继电保护培训教材

一、电力系统继电保护的概念与作用

1. 继电保护包括继电保护技术和继电保护装置。

﹡继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等技术构成。

﹡继电保护装置是完成继电保护功能的核心。P1

继电保护装置就是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

2. 电力系统的故障和不正常运行状态：（三相交流系统）

* 故障：各种短路（d(3)、d(2)、d(1)、d(1-1)）)和断线（单相、两相），其中最常见且最危险的是各种类型的短路。其后果：

1I增加危害故障设备和非故障设备；

2U增加影响用户正常工作；

3破坏系统稳定性，使事故进一步扩大（系统震荡，互解）

4I2（I0）旋转电机产生附加发热I0—相邻通讯系统

* 不正常运行状态：

电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如：过负荷、过电压、频率降低、系统震荡等。

3．继电保护的作用：

故障和不正常运行状态—>事故（P1），不可能完全避免且传播很快（光速）

要求：几十毫秒内切除故障人（×），继电保护装置（√）

任务：P2. 被形象的比喻为“静静的哨兵”

二、继电保护的基本原理、构成与分类：

1．基本原理：

为区分系统正常运行状态与故障或不正常运行状态——找差别：特征。

①增加故障点与电源间—>过电流保护

②U降低—>低电压保护

③变化；正常：20°左右—>短路：60°～85°—>方向保护.

④Z=模值减少—>阻抗保护

⑤—>——电流差动保护

⑥I2、I0序分量保护等。

另非电气量：瓦斯保护，过热保护

原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可找出一种原理，且差别越明显，保护性能越好。

2．构成

以过电流保护为例：

正常运行：I r =I f LJ 不动

故障时：I

r =I d >I dz LJ 动—>SJ 动—>信号 TQ 动—>跳闸 （常用继电器及触点的表示方法参考 附录1 P230）

一般由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分组成。

（1） 测量元件

作用：测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”、“大于”、“不大于”等具有“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判断保护是否应该启动。 （2） 逻辑元件

作用：根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑工作，最后确定是否应跳闸或发信号，并将有关命令传给执行元件。

逻辑回路有：或、与、非、延时启动、延时返回、记忆等。 （3） 执行元件：

作用；根据逻辑元件传送的信号，最后完成保护装置所担负的任务。如：故障时→跳闸；不正常运行时→发信号；正常运行时→不动作。 3.分类：

几种方法如下：

（1） 按被保护的对象分类：输电线路保护、发电机保护、变压器保护、电动机保护、

母线保护等；

（2） 按保护原理分类：电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、零序

保护等；

（3） 按保护所反应故障类型分类：相间短路保护、接地故障保护、匝间短路保护、断

线保护、失步保护、失磁保护及过励磁保护等；

（4） 按继电保护装置的实现技术分类：机电型保护（如电磁型保护和感应型保护）、

整流型保护、晶体管型保护、集成电路型保护及微机型保护等；

（5）按保护所起的作用分类：主保护、后备保护、辅助保护等；

主保护满足系统稳定和设备安全要求，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。

后备保护主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护。又分为远后备保护和近后备保护两种。

①远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现

的后备保护。

②近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备

的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。

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。

三、对继电保护的基本要求：

对动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性、可靠性。即保护四性。

（一）选择性：P4

选择性是指电力系统发生故障时，保护装置仅将故障元件切除，而使非故障元件仍能正常运行，以尽量缩小停电范围。

例：

当d1短路时，保护1、2动→跳1DL、2DL，有选择性

当d2短路时，保护5、6动→跳5DL、6DL，有选择性

当d3短路时，保护7、8动→跳7DL、8DL，有选择性

若保护7拒动或7DL拒动，保护5动→跳5DL（有选择性）

若保护7和7DL正确动作于跳闸，保护5动→跳5DL，则越级跳闸（非选

择性）

小结：选择性就是故障点在区内就动作，区外不动作。当主保护未动作时，由近后备或远后备切除故障，使停电面积最小。因远后备保护比较完善（对保护装置DL、二次回路和直流电源等故障所引起的拒绝动作均起后备作用）且实现简单、经济，应优先采用。（二）速动性：

快速切除故障。1提高系统稳定性；2减少用户在低电压下的动作时间；3减少故障元件的损坏程度，避免故障进一步扩大。

；

t－故障切除时间；

t bh-保护动作时间；

t DL-断路器动作时间；

一般的快速保护动作时间为0.06～0.12s，最快的可达0.01～0.04s。

一般的断路器的动作时间为0.06～0.15s，最快的可达0.02～0.06s。

（三）灵敏性：P5

指在规定的保护范围内，对故障情况的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路点的位置与短路的类型如何，都能灵敏地正确地反应出来。

通常，灵敏性用灵敏系数来衡量，并表示为K lm。

对反应于数值上升而动作的过量保护（如电流保护）

对反应于数值下降而动作的欠量保护（如低电压保护）

其中故障参数的最小、最大计算值是根据实际可能的最不利运行方式、故障类型和短路点来计算的。

在《继电保护和安全自动装置技术规程（DL400－91）》中，对各类保护的灵敏系数K lm的要求都作了具体规定（参见附录2，P231）。

（四）可靠性：P5

指发生了属于它改动作的故障，它能可靠动作，即不发生拒绝动作（拒动）；而在不改动作时，他能可靠不动，即不发生错误动作（简称误动）。

影响可靠性有内在的和外在的因素：

内在的：装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平、内外接线简明，触点多少等；

外在的：运行维护水平、调试是否正确、正确安装

上述四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础，也是贯穿全课程的一个基本线索。在它们之间既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。

四、发展：

原理：随电力系统的发展和科学技术的进步而发展

过电流保护（最早熔断器）电流差动保护方向性电流保护

（1901年）（1908年）（1910年）

距离保护高频保护微波保护行波保护、光纤保护

（1920年）（1927年）（50年代）（70年代诞生、50年代有

设想）

结构型式：机电型电子型微机型（我校80年代）(电磁型、感应型、电动型) 晶体管

20世纪50年代70年代后半期出样机

第二章电网的电流保护和方向性电流保护

第一节单测电源网络相间短路的电流保护

配置：

一、电流速断保护（第Ⅰ段）：

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。 1、短路电流的计算：

图中、1――最大运行方式下d

(3)

2――最小运行方式下d (2) 3――保护1第一段动作电流

可见，I d 的大小与运行方式、故障类型及故障点位置有关

最大运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式。（Z s.min ） 最小运行方式：对每一套保护装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最小的方式。（Z s.max ） 2、整定值计算及灵敏性校验

为了保护的选择性，动作电流按躲过本线路末端短路时的最大短路短路整定

保护装置的动作电流：能使该保护装置起动的最小电流值，用电力系统一次测参数表示。（I dZ ） 在图中为直线3，与曲线1、2分别交于a 、b 点 可见，有选择性的电流速断保护不可能保护线路的全长 灵敏性：用保护范围的大小来衡量 l max 、l min 一般用l min 来校验、

要求：≥（15～20）％ 希望值50％ 方法：① 图解法

② 解析法：

可得

三段式

主保护 后备保护

式中Z L=Z1l――被保护线路全长的阻抗值

动作时间t=0s

3、构成

中间继电器的作用：

①接点容量大，可直接接TQ去跳闸

②当线路上装有管型避雷器时，利用其固有动作时间（60ms）防止避雷器放电时保护误动

4、小结

①仅靠动作电流值来保证其选择性

②能无延时地保护本线路的一部分（不是一个完整的电流保护）。

二、限时电流速断保护（第Ⅱ段）

1、要求

①任何情况下能保护线路全长，并具有足够的灵敏性

②在满足要求①的前提下，力求动作时限最小。

因动作带有延时，故称限时电流速断保护。

2、整定值的计算和灵敏性校验

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。即整定值与相邻线路第Ⅰ段配合。

动作电流：

动作时间：Δt取0.5"，称时间阶梯，其确定原则参看P18.

灵敏性：要求：≥1.3～1.5

若灵敏性不满足要求，与相邻线路第Ⅱ段配合。此时：

动作电流：

动作时间：

3、构成：

与第Ⅰ段相同：仅中间继电器变为时间继电器。

4、小结：

①限时电流速断保护的保护范围大于本线路全长

②依靠动作电流值和动作时间共同保证其选择性

③与第Ⅰ段共同构成被保护线路的主保护，兼作第Ⅰ段的金后备保护。

三、定时限过电流保护（第Ⅲ段）

1、作用：

作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。

2、整定值的计算和灵敏性校验：

1）、动作电流：①躲最大负荷电流（1）

②在外部故障切除后，电动机自起动时，应可靠返回。

电动机自起动电流要大于它正常工作电流，因此引入自起动系数K Zq

（2）

式中，

显然，应按（2）式计算动作电流，且由（2）式可见，K h越大，I dZ越小，K lm越大。因此，为了提高灵敏系数，要求有较高的返回系数。（过电流继电器的返回系数为0.85～0.9）

2）、动作时间

在网络中某处发生短路故障时，从故障点至电源之间所有线路上的电流保护第Ⅲ段的测量元件均可能动作。例如：下图中d1短路时，保护1～4都可能起动。为了保证选择性，须加延时元件且其动作时间必须相互配合。

即、、、

―――――阶梯时间特性

注：当相邻有多个元件，应选择与相邻时限最长的配合

3）、灵敏性

近后备：I d1.min―――本线路末端短路时的短路电流

远后备：I d2min―――相邻线路末端短路时的短路电流

3、构成：与第Ⅱ段相同Ⅲ

4、小结：

①第Ⅲ段的I dZ比第Ⅰ、Ⅱ段的I dZ小得多，其灵敏度比第Ⅰ、Ⅱ段更高；

②在后备保护之间，只有灵敏系数和动作时限都互相配合时，才能保证选择性；

③保护范围是本线路和相邻下一线路全长；

④电网末端第Ⅲ段的动作时间可以是保护中所有元件的固有动作时间之和（可瞬时动作），故可不

设电流速断保护；末级线路保护亦可简化（Ⅰ＋Ⅲ或Ⅲ），越接近电源，tⅢ越长，应设三段式保护。

四、电流保护的接线方式

1、定义：指保护中电流继电器与电流互感器二次线圈之间的连接方式。

2、常用的两种接线方式：三相星行接线和两相星行接线。

1）、三相星行接线的特点：

①每相上均装有CT和LJ、Y形接线

②LJ的触点并联（或）

2）、两相星行接线的特点：

①某一相上不装设CT和LJ、Y形接线

②LJ的触点并联（或）

（通常接A、C相）

上述两种接线方式中，流入电流继电器的电流I J与电流互感器的二次电流I2相等。接线系数：3、I dZ与I dZ..J之间的关系：

或

4、比较：

①对各种相角短路，两种接线方式均能正确反映。

②在小接地电流系统中，在不同线路的不同相上发生两点接地时，一般只要求切除一个接地

点，而允许带一个接地点继续运行一段时间。

串联线路

a、三相星行接线：保护1和保护2之间有配合关系，100％切除NP线

b、两相星行接线：2/3机会切除NP线。（即1/3机会无选择性动作）

并行线路上：（可能性大）

a、三相星行接线：保护1和保护2同时动作，切除线路Ⅰ、Ⅱ。

b、两相星行接线：2/3机会只切一条线路。

③Y／△接线变压器后d(2)

以Y／△－11接线降压变为例

结论：滞后相电流是其它两相电流的两倍并与它们反相位

Y／△－11升压变：超前相电流是其它两相电流的两倍，并与它们反相位。（作业：推得此结果）

④经济性：两相星行接线优于三相星行接线

三相星行接线灵敏度是两相星行接线的两倍

针对措施：在两相星行接线的中线上再接入一个LJ，其电流为：

，以提高灵敏性。

5、应用

三相星行接线：发电机、变压器等（要求较高的可靠性和灵敏性）。

两相星行接线：中性点直接接地电网和非直接接地电网中。（注：所有线路上的保护装置应安装在相同的两相上。）

五、评价：

1、选择性：

在单测电源辐射网中，有较好的选择性（靠I dZ、t），但在多电源或单电源环网等复杂网络中可能无法保证选择性。

2、灵敏性：

受运行方式的影响大，往往满足不了要求。——电流保护的缺点

例：第Ⅰ段：运行方式变化较大且线路较短，可能失去保护范围；

第Ⅲ段：长线路重负荷（I f增大，I d减小），灵敏性不满足要求。

3、速动性：

第Ⅰ、Ⅱ段满足；

第Ⅲ段越靠近电源，t越长——缺点

4、可靠性：

线路越简单，可靠性越高——优点

六、应用范围：

35KV及以下的单电源辐射状网络中；第Ⅰ段：110KV等，辅助保护

作业：习题集：P11,题1；预习实验一、二

第二节电网相间短路的方向性电流保护

一.问题的提出

双电源多电源和环形电网供电更可靠,但却带来新问题。

对电流速断保护：d1处短路，

d2处短路，

对过电流保护：d1处短路，

d2处短路，

有选择性，但是产生了矛盾。上述矛盾的要求不可能同时满足。

原因分析：反方向故障时对侧电源提供的短路电流引起误动。

解决办法：加装方向元件——功率方向继电器。仅当它和电流测量元件均动作时才启动逻辑元件。这样双侧电源系统保护系统变成针对两个单侧电源子系统。

保护1、3、5只反映由左侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合。而保护2、4、6仅反映由右侧电源提供的短路电流，它们之间应相互配合，矛盾得以解决。

二、功率方向继电器的工作原理

电流规定方向：从母电流向线路为正。

电流本身无法判定方向，需要一个基准——电压。

d1处短路d2处短路

因此：利用判别短路功率方向或电流、电压之间的相位关系，就可以判别发生故障的方向。

实现：

1、最大灵敏角：在UJ、IJ幅值不变时，其输出（转矩或电压）值随两

者之间的相位差的大小而改变。当输出为最大时的相位差称最大灵敏

角。

2、动作范围：

动作方程：

或

3、动作特性:

当线路发生三相短路

所以

4、死区：当正方向出口短路时，，GJ不动——电压死区。

消除办法：采用90度接线方式，加记忆回路。

三、幅值比较原理和相位比较原理及其互换关系

对于比较两个电气量的继电器，可按幅值比较原理或相位比较原理来实现。

幅值比较原理：

相位比较原理：

用四边形法则来分析它们之间的关系：

或

可见，幅值比较远路与相位比较原理之间具有互换性。

注：1 必须是同一频率的正弦交流量

2 相位比较原理的动作边界为

四、LG－11整流型功率方向继电器

它是按幅值比较原理来实现的：

1、构成：

①电压形成回路：由DKB、YB组成：

R1、R2——消除潜动、调整平衡。

C1——与YB的励磁电抗形成谐振，使超前90o,其记忆作用用于消除死区，记忆时间为几十毫秒；

②比较回路：

由半导体整流桥BZ1,BZ2组成的环流是比较回路。

③执行元件——极化继电器J,非常灵敏

标记“＊”，当电流从＊端流入时，J动作，反之则不动。

时，J动作；

2、动作方程：

3、动作特性：

――内角（由继电器决定）

4、死区：

虽然J的动作功率很小，但———最小工作电压。

当出口接地短路时，，GJ不动作——死区。

在记忆时间内消除死区。

5、角度特性：

当I J为常数时，动作电压U J与φJ之间的关系曲线，以α＝

30o为例：

当φJ＝－α＝－30o时，继电器的动作电压最小，J最灵敏。

J动作范围：以φJ＝－30o为中心的90o的区域，即图中阴影区。

6、潜动：

从理论上讲，当或时，J不动。

但由于比较回路中各元件参数的不完全对称，可能使得在仅有或时，J动作,即潜动。

仅有时动，叫电压潜动，仅有时动，叫电流潜动

潜动对保护的影响：

对正方向接地短路时，有利于保护正确动作；

当反方向接地短路时，可能导致GJ误动，使得保护误动；

另外，增大GJ的动作功率，可降低灵敏性；

消除方法：调R1（电流潜动时），调R2（电压潜动时）。

五、相间短路功率方向继电器的接线方式：

1、要求：良好的方向性（与故障类型无关）和较高的灵敏性。

2、90o接线方式：

指系统三相对称且cosφ=1时，的接线方式。

注：90o接线方式仅为了称呼方便，且仅在定义中成立。

采用该接线方式构成的三相式方向过电流保护的原理接线图参看第40页，图2－37。

提示：三相星形接线且按相启动（指接入同名相电流的测量元件和功率方向元件的结点串联，而后于其他元件相并联后启动逻辑元件。）

3、相间短路情况下90o接线功率方向继电器动作行为分析：

（1）正方向三相短路：

由于三相对称，三只继电器动作情况相同，故以A相为例分

析：

从图中可见，φJA＝φJd－90o

①为使功率方向继电器动作最灵敏

②为使P JA>0

一般

当，

当，

所以,在三相短路时,选择,可保证GJ动作。

（2）正方向两相短路，以BC两相短路为例,且空载运行.

有两种极限情况:出口和远处

①出口短路

GJA:,不动作；

GJB：，同三相短路；

GJC：，同三相短路。

所以应选择，使得时GJ能动作

注：出口BC两相短路，、幅值很大，B、C相功率方向继电器动作。

该接线方式可消除各种两相短路的死区。

②远处短路

GJA: ,不动作；

GJB：，所以应选择，使得B相GJ

能动作；

GJC：，所以应选择，使得C相GJ

能动作

综合两种极限情况：在正方向任何地点：

：

：

同理：和时可得到相应的结论，参看P43表2—2。

综上所述：为保证时，GJ在正方向任何相间短路时均能动作：

（例：LG—11型或）

总结：优点：①对各种两相短路都没有死区；

②适当选择内角后，对线路上各种相间故障保证动作的方向

性；

缺点：不能清除死区。

顺便指出：在正常运行情况下，位于送电侧的GJ在负荷电流的

作用下一般都处于动作状态。

六．双侧电源网络中电流保护整定的特点：

1．电流速断保护