继电保护基础知识

继电保护及二次回路
电力系统由于受到自然环境的影响，以及设备在制造、 安装、检修、运行过程中各种主、客观因素的影响，难免会 发生故障和不正常运行状态。 常见的故障：相间短路、接地短路和断线。 故障的危害性极大，过大的短路电流流过电器设备，将 损坏甚至烧坏设备，造成大面积停电。 常见的不正常运行状态：过负荷。 设备长期运行，可能使载流部分过热，损坏绝缘，缩短 设备使用寿命，甚至发展成为故障。 中性点非直接接地系统当发生单相接地时，使未接地相 对地电压提高至原对地电压的根号3倍，它往往是导致短路 故障的一个原因。
当在继电器线圈中有电流IK时，铁芯中产生磁通Φ，磁通 经空气隙δ及衔铁而成回路，因而在铁芯与衔铁间产生电磁 吸力Fem，Fem的大小与Φ的平方成正比，而Φ又与磁动势成 正比
即：
式中
WK——继电器线圈的匝数； Rm——磁通Φ所经过磁路的磁阻，与空气隙δ近似成 正比（因为铁芯磁阻与空气隙磁阻相比可忽略 不计）； K1、K2——比例系数，当磁路不饱和时为常数。
2、中间继电器 中间继电器是扩大接点数量和容量的一种辅助继电器，结构如图5-10所示。 接点较多，当同时需要控制多个回路时可借助中间继电器完成。 电流、电压继电器的接点容量较小，不能直接接通跳闸回路，经过中间继电器来扩大 接点容量。 利用中间继电器本身的动作时间获得短时的延时，而避免采用专门的时间继电器。 图5-11为DZ-10系列中间继电器的内部接线和图形符号。
当一次回路发生故障时，继电保护能将故障部分迅速切除，并发出 信号，以保证一次设备安全、可靠、经济、合理地运行。二次回路设备通 常为低压设备。
§1.1继电保护的基本知识
一、继电保护的定义 能正确判断故障点并迅速、自动跳闸切除故障点的装置，称为继电 保护装置。即能够反应电力系统元件故障及不正常运行状态，并能使断 路器跳闸或发出信号的一种自动装置。 二、继电保护装置的主要作用 1、当线路或电器元件发生短路故障时，能有选择地、迅速地、自动 地切除故障元件防止事故范围扩大，并保护非故障元件的继续运行。 2、对于电气元件的过负荷和小接地电流系统的单相接地等不正常工 作状态及时发出预告信号，引起值班人员的注意，并及时采取措施，消 除不正常工作状态。


电磁型、感应型、整流型、晶体管型。 线路保护、母线保护、变压器保护。
2、继电保护的基本原理
如图，正常情况时，线路上只流过 负荷电流IL，因而电流互感器TA二次侧 的电流亦即继电器KA的线圈中电流Ik小 于电流继电器KA的起动电流Iop.k ， KA不动作。当线路发生短路故障，线路 上流过很大的短路电流IK,则TA二次侧 电流IK增大，当IK等于或大于Iop.k时， KA起动，其常开接点闭合，使得跳闸线 圈YT受电，铁芯向上吸动，使断路器QF 在弹簧FT作用下跳闸。QF跳闸后，它的 辅助接点QFF断开，YT断电。
式中：Ure.k——继电器的返回电压； Uop.k——继电器的动作电压（起动电压） 一般低电压继电器的Kre应不小于1.2。
三、时间继电器 图5-6为DS-110型时间继电器的结 构图。线圈1通电流后继电器的衔铁3 瞬时被吸入，曲柄9失去支持，瞬时接 点7打开，8闭合，扇形齿轮10、在弹 簧11的作用下顺时针转动，并传给齿 轮13，使它与同轴的摩擦离合器14逆 时针方向转动。摩擦离合器转动后使 外层的套圈14d紧卡主传动轮15，因此 传动轮就随着转动。此轮传动钟表机 构的周轮16与17经中间轮18使摆轮19 与摆卡20的齿接触，使之停止转动， 但在摆轮的压力下摆卡偏转而离开摆 轮，所在摆轮就转过一个吃齿，如此 往复进行就限制了动接点的轴为一定 速度。 当线圈中的电流消失后，在弹簧4 的作用下，继电器的衔铁和杠杆又返 回到原始位置，同时扇形齿轮也立即 复原，因顺时针旋转时摩擦离合器14 已与转动轮脱开，故钟表机构不起作 用，这就保证了继电器返回是 瞬时的。 改变定接点23的位置，即改变22走 到23之间的距离，就可以调节时间继 电器的动作时限。
后备保护：一般动作延时较长，是当主保护拒动或断路器 拒动时，以大于主保护的动作时限动作切除故障。
近后备保护：主保护拒动时，由本设备的另一保护实现 远后备保护：保护拒动或断路器拒动时，由上一级设备 或线路保护实现。

2、 速动性 为了限制短路电流的破坏范围和对电气设备的损坏 程度，减小用户处电压下降的时间，提高自动重合闸的成功 率，要求保护装置应尽可能快地切除短路故障。
继电器有上下两个线圈，可以根 据需要并联或串联。
并联时从外部所需的动作电流是 串联时的2倍。 动作电流可以用调整把手改变弹 簧的拉力来平滑调节，在接法不变 时，调整把手在最大刻度值时的动作 电流为最小刻度值的2倍。 如DL-11/10继电器（11指接点方 式为有一对常开接点，10指最大动作 电流为10A），当两线圈并联时，动 作电流在5-10A之间调节。
IK=Ire · k 时，吸合转矩小于弹簧的作用力矩，衔铁被弹 簧拉回原来的位置。因为只要被拉开一 点， δ增大，Fem减小，衔铁更易于返回。

能使电流继电器返回的最大电流值Ire · k——返回电流 返回电流与动作电流之比Kre——返回系数 即：Kre=Ier · k / Iop.k
动作电流与返回电流的差别主要是由空气隙δ的变化及 衔铁转动时的摩擦阻力所引起的。动作前的δ大于动作之后 的，另外，动作过程中摩擦力的作用方向与电磁吸力相反，而 返回过程中摩擦力的作用方向与电磁吸力一致。所以，动作电 流总比返回电流更大，即： Ier · k< Iop.k 继电保护在满足可靠性的基础上要求Kre尽可能接近于1， 这样可使保护装置获得较高的灵敏度。 方法： 改善磁路系统的结构，以减小δ的变化，采用坚 硬的轴承减小摩擦力，采用图5-4的结构型式。 图5-6的结构型式主要用于返回系数要求不高的中间继电器、 信号继电器中。
动作原理：当母线电压为正常值时，继电器接受着较高电压 （100V左右），它的衔铁处于被吸状态，常闭接 点是打开的。当有短路故障时，母线电压下降， 衔铁返回，常闭接点闭合，将保护装置启动。短 路切除后母线电压升高，常闭接点又打开，保护 装置返回。所以保护的启动电压低于返回电压。
Ure k 返回系数：Kre= Uop k >I
为防止事故扩大，尽可能缩小停电范围，保证非故障设备的继续运 行，必须迅速切除故障，这一任务就是由继电保护装置来完成的。 变配电所的电气设备连接回路分为一次回路和二次回路。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ


一次回路：由一次设备组成的生产、输送和分配电能的电气回路。也 称一次接线或主接线。 一次设备：墙壁进出线套管、母线、所用变压器、电容器、高压柜、 电压互感器、电流互感器、断路器、隔离开关、熔断器。 二次回路：由二次设备所连接所组成的电气连接回路。 二次设备：控制台、交流柜、直流柜、计量柜、保护柜。 二次设备的任务：通过对一次回路的监察、测量来反应一次回路的工 作状态，并控制一次系统。

四个基本要求是分析研究 继电保护的基础、设计评 价继电保护的依据。

对反映异常运行状态、作 用于信号的继电保护，快 速性要求可以降低。
四、继电保护的基本原理 1、 继电保护可以按原理、使用的继电器元件、用途分类。 反映电气量的保护： （1）电流保护：反应电流增大动作 （2）低电压保护：反应电压降低动作 （3）距离保护：反应保护安装处至短路点的距离 （4）方向保护：电流保护增加功率方向判别条件 （5）差动保护：反应被保护对象两端电流相量差 （6）序分量保护：反应零序分量或负序分量动作 反映非电气量的保护： （1）瓦斯保护 （2）温度保护等
二、电流及电压继电器
1、电流继电器 图5-4是DL-10系列电流继电器 结构图，为了提高返回系数， 继电器的衔铁采用旋转的Z形 舌片，这样动作前后空气隙的 变化较小，而且由于铁片薄， 易于饱和，动作后磁通的增加 不会太大，因此返回系数较 高，一般在0.85以上，另外动 作快、消耗功率小。 缺点是接点容量小，不能 直接作用于断路器跳闸。 目前广泛采用DL-20系列电 流继电器的结构形式基本上与 DL-10系列相似，而Kre更高。
能使电流继电器动作的最小电流值Iop.k叫做该继电器 的动作电流（或启动电流）。
令吸合转矩Mdc等于阻力矩Mz，并以Iop.k代替前式中的、 IK，可得：


即 根据上式，要改变继电器的动作电流，可采取以下方法： 改变继电器线圈的匝数WK； 改变弹簧的阻力矩； 改变空气隙。
继电器动作之后，IK继续增大、减小对输出电路并无影 响。因为动作之后δ较小，只要较小的电流就能维持继电器 的动作状态。
在以上的过程中，继电器KA是关键，它由TA二次侧供 电，经过测量IK电流的数值，并与整定值比较，一旦超过整 定值就动作，向断路器发出跳闸命令。 有的继电器（例如采用晶体管继电保护时）不能直接与 电流互感器连接，需要经过变换电路，因而继电保护装置可 概括成如下方框图。
变换电路将电流互感器及电压互感器二次侧的电流、电 压变换为测量比较元件所需要的形式。测量比较元件就是电 流、电压等继电器，当被测值符合事先规定的整定值要求 时，测量比较元件动作。操作电路是实现一定控制要求的直 流操作电路，经过它去接通所需的跳闸电路及信号电路。
当电流IK较小时，电磁力在衔铁上产生的吸合转矩还不 足以克服弹簧拉力及摩擦力所产生的阻力矩，继电器仍然不 动作。
继续增大IK，当IK =Iop.k时，吸合转矩等于阻力矩，于是 衔铁被吸动，空气隙δ减少，因而吸力增大，一下子就把衔 铁吸过去，继电器的常开接点立刻闭合，把输出电路接通。 可见继电器具有跳变特性。
三、对继电保护装置的基本要求 选择性、速动性、灵敏性、可靠性。 1、选择性： 当电力系统发生故障时，保护装置应只切除故障元件， 而保持其他非故障元件的继续运行，称为保护装置的选择性。 主保护：按照电力系统的安全性要求，以最短的时限和 最小的停电范围动作切除故障，保证电力系统和设备的安 全。




若测量比较元件反应的是电流I，当短路时电流超过整定值 保护动作，这就是过电流保护。 若测量比较元件反应的是电压U，当短路时U低于整定值保 护动作，这就是低电压保护。 若测量比较元件反应的是变压器或线路两端的电流之差， 当电流增大保护动作，这就是差动保护。
§1.2电磁型继电器
一、电磁型继电器的工作原理 电磁型继电器是 利用电磁力使其可动 的机械部分动作，并 通过它的接点接通或 者断开来实现输出信 号的改变（即接通或 断开外电路）。 电磁型继电器是目前广泛应用的一种

控制故障影响程度，减少设备损伤，避免造成设备无法修 复的损坏； 减小故障影响时间，减少用户在低电压情况下的工作时 间，避免用户电动机转速严重下降、甚至自启动失败； 防止系统稳定性破坏，提高电力系统运行的稳定性。
故障切除时间等于保护装臵动作时间和断路器动作时间之和。



3、灵敏性 继电保护装置的灵敏度是指对保护范围内发生故障和不 正常工作状态的反应能力，在保护装置保护范围内，不管故 障点的位置和性质如何，保护装置都应该迅速、正确地运作。 灵敏系数必须大于1。 4、可靠性 是指当电力系统发生故障时，保护装置准确、可靠地动作 的程度，它有两个含义，即该动作时不拒动；不该动作时不 误动。
2、电压继电器 我国广泛采用DJ-100系列。结构同DL-10系列流继，区 别在于线圈匝数多而导体细，阻抗大。

电压继电器：直接接在电压互感器副边， 动作取决于电压互感器电压的大小。 电流继电器：接到电流互感器副边， 动作取决于电流互感器电流的大小。

电压继电器常用于当母线电压降低时启动保护装置， 这种继电器叫低电压继电器。用常闭接点启动保护装置。
当时限较长时，为了避免继电器线圈由于通电时间长而产 生过热，在动作后给线圈串入一个附加电阻。
四、信号继电器与中间继电器
1、信号继电器 信号继电器是当继电保护装置动 作时给出保护动作的信号，图5-8为 DX-11型电磁信号继电器。当电流 通过线圈2时，衔铁3被电磁铁1吸 引，信号牌6因一端失去支持而落 下，同时，与信号牌相联的固定轴 随着旋转90°角，使固定在转轴上 的可动接点4与固定接点5接触，因 而接通灯光或音响信号回路。值班 员查看信号牌的位置可确认是哪一 套保护装置动作，随后用手转动复 位手柄8，将继电器复归。