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第四章供电系统的继电保护与自动装置4.1继电保护的基本概念第一个完整的电力系统（由发电机、电缆、熔丝、电表及负荷组成）是由托马斯爱迪生（ThomasEdison）在纽约城上历史上有名的皮埃尔大街站（PearlStreetStation）建成并于1882年9月投入运行，这只是一个直流电系统，供电半径也只有1.5km，负荷全部为白炽灯。这个完整电力系统仅在线路中插入一段细小的金属丝来作保护，用于在系统发生短路故障时，切断电源与负荷间的联系。可以说自有电力系统以来，就有保护。图4-1示出了一条馈线（配电网中直接由电源母线分配出去的一条配电线路）的继电保护系统，由图可见当馈线上发生故障时，需要跳开断路器使故障点失去能量来源以切除该故障。而保护装置通过测量经电压互感器、电流互感器所获得的母线电压及线路电流等信息，判断故障确实存在，向断路器操动机构发出跳闸命令，后者执行跳闸操作，跳开断路器的三相主触头，切断故障电流。相对于该继电保护系统而言，该馈线属于其保护对象。1、电力系统的外科医生根据电力系统理论，在概念上可以将电力系统的运行状态分为如图4-2所示的五个状态，即：正常、警戒、紧急、极端和恢复状态。由此可见，电力系统继电保护的作用于电力系统各个运行状态之中，它是为电力系统安全稳定服务的，但他与其它带有调节性质的自动装置（如电压调节、频率调节装置）的主要区别是：继电保护的主要作用是自动故障元件或异常运行的元件从系统中切除，其特点是动作速度快，动作于跳开断路器或发出告警信号。它的身份相当于电力系统的“外科医生”；继电保护的跳闸行为，相当于对电力系统实施“切除手术”，目的是保证其它系统部分的完好。综上所述，继电保护的基本任务是：1)、切除故障元件自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行。2)、反映不正常运行状态反映电气元件的不正常工作状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号或跳闸，此时一般不要求迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误动作。2.继电保护是什么电力系统继电保护泛指继电保护技术和由各种继电保护装置构成的继电保护系统因在其发展过程中曾主要用有触点的继电器来构成保护装置，所以延称继电保护。继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护装置运行与维护等技术构成。其中，继电保护装置是保护功能的具体实现，是保证电力系统安全运行至关重要的一种自动装置。继电保护装置可定义为在电力系统发生故障或不正常工作状态时，在规定的时间内动作于断路器跳闸或发出告警信号的一种安全自动装置。一个保护系统包括一个或多个保护装置，仪用互感器、接线、跳闸回路及辅助电源，有时还有通信系统。根据保护系统的原理，它可以包括被保护区的一端或所有各端，可能还包括自动重合闸装置，但保护系统不包括断路器。测量部分：从被保护对象输入有关信号，经综合或变换后送给逻辑元件；逻辑部分：根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组合，进行逻辑判断，以确定保护装置是否应该动作；执行部分：根据逻辑部分做出的判断，执行保护装置所担负的任务（跳闸或发信号）。3.几个需要注意的问题1).继电保护与防止故障继电保护并不能防止故障的发生，继电保护的功能，只有在电力系统发生事故时才能表现出来，它并不能预测与防止事故的发生。2).继电保护与继电保护装置继电保护并不单指继电保护装置，任何情况下，都不能脱离一次系统的需求，脱离继电保护的电流、电压输入量，脱离继电保护对断路器的控制以及断路器本身的动作行为（如动作速度）来讨论继电保护的动作行为。3).保护的用法继电保护装置本身不能直接用于高电压及大电流设备上。4).自动装置继电保护装置属于自动动作的装置，属于自动控制设备的一类。4.2继电器与继电保护装置4.2.1继电保护常用术语1.触点2.保护的起动与动作图4-3图中“起动”并不等同于“动作”。3.整定为配合实际应用的需要，大部分继电保护装置的起动值（始动值）是可以调整的，如图4-5中的KA、KT的整定值。这种调整的过程及步骤被称为对继电保护装置的“整定”，所整定的值被称为整定值。如图4-5中，可将KA的动作值整定为5A，KT动作时间整定为1s等。4.保护跳闸继电器（保护装置）向断路器的操动机构发出跳闸命令（通过一常开触点实现），将断路器跳开，这种过程称为保护跳闸。结合图4-1及图4-3可理解这一过程。4.2.2继电保护常用电气文字符号继电保护常用的电气文字符号随着技术的发展及行业标准、国家标准的推广而在不断地改变，各地区的电力行业对于继电器、继电保护装置的称谓也会有所区别，目前我国继电保护的电气文字符号日趋国际化、标准化，在学习本课程时会发现许多参考资料所列某继电保护装置的名称仍会延用旧名称，在使用时，应尽功能地遵照国家标准。4.2.3对继电保护的要求（一）可靠性可靠性是指要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，不误动（安全性），在需要它动作时应可靠动作，不拒动（信赖性）。如图4-5所示，K1，K2代表具有相同功能的保护装置，分图（a）中，只要K1动作，分图（b）中，只有K1，K2同时动作，才能实现跳闸，两者在逻辑上构成与门关系，分图（c）中，只要K1，K2有一者动作，就能实现跳闸，，两者在逻辑上构成或门关系。相对于分图（a）而言，分图（b）中保护的防误动的能力即安全性增加了，但同时防拒动的能力也随之减弱了。分图（c）中保护信赖性增加了，安全性随之减弱。（二）选择性保护的选择性（selectivityofprotection）是指保护检出电力系统的故障区和/或故障相的能力。当发生故障时，应尽能缩小电力系统被停电的范围，只将故障部分从系统中切除，最大限度地保证系统中无故障部分的仍能继续安全运行。只有当该保护或断路器拒动时，才允许由相邻设备、线路的保护切除故障。图4、6继电保护纵向选择性动作示意图（三）速动性保护的速动性（speedofprotection）是指保护尽可能快地切除故障的能力。故障的快速切除，有利于减轻对于电力设备的损害及维持电力系统的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间。因此，在发生故障时，应力求保护装置能够迅速动作，切除故障。在学习过程中要牢记继电保护是随电力系统之生而生，其宗旨始终是服务于系统的安全稳定运行。继电保护的原理设计、配置、整定、调试技术以及对于继电保护装置的“四性”要求都是围绕这是主题展开，因此在今后的学习中应多学习电力系统故障分析、电气设备的相关知识，多从电力系统的角度出发去想问题，去理解继电保护，而不是反过来从继电保护自身的需求出发去要求电力系统。保护的灵敏性是指保护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。满足灵敏性要求的保护装置应该是在规定的保护范围内部故障时，在系统任意的运行条件下，无论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，当发生短路时都能敏锐感觉、正确反应。灵敏性通常用灵敏系数或灵敏度来衡量，增大灵敏度，将增加保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。（四）灵敏性4.3、常用保护继电器（一）保护继电器的分类按其反应物理量分：电流继电器、电压继电器、功率继电器、气体继电器等；按其在保护装置中的功能分：起动继电器、时间继电器、信号继电器和中间继电器等；按其组成元件分：机电型、电子型和微机型等继电器。机电型按其结构原理分，有电磁式、感应式等继电器。电子型继电器又称静态继电器，包括晶体管型继电器和集成电路型继电器两类。优点：保护性能好、可靠性高、灵活性大、调试维护方便。优点：动作灵敏、体积小、能耗低、耐震动、无机械惯性、寿命长。微机型继电器又称数字式继电器，是以微处理器为核心组成的新型继电保护装置。电磁型电流继电器中间继电器时间继电器信号继电器感应型电流继电器静态继电器实物图片1．电磁型电流继电器结构：由电磁铁、可动衔铁、线圈、触点和反作用弹簧等元件组成，如图4-7所示。工作原理：当在继电器线圈中通入电流时，电磁铁产生的电磁力矩克服弹簧的反作用力矩，钢舌片转动，带动动触点5和静触点4接触，使常开触点闭合，继电器动作。图4-7电磁式电流继电器结构图1－线圈2－电磁铁3－钢舌片4－静触点5－动触点6－起动电流调节转杆7－标度盘（铭牌）8－轴承9－反作用弹簧10－转轴（二）电磁型继电器（DL型）动作电流：能使继电器产生动作的最小电流，称为继电器的动作电流，用Iop.K表示。返回电流：能使继电器返回到原始位置的最大电流，称为继电器的返回电流，用Ire.K表示。返回系数：继电器的返回电流与动作电流的比值，用Kre表示，即调整继电器动作电流的方法有：改变继电器线圈匝数NK（级进调节）；调节反作用弹簧的松紧，即调节Msp（平滑调节）；KopKrereIIK..说明：过电流继电器的返回系数Kre1，一般要求不低于0.85。2．电磁型电压继电器其结构和原理与电磁型电流继电器相似，在供配电系统中多用低电压（欠电压）继电器。动作电压：能使继电器产生动作的最高电压，称为继电器的动作电压，用Uop.K表示。返回电压：能使继电器返回到原始位置的最低电压，称为继电器的返回电压，用Ure.K表示。返回系数：是指继电器的返回电压与动作电压的比值。说明：低电压继电器的返回系数Kre＞1，一般要求不大于1.25。4.电磁型中间继电器作用:5.信号继电器的作用：用于各保护装置回路中，作为保护动作的指示信号，以提醒运行人员注意。为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量；使触点闭合或断开时带有不大的延时(0.4～0.8s)；通过继电器的自保持，以适应保护装置的需要。3．电磁型时间继电器的作用：使保护装置获得一定的延时，以保证保护装置动作的选择性。（三）感应型继电器（GL型）结构：如图4-8所示。感应系统：由线圈1、带短路环3的电磁铁2和铝盘4组成，它的动作是有时限的；电磁系统：由线圈1、电磁铁2和衔铁15组成，它的动作是瞬时的。图4-8感应式电流继电器结构图1—线圈2—电磁铁3—短路环4—可转铝盘5—钢片6—可偏铝框架7—调节弹簧8—制动永久磁铁9—扇形齿轮10—蜗杆11—扁杆12—继电器触点13—时限调节螺杆14—速断电流调节螺钉15—衔铁16—动作电流调节插销工作原理：当在继电器线圈中通入电流时，电磁铁2在短路环3的作用下，产生相位一前一后的两个磁通和，均穿过可动铝盘4，则作用在铝盘上的电磁转矩为1Φ2Φ2211sinKIΦKΦM铝盘在转矩M1作用下转动后，切割永久磁铁的磁通而在铝盘中产生涡流，产生制动力矩。nM221MM当时，铝盘匀速旋转；当铝盘受到的合力克服弹簧的阻力时，蜗杆与扇形齿片相咬合，继电器动作。感应系统的动作电流：指蜗杆与扇形齿轮相咬合时，线圈所需要通入的最小电流。返回电流：指使扇形齿轮脱离蜗杆返回到原来位置时的最大电流。动作时间：指从蜗杆与扇形齿片相咬合起到接点闭合这一段时间。图4-9感应型电流继电器的动作特性曲线电磁系统的速断电流：指当通入继电器线圈的电流大到整定值的某个倍数时，未等感应系统动作，衔铁右端瞬时被吸下，接点立即闭合。时限特性：如图4-9所示。ab段——“反时限特性”（此时继电器铁心尚未饱和）；bc段——“定时限”（铁心已达到饱和）；de段——“速断特性”。说明：“速断电流倍数”是速断电流与感应元件动作电流之比。动作电流与动作时限调节方法感应系统的动作电流调节：改变线圈的匝数（级进调节）；改变弹簧的拉力（平滑调节）。动作电流的整定值通过插孔板拧入螺钉来改变线圈的匝数来调整（2，2.5，3…4.5，5，6…9，10A）。电磁系统动作电流调节：改变衔铁与电磁铁之间的气隙。其速断动作电流调整范围是感应系统整定电流值的2～8倍。感应系统的动作时限：改变扇形齿轮顶杆行程的起点，使动作特性上下移动。注意：继电器动作时限调节螺杆的标度尺，是以10倍动作电流