二次设计学堂 / 模块 04 · 继电保护
模块 04 · 核心系统设计

继电保护核心 · 深水区

保护是二次系统的"反射神经":故障发生几十毫秒内识别并叫断路器跳闸。本节以变压器保护为样板,讲清"主保护 / 后备保护 / 非电量保护"的层层防护,以及整定与配合的基本逻辑。

实景照片 电磁式过流继电器实景
实景:电磁式感应盘过流继电器(日立,1980s)——保护的"活化石",读懂它就能理解现代微机保护的来路。 照片来源:Wikimedia Commons · Darklanlan / CC BY 4.0

1 保护在干什么?

  • :故障后毫秒级动作,限制设备损坏与事故扩大;
  • :只跳故障设备(选择性),不误切健康部分;
  • :该动必动、不该动不动(可靠性 + 安全性)。
主保护 vs 后备保护主保护:对被保护区内的故障,无需时间配合、速动(如差动)。后备保护:主保护或断路器拒动时兜底(如过流),靠时间级差保证只跳最近断路器。两套叠加,万无一失。

2 变压器保护配置(以油浸式为例)

变压器保护配置与保护区划分
图:差动主保内部故障,REF 保中性点接地故障,过流作远后备,瓦斯作非电量补充

① 差动保护 87T(主保护·速动)

比较变压器各侧 CT 二次电流:正常/外部故障时两侧电流"平衡"(已补偿变比、相位、分接);内部故障(如匝间短路)则出现差流,立即跳闸。注意两点:

  • 谐波制动:合闸涌流含大量二次谐波,差动继电器用二次谐波制动区分"涌流"与"真故障",避免误动;
  • 比率制动:外部故障穿越电流大时提高动作门槛,防 CT 饱和误动。

② 限制接地故障保护 REF 64(高灵敏,亦写作 64R)

中性点附近发生接地故障时,差动灵敏度下降(故障电流小)。REF 比较中性点电流与相电流残差,对中性点区接地故障极其灵敏。英国工程多采用高阻抗(high-impedance)REF,配合 Class X 电流互感器(按拐点电压 Vk、励磁电流、绕组电阻整定);也可采用低阻抗 REF。通常可覆盖约 90% 绕组,与差动互补。此外还有 BEF(Balanced Earth Fault,平衡接地故障)SBEF(Standby Earth Fault,后备接地故障) 等配置,按绕组数与中性点接地方式选用。

③ 过流 / 接地 50/51(远后备)

作为下游和主保护的兜底,按IDMT 反时限或定时限配合,时限比相邻保护大一个级差(如 +0.3~0.5s)。

④ 非电量保护(瓦斯 / 温度 / 压力)

瓦斯继电器装在油枕联管上:轻微积气→报警,油流突涌(严重内部故障)→跳闸。温度/压力继电器保护绝缘与油箱。这些靠机械量动作,是电气保护的重要补充。

类比差动像"看前后门进出人数是否一致"(不一致=屋里出事);REF 像"专盯后门小偷";过流像"保安兜底";瓦斯像"闻烟识火"——多道防线,各管一段。
英国工程经验保护设备费用一般不宜超过变压器重置费用的 ~10% 这一经济性判据;小容量变压器(如 <10 MVA)常不配 REF,但业主或并网要求可能例外。具体保护配置须结合短路/配合研究(IEC 60255 / ENA 协调导则)确定。

3 保护配合(选择性从哪来)

两个相邻保护要"近的先跳、远的慢半拍"。实现手段:

  • 时间级差:离故障越近时限越短(如母线侧 0.3s,出线侧 1.0s);
  • 电流定值配合:下游定值小、上游定值大,故障优先由下游切除;
  • 逻辑配合:方向保护只响应特定方向故障。
设计动作整定计算不是拍脑袋:先由短路/潮流计算得到故障电流与最大/最小运行方式,再据IEC 60255与配合原则定动作值、时限、复位方式。模块 10 会实战演练。

4 冗余设计:A/B 双套保护

重要变压器(尤其 EHV)采用两套完全独立的主保护

A 组B 组
独立 CT 绕组独立 CT 绕组
独立直流电源独立直流电源
独立保护屏独立保护屏
独立电缆路由独立电缆路由

这样单一电气/机械/火灾故障不会让保护全失。断路器通常双跳闸线圈(但断路器本身不双重)。

提醒"检测到故障"只完成一半——跳闸回路必须真正把断路器拉开。所以 CT/VT 选型、直流供电、跳闸路径完整性(模块 03/05/06)和保护同样重要。

✍️ 主动回忆 · 自测

🧠 主动回忆 1
变压器差动保护(87T)用什么来区分"合闸涌流"和"真故障"?
A 提高动作电流定值
B 二次谐波制动(涌流富含二次谐波)
C 增加延时
D 断开中性点
解析:励磁涌流富含二次谐波,差动继电器以"二次谐波制动"识别涌流并闭锁,避免充电时误跳闸;真故障谐波含量低则正常动作。
🧠 主动回忆 2
REF(限制接地故障保护)主要弥补差动保护的哪点不足?
A 差动对外故障太灵敏
B 中性点附近接地故障时差动灵敏度不足
C 差动不能跳断路器
D 差动怕过负荷
解析:中性点附近接地故障电流小,差流可能达不到差动定值。REF 专门检测中性点区接地故障,灵敏度高。
🧠 主动回忆 3
后备保护(如过流 50/51)靠什么实现"只跳最近断路器"的选择性?
A 靠更大的动作电流
B 靠比相邻保护更大的时间级差(延时配合)
C 靠更快的速度
D 靠不同厂家
解析:后备保护速动性差于主保护,靠时间级差(如 +0.3~0.5s)让故障点最近的保护先动作;若它拒动,上游再延时跳开兜底。
本模块关键英文术语 (Key English terms)

Differential 87T 变压器差动 · REF 64R 限制接地故障 · Overcurrent 50/51 过流 · IDMT 反时限 · Harmonic restraint 谐波制动 · Ratio restraint 比率制动 · BEF/SBEF 平衡/后备接地 · Buchholz 瓦斯继电器 · Unit/Backup protection 主/后备保护 · Redundancy A/B 双套冗余

电气二次设计学堂 · 模块 04 · 依据 IEC 60255(BS EN 60255)、IEEE C37.91 等编制 · 仅供学习参考