供配電系統(tǒng)的繼電保護(2007年)

第7章工廠供配電系統(tǒng)的

繼電保護

繼電保護防止因短路故障或不正常運行狀態(tài)造成電氣設備或供配電系統(tǒng)的損壞，提高供電可靠性，因此，電保護是變電所二次回路的重要組成部分，也是供電設計的主要內(nèi)容．本章講述繼電保護的基本知識和理論，繼電保護的整定計算方法。17.1

繼電保護的基本知識

7.1.1繼電保護的任務繼電保護的任務是：1．自動地、迅速地、有選擇性地將故障設備從供配電系統(tǒng)中切除，使其它非故障部分迅速恢復正常供電。2．正確反應電器設備的不正常運行狀態(tài)，發(fā)出預告信號，以便運行人員采取措施，恢復電器設備的正常運行。3．與供配電系統(tǒng)的自動裝置（如自動重合閘裝置，備用電源自動投入裝置等）配合，提高供配電系統(tǒng)的供電可靠性。27.1

繼電保護的基本知識7.1.2對繼電保護的要求根據(jù)繼電保護的任務，繼電保護應滿足選擇性、可靠性、速動性和靈敏性的要求。1．選擇性當供配電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，繼電保護裝置動作，只切除故障設備，使停電范圍最小，保證系統(tǒng)中無故障部分仍正常工作。37.1

繼電保護的基本知識在圖7-1所示系統(tǒng)中，在K點發(fā)生短路故障，應由離故障點最近的保護裝置3動作，使斷路器3QF跳閘，將故障線路3WL切除，線路1WL和2WL仍繼續(xù)運行。2．可靠性繼電保護在其所規(guī)定的保護范圍內(nèi)，發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，要準確動作，不應該拒動作；發(fā)生任何保護不應該動作的故障或不正常運行狀態(tài)，不應誤動作。如圖7-1所示系統(tǒng)K點發(fā)生短路，保護3不應該拒動作，保護1和保護2不應該誤動作。47.1

繼電保護的基本知識3．速動性發(fā)生故障時，繼電保護應該盡快地動作切除故障，減小故障引起的損失，提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4．靈敏性靈敏性是指繼電保護在其保護范圍內(nèi)，對發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)的反應能力。在繼電保護的保護范圍內(nèi)，不論系統(tǒng)的運行方式、短路的性質(zhì)和短路的位置如何，保護都應正確動作。繼電保護的靈敏性通常用靈敏度KS來衡量，靈敏度愈高，反應故障的能力愈強。靈敏度KS按下式計算：57.1

繼電保護的基本知識6

7.1

繼電保護的基本知識工廠常用保護裝置的類型（1）繼電保護。繼電保護是用各種不同類型的繼電器按一定方式連接和組合，構(gòu)成繼電保護裝置。當系統(tǒng)出現(xiàn)事故或故障時，檢測出并使相應的高壓斷路器跳閘，將故障部分切除，或給出報警信號。繼電保護適用于要求供電可靠性較高的高壓供電系統(tǒng)中。（2）熔斷器保護。熔斷器保護廣泛適用于高、低壓供電系統(tǒng)。由于裝置簡單經(jīng)濟，在供電系統(tǒng)中應用得相當普遍。但是它的斷流能力較小，選擇性差，熔體熔斷后更換不方便，不能迅速恢復供電，因此在要求供電可靠性較高的場所不宜用。7

7.1

繼電保護的基本知識（3）低壓斷路器保護。這種保護又稱低壓自動開關(guān)保護。由于低壓斷路器帶有多種脫扣器，能夠進行過電流、過負載、失電壓和欠電壓保護等，而且可作為控制開關(guān)進行操作，因此在對供電可靠性要求較高且頻繁操作的低壓供電系統(tǒng)中廣泛應用。87.1

繼電保護的基本知識7.1.3繼電保護的基本工作原理繼電保護的種類很多，但是其工作原理基本相同，它主要由測量、邏輯和執(zhí)行三部分組成，如圖7-2所示。比較97.1

繼電保護的基本知識1．測量部分測量部分測量被保護設備的某物理量，和保護裝置的整定值進行比較，判斷被保護設備是否發(fā)生故障，保護裝置是否應該起動。2．邏輯部分邏輯部分根據(jù)測量部分輸出量的大小、性質(zhì)、出現(xiàn)的順序，使保護裝置按一定的邏輯關(guān)系工作，輸出信號到執(zhí)行部分。3．執(zhí)行部分執(zhí)行部分根據(jù)邏輯部分的輸出信號驅(qū)動保護裝置動作，使斷路器跳閘或發(fā)出信號。107.1

繼電保護的基本知識7.1.4電流保護的接線方式和接線系數(shù)電流保護的接線方式是指電流保護中的電流繼電器與電流互感器二次繞組的連接方式。為了便于分析和保護的整定計算，引入接線系數(shù)Kw，它是流入繼電器的電流IKA與電流互感器二次繞組電流I2的比值，即117.1

繼電保護的基本知識1．三相三繼電器接線方式

能反應各種短路故障，流入繼電器的電流與電流互感器二次繞組電流相等，其接線系數(shù)在任何短路情況下均等于1。這種接線方式主要用于高壓大接地電流系統(tǒng)，保護相間短路和單相短路。

所用保護元件最多所有短路電流都會通過繼電器反映出來，產(chǎn)生相應的保護動作。

電路特點127.1

繼電保護的基本知識2．兩相兩繼電器接線方式不能反應單相短路，只能反應相間短路，其接線系數(shù)在各種相間短路時均為1。此接線方式主要用于小接地電流系統(tǒng)作相間短路保護用。電路特點

所用元件較少未接互感器的單相短路故障不能保護137.1

繼電保護的基本知識3．兩相一繼電器接線方式可反應各種相間短路，但其接線系數(shù)隨短路種類不同而不同，保護靈敏度也不同，主要用于高壓電動機的保護。電路特點

流入繼電器的電流為兩相電流互感器二次側(cè)電流之差不同短路電流通過繼電器有不同的靈敏度。不能反應出第三相（B相）的單相接地短路故障147.2常用的保護繼電器

7.2常用的保護繼電器按繼電器的結(jié)構(gòu)原理分，有電磁式、感應式、數(shù)字式、微機式等繼電器。按繼電器反應的物理量分，有電流繼電器、電壓繼電器、功率方向繼電器、氣體繼電器等。按繼電器反應的物理量變化分，有過量繼電器和欠量繼電器，如過電流繼電器、欠電壓繼電器。按繼電器在保護裝置中的功能分，有起動繼電器、時間繼電器、信號繼電器和中間繼電器等。工廠供配電系統(tǒng)中常用的繼電器主要是電磁式繼電器和感應式繼電器。在現(xiàn)代化的大型工廠中也開始使用微機式繼電器或微機保護。

157.2常用的保護繼電器7.2.1電磁式繼電器1．電磁式電流繼電器線圈電磁鐵Z形鐵片靜觸頭動觸頭動作電流調(diào)整桿表度盤軸承軸9反作用彈簧DL型電磁式電流繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖167.2常用的保護繼電器電流繼電器的文字符號為KA。使過電流繼電器動作的最小電流稱為繼電器的動作電流，用Iop.KA表示。使電流繼電器返回到起始位置的最大電流，稱為繼電器的返回電流，用Ire.KA表示。繼電器的返回電流與動作電流之比稱為返回系數(shù)Kre，即177.2常用的保護繼電器[內(nèi)部接線圖和圖形符號]187.2常用的保護繼電器顯然，過電流繼電器的返回系數(shù)小于1，返回系數(shù)愈大，繼電器愈靈敏，電磁式電流繼電器的返回系數(shù)通常為0.85。調(diào)節(jié)電磁式電流繼電器的動作電流的方法有兩種：（1）改變調(diào)整桿6的位置來改變彈簧的反作用力，進行平滑調(diào)節(jié)。（2）改變繼電器線圈的連接。當線圈由串聯(lián)改為并聯(lián)時，繼電器的動作電流增大一倍，進行級進調(diào)節(jié)。電磁式電流繼電器的動作極為迅速，動作時間為百分之幾秒，可認為是瞬時動作的繼電器。197.2常用的保護繼電器2．電磁式電壓繼電器電壓繼電器的線圈為電壓線圈，匝數(shù)多，導線細，與電壓互感器的二次繞組并聯(lián)。電壓繼電器文字符號用KV表示。電磁式電壓繼電器有過電壓繼電器和欠電壓繼電器兩種。過電壓繼電器返回系數(shù)小于1，通常為0.8，欠電壓繼電器返回系數(shù)大于1，通常為1.25。207.2常用的保護繼電器3．電磁式時間繼電器由電磁系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)、鐘表機構(gòu)、觸頭系統(tǒng)和時間調(diào)整系統(tǒng)等組成。時間繼電器的文字符號為KT。DS-110型為直流時間繼電器，DS-120型為交流時間繼電器，延時范圍均為0.1~9秒。[DS110型、112型時間繼電器的內(nèi)部接線圖和圖形符號]21當時間繼電器的線圈1通電工作電壓后，鐵心3被吸入，使被卡住的傳動系統(tǒng)運動。傳動系統(tǒng)通過齒輪帶動鐘表機構(gòu)以一定的速度順時針轉(zhuǎn)動，帶動動觸頭運動，經(jīng)過預定的行程，動觸頭和靜觸頭閉合，完成延時的目的。227.2常用的保護繼電器4．電磁式信號繼電器

信號繼電器在繼電保護裝置中用于發(fā)出指示信號，表示保護動作，同時接通信號回路，發(fā)出燈光或者音像信號。信號繼電器的文字符號為KS。DX-11型信號繼電器有兩種：電流型和電壓型。電流型信號繼電器串聯(lián)接入二次電路，電壓型信號繼電器并聯(lián)接入二次電路。23247.2常用的保護繼電器5．電磁式中間繼電器

中間繼電器的觸頭容量較大，觸頭數(shù)量較多，在繼電保護裝置中用于彌補主繼電器觸頭容量或觸頭數(shù)量的不足。

中間繼電器的文字符號為KM。25267.2常用的保護繼電器7.2.2感應式電流繼電器感應式電流繼電器有兩個系統(tǒng)：感應系統(tǒng)和電磁系統(tǒng)。277.2常用的保護繼電器繼電器的感應系統(tǒng)主要由線圈1，帶短路環(huán)3的電磁鐵2和裝在可偏轉(zhuǎn)的框架6上的鋁盤4組成。繼電器的電磁系統(tǒng)由電磁鐵2和銜鐵15組成。

感應式電流繼電器具有前述電磁式電流繼電器、時間繼電器、信號繼電器、中間繼電器的功能，從而使繼電保護裝置使用元件少、接線簡單，在工廠供配電系統(tǒng)中得到廣泛應用。繼電器的動作電流可用插銷16改變線圈抽頭（匝數(shù)）進行級進調(diào)節(jié)；也可以用調(diào)節(jié)彈簧7的拉力進行平滑調(diào)節(jié)。

繼電器的動作時限可用螺桿13改變扇形齒輪頂桿行程的起點進行調(diào)節(jié)。繼電器速斷電流倍數(shù)可用螺釘14改變銜鐵與電磁鐵之間的氣隙進行調(diào)節(jié)。287.3工廠電力線路

的繼電保護

7.3工廠電力線路的繼電保護7.3.1工廠電力線路的常見故障和保護配置1、常見的故障主要有相間短路、單相接地、過負荷。2、保護配置工廠電力線路裝設帶時限的過電流保護和瞬時電流速斷保護，保護動作于斷路器跳閘，作為相間短路的保護。工廠電力線路裝設絕緣監(jiān)視裝置（零序電壓保護）或單相接地保護（零序電流保護），保護動作于信號，作為單相接地故障保護?？赡芙?jīng)常過負荷的電纜線路，裝設過負荷保護，動作于信號。

297.3.2過電流保護1．過電流保護的接線和工作原理（1）定時限過電流保護裝置的接線和工作原理。

30(2)反時限過電流保護裝置的接線和工作原理

317.3工廠電力線路

的繼電保護2．保護整定計算過電流保護的整定計算有動作電流整定，動作時限整定和靈敏度校驗三項內(nèi)容。（1）動作電流整定：過電流保護裝置的動作電流必須滿足下列兩個條件：

a）正常運行時，保護裝置不動作，即保護裝置一次側(cè)的動作電流Iop1應大于線路的最大負荷電流IL.max（正常過負荷電流和尖峰電流），即Iop1＞IL.max32b）保護裝置在外部故障切除后，可靠返回到原始位置。如圖7-20所示線路2WL在K點發(fā)生短路時，由于短路電流遠大于線路的負荷電流，線路1WL和2WL的過電流保護同時起動，為保證保護的選擇性，保護2首先動作，斷路器2QF跳閘，切除故障線路2WL。故障切除后，1WL的保護1應可靠返回，要求保護1的返回電流Ire1大于線路最大負荷電流IL.max（應包含電動機的自起動電流），即Ire1＞IL.max。337.3工廠電力線路

的繼電保護由于過電流保護Iop1大于Ire1，所以，以Ire1＞IL.max作為動作電流整定依據(jù)，同時引入可靠系數(shù)Krel，將不等式改寫成等式。將保護裝置的返回電流換算到動作電流，進而換算到繼電器的動作電流Iop.KA，即式中，Krel為可靠系數(shù)，DL型繼電器取1.2，GL型繼電器取1.3；Kw為接線系數(shù)，由保護的接線方式?jīng)Q定；Kre為繼電器的返回系數(shù)，DL型繼電器取0.85，GL型繼電器取0.8；Ki為電流互感器變比。347.3工廠電力線路

的繼電保護在整定計算時線路的最大負荷電流具體數(shù)據(jù)不祥時，可取線路計算電流IC的1.5~3.0倍，即IL.max=（1.5~3）IC。由上式求得繼電器動作電流計算值，確定其動作電流整定值。保護裝置一次側(cè)的動作電流為357.3工廠電力線路

的繼電保護（2）動作時限整定①定時限過電流動作時限整定由上所述，定時限過電流保護裝置的起動由電流繼電器完成，動作時限的實現(xiàn)由時間繼電器完成。保護裝置的動作時限與短路電流的大小無關(guān)，僅取決于由選擇性確定的時間繼電器的整定時間。

為保證動作的選擇性，自負載側(cè)向電源側(cè)，后一級線路的過電流保護裝置的動作時限應比前一級線路保護的動作時限大一個時限級差Δt，如圖7-20b所示，即按階梯原則進行整定。367.3工廠電力線路

的繼電保護

式中，Δt為時限級差，定時限過電流保護取0.5s，反時限過電流保護取0.7s。

377.3工廠電力線路

的繼電保護②反時限過電流保護動作時限整定GL型感應式電流繼電器具有反時限動作特性，在整定反時限過電流保護的動作時限時應指出某一動作電流倍數(shù)（通常為10倍）時的動作時限。為保證動作的選擇性，反時限過電流保護時限整定也應按照“階梯原則”來確定，即上下級線路的反時限過電流保護在保護配合點K點發(fā)生短路時的時限級差為Δt=0.7s。387.3工廠電力線路

的繼電保護397.3工廠電力線路

的繼電保護圖7-21a中線路2WL保護2的繼電器特性曲線為圖7-21b中的2；保護2的動作電流為Iop.KA2，線路1WL保護1的動作電流為Iop.KA1。動作時限整定具體步驟如下：a、計算線路2WL首端K點三相短路時保護2的動作電流倍數(shù)n2。

式中，IK.KA2為K點三相短路時，流經(jīng)保護2繼電器的電流，IK.KA2=KW.2IK/Ki.2,，Kw.2和Ki.2分別為保護2的接線系數(shù)和電流互感器變比。407.3工廠電力線路

的繼電保護b、由n2從特性曲線2求K點三相短路時保護2的動作時限t2。c、計算K點三相短路時保護1的實際動作時限t1，t1應較t2大一個時限級差Δt，以保證動作的選擇性，即

417.3工廠電力線路

的繼電保護d、計算K點三相短路時，保護1的實際動作電流倍數(shù)n1。

式中，IK.KA1為K點三相短路時，流經(jīng)保護1繼電器的電流，IK.KA1=KW.1IK/Ki.1，Kw.1和Ki.1分別為保護1的接線系數(shù)和電流互感器變比。427.3工廠電力線路

的繼電保護e、由t1和n1可以確定保護1繼電器的特性曲線上的一個點P，由P點找出保護1的特性曲線1，如圖7-21，并確定10倍動作電流倍數(shù)下的動作時限。由圖7-21a可見，K點是線路2WL的首端和線路1WL的末端,也是上下級保護的時限配合點，若在該點K的時限配合滿足要求，在其它各點短路時，都能保證動作的選擇性。437.3工廠電力線路

的繼電保護（3）保護靈敏度校驗

過電流保護的靈敏度用系統(tǒng)最小運行方式下線路末端的兩相短路電流進行校驗。

式中，Iop1為保護裝置一次側(cè)動作電流。1.5主保護1.25后備保護447.3工廠電力線路

的繼電保護例7-1

試整定圖7-24所示線路1WL的定時限過電流保護。已知1TA的變比為Ki=750/5A=150，線路最大負荷電流（含自啟動電流）IL.MAX=670A，保護采用兩相兩繼電器接線，線路2WL定時限過電流保護的動作時限t2=0.7s，最大運行方式時K1點三相短路電流4kA，K2點三相短路電流2.5kA，最小運行方式時K1和K2點三相短路電流分別為IK.min(3)=3.2kA和IK.min(3)=2kA。457.3工廠電力線路

的繼電保護解：1、整定動作電流

選DL-11/10電流繼電器，線圈并聯(lián)，整定動作電流7A467.3工廠電力線路

的繼電保護過電流保護一次側(cè)動作電流為2、整定動作時限

線路1WL定時限過電流保護的動作時限應較線路2WL定時限過電流保護動作時限大一個時限級差Δt。(定時限Δt=0.5)477.3工廠電力線路

的繼電保護3、校驗保護靈敏度保護線路1WL的靈敏度按線路1WL末端最小兩相短路電流校驗：線路2WL后備保護靈敏度，用線路2WL末端最小兩相短路電流校驗：

由此可見，保護整定滿足靈敏度要求。＞1.5＞1.2487.3工廠電力線路

的繼電保護7.3.3電流速斷保護線路越靠近電源,過電流保護的動作時限越長,而短路電流越大,危害越大,這是過電流保護的不足.因此,當過電流保護動作時限超過0.5~0.7s時,應裝設瞬動的電流速斷保護.1．電流速斷保護的接線和工作原理

4950517.3工廠電力線路

的繼電保護2．電流速斷保護的整定（1）動作電流整定由于電流速斷保護動作不帶時限,為了保證速斷保護動作的選擇性,下一級線路首端發(fā)生最大短路電流時電流速斷保護不應動作，即速斷保護動作電流Iop1＞IK.max，從而，速斷保護繼電器的動作電流整定值為527.3工廠電力線路

的繼電保護對GL型電流繼電器，還要整定速斷動作電流倍數(shù)，即

式中，IOP.KA(qb)為電流速斷保護繼電器動作電流整定值；IOP.KA(oc)為過電流保護繼電器動作電流整定值。電流速繼保護不能保護線路全長，只能保護線路的一部分，線路不能被保護的部分稱為保護死區(qū)，線路能被保護的部分稱為保護區(qū)。537.3工廠電力線路

的繼電保護（2）靈敏度校驗用線路首端最小兩相短路電流校驗，即過電流保護由保護的動作時限實現(xiàn)選擇性,電流速斷保護由保護的電流實現(xiàn)選擇性,在電流速斷保護區(qū)域內(nèi),電流速斷保護為主保護,過電流保護為輔助保護,在電流速斷保護的死區(qū)內(nèi),過電流保護為基本保護.≥1.5

547.3工廠電力線路

的繼電保護例7-2

試整定例7-1中線路1WL的電流速斷保護。已知線路1WL首端最小三相短路電流為IK.min(3)=9.2kA。IK.max(3)=4kA=4000A(例7-1給出)解：電流速斷保護和過電流保護共用電流互感器和出口中間繼電器。電流速斷保護需整定動作電流和校驗靈敏度。（1