什么是继电器?或更具体地说，什么是保护继电器?美国电气电子工程师学会(IEEE)将继电器定义为“可按照规定方式对不同输入情况做出响应，并且在满足特定条件时，在相关电气控制电路中引发接触动作或类似突变的电动装置。”注解还补充到：“输入量通常是电气量，但也可能是机械量、热量、其他量或是这些量的组合。限位开关或类似的简单设备都不是继电器。”
继电器的使用体现在家庭、通信、交通、商业、工业等诸多方面。只要用电，就有很高的概率使用继电器。采暖、空调、炉灶、洗碗机、洗衣机、烘干机、电梯、电话网络、交通控制、交通工具、自动化加工系统、机器人、太空活动以及许多其他应用都会用到继电器。
在本书中，我们主要探讨继电器的一种更有趣、更复杂的应用，即电力系统保护。IEEE将保护继电器定义为“一种继电器，其功能是检测线路、设备缺陷或其他异常或危险的电力系统条件，并采取适当的控制电路动作。”
熔断器也常用于保护系统中。IEEE将熔断器定义为“一种过电流保护装置，当过电流通过时，其断路熔体部分受热熔化并断开。”
因此，保护继电器及其相关设备均是装配精密的元件，具体由模拟器、独立固态元件、运算放大器和连接到电力系统以感测故障的数字微处理器等组成。它们常被简称为继电器和继电器系统，与熔断器一起，用于电力系统的各个部分，以检测极端情况以及最常见故障等。
继电保护简称继保，它不直接产生利润和收益，甚至在电力系统正常运行时不起作用，直到发生故障(异常或极端情况),它才会起作用。
所有电力系统的首要目标都是持续性地提供高水平的电力服务，并在极端情况发生时尽可能缩短停电时间。应当指出，生产实际中不可能完全避免自然事件、物理事故、设备故障或人为误操作所带来的后果，因此电能损耗、电压降落和过电压时有发生，从而导致意外连接、相间或相对地闪络等故障。
可能导致短路（故障）的自然事件包括：闪电（感应电压或置击）、风、冰、地震、火灾、爆炸、树木倒塌、飞行物体、动物的身体接触和污染。事故包括车辆撞杆或接触带电设备；人员意外接触带电设备；地下电缆挖断和人为原因故障等。为尽量减少事故发生，人们做出了大量努力，但要消除上述所有事故的诱因是不可能的。
图1.1是体现电力系统保护的必要性和重要性的典型事例。这 次 闪电发生在1984年7月31日的西雅图，当时该市正受到风暴袭击，而在往常，闪电在这里是非常罕见的。太平洋西北部等雷雨图表明，该地区每年雷暴日数只有5天或更少(西屋电气公司，1964)。在这场风暴中，虽然有12000户家庭停电，但当地公共设施既没有受到严重损害，也没有长时间断电。而这背后，正是防雷保护和大量继电器发挥了作用，最大程度地减少了故障的发生。
对电气设备进行良好的维修保养是预防故障及相关中断的重要措施。在农村和沿海地区，由诸如灰尘、农药、化肥喷雾以及盐等材料所造成的绝缘子污染可能导致闪络发生。一旦整个绝缘子发生闪络，电路必须断开以熄灭电弧。而闪络绝缘子一旦损坏，则会导致相关电路的永久性故障。在绝缘污染较严重的地区，可定期清洁绝缘子，去除污染，以避免达到绝缘子闪络的临界点。近年来，美国西北部分州的猛禽粪便造成了一些重要高压输电线路的绝缘子故障。鸟类所造成的绝缘污染也一直是佛罗里达州的一个严重问题。阻止或防止鸟类在绝缘子附近栖息的装置可以缓解这一问题。有效的树木修剪也是防止树木引起的相关故障的重要方法。在大风、冰暴和雪暴天气中，折断的树枝和倒塌的树木会导致许多线路停电。当输电线路穿过浓密树林时，由树木引起的线路故障问题特别明显。例如，2011年10月30日一场提前的湿降雪中，由于树木接触线路造成美国东北部的大量电力中断。树叶重力和沉重的积雪树枝上堆积导致树枝折断并砸到配电线路上。在宾夕法尼亚州东部的29个县，这场风暴共造成3000多起故障，每起故障平均存在5个树木压线问题。在上述区域中，超过170台12.47kV断路器闭锁。同时，输电线两旁空地的整棵树木倒塌砸向输电线路也是导致线路发生中断的原因之一。由于通往故障区域的道路常被厚重的积雪和倒下的树木所阻塞，即使维修人员尽全力赶到并实施维修，许多用户甚至城镇的断电时间都持续长达一周。树木也会给高压输电线路造成多种问题。生长在公用高压线路下的树木最有可能在电力传输高峰期间导致线路故障。此时，电力系统高度依赖其传输设施以保持正常运作。在高峰负荷期间，传输线往往过负荷，导致导线发热、膨胀、下垂，进而与线路下方生长的树木接触，而此时电力系统中任何一条线路退出运行都将造成严重的停电事故。这种与树相关的接触导致了20世纪90年代末美国西部大部分区域两次大规模的停电，也是2003年8月美国东北部大停电的罪魁祸首。本书第16章将更详细地描述这些停电事故。
在含架空线路的电力系统中，大多数故障是由于闪电引起的瞬态过电压或者倒下的树木及树枝引起的单相接地故障。在架空配电系统中，由风引起的瞬时树木接触是造成故障的另一主要原因。在严重的风暴中，冰、冻雪和风会导致多种故障和损害。这些故障分类及近似发生率如下所示：
在低电压电力系统中，以熔断器作为三相电路的保护装置更为普遍。保护电气设备不受开路条件下的不平衡电压或低电压破坏性影响是很重要的。
对于不同类型的故障，其发生几率可能差异较大，这主要取决于电力系统的类型(例如，架空线路或电缆线)和当地环境、天气条件。
在许多情况下，如果电路在故障后迅速中断，则这些故障引起的闪络不会导致永久性损坏。一种常见的做法是断开故障电路，允许电弧自然熄灭，然后再闭合电路。这增强了服务的连续性，因为只有短暂的中断和压降，通常中断时间大约只有几分之一秒至一两分钟，而无需几十分钟甚至几小时。
故障往往导致系统电气量发生显著变化，然而情况也并非总是如此。这些变化量包括过电流、过电压或欠电压、功率、功率因数或相位角、功率或电流方向、阻抗、频率、温度、物理运动、压力和污染。最常见的故障指征是电流突然显著增加，因此，人们广泛采用了过电流保护。
保护是有关继电器或熔断器设置的一门科学、技术和艺术，最大化电力系统对故障和不理想工况敏感度，避免其在任何允许或容忍条件下动作。本书的基本方法是定义可能存在的容忍和非容忍条件，并整定继电器或熔丝的动作条件。
当故障发生时，电力系统保护的决策时间窗很窄，因此复查验证或涉及额外时间的决策程序是不可取的。做到以下几点至关重要：①保护装置正确辨识系统不可忍受的故障；②保护装置动作迅速隔离故障区域，最大程度降低对系统的干扰。这个故障时间通常与能导致设备出现判断失误或者不正确操作的外来高强度噪声有关。
零操作和不当操作都可能会扰乱系统的正常运行，进而导致设备损坏、人员危害以及长期服务中断的发生，这些潜在的后果往往使保护工程师在制定保护规程时有些保守。现代数字继电器的优点之一是其可实现自我检查和监控，同时提供触发其动作的事件的完整信息。
应当指出，保护设备也可能发生故障。为了最大限度地减少可能因保护故障所导致的电力系统灾难性事故，实际中将使用若干继电器或继电器系统并联运行。这些继电器可设在同一位置(主备用),同一站点(近后备)或不同的远程站点(远后备)。在许多应用中，上述三种方式均有使用。在较高电压系统中，这一概念可以通过提供独立的电流和电压测量装置、断路器独立的跳闸线圈以及独立跳闸电源来进行扩展。
此外，各种保护装置必须有效协调，以使指定继电器系统在其指定保护区域首次出现故障信号时即可发挥作用。一旦保护装置失效，各种后备系统必须即刻动作，以消除故障。充分且高冗余的保护能力非常重要，但附加冗余保护装置对安全也可能带来不利影响。随着电力系统的广泛互联，不当操作的概率增加，应用继电保护时，应采用良好的判断以优化可靠性和安全性之间的平衡。最佳的平衡点会有所不同，这取决于每个应用场景的特点和目标。
