电力线路继电保护整定计算的优化方案

相关知识

一、继电保护装置的概述

1）继电保护装置的概念

所谓继电保护装置是指能反映电力系统中电气设备或线路发生的故障和不正常运行状态，并能作用于断路器跳闸和发出信号的一种自动装置。

2）继电保护装置的作用

（1）故障时跳闸。当被保护线路或设备发生故障时，继电保护装置能借助断路器，自动地、迅速地、有选择地将故障部分断开，保证非故障部分继续运行。

（2）异常状态发出报警信号。当被保护设备或线路出现不正常运行状态时，继电保护装置能够发出信号，提醒工作人员及时采取措施。

3）对继电保护装置的基本要求

为了使继电保护装置能较好地发挥其作用，在选择和设计继电保护装置时，应满足以下几点要求。

（1）选择性。供配电系统发生故障时，要求保护装置只将故障部分切除，保证无故障部分继续运行。保护装置的这种性能称为选择性。

如图9－1所示，当走k—1 点短路时，短路电流经断路器QF1、QF3、QF5。按选择性要求，保护装置1 应动作，使断路器QF1断开，如果保护装置3 或5 动作，则扩大了停电范围。但由于某种原因，保护装置1 拒绝动作，而由其上一级线路的保护装置3 动作，使断路器QF3跳闸切除故障，这种动作虽然停电范围有所扩大，仍认为是有选择性的动作。保护装置3 除了保护本线路外，还作为相邻元件1 或2 的后备保护。若不装设后备保护，当保护装置拒动时，故障将无法切除，后果极其严重。

图9－1　继电器保护装置的选择性示意图

（2）速动性。系统中发生短路故障时，必须快速切除故障，以减轻故障的危害程度，加速系统电压的恢复，减少对用电设备的影响，缩小故障影响的范围，提高电力系统运行的稳定性。

切除故障的时间是指从发生短路起至断路器跳闸、电弧熄灭为止所需要的时间，它等于保护装置的动作时间与断路器跳闸时间（包括灭弧时间）之和。因此，为了保证速动性，应采用快速动作的继电保护装置和快速动作的断路器。

（3）灵敏性。继电保护的灵敏性是指对保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。在保护范围内不论发生任何故障，不论故障位置如何，均应反应敏锐并保证动作。反应的灵敏性用灵敏系数SP衡量。

对过电流保护装置，灵敏系数SP为：

式中 Ik.min——保护区内最小运行方式下的最小短路电流；

IOP1——保护装置的一次侧动作电流。

对低电压保护装置，灵敏系数SP 为：

式中 Uk.max——被保护区发生短路时，连接该保护装置的母线上最大残余电压；

UOP1——保护装置的一次动作电压，V。

在《继电保护和自动装置设计技术规程》中，对各种保护装置的最小灵敏系数规定为1.2、1.25、1.5、2 四级。通常主要保护的灵敏系数要求不小于1.5～2。在设计、选择继电保护装置时，必须严格遵守此规定。

（4）可靠性。可靠性是指当保护范围内发生故障和不正常运行状态时，保护装置能可靠动作，不应拒动或误动。前者为信赖性，后者为安全性。继电保护装置的拒动和误动都会造成很大的损害。为保证保护装置动作的可靠性，应注意以下几点：

①选用质量好、结构简单、工作可靠的继电器组成保护装置。

②保护装置的接线应力求简单，使用最少的继电器和触点。

③正确调整保护装置的整定值。

④注意安装工作的质量，加强对继电保护装置的维护工作。

以上对保护装置的四项要求，在一个具体的保护装置中，不一定都是同等重要的。在各要求之间发生矛盾时，应进行综合分析，选取最佳方案。例如，为了满足保护装置的选择性，往往要牺牲一些速动性；而有时却要牺牲选择性，保证速动性。继电保护装置除满足上面的基本要求外，还要求投资少，便于调试和维护。

4）继电保护装置的组成

继电保护装置由若干继电器组成，如图9－2所示。当线路发生短路故障时，启动用的电流继电器KA 瞬时动作，使时间继电器KT 启动，KT 经整定的一定时限后，接通信号继电器KS 和中间继电器KM，KM 触头接通故障线路断路器QF 的跳闸回路，使故障线路断路器QF 跳闸，把故障从系统中切除。

图9－2　继电保护装置框图

5）电流保护装置的接线方式和接线系数

电流保护装置的接线方式是指电流继电器与电流互感器的连接方式。常用的连接方式有三种。

为了表述继电器电流IKA 与电流互感器二次侧电流I2 的关系，特引入一个接线系数KW：

式中 IKA——流入电流互感器的电流；

I2——电流互感器二次侧电流。

（1）三相三继电器式接线。图9－3是三相三继电器的完全星形接线方式。当供配电系统发生三相短路、任意两相短路、中性点直接接地系统中任一单相接地短路时，至少有一个继电器中流过电流互感器的二次电流。

图9－3　三相三继电器的完全星形接线方式

采用完全星形接线方式，流过继电器的电流就是互感器的二次电流，所以其接线系数KW＝1。该接线方式不仅能反应各种类型的短路故障，而且灵敏度相同，因此它的适用范围较广。但这种接线方式所用设备较多，主要用在中性点直接接地系统中作相间短路保护和单相接地短路保护。

（2）两相两继电器（两相三继电器）式接线。图9－4是两相两继电器和两相三继电器的不完全星形接线方式，电流互感器统一装在A、C 两相上。在发生三相短路和任意两相短路时，至少有一个继电器流过互感器的二次电流，且各种相间短路时，接线系数KW＝1。但是当未接电流互感器的一相发生单相接地短路故障时，继电器不会动作。所以此接线方式不能用来保护单相接地短路。由于此种接线所用设备少，因此广泛用于63 kV 及以下的中性点不直接接地的系统中。

图9－4　两相两继电器式接线和两相三继电器式接线

（a）两相两继电器；（b）两相三继电器

（3）两相一继电器式接线（两相电流差式接线）。图9－5是两相一继电器式的接线方式。由于流入电流继电器的电流为两相互感器二次电流之差，所以叫两相电流差接线。

图9－5　两相一继电器式接线方式

该接线方式在正常工作时和发生三相短路时，流入继电器的电流IKA为电流互感器二次电流的倍，所以其接线系数KW＝。当A、B 两相或B、C 两相短路时，流入继电器的电流等于互感器的二次电流，其接线系数KW＝1。当A、C 两相短路时，流入继电器的电流为互感器二次电流的2 倍，其接线系数KW＝2。当B 相发生单相接地短路时，继电器中无电流，继电器不动作。

由以上分析可知，两相电流差接线能够反映各种相间短路故障，只是在不同相间短路时，灵敏度不同。由于它对于B 相的单短路不能反映，因此只能用作相间保护。两相电流差接线灵敏度较低，一般用作电动机和不太重要的10 kV 及以下线路的过电流保护。不同接线方式的接线系数见表9－1。

表9－1　接线系数KW 的值

二、常用保护继电器

继电器是继电保护装置的基本元件，是一种传递信号的电器，用来接通或断开控制或保护电路。

继电器的分类方式很多，按其应用分有控制继电器和保护继电器两大类。控制继电器用于控制回路，保护继电器用于保护回路。

保护继电器按其组成元件分为机电型和晶体管型两大类，机电型又分为电磁型继电器和感应型继电器；按其反应的数量变化分，有过量继电器和欠量继电器；按其反应的物理量分有电流继电器、电压继电器、气体继电器等；按其在保护装置中的功能分为启动继电器、时间继电器、信号继电器等；按其与一次电路的联系分为一次式继电器和二次式继电器。

在供配电系统中常用的保护继电器，有电磁型继电器、感应型继电器以及晶体管继电器。前两种是机电式继电器，它们工作可靠，而且有成熟的运行经验，所以目前仍普遍使用。晶体管继电器具有动作灵敏、体积小、能耗低、耐振动、无机械惯性、寿命长等一系列优点，但由于晶体管器件的特性受环境温度变化影响大，器件的质量及运行维护的水平都影响到保护装置的可靠性，目前国内较少采用。但随着电力系统向集成电路和微机保护方向发展，晶体管继电器的应用水平也不断提高。

1）电磁式继电器

电磁式继电器包括以下四种。

（1）电磁式电流继电器。电磁式电流继电器在过电流保护装置中作为测量和启动元件，当电流超过某一整定值时继电器动作。供配电系统中常用DL－10 系列电磁式电流继电器作为过电流保护装置的启动元件，其结构如图9－6所示，内部接线和图形符号如图9－7所示，电流继电器的文字符号为KA。

图9－6　DL－10 系列电磁式电流继电器的结构

1—铁芯；2—钢舌片；3—线圈；4—转轴；5—反作用弹簧；6—轴承；7—标度盘；8—调节转杆；9—动触点；10—静触点

图9－7　DL－10 系列电磁式电流继电器的内部接线和图形符号

（a）DL－11 型；（b）DL－12 型；（c）DL－13 型；（d）集中表示的图形符号；（e）分开表示的图形符号

当继电器线圈3 中通入电流时，在铁芯1 中产生磁通，该磁通使钢舌片2 磁化，并产生电磁力矩。作用于钢舌片的电磁力矩，使钢舌片沿磁阻减小的方向（图中为顺时针方向）转动，同时弹簧5 被旋紧，弹簧的反作用力矩增大。当线圈中电流达到一定数值时，电磁力矩将克服弹簧的阻力矩与摩擦阻力矩，将钢舌片吸向磁极，带动转轴4 顺时针转动，使常开触点闭合，常闭触点断开，此时称继电器动作或启动。能够使继电器动作的最小电流，称为继电器的“动作电流”，用IOP表示。

继电器动作后，当流入继电器线圈的电流减小到一定值时，钢舌片在弹簧作用下返回，使动、静触点分离，此时称继电器返回。能够使继电器返回的最大电流，称为继电器的“返回电流”，用Ire 表示。（注：对于欠量继电器，例如欠电压继电器，其返回电压Ure则为继电器线圈中的使继电器返回的最小电压。）

继电器的“返回电流”与“动作电流”的比值称为继电器的返回系数，用Kre 表示，即：

由于此时摩擦力矩起阻碍继电器返回的作用，因此电流继电器的返回系数恒小于1（欠量继电器则大于1）。在保证接触良好的条件下，返回系数越大，说明继电器越灵敏。DL 系列电磁式电流继电器的返回系数较高，一般不小于0.8。

电磁式电流继电器的动作电流有两种调节方法：一种是平滑调节，即通过调节转杆来实现。当逆时针转动调节转杆时，弹簧被扭紧，反力矩增大，继电器动作所需电流也增大；反之，当顺时针转动转杆时，继电器动作电流减小。另一种是级进调节，即改变线圈的连接方式实现。当两线圈并联时，线圈串联匝数减少1 倍，因继电器所需动作匝数是一定的，因此动作电流将增大1 倍；反之，当线圈串联时，动作减少1 倍。电磁式电流继电器动作较快，其动作时间为0.01～0.05 s。电磁式电流继电器的接点容量较小，不能直接作用于断路器跳闸，必须通过其他继电器转换。

DL－10 系列电磁式电流继电器只要通入继电器的电流超过某一预先整定的数值时，它就能动作，动作时限是固定的，与外电压无关，这种特性称作定时限特性，如图9－8所示。DL 型电磁式电流继电器的技术参数见表9－2。

图9－8　电磁式电流继电器的定时限特性

表9－2　DL 型电磁式电流继电器的技术参数

（2）电磁式中间继电器。电磁式中间继电器在继电保护中作为辅助继电器，以弥补主继电器触点数量和触点容量的不足。它通常用在保护装置的出口电路中，用来接通断路器的跳闸回路。工厂供配电系统中常用的DZ－10 系列中间继电器的内部结构如图9－9所示，其内部接线和图形符号如图9－10所示，中间继电器的图形符号为KM。

当线圈1 通电时，衔铁4 被吸引向铁芯2，使其常闭触点5—6 断开，常开触点5—7闭合；当线圈断电时，衔铁4 在弹簧3 作用下返回。

图9－9　DZ－10 系列中间继电器的内部结构

1—线圈；2—铁芯；3—弹簧；4—衔铁；5—动触点；6，7—静触点；8—连接线；9—接线端子；10—底座

图9－10　中间继电器的内部接线和图形符号

（a）DZ－15 型；（b）DZ－16 型；（c）DZ－17 型；（d）图形符号

中间继电器种类较多，有电压式，电流式，有瞬时动作的，也有延时动作的。瞬时动作中间继电器，其动作时间为0.05～0.06 s。

中间继电器的特点是触点多，容量大，可直接接通断路器的跳闸回路，且其线圈允许时间通电运行。

（3）电磁式时间继电器。时间继电器在继电器保护中作为时限（延时）元件，用来建立必要的动作时限。其特点是线圈通电后，触点延时动作，按照一定的次序和时间间隔接通或断开被控制的回路。

常用的DS－110（120）系列电磁式时间继电器的结构如图9－11所示，内部接线和图形符号如图9－12所示。

在图9－11中，当线圈1 通电时，可动铁芯3 被吸入，带动瞬时动触点8 分离，与瞬时静触点5、6 闭合。压杆9 由于衔铁的吸入被放松，使扇形齿轮12 在拉引弹簧17 的作用下顺时针转动，启动钟表机构。钟表机构带动延时主动触点14，逆时针转向延时主静触点15 经一段延时后，延时触点14 与15 闭合，继电器动作。调整延时主静触点15 的位置来调整延时主动触点14 到15 之间的行程，从而调整继电器的延时时间。调整的时间在刻度盘上标出。线圈断电后，在返回弹簧4 的作用下，可动铁芯3 将压杆9 顶起，使继电器返回。由于返回时钟表机构不起作用，所以继电器的返回是瞬时的。

图9－11　DS－110（120）系列电磁式时间继电器的结构

1—线圈；2—铁芯；3—可动铁芯；4—返回弹簧；5，6—瞬时静触点；7—绝缘杆；8—瞬时动触点；9—压杆；10—平衡锤；11—摆动卡板；12—扇形齿轮；13—传动齿轮；14—主动触点；15—主静触点；16—表度盘；17—拉引弹簧；18—弹簧拉力调节器；19—摩擦离合器；20—主齿轮；21—小齿轮；22—擎轮；23，24—钟表机构传动齿轮

图9－12　时间继电器的内部接线和图形符号

（a）DS－111、121、112、122、113、123 型；（b）DS－111C、112C、113C 型；（c）DS－115、125、116、126 型；（d）带延时闭合触点的时间继电器图形符号；（e）带延时断开触点的时间继电器图形符号

（4）电磁式信号继电器。在继电保护和自动装置中，信号继电器用作动作指示，以便判别故障性质或提醒工作人员注意。工厂配电系统常用的DX－11 型信号继电器的结构如图9－13所示，内部接线和图形符号如图9－14所示，信号继电器的文字符号为KS。

正常时，继电器的信号牌5 支撑在衔铁4 上面。当线圈1 通电时，衔铁被吸向铁芯2使信号牌落下，同时带动转轴旋转90°，使固定在转轴上的动触点8 与静触点9 接通，从而接通了灯光和音响信号回路。要使信号复归，可旋转复位旋钮7，断开信号回路。

图9－13　DX－11 型信号继电器的结构

1—线圈；2—铁芯；3—弹簧；4—衔铁；5—信号牌；6—玻璃孔窗；7—复位旋钮；8—动触点；9—静触点；10—接线端子

图9－14　DX－11 系列信号继电器内部接线和图形符号

2）感应式电流继电器

（1）结构组成与工作原理。在6（10）kV 供配电系统中，广泛使用感应式电流继电器作电流保护。因为它兼有电流继电器、时间继电器、中间继电器和信号继电器的作用，从而能大大简化继电器保护装置。

常用的GL－10 系列感应式电流继电器结构如图9－15所示。它由两大系统构成，一个是感应系统，其动作是反时限的；另一个是电磁系统，其动作是瞬时的。感应式电流继电器的内部接线和图形符号如图9－16所示。

图9－15　GL－10 系列感应式电流继电器结构

1—线圈；2—铁芯；3—短路环；4—铝盘；5—钢片；6—铝框架；7—调节弹簧；8—制动永久磁铁；9—扇形齿轮；10—蜗杆；11—扁杆；12—触点；13—时限调节螺钉；14—速断电流调节螺杆；15—衔铁；16—动作电流调节插销

图9－16　感应式电流继电器的内部接线和图形符号

（a）GL－10、20 型内部接线；（b）图形符号

在图9－15中，当线圈1 中有电流IKA通过时，铁芯2 在短路环3 的作用下，产生在时间和空间位置上不相同的两个磁通φ1和φ2，φ1在相位上超前φ2一个角度φ。这样在铁芯端部的空气隙中产生了两个空间位置和相位均不同的磁通，而且都穿过铝盘，由电工基础知识可知，如果两个磁通空间位置不重合，在时间上又有相位差时，那么其中一个磁通在铝盘内产生的感应涡流与另一个磁通相互作用，便产生了作用于铝盘的电磁力矩M1。该电磁力矩的方向是使铝盘由空间位置上相位超前的磁通转向相位滞后的磁通，即由磁极未套短路环部分向套有短路环的部分旋转，电磁力矩的大小则可由下式决定，即：

由式（9－5）可见，电磁力矩M1 的大小不但与磁通φ1φ2的大小有关，还与它们的相位差φ 有关。当继电器结构一定时，K1 与相位差φ 为常数，当磁路未饱和时，磁通φ1、φ2与继电器线圈中的电流IKA成正比。故式（9－5）可写成：

式（9－6）说明，通入继电器线圈的电流IKA 越大，电磁力矩M1 越大，铝盘转动越快。

铝盘4 转动时，切割制动永久磁铁8 的磁力线，因而在铝盘上产生涡流。该涡流与永久磁铁的磁场相互作用产生与转矩M1 方向相反的制动力矩M2，其大小与铝盘的转速n 成正比，即：

当转速n 增大到某一值时，M1 与M2 平衡，铝盘匀速运转。铝盘转动时，M1 与M2 二者作用于铝盘，使铝盘带动铝框架6 有克服调节弹簧7 的拉力绕轴顺时针偏转的趋势。线圈中的电流越大，则铝框架受力也越大。当电流足够大时，铝框架克服弹簧阻力而顺时针偏转，使铝盘前移。当铝框架转到蜗杆10 与扇形齿轮9 啮合，扇形齿轮便随着铝盘的旋转而上升，从而启动继电器的感应系统。当铝盘继续旋转使扇形齿轮上升抵达扁杆11 时，将扁杆顶起，使衔铁15 的右端因与铁芯2 的空气隙减小而被吸向铁芯，触点12 闭合。从继电器启动（螺杆与扇形齿轮啮合瞬间）到触点闭合的这段时间，称为继电器的动作时限。图9－17为GL—10 系列感应式电流继电器的时限特性曲线。当通过线圈的电流越大，铝盘转动也越快，动作时限就越短，这种时限特性称为反时限特性。如图9－17所示曲线的ab 段。随着继电器线圈电流的继续增大，铁芯逐渐到达饱和状态。这时，M1 不再随IKA 增大而增大，继电器动作时限也不再减小，即进入定时限部分，如曲线中的bc 段所示。这种有一定限度的反时限特性，称为有限反时限特性。

图9－17　GL－10 系列感应式电流继电器的时限特性曲线

这种继电器还装有瞬动元件，当继电器线圈中电流再继续增大到某一预先设定的倍数时，衔铁的右端被吸向铁芯。扁杆11 向上运动使触点瞬时闭合，电磁系统瞬时动作，进入曲线的“速断”部分，如曲线中的b′d 段所示。电磁系统的动作时间为0.05～0.1 s。动作Ⅱ曲线对应于开始速断时间的动作电流倍数，称为速断电流倍数nqb。即：

式中 Iqb——感应式电流继电器的速断电流，即继电器线圈中使速断元件动作的最小电流；

IOP——感应式电流继电器的动作电流。

速断电流倍数可以通过速断电流调节螺杆14 改变衔铁15 与铁芯2 之间的空气隙大小来调节。空气隙越大，速度电流倍数nqb 越大。当线圈中的电流减小到一定程度时，调节弹簧7 时将框架6 拉回，使扇形齿轮9 与螺杆脱离，继电器则返回。

（2）动作电流与动作时限的调节。

使蜗杆与扇形齿轮9 啮合的最小电流，称为继电器感应系统的动作电流。继电器感应系统的动作电流是利用动作电流调节插销16 改变继电器线圈的匝数来调整的。GL 型感应式电流继电器的技术参数见表9－3。

表9－3　GL 型感应式电流继电器的技术参数

感应系统的动作时限，可以通过转动螺杆13 使挡板上下移动，改变扇形齿轮的起始位置来调节。扇形齿轮与摇柄的距离越大，则在一定电流作用下，继电器动作时限越长。

由于GL－10 系列感应式继电器的动作时限与通过继电器线圈的电流大小有关，所以继电器铭牌上标注的时间，均指继电器线圈通过的电流为其整定的动作电流10 倍时动作电流的动作时间。其他电流的动作时限可从对应的时限特性曲线上查得。电磁系统的动作电流，可通过速断电流调节螺杆14 改变衔铁右端与铁芯之间的空气隙来调节。空气隙越大，速断动作电流也越大。

GL－10 系列继电器的优点是接点容量大，能直接作用于断路器跳闸，本身还具有机械掉牌装置，不需附加其他继电器就能实现有时限的过电流保护功能和信号指示功能。其缺点是结构复杂，精确度较低，感应系统惯性较大，动作后不能及时返回，为了保证其动作的选择性必须加大时限阶段。

三、高压配电电网的继电保护

输电线路或电气设备发生短路故障时，其重要的特征是电流突然增大和电压下降。过电流保护就是利用电流增大的特点构成的保护装置。

1.带时限的过电流保护

带时限的过电流保护，按其动作时间特性分，有定时限过电流保护和反时限过电流保护两种。定时限，就是指保护装置的动作时间是固定的，与短路电流的大小无关；反时限，就是指保护装置的动作时间与反映到继电器中的短路电流的大小成反比关系，短路电流越大，动作时间越短，所以反时限特性也称为反比延时特性或反延时特性。

1）定时限过电流保护

电网的过电流保护装置均设在每一段线路的供配电端，其接线如图9－18 所示。图中TA1、TA2 为电流互感器；KA1、KA2 为电磁式过电流继电器，作为过电流保护的启动元件；KT 为时间继电器，作为过电流保护的时限元件；KS 为信号继电器，作为过电流保护的信号元件；KM 为中间继电器，作为保护的执行元件；YR为断路器的跳闸线圈；触点QF 为断路器操作机构控制的辅助常开触点。保护采用两相两继电器式接线方式。

图9－18　定时限过电流保护装置电路图

（a）原理图；（b）展开图

正常情况下，线路中流过的工作电流小于继电器的动作电流，继电器不能动作。当线路保护范围内发生短路故障时，流过线路的电流增加，当电流达到电流继电器的整定值时，电流继电器动作，闭合其常开触点，使时间继电器KT 线圈有电；经过一定延时，KT 触点闭合，接通信号继电器KS 线圈回路，KS 触点闭合，接通灯光、声响信号回路；信号继电器本身也具有掉牌显示，指示该保护装置动作。在KT 触点闭合接通信号继电器的同时，中间继电器KM 线圈也同时有电，其触点闭合使断路器跳闸线圈YR 有电，动作于断路器跳闸，切除故障线路。断路器跳闸后，QF 随即打开，切断断路器跳闸线圈回路，以避免直接用KM 触点断开跳闸线圈时，其触点被电弧烧坏。在短路故障切除后，继电保护装置除KS 外的其他所有继电器都自动返回起始状态，而KS 需手动复位，完成保护装置的全部动作过程。

（1）动作电流的整定。

动作电流的整定必须满足下面两个条件：

①应该躲过线路的最大负荷电流IL.max，以免在最大负荷通过时保护装置误动作。

②保护装置的返回电流Ire也应该躲过线路最大负荷电流IL.max，以保证保护装置在外部故障切除后，能可靠地返回原始位置，以免发生误动作。为说明这点，现如图9－19所示的线路定时限过流保护整定为例来介绍。

图9－19　线路定时限过电流保护整定说明图

当线路WL2 的首端k 点发生短路时，由于短路电流远远大于线路上的所有负荷电流，所以沿线路的过电流保护装置包括KA1、KA2 均应启动。按照保护选择性的要求，应是靠近故障点的保护装置KA2 首先断开QF2，切除故障线路WL2，而KA1 应立即返回，不至于断开QF1。如果KA1 在整定其返回电流时没有躲过线路WL1 的最大负荷电流，尽管KA2 切除WL2 后，WL1 恢复正常运行，但KA1 继续保持启动状态，从而达到它所整定的时限后，必将错误地断开QF1 造成WL1 停电，扩大了事故停电的范围，这是不允许的。所以保护装置的返回电流也必须躲过线路的最大负荷电流IL.max。线路的最大负荷电流应根据线路实际的过负荷情况，特别是尖峰电流（包括电动机的自启动电流）情况而定。

过电流保护动作电流的整定公式为：

式中 I OP——继电器的动作电流；

Krel——保护装置的可靠系数，对DL 型继电器取1.2，对GL 型继电器取1.3；

KW——保护装置的接线系数，三相式、两相式接线取1，两相差式接线取；

Kre——保护装置的返回系数，对DL 型继电器取0.85，对GL 型继电器取0.8；

Ki——电流互感器变比；

IL.max——线路的最大负荷电流，可取为（1.5～3）I30。

如果用断路器手动操作机构的过电流脱扣器YR 作过电流保护，则脱扣器动作电流按下式进行整定，即：

式中 Krel——保护装置YR 的可靠系数，取2～2.5。

由式（9－9）求得继电器动作电流计算值，确定其动作电流整定值。保护装置一次侧的动作电流为：

（2）动作时间的整定。

定时限过流保护装置的时限整定应遵守时限的“阶梯原则”。为了使保护装置以可能的最小时限切除故障线路，位于电网末端的过电流保护不设延时元件，其动作时间等于电流继电器和中间继电器本身固有的动作时间之和，为0.07～0.09 s。

为了保证前后两级保护装置动作的选择性，在后一级保护装置的线路首端即k 点发生三相短路时，前一级保护的动作时间t1，应比后一级保护的动作时间t2 要大一个时间差Δt，即：

靠近电源侧的各级保护装置的动作时间，取决于时限级差Δt 的大小。Δt 越小，各级保护装置的动作时限越小。但Δt 不可过小，否则不能保证选择性。在确定出时，应考虑到断路器的动作时间，前一级保护装置工作时限可能发生提前动作的负误差，后一级保护装置可能发生滞后动作的正误差，为了保证前后级保护的动作选择性，还应该考虑加上一个保险时间，Δt 在0.5～0.7 s。(https://www.xing528.com)

对于定时限过电流保护，可取Δt＝0.5 s；对于反时限过电流保护，可取位Δt＝0.7 s。

［例9－1］ 如图9－20所示，某厂10 kV 供配电线路，保护装置接线方式为两相式接线。已知WL2 的最大负荷电流为60 A，TA1 的变比为150／5，TA2 的变比为100／5，继电器均为DL 型电流继电器。已知TA1 已整定，其动作电流为10 A，动作时间为1 s。试求整定保护装置TA2 的动作电流、一次侧动作电流和动作时间。

图9－20　10 kV 供配电线路图

［解］

①整定KA2 的动作电流。

取Krel＝1.2，Kre＝0.85，已知IL.max＝60 A，故：

查表9－2，KA2 选择DL－10／10 型电流继电器，线圈串联，动作电流整定为4 A。KA2 的一次侧动作电流为：

②整定KA2 的动作时间。

保护装置KA1 的动作时限应比保护装置KA2 的动作时限大一个时间阶段Δt，取Δt＝0.5 s，因为KA1 的动作时间是t1＝1 s，所以KA2 的动作时间为：

t2＝t1－Δt＝1－0.5＝0.5（s）

2）反时限过电流保护

反时限就是指保护装置的动作时间与反映到继电器中的短路电流的大小成反比关系，短路电流越大，动作时间越短。

反时限过电流保护的基本元件是GL 型感应式电流继电器。晶体管继电器也可组成反过流保护装置。这种保护的特点是在同一线路的不同地点时，由于短路电流大小不同，因此保护具有不同的动作时限。短路点越靠近电源端，短路电流越大，动作时限越短。

图9－21是由GL 型感应式电流继电器构成的反时限过电流保护装置（不完全星形接线）接线图。图中，KA1、KA2 为GL 型感应式带有瞬时触电的反时限过电流继电器，继电器本身带有时限，并有动作及指示信号牌，所以回路不需要时间继电器和信号继电器。

图9－21　反时限过电流保护装置接线图

（a）原理图；（b）展开图

当一次电路发生相间短路时，电流继电器KA1、KA2 至少有一个动作，经过一定的延时后（延时时间与短路电流大小成反比关系），其常开触点闭合，紧接着其常闭触点断开，断路器跳闸线圈YR 因“去分流”而通电，使断路器跳闸，切除故障部分。在继电器去分流跳闸的同时，其信号牌自动掉下，指示保护装置已经动作。在故障切除后，继电器自动复位，信号牌则需要手动复位。

注意：GL 型感应式电流继电器的常开、常闭触点的动作先后顺序是：常开触点先闭合，常闭触点后断开（与一般的继电器触点状态变化正好相反）。这样不仅保证了继电器的可靠动作，而且还保证了在继电器触点转换过程中，电流互感器二次侧不会带负荷开路。

（1）动作电流的整定。反时限过电流保护装置的动作电流整定计算与定时限过电流保护装置相同，只是Krel取1.3，此处不再赘述。

［例9－2］ 某高压线路的计算电流为100 A，线路末端的三相短路电流为1 300 A，采用GL—15 型电流继电器组成两相电流差接线的相间短路保护，电流互感器的变比315／5。试整定此继电器的动作电流。

［解］

取Krel＝1.3，Kre＝0.85，KW＝，IL.max＝2×I30＝2×100＝200（A），根据公式，有：

查表9－3，根据GL－15／10 型感应式继电器的规格，动作电流可整定为8 A。

（2）动作时限的整定。为了保证动作的选择性，反时限过电流保护也应满足时限的“阶梯原则”。但由于感应电流继电器的动作时限与短路电流的大小有关，继电器的时限调节机构是按10 倍动作电流来标度的，而实际通过继电器的电流一般不会正好就是动作电流的10 倍，所以，必须根据继电器的动作特性曲线来确定。

假定图9－22所示线路中的KA2 的10 倍动作电流时间已整定为t2，现在要求整定前一级保护KA1 的10 倍动作电流时间t1，整定计算步骤如下：

图9－22　反时限过电流保护的时限配合

（1）计算KL2 首端三相短路电流Ik 反映到KA2 中的电流值，即：

式中 KW（2）——KA2 与TA2 的接线系数；

Ki（2）——TA2 的变比。

（2）计算I′k（2） 对KA2 的动作电流倍数，即：

（3）确实KA2 的实际动作时间。在图9－23所示的KA2 的动作特性曲线的横轴上，找出n2，然后往上找到该曲线上的b 点，该点所对应的动作时间t′2就是KA2 通过I′k（2）时的实际动作时间。

（4）计算KA1 的实际动作时间，即：

（5）计算WL2 首端三相短路电流Ik 反映到KA1 中的电流值，即：

式中 KW（1）——KA1 与TA1 的接线系数；

Ki（1）——TA1 的变比。

（6）计算I′k（1）对KA1 的动作电流倍数，即：

式中 IOP（1）——KA1 已整定的动作电流。

（7）确定KA1 的10 倍电流动作时间。

从图9－23所示的KA1 的动作特性曲线的横坐标找出n1，在根据n1 与KA1 的实际动作时间t′1，从KA1 的动作特性曲线的坐标图上找出其坐标点a 点，则此点所在曲线的10倍动作电流的动作时间t1 即为所求。

图9－23　反时限过电流保护的动作时间整定

3）定时限和反时限过电流保护的比较

定时限过电流保护的优点是：动作时间准确，容易整定。而且不论短路电流大小，动作时间是一定的，不会因短路电流小而动作时间长。

定时限过电流保护的缺点是：继电器数目较多，接线比较复杂。在靠近电源处短路时，保护装置的动作时间太长。

反时限过电流保护的优点是：可采用交流操作，接线简单，所用保护设备数量少，因此这种方式简单经济，在工厂供配电系统中的车间变电所和配电线路上用得较多。

反时限过电流保护的缺点是：整定、配合较麻烦，继电器动作时限误差较大，当距离保护装置安装处较远的地方发生短路时，其动作时间较长，延长了故障持续时间。

由以上比较可知，反时限过电流保护装置具有继电器数目少，接线简单以及可直接采用交流操作电源等优点，所以在6～10 kV 供配电系统中得到了广泛的使用。

2.过电流保护装置的灵敏度

过电流保护的灵敏系数为：

式中 ——被保护线路末端在系统最小运行方式下的两相短路电流。

按规定，灵敏系数SP≥1.5，当过电流保护作后备保护时，满足不了要求，可以取SP≥1.2。

［例9－3］ 校验例9－1 中保护装置KA2 的灵敏度。

［解］

KA2 保护的线路WL2末端是k—2 点的两相短路电流为其最小短路电流，即：

KA2 灵敏度为：

由此可见，灵敏度满足要求。

3.越级跳闸的处理

如果是WL2的保护装置动作，断路器QF2拒绝跳闸造成越级，则应在拉开拒跳段路器QF2两侧的隔离开关后，将其他非故障线路送电。

如果是因为WL2的保护装置未动作造成越级跳闸，则应将各线路断路器断开，合上越级跳闸的断路器QF1，再逐条线路试送电，发现故障线路后，将该线路停电，拉开断路器两侧的隔离开关，再将其他非故障线路送电。

如果是保护装置动作，断路器QF2跳闸，则应拉开断路器QF2两侧的隔离开关，然后再查找保护装置动作的原因。

1）电流速断保护

从上节带时限的过流保护可看出，为了保证动作的选择性，前一级保护的动作时限要比后一级保护的动作时限延长一个时限Δt。这样，越靠近电源处，其保护装置的动作时限越长，而越接近电源发生短路时的短路电流越大，因此短路的危害就更加严重。所以，一般过电流保护装置的动作时限如果超过0.5～0.7 s，还需装设电流速断保护。

图9－24　电流速断保护原理图

（1）电流速断保护的组成和工作原理。电流速断保护是一种不带时限的过电流保护，实际中电流速断保护常与过电流保护配合使用。电流速断保护的原理图如图9－24所示。图中，TA1、TA2 为电流互感器，KA1、KA2为电磁式过电流继电器，作为过电流保护的启动元件；KS 为信号继电器，KM 为中间继电器，作为保护的执行元件；YR 为断路器的跳闸线圈，作为执行元件；QF 为断路器操作机构控制的辅助常开触点。保护采用两相两继电器式接线方式。

当线路发生短路，流经继电器的电流大于电流速断的动作电流时，电流继电器动作，其常开触点闭合，接通信号继电器KS 和中间继电器KM 回路，KM 动作，其常开触点闭合，接通断路器跳闸线圈YR 回路，断路器QF 跳闸，将故障部分切除；同时，KS 常开触点闭合，接通信号回路发出灯光和音响信号。

（2）电流速断保护的整定。由于电流速断保护不带时限，为了保证速断保护动作的选择性，在下一级线路首端发生最大短路电流时，电流速断保护不应动作。所以，电流速断保护的动作电流必须按躲过它所保护线路末端在最大运行方式下发生的短路电流来整定。

如图9－25所示的电路中，WL1末端k—1 点的三相短路电流，实际上与其后一段WL2首端k—2 点的三相短路电流几乎是相等的。

图9－25　电流速断保护的保护区和死区

因此，电流速断保护动作电流（速断电流）的整定计算公式为：

式中 Iqb——速断保护动作电流；

Krel——可靠系数，对DL 系列电流继电器可取1.2～1.3，对系列电流继电器可取1.4～1.5；

Ik.max——被保护线路末端短路时的最大短路电流。

（3）电流速断保护的“死区”及其弥补。由于电流速断保护的动作电流是按躲过线路末端的最大短路电流来整定的，因此，在靠近线路末端的一段线路上发生的不一定是最大短路电流时，速断保护就不会动作。也就是说，电流速断保护实际不能保护线路的全长，这种保护装置不能保护的区域，就称为“死区”，如图9－25所示。

为了弥补“死区”得不到保护的缺点，在装设电流速断保护的线路上，必须配备带时限的过电流保护。在电流速断的保护区内，速断保护为主保护，时限不超过0.1 s，过电流保护为后备保护；而在电流速断保护的“死区”内，过电流保护为基本保护。

（4）电流速断保护的灵敏度。电流速断保护的灵敏度必须满足的条件是：

式中 ——线路首端在系统最小运行方式下的两相短路电流。

［例9－4］ 如图9－26所示的10 kV 线路中，WL1 和WL2 都采用GL－15／10 电流继电器构成两相两继电器接线的过电流保护和速断保护。已知TA1 的变比为100／5，TA2 的变比为75／5，WL1 的过电流保护动作电流整定9 A，10 倍动作电流倍数为1 s，WL2 的计算电流为36 A，WL2 首端三相短路电流为900 A，末端三相短路电流为320 A，试整定线路WL2 的保护。

图9－26

［解］

线路由GL－15／10 感应式电流继电器构成两相式的过电流保护和电流速断保护。

（1）过电流保护。

①动作电流的整定步骤如下：

查表9－3，整定继电器动作电流8 A，过电流保护一次侧动作电流为

②动作时限的整定。由线路WL1 和WL2 保护短路点k1，整定WL2 的电流继电器的动作时限。

计算k1 点短路，WL1 保护的动作电流倍数n1 和动作时限t1。

由n1＝5 查GL－15 电流继电器的特性曲线得t1＝1.4 s。

计算k1 点短路，WL2 保护的动作电流倍数n2 和动作时限t2。

由n2＝7.5、t2＝0.7 s，从GL－15 电流继电器动作特性曲线查得，10 倍动作电流时限为0.6 s。

③灵敏度校验。

WL2 过电流保护整定满足要求。

（2）电流速断保护的整定。

①动作电流的整定。

②灵敏度校验。

WL2 电流速断保护整定满足要求。

4.中性点不接地的单相接地保护

工厂企业3～63 kV 供配电系统，电源中性点的运行方式采用小接地电流系统。当这种电网发生单相接地故障时，故障电流往往比负荷电流要小得多，并且系统的相间电压仍保持对称，所以不影响电网的继续运行。但是单相接地后，非故障相对地电压升高，长期运行，将危害系统绝缘，甚至击穿对地绝缘，引发两相接地短路，造成停电事故。因此，线路必须装设有选择性的单相接地保护装置或无选择性的绝缘监视装置，动作于信号或跳闸。

1）多线路系统单相接地分析

供配电系统中有若干条线路，现分析如图9－27所示的具有三回出线的供配电系统在线路WL3 的C 相发生接地时的电容电流和接地电流的分布。全系统该相对地电压为零，所有流经该相的对地电容电流也为零。各线路上的非故障相（A、B）的电容电流和IC1、IC2、IC3 都通过故障线路流过接地点构成回路，如图9－27中的箭头所示。

图9－27　单相接地时电容电流和接地电流的分布图

单相接地时每回线路的电容电流为：

式中 下标1、2、3——线路的编号；

IC0——正常情况下的每相的电容电流；

IC1、IC2——分别为流经非故障相线路WL1、WL2 的电流互感器TA1、TA2 的电容电流。

流经故障线路WL3 的电流互感器TA3的是接地故障电流，即：

它是非故障线路正常电容电流IC0 之和的3 倍，电流的流向由线路指向母线。

2）绝缘监视装置

在变电所中，一般均装设绝缘监视装置来监视电网对地的绝缘状况。如图9－28所示电网绝缘监视装置的原理接线图。该装置由三相五柱式电压互感器、三个电压表和一个电压继电器组成。

图9－28　电网绝缘监视装置的原理接线图

三相五柱式电压互感器有五个铁芯柱，三相绕组绕在其中的三个铁芯柱上，如图9－29所示。原绕组接成星形，副绕组有两组，其中一个副绕组接成星形，三个电压表接在相电压上。另一个副绕组接成开口三角形，开口处接入一个电压继电器，用来反应线路单相接地时出现的零序电压。为了使电压互感器反应出电网单相接时的零序电压，电压互感器的中性点必须直接接地。

正常运行时，电网三相对地电压对称，无零序电压产生，三个电压表读数相同且指示的是电网的相电压，接在开口三角处电压继电器的电压接近零值，电压继电器不动作。

图9－29　三相五柱式电压互感器结构图

当电网出现接地故障时，接地一相的对地电压下降，其他两相对地电压升高，这可从三个电压表的读数上看出，同时出现零序电压，使电压继电器动作，发出接地故障信号。

运行人员听到接地音响信号后，通过三个电压表的指示，可以知道哪一相发生了接地故障。但绝缘监视装置的动作没有选择性，所以要查找具体的故障线路，必须依次断开各个线路。当断开某一线路时，三个电压表的指示又回到相等状态，系统恢复正常时，说明该线路即是故障线路。

采用绝缘监视装置依次断开各线路来查找故障线路的方法虽然简单，但查找故障要使无故障的用户暂时停电，且查找故障的时间也长。一般用于出线不太多，并且允许停电的供配电系统。在复杂和重要的电网中，还需装设有选择性的接地保护装置。

3）有选择性的单相接地保护

（1）单相接地保护和工作原理。单相接地保护利用故障线路零序电流比非故障线路零序电流大的特点，实现有选择性保护。

如图9－30所示，在系统正常运行或发生三相对称短路时，由三相电流产生的三相磁通向量之和在零序电流互感器二次侧为零，所以在电流互感器中不会感应产生零序电流，继电器不动作。当发生单相接地故障时，就有接地电容电流通过，此电流在零序互感器二次侧感应出零序电流，使继电器动作，并发出信号。

图9－30　零序电流保护装置原理图

（a）架空线路；（b）电缆线路

这种单相接地保护装置能较灵敏地监察小接地电流系统对地绝缘，而且从各条线路的接地保护信号中可以准确判断出发生单相接地故障的线路。它适用于高压出线较多的供配电系统。

对于架空线路，保护装置可接在一个电流互感器构成的零序电流过滤回路中，如图9－30（a）所示。对于电缆线路，零序电流通过零序电流互感器取得，如图9－30（b）所示。零序电流互感器有一个环状铁芯，套在被保护的电缆上，利用电缆作为一次线圈，二次线圈绕在环状铁芯上与电流继电器连接。

（2）单相接地保护动作电流的整定。保护装置的动作电流整定必须保证选择性。当电网某线路发生单相接地故障时，因为非故障线路流过的零序电流是其本身的电容电流，在此电流作用下，零序电流保护不应动作。因此，其动作电流应为：

式中 Uφ——电网的相电压，V；

C0——本线路每相的对地电容，F；

Krel——可靠系数，它的大小与动作时间有关，如果保护为瞬时动作，Krel取4～5；

如果保护为延时动作，Krel取1.5～2。

（3）单相接地保护的灵敏度。保护装置的灵敏度按被保护线路上发生单相接地故障时流过保护装置的最小零序电流来校验，即：

式中 SP——灵敏系数，电缆线路SP≥1.25，架空线路SP≥1.5；

C0∑——电网在最小运行方式下各线路每相对地电容之和，F。

对于电缆线路，在发生单相接地时，接地电流不仅可能沿着故障电缆的导电外皮流动，而且也可能沿着非故障电缆的导电外皮流动。这部分电流不仅降低了故障线路接地保护的灵敏度，有时还会造成接地保护装置的误动作。因此，应将电缆终端盒的接地线穿过零序电流互感器的铁芯，如图9－30（b）所示。使铠装电缆流过的零序电流，再经接线盒的接地线回流穿过零序电流互感器，防止引起零序电流保护的误动作。

任务实施

电力线路继电保护整定计算

任务实施表如表9－4所示。

表9－4　任务实施表

续表

评价总结

根据整定及结果分析，进行评议总结，并填写成绩评议表（表9－5）。

表9－5　成绩评议表