【正文】 高等職業(yè)技術(shù)教育建筑設(shè)備類專業(yè)規(guī)化教材 主 編 丁文華 蘇 娟 副主編 劉華斌 課題 7 斷電保護(hù)及二次系統(tǒng) 繼電保護(hù)的基本知識(shí) 線路的繼電保護(hù) 電力變壓器的繼電保護(hù) 二次系統(tǒng)接線圖 中央信號(hào)系統(tǒng) 斷路器控制回路及信號(hào)系統(tǒng) 絕緣監(jiān)察裝置和電氣測(cè)量?jī)x表 備用電源自動(dòng)投入裝置 繼電保護(hù)的基本知識(shí) 為保證供配電系統(tǒng)的安全運(yùn)行，避免過負(fù)荷和短路引起的過電流對(duì)系統(tǒng)的影響，在供配電系統(tǒng)中要裝有不同類型的過電流保護(hù)裝置。常用的過電流保護(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)的任務(wù)和要求 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。 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型為依據(jù)，并應(yīng)滿足選擇性、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） IOP， 1的比值來表示，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 》 (GB 50062— 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)一般電力線路的保護(hù)裝置，就要求其選擇性較高。 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)物理量的差別來構(gòu)成的，例如，反映電流增大的過電流保護(hù)、反映電壓降低（或升高）的低電壓（或過電壓）保護(hù)等。 繼電保護(hù)的基本原理 繼電保護(hù)原理結(jié)構(gòu)方框圖 如圖 。它由三部分組成： （ 1） 測(cè)量部分 —— 用來測(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。 圖 ，用以說明繼電保護(hù)的組成和基本原理。在 圖 中，電流繼電器 KA的線圈接于被保護(hù)線路電流互感器 TA的二次回路，即保護(hù)的測(cè)量回路，它監(jiān)視被保護(hù)線路的運(yùn)行狀態(tài)，測(cè)量線路中電流的大小。在正常運(yùn)行情況下，當(dāng)線路中通過最大負(fù)荷電流時(shí)，繼電器不動(dòng)作；當(dāng)被保護(hù)線路 K點(diǎn)發(fā)生短路時(shí)，線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的跳閘線圈回路，使斷路器跳閘，切除短路故障。 圖 繼電保護(hù)原理結(jié)構(gòu)方框圖 圖 線路過電流保護(hù)基本原理示意圖 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。 斷電器的構(gòu)成和分類 （ 2） 比較元件 將感受元件送來的物理量與預(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 繼電器的種類很多，目前一般分類方法如下： （ 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。前者為過量繼電器，如過電流繼電器等；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： 繼電器的動(dòng)作原理和主要功能代號(hào)如表 （見 P178）所示。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 10 A。 4．常用繼電器 35 kV及以下電力網(wǎng)中的電力線路和電氣設(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， 圖 DL系列電磁式電流繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部接線圖。 電磁式電流繼電器的工作原理如下：當(dāng)線圈 2通過電流 IKA時(shí)，電磁力矩 M1試圖使可動(dòng)舌片 3向順時(shí)針方向旋轉(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。 能使過電流繼電器剛好動(dòng)作并使觸點(diǎn)閉合的電流 IKA值稱為該繼電器的動(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值稱為返回電流，用Ire表示。上述定義還可以說成，使繼電器常開接點(diǎn)閉合的最小電流稱為動(dòng)作電流 IOP；使繼電器閉合的常開觸點(diǎn)斷開的最大電流稱為返回電流 Ire。繼電器的返回電流 Ire與其動(dòng)作電流 IOP的比值稱為返回系數(shù) Kre（其值一般小于 1），即 Kre＝ Ire/IOP (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：電壓繼電器的線圈是電壓線圈，其匝數(shù)多而線徑細(xì)；而電流繼電器的線圈為電流線圈，其匝數(shù)少而線徑粗。 電磁式電壓繼電器有過電壓和欠電壓兩大類，其中欠電壓繼電器在工廠供電系統(tǒng)應(yīng)用較多。 類似過電流繼電器，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) Kre1，一般為 1～。 (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 ，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)閉合或斷開時(shí)帶有不大的延時(shí)（ ～ s），或者通過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，圖 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 。在正常情況下，繼電器線圈中沒有電流通過，信號(hào)繼電器在正常位置。當(dāng)繼電器線圈中有電流流過時(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），其接線方式 如圖 。實(shí)際使用時(shí)，一般采用電流型信號(hào)繼電器。 圖 DL系列電磁式電流繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和內(nèi)部接線圖 （ a） 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖；（ b） 內(nèi)部接線圖 圖 DS－ 100系列時(shí)間繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 圖 DZ－ 10系列中間繼電器結(jié)構(gòu)圖 圖 DX－ 11型信號(hào)繼電器的結(jié)構(gòu)圖 圖 信號(hào)繼電器的接線方式 （ a） 串聯(lián)信號(hào)繼電器；（ b） 并聯(lián)信號(hào)繼電器 線路的繼電保護(hù) 在供電線路上發(fā)生短路故障時(shí)， 其重要特征 是電流增加和電壓降低，根據(jù)這兩個(gè)特征可以構(gòu)成電流、電壓保護(hù)。反映電流突然增大使繼電器動(dòng)作而構(gòu)成的保護(hù)裝置稱為過電流保護(hù)，主要包括帶時(shí)限過電流保護(hù)和電流速斷保護(hù)。電壓保護(hù)主要是低電壓保護(hù)，當(dāng)發(fā)生短路時(shí)，保護(hù)裝置安裝處母線殘余電壓低于低電壓保護(hù)的整定值時(shí)發(fā)出保護(hù)動(dòng)作。電壓保護(hù)一般很少單獨(dú)采用，多數(shù)情況下是與電流保護(hù)配合使用，例如低電壓閉鎖過電流保護(hù)。 1．三相完全星形接線 三相完全星形接線方式又稱三相三繼電器式接線， 如圖 （ a）所示 。它是用三臺(tái)電流互感器與三只繼電器對(duì)應(yīng)連接的，這樣，不論發(fā)生任何類型的短路故障，流過繼電器線圈中的電流 U、 V、W總是與電流互感器一次 U、 V、 W電流成比例。 三相完全星形接線方式對(duì)各種短路故障如三相短路、兩相短路、單相接地短路都能起到保護(hù)作用，而且具有相同的靈敏度。在各種短路時(shí)電流相量 如圖 （ b）、（ c）、（ d）所示 。 當(dāng)發(fā)生 額定電壓 三相短路時(shí)，各相電流互感器二次側(cè)通過二次變換的短路電流分別通過三只電流繼電器的線圈，使之動(dòng)作；而當(dāng)兩相或單相接地短路時(shí)，與短路相對(duì)應(yīng)的兩只或一只電流繼電器動(dòng)作。 為了表征流入繼電器的電流 IKA與電流互感器二次側(cè)電流 ITA之間的關(guān)系，在這里引入接線系數(shù)KW的概念。所謂接線系數(shù)，是指流入繼電器的電流 IKA與電流互感器二次電流 ITA的比值，即 KW＝ IKA/ITA 。 2．兩相不完全星形接線 兩相不完全星形接線方式又稱兩相兩繼電器式接線， 如圖 。它是在 U、 W兩相裝有電流互感器，分別與兩只電流繼電器相連接。與三相完全星形接線方式的差別是在 V相上沒有裝電流互感器和繼電器。 兩相不完全星形接線方式對(duì)各種相間短路都能起到保護(hù)作用，但 V相接地短路故障時(shí)不反應(yīng)。因此，該接線方式不能用于單相接地保護(hù)裝置，適用于 6～ 10 kV中性點(diǎn)不接地的供電系統(tǒng)中作為相間短路保護(hù)裝置的接線。該接線方式的接線系數(shù)在正常工作和相間短路時(shí)均為 1。 兩相電流差接線方式又稱兩相一繼