电力系统继电保护

1、电力系统继电保护的概念及作用

1.1、电力系统的各种故障和不正常运行状态

电力系统由很多设备组成，在电力系统运行过程中，由于各种因素的存在，如自然条件（雷击、鸟兽害等）、设备质量、运行维护及人为误操作等，可能出现各种形式的故障和异常运行（工作）状态，而一旦设备出现故障或异常运行状态，即将对设备及设备所在系统产生种种不良后果甚至严重的后果。因此，为了保护设备及系统的安全，有关《规程》规定：电力系统中所有投入运行的设备，都必须配置相应的继电保护装置。

故障：包括各种短路（三相短路K(3)、两相短路K(2)、单相接地短路K(1)、两相接地短路K(1.1)）以及电机和变压器绕组的匝间短路和断线（单相和两相），其中三相短路、两相短路又称相间短路，单相接地短路、两相接地短路又称接地短路，并以三相短路最为危险，以单相接地短路最为常见。

在发生短路时可能产生以下的后果：

(1)通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏。

(2)短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短它们的使用寿命。

(3)电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品质量。

(4)破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。

不正常运行状态：电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如：过负荷、频率降低、过电压、电力系统振荡等。

事故：系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至造成人身伤亡和电气设备的损坏。

1.2、电力系统继电保护

电力系统继电保护是继电保护技术或继电保护装置的统称。

继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等技术构成。

继电保护装置是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。

1.3、继电保护的基本任务

(1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。

(2)反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件(例如有无经常值班人员)，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。

2、继电保护装置的基础元件

2.1、电压互感器

一、原理

电压互感器（TV，现场一般称作PT）是隔离高电压，供继电保护、自动装置和测量仪表获取一次电压信息的传感器。是一种特殊型式的变换器。

   特点： 

① 容量小（通常只有几十伏安或几百伏安） 

② 一次电压（即电网电压）不受二次电压的影响 

③ 正常运行时近似空载，二次电压基本上等于二次感应电动势。

④ 二次侧严禁短路，一次、二次一般接有熔断器保护 

⑤ 二次额定电压一般为100/√3V、100/3V、100V

二、结构形式：

分为电磁式电压互感器、电容式电压互感器、光电式互感器 
  （1）电磁式电压互感器

  优点：结构简单，暂态响应特性较好。

 缺点：因铁芯的非线性特性，容易产生铁磁谐振，引起测量不准确和造成电压互感器的损坏。       典型接

  （2）电容式电压互感器（CVT）

     优点：没有谐振问题，装在线路上时可以兼作高频通道的结合电容器。

     缺点：暂态响应特性较电磁式差。

       带载波附件的电容式电压互感器原理接线如图所示，电容分压后的电压经T变换输出。

  （3）光电式互感器

     特点：无饱和，高精度，线性度好，体积小，重量轻，可靠性、安全性高等。 光电互感器的采集器单元（包括电流电压传变和信号处理等）与电力设备的高电压部分等电位，高低压之间连接全部使用光纤，将一次电流电压传变为小电压信号，就地转换为数字量，通过光纤传输给保护、测量和监控等设备使用。
            

电容式电压互感器

三、误差

     额定变比:   

    (1）变比误差

      定义：用电压互感器测出的电压nTVU2与实际电压U1之差与实际电压U1之比的百分值表示，即：

   (2）角误差

      角误差是指电压互感器一次电压向量与反向二次电压向量之间的夹角δ。

   (3）电压互感器的准确度级

      a: 对于测量用电压互感器的标准准确度级有：0.1、0.2、0.5、1.0、3.0五个等级

          
      b：继电保护用电压互感器的标准准确度级有3P和6P两个等级 

2.2、电流互感器

一、工作原理

电流互感器（TA，现场一般叫CT）就是把大电流按比例降到可以用仪表直接测量的数值，以便用仪表直接测量，并作为各种继电保护的信号源。且其一、二次绕组之间有足够的绝缘，从而保证所有低压设备与高电压相隔离。 

特点 ：

① 二次侧接的是仪表和继电器的电流线圈，阻抗很小，接近于短路工作状态；

② 二次侧阻抗很小，N2／N1也很小，故对一次侧的电流几乎无影响，一次侧电流取决于电网负载；

③ I1= N1／N2I2，如测得I2，而N1，N2已知，就可得到I1。

④ 电流互感器运行时，应特别注意防止二次绕组开路。 

⑤ 二次额定电流一般为5A、1 A

电流互感器在使用中应注意事项：

1、运行中的电流互感器二次侧决不允许开路，在二次侧不能安装熔断器、刀开关。这是因为电流互感器二次侧绕组匝数远远大于一次侧匝数，在开路的状态下，电流互感器相当于一台升压变压器。根据有关资料显示，其电压值可达1000V左右。危及工作人员安全。故在一次侧有电流的情况下，二次侧除了采用相应短接措施外（电流互感器在工作时近似处于短路状态，故可将K1、K2直接短接并接地），不得施工。切记。

2、电流互感器安装时，应将电流互感器的二次侧的一端（一般是K2）、铁芯、外壳做可靠接地。以预防一、二侧绕组因绝缘损坏，一次侧电压串至二次侧，危及工作人员安全。

3、电流互感器安装时，应考虑精度等级。精度高的接测量仪表，精度低的用于保护。选择时应予注意。

4、电流互感器安装时，应注意极性（同名端），一次侧的端子为L1、L2（或P1、P2），一次侧电流由L1流入，由L2流出。而二次侧的端子为K1、K2（或S1、S2）即二次侧的端子由K1流出，由K2流入。L1与K1，L2与K2为同极性（同名端），不得弄错，否则若接电度表的话，电度表将反转。

5、电流互感器一次侧绕组有单匝和多匝之分，LQG型为单匝。而使用LMZ型（穿心式）时则要注意铭牌上是否有穿心数据，若有则应按要求穿出所需的匝数。注意：穿心匝数是以穿过空心中的根数为准，而不是以外围的匝数计算（否则将误差一匝）。

6、电流互感器的二次绕组有一个绕组和二个绕组之分，若有二个绕组的，其中一个绕组为高精度（误差值较小）的一般作为计量使用，另一个则为低精度（误差值较大）一般用于保护。

7、电流互感器的联接线必须采用2.5mm2的铜心绝缘线联接，有的电业部门规定必须采用4mm2的铜心绝缘线。

二、 电流互感器极性 

在继电保护中按“减极性”原则标示。即一次电流由“*”端流入电流互感器作为它的假定正方向，而二次电流由“*”端流出电流互感器作为它的假定正方向。如下图所示：    

三、电流互感器接线方式 

两相不完全星形接线用于35kV及以下电压等级小电流接地系统 。可以获得A、C相电流。    

    三相完全星形接线用于110kV及以上电压等级大电流接地系统，可以获得三相相电流。 

     三相完全星形接线的中线上可以获得三相电流之和，即3倍的零序电流。

四、电流互感器的误差 

如上图所示：TA的误差主要来自于励磁电流，一次电流中有一部分流入励磁支路而不变换至二次侧。

影响TA误差的主要因素是二次负载及一次电流大小。

二次负载↑→励磁电流↑→TA误差↑

一次电流↑→TA铁芯趋向饱和→励磁阻抗下降↓→励磁电流增大↑→TA误差增大↑

五、电流互感器的准确度级

   a：测量用电流互感器的准确度级为：0.1、0.2、0.5、1、3、5等六个标准 

   b：保护用电流互感器的准确度级有5P和10P两个准确度级

2.3、变换器

一、变换器的作用

    保护装置动作判据主要为母线电压（线路电压）、线路电流。因此需要将母线（线路）电压互感器、电流互感器输出的二次电压、电流再经变换器进行线性变换后送入继电保护装置的测量电路。变换器的基本作用如下：

   (1)电量变换:将互感器二次侧电压(额定100V)、电流(额定5A或1A)，转换成弱电压（数伏），以适应弱电元件的要求。 
   (2)电气隔离:电流、电压互感器二次侧的保安、工作接地，是用于保证人身和设备安全的，而弱电元件往往与直流电源连接，直流回路不允许直接接地，故需要经变换器实现电气隔离。
   (3)调节定值:整流型、晶体管型继电保护可以通过改变变换器一次或二次线圈抽头来改变测量继电器的动作值。

二、变换器的分类

继电保护中常用的变换器有电压变换器(UV)、电流变换器(UA)和电抗变压器(UX)，UV作用是电压变换，UA、UX作用是将电流变换成与之成正比的电压。

三、电压变换器(UV)

如上图所示：UV原方与电压互感器相联，TV二次侧有工作接地，UV副方的“直流地”为保护电源的0V，电容C容量很小，起抗干扰作用 。

    从UV原方看进去，输入阻抗很大，对于负载而言UV可以看出一个电压源， UV两侧电压成正： 

四、电流变换器（UA）

    如上图所示：从UA原方看进去，输入阻抗很小，对于负载而言UA可以看成一个电流源。

    UA二次电流（一般为mA级）与一次电流成正比，二次电流在电阻上形成二次电压：

五、电抗变压器（UX） 

                    c 

UX等效电路如图上所示，UX输入阻抗很小，串于TA二次回路；对于负载，UX近似为电压源。UX励磁阻抗相对于负载来说很小，二次回路近似于开路，可以认为一次电流全部用于励磁，这样二次电压

其中KI 称为UX的转移阻抗。 与使UA的电压变换电路不同，UX输出电压超前输入电流一定相位角，具有“电抗特性”。 

2.4、电磁继电器

一、电磁型继电器的工作原理

     电磁型继电器主要有三种不同的结构型式，即螺管线圈式、吸引衔铁式和转动舌片式，如下图所示。

    电磁型继电器的基本工作原理如下：
    当在继电器的线圈3中通入电流IK时，就在铁芯中产生磁通φ，铁芯、空气隙和衔铁构成闭合磁路。衔铁被磁化后，产生电磁力F和电磁力矩M ，当IK足够大时，电磁力矩足以克服弹簧的反作用力矩，衔铁被吸向电磁铁，动合触点闭合，继电器动作。
    电磁力矩与电流平方成正比，与通入线圈中电流方向无关，为一恒定旋转方向力矩。

二、 电磁型电流继电器(KA) 

      当继电器动作，其动合触点闭合。

    式中： Me－电磁力矩
           Ms－弹簧力矩
           Mf－摩擦力矩

（动合触点：当继电器无输入量时打开，继电器动作后闭合，也称为常开接点，意思是常态时触点为打开状态。）
    当  即电流减小到电磁力矩不足以反抗弹簧力矩时，继电器返回，动合触点断开。

    1.动作电流：能使电流继电器动作的最小电流，以Iact表示；
    2.返回电流：能使电流继电器返回的最大电流，以Ire表示 。
    3.返回系数：返回电流与动作电流之比，即

      注：电流继电器返回系数小于1，一般为0.85～0.9。

   4.电流继电器特性：
      当输入电流IK>Iact时，继电器动作，动合触点闭合；若IK<Ire，继电器返回，触点又断开。

三、 电磁型电压继电器 (KV)

    其线圈所用导线细且匝数多，流入继电器中的电流正比与加于继电器线圈上的电压。

    1.分类：分为过电压继电器和低电压继电器
    2.低电压继电器的工作原理：电力系统正常运行时，电压较高，低电压继电器动断触点断开，当发生故障，电压低于动作电压时，继电器动作，触点闭合；故障切除后系统电压升高时，继电器返回，触点再次断开。（动断触点，也称为常闭：指不加入电压时其触点是闭合的。）
     继电器实际上可分为两大类：过动作量继电器（电流继电器、过电压继电器）和欠动作量继电器（低电压继电器）

 四、辅助继电器 
   1.时间继电器 （KT)
     作用是以建立保护装置动作时限 。
     结构:

    时间元件有如下功能：

　　          
 　  2.中间继电器(KCO) 
     作用是以同时接通或断开几条独立回路和用以代替小容量触点或者带有不大的延时来满足保护的需要 。
     结构:

     应用:

           
    3.信号继电器 (KX)
   作用是在保护动作时，发出灯光和音响信号，并对保护装置的动作情况有记忆作用，以便记录保护装置动作情况和分析电力系统故障性质、保护动作的正确性。

2.5 现场微机保护装置:

   采用微机来实现的保护称为微机保护，具有如下优点： 
    （1）可靠性高；
    （2）灵活性强；
    （3）性能改善，功能易于扩充； 
    （4）维护调试方便；
    （5）有利于实现变电站综合自动化 
   微机保护装置从功能上可以分为六个部分，如图所表示：

　　　　　　
   各部分的功能如下：
    1.模拟量输入系统（数据采集系统 ）——采集由被保护设备的电流电压互感器输入的模拟信号，将此信号经过滤波，然后转换为所需的数字量。
    2.CPU主系统——包括微处理器CPU，只读存储器（EPROM）、随机存取存储器（RAM）及定时器（TIMER）等 。CPU执行存放在EPROM中的程序，对由数据采集系统输入至RAM区的原始数据进行分析处理，并与存放于E2PROM中的定值比较，以完成各种保护功能 。
    3.开关量输入/输出回路——由并行口、光电耦合电路及有接点的中间继电器等组成，以完成各种保护的出口跳闸、信号指示及外部接点输入等工作。
    4.人机接口部分——包括打印、显示、键盘、各种面板开关等，其主要功能用于人机对话，如调试、定值调整等。
    5.通讯接口——用于保护之间通讯及远动。
    6.电源——提供整个装置的直流电源。
3、变压器保护

3.1、变压器的故障

   ①油箱内的故障：绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁心的烧损等。

   ②油箱外的故障：主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。

3.2、变压器的不正常运行状态主要有

①由于变压器外部相间短路引起的过电流和外部接地短路引起的过电流和中性点过电压；

   ②由于负荷超过额定容量引起的过负荷以及由于漏油等原因而引起的油面降低。

   ③大容量变压器在过电压或低频率等异常运行方式的过励磁故障 

3.3、变压器的保护方式

 （1）瓦斯保护

   ①瓦斯保护作用：反应变压器油箱内的各种故障以及油面的降低
   ②瓦斯保护基本原理：反应油箱内部所产生的气体或油流而动作。
   ③瓦斯保护分类：轻瓦斯保护动作于信号，重瓦斯保护动作于跳开变压器各电源侧的断路器。
 （2）纵差动保护或电流速断保护
     作用 ：反应变压器绕组、套管及引出线上的故障。
  上述各保护动作后，均应跳开变压器各电源侧的断路器。
 （3）反应外部相间短路时引起的过电流和作为变压器的后备保护
   ①过电流保护
   ②复合电压起动的过电流保护灵敏度不满足要求的降压变压器上
   ③负序电流及单相式低电压起动的过电流保护
   ④阻抗保护
  （4）外部接地短路时，

     对中性点直接接地电力网内，由外部接地短路引起过电流时，如变压器中性点接地运行，应装设零序电流保护。
     对自耦变压器和高、中压侧中性点都直接接地的三绕组变压器，当有选择性要求时，增设零序方向元件。

 当电力网中部分变压器中性点接地运行，为防止发生接地短路时，中性点接地的变压跳开后，中性点不接地的变压器(低压侧有电源)仍带接地故障继续运行，应根据具体情况，装设专用的保护装置，如零序过电压保护，中性点装放电间隙加零序电流保护等。

  （5）过负荷保护

  （6）过励磁保护

  （7）其它保护

对变压器温度及油箱内压力升高和冷却系统故障，应按现行变压器标准的要求，装设作用于信号或动作于跳闸的装置。

3.4 变压器差动保护

1、变压器差动保护的工作原理
   与线路纵差保护的原理相同，都是比较被保护设备各侧电流的相位和数值的大小。   

2、变压器差动保护与线路差动保护的区别：
   由于变压器高压侧和低压侧的额定电流不相等再加上变压器各侧电流的相位往往不相同。因此，为了保证纵差动保护的正确工作，须适当选择各侧电流互感器的变比，及各侧电流相位的补偿使得正常运行和区外短路故障时，两侧二次电流相等。 例如下图所示的双绕组变压器，应使

3、变压器纵差动保护的特点 

　励磁涌流的特点及克服励磁涌流的方法
　（1）励磁涌流：

在空载投入变压器或外部故障切除后恢复供电等情况下，变压器励磁电流的数值可达变压器额定6～8倍变压器励磁电流通常称为励磁涌流。

（2）产生励磁涌流的原因

因为在稳态的情况下铁心中的磁通应滞后于外加电压90°，在电压瞬时值u=0瞬间合闸，铁芯中的磁通应为-Φm。但由于铁心中的磁通不能突变，因此将出现一个非周期分量的磁通+Φm，如果考虑剩磁Φr，这样经过半个周期后铁心中的磁通将达到2Φm+Φr，其幅值为如图所示。此时变压器铁芯将严重饱和，此时变压器的励磁电流的数值将变得很大，达到额定电流的6～8倍，形成励磁涌流。

（3）励磁涌流的特点：

   ①励磁电流数值很大，并含有明显的非周期分量，使励磁电流波形明显偏于时间轴的一侧。
   ②励磁涌流中含有明显的高次谐波，其中励磁涌流以2次谐波为主。

   ③励磁涌流的波形出现间断角。

（4）克服励磁涌流对变压器纵差保护影响的措施：

  ①采用带有速饱和变流器的差动继电器构成差动保护；
   ②利用二次谐波制动原理构成的差动保护；
   ③利用间断角原理构成的变压器差动保护；
   ④采用模糊识别闭锁原理构成的变压器差动保护。
2、 不平衡电流产生的原因
（1）稳态情况下的不平衡电流
   ①变压器两侧电流相位不同
    电力系统中变压器常采用Y，d11接线方式，因此，变压器两侧电流的相位差为30°，如下图所示，Y侧电流滞后△侧电流30°，若两侧的电流互感器采用相同的接线方式，则两侧对应相的二次电流也相差30°左右，从而产生很大的不平衡电流。

②电流互感器计算变比与实际变比不同

由于变比的标准化使得其实际变比与计算变比不一致，从而产生不平衡电流。

③变压器各侧电流互感器型号不同

由于变压器各侧电压等级和额定电流不同，所以变压器各侧的电流互感器型号不同，它们的饱和特性、励磁电流（归算至同一侧）也就不同，从而在差动回路中产生较大的不平衡电流。

④变压器带负荷调节分接头

变压器带负荷调整分接头，是电力系统中电压调整的一种方法，改变分接头就是改变变压器的变比。整定计算中，差动保护只能按照某一变比整定，选择恰当的平衡线圈减小或消除不平衡电流的影响。当差动保护投入运行后，在调压抽头改变时，一般不可能对差动保护的电流回路重新操作，因此又会出现新的不平衡电流。不平衡电流的大小与调压范围有关。

　（2）暂态情况下的不平衡电流
    暂态过程中不平衡电流的特点：
    ①暂态不平衡电流含有大量的非周期分量，偏离时间轴的一侧。
    ②暂态不平衡电流最大值出现的时间滞后一次侧最大电流的时间（根据此特点靠保护的延时来躲过其暂态不平衡电流必然影响保护的快速性，甚至使变压器差动保护不能接受）。    

3、减小不平衡电流的措施
　（1）减小稳态情况下的不平衡电流
    变压器差动保护各侧用的电流互感器，选用变压器差动保护专用的D级电流互感器；当通过外部最大稳态短路电流时，差动保护回路的二次负荷要能满足10%误差的要求。
　（2）减小电流互感器的二次负荷
    这实际上相当于减小二次侧的端电压，相应地减少电流互感器的励磁电流。减小二次负荷的常用办法有：减小控制电缆的电阻(适当增大导线截面，尽量缩短控制电缆长度)；采用弱电控制用的电流互感器(二次额定电流为lA)等。
　（3）采用带小气隙的电流互感器
    这种电流互感器铁芯的剩磁较小，在一次侧电流较大的情况下，电流互感器不容易饱和。因而励磁电流较小，有利于减小不平衡电流。同时也改善了电流互感器的暂态特性。 
　（4）减小变压器两侧电流相位不同而产生的不平衡电流采用相位补偿

变压器相间短路的后备保护可采用过电流保护、低电压起动的过电流保护、复合电压起动的过电流保护或负序电流保护等。 

3.5、过电流保护

   1、变压器过电流保护的单相原理接线如下图所示。 

  4、保护的灵敏系数按下式校验： 

要求：作为近后备保护，取变压器低压侧母线为校验点，要求Ksen=1.5～2.0；作为远后备保护，取相邻线路末端为校验点，要求Ksen≥1.2。

   5、保护的动作时限
    应比相邻元件保护的最大动作时限大一个阶梯时限△t。 

3.6、低电压启动的过电流保护 

   1、低电压启动的过电流保护原理接线如下图所示。 

   2、低电压启动的过电流保护工作原理
    保护的启动元件包括电流继电器和低电压继电器，只要当电流元件和电压元件同时动作后，才能起动时间继电器经预定时间后，起动出口中间继电器动作与跳闸。

4、电动机保护

电动机的故障

主要有定子绕组的相间短路、单相接地短路和一相绕组的匝间短路。

对电动机定子绕组的相间短路应装设相间短路保护。容量在2MW以下的电动机装设电流速断保护（保护宜采用两相式）；容量在2MW以上或容量小于2MW但灵敏度不满足要求的电动机装设纵差保护。保护装置动作于跳闸，对同步电动机还应进行灭磁。

   对电动机的单相接地应装设单相接地短路保护，并动作于跳闸。对3～6kV电动机因电网中性点不接地，只有当接地电流大于5A时，才装设单相接地保护装置，动作于跳闸或信号。

   电动机的不正常运行状态

有过负荷、相电流不平衡、低电压、堵转、同步电动机还有异步运行和失磁等。

　　对经常过负荷的电动机可装设过负荷保护，保护应根据负荷特性，带时限动作于信号或跳闸。
　　为反应相电流的不平衡，对容量为2MW及以上的电动机，可装设负序过流保护，动作于信号或跳闸。

   电网电压降低时，为保证重要电动机的正常运行，在次要电动机上应装设低电压保护。此外，在运行中不允许自起动的电动机也应装设低电压保护。低电压保护动作于跳闸。

  　同步电动机需装设失步保护和失磁保护。 

   电压在500V以下的电动机，特别是容量为0.075MW及以下的电动机，广泛采用熔断器或自动空气开关作为相间短路和单相接地短路保护；用磁力起动器或接触器中的热继电器作为过负荷和两相运行保护。只有对不能采用熔断器保护的较大容量高压电动机，才装设专用的保护装置。

4.1、相间短路保护

一、电流速断保护
    容量在2000KW以下的电动机上广泛装设电流速断保护作为相间短路保护，为了在电动机内部及电动机与断路器之间的连接电缆上发生故障时保护均能动作，电流互感器尽可能安装在断路器侧。通常对于不易过负荷的电动机，宜采用两相不完全星形接线，可采用DL—11型电流继电器。对易产生过负荷的电动机，宜采用两相电流差接线，可采用感应型电流继电器（如GL-14型），其中的速断部分用作相间 短路保护，反时限部分用作过负荷保护 。

二、纵差动保护

   电动机容量在5MW以下时，纵差动保护采用两相式接线，在5MW以上时，采用三相式接线，以保证一点在保护区内另一点在保护区外两点接地时的快速跳闸。

4.2、单相接地保护

中性点非直接接地电网中的高压电动机，当发生单相接地且接地电流大于5A时，应装设单相接地保护。
   电动机单相接地保护接线如图所示，其中TA为零序电流互感器，电缆头的接地线应通过TA铁心窗口接地。零序电流继电器KAZ的动作。 
        

4.3、低电压保护

                 
　                 3～6 kV厂用电动机低电压保护接线图

在图(a)的交流回路中，1QS为电压互感器一次侧的隔离开关，当电压互感器停用时，通过辅助触点1QS1~1QS6将二次回路全部断开，消除电压互感器二次侧向一次侧倒送电的可能；同时，通过1QS7触点解除了图(b)直流回路的控制电源，防止保护误动作（注意，此时直流电源监视继电器KVS处于失磁状态，光字牌H1亮）。1KVU~3KVU为接于相间电压上的低电压继电器，KV1为接于电压互感器TV开口三角形绕组上的对地绝缘监视继电器。当发生接地短路时，KV1处于动作状态。

   电动机的低电压保护一般设两个时限，以较短的时限（一般取0.5s）跳开次重要电动机，如图（b）中的时间继电器1KT；以较长的时限（一般取9～10s）跳开重要电动机，如图（b）中的时间继电器2KT。当电源三相短路消失或三相电压降低到低电压继电器的动作值时，1KVU、2KVU、3KVU动断触点闭合，动合触点断开，1KC失磁，于是1KT起动，经0.5s，控制电压“＋”极加于小母线W1上，切除次重要电动机。如电压仍不能恢复，则4KVU仍处于动作状态，时间继电器2KT也处于动作状态，经8～9s，控制电压“＋”极加于小母线W2上，切除不允许自起动的重要电动机。低电压保护动作后，光字牌H3亮。
   当电压互感器一次侧或二次侧发生断线时，1KVU~3KVU相应的动断触点闭合，因不是三相断线，1KVU~3KVU的动合触点总有一个闭合，于是1KC起动。1KC动作后，一方面断开了1KT、2KT的起动回路，防止低电压保护误动作；另一方面光字牌H1亮，发出电压回路断线信号。

   当直流控制电源消失时，KVS失磁，光字牌H1亮

4.4、微机型电动机的保护

一、电流速断保护
   电流速断保护，作为电动机相间故障的主保护。该保护分别设置高灵敏度定值Isdg，低灵敏度定值Isdd。能有效地防止启动过程中因启动电流过大引起的误动，同时还能保证正常运行中保护具有较高的灵敏度。

其动作判据为：
          Imax= max(Ia ,Ib ,Ic)

            Imax>Isdg       在额定启动时间内

            Imax>Isdd       在额定启动时间后

二、负序过流保护

    防止电动机电流不对称，出现较大的负序电流；而负序电流在转子中产生2倍工频的电流，使转子发热大大增加，危及电动机的安全运行。负序过电流保护分两段：

   （1）负序过电流一段保护

   当电动机发生断相、反向或匝间短路时，将产生负序电流，装置根据负序电流值提供保护。

I2.act.1= (0.6~1) IN ；t2.act.1 按躲过开关不同期合闸出现的暂态过程的时间整定。负序过电流一段跳闸动作条件如下：

            I2 > I2.act.1      ；     t > t2.act.1

  式中 I2.act.1——电动机负序电流一段定值(A);

           I2——负序电流(A);

      t2.act.1——负序电流一段保护动作时间(s);

   （2）负序过电流二段保护

    当电动机严重不平衡,按电动机承受不平衡工况整定.

   其动作判据为             

                I2 > I2.act.2    ；    t > t2.act.2

  式中 I2.act.2——电动机负序电流二段定值(A);

           I2——负序电流(A);

       t2.act.2——负序电流二段保护动作时间(s);

三、 定子单相接地保护
   对于电动机所在的低压电网，中性点一般不接地或经消弧线圈/电阻接地，其定子单相接地主要由绝缘损坏引起，其零序电流主要为电容电流，采用零序电流互感器获取电动机的零序电流．构成电动机的单相接地保护。为防止在电动机较大的启动电流下．由于零序不平衡电流引起本保护误动作，本保护采用了最大相电流Imax作制动量Ibrk，其动作特性见图。

                                    
四、 堵转保护
   为了保证电动机不因堵转而烧坏，用电动机转速开关和相电流构成堵转保护。其动作条件如下：
             

   条件满足时，转速开关触点闭合。

式中  Idact——堵转保护动作电流整定（A）,

      tdact——堵转保护动作时间。 

   本保护引入电动机转速开关信号，当电动机启动时，堵转保护元件自动退出。

六、起动时间过长保护 

    当电动机在规定的起动时间内没有完成起动时保护动作。起动时间按下式整定： 

七、 过负荷保护 

   过负荷保护 主要防止由过负荷、定子断线等引起的电动机过热，也做电动机短路、起动时间过长、堵转等其他故障的后备保护。其动作判据如下： 

     式中IL.act 过负荷保护电流动作值(A); 

        tLact 过负荷保护动作时间(s)。 

八、 低电压保护 
    当电源电压降低或短时中断，为了保证重要电机自启动及根据生产过程和技术保安要求，电动机需配置低电压保护；三个线电压均小于低电压保护定值，电压保护动作。TV断线后设定闭锁低电压保护。其动作判据如下：
   低压保护启动前Umax＞1.05Uact
   式中，Uact——低电压保护电压动作值（A）； 

         tact——低电压保护动作时间（s）。

5、电动机继电保护计算

5.1、 异步电动机 继电保护 计算

一、异步电动机 继电保护方式的选择

（1）电压低于是1000V的电动机一般功率不大，重要性较小，可采用下列保护：

① 熔断器保护：

② 在一台电动机短路时，断开几台电动机的公用断路器；

③ 自动空气开关作为低电压保护。

（2）电压为3～10KV、功率大于150KW、小于2000KW的电动机，应装设电流速断保护；当电流速断保护不能满足灵敏度要求时需装设纵联差动保护。

（3）电压为3～10KV的电动机，若生产过程中易发生过负荷时，或起动、自起动等条件严重时，均应装设过负荷保护。另外，当单相接地电流大于5A时，需装设单相接地保护，一般5～10A时可作用于信号，也可作用于跳闸；大于10A时作用于跳闸。

（4）3～35KV网络的中性点是不接地的，为保护电动机 ，应在电动机母线上装设“绝缘监视”装置。

（5）当电动机必要装设低电压保护装置时，可采用在线电压上的低电压继电器将电动机断开；必要时可采用两个继电器的低电压保护。

二、异步电动机 继电保护的整定

电压低于1000V异步电动机的继电保护整定计算

电压高于1000V异步电动机的继电保护整定计算

注：对于一般电动机tdz=(1.1～1.2)tq(其中tdz为保护装动作时间；tq为电动机起动及自起动时间)。对于传动风机负荷的电动机tdz=(1.2～1.4)Iq  

3、电流速断保护灵敏度校验

K（2）m=KmxdI``(3)d·min/Idz≥2，Idz =Idzjnl/kjx  ；其中Kmxd  —相灵敏系数，I``(3)d·min  —最小运行方式下，电动机出线端三相适中时流过保护安装处的超瞬变电流（A）；Idz —保护装置的一次动作电流（A），nl —电流互感器变比；

kjx —接线系数，接于相电流时取1，接于相电流差时取  3

例：试选择一台6KV、380KW电动机的保护。电动机装在经常有人值班的机房内，运行过程中有过负荷的可能。已知电动机的额定电流Ied为47.5A，起动电流倍数kq为4。在最小运行方式下电动机出线端三相短路时，流过保护安装处的超瞬变电流I``(3)d·min 为6500A，稳态电流I``(3)d·min  为4800A

 解（1）保护装置的选择：因电动机在运行过程中有过负荷的可能性，故需装过负荷保护。电动机由于经常有值班人员照顾，因此不需装防止长时间失压的低电压保护。装设电流速断保护和过电流保护（与电流速断共用一感应型电流继电器）采用接于两相电流差的DL—11/100型电流继电器。

（2）保护装置整定计算及灵敏度校验：

①电流速断保护继电器的动作电流：Idzj=kkkjxkqIed/nl=1.6X   3   X(4X47.5/15)=35.2A ，取40A

保护装置的一次动作电流为  Idz=Idzjnl=40X15=600A

灵敏度校验  k(2)m=kmxd I``(3)d·min/Idz= 0.5X6500/600=5.4>2

②过电流保护继电器的动作电流Idzj=k`kjxIed/khnl=1.25X   3   X (47.5/0.85X15)=8.0A， 取8A

保护装置的一次动作电流为  Idz=Idzjnl=8X15=120A

灵敏度校验

K(2)m=Kmxd I``(3)d·min /Idz=0.5X4800/120=11.7>1.5

二、 同步电动机继电保护计算

1、  同步电动机继电保护方式的选择

（1）       电压为3～10KV、功率小于2000KW的电动机装设电流速断保护；当电流速断保护不能满足灵敏度要求时应装设纵联差动保护。

（2）       同异步电动机继电保护方式的选择3。

（3）       电压为3～10KV的电动机，均需装设失步保护

2、  同步电动机继电保护的整定

3、  灵敏度校验

（1）       电流速断保护灵敏度校验：同异步电动机电流速断保护灵敏度校验。

（2）       纵联差动保护灵敏度校验：

①     采用BCH—2型差动继电器时：先确定继电器的差动线圈和平衡的匝数：

差动继电器计算匝数Wjs  

表8—16同步电动机继电保护的整定计算

注：同步电动机出线端三相短路时，输出的超瞬变电流

I``dd(3)=(1.05/x``d+0.95sin∮e)Ied  x``d为同步电动机超瞬变抗标公值；∮e为同步电动机额定功率因数角；Ied为同步电动机额定电流（A）

Wjs=AW/Idzj 要求Wjs≥W1=Wc      W1=W2

式中：AW0—继电器动作安匝数，应采用实测值；如无测值，可取60

W1、W2—第一和第二平衡线圈的实用匝数；

Wc—差动线圈的实用匝数

 适中线圈的抽头：一般选取抽头3—3或2—2；功率大于5000KW的同步电动机可选取2—2或1—1。

再进行保护装置的灵敏度校验：

Km(2)=(W1+Wc)/AW0KmxdKjxI``(3)d·min≥2

式中：Kmxd—相对灵敏系数，

I``(3)d·min—最小运行方式下，电动机出线端三相短路时流过保护安装处的超瞬变电流（A）；

其它符号同前

②采用DL—11型电流继电器时：

K(2)m=Kmxd I``(3)d·min/Idz≥2

4、  同步电动机自控设备基这设备的整定

（1）低电压保护装置的整定：

①用于电源的低电压继电器，可采用DJ—122/160型电压继电器。

Udzj=(0.6~0.7)Uce

式中：Udzj—电压继电器动作电压整定值（V）

Uce—电网额定电压（V）

保护装置动作时限为0.5S。

②用于强励磁的低电压继电器，可采用DJ—122/160型电压继电器。

Udzj=0.8ce,动作延时10s 

③用于控制回路和保护与信号回路低电压继电器，可采用JT3—11/1型电压继电器。

Udzj=0.8Uke，动作延时0.5s

式中：Uke—控制回路和保护信号回路的额定电压（V）

（2）辅助电动机联锁继电器时间的整定：考虑辅助电动机的自动起动时间，辅助电动机停车联锁继电器时间可整定3S左右。

星—三角起动器的选择

起动器在起动时将电动机 的定子绕组接星形，正常运转时接成三角形，以减小起动电流。

1、  星——三角起动器原理

（1）绕组接成星形起动时：

Uy=U/   3   ,Iy=Ixy=Uy/Z = U/   3  Z   式中：U—三相电源线电压（V）； Uy—电动机绕组接成Y形的相电压（V）；Iy、Ixy—电动机绕组接成Ｙ形的线电流和起动相电流；Ｚ—电动机起时的一相等效阻抗。

（２）绕组接成三角形起动时：

Ｕ△—Ｕ，Ｉ△＝　3   Ix△=       3  U△/Z=   3  U/Z

式中：U△—电动机绕组接成△形时的相电压（V）；I△、Ix△——电动机绕组接成△形时的线电流和起动相电流（A）。

由此得Iy/I△=U/   3  Z/    3  U/Z=1/3

可见，电动机绕组接成Y形起动时的电流要比接成△形时的起动电流小2/3，从而有效地限制起动电流。但

My∝U2y=U2/3,  M△∝U2△=U2 故 My=M△/3 可见，起动转矩却随之减小到1/3。

星——三角起动器多用于起动设备的转矩不大于电动机起动转矩的1/3、功率不大于125KW的三相鼠笼型异步电动机。

三、 自耦减压起动器的选择与计算

1、  自耦减压起动器的选择

自耦减压起动器是利用自耦变压器降低电源电压，以减小起动电流，同时还能通过选择自耦变压器的不同抽头改起动电流并达到改变起动转矩的目的。通常用于控制320KV以下的三相鼠笼型异步电动机作不频繁起动、停止之用，具有过载和失压保护功能，其原理接线如图所示。

自耦减压起动器的起动电流和起动转达矩有如下关系：

I1q=k2Iqe , Mq=k2Mqe

式中：k——自耦变压器的变比，k=U2/U1<1

I1q——降压起动时自耦变压器的一次侧电流（A）；

Iqe——在额定电压下的起动电流（A）；

Mq——降压起动时电动机的起动转矩（N·m）

Mqe——在额定电压正气起动转矩（N·m）

四、 星——三角变换的节电计算

当电动机负载低于50%时可考△ — Y变换的节电措施。

1、  △接法改为Y接法后，电动机各种损耗的变化

改成Y接后，电动机相电压降压    3  倍，此时铁耗降低3倍。由于电动机转速基本不弯，故机械损耗基本不变。附加损耗与电流平方成正比，改成Y接法后，由于定子电流较小，所以定子附加损耗不大或加有正点降，功率因数得到善，达到节电效果。

 但在电动机转矩不变的条件下，改拉忍气吞声转子电流增加了   3  倍，所以转子铜耗也增加了3倍，转子附加损耗会增加。电动转差率增大3倍左右。

2、  改接的条件

β=βlj时，改接意义不大，因为浪费电能负载区比节能负载区大，有功损耗可能增加。β＞βlj时，改接没有意义。只有β＜βlj时，改接才有意义。β为电动机实际负载率；βlj为临界负载率，即Y接法与△接法的总损耗相等时的负载率，可按下列公式计算：

（1）       公式一：

βlj=   βlj1/2[（1/ηe-1）Pe—P0△]

式中βlj1=0.67(P0-Pj+K   3  UeI0×10-3)

βlj2=(P0/ηetg￠ —    3  UeI0 10-3)K

符号同前

（b）公式二（简化计算）

βlj=     0.67PFe△+0.75P0cu△/2[(1/ηe — 1)Pe — P0△]

式中：PFe△—△接法时的铁耗（KV）

P0cu△—△接法时的空载铜耗（KW）

P0△—△接法时的空载损耗（KW）

其它符号同前。

如用公式一计算，改接后节约的有功功率（KW）为

△P=2β2[（1/ηe — 1）Pe—P0+（Pe/ηetg￠ —   3  UeI0 ×10-3）K]—0.67(P0—Pj +K   3  UeI0×10-3)

当△P＜0时，表示节电；△P＞0时，表示多用电。

由于电动机极数不同，故临界负载率也汀同。为了便于计算，现将部分电动机的临界负载率列于表5—17，供参考。

改接后节约的有功功率只能等于或少于额定负载时的总损耗，其计算公式如下

∑△P= Pe[（1-ηe）]/ηe

如Y160M—6，7.5KW电动机，（ηe=86%），总损耗为

∑△P = 7.5[(1 — 0.86)/0.86]=1.22 (KW)

该电动机由△接法改为Y接法后，所节约的有功功率不会超过1.22KW

表5—17部分电动机的临界负载率