电气故障的发生是不可避免的。

由于电力系统的特殊性，上述五个环节应是环环相扣、时时平衡、缺一不可，又几乎是在同一时间内完成的。

在电力系统中的任何一处发生事故，都有可能对电力系统的运行产生重大影响。

关键词：

电力系统 发电变电 输电配电 

1.5电力系统常见状态…………………………………………………………………….................................…..2

1.6对继电保护装置的基本要求……………………………………………………………………...............…...3

第七章继电保护装置的日常维护……………………………………………………………………15

7.1继电保护故障处理方法…………………………………………………………………………………..16

7.2可采用的措施………………………………………………………………………………………16

第一章继电保护的基本概念 

1.1什么是继电保护装置：

继电保护装置是一种由继电器和其它辅助元件构成的安全自动装置。

它能反映电气元件的故障和不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号。

（1）故障：

将故障元件切除（借助断路器）；

（2）不正常状态——自动发出信号以便及时处理，可预防事故的发生和缩小事故影响范围，保证电能质量和供电可靠性。

1.2继电保护的作用与组成

在电力系统中，继电保护装置的基本任务（作用）是:

（1）当电力系统中的电气设备发生短路故障时，能自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行。

（2）当电力系统中的电气设备出现不正常运行状态时，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班人员），动作于发出信号、减负荷或跳闸。

此时一般不要求保护迅速动作，而是根据当时电力系统和元件的危害程度规定一定的延时，以免误动作。

继电保护的组成一般由测量部分、逻辑部分和执行部分组成。

就全局而论，在电力系统的安全问题上有两种必须避免的灾害性事故：

一种是重大电力设备损坏，另一种是电网的长期大面积停电。

在这些方面，电力系统继电保护一直发挥着特殊重要作用。

继电保护装置主要都包括三个部分：

测量部分、逻辑部分、执行部分。

（保护装置结构方框图）

1.3继电保护的基本原理

现以最简单的过电流保护装置为例，来说明继电保护的组成和基本工作原理。

在图1.1所示的输电线路过电流保护装置的原理接线图中,电流继电器KA的线圈接于被保护线路电流互感器TA的二次回路，这就是保护的测量回路，它监视被保护线路的运行状态，测量线路中电流的大小。

在正常运行情况下，线路中通过负荷电流时，电流继电器KA不动作；当被保护线路发生短路故障时，流入继电器KA线圈回路的电流大于继电器的动作电流时，电流继电器立即动作，其接点闭合，接通逻辑回路中时间继电器KT的线圈回路，时间继电器起动并经延时后接点闭合，接通执行回路中的信号继电器KS和断路器QF跳闸线圈Y回路，使断路器QF跳闸，切除故障。

（图1.1线路过电流保护装置单相原理接线图）

可见，这种继电保护装置的核心是电流继电器，它通过电流互感器受电，经常测量着线路电流值的变化，并与整定值进行比较，一旦超过整定值就动作，向断路器跳闸机构送出跳闸命令，同时发出继电保护动作信号。

1.4继电保护装置的分类

继电保护装置一般可以按反应的物理量不同、被保护对象的不同、组成元件的不同以及作用的不同等方式来分类，例如：

（1）根据保护装置反应物理量的不同可分为：

电流保护、电压保护、距离保护、差动保护和瓦斯保护等。

（2）根据被保护对象的不同可分为：

发电机保护、输电线保护、母线保护、变压器保护、电动机保护等。

在电气化铁道牵引供电系统中，主要有110kV（或220kV）输电线保护、牵引变压器保护、牵引网馈线保护及并联电容器补偿装置保护等。

（3）根据保护装置的组成元件不同可分为：

电磁型、半导体型、数字型及微机保护装置等。

（4）根据保护装置的作用不同可分为：

主保护、后备保护，以及为了改善保护装置的某种性能，而专门设置的辅助保护装置等。

当某一电气设备装设有多种保护装置时，其中起主要保护作用的保护装置称为主保护；作为主保护装置备用保护的保护装置称为后备保护。

后备保护又分为近后备保护和远后备保护，近后备保护指同一电气设备上多种保护的相互备用，远后备保护则是指对相邻电气设备保护的备用。

1.5电力系统常见状态

电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的故障是发生各种形式的短路，如相间短路、接地短路等。

短路故障可能产生的后果：

（1）流经故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。

（2）短路电流流经非故障电气元件时，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。

（3）电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。

（4）破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。

电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运行状态：

（1）例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（一般又称过负荷），就是一种最常见的不正常运行状态。

由于过负荷，使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升高，加速绝缘的老化和损坏，就可能发展成故障。

（2）系统中出现功率缺额而引起的频率降低

（3）发电机突然甩负荷而产生的过电压

（4）以及电力系统发生振荡

故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。

事故，就是指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。

系统事故的发生，除了由于自然条件的因素（如遭受雷击等）以外，一般都是由于设备制造上的缺陷、设计和安装的错误、检修质量不高或运行维护不当而引起的。

因此，只要充分发挥人的主观能动性，正确地掌握客观规律，加强对设备的维护和检修，就可以大大减少事故发生的几率。

1.6对继电保护装置的基本要求 

 对继电保护装置的基本要求有四点：

即选择性、灵敏性、速动性和可靠性 

（1）选择性 

　　当供电系统中发生故障时，继电保护装置应能有选择性地将故障部分切除。

也就是它应该首先断开距离故障点最近的断路器，以保证系统中其它非故障部分能继续正常运行。

系统中的继电保护装置能满足上述要求的，就称为有选择性；否则就称为没有选择性。

以图3—1为例，在各个断路器处都装有保护装置。

当K—1点故障时，根据选择性的要求，应首先由断路器6处的保护装置动作，使断路器断开，则非故障部分可继续正常运行。

若在K—1点故障时，继电保护装置首先使断路器5断开，则变电所Ⅲ将全部停止供电，这种情况称为无选择性的动作。

同理，K—2点短路应由断路器5切除，K—3点短路应由断路器1、2切除。

主保护和后备保护：

　　10KV供电系统中的电气设备和线路应装设短路故障保护。

短路故障保护应有主保护、后备保护，必要时可增设辅助保护。

　　当在系统中的同一地点或不同地点装有两套保护时，其中有一套动作比较快，而另一套动作比较慢，动作比较快的就称为主保护；而动作比较慢的就称为后备保护。

即：

为满足系统稳定和设备的要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备和线路故障的保护，就称为主保护；当主保护或断路器拒动时，用以切除故障的保护，就称为后备保护。

　　后备保护不应理解为次要保护，它同样是重要的。

后备保护不仅可以起到当主保护应该动作而未动作时的后备，还可以起到当主保护虽已动作但最终未能达到切除故障部分的作用。

除此之外，它还有另外的意义。

为了使快速动作的主保护实现选择性，从而就造成了主保护不能保护线路的全长,而只能保护线路的一部分。

也就是说，出现了保护的死区。

这一死区就必须利用后备保护来弥补不可。

近后备和远后备：

当主保护或断路器拒动时，由相临设备或线路的保护来实现的后备称为远后备保护；由本级电气设备或线路的另一套保护实现后备的保护，就叫近后备保护； 

辅助保护：

为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护，称为辅助保护。

（2）灵敏性 

灵敏性系指继电保护装置对故障和异常工作状况的反映能力。

在保护装置的保护范围内，不管短路点的位置如何、不论短路的性质怎样，保护装置均不应产生拒绝动作；但在保护区外发生故障时,又不应该产生错误动作。

保护装置灵敏与否，一般用灵敏系数来衡量。

保护装置的灵敏系数应根据不利的运行方式和故障类型进行计算。

灵敏系数Km为被保护区发生短路时，流过保护安装处的最小短路电流Id.min与保护装置一次动作电流Idz的比值，即:

　　　Km=Id.min/Idz 

　　灵敏系数越高，则反映轻微故障的能力越强。

各类保护装置灵敏系数的大小，根据保护装置的不同而不尽相同。

对于多相保护，Idz取两相短路电流最小值Idz

（2）;对于10KV不接地系统的单相短路保护取单相接地电容电流最小值Ic.min; 

（3）速动性 

　　速动性是指保护装置应能尽快地切除短路故障。

缩短切除故障的时间，就可以减轻短路电流对电气设备的损坏程度，加快系统电压的恢复，从而为电气设备的自启动创造了有利条件，同时还提高了发电机并列运行的稳定性。

　　所谓故障的切除时间是指保护装置的动作时间与断路器的跳闸时间之和。

由于断路器一经选定，其跳闸时间就已确定，目前我国生产的断路器跳闸时间均在0.02S以下。

所以实现速动性的关键是选用的保护装置应能快速动作。

（4） 可靠性 

保护装置应能正确的动作，并随时处于准备状态。

如不能满足可靠性的要求，保护装置反而成为了扩大事故或直接造成故障的根源。

为确保保护装置动作的可靠性，则要求保护装置的设计原理、整定计算、安装调试要正确无误；同时要求组成保护装置的各元件的质量要可靠、运行维护要得当、系统应尽可能的简化有效，以提高保护的可靠性。

第三章 几种常用电流保护的分析 

3.1 反时限过电流保护 

（1） 什麽是反时限过电流保护 

继电保护的动作时间与短路电流的大小有关，短路电流越大，动作时间越短；短路电流越小，动作时间越长，这种保护就叫做反时限过电流保护。

（2） 继电器的构成 

反时限过电流保护是由GL-15（25）感应型继电器构成的。

这种保护方式广泛应用于一般工矿企业中，感应型继电器兼有电磁式电流继电器（作为起动元件）、电磁式时间继电器（作为时限元件）、电磁式信号继电器（作为信号元件）和电磁式中间继电器（作为出口元件）的功能，用以实现反时限过电流保护；另外，它还有电磁速断元件的功能，又能同时实现电流速断保护。

采用这种继电器,就可以采用交流操作，无须装设直流屏等设备；通过一种继电器还可以完成两种保护功能（体现了继电器的多功能性），也可以大大简化继电保护装置。

但这种继电器虽外 部接线简单，但内部结构十分复杂，调试比较困难；在灵敏度和动作的准确性、速动性等方面也远不如电磁式继电器构成的继电保护装置。

（3）反时限过电流保护的基本原理 

当供电线路发生相间短路时，感应型继电器KA1或（和）KA2达到整定的一定时限后动作，首先使其常开触点闭合，这时断路器的脱扣器YR1或（和）YR2因有KA1或（和）KA2的常闭触点分流（短路），而无电流通过,故暂时不会动作。

但接着KA1或（KA2）的常闭触点断开，因YR1或（和）YR2因“去分流”而通电动作，使断路器跳闸，同时继电器本身的信号掉牌掉下，给出信号。

在这里应予说明，在采用“去分流”跳闸的反时限过电流保护装置中，如继电器的常闭触点先断开而常开触点后闭合时，则会出现下列问题：

1）继电器在其常闭触点断开时即先失电返回，因此其常开触点不可能闭合，因此跳闸线圈也就不能通电跳闸；

2）继电器的常闭触点如先断开,CT的二次侧带负荷开路，将产生数千伏的高电压、比差角差增大、计量不准以及铁心发热有可能烧毁绝缘等，这是不允许的。

3.2定时限过电流保护 

（1） 什麽是定时限过电流保护 

继电保护的动作时间与短路电流的大小无关，时间是恒定的，时间是靠时间继电器的整定来获得的。

时间继电器在一定范围内是连续可调的，这种保护方式就称为定时限过电流保护。

（2）继电器的构成 

　　定时限过电流保护是由电磁式时间继电器（作为时限元件）、 电磁式中间继电器（作为出口元件）、电磁式电流继电器（作为起动元件）、电磁式信号继电器（作为信号元件）构成的。

它一般采用直流操作，须设置直流屏。

定时限过电流保护简单可靠、完全依靠选择动作时间来获得选择性，上、下级的选择性配合比较容易、时限由时间继电器根据计算后获取的参数来整定，动作的选择性能够保证、动作的灵敏性能够满足要求、整定调试比较准确和方便。

这种保护方式一般应用在10～35KV系统中比较重要的变配电所。

（3）定时限过电流保护的基本原理 

　　10KV中性点不接地系统中，广泛采用的两相两继电器的定时限过电流保护的原理接线图。

它是由两只电流互感器和两只电流继电器、一只时间继电器和一只信号继电器构成。

当被保护线路只设有一套保护，且时间继电器的容量足大时，可用时间继电器的触点去直接接通跳闸回路，而省去出口中间继电器。

当被保护线路中发生短路故障时，电流互感器的一次电流急剧增加，其二次电流随之成比例的增大。

当CT的二次电流大于电流继电器的起动值时，电流继电器动作。

由于两只电流继电器的触点是并联的，故当任一电流继电器的触点闭合，都能接通时间继电器的线圈回路。

这时，时间继电器就按照预先整定的时间动作使其接点吸合。

这样，时间继电器的触点又接通了信号继电器和出口中间继电器的线圈，使其动作。

出口中间继电器的触点接通了跳闸线圈回路，从而使被保护回路的断路器跳闸切断了故障回路，保证了非故障回路的继续运行。

而信号继电器的动作使信号指示牌掉下并发出警报信号。

由上不难看出，保护装置的动作时间只决定于时间继电器的预先整定的时间，而与被保护回路的短路电流大小无关，所以这种过电流保护称为定时限过电流保护。

a动作电流的整定计算 

过流保护装置中的电流继电器动作电流的整定原则，是按照躲过被保护线路中可能出现的最大负荷电流来考虑的。

也就是只有在被保护线路故障时才启动，而在最大负荷电流出现时不应动作。

为此必须满足以下两个条：

　　1）在正常情况下，出现最大负荷电流时（即电动机的启动和自启动电流，以及用户负荷的突增和线路中出现的尖峰电流等）不应动作。

即：

Idz> Ifh.max 

式中 Idz----过电流保护继电器的一次动作电流； 

Ifh.max------最大负荷电流 

2）保护装置在外部故障切除后应能可靠地返回。

因为短路电流消失后，保护装置有可能出现最大负荷电流，为保证选择性， 

　　已动作的电流继电器在这时应当返回。

因此保护装置的一次返回电流If应大于最大负荷电流fh.max。

即：

If> Ifh.max 

　　因此，定时限过电流装置电流继电器的动作电流Idz.j 为：

Idz.j=（Kk.Kjx/Kf.Nlh）.Ifh.max 

式中 

Kk------可靠系数，考虑到继电器动作电流的误差和计算误差而设。

一般取为1.15～1.25Kjx------由于继电器接入电流互感器二次侧的方式不同而引入的一个系数。

电流互感器为三相完全星形接线和不完全星形接线时 

Kjx=1；如为三角形接线和两相电流差接线时Kjx= 1.732; 

Kf-------返回系数，一般小于1； 

Nlh------电流互感器的变比。

b动作时限的整定原则 

为使过电流保护具有一定的选择性，各相临元件的过电流保护应具有不同的动作时间。

在线路XL-1、XL-2、XL-3的靠近电源端分别装有过电流保护装置1、2、3。

当D1点发生短路时，短路电流由电源提供并流过保护装置1、2、3，当短路电流大于它们的整定值时，各套保护装置均启动。

但按选择性的要求，应只由保护装置3（离故障点最近）动作于跳闸。

在故障切除后，保护装置1、2返回。

因此就必须使保护装置2的动作时间较保护装置1长一些；而保护装置3又要比保护装置2长一些，并依次类推，即：

t1> t2> t3 

不难看出，各级保护装置的动作时限是由末端向电源端逐级增大的。

也就是越靠近电源端，保护的动作时限越长，有如阶梯一样，故称为阶梯性时限特性。

各级之间的时限均差一个固定的数值，称 其为时限级差D t。

对于定时限过电流保护的时限级差D t 一般为0.5S;对于反时限的时限级差D t 

一般为0.7S。

可是，越靠近电源端线路的阻抗越小，短路电流将越大，而保护的动作时间越长。

 也就是说过电流保护存在着缺陷。

这种缺陷就必须由电流速断保护来弥补不可。

c过电流保护的保护范围 

过流保护可以保护设备的全部，也可以保护线路的全长，还可以作为相临下一级线路穿越性故障的后备保护。

3.3 电流速断保护 

（1）什麽是电流速断保护 

　　电流速断保护是一种无时限或略带时限动作的一种电流保护。

它能在最短的时间内迅速切除短路故障，减小故障持续时间，防止事故扩大。

电流速断保护又分为瞬时电流速断保护和略带时限的电流速断保护两种。

（2）电流速断保护的构成 

　　电流速断保护是由电磁式中间继电器（作为出口元件）、电磁式电流继电器（作为起动元件）、电磁式信号继电器（作为信号元件）构成的。

它一般不需要时间继电器。

常采用直流操作，须设置直流屏。

电流速断保护简单可靠、完全依靠短路电流的大小来确定保护是否需要启动。

它是按一定地点的短路电流来获得选择性动作，动作的选择性能够保证、动作的灵敏性能够满足要求、整定调试比较准确和方便。

（3）瞬时电流速断保护的整定原则和保护范围 

　　瞬时电流速断保护与过电流保护的区别，在于它的动作电流值不是躲过最大负荷电流，而是必须大于保护范围外部短路时的最大短路电流。

即按躲过被保护线路末端可能产生的三相最大短路电流来整定。

从而使速断保护范围被限制在被保护线路的内部，从整定值上保证了选择性，因此可以瞬时跳闸。

当在被保护线路外部发生短路时，它不会动作。

所以不必考虑返回系数。

由于只有当短路电流大于保护装置的动作电流时，保护装置才能动作。

所以瞬时电流速断保护不能保护设备的全部，也不能保护线路的全长，而只能保护线路的一部分。

对于最大运行方式下的保护范围一般能达到线路全长的50%即认为有良好的保护效果；对于在最小运行方式下的保护范围能保护线路全长的15%～20%，即可装设。

保护范围以外的区域称为“死区”。

因此，瞬时电流速断保护的任务是在线路始端短路时能快速地切除故障。

　　当线路故障时，瞬时电流速断保护动作，运行人员根据其保护范围较小这一特点,可以判断故障出在线路首端，并且靠近保护安装处；如为双电源供电线路，则由两侧的瞬时电流速断保护同时动作或同时都不动作，可判断故障在线路的中间部分。

（4）瞬时电流速断保护的基本原理 

　　瞬时电流速断保护的原理与定时限过电流保护基本相同。

只是由一只电磁式中间继电器替代了时间继电器。

　　中间继电器的作用有两点：

其一是因电流继电器的接点容量较小，不能直接接通跳闸线圈，用以增大接点容量；其二是当被保护线路上装有熔断器时，在两相或三相避雷器同时放电时，将造成短时的相间短路。

但当放完电后，线路即恢复正常，因此要求速断保护既不误动，又不影响保护的快速性。

利用中间继电器的固有动作时间，就可避开避雷器的放电动作时间。

（5）略带时限的电流速断保护 

瞬时电流速断保护最大的优点是动作迅速，但只能保护线路的首端。

而定时限过电流保护虽能保护 

线路的全长，但动作时限太长。

因此，常用略带时限的电流速断保护来消除瞬时电流速断保护的“死区”。

要求略带时限的电流速断保护能保护全线路。

因此，它的保护范围就必然会延伸到下一段线路的始端去。

这样，当下一段线路始端发生短路时，保护也会起动。

 为了保证选择性的要求，须使其动作时限比下一段线路的瞬时电流速断保护大一个时限级差，其动作电流也要比下一段 线路瞬时电流速断保护的动作电流大一些。

略带时限的电流速断保护可作为被保护线路的主保护。

略带时限的电流速断保护的原理接线和定时限过电流保护的原理接线相同。

3.4三段式过电流保护装置 

由于瞬时电流速断保护只能保护线路的一部分，所以不能作为线路的主保护，而只能作为加速切除线路首端故障的辅助保护；略带时限的电流速断保护能保护线路的全长，可作为本线路的主保护，但不能作为下一段线路的后备保护；定时限过电流保护既可作为本级线路的后备保护（当动作时限短时，也可作为主保护，而不再装设略带时限的电流速断保护。

），还可以作为相临下一级线路的后备保护，但切除故障的时限较长。

　　一般情况下，为了对线路进行可靠而有效的保护，也常把瞬时电流速断保护（或略带时限的电流速断保护）和定时限过电流保护相配合构成两段式电流保护。

　　对于第一段电流保护，究竟采用瞬时电流速断保护，还是采用略带时限的电流速断保护，可由具体情况确定。

如用在线路---变压器组接线，以采用瞬时电流速断保护为佳。

因在变压器高压侧故障时，切除变压器和切除线路的效果是一样的。

此时，允许用线路的瞬时电流速断保护，来切除变压器高压侧的故障。

也就是说，其保护范围可保护到线路全长并延伸到变压器高压侧。

这时的第一段电流保护可以作为主保护；第二段一般均采用定时限过流保护作为后备保护，其保护范围含线路---变压器组的全部。

　　通常在被保护线路较短时，第一段电流保护均采用略带时限的电流速断保护作为主保护；第二段采用定时限过流保护作为后备保护。

　　 在实际中还常采用三段式电流保护。

就是以瞬时电流速断保护作为第一段，以加速切除线路首端的故障，用作辅助保护；以略带时限的电流速断保护作为第二段，以保护线路的全长，用作主保护；以定时限过电流保护作为第三段，以作为线路全长和相临下一级线路的后备保护。

 对于某地电信的10KV（含35KV）供电线路今后宜选用两段式或三段式电流保护。

　　因为这种保护的设置可以在相临下一级线路的保护或断路器拒动时，本级线路的定时限过流保护可以动作，起到远后备保护的作用；如本级线路的主保护（瞬时电流速断或略带时限的电流速断保护）拒动时，则本级线路的定时限过电流保护可以动作，以起到近后备的作用。

3.5零序电流保护 

　　电力系统中发电机或变压器的中性点运行方式，有中性点不接地、中性点经消弧线圈接地和中性点直接接地三种方式。

10KV系统采用的是中性点不接地的运行方式。

　　系统运行正常时，三相是对称的，三相对地间均匀分布有电容。

在相电压作用下，每相都有一个超前90°的电容电流流入地中。

这三个电容电流数值相等、相位相差120° ，其和为零.中性点电位为零。

　　假设A相发生了一相金属性接地时，则A相对地电压为零，其他两相对地电压升高为线电压，三个线电压不变。

这时对负荷的供电没有影响。

按规程规定还可继续运行2小时，而不必切断电路。

这也是采用中性点不接地的主要优点。

但其他两相电压升高，线路的绝缘受到考验、有发展为两点或多点接地的可能。

应及时发出信号，通知值班人员进行处理。

　　10KV中性点不接地系统中，当出现一相接地时，利用三相五铁心柱的电压互感器（PT）的开口三角形的开口两端有无零序电压来实现绝缘监察。

它可以在PT柜上通过三块相电压