继电保护装置的选择与整定优化方案

一、对继电保护装置的基本要求

1.可靠性

指保护装置该动作时动作，不拒动；而不该动作时不误动。前者为信赖性，后者为安全性，即可靠性包括信赖性和安全性。为此，继电保护装置应简单可靠，使用的元件和接点应尽量少，接线回路应力求简单，运行维护方便，在能够满足要求的前提下宜采用最简单的保护。

2.选择性

指首先由故障设备或线路本身的保护切除故障。当故障设备或线路本身的保护拒动时，则应由相邻设备或线路的保护切除故障。为此，对相邻设备和线路有配合要求的保护，前后两级之间的灵敏性和动作时间应相互配合。

3.灵敏性

指在被保护设备或线路范围内发生金属性短路时，保护装置应具有必要的灵敏系数。

4.速动性

指保护装置应能尽快地切除短路故障，提高系统稳定性，减轻故障设备和线路的损坏程度。当需要加速切除短路故障时，可允许保护装置无选择性动作，但应利用自动重合闸或备用电源自动投入装置，缩小停电范围。

二、继电保护的灵敏系数

保护装置的灵敏系数，应按不利的正常运行方式和不利的故障类型进行计算。

保护装置灵敏系数计算式为：

式中 Ik•min——电力系统最小运行方式下，保护区内的最小短路电流，A；

Iop•l——继电保护的一次动作电流值，A。

GB50062—1992《电力装置的继电保护和自动装置设计规范》关于继电保护的最小灵敏系数的部分规定，如表7-5所示。表中标*者按JBJ6—1996《机械工厂电力设计规范》和JGJ/T16—1992《民用建筑电气设计规范》补充，供参考。

表7-5 部分继电保护装置的最小灵敏系数

三、电力变压器的保护

（一）电力变压器保护装置的配置要求

1.瓦斯保护

800kVA及以上的油浸式变压器和400kVA及以上的车间内油浸式变压器，均应装设瓦斯保护。当油箱内故障产生轻微瓦斯或油面下降时，应瞬时动作于信号；当产生大量瓦斯时，应动作于断开变压器各侧断路器。当变压器安装处电源侧无断路器或短路开关时，可作用于信号。

2.纵联差动保护

10000kVA及以上的单独运行变压器和6300kVA及以上的并列运行变压器，应装设纵联差动保护。6300kVA及以下单独运行的重要变压器，亦可装设纵联差动保护。

3.过电流保护和电流速断保护

10000kVA以下的变压器，可装设过电流保护和电流速断保护。2000kVA及以上的变压器，当电流速断灵敏系数不符合要求时，宜改装纵联差动保护。400kVA及以上、一次电压为10kV及以下、线圈为三角—星形连接的变压器，可采用两相三继电器式的过电流保护。

上述纵联差动保护、过电流保护和电流速断保护，用于对变压器引出线、套管及内部的短路故障的保护。保护装置动作时，应使变压器各侧的断路器跳闸。过电流保护带一个较长的动作时限时，可用于对变压器外部相间短路的保护。400kVA及以上、一次电压为10kV及以下、线圈为三角—星形连接、低压侧中性点直接接地的变压器，对低压侧单相接地短路，当灵敏性符合要求时，可利用高压侧的过电流保护；保护装置带时限动作于跳闸。

4.过负荷保护

400kVA及以上变压器，当数台并列运行或单独运行并作为其他负荷的备用电源时，应根据可能过负荷的情况装设过负荷保护。过负荷保护采用单相式接线，带时限动作于信号。在无经常值班人员的变电所，过负荷保护可动作于跳闸或断开部分负荷。

（二）变压器过电流保护的整定计算

1.过电流保护动作电流的整定计算公式

式中 IL•max——变压器最大负荷电流，可取1.5～3倍变压器一次额定电流I1NT；

Krel——保护装置的可靠系数，对定时限，取1.2，对反时限，取1.3；

Kω——保护装置的接线系数，对相电流接线取1，对相电流差接线取

Kre——电流继电器的返回系数，一般取0.8；

Ki——电流互感器的变流比。

必须注意：对感应式继电器，Iop应整定为整数，且在10A以内。

2.过电流保护动作时间的整定计算公式

式中 t1——在变压器低压母线发生三相短路时高压侧继电保护的动作时间；

t2——变压器低压侧保护在低压母线发生三相短路时最长的一个动作时间；

Δt——前后两级保护装置的时间级差，对定时限过电流保护，可取0.5s，对反时限过电流保护，可取0.7s。

必须注意：对反时限过电流保护装置，由于其过电流继电器的整定时间只能是“10倍动作电流的动作时间”，因此整定时必须借助继电器的动作特性曲线，以确定对应的实际动作时间，或由实际动作时间确定整定时间。

3.过电流保护灵敏系数的检验公式

式中 Ik•min——最小运行方式下，低压母线两相短路电流折合到变压器高压侧的值；

Iop•l——继电保护动作电流折合到一次电路（即变压器高压侧）的值。

若作为后备保护，则灵敏系数Sp≥1.2即可。

（三）变压器电流速断保护的整定计算

1.电流速断保护动作电流（速断电流）的整定计算公式

式中 Ik•max——变压器低压母线三相短路电流周期分量有效值；

Krel——可靠系数，对DL型继电器取1.2～1.3，对GL型继电器取1.4～1.5；

KT——变压器的电压比；

其余符号同式（7-19）。

对GL型继电器，速断电流通常用Iqb对Iop的倍数（速断电流倍数）Kqb来表示，Kqb=Iqb/Iop=2～8。

2.电流速断保护灵敏系数的检验公式

式中 Ik•min——在电力系统最小运行方式下，变压器高压侧的两相短路电流；

Iqb•l——速断电流折算到一次电路（变压器高压侧）的值。

若Sp≥2有困难时，可Sp≥1.5。

（四）变压器低压侧单相接地短路保护的整定计算

1.利用高压侧三相三继电器接线来实现低压侧单相接地短路保护时的整定计算

（1）动作电流的整定计算公式与式（7-19）同。

（2）动作时间的整定计算公式与式（7-20）同。

（3）保护灵敏系数的检验公式：

式中 Ik•min——在电力系统最小运行方式下，低压干线末端的单相短路电流折合到变压器高压侧的值；

Iop•l——保护装置动作电流折合到一次电路（变压器高压侧）的值。

2.利用低压侧接地中性线上装设专用的零序电流保护时的整定计算

（1）动作电流的整定计算公式：

式中 I2N——变压器的额定二次电流；

Kdsq——变压器低压侧出现最大不平衡电流的不平衡系数，一般取为0.25；

Krel——可靠系数，一般取为1.2～1.3；

Ki——零序电流互感器的变流比。

（2）动作时间的整定计算公式：

（3）保护灵敏系数的检验公式与式（7-23）同。

（五）变压器过负荷保护的整定计算

1.过负荷保护动作电流的整定计算公式

式中 I1N——变压器的额定一次电流；

Ki——电流互感器的变流比。

2.过负荷保护动作时间的整定计算公式

（六）变压器的低电压起动的带时限过电流保护的整定计算

1.保护装置动作电流的整定计算公式

式中 I1N——变压器的额定一次电流；

其余符号含义同式（7-19）。

2.保护装置动作电压的整定计算公式

式中 Umin——变压器运行中可能遇到的最低工作电压，一般取为（0.5～0.7）UN，UN为变压器的额定一次电压；

Krel——保护装置的可靠系数，可取1.2；

Kre——低电压继电器的返回系数，一般取1.25；

Ku——电压互感器的变压比。

3.保护装置动作时间的整定计算公式(www.xing528.com)

其公式与式（7-20）同。

4.保护灵敏系数的检验公式

（1）过电流保护的灵敏系数检验公式与式（7-21）同。

（2）低电压起动的灵敏系数检验公式：

式中 Uop•l——保护装置动作电压折合到一次电路（变压器高压侧）的值；

Usp•max——在过电流保护的保护区内发生最轻微的短路故障时（一般取低压母线的两相短路计算），低电压起动装置安装地点的最大剩余电压。

四、电力线路的保护

（一）电力线路保护装置的配置要求

1.相间短路保护

3～10kV线路的相间短路保护装置应符合下列要求：

（1）由电流继电器构成的保护装置，应接于两相电流互感器上，同一网络的所有线路均应装在相同的两相上。

（2）后备保护应采用远后备方式，即线路的主保护或断路器拒动时，由相邻线路或设备的保护来切除故障。

（3）当线路短路使重要用户母线电压低于额定电压的60%时，以及线路导线截面过小、不允许带时限切除短路时，应快速切除故障。

（4）当过电流保护的时限不大于0.5～0.7s时，且没有以上（3）中所列情况，或没有配合上的要求时，可不装设瞬动的电流速断保护。

（5）对单侧电源的线路，可装设两段过电流保护：第一段为不带时限的电流速断保护，第二段为带时限的过电流保护。保护装置仅在线路的电源侧装设。

（6）对双侧电源的线路，可装设带方向或不带方向的电流速断和过电流保护。对1～2km双侧电源的短线路，当采用上述保护不能满足选择性、灵敏性或速动性的要求时，可采用带辅助导线的纵联差动保护作主保护，并装设带方向或不带方向的电流保护作后备保护。

（7）对并列运行的平行线路，宜装设横联差动保护作为主保护，并应以接于两回线电流之和的电流保护，作为两回线同时运行的后备保护及一回线断开后的主保护及后备保护。

2.单相接地故障保护

对3～66kV中性点非直接接地系统中的单相接地故障，应装设接地保护装置，并应符合下列要求：

（1）在发电厂和变电所母线上，应装设接地监视装置，动作于信号。

（2）线路上宜装设有选择性的接地保护，也动作于信号。但当危及人身和设备安全时，接地保护应动作于跳闸。

（3）在出线回路数不多，或难以装设选择性单相接地保护时，可采用依次断开线路的方法，寻找故障线路。

3.线路过负荷保护

对可能时常出现过负荷的电缆线路，应装设过负荷保护。保护装置宜带时限动作于信号。当危及设备安全时，可动作于跳闸。

（二）线路过电流保护的整定计算

1.过电流保护动作电流的整定计算公式

式中 IL•max——线路的最大负荷电流，可取为（1.5～3）I30，I30为线路的计算电流；

其他符号含义同式（7-19）。

必须注意：对感应式继电器，Iop应整定为整数，且在10A以内。

2.过电流保护动作时间的整定计算公式

式中 t1——在后一级保护的线路首端发生三相短路时，前一级保护的动作时间；

t2——后一级保护中最长的一个动作时间；

Δt——前后两级保护装置的时间级差，对定时限过电流保护可取0.5s，对反时限过电流保护可取0.7s。

对感应式继电器，必须注意其整定时间只能是“10倍动作电流的动作时间”，如前面式（7-20）后的说明所述。

3.过电流保护灵敏系数的检验公式

式中 Ik•min——在电力系统最小运行方式下，被保护线路末端的两相短路电流；

Iop•l——动作电流折算到一次电路的值。

若作为后备保护，则灵敏系数Sp≥1.2即可。

（三）线路电流速断保护的整定计算

1.电流速断保护动作电流（速断电流）的整定计算公式

式中 Ik•max——被保护线路末端的三相短路电流；

其他符号含义同式（7-19）。

对GL型继电器，速断电流整定用速断电流倍数Kqb=Iqb/Iop=2～8。

2.电流速断保护灵敏系数的检验公式

式中 Ik•min——在电力系统最小运行方式下，线路首端的两相短路电流；

Iop•l——速断电流折算到一次电路的值。

若Sp≥2有困难时，可Sp≥1.5。

（四）线路单相接地保护的整定计算

1.单相接地保护动作电流的整定计算公式

式中 IC——其他线路发生单相接地时，在被保护线路上产生的电容电流，按以下所列近似公式计算；

Ki——零序电流互感器的变流比；

Krel——可靠系数；保护装置不带时限时，取为4～5；保护装置带时限时，取为1.5～2，这时接地保护的动作时间应比相间短路的过电流保护的动作时间大一个时间级差Δt。

式（7-37）中的IC按以下近似公式计算（单位为A）：

式中 UN——线路额定电压，kV；

l——被保护的电缆线路的长度，km。

2.单相接地保护灵敏系数的检验公式

式中 IC•∑——电压为UN的电网（中性点非直接接地系统）的单相接地电容电流，A，按式（7-39）计算；

IC——其他线路发生单相接地时，被保护线路上产生的电容电流，按上面的近似公式计算。

式（7.38）中的IC•∑按以下近似公式计算（单位为A）：

式中 lah——同一电压UN的具有电气联系的架空线路总长度，km；

lcab——同一电压UN的具有电气联系的电缆线路总长度，km。

（五）6～10kV并联电容器的保护

1.并联电容器保护装置的配置要求

（1）对电容器组和断路器之间连接线的短路保护：可装设带有短时限的电流速断和过电流保护，动作于跳闸。

（2）对电容器内部故障及其引出线的短路保护：宜对每台电容器分别装设专用的熔断器。

（3）电容器组的单相接地故障保护：可利用电容器组所连接母线上的绝缘监察装置进行监视。如果电容器组所连接母线有引出线路时，可装设有选择性的接地保护，动作于信号；当危及人身和设备安全时，应动作于跳闸。

（4）过电压保护：对电容器组的过电压，应装设过电压保护，带时限动作于信号或跳闸。

（5）过负荷保护：对于电网中出现的高次谐波有可能导致电容器过负荷时，电容器组宜装设过负荷保护，带时限动作于信号或跳闸。

2.电容器组过电流保护的整定计算

（1）过电流保护动作电流的整定计算公式：

式中 Krel——保护装置的可靠系数，取2～2.5；

Kω——保护装置的接线系数，接于相电流时取1，接于相流差时取

Ki——电流互感器的变流比，考虑到电容器的合闸涌流，互感器的一次电流宜选为电容器额定电流的2倍左右；

IN•C——电容器组的额定电流。

（2）过电流保护的动作时间的整定计算公式：

（3）过电流保护灵敏系数的检验公式：

式中 ——在系统最小运行方式下电容器组的两相短路电流；

Iop——保护装置的动作电流，KiIop/Kω=Iop•l，即一次动作电流。

3.电容器组过电压保护的整定计算

过电压保护动作电压的整定计算公式：

式中 UN——电容器组所连接母线的额定电压；

Ku——电压互感器的变压比。

4.电容器保护用熔断器的熔体电流选择

按GB50227—1995《并联电容器装置设计规范》规定，熔体额定电流不应小于电容器额定电流IN•C的1.43倍，并不宜大于IN•C的1.55倍，即：