断电保护及二次系统《建筑供配电与照明》.ppt

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1、高等职业技术教育建筑设备类专业规化教材 主 编 丁文华 苏 娟 副主编 刘华斌 课题 7 断电保护及二次系统 7.1 继电保护的基本知识 7.2 线路的继电保护 7.3 电力变压器的继电保护 7.4 二次系统接线图 7.5 中央信号系统 7.6 断路器控制回路及信号系统 7.7 绝缘监察装置和电气测量仪表 7.8 备用电源自动投入装置 7.1 继电保护的基本知识 1.继电保护的任务 为保证供配电系统的安全运行，避免过负荷 和短路引起的过电流对系统的影响，在供配电系 统中要装有不同类型的过电流保护装置。常用的 过电流保护装置有熔断器保护、低压断路器保护 和继电保护。其中继电保护广泛应用于高压供配

2、 电系统中，其保护功能很多，而且是实现供配电 自动化的基础。 7.1.1 继电保护的任务和要求 继电保护装置 是指能反映供配电系统中电气 设备发生的故障或不正常工作状态，并能动作于 断路器跳闸或起动信号装置发出预报信号的一种 自动装置。 继电保护的主要任务如下： （ 1） 自动、迅速、有选择性地将故障元件 从供配电系统切除，使其他非故障部分迅速恢复 正常供电； （ 2） 能正确反映电气设备的不正常运行状 态，发出预报信号，以便操作人员采取措施，恢 复电气设备正常工作； （ 3） 与供配电系统的自动装置（如自动重 合闸装置、备用电源自动投入装置等）配合，提 高供电系统的运行可靠性。 建筑供配电系

3、统继电保护的特点是简单、有 效、可靠，且有较强的抗干扰能力。 2.对继电保护的基本要求 继电保护的设计应以合理的运行方式和可能 的故障类型为依据，并应满足选择性、速动性、 可靠性、灵敏性四项基本要求。 (1) 选择性 选择性 是指首先由故障设备或线路本身的保 护切除故障。当供电系统发生短路故障时，继电 保护装置动作，只切除故障元件，并使停电范围 最小，以减小故障停电造成的影响。保护装置这 种能挑选故障元件的能力称为保护的选择性。 (2) 速动性 为了减小由于故障引起的损失，减少用户在 故障时低电压下的工作时间，以及提高电力系统 运行的稳定性，要求继电保护装置在发生故障时 尽快动作并将故障切除。

4、快速地切除故障部分可 以防止故障扩大，减轻故障电流对电气设备的损 坏程度，加快供电系统电压的恢复，提高供电系 统运行的可靠性。 (3) 可靠性 可靠性是指保护装置应该动作时动作，不应 该动作时不动作。为保证可靠性，宜选用尽可能 简单的保护方式，采用可靠的元件和尽可能简单 的回路构成性能良好的装置，并应有必要的检测、 闭锁和双重化等措施。保护装置应便于整定、调 试和运行维护。 (4) 灵敏性 灵敏性是指继电保护在其保护范围内对发生 故障或不正常工作状态时的反应能力。 过电流保护的灵敏度 SP用其保护区内在电力 系统为最小运行方式时的最小短路电流 Ik， min与 保护装置一次动作电流（即保护装置

5、动作电流换 算到一次电路的值） IOP， 1的比值来表示，即 SP=Ik， min/IOP， 1 对不同作用的保护装置和被保护设备，所要 求的灵敏度是不同的，在 电力装置的继电保护 和自动装置设计技术规范 (GB 50062 1992)中 都有规定。 另外 ,上述介绍的四项基本要求对于一个具体 的保护装置不一定都是同等重要的，而应有所侧 重。例如，电力变压器是供配电系统中最关键的 设备，对其保护装置的灵敏度要求较高；而对一 般电力线路的保护装置，就要求其选择性较高。 电力系统发生故障时会引起电流的增加、电 压的降低以及电流与电压间相位的变化，因此， 电力系统中所采用的各种继电保护大多数是利用

6、故障时物理量与正常运行时物理量的差别来构成 的，例如，反映电流增大的过电流保护、反映电 压降低（或升高）的低电压（或过电压）保护等。 7.1.2 继电保护的基本原理 继电保护原理结构方框图 如图 7.1所示 。它由 三部分组成： （ 1） 测量部分 用来测量被保 护设备输入的有关信号（电流、电压）等，并和 已给定的整定值进行比较判断是否应该起动； （ 2） 逻辑部分 根据测量部分各输出量的大 小、性质及其组合或输出顺序，使保护装置按照 一定的逻辑程序工作，并将信号传输给执行部分； （ 3） 执行部分 根据逻辑部分传输的信号， 最后完成保护装置所负担的任务，给出跳闸或信 号脉冲。 图 7.2为线

7、路过电流保护基本原理示意图，用 以说明继电保护的组成和基本原理。在 图 7.2 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，即保护的测量回路，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，当线路中通过最大负荷电流 时，继电器不动作；当被保护线路 K点发生短路 时，线路上的电流突然增大，电流互感器 TA二次 侧的电流也按变比相应增大，当通过电流继电器 KA的电流大于其整定值时，继电器立即动 作，触点闭合，接通逻辑电路中时间继电器 KT的 线圈回路，时间继电器起动并根据短路故障持续 的时间作出保护动作的逻辑判断，时间继电器 KT 动作，其延时触

8、点闭合，接通执行回路中的信号 继电器 KS和断路器 QF的跳闸线圈回路，使断路 器跳闸，切除短路故障。 图 7.1 继电保护原理结构方框图 图 7.2 线路过电流保护基本原理示意图 1继电器的作用 继电器 是一种在其输入的物理量（电气量或 非电气量）达到规定值时，其电气输出电路被接 通或分断的自动电器。 继电器一般由感受元件、比较元件和执行元 件三个主要部分组成。 （ 1） 感受元件 将感受到的物理量（如电 流、电压）的变化情况综合后送到比较元件。 7.1.3 断电器的构成和分类 （ 2） 比较元件 将感受元件送来的物理 量与预先给定的物理量（整定值）相比较，根据 比较的结果向执行元件发出指令

9、。 （ 3） 执行元件 根据来自比较元件的指 令自动完成继电器所担负的任务，例如向断路器 发出跳闸脉冲或进行其他操作。 2继电器的分类 继电器的种类很多，目前一般分类方法如下： （ 1） 按继电器动作和构成原理可分为电磁 型、感应型、整流型、极化型、半导体型、热力 型等继电器。 （ 2） 按照继电器反映物理量的性质可分为 电流、电压、时间、信号、功率、方向、阻抗、 频率等继电器。 继电器又可分为反映电气量增加和反映电气 量减少两大类。前者为过量继电器，如过电流继 电器等；后者为欠量继电器，如欠电压继电器等。 除此之外，还有一类反映非电气量参数而动 作的继电器，如气体（瓦斯）继电器、温度继电 器

10、等。 3继电器的表示方法 我国继电器型号的编制是以汉语拼音字母表 示的，由动作原理代号、主要功能代号、设计序 号及主要规格代号所组成，其表示形式如下： 继电器的动作原理和主要功能代号如表 7.1 （见 P178）所示。设计序号及主要规格用阿拉伯 数字表示，继电器的主要规格代号常用来表示触 点的形式及数量。例如， DL 11/10表示电磁型 电流继电器，其中第一个数字“ 1”表示设计序号 （ 10系列），第二个“ 1”表示有一对动合触点， “ 10”表示最大动作电流为 10 A。 4常用继电器 35 kV及以下电力网中的电力线路和电气设 备继电保护装置（包括供电系统），除了日渐推 广的微机保护外

11、，仍大量采用电磁型和感应型继 电器。下面重点介绍几种反映单一电气量的电磁 型继电器的结构、原理及特性。 （ 1） 电磁式电流继电器 电磁式电流继电器在继电保护装置中作为起动 元件， 图 7.3为 DL系列电磁式电流继电器的内部结 构和内部接线图。 电磁式电流继电器的工作原理如下：当线圈 2 通过电流 IKA时，电磁力矩 M1试图使可动舌片 3向顺 时针方向旋转。在正常工作时，由于 IKA较小，其 所产生的电磁力矩不足以克服弹簧 4的反抗力矩 M2， 故舌片 3不会转动，不会带动可动触点 5与静触点 6 闭合；在短路故障时， IKA将大大增加， M1 M2， 使舌片 3转动，带动可动触点 5与静

12、触点 6接触而使 其闭合。 能使过电流继电器刚好动作并使触点闭合的 电流 IKA值称为该继电器的动作电流，用 IOP表示。 在继电器动作后，逐渐减小 IKA。当继电器刚好返 回到原始位置时所对应的 IKA值称为返回电流，用 Ire表示。上述定义还可以说成，使继电器常开接 点闭合的最小电流称为动作电流 IOP；使继电器闭 合的常开触点断开的最大电流称为返回电流 Ire。 继电器的返回电流 Ire与其动作电流 IOP的比值称为 返回系数 Kre（其值一般小于 1），即 Kre Ire/IOP (2) 电磁式电压继电器 电磁式电压继电器的结构、工作原理与电磁 式电流继电器基本相同。不同之处是：电压继

13、电 器的线圈是电压线圈，其匝数多而线径细；而电 流继电器的线圈为电流线圈，其匝数少而线径粗。 电磁式电压继电器有过电压和欠电压两大类， 其中欠电压继电器在工厂供电系统应用较多。 类似过电流继电器，欠电压继电器的动作电 压 UOP是使其动作的最大电压，而它的返回电压 Ure是使其返回的最小电压，返回系数 Kre Ure/UOP。由于欠电压继电器的返回电压 Ure大于动 作电压 UOP，所以其返回系数 Kre1，一般为 1 1.2。 (3) 电磁式时间继电器 时间继电器在保护装置中起延时作用，以保 证保护装置动作的选择性。 DS系列电磁式时间继电器的内部结构 如图 7.4所示 ，主要由电磁机构和钟

14、表延时机构两部分 组成，电磁机构主要起锁住和释放钟表延时机构 作用，钟表延时机构起准确延时作用。时间继电 器的线圈按短时工作设计。 (4) 电磁式中间继电器 中间继电器的作用是为了扩充保护装置出口 继电器的接点数量和容量，也可以使触点闭合或 断开时带有不大的延时（ 0.4 0.8 s），或者通过 继电器的自保持以适应保护装置的需要。 中间继电器的工作原理一般按电磁原理构成， 图 7.5为 DZ系列电磁式中间继电器结构图。 (5) 电磁式信号继电器 信号继电器用于各保护装置回路中，作为保 护动作的指示器。信号继电器一般按电磁原理构 成，继电器的电磁起动机构采用吸引衔铁式，由 直流电源供电。 DX

15、系列信号继电器的结构 如图 7.6所示 。在正常情况下，继电器线圈中没有电流 通过，信号继电器在正常位置。当继电器线圈中 有电流流过时，信号牌落下或凸出，指示信号继 电器掉牌。为了便于分析故障的原因，要求信号 指示不能随电气量的消失而消失。因此，信号继 电器须设计为手动复归式。 信号继电器可分为串联信号继电器（电流信 号继电器）和并联信号继电器（电压信号继电 器），其接线方式 如图 7.7所示 。实际使用时，一 般采用电流型信号继电器。 图 7.3 DL系列电磁式电流继电器的内部结构和内部接线图 （ a） 内部结构图；（ b） 内部接线图 图 7.4 DS 100系列时间继电器的内部结构图 图

16、 7.5 DZ 10系列中间继电器结构图 图 7.6 DX 11型信号继电器的结构图 图 7.7 信号继电器的接线方式 （ a） 串联信号继电器；（ b） 并联信号继电器 7.2 线路的继电保护 在供电线路上发生短路故障时， 其重要特征 是 电流增加和电压降低，根据这两个特征可以构成电 流、电压保护。反映电流突然增大使继电器动作而 构成的保护装置称为过电流保护，主要包括带时限 过电流保护和电流速断保护。电压保护主要是低电 压保护，当发生短路时，保护装置安装处母线残余 电压低于低电压保护的整定值时发出保护动作。电 压保护一般很少单独采用，多数情况下是与电流保 护配合使用，例如低电压闭锁过电流保护

17、。 1三相完全星形接线 三相完全星形接线方式又称三相三继电器式 接线， 如图 7.8（ a）所示 。它是用三台电流互感器 与三只继电器对应连接的，这样，不论发生任何 类型的短路故障，流过继电器线圈中的电流 U、 V、 W总是与电流互感器一次 U、 V、 W电流成比例。 三相完全星形接线方式对各种短路故障如三 相短路、两相短路、单相接地短路都能起到保护 作用，而且具有相同的灵敏度。在各种短路时电 流相量 如图 7.8（ b）、（ c）、（ d）所示 。 当发生 7.2.1 额定电压 三相短路时，各相电流互感器二次侧通过二次变 换的短路电流分别通过三只电流继电器的线圈， 使之动作；而当两相或单相接

18、地短路时，与短路 相对应的两只或一只电流继电器动作。 为了表征流入继电器的电流 IKA与电流互感器 二次侧电流 ITA之间的关系，在这里引入接线系数 KW的概念。所谓接线系数，是指流入继电器的电 流 IKA与电流互感器二次电流 ITA的比值，即 KW IKA/ITA 。 2两相不完全星形接线 两相不完全星形接线方式又称两相两继电器式 接线， 如图 7.9所示 。它是在 U、 W两相装有电流互 感器，分别与两只电流继电器相连接。与三相完全 星形接线方式的差别是在 V相上没有装电流互感器 和继电器。 两相不完全星形接线方式对各种相间短路都能 起到保护作用，但 V相接地短路故障时不反应。因 此，该接

19、线方式不能用于单相接地保护装置，适用 于 6 10 kV中性点不接地的供电系统中作为相间短 路保护装置的接线。该接线方式的接线系数在正常 工作和相间短路时均为 1。 3.两相电流差接线 两相电流差接线方式又称两相一继电器式接 线， 如图 7.10（ a）所示 。它由两只电流互感器和 一只电流继电器组成。正常工作时，流入继电器 的电流 IKA为 |IKA|=|IU-IW|=3IU=3IW 即流入继电器的电流是 U相和 W相电流的相 量差，其数值是电流互感器二次电流的 3倍。 两相电流差接线方式能够反映各种相间短路。 发生各种类型的相间短路时，短路电流的相量 如 图 7.10（ b）、（ c）、（

20、 d）所示 。由相量图可知， 不同的相间短路流入继电器的电流与电流互感器 二次侧电流的比值是不相同的，即其接线系数 KW是不一样的，因而其灵敏度也是不一样的。 (1) 发生三相短路时，流入继电器 KA的电流 IKA是 ITA的 3倍，即 K（ 3） W=3。 (2) 当 U、 W两相（均装有 TA）短路时，由 于两相短路电流大小相等，相位差 180 ，所以 IKA是 ITA的 2倍，即 K(U,W)W=2。 (3) 当 U、 V两相或 V、 W两相（ V相未装 TA） 短路时，由于只有 U相或 W相 TA反映短路电流， 而且直接流入 KA，因此 K(U,V)W=K（ V,W） W=1。 从以上

21、电流互感器三种基本接线方式分析可 知，采用三相完全星形接线的保护装置可以反映 各种短路故障，其缺点是需要三个电流互感器与 三个继电器，因而不够经济。 图 7.8 完全星形接线及各种短路时电流相量图 （ a） 完全星形接线 ;（ b） 三相短路 ;（ c） U、 V两相短路 ; （ d） U相接地短路 图 7.9 不完全星形接线 图 7.10 两相电流差接线及各种短路时电流相量图 （ a） 接线电路图 ;（ b） 三相短路 ; （ c） U、 V两相短路 ;（ d） U相接地短路 图 7.10 两相电流差接线及各种短路时电流相量图 （ a） 接线电路图 ;（ b） 三相短路 ; （ c） U、

22、V两相短路 ;（ d） U相接地短路 在供电系统中，当被保护线路发生短路时， 继电保护装置动作，并以动作时间来保证选择性， 带时限过电流保护就是这样的保护装置。带时限 过电流保护，按其动作时间特性分为 定时限过电 流保护和反时限过电流保护 两种。 所谓定时限 ， 是指保护装置的动作时间是恒定的，与短路电流 大小无关。 所谓反时限 ，是指保护装置的动作时 间与短路电流大小（反映到继电器中的电流）成 反比关系。 7.2.2 带时限的过电流保护 1.定时限过电流保护的动作原理 图 7.11为 单端供电线路的定时限过电流保护 配置示意图。 图中过电流保护装置 1、 2、 3分别装设在线 路 WL1、

23、WL2、 WL3的电源侧，每套保护装置主 要保护本段线路和由该段线路直接供电的变电所 母线。假设在线路 WL3上的 k-1点发生相间短路， 短路电流将由电源经过线路 WL1、 WL2、 WL3流 到短路点 k-1。 如果短路电流大于保护装置 1、 2、 3的动作 电流时，则三套保护将同时起动。根据选择性的 要求，应该是距离故障点 k-1最近的保护装置 3动 作，使断路器 QF3跳闸。为此，需经延时来保证 选择性，也就是使保护装置 3的动作时间 t3小于保 护装置 2和保护装置 1的动作时间 t2和 t1，这样，当 k-1点短路时，保护装置 3首先以较短的延时 t3动 作于 QF3跳闸。 QF3

24、跳闸后，短路电流消失，保护 装置 2和 1还来不及使 QF2和 QF1跳闸就返回到正常 位置。 同理，当线路 WL2上的 k-2点发生相间短路时， 为了保证选择性，保护装置 2的动作时间 t2应小于 保护装置 1的动作时间 t1。因此，为了保证单端供 电线路过电流保护动作的选择性，保护装置的动 作时间必须满足以下条件： t1t2t3 t2=t3+t t1=t2+t=t3+2t 这种选择保护装置动作时间的方法称为时间 阶梯原则。 2.定时限过电流保护的组成接线 定时限过电流保护一般是由两个主要元件组 成的，即起动元件和延时元件。起动元件即电流 继电器，当被保护线路发生短路故障，短路电流 增加到电

25、流继电器的动作电流时，电流继电器立 即起动。延时元件即时间继电器，用以建立适当 的延时，保证保护动作的选择性。 图 7.12为 两相两继电器式定时限过电流保护 原理电路图。在正常情况下电流继电器 KA1、 KA2和时间继电器 KT的触点是断开的。当 k-1点 发生短路故障时，短路电流经电流互感器 TA流入 电流继电器 KA1、 KA2，如果短路电流大于其整 定值时便起动，并通过其触点将时间继电器 KT的 线圈回路接通，时间继电器开始动作。经过整定 的延时后，其触点闭合，并起动信号继电器 KS发 出信号，出口中间继电器 KM接通断路器跳闸线 圈 YR，使 QF断路器跳闸，切除短路故障。由上 述动

26、作过程可知，保护装置的动作时间是恒定的， 因此，称这种保护装置为 定时限过电流保护 。 3.定时限过电流保护的整定原则 以图 7.13为例 来说明定时限过电流保护的整 定原则。 （ 1） 动作电流整定 保护相间短路的定时限过电流保护，动作电 流整定必须满足 以下两个条件： 线路输送最大负荷电流时保护装置不应起 动，动作电流必须躲过 (大于）最大负荷电流，以 免在最大负荷电流通过时保护装置误动作，即 IOP(1) IL， max 保护装置在外部短路被切除后，应能可靠 地返回。 如图 7.13所示 ，当 k-1点发生短路时，保 护装置 1和 2的电流继电器都动作，根据选择性的 要求，保护装置 2的

27、时限比保护装置 1的小，所以 保护装置 2首先动作于断路器，使之跳闸。这时， 短路电流消失，但线路 WL1上仍接有负荷，保护 装置 1仍通过较大的负荷电流。此时要求保护装 置 1已动作的电流继电器可靠返回，因此，保护 装置 1的返回电流应大于最大负荷电流，即 Ire（ 1） IL， max 由于保护装置的返回电流小于动作电流，所 以其返回系数 Kre 1，即 Kre=Ire(1)/IOP(1)1.5 b.作为线路 L-1主保护的远后备保护时，由式 (7.13)得 SP=KWI(2) (K1， min)/(KTAIOP)=1.681.2 均满足要求。 C.动作时间整定 由时限阶梯原则，动作时限应

28、比下一级大一个时限 阶梯，则 tL-1=tT-1+t=0.6+0.5=1.1(s) 选 DS 21型时间继电器，时间整定范围为 0.2 1.5 s。 4.反时限过电流保护 动作时间与短路电流成反比而改变的过电流 保护称为反时限过电流保护。反时限过电流保护 由 GL-10系列感应式继电器组成。 （ 1） GL-10系列感应式继电器 GL-10系列感应式继电器的结构 如图 7.15所 示 ,它由带延时动作的感应系统与瞬时动作的电磁 系统两部分组成。 感应系统主要由带有短路环 2的电磁铁芯和 圆形铝盘 3组成，圆盘的另一侧装有阻尼磁铁 6， 圆盘的转轴 18放在活动框架 4的轴承内，活动框 架可绕轴

29、转动一个小角度，正常未启动时框架被 弹簧拉向挡板 17的位置。 电磁系统由装在电磁铁上侧的衔铁 10构成， 衔铁左端有横担 9，通过它可瞬时闭合接点 12。 正常时衔铁左端重于右端而偏落于左边位置，接 点不闭合。 当继电器通入电流时，在铝盘上产生旋转转矩 为 M=K12sin=KI2Ksin 显然，通入继电器的电流 IK越大，转矩 M越大 , 铝盘转速越快。当通入的电流为整定值的 30% 40%时，圆形铝盘就会慢慢转动，但这时不能称为 起动。当通入继电器线圈中的电流大于整定值时， 框架向轴移动，使轴上蜗杆与扇形齿片相咬合，此 时圆形铝盘继续转动并带动扇形齿片上升，直到扇 形齿片尾部托起横担，使

30、衔铁被电磁铁芯吸下，将 接点闭合。从轴上蜗杆与扇形齿片相咬合起到接点 闭合这一段时间称为继电器的动作时间。 通入继电器的电流越大，铝盘转速越快，动 作时间就越短，这种特性称为反时限特性。当通 入的电流大到一定程度，使铁芯饱和，铝盘的转 速再也不随电流的增大而加快时，继电器的动作 时间便成为定值。 将图 7.15中 时限调整螺钉 13调 整在某一位置（即某一固定动作电流），改变通 入继电器的电流，测出其相应的动作时间，即可 绘出 图 7.16所示 曲线（曲线上的时间数字均为 10 倍动作电流整定值时的动作时间）。 感应系统的动作电流 是指继电器铝盘轴上蜗 杆与扇形齿片相咬合时线圈所需要通入的最小

31、电 流。感应系统的返回电流是指扇形齿片脱离蜗杆 返回到原来位置时的最大电流。继电器线圈有 7 个抽头，通过插孔板拧入螺钉来改变线圈的匝数， 用来调整动作电流的整定值。 当通入继电器线圈的电流增大到整定值的若 干倍数时，未等感应系统动作，衔铁右端瞬时被 吸下，接点立即闭合，即构成电磁系统的速断特 性。速断部分的动作电流值通过改变衔铁与电磁 铁芯之间气隙来调整，其速断动作电流调整范围 是感应系统整定电流值的 2 8倍。 GL-10型继电 器本身带有信号掉牌，而且接点容量又较大，所 以组成反时限过电流保护时，无需再接入其他继 电器。 （ 2） 反时限过电流保护的接线与工作原理 反时限过电流保护装置可

32、以采用两台 GL-10系 列感应式继电器和两台电流互感器组成的不完全星 形接线，也可以采用两相电流差接线方式， 如图 7.17所示 。 图 7.17（ a） 为直流操作电源、两相式反时限 过电流保护装置原理电路图。正常运行时继电器不 动作。当主电路发生短路，流经继电器的电流超过 其整定值时，继电器铝盘轴上蜗杆与扇形齿片立即 咬合起动，经反时限延时，接点闭合，使断路器跳 闸。同时，继电器中的信号牌掉牌，指示保护动作。 图 7.17（ b） 为交流操作电源、两相电流差式 反时限过电流保护装置原理电路图。其中继电器 KA采用 GL 15型感应式电流继电器，正常时常开 接点断开，交流瞬时脱扣器 OR无

33、电流通过，不能 跳闸。当主回路发生短路时，电流经继电器本身常 闭接点流过其线圈，如果电流超过整定值，则经反 时限延时，其接点立即闭合，常开接点接通，常闭 接点断开，将瞬时电流脱扣器串入电流互感器二次 侧，利用短路电流的能量使断路器跳闸。一旦跳闸， 短路电流被切除，保护装置返回原来状态。这种交 流操作方式对 6 10 kV以下的小型变电所或高压电 动机是很适用的。 （ 3） 反时限过电流保护的整定计算 反时限过电流保护装置动作电流的整定和灵 敏度校验方法与定时限过电流保护完全一样，在 此不再重复。以下介绍动作时限的整定方法。 由于反时限过电流保护的动作时限与流过的 电流值有关，因此其动作时限并非

34、定值， 现以图 7.18两段线路装设反时限过电流保护装置为例， 说明其动作时限特性与相互配合关系。 在图 7.18中 ，对于保护装置 3，当被保护线路 L-2末端 k-3点短路时，动作时间为 1.2 s，如线路 L-2中间某一点短路时，其动作时间必然要小于 1.2 s；若 k-4点短路时，短路电流则更大，动作时 间还要小。如果同样多取几点，并将不同点短路 时的动作时间在坐标上绘出来，就可能得到保护 装置 3的反时限特性曲线，如图 7.18中的曲线。 同理，对于保护装置 4，也可以得到动作时限特 性曲线。显然，曲线应高于曲线。 为了满足选择性要求，且保护装置 4又要作为保 护装置 3的后备保护，

35、两条时限曲线之间必须有 足够大的时限差才能保证线路 L-2短路时由保护 装置 3先动作，切除故障。 从图 7.18中 还可以看出， 短路点越靠近线路始端，保护装置的动作时间就 越短，可见，这种反时限过电流保护装置可以自 动缩短电源侧短路时的动作时间。 【 例 7.2】 图 7.18所示 供电系统中，已知线路 L-2的最大负 荷电流为 298 A， k-3、 k-4点短路电流分别为 I(3)k3， max= 1627 A,I(3)k3， min=1450A,I(3)k4， max=7500 A,I(3)k4， min=6900 A。 拟在线路 L-2的始端装设反时限过电流保护装置 3，电流 互感

36、器的变比是 400/5，采用两相电流差接线。保护装置 2 在 k-3点短路时动作时限为 t2=0.6 s。试对保护装置 3进行整 定计算。 【 解 】 求动作电流 取 KCO=1.2,KW=3,Kre=0.8，则由式 (7.11)得继电器的 动作电流为 IOP=KCOKW/(KreKTA)IL， max =1.2 3/(0.8 400/5) 298=9.68(A) 选取 GL-21/10型感应式继电器一只， IOP整定为 10 A， 则保护装置 3的一次动作电流为 IOP(1)=KTA/KWIOP=462(A) 灵敏度校验 作为本段线路的后备保护时，由式 (7.12)得 SP=KW/(KTAI

37、OP)I(3)k3， min =2.71.5合格 （ 3） 动作时限的整定 由时限阶梯原则， k-3点短路时，保护装置 3的动作时 限 t3应比保护装置 2的动作时限 t2大一个时限阶梯 t，取 t=0.6 s，则当保护装置 3流过短路电流 I(3)k3， max=1627 A （相当于动作电流 462 A的 3.5倍）时，动作时限应为 t3=t2+t=0.6+0.6=1.2 s。 取动作电流倍数 n=1627/4623.5， t3=1.2 s,查图 7.16的 时限特性曲线，可得保护装置 3的 10倍动作电流时的动作 时限为 t3=0.7 s。 当求出不同动作电流倍数的动作时限后，就 可绘出

38、线路 L-2的时限特性曲线， 如图 7.18中 的曲 线。 总结以上两种带时限的过电流保护，可以得 到以下结论 : 定时限过电流保护的优点是简单、经济、 可靠、便于维护，用在单端电源供电系统中，可 以保证选择性，且一般情况下灵敏度较高。其缺 点是接线较复杂，且需直流操作电源；靠近电源 处的保护装置动作时限较长。 定时限过电流保护装置广泛用于 10 kV及 以下供电系统中作主保护，在 35 kV及以上系统 中作后备保护。 反时限过电流保护装置的优点是继电器数 量大为减少，只需一种 GL型电流继电器，而且可 使用交流操作电源，又可同时实现电流速断保护， 因此投资少、接线简单。其缺点是动作时间整定

39、较麻烦，而且误差较大；当短路电流较小时，其 动作时限较长，延长了故障持续时间。 图 7.11 单端供电线路的定时限过电流保护配置示意图 图 7.12 两相两继电器式定时限过电流保护装置电路图 （ a） 集中表示（总归式）电路图； （ b） 分开表示（展开式）电路图 图 7.13 单侧电源放射形网络定时限过电流保护的时限配合 图 7.13 单侧电源放射形网络定时限过电流保护的时限配合 图 7.13 单侧电源放射形网络定时限过电流保护的时限配合 图 7.13 单侧电源放射形网络定时限过电流保护的时限配合 图 7.14 无限大容量供电系统示意图 图 7.9 不完全星形接线 图 7.15 GL-10系

40、列感应型电流继电器结构图 图 7.15 GL-10系列感应型电流继电器结构图 图 7.16 GL-10（ 20）系列继电器的时限特性曲线 图 7.16 GL-10（ 20）系列继电器的时限特性曲线 图 7.17 反时限过电流保护装置原理电路图 （ a） 采用两相接线直流操作电源； （ b） 采用两相差式接线交流操作电源 图 7.17 反时限过电流保护装置原理电路图 （ a） 采用两相接线直流操作电源； （ b） 采用两相差式接线交流操作电源 图 7.18 反时限过电流保护装置的时限特性与配合 图 7.18 反时限过电流保护装置的时限特性与配合 图 7.18 反时限过电流保护装置的时限特性与配合

41、 图 7.18 反时限过电流保护装置的时限特性与配合 图 7.18 反时限过电流保护装置的时限特性与配合 在带时限过电流保护中，保护装置的动作电 流都是按照线路最大负荷电流的原则整定的，因 此，为了保证保护装置动作的选择性，就必须采 用逐级增加的阶梯形时限特性。这就造成了短路 点越靠近电源，保护装置动作时限越长，短路危 害也越严重。为了克服这一缺点，同时又保证动 作的选择性，一般采用提高电流整定值以限制保 护动作范围的方法，减小保护动作时限，这就构 成了电流速断保护。我国规定，当过电流保护的 动作时间超过 1 s时，应装设电流速断保护装置。 7.2.3 电流速断保护 电流速断保护分为无时限电流

42、速断保护和限 时电流速断保护两种情况。 1.无时限电流速断保护 (1) 无时限电流速断保护的构成 无时限电流速断保护又称瞬时电流速断保护。 在小电流接地系统中，保护相间短路的无时限电 流速断保护一般都采用不完全星形接线方式。 采用 DL型电流继电器组成的无时限电流速断 保护相当于把定时限过电流保护中的时间继电器 去掉。 图 7.19是 被保护线路上同时装有定时限过 电流保护和电流速断保护的电路图。其中， KA3、 KA4、 KT、 KS2与 KM组成定时限过电流保护， 而 KA1、 KA2、 KS1与 KM组成电流速断保护，后 者比前者只少了时间继电器 KT。 采用 GL型电流继电器组成的电流

43、速断保护可 直接利用 GL型电流继电器的电磁系统来实现无时 限电流速断保护，而其感应系统又可用作反时限 过电流保护。 (2) 速断电流的整定 为了保证选择性，无时限电流速断保护的动 作范围不能超过被保护线路的末端，速断保护的 动作电流（即速断电流）应躲过被保护线路末端 最大可能的短路电流。 在图 7.20所示 的线路中，设在线路 WL1和 WL2装有电流速断保护 1和 2，当线路 WL2的始端 k-1点短路时，应该由保护 2动作于 QF2而跳闸， 将故障线路 WL2切除，而保护 1不应误动作。 为此必须使保护装置 1的动作电流躲过（即大于） 线路 WL2的始端 k-1点的短路电流 Ik1。实际

44、上 Ik1与 其前一段线路 WL1末端点的短路电流 Ik2几乎是相 等的，因为 k-1点和 k-2点相距很近，线路阻抗很 小，因此无时限电流速断保护装置 1的动作电流 （速断电流）为 Iqb(0)=KCOKW/KTAI(3)k,max 由于无时限电流速断保护的动作电流躲过了 被保护线路末端的最大短路电流，因此在靠近末 端的一段线路上发生的不一定是最大的短路电流 （例如两相短路电流）时，电流速断保护就不可 能动作，也就是电流速断保护实际上不能保护线 路的全长。这种保护装置不能保护的区域称为 “ 保护死区 ” 。 图 7.20中 的曲线 1表示最大运行方式下流过保 护装置的三相短路电流与保护安装处

45、至短路点的 距离 L的关系，曲线 2表示最小运行方式下流过保 护装置的两相短路电流与 L的关系，直线 3表示保 护装置的速断电流 Iqb，直线 3分别与曲线 1和 2交 于 M点和 N点。由图可知，当短路电流值在直线 3 以下时，保护装置就不动作。 M点至保护安装处 的距离 Ip,max为最大运行方式下三相短路时的保护 范围； N点至保护安装处的距离 Lp,min为最小运行 方式下两相短路的保护范围。 无时限电流速断保护的保护范围是用保护范 围长度（ LP）与被保护线路全长（ L）的百分比 表示的，即 Lp%=LP/L 100% (3) 灵敏度校验 按照灵敏度的定义，无时限电流速断保护的 灵敏

46、度应按其安装处（即线路首端）在系统最小 运行方式下的两相短路电流来校验。 无时限电流速断保护作为辅助保护时，要求 它的最小保护范围一般不小于线路全长的 15% 20%；作为主保护时 ,灵敏度应按下式校验： Sp=KW/(KTAIqb(0)I(2)k,min1.5 2.限时电流速断保护 无时限电流速断保护不能保护线路全长，存 在保护死区。为弥补此缺陷，须增设一套带时限 电流速断保护装置，以切除无时限电流速断保护 范围以外（即保护死区）的短路故障，这样既保 护了线路全长，又可作为无时限电流速断保护的 后备保护。因此，保护范围必然要延伸到下一级 线路，当下一级线路发生故障时，它有可能起动。 为保证选

47、择性，须带有一定的延时，故称为 限时 电流速断保护。 (1) 限时电流速断保护的构成 限时电流速断保护装置的原理接线图与定时 限过电流保护相同，即 与图 7.12相同 ，只是图中 各继电器的整定值不同。 (2) 动作电流和动作时间的整定 限时电流速断保护的整定计算 如图 7.21所示 。 在图 7.21中 ， WL2为无时限电流速断保护， WL1 为限时电流速断保护，动作电流分别为 Iqb(0)、 Iqb(t)。现分析装设于变电所 A处线路 WL1的限时电 流速断保护，由于要求它保护线路 WL1的全长， 所以其保护范围必延伸到线路 WL2，为了满足选 择性的要求，且又要尽量缩短动作时间，其动作

48、 电流应大于相邻线路的电流速断的动作电流，这 样其保护范围不超出相邻线路的电流速断的保护 范围。因此 ,限时电流速断保护的动作电流和动作 时间分别为 Iqb(t)=KCOKW/KTAIqb(0) t1=t2+t (3) 灵敏度校验 为了保护线路全长，限时电流速断保护必须 在系统最小运行方式下，当线路末端两相短路时， 其灵敏度不小于 1.25，即 Sp=KW/(KTAIqb(t)I(2)k， min1.25 当灵敏度不能满足要求时，可以降低其动作 电流，其动作电流应按躲过相邻下一级线路限时 电流速断保护的动作电流来整定。为了保证选择 性，其动作和时限应比相邻下一级线路的限时电 流速断保护的动作时

49、限大一个 t。 3.三段式电流保护 所谓 三段式电流保护 ，就是将无时限电流速 断保护、限时电流速断保护和定时限过电流保护 相配合，构成一套完整的三段式电流保护。 图 7.22为三段式电流保护的配合和动作时间 示意图。 无时限电流速断保护作为第 段保护，它只 能保护线路的一部分。限时电流速断保护作为第 段保护，它虽然能保护线路全长，但不能作为 下一段线路的后备保护。因此，还必须采用定时 限过电流保护作为本段线路和下段线路的后备保 护，称为第 段保护。 三段式电流保护的 主要优点是， 在供电系统 中所有各段上的短路都能较快地切除。其主要缺 点是，在许多情况下，第 、 段保护的灵敏度 不够，保护范

50、围的大小与系统运行方式和短路类 型有关，而且只有用于单电源放射形供电系统中 才能保证动作的选择性。这种保护在 35 kV及以 下的供电系统中，广泛地用来作为线路的相间短 路保护。 三段式电流保护的构成 如图 7.23所示 。现以 例 7.3来说明三段式电流保护的整定计算方法。 【 例 7.3】 图 7.24为 无限大容量系统供电的 35 kV放射式线 路，已知线路 WL2的负荷电流为 110 A，最大过负荷倍数 为 2，线路 WL2上的电流互感器变比为 300/5，线路 WL1上 定时限过电流保护的动作时限为 2.5 s。在最大和最小运行 方式下， k-1、 k-2、 k-3各点的三相短路电流

51、如下 : 短路点 k-1 k-2 k-3 最大运行方式下三相短路电流（ A） 3400 1310 520 最小运行方式下三相短路电流（ A） 2980 1150 490 拟在线路 WL2上装设两相不完全星形接线的三段式 电流保护，试计算各段保护的动作电流、动作时限，选 出主要继电器并作灵敏度校验。 【 解 】 线路 WL2的无时限速断保护 按式 (7.15)求得速断电流为 Iqb(0) =KCOKW/KTAI(2)k2， max =28.4(A) 选取动作电流整定范围为 12.5 50 A的 DL-21/50型电 流继电器。 由于题中并未给出线路长度，其灵敏度校验可按式 (7.17)计算。 S

52、p=KW/(KTAIqb(0)I(2)k1， min =1.511.5合格 线路 WL2的限时电流速断保护 首先计算出线路 WL1无时限速断保护一次侧的速断 电流为 Iqb(0) =KCOI(3)k3， max=1.3 520=676(A) 而线路 WL2的限时电流速断保护的动作电流可按式 (7.18)求得，即 Iqb(t) =KCOKW/KTAIqb(0) =12.4(A) 选取整定电流范围为 5 20 A的 DL-21C/20型电流继 电器。 限时电流速断保护的动作时限应与 WL1的无时限电 流速断相配合，即 t2=t1+t。如果取 段的动作时限 t1=0.1 s,t=0.5 s，则 段的

53、动作时限 t2=0.6 s。选取时限整定范 围为 0.15 1.5 s的 BS-11型时间继电器。 线路 WL2限时电流速断保护的灵敏度应按式 (7.20)进 行校验。 Sp=KW/(KTAIqb(t)I(2)k2， min=1.341.25合格 线路 WL2的定时限过电流保护 定时限过电流保护继电器的动作电流可按式 (7.11)计 算，即 IOP=KCOKW/(KreKTA)IL， max=5.2(A) 选取电流整定范围为 2.5 10 A的 DL-21C/10型电流继 电器。其动作时限应与线路 WL1定时限过电流保护时限相 配合，由于线路 WL1定时限过电流保护的动作时限 t1=2.5 s

54、，则线路 WL2定时限过电流保护的动作时限为 t2=t1+t=2.5+0.5=3(s)查产品技术数据，选取时间整定范 围为 1.2 5 s的 DS-22型时间继电器。 线路 WL2定时限过电流保护的灵敏度应按系统在最小 运行方式下该线路末端 k-2点两相短路电流进行校验，由 式 (7.12)得 Sp=KW/(KTAIOP)I(2)k2， min=3.21.5合格 线路 WL2定时限过电流保护作为下段线路 WL1的后 备保护时，灵敏度应按下段线路 WL1末端 k-3点两相短路 电流进行校验，由式 (7.13)得 Sp=KW/(KTAIOP)I(3)k3， min=1.361.22亦合格 此例题三

55、段式过电流保护原理电路图 如图 7.23所示 。 图 7.19 无时限电流速断与定时限过电流保护配合的原理电路图 （ a） 综合图；（ b） 展开图 图 7.20 电流速断保护的整定计算 图 7.20 电流速断保护的整定计算 图 7.12 两相两继电器式定时限过电流保护装置电路图 （ a） 集中表示（总归式）电路图； （ b） 分开表示（展开式）电路图 图 7.21 限时电流速断保护的整定计算 (a) 网络图 ;(b) 短路电流曲线 ;(c) 时限特性 图 7.22 三段式电流保护的配合和动作时间示意图 图 7.23 三段式电流保护的构成及其原理电路图 图 7.23 三段式电流保护的构成及其原

56、理电路图 图 7.24 三段式电流保护计算实例示意图 7.3 电力变压器的继电保护 在供配电系统中，变压器占有很重要的地位， 因此，提高变压器工作的可靠性对保证安全供电 具有非常重要的意义。在考虑装设保护装置时， 应充分估计变压器可能发生的故障和不正常运行 方式，并根据变压器的容量和重要程度装设专用 的保护装置。 7.3.1 电力变压器的继电保护类型 变压器的故障可分为 内部故障和外部故障 两 类。内部故障主要是变压器绕组的相间短路、匝 间短路和中性点接地侧单相接地短路。内部故障 是很危险的，因为短路电流产生的电弧不仅会破 坏绕组的绝缘，烧毁铁芯，而且由于绝缘材料和 变压器油受热分解产生大量的

57、气体，可能引起变 压器油箱的爆炸。变压器最常见的外部故障是引 出线绝缘套管的故障，它可能引起引出线相间短 路或接地（对变压器外壳）短路。 变压器的不正常工作情况包括由于外部短路或 过负荷引起的过电流、油面的降低和温度升高等。 根据上述可能发生的故障及不正常工作情况，变 压器一般应装设下列保护装置 : （ 1） 瓦斯保护 用来防御变压器的内部故障。 当变压器内部发生故障，油受热分解产生气体或当 变压器油面降低时，瓦斯保护应动作。容量在 800 kVA及以上的油浸式变压器和 400 kVA及以上的车 间内变压器一般都应装设瓦斯保护。其中轻瓦斯动 作于预告信号，重瓦斯动作于跳开各电源侧断路器。 （

58、2） 纵联差动保护 用来防御变压器内部 故障及引出线套管的故障。容量在 10000 kVA及 以上单台运行的变压器和容量在 6300 kVA及以 上并列以运行的变压器，都应装设纵联差动保护。 （ 3） 电流速断保护 用来防御变压器内部 故障及引出线套管的故障。容量在 10000 kVA以 下单台运行的变压器和容量在 6300 kVA以下并 列运行的变压器，一般装设电流速断保护来代替 纵联差动保护。对容量在 2000 kVA以上的变压 器，当灵敏度不能满足要求时，应改为装设纵联 差动保护。 （ 4） 过电流保护 用来防御变压器内部和 外部故障，作为纵联差动保护或电流速断保护的 后备保护，带时限动

59、作于跳开各电源侧断路器。 （ 5） 过负荷保护 用来防御变压器因过负 荷而引起的过电流。保护装置只接在某一相的电 路中，一般延时动作于信号，也可以延时跳闸， 或延时自动减负荷（无人值守变电所）。 （ 6） 单相接地保护 对低压侧为中性点直 接接地系统（三相四线制），当高压侧的保护灵 敏度不能满足要求时，应装设专门的零序电流保 护。 7.3.2 变压器的继电保护 1.变压器的瓦斯保护 瓦斯保护又称为气体继电保护，是防御油浸式 电力变压器内部故障的一种基本保护装置。瓦斯保 护可以很好地反映变压器的内部故障，如变压器绕 组的匝间短路，将在短路的线匝内产生环流，局部 过热，损坏绝缘，并可能发展成为单相

60、接地故障或 相间短路故障。这些故障在变压器外电路中的电流 值还不足以使变压器的差动保护或过电流保护动作， 但瓦斯保护却能动作并发出信号，使运行人员及时 处理，从而避免事故的扩大。因此，瓦斯保护是反 映变压器内部故障最有效、最灵敏的保护装置。 瓦斯保护的主要元件是瓦斯继电器 ， 它装设 在变压器的油箱与油枕之间的连通管上 ， 如图 7.25所示 。 为了使油箱内产生的气体能够顺畅地 通过瓦斯继电器排往油枕 ， 变压器安装时应取 1% 1.5%的倾斜度；而变压器在制造时 ， 连通 管对油箱顶盖也有 2% 4%的倾斜度 。 目前 ， 我国采用的瓦斯继电器主要有浮筒式 和开口杯式两种形式 。 目前广泛

61、采用的是开口杯 式 。 图 7.26是 FJ3-80型开口杯式瓦斯继电器的结 构示意图 。 在变压器正常工作时，瓦斯继电器的上、下 油杯中都是充满油的，油杯因其平衡锤的作用使 其上、下触点都是断开的。 当变压器油箱内部发生轻微故障致使油面下 降时，上油杯因其中盛有剩余的油使其力矩大于 平衡锤的力矩而下降，从而使上触点接通，发出 报警信号，这就是轻瓦斯动作。 当变压器油箱内部发生严重故障时，由故障 产生的大量气体冲击挡板，使下油杯降落，从而 使下触点接通，直接动作于跳闸，这就是重瓦斯 动作。 如果变压器出现漏油，将会引起瓦斯继电器 内的油慢慢流尽。先是上油杯降落，接通上触点， 发出报警信号；当油

62、面继续下降时，会使下油杯 降落，下触点接通，从而使断路器跳闸，切除变 压器。 瓦斯保护只能反映变压器油箱内部的故障， 而对变压器外部端子上的故障情况则无法反映。 因此，除了设置瓦斯保护外，还需设置过流、速 断或差动等保护。 瓦斯保护的原理接线图 如图 7.27所示 。当变 压器内部发生轻微故障时，瓦斯继电器 KG的上 触点 1、 2闭合，作用于预告（轻瓦斯动作）信号； 当变压器内部发生严重故障时， KG的下触点 3、 4闭合，经中间继电器 KM作用于断路器 QF的跳 闸机构 YR，使 QF跳闸。同时通过信号继电器 KS 发出跳闸（重瓦斯动作）信号。为了防止由于其 他原因发生瓦斯保护的误动作，可

63、以利用切换片 XB切换，使 KS线圈串接限流电阻 R，动作于报警 器信号。 需要指出，变压器保护的出口中间继电器 KM 必须是自保持中间继电器，因为重瓦斯是靠油流的 冲击而动作的，但变压器内部发生严重故障时油流 的速度往往很不稳定，所以重瓦斯动作后 KG的下 触点 3、 4可能有“抖动” 现象，因此为使断路器 有足够的时间可靠地跳闸，利用中间继电器 KM的 上触点 KM1-2作“自保持”触点。只要瓦斯继电器 KG的下触点 3、 4一闭合， KM就动作， KM3-4接通 断路器 QF跳闸回路，使其跳闸，而后断路器辅助 触点 QF1-2返回，切断跳闸回路， QF3-4返回，切 断中间继电器 KM自

64、保持回路，使中间继电器返回。 2.变压器的过电流保护 变压器的过电流保护用来保护变压器外部短 路时引起的过电流，同时又可作为变压器内部短 路时瓦斯保护和差动保护的后备保护。为此，保 护装置应装在电源侧。过电流保护动作以后，断 开变压器两侧的断路器。 工厂供电系统的变电所，其电压等级一般都 是 35/（ 6 10） kV，以下着重介绍 35 kV电力变 压器的过电流保护，其原理也适用于其他电压等 级。 变压器的过电流保护采用三相完全星形接线 方式或两相三继电器不完全星形接线方式，这样 可以提高灵敏度。因为 35 kV的变压器一般是采 用 Y， d11（即 Y/ 11）接线，当变压器低压侧 两相短路时， 由图 7.28可知 ，高压侧（ Y侧） U相 及 W相中的电流只有 V相中的一半，所以三相完 全星形接线灵敏度比两相两继电器不完全星形接 线高一倍。因此， Y， d11接线的变压器过电流保 护一般不采用两相两继电器不完全星形接线，更 不能采用两相电流差接线。 变压器过电流保护和线路过电流保护一样， 变压器动作电流的整定应按照躲过最严重工作情 况下流经保护装置安装处的最大负荷电流来决定， 即 IOP(1)=KCOIL， max/Kre 或 IOP(1)=KCOKW/(Kr