繼電保護的作用及原理

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

及電力系統(tǒng)安全運行時，能夠向運行值班人員及時發(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備。

實現(xiàn)這種自動化措施的成套設備，一般通稱為繼電保護裝置。

基本原理

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

故障，是保護區(qū)內(nèi)故障還是區(qū)外故障的功能。保護裝置要實現(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來構成。

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

短路時故障點與電源之間的電氣設備和輸電線路上的電流將由負荷電流增大

至大大超過負荷電流。

b.電壓降低

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

越靠近短路點，電壓越低。

c電流與電壓之間的相位角改變

正常運行時電流與電壓間的相位角是負荷的功率因數(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（保護安裝處）電壓與電流之比值。正常運行時，測量阻抗為

負荷阻抗；金屬性短路時，測量阻抗轉變?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)負序電流和負

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

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

保護。

此外，除了上述反應工頻電氣量的保護外，還有反應非工頻電氣量的保護，如

瓦斯保護。

基本要求

繼電保護裝置為了完成它的任務，必須在技術上滿足選擇性、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，應同時滿足四個

基本要求，而對于作用于信號以及只反映不正常的運行情況的繼電保護裝置，

這四個基本要求中有些要求可以降低。

①選擇性

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

設備或線路從電力系統(tǒng)中切除，當故障設備或線路的保護或斷路器拒動時，應

由相鄰設備或線路的保護將故障切除。

②速動性

速動性是指繼電保護裝置應能盡快地切除故障，以減少設備及用戶在大電流、

低電壓運行的時間，降低設備的損壞程度，提高系統(tǒng)并列運行的穩(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、變壓器和電動機內(nèi)部故障。

c.中、低壓線路導線截面過小，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)造成強烈干擾的故障。

故障切除時間包括保護裝置和斷路器動作時間，一般快速保護的動作時間為

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

0.15s,最快的可達0.02s~0.06s。

對于反應不正常運行情況的繼電保護裝置，一般不要求快速動作，而應按照選

擇性的條件，帶延時地發(fā)出信號。

③靈敏性

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

時，保護裝置的反應能力，保護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，在規(guī)定的范圍內(nèi)故障時，不論短路點的位置和

短路的類型如何，以及短路點是否有過渡電阻，都能正確反應動作，即要求不

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

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)最大運行方式：

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

運行方式。

系統(tǒng)最小運行方式：

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

小的運行方式。

④可靠性

可靠性包括安全性和信賴性，是對繼電保護最根本的要求。

a.安全性

要求繼電保護在不需要它動作時可靠不動作，即不發(fā)生誤動。

b.信賴性

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

動。

繼電保護的誤動作和拒動作都會給電力系統(tǒng)帶來嚴重危害，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計、配置和維護繼電保護的依據(jù)，又是分析評價繼電保

護的基礎。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，

在實際工作中，要根據(jù)電網(wǎng)的結構和用戶的性質,辯證地進行統(tǒng)一。

基本任務

電力系統(tǒng)繼電保護的基本任務是：

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正常運行。

②反應電氣元件的不正常運行狀態(tài)，并根據(jù)運行維護的條件（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，或由裝置自動進行調整，或將那

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

求保護迅速動作，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，

采取預定措施，縮短事故停電時間，盡快恢復供電，從而提高電力系統(tǒng)運行的

可靠性。

分類

繼電保護可按以下4種方式分類：

①按被保護對象分類

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

護）。

②按保護功能分類

有短路故障保護和異常運行保護。前者又可分為主保護、后備保護和輔助保護；

后者又可分為過負荷保護、失磁保護、失步保護、低頻保護、非全相運行保護

等。

③按保護裝置進行比較和運算處理的信號量分類

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

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

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

數(shù)轉換后的離散數(shù)字量，這是數(shù)字式保護。

④按保護動作原理分類

有過電流保護、低電壓保護、過電壓保護、功率方向保護、距離保護、差幼保

護、縱聯(lián)保護、瓦斯保護等。

異常

發(fā)現(xiàn)繼電保護運行中有異?；虼嬖谌毕輹r，除了加強監(jiān)視外，對能引起誤動的

保護退其出口壓板，然后聯(lián)系繼保人員處理。

如有下列異常情況，均應及時退出：

①母差保護

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)開關串代線路操作及恢復倒閘操作中。

②局）頻保護

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

號發(fā)出無法復歸時；旁母代線路開關操作過程中。

③距離保護

當采用的PT退出運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；負荷電流超過保護允許電流相應段時。

④微機保護

總告警燈亮，同時四個保護（高頻、距離、零序、綜重）之一告警燈亮時，退

出相應保護；如果兩個CPU故障，應退出該裝置所有保護；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,應退出出口壓板，在恢復直

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，說明保護與接口CPU間通訊回路異常，退出CPU巡檢開關處理，若信

號無法復歸,說明CPU有致命缺陷,應退出保護出口壓板并斷開巡檢開關處

理。

⑤瓦斯保護

在變壓器運行中加油、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

壓開關油路上有人工作時。

繼電保護常見的故障分析

①電流互感飽和故障

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

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

終端設備區(qū)的位置發(fā)生短路時，電流可能會達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，當電流速斷保護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，而再次感應的二次電流小或者

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

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

出現(xiàn)斷電的狀況。

②開關保護設備的選擇不當

開關保護設備的選擇是非常重要的一項工作，現(xiàn)在的多數(shù)配電都在高負荷密集

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

模式。在未實現(xiàn)繼電保護自動化的開關站內(nèi)，我們應當更多地采用負荷開關或

與其組合的繼電器設備系統(tǒng)作為開關保護的設備。

繼電保護故障的處理方法和措施

①常見的繼電保護故障的處理方法

a.替換法

用完好的元件代替被認定有故障的元件，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

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

這個方法主要用于檢查接線錯誤、定值校驗過程中測試值與預想值有比較大差

異的故障。在進行改造和設備更換之后二次接線不能正確恢復時，可參照同類

設備的接線。并在繼電器定值校驗時，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，此時,不可以輕易做出判斷，判斷該繼電器特性不好，應當調

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