继电保护的基本知识

一、继电保护的任务和要求

1.继电保护的任务

为保证供配电系统的安全运行，避免过负荷和短路引起的过电流对系统的影响，在供配电系统中要装有不同类型的过电流保护装置。常用的过电流保护装置有熔断器保护、低压断路器保护和继电保护。其中继电保护广泛应用于高压供配电系统中，其保护功能很多，而且是实现供配电自动化的基础。

继电保护装置是指能反映供配电系统中电气设备发生的故障或不正常工作状态，并能动作于断路器跳闸或起动信号装置发出预报信号的一种自动装置。

继电保护的主要任务如下：

（1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从供配电系统切除，使其他非故障部分迅速恢复正常供电；

（2）能正确反映电气设备的不正常运行状态，发出预报信号，以便操作人员采取措施，恢复电气设备正常工作；

（3）与供配电系统的自动装置（如自动重合闸装置、备用电源自动投入装置等）配合，提高供电系统的运行可靠性。

建筑供配电系统继电保护的特点是简单、有效、可靠，且有较强的抗干扰能力。

2.对继电保护的基本要求

继电保护的设计应以合理的运行方式和可能的故障类型为依据，并应满足选择性、速动性、可靠性、灵敏性四项基本要求。

(1)选择性

选择性是指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障。当供电系统发生短路故障时，继电保护装置动作，只切除故障元件，并使停电范围最小，以减小故障停电造成的影响。保护装置这种能挑选故障元件的能力称为保护的选择性。

(2)速动性

为了减小由于故障引起的损失，减少用户在故障时低电压下的工作时间，以及提高电力系统运行的稳定性，要求继电保护装置在发生故障时尽快动作并将故障切除。快速地切除故障部分可以防止故障扩大，减轻故障电流对电气设备的损坏程度，加快供电系统电压的恢复，提高供电系统运行的可靠性。

(3)可靠性

可靠性是指保护装置应该动作时动作，不应该动作时不动作。为保证可靠性，宜选用尽可能简单的保护方式，采用可靠的元件和尽可能简单的回路构成性能良好的装置，并应有必要的检测、闭锁和双重化等措施。保护装置应便于整定、调试和运行维护。

(4)灵敏性

灵敏性是指继电保护在其保护范围内对发生故障或不正常工作状态时的反应能力。过电流保护的灵敏度SP用其保护区内在电力系统为最小运行方式时的最小短路电流Ik，min与保护装置一次动作电流，即保护装置动作电流换算到一次电路的值，OP，1的比值来表示，即SP=Ik，min/IOP，1

对不同作用的保护装置和被保护设备，所要求的灵敏度是不同的，在《电力装置的继电保护和自动装置设计技术规范》(GB50062;1992)中都有规定。

另外,上述介绍的四项基本要求对于一个具体的保护装置不一定都是同等重要的，而应有所侧重。例如，电力变压器是供配电系统中最关键的设备，对其保护装置的灵敏度要求较高；而对一般电力线路的保护装置，就要求其选择性较高。

二、继电保护的基本原理

电力系统发生故障时会引起电流的增加、电压的降低以及电流与电压间相位的变化，因此，电力系统中所采用的各种继电保护大多数是利用故障时物理量与正常运行时物理量的差别来构成的，例如，反映电流增大的过电流保护、反映电压降低(或升高)的低电压(或过电压)保护等。

继电保护原理结构方框图如图1所示。它由三部分组成，（1）测量部分;;用来测量被保护设备输入的有关信号(电流、电压)等，并和已给定的整定值进行比较判断是否应该起动；（2）逻辑部分;;根据测量部分各输出量的大小、性质及其组合或输出顺序，使保护装置按照一定的逻辑程序工作，并将信号传输给执行部分；（3）执行部分;;根据逻辑部分传输的信号，最后完成保护装置所负担的任务，给出跳闸或信号脉冲。

如图2所示为线路过电流保护基本原理示意图，用以说明继电保护的组成和基本原理。图2中，电流继电器KA的线圈接于被保护线路电流互感器TA的二次回路，即保护的测量回路，它监视被保护线路的运行状态，测量线路中电流的大小。在正常运行情况下，当线路中通过最大负荷电流时，继电器不动作；当被保护线路K点发生短路时，线路上的电流突然增大，电流互感器TA二次侧的电流也按变比相应增大，当通过电流继电器KA的电流大于其整定值时，继电器立即动作，触点闭合，接通逻辑电路中时间继电器KT的线圈回路，时间继电器起动并根据短路故障持续的时间作出保护动作的逻辑判断，时间继电器KT动作，其延时触点闭合，接通执行回路中的信号继电器KS和断路器QF的跳闸线圈回路，使断路器跳闸，切除短路故障。

三、断电器的构成和分类

1.继电器的作用

继电器是一种在其输入的物理量(电气量或非电气量)达到规定值时，其电气输出电路被接通或分断的自动电器。

继电器一般由感受元件、比较元件和执行元件三个主要部分组成。

（1）感受元件将感受到的物理量(如电流、电压)的变化情况综合后送到比较元件。

（2）比较元件将感受元件送来的物理量与预先给定的物理量(整定值)相比较，根据比较的结果向执行元件发出指令。

（3）执行元件根据来自比较元件的指令自动完成继电器所担负的任务，例如向断路器发出跳闸脉冲或进行其他操作。

2.继电器的分类

继电器的种类很多，目前一般分类方法如下：

（1）按继电器动作和构成原理可分为电磁型、感应型、整流型、极化型、半导体型、热力型等继电器。

（2）按照继电器反映物理量的性质可分为电流、电压、时间、信号、功率、方向、阻抗、频率等继电器。

继电器又可分为反映电气量增加和反映电气量减少两大类。前者为过量继电器，如过电流继电器等，后者为欠量继电器，如欠电压继电器等。

除此之外，还有一类反映非电气量参数而动作的继电器，如气体，瓦斯，继电器、温度继电器等。

3.继电器的表示方法

我国继电器型号的编制是以汉语拼音字母表示的，由动作原理代号、主要功能代号、设计序号及主要规格代号所组成，其表示形式如下：

设计序号及主要规格用阿拉伯数字表示，继电器的主要规格代号常用来表示触点的形式及数量。例如，DL-11/10表示电磁型电流继电器，其中第一个数字"1"表示设计序号(10系列)，第二个"1"表示有一对动合触点，

"10"表示最大动作电流为10A。

4.常用继电器

35kV及以下电力网中的电力线路和电气设备继电保护装置(包括供电系统)，除了日渐推广的微机保护外，仍大量采用电磁型和感应型继电器。下面重点介绍几种反映单一电气量的电磁型继电器的结构、原理及特性。

（1）电磁式电流继电器

电磁式电流继电器在继电保护装置中作为起动元件，如图3所示为DL系列电磁式电流继电器的内部结构和内部接线图。

电磁式电流继电器的工作原理如下，当线圈2通过电流IKA时，电磁力矩M1试图使可动舌片3向顺时针方向旋转。在正常工作时，由于IKA较小，其所产生的电磁力矩不足以克服弹簧4的反抗力矩M2，故舌片3不会转动，不会带动可动触点5与静触点6闭合；在短路故障时，IKA将大大增加，M1>M2，使舌片3转动，带动可动触点5与静触点6接触而使其闭合。

能使过电流继电器刚好动作并使触点闭合的电流IKA值称为该继电器的动作电流，用IOP表示。在继电器动作后，逐渐减小IKA。当继电器刚好返回到原始位置时所对应的IKA值称为返回电流，用Ire表示。上述定义还可以说成，使继电器常开接点闭合的最小电流称为动作电流IOP；使继电器闭合的常开触点断开的最大电流称为返回电流Ire。继电器的返回电流Ire与其动作电流IOP的比值称为返回系数Kre(其值一般小于1)，即Kre=Ire/IO

（2）电磁式电压继电器

电磁式电压继电器的结构、工作原理与电磁式电流继电器基本相同。不同之处是，电压继电器的线圈是电压线圈，其匝数多而线径细，而电流继电器的线圈为电流线圈，其匝数少而线径粗。

电磁式电压继电器有过电压和欠电压两大类，其中欠电压继电器在工厂供电系统应用较多

类似过电流继电器，欠电压继电器的动作电压UOP是使其动作的最大电压，而它的返回电压Ure是使其返回的最小电压，返回系数Kre=Ure/UOP。由于欠电压继电器的返回电压Ure大于动作电压UOP，所以其返回系数Kre>1，一般为1~1.2。

（3）电磁式时间继电器

时间继电器在保护装置中起延时作用，以保证保护装置动作的选择性。

DS系列电磁式时间继电器的内部结构如图4所示，主要由电磁机构和钟表延时机构两部分组成，电磁机构主要起锁住和释放钟表延时机构作用，钟表延时机构起准确延时作用。时间继电器的线圈按短时工作设计。

(4)电磁式中间继电器

中间继电器的作用是为了扩充保护装置出口继电器的接点数量和容量，也可以使触点闭合或断开时带有不大的延时(0.4~0.8s)，或者通过继电器的自保持以适应保护装置的需要。

中间继电器的工作原理一般按电磁原理构成，如图5所示为DZ系列电磁式中间继电器结构图。

(5)电磁式信号继电器

信号继电器用于各保护装置回路中，作为保护动作的指示器。信号继电器一般按电磁原理构成，继电器的电磁起动机构采用吸引衔铁式，由直流电源供电。DX系列信号继电器的结构如图6所示。在正常情况下，继电器线圈中没有电流通过，信号继电器在正常位置。当继电器线圈中有电流流过时，信号牌落下或凸出，指示信号继电器掉牌。为了便于分析故障的原因，要求信号指示不能随电气量的消失而消失。因此，信号继电器须设计为手动复归式。

信号继电器可分为串联信号继电器(电流信号继电器)和并联信号继电器(电压信号继电器)，其接线方式如图7所示。实际使用时，一般采用电流型信号继电器。