继电保护基本原理 及力
识
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答 电知问
第一篇 继电保护基本原理
第一章 概述
一．什么是电力系统？
有两种说法：
1．由生产和输送电能的设备所组成的系统叫电力系统，例如发电机、变压器、母线、输电线路、配电线路等，或者简单说由发、变、输、配、用所组成的系统叫电力系统。
2．有的情况下把一次设备和二次设备统一叫做电力系统。
一次设备：直接生产电能和输送电能的设备，例如发电机、变压器、母线、输电线路、断路器、电抗器、电流互感器、电压互感器等。
二次设备：对一次设备的运行进行监视、测量、控制、信息处理及保护的设备，例如仪表、继电器、自动装置、控制设备、通信及控制电缆等。 二．电力系统最关注的问题是什么？
由于电力系统故障的后果是十分严重的，它可能直接造成设备损坏，人身伤亡和破坏电力系统安全稳定运行，从而直接或间接地给国民经济带来难以估计的巨大损失，因此电力系统最为关注的是：安全可靠、稳定运行。 三．电力系统的三种工况
正常运行状态；故障状态；不正常运行状态。而继电保护主要是在故障状态和不正常运行状态起作用。 四．继电保护装置
就是指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。它的基本任务简单说是：故障时跳闸，不正常运行时发信号。
五．继电保护的基本原理和保护装置的组成
为完成继电保护所担负的任务，显然应该要求它正确地区分系统正常运行与发生故障或不正常运行状态之间的差别，以实现保护。如图1-1（a）、（b）所示的单侧电源网络接线图，（这是一种最简单的系统），图1-1(a)为正常运行情况，每条线路上都流过由它供电的负荷电流?f（一般比较小）， 各变电所母线上的电压，一般都在额定电压（二次线电压100V）附近变化，由电压和电流之比所代表的“测量阻抗”Zf称之为负荷阻抗，其值一般很大。图1-1(b)表示当系统发生故障时的情况，例如在线路B-C上发生了三相短路，则短路点的
电压Ud降低到零，
?f(C1)
从电源到短路点之间将流过很大的短路电?f(C2) ?f(B-C) ?f(A-B) 流?d, 各变电所母线上的电压也将在不同
?=0 程度上有很大的降低
（称之为残压）。设以?d ?d ?=0 Zd表示短路点到变
电所B母线之间的阻抗，根据欧姆定律很
2
显然Zd要大大小于Zf。即短路阻抗要大大小于负荷阻抗。
图1-1 单侧电源网络接线
六．继电保护分类
在一般情况下，发生短路之后，总是伴随有电流的增大、电压的降低、线路始端测量阻抗的减少，以及电压与电流之间相位角的变化。因此，利用正常运行与故障时这些基本参数的区别，就可以构成各种不同原理的保护。 一般继电保护可以分为两类：
第一类—利用比较正常运行与故障时电气参量（U、I、Z、f）的区别，便可以构成各种不同原理的继电保护，例如反应于电流增大而动作的过电流保护；反应于电压降低而动作的低电压保护；反应于阻抗降低而动作的距离保护，反应于频率降低而动作的低（或欠）频保护等。
第二类—首先规定两个前提：一个规定电流的正方向是从母线指向线路；第二个一定是双端电源。例如图1-2（a）、（b）所示的双端电源网络接线。分析1-2（a）、（b）图中BC
B C 线路靠近B母线侧电流的情A
况，我们发现在正常运行的负?f(A-B) ?f(B-C) 荷电流和故障时的短路电流的相位发生了180°的变化。
Ⅱ 因此利用比较正常运行（包括I 外部故障）与内部故障时，两(a)
d1 侧电流相位或功率方向的差 A B C ?’d1 ?’d1 ?’’d1 别，就可以构成各种差动原理的保护。例如纵联差动保护、
Ⅱ 相差高频保护、方向高频保护I
(b)
等。差动原理的保护只反应内部故障、不反应外部故障，因
而被认为具有绝对的选择性。
图1-2 双侧电源网络接线
七．对电力系统继电保护的基本要求
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，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
a) 选择性 定义：继电保护动作的选择性是指保护装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，
使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。如图1-3所示单侧电源网络中，当d1点短路时，应由距短路点最近的保护1和2动作跳
3
闸，将故障线路切除，变电所B则仍可由另一条无故障的线 路3-4继续供电。
原则：就近原则，即系统短路时， 应由距离故障点最近的保护切除相应 的断路器。
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主保护—能在全线范围速动的保护。 后备保护—作为主保护的后备，不
能在全线范围速动，要带一定的延时， 图1－3 单侧电源网络中， 又分为远后备和近后备。 有选择性动作的说明
b).速动性
所谓速动性，就是发生故障时，保护装置能迅速动作切除故障。对不同的电压等级要求不一样，对110KV及以上的系统，保护装置和断路器总的切故障时间为0.1秒，因此保护动作时间只有几十个毫秒（一般30毫秒左右），而对于35KV及以下的系统，保护动作时间可以为0.5秒。
c）灵敏性
继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。其灵敏性有的保护是用保护范围来衡量，有的保护是用灵敏系数来衡量。
d）可靠性
保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不应该动作的情况下，则不应该误动作。简单说就是：该动的时候动，不该动的时候不动。该动的时候不动是属于拒动，不该动的时候动了是属于误动。不管是拒动还是误动，都是不可靠。
以上四个基本要求不仅要牢牢记住，而且要理解它们的内涵，其中可靠性是最重要的 ，选择性是关键，灵敏性必须足够，速动性则应达到必要的程度。我们所有的继电保护装置都是围绕这四个要求做文章，当然不同的保护，对这些要求的侧重点是不一样的，有的侧重于选择性，有的侧重于速动性，有时候为了保证主要的属性可能会牺牲一些其他的属性。这些我们在以后讲到具体的保护时会提到。
八．继电保护的发展过程
继电保护技术是随着电力系统的发展以及技术水平的进步而发展起来的，最早的熔断器就是最简单的过电流保护，以后经历了机电型、整流型、晶体管型、集成电路型、微机型五个阶段，而现在微机型的继电保护又进入第三代和第四代。 九．本章总结
本章尽管没有讲具体的保护，但是对本书的主要内容作了简要的概述，是非常重要的，读者应掌握以下几个主要的重点：
1. 要能正确描述什么是电力系统、一次设备、二次设备。 2. 电力系统故障有哪些严重后果？
3. 电力系统有哪三种工况？继电保护在哪些工况下起作用？起什么样的作用？
4. 继电保护可以分为几大类？它们是按什么原则划分的？
5. 对电力系统继电保护有哪些基本要求？读者不仅要牢记四个基本要求，更重要的是要理解其中的内涵以及它们之间的关系。
6. 什么是主保护，什么是后备保护，远后备和近后备有何区别？
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第二章 电网的电流保护和方向性电流保护
第一节 单侧电源网络相间短路的电流保护
一．电流继电器
1． 定义：电流继电器是实现电流保护最基本的元件，也是反应于一个电气量（单激励量）而动作的简单继电器的典型。它的工作原理是非常简单的，就是电磁感应原理，因此不准备多讲，下面讲四个基本概念。
2 .四个基本概念：
（1）起动电流—能使电流继电器动作的最小电流值，称为继电器的起动电流。这里要特别关注最小两个字，因为电流继电器是反应电流增加而动作的，是增量动作的继电器。如果是低电压继电器，是欠量动作的继电器，应该是能使电压继电器动作的最大电压值，称为起动电压。
（2）返回电流—能使继电器返回原位的最大电流称为继电器的返回电流。这里特要别关注最大两个字，理由同前。如果是低电压继电器的返回电压，应该是继电器返回原位的最小电压值，称为返回电压。
（3）继电特性—无论起动和返回，继电器的动作都是明确干脆的，它不可能停留在某一个中间位置，这种特性我们称之为“继电特性”。
（4）返回系数—返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数，可表示为Kh=
Ih.jIdz.j。增量动作的继电器其返回系数小于1，欠量动作的继电器其返回
系数大于1。
以上这四个基本概念不仅是适合于电流继电器和电压继电器，对所有的继电器或保护装置都是适用的，但首先要搞清楚是增量动作的还是欠量动作的。如果是增量动作的，就按照电流继电器的原则去套，如果是欠量动作的，就按照低电压继电器的原则去套。 二．电流速断保护 A B C 1 2 1．定义：反应于电流增大而瞬时动作的 电流保护，称为电流速断保护。顾名思义 d1 d2 电流速断保护应该侧重于速动性。
2．动作特性分析： ?d
以图2-1来分析电流速断保护的动作 特性。 II Ⅰ 假定在每条线路上均装有电流速断保护， I’dz.2 则当线路A—B上发生故障时，希望保护2 能瞬时动作，而当B—C上发生故障时，希
望保护1能瞬时动作，它们的保护范围最好 能达到本线路全长的100%。但是这种愿望 0 L 是否能实现，需要作具体分析。以保护2为 图 2-1电流速断动作特性分析
例，当本线路末端d1点短路时，希望速断保护
2能够瞬时动作切除故障，而当相邻线路B—C的始端（习惯上又称为出口处）d2点短路时，按照选择性的要求，速断保护2就不应该动作，因为该处的故障
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