第二章 电气保护设备及安全间距

第一节 电气保护设备

一、继电保护

保护电器主要包括各种熔断器、磁力起动器的热继电器、过电流继电器和失压（欠压）脱扣器、自动空气开关的热脱扣器、电磁式过电流脱扣器和失压（欠）压脱扣器、漏电保护器、避雷器、接地装置等。

（一）继电保护分类

继电保护种类很多，构成方式各不相同，但是继电保护装置的基本工作原理是一致的，即反应电力系统各电气量在系统发生故障时与正常运行时的变化。例如：故障时，电流增大，电压降低，电流与电压相位角度变化等。利用这些量的变化可以构成不同原理的继电保护装置；反应电流增大构成过电流保护装置；反应电压降低（或升高）构成低电压（过电压）保护装置；反应电流与电压的比值及其相位角变化构成距离（阻抗）保护装置等。

继电保护装置一般由三部分组成：测量部分、逻辑部分及执行部分。

测量部分一般称保护的交流回路，其作用是反应故障时系统各电气量的变化，以确定电力系统是否发生故障和不正常工作情况。逻辑部分和执行部分一般称为保护的直流回路，其作用是根据测量回路的指令进行逻辑判断，以确定是否跳闸或发出信号。

按继电保护构成原理，继电保护可分为：

（1）电流保护。包括无限时电流速断保护；限时电流速断保护；方向过电流保护；电压闭锁过电流保护；零序电流保护。

（2）阻抗保护。包括相间距离保护；接地距离保护；失磁保护。

（3）差动保护。包括纵联差动保护；横联差动保护；高频保护。

按继电器的构成原理可分如下几类：

（1）机电型保护（包括感应型和电磁型）；整流型保护；晶体管型保护。

（2）行波保护；微波保护；电子计算机保护等。

（二）电气设备应配置的继电保护装置

发、变配电设备及输电线路一般常用的继电保护装置有：过电流保护（有时限、无时限、方向、零序等）、差动保护、高频保护、距离保护、低电压保护、瓦斯保护及温度保护等。主要电气设备应装设的保护套数与方式一般可参考表2-1。

二、电力系统自动装置

（一）自动装置的作用及分类

1.自动装置的作用

电力系统生产过程的监视、检测、调整、控制、事故处理以及事故后的快速恢复供电等，都必须依靠自动装置。由于电磁过程的快速和短暂，电力系统的某些要求较高的调整、操作、控制等，也只能依靠自动装置，才能达到预期的效果。

比如发电机的自动调整励磁和强行励磁装置，能提高电力系统稳定运行能力，防止系统电压崩溃，使继电保护准确切除故障，能提高系统电压质量。安装频率自动减载装置，可以防止系统有功电源突然欠缺时，引起系统频率崩溃。自动重合闸装置在故障切除以后，能快速恢复供电，恢复系统之间的联系，防止事故扩大。备用电源自动投入装置，可以保护当供电电源故障时，不致中断对重要用户供电，是保证发电厂厂用电和变电所所用电安全运行的良好措施。自动同期装置是保证并列操作的准确性，保证并列时系统及机组的安全，快速投入备用机组。自动装置减轻了运行人员精神高度紧张的劳动。

还有一些自动装置可以提高电力系统的自动化水平，实现安全运行的自动检测和监控，还可以实现电力系统的最佳经济调度。

2.自动装置的种类

按其在电力系统中所起的作用，自动装置可分为两类：

一类自动装置的作用是维持电力系统安全稳定运行，或系统万一失去稳定后，尽量缩小波及范围、减少负荷损失，尽快恢复供电。如自动调节励磁，强行励磁，强行减磁，自动重合闸，备用电源自动投入，按频率自动减负荷，自动调频，振荡解列等。这类自动装置通常称为电力系统中的安全自动装置。

二类是提高电力系统自动化水平，实现自动检测、安全监控、远方屏幕显示等自动装置。

（二）自动重合闸装置

电力系统采用重合闸装置一是大大地提高了供电可靠性，减少线路停电次数，减少运行人员事故处理的时间；二是在高压输电线路上采用重合闸，还可以提高电力系统并列运行的稳定性；三是纠正断路器本身机构不良或继电保护误动作而引起的误跳闸，大大减少事故的发生。

1.分类

按其组成部分的结构原理来分，可分为机械式和电气式；按重合闸作用于开关的方式可分为三相重合闸、单相重合闸和综合重合闸；按重合闸方式可分为检定同期重合闸、单相重合闸和综合重合闸；按重合闸方式可分为检定同期重合闸、捕捉同期重合闸及非同期重合闸；按动作次数可分为一次重合闸和多次重合闸。

2.使用重合闸的注意事项

（1）在下列情况下，重合闸不应动作：

1）由值班人员动手操作或通过遥控装置将断路器断开时。

2）当由于断路器的原因，例如油断路器油压降低到不允许合闸的油压时。

3）手动合闸于故障线路上，由保护将其断开时。运行经验表明，在这种情况下，故障往往是永久性的。它可能是检修质量不合格或者地线忘记拆除等，因此再重合也不能成功。

（2）重合闸的起动方式可以采取保护装置起动，也可以采用控制开关的位置与断路器的位置不对应的原则来起动重合闸。

（3）一次重合闸次数只能进行一次，不允许多次重合闸。即使重合闸装置本身的元件损坏，继电器接点粘住或拒动，重合闸均不应使断路器多次地重合到永久性故障上去。

（4）自动重合闸动作后，一般应能自动复归，准备好下一次动作。

（5）重合闸装置应具备重合闸前加速与后加速回路，能方便地与继电保护配合，加速切断故障，当手动合闸于故障线路时，重合闸亦能实现手动合闸后加速保护。

（三）自动按频率减负荷装置

电力系统中如某些机组或电源线路故障被切除，出现了功率缺额，系统频率下降，不仅影响电能质量，而且会给系统安全带来严重危害。为了提高供电质量，保证重要用户的供电需要，在系统中出现功率缺额而引起频率下降时，根据频率下降的程度，应自动切除一部分次要用户，制止频率下降。这种根据频率下降程度自动切除部分用户的装置，称为自动按频率减负荷装置，简称ZPJH装置。

实现自动按频率减负荷的基本原则：

（1）系统中应切除负荷数量的确定。在一个具体的电力系统中，ZPJH动作后切除多少负荷，应根据可能发生的最大功率缺额来考虑。如考虑系统中一台最大发电机突然事故停机，或系统中最大的发电厂突然全停，或者一条输送容量最大的输电线路突然事故断开等来考虑应切除的负荷数量。但所切除的负荷总数应小于最大功率缺额，因切除负荷以后并不要求频率恢复到额定，但所切除的负荷数也不能太少，原则是使频率恢复到保证系统能稳定运行，不致引起系统崩溃。

（2）自动按频率减负荷应分级进行。要保证可靠供电，应尽量少切负荷。因而所切负荷总数应根据频率下降程度分级切除，而且级数尽可能多一些。所切负荷，按重要程度的不同，依次分级。次要负荷在第一级，频率降低时首先切除，较为重要些的负荷放在第二级，在功率缺额较大，频率下降较多时，切除第二级，依此类推。

（3）第一级动作频率的确定。确定第一级减负荷频率，从两方面考虑：一方面，ZPJH应尽快动作，将第一级动作频率f1整定高些，后面各级动作频率也可以相应地高些，这样可使系统频率波动小些。另一方面，从用户来考虑，整定太高，动作频繁，对用户连续供电不利。第一级动作频率一般在48～48.5Hz之间，特殊情况下可为47.5Hz，以水轮发电机为主的系统取低值，因水轮机调速系统动作较慢。

（4）最后一级动作频率的确定。最后一级动作频率，由系统所允许的最低频率来确定。以高温、高压电厂为主的系统，一般所允许的最低频率来确定。以高温、高压电厂为主的系统，一般取46～46.5Hz，因为频率低于45Hz时，高温高压电厂的厂用电，已不能正常工作。对其他电力系统，取45Hz，因为当频率低于45Hz时，一般发电机的励磁系统已不能正常工作，不能维持稳定运行。

（5）ZPJH各级之间应配合工作，动作要有选择性。ZPJH装置各级之间动作的选择性，是前一级动作后，若频率还继续下降，后一级才动作。通过对每一级动作频率的合理整定，才能获得各级之间的动作选择性。

合理选择各级动作频率的级差，是保证选择性的关键。要考虑系统发生最大功率缺额时频率下降的速度、频率继电器的误差、ZPJH装置动作的延时等因素。一般级差取0.5～0.65Hz。

应当指出，有时为了尽量少切除负荷，级数相应增多，即使造成各级之间无选择动作，也常常被认为是可行的。

（6）恢复频率fhf的确定。ZPJH装置动作后，稳定频率的数值与切除负荷的多少有关。切除负荷愈多，恢复频率愈高。为了不过多地切除负荷，并不需要使频率恢复到额定值，通常恢复频率的下限为48Hz，上限为49.5Hz。频率达到恢复频率之后，进一步恢复工作由运行人员处理。

根据系统功率缺额及恢复频率的大小，可以算出需要切除负荷的总数。

（7）附加级。如果系统功率缺额较大，ZPJH装置各基本级动作之后，频率仍处于较低水平上，这时发电厂厂用电和系统的稳定运行都不利。为此，设置附加减负荷级（也称为特殊级），动作频率整定为47.5～48.5Hz。当其他基本级动作之后，系统频率稳定在此水平以下不再回升时，附加级动作，使频率回升到恢复频率。附加级带有足够延时，一般取15～25s，约为系统频率变化时间常数的2～3倍，防止频率在回升过程中即尚未稳定时附加级误动。

（四）备用电源自动投入装置

对于突然中断供电将会造成严重损失的重要用户，为了保证供电电源的安全可靠，除有工作电源供电之外，还有备用供电电源。

当工作电源因故障断开之后，或工作电源因某种原因失去电压之后，备用电源能自动快速地投入运行，将用户自动切换到备用电源上去，使用户不致因工作电源故障而停电。这种能使备用电源自动投入运行的装置叫做备用电源自动投入装置，简称BZT。

对BZT装置的基本要求是：

（1）只有在备用电源正常时，BZT装置能投入使用，当备用电源无电压时，BZT装置应自动闭锁，因这时BZT装置动作也无效果。

（2）在备用电源正常的情况下，由工作电源供电的母线因任何原因失去电压时（正常操作除外），BZT装置均应动作。

（3）在保证足够的去游离时间的情况下，BZT装置应使供电设备停电时间最短，使电动机自启动能顺利进行。

（4）BZT装置只应动作一次，以免在母线或引出线上发生永久性故障时，备用电源多次投放到故障点上，造成多次冲击。

（5）BZT装置应在工作电源确已断开后，再投入备用电源，主要保证故障点有足够的去游离时间；一般情况下，备用电源断路器的合闸时间，已足够保证故障点空气的去游离。

（6）高、低压BZT装置之间应相互配合。

（7）电压互感器一次或二次一相熔断器熔断时，BZT装置不应动作。

三、常用保护电器

（一）熔断器

熔断器有管式熔断器、插式熔断器、螺塞式熔断器、盒式熔断器、羊角熔断器等多种形式。管式熔断器有两种：一种是纤维材料管，由纤维材料分解大量气体灭弧；一种是陶瓷管，管内填充石英砂，由石英砂冷却和熄灭电弧。管式熔断器和螺塞式熔断器都是封闭式结构，电弧不容易与外界接触，适用范围较广。管式熔断器多用于大容量的线路，一般动力负荷大于60A或照明负荷大于100A者，应采用管式熔断器；螺塞式熔断器只用于小容量的线路。插式熔断器和盒式熔断器都是防护式结构，有瓷壳保护，常用于中、小容量的线路，后者主要用于照明线路。羊角熔断器是开启式结构，主要用于小容量线路的进户线上。

熔断器的熔体做成丝或片的形状。低熔点熔体由锑铜合金、锡铅合金、锌等材料制成；高熔点熔体由铜、银、铅制成。

保护特性（熔断特性或安秒特性）和分断能量是熔断器的主要技术参数。保护特性指流过溶体的电流与熔断时间的关系曲线。如图2-1所示，保护特性是反时限曲线，而且有一个临界电流If。在临界电流长时间的作用下，熔体能达到刚刚不熔断的稳定温度。熔体的额定电流必须小于其临界电流。临界电流与额定电流之比称为熔化系数。熔化系数越小，则过载保护的灵敏度越高。10A及以下熔体的熔化系数约为1.5；10A以上、30A及以下的约为1.4；30A以下的约为1.3。

分断能力是指熔断器在额定电压及一定的功率因数下切断短路电流的极限能力。因此，通常用极限分断电流表示分断能力。填料管式熔断器的分断能力较强。

选用熔断器时，应注意其防护形式满足生产环境的要求；其额定电压符合线路电压；其极限分断电流大于线路上可能出现的最大故障电流；其保护特性应与保护对象的过载特性相适应；在多级保护的场合，为了满足选择性的要求，上一级熔断器的熔断时间一般应大于下一级的3倍。为保护硅整流装置，应采用有限流作用的快速熔断器。

同一熔断器可以配用几种不同规格的熔体，但熔体的额定电流不得超过熔断器的额定电流。熔断器的熔体与触刀、触刀与刀座应保持接触良好、触头钳口应有足够的压力。在有爆炸危险的环境，不得装设电弧可能与周围介质接触的熔断器；一般环境也必须考虑防止电弧飞出的措施。应当在停电以后更换熔体；不能轻易改变熔体的规格；不得使用不明规格的熔体，更不准随意使用铜丝或铁丝代替保险丝。

有时为了改善熔断器的保护性能，对于起动时有冲击的负荷，采用两组并联的闸刀开关起动和控制。起动组熔断器的额定电流按起动电流选取；运行组熔断器和额定电流只需按正常负荷电流选取，可以取得小一些。

（二）热继电器

热继电器和热脱扣器也是利用电流的热效应制成的。热继电器主要由热元件、双金属片、扣板、拉力弹簧、绝缘拉板、触头等元件组成。负荷电流通过热元件，并使其发热。位于热元件近旁的双金属片被加热而变形。双金属片由两层热胀系数不一样的金属片冷压粘合而成，上层热胀系数小，下层热胀系数大，受热后向上弯曲。当双金属片向上弯曲到一定程度时，扣板失去约束，在拉力弹簧作用下迅速绕扣板轴逆时针转动，并带动绝缘拉板向右方移动而断开触头。

对于磁力起动器，热继电器的触头串联在吸引线圈回路中；对于减压起动器，热继电器的触头串联在失压脱扣器线圈回路中；而对于自动空气开关，热脱扣器直接把机械运动传递给开关的脱扣轴。这样，热继电器或热脱扣器的动作就能通过磁力起动器、减压起动器或自动空气开关断开线路。

同一热继电器或同一热脱扣器可以按照需要配用几种规格的热元件；每种热元件的动作电流还可在66%～100%的范围内调节。

热继电器和热脱扣器的热容量较大，动作不快，只宜用于过载保护，而不宜用于短路保护。为适应电动机过载特性的需要，热元件通过整定电流时，继电器或脱扣器不动作；通过1.2倍的整定电流时，动作时间不超过20min；通过1.5倍整定电流时，动作电流不超过2min。为适应电动机起动要求，热元件通过6倍整定电流时，动作时间应不超过5s。

热元件的额定电流原则上按电动机的额定电流选取；但对于过载能力较低的电动机，如果起动条件允许，可按其额定电流的60%～80%选取。

（三）电磁式继电器

电磁式过电流继电器（或脱扣器）是依靠电磁力的作用进行工作的，主要由线圈和铁芯组成。线圈串联在主线路上，当线路电流达到继电器（或脱扣器）的整定电流时，在电磁吸力的作用下，衔铁很快被吸合。衔铁运行或者带动触头实现控制（继电器），或者驱动脱扣器轴实现控制（脱扣器）。

交流过电流继电器的动作电流可在其额定电流110%～350%的范围内调节，直流的可在其额定电流70%～300%的范围内调节。

不带延时的电磁式过电流继电器（或脱扣器）的动作时间不超过0.1s，短延时的仅为0.1～0.4s。这两种都适用于短路保护。从人身安全的角度看，采用这种过电流保护电器有很大的优越性，因为它能大大缩短碰壳故障持续的时间，迅速消除触电的危险。

长延时的电磁式过电流继电器（或脱扣器）的动作时间都超过1s，而且具有反时限特性，适用于过载保护。

失压（欠压）脱扣器也是利用电磁力的作用进行工作的。所不同的是正常工作时衔铁处在闭合位置，而且吸引线圈在并联的线路上。当线路电压消失或降低至30%～65%时，磁铁被弹簧拉开，通过脱扣机构，减压起动器或自动空气开关断开电源。

选用电磁式继电器时，除应注意工作电流（电压）、吸合电源（电压）、释放电流（电压）、动作时间等参数符合要求外，还应注意其触头的分断能力、机械寿命和电气寿命、工作制等技术数据。

（四）剩余电流动作型保护装置

1.用途及分类

剩余电流动作型保护装置俗称触电保安器，用于低压电路中，作为防止人身触电和由于漏电引起的火灾、电气设备烧损以及爆炸事故的安全电器。主要功能是提供间接接触保护。漏电动作电流小于30mA的保护器，可以作为直接接触的补充保护，但不是惟一的保护。

电流型漏电开关按其动作原理可作如下分类：

电流型漏电开关按其动作时间分类，可分为：

（1）快速型：能在0.1s内动作。

（2）延时型：动作时间在0.1～2s以内。

（3）反时限型：通过额定动作电流时，动作时间超过0.2s，但在1s以内；通过的电流为额定动作电流的1.4倍时，动作时间超过0.1s但在0.5s以内；通过的电流为额定动作电流的4.4倍时，动作时间在0.05s以内。

电流型漏电开关按其动作灵敏度分类，可分为：

（1）高灵敏度型：额定动作电流在30mA以下。

（2）中灵敏度型：额定动作电流在30～100mA。

除上述各种类型的漏电开关外，还有冲击波不动作型漏电开关等。

2.漏电保护器的选择

根据不同的环境条件选择漏电保护器可参考表2-2。

（五）电气设备防误操作闭锁装置

防误闭锁装置是保证倒闸操作正确实施的重要措施之一。在电力系统中广泛应用防误闭锁装置，对防止电气误操作事故起到了很大的作用。防误闭锁装置应具备以下五防功能：

（1）防止误断、误合断路器。

（2）防止带负荷误拉、误推隔离开关。

（3）防止带地线或接地开关合闸。

（4）防止带电挂接地线或推接地开关。

（5）防止误入带电间隔。

目前电力系统使用的防误闭锁装置主要有：机械连锁式、电气连锁式、机械程序锁式、微机式等。

微机防误操作闭锁装置（电脑模拟盘）是专门为电力系统防止电气误操作事故而设计研制的，由电脑模拟盘、电脑钥匙、电编码开锁、机械编码锁几部分组成。可以检验及打印操作票，同时能对所有的一次设备强制闭锁。具有功能强、使用方便、安全简单、维护方便等优点。该装置以电脑模拟盘为核心设备，在主机内预先储存了所有设备的操作原则，模拟盘上所有的模拟元件都有一对触点与主机相连。当运行人员接通电源在模拟盘上预演、操作时，微机就根据预先储存好的规则对每一项操作进行判断，如操作正确则发出一声表示操作正确的声音信号；如操作错误，则通过显示器闪烁显示错误操作项的设备编号，并发出持续的报警声，直至将错误项复位为止。预演结束后，可通过打印机打印出操作票，通过模拟盘上的传输插座，还可将正确的操作内容输入到电脑钥匙中，然后运行人员就可拿着电脑钥匙到现场进行操作。操作时，运行人员依据电脑钥匙上显示的设备编号，将电脑钥匙插入相应的编码锁内，通过其探头检测操作的对象是否正确，若正确则闪烁显示被操作设备的编号，同时开放其闭锁回路或机构就可以进行倒闸操作了。操作结束后，电脑钥匙自动显示下一项操作内容。若跑错位置则不能开锁，同时电脑钥匙发出持续的报警声以提醒操作人员，从而达到强制闭锁的目的。

使用电脑模拟盘闭锁，最重要的是必须保证该模拟盘的正确性即和现场设备的实际位置完全一致，这样才能达到防误装置的要求。

微机式防误闭锁装置是目前最新型，最先进的一种防误装置，它主要是利用微型计算机（或单板机）加外围设备（如继电器、电磁锁等）来实现防误闭锁的。它的主要优点是使用灵活，功能齐全，同时还具有音响报警和数字显示功能，并能满足各种特殊操作的要求，特别是前几种闭锁装置所不能实现或不易实现的功能，它都能方便地实现。

目前我国电力系统使用的微机防误装置分无线式和有线式两种，无线式微机防误装置不需要电缆，易于安装，节省投资，适用于已投产运行的变电所中。有线式微机防误装置需要电缆，投资大，不易安装，但使用方便，可靠性高，适用于新建变电所。

1.基本工作原理

微机防误闭锁装置主要由变电所（或发电厂）一次系统智能模拟屏、控制器、微型计算机、电脑钥匙、电气编码锁、机械编码锁等设备构成。其中，电气编码锁安装在断路器的控制屏上。在电气上断开控制电源小母线＋KM和断路器控制开关KK的⑤、⑥端子的连线，并将电气编码锁的两个电极串联在断开处，用来对断路器的手动分、合闸进行闭锁，机械编码配合相关闭锁套件，可对隔离开关（或接地开关）的操作机构、网门、临时接地线等进行闭锁。

该装置以微型计算机为核心设备，在系统软件中预先编写了变电所（或发电厂）电气一次系统接线图和所有设备的操作原则，实际上是在微型计算机中形成了一个电脑专家系统，同时输入了所有带二次项目的操作票并由电脑专家系统整理、归纳、储存。

变电所运行值班人员在开始倒闸操作前，先打开防误闭锁装置电源，输入操作任务，然后在智能模拟屏上进行模拟操作。此时，微型计算机中的电脑专家系统自动的对每一项操作进行判断：若运行人员的操作正确，则提示操作正确；若运行人员的操作错误，则发出警告声并在显示器上显示错误操作项的设备编号、错误的原因，并提示正确的操作步骤。运行人员纠正后，继续操作，直至完全正确，操作完毕为止。模拟操作结束后，根据运行人员的正确操作步骤，微型计算机自动打印出一张含二次项目的完整操作票，并通过传送座将正确的操作内容、操作步骤输入到电脑钥匙中。然后运行人员就可以拿着电脑钥匙到现场，按打印出的操作票逐项操作了。

现场操作时，运行人员将电脑钥匙插入相应的编码锁内，此时电脑钥匙通过其探头自动检测操作对象是否正确：若正确，则发出两声音响，同时开放其闭锁回路或机构，这时就可以进行断路器操作或打开机构编码锁进行隔离开关等的操作；若操作对象错误，则不能开锁，同时电脑钥匙发出持续的报警声，以提醒操作人员，从而达到强制闭锁的目的。特别值得一提的是，这种装置的编码锁带有状态检测输入口，电脑钥匙在操作编码锁时，要识别操作设备的编码（由编码锁决定，其编码唯一），还要检测设备的状态（如出线不带电时才能操作线路接地开关，带电时则应闭锁接地开关），只有当这两个条件都满足时，编码锁才能被打开（开放操作机构或接通操作回路），设备才允许操作，当设备操作完毕，并重新闭锁好后，电脑钥匙才能从锁体上取下，进行下一步程序，操作人员才能进行下一步操作。因此，对操作人员操作漏项、走错间隔、一次设备拒动等情况，它都能可靠地实现防误闭锁。

2.性能特点

（1）防误功能。

1）模拟屏智能化。它可根据电脑专家系统对模拟操作提供指导，保证模拟操作的正确性，满足各种防误要求，并且不经模拟屏操作就不能在装有编码锁的设备上进行实际操作。

2）通过电脑专家系统对模拟操作的综合分析，可打印一份完全符合规定，满足操作要求的倒闸操作票。

3）电脑钥匙按顺序控制操作票的执行，保证操作票被逐项有序地实施操作。

4）编码锁结构简单，操作方便，且为固定式防走空程序型。

（2）闭锁方式。