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电力系统继电保护课后习题解析(二版)


电力系统继电保护课后习题答案
1 绪论
1.1 电力系统如果没有配备完善的继电保护系统,想象一下会出现什么情 景?
答:现代的电力系统离开完善的继电保护系统是不能运行的。当电力系统 发生故障时,电源至故障点之间的电力设备中将流过很大的短路电流,若 没有完善的继电保护系统将故障快速切除,则会引起故障元件和流过故障 电流的其他电气设备的损坏;当电力系统发生故障时,发电机端电压降低 造成发电机的输入机械功率和输出电磁功率的不平衡,可能引起电力系统 稳定性的破坏,甚至引起电网的崩溃、造成人身伤亡。如果电力系统没有 配备完善的继电保护系统,则当电力系统出现不正常运行时,不能及时地 发出信号通知值班人员进行合理的处理。
1.2 继电保护装置在电力系统中所起的作用是什么?
答:继电保护装置就是指能反应电力系统中设备发生故障或不正常运行状 态,并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置.它的作用包括:1.电 力系统正常运行时不动作。2.电力系统部正常运行时发报警信号,通知值 班人员处理,使电力系统尽快恢复正常运行。3.电力系统故障时,甄别出发 生故障的电力设备,并向故障点与电源点之间、最靠近故障点断路器发出 跳闸指令,将故障部分与电网的其他部分隔离。
1.3 继电保护装置通过哪些主要环节完成预定的保护功能,各环节的作用是 什么?
答:继电保护装置一般通过测量比较、逻辑判断和执行输出三个部分完成 预定的保护功能。测量比较环节是册来那个被保护电器元件的物理参量, 并与给定的值进行比较,根据比较的结果,给出“是”、“非”、“0” 或“1”性质的一组逻辑信号,从而判别保护装置是否应该启动。逻辑判 断环节是根据测量环节输出的逻辑信号,使保护装置按一定的逻辑关系判 定故障的类型和范围,最后确定是否应该使断路器跳闸。执行输出环节是 根据逻辑部分传来的指令,发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信 息、发出警报或不动作。
1.4 依据电力元件正常工作、不正常工作和短路状态下的电气量复制差 异,已经构成哪些原理的保护,这些保护单靠保护整定值能求出保护范围 内任意点的故障吗?

答:利用流过被保护元件电流幅值的增大,构成了过电流保护。利用短路 时电压幅值的降低,构成了低电压保护;利用电压幅值的异常升高,构成 了过电压保护;利用测量阻抗的降低和阻抗角的变大,构成了低阻抗保 护。
单靠保护增大值不能切除保护范围内任意点的故障,因为当故障发生在本 线路末端与下级线路的首端出口时,本线路首端的电气量差别不大。所 以,为了保证本线路短路时能快速切除而下级线路短路时不动作,这种单 靠整定值得保护只能保护线路的一部分。
1.5 依据电力元件两端电气量在正常工作和短路状态下的差异,可以构成 哪些原理的保护?
答:利用电力元件两端电流的差别,可以构成电流差动保护;利用电力元 件两端电流相位的差别可以构成电流相位差动保护;利两侧功率方向的差 别,可以构成纵联方向比较式保护;利用两侧测量阻抗的大小和方向的差 别,可以构成纵联距离保护。
1.6 如图 1-1 所示,线路上装设两组电流互感器,线路保护和母线保护应 各接哪组互感器?
答:线路保护应接 TA1,母线保护应接 TA2。因为母线保护和线路保护的 保护区必须重叠,使得任意点的故障都处于保护区内。

母线

线路

TA1

TA2

图 1-1 电流互感器选用示意图
1.7 结合电力系统分析课程的知识,说明加快继电保护的动作时间,为什 么可以提高电力系统的稳定性?
答:由电力系统分析知识可知,故障发生时发电机输出的电磁功率减小二 机械功率基本不变,从而使发电机产生加速的不平衡功率。继电保护的动 作时间越快,发电机加速时间越短,功率角摆开幅度就越小,月有利于系 统的稳定。
由分析暂态稳定性的等面积理论可知,继电保护的动作速度越快,故 障持续的时间就越短,发电机的加速面积就约小,减速面积就越大,发电 机失去稳定性的可能性就越小,即稳定性得到了提高。
1.8 后备保护的作用是什么?阐述远后备保护和近后备保护的优缺点。

答:后备保护的作用是在主保护因保护装置拒动、保护回路中的其他环节 损坏、断路器拒动等原因不能快速切除故障的情况下,迅速启动来切除故 障。
远后备保护的优点是:保护范围覆盖所有下级电力元件的主保护范 围,它能解决远后备保护范围内所有故障元件由任何原因造成的不能切除 问题。
远后备保护的缺点是:<1)当多个电源向该电力元件供电时,需要在 所有的电源侧的上级元件处配置远后备保护;<2)动作将切除所有上级电 源测的断路器,造成事故扩大;<3)在高压电网中难以满足灵敏度的要 求。
近后备保护的优点是:<1)与主保护安装在同一断路器处,在主保护拒动 时近后备保护动作;<2)动作时只能切除主保护要跳开的断路器,不造成 事故的扩大;<3)在高压电网中能满足灵敏度的要求。
近后备保护的缺点是:变电所直流系统故障时可能与主保护同时失去 作用,无法起到“后备”的作用;断路器失灵时无法切除故障,不能起到 保护作用。
1.9 从对继电器的“四性“要求及其间的矛盾,阐述继电保护工作即是理 论性很强,又是项目实践性很强的工作。
答:继电保护的可靠性、选择性、速动性和灵敏性四项要求之间即矛盾又 统一。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的大部分工作也是围绕如 何处理好这四者的辩证统一关系进行的。
电力系统继电保护即是一门理论性很强,又是项目实践性很强的学 科。首先继电保护工作者要掌握电力系统、电气设备的基本原理、运行特 性和分析方法,特别要掌握电力系统故障时的电气量变化的规律和分析方 法,通过寻求电力系统的不同运行状态下电气量变化的特点和差异来“甄 别“故障或不正常状态的原理和方法,应用不同的原理和判据实现继电保 护的基本方法,所以需要很强的理论性。
因为被保护的电力系统及其相关的电气设备千差万别,故障时电气量 的变化受多种因素的影响和制约,因此任何一种继电保护原理或装置都不 可能不加调整地应用于不同的电气设备或系统,而应根据实际项目中设 备、系统的现状与参数,对其继电保护做出必要的调整。相同原理的保护 装置在应用于电力系统不同位置的元件上时,可能有不同的配置和配合; 相同的电力元件在电力系统不同位置安装时,可能配置不同的继电保护, 这些均需要根据电力系统的项目实际,具体问题具体分析,所以继电保护 又具有很强的项目实践性。

2 电流的电网保护
2.1 在过量<欠量)继电器中,为什么要求其动作特性满足“继电特性”? 若不满足,当加入继电器的电量在动作值附近时将可能出现什么情况?
答:过量继电器的继电特性类似于电子电路中的“施密特特性“,如图 21 所示。当加入继电器的动作电量<图中的 Ik )大于其设定的动作值<图中 的 Iop )时,继电器能够突然动作;继电器一旦动作以后,即是输入的电气 量减小至稍小于其动作值,继电器也不会返回,只有当加入继电器的电气 量小于其设定的返回值<图中的 Ire )以后它才突然返回。无论启动还是返 回,继电器的动作都是明确干脆的,它不可能停留在某一个中间位置,这 种特性称为“继电特性”。
为了保证继电器可靠工作,其动作特性必须满足继电特性,否则当加 入继电器的电气量在动作值附近波动时,继电器将不停地在动作和返回两 个状态之间切换,出现“抖动“现象,后续的电路将无法正常工作。

1

E0

6

2

5

3

4

E

1

I re

Iop

Ik

2.2 请列举说明为实现“继电特性”,电磁型、集成电路性、数字型继电 器常分别采用那些技术?

答:在过量动作的电磁型继电器中,继电器的动作条件是电磁力矩大于弹 簧的反拉力矩与摩擦力矩之和,当电磁力矩刚刚达到动作条件时,继电器 的可动衔铁开始转动,磁路气隙减小,在外加电流<或电压)不变的情况 下,电磁力矩随气隙的减小而按平方关系增加,弹簧的反拉力矩随气隙的 减小而线性增加,在整个动作过程中总的剩余力矩为正值,衔铁加速转 动,直至衔铁完全吸合,所以动作过程干脆利落。继电器的返回过程与之 相反,返回的条件变为在闭合位置时弹簧的反拉力矩大于电磁力矩与摩擦 力矩之和。当电磁力矩减小到启动返回时,因为这时摩擦力矩反向,返回 的过程中,电磁力矩按平方关系减小,弹簧力矩按线性关系减小,产生一 个返回方向的剩余力矩,因此能够加速返回,即返回的过程也是干脆利落 的。所以返回值一定小于动作值,继电器有一个小于 1 的返回系数。这样 就获得了“继电特性”。

在集成电路型继电器中,“继电特性”的获得是靠施密特触发器实现 的,施密特触发器的特性,就是继电特性。
在数字型继电器中,“继电特性”的获得是靠分别设定动作值和返回 值两个不同的整定值而实现的。
2.3 解释“动作电流”和“返回系数”,过电流继电器的返回系数过低或 高各有何缺点?
答:在过电流继电器中,为使继电器启动并闭合其触点,就必须增大通过 继电器线圈的电流 Ik ,以增大电磁转矩,能使继电器动作的最小电流称之 为动作电流 Iop 。
在继电器动作之后,为使它重新返回原位,就必须减小电流以减小电 磁力矩,能使继电器返回原位的最大电流称之为继电器的返回电流 Ire 。
过电流继电器返回系数过小时,在相同的动作电流下起返回值较小。 一旦动作以后要使继电器返回,过电流继电器的电流就必须小于返回电 流,真阳在外故障切除后负荷电流的作用下继电器可能不会返回,最终导 致误动跳闸;而返回系数过高时,动作电流恶和返回电流很接近,不能保 证可靠动作,输入电流正好在动作值附近时,可能回出现“抖动”现象, 使后续电路无法正常工作。
继电器的动作电流、返回电流和返回系数都可能根据要求进行设定。
2.4 在电流保护的整定计算中,为什么要引入可靠系数,其值考虑哪些因 素后确定?
答:引入可靠系数的原因是必须考虑实际存在的各种误差的影响,例如:
<1)实际的短路电流可能大于计算值;
<2)对瞬时动作的保护还应考虑短路电流中非周期分量使总电流增大的影 响;
<3)电流互感器存在误差;
<4)保护装置中的短路继电器的实际启动电流可能小于整定值。
考虑必要的裕度,从最不利的情况出发,即使同时存在着以上几个因素的 影响,也能保证在预定的保护范围以外故障时,保护装置不误动作,因而 必须乘以大于 1 的可靠系数。
2.5 说明电流速断、限时电流速断联合工作时,依靠什么环节保证保护动 作的选择性?依靠什么环节保证保护动作的灵敏度性和速动性?

答:电流速断保护的动作电流必须按照躲开本线路末端的最大短路电流来 整定,即考电流整定值保证选择性。这样,它将不能保护线路全长,而只 能保护线路全长的一部分,灵敏度不够。限时电流速断的整定值低于电流 速断保护的动作短路,按躲开下级线路电流速断保护的最大动作范围来整 定,提高了保护动作的灵敏性,但是为了保证下级线路短路时不误动,增 加一个时限阶段的延时,在下级线路故障时由下级的电流速断保护切除故 障,保证它的选择性。
电流速断和限时电流速断相配合保护线路全长,速断范围内的故障由 速断保护快速切除,速断范围外的故障则必须由限时电流速断保护切除。 速断保护的速动性好,但动作值高、灵敏性差;限时电流速断保护的动作 值低、灵敏度高但需要 0.3~0.6s 的延时才能动作。速断和限时速断保护 的配合,既保证了动作的灵敏性,也能够满足速动性的要求。
2.6 为什么定时限过电流保护的灵敏度、动作时间需要同时逐级配合,而 电流速断的灵敏度不需要逐级配合?
答:定时限过电流保护的整定值按照大于本线路流过的最大负荷电流整 定,不但保护本线路的全长,而且保护相邻线路的全长,可以起远后备保 护的作用。当远处短路时,应当保证离故障点最近的过电流保护最先动 作,这就要求保护必须在灵敏度和动作时间上逐级配合,最末端的过电流 保护灵敏度最高、动作时间最短,每向上一级,动作时间增加一个时间级 差,动作电流也要逐级增加。否则,就有可能出现越级跳闸、非选择性动 作现象的发生。因为电流速断只保护本线路的一部分,下一级线路故障时 它根本不会动作,因而灵敏度不需要逐级配合。
2.7 如图 2-2 所示网络,在位置 1、2 和 3 处装有电流保护,系统参数 为:

E? ? 115 / 3kV , X G1 ? 15? 、 XG2 ? 10? , XG3 ? 10? , L1 ? L2 ? 60km , L3 ? 40km ,

LB?C

? 50km ,

LC ?D

? 30km ,

LD ? E

?

20m ,线路阻抗 0.4?

/km ,

KⅠ rel

=

1

.

2



KⅡ rel

=

KⅢ rel

=1.15

, IB?C. max ? 300 A , IC ?D. max ? 200 A ,

ID?E. max ? 150 A , K ss =1.5、

Kre =0.85。试求:

<1)发电机元件最多三台运行,最少一台运行,线路最多三条运行,最少 一条运行,请确定保护 3 在系统最大、最小运行方式下的等值阻抗。

<2)整定保护 1、2、3 的电流速断定值,并计算各自的最小保护范围。

<3)整定保护 2、3 的限时电流速断定值,并校验使其满足灵敏度要求 < Ksen ? 1.2)

<4)整定保护 1、2、3 的过电流定值,假定流过母线 E 的过电流保护动作 时限为 0.5s,校验保护 1 作后备用,保护 2 和 3 作远备用的灵敏度。

G1 G2

A

9

L1 8

B

7

L2 6

3

C

D

E

2

1

G3 5 L3 4

图 2-2 简单电网示意图
解:由已知可得 X = L1 X L2 =0.4×60=24 ? , X L3 =0.4×40=16 ? , X BC =0.4× 50=20 ? , XCD =0.4×30 ? , X DE =0.4×20=8 ?
<1)经分析可知,最大运行方式及阻抗最小时,则有三台发电机运行,线 路 L1~L3 全部运行,由题意 G1,G2 连接在同一母线上,则
X s. min =< X G1 || X G2 + X L1|| X L2 )||( X G3 + X L3 >=(6+12>||(10+16>=10.6
同理,最小运行方式下即阻抗最大,分析可知只有在 G1 和 L1 运行,相 应地有 X s. = max X G1 + X L1 =39

B

C

D

E

E?

X s. min

3

2

1

10.6

20

12

8

图 2-3 等值电路

<2)对于保护 1,其等值电路图如图 2-3 所示,母线 E 最大运行方式下发 生三相短路流过保护 1 的最大短路电流为

Ik.E . max?

E X s. mi n? X BC ? XCD X DE

? 115 / 10.6? 20?

3 12?

? 1.312kA 8

相应的速断定值为

IⅠ set.1

=

KⅠ rel

×

I k .E . max

=1.2×1.312=1.57kA

?3

?

最小保护范围计算公式为 IⅠset=

3 2

E Z s.max ? Z1Lmin

? ? ?
Lmin = ??

E 2 IⅠ
set

?

Z s. max

? ?? ? ??

1 0.4

=-

85.9km

即 1 处的电流速断保护在最小运行方式下没有保护区。

对于保护 2 等值电路如图 2-3 所示,母线 D 在最大运行方式下发生三相
E
短路流过保护 2 的最大电流 = Ik.D.max X s.min ? X BC ? X CD =1.558kA

相应的速断定值为

IⅠ set.2

=

KⅠ rel

×

Ik.D.

max

=

1

.

2

×1

.

5

5

8

=

1

.

87

k

A

最小保护范围为

? ?
?
?
Lmin = ??

3E 2 IⅡ
set .2

?

?

Z s. max

? ?? ?

1 0.4

?? =-70.6km

即 2 处的电流速断保护在最小运行方式下也没有保护区。

对于保护 3 等值电路如图 2-3 所示,母线 C 在最大运行方式下发生三相
E
短路流过保护 3 的最大电流 = Ik.C.max X s.min ? X BC =2.17kA

相应的速断定值为

IⅠ set.3

=

KⅠ rel

×

I k .C . max

=

1

.

2

×

2

.1

7=

2

.

6

0

3

k

A

最小保护范围为

? ?
?
?
Lmin = ??

3E 2 IⅡ
set .3

?

?

Z s. max

? ? ?

?

1 0.4

?? =-42.3km

即 3 处的电流速断保护在最小运行方式下也没有保护区。

上述计算表明,在运行方式变化很大的情况下,电流速断保护在较小运行 发生下可能没有保护区。

<3)整定保护 2 的限时电流速断定值为 1.57=1.806kA

= IⅡ set

KⅡ set

IⅠ set.1

=

1

.

1

5

×

线路末段<即 D 处)最小运行发生下发生两相短路时的电流为

3

E

= Ik.D.max 2 X s.max ? X BC ? XCD =0.8098kA

所以保护 2 处的灵敏系数 求。

I k .D. min

= K Ⅱ set

IⅡ set

=0.4484 即不满足 Ksen?1.2 的要

同理,保护 3 的限时电流速断定值为

= IⅡ set.3

KⅡ rel

IⅠ set.2

=

1

.

1

5

×

1

.

8

7

=

2

.

1

5

1

k

A

线路末段<即 C 处)最小运行发生下发生两相短路时的电流为

3E
= Ik.C.max 2 X s.max ? X BC =0.9764kA

所以保护 3 处的灵敏系数 求。

I k .C . min

= KⅡ set .3

IⅡ set .3

=0.4531

即不满足 Ksen?1.2 的要

可见,因为运行方式变化太大,2、3 处的限时电流速断保护的灵敏度都 远不能满足要求。

I

' re

KⅢ rel

Kss

I

L.

max

<4)过电流整定值计算公式为

= = I Ⅲ set

K re

Kre

K K I Ⅲ rel ss D?E.max

所以有

= I Ⅲ set.1

Kre

=304.5A

同理得

I

Ⅲ set.2

=

4

0

6

A

I

Ⅲ set.3

=

6

0

9

A

在最小运行方式下流过保护元件的最小短路电流的计算公式为
3E
= Ik.min 2 Zs.max ? ZL

所以有 IE.min =727.8A ID.min =809.8A IC.min =974.51A

I k . min

所以由灵敏度公式

= K sen

IⅢ set

可知,保护 1 作为近后备的灵敏度为

I E.min

= K Ⅲ set .1

IⅢ set.1

=2.39 ?1.5

满足近后备保护灵敏度的要求;

保护 2 作为远后备的灵敏度为 灵敏度的要求;

I E.min

= K Ⅲ set .2

IⅢ set.2

=1.79 ?1.2 满足最为远后备保护

保护 3 作为远后备的灵敏度为 灵敏度的要求。

I E.min

= K Ⅲ set .3

IⅢ set.3

=1.33 ?1.2 满足最为远后备保护

保护的动作时间为 t1Ⅲ =0.5+0.5=1s t2Ⅲ = t1Ⅲ +0.5=1.5s t3Ⅲ = t2Ⅲ +0.5=2s

2.8 当图 2.56 中保护 1 的出口处在系统最小运行方式下发生两相短路,

保护按照题 2.7 配置和整定时,试问

<1)共有哪些保护元件启动?

<2)所有保护工作正常,故障由何处的那个保护元件动作、多长时间切 除?

<3)若保护 1 的电流速断保护拒动,故障由何处的那个保护元件动作、多 长时间切除?

<4)若保护 1 的断路器拒动,故障由何处的那个保护元件动作、多长时间 切除?

答: <1) 由题 2.7 的分析,保护 1 出口处<即母线 D 处)短路时的最小 短路电流为 0.8098kA,在量值上小于所有电流速断保护和限时电流速断 保护的整定值,所以所有这些保护都不会启动;该量值大于 1、2、3 处过 电流保护的定值,所以三处过电流保护均会启动。

<2)所有保护均正常的情况下,应有 1 处的过电流以 1s 的延时切除故 障。

<3)分析表明,按照本题给定的参数,1 处的速断保护肯定不会动作,2 处的限时电流速断保护也不会动作,只能靠 1 处的过电流保护动作,延时 1s 跳闸;若断路器拒动,则应由 2 处的过电流保护以 1.5s 的延时跳开 2 处的断路器。

2.9 如图 2-4 所示网络,流过保护 1、2、3 的最大负荷电流分别为 400A、500A、550A,

K

ss

=

1

.

3



K

re

=

0

.

8

5



K

Ⅲ rel

=

1

.

1

5



t1Ⅲ = t2Ⅲ =0.5s, t3Ⅲ =1.0s

,试计算:

(1) 保护 4 的过电流定值;

(2) 保护 4 的过电流定值不变,保护 1 所在元件故障被切除,当返 回系数 Kre 低于何值时会造成保护 4 误动?

(3)

Kre =0.85 时,保护 4 的灵敏系数 Ksen=3.2,当 Kre =0.7 时保护 4

的灵敏系数降低到多少?

A

5

4

B 1 2

M C

3

M

图 2-4 系统示意图

解:过电流保护 4 的最大负荷电流为 I4.max =400+500+550=1450A

保护 4 的过电流定值为

=2.55A I Ⅲ set.4

?

Kss

KⅢ rel

Kre

I 4. max

时限为 t4Ⅲ =max< t1Ⅲ , t2Ⅲ , t3Ⅲ )+ ?t =1.5s

<2)保护 21 切除故障后,流过保护 4 的最大负荷电流

I

'
4. max

=

50

0

+

5

50

=

10

5

0

A

=1

.

0

5k

A

,在考虑电动机的自启动出现的最大保护电流

= =1.3× I K I ss.max

' ss 4. max

1.05=1.365kA,这个电流必须小于保护 4 的返回电流,否则 1.5s 以后保

护4

将误切除。相应的要求

≤ I ss. m a x

I re

=

K

re

I

Ⅲ set

.4

=

2

.

5

5

Kre ,从而

2.55

K re >

1.365
1.365, Kre > 2.55 =0.535。当返回系数低于 0.535 时,会造成保护误动。

<3)保护

4

的灵敏系数 Ksen.4

?

Ik.B. min
= I Ⅲ set.4

I K k.B.min re

KⅢ rel

K

ss

I

4.

max

, Ksen.4 与 K re 成正比,当 K re 下

降时灵敏系数下降,

= K s e n

0.7 0.85

?

3.2

=2.635。

2.10 在中性点非直接接地系统中,当两条上下、级线路安装相间短路的 电流保护时,上级线路装在 A、C 相商,二下级线路装在 A、B 相上,有 何优缺点?当两条线路并列时,这种安装方式有何优缺点?以上串、并两 种线路,若采用三相星形接线,有何不足?

答:在中性点非直接接地系统中,允许单相接地时继续短时运行,在不同 线路不同相别的两点接地形成两相短路时,可以只切除一条故障线路,另 一条线路继续运行。不考虑同相的故障,两线路故障组合共有以下六种方 式:<1A、2B) 、<1A、2C)、<1B、2A)、<1B、2C)、<1C、2A)、 <1C、2B)。

当两条上、下级线路安装相间短路电流保护时,上级线路装在 A、C 相商,而下级装在 A、B 相上时,将在<1A、2B) 、<1B、2A)、<1C、 2A)和 <1C、2B)四种情况下由下级线路保护切除故障,即下级线路切除 故障的几率为 2/3。当故障为<1A、2C)时,将会由上级线路保护切除故 障;而当故障为<1B、2C)时,两条线路均不会切除故障,出现保护拒动 的严重情况。
两条线路并列时,若两条线路保护动作的延时一样,则在<1A、 2B) 、<1C、2A)和 <1C、2B)三种情况下,两条线路被同时切除;而 在(1A、2C>故障下,只能切除线路 1;在<1B、2A)故障下,只能切除线 路 2;在<1B、2C)故障下,两条线路均不会切除,即保护拒动。
若保护采用三相星形接线时,需要三个电流互感器和四根二次电缆, 相对来讲是复杂不经济的。两条线路并列时,若发生不同相别的接地短路 时,两套保护均启动,不必要切除两条线路的机会就比较多。
2.11 在双侧电源供电的网络中,方向性电流保护利用了短路时电气量的什 么特征解决了仅利用电流幅值特征不能解决的问题?
答:在双侧电源供电网络中,利用电流幅值特征不能保证保护动作的选择 性。方向性电流保护利用短路时功率方向的特征,当短路功率由母线流向 线路时表明故障点在线路方向上,是保护应该动作的方向,允许保护动 作。反之,不允许保护动作。用短路时功率方向的特征解决了仅用电流幅 值特征不能区分故障位置的问题,并且线路两侧的保护只需按照单电源的 配合方式整定配合即可满足选择性。
2.12 功率方向判别元件实质上是在判别什么?为什么会存在“死区”?什 么时候要求它动作最灵敏?
答:功率方向判别元件实质是判别加入继电器的电压和电流之间的相位 ,并且根据一定关系[cos( +a>是否大于 0]判别初短路功率的方向。
为了进行相位比较,需要加入继电器的电压、电流信号有一定的幅值<在 数字式保护中进行相量计算、在模拟式保护中形成方波),且有最小的动 作电压和电流要求。当短路点越靠近母线时电压越小,在电压小雨最小动 作电压时,就出现了电压死区。在保护正方向发生最常见故障时,功率方 向判别元件应该动作最灵敏。
2.13 当教材中途 2.29 的功率方向判别元件用集成电路实现,分别画出 ur ? Ur sin(100? t) ,
ir ? Ir sin(100? t ? 30?) 和 ur ? Ur sin(100? t) , ir ? Ir sin(100? t ? 60?) 时,各输出电压随时 间变化的波形;如果用数字式<微机)实现,写出你的算法,并校验上述

两种情况下方向元件的动作情况。 答:以内角? =30°为例,画出各点输出电压波形如图 2-5 所示。

u u1 u2

u u1

u2

180

360

?t

?t

u3

u3

10

20

30 t(ms)

10

20

30 t(ms)

u4

u4

10

20

30 t(ms)

5

15

25

35t(ms)

u5 u6 u7

10 10 5 10

u5

20

30 t(ms)

5

10

u6

25 30 t(ms)

20

30 t(ms)

u7

15 20

t(ms)

t(ms)

10

t(ms)

u8

u8

10 15
u9

t(ms)

u9

10 15

t(ms)

动作最灵敏条件

?

a

r

U g

r

e

j?

?

0?

?

Ir

20

t(ms)

20

t(ms)

临界动作条件

?

arg

U

r

e
?

j?

? 90?

Ir

图 2-5 各点电压输出波形图

可以看出,在内角? =30°时第一种情况下动作最灵敏,第二种情况

元件处于临界动作状态。数字式实现时,动作的判据可以表示为

?

?90? ? arg Ur e j? ? 90? ?

Ir



将第一种情况和第二种情况下的电压、电流带入该判据可以得到情况 1 为动作最灵敏,而情况 2 处于临界动作状态的结论。

2.14 为了保证在正方向发生各种短路时功率判别元件都能动作,需要确定 接线方式及内角,请给出 90°接线方式正方向短路时内角的范围。

答:(1>正方向发生三相短路时,有 0°<a<90°。

(2>正方向发生两相短路,当短路点位于保护安装处附近,短路阻抗 Zd < Zs时,0°<a<90°;当短路点远离保护安装处,且系统容量很大 Zd > Zs 时,-30°<a<60°。

综合三相和各种两相短路的分析得出,当 0°< <90°时,使方向继电 器在一切故障情况下都能动作的条件应为 30°<a<60°。

2.15 对于 90°接线方式、内角为 30°的功率方向判别元件,在电力系统 正常负荷电流<功率因数在 0.85)下,分析功率方向判别元件的动作情 况。假定 A 相的功率方向元件出口与 B 相过电流元件出口串接,而不是 “按相连接”,当反方向 B、C 两相短路时,会出现什么情况?

答:内角为 30°的功率方向元件,最大灵敏角 ?sen=-30°,则动作范围为120≤?d ≤-60°。由正常负荷电流的功率因数 0.85 可以得到 ?d =arctan0.85=31.79°,在动作范围内,根据功率元件出口与 B 相流过 电流元件出口串接,当 反方向发生 B、C 两相短路时,B 相过电流元件动 作,因为该元件出口和 A 相功率方向元件串接,这样就会启动时间继电 器,出现延时跳闸。因而电流元件和功率元件必须“按相连接”。

2.16 系统和参数见题 2.7,试完成:

<1)整定线路 L3 上不会 4、5 的电流速断定值,并尽可能在一端加装方向 元件。

<2)确定保护 4、5、6、7、8、9 处过电流的时间定值,并说明何处需要 安装方向元件。

<3)确定保护 5、7、9 限时电流速断的电流定值,并校验灵敏度。

答:整定保护 5 的电流速断。保护 4 处的母线发生三相短路时,流过保护 5 的短路电流为

Ik4

?

E XG3 ?

X L3

=

115 / 3
10? 16 =

2.554A

按此电流来整定,动作定值

IⅢ set.5

=

KⅠ rel

Ik

4

=3.064kA

在来看发电机 1、2 处于最大运行方式下保护 5 处母线三相短路时,有

X s. min =< X G1 || X G2 + X L1 || X L2 )=18 ?

E
保护 5 处的电流为 Ik5 ? X s.min ? X L3 =1.953kA

远小于按躲过保护 4 处母线三相短路求得的整定电流,所以保护 5 不必安 装方向元件,仅靠定值就能保证方向故障时不误动作。

现在整定保护 4,保护 4 按躲过保护 5 处母线短路最大电流整定时,定值 为

IⅠ set.4

=

IⅠ rel

Ik5

=2.34kA

当保护 4 处背侧母线三相短路是,流过保护 4

的电流

为 2.554kA,大于其整定值,所以不会误动,必须加装方向元件。

<2)过电流保护按躲过最大负荷电流整定,其量值较小,保护灵敏度很 高,4~9 任何一处保护正向及方向故障时,短路电流的量值都会超过其整 定值,所以每一处都应安装方向元件。

在均装方向元件的情况下,4、5、6 处的过电流保护的动作时间分别与 G3、G2 和 G1 处的过电流保护时间相配合,在其动作延时的基础上增加一 个时间级差;5、7、9 处过电流保护的动作时间均与 3 处过电流时间相配 合,由题 2.7 可知,三处过电流保护的动作时间为 2s,所以 5、7、9 处 过流保护的动作时间均应取 2.5s。

<3)5 处限时电流速断保护定值应该与 3、6、8 处电流速断保护的定值相 配合。

与 3 处电流速断保护的定值配合:

3

处电流速断保护的定值为

= IⅠ set.3

× KⅠ rel

I k .C . max

=2.603KA,L3

支路对应的分支

系数的倒数为

1?

X G1 | | X G2 ? X L1 | | X 2

? 0.409

Kb r X G1 | | X G2 ? X L1 | | X2? X G3? X L3

与保护 3 配合时,5 处限时电流速断保护的定值为

IⅡ s e t. 5

?

KⅡr e

1 lKbr

IⅡs =e.3t 1.224kA

与 6 处和 8 处电流速断配合: 若装设方向元件,则 6 处电流速断保护应 该按躲过母线 A 处三相短路的最大短路电流来整定,而母线 A 三相短路 时,发电机 G1,G2 所提供的短路电流不会流过保护 6 ,只有发电机 G3 的电流才流过保护 6,所以其Ⅰ段的整定值为

= × = I K Ⅰ



set.6

rel

Ik7

KⅠ rel

E X G3 ? X L3 ? X L1 || X L2

X L1
X L1 ? X L2 =1.048kA

同理,装设方向元件的情况下,8 处保护的定值也为

IⅠ set.8

=

1

.

0

4

8

k

A







它们配合时,5 处限时电流速断保护的定值为

IⅡ set .5

?

K I Ⅱ Ⅰ rel set.6

?

K I Ⅱ Ⅰ rel set.8

=1.205kA

取三







的最

大者





IⅡ set.5

=1

.

22

4

k

A

校验灵敏度:母线 B 两相短路时,流过 5 处的最小短路电流为

Ik.B.min ?

3E
2 XG3 ? XL3 =2.211kA

求。

所以灵敏度为

KⅡ sen.5

?

I k .B. min IⅡ
set.5

=1.834

满足要

在 6、8 处不装方向元件的情况下,它们速断保护的定值还应安躲过母线 B 三相短路时流过它们的最大短路电流来整定。

母线 B 三相短路时流过 6、8 处的最大短路电流为

1

E

= Ik 6.max = Ik8.max 2 X G1 || X G2 ? X L1 || X 2 = 1 . 8 44 k A

这时其短路电流速断保护的整定值变为

IⅠ set.6

=

= IⅠ set.8

KⅠ rel

?

I k 6. max

=2.26kA

所以 5 处限时电流保护的定值为

IⅡ set .5

?

KⅡ rel

IⅠ set

.6

=

2

.

5

9

9

k

A

灵敏度为

= 0 . 8 5 I Ⅱ
K ? I sen.5

k .B. min Ⅱ
set.5

故不满足要求。

2.17 在中性点直接接地系统中,发生接地短路后,试分析、总结:(1>零 序电压、电流分量的分布规律;(2>负序电压、电流分量的分布规律;(3>

正序电压、电流分量的分布规律。

答:(1>零序电压——故障点处零序电压最高,距故障点越远零序电压越 低,其分布取决于到大地间阻抗的大小。零序电流——由零序电压产生, 由故障点经线路流向大地,其分布主要取决于送电线路的零序阻抗和中性 点接地变压器的零序阻抗,与电源点的数目和位置无关。(2>负序电压— —故障点处负序电压最高,距故障点越远负序电压越低,在发电机中性点 上负序电压为零。负序电流的分布取决于系统的负序阻抗。(3>正序电压 ——越靠近电源点正序电压数值越高,越靠近短路点正序电压数值越低。 正序电流的分布取决于系统的正序阻抗。

2.18 比较不同的提取零序电压方式的优缺点。

答:<1)电磁式电压互感器一般有三个绕组,一个一次绕组,两个二次绕 组。在三相系统中,三个单相式电压互感器的一次绕组接成星形并将中性 点接地,其两个二次绕组一个按星形方式接线,另一个按开口三角形接 线,星形接线的绕组用来测量各相对地电压及相间电压,开口三角形用来 直接获取系统的零序电压。这种方式获取零序电压的有地啊是简单方便, 精度较高,不需要额外的装置或系统。其缺点是开口三角侧正常无电压, 不便于对其进行监视,该侧出现断线短路等故障无法及时发现,输出零序 电压的极性容易标错,从而造成零序功率方向继电器不能正确工作。

<2)采用三相五柱式互感器本身结构比较复杂,主要应用于 35kV 及以下 电压等级的中低压配电系统,其优缺点与<1)的情况类似。

<3)接于发电机中性点的电压互感器,用一只电压互感器即可取得三相系 统的零序电压,较为经济,但适用范围小,同时不平衡电压较大,不够灵 敏。

<4)保护内部合成零序电压的方式接线较为简单,不容易出现接线及极性 的错误,其缺点是装置内部必须设置专门的模块。

传统的机电式保护中通常采用<1)、<2)、<3)三种方式获取零序电 压;在数字式保护中,倾向于采用方式<4)。在一些特殊的场合,也可以 采用方式<3)。

2.19 系统示意图如图 2-6 所示,发电机以发电机-变压器方式接入系统, 最大开机方式为 4 台全开,最小开机方式为两侧各开 1 台,变压器 T5 和

T6 可能 2 台也可能 1 台运行。参数为: E? ? 115 / 3kV, X1.G1 ? = X 2.G1

=5 , = =8 , X1.G 2 ? X 2G. 2 ?

X1.G3 ? X 2.G3 X1.G 4 ? X 2.G 4

?

X1.T1 ~ X1.T 4 = 5 ? , X 0.T1 ~ X 0.T 4 = 1 5 ? , X1.T 5 ? X1.T 6 = 1 5 ? , X 0.T 5 ? X 0.T 6 = 2 0 ? ,

LA?B =60km, LB?C =40km,线路阻抗 Z1 = Z2 =0.4 ? /km, Z0 =1.2 ? /km,

KⅠ rel

=

1

.

2



K

Ⅱ rel

=

1

.

1

5



A

B

C

G1

T1

T3

G3

1

2

3

4

G2

T2

T5

T4

G4

T6

图 2-6 系统示意图 <1)画出所有元件全运行时的三序等值网络,并标注参数; <2)所有元件全保护时,计算母线 B 发生单相接地短路和两相接地短路时 的零序电流分布; <3)分别求出保护 1、4 零序Ⅱ段的最大、最小分支系数; <4)分别求出保护 1、4 零序Ⅰ、Ⅱ段的定值,并校验灵敏度; <5)保护 1、4 零序Ⅰ、Ⅱ段是否需要安装方向元件; <6)保护 1 处装有单相重合闸,所有元件全运行时发生系统振荡,整定保 护 1 不灵敏Ⅰ段定值。
解:先求出线路的参数,即 LAB =60km, X1.AB ? X 2.AB =24 ? , X 0.AB =72 ? , LBC =40km,
X1.BC ? X 2.BC =16 ? , X 0.BC =48 ? ,所有元件全运行是三序电压等值网络图如图 2-7 所示。

X1.G1 E?
X 1.G 2 E?

B X1.BC

C

X1.T 3

A

X1.T1

X1.AB

X1.T 4

X1.T 2

X1.T 5

X1.T 6

X1.G3
E?
X 1.G 4
E?

X 2.G1 X 2.G2

(a> 正序等值图

X X A

2.T 1

2. AB

X 2.T 2

X B 2.BC
X 2.T 5 X 2.T 6

X C

2.T 3

X 2.T 4

X 2.G3 X 2.G4

A

X 0.T1

X 0.AB

X 0.T 2

X B 0.BC
X 0.T 5 X 0.T 6

C
X 0.T 4

(b> 负序等值图

(c>零序等值图

图 2-7 所有元件全运行时三序电压等值网络图

<2)下求出所有元件全运行时,B 母线分别发生单相接地短路和两相接地 短路时的负荷序网等值图。

1)单相接地短路时,故障端口正序阻抗为

Z?1

?

( X1.AB

?

X1.G1

? 2

X1.T1 )

||

( X1.BC

?

X1.G3

? 2

X1.T 3

)
=(24+5>||(16+6.5>=12.67

?

故障端口负序阻抗为 Z?2 ? Z?1=12.67 ?

故障端口零序阻抗为

Z?0

?

( X 0.T1 2

?

X 0.AB ) ||

X 0.T 5 2

|| ( X 0.T 3 2

?

X0.BC ) =79.5||10||55.5=7.657

?

则复合序网等值图如图 2-8 所示。

故障端口零序电流为

If0

?

Z?1

U|0| ? Z?2

? Z?0

?

115 / 3

12.67 ?12.67 ? 7.657 =2.012kA

在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流从而得到此时流过保护 1、4

处的零序电流分别为

I0.1

?

I

f

0

?

0.12579 0.130597

=0.194kA

I0.2

?

If0

?

0.018018
0.130597 =0.278kA

画出零序电流分布图如图 2-9 所示.

U f |0|

Z?1 ? 12.67

B

0.097

A 0.194

C 0.278

0.139

Z? 2 ? 12.67

0.77

Z? 0 ? 7.657
单相接地短路复合序网等值图 图

图 2-8 图 2-9 单相接地短路零序电流分布

2> 两相接地短路时,故障端口各序阻抗和单相接地短路时相同,即 Z?1 ? Z?2=12.67 ?

Z?0=7.657 ?,则复合序网如图 2-10 所示。

12.67 ? 7.657
Z? 2 || Z? 0 = 12.67 ? 7.675 =4.77

If1

?

Z?1

U f |0| ? Z?2

||

Z?0

=3.808kA

故障端口正序电流为

故障端口零序电流为

I

f

0

=

I

f

0

?

12.67 12.67 ? 7.675

=

2

.

3

7

3

k

A

同样地,流过保护 1、4 的零序电流分别为 I0.1 =0.299kA, I0.2 =0.327kA。

从而得到如图 2-11 所示的零序电流分布图。

U f |0|

Z?1 ? 12.67

B

0.115

A 0.229

Z? 2 ? 12.67

C 0.327 0.909

0.164

Z?0 ? 7.657

图 2-10 两相接地短路复合序网等值图 路零序电流分布图

图 2-11 两相接地短

<3)先求出保护 1 的分支系数 K1.b

当 BC 段发生接地故障,变压器 5、6 有助增作用,如图 2-12 所示。

IBCM ? 1 ? I A' BM ? 1 ? X1

= K1.b I ABM

I ABM

X2 ,

对于 X1 ,当只有一台发电机变压器组运行是最大,有 X1 = max X0.T1 ? X0.AB =87 ?

当两台发电机变压器组运行时 X1最小,有

= X 1 min

X 0.T1 2

?

X 0.AB

=79.5 ?

对于 X 2 ,当 T5,T6 只有一台运行时 X 2 最大, X 2 max=20;当 T5,T6 两台全运 行时 X2 最小,

1 ? X1max
X 2 min =10. 因此保护 1 的最大分支系数 = K1.b.max X2min =9.7,

1 ? X1min
最小分支系数为 K1.b . min= X2max =4.975

同样的分析保护 4 的分支系数 K4.b 。当 AB 段发生接地故障时,T5,T6YOU 助增的作用,如图 2-13 所示。

IBCM ? 1 ? I A' BM ? 1 ? X1

= K1.b I ABM

I ABM

X2

对于 X1 ,当只有一台发电机变压器组运行是最大,有 X1 = max X0.T3 ? X0.BC =63 ?

当两台发电机变压器组运行时 X1最小,有

= X 1 min

X 0.T 3 2

?

X 0.BC

=55.5

?

对于 X 2 ,当 T5,T6 只有一台运行时 X 2 最大, X 2 max=20;当 T5,T6 两台全运 行时 X2 最小,

1 ? X1max
X 2 min =10. 因此保护 4 的最大分支系数 = K4.b.max X2min =7.3,

1 ? X1min
最小分支系数为 K4.b . m =in X2max =3.775

B

I ABM

X1

I BCM M

I ABM
M

B X1

ICBM

I A' BM

X2

X2 IC ' BM

图 2-12 BC 段故障时变压器的助增作用 故障时变压器的助增作用

图 2-13 AB 段

<4)保护 1 整定计算

零序Ⅰ段: 根据前面的分析结果,母线 B 故障流过保护 1 的最大零序电

流为

I0.1.max =0.229kA

故Ⅰ段定值

= IⅠ set.1

KⅠ rel

? 3I0.1.max

=1.2×3×

0.229=0.8244kA

为求保护 1 的零序Ⅱ段定值,应先求出保护 3 零序Ⅰ段定值,设在母线 C 处分别发生单相接地短路和两相接地短路,求出流过保护 3 的最大零序电 流,因此有

Z?1

? Z?2=<

X1 .G 1 ? X 1T. 2

1? X1 .AB

? X 1B. C )||(

X1 .G 3 ? X 1T. 2

3
>=5.68 ?

Z0

? [( X 0.T1 2

?

X 0.AB ) ||

X 0.T 5 2

?

X 0.BC ] ||

X 0.T 3 2

=6.63 ?

单相接地短路时,有

If0

?

Z?1

U f |0| ? Z?2 ?

Z?3

=

115 / 5.86 ? 5.86

3 ?

6.63 =3.69kA

从而求得流过保护 3 的电流为 I0.3 =0.43kA

5.86 ? 6.63
连相接地短路时,有 Z? 2 || Z? 0 = 5.86 ? 6.63 =3.06 ?

正序电流

If1

?

Z?1

U f |0| ? Z?2

|| Z?0

=7.6kA

零序电流

If0

?

If1 ?

Z? 2 Z?2 ? Z?0

=3.5kA

从而求得流过保护 3 的电流 I0.3 =0.408kA

这样,流过保护 3 的最大零序电流 I0.3.max =0.43kA

保护 3 的零序Ⅰ段定值为

= IⅠ set.3

KⅠ rel

? 3I0.3.max

=1.548kA

这样,保护 1 的零序Ⅱ段定值为

IⅡ set.1

?

KⅠ rel
K1.b. min

?

= IⅠ set.3

1.15 ?1.548

4.975

=0.358kA

校验灵敏度:母线 B 接地短路故障流过保护 1 的最小零序电流 I0.1.min ==0.194kA

灵敏系数

Kre

?

3I0.1min IⅡ
set.1

=1.626

保护 4 整定计算:

零序Ⅰ段 根据前面的分析结果,母线 B 故障流过保护 4 的最大零序电流



I0.4.max =0.327kA

故Ⅰ段定值

IⅠ set.1

=

KⅠ rel

?

3I 0.4. max

=1.2×3×0.327=1.18kA

为求保护 4 的零序Ⅱ段定值,应先求出保护 2 零序Ⅰ段定值,设在母线 A 处分别发生单相接地短路和两相接地短路,求出流过保护 2 的最大零序电 流,因此有

Z?1

? Z?2=<

X1 .G 3 ? X 1T. 2

3? X1 .AB

? X 1B. C )||(

X1 .G 1 ? X 1T. 2

1
>=4.52 ?

Z0

? [( X 0.T 3 2

?

X 0.BC ) ||

X 0.T 5 2

?

X 0.AB ] ||

X 0.T1 2

=6.86 ?

单相接地短路时,有

If0

?

Z?1

U f |0| ? Z?2 ?

Z?3

=

115 / 4.52 ? 4.52

3 ? 6.68

=4.179kA

从而求得流过保护 2 的电流为 I0.2 =0.356kA

4.52 ? 6.86
两相接地短路时,有 Z? 2 || Z? 0 = 4.52 ? 6.86 =2.723 ?

正序电流

If1

?

Z?1

U f |0| ? Z?2

|| Z?0

=9.17kA

零序电流

If0

?

If1 ?

Z? 2 Z?2 ? Z?0

=3.64kA

从而求得流过保护 2 的电流 I0.2 =0.31kA

这样,流过保护 2 的最大零序电流 I0.2.max =0.356kA

保护 2 的零序Ⅰ段定值为

= IⅠ set.2

KⅠ rel

? 3I0.2.max

=1.286kA

这样,保护 4 的零序Ⅱ段定值为

IⅡ set.4

?

KⅡ rel
K 4.b. min

= ?

IⅠ set .2

1.15 ?1.282

3.775

=0.39kA

校验灵敏度:母线 B 接地短路故障流过保护 4 的最小零序电流 I0.4.min ==0.278kA

灵敏系数

Kre

?

3I0.4 min IⅡ
set.1

=2.14

2.20 系统示意图如图 2-6 所示,发电机以发电机-变压器方式接入系统, 最大开机方式为 4 台全开,最小开机方式为两侧各开 1 台,变压器 T5 和

T6 可能 2 台也可能 1 台运行。参数为: E? ? 115 / 3kV, X1.G1 ? = X 2.G1

=5 , = =8 , X1.G 2 ? X 2G. 2 ?

X1.G3 ? X 2.G3 X1.G 4 ? X 2.G 4

?

X1.T1 ~ X1.T 4 = 5 ? , X 0.T1 ~ X 0.T 4 = 1 5 ? , X1.T 5 ? X1.T 6 = 1 5 ? , X 0.T 5 ? X 0.T 6 = 2 0 ? ,

LA?B =60km, LB?C =40km,线路阻抗 Z1 = Z2 =0.4 ? /km, Z0 =1.2 ? /km,

KⅠ rel

=

1

.

2



K

Ⅱ rel

=

1

.

1

5











































<1)分别求出保护 1、4 的段Ⅰ、Ⅱ定值,并校验灵敏度;

<2)保护 1、4 的Ⅰ、Ⅱ段是否安装方向元件;

<3)分别画出相间短路的电流保护的功率方向判别元件与零序功率方向判 别元件的交流接线。

<4)相间短路的电流保护的功率方向判别元件与零序功率方向判别元件的 内角有何不同;

<5)功率方向判别元件必须正确地按照电压、电流同名端接线后,才能正 确工作,设想现场项目师是如何保证接线极性正确的。

解:<1)保护 1 的Ⅰ、Ⅱ段整定。

最大运行方式为 G1、G2 全运行,相应的

X s. min

?

X G1

? 2

XT1

=5 ?

最小运行方式为一台电机运行,相应的

X s. max

?

X G1

?

XT1=10 ?

母线 B 处三相短路流过保护 1 的最大电流

I d .B. max

?

E?

X s. min

?

Xd

=2.289kA

保护 1 的Ⅰ段定值为

IⅠ set .1

?

KⅠ rel

?

Id .B.max

=1.2×2.289=2.747kA

母线 C 三相短路流过保护 3 的最大电流

I d .C . max

?

E?

X s. min

?

Xd

=1.475kA

保护 3 的Ⅰ段定值为

IⅠ s e t. 3

?

KⅠr e l?

I

d.

C. ma=x 1.771kA

保护 1 的Ⅱ段定值为

IⅡ set .1

?

KⅡ rel

?

IⅠ set .3

=

2

.

0

6

3

k

A

母线 B 两相短路流过保护 1 的最小电流

Id.B.max ?

3 E?

2

X s. max

?

Xd

=1.691kA

保护 1 电流Ⅱ断的灵敏度系数 求。

KⅡ sen.1

?

Id.B min IⅡ
set.1

1.691
= 2.063 =0.83

灵敏度不满足要

保护 4 的Ⅰ、Ⅱ段整定。

最大运行方式为 G3、G4 全运行,相应的

X s. min

?

XG3

? 2

XT3

=6.5 ?

最小运行方式为一台电机运行,相应的

X s. max

?

XG3

?

XT3=13 ?

母线 B 处三相短路流过保护 4 的最大电流

I d .B. max

?

E?

X s. min

?

Xd

=2.951kA

保护 1 的Ⅰ段定值为

IⅠ set .1

?

KⅠ rel

?

Id .B.max

=1.2×2.951=3.541kA

母线 A 三相短路流过保护 2 的最大电流

I d . A. max

?

E?

X s. min

?

Xd

=1.428kA

保护 2 的Ⅰ段定值为

IⅠ s e t. 2

?

KⅠr e l?

I

d.

A. ma=x 1.713kA

保护 4 的Ⅱ段定值为

IⅡ set .4

?

KⅡ rel

?

IⅠ set

.2

=

1

.

9

7

k

A

母线 B 两相短路流过保护 4 的最小电流

Id.B.max ?

3 E?

2

X s. max

?

Xd

=1.983kA

保护 4 电流Ⅱ断的灵敏度系数 求。

KⅡ sen.4

?

Id.B min IⅡ
set.4

1.983
= 1.97

=1.01

灵敏度不满足要

<2)计算母线 A 背侧三相短路时流过保护 1 的最大短路电流,即

Id .A.max

?

X AB

?

E? X BC ?

XT3

? 2

XG3

=

115 / 3
24 ? 16 ? 6.5 =1.428kA

因为

Id.A. max<2.747kA=

IⅠ set.1







Id.A. max<2.036kA=

IⅡ set.1









1

的Ⅰ、Ⅱ

均不需要加装方向元件。

计算母线 C 背侧三相短路时流过保护 4 的最大短路电流,即

Id .C.max

?

X AB

E? ? X BC ?

XT1 ? X G1 2

=

115 / 3
24 ?16 ? 5 =1.475kA

因为

Id.C . max<3.54kA=

IⅠ set.1







Id.C . max<1.97kA=

IⅡ set.4









4

的Ⅰ、Ⅱ均

不需要加装方向元件。

<3)相间短路的电流保护的功率方向判别元件与零序功率方向元件的交流 接线图分别如图 2-14 、2-15 所示.

≥1

KT 跳闸

TV

QF

&

&

&

KAa KWa
. . . ..

KAb KWb
..

KAc KWc
..

a b c
图 2-14 相间短路的电流保护的功率方向判别元件交流接线图

跳闸 KSⅠ0

KT0Ⅱ

跳闸

KT0Ⅲ

跳闸

KSⅡ0

KS0Ⅲ

QF
..KW . ..

&

&

&

KAⅠ0

KAⅡ0

KA0Ⅲ

图 2-15 零序功率方向元件的交流接线图
<4)对相间短路电流保护功率方向判别元件而言,当 0°<?k <90°,使 相间短路电流保护功率方向判别元件在一切故障时都能动作的条件为:内 角应满足 30°<? <60°。对某一已经确定了阻抗角的送电线路而言,应 采用? =90°-?k ,以便短路时获得最大灵敏角。而对零序功率方向判别元 件而言,在保护范围内故障时,最大灵敏角 ?sen=-95°~-110°,即内角 ? 一般为 95°~110°。
<5)现场测定互感器极性的常用原理图如图 2-16 所示。一般采用直流电 池组配合直流毫安表的简单工具,将电池正极接在互感器的一次同名端, 直流电表的红笔<正极)接在二次同名端,当电路接通时一次电流由同名 端流入,二次电流由同名端流出,指针向右摆动,稳定后电路断开是指针 向左摆动,则同名端标识正确。若指针摆动方向相反,则二次同名端应在 另一端。
当电压、电流互感器的同名端<极性)被正确标定以后,按照功率方向 元件接线原理图仔细地接入后,还可以采用电压、电流、功率和相角一体 化测量仪表进行测量,根据以上电量的幅值、相位关系和各读数值对接线 校核。
**

图 2-16 现场测定电流互感器极性的常用原理接

线图
2.21 对于比.2.19 复杂得多的实际电力系统,设想保护项目师是如何完 成保护定值计算的?如果你今后从事保护整定计算,如何借助现在计算工 具提高你的劳动效率?
答:因为继电保护整定计算多种不同的运行方式,要对不同地点、不同类 型的故障进行多次计算,既要计算出各个继电保护元件不同段的动作值, 还要进行灵敏度校验,计算的工作量非常的大,特别是在网络结构特别复 杂的实际电力系统中,人工计算几乎不可能完成。保护工作者曾今发明了 “直<交)流计算台”,用集中的电阻<阻抗)代表电网元件的电<阻) 抗,按照电网的实际连接关系连接成模拟的电网,在电源点接上直<交) 流电压,用仪表测量短路后的电流、电压。因为接线复杂、精度低,目前 实际电力系统已经广泛推广应用继电保护整定计算软件,只要整定人员按 要求输入电网结构和参数,就可以由计算机快速准确的计算出需要的短路 电流及不同保护装置隔断的动作值,并可以由计算机完成灵敏度校验。
今后继电保护的整定计算主要由计算机来完成,但整定计算人员必须了解 计算的原理和原则,再出现一些整定计算软件无法涵盖的特殊情况时,还 素人工手动计算作为补充。
2.22 图 2—17 所示系统的变压器中性点可以接地,也可以不接地。比较 中性电直接接地系统与中性点非直接接地系统中发生单相接地以后,在下 属方面的异同:
<1)零序等值网络及零序参数的组成;
<2)灵虚电压分布规律;
<3)零序电流的大小及流动规律;
<4)故障电路与非故障线路零序功率方向;
<5)故障电流的大小及流动规律;
<6)故障后电压方向机对称性变化;
<7)故障对电力系统运行的危害;
<8)对保护切除故障速度的要求;

G1

T1 A

1

B 2
3

C T3

T2

图 2-17 系统接线图
答:<1)零序等值网络及零序参数的组成:
以线路 AB 末端发生单相接地为例,中性点直接接地系统零序等值图如图 2 —18 所示。
由图 2—18 可见,从故障点看进去的零序阻抗为母线 B 引出的三个分支的 并联,等值阻抗值较小,出现单相接地后系统中会有较大的零序电流。
中性点非直接接地系统,零序网络由同级电压网络中元件对地的等值 电容构成通路,其零序等值图如图 2—19 所示。

X 0.T1

A X 0.AB

B

X 0.BC

X 0.T 3

X 0.T 2
?
U0

序等值图

图 2-18 线路 AB 末端故障时中性点直接接地系统零

X 0.T1

X 0.AB C0. AB

X 0.BC C0.BC

X 0.T 3

C0

等值图

图 2-19 中性点非直接接地系统零序

由图 2—19 可见,故障点的等值阻抗为三个对地容抗的并联,因为分布电 容的容值较小、阻抗较大,因此故障点的零序等值阻抗也较大,接地不会 产生较大的零序电流。

零序电压分布规律:

中性点直接接地系统中,故障点零序电压最高,距离距离故障点越远 下降越多,在变压器中性点处降为 0。

在中性点非直接接地系统中,若不计微小的零序电容电流在线路阻抗 上产生的微小压降,则统一电压等级的整个系统的零序电压都一样<及三 相变压器之间的一部分系统)。

<3)零序电流的大小及流动规律:

中性点直接接地系统中,零序电流的大小同系统的运行方式和系统各 部分的零序阻抗的大小都有关系,零序电流在故障点与变压器中性点之间 形成回路。

非直接接地系统中,零序电流的大小依赖于系统地相电动势和线路的 对地电容。零序电流从故障点流出通过线路的对地电容流回大地。非故障 元件的零序电流就是该线路本身的对地电容电流,故障元件中流过的零序 电流,数值为全系统所有非故障元件对地电容电流值之和,再有消弧线圈 的情况下,则是全系统所有非故障元件对地电容电流值与消弧线圈中的电 感电流值相量和。

<4)故障线路与非故障线路灵虚功率方向:

中性点直接接地系统中,在故障线路上零序功率方向表现为线路流向 母线;在非故障线路上,靠近故障点的一侧,零序功率方向由母线流向线 路,而远离故障点的一侧,零序功率方向由线路流向母线。中性点非直接

接地系统中,故障线路上电容性无功功率方向为线路流向母线;在非故障 线路上,电容性无功功率方向为母线流向线路。
<5)故障电流的大小及流动规律:
中性点直接接地系统中,因为故障点和网络中变压器中性点形成回路, 因此故障相电流较大。故障电流有故障电流向中性点。中性点非直接接地 系统中,因为不构成短路回路而只经过对地电容形成回路,因此接地相电 流很小。因为接地电流相对于负荷电流较小,基本上不影响负荷电流的分 布、
<6)故障后电压的变化及对称性变化:
中性点直接接地系统中,故障后三相的相电压和线电压都不在对称。 中性点非直接接地系统中,故障后接地相电压降为 0,非接地相对于低电 压升高至原电压的 3 倍,但三相之间线电压依然保持对称。
<7)故障对电力系统的危害:
中性点直接接地系统中,故障相电流很大,对系统危害很大。
中性点非直接接地系统中,故障相电流很小,而且三相之间的线电压任然 保持对称,对负荷的供电没有影响,一般情况下,对系统危害不大。
<8)对保护切除故障速度的要求:
中性点直接接地系统中,因为接地相电流很大,为防止损坏设备,应 迅速切除接地相甚至三相。中性点非直接接地系统中,因为故障点电流很 小,切三项之间的线电压仍对称,可以允许再运行 1~2h,同时发出信号。
2.23 图 2—17 所示系统中变压器中性点全部不接地,如果发现单相接 地,试回答:
<1)比较故障线路与非故障线路中零序电流、零序电压、零序功率方向的 差异。
<2)如果在接地电流过的电容电流超过 10A<35KV 系统)、20A<10KV 系 统)、30A<3~6KV 系统)时,将装设消弧线圈,减小接地电流,叙述用零 序电流实现选线的困难。
<3)叙述用零序功率方向实现选线的困难。
<4)叙述拉路停电选线存在的问题。
答:<1)零序电流、零序电压、零序功率的方向:
零序电流:在非故障线路中流过的电流其数值等于本身的对地电容电流,

在故障线路
中流过的零序电流数值为全系统所有非故障元件对地电容电流之和。
零序电压:全系统都会出现量值等于相电压的零序电压,个点零序电压基 本一样。
零序功率方向:在故障线路上,电容性无功功率方向为线路流向母线;在 非故障线路上,电容性无功功率方向为母线流向线路。
<2)装设消弧线圈后,上述零序电流的分布规律发生变化,接地线路中的 零序电流为消弧线圈补偿后的参与电流,其量值较小,零序过电流元件将 无法整定;零序电流的量值有可能小于非故障线路的零序电流,所以零序 电流群体比幅原理也将无法应用。
<3)用零序功率方向选线困难:因为一般采用的是过补偿,流经故障线路 的的零序电流是流过消弧线圈的零序电流与非故障元件零序电流之差,而 电容无功功率方向是由母线流向线路<实际上是电感性无功功率由线路流 向母线),零序功率方向与非故障线路一致,因此无法利用功率方向来判 断故障线路。
<4)拉路停电选线存在的问题:
1)需要人工操作,费时、费力,自动化程度低;
2)需要依次断开每一条线路,影响供电可靠性,若重合闸拒动,可能造 成较长时间的停电。
2.24 小结下列电流保护的基本原理、使用网络并阐述其优缺点:
<1)相间短路的三段式电流保护;
<2)方向性电流保护;
<3)零序电流保护;
<4)方向性零序电流保护;
<5)中性点非直接接地系统中的电流电压保护。
答:<1)相间保护的三段式保护:利用短路故障时电流显著增大的故障特 征形成判据构成保护。其中速断保护按照躲开本线路末端最大短路电流整 定,保护本线路的部分;限时速度按保护按躲开下级速度按保护末端短路 整定,保护本线路全长;速断和限时速断的联合工作,保护本线路短路被 快速、灵敏切除。过电流保护躲开最大负荷电流作为本线路和相邻线路短 路时的后备保护。

主要优点是简单可靠,并且在一般情况下也能满足快速切出故障的要求, 因此在电网中特别是在 35KV 及以下电压等级的网络中获得了广泛的应 用。
缺点是它的灵敏度受电网的接线以及电力系统的运行方式变化的影响。灵 敏系数和保护范围往往不能满足要求,难以应用于更高等级的复杂网路。
<2)方向性电流保护:及利用故障是电流复制变大的特征,有利用电流与 电压间相角的特征,在短路故障的流动方向正是保护应该动作的方向,并 且流动幅值大于整定幅值时,保护动作跳闸。适用于多断电源网络。
优点:多数情况下保证了保护动作的选择性、灵敏性和速动性要求。
缺点:应用方向元件是接线复杂、投资增加,同时保护安装地点附近正方 向发生是你想短路时,因为母线电压降低至零,方向元件失去判断的依 据,保护装置据动,出现电压死区。
<3)零序电流保护:正常运行的三相对称,没有零序电流,在中性点直接 接地电网中,发生接地故障时,会有很大的零序电流。故障特征明显,利 用这一特征可以构成零序电流保护。适用网络与 110KV 及以上电压等级的 网络。
优点:保护简单,经济,可靠;整定值一般较低,灵敏度较高;受系统运 行方式变化的影响较小;系统发生震荡、短时过负荷是不受影响;没有电 压死区。
缺点:对于短路线路或运行方式变化较大的情况,保护往往不能满足系统 运行方式变化的要求。随着相重合闸的广泛应用,在单项跳开期间系统中 可能有较大的零序电流,保护会受较大影响。自耦变压器的使用使保护整 定配合复杂化。
<4)方向性零序电流保护:在双侧或单侧的电源的网络中,电源处变压器 的中性点一般至少有一台要接地,因为零序电流的实际流向是由故障点流 向各个中性点接地的变压器,因此在变压器接地数目比较多的复杂网络 中,就需要考虑零序电流保护动作的方向性问题。利用正方向和反方向故 障时,零序功率的差别,使用功率方向元件闭锁可能误动作的保护,从而 形成方向性零序保护。
优点:避免了不加方向元件,保护可能的误动作。其余的优点同零序电流 保护。
缺点:同零序电流保护,接线较复杂。
<5)中性点非直接接地系统中的电流电压保护:在中性点非直接接地系统

中,保护相间短路的电流、电压保护与中性点直接接地系统是完全相同 的。仅有单相接地时二者有差别,中性点直接接地系统中单相接地形成了 短路,有短路电流流过,保护应快速跳闸,除反应相电流幅值的电流保护 外,还可以采用专门的零序保护。而在中性点非直接接地系统中单相接地 时,没有形成短路,无大的短路电流流过,属于不正常运行,可以发出信 号并指出接地所在的线路,以便尽快修复。当有单相接地时全系统出现等 于相电压的零序电压,采用零序电压保护报告有单相接地发生,因为没有 大短路电流流过故障线路这个明显特征,而甄别接地发生在哪条线路上则 困难得多。一般需要专门的“单相接地选线装置”,装置依据接地与非接 地线路基波零序电流大小、方向以及高次谐波特征的差异,选出接地线 路。
3 电网距离保护
3.1 距离保护是利用正常运行与短路状态间的哪些电气量的差异构成的?
答:电力系统正常运行时,保护安装处的电压接近额定电压,电流为正常 负荷电流,电压与电流的比值为负荷阻抗,其值较大,阻抗角为功率因数 角,数值较小;电力系统发生短路时,保护安装处的电压变为母线残余电 压,电流变为短路电流,电压与电流的比值变为保护安装处与短路点之间
一段线路的短路阻抗,其值较小,阻抗角为输电线路的阻抗角,数值较 大,距离保护就是利用了正常运行与短路时电压和电流的比值,即测量阻
jX Zk2
Z set1
Zk1 ZL

O

R

抗之间的差异构成的。 Zk3

3.2 什么是保护安装处的负荷阻抗、短路阻抗、系统等值阻抗?

答:负荷阻抗是指在电力系统正常运行时,保护安装处的电压<近似为额 定电压)与电流<负荷电流)的比值。因为电力系统正常运行时电压较 高、电流较小、功率因数较高<即电压与电流之间的相位差较小),负荷 阻抗的特点是量值较大,在阻抗复平面上与 R 轴之间的夹角较小。

短路阻抗是指在电力系统发生短路时保护安装处的电压变为母线残余 电压,电流变为短路电流,此时测量电压与测量电流的比值就是短路阻

抗。短路阻抗即保护安装处与短路点之间一段线路的阻抗,其值较小,阻 抗角交大。

系统等值阻抗:在单个电源供电的情况下,系统等值阻抗即为保护安 装处与背侧电源点之间电力元件的阻抗和;在由多个电源点供电的情况 下,系统等值阻抗即为保护安装处断路器断开的情况下,其所连接母线处 的戴维南等值阻抗,即系统等值电动势与母线处短路电流的比值,一般通 过等值、简化的方法求出。

3.3 什么是故障环路?相间短路与接地短路所构成的故障环路的最明显差 别是什么?

答:在电力系统发生故障时,故障电流流过的通路称为故障环路。

相间短路与接地短路所构成的故障环路的最明显差异是:接地短路的故障 环路为“相-地”故障环路,即短路电流在故障相与大地之间流通;对于 相间短路,故障环路为“相-相”故障环路,即短路电流仅在故障相之间 流通,不流向大地。

3.4 构成距离保护为什么必须用故障环上的电流、电压作为测量电压和电 流?

答:在三相系统中,任何一项的测量电压与测量电流值比都能算出一个测

量阻抗,但是只有故障环路上的测量电压、电流之间才能满足关系

?

?

?

?.

U m ? Im Zm ? Im Zk ? I Z1Lk , 即 由 它 们 算 出 的 测 量 阻 抗 才 等 于 短 路 阻 抗 , 才 能

够正确反应故障点到保护安装处之间的距离。用非故障环上的测量电压与

电流虽然也能算出一个测量阻抗,但它与故障距离之间没有直接的关系,

不能正确的反应故障距离,虽然不能构成距离保护。

3.5 为了切除线路上各种类型的短路,一般配置哪几种接线方式的距离保 护协同工作?

答:保护装置一般只考虑简单故障,即单相接地短路、两相接地短路、两 相不接地故障和三相短路故障四种类型的故障。再 110KV 及以上电压等级 的输电线路上,一般配置保护接地短路的距离保护和保护相间短路的距离 保护。接地距离保护的接线方式引入“相——地”故障环上的测量电压、 电流,能够准确的反应单相接地、两相接地和三相接地短路;相间距离保 护接线方式映入“相——相”故障换上的测量电压、电流,能够准确地反 应两相接地短路、两相不接地短路和三相短路。即对于单线接地短路,只 有接地距离保护接线方式能够正确反应;对于两相不接地短路,只有相间 距离保护接线方式能够正确反应;而对于两相接地短路及三相短路,两种 接线方式都能够正确反应。为了切除线路上的各种类型的短路,两种接线

方式都需要配置,两者协同工作,共同实现线路保护。
因为相间距离保护接线方式手过渡电阻的影响较小,因此对于两相接地短 路及三相故障,尽管理论上两种接线方式都能够反应,但一般多为相间距 离保护首先跳闸。
3.6 在本线路上发生金属性短路,测量阻抗为什么能够正确反应故障的距 离?
答:电力系统发生金属性短路时,在保护安装处所测量 Um 降低,Im 增 大,它们的比值 Zm 变为短路点与保护安装处之间短路阻抗 Zk。对于具有 均匀参数的输电线路来说,Zk 与短路距离 Lk 成正比关系,即 Zm=Zk=Z1Lk(Z1=R1+jX1,为单位长度线路的复阻抗>,所以能够正确反应 故障的距离。
3.7 距离保护装置一般由哪几部分组成?简述各部分的作用。
答:距离保护一般由启动、测量、振荡闭锁、电压回路断线闭锁、配合逻 辑和出口等几部分组成,它们的作用分述如下:
(1>启动部分:用来判别系统是否发生故障。系统正常运行时,该部分不 动作;而当发生故障时,该部分能够动作。通常情况下,只有启动部分动 作后,才将后续的测量、逻辑等部分投入工作。
(2>测量部分:在系统故障的情况下,快速、准确地测定出故障方向和距 离,并与预先设定的保护范围相比较,区内故障时给出动作信号,区外故 障时不动作。
(3>振荡闭锁部分:在电力系统发生振荡时,距离保护的测量元件有可能 误动作,振荡闭锁元件的作用就是正确区分振荡和故障。在系统振荡的情 况下,将保护闭锁,即使测量元件动作,也不会出口跳闸;在系统故障的 情况下,开放保护,如果测量元件动作且满足其他动作条件,则发出跳闸 命令,将故障设备切除。
(4>电压回路断线部分:电压回路断线时,将会造成保护测量电压的消 失,从而可能使距离保护的测量部分出现误判断。这种情况下应该将保护 闭锁,以防止出现不必要的误动。
(5>配合逻辑部分:用来实现距离保护各个部分之间的逻辑配合以及三段 式保护中各段之间的时限配合。
(6>出口部分:包括跳闸出口和信号出口,在保护动作时接通跳闸回路并 发出相应的信号。
3.8 为什么阻抗继电器的动作特性必须是一个区域?

答:阻抗继电器在实际情况下,因为互感器误差、故障点过度电阻等因素 影响,继电器实际测量到的 Zm 一般并不能严格地落在与 Zset同向的直线 上,而是落在该直线附近的一个区域中。为保证区内故障情况下阻抗继电 器都能可靠动作,在阻抗复平面上,其动作的范围应该是一个包括 Zset对应 线段在内,但在 Zset的方向上不超过 Zset的区域,如圆形区域、四边形区 域、苹果形区域、橄榄形区域等。

jX
O
Zset 2

Z set1
Zm
R

jX
Z set

Zset 2

Zset 2
Zm

O

R

jX

Z set

O

R

(a> <c)

<b)

jX jX

o

R

o

<e)

<d)

图 3-2 常见阻抗继电器的动作特性

<a) 偏移圆阻抗特性;<b) 方向圆阻抗特性;<c) 全 阻抗圆特性;

<d)“8”字形特性; <e)四边形特性

3.9 画图并解释偏移特性阻抗继电器的测量阻抗、整定阻抗和动作阻抗的 含义。

答:偏移特性阻抗继电器的动作特性如图 3—3 所示,各电气量标于图 中。

测量阻抗

Zm

就是保护安装处测量电压

?
U

与测量电流

?
I

m

之间的比值,系统不

同的的运行状态下<正常、震荡、不同位置故障等),测量阻抗是不同

的,可能落在阻抗平面的任意位置。在断路故障情况下,由故障环上的测

量电压、电流算出测量阻抗能够正确的反应故障点到保护安装处的距离。

对于偏移特性的阻抗继电器而言,整定阻抗有两个,即正方向整定阻抗 Zset1 和反方向整定阻抗 Zset2 ,它们均是根据被保护电力系统的具体情况而设 定的常数,不随故障情况的变化而变化。一般取继电器安装点到保护范围 末端的线路阻抗作为整定阻抗。

动作阻抗:是阻抗元件处于临界动作状态对应的测量阻抗,从原点到边界
圆上的矢量连线称为动作阻抗,通常用 Zop 来表示。对于具有偏移特性的阻 抗继电器来说,动作阻抗并不是一个常数,二是随着测量阻抗的阻抗角不 同而不同。

jX O

Z set
Zm Zop R

Zset 2

图 3-3 偏移阻抗特性圆

3.10 解释什么是阻抗继电器的最大灵敏角,为什么通常选定线路阻抗角为 最大灵敏角?

答:当测量阻抗 Zm 的阻抗角与正向整定阻抗 Zset1 的阻抗角相等时,阻 抗继电器的动作阻抗最大,正好等于 Zset1,即 Zop=Zset1,此时继电器最 为灵敏,所以 Zset1 的阻抗角又称为最灵敏角。选定线路阻抗角为最大灵 敏角,是为了保证在线路发生金属性短路的情况下,阻抗继电器动作最灵 敏。

3.11 导出具有偏移圆特性的阻抗继电器的绝对值比较动作方程和相位比较 动作方程。

答:如图 3—4 所示偏移阻抗特性圆,在阻抗复平面上,以 与 Zset1 Zset2 末端

的连线为直径作出的圆就是偏移特性圆,圆心为

1 2

( Z set1

?

Zset 2

)

,半径为

1 2

( Z set1

?

Zset 2

)

测量阻抗

Zm

落在圆内或圆周上时,

Zm

末端到圆心的距离一定

小于或等于圆的半径,而当测量阻抗 Zm 落在圆外时, Zm 末端到圆心的距离 一定大于圆的半径,所以绝对值比较动作方程可以表示为

Zm

?

1 2

( Z set1

?

Z set

2)

?

1 2

(Z

set

1

?

Z

set

2)

当阻抗落在下部分圆周的任一点上时,有

arg Zset ? Z m ? 90

Zm ? Z set2

当阻抗落在左上部分圆周的任一点上时,有

arg Zset1 ? Z m ? ? 90

?9 0

?

a

r

Z g

s

e

t1

?Z

m?

90

Zm ? Z set2

当阻抗落在圆内的任一点时,有

Zm ? Z s e t2

所有

?90 ? argZset1 ? Z m ? 90

阻抗继电器的相位比较动作方程为

Zm ? Z s e t2

jX

Zset1 ? Zm
Zm Zm ? Zset 2 O
Zset 2

Z set1
Zset1 ? Zm
Zm Zm ? Zset 2
R

图 3-4 偏移阻抗特性圆

3.12 阻抗继电器的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程之间的关系是 什么?

答:设绝对值比较式中“ ?”左侧的阻抗记为 ZB ,右侧的阻抗记为 ZA,则

绝对值比较动作条件的一般表达式为 ZB ? ZA ;设相位比较式中分子、分 母的阻抗分别用 ZC和ZD 表示,则相位比较动作条件的一般表达式为

90 ? ZC ? 270

ZD

。可以得出四个量之间关系为 ZC ? ZB ? ZA ZD ? ZB ? ZA

ZB

?

1 2

(ZC

? ZD )

ZA

?

1 2

(ZC

? ZD )

3.13 特性经过原点的方向阻抗继电器有什么优点和缺点?画出相间距离

和接地距离继电器绝对值比较动作回路、相位比较动作回路的交流接线 图。
答:特性经过原点的方向继电器的优点是阻抗元件本身具有方向性,只在 正向区内故障时动作,反方向短路时不会动作。其主要缺点是动作特性经 过坐标原点,在正向出口或反向出口短路时,测量阻抗 Zm 的阻抗值都很 小,都会落在坐标原点附近,正好处于阻抗元件临界动作的边沿上,有可 能出现正向出口短路时拒动或反向出口短路时误动的情况。
方向阻抗继电器绝对值比较动作回路、相位比较动作回路的交流接线图分 别如图 3—5 和图 3—6 所示<以圆特性的方向阻抗元件为例)。

TA TV

R UR

1? 2 K1 I m

?
UA





?



1 2

K1

?
I

m



T



?



?
? KU U m

UB



TA TV

R

UR

??
K1 I m

?
? KU U m T
?? KU U m

?

UC











?



UD

3.14 什么是距离继电器的参考电压?其工作电压作用是什么?选择参考 电压的原则是什么?

答:在相位比较的距离继电器中,用作相位比较的电压称为参考电压,也

?

180

?

a1

?

arg U op ?

? 180

? a2

?

叫做极化电压,例如在相位比较式

Um

中,用电压U m 判

?

?

断U m 相位是否符合方程式,所以U m 就称为参考电压和极化电压。

选择参考电压的原则:相位不随故障位置变化、在出口短路时不为 0 的电 压量作为比相的参考电压,如正序电压、记忆电压等。

3.15 以记忆电压为参考电压的距离继电器有什么特点?其初态特征与稳 态特征有何差别?

答:以记忆电压为参考电压的距离继电器可消除所有故障的死区,尤其是 克服出口三相对称短路时三相电压都降为零而失去比较依据的不足;但其 动作特性不能长期保持。

处态特性与稳态特性差别:①在传统的模式距离保护中,记忆电压是通过 LC 谐振记忆回路获得的,因为回路电阻的存在,记忆量是逐渐衰减的,故

障一定时间后,记忆电压将衰减至故障后的测量电压。所有记忆回路产生 的仅在故障刚刚发生、记忆尚未消失时是成立的,因此称之为处态特性; ②数字式保护中,记忆电压就是存放在存储器中的故障前电压的采样值, 虽然不存在衰减问题,但故障发生一定时间后,电源的电动势发生变化, 将不再等于故障前的记忆电压,在用故障前的记忆电压作为参考电压,特 性也将会发生变化。所以记忆电压仅能在故障后的一定时间内使用,例如 仅在Ⅰ、Ⅱ段中采用。

3.16 用相位比较方法实现距离继电器有何优点,以余弦比相公式为例说 明之。

答:对于两电气量比较的距离继电器而言,绝对值比较与相位比较是可以

相互转换的,所以两种比较方式都能够实现距离继电器。在数字式保护

中,一般用相位比较方式实现,主要原因是相位比较方式实现较为简单。

?

?90 ? argU C ? 90 ?

相位比较的动作条件为

UD ,该条件可以等值为

UCRU DR ? U CIU DI? 0 ,即只要判断其正负,就可以判断出继电器是否满足动作

条件,实现十分方便。

3.17 什么是最小精确工作电流和最小精确工作电压?测量电流或电压小于 最小精工电流或电压时会出现什么问题?

答:通常情况下,在阻抗继电器的最灵敏角方向上,继电器的动作阻抗就 等于其整定阻抗,即 Zop=Zset。但是当测量电流较小时,因为测量误 差、计算误差、认为设定动作门槛等因素的影响,会使继电器的动作阻抗 变小,使动作阻抗降为 0.9Zset 对应的测量电流,称为最小精确工作电 流,用 Iac.min 表示。

当测量电流很大时,因为互感器饱和、处理电路饱和、测量误差加大等因 素的影响,继电器的动作阻抗也会减小,使动作阻抗降为 0.9Zset 对应的 测量电流,称为最大精确工作电流,用 Iac.max 表示。

最小精工电流与整定阻抗也会减小,使动作阻抗降为 0.9Zset 对应的测量 电流,称为最大精确工作电流,用 Iac.max 表示。

最小精工电流与整定阻抗值的乘积,称为阻抗继电器的最小精工电压,常 用 Uac.min 表示。

当测量电流或电压小于最小精工电流电压时,阻抗继电器的动作阻抗将降 低,使阻抗继电器的实际保护范围缩短,可能引起与之配合的其他保护的 非选择性动作。

3.18 图 3-7 所示系统中,发电机以发电机-变压器方式接入系统,最大开 机方式为 4 台全开,最小开机方式为两侧各开 1 台,变压器 T5 和 T6 可能

2 台也可能 1 台运行。参数为: E? ? 115 / 3kV, X1.G1 ? = X 2.G1

X1 .G 2 ?

X

2G.

2=15 ? , X1.G3

?

= X X 2.G3

1.G 4

?

X 2.G4 =10 ? ,

X1.T1 ~ X1.T 4 = 1 0 ? , X 0.T1 ~ X 0.T 4 = 3 0 ? , X1.T 5 ? X1.T 6 = 2 0 ? , X 0.T 5 ? X 0.T 6 = 4 0 ? ,

LA?B =60km, LB?C =40km,线路阻抗 Z1 = Z2 =0.4 ? /km, Z0 =1.2 ? /km,线路阻

抗角均为 75°, L ? A? B. Lmax L C? B. L m =ax 300A,负荷功率因数角为 30°;

K

ss

=

1

.

2



KⅠ rel

=

0

.

8

5



K

Ⅱ rel

=

0

.

7

5





































A

B

C

G1

T1

T3

G3

1

2

3

4

G2

T2

T5

T4

G4

T6

图 3-7 系统示意图

<1)为了快速切除线路上的各种短路,线路 A-B、B-C 应在何处配备三段 式距离保护,各选用何种接线方式?各选用何种动作特性?

答:应在 1、2、3、4 处配备三段式距离保护;选用接地距离保护接线方 式和相间距离保护接线方式;它们的Ⅰ、Ⅱ段选择具有方向特性的距离保 护,Ⅲ段具有偏移特性的距离保护。

<2)整定保护 1~4 的距离Ⅰ段,并按照你选定的动作特性,在一个阻抗复 平面上画出各保护的的动作区域。

答:线路 AB 正序阻抗 ZAB ? Z1LA?B =0.4×60=24 ?

线路 BC 的正序阻抗 ZB?C ? Z1LB?C =0.4×40=16 ?

保护 1、2 的距离保护Ⅰ段

ZⅠ set.1,2

?

KⅠ rel

ZAB

=

0

.

8

5

×

2

4

=

2

0

.

4

?

保护 3、4 的距离保护Ⅰ段

ZⅠ set.3,4

?

KⅠ rel

ZBC

=0.85×16=13.6

?

保护 1~4 距离Ⅰ段在复阻抗平面上的动作区域如图 3-8 所示,圆周 1、 2、3、4 分别对应保护 1、2、3、4 距离Ⅰ段的动作特性。

jX

jX

A

B

C

1

23

4

R R

图 3-8 保护 1~4 距离Ⅰ段的动作特性

<3)分别求出保护 1、4 接地距离保护的最大、最小分支系数。

答:对保护 1

1)当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时,有 K1b.max =2.88, K1b.min =1.59

2)当与相邻变压器的快速保护相配合时,有 K1b.max =2.88, K1b.min =2.01

对保护 4

1)当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时,有 K4b.max =2.26, K4b.min =1.41

2)当与相邻变压器的快速保护相配合时,有 K4b.max =1.99, K4b.min =1.53

<4)分别求出保护 1、4 接地距离Ⅱ、Ⅲ段的定值即时限,并校验灵敏 度。

答:保护 1 距离Ⅱ段的整定:

1)整定阻抗:按下面两个条件选择。

<a)当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时,有

ZⅡ set .1

?

KⅡ rel

(Z

AB

?

K Z ) Ⅰ 1b. min set.3

=0.75×<24+1.59×13.6)=34.218

?

<b)当与相邻变压器的快速保护相配合时,有

ZⅡ set .1

?

KⅡ rel

(Z AB

?

K1b.min Zt

)

=0.75×<24+2.01×20)=48.15

?







ZⅡ set .1

=

3

4

.

2

1

8

?

2)灵敏度校验:

Ksen

?

ZⅡ set.1
Z AB

?

34.218 24

=1.43>1.25,满足灵敏度要求。

3)动作时限:与相邻保护 3 的Ⅱ段配合,有 t1Ⅱ ? tⅡ3 ? ?t =0.5+0.5=1s,它 能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

保护 1 距离Ⅲ段的整定:

1)整定阻抗:按躲过正常运行时 的最小负荷阻抗整定,有

?

Z L. min

?

U
?

L. min

U L.max

=

0.9 ?110

ZⅢ set .1

3 ? 0.3 =190.53 ? ,

?

K Z rel L.min Kss Kre cos(?set ? ?L )

ZⅢ set .1

?

0.83 ? 190.53 1.2 ?1.2 ? cos(75 ? 30

)

=155.93

?

2)灵敏度校验:

<a)本线路末端短路时灵敏度系数为

Ksen(1)

?

ZⅢ set.1
Z AB

? 155.93
24 =6.50>1.5

<b)相邻设备末端短路时灵敏度系数为

≥1 . 2 Ksen(2)

?

Z AB

ZⅢ set.1
? K1b.max Znext

① 相邻线路末端短路时灵敏系数。利用<3)中求灵敏系数的结论,只要 令 X BK ? X BC , X K ? 0 即可,所以有

K1b ? 1 ?

X 56.0

? 2?

1

1

?[ X56.0 ? (1 ? X BC0 )(1 ?

X 56.0

)]

X12.0 ? X AB0 3 1 ? X12.1 ? X AB1

X 34.0

X 34.0

X12.0 ? X AB0

X 34.1

当 X 34.1 、 X 56.0 min 分别取最小值,而 、 X12.1 X12.0 、 X 34.0 分别取最大值时, K1b 就 取最大值,即当

X 34.1min = 1 0 ? , X 56.0 min = 2 0 ? , X12.1max = 2 5 ? , X12.0 max = 3 0 ? , X 34.0 max = 3 0 ? 时,有

K1b m =ax 2 . 88 , Znext

?

ZBC = 1 6 ? , Ksen(2)

?

Z AB

ZⅢ set.1
? K1b.max Znext

=2.33>1.2

②相邻变压器灵敏系数校验,此时 K1bmax =2.88, Znext ? Zt =20 ?

Ksen(2)

?

Z AB

ZⅢ set.1
? K1b.max Znext

=1.91>1.2

所以灵敏度校验要求。

3)动作时限:与相邻设备保护配合,有 t1Ⅱ ? tⅡ3 ? ?t =1s,它能同时满足与相 邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

保护 4 距离Ⅱ段的整定:

1)整定阻抗:按下面两个条件选择。

<a)当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时,有

ZⅡ set .4

?

KⅡ rel

( Z BC

?

K

4b.

min

ZⅠ set

.2

)

=

0

.

7

5

×

<

1

6

+

1

.

4

1

×

2

0

.

4



=

3

3

.

5

7

3

?

<b)当与相邻变压器的快速保护相配合时,有

ZⅡ set .4

?

KⅡ rel

( Z BC

?

K4b.min Zt

)

=0.75×<16+1.53×20)=34.95

?







ZⅡ set .4

=

3

3

.5

7

3

?

2)灵敏度校验:

Ksen

?

ZⅡ set.4
Z BC

?

33.573
16 =2.1>1.25,满足灵敏度要求。

3)动作时限:与相邻保护 2 的Ⅰ段配合,有 t1Ⅱ ? tⅡ3 ? ?t =0.5+0.5=1s,它 能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

保护 4 距离Ⅲ段的整定:

1)整定阻抗:按躲过正常运行时 的最小负荷阻抗整定,有

?

Z L. min

? U L.min ? U L.max

=

0.9 ?110

ZⅢ set .4

3 ? 0.3 =190.53 ? ,

?

K Z rel L.min Kss Kre cos(?set ? ?L )

ZⅢ set .4

?

0.83 ? 190.53 1.2 ?1.2 ? cos(75 ? 30

)

=155.93 ?

2)灵敏度校验:

<a)本线路末端短路时灵敏度系数为

Ksen(1)

?

ZⅢ set.4
Z BC

? 155.93
16 =9.74>1.5

<b)相邻设备末端短路时灵敏度系数为

≥1 . 2 Ksen(2)

?

Z BC

ZⅢ set.4
? K4b.max Znext

① 相邻线路末端短路时灵敏系数。利用<3)中求灵敏系数的结论,只要 令 X BK ? X BC , X K ? 0 即可,所以有

1

K4b ? 1?

X 56.0

? 2?

1

?[ X56.0 ? (1 ? X AB0 )(1 ?

X 56.0

)]

X12.0 ? X BC0 3 1 ? X 34.1 ? X AC1

X12.0

X12.0

X 34.0 ? X BC0

X12.1

当 、 X12.1 X 56.0 分别取最小值,而 、 X 34.1 X12.0 、 X 34.0 分别取最大值时, K1b 就取 最大值,即当

X12.1min = 1 2 .5 ? , X 56.0 min = 2 0 ? , X 34.1max = 2 0 ? , X12.0 max = 3 0 ? , X 34.0 max = 3 0 ? 时,

有 K1b max =2.21 , Znext

?

ZAB =24 ? ,

Ksen(2)

?

Z BC

ZⅢ set.4
? K4b.max Znext

=2.26>1.2

②相邻变压器灵敏系数校验,此时 K4bmax =1.99, Znext ? Zt =20 ?

Ksen(2)

?

Z BC

?

ZⅢ set.4
K Z 4b.max next

=2.79>1.2

所以灵敏度校验要求。

3)动作时限:与相邻设备保护配合,有 tⅡ4 ? tⅡ2 ? ?t =1s,它能同时满足与相 邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

<5)当 AB 线路中点处发生 BC 两相短路接地时,那个地方哪些测量元件动 作,请逐一列出。保护、断路器正常工作条件下,哪些保护的何段以什么 时间跳开了哪些断路器将短路切除。

答:当 AB 线路中点处发生 B、C 两相短路接地时,接地保护中:B 相、C 相的接地距离保护的测量元件动作;相间距离保护中,B、C 相间距离保护 的测量元件动作。保护、断路器正常工作条件下,保护 1 的 B,C 相的接地 距离保护Ⅰ段、BC 相间距离保护Ⅰ段、保护 2 的 B,C 相的接地距离保护 Ⅰ段、BC 相间距离保护的Ⅰ段,将在故障瞬间跳开保护 1,2 处的断路 器,从而将短路故障切除。

<6)短路条件同<5),若保护 1 的接地距离Ⅰ段拒动、保护 2 处断路器拒 动,哪些保护以时间跳开何断路器将短路切除。

答:保护 1 的相间距离保护Ⅰ段将在故障瞬间跳开保护 1 处的断路器,保 护 4 的距离Ⅲ段延时 1s 跳开保护 4 的断路器。

<7)假定各保护回路正确动作的概率为 90%,在<5)的短路条件下,全系 统中断路器不被错误切除任意一个的概率是多少?体会保护动作可靠性应

要求到多高?

答:假定保护 1 在发电厂侧还有 1 套远后备保护,则线路 AB 中点短路后 应该有 4 个断路器的跳闸回路被 4 套保护启动,如果各保护回路正确动作 的概率只有 90%,则全系统中不被错误切除任意一个断路器的概率是 P=0.9×0.9×0.9×0.9=0.6561。

3.19 什么是助增电流和外汲电流?它们对阻抗继电器的工作有什么影响?

?

?

?

答:图 3-9<a)中母线 B 上未接 I3分支的情况下, I1 ? I2,此时 k 点短路

时,A 处阻抗继电器 KZ1 测量到的阻抗为

?

?

?

Z1

?

U
?

? I1 Z AB ? I 2 ZBk ?

? Z AB ? ZBk

? Z Ak

I1

I1

?

?

??

在母线 B 接上 I 3 分支后, I 2 ? I1? I 3,k 点短路时,A 处阻抗继电器 KZ1 测量

到的阻抗为

?

?

??

?

?

U Z1 ? ?

? I1 ZAB ? (I1 ? I 3 )ZBk ?

? Z AB ? ZBk

? I 3 ZBk ?

? Z Ak

? I 3 ZBk ?

I1

I1

I1

I1

?

?

?

即在 I3相位与 I1相差不大的情况下,分支 I3的存在将使 A 处感受到的测量

?
阻抗变大,这种使测量阻抗变大的分支就成为助增分支,对应的电流 I3称

为助增电流。

?

?

?

类似地图 3-9<a)中,在母线 B 上未接 I3分支的情况下, I1 ? I2,此时 k 点

短路时,A 处阻抗继电器 KZ1 测量到的阻抗为

?

?

?

Z1

?

U
?

?

I1

Z AB

?
?

I2

Z Bk

? Z AB ? ZBk

? Z Ak

I1

I1

?

?

??

在母线 B 接上 I 3 分支后, I 2 ? I1? I 3,k 点短路时,A 处阻抗继电器 KZ1 测量

到的阻抗为

?

?

??

?

?

U Z1 ? ?

? I1 ZAB ? (I1 ? I 3 )ZBk ?

?

Z AB

?

Z Bk

?

I 3 ZBk
?

? Z Ak

? I 3 ZBk ?

I1

I1

I1

I1

?

?

?

即在 I3相位与 I1相差不大的情况下,分支 I3的存在将使 A 处感受到的测量

?
阻抗变小,这种使测量阻抗变大的分支就成为外汲分支,对应的电流 I3称

为外汲电流。
3.20 在整定值相同的情况下,比较方向圆特性、全阻抗圆特性、苹果特 性、橄榄特性的躲负荷能力。
答:在整定值相同的情况下,橄榄特性、方向圆特性、苹果特性、全阻抗 圆特性分别如图 3-10 中的 1、2、3、4 所示。由该图可以清楚地看出,在 整定值相同的情况下,橄榄特性的躲负荷能力阻抗能力最好,方向圆阻抗 特性次之,苹果形与全阻抗的躲负荷能力需要具体分析,取决于负荷阻抗 角以及苹果形状的“胖瘦”。

jX

Z set

jX
Z set

1

2

o

R

3

o

R

4

图 3-10 四种阻抗特性图

3.21 什么是电力系统的振荡?振荡时电压、电流有什么特点?阻抗继电器 的测量阻抗如何变化?

答:电力系统中发电机失去同步的现象,称为电力系统的振荡;电力系统 振荡时,系统两侧等效电动势间的夹角δ 在 0°~360°范围内作周期性变 化,从而使系统中各点的电压、线路电流、距离保护的测量阻抗也都呈现 周期性变化。在系统两端电动势相等的条件下,测量阻抗按下式的规律变 化,对应的轨迹如图 3.10 所示。

Zm

?

(1 2

Z?

? ZM

)?

j

1 2 Z?

? cot
2

?

(1 2

?

?M

)Z?

?

j

1 2 Z?

? cot
2

jX O’
1 2 Z?
M

N

1 Ke ? 1

?

Zm

Ke ? 1
O

(1 2

?

?M

)Z?

2

Ke ? 1

R

3.22 采用故障时短时开放的方式为什么能够实现振荡闭锁?开放时间选择 的原则是什么?

答:1、利用电流的负序、零序分量或突变量,实现振荡闭锁。2、当系统 发生故障时,短时开放距离保护允许保护出口跳闸称为短时开放。若在开 放的时间内,阻抗继电器动作,说明故障点位于阻抗继电器的动作范围之 内,将故障线路跳开;若在开放的时间内阻抗继电器未动作,则说明故障 不在保护区内,重新将保护闭锁。

开放时间选择的原则:Tdw 称为振荡闭锁的开放时间,或称允许动作时 间,它的选择要兼顾两个方面:一是要保证在正向区内故障时,保护 I 段 有足够的时间可靠跳闸,保护Ⅱ段的测量元件能够可靠启动并实现自保 持,因而时间不能太短,一般不应小于 0.1s;二是要保证在区外故障引起 振荡时,测量阻抗不会在故障后的 Tdw 时间内进入动作区,因而时间又不 能太长,一般不应大于 0.3s。

3.23 系统如图 3-12 所示,母线 C、D、E 均为单侧电源。全系统阻抗角

均为

8 0 °, Z1.G 1 ? Z 1G.

2=

1

5

?



Z1. AB

=

3

0

?



ZⅠ 6.set

=

2

4

?



ZⅡ 6.set

=32

?



tⅡ6 =0.4s,系统最短振荡周期 T=0.9s。试解答:

A

B

G1

6

5

C

D

E

3

2

1

G2
4

图 3-12 简单电力系统示意图 (1) G1、G2 两机电动势幅值相同,找出系统的振荡中心在何处? <2)分析发生在振荡期间母线 A、B、C、D 电压的变化规律及线路 A-B 电 流的变化。 <3)线路 B-C、C-D、D-E 的保护是否需要加装振荡闭锁,为什么?

<4)保护 6 的Ⅱ段采用方向圆阻抗特性,是否需要装振荡闭锁?

答:<1)在系统各部分的阻抗角都相等的情况下,振荡中心的位置就在阻







1 2

Z?



,则



1 2

Z?

=

1 2

<

1

5+

1

5

+

3

0

)=

3

0

?

即在 AB 线路的中点。

(2) 对于母线 A、B,有

?

?

?

?

?
I

?

EG1 ? EG2

?

?E

?

EG1 (1 ? e? j? )

Z?

Z?

Z?

?

?

??

U A ? EG1 ? I Z1.G1

?

?

??

U B ? EG2 ? I Z1.G2

因为母线 C、D 都是单端电源,其电压和母线 B 电压的变化规律一 样。

(3) 不需要,线路 B-C、C-D、D-E 都是单端电源,在保护处所得出 来的测量阻抗不受振荡的影响。

(4) 保护 6 的Ⅱ段方向圆阻抗特性及测量阻抗的变化轨迹如图 3-13 所

示,此时有 Z? =15+15+30=60 ? 。系统振荡时测量阻抗变化轨迹 OO’是

G1G2











线



ZⅡ 6.set

=

3

2

?























16,这样使测

30
量阻抗进入动作的角度为 ?1 =2arctan 182 ?12 ≈118°,使测量阻抗离开

30
动作圆的角度为 ?1 =360°-2arctan 182 ?12 ≈242°。

故 停 留 在 动 作 区 内 的 角 度 为 ?? ? ?2 ? ?1 =242 ° -118 ° =124 ° 。 若 振 荡 为 匀速振荡,在最短振荡周期的情况下,停留在动作区域的时间为

?t ? 0.9 ?124?
360? =0.31s,小于Ⅱ段的整定时间 0.4s。所以在最短振荡周期 振荡的情况下,距离Ⅱ段不会误动,可以不加振荡闭锁。
但是,如果振荡周期加长,测量阻抗停留在动作区域之内的时间也 将会加长,Ⅱ段将由可能误动,在整定时间为 0.4s 的情况下,允许最
0.4 ? 360?
长的振荡周期为 T= 124? ≈1.16s,即振荡周期不会超过 1.16s 时Ⅱ 段别后悔误动,超过时可能误动。 为了保证可靠性,最好还是经过振荡闭锁。
jX
G2

O’

B

?2

OS

?1

O

A

R

G1

图 3-13 振荡对距离保护的影响

3.25 在单侧电源线路上,过度电阻对距离保护的影响是什么?

答:如图 3-15<a)所示,在没有助增和外汲的单侧电源线路上,过度电

阻中的短路电流与保护安装处的电流为一个店里,此时保护安装处测量电

?

?

??

压和测量电流的关系可以表示为 U m ? I m Zm ? I m (Z k ? Rg ) 即 Zm ? Z k ? Rg

如图 3-15<b)所示,Rg<过度电阻)的存在总是使继电器的测量阻抗值增 大,阻抗角变小,保护范围缩短。保护装置距短路点越近时,受过度电阻 的影响越大;同时,保护装置的整定阻抗越小<相当于被保护线路越 短),受过度电阻的影响越大。

A

?B

C

I 1

m

2

?
Um

Rg

jX

jX C

Rg

B

R

Zm

A

R

图 3-15<a) 单侧电源系统示意图 距离保护的影响

<b)对不同安装地点的

3.26 在双侧电源的线路上,保护测量到的过度电阻为什么会呈容性或感 性?

答:以图 3-16<a)所示的没有助增和外汲双侧电源线路为例,保护安装

?

??

?

处测量电压和测量电流的关系表示为 U m ? I k '(Z k ? Rg ) ? I k '' Rg ,即

?

Zm

?

(Z k ?

Rg ) ?

I
?

k

''

Rg

Ik' ,

Rg

对测量阻抗的影响,取决于对侧电源提供的短路电

?

?

流大小即 I k ' 、 I k'' 之间的相位关系,杨浦可能使测量阻抗的实部增大,也有

可能使之减小。若再故障前 M 侧为送端,N 侧为受端,则 M 侧电源电动势

?
的相位超前 N 侧。这样,在两侧系阻抗的阻抗角相同的情况下, Ik'的相位

?

?

I
?

k

''

Rg

将超前 I k'' ,从而 I k' 将具有负的阻抗角,即表现为容性的阻抗,它的存

在有可能使总得测量阻抗变小。反之,若 M 侧为受端,N 侧为送端,则

?

I
?

k

''

Rg

Ik' 将具有正的阻抗角,即表现为感性的阻抗,它的存在有可能使总得测

?

?

量阻抗变大。在系统振荡加故障的情况下, I k ' 与 I k'' 之间的相位差可能在

0°~360°的范围内变化,如图 3-16<b)所示。

jX

jX

C

M

A

B

?

1 I 'k

2

?C I ''k

N

?
I k Rg

Rg B
Z m1

R

?

I
?

k

''

Rg

Ik'

A

R

图 3-16<a)双侧电源系统示意图

<b)对不同安装地点的距离保护

的影响

3.27 系统保护及保护配置同题 3.23,保护 6 的Ⅰ、Ⅱ段都采用方向阻抗 特性,在距离保护 A 母线 20 ? 处发生经 15 ? 的过度电阻短路, EG1超前 EG2 相位角 0°、30°两种条件下,问保护 6 的Ⅰ、Ⅱ段动作情况。

答:由已知得

ZⅠ 6.set

=

2

4

?



ZⅡ 6.set

=

3

2

?

,又



?

Zm

?

(Z k ?

Rg ) ?

I
?

k

''

Rg

Ik'



?

?

?
Ik'

?

EG1 ? U (15 ? 20)e j80?

?

?

?
I k ''

?

EG2 ?U (15 ? 10)e j80?

?
<U

?
为故障点电压),U

?

?
(I k '?

?
Ik

'')Rg

?
I k ''

?

?

?

<1) EG1超前 EG2 相位角 0°时,有 I k ' =7/5 所以有

Zm

? (20e j80?

?15) ?

7 5

?15

=

44.11e

j 26.52?

如图 3-17<a)所示,在相位角 26.52°上,Ⅱ段的边界值为

Zd

?

2

?

1 2

ZⅡ 6.set

cos(80? ? 25.62?)
=19.04<44.11

测量阻抗 Zm 将落在保护 6 的Ⅰ、Ⅱ段动作特性圆的圆外,所以保护 6 Ⅰ、Ⅱ段都不的动作。

jX

C

ZⅡ 6.set
B
ZⅠ 6.set

jX

C

ZⅡ 6.set
B
ZⅠ 6.set

Zm

Zd

A

A

R

R

Zm

图 3-17 <a)动作特性与测量阻抗 测量阻抗

<b)动作特性与

?

?

<2) EG1超前 EG2 相位角 30°时,有

?

?

?

?

?

?

?

I k ''

?

EG2 ?U

?

7

?

EG1 e? j30?

?U

?

7

?

(EG1 / U )e? j30?

?1 ?

7

?
Ik'

?

?

EG1 ? U

5

?

?

EG1 ? U

5

?

?

(EG1 / U ) ?1

5
,而

?

?

?

?

?

?

?

?

?
U

?

?

? (I k '? I k '')Rg

? ( EG1 ? U 35e j80?

?

EG2 ?U 25e j80?

)

Rg

? ( EG1 ? U 35e j80?

?

E

e? j30?
G1

?

25e j80?

U

)

Rg

?

?

?

?

1 ? [(EG1 / U ) ?1 ? 35e j80?

(EG1 / U )e? j30? 25e j80?

?1 ]Rg

?

?

EG1 / U

? 0.85e j48.76?

故得

?

?

?

I k ''
?
Ik'

?

(EG1 / U )e?

j 30?

?1 ?

?

?

(EG1 / U ) ?1

7 5

=1.53

e?

j105.79?

=-0.42-j1.47

?

Zm

? (Z k ? Rg ) ?

I
?

k

''

Rg

I k ' =<20 e j80? +15)+<-0.42-j1.47)×15=12.173-

j2.354=12.4 e? j10.94? 如图<b)所示,因为-10.94°相角方向上的测量阻抗

与保护 6 的Ⅰ、Ⅱ段动作特性圆没有交点<除原点外),测量阻抗落在动

作特性圆的圆外,所以保护 6 的Ⅰ、Ⅱ段都不动作。

3.28 什么是距离保护的稳态超越?克服稳态超越影响的措施有哪些?

答:稳态超越是指在区外故障期间测量阻抗稳定地落入动作区的动作现 象。见图 3-16<a),A 处的总测量阻抗可能会因下级线路出口处过渡电阻

的影响而减小,严重情况下,可能会使测量阻抗落入其Ⅰ段范围内,造成 其Ⅰ段误动作。这种因过渡电阻的存在而导致保护测量阻抗变小,进一步 引起保护误动作的现象,称为距离保护的稳态超越。
克服稳态超越影响的措施是:采用能容许较大的过渡电阻而不至于拒动的 测量元件。
3.29 什么是距离保护的暂态超越?克服暂态超越影响的措施有哪些?
答:在线路发生短路时,因为各种原因,会使得保护感受到的阻抗值比实 际路线的短路阻抗小,使得下一线路出口短路<即区外故障)时,保护出 现非选择性动作,即所谓超越。暂态超越则是指在线路故障时,因为暂态 分量的存在而造成的保护超越现象。
克服暂态超越影响的措施如下:
<1)清除衰减直流分量影响的直流措施,
主要由两种方法,第一种方法就是采用不受其影响的算法,如解微分方程 算法等基于瞬间值模型的算法;第二种方法是采用各种滤波衰减直流分量 的算法,到目前为止,数据窗短、运算量小的算法尚在研究中。
<2)消除谐波及高频分量对距离保护影响的措施包括:采用傅是算法能够 滤除各种整次谐波,使其基本不受整数次谐波分量的影响;采用半积分算 法对谐波也有一定的滤波作用;数字滤波可以方便地滤除整数次谐波,对 非整数次谐波也有一定的衰减作用,是消除谐波影响的主要措施。
3.30 串联补偿电容器对距离保护的正确工作有什么影响?如何克服这些 影响?
答:在串补电容前和串补电容后发生短路时,短路阻抗将会发生突变,短 路阻抗与短路距离的线性关系被破坏,将使距离保护无法正确测量故障距 离。
减少串补电容影响的措施通常有以下几种:
<1)用直线型动作特性克服反方向误动;
<2)用负序功率方向元件闭锁误动的距离保护;
<3)选取故障前的记忆电压为参考电压来克服串补电容的影响;
<4)通过整定计算来减小串补电容的影响。
3.31 用故障分量构成继电保护有什么有点?
答:工频故障分量的距离保护具有如下几个特点。

<1)继电器以电力系统故障引起的故障分量电压电流为测量信号,不反应 故障前的负荷量和系统振荡,动作性能不受非故障状态的影响,无需加振 荡闭锁。

<2) 继电器仅反应故障分量的工频稳态量,不反应其暂态的分量,动作 性能较为稳定;

<3)继电器的动作判据简单,因而实现方便,动作速度较快;

<4)具有明确的方向性,因而既可以作为距离元件,又可作为方向元件使 用;

<5)继电器本身具有较好的选相能力。

3.32 什么是工频故障分量?如何求得?

答:当电力系统发生金属性短路时,可以分解为非故障状态和附加故障状 态;系统在非故障状态下运行,电压电流中没有故障分量。系统故障时, 相当于系统故障附加状态突然接入,这时出现 ?u 和 ?i 的电压、电流故障分 量;在 ?u 和 ?i 中,既包括了系统短路引起的工频的电流电压的变化分量, 还包括短路引起的故障暂态分量;我们称工频电压、电流的变化量为工频 故障分量。由图 3-18 所示的附加故障状态的电路图可以得

?

?
?I ?

? Ek

?

?

Zs ? ZK ?U ? ?? I Zs 。

?i

k

Zs

Zk

?u

t=0
?
? Ek

图 3-18 所示的附加故障状态的电路图

3.33 简述工频故障分量距离继电器的工作原理。

答:在图 3-18 中,保护安装处的工频故障分量电压为与正常运行时该点

电压大小相同、方向相反的电动势,工频故障分量电流可以表示为

?

?
?I ?

? Ek

?

?

Zs ? ZK , ?U ? ?? I Zs 。取工频故障分量距离元件的工作电压为

?

?

?

?U op ? ?U ? ? I Zset ? ?? I (Zs ? Zset ) 。式中, Z set为保护的整定阻抗,一般取为线

?
路正序阻抗的 80%~85%。比较工作电压 ?U op 与故障附加状态下短路点电

压大小,即比较工作电压与非故障状态下短路电压的大小

U [0] k

就能够区

?
分内、外的故障。工频故障分量距离元件的动作判据可以表示为 | ?U op |



U

[0] k



























































故障,保护不动作。

4 输电线路纵联保护

4.1 纵联保护依据的最基本原理是什么?

答:纵联保护包括纵联比较式保护和纵联差动保护两大类,它是利用线路 两端电气量在故障与非故障时、区内故障与区外故障时的特征差异构成保 护的。纵联保护的基本原理是通过通信设施将两侧的保护装置联系起来, 使每一侧的保护装置不仅反应其安装点的电气量,而且哈反应线路对侧另 一保护安装处的电气量。通过对线路两侧电气量的比较和判断,可以快 速、可靠地区分本线路内部任意点的短路与外部短路,达到有选择、快速 切除全线路短路的目的。

纵联比较式保护通过比较线路两端故障功率方向或故障距离来区分区 内故障与区外故障,当线路两侧的正方向元件或距离元件都动作时,判断 为区内故障,保护立即动作跳闸;当任意一侧的正方向元件或距离元件不 动作时,就判断为区外故障,两侧的保护都不跳闸。

纵联差动保护通过直接比较线路两端的电流或电流相位来判断是区内 故障还是区外故障,在线路两侧均选定电流参考方向由母线指向被保护线 路的情况下,区外故障时线路两侧电流大小相等,相位相反,其相量和或 瞬时值之和都等于零;而在区内故障时,两侧电流相位基本一致,其相量 和或瞬时值之和都等于故障点的故障电流,量值很大。所以通过检测两侧 的电流的相量和或瞬时值之和,就可以区分区内故障与区外故障,区内故 障时无需任何延时,立即跳闸;区外故障,可靠闭锁两侧保护,使之均不 动作跳闸。

4.2 纵联保护与阶段式保护的根本差别是什么?

答:纵联保护与阶段式保护的根本差别在于,阶段式保护仅检测、反应保 护安装处一端的电气量,其无延时的速动段<即第Ⅰ段)不能保护全长, 只能保护线路的一部分,另一部分则需要依靠带有一定延时的第Ⅱ段来保 护;而纵联保护通过通信联系,同时反应被保护线路两端的电气量,无需 延时配合就能够区分出区内故障与区外故障,因而可以实现线路全长范围

内故障的无时限切除。
4.5 通道传输的信号种类、通道的工作方式有哪些?
答:在纵联比较式保护中,通道中传送的信号有三类,即闭锁信号、允许 信号和跳闸信号。在纵联电流差动保护中,通道中传送的是线路两端电流 的信息,可以是用幅值、相角或实部、虚部表示的相量值,也可以是采样 得到的离散值。在纵联电流相位差动保护中,通道中传送的是表示两端电 流瞬时值为正<或负)的相位信息,例如,瞬时值为正半周时有高频信 息,瞬时值为负半周时无高频信息,检测线路上有高频信息的时间,可以 比较线路两端电流的相位。不同的通道有不同的工作方式,对于载波通道 而言,有三种工作方式,即正常无高频电流方式、正常有高频电流方式和 移频方式。对于光纤及微波通道,取决于具体的通信协议形式。
4.12 输电线路纵联电流差动保护在系统振荡、非全相运行期间,会否误 动,为什么?
答:系统振荡时,线路两侧通过同一个电流,与正常运行及外部故障时的 情况一样,差动电流为量值较小的不平衡电流,制动电流较大,选取适当 的制动特性,就会保证不误动作。非全相运行时,线路两侧的电流也为同 一个电流,电流纵联差动保护也不误动作。
4.14 为什么纵联电流差动保护要求两侧测量和计算的严格同步,而方向比 较式纵联差动保护原理则无两侧同步的要求?
4.20 什么是闭锁角,由什么决定其大小,为什么保护必须考虑闭锁角,闭 锁角的大小对保护有何影响?
4.21 什么是相继动作,为什么会出现相继动作,出现相继动作对电力系统 有何影响?
答:在输电线路保护中,一侧保护先动作跳闸后,另一侧保护才能动作的 现象称为相继动作。
随着被保护线路的增长,为了保证区外故障时不误动作,要求保护的闭锁 角增大,从而使动作区域变小,内部故障时有可能进入保护的不动作区。 因为在内部故障时高频信号的传输延时对于电流相位超前侧和滞后侧的影 响是不同的,对于滞后的 N 侧来说,超前侧 M 发出的高频信号经传输延迟 后,相当于使两者之间的相位差缩小,高频信号的间断角加大,有利于其 动作,所以 N 侧是可以动作的;但对于超前的 M 侧来说,N 侧发来的信号 经延时后相对于加大了两侧电流的相位差,使 M 侧感受到的高频信号的间 断角变得更小,有可能小于整定的闭锁角,从而导致不动作。为解决 M 端 不能跳闸问题,当 N 侧跳闸后,停止发高频信号,M 侧只能收到自己发的

高频信号,间隔 180°,满足跳闸条件随之跳闸。出现相继动作后,保护 相继动作的一端故障切除的时间变慢。
5.2 何为瞬时性故障,何谓永久性故障?
答:当故障发生并切除故障后,经过一定延时故障点绝缘强度恢复、故障 点消失,若把断开的线路断路器再合上就能够恢复正常的供电,则称这类 故障是瞬时性故障。如果故障不能自动消失,延时后故障点依然存在,则 称这类故障是永久性故障。
5.3 在超高压电网中使用三相重合为什么要考虑两侧电源的同期问题,使 用单项重合闸是否需要考虑同期问题?
答:三项重合闸时,无论什么故障均要切除三项故障,当系统网架结构薄 弱时,两侧电源在断路器跳闸以后可能失去同步,因此需要考虑两侧电源 同期问题;单相故障时只跳单相,使两侧电源之间仍然保持两相运行,一 般是同步的;因此,单相重合闸一般不考虑同期问题。
5.5 如果必须考虑同期合闸,重合闸是否必须装检同期元件?
答:如果必须考虑同期合闸,也不一定必须装检同期元件。当电力系统之 间联系紧密(具有三个以上的回路>,系统的结构保证线路两侧不会失步, 或当两侧电源有双回路联系时,可以采用检查另一线路是否有电流来判断 两侧电源是否失去同步。
5.12 什么是重合闸前加速保护?
答:所谓前加速就是当线路第一次故障时,靠近电源端保护无选择性动 作,然后进行重合。如果重合于永久性故障上,则在断路器合闸后,再有 选择性的切除故障。
5.13 什么是重合闸后加速保护?
答:所谓后加速就是当线路第一次故障时,保护有选择性的动作,然后进 行重合。如果重合于永久性故障上,则在断路器合闸后,再加速保护动作 瞬时切除故障,而与第一次动作是否带有时限无关。
6.1 变压器可能发生哪些故障和不正常运行状态?它们与线路相比有何异 同?
答:变压器故障可以分为油箱外和油箱内两种故障,油箱外得故障主要是 套管和引出线上发生相间短路和接地短路。油箱内的故障包括绕组的相间 短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等。
变压器的不正常运行状态主要有变压器外部短路引起的过电流、负荷

长时间超过额定容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起的冷却能 力下降等。此外,对于中性点不接地运行的星形接线变压器,外部接地短 路时有可能造成变压器中性点过电压,威胁变压的绝缘;大容量变压器在 过电压或低频率等异常工况下会使变压器过励磁,引起铁芯和其他金属构 件的过热。
油箱外故障与线路的故障基本相同,都包括单相接地故障、两相接地 故障、两相不接地故障和三相故障几种形式,故障时也都会出现电压降 低、电流增大等现象。油箱内故障要比线路故障复杂,除了包括相间故障 和接地故障外,还包括匝间故障、铁芯故障等,电气量变化的特点也较为 复杂。
6.3 关于变压器纵差保护中的不平衡电流与差动电流在概念上有何区别与 联系?引起差动电流的原因。
答:差动电流指被保护设备内部故障时,构成差动保护的各电流互感器的 二次电流之和<各电流互感器的参考方向均指向被保护设备时)。不平衡 电流指在正常及外部故障情况下,因为测量误差或者变压器结构、参数引 起的流过差动回路电流。
6.11 对比变压器过电流保护和线路过电流保护的整定原则的区别在哪里?
答:线路的过电流保护为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对 不动作,显然保护装置的启动电流必须大于该线路上出现的最大负荷电流 I L.max;同时还必须考虑到外部故障切除后电压恢复,负荷自启动电流 作用下保护装置必须能够返回,其返回电流应大于负荷自启动电流,一般 考虑后一种情况整定。
变压器过电流保护:(1>对并列运行的变压器,应考虑切除一台最大容 量变压器时,在其他变压器中出现的过负荷。当各台变压器容量相同时, 按负荷在剩余的变压器中平均分配计算,有 I L.max=(n/n-1>I N 式中, n 为并列运行变压器的可能最少台数;I N 为每台变压器的额定电流。(2> 对降压变压器,应考虑电动机自启动时的最大电流,即 I`L.max=KssI`L.max 式中,I`L.max 为正常时的最大负荷电流<一般为 变压器的额定电流);Kss 为综合负荷的自启动系数。对于 110KV 的降压 变电所,低压 6~10KV 侧取 Kss=1.5~2.5;中压 35KV 侧取 Kss=1.5~2。
按上述原则整定时,有可能会出现灵敏度不足的情况,这时通常需要配置 低压启动的过流保护或复合电压启动时的过电流保护。
6.12 与低电压启动的过电流保护相比,复合电压启动的过电流保护为什么 能够提高灵敏度?

答:复合电压启动时的过电流保护将原来的三个低电压继电器改由一个负 序过电压继电器 U2〉<电压继电器接于负序电压滤过器上)和一个接于线 电压上的低电压继电器 U〈组成。因为发生各种不对称故障时,都能出现 负序电压,故负序过电压继电器 U2〉作为不对称故障的电压保护,而低电 压继电器 U〈则作为三相短路故障时的电压保护。过电流继电器和低电压 继电器的整定原则与低电压启动过电流保护相同。负序过电压继电器的动 作电压按躲过正常运行时的负序滤过器出现的最大不平衡电压来整定,通 常取 U2.set=<0.06~0.12)U N 该定值较小,使负序电压继电器动作的灵 敏度远大于低电压继电器,所以,复合电压启动过电流保护在不对称故障 时电压继电器的灵敏度高。

6.13 三绕组变压器相间后备保护的配置原则是什么?

答:三绕组变压器的相间短路的后备保护在作为相邻元件的后备时,应该 有选择性地只跳开近故障点一侧的断路器,保证另外两侧继续运行,尽可 能的缩小故障影响范围;而作为变压器内部故障的后备时,应该都跳开三 侧断路器,使变压器退出运行。

6.14 零序电流保护为什么在各段中均设两个时限?

答:在变压器零序电流保护中,要考虑缩小故障影响范围的问题。每段零 序电流可设两个时限,并以较短的时限动作于缩小故障影响范围<跳母联 等),以较长的时限断开变压器各侧断路器。

7.3 写出发电机标积制动和比率制动差动原理得表达式。图 Page198、 Page199

(1>标积制动。

令差动电流为 Id= | I`1+I`2 |

制动电流为 Ires=?√ | I`1I`2cos(180°-θ >| 当 cos(180°-θ >大 于等于 0

0

当 cos(180°-θ >小于 0

则标积制动的纵差保护的动作判据为<Id≥KsIres)∩<Id≥Idmin>

式中,Ks 为标积制动系数,θ 为 I`1 和 I`2 的夹角。

(2>比率制动。

令差动电流为 Id= I`1+I`2

制动电流为 Ires=|(I`1-I`2>/2|

则比率制动式纵差保护的动作方程为
Id>K(Ires-Ires.min>+Id.min,当 Ires>Ires.mim
Id>Id.min,当 Ires≤Ires.min
式中,Ires.min 成为拐点电流;Id.min 为启动电流;K 为制动线斜率.
7.4 发电机的完全差动保护为何不反应匝间短路故障,变压器差动保护能 反应吗?
答;发电机的完全差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部相电流 I1 和 I2,在定子绕组发生同相匝间短路时两侧电流仍然相等,保护将不能够 动作。变压器匝间短路时,相当于增加了绕组的个数,并改变了变压器的 变比,此时变压器两侧电流不再相等,流入差动继电器的电流将不在为 零,所以变压器纵差动保护能反应绕组的匝间短路故障。
8.2 试述判别母线故障的基本方法。
答:(1>全电流差动原理判别母线故障。在正常运行以及母线范围以外故 障时,在母线上所有连接元件中,流入的电流和流出的电流相等,或表示 为∑Ipi=0;当母线上发生故障时,所有与母线连接的元件都向故障点供 给短路电流或流出残留的负荷电流,按基尔霍夫电流定律,有∑ Ipi=Ik(短路点的总电流>。
(2>电流相位差动原理判别母线故障。如从每个连接元件中电流的相位来 看,则在正常运行以及外部故障时,则至少有一个元件中的电流相位和其 余元件中的电流相位是相反的,具体说来,就是电流流入的元件和电流流 出的元件这两者的相位相反。而当母线故障时,除电流等于零的元件以 外,其他元件中的电流是接近同相位的。
8.6 简述何谓断路器失灵保护。
答:所谓断路器失灵保护,是指当故障线路的继电保护动作发出跳闸脉 冲,但其断路器拒绝跳闸时,能够以较短的时限切除与其接在同一条母线 上的其他断路器,以实现快速后备同时又使停电范围限制为最小的一种后 备保护。



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