第一章 继电保护基础知识

第一章继电保护基础知识

一、电力系统在运行中，不可避免地会发生故障和不正常工作情况。

1、最常见的故障是各种形式的短路，如三相短路、两相接地短路、两相短路、单相接地短路、发电机和变压器的绕组匝间短路等。此外，输电线路还可能发生一相或两相断线以及断线和短路同时发生的复杂故障。

2、最常见的不正常工作情况是过负荷，长时间过负荷会使载流设备和绝缘温度升高，加速绝缘老化或设备遭到损坏，严重时甚至引起故障。此外，水轮发电机突然甩负荷引起过电压，电力系统有功缺额会引起频率降低，这也是不正常工作情况。

二、继电保护的概念。

继电保护装置是反应电力系统中电气设备故障或不正常工作情况而作用于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

电力系统继电保护——是继电保护技术和继电保护装置的统称。

三、主保护和后备保护的概念。

1、主保护：满足系统稳定和设备安全要求，能以最快速度有选择地切除被保护设备或线路故障的保护。

2、后备保护：主保护或断路器拒动时用来切除故障的保护，又分为远后备和近后备。

3、远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后

备保护。

4、近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备的保护；当断路器拒动时，由断路器失灵保护来实现后备保护。

5、辅助保护：为补充主保护和后备保护的性能或当主保护和后备保护退出运行而增设的简单保护。

四、故障的性质分类：暂时性故障、永久性故障

五、对继电保护的基本要求，可分为安全性、可靠性、速动性、选择性与灵敏性。

1、安全性、可靠性和保护的双重化。

安全性与可靠性是对继电保护最根本的要求。安全性指的是断电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动作。可靠性指的是继电保护在需要它动作时能可靠动作，即不发生拒绝动作。

为保证短路故障时跳闸的可靠性，许多220KV以上的超高压线路继电保护采用了二中取一的双重化配置原则，即在每一回线路上装设两套完全独立的性能均满足电力系统稳定要求的继电保护。每一套保护所用的直流电源、互感器二次绕组、控制电缆、出囗回路等完全分开，而且两套保护的动作原理一般也不相同。这样两套保护可互为备用，性能上也互为补充。

我们电站的金石线的主保护就是采用一套高频距离和一套光纤分相差动，金洪线采用一套光纤距离和一套光纤分相差动。二中取一的双重化方式保证了短路故障时继电保护动作的可靠性，同时带来了便利检修的特点，可以停用一套继电保护进行维护试验而不影响输电线路的正常运行。二中取一的双重化方式要着重注意每一套保护的安全性，采取相应措施防止误动作。

2、选择性

选择性是指继电保护在可能最小的区间内将故障元件从电力系统中断开，使停电范

围最小，以保证系统中无故障部份仍能继续安全运行。它包含了两方面的内容：其一，只应是装设在故障元件上的继电保护动作切除故障；其二，考虑继电保护或断路器有拒动的可能，要力争相邻元件的继电保护能起后备作用。如图说明：

当d1短路时，保护1、2动→跳1DL、2DL，有选择性

当d2短路时，保护5、6动→跳5DL、6DL，有选择性

当d3短路时，保护7、8动→跳7DL、8DL，有选择性

若保护7拒动或7DL拒动，保护5动→跳5DL（有选择性）

若保护7和7DL正确动作于跳闸，保护5动→跳5DL，则越级跳闸（非选择性）

选择性就是故障点在区内就动作，区外不动作。当主保护未动作时，由近后备或远后备切除故障，使停电面积最小。

3、速动性

是指继电保护以可能最短的时限将短路故障或不正常工作情况从电力系统中切除或消除。

实践证明，许多相间短路故障是由单相短路发展而成，若继电保护动作快速，就可减少相间短路故障机率，充分发挥单相重合闸的效能，这对于单回的电源网络线是尤为重要的。

短路故障切除的总时间等于继电保护和断路器动作时间之和。一般快速保护动作时间为0.08～0.12S，最快的为0.015～0.04S；一般的断路器跳闸时间为0.06～0.15S，最快的为0.02～0.05S。

4、灵敏性

灵敏性是指继电保护对在其保护范围内发生短路故障或系统不正常工作状态的反应能力，习惯用灵敏系数来表示，又可称之为灵敏度。

整定计算时，要保证在最不利条件下仍能可靠动作。各类保护的灵敏度均有具体规定。

六、继电保护技术发展概况。

1、机电型保护阶段

2、整流型保护阶段

3、晶体管型保护阶段

4、集成电路型继电保护

5、微机型继电保护（1979年我国开始注意微机保护发展动向，到1984年微机距离保护样机经过试运行后通过科研鉴定，投入生产。）

七、继电保护的基本原理

继电保护主要利用电力系统中元件发生短路或异常情况时的电气量(电流、电压、功

率、频率等)的变化，构成继电保护动作的原理，也有其他的物理量，如变压器油箱内故

障时伴随产生的大量瓦斯和油流速度的增大或油压强度的增高。大多数情况下，不管反

应哪种物理量，继电保护装置都包括测量部分(和定值调整部分)、逻辑部分、执行部分。

为区分系统正常运行状态与故障或不正常运行状态——找差别：特征。

① 增加 故障点与电源间 —>过电流保护

② U 降低 —>低电压保护

③ φφI U arg 变化； 正常：20°左右 —>短路：60°～85°—>方向保护.

④ Z=I U

模值减少 增加ψ —>阻抗保护

⑤ 出入I I = —>出入I I ≠ ——电流差动保护

⑥ I 2 、I 0 序分量保护等。

另非电气量：瓦斯保护，过热保护

原则上说：只要找出正常运行与故障时系统中电气量或非电气量的变化特征（差别），即可找出一种原理，且差别越明显，保护性能越好。

第二章 保护原理说明

一、发电机保护

1. 配置保护的重要性

水轮发电机是电厂最主要的设备之一，水轮发电机组发生故障后，如果不能及时停机和隔离，不仅使设备的故障扩大，而且会波及其他设备，破坏系统的稳定性，扩大事故范围，同时修复工作复杂且工期长，经济损失也较大。因此，为保证水轮发电机组在故障时能可靠从系统中解列停机，必须配置一套完整的水轮发电机保护。

水轮发电机组保护分为电气保护和水机保护，水机保护主要有断水保护、轴承温度保护、事故低油压保护、过速保护、剪断销剪断保护、电气事故。结果分为跳出口、跳灭磁、停机。本次主要讲电气保护。

2. 故障类型及不正常运行状态：

2.1. 故障类型

1) 定子绕组相间短路：危害最大，会破坏绝缘，烧损铁芯和绕组，甚至毁坏机组。

2) 定子绕组一相的匝间短路：会使绝缘损坏，并可能发展为单相接地短路和相间短路

3) 定子绕组单相接地：较常见，是指绕组对铁芯的短路，当发生单相接地短路时，接

地点的电流会使铁芯局部熔化，给修复带来很大困难。

4)转子绕组一点接地或两点接地：一点接地时危害不严重；两点接地时，因破坏了转

子磁通的平衡，可能引起发电机的强烈震动或将转子绕组烧损。

5)转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失：从系统吸收无功功率，引起定子过电流。

同时可能造成失步，从而引起系统电压下降，甚至可使系统崩溃。

2.2. 不正常运行状态

1)由于外部短路、非同期合闸、系统振荡、失磁等引起的定子绕组过电流：温度升高，

绝缘老化

2)由于负荷等超过发电机额定容量而引起的三相对称过负荷：温度升高，绝缘老化

3)由于外部不对称短路或不对称负荷而引起的发电机负序过电流和过负荷：负序电流

通过发电机定子绕组，产生的负序旋转磁场在在转子回路和表面感应出100hz的倍频电流，导致转子表面温度升高，可使转子局部灼伤或使护环受热松脱，而导致发电机重大事故。此外，引起发电机的100hz的振动。

4)由于突然甩负荷引起的定子绕组过电压：调速系统惯性较大发电机，在突然甩负荷

时，电枢反应消失，转速急剧上升，可能出现过电压，造成发电机绕组绝缘击穿。

5)由于励磁回路故障或强励时间过长而引起的转子绕组过负荷：（适用于100MW以上

机组，而我们电站只是从励磁变高压侧来配励磁变速断过流保护）

6)由于汽轮机主气门突然关闭而引起的发电机逆功率：当机炉保护动作或调速控制回

路故障以及某些人为因素造成发电机转为电动机运行时，发电机将从系统吸收有功功率，即逆功率。（适用于火电厂）

3. 保护类型：

3.1. 发电机纵差动保护：定子绕组及其引出线的相间短路保护

3.2. 横差动保护：定子绕组一相匝间短路的保护

3.3. 单相接地保护：对发电机定子绕组单相接地短路的保护

3.4. 发电机的失磁保护：反应转子励磁回路励磁电流急剧下降或消失

3.5. 复压电流保护：反应外部短路引起的过电流，同时兼作纵差动保护的后备保护

3.6. 转子表层负序过负荷保护：反应不对称短路或三相负荷不对称时，发电机定子绕组中出现的负序电流

3.7. 定子过负荷保护：发电机长时间超过额定负荷运行时作用于信号的保护

3.8. 过电压保护：反应突然甩负荷而出现的过电压

3.9. 转子一点接地保护和两点接地保护：励磁回路的接地故障保护

4. 发电机故障及其保护方式

二、变压器保护

变压器区别于发电机的是静止电气设备，结构简单可靠，发生故障的几率相对较少。

1. 变压器的故障形式：变压器故障主要分为油箱内和油箱外的。内部故障有绕组相间短路、同相绕组的匝间短路以及大接地电流系统侧绕组的接地短路。这些故障所产生的电弧可能烧坏铁芯，使绝缘介质气化，可能引起箱体爆炸，酿成火灾。油箱外的故障，主要是套管和引出线上发生的相间短路和接地短路。

2. 变压器的不正常工作状态有过负荷引起的过电流，外部相间短路引起的过电流，外部接地引起的过电流及中性点过电压，以及油面下降、温度升高等。

3. 故障及其保护方式（以主变为例）

三、母线保护

母线保护主要是电压闭锁比率制动差动保护和断路器失灵保护，母联保护。

原理简单。基尔霍夫电流定律

四、线路保护

1. 故障类型：相间短路、单相接地（小接地电流系统中）、或单相短路（大接地电流系统中）、相间短路接地；

2. 电流保护：

2.1. 电流速断保护（主保护）――对于仅反应于电流增大而瞬时动作电流保护，称为电流速断保护。不能保护全线路

2.2. 限时电流速断保护（主保护）――任何情况下能保护线路全长，因动作带有延时，故称限时电流速断保护。其保护范围不超出下一条线路第Ⅰ段的保护范围。

2.3. 定时限过电流保护（后备保护）――作为本线路主保护的近后备以及相邻线下一线路保护的远后备。其起动电流按躲最大负荷电流来整定的保护称为过电流保护，此保护不仅能保护本线路全长，且能保护相邻线路的全长。

3. 方向性电流保护：

3.1. 双电源多电源和环形电网供电更可靠,但却带来新问题。增加方向元件，提高选择性。

3.2. 方向元件是通过电流与电压的角度进行判定方向。

3.3. 方向元件与过流元件的关系是“与”的关系。

3.4. 电压互感器短路，出现死区，利用记忆回路。（利用方向阻抗继电器中极化回路来实现记忆功能。所谓极化回路，常用电容、电感、电阻元件串联，构成工频谐振回路。当保护安装处出囗三相金属性短路时，由于电压突降为零，阻抗继电器因为无电压而可能拒动。但这时谐振回路内的电流将按50HZ频率逐渐衰减，在一定时间内不致消失，以供给阻抗继电器必要的电压，保证其可靠动作。）

4. 接地电流保护：（零序电流电压）

4.1. Ⅰ段:速动段保护

4.2. Ⅱ段(Ⅱ、Ⅲ段)应能有选择性切除本线路范围的接地故障，其动作时间应尽量缩短

4.3. 最末一段：后备

4.4. 三段式零序电流保护原理与三段式电流保护是相似的

4.5. 方向性零序电流保护同方向性过流保护

5. 距离保护：

5.1. 电流保护的优点：简单﹑可靠﹑经济。缺点：选择性﹑灵敏性﹑快速性很难满足要求（尤其35kv以上的系统）。距离保护的性能比电流保护更加完善。基本不受运行方式影响。

5.2. 距离保护分为三段式：主保护－I段：瞬时动作；II段：t=0.5’’；III段：躲最小负荷阻抗，阶梯时限特性。————后备保护

5.3. 阻抗保护分为全阻抗（无方向）、方向阻抗（有最大灵敏角度）、偏移阻抗

6. 线路纵联快速保护：

6.1. 保证选择性和速动性

6.2. 纵联保护信号传输方式：（1）辅助导引线（2）电力线载波：高频保护（3）微波：微波保护（4）光纤：光纤保护

6.3. 高频保护的定义：利用输电线路本身作为一个通道，在输电线路上叠加传送一个讯号（50~300kHz，称为载波讯号）的方法，以进行线路两端电气量的比较。这样构成的保护称为高频保护或载波保护。

6.3.1 按照原理分类：方向高频保护（功率方向比较）和相差高频保护（电流相位比较）。

6.3.2 按高频信号的应用分三类：跳闸信号、允许信号、闭锁信号；

6.3.3 高频通道的工作方式：长期发信方式、故障时发信方式

五、自动重合闸

1. 自动重合闸（ZCH）装置是将因故障跳开后的断路器按需要自动投入的一种自动装置。

运行经验表明，架空线路大多数故障是瞬时性的，如：

（1）雷击过电压引起绝缘子表面闪络。

（2）大风时的短时碰线。

（3）通过鸟类身体（或树枝）放电。

此时，若保护动——>熄弧——>故障消除——>合断路器——>恢复供电。

手动（停电时间长）效果不显著，自动重合（1”）效果明显。

2. 作用：

（1）对暂时性故障，可迅速恢复供电，从而能提高供电的可靠性。

（2）对两侧电源线路，可提高系统并列运行的稳定性，从而提高线路的输送容量。

（3）可以纠正由于断路器或继电保护误动作引起的误跳闸。

3. 应用：1KV及以上电压的架空线路或电缆与架空线路的混合线路上，只要装有断路器，一般应装设ZCH。

4. 缺点：但是，ZCH本身不能判断故障是瞬时性的，还是永久性的。所以若重合于永久性故障时，其不利影响：

（1）使电力系统又一次受到故障的冲击；（2）使断路器的工作条件恶化（因为在短时间内连续两次切断短路电流）。据运行资料统计，ZCH成功率60~90%，经济效益很高——>广泛应用。

5. 分类：自动重合闸：单重――单跳单合，多相三跳不合；三重――三跳三合；综重――单跳单合，多相三跳三合；停用――不重合。

第三章继电保护基本技术知识

一、了解软、硬压板

1、硬压板分为功能压板和出囗压板。几乎每一套保护都有自己的功能压板，只有投

上，保护才会起动；而只有投上保护出囗压板，保护才能出囗跳闸。

比如：1#发电机差动保护，动作结果是解列、灭磁、停机。1#发电机保护柜中含

两台发电机保护装置（RCS-985GW和RCS-985R），正常运行中两台装置中的差动

保护都投上，那么就要投RCS-985GW装置的硬压板：功能压板（1LP1-投１F差动

保护），出囗压板（1TLP1-跳1F出囗开关1DL，1TLP3-跳1F灭磁开关，1TLP5-1F

停机）；也要投RCS-985R装置的硬压板：功能压板（2LP2-投1F差动保护），出

囗压板（2TLP1-跳1F出囗开关1DL，2TLP3-跳1F灭磁开关，2TLP5-1F停机）。

2、软压板（被称为控制字）是在保护装置的人机界面上用来整定的，意义上也可

分为功能压板和出囗压板。投入该保护功能时置“1”，有的保护需要用十六进制

的方式表示出来。而在投该保护的出囗压板（简称跳闸控制字）时也一样，下面

以发电机保护跳闸矩阵为例，对跳闸控制字进行简单说明：（见发电机保护跳闸

矩阵表）

3、投一套保护，就是将该保护的软、硬压板都投上，下面以运行中将1B中性点接

地取消，将2B中性点接地投上。作为一个示例，了解压板投退方法。

退出1#主变(1B)A柜中“投1B高压侧零序电流保护-1LP3压板”→退出1#主变

(1B)B柜中“投1B高压侧零序电流保护-2LP3压板”→投上1#主变(1B)A柜中“投

1B间隙保护-1LP4压板”→投上1#主变(1B)B柜中“投1B间隙保护-2LP4压板”

→退出2#主变(2B)A柜中“投2B间隙保护-1LP4压板”→退出2#主变(2B)B柜

中“投2B间隙保护-2LP4压板”→投上2#主变(2B)A柜中“投2B高压侧零序电

流保护-1LP3压板”→投上2#主变(2B)B柜中“投2B高压侧零序电流保护-2LP3

压板”→检查所投保护的软压板（控字制）是否投上（见变压器跳闸矩阵表），

即：1#主变(1B)A、B柜中的“间隙零序过流控制字是否为0000001010111，换算

成十六进制为57H”；而2#主变(2B)A、B柜中的“接地保护零序一时限控制字是

否为0000000000111，换算成十六进制为07H；接地保护零序二时限控制字是否

为0000001110111，换算成十六进制为77H”。

二、识逻辑图

逻辑图出现在保护说明书中，把该保护的动作判据按与、或关系以框架型式画出来，直接体现了该保护出囗的条件和出囗的结果。

把逻辑图与二次回路图结合起来，是了解二次回路图、用于实践中的必要条件。

下面以主变保护柜中的RCS-974A型（变压器非电量及辅助保护装置）的非全相保护和失灵电流起动逻辑图作为示例：（见说明书和图纸）

三、识二次回路图

二次回路的故障常会破坏或影响电力生产的正常运行。例如若某变电所差动保护的二次回路接线有错误，则当变压器带的负荷较大或发生穿越性相间短路时，就会发生误跳闸；

若线路保护接线有错误时，一旦系统发生故障，则可能会使断路器该跳闸的不跳闸，不该跳闸的却跳了闸，就会造成设备损坏、电力系统瓦解的大事故；若测量回路有问题，就将影响计量，少收或多收用户的电费，同时也难以判定电能质量是否合格。因此，二次回路虽非主体，但它在保证电力生产的安全，向用户提供合格的电能等方面都起着极其重要的作用。

二次回路主要包括：交流电流回路、交流电压回路、直流电压回路、开关量输入回路、开关量输出回路、模拟量输入回路、显示及信号上送回路、操作回路等。看二次接线图有三个原则：对面原则、穿透原则、引入引出原则。

四、识操作回路图

断路器作为电力系统的重要元件,其操作回路在断路器切断一次回路过程中起着重要的辅助和保护作用.为了电力系统和设备的可靠运行,必须保证断路器和其操作回路的合理选型和使用.

1、断路器的防跳回路作用是防止断路器合闸过程中发生"反复"跳、合的跳跃现象,确保断路器每次合闸操作时断路器只能进行一次合闸操作.

2、控制回路断线可能原因：

（1）分合闸线圈断线。

（2）断路器辅助触点接触不良；

（3）回路接线端子松动或断线；

（4）断路器在合闸状态因液夺降低导致跳闸闭锁；

（5）反映液压降低的继电器损坏；

（6）跳闸或合闸位置继电器线圈损坏

3、对断路器控制回路的基本要求：

(1)应有对控制电源的监视回路。断路器的控制电源最为重要，一旦失去电源断路器便无法操作。因此，无论何种原因，当断路器控制电源消失时，应发出声、光信号，提示值班人员及时处理。对于遥控变电所，断路器控制电源的消失，应发出遥信。

(2)应经常监视断路器跳闸、合闸回路的完好性。当跳闸或合闸回路故障时，应发出断路器控制回路断线信号。

(3)应有防止断路器“跳跃”的电气闭锁装置，发生“跳跃”对断路器是非常危险的，容易引起机构损伤，甚至引起断路器的爆炸，故必须采取闭锁措施。断路器的“跳跃”现象一般是在跳闸、合闸回路同时接通时才发生。“防跳”回路的设计应使得断路器出现“跳跃”时，将断

路器闭锁到跳闸位置。

(4)跳闸、合闸命令应保持足够长的时间，并且当跳闸或合闸完成后，命令脉冲应能自动解除。因断路器的机构动作需要有一定的时间，跳合闸时主触头到达规定位置也要有一定的行程，这些加起来就是断路器的固有动作时间，以及灭弧时间。命令保持足够长的时间就是保障断路器能可靠的跳闸、合闸。为了加快断路器的动作，增加跳、合闸线圈中电流的增长速度，要尽可能减小跳、合闸线圈的电感量。为此，跳、合闸线圈都是按短时带电设计的。因此，跳合闸操作完成后，必须自动断开跳合闸回路，否则，跳闸或合闸线圈会烧坏。通常由断路器的辅助触点自动断开跳合闸回路。

(5)对于断路器的合闸、跳闸状态，应有明显的位置信号，故障自动跳闸、自动合闸时，应有明显的动作信号。

(6)断路器的操作动力消失或不足时，例如弹簧机构的弹簧未拉紧，液压或气压机构的压力降低等，应闭锁断路器的动作，并发出信号。

SF6气体绝缘的断路器，当SF6气体压力降低而断路器不能可靠运行时，也应闭锁断路器的动作并发出信号。

(7)在满足上述的要求条件下，力求控制回路接线简单，采用的设备和使用的电缆最少。

五、了解电气元件、继电器、接点

1. 电气元件：

1.1. 电流互感器（C.T.或TA）――大（小）电流变为标准电流1A或5A，强弱电隔离，等级（测量级、保护级），二次回路不能开路

1.2. 电压互感器(P.T或TV)――高电压变为低电压（标准100v或57.7v），强弱电隔离，绕组分类，二次回路不能短路

1.3. 断路器（DL、QF、CB）――有灭弧功能，可以分合大负荷，切除短路电流，电压等级、额定电流、遮断容量

1.4. 隔离开关（G）――没有灭弧能力，起到隔离作用，小负荷拉合，电压等级、额定电流

1.5. 跌落保险――有简单灭弧能力、能够切除短路电流、自跌落功能

2. 继电器

2.1. 电流继电器――LJ

2.2. 电压继电器――YJ

2.3. 功率方向继电器――GJ

2.4. 时间继电器――SJ

2.5. 中间继电器――ZJ

2.6. 信号继电器――XJ

2.7. 热继电器――RJ

2.8. 接触器――CJ

3. 接点

3.1. 常开接点

3.2. 常闭接点

3.3. 切换接点

3.4. 延时闭合的常开接点

3.5. 延时断开的常开接点

3.6. 延时闭合的常闭接点

3.7. 延时断开的常闭接点

3.8. 机械保持的常开接点

六、各保护屏柜切换开关、指示灯、按钮、打印机、人机界面操作等及各注意事项的掌握。