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§第二篇

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6繼電保護

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§與安全自動

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§裝置整定計算

38第二篇繼電保護與安全自動裝置整定計算

第一章電力系統繼電保護基礎知識

第一章電力系統繼電保護基礎知識

第一節繼電保護的系統配置與繼電特性

一、繼電保護的系統配置與保護范圍

繼電保護在應用中通常把電力系統劃分成很多個保護分區，每個保護分區都能充分

得到保護，而且系統被斷電隔離的部分為最小。圖2-1-1所示的一個簡化的典型電力

圖2-1-1典型電力系統及其保護分區

系統及其保護分區，其中每一個封閉的虛線框對應一個保護分區。繼電保護需要按照保

護分區來進行系統配置，每一個保護分區確定了相應的繼電保護裝置的保護范圍。保護

分區的劃分有如下原則。

40第二篇繼電保護與安全自動裝置整定計算

1.保護分區必須覆蓋整個電力系統

保護分區必須覆蓋整個電力系統，不允許存在死區。由于故障區域隔離是依靠斷路

器實現的，因此保護分區通常以斷路器的位置為邊界，稱為基本保護分區。如果基本保

護分區內包含不止一個電氣元件，為了保證保護的靈敏度和確定故障元件，可在基本保

護分區內再細分為各電氣元件的保護分區，限定相應電氣元件的繼電保護的保護范圍，

該保護動作跳閘時作用于最近的斷路器。

2.保護分區之間保護范圍應有重疊

在每個保護分區之間保護范圍是有重疊的，這可避免保護分區之間的交界處失去保

護。構成這種重疊的方法之一是，為繼電保護裝置正確地選擇保護分區交界處的電流互

感器，如圖2-1-2所示。

----.................................—分區B用TA

分區A-.......Loo----------斷路器-------8=----分區B

分區A用TA--------------------------------------------------1

（a）

分區A---------------------------斷路器——°°°\------------------分區B

分區A用TA----------------------------------

---------------------分區B用TA

（b）

圖2-1-2按重疊保護范圍正確地選擇保護分區交界處的電流互感器

（a）電流互感器位于斷路器兩側：（b）電流互感器位于斷路器一側

3.保護分區應按電氣元件的類型來劃分

保護分區應按電氣元件的類型來劃分。由圖2-1-1可見，電力系統的保護分區保

護有如下基本類型：1——發電機，2——變壓器（或發電機變壓器組），3——母線,

4——輸配電線路，5——電動機（或其他用電設備）等。

實際上，上述保護分區確定的是主保護的保護范圍，即任一個保護分區內發生故障

時，首先只能由相應的主保護裝置動作，使該分區的斷路器（可能不止一個）切除故

障；當主保護或斷路器失效時，再由后備保護動作。后備保護的保護分區可能與相應的

主保護分區相同（如對付主保護失效的某些近后備保護），也可能擴大至相鄰的主保護

分區（如對付主保護及斷路器失效的某些近后備保護以及遠后備保護），這將在后續章

節中說明。

第一章電力系統繼電保護基礎知識41

以上討論了按地域以及按設備進行保護分區的問題，這是保護分區的主要方面。在

繼電保護的應用中，有些情況下還需要考慮按故障類型（如相間短路、接地故障等）來

限定某些保護裝置的職責范圍，即某種保護裝置只反應某種類型的故障，以便采取不同

的處理措施和確定故障類型。這也將在后續章節中說明。

由保護分區的概念可知，繼電保護裝置感受到系統發生故障并不是其動作的必要和

充分條件（注意此時凡是流過短路電流的保護裝置都可能感受到故障），繼電保護裝置

只有檢測到與其對應的保護分區內發生故障，且這故障是其規定的故障類型時才允許動

作，這正是保護選擇性的要求。

二、繼電特性

如前所述，電力系統發生故障時常常會伴隨著某些電量的增大（如電流）和某些電

量的減小（如電壓），所以實用中有兩種基本的繼電保護裝置或保護繼電器：一種是反

映電量增大的保護繼電器，即當測量電量值大于整定值時動作的保護繼電器，稱為過量

繼電器（如過電流保護）；另一種是反映電量減小的保護繼電器，即當測量電量值小于

整定值時動作的保護繼電器，稱為欠量繼電器（如低電壓保護）。

為了保證快速而有選擇地切除故障，首先需要有正確的保護原理和準確的測量，還

要求繼電保護的動作狀態應確切和穩定，這些要求是靠繼電特性來保證的。以過電流保

護為例，其繼電特性如圖2-1-3所示。在圖2-1-3中，橫軸表示流過繼電器的電流

1r,（即輸入量）；縱軸表示過電流保護出口（即輸出量）的狀態：返回狀態（比如輸出

常開接點的“斷開”狀態）或動作狀態（比如輸出常開接點的“閉合”狀態）。假設最

初。很小，保護出口處于返回狀態。當。逐漸增大時保護出口的狀態起先并不發生變

化，若進一步增加使之達到過電流保護的動作電流/叩，則保護出口的狀態將立即由

返回狀態躍變至動作狀態（即輸出接點由“斷開”躍變為“閉合”），顯然只要維持，

N/叩，保護出口就將一直保持動作狀態。然后逐漸減小使。反方向重新達到動作

電流/叩，甚至略小于/叩，這時保護出口的狀態并不會馬上由動作狀態轉變到返回狀

態，只有進一步減小使之達到過電流保護的返回電流（，保護出口的狀態才會立

即由動作狀態躍變至返回狀態（即輸出接點由“閉合”躍變為“斷開”），隨后繼續減小

%只要維持/rW（，保護出口都將一直保持返回狀態。簡言之，在。逐漸增大過程

中，保護出口的狀態當達到/叩時會立即躍變至動作狀態，隨后只要維持">/葉就

將一直保持動作狀態；反之在逐漸減小過程中，保護出口的狀態當心達到/加時會

立即躍變至返回狀態，隨后只要維持1,.</叩就將一直保持返回狀態。圖2-1-3所示的

保護繼電器的輸入電流與輸出狀態之間的矩形的動作和返回特性稱為繼電特性。這

里是以過量繼電器（過電流保護）為例得到的繼電特性，類似地一樣可以得到欠量繼電

42第二篇繼電保護與安全自動裝置整定計算

器的繼電特性。

繼電特性表明對保護繼電器有兩個重要的技術要求：①規定出口狀態垂直躍變，使

保護繼電器的出口應永遠處在“返回”或“動作”狀態的一種狀態，決不能呈現處于二

者之間的中間狀態（似動非動）；②規定動作值（/叩）與返回值（/?,）不相等（即/少

W/Q使保護繼電器不會因為測量誤差等原因而使其出口狀態在“返回”或“動作”

狀態之間頻繁切換（實際上測量誤差總會存在，如果動作值與返回值相等，則當輸入值

在動作值附近時就有可能出現這種情況）。前者表明保護繼電器動作的確切性要求，后

者表明動作的穩定性要求。

捺②

出-

器

動作

鐘

費

返回

圖2-1-3過電流繼電器的

繼電特性

保護繼電器的返回值與動作值之比稱為返回系數，記為Ki以過電流保護為例，

其返回系數定義為：

K.=/“〃邛（1-1）

顯然，對于過量繼電器，分＜1,而對于欠量繼電器，兒＞1。一般要求過量繼電

器的K”＞0.85,欠量繼電器的4wl.2.保護繼電器的測量精度越高，其返回系數

允許越接近于1（但不能等于1）,例如，通常微機型過電流保護的心=（）.90-0.95.

三、繼電保護的系統性

繼電保護技術及裝置始終和系統性概念聯系在一起，主要包含以下幾方面的內容：

1.如上所述，繼電保護是按整個電力系統分區配置和確定其保護范圍的；繼電保

護裝置不僅要保證具體保護對象的安全，更重要的是需要保證電力系統的安全和穩定,

因此必須依此來確定其技術要求（如保護的配置、保護的整定計算、各保護分區之間以

及主保護與后備保護之間的配合等）。

2.繼電保護功能是依靠由各種傳感器（如電力互感器）、繼電保護裝置及控制對象

第一章電力系統繼電保護基礎知識43

（如斷路器）構成的系統來實現的，因此，不僅要研究繼電保護裝置的原理及實現技術，

還必須研究傳感器及控制對象的技術特性及要求。

3.對于一個保護對象，為了保證其保護的可靠性和完備性，常常要求用多個繼電

保護裝置構成一個保護系統。例如，220kV及以上的輸電線路的保護通常要求配置兩套

能夠全線快速動作的主保護和至少一套后備保護；又如，大型發電機保護通常要求配置

十多種不同保護功能的保護等。另外，繼電保護裝置要本身自成一個系統。第一章己經

介紹了繼電保護裝置的基本構成，典型的微機型繼電保護裝置的構成還可進一步細分

為：信號輸入變換、信號調理、數據采集、數字濾波、特征電量計算、故障判別、邏輯

綜合、操作命令輸出、出口驅動以及人機對話、網絡通信等，由這些部分形成一個獨立

的系統來擔負繼電保護裝置的功能。

第二節繼電保護裝置的基本構成原理

繼電保護裝置按其實現技術可分為機電型、整流型、晶體管型、集成電路型以及微

機型等五大類繼電保護裝置，這實際上也反映了繼電保護裝置的發展過程。機電型繼電

保護裝置的歷史最長，它基于電磁引力或電磁感應作用產生機械動作的原理制成。整流

型繼電保護裝置的特點是，將輸入電量經不同的輸入變換器和R、L、C電路形成各種

特征量，再經整流電路構成動作量和制動量，驅動靈敏的極化繼電器（一種單極性動作

的繼電器）產生動作。晶體管型和集成電路型繼電保護裝置都是通過復雜的電子電路來

實現保護原理的，與機電型、整流型繼電保護裝置相比可以實現更為復雜的保護原理和

獲得更為優良的保護性能。由于集成電路器件較晶體管的性能優越（如集成度高、體積

小、功耗低、功能完備、可靠性高等），因此，晶體管型繼電保護裝置已近于被集成電

路型繼電保護裝置淘汰。微機型繼電保護裝置的核心是一臺專用的微型計算機，它控制

與外部接口的電子電路，將傳感器送來的信號變換為數據，然后進行復雜的算術和邏輯

運算，對故障作出判斷并發出動作指令。微機型繼電保護裝置不僅能夠實現其他種類保

護難以實現的保護原理，還可以完成電力自動化所需要的各種智能化測量、控制、通信

及管理功能，因而，是目前最先進的繼電保護裝置。

機電型、整流型繼電保護裝置的共同點是，它們的測量信號和動作能量全部來自于

電力互感器（對電力互感器的功率消耗較大，并會影響測量精度和動作速度），無需再

提供另外的工作電源，因而，被稱為無源型繼電保護。晶體管型、集成電路型及微機型

繼電保護裝置的共同點是，它們只需要由電力互感器提供測量信號（對電力互感器的功

率消耗極小，并提高于測量精度和動作速度），但需要另外提供工作電源（通常來自于

44第二篇繼電保護與安全自動裝置整定計算

電站的蓄電池），才能使電子電路正常工作，因而，被稱為有源型繼電保護。機電型、

整流型、晶體管型及集成電路型繼電保護裝置的共同點是，其內部電路直接對模擬電量

進行處理，因而，被統稱為模擬式繼電保護裝置。微機型繼電保護裝置則以處理數字信

號為特征，因而，被稱為數字式繼電保護裝置。

由于歷史的原因，目前在電力系統中呈現上述五類繼電保護裝置并存的局面，但微

機型繼電保護裝置代表了現代繼電保護發展的主導方向，它正在快速地取代各種模擬式

繼電保護裝置，并且已經占據了統治地位。本書不專門討論機電型、晶體管型繼電保護

裝置，有興趣的讀者請參閱其他書籍；對于電磁型、整流型、集成電路型繼電保護裝置

的電路原理將在后續章節中結合相關內容加以介紹；本節只扼要討論微機型繼電保護裝

置的基本構成原理和特點。

一、微機型繼電保護裝置的基本構成原理

?臺完整的微機型繼電保護裝置（以下簡稱為微機型保護）的構成包含硬件和軟件

兩部分。硬件指模擬和數字電子電路，由它建立起與微機型保護外部系統的電氣聯系和

軟件運行的平臺；軟件指計算機程序，由它按照保護原理和功能的要求對硬件進行控

制，有序地完成數據采集、外部信息交換、數字運算和邏輯判斷、動作指令執行等各項

操作。所有模擬型繼電保護裝置完全依賴硬件電路來實現保護原理和功能。而微機型保

護則不然，需要硬件和軟件的配合才能實現保護原理和功能，缺一不可。甚至從某種角

度上說，軟件才真正代表了保護裝置的技術內涵和特點。為同一套硬件配上不同的軟

件，就能構成不同特性的或者不同功能的保護，正是這?優點使微機型保護具有超越模

擬式繼電保護裝置的靈活性、開放性和適應性。

微機型保護的硬件結構框圖如圖2-1-4所示。由圖可見，微機型保護的硬件以數

字核心部件為中心，圍繞著數字核心部件的是各種外圍接口部件。下面分別介紹各部件

的功用和特點。這里再次強調，各部件的功用需要在軟件的支持下才能實現。

（-）數字核心部件

微機型保護裝置的數字核心部件實質上就是??臺特別設計的專用微型計算機，一般

由中央處理器（CPU）、存儲器、定時器/計數器及控制電路等部分組成，并通過數據總

線、地址總線、控制總線連成?個系統。繼電保護程序在數字核心部件內運行，指揮各

種外圍接口部件運轉，完成數字信號處理，實現保護原理。

CPU是數字核心部件以及整個微機型保護的指揮中樞，計算機程序的運行依賴于

CPU來實現。因此，CPU在很大程度上決定了微機型保護系統的技術水平。CPU的主要

技術指標包括字長（用二進制位數表示）、指令的豐富性、運行速度（用典型指令執行

時間表示）等。當前應用于微機型保護的CPU主要有以下幾種類型：

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0

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2模擬量輸入接口部件息處

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模擬量輸入

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保存數據用RAM