繼電保護(hù)的基本知識(shí)
一、繼電保護(hù)的任務(wù)和要求
1.繼電保護(hù)的任務(wù)
為保證供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，避免過(guò)負(fù)荷和短路引起的過(guò)電流對(duì)系統(tǒng)的影響，在供配電系統(tǒng)中要裝有不同類(lèi)型的過(guò)電流保護(hù)裝置。常用的過(guò)電流保護(hù)裝置有熔斷器保護(hù)、低壓斷路器保護(hù)和繼電保護(hù)。其中繼電保護(hù)廣泛應(yīng)用于高壓供配電系統(tǒng)中，其保護(hù)功能很多，而且是實(shí)現(xiàn)供配電自動(dòng)化的基礎(chǔ)。
繼電保護(hù)裝置是指能反映供配電系統(tǒng)中電氣設(shè)備發(fā)生的故障或不正常工作狀態(tài)，并能動(dòng)作于斷路器跳閘或起動(dòng)信號(hào)裝置發(fā)出預(yù)報(bào)信號(hào)的一種自動(dòng)裝置。
繼電保護(hù)的主要任務(wù)如下：
（1）自動(dòng)、迅速、有選擇性地將故障元件從供配電系統(tǒng)切除，使其他非故障部分迅速恢復(fù)正常供電；
（2）能正確反映電氣設(shè)備的不正常運(yùn)行狀態(tài)，發(fā)出預(yù)報(bào)信號(hào)，以便操作人員采取措施，恢復(fù)電氣設(shè)備正常工作；
（3）與供配電系統(tǒng)的自動(dòng)裝置（如自動(dòng)重合閘裝置、備用電源自動(dòng)投入裝置等）配合，提高供電系統(tǒng)的運(yùn)行可靠性。
建筑供配電系統(tǒng)繼電保護(hù)的特點(diǎn)是簡(jiǎn)單、有效、可靠，且有較強(qiáng)的抗干擾能力。
2.對(duì)繼電保護(hù)的基本要求
繼電保護(hù)的設(shè)計(jì)應(yīng)以合理的運(yùn)行方式和可能的故障類(lèi)型為依據(jù)，并應(yīng)滿(mǎn)足選擇性、速動(dòng)性、可靠性、靈敏性四項(xiàng)基本要求。
(1)選擇性
選擇性是指首先由故障設(shè)備或線(xiàn)路本身的保護(hù)切除故障。當(dāng)供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時(shí)，繼電保護(hù)裝置動(dòng)作，只切除故障元件，并使停電范圍最小，以減小故障停電造成的影響。保護(hù)裝置這種能挑選故障元件的能力稱(chēng)為保護(hù)的選擇性。
(2)速動(dòng)性
為了減小由于故障引起的損失，減少用戶(hù)在故障時(shí)低電壓下的工作時(shí)間，以及提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的穩(wěn)定性，要求繼電保護(hù)裝置在發(fā)生故障時(shí)盡快動(dòng)作并將故障切除?？焖俚厍谐收喜糠挚梢苑乐构收蠑U(kuò)大，減輕故障電流對(duì)電氣設(shè)備的損壞程度，加快供電系統(tǒng)電壓的恢復(fù)，提高供電系統(tǒng)運(yùn)行的可靠性。
(3)可靠性
可靠性是指保護(hù)裝置應(yīng)該動(dòng)作時(shí)動(dòng)作，不應(yīng)該動(dòng)作時(shí)不動(dòng)作。為保證可靠性，宜選用盡可能簡(jiǎn)單的保護(hù)方式，采用可靠的元件和盡可能簡(jiǎn)單的回路構(gòu)成性能良好的裝置，并應(yīng)有必要的檢測(cè)、閉鎖和雙重化等措施。保護(hù)裝置應(yīng)便于整定、調(diào)試和運(yùn)行維護(hù)。
(4)靈敏性
靈敏性是指繼電保護(hù)在其保護(hù)范圍內(nèi)對(duì)發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)時(shí)的反應(yīng)能力。過(guò)電流保護(hù)的靈敏度SP用其保護(hù)區(qū)內(nèi)在電力系統(tǒng)為最小運(yùn)行方式時(shí)的最小短路電流Ik，min與保護(hù)裝置一次動(dòng)作電流，即保護(hù)裝置動(dòng)作電流換算到一次電路的值，OP，1的比值來(lái)表示，即SP=Ik，min/IOP，1
對(duì)不同作用的保護(hù)裝置和被保護(hù)設(shè)備，所要求的靈敏度是不同的，在《電力裝置的繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置設(shè)計(jì)技術(shù)規(guī)范》(GB50062;1992)中都有規(guī)定。
另外,上述介紹的四項(xiàng)基本要求對(duì)于一個(gè)具體的保護(hù)裝置不一定都是同等重要的，而應(yīng)有所側(cè)重。例如，電力變壓器是供配電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設(shè)備，對(duì)其保護(hù)裝置的靈敏度要求較高；而對(duì)一般電力線(xiàn)路的保護(hù)裝置，就要求其選擇性較高。
二、繼電保護(hù)的基本原理
電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)會(huì)引起電流的增加、電壓的降低以及電流與電壓間相位的變化，因此，電力系統(tǒng)中所采用的各種繼電保護(hù)大多數(shù)是利用故障時(shí)物理量與正常運(yùn)行時(shí)物理量的差別來(lái)構(gòu)成的，例如，反映電流增大的過(guò)電流保護(hù)、反映電壓降低(或升高)的低電壓(或過(guò)電壓)保護(hù)等。
繼電保護(hù)原理結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。它由三部分組成，（1）測(cè)量部分;;用來(lái)測(cè)量被保護(hù)設(shè)備輸入的有關(guān)信號(hào)(電流、電壓)等，并和已給定的整定值進(jìn)行比較判斷是否應(yīng)該起動(dòng)；（2）邏輯部分;;根據(jù)測(cè)量部分各輸出量的大小、性質(zhì)及其組合或輸出順序，使保護(hù)裝置按照一定的邏輯程序工作，并將信號(hào)傳輸給執(zhí)行部分；（3）執(zhí)行部分;;根據(jù)邏輯部分傳輸?shù)男盘?hào)，最后完成保護(hù)裝置所負(fù)擔(dān)的任務(wù)，給出跳閘或信號(hào)脈沖。
如圖2所示為線(xiàn)路過(guò)電流保護(hù)基本原理示意圖，用以說(shuō)明繼電保護(hù)的組成和基本原理。圖2中，電流繼電器KA的線(xiàn)圈接于被保護(hù)線(xiàn)路電流互感器TA的二次回路，即保護(hù)的測(cè)量回路，它監(jiān)視被保護(hù)線(xiàn)路的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量線(xiàn)路中電流的大小。在正常運(yùn)行情況下，當(dāng)線(xiàn)路中通過(guò)最大負(fù)荷電流時(shí)，繼電器不動(dòng)作；當(dāng)被保護(hù)線(xiàn)路K點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，線(xiàn)路上的電流突然增大，電流互感器TA二次側(cè)的電流也按變比相應(yīng)增大，當(dāng)通過(guò)電流繼電器KA的電流大于其整定值時(shí)，繼電器立即動(dòng)作，觸點(diǎn)閉合，接通邏輯電路中時(shí)間繼電器KT的線(xiàn)圈回路，時(shí)間繼電器起動(dòng)并根據(jù)短路故障持續(xù)的時(shí)間作出保護(hù)動(dòng)作的邏輯判斷，時(shí)間繼電器KT動(dòng)作，其延時(shí)觸點(diǎn)閉合，接通執(zhí)行回路中的信號(hào)繼電器KS和斷路器QF的跳閘線(xiàn)圈回路，使斷路器跳閘，切除短路故障。
三、斷電器的構(gòu)成和分類(lèi)
1.繼電器的作用
繼電器是一種在其輸入的物理量(電氣量或非電氣量)達(dá)到規(guī)定值時(shí)，其電氣輸出電路被接通或分?jǐn)嗟淖詣?dòng)電器。
繼電器一般由感受元件、比較元件和執(zhí)行元件三個(gè)主要部分組成。
（1）感受元件將感受到的物理量(如電流、電壓)的變化情況綜合后送到比較元件。
（2）比較元件將感受元件送來(lái)的物理量與預(yù)先給定的物理量(整定值)相比較，根據(jù)比較的結(jié)果向執(zhí)行元件發(fā)出指令。
（3）執(zhí)行元件根據(jù)來(lái)自比較元件的指令自動(dòng)完成繼電器所擔(dān)負(fù)的任務(wù)，例如向斷路器發(fā)出跳閘脈沖或進(jìn)行其他操作。
2.繼電器的分類(lèi)
繼電器的種類(lèi)很多，目前一般分類(lèi)方法如下：
（1）按繼電器動(dòng)作和構(gòu)成原理可分為電磁型、感應(yīng)型、整流型、極化型、半導(dǎo)體型、熱力型等繼電器。
（2）按照繼電器反映物理量的性質(zhì)可分為電流、電壓、時(shí)間、信號(hào)、功率、方向、阻抗、頻率等繼電器。
繼電器又可分為反映電氣量增加和反映電氣量減少兩大類(lèi)。前者為過(guò)量繼電器，如過(guò)電流繼電器等，后者為欠量繼電器，如欠電壓繼電器等。
除此之外，還有一類(lèi)反映非電氣量參數(shù)而動(dòng)作的繼電器，如氣體，瓦斯，繼電器、溫度繼電器等。
3.繼電器的表示方法
我國(guó)繼電器型號(hào)的編制是以漢語(yǔ)拼音字母表示的，由動(dòng)作原理代號(hào)、主要功能代號(hào)、設(shè)計(jì)序號(hào)及主要規(guī)格代號(hào)所組成，其表示形式如下：
設(shè)計(jì)序號(hào)及主要規(guī)格用阿拉伯?dāng)?shù)字表示，繼電器的主要規(guī)格代號(hào)常用來(lái)表示觸點(diǎn)的形式及數(shù)量。例如，DL-11/10表示電磁型電流繼電器，其中第一個(gè)數(shù)字"1"表示設(shè)計(jì)序號(hào)(10系列)，第二個(gè)"1"表示有一對(duì)動(dòng)合觸點(diǎn)，
"10"表示最大動(dòng)作電流為10A。
4.常用繼電器
35kV及以下電力網(wǎng)中的電力線(xiàn)路和電氣設(shè)備繼電保護(hù)裝置(包括供電系統(tǒng))，除了日漸推廣的微機(jī)保護(hù)外，仍大量采用電磁型和感應(yīng)型繼電器。下面重點(diǎn)介紹幾種反映單一電氣量的電磁型繼電器的結(jié)構(gòu)、原理及特性。
（1）電磁式電流繼電器
電磁式電流繼電器在繼電保護(hù)裝置中作為起動(dòng)元件，如圖3所示為DL系列電磁式電流繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部接線(xiàn)圖。
電磁式電流繼電器的工作原理如下，當(dāng)線(xiàn)圈2通過(guò)電流IKA時(shí)，電磁力矩M1試圖使可動(dòng)舌片3向順時(shí)針?lè)较蛐D(zhuǎn)。在正常工作時(shí)，由于IKA較小，其所產(chǎn)生的電磁力矩不足以克服彈簧4的反抗力矩M2，故舌片3不會(huì)轉(zhuǎn)動(dòng)，不會(huì)帶動(dòng)可動(dòng)觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6閉合；在短路故障時(shí)，IKA將大大增加，M1>M2，使舌片3轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)可動(dòng)觸點(diǎn)5與靜觸點(diǎn)6接觸而使其閉合。
能使過(guò)電流繼電器剛好動(dòng)作并使觸點(diǎn)閉合的電流IKA值稱(chēng)為該繼電器的動(dòng)作電流，用IOP表示。在繼電器動(dòng)作后，逐漸減小IKA。當(dāng)繼電器剛好返回到原始位置時(shí)所對(duì)應(yīng)的IKA值稱(chēng)為返回電流，用Ire表示。上述定義還可以說(shuō)成，使繼電器常開(kāi)接點(diǎn)閉合的最小電流稱(chēng)為動(dòng)作電流IOP；使繼電器閉合的常開(kāi)觸點(diǎn)斷開(kāi)的最大電流稱(chēng)為返回電流Ire。繼電器的返回電流Ire與其動(dòng)作電流IOP的比值稱(chēng)為返回系數(shù)Kre(其值一般小于1)，即Kre=Ire/IO
（2）電磁式電壓繼電器
電磁式電壓繼電器的結(jié)構(gòu)、工作原理與電磁式電流繼電器基本相同。不同之處是，電壓繼電器的線(xiàn)圈是電壓線(xiàn)圈，其匝數(shù)多而線(xiàn)徑細(xì)，而電流繼電器的線(xiàn)圈為電流線(xiàn)圈，其匝數(shù)少而線(xiàn)徑粗。
電磁式電壓繼電器有過(guò)電壓和欠電壓兩大類(lèi)，其中欠電壓繼電器在工廠(chǎng)供電系統(tǒng)應(yīng)用較多
類(lèi)似過(guò)電流繼電器，欠電壓繼電器的動(dòng)作電壓UOP是使其動(dòng)作的最大電壓，而它的返回電壓Ure是使其返回的最小電壓，返回系數(shù)Kre=Ure/UOP。由于欠電壓繼電器的返回電壓Ure大于動(dòng)作電壓UOP，所以其返回系數(shù)Kre>1，一般為1~1.2。
（3）電磁式時(shí)間繼電器
時(shí)間繼電器在保護(hù)裝置中起延時(shí)作用，以保證保護(hù)裝置動(dòng)作的選擇性。
DS系列電磁式時(shí)間繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由電磁機(jī)構(gòu)和鐘表延時(shí)機(jī)構(gòu)兩部分組成，電磁機(jī)構(gòu)主要起鎖住和釋放鐘表延時(shí)機(jī)構(gòu)作用，鐘表延時(shí)機(jī)構(gòu)起準(zhǔn)確延時(shí)作用。時(shí)間繼電器的線(xiàn)圈按短時(shí)工作設(shè)計(jì)。
(4)電磁式中間繼電器
中間繼電器的作用是為了擴(kuò)充保護(hù)裝置出口繼電器的接點(diǎn)數(shù)量和容量，也可以使觸點(diǎn)閉合或斷開(kāi)時(shí)帶有不大的延時(shí)(0.4~0.8s)，或者通過(guò)繼電器的自保持以適應(yīng)保護(hù)裝置的需要。
中間繼電器的工作原理一般按電磁原理構(gòu)成，如圖5所示為DZ系列電磁式中間繼電器結(jié)構(gòu)圖。
(5)電磁式信號(hào)繼電器
信號(hào)繼電器用于各保護(hù)裝置回路中，作為保護(hù)動(dòng)作的指示器。信號(hào)繼電器一般按電磁原理構(gòu)成，繼電器的電磁起動(dòng)機(jī)構(gòu)采用吸引銜鐵式，由直流電源供電。DX系列信號(hào)繼電器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。在正常情況下，繼電器線(xiàn)圈中沒(méi)有電流通過(guò)，信號(hào)繼電器在正常位置。當(dāng)繼電器線(xiàn)圈中有電流流過(guò)時(shí)，信號(hào)牌落下或凸出，指示信號(hào)繼電器掉牌。為了便于分析故障的原因，要求信號(hào)指示不能隨電氣量的消失而消失。因此，信號(hào)繼電器須設(shè)計(jì)為手動(dòng)復(fù)歸式。
信號(hào)繼電器可分為串聯(lián)信號(hào)繼電器(電流信號(hào)繼電器)和并聯(lián)信號(hào)繼電器(電壓信號(hào)繼電器)，其接線(xiàn)方式如圖7所示。實(shí)際使用時(shí)，一般采用電流型信號(hào)繼電器。
