置。显然，随着光纤通讯将在电力系统中的大量采用，利用光纤通道的继电保护必将得到 广泛的应用。 以上是维电保护原理的发展过程。与此同时、构成继电保护装置的元件、材料、保护 装置的结构型式和制造工艺也发生了巨大的变革。0年代以前的继电保护装凳都是由电磁 型、感应型或电动型继电器组成的。这些继电器都具有机械转动部件，统称为机电式继电 器，由这些继电器组成的继电保护装置称为机电式保护装置。机电式继电器所采用的元件、 材料、结构型式和制造T艺在近30余年来，经历了重大的改进，积累了丰富的运行经验， 工作比较可靠，因而目前仍是电力系统中应用很广的保护装置。但这种保护装置体积大， 消耗功率大、动作速度慢，机城转动部分和触点容易磨损或粘连，调试维护比较复杂。不 能满足超高压、大容量电力系统的要求 本世纪50年代，由于半导体品体管的发展，开始出现了晶体管式继电保护装置。这利 保护装咒体积小，功率消耗小，动作速度快，无机械转动部分，称为电子式静态保护装背 品体管保护装置易受电力系统中或外界的电磁下扰的影响而误动或损坏，当时其1作可靠 性低于机电式保护装置。但经过20余年长期的研究和实践，抗干扰问题从弹论上和实践 都得到了满意的解决，使晶体管继电保护装置的正确动作率达到了和机电式保护装置同样 的水平。7年代是品体管继电保护装置在我国大量采用的时期，满足了当时电力系统向超 高压、大容量方向发展的需要。 电子工业方面集成电路技术的发展，有可能将数十个或更多的品体管集成在个半导 体芯片上，从而出现了体积更小，工作更加可靠的集成运算放大器和其它集成电路元件这 促使静态继电保护装置向集成电路化方向发展。80年代后期，标志着静态继电保护从第 代（晶体管式）向第二代（集成电路式）的过渡。日前，集成电路继电保护装胃已取代品 体管继电保护装置，成为静态继电保护装置的主要形式。 在0年代末，有人提出用小型计算机实现继电保护的设想。因当时小型计算机价格品 贵、难以在实用上采用。但由此开始了对继电保护计算机算法的大量研究，对后来微型计 算机式继电保护（简称微机保护）的发展奠定了理论基础。随着微处理器技术的迅速发展 及其价格急下降，在70年代后半期。出现了比较完善的微机保护样机，并投入到电力系 统中试运行。80年代微机保护在硬件结构和软件技术方面已趋成熟，并已在一些国家推」 应用，这就是第三代的静态继电保护装置。微机保护具有巨大的计算、分析和逻辑判断能 力，有存储记忆功能，因而可用以实现任何性能完善且复杂的保护原理。微机保护可连续 不断地对本身的工作情况进行自检，其工作可靠性很高。此外，微机保护可用同一硬件实 现不同的保护原理，这使保护装置的制造大为简化，也容易实行保护装置的标准化。微机 保护除了保护功能外，还可兼有故障录波、故障测距、事件顺序记录、和调度计算机交换 信息等辅助功能，这对简化保护的调试、事故分析和事故后的处理等都有重大意义。由丁 微机保护装置的巨大优越性和潜力，因而受到运行人员的欢迎，进入90年代以来，在我妈 得到大量应用，将成为继电保护装置的主要型式。可以说微机保护代表着电力系统继电保 护的未来将战为未来电力系统保护、控制、运行调度及事故处理的统一计算机系统的组 成部分 8
第二章电网的电流保护和方向性电流保护 第一节单侧电源网络相间短路的电流保护 一、电磁型、晶体管型和集成电路型电流继电器 电流继电器是实现电流保护的基本元件，也是反应于一个电气量而动作的简单维电器 的典型。因此，将通过对它的分析来说明一般继电器的工作原理和主要特性。 1,电猫型过电流继吧落 电磁型过电流继电器的工作源理可用图2-1(）说明。在线图1中的电流i,产生磁通 中、它将通过由铁心、空气隙和可动舌片组成的磁路。舌片被磁化后，即与铁心的磁极产 生电磁吸力、企图吸引舌片向左转动，在它上面装有继电器的可动触点5，当电磁吸力足 够大时，即可吸动舌片并使触点接通、称为继电器“动作”。 电磁吸力与中？成正比。如果假定磁路的磁阳全部集中在空气隙中，设6表示气腺的长 度，则磁通就与1，成正比而与δ成反比。这样，由电磁吸力作用到舌片上的电磁转矩即可 表示为 M=K:o=K是 (21) 式中、K2一比例常数。 正常情况下，线圈中流入负荷电流，为保证跳电器不动作，可动舌片受弹簧7反作用 力的控制而保持在原始位置。此时弹簧产生的力矩M:1称为初拉力矩，对应此时的空气隙 长度为可。由于弹簧的张力与其伸长成正比，因此，当舌片向左移动而使6减小时，例如 由6减小到6.则由弹簧所产生的反抗力矩即可表示为 Ms=M1+K,(-) (2-2) 式中K一比例常数。 此外，在舌片转动的过程中，还必须克服由摩擦力所产生的摩擦转矩M。,其值 可认为是一个常数，不随石的改变而变化。因此，阻碍继电器动作的全部机核反抗转矩就 是M,+M 为使继电器起动并闭合其触点，就必须增大电流I,,以增大电磁转矩M。“。继电器能 够动作的条件是 M。e>M,h+Mm 2-3) 满足这个条件的，能使继电器动作的最小电流值，称为继电器的动作电流（习惯上又称为 起动电流)，以1：.表示，对应此时的电磁转矩，根据(2-1)式可表示为 Mi=K: 2 (2-4) 9
M二Ma M La) (b) 图2】电磁型电流继电器的原理结构和转矩曲线 （)原理结构图】一线图：2一铁心：3一京气隙，4一按项引的可动否片：5一可南触点：6周定 ()电转及反作用转矩好香片行程 的 养。电2一起动时的反作用转矩：3一 国时的反作用转带，4一返同时的电验转矩 图2-1(b)表示了当舌片由起始位臂（气除为d)转动到终端位置（气隙为d:)时， 电避转矩及机械反抗转矩与行程的关系曲线。当1：不变时，随着的减小、M:与其平 方倍成反比增加，按曲线1变化，而机械反抗转矩则按线性关系增加，如直线2所示、因 此在行程的末端将出现一个剩余转矩M,,它有利于保证继电器触点的可靠接触。 在继电器动作之后，为使它重新返回原位，就必须减小电流以减小电磁转矩，然后由 弹簧的反作用力把舌片拉回来。在这个过程中，摩擦力又起着阻碍返回的作用。因此继电 器能绪返回的条件是 Mdc<M-M (25) 对应这一电磁转矩、能使继电器返回原位的最大电流值称为继电器的返回电流，以14，表 示，代入(2-1)式，则得对应于此时的电磁转矩 M4=K,庆 62 (2-6) 在返回过程中，转矩与行程的关系如图3-2中的直线3和曲线4。 由以上分析可见，当1，<1。：，时，继电器根本不动作，而当1，>1：时，则继电器 能够突然迅速的动作，闭合其触点；在继电器动作以后，只当电流减小到<时，继 电器又能立即突然地返回原位，触点重新打开。无论起动和返回，继电器的动作都是明确 干脆的，它不可能停留在某一个中间位置，这种特性我们称之为“继电特性”。 返回电流与起动电流的比值称为继电器的返回系数，可表示为 K=了4d 1。. (2-7) 由于在行程末端存在剩余转矩以及摩擦转矩的影响，电磁型过电流继电器（以及·切过量 动作的继电器》的返回系数恒小于1。在实际应用中，常常要求过电流继电器有较高的返 10
回系数，如0.85一0.9。可以采用坚硬的轴承以减小摩擦转矩，改善磁路系统的结构以适当 减小剩余转矩等方法来提高返回系数。 图2-2示出的电网中实际使用的电流继电器的结构。因用Z形旋转舌片代替了转动衔 铁，由于舌片的Z形结构及磁极的特殊形状使得在6变化时，尤其是在62附近磁阻变化较小，因 此。这种继电器的剩余转矩较小，返回系数较高。 继电器起动电流的调整， 一般是利用改变线圈的师 数和弹簧的张力来实现。 2,品体管型对申流继电器 晶体管型过电流继电器的原理接线如图23(a)所 示，现对其各组成部分分析说明如下。 (1〉电形成回路的作用是用中间变流器LB将加 入继电器的电流转换成一个在电阻R,上的电压降U: 以便与电流互感器的“次回路相隔离，并取得晶体管回 路所需要的信号电压。当整流滤波回路以后的负载电阻 图22旋转舌片式电诚缕电 远大于R,时、Ui12R1。 (2)整流滤波回路由二极管D,~D:和型滤波器(C,、C、R:)组成，它将交流 输出电乐U1变成一个比较平滑的直流电压加于电位器R:上，从R,活动头取出的电压以 七表示，它与加入继电器的电流，成正比，比例系数可以调节。 电压彩成日路整流德被同路比较自路《单贷打回)带出 va 0R,0R,1R: 本 (a) 2-3晶体管过电流继电器 (a】惊理按伐图 《)触发特性南线 (3)比较回路由R4和稳压管W组成，在W两端给出了一个稳定的电压U6(一般取为 3V左右)，我们称之为比较电压或门槛电压。继电器是否动作，主要取决于上述U,和 的比较结果，当UR3>U时，由以下分析将可以看到，是继电器能够动作的条件。因此， 湖节：就可以调整继电器的起动电流。 (4)执行回路是一个由三极管T和T,组成的两级直流放大式单稳态触发器，T2集 电极输出电压U2的变化，即表示维电器的不同工作状态（起动与返回）。采用单稳态触 发器的目的，是为了使晶体管型继电器能具有和有触点继电器相类似的“继电特性”。下 11
面将结合电流继电器的特点来分析这种触发器的工作原理。 1)正常工作时1，<1a:,调节电位器R,使U3<U,因此，触发器输入端的“点 具有正电位，D承受反电压。【=0，输入信号问路对触发器的工作不产生影响，在这种 情况下.T1的基极电流11由两部分组成，即 11=11+12 28) 式中人一经偏流电阻风供给。约等于虎： 4一经反傻电阳R:供给，约等于R:十R。 E I 在11的作用下，T1处于饱和导通状态，其集电极电压U,=0.1~0,2V,此电压不足以使 T:号通，因此T2处于截止状态，由T,集电极输出的电压Uc?E1,对应于继电器的不动 作状态。 2)当山增大到1：，时，U开始大于门槛电压V,Q点电位即由正变为负.D,导 通，因此，T,的16：被输入信号回路所分流而开始减小，随着161的减小，T,开始由饱和 导通状态经放大区而向截止状态过渡，由于反馈电阻R,的存在，使这一过程进行得十分迅 速，因而具有触发器的特性。对应于此时加入继电器的电流值、就是继电器的起动电流。 触发器的翻转过程如下：当11减小后，T1进入放大区，Uc1开始升高。这就使T2基 极电流1：开始增大，T,随即由截北状态向放大区过渡，Uz随之下降。Uc2降低之后，经 R。供给的反馈电流12就要随之减小，这又将引起：的进一步减小，其关系示意如下 [1,>1:门1↓Uc1↑→16：↑-Uc:↓→13- 如此往复循环，最后使T1截止，T,导通，输出电Uc2.0伏，这对应于辚电器的动作 状念。 3)在动作之后再减小电流1，则U随之成正比地减小，口点电位回升，1减小。 1:增大，T,开始由截止区进入放大区，由于在这种情况下T,仍然是导通的、反馈电流 ≈0，因此1：只能由1，供给，此时继电器仍处于动作状态。必须继续减小，以使1，不 断减小.Uc1逐渐下降。当Uc降低到-定数值后，1o:开始减小，T,开始由饱和区 进入放大区，Uc:上升，12也随之增大。于是11增大，T1更趋于饱和。如此往复循 环.最后使T:和T,恢复原状，继电器返回，对应于此时加入继电器的电流，就是继电器 的返回电流。 4)继电器的触发特性曲线如图2-3（方）所示，图中1~2对应于正常工作情况：2 3对应于触发器的翻转过程3~4对应于起动之后电流继续增大的过程：3~对应 于起动之后电流继续减小的过程；。~6测对应于触发器的返回过程。 5)继电器的返回系数与电磁型继电器相同，也小于1，这是因为在正常情况下， 由和12组成.其值较大，T,工作在深度饱和区，此时必须有较大的输入信号电流， 继电器才能动作，因此1。：较大。在继电器动作之后，1？=0，因此在返回时，1， 12