繼電器保護原理知識講解

縱聯(lián)保護：利用某種通信通道將輸電線路兩端的保護裝置縱向連接起來，將各端的電氣量傳送到對端，將各端的電氣量進行比較，一判斷故障在本線路范圍內(nèi)還是范圍之外，從而決定是否切斷被保護線路。

任何縱聯(lián)保護總是依靠通道傳送的某種信號來判斷故障的位置是否在被保護線路內(nèi)，信號按期性質(zhì)可分為三類：閉鎖信號、允許信號、跳閘信號。

閉鎖信號：收不到這種信號是保護動作跳閘的必要條件。

允許信號：收到這種信號是保護動作跳閘的必要條件。

跳閘信號：收到這種信號是保護動作與跳閘的充要條件。

按輸電線路兩端所用的保護原理分，可分為：（縱聯(lián)）差動保護、縱聯(lián)距離保護、縱聯(lián)方向保護。

通道類型：一、導(dǎo)引線通道；二、載波（高頻）通道；三、微波通道；四、光纖通道。

1）（縱聯(lián)）差動保護

（縱聯(lián)）差動保護：原理是根據(jù)基爾霍夫定律，即流向一個節(jié)點的電流之和等于零。

差動保護存在的問題：

對于輸電線路

1、電容電流：電容電流從線路內(nèi)部流出，因此對于長線路的空載或輕載線路容易誤動。

解決辦法：提高啟動電流值（犧牲靈敏度）；加短延時（犧牲快速性）；必要是進行電容 電流補償。

*注：穿越性電流就是在保護區(qū)外發(fā)生短路時，流入保護區(qū)內(nèi)的故障電流。穿越電流不 會引起保護誤動。

2、TA斷線，造成保護誤動

解決辦法：使差動保護要發(fā)跳閘命令必須滿足如下條件：?本側(cè)起動原件起動；?本側(cè)差動繼電器動作；?收到對側(cè)“差動動作”的允許信號。

保護向?qū)?cè)發(fā)允許信號條件：?保護起動；?差流元件動作

3、弱電側(cè)電流縱差保護存在問題（變壓器不接地系統(tǒng)的弱電側(cè)在輕載或空載時電流幾乎沒有變化）

解決辦法：除兩側(cè)電流差突變量起動元件、零序電流起動元件和不對應(yīng)起動元件外，加裝一個低壓差流起動元件。

4、高阻接地是保護靈敏度不夠

在線路一側(cè)發(fā)生高阻接地短路時，遠離故障點的一側(cè)各個起動元件可能都不啟動，造成 兩側(cè)差動保護都不能切除故障。

解決辦法：由零序差動繼電器，通過低比率制動系數(shù)的穩(wěn)態(tài)相差元件選相，構(gòu)成零序1段差動繼電器，經(jīng)延時動作。

*注：比率制動差動即一個和電流（差動），一個差電流（制動），兩者綜合考慮，差電流越大，才能動作。

5、采樣不同步

解決辦法：改進技術(shù)

6、死區(qū)故障

解決辦法：遠跳

線路M、N側(cè)。將M側(cè)母線保護動作的接點接在電流差動保護裝置的“遠跳”端子上，保護裝置發(fā)現(xiàn)該端子的輸入接點閉合后立即向N側(cè)發(fā)“遠跳”信號。N側(cè)接收到該信號后再經(jīng)（也可不經(jīng)）起動元件動作作為就地判據(jù)發(fā)三相跳閘命令并閉鎖重合閘。

*注：3/2接線方式中母線保護動作是不允許發(fā)“遠跳”信號的，而是母線保護起動失靈保護，失靈保護動作后起動“遠跳”跳對側(cè)斷路器。

對于主變

在空載投入變壓器、或者是外部故障切除電壓恢復(fù)時，變壓器電流表指針會有很劇烈的擺動，然后再返回正常的空載電流值，這個沖擊電流就是所謂的勵磁涌流。它有以下幾個特點：

1、涌流含有數(shù)值很大的高次諧波分量(主要是二次和三次諧波)，主要是二次諧波，因此，勵磁涌流的變化曲線為尖頂波，并且有明顯的間斷角。

2、勵磁涌流的衰減常數(shù)與鐵芯的飽和程度有關(guān)，飽和越深，電抗越小，衰減越快。因 此，在開始瞬間衰減很快，以后逐漸減慢。

3、一般情況下，變壓器容量越大，衰減的持續(xù)時間越長，但總的趨勢是涌流的衰減速 度往往比短路電流衰減慢一些。

4、勵磁涌流的數(shù)值很大，最大可達額定電流的6～8倍。當整定一臺斷路器控制一臺變壓器時，其速斷可按變壓器勵磁電流來整定。

根據(jù)這些特點，可以提出相應(yīng)的解決辦法。比如采用帶有飽和變流器的差動繼電器構(gòu)成差動保護；利用二次諧波制動原理構(gòu)成差動保護。

2）縱聯(lián)方向保護

縱聯(lián)方向保護是在規(guī)定正方向的情況下，通過比較故障分量電壓和和電流在模擬阻抗上產(chǎn)生的電壓之間的相位， 

正方向故障時，其功率方向為正，如上面公式所示。這是在假定各個阻抗的阻抗角相等的理想情況下的出來的，而在考慮各種因素的影響時，工頻突變量的方向元件在正方向故障時功率方向為正的判據(jù)為(270°，90°)，即左半?yún)^(qū)域內(nèi)，可以理解為阻抗部分的電阻值一定為負值，即所謂的電阻應(yīng)該是變小的。

反之，就容易得出另一個判據(jù)，反方向時判據(jù)為(90°，-90°)。

縱聯(lián)方向保護的原理決定它有以下幾個特點：

1、不受負荷狀態(tài)的影響；

2、不受故障點過渡電阻的影響；

3、故障分量的電壓、電流間的橡膠與系統(tǒng)電阻決定，方向明確；

4、可消除電壓死區(qū)；

5、不受系統(tǒng)振蕩影響。

3）縱聯(lián)距離保護

縱聯(lián)距離保護和縱聯(lián)方向保護類似，只是將方向元件改成了距離元件。

距離保護通過比較短路點與保護安裝處的線路阻抗Zm和整定阻抗Zset，有以下三種情形：

1、Zm<Zset，說明在保護區(qū)內(nèi)，保護動作；

2、Zm>Zset，說明在保護區(qū)外，保護不動作；

3、Zm在Zset的反方向，說明為反方向故障，保護不動作。

從它的保護原理，即通過比較兩者的阻抗值可知，在考慮一定的裕量，以及發(fā)生高阻接地是要保證靈敏性的要求下，距離保護不能保護線路的全長，一般來說，距離1段能保護線路全長的80%；距離II段保護全長及下一線路的一部分；距離III段保護下一線路全全長，作為下一線路的遠后備。

縱聯(lián)距離保護歸根于距離保護的一段，即距離I段。

縱聯(lián)距離保護很少受系統(tǒng)運行方式、網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)和負荷變化的影響。但它受系統(tǒng)振蕩的影響、在串補電容線路上整定困難。

距離保護還可以兼做本線路和相鄰線路的后備保護用。

電力系統(tǒng)的運行經(jīng)驗表明，架空線路故障大都是“瞬時性”故障，這些故障發(fā)生時，繼電保護動作開關(guān)斷開，電弧很快自然熄滅，這時故障點的絕緣強度重新恢復(fù)，此時，合上斷路器能夠恢復(fù)正常供電。

重合閘的優(yōu)點明顯：首先能提高供電的可靠性，尤其是單回路線路；同事，也能提高電力系統(tǒng)并列運行的穩(wěn)定性；對斷路器機構(gòu)本身或繼電保護的誤動作引起的誤跳閘也能進行糾正補救。

重合閘的缺點在于：當重合于性故障時，電力系統(tǒng)又受到了一次故障的沖擊，有可能降低并列運行的穩(wěn)定性；同時，它要求斷路器在短時內(nèi)連續(xù)兩次切斷短路電流，對短路器的滅弧能力要求高。

重合閘不應(yīng)動作的情況：

1）由值班人員手動或操作遙控裝置將斷路器斷開；

2）手動合閘。

重合閘起動方式有位置不對應(yīng)起動（偷跳）和保護戶跳閘起動。

重合閘的單重、三重和綜重

1、單相重合閘是指：線路上發(fā)生單相接地故障的時候，保護動作只跳開故障相的斷路器并單相重合閘；
     2、三重是指：不管線路上單相接地故障還是相間短路故障，都跳開三相，再三相重合閘；
     3、綜合重合閘是指：當發(fā)生單相接地故障時采用單相重合閘方式，當發(fā)生相間短路時采用三相重合閘方式。

一般來說，對于110kV及以下線路，采用單重方式；對于220kV及以上線路，采用多重方式；對于孤立線路，沒有形成環(huán)網(wǎng)等特殊情況采用綜重，各種方式的采用是綜合考慮線間距離而導(dǎo)致的故障類型的可能性、供電的可靠性以及對系統(tǒng)的沖擊來考慮的。

重合閘的動作時間

一方面，為了縮短電源斷開時間，希望動作時限越短越好；另一方面，重合閘前要保證滅弧使介質(zhì)絕緣強度恢復(fù)，這包括兩點內(nèi)容：一為斷路器機構(gòu)滅弧室；二為故障點的電弧熄滅。綜合來看，重合閘的時間又不能太短，一般來說為，220kV0.8s，500kV0.6s。

檢無壓和檢同期

檢無壓：在合開關(guān)前，先檢測開關(guān)線路側(cè)是否有電壓，確定無電壓后，再合開關(guān)。

檢同期“在和開關(guān)前，先檢測開關(guān)兩端是否滿足同期條件（電壓和相位都相同），再合開關(guān)。

兩側(cè)跳閘后，線路無壓，這時投無壓側(cè)先將開關(guān)合上，另一側(cè)檢同期后再合閘。如果兩側(cè)均投檢同期，由于線路無壓，母線側(cè)有壓，兩側(cè)開關(guān)均不滿足同期條件，將無法操作。

如果一側(cè)投檢無壓，另一側(cè)投檢同期，那么，檢無壓一側(cè)，在斷路器由于某種原因（誤碰或保護誤動時）而跳閘，對側(cè)并未動作，此時線路有壓，不能重合。因此，兩側(cè)均應(yīng)裝有檢無壓和檢同期，但是，一側(cè)投檢無壓和檢同期后，另一側(cè)只能夠檢同期，否則出現(xiàn)同時檢無壓重合閘導(dǎo)致非同期合閘，此時，在檢同期繼電器觸點回路中要串接檢無壓的觸點。（兩側(cè)重合閘的配合問題）

重合閘是，一般在系統(tǒng)側(cè)投檢無壓，靠近電廠側(cè)投檢同期，是為了防止重合于性故障時，再一次對發(fā)電機組造成沖擊。

同樣的考慮還有500kV線路3/2接線方式的采用邊開關(guān)先合，因為開關(guān)重合于性故障并且開關(guān)此時不能跳開時，系統(tǒng)的停電范圍影響（停一條母線，還是相鄰的一條線路），因為對于500kV線路來說，線路在一般情況下比母線更重要。

需要說明的是，對于單重方式，就不存在檢同期，因為兩相仍處于合閘狀態(tài)。

斷路器保護的功能配置：

1、失靈保護

對于3/2接線，斷路器分為邊斷路器和中斷路器，兩者失靈時所跳的斷路器有所不同，前者是跳中斷路器和所連母線上所有邊斷路器；后者是跳兩個邊斷路器，并且發(fā)遠跳跳開線路對側(cè)的與線路相連的斷路器。

一般來說，220kV及以下的失靈配置母差保護來完成，而500kV3/2接線時，則由斷路器保護完成失靈

失靈保護的動作條件

故障相失靈：按相對應(yīng)的線路保護跳閘接點和失靈過流高定值都動作后，先經(jīng)可整定的失靈跳本開關(guān)時間延時定值發(fā)三相跳閘命令跳本斷路器，再經(jīng)可整定的失靈跳相鄰開關(guān)延時定值發(fā)失靈保護動作跳相鄰斷路器。

非故障相失靈的實現(xiàn)： 由三相跳閘輸入接點保持失靈過流高定值動作元件，并且失靈過流低定值動作元件連續(xù)動作，此時輸出的動作邏輯先經(jīng)可整定的失靈跳本開關(guān)時間延時定值發(fā)三相跳閘命令跳本斷路器，再經(jīng)可整定的失靈跳相鄰開關(guān)延時定值發(fā)失靈保護動作跳相鄰斷路器。

發(fā)變?nèi)饎邮ъ`回路的實現(xiàn)： 由發(fā)、變?nèi)饎拥氖ъ`保護可分別經(jīng)低功率因素、負序過流和零序過流三個輔助判據(jù)開放。三個輔助判據(jù)均可由整定控制字投退。輸出的動作邏輯先經(jīng)可整定的失靈跳本開關(guān)時間延時定值發(fā)三相跳閘命令跳本斷路器，再經(jīng)可整定的失靈跳相鄰開關(guān)延時定值發(fā)失靈保護動作跳相鄰斷路器。

500kV開關(guān)失靈：開關(guān)的失靈保護是在開關(guān)保護里實現(xiàn)的，線路保護的分相跳閘命令來自操作箱的三相跳閘命令TJR開入至開關(guān)保護開關(guān)保護內(nèi)部邏輯判斷--過流判據(jù)（失靈高定值0.6A，失靈低定值0。4A），滿足失靈條件時經(jīng)第一時限0.13s跳本開關(guān)，0.2s跳相鄰開關(guān)即SLJ觸點閉合。

對于邊開關(guān)來說，兩個SLJ觸點跳相鄰中開關(guān)；兩個SLJ觸點起動母差失靈；另有四個SLJ觸點開入至發(fā)信裝置起動發(fā)信遠跳。

三跳接點可以分為三種：
TJQ 三跳啟動重合閘、啟動失靈——目前基本沒有什么用（單重）；

 TJR 三跳不啟重合閘、啟動失靈——母線保護、電抗器、失靈保護、遠跳等的出口；

 TJF三跳不啟重合閘、不啟失靈——非電量出口（不一致、本體等），三相不一致、瓦斯

TJQ為三跳繼電器，不閉鎖重合閘，在一些三跳三重的場合TJQ動作還是允許重合的。如果此時去啟動遠跳回路肯定是不合適。

TJR為永跳繼電器，閉鎖重合閘，往往母差保護及一些需閉鎖重合閘的動作通過它來出口。TJR一但動作，肯定不能重合，用它來啟動遠跳回路。

220kV開關(guān)失靈：

1°線路開關(guān)失靈

線路開關(guān)的失靈保護由線路保護、開關(guān)保護、失靈保護共同實現(xiàn)的，線路保護的分相跳閘命令來自操作三相跳閘命令TJR和TJQ與開關(guān)輔助保護過流判據(jù)（失靈電流定值）串聯(lián)，開入至失靈保護屏，經(jīng)失靈出口短延時跳母聯(lián)/分段，失靈長延時跳該母線上所連接的所有開關(guān)。

2°母聯(lián)/分段開關(guān)失靈

母聯(lián)/分段開關(guān)的失靈保護由母差保護實現(xiàn)的，來自操作的三相跳閘命令TJR開入母差保護屏，有母差保護經(jīng)過流判據(jù)（母聯(lián)失靈電流定值）實現(xiàn)失靈保護，滿足失靈條件時經(jīng)延時跳兩條母線上的所有開關(guān)。

3°變中開關(guān)失靈

變中開關(guān)失靈有主變保護屏起動，借助失靈屏跳主變?nèi)齻?cè)。經(jīng)內(nèi)部邏輯判斷后，開入之失靈屏的變中失靈中；同時主變保護屏的跳中壓側(cè)開關(guān)的命令開入至失靈屏解除復(fù)壓閉鎖；兩者條件同時滿足，使得保護元件和閉鎖元件觸電同時動作，從而實現(xiàn)聯(lián)跳主變?nèi)齻?cè)。 

2、自動重合閘

（前面已有提及）

3、三相不一致保護

定義：斷路器只有一相或兩相跳開，三相跳位開入不一致，非全相狀態(tài)（此時系統(tǒng)中有零序/負序分量），它的控制字為“不一致經(jīng)零序開放投”“不一致經(jīng)負序開放投”，閉鎖重合閘，不啟動失靈（TJF）。

4、充電保護

充電保護由按相構(gòu)成的兩段兩時限相過流和一段零序過流組成。充電保護動作后，起動失靈保護。僅在線路（變壓器）充電時投入，充電正常后立即退出。

5、死區(qū)保護

死區(qū)保護是為開關(guān)CT間故障時，開關(guān)跳開并不能切除故障，此時，為減小這種故障對系統(tǒng)的影響而設(shè)置的比失靈保護動作更快的保護。

動作邏輯為：當裝置收到跳閘信號和TWJ信號，且過流元件動作仍不返回，受死區(qū)保護投入控制經(jīng)整定延時起動死區(qū)保護，出口回路與失靈一致。（動作延時更?。?/span>

1°CT和開關(guān)之間

2°死區(qū)保護與失靈保護公用出口

3°動作時間比失靈保護動作快

動作條件：三相跳閘接點；三相跳位；死區(qū)電流動作；死區(qū)延時

對于3/2接線，

6、跟跳

單相跟跳：收到線路保護來的A/B/C單相跳閘信號，并且相應(yīng)的高定值電流元件動作，瞬時分相跳閘。

兩相跳閘聯(lián)跳三相，收到而且僅收到線路保護來的兩相跳閘信號，并且任一相的高定值電流元件動作，經(jīng)15MS延時聯(lián)跳三相。

三相跟跳：收到三相跳閘信號，并且任一相的高定值電流元件動作，瞬時三相跳閘出口。

1）瓦斯保護

反應(yīng)于油箱內(nèi)部所產(chǎn)生的氣體或油流而動作，它可防御變壓器油箱各種短路故障和油面的降低，切具有很高的靈敏度。瓦斯保護有重輕之分，一般重瓦斯保護動作于跳開格策開關(guān)，輕瓦斯保護動作于信號。

2）縱聯(lián)差動保護和電流保護

用于防御變壓器繞組和引出線的各種相間短路故障、繞組的匝間短路故障（不能反映繞組很少的匝間短路故障）以及中性點直接接地系統(tǒng)側(cè)繞組和引出線的單相接地短路。

縱差保護存在的問題：1°變比不同、分接頭位置不同以及電流互感器的勵磁特性不同，均會引起偏差，一般可以通過增設(shè)平衡繞組或改變微機保護的算法來補償。2°勵磁涌流，正常時，由于勵磁電流很小，影響可不及，但在空載或者外部故障切除后電壓恢復(fù)時，會有很大的勵磁涌流，并且這種電流只流過電壓器繞組的其中一側(cè)，將會引起很大的差流，引起誤跳閘，可以通過二次諧波量和間斷角等識別勵磁涌流。

3）反映外部相間短路故障的后備保護

對于外部相間短路引起的變壓器過電流，同時作為變壓器瓦斯保護、縱聯(lián)差動保護的后備保護，可采用的保護有過電流保護、低電壓起動的過電流保護、復(fù)合電壓起動的過電流保護、負序電流及單相式低電壓起動的過電流保護以及阻抗保護等。

4）反應(yīng)外部接地短路故障的后備保護

對中性點直接接地電力網(wǎng)中，有外部接地短路引起過電流時，如變壓器中性點接地運行應(yīng)裝設(shè)零序電流保護。零序電流保護可由兩段組成，每段可各帶兩個時限，并均以較短的時限動作于縮小故障影響范圍，或動作于本側(cè)斷路器，以較長的實現(xiàn)動作于斷開變壓器各側(cè)斷路器。

5）過負荷保護

過負荷延時動作于信號，無人站必要時可動作于自動減負荷或跳閘。

6）過勵磁保護

大型變壓器需裝設(shè)過勵磁保護，由于變壓器鐵心中的磁通密度B與電壓/頻率比U/f成正比，因此當電壓升高和頻率降低時會引起變壓器過勵磁，鐵耗增加、發(fā)熱，嚴重時甚至引起絕緣損壞。

7）其他非電量保護

本體和有載調(diào)壓部分的油溫保護、壓力釋放保護、風(fēng)冷保護、過載閉鎖有載調(diào)壓保護。

斷路器套管及母線絕緣子閃絡(luò)、母線PT故障、運行人員的誤碰誤操作均會引起母線短路故障。

     母線故障的保護方法：根據(jù)電壓等級的不同，對于35kV及以下母線，一般利用母線相連元件的保護裝置來切除故障（比如過電流保護），即不單獨設(shè)置母線保護；而對于110kV及以上的母線，涉及到的負荷相對更大，這是為保證供電的可靠性，應(yīng)該有選擇性地切除任一組母線上的故障，并且另一母線仍能繼續(xù)運行，這是就配置專用的母線保護。

     母線保護是以CT為分界點的，這也是因為母線保護按差動原理構(gòu)成有關(guān)。因為差動保護能滿足速動性和選擇性的要求。

        母線差動原則：

        1°區(qū)外故障時，母線所連支路中流入和流出的電流相等；

        2°區(qū)內(nèi)故障時，所有的電流幾乎流向短路故障點，此時，流入和流出的電流不相等。

        3°從相位上來看，區(qū)外故障時，至少有一條支路的電流相位和其他支路相反；而區(qū)內(nèi)故障時，由于電流都流向故障點，此時電流都是同相位的。

        差動和不差動：

不差動需，1）躲開外部短路時產(chǎn)生的不平衡電流；2）躲開母線連接元件中，最大負荷支路的最大負荷電流，以防止電流二次回路斷線時誤動。

母線不差動保護只需將連接于母線的各有電源元件上的電流互感器，接入差動回路，在無電源元件上的電流互感器不接入差動回路。因此在無電源元件上發(fā)生故障，它將動作。電流互感器不接入差動回路的無電源元件是電抗器或變壓器。

        雙母線接線方式的大差和小差

        雙母線固定連接方式的電流差動保護：由三組差動保護組成，1M小差動，2M小差動，1M、2M大差動。

有大差之后，在母線運行方式發(fā)生變化時，由于小差通過大差閉鎖來動作開關(guān)，可以有效閉鎖區(qū)外故障時差動保護誤動作。

同樣，在運行方式發(fā)生變化時，對于區(qū)內(nèi)故障，會由大差繼電器首先動作于母聯(lián)開關(guān)，然后，小差I 、II繼電器均有故障電流時會跳開兩條母線。此種情況下會擴大停電范圍。

母聯(lián)電流相位比較式差動保護：第一部分，進線和出線電流總電流繼電器KA；第二部分，總差流，母聯(lián)斷路器電流和相位比較繼電器KP。正?；騾^(qū)外故障時，KA不啟動，不會誤動；區(qū)內(nèi)故障時，由KA判斷區(qū)內(nèi)故障，由KP判斷故障母線。這種方式的缺點在于單母線運行時，需配置另一套單母線運行保護。