保護繼電器是一種智能設備，它接收電流、電壓、電阻、溫度甚至光等輸入，將它們與設定點進行比較，并提供諸如指示燈和/或字母數(shù)字顯示器形式的視覺反饋、通信等輸出、控制警告、警報以及關閉和打開電源。它們用于工業(yè)環(huán)境中的電機保護和接地故障保護。調節(jié)繼電器是一種特殊類別的保護繼電器，當運行參數(shù)偏離預設限值時會激活。

本常見問題解答對比了傳統(tǒng)的電工繼電器和固態(tài)保護繼電器，了解保護繼電器層如何用于保護輸配電網絡中的區(qū)域，然后回顧接地故障和弧閃保護繼電器的操作。

保護繼電器可以基于機電或固態(tài)繼電器技術。在低功率應用中，機電設計大多已被固態(tài)設備取代。但機電繼電器繼續(xù)用于輸配電系統(tǒng)的大功率應用。基于微處理器的保護繼電器可以檢測電壓、電流、電阻或溫度等參數(shù)的微小變化，這些變化可用于在問題嚴重到足以使斷路器或保險絲等傳統(tǒng)保護設備跳閘之前識別問題的早期階段。保護繼電器可以檢測出傳統(tǒng)保護裝置無法識別的故障原因，例如過電流、過電壓或溫度升高。并且一個保護繼電器可以提供多種輸出，（圖1）。

圖 1：保護繼電器可以設計為接受各種輸入并根據(jù)故障設置或閾值產生輸出。

在電氣工程中，特別是在輸配電網絡中，保護繼電器用于在檢測到故障時使斷路器跳閘。在這些系統(tǒng)中，需要針對過流、過壓、反向功率流、過頻和欠頻等各種情況提供保護。雖然基于微處理器的保護繼電器在整個公用事業(yè)行業(yè)越來越普遍，但在配電網絡中仍然可以找到許多機電保護繼電器（圖 2）。

圖 2：許多配電網絡中仍然使用機電保護繼電器（玻璃外殼）。

機電式保護繼電器的區(qū)別

傳統(tǒng)的機電式繼電器具有固定且相對較寬的操作閾值和時間。機電保護繼電器通過磁感應或吸引力操作，并具有定義明確、可調和可選擇的時間和參數(shù)操作條目。為了實現(xiàn)這種改進的性能，保護繼電器可以采用感應盤陣列、磁鐵、線圈、相移網絡和其他技術。保護繼電器具有多種架構。有些對電壓或電流等參數(shù)的簡單幅度做出響應。感應繼電器使用兩個勵磁線圈產生兩個參數(shù)的乘積，例如電流和電壓，并在功率水平過高時做出響應?？梢允褂枚鄠€鎖來偏置繼電器，使用單獨的電路來控制其響應的靈敏度。

一些保護繼電器在磁路中有一個永磁體，使繼電器能夠以不同于另一個方向的方式響應一個方向的電流。這些稱為極化繼電器，可用于直流電路以檢測發(fā)電機中的反向電流。極化繼電器可以是雙穩(wěn)態(tài)的，并在沒有線圈電流流動時保持閉合觸點，并在存在反向電流時打開觸點。該原理可用于連接到交流電路中參考電壓的極化繞組。

保護區(qū)

工業(yè)和公用事業(yè)系統(tǒng)中的保護繼電器可用于保護電力系統(tǒng)內的區(qū)域。這些區(qū)域通常基于發(fā)電機、電動機、變壓器、配電饋線和總線以及輸電線路等功能。當使用保護繼電器時，整個系統(tǒng)被分成幾個部分以提供“保護區(qū)域”，這些區(qū)域定義了各個繼電器需要保護的系統(tǒng)邊界。

為了獲得更高級別的保護，可以將區(qū)域定義為重疊，從而為關鍵設備提供多層保護。該架構具有一個初級保護繼電器和一個或多個二級保護裝置。重疊和備份保護可確保所有設備在發(fā)生多次故障時仍然受到保護。冗余保護繼電器可以提供相同級別的保護，但需要更多的設備（圖 3）。

圖 3：多個保護區(qū)可用于工業(yè)設施以提供更高級別的保護。

接地故障繼電器

接地故障保護裝置有多種，包括漏電保護器（RCD）、漏電斷路器（ELCB）、接地故障設備保護器（GFEP）和接地故障斷路器（GFCI）；它們的主要功能是通過中斷/斷開有缺陷的電路來保護人員和設備免受接地故障的影響。

在美國，GFCI 必須符合 UL 943 并且旨在保護人們。GFEP（包括接地故障繼電器）必須符合 UL 1053 并且專為設備保護而設計。GFCI 的靈敏度為 5 至 6 mA，如果用于保護變速電機驅動器等設備，可能會導致誤跳閘。GFEP 具有 30 mA 或更高的靈敏度，并且可以防止誤跳閘。GFEP 和接地故障繼電器（或傳感器）設計用于檢測低量級接地故障。當電流大小和時間達到設定點時，控制系統(tǒng)打開繼電器以斷開電路。接地故障繼電器可防止低級別接地故障，并且必須與可防止更高級別接地故障的保險絲或斷路器配合使用。

低電平接地故障保護很重要，因為這些故障不會使斷路器跳閘或熔斷器熔斷，但會導致工廠和工業(yè)運營中斷。接地故障會損壞設備或引起火災。接地故障保護用于水處理廠、泵送系統(tǒng)、海洋和采礦環(huán)境，以及工業(yè)廠房的沖洗區(qū)。接地故障保護是一項非常具體的活動，其目的不是：

• 防止接地故障

• 保護操作員免受電擊

• 防止三相、相間或相間故障

接地故障檢測的一個例子是將所有連接到電機的電纜穿過接地故障電流傳感器的窗口。如果沒有接地故障，所有電流都會平衡，傳感器中不會感應出電流。不平衡電流表明存在接地故障。電流差將由電流傳感器測量并放大以用于控制電路。如果電流超過接地故障電流設定點，接地故障繼電器將打開，斷開電機。在某些系統(tǒng)中，電流傳感器直接連接到接地故障繼電器。

弧閃保護繼電器

弧閃是短路電弧產生的光和熱。電弧閃光會對設備造成重大損壞、引發(fā)火災或傷害附近人員。隨著溫度升高，電弧具有遞增的負電阻。隨著電弧變得更熱，它的電阻下降，承載更多的電流。隨著循環(huán)的繼續(xù)，電弧閃光可以達到近 20,000 °C?；￠W保護繼電器不能防止弧閃，但用于快速降低弧閃中的能量。

通過降低閃光的嚴重程度，弧閃繼電器可以將安裝的人員防護設備 (PPE) 等級從非常危險的 4 級降低到更容易管理的 PPE 級別，需要不導電的橡膠衣服和其他預防措施2.

電弧閃光繼電器不是試圖測量電流的增加，而是使用光學傳感器更快地“看到”閃光?；￠W繼電器是基于微處理器的設備，可以在 125 微秒內檢測到閃光的開始。一旦檢測到閃光，快速開關可以使 IGBT 在幾毫秒內使斷路器跳閘，并在閃光變得太嚴重之前停止閃光（圖 4）。電弧閃光繼電器的快速響應時間最大限度地減少了廣泛設備損壞的可能性，并保護了附近的人員。

圖 4：弧閃保護繼電器可以在幾毫秒內響應以熄滅建筑物電弧并保護設備和人員。

總結

保護繼電器用于保護設備和操作員。它們使用電流、電壓、電阻、溫度甚至光等參數(shù)來確定不安全的操作條件，并提供控制警告、警報和關閉電源等輸出。GFEP 是專為保護工業(yè)設備而設計的專用接地故障檢測設備?；￠W保護繼電器旨在降低安裝的 PPE 等級并為設備和人員提供保護。