繼電保護的基本知識
一、繼電保護的任務和要求
1.繼電保護的任務
為保證供配電系統(tǒng)的安全運行，避免過負荷和短路引起的過電流對系統(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裝置。常用的過電流保護裝置有熔斷器保護、低壓斷路器保護和繼電保護。其中繼電保護廣泛應用于高壓供配電系統(tǒng)中，其保護功能很多，而且是實現(xiàn)供配電自動化的基礎(chǔ)。
繼電保護裝置是指能反映供配電系統(tǒng)中電氣設備發(fā)生的故障或不正常工作狀態(tài)，并能動作于斷路器跳閘或起動信號裝置發(fā)出預報信號的一種自動裝置。
繼電保護的主要任務如下：
（1）自動、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正常供電；
（2）能正確反映電氣設備的不正常運行狀態(tài)，發(fā)出預報信號，以便操作人員采取措施，恢復電氣設備正常工作；
（3）與供配電系統(tǒng)的自動裝置（如自動重合閘裝置、備用電源自動投入裝置等）配合，提高供電系統(tǒng)的運行可靠性。
建筑供配電系統(tǒng)繼電保護的特點是簡單、有效、可靠，且有較強的抗干擾能力。
2.對繼電保護的基本要求
繼電保護的設計應以合理的運行方式和可能的故障類型為依據(jù)，并應滿足選擇性、速動性、可靠性、靈敏性四項基本要求。
(1)選擇性
選擇性是指首先由故障設備或線路本身的保護切除故障。當供電系統(tǒng)發(fā)生短路故障時，繼電保護裝置動作，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。保護裝置這種能挑選故障元件的能力稱為保護的選擇性。
(2)速動性
為了減小由于故障引起的損失，減少用戶在故障時低電壓下的工作時間，以及提高電力系統(tǒng)運行的穩(wěn)定性，要求繼電保護裝置在發(fā)生故障時盡快動作并將故障切除?？焖俚厍谐收喜糠挚梢苑乐构收蠑U大，減輕故障電流對電氣設備的損壞程度，加快供電系統(tǒng)電壓的恢復，提高供電系統(tǒng)運行的可靠性。
(3)可靠性
可靠性是指保護裝置應該動作時動作，不應該動作時不動作。為保證可靠性，宜選用盡可能簡單的保護方式，采用可靠的元件和盡可能簡單的回路構(gòu)成性能良好的裝置，并應有必要的檢測、閉鎖和雙重化等措施。保護裝置應便于整定、調(diào)試和運行維護。
(4)靈敏性
靈敏性是指繼電保護在其保護范圍內(nèi)對發(fā)生故障或不正常工作狀態(tài)時的反應能力。過電流保護的靈敏度SP用其保護區(qū)內(nèi)在電力系統(tǒng)為最小運行方式時的最小短路電流Ik，min與保護裝置一次動作電流，即保護裝置動作電流換算到一次電路的值，OP，1的比值來表示，即SP=Ik，min/IOP，1
對不同作用的保護裝置和被保護設備，所要求的靈敏度是不同的，在《電力裝置的繼電保護和自動裝置設計技術(shù)規(guī)范》(GB50062;1992)中都有規(guī)定。
另外,上述介紹的四項基本要求對于一個具體的保護裝置不一定都是同等重要的，而應有所側(cè)重。例如，電力變壓器是供配電系統(tǒng)中最關(guān)鍵的設備，對其保護裝置的靈敏度要求較高；而對一般電力線路的保護裝置，就要求其選擇性較高。
二、繼電保護的基本原理
電力系統(tǒng)發(fā)生故障時會引起電流的增加、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大多數(shù)是利用故障時物理量與正常運行時物理量的差別來構(gòu)成的，例如，反映電流增大的過電流保護、反映電壓降低(或升高)的低電壓(或過電壓)保護等。
繼電保護原理結(jié)構(gòu)方框圖如圖1所示。它由三部分組成，（1）測量部分;;用來測量被保護設備輸入的有關(guān)信號(電流、電壓)等，并和已給定的整定值進行比較判斷是否應該起動；（2）邏輯部分;;根據(jù)測量部分各輸出量的大小、性質(zhì)及其組合或輸出順序，使保護裝置按照一定的邏輯程序工作，并將信號傳輸給執(zhí)行部分；（3）執(zhí)行部分;;根據(jù)邏輯部分傳輸?shù)男盘?，最后完成保護裝置所負擔的任務，給出跳閘或信號脈沖。
如圖2所示為線路過電流保護基本原理示意圖，用以說明繼電保護的組成和基本原理。圖2中，電流繼電器KA的線圈接于被保護線路電流互感器TA的二次回路，即保護的測量回路，它監(jiān)視被保護線路的運行狀態(tài)，測量線路中電流的大小。在正常運行情況下，當線路中通過最大負荷電流時，繼電器不動作；當被保護線路K點發(fā)生短路時，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增大，當通過電流繼電器KA的電流大于其整定值時，繼電器立即動作，觸點閉合，接通邏輯電路中時間繼電器KT的線圈回路，時間繼電器起動并根據(jù)短路故障持續(xù)的時間作出保護動作的邏輯判斷，時間繼電器KT動作，其延時觸點閉合，接通執(zhí)行回路中的信號繼電器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。
三、斷電器的構(gòu)成和分類
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)達到規(guī)定值時，其電氣輸出電路被接通或分斷的自動電器。
繼電器一般由感受元件、比較元件和執(zhí)行元件三個主要部分組成。
（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的物理量與預先給定的物理量(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完成繼電器所擔負的任務，例如向斷路器發(fā)出跳閘脈沖或進行其他操作。
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）按繼電器動作和構(gòu)成原理可分為電磁型、感應型、整流型、極化型、半導體型、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、時間、信號、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
我國繼電器型號的編制是以漢語拼音字母表示的，由動作原理代號、主要功能代號、設計序號及主要規(guī)格代號所組成，其表示形式如下：
設計序號及主要規(guī)格用阿拉伯數(shù)字表示，繼電器的主要規(guī)格代號常用來表示觸點的形式及數(shù)量。例如，DL-11/10表示電磁型電流繼電器，其中第一個數(shù)字"1"表示設計序號(10系列)，第二個"1"表示有一對動合觸點，
"10"表示最大動作電流為10A。
4.常用繼電器
35kV及以下電力網(wǎng)中的電力線路和電氣設備繼電保護裝置(包括供電系統(tǒng))，除了日漸推廣的微機保護外，仍大量采用電磁型和感應型繼電器。下面重點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裝置中作為起動元件，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)部接線圖。
電磁式電流繼電器的工作原理如下，當線圈2通過電流IKA時，電磁力矩M1試圖使可動舌片3向順時針方向旋轉(zhuǎn)。在正常工作時，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不會轉(zhuǎn)動，不會帶動可動觸點5與靜觸點6閉合；在短路故障時，IKA將大大增加，M1>M2，使舌片3轉(zhuǎn)動，帶動可動觸點5與靜觸點6接觸而使其閉合。
能使過電流繼電器剛好動作并使觸點閉合的電流IKA值稱為該繼電器的動作電流，用IOP表示。在繼電器動作后，逐漸減小IKA。當繼電器剛好返回到原始位置時所對應的IKA值稱為返回電流，用Ire表示。上述定義還可以說成，使繼電器常開接點閉合的最小電流稱為動作電流IOP；使繼電器閉合的常開觸點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/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，電壓繼電器的線圈是電壓線圈，其匝數(shù)多而線徑細，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)應用較多
類似過電流繼電器，欠電壓繼電器的動作電壓UOP是使其動作的最大電壓，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）電磁式時間繼電器
時間繼電器在保護裝置中起延時作用，以保證保護裝置動作的選擇性。
DS系列電磁式時間繼電器的內(nèi)部結(jié)構(gòu)如圖4所示，主要由電磁機構(gòu)和鐘表延時機構(gòu)兩部分組成，電磁機構(gòu)主要起鎖住和釋放鐘表延時機構(gòu)作用，鐘表延時機構(gòu)起準確延時作用。時間繼電器的線圈按短時工作設計。
(4)電磁式中間繼電器
中間繼電器的作用是為了擴充保護裝置出口繼電器的接點數(shù)量和容量，也可以使觸點閉合或斷開時帶有不大的延時(0.4~0.8s)，或者通過繼電器的自保持以適應保護裝置的需要。
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)電磁式信號繼電器
信號繼電器用于各保護裝置回路中，作為保護動作的指示器。信號繼電器一般按電磁原理構(gòu)成，繼電器的電磁起動機構(gòu)采用吸引銜鐵式，由直流電源供電。DX系列信號繼電器的結(jié)構(gòu)如圖6所示。在正常情況下，繼電器線圈中沒有電流通過，信號繼電器在正常位置。當繼電器線圈中有電流流過時，信號牌落下或凸出，指示信號繼電器掉牌。為了便于分析故障的原因，要求信號指示不能隨電氣量的消失而消失。因此，信號繼電器須設計為手動復歸式。
信號繼電器可分為串聯(lián)信號繼電器(電流信號繼電器)和并聯(lián)信號繼電器(電壓信號繼電器)，其接線方式如圖7所示。實際使用時，一般采用電流型信號繼電器。
