任务描述

在城市轨道交通供电系统中，配电变压器将中压35 kV电源转变为380 V，为低压设备供电。配电变压器已广泛应用于电力系统配电网络中，但城市轨道交通的配电系统负荷和其他民用或者工业负荷相比存在一定的差异。能够结合所学知识分析城市轨道供电系统有哪些地方需要进行保护及如何保护。

任务分析

城市轨道交通是一个重要的用电部门，按规定必须由两路独立的电源供电，当其中任何一路电源发生故障时，另一路应能保证一级负荷的全部用电需要。因此，城市轨道牵引变电所的电源进线来自两个区域变电所或来自一个区域变电所的两路独立电源，当一路电源失压时，另一路电源自动切入，使轨道交通系统能获得不间断的电源。掌握供配电系统保护装置的作用，能够分析各系统的组成及作用。

知识学习

在电力系统中的每个元件上装设一种有效的装置，当电气元件发生故障或不正常运行状态时，该装置是对电力系统中发生的故障或异常情况进行检测，从而发出报警信号，或直接将故障部分隔离、切除的一种重要措施，它可以大大减少事故发生的概率。在电力系统中起这种作用的装置称为继电保护装置。

6.1.1 继电保护的任务

继电保护技术是一个完整的体系，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、继电保护运行与维护等技术构成，而完成继电保护功能的核心是继电保护装置。

继电保护装置是指安装在电力系统各电气元件上，能在指定的保护区域内迅速地、准确地反映电力系统中各电气元件的故障或不正常工作状态，并作用于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务如下：

（1）能自动地、迅速地、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，保证无故障元件能继续正常运行，并使故障元件免于继续遭到破坏。

（2）对电气元件的异常工作状态发出报警信号，提醒工作人员及时采取措施，或自动地进行调整和消除。反映不正常工作状态的继电保护装置，一般不需要立即动作，允许带一定的延时。

（3）继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性。

由此可见，继电保护装置在电力系统中的主要作用是：在电力系统范围内，按指定保护区实时地检测各种故障和不正常运行状态，及时地采取故障隔离或警告等措施，力求最大限度地保证向用户安全连续供电。在现代的电力系统中，继电保护装置需要根据系统的运行状态，制定最佳的保护方案，从而降低系统故障率，达到长期可靠运行的目的。

6.1.2 继电保护的基本要求

继电保护装置为了完成任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求；而对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求可以降低。

1.选择性

选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

2.速动性

速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

一般必须快速切除的故障有：

（1）使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值（一般为0.7倍额定电压）。

（2）大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。

（3）中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。

（4）可能危及人身安全、对通信系统造成强烈干扰的故障。

故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为0.04～0.08 s，最快的可达0.01～0.04 s，一般断路器的跳闸时间为0.06～0.15 s，最快的可达0.02～0.06 s。

对于反映不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。

3.灵敏性

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。保护装置的灵敏性是用灵敏系数KS来衡量，灵敏度越高，反映故障的能力越强。灵敏度系数按下式计算：

GB/T 14285—2016《继电保护与安全自动装置技术规程》对各类保护的灵敏系数的要求都做了具体的规定，一般要求灵敏系数在1.2～2。

4.可靠性(www.daowen.com)

可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。安全性：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。

为保证继电保护装置的可靠性，一般来说，宜选用尽可能简单的保护方式，应采用由可靠的元件和简单的接线构成的性能良好的继电保护装置，并应采用必要的检测、闭锁、报警等措施，以便于整定、调试、运行和维护。

6.1.3 继电保护的分类

继电保护可按以下四种方式分类。

1.按被保护对象分类

有输电线保护和主设备保护，如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护。

2.按保护功能分类

有短路故障保护和异常运行保护。短路故障保护又可分为主保护、后备保护和辅助保护；异常运行保护又可分为过负荷保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。

3.按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类

有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反映的是将模拟量经过采样和模/数转换后的离散数字量，这是数字式保护。

4.按保护动作原理分类

有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、纵联保护、瓦斯保护等。

6.1.4 继电保护的基本工作原理

继电保护装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状态还是发生了故障，是保护区内故障还是保护区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。当供配电系统发生故障时，会引起电流增大、电压降低、电压和电流间相位角改变等。因此，利用上述物理量故障时与正常时的差别，可构成各种不同工作原理的继电保护装置，如电流保护、电压保护、方向保护、距离保护和差动保护等。

继电保护的种类很多，但是其工作原理基本相同，主要由测量比较单元、逻辑判断单元和执行输出单元三部分组成，如图6-1所示。

图6-1　继电保护的工作原理

1.测量比较单元

测量比较单元是测量通过被保护装置中电气元件的某物理量和保护装置的整定值进行比较，判断被保护设备是否发生故障，保护装置是否应该启动。常用的测量比较元件有过电流继电器、低电压继电器、差动继电器和阻抗继电器等。

2.逻辑判断单元

逻辑判断单元根据测量比较单元输出量的大小、性质、出现的顺序等，按一定逻辑关系判定故障的类型和范围，确定是否应该使断路器跳闸、发出信号或是否动作及是否延时等，并将对应的指令传给执行输出单元。

3.执行输出单元

执行输出单元根据逻辑判断单元的输出信号驱动保护装置动作，使断路器跳闸或发出报警信号或不动作。

6.1.5 继电保护技术的发展

19世纪的最后25年里，作为最早的继电保护装置熔断器已开始应用。随着电力系统的发展，电网结构日趋复杂，短路容量不断增大，到20世纪初期产生了作用于断路器的电磁型继电保护装置。虽然在1928年电子器件已开始被应用于保护装置，但电子型静态继电器的大量推广和生产，只是在20世纪50年代晶体管和其他固态元器件迅速发展之后才得以实现。静态继电器有较高的灵敏度和动作速度、维护简单、寿命长、体积小、消耗功率小等优点，但较易受环境温度和外界干扰的影响。1965年出现了应用计算机的数字式继电保护。大规模集成电路技术的飞速发展，微处理机和微型计算机的普遍应用，极大地推动了数字式继电保护技术的开发，目前微机数字保护正处于日新月异的研究试验阶段，并已有少量装置正式运行。

20世纪初随着电力系统的发展，继电器开始广泛应用于电力系统的保护，这时期是继电保护技术发展的开端。最早的继电保护装置是熔断器。从20世纪50年代到90年代末，继电保护完成了发展的4个阶段，即从电磁式保护装置→晶体管式继电保护装置→集成电路继电保护装置→微机继电保护装置。

微机保护经过近20年的应用、研究和发展，已经在电力系统中取得了巨大的成功，并积累了丰富的运行经验，产生了显著的经济效益，大大提高了电力系统运行管理水平。近年来，随着计算机技术的飞速发展以及计算机在电力系统继电保护领域中的普遍应用，新的控制原理和方法被不断应用于计算机继电保护中，以期取得更好的效果，从而使微机继电保护的研究向更高的层次发展，继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

任务检查

按表6-1对任务完成情况进行检查记录。

表6-1　任务完成情况检查记录表