保护继电器是一种智能设备，它接收电流、电压、电阻、温度甚至光等输入，将它们与设定点进行比较，并提供诸如指示灯和/或字母数字显示器形式的视觉反馈、通信等输出、控制警告、警报以及关闭和打开电源。它们用于工业环境中的电机保护和接地故障保护。调节继电器是一种特殊类别的保护继电器，当运行参数偏离预设限值时会激活。

本常见问题解答对比了传统的电工继电器和固态保护继电器，了解保护继电器层如何用于保护输配电网络中的区域，然后回顾接地故障和弧闪保护继电器的操作。

保护继电器可以基于机电或固态继电器技术。在低功率应用中，机电设计大多已被固态设备取代。但机电继电器继续用于输配电系统的大功率应用。基于微处理器的保护继电器可以检测电压、电流、电阻或温度等参数的微小变化，这些变化可用于在问题严重到足以使断路器或保险丝等传统保护设备跳闸之前识别问题的早期阶段。保护继电器可以检测出传统保护装置无法识别的故障原因，例如过电流、过电压或温度升高。并且一个保护继电器可以提供多种输出，（图1）。

图 1：保护继电器可以设计为接受各种输入并根据故障设置或阈值产生输出。

在电气工程中，特别是在输配电网络中，保护继电器用于在检测到故障时使断路器跳闸。在这些系统中，需要针对过流、过压、反向功率流、过频和欠频等各种情况提供保护。虽然基于微处理器的保护继电器在整个公用事业行业越来越普遍，但在配电网络中仍然可以找到许多机电保护继电器（图 2）。

图 2：许多配电网络中仍然使用机电保护继电器（玻璃外壳）。

机电式保护继电器的区别

传统的机电式继电器具有固定且相对较宽的操作阈值和时间。机电保护继电器通过磁感应或吸引力操作，并具有定义明确、可调和可选择的时间和参数操作条目。为了实现这种改进的性能，保护继电器可以采用感应盘阵列、磁铁、线圈、相移网络和其他技术。保护继电器具有多种架构。有些对电压或电流等参数的简单幅度做出响应。感应继电器使用两个励磁线圈产生两个参数的乘积，例如电流和电压，并在功率水平过高时做出响应。可以使用多个锁来偏置继电器，使用单独的电路来控制其响应的灵敏度。

一些保护继电器在磁路中有一个永磁体，使继电器能够以不同于另一个方向的方式响应一个方向的电流。这些称为极化继电器，可用于直流电路以检测发电机中的反向电流。极化继电器可以是双稳态的，并在没有线圈电流流动时保持闭合触点，并在存在反向电流时打开触点。该原理可用于连接到交流电路中参考电压的极化绕组。

保护区

工业和公用事业系统中的保护继电器可用于保护电力系统内的区域。这些区域通常基于发电机、电动机、变压器、配电馈线和总线以及输电线路等功能。当使用保护继电器时，整个系统被分成几个部分以提供“保护区域”，这些区域定义了各个继电器需要保护的系统边界。

为了获得更高级别的保护，可以将区域定义为重叠，从而为关键设备提供多层保护。该架构具有一个初级保护继电器和一个或多个二级保护装置。重叠和备份保护可确保所有设备在发生多次故障时仍然受到保护。冗余保护继电器可以提供相同级别的保护，但需要更多的设备（图 3）。

图 3：多个保护区可用于工业设施以提供更高级别的保护。

接地故障继电器

接地故障保护装置有多种，包括漏电保护器（RCD）、漏电断路器（ELCB）、接地故障设备保护器（GFEP）和接地故障断路器（GFCI）；它们的主要功能是通过中断/断开有缺陷的电路来保护人员和设备免受接地故障的影响。

在美国，GFCI 必须符合 UL 943 并且旨在保护人们。GFEP（包括接地故障继电器）必须符合 UL 1053 并且专为设备保护而设计。GFCI 的灵敏度为 5 至 6 mA，如果用于保护变速电机驱动器等设备，可能会导致误跳闸。GFEP 具有 30 mA 或更高的灵敏度，并且可以防止误跳闸。GFEP 和接地故障继电器（或传感器）设计用于检测低量级接地故障。当电流大小和时间达到设定点时，控制系统打开继电器以断开电路。接地故障继电器可防止低级别接地故障，并且必须与可防止更高级别接地故障的保险丝或断路器配合使用。

低电平接地故障保护很重要，因为这些故障不会使断路器跳闸或熔断器熔断，但会导致工厂和工业运营中断。接地故障会损坏设备或引起火灾。接地故障保护用于水处理厂、泵送系统、海洋和采矿环境，以及工业厂房的冲洗区。接地故障保护是一项非常具体的活动，其目的不是：

• 防止接地故障

• 保护操作员免受电击

• 防止三相、相间或相间故障

接地故障检测的一个例子是将所有连接到电机的电缆穿过接地故障电流传感器的窗口。如果没有接地故障，所有电流都会平衡，传感器中不会感应出电流。不平衡电流表明存在接地故障。电流差将由电流传感器测量并放大以用于控制电路。如果电流超过接地故障电流设定点，接地故障继电器将打开，断开电机。在某些系统中，电流传感器直接连接到接地故障继电器。

弧闪保护继电器

弧闪是短路电弧产生的光和热。电弧闪光会对设备造成重大损坏、引发火灾或伤害附近人员。随着温度升高，电弧具有递增的负电阻。随着电弧变得更热，它的电阻下降，承载更多的电流。随着循环的继续，电弧闪光可以达到近 20,000 °C。弧闪保护继电器不能防止弧闪，但用于快速降低弧闪中的能量。

通过降低闪光的严重程度，弧闪继电器可以将安装的人员防护设备 (PPE) 等级从非常危险的 4 级降低到更容易管理的 PPE 级别，需要不导电的橡胶衣服和其他预防措施2.

电弧闪光继电器不是试图测量电流的增加，而是使用光学传感器更快地“看到”闪光。弧闪继电器是基于微处理器的设备，可以在 125 微秒内检测到闪光的开始。一旦检测到闪光，快速开关可以使 IGBT 在几毫秒内使断路器跳闸，并在闪光变得太严重之前停止闪光（图 4）。电弧闪光继电器的快速响应时间最大限度地减少了广泛设备损坏的可能性，并保护了附近的人员。

图 4：弧闪保护继电器可以在几毫秒内响应以熄灭建筑物电弧并保护设备和人员。

总结

保护继电器用于保护设备和操作员。它们使用电流、电压、电阻、温度甚至光等参数来确定不安全的操作条件，并提供控制警告、警报和关闭电源等输出。GFEP 是专为保护工业设备而设计的专用接地故障检测设备。弧闪保护继电器旨在降低安装的 PPE 等级并为设备和人员提供保护。

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