繼電保護(hù)的作用及原理

當(dāng)電力系統(tǒng)中的電力元件(如發(fā)電機(jī)、線路等)或電力系統(tǒng)本身發(fā)生了故障危

及電力系統(tǒng)安全運(yùn)行時，能夠向運(yùn)行值班人員及時發(fā)出警告信號,或者直接向

所控制的斷路器發(fā)出跳閘命令以終止這些事件發(fā)展的一種自動化措施和設(shè)備。

實(shí)現(xiàn)這種自動化措施的成套設(shè)備，一般通稱為繼電保護(hù)裝置。

基本原理

繼電保護(hù)裝置必須具有正確區(qū)分被保護(hù)元件是處于正常運(yùn)行狀態(tài)還是發(fā)生了

故障，是保護(hù)區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護(hù)裝置要實(shí)現(xiàn)這一功能，需要

根據(jù)電力系統(tǒng)發(fā)生故障前后電氣物理量變化的特征為基礎(chǔ)來構(gòu)成。

電力系統(tǒng)發(fā)生故障后,工頻電氣量變化的主要特征是：

a.電流增大

短路時故障點(diǎn)與電源之間的電氣設(shè)備和輸電線路上的電流將由負(fù)荷電流增大

至大大超過負(fù)荷電流。

b.電壓降低

當(dāng)發(fā)生相間短路和接地短路故障時，系統(tǒng)各點(diǎn)的相間電壓或相電壓值下降，且

越靠近短路點(diǎn)，電壓越低。

c電流與電壓之間的相位角改變

正常運(yùn)行時電流與電壓間的相位角是負(fù)荷的功率因數(shù)角，一般約為20。，三相

短路時，電流與電壓之間的相位角是由線路的阻抗角決定的，一般為60。?85。，

而在保護(hù)反方向三相短路時，電流與電壓之間的相位角則是180。+(60°~85°)。

d.測量阻抗發(fā)生變化

測量阻抗即測量點(diǎn)（保護(hù)安裝處）電壓與電流之比值。正常運(yùn)行時，測量阻抗為

負(fù)荷阻抗；金屬性短路時，測量阻抗轉(zhuǎn)變?yōu)榫€路阻抗，故障后測量阻抗顯著減

小，而阻抗角增大。

不對稱短路時，出現(xiàn)相序分量，如兩相及單相接地短路時，出現(xiàn)負(fù)序電流和負(fù)

序電壓分量；單相接地時，出現(xiàn)負(fù)序和零序電流和電壓分量。這些分量在正常

運(yùn)行時是不出現(xiàn)的。利用短路故障時電氣量的變化，便可構(gòu)成各種原理的繼電

保護(hù)。

此外，除了上述反應(yīng)工頻電氣量的保護(hù)外，還有反應(yīng)非工頻電氣量的保護(hù)，如

瓦斯保護(hù)。

基本要求

繼電保護(hù)裝置為了完成它的任務(wù)，必須在技術(shù)上滿足選擇性、速動性、靈敏性

和可靠性四個基本要求。對于作用于繼電器跳閘的繼電保護(hù)，應(yīng)同時滿足四個

基本要求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，

這四個基本要求中有些要求可以降低。

①選擇性

選擇性就是指當(dāng)電力系統(tǒng)中的設(shè)備或線路發(fā)生短路時，其繼電保護(hù)僅將故障的

設(shè)備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當(dāng)故障設(shè)備或線路的保護(hù)或斷路器拒動時，應(yīng)

由相鄰設(shè)備或線路的保護(hù)將故障切除。

②速動性

速動性是指繼電保護(hù)裝置應(yīng)能盡快地切除故障，以減少設(shè)備及用戶在大電流、

低電壓運(yùn)行的時間，降低設(shè)備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運(yùn)行的穩(wěn)定性。

一般必須快速切除的故障有:

a.使發(fā)電廠或重要用戶的母線電壓低于有效值（一般為0.7倍額定電壓）。

b.大容量的發(fā)電機(jī)、變壓器和電動機(jī)內(nèi)部故障。

c.中、低壓線路導(dǎo)線截面過小，為避免過熱不允許延時切除的故障。

d.可能危及人身安全、對通信系統(tǒng)造成強(qiáng)烈干擾的故障。

故障切除時間包括保護(hù)裝置和斷路器動作時間，一般快速保護(hù)的動作時間為

0.04s~0.08s,最快的可達(dá)0.01s~0.04s,一般斷路器的跳閘時間為0.06s~

0.15s,最快的可達(dá)0.02s~0.06s。

對于反應(yīng)不正常運(yùn)行情況的繼電保護(hù)裝置，一般不要求快速動作，而應(yīng)按照選

擇性的條件，帶延時地發(fā)出信號。

③靈敏性

靈敏性是指電氣設(shè)備或線路在被保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生短路故障或不正常運(yùn)行情況

時，保護(hù)裝置的反應(yīng)能力，保護(hù)裝置的靈敏性是用靈敏系數(shù)來衡量。

能滿足靈敏性要求的繼電保護(hù)，在規(guī)定的范圍內(nèi)故障時，不論短路點(diǎn)的位置和

短路的類型如何，以及短路點(diǎn)是否有過渡電阻，都能正確反應(yīng)動作，即要求不

但在系統(tǒng)最大運(yùn)行方式下三相短路時能可靠動作，而且在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下

經(jīng)過較大的過渡電阻兩相或單相短路故障時也能可靠動作。

系統(tǒng)最大運(yùn)行方式：

被保護(hù)線路末端短路時，系統(tǒng)等效阻抗最小，通過保護(hù)裝置的短路電流為最大

運(yùn)行方式。

系統(tǒng)最小運(yùn)行方式：

在同樣短路故障情況下，系統(tǒng)等效阻抗為最大，通過保護(hù)裝置的短路電流為最

小的運(yùn)行方式。

④可靠性

可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護(hù)最根本的要求。

a.安全性

要求繼電保護(hù)在不需要它動作時可靠不動作，即不發(fā)生誤動。

b.信賴性

要求繼電保護(hù)在規(guī)定的保護(hù)范圍內(nèi)發(fā)生了應(yīng)該動作的故障時可靠動作，即不拒

動。

繼電保護(hù)的誤動作和拒動作都會給電力系統(tǒng)帶來嚴(yán)重危害，即使對于相同的電

力元件，隨著電網(wǎng)的發(fā)展，保護(hù)不誤動和不拒助對系統(tǒng)的影響也會發(fā)生變化。

以上四個基本要求是設(shè)計、配置和維護(hù)繼電保護(hù)的依據(jù)，又是分析評價繼電保

護(hù)的基礎(chǔ)。這四個基本要求之間是相互聯(lián)系的，但往往又存在著矛盾。因此，

在實(shí)際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結(jié)構(gòu)和用戶的性質(zhì),辯證地進(jìn)行統(tǒng)一。

基本任務(wù)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的基本任務(wù)是：

①自動、迅速、有選擇性地將故障元件從電力系統(tǒng)中切除，使故障元件免于繼

續(xù)遭到破壞，保證其他無故障部分迅速恢復(fù)正常運(yùn)行。

②反應(yīng)電氣元件的不正常運(yùn)行狀態(tài)，并根據(jù)運(yùn)行維護(hù)的條件（如有無經(jīng)常值班

人員）而動作于信號,以便值班員及時處理，或由裝置自動進(jìn)行調(diào)整，或?qū)⒛?/p>

些繼續(xù)運(yùn)行就會引起損壞或發(fā)展成為事故的電氣設(shè)備予以切除。此時一般不要

求保護(hù)迅速動作，而是根據(jù)對電力系統(tǒng)及其元件的危害程度規(guī)定一定的延時，

以免暫短地運(yùn)行波動造成不必要的動作和干擾而引起的誤動。

③繼電保護(hù)裝置還可以與電力系統(tǒng)中的其他自動化裝置配合，在條件允許時，

采取預(yù)定措施，縮短事故停電時間，盡快恢復(fù)供電，從而提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的

可靠性。

分類

繼電保護(hù)可按以下4種方式分類：

①按被保護(hù)對象分類

有輸電線保護(hù)和主設(shè)備保護(hù)（如發(fā)電機(jī)、變壓器、母線、電抗器、電容器等保

護(hù)）。

②按保護(hù)功能分類

有短路故障保護(hù)和異常運(yùn)行保護(hù)。前者又可分為主保護(hù)、后備保護(hù)和輔助保護(hù)；

后者又可分為過負(fù)荷保護(hù)、失磁保護(hù)、失步保護(hù)、低頻保護(hù)、非全相運(yùn)行保護(hù)

等。

③按保護(hù)裝置進(jìn)行比較和運(yùn)算處理的信號量分類

有模擬式保護(hù)和數(shù)字式保護(hù)，一切機(jī)電型、整流型、晶體管型和集成電路型（運(yùn)

算放大器）保護(hù)裝置，它們直接反映輸入信號的連續(xù)模擬量，均屬模擬式保護(hù)；

采用微處理機(jī)和微型計算機(jī)的保護(hù)裝置，它們反應(yīng)的是將模擬量經(jīng)采樣和模/

數(shù)轉(zhuǎn)換后的離散數(shù)字量，這是數(shù)字式保護(hù)。

④按保護(hù)動作原理分類

有過電流保護(hù)、低電壓保護(hù)、過電壓保護(hù)、功率方向保護(hù)、距離保護(hù)、差幼保

護(hù)、縱聯(lián)保護(hù)、瓦斯保護(hù)等。

異常

發(fā)現(xiàn)繼電保護(hù)運(yùn)行中有異?；虼嬖谌毕輹r，除了加強(qiáng)監(jiān)視外，對能引起誤動的

保護(hù)退其出口壓板，然后聯(lián)系繼保人員處理。

如有下列異常情況，均應(yīng)及時退出：

①母差保護(hù)

在發(fā)出“母差交流斷線"、"母差直流電壓消失"信號時；母差不平衡電流不

為零時；無專用旁路母線的母聯(lián)開關(guān)串代線路操作及恢復(fù)倒閘操作中。

②局）頻保護(hù)

當(dāng)直流電源消失時；定期通道試驗(yàn)參數(shù)不符合要求時；裝置故障或通道異常信

號發(fā)出無法復(fù)歸時；旁母代線路開關(guān)操作過程中。

③距離保護(hù)

當(dāng)采用的PT退出運(yùn)行或三相電壓回路斷線時；正常情況下助磁電流過大、過

小時；負(fù)荷電流超過保護(hù)允許電流相應(yīng)段時。

④微機(jī)保護(hù)

總告警燈亮，同時四個保護(hù)（高頻、距離、零序、綜重）之一告警燈亮?xí)r，退

出相應(yīng)保護(hù)；如果兩個CPU故障，應(yīng)退出該裝置所有保護(hù)；告警插件所有信

號燈不亮，如果電源指示燈熄滅，說明直流消失,應(yīng)退出出口壓板，在恢復(fù)直

流電源后再投入；總告警燈及呼喚燈亮，且打印顯示CPUxERR信號，如CPU

正常，說明保護(hù)與接口CPU間通訊回路異常，退出CPU巡檢開關(guān)處理，若信

號無法復(fù)歸,說明CPU有致命缺陷,應(yīng)退出保護(hù)出口壓板并斷開巡檢開關(guān)處

理。

⑤瓦斯保護(hù)

在變壓器運(yùn)行中加油、濾油或換硅膠時；潛油泵或冷油器（散熱器）放油險修

后投入時；需要打開呼吸系統(tǒng)的放氣門或放油塞子，或清理吸濕器時；有載調(diào)

壓開關(guān)油路上有人工作時。

繼電保護(hù)常見的故障分析

①電流互感飽和故障

電流互感器的飽和對電力系統(tǒng)繼電保護(hù)的影響是非常之大。隨著配電系統(tǒng)設(shè)備

終端負(fù)荷的不斷增容，如果發(fā)生短路，則短路電流會很大。如果是系統(tǒng)在靠近

終端設(shè)備區(qū)的位置發(fā)生短路時，電流可能會達(dá)到或者接近電流互感器單次額定

電流的100倍以上。在常態(tài)短路情況下，越大電流互感器誤差是隨著一次短路

電流倍數(shù)增大而增大，當(dāng)電流速斷保護(hù)使靈敏度降低時就可能阻止動作。在線

路短路時，由于電流互感器的電流出現(xiàn)了飽和，而再次感應(yīng)的二次電流小或者

接近于零，也會導(dǎo)致定時限過流保護(hù)裝置無法展開動作。當(dāng)在配電系統(tǒng)的出口

線過流保護(hù)拒絕動作時而導(dǎo)致配電所進(jìn)口線保護(hù)動作了，則會使整個配電系統(tǒng)

出現(xiàn)斷電的狀況。

②開關(guān)保護(hù)設(shè)備的選擇不當(dāng)

開關(guān)保護(hù)設(shè)備的選擇是非常重要的一項(xiàng)工作，現(xiàn)在的多數(shù)配電都在高負(fù)荷密集

的地區(qū)建立起開關(guān)站，也就是采用變電所一開關(guān)站一配電變壓器的供電輸電的

模式。在未實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)自動化的開關(guān)站內(nèi)，我們應(yīng)當(dāng)更多地采用負(fù)荷開關(guān)或

與其組合的繼電器設(shè)備系統(tǒng)作為開關(guān)保護(hù)的設(shè)備。

繼電保護(hù)故障的處理方法和措施

①常見的繼電保護(hù)故障的處理方法

a.替換法

用完好的元件代替被認(rèn)定有故障的元件，來判斷它的好與壞，可以快速縮小故

障的查找范圍；

b.參照法

通過對正常設(shè)備和非正常設(shè)備的相關(guān)技術(shù)參數(shù)對比，找出不正常設(shè)備的故障點(diǎn)。

這個方法主要用于檢查接線錯誤、定值校驗(yàn)過程中測試值與預(yù)想值有比較大差

異的故障。在進(jìn)行改造和設(shè)備更換之后二次接線不能正確恢復(fù)時，可參照同類

設(shè)備的接線。并在繼電器定值校驗(yàn)時，如果發(fā)現(xiàn)某一只繼電器測試值與整定值

相差得比較遠(yuǎn)，此時,不可以輕易做出判斷，判斷該繼電器特性不好，應(yīng)當(dāng)調(diào)

整繼電器上的刻度值，可用同只表計去測量其他相同回路同類繼電器進(jìn)行比較；

c短接法

將回路某一段或一部分用短接線短接，來進(jìn)行判斷故障是否存在短接線范圍內(nèi)

或者其他地方，這樣來確定故障范圍。此法主要是用在電磁鎖失靈、電流回路

開路、切換繼電器不動