电力系统继电保护的基本原理

电力系统继电保护的基本原理、构成与分类

一、什么是电力系统继电保护

1.电力系统故障和不正常运行

故障：短路和断线（断相）

短路：

大电流接地系统d(3)、d(2)、d(1)、d(1。1)

小电流接地系统d(3)、d(2)、d(1。1)

断相：

单相断线和两项断线（不要与PT二次断线混淆）

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降低影响用户正常工作；

3破坏系统稳定性，使事故进一步扩大（系统震荡，互解）

I2（I0）旋转电机产生附加发热I0—相邻通讯系统

故障特征：

I增加、U降低、Z降低

接地故障、断线有零序

不对称故障有负序

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：小电流接地系统d(1)、过负荷、过电压、频率降低、系统震荡等。

2．继电保护的作用：

要求能区分故障和正常运行、判断故障设备（区内还是区外故障）

两个作用：故障

不正常运行状态

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、继电器

继电器动作：

继电器返回：

继电特性：

三、电力系统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.

④；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：Ir=IfLJ不动

故障时：Ir=Id>IdzLJ动—>SJ动（延时）—>XJ动—>信号

TQ动—>跳闸

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。

3．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。

四、电力系统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；

tbh-保护动作时间；

tDL-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Klm。

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Klm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）。

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；

tbh-保护动作时间；

tDL-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Klm。

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Klm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（华北电力大学80年代）数字式

(电磁型、感应型、电动型)晶体管

集成电路

20世纪50年代60年代末提出70年代后半期出样机

继电保护 科技名词定义 中文名称： 继电保护 英文名称： relay protection 定义1： 对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施。 所属学科： 电力（一级学科）；继电保护与自动化（二级学科） 定义2： 对运行中电力系统的设备和线路，在一定范围内经常监测有无发生异常或事故情况，并能发出跳闸命令或信号的自动装置。 所属学科： 水利科技（一级学科）；水力发电（二级学科）；水电站电气回路及变电设备（三级学科） 本内容由全国科学技术名词审定委员会审定公布

百科名片

研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路、母线等）使之免遭损害，所以沿称继电保护。

目录

名称解释

基本性能

分类

系统保护

发展历程

研究现状

继电器厂家

基本任务

参考书目

展开

编辑本段名称解释

protective relay,power system protection 研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况，以探讨其对策的反事故自动化措施。因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来保护电力系统及其元件（发电机、变压器、输电线路等），使之免遭损害，所以沿称继电保护。基本任务是：当电力系统发生故障或异常工况时，在可能实现的最短时间和最小区域内，自动将故障设备从系统中切除，或发出信号由值班人员消除异常工况根源，以减轻或避免设备的损坏和对相邻地区供电的影响。

编辑本段基本性能 继电保护的正确工作不仅有力地提高电力系统运行的安全可靠性，并且正确使用继电保护技术和装置，还可能在满足系统技术条件的前提下降低一次设备的投资。继电保护为完成其功能,必须具备以下5个基本性能。 ①安全性：继电保护装置应在不该动作时可靠地不动作，即不应发生误动作现象。 ②可靠性：继电保护装置应在该动作时可靠地动作，即不应发生拒动作现象。 ③快速性：继电保护装置应能以可能的最短时限将故障部分或异常工况从系统中切除或消除。 ④选择性：继电保护装置应在可能的最小区间将故障部分从系统中切除，以保证最大限度地向无故障部分继续供电。 ⑤灵敏性：表示继电保护装置反映故障的能力。通常以灵敏系数klm表示。灵敏系数有两种表达方式,即反映故障参量上升的保护灵敏系数，klm=保护区内金属性短路时故障参量的最小计算值/保护的动作参量;反映故障参量下降的保护灵敏系数,klm=保护的动作参量/保护区内金属性短路时故障参量的最大计算值。 继电保护须具备的 5个性能彼此紧密联系。在选择保护方案时，还应注意经济性。所谓经济性，不仅指保护装置的设备投资和运行维护费，还必须考虑由于保护装置不完善而发生误动或拒动时对国民经济所造成的损失。

编辑本段分类

继电保护可按以下4种方式分类。 ①按被保护对象分类，有输电线保护和主设备保护(如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护)。 ②按保护功能分类，有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护；后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。 ③按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类，有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。 ④按保护动作原理分类，有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、高频（载波）保护等。

编辑本段系统保护

实现继电保护功能的设备称为继电保护装置。虽然继电保护有多种类型,其装置

也各不相同,但都包含着下列主要的环节：①信号的采集，即测量环节；②信号的分析和处理环节；③判断环节；④作用信号的输出环节。以上所述仅限于组成电力系统的各元件（发电机、变压器、母线、输电线等）的继电保护问题，而各国电力系统的运行实践已经证明，仅仅配置电力系统各元件的继电保护装置，还远不能防止发生全电力系统长期大面积停电的严重事故。为此必须从电力系统的全局和整体出发，研究故障元件被相应继电保护装置动作而切除后，系统将呈现何种工况，系统失去稳定时将出现何种特征，如何尽快恢复系统的正常运行。这些正是系统保护所需研究的内容。系统保护的任务就是当大电力系统正常运行被破坏时，尽可能将其影响范围限制到最小，负荷停电时间减小到最短。 大电力系统的安全稳定运行，首先必须建立在电力系统的合理结构布局上，这是系统规划设计和运行调度工作中必须重视的问题。在此基础上，系统保护的合理配置和正确整定，同时配合系统安全自动装置（如解列装置、自动减负荷、切水轮发电机组、快速压汽轮发电机出力、自动重合闸、电气制动等），达到电力系统安全运行的目的。 鉴于机、炉、电诸部分构成电力生产中不可分割的整体，任一部分的故障均将影响电力生产的安全，特别是大机组的不断增加和系统规模的迅速扩大，使大电力系统与大机组的相互影响和协调问题成为电能安全生产的重大课题。电力系统继电保护和安全自动装置的配置方案应考虑机、炉设备

的承受能力，机、炉设备的设计制造也应充分考虑电力系统安全经济运行的实际需要。 为了巨型发电机组的安全，不仅应有完善的继电保护装置，还应积极研究和推广故障预测技术，以期实现防患于未燃，进一步提高大机组的安全可靠性。

编辑本段发展历程 继电保护是随着电力系统的发展而发展起来的。20世纪初随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统的保护，这时期是继电保护技术发展的开端。最早的继电保护装置是熔断器。从2O世纪5O年代到90年代末，在40余年的时间里，继电保护完成了发展的4个阶段，即从电磁式保护装置到晶体管式继电保护装置、到集成电路继电保护装置、再到微机继电保护装置。 随着电子技术、计算机技术、通信技术的飞速发展，人工智能技术如人工神经网络、遗传算法、进化规模、模糊逻辑等相继在继电保护领域的研究应用，继电保护技术向计算机化、网络化、一体化、智能化方向发展。 19世纪的最后25年里，作为最早的继电保护装置熔断器已开始应用。电力系统的发展，电网结构日趋复杂，短路容量不断增大，到20世纪初期产生了作用于断路器的电磁型继电保护装置。虽然在1928年电子器件已开始被应用于保护装置，但电子型静态继电器的大量推广和生产，只是在50年代晶体管和其他固态元器件迅速发展之后才得以实现。静态继电器有较高的灵敏度和动作速度、维护简单、寿命长、体积小、消耗功率小等优点，但较易受环境温度和外界干扰的影响。1965年出现了应用计算机的数字式继电保护。大规模集成电路技术的飞速发展,微处理机和微型计算机的普遍应用,极大地推动了数字式继电保护技术的开发，目前微机数字保护正处于日新月异的研究试验阶段，并已有少量装置正式运行。