1、第一章電力系統基礎知識繼電保護、自動裝置對電力系統起到保護和安全控制的作用，因此首先應明確所要保護和控制對象的相關情況，涉及的內容包括：電力系統的構成，電力系統中性點接地方式及其特點，電力系統短路電流計算及其相關概念。這是學習繼電保護、自動裝置等本書內容的基礎。第一節 電力系統基本概念 變電站(所)。變電站是電力系統中聯系發電廠與用戶的中間環節，具有匯集電能和分配電能、變換電壓和交換功率等功能，是一個裝有多種電氣設備的場所。根據在電力系統中所起的作用，可分為升壓變電站和降壓變電站；根據設備安裝位置，可分為戶外變電站、戶內變電站、半戶外變電站和地下變電站。 變電站內一次電氣設備主要有變壓器、斷路

2、器、隔離開關、避雷器、電流互感器、電壓互感器、高壓熔斷器、負荷開關等。變電站內還配備有繼電保護和自動裝置、測量儀表、自動控制系統及遠動通信裝置等。 輸電網。輸電網是通過高壓、超高壓輸電線將發電廠與變電站、變電站與變電站連接起來，完成電能傳輸的電力網絡，又稱為電力網中的主網架。 配電網。配電網是從輸電網或地區發電廠接受電能，通過配電設施將電能分配給用戶的電力網。配電設施包括配電線路、配電變壓器、配電設備等。配電網按照電壓等級，可分為高壓配電網、中壓配電網和低壓配電網；按照地域服務對象，可分為城市配電網和農村配電網；按照配電線路類型，可分為架空配電網和電纜配電網。 我國配電網電壓等級劃分為，高壓配

3、電網電壓：35kV、66kY、110kV；中壓配電網電壓：10(20)kV；低壓配電網電壓：380220V。 負荷。電力負荷是用戶的用電設備或用電單位總體所消耗的功率，可以表示為功率(kW)、容量(kVA)或電流(A)。發電廠對外供電所承擔的負荷的總和稱為供電負荷，包括這一時刻用電負荷(用戶在某一時刻對電力系統的功率需求)以及能量在傳輸過程中的功率損失(網損)。 變壓器。變壓器利用電磁感應原理，把一種交流電壓和電流轉換成相同頻率的另一種或幾種交流電壓和電流。在電力系統中，由于傳輸電能和用戶用電的需要，無論是發電廠還是變電站，都可以看到各種型式和不同容量的電力變壓器。 斷路器。斷路器是一種開關設

4、備，既能關合、承載、開斷運行回路的負荷電流，又能關合、承載、開斷短路等異常電流。斷路器的形式較多，結構也不盡相同，但從原理上看，均由動觸頭、靜觸頭、滅弧裝置、操動機構、絕緣支架等構成。 隔離開關。隔離開關是將電氣設備與電源進行電氣隔離或連接的設備，因為沒有特殊的滅弧裝置，一般只能在無負荷電流的情況下進行分、合操作，與斷路器配合使用。隔離開關由導電回路、絕緣支架、操作系統及底座支架等組成。 負荷開關。負荷開關是另一種開關設備，既能關合、承載、開斷運行線路的正常電流(包括規定的過載電流)，并能關合、承載短路等異常電流，但不能開斷短路故障電流。負荷開關可以看成是斷路器功能的簡化，或隔離開關功能的延伸

5、。負荷開關由滅弧裝置、操動機構和絕緣支架等組成。 主接線。主接線是以電源和引出線為基本環節，以母線為中間環節構成的電能通路。變電站主接線將變壓器、斷路器、隔離開關、互感器、母線等一次電氣設備，按照一定的順序連接，實現匯集和分配電能，按有無匯流母線分為有母線接線和無母線接線兩大類。變電站主接線圖一般用單線圖表示。互感器。互感器有電流互感器(TA)和電壓互感器(TV)。電流互感器是種變流設備，將交流一次側大電流轉換成二次電流，供給測量、保護等二次設備使用，一般二次額定電流為5A或1A；電壓互感器是種變壓設備，將交流一交側高電壓轉換成二電壓，供給控制、測量、保護等二次設備使用，般二次額定的相電壓為1

6、00/V。 二、電力系統中性點運行方式 電力系統中性點運行方式即中性點接地方式，是指電力系統中發電機或變壓器的中性點的接地方式，是一種工作接地。目前，我國電力系統中性點接地方式分為中性點直接接地與非直接接地兩大類，具體有；中性點不接地、經電阻接地、經電抗接地、經消弧線圈接地和直接接地等。 1中性點直接接地方式中性點直接接地是指電力系統中至少有一個中性點直接與接地設施相連接，如圖1-2中的N點接地，通常應用于500kV、330kV、220kV、110kV電網。 中性點直接接地系統保持接地中性點零電位，發生單相接地故障時如圖1-2所示，非故障相對地電壓數值變化較小。由于高壓、尤其是超高壓電力變壓器

7、中性點的絕緣水平、電氣設備的絕緣水平都相對較低，采用中性點直接接地方式，對保證變壓器及其電氣設備的安全尤其重要。但由于中性點直接接地，與短路點構成直接短路通路，故障相電流很大，造成接于故障相的電氣設備過電流。為此，需要通過繼電保護和斷路器動作，切斷短路電流。 2中性點不接地方式中性點不接地系統指電力系統中性點不接地。中性點不接地系統發生單相接地故障時如圖1-3所示，中性點電壓發生位移，但是三相之間的線電壓仍然對稱，且數值不變；由于沒有直接的短路通路，接地故障電流由線路和設備對地分布電容回路提供，是容性電流，通常數值不大，一般不需要立即停電，可以帶故障運行一段時間(一般不超過2h)；但非故障相對

8、地電壓升高，數值最大為額定相電壓的倍，因此用電設備的絕緣水平需要按線電壓考慮。中性點不接地方式具有跳閘次數少的優點，因此普遍應用于接地電容電流不大的系統，例如66kV、35kV電網。“一低兩高三不變”當中性點不接地系統發生一相接地情況時,該相的對地電壓變低,甚至為零,此為一低;此時其它兩相的對地電壓升高,最大可為系統線電壓.此為兩高;由于中性點沒有接地,此時接地相沒有形成電流通路,接地時三相對地電流基本不變(先前有每相的對地電容電流,一般很小)當為三不變了.正因如此,線電壓是肯定不變的了。3中性點經消弧線圈接地方式 當電網的電容電流不大時，單相接地故障點的電弧可以自行熄滅；如果電容電流較大，接

9、地故障點的電弧不會自行熄滅，并且產生間歇性電弧，引起過電壓，可能導致絕緣損壞，使故障擴大。因目前，10kV電網采用的中性點接地低值電阻一般為10。 對于6kV和10kV主要由架空線構成的系統，單相接地故障電流較小時(接地故障電流小于10A)，為了防止諧振、間歇性電弧接地過電壓等對設備的損害，可以采用中性點經高值電阻接地。此時發生單相接地故障時，不立即跳閘，可運行一段時間。 第二節 電力系統短路故障一、短路的一般概念電力系統應該正常不間斷地供電，保證用戶生產和生活的正常進行。但是當發生短路故障時，可能破壞電力系統正常運行，從而影響用戶的生產和生活。 “短路”是指電力系統中相與相之間或相與地之間，

10、通過電弧或其他較小阻抗形成的一種非正常連接。電力系統中發生短路的原因有多種，歸納如下： 1)電氣設備絕緣損壞。其原因有設計不合理、安裝不合格、維護不當等，還有外界原因如架空線斷線、倒桿及挖溝時損壞電纜、雷擊或過電壓等。 2)運行人員誤操作。如帶負荷拉合隔離開關(刀閘)、帶地線合閘、誤將帶地線的設備投入等。 3)其他原因。如鳥獸跨接導體造成短路等。電力系統短路的基本類型有：三相短路、兩相短路、單相接地短路、兩相接地短路等。各種短路故障示意圖和代表符號如表1-1所示，其中三相短路為對稱短路，其他為不對稱短路。 運行經驗和統計數據表明，電力系統中各種短路故障發生的幾率是不同的，其中發生三相短路的幾率

11、最少，發生單相接地短路的幾率最大。 在實際工程問題中，經常需要計算短路電流，計算中涉及到如下概念： (1)無限大容量系統。無限大容量電力系統指，容量相對于被供電系統容量大得多的電力系統，其特征是，當被供電系統中負荷變動甚至發生短路故障，電力系統母線電壓及頻率基本維持不變。一般，電力系統等值電源阻抗不超過短路電路阻抗的510，或電力系統容量超過被供電系統容量50倍時，可視為無限大容量電力系統，簡稱無限大系統或無窮大系統。實際應用中對11OkV配電網，可將供電變壓器看作無窮大系統對11OkV配電網供電。 (2)短路電流周期分量。電力系統發生短路故障時，與正常負荷狀態相比，供電回路的阻抗大為減小，因

12、此出現數值很大的短路電流。顯然，短路電流的大小由電源電壓和短路回路阻抗決定，電源電壓是正弦周期分量，與之對應，產生的是短路電流中的周期分量。在計算中，通常求取的就是這個短路電流周期分量，即在非周期分量衰減完畢后的穩態短路電流。 (3)短路電流非周期分量。電力系統正常運行時，線路和設備上流過負荷電流，當發生短路時，在短路回路中將流過短路電流。由于短路回路存在電感，導致電流不能突變，因此，在電流變化的過渡過程中，將出現一個隨時間衰減的非周期分量電流，即短路電流中的非周期分量。 (4)短路沖擊電流。短路全電流中的最大瞬時值稱為短路沖擊電流，其數值約為短路電流周期分量的1.8倍。 二、三相對稱短路 在

13、電力系統的各種短路故障中，雖然三相短路發生的幾率最小，但其對電力系統的影響和危害最大。無窮大系統發生三相短路示意圖如圖1-9所示。 三相短路時，三相仍然對稱，三相的短路回路完全相同，短路電流相等，相位互差120o因此只計算一相即可。根據電路計算原理，采用有名值計算三相短路電流周期分量如下： （1-1）式中三相短路電流周期分量有效值；等值電源線電動勢，實際計算時可采用平均額定電壓；短路回路總電抗，通常計算時不考慮回路的電阻。例1-1 某電力系統如圖1-10所示，在母線B和母線C分別發生三相短路，試求短路點的短路電流周期分量。（等值電源電抗為，線路單位電抗為，變壓器T1、T2的額定容量為1000k

14、VA、短路電壓為）解：（1）母線B三相短路。（2）母線C三相短路。計算時需要將等值電源電抗和線路電抗折算到0.4kV側，并計算變壓器電抗（詳細論述請參考電力系統故障分析計算的有關書籍）。三、不對稱短路電力系統不對稱短路包括兩相短路、兩相接地短路和單相接地短路。（一）序分量的概念當電力系統發生不對稱短路時，三相不再對稱，三相的電流和電壓數值也不再相等。如果將此不對稱的電流或電壓進行分解，可以分解出正序分量、負序分量，對于接地短路還有零序分量，分別用下標1、2和0表示。以電流為例，各序分量電流相量圖如圖1-11所示，對于工頻50Hz，正序電流三相對稱，即大小相等，相位互差120o；負序電流三相對稱

15、，即大小相等，相位互差120o；但相序與正序電流相反；零序電流三相大小相等，相位相同。三相短路電流為（1-2）可得零序電流為用瞬時值表示為顯然，電力系統正常運行時僅有正序分量。（二）短路電流1、兩相短路無窮大系統供電發生BC兩相短路示意圖如圖1-12所示。電力系統發生兩相短路，經故障相和短路點構成短路回路，由故障相電源的線電動拋產生短路電流，流過故障線路，非故障線路沒有短路電流，因此出現三相不對稱。不在計負荷電流的情況下，三相的短路電流分別為 （1-4） 可見兩相短路時的特點是，三相不對稱，出現負序電流；只有故障相存在短路電流，且兩相的短路電流數值相等，相位相反。根據圖1-12，短路電流數值可

16、計算如上： （1-5）式中兩相短路電流周期分量有效值。等值電源線電動勢，實際計算進可以采用平均額定電壓；一相短路回路總電抗。將式（1-5）與式（1-1）比較可得 （1-6）式（1-6）說明，兩相短路電流數值為同一地點三相短路電流的0.866倍，在實際計算中，常常求出三相短路電流后，直接用以上關系得到兩相短路電流。2、單相接地短路（1）中性點直接接地系統。中性點直接接地的無窮大系統供電，發生A相單相接地短路示意圖如圖1-13所示。中性點直接接地電力系統發生單相接地時，經直接接地的中性點、故障相和短路點構成短路回路，由故障相電源電動勢產生短路電流，流過故障線路，非故障線路沒有短路電流，因此出現三相

17、不對稱，在不計負荷電流的情況下，三相的短路電流分別為 （1-7）可見單相接地短路時的特點是，三相不對稱，出現負序電流和零序電流；故障相存在短路電流，在圖1-13（b）中的數值為3I。關于單相接地短路電流計算及兩相接地短路問題需要用到復合序網等概念，在此不作介紹。（2）中性點不接地系統。中性點不接地的無窮大系統供電，發生單相接相短路時的特點和短路電流分布見第三章的第三節。（三）短路特征根據以上分析，歸納不對稱短路的部分特征如表1-2。表1-2 不對稱短路部分特征短路類型兩相短路單相接地短路（中性點直接接地系統）兩相接地短路對稱性三相不對稱三相不對稱三相不對稱負序電流有負序電流有負序電流有負序電流

18、零序電流無零序電流有零序電流有零序電流第二章電力二次系統概述 本章介紹電力系統繼電保護、安全自動裝置(以下簡稱自動裝置)、二次回路的相關概念，使讀者掌握其作用和三者之間的關系；介紹電力系統對繼電保護和自動裝置的四個基本要求、繼電保護和自動裝置的基本組成，為讀者學習和分析繼電保護、自動裝置的具體問題打下基礎。 第一節 繼電保護、自動裝置、二次回路 一、繼電保護 電力系統在運行中會發生故障，最常見的故障是各種類型的短路。當短路故障發生時，將伴隨出現很大的短路電流和部分地區電壓降低，對電力系統可能產生以下后果： (1)破壞電力系統并聯運行的穩定性，引發電力系統振蕩，甚至造成系統瓦解、崩潰； (2)故

19、障點通過很大的短路電流和燃燒電弧，損壞或燒毀故障設備； (3)在電源到短路點之間，短路電流流過非故障設備，產生發熱和電動力，造成非故障設備損壞或縮短使用壽命； (4)故障點附近部分區域電壓大幅度下降，用戶的正常工作遭到破壞或影響產品質量。 電力系統運行中還可能出現異常運行狀態，使電力系統的正常工作受到干擾，運行參數偏離正常值。最常見的電力系統異常狀態是過負荷，過負荷使電力系統元件或設備溫度升高，加速絕緣老化，甚至發展成故障。另外，電力系統異常狀態還有電辦系統振蕩、頻率降低、過電壓等。 故障和異常運行如果得不到及時處理，都可能在電力系統中引起事故。電力系統事故是指整個系統或部分的正常運行遭到破壞

20、，造成對用戶少送電或電能質量嚴重惡化，甚至造成人身傷亡、電氣設備損壞或大面積停電等事故。 針對電力系統可能發生的故障和異常運行狀態需要裝設繼電保護裝置。繼電保護裝置是在電力系統故障或異常運行情況下動作的一種自動裝置，與其他輔助設備及相應的二次回路一起構成繼電保護系統。因此，繼電保護系統是保證電力系統和電氣設備的安全運行，迅速檢出故障或異常情況，并發出信號或向斷路器發跳閘命令，將故障設備從電力系統切除或終止異常運行的一整套設備。繼電保護的任務是：1)反映電力系統元件和電氣設備故障,自動、有選擇性、迅速地將故障元件或設備切除，保證非故障部分繼續運行，將故障影響限制在最小范圍2)反映電力系統的異常運

21、行狀態，根據運行維護條件和設備的承受能力自動發出信號，減負荷或延時跳閘。二、自動裝置保障電力系統安全經濟運行、提高供電可靠性和保證電能質量，電力系統自動裝置是必不可少的。電力系統自動裝置可分為自動調節裝置和自動操作裝置。自動調節裝置一般是為了保證電能質量、消腧系統異常運行狀態等對某些電量實施自動地調節，例如同步發電機勵磁自動調節、電力系統頻率自動調節等。自動操作裝置的作用對象往往是某些斷路器，自動操作的目的是提高電力系統的供電可靠性和保證安全運行，例如備用電源自動投入裝置、線路自動重合閘裝置、低頻減載裝置等；還有某些自動操作裝置用來提高電力系統的自動化程度，例如發電機自動并列裝置等。三、二次回

22、路發電廠、變電站的龜氣系統，按其作用分為一次系統和二次系統。一次系統是直接生產、傳輸和分配電能的設備及相互連接的電路。在電能生產和使用的過程中，對一次電力系統的發電、輸配電以及用電的全過程進行監視、控制、調節、調度，以及必要時的保護等作用的設備稱為二次設備，二次設備及其相互問的連接電蹄稱為二次系統或二次回路。可見，二次回路也是電力系統正常、安全運行的必不可少的部分。 二次系統或二次回路主要包括繼電保護、自動裝置、測量儀表、控制、信號和操作電源等子系統。 (1)繼電保護和自動裝置系統。由互感器、變換器，各種繼電保護裝置和自動裝置、選擇開關及其回路接線構成,實現電力系統故障和異常運行時的自動處理。

23、 (2)控制系統。由各種控制開關和控制對象(斷路器、隔離開關)的操動機構組成，實現對開關設備的就地和遠方跳、合閘操作，滿足改變一次系統運行方式和故障處理的需要。 (3)測量及監測系統。由各種電氣測量儀表、監測裝置、切換開關及其回路接線構成，實現指示或記錄一次系統和設備的運行狀態和參數。 (4)信號系統。由信號發送機構、接收顯示元件及其回路接線構成，實現準確、及時顯示一次系統和設備的工作狀態。 (5)調節系統。由測量機構、傳送設備、執行元件及其回路接線構成，實現對某些設備工作參數的調節。 (6)操作電源系統。由直流電源設備和供電網絡構成，實現供給以上二次系統工作電源。 第二節 對繼電保護自動裝置

24、的基本要求 電力系統對反映故障、動作于跳閘的繼電保護有選擇性、快速性、靈敏性、可靠性四個基本要求。對反映異常運行狀態、作用于信號的繼電保護，則不要求同時滿足這四個基本要求，例如快速性要求可以降低。 一、選擇性 選擇性是指繼電保護裝置動作時僅將故障元件或設備切除，使非故障部分繼續運行，停電范圍盡可能小。繼電保護動作具有選擇性，要求首先由故障元件或設備本身的保護切除故障，即最靠近故障點的保護和斷路器動作；當故障元件或設備本身的保護或斷路器拒動時，才允許由相鄰元件或設備的保護動作(通常稱為后備保護)。所以，選擇性有兩個含義：笫一，應由裝設在故障元件或設備上的繼電保護動作切除故障，第二，考慮繼電保護或

25、斷路器存在拒動的可能，由后備保護切除故障時，也應保證停電范圍盡可能小。因此，選擇性要求系統中的繼電保護之間，在動作時必須滿足一定的配合關系。以圖2-l為例說明繼電保護的選擇性。 當kl點發生故障時，應該由保護1和保護2動作使斷路器IQF和2QF跳閘，切除故障線路L1，保證系統其他部分繼續運行；k2點發生故障時，應該由保護4動作使斷路器4QF跳閘切除故障線路L4，保證系統其他部分繼續運行。這種按照電力系統安全性要求，故障發生后首先動作的繼電保護是主保護。故障元件的主保護正確動作的結果，將故障范圍限制在最小，甚至可以保證所有母線都不停電(例如上述kl點故障的情況)，這是選擇性的第一個含義。 如果線

26、路L4在k2點故障時，其主保護拒動，則應由線路L4的另一套具有后備作用的保護動作，使斷路器4QF跳閘切除故障，這就是近后備保護如果線路L4的主保護和近后備保護都拒動或斷路器4QF拒動，則應由上一級線路L3的后備保護動作，使斷路器3QF跳閘切除故障，實現保護3對線路L4的遠后備保護作用。這種當故障時主保護拒動或斷路器拒動，由后備保護動作切除故障，也是具有選擇性的，即選擇性的第二個含義。 綜上所述繼電保護根據所承擔的任務分為主保護和后備保護。電力系統故障時，主保護按照電力系統的安全性要求以最短的時限和最小的停電范圍動作切除故障，保證電力系統和設備的安全；后備保護一般動作延時較長，是當主保護拒動或斷

27、路器拒動時，以大于主保護的動作時限動作切除故障。近后備保護是在主保護拒動時。由本設備的另保護實現的后備保護；遠后備保護是在保護拒動或斷路器拒動時，由上一級設備或線路保護實現的后備保護。 可見，繼電保護動作的選擇性是為了提高供電的可靠性，而繼電保護無選擇性動作，必將擴大停電范圍，帶來不應有的損失。 二、快速性 快速性是指繼電保護裝置應以盡可能快的速度動作切除故障元件或設備。 繼電保護快速動作切除故障，可以控制故障影響程度，減少設備損傷，避免造成設備無法修復的損壞；減小故障影響時間，城少用戶在低電壓情況下的工作時間，避免用戶電動機轉速嚴重下降、甚至自啟動失敗；防止系統穩定性破壞，提高電力系統運行的

28、穩定性。 故障切除時聞等于保護裝置動作時間和斷路器動作時間之和。實際中，應根據具體電網對故障切除時間的不同要求，設計繼電保護的動作延時。三、靈敏性靈敏性是指繼電保護裝置對保護范圍內故障的反應能力,通常用靈敏系數Ksen來衡量,也稱為靈敏度。 衡量繼電保護的靈敏度，需考慮繼電保護在保護范圍內，應該反映的各種故障類型,即保證在最不利于保護動作的條件下仍能夠可靠動作。在被保護元件或設備故障時，保護的靈敏度用保護裝置反應的故障參數(例如短路電流)與保護裝置的動作參數(例如動作電流)之比表示。對于反應故障參數上升而動作的過量保護裝置，如過流保護、過壓保護等靈敏系數計算式為 (2-1)例如反應故障時電流增

29、大動作的過電流保護，要使保護動作，流過保護的短路電流必須大于保護的動作電流，即靈敏系數必須大于1。對于反應故障參數降低而動作的欠量保護裝置，如電動機的欠壓保護靈敏系數計算式為 （2-2）例如反應故障時電壓降低動作的低電壓保護，要使保護動作，保護安裝處的母線殘壓必須小于保護的動作電壓，同樣靈敏系數必須大于1。 式(2-1)和式(2-2)中，故障參數計算值根據保護類型和保護范圍，采用最不利于保護動作的系統運行方式、短路類型和短路點，計算實際可能的最小靈敏度，故式(2-1)用故障參數的最小計算值，式(2-2)用故障參數的最大計算值。在繼電保護的相關規程中，對各類保護的靈敏系數都作了具體的規定。另外,

30、對上、下級保護之間的靈敏性和動作時限還有配合的要求，一般用在后備保護(例如過電流保護)，指下一級保護的靈敏度應高于上一級保護的靈敏度，下一級保護的動作延時應小于上一級保護的動作延時，如圖2-2所示各保護的靈敏度之問應滿足關系Ksen.1Ksen.2Ksen.3；動作時限之間應滿足關系t1t2 第三節 繼電保護和自動裝置的基本構成及發展 一、繼電保護和自動裝置的基本構成繼電保護和自動裝置的形式雖然多樣，而且具有不問功能，但就一般情況而言，整套裝置總是由測量部分、邏輯部分和執行部分構成。繼電保護原理結構框圖如圖2-3所示。 (1)測量部分。繼電保護的基本原理，是利用電力系統正常運行與故障(包括異常

31、狀態)時，各運行參數的差別判斷故障(或異常運行)，因此需要將輸入量與鑒別系統運行狀態的基準量比較，這個基準量即繼電保護動作整定值。測量部分的作用是測量被保護對象的各類運行參數，在故障情況下測得的是故障參數，與給定的整定值進行比較，將比較結果(即對系統運行狀態的判斷結果)輸出給邏輯部分。根據繼電保護的實現原理，作為輸人量的各類運行參數可能是單一的，如電流、電壓等或者包括多個運行參數，如電流和電壓。 (2)邏輯部分。電力系統發生故障時，不是所有測量到故障的繼電保護都動作使斷路器跳閘，而是按照選擇性要求有選擇地切除故障。 邏輯部分的作用是根據測量部分的輸出(可能有不止一個輸出)，按照繼電保護預先設置

32、的邏輯關系進行判斷，確定保護是否應該使斷路器跳閘或者發出信號，并將判斷結果輸出給執行部分。繼電保護常用的邏輯包括“或”、“與”、 “否”、“延時”、“記憶”等。 (3)執行部分。執行部分的作用是根據邏輯部分的輸出，完成繼電保護發出斷路器跳閘命令或信號。例如，針對保護區內的故障，保護發出跳閘命令；針對異常狀態，保護發出告警信號。 二、繼電保護和自動裝置的發展 繼電保護和自動裝置是隨著電力系統的發展和科學技術的進步而發展起來的。電力系統電壓等級的提高和容量的擴大，不斷對繼電保護和自動裝置提出更高的要求，科學技術的進步為繼電保護、自動裝置的改進及性能提高創造了條件。就繼電保護技術而言，其發展過程經歷

33、了機電型、整流型、晶體管型、集成電路型和微機型等階段，目前在電力系統中運行著大量的微機型繼電保護。與以往各類繼電保護相比，微機型繼電保護在構成原理上有很大的靈活性。由于采用了微處理器和超大規模集成電路以及數字計算技術，微機型保護的性能更加完善，能夠實現復雜原理保護，并且除常規的保護功能外，還能同時實現故障錄波、故障測距和通信等功能。第三章線 路 保 護 本章介紹應用于11OkV及以下電網、反應輸電線路各種短路故障的主要繼電保護，包括反應相間短路的三段式電流保護、中性點直接接地系統階段式零序電流保護、距離保護和縱差動保護。其中三段式電流保護是最簡單、最基礎的線路保護，其分析問題的方法和思路同樣適

34、用于其他類型的保護。在講述繼電保護之前，首先介紹幾種常用的電磁型繼電器。 第一節 常用繼電器一、電流繼電器電流繼電器在繼電保護裝置中作為測量和起動元件，反應電流增大超過某一整定數值叫動作。電流繼電器接在電流互感器的二次側，因此可以反應電力系統故障或異常運行時的電流異常增大。電流繼電器反應電流增大而動作，能夠使繼電器開始動作的最小電流稱為電流繼電器的動作電流；繼電器動作后，再減小電流，使繼電器返回到原始狀態的最大電流稱為電流繼電器的返回電流；返回電流與動作電流之比稱為電流繼電器的返回系數，即 （3-1）式中 電流繼電器的動作電流； 電流繼電器的返回電流； 電流繼電器的返回系數。由電流繼電器的動作

35、原理可知，電流繼電器的動作電流恒大于返回電流，顯然電流繼電器的返回系數恒小于1，一般不小于0.85。電流繼電器的文字符號和圖形符號如表3-1所示。當通入電流繼電器線圈的電流增大到繼電器的動作電流時，繼電器動作，動合觸點閉合；當電流減小達到繼電器的返回電流時，繼電器返回，動合觸點打開。二、電壓繼電器電壓繼電器反應電壓變化而動作，分過電壓繼電器和低電壓繼電器兩種。電壓繼電器接在電壓互感器的二次側，醫此可以反應電力系統故障或異常運行時的電壓異常變化。 過電壓繼電器反映電壓增大而動作，動作電壓、返回電壓和返回系數的概念與電流繼電器類似。即能夠使繼電器開始動作的最小電壓稱為過電壓繼電器的動作電壓；繼電器

36、動作后減小電壓，使繼電器返回到原始狀態的最大電壓稱為過電壓繼電器的返回電壓；返回電壓與動作電壓之比稱為過電壓繼電器的返回系數，顯然其返回系數也恒小于1。低電壓繼電器反映電壓降低而動作，能夠使繼電器開始動作的最大電壓稱為低電壓繼電器的動作電壓；繼電器動作后升高電壓，使繼電器返回到原始狀態盼最小電壓稱為低電壓繼電器的返回電壓；同樣返回電壓與動作電壓之比稱為返回系數，即 （3-2）式中 低電壓繼電器的動作電壓； 低電壓繼電器的返回電壓； 低電壓繼電器的返回系數。 由低電壓繼電器的動作原理可知，其動作電壓恒小于返回電壓，顯然低電壓繼電器的返回系數恒大于1。 電壓繼電器的文字符號和圖形符號如表3-1所示

37、。對于低電壓繼電器，當加入繼電器線圈的電壓降低到繼電器的動作電壓時，繼電器動作，動斷觸點閉合；當電壓升高達到繼電器的返回電壓時，繼電器返回，動斷觸點打開。可見，低電壓繼電器的動作、返回過程與電流繼電器或過電壓繼電器正好相反。 三、時間繼電器 時間繼電器在繼電保護中用作時間元件，用于建立繼電保護需要的動作延時。因此對時間繼電器的要求是動作時間必須準確。 時間繼電器的文字符號和圖形符號如表3-l所示。時間繼電器一般是直流電源操作的，當繼電器線圈接通直流電源，繼電器起動，但只有達到預先整定的時閫延時其延時動合觸點才閉合，接通后續電路。 四、中間繼電器和信號繼電器 在繼電保護中中間繼電器用于增加觸點數

38、量和觸點容量，所以中間繼電器一般帶有多付觸點，可能同時具有動臺觸點和動斷觸點，其觸點容量較大。 有的中間繼電器具有觸點延時閉合或延時打開的功能，可以用于建立繼電保護需要的短的延時；有的中間繼電器具有自保持功能，可以實現電流自保持或電壓自保持。中間繼電器的文字符號和帶有動合觸點的中間繼電器圖形符號如表3-1所示。 信號繼電器用于發出繼電保護動作信號，便于值班人員發現事故和統計繼電保護動作次數。信號繼電器的文字符號是KS。根據需要將信號繼電器串聯或并聯接人二次回路，分別應選擇串聯電流型信號繼電器、并聯電壓型信號繼電器。 在微機保護中，電流、電壓繼電器由軟件算法實現，觸點可理解為邏輯電平；時間繼電器

39、由計數器實現，通過對計數脈沖進行計數獲得需要的延時。 第二節 相間短路的階段式電流保護 相間短路通常僅考慮兩相短路和三相短路的情況。電力系統發生相間短路的主要特征是電流明顯增大，利用這一特點可以構成反應電流增大的階段式電流保護。一、瞬時電流速斷保護1、瞬時電流速斷保護的工作原理從故障切除時間考慮，原則上繼電保護的動作時間越短越好，即在被保護元件或設備上裝設快速保護，瞬時電流速斷保護就是這樣的快速保護。下面用如圖3-1所示單電源線路，說明瞬時電流速斷保護的工作原理。對于圖3-1所示單側有電源的輻射形電網，電流保護裝設在線路始端，當線路發生三相短路時，短路電流計算如下 （3-3）式中 系統等效電源

40、的相電動勢；系統電源到保護安裝點的電抗；短路電抗（保護安裝點到短路點的電抗。則Xs+Xk為系統電源至短路點之間的總電抗。顯然，當短路點距離保護安裝點越遠時，Xk越大，短路電流越小；當系統電抗越大時，短路電流越小；而且短路電流與短路類型有關，同一點。短路電流與短路點的關系如圖3-1的曲線，曲線1為最大運行方式（系統電抗為，短路時出現最大短路電流）下三相短路故障時的，曲線2為最小運行方式（系統電抗為，短路時出現最小短路電流）下兩相短路故障時的。 瞬時電流速斷保護反應線路故障時電流增大動作，并且沒有動作延時，所以必須保證只有在被保護線路上發生短路時才動作，例如圖3-1的保護1必須只反應線路Ll上的短

41、路，而對L1以外的短路故障均不應動作。這就是保護的選擇性要求，瞬時電流速斷保護是通過對動作電流的合理整定來保證選擇性的。 2整定計算 一般把對繼電保護裝置動作值、動作時間的計算和靈敏度的校驗稱為繼電保護整定計算，將計算條件稱為整定原則。按照選擇性要求，圖3-1保護1的動作電流，應該大于線路L2始端短路時的最大短路電流。實際上，線路L2始端短路與線路L1末端短路時反應到保護l的短路電流幾乎沒有區別，因此，線路L1的瞬時電流速斷保護動作電流的整定原則為：躲過本線路末端短路的可能出現的最大短路電流，計算如下： （3-4） 式中 線路L1的瞬時電流速斷保護一次動作電流； 瞬時電流速斷保護的可靠系數，考

42、慮短路電流的計算誤差、測量誤差、短路電流非周期分量等因素對保護的影響，一般取1.21.3； 系統最大運行方式下，在線路L1末端(母線)發生三相短路時流過保護1(即線路U)的短路電流。按照式(3-4)計算出保護l的動作電流與短路電流的關系如圖3-1所示，動作電流與短路電流曲線的交點確定了保護能夠反應故障的范圍，即保護范圍。可見，由于短路電流與系統的運行方式和短路類型有關，在系統運行方式變化或短路類型不同時，保護范圍隨之發生變化，因此有最小保護范圍Lmin和最大保護范圍Lmax 瞬時電流速斷保護的靈敏度用最小保護范圍衡量。規程規定：瞬時電流速斷保護的最小保護范圍Lmin不小于本線路全長的1520%

43、。在某些特殊情況下，瞬時電流速斷保護可以保護線路的全長，即保護范圍可以延伸到本線路以外。例如圖3-2所示，通過線路一變壓器組接線直接向負荷供電，不論故障發生在線路還是變壓器，都應該使斷路器QP跳閘，將線路和變壓器同時切除。因此，保護l瞬時電流速斷保護動作電流的整定原則，可以按照躲過變壓器低壓側母線短路時，流過保護的最大短路電流整定，結果其保護范圍必然延伸到變壓器內部，即可以保護線路L的全長。 3原理接線圖電磁繼電器構成的瞬時電流速斷保護的原理接線如圖3-3所示。圖中電流繼電器KAl和KA2是保護的測量元件，保護范圍內相間短路故障時動作，動合觸點閉合，起動中間繼電器KM，中間繼電器是保護的執行元

44、件(也稱為保護的出口繼電器)，動作后動合觸點閉合，經信號繼電器KS線圈和斷路器QP的輔助觸點，使斷路器跳閘線圈YT帶電，斷路器QF跳閘切除故障，同時信號繼電器發出保護動作信號。圖中XB是保護出口連接片(或稱為壓板)，用于投入或退出保護時，接通或斷開保護的出口回路。 圖中中間繼電器的作用有二，其一，增加觸點容量、接通斷路器的跳閘回路；其二，增大保護的固有動作時間，避免避雷器放電造成保護誤動。 圖中斷路器QF的輔助觸點的狀態與斷路器QF主觸頭狀態相同。在保護動作斷路器QF跳閘后，輔助觸點打開，斷開跳閘回路，避免跳閘線圈YT長時間通電而燒壞；同時避免用中間繼電器KM觸點斷開跳閘回路，起到保護中間繼電

45、器KM觸點的作用。 瞬時電流速斷保護的主要優點是動作迅速、簡單可靠，缺點是不能保護線路的全長，并且保護范圍受系統運行方式影響。在最小運行方式下，其保護范圍可能很小，嚴重時可能沒有保護區。 二、限時電流速斷保護 1限時電流速斷保護的工作原理 瞬時電流速斷保護的保護范圍不能達到線路的全長，在本線路末端附近發生短路時不會動作，因此需要增設另一套保護，用于反應本線路瞬時電流速斷保護范圍以外的故障，同時作為瞬時電流速斷保護的后備，這就是限時電流速斷保護。對限時電流速斷保護的要求是，其保護范圍在任何情況下必須包括本線路的全長，并具有規定的靈敏度；同時，在保證選擇性的前提下，動作時間最短。如圖3-4所示，說

46、明限時電流速斷保護的工作原理。以線路Ll的保護1為例，限時電流速斷保護的保護范圍需包括本線路Ll的全長，則必然延伸到相鄰線路L2，但不應超出保護2的瞬時電流速斷保護的保護范圍，即，顯然，保護1的限時電流速斷保護的保護范圍，與保護2的瞬時電流速斷保護的保護范圍出現重疊區。為了保證保護的選擇性，即在線路L2始端短路時，仍然由保護2動作使斷路器QF2跳閘，保護1的限時電流速斷保護必須增加動作延時，即。2、整定計算（1）動作電流。線路L1的限時電流速斷保護動作電流的整定原則為：與相鄰線路瞬時電流速斷保護配合，計算如下： (3-5)式中 線路L1的限時電流速斷保護的一次動作電流； 限時電流速斷保護的可靠

47、系數，考慮短路電流的計算誤差、測量誤差等因素對保護的影響，一般取=1.11.2； 相鄰線路L2瞬時電流速斷保護的一次動作電流。按照式（3-5）計算出保護1的限時電流速斷保護的動作電流、保護2的瞬時電流速斷保護的動作電流，關系如圖3-4所示。（2）動作時間。線路L1的限時電流速斷保護動作時間，應與線路L2的瞬時電流速斷保護動作時間配合，整定如下： （3-6）式中 線路L1的限時電流速沁保護的動作時間； 線路L2的瞬時電流速斷保護的動作時間； 時限級差。 圖3-4可見，線路L2始端一定范圍內發生故障時，短路電流同時大于和，能夠使保護1限時電流速斷保護起動、保護2瞬時電流速斷保護動作。而此時應由保護

48、2的瞬時電流速斷保護動作，斷路器QP2跳閘，當其拒動時，才允許保護1的限時電流速斷保護動作。斷路器QF2跳閘后，保護1限時電流速斷保護應可靠返回。因此，時限級差A2具體應該包括瞬時電流速斷保護固有動作時間、斷路器分閘時間、保護動作時間誤差等，再考慮一定的時間裕度，一般取t=0.5s。與關系如圖3-4所示，一般0s，所以=t0.5s。(3)靈敏度。限時電流速斷保護的保護范圍是本線路的全長，則靈敏度應該考慮系統的各種運行方式下，保護對全線路范圍內各種故障的反應能力，選擇對保護動作最不利的情況進行校驗。限時電流速斷保護的靈敏度校驗條件為，以本線路末端兩相短路時，流過保護的最小短路電流進行校驗。圖3-

49、4保護l限時電流速斷保護的靈敏系數計算如下： (3-7)式中 限時電流速斷保護的靈敏系數，規程要求1.31.5； 限時電流速斷保護的一次動作電流； 系統最小運行方式下，本線路末端母線(對保護1即B母線)兩相短路時，流過保護的短路電流。如果按式(3-7)校驗靈敏度不滿足規程要求，則限時電流速斷保護達不到保護線路全長的目的。由式(3-7)可知，減小保護的動作電流可以提高靈敏度，所以通常解決靈敏度不足的方法是，限時電流速斷保護的動作電流及動作時間與相鄰線路的限時電流速斷保護配合，例如圖3-4中保護1具體整定如下：= （3-8）=+ （3-9）式中 線路L1的限時電流速斷保護的一次動作電流； 限時電流

50、速斷保護的可靠系數，一般取=1.11.2 ； 相鄰線路L2限時電流速斷保護的一次動作電流； 線路L1的限時電流速斷保護的動作時間； 線路L2的限時電流速斷保護的動作時間； 時限級差。顯然，按式（3-8）、式（3-9）整定，動作電流降低、靈敏度提高、保護范圍增長，但動作時間延長了。3、原理接線圈電磁繼電器構成的限時電流速斷保護的原理接線如圖3-5所示(與圖3-3相比較，相當于用KT代替了KM)。圖中電流繼電器KAl和KA2是保護的測量元件，保護范圍內相間短路故障時動作，動合觸點閉合起動時間繼電器KT，時間繼電器是保護的邏輯及執行元件，起動后動合觸點延時閉合，經信號繼電器KS線圈和斷路器QF的輔助

51、觸點，使斷路器跳閘線圈YT帶電，斷路器QF跳閘切除故障，同時信號繼電器發出保護動作信號。顯然當電流繼電器KAl或KA2動作起動時間繼電器KT后，如果在其整定時間內故障被其他保護動作切除，那么，在時間繼電器延時動合觸點閉合之前，電流繼電器KAl或KA2由于故障電流消失而返回，時間繼電器也隨之失去電源返回，則整套保護不會動作出口。這就是在相鄰線路始端發生故障的情況。限時電流速斷保護的特點是能夠保護線路的全長，簡單可靠，一般只有0.5s延時(有時為1s)，但保護范圍受系統運行方式影響。三、定時限過電流保護1定時限過電流保護的工作原理綜合瞬時電流速斷保護和限時電流速斷保護的作用，可以對全線路范圍內的任

52、何故障實現瞬時或較短延時地切除故障。為了防止由于繼電保護拒動或斷路器拒動無法切除故障的情況，還需要裝設具有近后備和遠后備作用的后備保護，定時限過電流保護就是這樣的后備保護。如圖3-6所示，在保護1瞬時電流速斷保護和限時電流速斷保護拒動時，線路L1的定時限過電流保護作為本線路的近后備保護，動作于跳閘；同時作為線路12的遠后備保護，在保護2拒動或斷路器QF2拒動時動作。顯然，線路Ll的定時限過電流保護的保護范圍應該包括線路L1和L2的全部，必然延伸到線路L3。保護范圍長，動作電流必然較小，但必須保證在系統正常運行最大負荷電流下不動作，而在L1或L2發生短路時保護起動，實現后備作用。2整定計算(1)

53、動作電流。定時限過電流保護的動作電流應滿足以下兩個條件：1)在系統正常運行時不動作，動作電流應該大于該線路的最大負荷電流，即 (3-10)2)外部故障切除后，應能夠可靠返回。例如圖3-6中，線路L2或L3上故障時，線路L1定時限過電流保護會起動，按照選擇性要求，應由線路L2或L3的保護動作，在2QF或3QF跳閘后，故障電流消失，線路L1定時限過電流保護應立即返回。注意，此時需要考慮可能存在負荷中電動機自起動過程造成的負荷電流增大，所以應滿足關系 (3-11)式中 電動機的自起動系數，一般為1.53。綜合考慮式(3-10)和式(3-11)，定時限過電流保護的動作電流整定為 (3-12)式中 定時

54、限過電流保護的一次動作電流； 定時限過電流保護的可靠系數，一般取1.151.25； 電流繼電器的返回系數，一般取0.85； 流過被保護線路的最大負荷電流。確定最大負荷電流，需要根據具體電網的實際情況，考慮最嚴重情況下，可能出現的最大負荷電流。考慮到上、下級過電流保護靈敏度配合要求，圖3-6所示定時限過電流保護的動作電流，應滿足關系。 (2)動作時間。如圖3-7的定時限過電流保護動作時間整定示意圖所示，當k1點發生故障時，保護1和保護2的定時限過電流繼電器同時起動，按照繼電保護選擇性要求，此時應該由保護2動作，使斷路器2QF跳閘，在保護2或斷路器2QP拒動時，才允許保護1動作，使斷路器lQP跳閘

55、，即保護1和保護2定時限過電流保護的動作時間應該滿足關系。同理，當k2點發生故障時，應由保護3動作，使斷路器3QF跳閘，在保護3或斷路器3QF拒動時，才允許保護2動作，使斷路器2QF跳閘，即按照繼電保護選擇性要求，保護2和保護3定時限過電流保護的動作時間應該滿足關系。線路L1、L2和L3的定時限過電流保護動作時間整定如下： 式中 、 分別為線路Ll、L2和L3的定時限過電流保護的動作時間； t時限級差。以上整定原則可見，定時限過電流保護越靠近電源處，動作時間越長：越靠近負荷端，動作時間越短；并且相鄰線路動作時間相差一個時限級差。一般將定時限過電流保護動作時間整定原則稱為階梯時限原則。顯然，定時

56、限過電流保護是通過動作電流間的靈敏度配合、時限階梯特性保證動作選擇性的。實際中，電流保護的動作時限有定時限和反時限兩種實現方法。以上電流保護的動作時間一經整定，則不隨通入保護的電流變化，保護起動后按照預先整定值延時動作，因此稱為定時限過電流保護。如果電流保護的動作時間與通人保護的電流有關，保護起動后，當電流大時動作時間短，電流小時動作時間長，則稱為反時限電流保護。即定時限過電流保護的動作時限一經整定則固定不再變化，而反時限過電流保護的動作時間則隨通入保護的電流呈反時限變化。(3)靈敏度。定時限過電流保護的靈敏度校驗需考慮近后備和遠后備兩種情況，靈敏系數計算如下： (3-13)式中 定時限過電流

57、保護的一次動作電流； 系統最小運行方式下，保護范圍末端兩相短路流過 保護的短路電流，作為近后備保護，故障點為本線 路末端母線短路，作為遠后備保護，故障點為最長相鄰線路末端母線短路； 定時限過電流保護的靈敏系數。規程要求：作為近后備保護，1.31.5；作為遠后備保護，1.2。如果靈敏系數不滿足規程要求，可以考慮采用其他保護。3原理接線圖由定時限過電流保護原理可知，保護的構成元件與限時電流速斷保護相同，所以接線圖與圖3-5相同。定時限過電流保護的主要優點是靈敏度高，簡單可靠，但由于按照階梯時限原則整定動作時限，動作時間長，尤其是靠近電源端動作時間更長，因此一般作為后備保護。四、三段式電流保護如前所

58、述，瞬時電流速斷保護無動作延時，通過動作電流的整定保證選擇性，只能保護本線路始端一部分；限時電流速斷保護帶有短延時(一般為0.5s)，通過動作電流的整定和短延時保證選擇性，可以保護本線路的全長；定時限過電流保護帶有較長的延時，通過動作電流間的靈敏度配合、動作時限的配合保證選擇性，能夠保護本線路的全長和相鄰線路的全長。通常，將瞬時電流速斷保護、限時電流速斷保護和定時限過電流保護組合在一起，構成三段式電流保護。瞬時電流速斷保護稱為工段保護，或電流保護I段；限時電流速斷保護稱為段保護，或電流保護段；定時限過電流保護稱為段保護，或電流保護段。其中，電流保護工段和電流保護段組成線路的主保護，電流保護段作

59、為本線路的近后備保護和相鄰線路的遠后備保護。三段式電流保護的原理邏輯框圖如圖3-8所示。用于反應相間故障的電流保護通常可以有選擇地接人兩相電流，一般接入A相和C相電流，則任何相間短路至少有一相的電流元件可以反應。但需要注意，在同一電壓等級中，兩相電流應取自同名相。圖3-8中I、分別為電流保護I段、段、段的電流測量元件(可以采用電流繼電器)，T1、T2分別為電流保護段、段的時間元件(可以采用時間繼電器)。圖中Hl、H2、H3、H4是或門。在工程應用中，三段式電流保護不一定三段全部投入。例如，當系統運行方式變化很大，I段保護范圍太小或沒有保護區時，則不投入I段；對于線路一變壓器接線，工段可以保護線

60、路全長時，則可以不投入段；在末端線路，可能段和段的動作時間相同，則也可以不投入段。五、方向電流保護上述三段式電流保護的選擇性是通過動作電流、動作時間整定來保證的，對于雙側有電源的線路或環網線路，在有些情況下通過動作電流、動作時限整定不能保證保護的選擇性。如圖3-9所示雙側電源線路，當k1點發生故障時，要使斷路器5QF跳閘、4QF不跳閘，則應該滿足t4 t5當k2發生故障時，要使斷路器4QF跳閘、5QF不跳閘，則應該滿足t4 第三節 接地保護一、中性點直接接地系統的零序電流保護中性點直接接地系統發生接地短路時產生很大的短路電流，要求繼電保護必須及時動作切除故障，保證設備和系統的安全。 (一)接地