电气保护系统、装置与单元权威指南

电气保护单元与系统

本文长篇详述电气系统与网络的各类保护。涵盖保护方法、系统与装置、分级与配合、架空线路保护、电力系统保护、电缆馈线保护、变压器保护、电机保护、发电机保护、电容器组保护、母线保护、电压频率保护等。建议收藏备读。

电气保护系统简介

高压（HV）、中压（MV）、低压（LV）^[1]电气装置与设备面临内部与外部故障，可对人员和其他设备造成严重损害。

为避免并最小化故障后果，需配置保护装置，关联能分断电流的设备。

为更好理解保护装置，各节在介绍设备/装置保护系统时，均列举该设备/装置最常见故障。

保护系统涉及的所有机电参数单位及倍数/分数单位均遵循SI（国际单位制）；例外：可用小时（h）代替秒（s），温度单位用°C（摄氏度）代替K（开尔文）— [K] = [°C] + 273.15。

保护装置与技术

保护装置

为最小化故障持续时间，开关设备与设备配置保护装置以检测并隔离故障部分。

首要任务：早期检测与定位故障；次要任务：迅速将故障设备退出运行，以：

• 保障整个系统确保供电连续性
• 最小化损坏与维修成本
• 保障人员安全

过去熔断器常作过流/过载保护，在北美及一些国家仍用于低压装置及额定功率 630-1250 kVA 的中压电缆和变压器。

但网络复杂性与更可靠电力传输配电需求，要求使用更精准的保护装置。

现采用保护继电器，更可靠准确，且能检测除过载过流外的其他故障类型，后续章节详述。

它们设定动作条件，检测到故障即启动跳闸。

每个电力系统保护方案由以下组件构成：

• 故障检测/测量继电器
• 跳闸及其他辅助继电器
• 断路器
• 互感器——电流（CT）和电压（VT）

早期保护继电器为电磁式，部分国家及未改造的老旧电气装置仍在使用。

为吸引衔铁型，互感器二次输出经线圈，克服弹簧张力吸引衔铁。衔铁运动使继电器跳闸接点闭合。

图 1 为此类继电器示例。

图 1 – 电磁式保护继电器

如今电子（固态）和微处理器基础保护继电器在电力事业中普遍使用。

电子继电器仅具单一保护功能，不同功能需不同继电器。

微处理器基础继电器具多功能，如保护、控制和监测。

智能电子装置（IED）

微处理器基础继电器称为智能电子装置（IED），可提供5-12项保护功能、5-8项控制功能控制独立设备、重合闸功能、自监测功能和通讯功能，主要特性：

• 单一继电器集成多功能
• 馈线配置变更时分组设定易于修改
• 可编程输出继电器
• 通讯端口连接 SCADA – 监控与数据采集（系统、调制解调器、个人电脑）
• 存储多次近期故障的事件序列
• 振荡波形记录——存储故障前后电流电压波形数据供分析
• 测量功能
• 联锁功能
• 辅助断路器维护。可记录每相故障分断负荷
• 故障定位器——显示故障距离

图 2 为 IED 示例。

图 2 – IED

IED 功能与复杂度须按被保护设备、网络特性及互补动作需求定义。

实际 IED 设计满足 IEC^[2] 61850 标准，其通讯协议被采用。该标准专为变电站自动化开发，提供互操作性和高级通讯能力。

保护、控制、监测点数增长导致变电站数据量显著增加。数据通常以原始数字形式存储，须处理分析后用户方能受益。

传统保护系统中，继电器数据和控制信号经 RTU（远程终端单元) 送 SCADA 系统。变电站各间隔与控制室间可能需大量昂贵电缆。

采用 IED 继电器的现代保护系统，变送器与仪表间互联布线不再需要。IED 数据和控制信号经高速专用通讯网直送 SCADA。数据量随 IED 作控制元件和数据源而剧增。

为提供系统各组件连接，利用数据网络 LONWORKS 局域运行网络（LON）。

IEC 61850 标准定义所需通讯协议，可运行于 TCP/IP 网络或变电站 LAN，用高速交换以太网获取保护继电所需<4ms 响应时间。

保护继电器与代码

在中高压变电站、设备、开关设备和电厂常用保护继电器如下，括号内为按 IEEE/ANSI^[3]/IEC 标准的代码：

• 轴承保护 (38)
• 断路器失灵保护 (50 BF)
• 母线差动保护 (87B)
• 定向接地过流 (67N/67G)
• 定向相过流 (67)
• 瞬时接地过流 (50N/50G)
• 瞬时相过流 (50)
• 励磁消失/失磁保护 (40)
• 缺相保护 (48)
• 过励磁保护 (24)
• 过/欠频保护 (81)
• 架空线差动保护 (87L)
• 架空线距离保护 (21)
• 过载保护 (49)
• 过速保护 (12)
• 过压保护 (59)
• 限制接地故障 (64G/64REF)
• 反功率保护 (32)
• 延时接地过流 (51N/51G)
• 延时相过流 (51)
• 变压器差动保护 (87P)
• 欠压保护 (27)
• 弱端进线 (21WI)
• 逆相序保护 (47)

主要在高压架空线、高压电力变压器和额定功率 3-4 MVA 以上的中压电力变压器中，为提高系统可靠性和安全性，常采用两套保护——一套“主保护”、一套“后备保护”。

熔断器保护

熔断器是一种低阻电阻，作为“牺牲装置”提供过流保护，仍用于部分低压和中压装置。

核心部件为金属丝或片，电流过大时熔断中断电路，防止过热或火灾进一步损坏。

金属片或丝截面远小于电路导体，由非燃外壳（外套)包裹。

熔断体用锌、铜、银、铝或合金制造，提供稳定可预测特性。

外壳可为陶瓷、玻璃、塑料、玻璃纤维、云母层压或模压纤维，视厂家、应用和电压等级而定。

熔断器安装在熔断器座上，专为各类型/系列熔断器和额定电压设计（如 HRC 熔断器）。

图 3、4 为熔断器与座示例。

图 3 – 低压 NH 型熔断器与座

图 4 – 中压熔断器与座

熔断器主要电气特性：

• 额定电压
• 额定电流（I_n）：熔断器可持续导通而不分断电路的最大电流。
• 分断能力（I₁）：熔断器能分断的最大预期电流。为最大试验值，通常20kA~63kA。
• 最小分断电流（I_f）：能熔断熔断器的最小电流。
• 约定不熔电流（I_nf）：熔断体可在约定时间内不熔断通过的电流值，以 I_n 倍数表示（如 I_nf = 1.25×I_n）。
• 标称熔化 I²t：熔化熔断体所需能量（基于焦耳定律），每种熔断体恒定值。
• 时流特性曲线：显示熔断器动作时间（速度）随电流变化（通常厂家按标准提供）。

图 5 为时流曲线示例。

图 5 – 熔断器时流曲线

环境温度改变熔断器工作参数，需温度降额。如 25°C 下额定 1A 熔断器，-40°C 可导通 10%~20% 更大电流，100°C 下可能在 80% 额定值熔断。工作值随熔断器系列不同，详见厂家数据手册。

熔断器选型主要因素：

• 正常工作电流
• 额定电压（交/直流）
• 环境温度
• 过载电流及必须熔断的时间长度
• 最大可用故障电流
• 脉冲、浪涌、冲击、启动电流、电路瞬变
• 物理尺寸限制（长度、直径、高度）
• 熔断器特性（安装形式/外形、易拆卸、轴向引线、可视指示等）
• 熔断器座特性（如适用）及关联降额
• 应用场合
• 国家布线法规与标准

法国标准 NF EN 60269按时流曲线、功能、应用分类熔断器，广泛采用：

• gL/gG
• 功能：电缆和电气设备保护。两熔断器额定电流相差两级（如 160A 和 100A）时确保选择性。
• 应用：工业和居民配电各级防过载短路。主配电柜、馈线配电柜、主柜。
• aM
• 功能：电机直接保护，须配合外部保护装置（热继电器）。与上游 gG 熔断器易于选择性。两熔断器额定电流相差两级时确保选择性。
• 应用：低压电机保护。
• gR
• 功能：半导体超快速保护熔断器，极强限流、低 I²t。
• 应用：软启动器、静态继电器、UPS、变频器、变频调速等功率半导体保护。

装置由熔断器保护时，熔断器上游须用带熔断器的负荷隔离开关，出于安全原因，以确保在更换熔断器或维护前实现装置的隔离。

仅用熔断器保护时，只能检测相过流，必须预见其他故障用保护继电器。漏电流或接地故障电流用 GFCI（接地故障断路器）。

此情况下开关须装脱扣线圈，也由设备内部保护驱动。

另一预防措施：熔断器须配机械装置（撞针），仅单相熔断时致开关分闸，确保故障时装置完全断开。

熔断器还须有彩色指示盘，熔断体熔断时脱落；或熔断体本体带观察窗，提供熔断可视指示。

分级与保护配合

分级与保护简介

定义保护继电器定值或熔断器和低压断路器额定电流（如 ACB 空气断路器）时，必须保证选值适合设备保护，且跳闸的断路器或熔断的熔断器仅为故障回路相关装置，而非其他保护装置，否则将导致网络严重扰动和供电质量与连续性下降。

达成此目标需进行分级与保护配合研究。

基本原则

保护继电器配合研究旨在确定保护继电器定值。

须为所有可能系统运行工况确定故障电平，以此判断保护继电器检测和清除系统故障的能力。

保护方案设定为隔离尽可能少的电气系统部分，从而最小化故障造成的中断。

保护继电器动作时间按满足主设备短时额定值、系统稳定性要求和法定要求确定。我们注意确定正确的保护继电器工作余量，电流和时间双向，以有效消除误配合。

双回路高压馈线距离继电器定值时，回路间零序互耦被考虑以最小化越区或不及区可能性。

继电器动作特性及其定值须精心配合以实现选择性。

根本目标：仅切除故障部件，其余电力系统继续运行，以最小化停电和保证稳定。

选择性或配合定义为：“保护装置配合，使网络任意点故障由故障上游紧邻的保护装置单独切除”。

看图 6 单线图示例，有保护系统 SP1 至 SP6：

图 6 – 电气装置单线图

选择性意味着：若故障发生在点 A，仅 SP5 动作，其他保护系统不动作。

建立选择性两原则：

• 电流配合。
• 时间配合。

低压、中压、高压网络的分级与保护配合

进行分级与保护配合研究须考虑网络配置与复杂性。

低压配电和用户网络通常辐射状配置。

中压配电网络通常辐射状与双电源带常开点配置混合，复杂性高。

用户中压网络通常辐射状配置，大型工厂用双电源带常开点配置。

因高压输电网和中压配电网复杂，其分级与保护配合研究需专业工程师及网络分析专用软件（如 ETAP、PSS/E、EPSO、PTW）。

用户中压网络研究相对容易，可遵循本节后续基本指导。

须特别注意供电局网络（进线侧)与用户网络边界，双方须建立保护配合协议。

低压网络用断路器和/或熔断器，可通过比较某故障电流下的“时流特性曲线”，利用“电流配合”和“时间配合”原则，实现“断路器/断路器”、“熔断器/熔断器”、“断路器/熔断器”的选择性。

电流配合用于过载保护，若定值阈值比大于 1.6则选择性成立。

时间配合用于短路保护，上游断路器/熔断器带时延使下游装置更快跳闸；若短路保护阈值比不小于 1.5则选择性成立。

电缆馈线保护

详细更新内容请阅读 电缆馈线保护——故障类型、原因与差动保护。

变压器故障与保护

此为重要详尽主题，已更新合并至 电力变压器保护与故障。

架空线路故障与保护

为便于导航，已移动更新至“架空线路故障与保护”。

电机保护

博文已迁移新链接，见 电机保护、常见电机故障类型及高低压电机保护装置。

发电机保护

已在前文讨论发电机保护、常见发电机故障类型及保护装置。

其他保护

电压与频率保护

负荷波动、切换和电厂故障可引起网络电压和频率偏离，超出设备和网络允许运行限值。

这会导致设备损坏和网络部分或全黑。

为避免或最小化此情况，须采用欠压和过压（代码 27 和 59）及频率（代码 81U 和 81O）保护。

母线保护

高压变电站常装母线保护继电器，最常用差动保护（87B）。

此继电器接变电站所有CT，评估进出线电流之和，如图 25。

图 25 – 母线差动保护原理图

工作原理基于基尔霍夫定律—电流定律。

母线保护CT须位于断路器馈线侧。若位于母线侧，则存在保护盲区。

采用高阻抗继电器作差动保护可设计为更耐受饱和CT。

非线性电阻跨接继电器端子，限制故障时差动继电器两端电压至安全值。

高阻抗继电器在现代高压母线差动保护中广泛使用。

优势：可设计为外部故障时保持稳定（不动作），即使任一CT饱和。

外部故障最坏情况为一 CT 完全饱和、另一 CT 未饱和。产生的差动电流导致差动继电器两端出现最大电压。选取继电器定值（单位伏特），留有足够裕度，确保此外部故障下差动保护不动作。

CT 二次绕组和电缆电阻须已知，用于继电器定值计算。

内部故障时，差动继电器高阻抗迫使大部分差动电流流经 CT 励磁阻抗。继电器两端电压实为CT 开路电压，远高于继电器定值。跨接非线性电阻或压敏电阻限制故障时电压至安全值。

检测到母线故障时，该母线上所有断路器跳闸。母线故障几乎总是永久性，而非暂态。

故母线故障后不得自动重合闸。母线保护常取消其他保护发起的任何断路器重合闸。

许多变电站采用母线分段如双母线（图 26），馈线可经隔离开关在两母线间切换。

图 26 – 双母线布置

这使母线保护复杂化，因CT 二次回路须随隔离开关辅助触点切换以对应相应母线。

通常每母线分段设一保护区，称区分区。

另设全变电站差动保护区，称校验区。

此布置下母线跳闸需区分区继电器和校验区继电器同时动作。

断路器失灵保护

高压变电站常用断路器失灵保护（50BF），若断路器未按跳闸命令动作，通过故障电流未熄灭检测，此后备保护向上游或相邻断路器发送跳闸命令。

断路器失灵保护功能由0/1二进制信号激活，信号来自过流保护功能（50/51, 50N/51N, 46, 67N, 67）。在时延 T 指定的时间间隔内检查电流消失。

也可考虑断路器位置，读取逻辑输入判断实际分闸。在断路器合闸位置无源闭合接点接入断路器合闸方程编辑器输入可确保以下情况保护有效：

• 50BF由保护功能 50N/51N激活（定值 I_s0 < 0.2 I_n）时，50BF 电流定值检测可能不工作。
• 用跳闸回路监督（TCS）时，断路器合闸接点短路。

保护功能自动激活需用编程逻辑断路器控制功能。特定输入也可用方程编辑器激活保护。该选项适用于特殊激活情况（如外部保护装置跳闸）。

保护单元时延输出应经控制矩阵分配至逻辑输出。

时延计数器启动和停止条件为存在电流高于定值（I > I_s）。

弱端进线

弱端进线保护是距离保护的补充，用于架空线路故障电流值低于距离保护定值调整时。

电容器组保护

涉及功率因数，电容器组每相由串联电容器组构成，用于提高功率因数。三相再星形连接，中性点隔离或接地，视网络运行方式而定，如图 27。

图 27 – 电容器组接线图

电容器组常见故障：

• 电容器短路或连接电缆故障。
• 单元与机架/配电柜金属结构短路（相地故障）。
• 网络谐波引起过载。
• 网络过电压或雷击导致介质击穿。

一组电容器故障且中性点接地时，电容器组将不平衡，中性点有电流循环。

每个电容器或电容器组通常由熔断器保护，厂家已预装。

熔断器须具I²t 特性，不因投入电容器组产生的冲击电流而熔断。

电容器组常用保护装置：

• 瞬时相过流 (50)
• 瞬时接地过流 (50N/50G)
• 延时相过流 (51)
• 延时接地过流 (51N/51G)
• 过压保护 (49)

 

^[1] HV：高压（V ≥ 60 kV）； MV：中压（1 kV < V < 60 kV）； LV：低压（V ≤ 1 kV）。

^[2] IEC：国际电工委员会。

^[3] IEEE：电气电子工程师学会。 ANSI：美国国家标准协会。

^[4] 相地故障时残余容性电流（I_C）由 I_C = 3X_cU 计算，X_c 为电缆容抗，U 为网络相电压。

^[5] 本文不分析气体绝缘变压器（GIT）。

^[6] rms：均方根。

^[7] 原动机是驱动发电机的部件，可以是内燃机（柴油机组）、燃气轮机、汽轮机、风轮机、水轮机。

^[8] 交流发电机中励磁系统由接受电压的导线线圈组成（称励磁），产生磁通。

磁通切割电枢产生电压。该电压最终为发电机输出电压。

作者简介：Manuel Bolotinha

- 电气工程学士—能源与电力系统（1974—里斯本大学高等技术学院）
— 电气与计算机工程硕士（2017—新里斯本大学科学技术学院）
— 变电站与电力系统高级顾问；专业讲师

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