電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課后習(xí)題解析(第二版)

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)課后習(xí)題答案

1緒論

1.1電力系統(tǒng)如果沒有配備完善的繼電保護(hù)系統(tǒng)，想象一下會(huì)出現(xiàn)什

么情景？

答：現(xiàn)代的電力系統(tǒng)離開完善的繼電保護(hù)系統(tǒng)是不能運(yùn)行的。當(dāng)電力

系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí)，電源至故障點(diǎn)之間的電力設(shè)備中將流過很大的短路

電流，若沒有完善的繼電保護(hù)系統(tǒng)將故障快速切除，則會(huì)引起故障元

件和流過故障電流的其他電氣設(shè)備的損壞；當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時(shí),

發(fā)電機(jī)端電壓降低造成發(fā)電機(jī)的輸入機(jī)械功率和輸出電磁功率的不

平衡，可能引起電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的破壞，甚至引起電網(wǎng)的崩潰、造成

人身傷亡。如果電力系統(tǒng)沒有配備完善的繼電保護(hù)系統(tǒng)，則當(dāng)電力系

統(tǒng)出現(xiàn)不正常運(yùn)行時(shí)，不能及時(shí)地發(fā)出信號(hào)通知值班人員進(jìn)行合理的

處理。

1.2繼電保護(hù)裝置在電力系統(tǒng)中所起的作用是什么？

答：繼電保護(hù)裝置就是指能反應(yīng)電力系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障或不正常運(yùn)

行狀態(tài)，并動(dòng)作于斷路器跳閘或發(fā)出信號(hào)的一種自動(dòng)裝置.它的作用

包括：1.電力系統(tǒng)正常運(yùn)行時(shí)不動(dòng)作；2.電力系統(tǒng)部正常運(yùn)行時(shí)發(fā)報(bào)

警信號(hào)，通知值班人員處理，使電力系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常運(yùn)行；3.電力系

統(tǒng)故障時(shí)，甄別出發(fā)生故障的電力設(shè)備，并向故障點(diǎn)與電源點(diǎn)之間、最

靠近故障點(diǎn)斷路器發(fā)出跳閘指令，將故障部分與電網(wǎng)的其他部分隔

離。

1.3繼電保護(hù)裝置通過哪些主要環(huán)節(jié)完成預(yù)定的保護(hù)功能，各環(huán)節(jié)的

作用是什么？

答：繼電保護(hù)裝置一般通過測(cè)量比較、邏輯判斷和執(zhí)行輸出三個(gè)部分

完成預(yù)定的保護(hù)功能。測(cè)量比較環(huán)節(jié)是冊(cè)來那個(gè)被保護(hù)電器元件的物

理參量，并與給定的值進(jìn)行比較，根據(jù)比較的結(jié)果，給出“是”、“非”、

“0”或“1”性質(zhì)的一組邏輯信號(hào)，從而判別保護(hù)裝置是否應(yīng)該啟動(dòng)。

邏輯判斷環(huán)節(jié)是根據(jù)測(cè)量環(huán)節(jié)輸出的邏輯信號(hào)，使保護(hù)裝置按一定的

邏輯關(guān)系判定故障的類型和范圍，最后確定是否應(yīng)該使斷路器跳閘。

執(zhí)行輸出環(huán)節(jié)是根據(jù)邏輯部分傳來的指令，發(fā)出跳開斷路器的跳閘脈

沖及相應(yīng)的動(dòng)作信息、發(fā)出警報(bào)或不動(dòng)作。

1.4依據(jù)電力元件正常工作、不正常工作和短路狀態(tài)下的電氣量復(fù)制

差異，已經(jīng)構(gòu)成哪些原理的保護(hù)，這些保護(hù)單靠保護(hù)整定值能求出保

護(hù)范圍內(nèi)任意點(diǎn)的故障嗎？

答：利用流過被保護(hù)元件電流幅值的增大，構(gòu)成了過電流保護(hù)；利用

短路時(shí)電壓幅值的降低，構(gòu)成了低電壓保護(hù)；利用電壓幅值的異常升

高，構(gòu)成了過電壓保護(hù)；利用測(cè)量阻抗的降低和阻抗角的變大，構(gòu)成

了低阻抗保護(hù)。

單靠保護(hù)增大值不能切除保護(hù)范圍內(nèi)任意點(diǎn)的故障，因?yàn)楫?dāng)故障發(fā)生

在本線路末端與下級(jí)線路的首端出口時(shí)，本線路首端的電氣量差別不

大。所以，為了保證本線路短路時(shí)能快速切除而下級(jí)線路短路時(shí)不動(dòng)

作，這種單靠整定值得保護(hù)只能保護(hù)線路的一部分。

1.5依據(jù)電力元件兩端電氣量在正常工作和短路狀態(tài)下的差異，可以

構(gòu)成哪些原理的保護(hù)？

答：利用電力元件兩端電流的差別，可以構(gòu)成電流差動(dòng)保護(hù)；利用電

力元件兩端電流相位的差別可以構(gòu)成電流相位差動(dòng)保護(hù)；利兩側(cè)功率

方向的差別，可以構(gòu)成縱聯(lián)方向比較式保護(hù)；利用兩側(cè)測(cè)量阻抗的大

小和方向的差別，可以構(gòu)成縱聯(lián)距離保護(hù)。

1.6如圖1-1所示，線路上裝設(shè)兩組電流互感器，線路保護(hù)和母線保

護(hù)應(yīng)各接哪組互感器？

答：線路保護(hù)應(yīng)接TA1,母線保護(hù)應(yīng)接TA2。因?yàn)槟妇€保護(hù)和線路保

護(hù)的保護(hù)區(qū)必須重疊，使得任意點(diǎn)的故障都處于保護(hù)區(qū)內(nèi)。

母線

CO--O-O線-路

TA1TA2

圖1T電流互感器選用示意圖

1.7結(jié)合電力系統(tǒng)分析課程的知識(shí)，說明加快繼電保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間，

為什么可以提高電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性？

答：由電力系統(tǒng)分析知識(shí)可知，故障發(fā)生時(shí)發(fā)電機(jī)輸出的電磁功率減

小二機(jī)械功率基本不變，從而使發(fā)電機(jī)產(chǎn)生加速的不平衡功率。繼電

保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間越快，發(fā)電機(jī)加速時(shí)間越短，功率角擺開幅度就越小，

月有利于系統(tǒng)的穩(wěn)定。

由分析暫態(tài)穩(wěn)定性的等面積理論可知，繼電保護(hù)的動(dòng)作速度越快，

故障持續(xù)的時(shí)間就越短，發(fā)電機(jī)的加速面積就約小，減速面積就越大，

發(fā)電機(jī)失去穩(wěn)定性的可能性就越小，即穩(wěn)定性得到了提高。

1.8后備保護(hù)的作用是什么？闡述遠(yuǎn)后備保護(hù)和近后備保護(hù)的優(yōu)缺

點(diǎn)。

答：后備保護(hù)的作用是在主保護(hù)因保護(hù)裝置拒動(dòng)、保護(hù)回路中的其他

環(huán)節(jié)損壞、斷路器拒動(dòng)等原因不能快速切除故障的情況下，迅速啟動(dòng)

來切除故障。

遠(yuǎn)后備保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是：保護(hù)范圍覆蓋所有下級(jí)電力元件的主保護(hù)

范圍，它能解決遠(yuǎn)后備保護(hù)范圍內(nèi)所有故障元件由任何原因造成的不

能切除問題。

遠(yuǎn)后備保護(hù)的缺點(diǎn)是：（1）當(dāng)多個(gè)電源向該電力元件供電時(shí)一，需

要在所有的電源側(cè)的上級(jí)元件處配置遠(yuǎn)后備保護(hù)；（2）動(dòng)作將切除所

有上級(jí)電源測(cè)的斷路器，造成事故擴(kuò)大；（3）在高壓電網(wǎng)中難以滿足

靈敏度的要求。

近后備保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)是：（1）與主保護(hù)安裝在同一斷路器處，在主保護(hù)

拒動(dòng)時(shí)近后備保護(hù)動(dòng)作；（2）動(dòng)作時(shí)只能切除主保護(hù)要跳開的斷路器，

不造成事故的擴(kuò)大；（3）在高壓電網(wǎng)中能滿足靈敏度的要求。

近后備保護(hù)的缺點(diǎn)是：變電所直流系統(tǒng)故障時(shí)可能與主保護(hù)同時(shí)

失去作用，無法起到“后備”的作用；斷路器失靈時(shí)無法切除故障，

不能起到保護(hù)作用。

1.9從對(duì)繼電器的“四性”要求及其間的矛盾，闡述繼電保護(hù)工作即

是理論性很強(qiáng)，又是工程實(shí)踐性很強(qiáng)的工作。

答：繼電保護(hù)的可靠性、選擇性、速動(dòng)性和靈敏性四項(xiàng)要求之間即矛

盾又統(tǒng)一。繼電保護(hù)的科學(xué)研究、設(shè)計(jì)、制造和運(yùn)行的大部分工作也

是圍繞如何處理好這四者的辯證統(tǒng)一關(guān)系進(jìn)行的。

電力系統(tǒng)繼電保護(hù)即是一門理論性很強(qiáng)，又是工程實(shí)踐性很強(qiáng)的

學(xué)科。首先繼電保護(hù)工作者要掌握電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備的基本原理、

運(yùn)行特性和分析方法，特別要掌握電力系統(tǒng)故障時(shí)的電氣量變化的規(guī)

律和分析方法，通過尋求電力系統(tǒng)的不同運(yùn)行狀態(tài)下電氣量變化的特

點(diǎn)和差異來“甄別”故障或不正常狀態(tài)的原理和方法，應(yīng)用不同的原

理和判據(jù)實(shí)現(xiàn)繼電保護(hù)的基本方法，所以需要很強(qiáng)的理論性。

由于被保護(hù)的電力系統(tǒng)及其相關(guān)的電氣設(shè)備千差萬別，故障時(shí)電

氣量的變化受多種因素的影響和制約，因此任何一種繼電保護(hù)原理或

裝置都不可能不加調(diào)整地應(yīng)用于不同的電氣設(shè)備或系統(tǒng)，而應(yīng)根據(jù)實(shí)

際工程中設(shè)備、系統(tǒng)的現(xiàn)狀與參數(shù)，對(duì)其繼電保護(hù)做出必要的調(diào)整。

相同原理的保護(hù)裝置在應(yīng)用于電力系統(tǒng)不同位置的元件上時(shí)，可能有

不同的配置和配合；相同的電力元件在電力系統(tǒng)不同位置安裝時(shí)，可

能配置不同的繼電保護(hù)，這些均需要根據(jù)電力系統(tǒng)的工程實(shí)際，具體

問題具體分析，所以繼電保護(hù)又具有很強(qiáng)的工程實(shí)踐性。

2電流的電網(wǎng)保護(hù)

2.1在過量（欠量）繼電器中，為什么要求其動(dòng)作特性滿足“繼電特

性”？若不滿足，當(dāng)加入繼電器的電量在動(dòng)作值附近時(shí)將可能出現(xiàn)什

么情況？

答：過量繼電器的繼電特性類似于電子電路中的“施密特特性“，如

圖2-1所示。當(dāng)加入繼電器的動(dòng)作電量（圖中的人）大于其設(shè)定的動(dòng)

作值（圖中的〃）時(shí)，繼電器能夠突然動(dòng)作；繼電器一旦動(dòng)作以后，

即是輸入的電氣量減小至稍小于其動(dòng)作值，繼電器也不會(huì)返回，只有

當(dāng)加入繼電器的電氣量小于其設(shè)定的返回值（圖中的乙）以后它才突

然返回。無論啟動(dòng)還是返回，繼電器的動(dòng)作都是明確干脆的，它不可

能停留在某一個(gè)中間位置，這種特性稱為“繼電特性”。

為了保證繼電器可靠工作，其動(dòng)作特性必須滿足繼電特性，否則

當(dāng)加入繼電器的電氣量在動(dòng)作值附近波動(dòng)時(shí)，繼電器將不停地在動(dòng)作

和返回兩個(gè)狀態(tài)之間切換，出現(xiàn)“抖動(dòng)”現(xiàn)象，后續(xù)的電路將無法正

常工作。

2.2請(qǐng)列舉說明為實(shí)現(xiàn)“繼電特性”，電磁型、集成電路性、數(shù)字型

繼電器常分別采用那些技術(shù)？

答：在過量動(dòng)作的電磁型繼電器中，繼電器的動(dòng)作條件是電磁力矩大

于彈簧的反拉力矩與摩擦力矩之和，當(dāng)電磁力矩剛剛達(dá)到動(dòng)作條件

時(shí)，繼電器的可動(dòng)銜鐵開始轉(zhuǎn)動(dòng)，磁路氣隙減小，在外加電流（或電

壓）不變的情況下，電磁力矩隨氣隙的減小而按平方關(guān)系增加，彈簧

的反拉力矩隨氣隙的減小而線性增加，在整個(gè)動(dòng)作過程中總的剩余力

矩為正值，銜鐵加速轉(zhuǎn)動(dòng)，直至銜鐵完全吸合，所以動(dòng)作過程干脆利

落。繼電器的返回過程與之相反，返回的條件變?yōu)樵陂]合位置時(shí)彈簧

的反拉力矩大于電磁力矩與摩擦力矩之和。當(dāng)電磁力矩減小到啟動(dòng)返

回時(shí)一，由于這時(shí)摩擦力矩反向，返回的過程中，電磁力矩按平方關(guān)系

減小，彈簧力矩按線性關(guān)系減小，產(chǎn)生一個(gè)返回方向的剩余力矩，因

此能夠加速返叵I,即返回的過程也是干脆利落的。所以返回值一定小

于動(dòng)作值，繼電器有一個(gè)小于1的返回系數(shù)。這樣就獲得了“繼電

特性

在集成電路型繼電器中，“繼電特性”的獲得是靠施密特觸發(fā)器實(shí)

現(xiàn)的，施密特觸發(fā)器的特性，就是繼電特性。

在數(shù)字型繼電器中，“繼電特性”的獲得是靠分別設(shè)定動(dòng)作值和返

回值兩個(gè)不同的整定值而實(shí)現(xiàn)的。

2.3解釋“動(dòng)作電流”和“返回系數(shù)”，過電流繼電器的返回系數(shù)過

低或高各有何缺點(diǎn)？

答：在過電流繼電器中，為使繼電器啟動(dòng)并閉合其觸點(diǎn)，就必須增大

通過繼電器線圈的電流4,以增大電磁轉(zhuǎn)矩，能使繼電器動(dòng)作的最小

電流稱之為動(dòng)作電流〃。

在繼電器動(dòng)作之后，為使它重新返回原位，就必須減小電流以減

小電磁力矩，能使繼電器返回原位的最大電流稱之為繼電器的返回電

流4。

過電流繼電器返回系數(shù)過小時(shí)，在相同的動(dòng)作電流下起返回值較

小。一旦動(dòng)作以后要使繼電器返回，過電流繼電器的電流就必須小于

返回電流，真陽(yáng)在外故障切除后負(fù)荷電流的作用下繼電器可能不會(huì)返

回，最終導(dǎo)致誤動(dòng)跳閘；而返回系數(shù)過高時(shí)，動(dòng)作電流惡和返回電流

很接近，不能保證可靠動(dòng)作，輸入電流正好在動(dòng)作值附近時(shí),可能回

出現(xiàn)“抖動(dòng)”現(xiàn)象，使后續(xù)電路無法正常工作。

繼電器的動(dòng)作電流、返回電流和返回系數(shù)都可能根據(jù)要求進(jìn)行設(shè)

定。

2.4在電流保護(hù)的整定計(jì)算中，為什么要引入可靠系數(shù)，其值考慮哪

些因素后確定？

答：引入可靠系數(shù)的原因是必須考慮實(shí)際存在的各種誤差的影響，例

如：

(1)實(shí)際的短路電流可能大于計(jì)算值；

(2)對(duì)瞬時(shí)動(dòng)作的保護(hù)還應(yīng)考慮短路電流中非周期分量使總電流增

大的影響；

(3)電流互感器存在誤差；

(4)保護(hù)裝置中的短路繼電器的實(shí)際啟動(dòng)電流可能小于整定值。

考慮必要的裕度，從最不利的情況出發(fā)，即使同時(shí)存在著以上兒個(gè)因

素的影響，也能保證在預(yù)定的保護(hù)范圍以外故障時(shí).，保護(hù)裝置不誤動(dòng)

作，因而必須乘以大于1的可靠系數(shù)。

2.5說明電流速斷、限時(shí)電流速斷聯(lián)合工作時(shí)一，依靠什么環(huán)節(jié)保證保

護(hù)動(dòng)作的選擇性？依靠什么環(huán)節(jié)保證保護(hù)動(dòng)作的靈敏度性和速動(dòng)

性？

答：電流速斷保護(hù)的動(dòng)作電流必須按照躲開本線路末端的最大短路電

流來整定，即考電流整定值保證選擇性。這樣，它將不能保護(hù)線路全

長(zhǎng)，而只能保護(hù)線路全長(zhǎng)的一部分，靈敏度不夠。限時(shí)電流速斷的整

定值低于電流速斷保護(hù)的動(dòng)作短路，按躲開下級(jí)線路電流速斷保護(hù)的

最大動(dòng)作范圍來整定，提高了保護(hù)動(dòng)作的靈敏性，但是為了保證下級(jí)

線路短路時(shí)不誤動(dòng)，增加一個(gè)時(shí)限階段的延時(shí)，在下級(jí)線路故障時(shí)由

下級(jí)的電流速斷保護(hù)切除故障，保證它的選擇性。

電流速斷和限時(shí)電流速斷相配合保護(hù)線路全長(zhǎng)，速斷范圍內(nèi)的故

障由速斷保護(hù)快速切除，速斷范圍外的故障則必須由限時(shí)電流速斷保

護(hù)切除。速斷保護(hù)的速動(dòng)性好，但動(dòng)作值高、靈敏性差；限時(shí)電流速

斷保護(hù)的動(dòng)作值低、靈敏度高但需要0.3~0.6s的延時(shí)才能動(dòng)作。速

斷和限時(shí)速斷保護(hù)的配合，既保證了動(dòng)作的靈敏性，也能夠滿足速動(dòng)

性的要求。

2.6為什么定時(shí)限過電流保護(hù)的靈敏度、動(dòng)作時(shí)間需要同時(shí)逐級(jí)配合，

而電流速斷的靈敏度不需要逐級(jí)配合？

答：定時(shí)限過電流保護(hù)的整定值按照大于本線路流過的最大負(fù)荷電流

整定，不但保護(hù)本線路的全長(zhǎng)，而且保護(hù)相鄰線路的全長(zhǎng)，可以起遠(yuǎn)

后備保護(hù)的作用。當(dāng)遠(yuǎn)處短路時(shí)，應(yīng)當(dāng)保證離故障點(diǎn)最近的過電流保

護(hù)最先動(dòng)作，這就要求保護(hù)必須在靈敏度和動(dòng)作時(shí)間上逐級(jí)配合，最

末端的過電流保護(hù)靈敏度最高、動(dòng)作時(shí)間最短，每向上一級(jí)，動(dòng)作時(shí)

間增加一個(gè)時(shí)間級(jí)差，動(dòng)作電流也要逐級(jí)增加。否則，就有可能出現(xiàn)

越級(jí)跳閘、非選擇性動(dòng)作現(xiàn)象的發(fā)生。由于電流速斷只保護(hù)本線路的

一部分，下一級(jí)線路故障時(shí)它根本不會(huì)動(dòng)作，因而靈敏度不需要逐級(jí)

配合。

2.7如圖2-2所示網(wǎng)絡(luò)，在位置1、2和3處裝有電流保護(hù)，系統(tǒng)參

數(shù)為：

E?=115/&V,XGl=15Q、XG2=10Q?XG3=10Q,右=右=60k〃？，4=40公”，

-=50?，L”D=3Qkm,%“=2()m,線路阻抗0.4Q/Am,=2、

=15,/~.max=300A,/"皿=200A,/j3=150A,KSS=15>

￡e=0.85O試求：

(1)發(fā)電機(jī)元件最多三臺(tái)運(yùn)行，最少一臺(tái)運(yùn)行，線路最多三條運(yùn)行，

最少一條運(yùn)行，請(qǐng)確定保護(hù)3在系統(tǒng)最大、最小運(yùn)行方式下的等值阻

抗。

(2)整定保護(hù)1、2、3的電流速斷定值，并計(jì)算各自的最小保護(hù)范

圍。

(3)整定保護(hù)2、3的限時(shí)電流速斷定值，并校驗(yàn)使其滿足靈敏度要

求(K*“>12)

(4)整定保護(hù)1、2、3的過電流定值，假定流過母線E的過電流保

護(hù)動(dòng)作時(shí)限為0.5s,校驗(yàn)保護(hù)1作后備用，保護(hù)2和3作遠(yuǎn)備用的靈

敏度。

圖2-2簡(jiǎn)單電網(wǎng)示意圖

解：由已知可得X”=XL2=O.4X60=24。，X"=o.4X40=16。，、叱=（）.4

X50=20Q,XCD=O.4X30Q,、腌=0.4X20=8Q

(1)經(jīng)分析可知，最大運(yùn)行方式及阻抗最小時(shí)，則有三臺(tái)發(fā)電機(jī)運(yùn)

行，線路LrL3全部運(yùn)行，由題意Gl,G2連接在同一母線上，則

X$.min=(XG1||XG2+X”||X,2)||(、G3+'/.3)=(6+].2)||(10+16)=10.6

同理，最小運(yùn)行方式下即阻抗最大，分析可知只有在G1和L1運(yùn)行,

相應(yīng)地有X，"=XGI+'"=39

(2)對(duì)于保護(hù)1,其等值電路圖如圖2-3所示，母線E最大運(yùn)行方式

下發(fā)生三相短路流過保護(hù)1的最大短路電流為

「EH5/V3…山

IkFmax===1.312kA

Xwn+XBC+XCDXDE10.6+20+12+8

相應(yīng)的速斷定值為=X4方心=1.2X1.312=1.57kA

V3E

最小保護(hù)范圍計(jì)算公式為5Z,a+Z4n

_L

‘Is.maxX04

lset5r

4in=lJ=-85.9km

即1處的電流速斷保護(hù)在最小運(yùn)行方式下沒有保護(hù)區(qū)。

對(duì)于保護(hù)2等值電路如圖2-3所示，母線D在最大運(yùn)行方式下發(fā)生三

E

相短路流過保護(hù)2的最大電流4omax=X’mln+XBC=1.558kA

相應(yīng)的速斷定值為乙2=口X4-1.2X1.558=1.87kA

健E「

27V

/II乙s.max八日

1set2U,一

最小保護(hù)范圍為L(zhǎng)min=lJ=-70.6km

即2處的電流速斷保護(hù)在最小運(yùn)行方式下也沒有保護(hù)區(qū)。

對(duì)于保護(hù)3等值電路如圖2-3所示，母線C在最大運(yùn)行方式下發(fā)生三

E

相短路流過保護(hù)3的最大電流4cmax=X,.min+X/JC=2.17kA

相應(yīng)的速斷定值為乙3=K、X4cmax=i.2X2.17=2.603kA

巴「

2_7y

30.4

最小保護(hù)范圍為4nin=1)=-42.3km

即3處的電流速斷保護(hù)在最小運(yùn)行方式下也沒有保護(hù)區(qū)。

上述計(jì)算表明，在運(yùn)行方式變化很大的情況下，電流速斷保護(hù)在較小

運(yùn)行發(fā)生下可能沒有保護(hù)區(qū)。

(3)整定保護(hù)2的限時(shí)電流速斷定值為匕=弋/匕=1.**

1.57=1.806kA

線路末段(即D處)最小運(yùn)行發(fā)生下發(fā)生兩相短路時(shí)的電流為

V3______E______

4.0.max=2Xs.max+“SC+“C。=。.8098kA

,k.D.min

所以保護(hù)2處的靈敏系數(shù)e=Il=0.4484即不滿足—“21.2的要

求。

同理，保護(hù)3的限時(shí)電流速斷定值為15X

1.87=2.151kA

線路末段(即C處)最小運(yùn)行發(fā)生下發(fā)生兩相短路時(shí)的電流為

V3E

，匕C.max=2X$max+X^c=().9764kA

4.Cmin

所以保護(hù)3處的靈敏系數(shù)^.3=0.4531即不滿足K"，后1.2的

要求。

可見，由于運(yùn)行方式變化太大，2、3處的限時(shí)電流速斷保護(hù)的靈敏度

都遠(yuǎn)不能滿足要求。

(4)過電流整定值計(jì)算公式為，?==

所以有;'''|=K,e=304.5A

同,理得,&ri2ll=406A&rill3=609A

在最小運(yùn)行方式下流過保護(hù)元件的最小短路電流的計(jì)算公式為

V3E

1A.min=24^75.max+丁乙7乙

所以有4^=727.8A/D.min=809.8A^=974.51A

所以由靈敏度公式Kx可知，保護(hù)1作為近后備的靈敏度為

,E.min

心」==2.3921.5滿足近后備保護(hù)靈敏度的要求；

,E.min

保護(hù)2作為遠(yuǎn)后備的靈敏度為"22=SI=1.7921.2滿足最為遠(yuǎn)后備

保護(hù)靈敏度的要求；

,E.min

保護(hù)3作為遠(yuǎn)后備的靈敏度為K23=北.3=1.3321.2滿足最為遠(yuǎn)后備

保護(hù)靈敏度的要求。

保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為f|11'=0.5+0.5=Is￡n='T+0.5=1.5s

JHJH

‘3=(2+0.5=2s

2.8當(dāng)圖2.56中保護(hù)1的出口處在系統(tǒng)最小運(yùn)行方式下發(fā)生兩相短

路，保護(hù)按照題2.7配置和整定時(shí)，試問

(1)共有哪些保護(hù)元件啟動(dòng)？

(2)所有保護(hù)工作正常，故障由何處的那個(gè)保護(hù)元件動(dòng)作、多長(zhǎng)時(shí)

間切除？

(3)若保護(hù)1的電流速斷保護(hù)拒動(dòng)，故障由何處的那個(gè)保護(hù)元件動(dòng)

作、多長(zhǎng)時(shí)間切除？

(4)若保護(hù)1的斷路器拒動(dòng)，故障由何處的那個(gè)保護(hù)元件動(dòng)作、多

長(zhǎng)時(shí)間切除？

答：(1)由題2.7的分析，保護(hù)1出口處(即母線D處)短路時(shí)

的最小短路電流為0.8098kA,在量值上小于所有電流速斷保護(hù)和限時(shí)

電流速斷保護(hù)的整定值，所以所有這些保護(hù)都不會(huì)啟動(dòng)；該量值大于

1、2、3處過電流保護(hù)的定值，所以三處過電流保護(hù)均會(huì)啟動(dòng)。

(2)所有保護(hù)均正常的情況下，應(yīng)有1處的過電流以1s的延時(shí)切除

故障。

(3)分析表明，按照本題給定的參數(shù)，1處的速斷保護(hù)肯定不會(huì)動(dòng)作，

2處的限時(shí)電流速斷保護(hù)也不會(huì)動(dòng)作，只能靠1處的過電流保護(hù)動(dòng)作，

延時(shí)1s跳閘；若斷路器拒動(dòng)，則應(yīng)由2處的過電流保護(hù)以1.5s的延

時(shí)跳開2處的斷路器。

2.9如圖2-4所示網(wǎng)絡(luò)，流過保護(hù)1、2、3的最大負(fù)荷電流分別為

400A、500A、550A,

4=1.3、5=0.85,*1.15,-=:"=0.5s,%.0s,試計(jì)算：

(1)保護(hù)4的過電流定值；

(2)保護(hù)4的過電流定值不變，保護(hù)1所在元件故障被切除，當(dāng)返

回系數(shù)K“低于何值時(shí)會(huì)造成保護(hù)4誤動(dòng)？

K

(3)K“=o.85時(shí)，保護(hù)4的靈敏系數(shù)”"=3.2,當(dāng)a=0.7時(shí)保護(hù)4的

靈敏系數(shù)降低到多少？

圖2-4系統(tǒng)示意圖

解：過電流保護(hù)4的最大負(fù)荷電流為Z4.nax=400+500+550=1450A

/HI_八.八.j

1setA-rz14.max

保護(hù)4的過電流定值為(，=2.55A

時(shí)限為i=max(一，”，記)+4=1.5s

（2）保護(hù)21切除故障后，流過保護(hù)4的最大負(fù)荷電流

z

<m.=500+550=1050A=l.05kA

,在考慮電動(dòng)機(jī)的自啟動(dòng)出現(xiàn)的最大保護(hù)電流3義

1.05=1.365kA,這個(gè)電流必須小于保護(hù)4的返回電流，否則1.5s以

后保護(hù)4將誤切除。相應(yīng)的要求，maxW〃=火/曹.4=2.55心，從而

1.365

2.55^->1.365,K“>5M=0.535。當(dāng)返回系數(shù)低于0.535時(shí)，會(huì)造

成保護(hù)誤動(dòng)。

K一4.8.min'hB.minKre

（3）保護(hù)4的靈敏系數(shù)喘4=K2KM4.max,KsenA與Kre成正比，當(dāng)Ker

0.7"c

丫x3.2

下降時(shí)靈敏系數(shù)下降，—=0.85=2.635。

2.10在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)兩條上下、級(jí)線路安裝相間短

路的電流保護(hù)時(shí)，上級(jí)線路裝在A、C相商，二下級(jí)線路裝在A、B相

上，有何優(yōu)缺點(diǎn)？當(dāng)兩條線路并列時(shí)，這種安裝方式有何優(yōu)缺點(diǎn)？以

上串、并兩種線路，若采用三相星形接線，有何不足？

答：在中性點(diǎn)非直接接地系統(tǒng)中，允許單相接地時(shí)繼續(xù)短時(shí)運(yùn)行，在

不同線路不同相別的兩點(diǎn)接地形成兩相短路時(shí)，可以只切除一條故障

線路，另一條線路繼續(xù)運(yùn)行。不考慮同相的故障，兩線路故障組合共

有以下六種方式：（1A、2B）、（1A、2C）、（IB、2A）、（IB、2C）、（1C、

2A）、（IC、2B）O

當(dāng)兩條上、下級(jí)線路安裝相間短路電流保護(hù)時(shí)一，上級(jí)線路裝在A、

C相商，而下級(jí)裝在A、B相上時(shí)，將在（1A、2B）、（IB、2A）、（1C、

2A）和（IC、2B）四種情況下由下級(jí)線路保護(hù)切除故障，即下級(jí)線

路切除故障的幾率為2/3;當(dāng)故障為（1A、20時(shí)，將會(huì)由上級(jí)線路保

護(hù)切除故障；而當(dāng)故障為（1B、20時(shí)-，兩條線路均不會(huì)切除故障，

出現(xiàn)保護(hù)拒動(dòng)的嚴(yán)重情況。

兩條線路并列時(shí)，若兩條線路保護(hù)動(dòng)作的延時(shí)一樣，則在（1A、

、（IC、2A）和（IC、2B）三種情況下，兩條線路被同時(shí)切除;

2而B

E（1A、2C）故障下，只能切除線路1；在（IBs2A）故障下，只能

切

動(dòng)點(diǎn)線路2；在（1B、20故障下，兩條線路均不會(huì)切除，即保護(hù)拒

若保護(hù)采用三相星形接線時(shí)，需要三個(gè)電流互感器和四根二次電

纜，相對(duì)來講是復(fù)雜不經(jīng)濟(jì)的。兩條線路并列時(shí)，若發(fā)生不同相別的

接地短路時(shí)一，兩套保護(hù)均啟動(dòng)，不必要切除兩條線路的機(jī)會(huì)就比較多。

2.11在雙側(cè)電源供電的網(wǎng)絡(luò)中，方向性電流保護(hù)利用了短路時(shí)電氣量

的什么特征解決了僅利用電流幅值特征不能解決的問題？

答：在雙側(cè)電源供電網(wǎng)絡(luò)中，利用電流幅值特征不能保證保護(hù)動(dòng)作的

選擇性。方向性電流保護(hù)利用短路時(shí)功率方向的特征，當(dāng)短路功率由

母線流向線路時(shí)表明故障點(diǎn)在線路方向上，是保護(hù)應(yīng)該動(dòng)作的方向，

允許保護(hù)動(dòng)作。反之，不允許保護(hù)動(dòng)作。用短路時(shí)功率方向的特征解

決了僅用電流幅值特征不能區(qū)分故障位置的問題，并且線路兩側(cè)的保

護(hù)只需按照單電源的配合方式整定配合即可滿足選擇性。

2.12功率方向判別元件實(shí)質(zhì)上是在判別什么？為什么會(huì)存在“死

區(qū)”？什么時(shí)候要求它動(dòng)作最靈敏？

答：功率方向判別元件實(shí)質(zhì)是判別加入繼電器的電壓和電流之間的相

位「，并且根據(jù)一定關(guān)系［cos（仍+a）是否大于0］判別初短路功率的

方向。為了進(jìn)行相位比較，需要加入繼電器的電壓、電流信號(hào)有一定

的幅值（在數(shù)字式保護(hù)中進(jìn)行相量計(jì)算、在模擬式保護(hù)中形成方波）,

且有最小的動(dòng)作電壓和電流要求。當(dāng)短路點(diǎn)越靠近母線時(shí)電壓越小，

在電壓小雨最小動(dòng)作電壓時(shí)，就出現(xiàn)了電壓死區(qū)。在保護(hù)正方向發(fā)生

最常見故障時(shí)，功率方向判別元件應(yīng)該動(dòng)作最靈敏。

2.13當(dāng)教材中途2.29的功率方向判別元件用集成電路實(shí)現(xiàn)，分別畫

出ur=U,.sin（100m）

i,=/,sin（100m+30。）和〃，=U,sin（100R）,i,=/,sin（100R-60。）時(shí)，各輸出電壓隨

時(shí)間變化的波形；如果用數(shù)字式（微機(jī)）實(shí)現(xiàn)，寫出你的算法，并校

驗(yàn)上述兩種情況下方向元件的動(dòng)作情況。

答：以內(nèi)角。=30°為例，畫出各點(diǎn)輸出電壓波形如圖2-5所示。

〃3個(gè)

102030t(ms)102030t(ms)

fb2030t(ms)

NUOUt(ms)

N。"t(ms)

°1°t(ms)10t(ms)

“8個(gè)

1。15t(ms)20t(ms)

1

1?！鉻(ms)20t(ms)

動(dòng)作最靈敏條件/,臨界動(dòng)作條

Ueia

arg二;一=90°

件，：

圖2-5各點(diǎn)電壓輸出波形圖

可以看出，在內(nèi)角。=30。時(shí)第一種情況下動(dòng)作最靈敏，第二種情

況元件處于臨界動(dòng)作狀態(tài)。數(shù)字式實(shí)現(xiàn)時(shí)，動(dòng)作的判據(jù)可以表示為

*

ueja

-90°<arg^—<90°

將第一種情況和第二種情況下的電壓、電流帶入該判據(jù)可以得到

情況1為動(dòng)作最靈敏，而情況2處于臨界動(dòng)作狀態(tài)的結(jié)論。

2.14為了保證在正方向發(fā)生各種短路時(shí)功率判別元件都能動(dòng)作，需要

確定接線方式及內(nèi)角，請(qǐng)給出90°接線方式正方向短路時(shí)內(nèi)角的范

圍。

答：(1)正方向發(fā)生三相短路時(shí)，有0°<a<90°o

⑵正方向發(fā)生兩相短路，當(dāng)短路點(diǎn)位于保護(hù)安裝處附近，短路阻抗乙

<2,時(shí)，()。<a<90。；當(dāng)短路點(diǎn)遠(yuǎn)離保護(hù)安裝處，且系統(tǒng)容量很大乙>

4時(shí),-30°<a<60°o

綜合三相和各種兩相短路的分析得出，當(dāng)0°<^<90°時(shí)-，使方向

繼電器在一切故障情況下都能動(dòng)作的條件應(yīng)為30°<a<60°o

2.15對(duì)于90°接線方式、內(nèi)角為30°的功率方向判別元件，在電力

系統(tǒng)正常負(fù)荷電流(功率因數(shù)在0.85)下，分析功率方向判別元件的

動(dòng)作情況。假定A相的功率方向元件出口與B相過電流元件出口串接，

而不是“按相連接”，當(dāng)反方向B、C兩相短路時(shí)，會(huì)出現(xiàn)什么情況？

答：內(nèi)角為30。的功率方向元件，最大靈敏角氏”=-30。，則動(dòng)作范

圍為-120W%W-60。o由正常負(fù)荷電流的功率因數(shù)0.85可以得到

^=arctan0.85=31.79°,在動(dòng)作范圍內(nèi)，根據(jù)功率元件出口與B相

流過電流元件出口串接，當(dāng)反方向發(fā)生B、C兩相短路時(shí)，B相過電

流元件動(dòng)作，由于該元件出口和A相功率方向元件串接，這樣就會(huì)啟

動(dòng)時(shí)間繼電器，出現(xiàn)延時(shí)跳閘。因而電流元件和功率元件必須“按相

連接”。

2.16系統(tǒng)和參數(shù)見題2.7,試完成：

(1)整定線路L3上不會(huì)4、5的電流速斷定值，并盡可能在一端加

裝方向元件。

(2)確定保護(hù)4、5、6、7、8、9處過電流的時(shí)間定值，并說明何處

需要安裝方向元件。

(3)確定保護(hù)5、7、9限時(shí)電流速斷的電流定值，并校驗(yàn)靈敏度。

答：整定保護(hù)5的電流速斷。保護(hù)4處的母線發(fā)生三相短路時(shí)，流過

保護(hù)5的短路電流為

4」:E115/丁

XG3+XL3=10+16=2.554A

按此電流來整定，動(dòng)作定值05=K，/*4=3.064kA

在來看發(fā)電機(jī)1、2處于最大運(yùn)行方式下保護(hù)5處母線三相短路時(shí)一，

有

min二(XGI||LI||L2)=JgQ

%=——-——

保護(hù)5處的電流為^.min+^3=l.953kA

遠(yuǎn)小于按躲過保護(hù)4處母線三相短路求得的整定電流，所以保護(hù)5

不必安裝方向元件，僅靠定值就能保證方向故障時(shí)不誤動(dòng)作。

現(xiàn)在整定保護(hù)4,保護(hù)4按躲過保護(hù)5處母線短路最大電流整定時(shí)，

定值為

心4=七九=2.34kA當(dāng)保護(hù)4處背側(cè)母線三相短路是，流過保護(hù)4的電

流為2.554kA,大于其整定值，所以不會(huì)誤動(dòng)，必須加裝方向元件。

(2)過電流保護(hù)按躲過最大負(fù)荷電流整定，其量值較小，保護(hù)靈敏

度很高，4?9任何一處保護(hù)正向及方向故障時(shí)，短路電流的量值都會(huì)

超過其整定值，所以每一處都應(yīng)安裝方向元件。

在均裝方向元件的情況下，4、5、6處的過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間分別

與G3、G2和G1處的過電流保護(hù)時(shí)間相配合，在其動(dòng)作延時(shí)的基礎(chǔ)上

增加一個(gè)時(shí)間級(jí)差；5、7、9處過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間均與3處過電

流時(shí)間相配合，由題2.7可知，三處過電流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間為2s,所

以5、7、9處過流保護(hù)的動(dòng)作時(shí)間均應(yīng)取2.5s。

(3)5處限時(shí)電流速斷保護(hù)定值應(yīng)該與3、6、8處電流速斷保護(hù)的定

值相配合。

與3處電流速斷保護(hù)的定值配合：

3處電流速斷保護(hù)的定值為乙3=4cmi1K=2.603KA,L3支路對(duì)應(yīng)的分

1Xr.IIXr2+X..IIX,c…

——=——————2=0.409

支系數(shù)的倒數(shù)為K""、G2+X”HX?+XG3+XLi

與保護(hù)3配合時(shí)，5處限時(shí)電流速斷保護(hù)的定值為

ll_內(nèi)1/II

1zset.5—八re/“1set.3

Ki>r=1.224kA

與6處和8處電流速斷配合：若裝設(shè)方向元件，則6處電流速斷保

護(hù)應(yīng)該按躲過母線A處三相短路的最大短路電流來整定，而母線A三

相短路時(shí)，發(fā)電機(jī)Gl,G2所提供的短路電流不會(huì)流過保護(hù)6,只有

發(fā)電機(jī)G3的電流才流過保護(hù)6,所以其I段的整定值為

EX”

.I八

1f

set.6-^relX-、G3+XL3+X「|IIXL2XLi+XL2—1.048kA

同理，裝設(shè)方向元件的情況下，8處保護(hù)的定值也為乙8=i.048kA。

按與它們配合時(shí)，5處限時(shí)電流速斷保護(hù)的定值為七5=匕"鼠=

=1.205kA

取三種情況的最大者，即匕s=i.224kA

校驗(yàn)靈敏度：母線B兩相短路時(shí)，流過5處的最小短路電流為

1Y

k.B.mincv,v、sen.5H

2XG3+XL3=2.21IkA所以靈敏度為r鼠5=1.834滿足要

求。

在6、8處不裝方向元件的情況下，它們速斷保護(hù)的定值還應(yīng)安躲過

母線B三相短路時(shí)流過它們的最大短路電流來整定。

母線B三相短路時(shí)流過6、8處的最大短路電流為

______E______

^6.max=^8.max=2XIIXG2+XIIX?—].844kA

這時(shí)其短路電流速斷保護(hù)的整定值變?yōu)樾?6=/1=K\X46A=2.26kA

所以5處限時(shí)電流保護(hù)的定值為45=K*心6=2.599kA

II_4.6.min

sen.5—II

靈敏度為&t$=0.85故不滿足要求。

2.17在中性點(diǎn)直接接地系統(tǒng)中，發(fā)生接地短路后，試分析、總結(jié)：（1）

零序電壓、電流分量的分布規(guī)律；（2）負(fù)序電壓、電流分量的分布規(guī)

律；（3）正序電壓、電流分量的分布規(guī)律。

答：（1）零序電壓——故障點(diǎn)處零序電壓最高，距故障點(diǎn)越遠(yuǎn)零序電

壓越低，其分布取決于到大地間阻抗的大小。零序電流——由零序電

壓產(chǎn)生，由故障點(diǎn)經(jīng)線路流向大地，其分布主要取決于送電線路的零

序阻抗和中性點(diǎn)接地變壓器的零序阻抗，與電源點(diǎn)的數(shù)目和位置無

關(guān)。（2）負(fù)序電壓——故障點(diǎn)處負(fù)序電壓最高，距故障點(diǎn)越遠(yuǎn)負(fù)序電

壓越低，在發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)上負(fù)序電壓為零。負(fù)序電流的分布取決于系

統(tǒng)的負(fù)序阻抗。（3）正序電壓——越靠近電源點(diǎn)正序電壓數(shù)值越高，

越靠近短路點(diǎn)正序電壓數(shù)值越低。正序電流的分布取決于系統(tǒng)的正序

阻抗。

2.18比較不同的提取零序電壓方式的優(yōu)缺點(diǎn)。

答：（1）電磁式電壓互感器一般有三個(gè)繞組，一個(gè)一次繞組，兩個(gè)二

次繞組。在三相系統(tǒng)中，三個(gè)單相式電壓互感器的一次繞組接成星形

并將中性點(diǎn)接地，其兩個(gè)二次繞組一個(gè)按星形方式接線，另一個(gè)按開

口三角形接線，星形接線的繞組用來測(cè)量各相對(duì)地電壓及相間電壓，

開口三角形用來直接獲取系統(tǒng)的零序電壓。這種方式獲取零序電壓的

有地啊是簡(jiǎn)單方便，精度較高，不需要額外的裝置或系統(tǒng)；其缺點(diǎn)是

開口三角側(cè)正常無電壓，不便于對(duì)其進(jìn)行監(jiān)視，該側(cè)出現(xiàn)斷線短路等

故障無法及時(shí)發(fā)現(xiàn)，輸出零序電壓的極性容易標(biāo)錯(cuò)，從而造成零序功

率方向繼電器不能正確工作。

（2）采用三相五柱式互感器本身結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，主要應(yīng)用于35kV及

以下電壓等級(jí)的中低壓配電系統(tǒng)，其優(yōu)缺點(diǎn)與（1）的情況類似。

（3）接于發(fā)電機(jī)中性點(diǎn)的電壓互感器，用一只電壓互感器即可取得

三相系統(tǒng)的零序電壓，較為經(jīng)濟(jì)，但適用范圍小，同時(shí)不平衡電壓較

大，不夠靈敏。

（4）保護(hù)內(nèi)部合成零序電壓的方式接線較為簡(jiǎn)單，不容易出現(xiàn)接線

及極性的錯(cuò)誤，其缺點(diǎn)是裝置內(nèi)部必須設(shè)置專門的模塊。

傳統(tǒng)的機(jī)電式保護(hù)中通常采用（1）、（2）、（3）三種方式獲取零

序電壓；在數(shù)字式保護(hù)中，傾向于采用方式（4）;在一些特殊的場(chǎng)合，

也可以采用方式（3）。

2.19系統(tǒng)示意圖如圖2-6所示，發(fā)電機(jī)以發(fā)電機(jī)-變壓器方式接入系

統(tǒng)，最大開機(jī)方式為4臺(tái)全開，最小開機(jī)方式為兩側(cè)各開1臺(tái)，變壓

器T5和T6可能2臺(tái)也可能1臺(tái)運(yùn)行。參數(shù)為：4=U5/6kv,X⑷=X2G=

X].G2=X2.G2=5,X]G3=、2.G3=X]G4=^2.G4=gQ,

Xi.ri?X]74=5Q,X。7]?X0T4=]5Q,^l.T5=X]T6==15Q,X（）75=^O.T6=20。,

^-?=60km,“B-c=40km,線路阻抗Z|=22=0.4^/km,Z°=l.2Q/km,Krel=1.2,

K/11，w=l.15。

ABC

(2)所有元件全保護(hù)時(shí)一，計(jì)算母線B發(fā)生單相接地短路和兩相接地

短路時(shí)的零序電流分布；

(3)分別求出保護(hù)1、4零序H段的最大、最小分支系數(shù)；

(4)分別求出保護(hù)1、4零序I、n段的定值，并校驗(yàn)靈敏度；

(5)保護(hù)1、4零序I、II段是否需要安裝方向元件；

(6)保護(hù)1處裝有單相重合閘，所有元件全運(yùn)行時(shí)發(fā)生系統(tǒng)振蕩，

整定保護(hù)1不靈敏I段定值。

解：先求出線路的參數(shù)，即4B=60km,=、248=24^,X°A5=72,

L?c=40km,

XLBC=XZ8C=16。，X°M=48Q,所有元件全運(yùn)行是三序電壓等值網(wǎng)絡(luò)圖如

圖2-7所示。

(a)正序等值圖

(b)負(fù)序等值圖

(c)零序等值圖

圖2-7所有元件全運(yùn)行時(shí)三序電壓等值網(wǎng)絡(luò)圖

(2)下求出所有元件全運(yùn)行時(shí)，B母線分別發(fā)生單相接地短路和兩

相接地短路時(shí)的負(fù)荷序網(wǎng)等值圖。

1)單相接地短路時(shí)，故障端口正序阻抗為

7_/Y,X].GI+X[7|\X]G3+X]73\

”一"82"C2=(24+5)||(16+6.5)=12.67。

故障端口負(fù)序阻抗為Zx2=Z”=i2.67。

故障端口零序阻抗為

VX().r5

(A1t+X川II(("3,y\

\2\J.AD/220BC=79.5||10||55.5=7.657c

則復(fù)合序網(wǎng)等值圖如圖2-8所示。

I:/_115/一

故障端口零序電流為"Zsi+Zz2+Zlo12.67+12.67+7.657=2.012kA

在零序網(wǎng)中按照零序?qū)Ъ{進(jìn)行分配零序電流從而得到此時(shí)流過保護(hù)

,[,-J0.1x2_5_7_9____

1、4處的零序電流分別為01-Z00.130597=0.194kA

_0.018018

°2=/oXo.l3O597=0.278kA

畫出零序電流分布圖如圖2-9所示.

圖2-8單相接地短路復(fù)合

序網(wǎng)等值圖圖