保護(hù)繼電器是一種智能設(shè)備，它接收電流、電壓、電阻、溫度甚至光等輸入，將它們與設(shè)定點(diǎn)進(jìn)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(bào)以及關(guān)閉和打開電源。它們用于工業(yè)環(huán)境中的電機(jī)保護(hù)和接地故障保護(hù)。調(diào)節(jié)繼電器是一種特殊類別的保護(hù)繼電器，當(dāng)運(yùn)行參數(shù)偏離預(yù)設(shè)限值時(shí)會(huì)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(hù)繼電器，了解保護(hù)繼電器層如何用于保護(hù)輸配電網(wǎng)絡(luò)中的區(qū)域，然后回顧接地故障和弧閃保護(hù)繼電器的操作。

保護(hù)繼電器可以基于機(jī)電或固態(tài)繼電器技術(shù)。在低功率應(yīng)用中，機(jī)電設(shè)計(jì)大多已被固態(tài)設(shè)備取代。但機(jī)電繼電器繼續(xù)用于輸配電系統(tǒng)的大功率應(yīng)用?；谖⑻幚砥鞯谋Ｗo(hù)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(yán)重到足以使斷路器或保險(xiǎn)絲等傳統(tǒng)保護(hù)設(shè)備跳閘之前識(shí)別問題的早期階段。保護(hù)繼電器可以檢測出傳統(tǒng)保護(hù)裝置無法識(shí)別的故障原因，例如過電流、過電壓或溫度升高。并且一個(gè)保護(hù)繼電器可以提供多種輸出，（圖1）。

圖 1：保護(hù)繼電器可以設(shè)計(jì)為接受各種輸入并根據(jù)故障設(shè)置或閾值產(chǎn)生輸出。

在電氣工程中，特別是在輸配電網(wǎng)絡(luò)中，保護(hù)繼電器用于在檢測到故障時(shí)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(hù)。雖然基于微處理器的保護(hù)繼電器在整個(gè)公用事業(yè)行業(yè)越來越普遍，但在配電網(wǎng)絡(luò)中仍然可以找到許多機(jī)電保護(hù)繼電器（圖 2）。

圖 2：許多配電網(wǎng)絡(luò)中仍然使用機(jī)電保護(hù)繼電器（玻璃外殼）。

機(jī)電式保護(hù)繼電器的區(qū)別

傳統(tǒng)的機(jī)電式繼電器具有固定且相對較寬的操作閾值和時(shí)間。機(jī)電保護(hù)繼電器通過磁感應(yīng)或吸引力操作，并具有定義明確、可調(diào)和可選擇的時(shí)間和參數(shù)操作條目。為了實(shí)現(xiàn)這種改進(jìn)的性能，保護(hù)繼電器可以采用感應(yīng)盤陣列、磁鐵、線圈、相移網(wǎng)絡(luò)和其他技術(shù)。保護(hù)繼電器具有多種架構(gòu)。有些對電壓或電流等參數(shù)的簡單幅度做出響應(yīng)。感應(yīng)繼電器使用兩個(gè)勵(lì)磁線圈產(chǎn)生兩個(gè)參數(shù)的乘積，例如電流和電壓，并在功率水平過高時(shí)做出響應(yīng)?？梢允褂枚鄠€(gè)鎖來偏置繼電器，使用單獨(dú)的電路來控制其響應(yīng)的靈敏度。

一些保護(hù)繼電器在磁路中有一個(gè)永磁體，使繼電器能夠以不同于另一個(gè)方向的方式響應(yīng)一個(gè)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(jī)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(dòng)時(shí)保持閉合觸點(diǎn)，并在存在反向電流時(shí)打開觸點(diǎn)。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(hù)區(qū)

工業(yè)和公用事業(yè)系統(tǒng)中的保護(hù)繼電器可用于保護(hù)電力系統(tǒng)內(nèi)的區(qū)域。這些區(qū)域通常基于發(fā)電機(jī)、電動(dòng)機(jī)、變壓器、配電饋線和總線以及輸電線路等功能。當(dāng)使用保護(hù)繼電器時(shí)，整個(gè)系統(tǒng)被分成幾個(gè)部分以提供“保護(hù)區(qū)域”，這些區(qū)域定義了各個(gè)繼電器需要保護(hù)的系統(tǒng)邊界。

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

圖 3：多個(gè)保護(hù)區(qū)可用于工業(yè)設(shè)施以提供更高級(jí)別的保護(hù)。

接地故障繼電器

接地故障保護(hù)裝置有多種，包括漏電保護(hù)器（RCD）、漏電斷路器（ELCB）、接地故障設(shè)備保護(hù)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(hù)人員和設(shè)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(hù)人們。GFEP（包括接地故障繼電器）必須符合 UL 1053 并且專為設(shè)備保護(hù)而設(shè)計(jì)。GFCI 的靈敏度為 5 至 6 mA，如果用于保護(hù)變速電機(jī)驅(qū)動(dòng)器等設(shè)備，可能會(huì)導(dǎo)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(shè)計(jì)用于檢測低量級(jí)接地故障。當(dāng)電流大小和時(shí)間達(dá)到設(shè)定點(diǎn)時(shí)，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(jí)別接地故障，并且必須與可防止更高級(jí)別接地故障的保險(xiǎn)絲或斷路器配合使用。

低電平接地故障保護(hù)很重要，因?yàn)檫@些故障不會(huì)使斷路器跳閘或熔斷器熔斷，但會(huì)導(dǎo)致工廠和工業(yè)運(yùn)營中斷。接地故障會(huì)損壞設(shè)備或引起火災(zāi)。接地故障保護(hù)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(hù)是一項(xiàng)非常具體的活動(dòng)，其目的不是：

• 防止接地故障

• 保護(hù)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(gè)例子是將所有連接到電機(jī)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(huì)平衡，傳感器中不會(huì)感應(yīng)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(shè)定點(diǎn)，接地故障繼電器將打開，斷開電機(jī)。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(hù)繼電器

弧閃是短路電弧產(chǎn)生的光和熱。電弧閃光會(huì)對設(shè)備造成重大損壞、引發(fā)火災(zāi)或傷害附近人員。隨著溫度升高，電弧具有遞增的負(fù)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(dá)到近 20,000 °C?；￠W保護(hù)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(yán)重程度，弧閃繼電器可以將安裝的人員防護(hù)設(shè)備 (PPE) 等級(jí)從非常危險(xiǎn)的 4 級(jí)降低到更容易管理的 PPE 級(jí)別，需要不導(dǎo)電的橡膠衣服和其他預(yù)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(xué)傳感器更快地“看到”閃光?；￠W繼電器是基于微處理器的設(shè)備，可以在 125 微秒內(nèi)檢測到閃光的開始。一旦檢測到閃光，快速開關(guān)可以使 IGBT 在幾毫秒內(nèi)使斷路器跳閘，并在閃光變得太嚴(yán)重之前停止閃光（圖 4）。電弧閃光繼電器的快速響應(yīng)時(shí)間最大限度地減少了廣泛設(shè)備損壞的可能性，并保護(hù)了附近的人員。

圖 4：弧閃保護(hù)繼電器可以在幾毫秒內(nèi)響應(yīng)以熄滅建筑物電弧并保護(hù)設(shè)備和人員。

總結(jié)

保護(hù)繼電器用于保護(hù)設(shè)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(bào)和關(guān)閉電源等輸出。GFEP 是專為保護(hù)工業(yè)設(shè)備而設(shè)計(jì)的專用接地故障檢測設(shè)備。弧閃保護(hù)繼電器旨在降低安裝的 PPE 等級(jí)并為設(shè)備和人員提供保護(hù)。