保护继电·开断: 最近的继电器先动作

拖动故障电流，比较两台继电器

两条曲线是继电器的时间-电流特性：横轴是电流相对整定值的倍数 I/Is（对数刻度），纵轴是动作时间 t。下方金色曲线是离故障最近的下游继电器，上方蓝色曲线是上游后备继电器。在图上拖动增大故障电流，两个点一起下移，两台继电器都变快，但金色点始终在下方，所以近端继电器先动作。两点之间的时间差就是时间级差，正因为有这个差，最近的断路器才只切除故障区段。

电流越大越快：反时限

过电流继电器具有反时限特性：电流越大，动作时间越短。图中的曲线采用 IEC 标准反时限 t = TMS · k / ((I/Is)^α − 1)，取 k = 0.14、α = 0.02，因此对略超过整定值 Is 的过负荷要等 1 ~ 3 秒，而对达到 Is 20 倍的短路则在 0.2 ~ 0.5 秒内动作。这样做是为了让轻微过负荷能坚持片刻，只把危险的故障迅速切除；若每遇小扰动就立即跳闸，就会频繁发生不必要的停电。

选择性 · 近者先动

在多台继电器串联排列的线路上，越往上游，曲线整定得越高，使其越晚动作。图中后备继电器的 TMS 为 0.2，是近端继电器（0.1）的两倍，因此在任何电流下所需时间都恰好是两倍。于是即使看到同样的故障电流，下游继电器也先跳闸，只有当它的断路器拒动时，上游才在时间级差之后作为后备跳闸。不过时间差也随电流增大而缩小：默认的 8 倍时为 0.33 秒，20 倍时只剩 0.23 秒。由于配合要看最大故障电流下是否还留有 0.3 秒左右的裕度，若故障电流可能达到 20 倍，这组整定就需要再提高后备的 TMS。像这样只切除故障区段、让其余部分继续供电，就是选择性，也是 C5 中配电可靠性的基础。

继电器判断，断路器动手

继电器是测量电流和电压、判断是否发生故障的大脑，断路器则是接收信号、真正断开电路的手。断路器触头分开时，间隙中会产生电弧，真空、SF6 气体、油等灭弧介质使电弧冷却，在电流过 0 的瞬间将其熄灭。断路器本身在收到跳闸信号后几个周波、也就是几十毫秒内分闸，输电线路的主保护连同继电器判断在内，约 0.1 秒就能切除故障。像图中这样有意延时的过电流继电器，主要用于配电线路和后备保护，但这个延时也不能随意拉长，因为故障持续越久，大故障电流越会烧损设备，发电机也越可能失去同步，使整个系统振荡。

回到第一屏

故障电流增大时，两个点一起下移，动作时间都变短，但金色的近端继电器始终在蓝色后备继电器下方，也就是始终先动作。两者之间的时间级差也随之缩小，所以整定时要检查在最大故障电流下这个裕度是否仍然存在。正是这个时间差，让最近的断路器只切除故障区段，保住其余部分。D3 中求出的故障电流在这里成了驱动继电器的输入，于是 C5 中看到的“只有故障区段停电”真正得以实现。说到底，保护就是在正确的时刻打开正确的断路器。

到这里，我们走完了发电、输电、保护电力的路径，而这一切都以火电、水电、核电驱动的大型同步发电机为前提。最后的 E 部分正是这个前提改变的地方，下一单元（PW-E1）讨论光伏与风电的并网。逆变器把以直流或变频形式输出的新能源功率，按电网的频率和电压送入电网，而光照和风的间歇性以及转动惯量的不足，给稳定性带来了新的挑战。