第7章 继电保护的设计
7.1 概论
电力系统继电保护和安全自动装置是电力系统的重要组成部分，继电保护的装设应符合可靠性及安全性、选择性、灵敏性、速动性四个基本要求。设计应满足继电保护和安全自动装置方面的技术规程。供电系统的继电保护是保证安全供电的重要工具。
电力系统中的电力设备和线路应有主保护和后备保护以及必要时增设的辅助保护。
主保护—能快速并有选择地切除被保护区域内的故障。 后备保护—在主保护或断路器拒绝动作时切除故障。后备保护可分为远后备和近后备两种形式。其中：
远后备指当主保护或断路器拒绝动作时，由相邻设备或线路的保护实现后备；
近后备指当主保护拒绝动作时，由本设备或线路的另一套保护实现后备；当断路器拒绝动作时，由断路器失灵保护实现后备。
辅助保护—当需要加速切除线路故障或消除方向元件的死区时，可采用由电流速断构成的辅助保护。
7.1.1继电保护装置的设计原则
（1）当被保护原件发生短路或足以破环系统正常运行的情况时，保护装置应动作于跳闸；在发生不正常运行时，保护装置应动作于信号。
（2）为保证系统非故障部分的正常供电，保护装置应以足够小的动作时限去切除故障。
（3）系统故障时，保护装置要有选择地动作于跳闸，在必须加快动作时，可无选择性跳闸，而有自动重合闸来补救保护的无选择性动作。
（4）选择保护方式时，不考虑可能性很小的故障类型和运行方式。
（5）保护装置的电压回路断线时，如可能造成保护装置的误动作，则应装设电压回路断线闭锁装置并发出信号。
（6）在表示保护装置动作的出口上应装设信号继电器。
（7）主保护装置除完成主保护任务外，如有可能还应作为相邻元件的后备保护。
（8）当保护装置因动作原理而不能起相邻原件后备保护作用时，应在所有或部分断路器上装设单独的后备保护。
（9）为了相邻元件后备保护作用而使保护装置复杂化，或在技术上不能达到完全的后备作用时，允许缩短后备作用范围。
（10）在实际可能出现的最不利运行方式和故障类型下，保护装置应有足够的灵敏系数。
（11）保护装置的灵敏性应该与相邻设备或线路配合。
（12）保护装置所用的电流互感器在最不利的条件下其误差应小于10%。
7.1.2 继电保护装置的电源
保护装置的电源，包括了保护装置本身个元件的工作电源和相关断路器跳闸的操作电源。一般情况下工作电源与操作电源可分为直流操作和交流操作两大类。
直流操作包括蓄电池复式整流和电容器储能等，发电厂和110KV及以上变电站通常用蓄电池作为直流电源。110KV以下的终端变电站也可用电容储能直流电源或复式整流电源。电源应具有好的可靠性和稳定性，电源容量和电压质量均应在最严重的事故情况下保证用电设置的可靠性。
交流操作一般是利用被保护元件的电流互感器作为短路保护装置的操作电源。用在不重要的终端变电站。
7.2 电力变压器保护的设计
7.2.1 概述
电力变压器是电力系统中十分重要的供电元件，它的故障将对供电可靠性和系统的正常运行带来严重的影响。同时大容量的电力变压器也是十分贵重的元件，因此，必须根据变压器的容量和重要程度考虑装设性能良好，工作可靠的继电保护装置。
变压器的内部故障可分为油箱内和油箱外故障两种。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等，对变压器来讲，这些故障都是十分危险的，因为油箱内故障时产生的电弧，将引起绝缘物质的剧烈气化，从而可能引起爆炸，因此，这些故障应该尽快加以切除。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。上述接地短路均系对中性点直接接地电力网的一侧而言。
变压器的不正常运行状态主要有：由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；由于负荷超过容量引起的过负荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。
此外，对大容量变压器，由于其额定工作时的磁通密度相当接近于铁心的饱和磁通密度，因此在过电压或低频率等异常运行方式下，还会发生变压器的过励磁故障。
根据上述故障类型和不正常运行状态，对变压器应装设下列保护。 （1）瓦斯保护
油浸式变压器一般应装设瓦斯保护。当油箱内部故障产生轻微瓦斯或油面下降时，保护装置应瞬时作用于信号；当产生大量瓦斯时，瓦斯保护应动作于断开变压器各电源侧断路器。
应装设瓦斯保护的变压器容量界限是：800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA及以上的车间内油浸式变压器。
（2）纵联差动保护或电流速断保护
对变压器绕组、套管及引出线上的故障，应根据容量的不同，装设纵联差动保护或电流速断保护。
纵差动保护适用于;并列运行的变压器，容量为6300KVA以上时；单独运行的变压器，容量为10000KVA以上时；发电厂厂用工作变压器和工业企业中的重
要变压器，容量为6300KVA以上时。
电流速断保护用于10000KVA以下的变压器，且其过电流保护的时限大于0.5S时。
对于2000KVA以上的变压器，当电流速断保护的灵敏性不能满足要求时，也应装设纵差动保护。
上述保护动作后，均应跳开变压器各电源侧的断路器。 （3）外部相间短路时，应采用的保护
对于外部相间短路引起的变压器过电流，应采用下列保护：
① 过电流保护，一般用于降压变压器，保护装置的整定值应考虑事故状态下可能出现的过负荷电流；
② 复合电压起动的过电流保护，一般用于升压变压器及过电流保护灵敏性不满足要求的降压变压器上；
③ 负序电流及单相式低压起动的过电流保护，一般用于大容量升压变压器系统联络变压器；
④ 阻抗保护，对于升压变压器和系统联络变压器，当采用第②、③的保护不能满足灵敏性和选择性要求时，可采用阻抗保护。
（4）外部接地短路时，应采用的保护
对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。
当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地短路时，中性点接地的变压器跳开后，中性点不接地的变压器（低压侧有电源）仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙加零序电流保护等。
（5）过负荷保护
对400KVA以上的变压器，当数台并列运行，或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况，装设过负荷保护。过负荷保护接于一相电流上，并延时作用于信号。对于无经常值班人员的变电站，必要时过负荷保护可动作于自动减负荷或跳闸。
（6）过励磁保护
高压侧电压为500KV及以上的变压器，对频率降低和电压升高而引起的变压器励磁电流的升高，应装设过励磁保护。在变压器允许的过励磁范围内，保护作用于信号，当过励磁超过允许值时，可动作于跳闸。过励磁保护反应于实际工作磁密和额定工作磁密之比而动作。
（7）其它保护
对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按现行变压器标准的要求，装设可作用于信号或动作于跳闸的装置。
7.2.2 变压器的瓦斯保护
当在变压器油箱内部发生故障时，由于故障点电流和电弧的作用，将使变压器油及其它绝缘材料因局部受热而分解产生气体，因气体比较轻，它们将从油箱流向油枕的上部。当故障严重时，油会迅速膨胀并产生大量的气体，此时将有剧烈的气体夹杂着油流向油枕的上部。利用油箱内部故障时的这一特点，可以构成反应于上述气体而动作的保护装置称为瓦斯保护。轻瓦斯保护动作后经延时发出
报警信号。重瓦斯保护动作后起动变压器保护的总出口继电器，使断路器跳闸。
瓦斯保护的主要优点是动作迅速、灵敏度高、安装接线简单、能反应油箱内部发生的各种故障。其缺点则是不能反应油箱以外的套管及引出线等部位上发生的故障。因此瓦斯保护可作为变压器的主保护之一，与纵差动保护相配合、相互补充，实现快速而灵敏地切除变压器油箱内、外及引出线上发生的各种故障。
7.2.3 变压器电流速断保护
较小容量的变压器，可采用电流速断保护作变压器的主保护。电流速断保护装设在变压器的电源侧，当电网为中性点不直接接地系统时，电流速断保护按两相式接线；否则按三相式接线。为了提高保护对变压器高压侧引出线接地故障的灵敏系数，可采用两相三继电器式接线。
7.2.4 变压器纵联差动保护
变压器纵联差动保护在正常运行和外部故障时，由于变压器的励磁电流、接线方式和电流互感器误差等因素的影响，使差动继电器中有不平衡电流流过，且这一不平衡电流远比发电机及线路误差保护的大。如不采取一定的措施解决这一问题，保护的灵敏性及性能将受到极大的影响。因此，应减小或消除不平衡电流对差动保护的影响。
由以上分析可知主变压器可采用下列保护： （1）主保护：
① 纵联差动保护。作为变压器引出线、套管及内部故障的主保护，瞬时动作于跳两侧断路器。
② 瓦斯保护。作为变压器内部故障的主保护，其中轻瓦斯动作发信号，重瓦斯动作于跳两侧断路器。
③ 有载分接开关调压装置轻瓦斯动作发信号，重瓦斯动作于跳两侧断路器。
④ 温度信号装置。作为变压器上层油温的信号装置。 ⑤ 主变压器油位的信号装置。 （2）主变压器后备保护：
① 35KV侧设置过电流保护，动作跳两侧断路器。 ② 35KV侧设置过负荷保护，动作发信号。
7.3 电力线路保护的设计
7.3.1 220KV电力线路继电保护的装置原则
（1）对简单电网，采用三段式的电流保护。速断、限时速断保护作为主保护，过电流保护作为后备保护。如保护不能满足速动性或灵敏性要求，应以自动重合闸来补救。
（2）对复杂电力系统可采用距离保护。 （3）对并列运行的平行双回线电力系统，宜装设横联差动保护作为主保护。以接于两回线电流之和的阶段式电流保护作为两回线同时运行的后备保护，及一
回线断开后的主保护及后备保护。
（4）对复杂网络中的短线路，一般用带辅助导引线的纵联差动保护作为主保护，以电流电压保护作为后备保护。
7.3.2 10KV电力线路继电保护的装置原则
（1）相间短路保护
① 对于不带电抗器的单侧电源线路，可采用定时限特性或反时限特性的电流保护。
变电站母线上的电压大幅度降低时，主保护亦应采用瞬时电流速断保护。必要时允许保护非选择性动作，并装设自动重合闸或备用电源自动投入装置来全部或部分地校正保护的非选择性动作。
② 对于双侧电源电力线路，一般可装设三段式或多段式方向电流保护。 对于较重要的短线路采用纵联差动保护作主保护，方向过电流保护作后备保护。
③ 对于并列运行的平行线路，宜装设横联差动保护或电流平衡保护作为主保护，以接于两回线电流之和的电流保护作为两回线同时运行的后备保护，及一回线断开后的主保护及后备保护。
（2）单相方向接地保护 在发电厂和变电站母线上，应装设单相接地监视装置，监视装置反应零序电压，动作于信号。
必要时装设动作于跳闸的单相接地保护。 （3）电力线路的过负荷保护
对于可能经常出现过负荷的电缆线路，应装设过负荷保护，保护装置应带时限动作于信号，必要时可动作于跳闸。
由以上分析可知：
1．220KV桥断路器保护
装设限时速断保护、过流保护及充电保护。 2．10KV出线保护
采用三段式电流保护及三相一次重合闸。 3．10KV分段保护
装设限时速断保护、过流保护及充电保护。 4．10KV电容器保护 装设差压保护、限时速断保护、过流保护、过电压保护、电流闭锁失压保护。