WYL電力系統(tǒng)繼電保護課后習(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系統(tǒng)，想象一下會出現(xiàn)什么情景？

答：現(xiàn)代的電力系統(tǒng)離開完善的繼電保護系統(tǒng)是不能運行的。當(dāng)電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電源

至故障點之間的電力設(shè)備中將流過很大的短路電流，若沒有完善的繼電保護系統(tǒng)將故障快速

切除，則會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，

發(fā)電機端電壓降低造成發(fā)電機的輸入機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

護系統(tǒng)，則當(dāng)電力系統(tǒng)出現(xiàn)不正常運行時，不能及時地發(fā)出信號通知值班人員進行合理的處

理。

1.2繼電保護裝置在電力系統(tǒng)中所起的作用是什么？

答繼電保護裝置就是指能反應(yīng)電力系統(tǒng)中設(shè)備發(fā)生故障或不正常運行狀態(tài)，并動作于斷路器

跳閘或發(fā)出信號的一種自動裝置.它的作用包括：1.電力系統(tǒng)正常運行時不動作2電力系統(tǒng)部

正常運行時發(fā)報警信號，通知值班人員處理，使電力系統(tǒng)盡快恢復(fù)正常運行;3.電力系統(tǒng)故障時,

甄別出發(fā)生故障的電力設(shè)備，并向故障點與電源點之間、最靠近故障點斷路器發(fā)出跳閘指令，

將故障部分與電網(wǎng)的其他部分隔離。

1.3繼電保護裝置通過哪些主要環(huán)節(jié)完成預(yù)定的保護功能，各環(huán)節(jié)的作用是什么？

答:繼電保護裝置一般通過測量比較、邏輯判斷和執(zhí)行輸出三個部分完成預(yù)定的保護功能。測

量比較環(huán)節(jié)是冊來那個被保護電器元件的物理參量，并與給定的值進行比較，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，從而判別保護裝置是否應(yīng)該啟動。

邏輯判斷環(huán)節(jié)是根據(jù)測量環(huán)節(jié)輸出的邏輯信號，使保護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)的動作信息、發(fā)出警報或不動作。

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，這些保護單靠保護整定值能求出保護范圍內(nèi)任意點的故障嗎？

答：利用流過被保護元件電流幅值的增大，構(gòu)成了過電流保護;利用短路時電壓幅值的降低，

構(gòu)成了低電壓保護；利用電壓幅值的異常升高，構(gòu)成了過電壓保護；利用測量阻抗的降低和

阻抗角的變大，構(gòu)成了低阻抗保護。

單靠保護增大值不能切除保護范圍內(nèi)任意點的故障，因為當(dāng)故障發(fā)生在本線路末端與下級線

路的首端出口時，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能快速切除

而下級線路短路時不動作，這種單靠整定值得保護只能保護線路的一部分。

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？

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

差別可以構(gòu)成電流相位差動保護；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；

利用兩側(cè)測量阻抗的大小和方向的差別，可以構(gòu)成縱聯(lián)距離保護。

1.6如圖L1所示，線路上裝設(shè)兩組電流互感器，線路保護和母線保護應(yīng)各接哪組互感器？

答：線路保護應(yīng)接TA1,母線保護應(yīng)接TA2。因為母線保護和線路保護的保護區(qū)必須重疊,

使得任意點的故障都處于保護區(qū)內(nèi)。

母線

線路

TA1TA2

圖1-1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，說明加快繼電保護的動作時間，為什么可以提高電力系

統(tǒng)的穩(wěn)定性？

答：由電力系統(tǒng)分析知識可知，故障發(fā)生時發(fā)電機輸出的電磁功率減小二機械功率基本不變，

從而使發(fā)電機產(chǎn)生加速的不平衡功率。繼電保護的動作時間越快，發(fā)電機加速時間越短，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，繼電保護的動作速度越快，故障持續(xù)的時間就越

短，發(fā)電機的加速面積就約小，減速面積就越大，發(fā)電機失去穩(wěn)定性的可能性就越小，即穩(wěn)

定性得到了提高。

1.8后備保護的作用是什么？闡述遠后備保護和近后備保護的優(yōu)缺點。

答：后備保護的作用是在主保護因保護裝置拒動、保護回路中的其他環(huán)節(jié)損壞、斷路器拒動

等原因不能快速切除故障的情況下，迅速啟動來切除故障。

遠后備保護的優(yōu)點是：保護范圍覆蓋所有下級電力元件的主保護范圍，它能解決遠后備

保護范圍內(nèi)所有故障元件由任何原因造成的不能切除問題。

遠后備保護的缺點是：(1)當(dāng)多個電源向該電力元件供電時，需要在所有的電源側(cè)的上

級元件處配置遠后備保護；(2)動作將切除所有上級電源測的斷路器，造成事故擴大；(3)

在高壓電網(wǎng)中難以滿足靈敏度的要求。

近后備保護的優(yōu)點是：(1)與主保護安裝在同一斷路器處，在主保護拒動時近后備保護動作；

(2)動作時只能切除主保護要跳開的斷路器，不造成事故的擴大；(3)在高壓電網(wǎng)中能滿

足靈敏度的要求。

近后備保護的缺點是:變電所直流系統(tǒng)故障時可能與主保護同時失去作用，無法起到"后

備"的作用；斷路器失靈時無法切除故障，不能起到保護作用。

1.9從對繼電器的"四性”要求及其間的矛盾，闡述繼電保護工作即是理論性很強，又是工

程實踐性很強的工作。

答：繼電保護的可靠性、選擇性、速動性和靈敏性四項要求之間即矛盾又統(tǒng)一。繼電保護的

科學(xué)研究、設(shè)計、制造和運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)系進行

的。

電力系統(tǒng)繼電保護即是一門理論性很強，又是工程實踐性很強的學(xué)科。首先繼電保護工

作者要掌握電力系統(tǒng)、電氣設(shè)備的基本原理、運行特性和分析方法，特別要掌握電力系統(tǒng)故

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

點和差異來"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)實現(xiàn)繼電保護

的基本方法，所以需要很強的理論性。

由于被保護的電力系統(tǒng)及其相關(guān)的電氣設(shè)備千差萬別，故障時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)實際工程中設(shè)備、系統(tǒng)的現(xiàn)狀與參數(shù)，對其繼電保護做出必要的調(diào)整。

相同原理的保護裝置在應(yīng)用于電力系統(tǒng)不同位置的元件上時，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，可能配置不同的繼電保護，這些均需要根據(jù)電力

系統(tǒng)的工程實際，具體問題具體分析，所以繼電保護又具有很強的工程實踐性。

2電流的電網(wǎng)保護

2.1在過量（欠量）繼電器中，為什么要求其動作特性滿足"繼電特性"？若不滿足，當(dāng)加

入繼電器的電量在動作值附近時將可能出現(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

電器的動作電量（圖中的4）大于其設(shè)定的動作值（圖中的〃）時，繼電器能夠突然動作;

繼電器一旦動作以后，即是輸入的電氣量減小至稍小于其動作值，繼電器也不會返回，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/）以后它才突然返回。無論啟動還

re

是返回，繼電器的動作都是明確干脆的，它不可能停留在某一個中間位置，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

在動作值附近波動時，繼電器將不停地在動作和返回兩個狀態(tài)之間切換，出現(xiàn)"抖動"現(xiàn)象，

后續(xù)的電路將無法正常工作。

2.2請列舉說明為實現(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：在過量動作的電磁型繼電器中，繼電器的動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)電磁力矩剛剛達到動作條件時，繼電器的可動銜鐵開始轉(zhuǎn)動，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，在整個動作過程中總的剩余力矩為正值，銜鐵加速轉(zhuǎn)動，

直至銜鐵完全吸合，所以動作過程干脆利落。繼電器的返回過程與之相反，返回的條件變?yōu)?/p>

在閉合位置時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返回

時，由于這時摩擦力矩反向，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)生一個返回方向的剩余力矩，因此能夠加速返回，即返回的過程也是干脆利落的。

所以返回值一定小于動作值，繼電器有一個小于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)定動作值和返回值兩個不同的整定

值而實現(xiàn)的。

2.3解釋"動作電流"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？

答：在過電流繼電器中，為使繼電器啟動并閉合其觸點，就必須增大通過繼電器線圈的電流

4,以增大電磁轉(zhuǎn)矩，能使繼電器動作的最小電流稱之為動作電流卻。

在繼電器動作之后，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O

過電流繼電器返回系數(shù)過小時，在相同的動作電流下起返回值較小。一旦動作以后要使

繼電器返回，過電流繼電器的電流就必須小于返回電流，真陽在外故障切除后負荷電流的作

用下繼電器可能不會返回，最終導(dǎo)致誤動跳閘；而返回系數(shù)過高時，動作電流惡和返回電流

很接近，不能保證可靠動作，輸入電流正好在動作值附近時，可能回出現(xiàn)"抖動"現(xiàn)象，使

后續(xù)電路無法正常工作。

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

2.4在電流保護的整定計算中，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際存在的各種誤差的影響，例如：

(1)實際的短路電流可能大于計算值；

(2)對瞬時動作的保護還應(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)保護裝置中的短路繼電器的實際啟動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)，即使同時存在著以上幾個因素的影響，也能保證在

預(yù)定的保護范圍以外故障時，保護裝置不誤動作，因而必須乘以大于1的可靠系數(shù)。

2.5說明電流速斷、限時電流速斷聯(lián)合工作時，依靠什么環(huán)節(jié)保證保護動作的選擇性？依靠

什么環(huán)節(jié)保證保護動作的靈敏度性和速動性?

答：電流速斷保護的動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，它將不能保護線路全長，而只能保護線路全長的一部分，靈敏度不

夠。限時電流速斷的整定值低于電流速斷保護的動作短路，按躲開下級線路電流速斷保護的

最大動作范圍來整定，提高了保護動作的靈敏性，但是為了保證下級線路短路時不誤動，增

加一個時限階段的延時，在下級線路故障時由下級的電流速斷保護切除故障，保證它的選擇

性。

電流速斷和限時電流速斷相配合保護線路全長，速斷范圍內(nèi)的故障由速斷保護快速切

除，速斷范圍外的故障則必須由限時電流速斷保護切除。速斷保護的速動性好，但動作值高、

靈敏性差；限時電流速斷保護的動作值低、靈敏度高但需要03?0.6s的延時才能動作。速

斷和限時速斷保護的配合，既保證了動作的靈敏性，也能夠滿足速動性的要求。

2.6為什么定時限過電流保護的靈敏度、動作時間需要同時逐級配合，而電流速斷的靈敏度

不需要逐級配合？

答：定時限過電流保護的整定值按照大于本線路流過的最大負荷電流整定，不但保護本線路

的全長，而且保護相鄰線路的全長，可以起遠后備保護的作用。當(dāng)遠處短路時，應(yīng)當(dāng)保證離

故障點最近的過電流保護最先動作，這就要求保護必須在靈敏度和動作時間上逐級配合，最

末端的過電流保護靈敏度最高、動作時間最短，每向上一級，動作時間增加一個時間級差，

動作電流也要逐級增加。否則，就有可能出現(xiàn)越級跳閘、非選擇性動作現(xiàn)象的發(fā)生。由于電

流速斷只保護本線路的一部分，下一級線路故障時它根本不會動作，因而靈敏度不需要逐級

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，系統(tǒng)參數(shù)為：

E<“P=115l小"kV,XUrI.=15Q、X(。jL=100,VJ=10Q,LI、=LZ,=60km,LJ,=40km,

LB.C=50km，LC_D=30km，LD.E=20m，線路阻抗0.4Q/A〃Z,<,=1.2、K胃=用。=1.15,

/B.CZ=300A,/“皿=200A,=150A,K*=1.5、K”=0.85。試求:

(1)發(fā)電機元件最多三臺運行，最少一臺運行，線路最多三條運行，最少一條運行，請確

定保護3在系統(tǒng)最大、最小運行方式下的等值阻抗。

(2)整定保護1、2、3的電流速斷定值，并計算各自的最小保護范圍。

(3)整定保護2、3的限時電流速斷定值，并校驗使其滿足靈敏度要求(Ksen>1.2)

(4)整定保護1、2、3的過電流定值，假定流過母線E的過電流保護動作時限為0.5s,校

驗保護1作后備用，保護2和3作遠備用的靈敏度。

圖2-2簡單電網(wǎng)示意圖

解：由已知可得X-X=0.4x60=24Q,X/3=0.4x40=16Q,X=0.4x50=20Q,

Ll/L7NLaJZR5vr

Xcn=0.4x30Q,XDE=0.4x20=8Q

(1)經(jīng)分析可知，最大運行方式及阻抗最小時，則有三臺發(fā)電機運行，線路L1-L3全部運

行，由題意Gl,G2連接在同一母線上，則

X*(XG』|XG2+X“||X.)||(^3+^,3)=(6+12)||(10+16)=10.6

同理，最小運行方式下即阻抗最大，分析可知只有在G1和L1運行，相應(yīng)地有

X’.max=X。］+Xu=39

(2)對于保護1,其等值電路圖如圖2-3所示，母線E最大運行方式下發(fā)生三相短路流過

E115/V3

加

保護1的最大短路電流為4E1rax=1.312

X..min+XBC+XCDXDE10.6+20+12+8

相應(yīng)的速斷定值為心產(chǎn)K)x/A￡max=1.2xl.312=1.57kA

I-七

最小保護范圍計算公式為心=乎7一^-―Lmm=J--Z._x-L=-85.9km

即1處的電流速斷保護在最小運行方式下沒有保護區(qū)。

對于保護2等值電路如圖2-3所示，母線D在最大運行方式下發(fā)生三相短路流過保護2的

F

最大電流Ik.D,mm=--=1.558kA

y\.???Inf'Im

5.minnCCtJ

相應(yīng)的速斷定值為心2=K,X/WJmax=1.2xl.558=1.87kA

匕1

最小保護范圍為Lnm=孑--Zjmaxx-L=-70.6km

Iset2U.4

I)

即2處的電流速斷保護在最小運行方式下也沒有保護區(qū)。

對于保護3等值電路如圖2-3所示，母線C在最大運行方式下發(fā)生三相短路流過保護3的

F

最大電流cmax=——-——=2.17kA

min+"6C

相應(yīng)的速斷定值為/[=Cx/,.c.max=1.2x2.17=2.603kA

最小保護范圍為L,x-=-42.3km

0.4

即3處的電流速斷保護在最小運行方式下也沒有保護區(qū)。

上述計算表明，在運行方式變化很大的情況下，電流速斷保護在較小運行發(fā)生下可能沒有保

護區(qū)。

(3)整定保護2的限時電流速斷定值為/：,=心心=L15xl.57=L806kA

線路末段(即D處)最小運行發(fā)生下發(fā)生兩相短路時的電流為

kOmax=0.8098kA

所以保護2處的靈敏系數(shù)弋,二與詈=0.4484即不滿足心,？1.2的要求。

同理，保護3的限時電流速斷定值為/，=K胃心.2=L15xL87=2.151kA

線路末段(即C處)最小運行發(fā)生下發(fā)生兩相短路時的電流為

所以保護3處的靈敏系數(shù)理3=結(jié)皿=0.4531即不滿足Ksell>1.2的要求。

可見，由于運行方式變化太大，2、3處的限時電流速斷保護的靈敏度都遠不能滿足要求。

(4)過電流整定值計算公式為/匕=9=七…

K陀K*

所以有"L=304.5A

K,e

同理得/%=406Ae,3=609A

在最小運行方式下流過保護元件的最小短路電流的計算公式為/,min=*’上

乙"s.max

所以有心而*727.8A/,min=809.8A/c.min=974.51A

所以由靈敏度公式Ksen=勺翳可知，保護1作為近后備的靈敏度為

礦產(chǎn)1俱以=2.39>1.5滿足近后備保護靈敏度的要求；

*J111

/C0,1

保護2作為遠后備的靈敏度為K[,二請詈=1.7921.2滿足最為遠后備保護靈敏度的要求；

'set.2

保護3作為遠后備的靈敏度為V：尸4詈=1.3321.2滿足最為遠后備保護靈敏度的要求。

1set.3>

保護的動作時間為^=0.5+0.5=15匕u=—+0.5=L5s收仍+0.5=2s

2.8當(dāng)圖2.56中保護1的出口處在系統(tǒng)最小運行方式下發(fā)生兩相短路，保護按照題2.7配

置和整定時，試問

(1)共有哪些保護元件啟動?

(2)所有保護工作正常，故障由何處的那個保護元件動作、多長時間切除？

(3)若保護1的電流速斷保護拒動，故障由何處的那個保護元件動作、多長時間切除？

(4)若保護1的斷路器拒動，故障由何處的那個保護元件動作、多長時間切除?

答：(1)由題2.7的分析保護1出口如即母線D處短路時的最小短路電流為0.8098kA,

在量值上小于所有電流速斷保護和限時電流速斷保護的整定值，所以所有這些保護都不會啟

動；該量值大于1、2、3處過電流保護的定值，所以三處過電流保護均會啟動。

(2)所有保護均正常的情況下，應(yīng)有1處的過電流以1s的延時切除故障。

(3)分析表明，按照本題給定的參數(shù)，1處的速斷保護肯定不會動作，2處的限時電流速

斷保護也不會動作，只能靠1處的過電流保護動作，延時1s跳閘；若斷路器拒動，則應(yīng)由

2處的過電流保護以1.5s的延時跳開2處的斷路器。

2.9如圖2-4所示網(wǎng)絡(luò)，流過保護1、2、3的最大負荷電流分別為400A、500A、550A,

=1.3、Kre=0.85,C=1.15,-=國=0.5s，鎧=1.0s,試計算:

(1)保護4的過電流定值；

(2)保護4的過電流定值不變，保護1所在元件故障被切除，當(dāng)返回系數(shù)K“低于何值時

會造成保護4誤動?

(3)Kn,=0.85時，保護4的靈敏系數(shù)K刈=3.2,當(dāng)Kn,=0.7時保護4的靈敏系數(shù)降低到

多少？

圖24系統(tǒng)示意圖

解：過電流保護4的最大負荷電流為/4max=400+500+550=1450A

KjzlH

保護4的過電流定值為/&=早包人2=2.55A

Kre

時限為t「=max（,瞿，4"）+zV=1.5s

（2）保護21切除故障后，流過保護4的最大負荷電流/=500+550=1050A=1.05kA

4.max

，在考慮電動機的自啟動出現(xiàn)的最大保護電流/wmax=K,I=1.3xl.05=1.365kA,這個

電流必須小于保護4的返回電流，否則1.5S以后保護4將誤切除。相應(yīng)的要求〈.axW

乙=32.55K…從而2.55K,>1.365，…覆=0.535。當(dāng)返回系數(shù)低于0.535

時，會造成保護誤動。

（3）保護4的靈敏系數(shù)K、”.=與皿=:腹心，,KsenA與Kre成正比，當(dāng)Kre下降時靈

'set.4八rel八ss'4.max

敏系數(shù)下降，「=旦*3.2=2.635。

（）.85

2.10在中性點非直接接地系統(tǒng)中，當(dāng)兩條上下、級線路安裝相間短路的電流保護時，上級

線路裝在A、C相商，二下級線路裝在A、B相上，有何優(yōu)缺點？當(dāng)兩條線路并列時，這種

安裝方式有何優(yōu)缺點？以上串、并兩種線路，若采用三相星形接線，有何不足？

答：在中性點非直接接地系統(tǒng)中，允許單相接地時繼續(xù)短時運行，在不同線路不同相別的兩

點接地形成兩相短路時，可以只切除一條故障線路，另一條線路繼續(xù)運行。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、2CI（IB、2A1（IB、2C\

（IC、2AX（IC2BX

當(dāng)兩條上、下級線路安裝相間短路電流保護時，上級線路裝在A、C相商，而下級裝在

A、B相上時，將在（1A、2B）、（IB、2A\（IC、2A）和（IC、2B）四種情況下由下

級線路保護切除故障，即下級線路切除故障的幾率為2/3;當(dāng)故障為（1A、2C）時，將會由

上級線路保護切除故障；而當(dāng)故障為（IB、2C）時，兩條線路均不會切除故障，出現(xiàn)保護

拒動的嚴重情況。

兩條線路并列時，若兩條線路保護動作的延時一樣，則在（1A、2B）、（:LC、2A）和

（IC、2B）三種情況下，兩條線路被同時切除；而在（1A、2C）故障下,只能切除線路1;

在（IB、2A）故障下，只能切除線路2;在（IB、2C）故障下，兩條線路均不會切除，即

保護拒動。

若保護采用三相星形接線時，需要三個電流互感器和四根二次電纜，相對來講是復(fù)雜不

經(jīng)濟的。兩條線路并列時，若發(fā)生不同相別的接地短路時，兩套保護均啟動，不必要切除兩

條線路的機會就比較多。

2.11在雙側(cè)電源供電的網(wǎng)絡(luò)中，方向性電流保護利用了短路時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動作的選擇性。方向性電流保

護利用短路時功率方向的特征，當(dāng)短路功率由母線流向線路時表明故障點在線路方向上，是

保護應(yīng)該動作的方向，允許保護動作。反之，不允許保護動作。用短路時功率方向的特征解

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質(zhì)上是在判別什么？為什么會存在“死區(qū)"？什么時候要求它動

作最靈敏？

答：功率方向判別元件實質(zhì)是判別加入繼電器的電壓和電流之間的相位伊，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。為了進行相位比較，需要加入繼電器

的電壓、電流信號有一定的幅值(在數(shù)字式保護中進行相量計算、在模擬式保護中形成方波),

且有最小的動作電壓和電流要求。當(dāng)短路點越靠近母線時電壓越小，在電壓小雨最小動作電

壓時，就出現(xiàn)了電壓死區(qū)。在保護正方向發(fā)生最常見故障時，功率方向判別元件應(yīng)該動作最

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現(xiàn)，分別畫出“”U,sin(100M,

ir=I,.sinQOOm+30°)和ur-Ursin(100R),ir-Irsin(100^Z-60°)時,各輸出電壓隨時間變

化的波形；如果用數(shù)字式(微機)實現(xiàn)，寫出你的算法，并校驗上述兩種情況下方向元件的

動作情況。

答：以內(nèi)角a=30。為例，畫出各點輸出電壓波形如圖2-5所示。

LtLL

t(ms)t(ms)

t(ms)t(ms)

t(ms)

t(ms)t(ms)

ueJa

動作最靈敏條件臨界動作條件arg，^=90。

圖2-5各點電壓輸出波形圖

可以看出，在內(nèi)角a=30。時第一種情況下動作最靈敏，第二種情況元件處于臨界動作

狀態(tài)。數(shù)字式實現(xiàn)時，動作的判據(jù)可以表示為-90。＜arg，TJ＜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為動作最靈敏，

而情況2處于臨界動作狀態(tài)的結(jié)論。

2.14為了保證在正方向發(fā)生各種短路時功率判別元件都能動作，需要確定接線方式及內(nèi)角，

請給出90。接線方式正方向短路時內(nèi)角的范圍。

答：⑴正方向發(fā)生三相短路時，有0°＜a＜90。。

(2)正方向發(fā)生兩相短路，當(dāng)短路點位于保護安裝處附近，短路阻抗Z”＜Z,時，0。。＜90。；

當(dāng)短路點遠離保護安裝處，且系統(tǒng)容量很大乙＞Z,時，-30。。＜60。.

綜合三相和各種兩相短路的分析得出，當(dāng)0°＜他＜90。時，使方向繼電器在一切故障情況

下都能動作的條件應(yīng)為30°＜a＜60°o

2.15對于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)正常負荷電流(功率

因數(shù)在0.85)下，分析功率方向判別元件的動作情況。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，會出現(xiàn)什么情

況？

答：內(nèi)角為30。的功率方向元件，最大靈敏角仁”=-30。，則動作范圍為-1204%4-60。。由

正常負荷電流的功率因數(shù)0.85可以得至!J%=arctanO.85=31.79°,在動作范圍內(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，B相過電流元

件動作，由于該元件出口和A相功率方向元件串接，這樣就會啟動時間繼電器，出現(xiàn)延時跳

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4、5、6、7、8、9處過電流的時間定值，并說明何處需要安裝方向元件。

(3)確定保護5、7、9限時電流速斷的電流定值，并校驗靈敏度。

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

Ik4=—--="5/6=2.554A

xXC3+XL310+16

按此電流來整定，動作定值e5=K,)/*4=3.064kA

在來看發(fā)電機1、2處于最大運行方式下保護5處母線三相短路時，有

%=(XGl\\XG2+XLl\\XL2)=18Q

麟5處的電流為953kA

^5.min丁八￡3

遠小于按躲過保護4處母線三相短路求得的整定電流，所以保護5不必安裝方向元件，僅

靠定值就能保證方向故障時不誤動作。

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

二右九=2.34kA當(dāng)保護4處背側(cè)母線三相短路是，流過保護4的電流為2.554kA,大

于其整定值，所以不會誤動，必須加裝方向元件。

(2)過電流保護按躲過最大負荷電流整定，其量值較小，保護靈敏度很高，4~9任何一處

保護正向及方向故障時，短路電流的量值都會超過其整定值，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處的過電流保護的動作時間分別與G3、G2和G1處的

過電流保護時間相配合，在其動作延時的基礎(chǔ)上增加一個時間級差；5、7、9處過電流保護

的動作時間均與3處過電流時間相配合，由題2.7可知，三處過電流保護的動作時間為2s,

所以5、7、9處過流保護的動作時間均應(yīng)取2.5s。

(3)5處限時電流速斷保護定值應(yīng)該與3、6、8處電流速斷保護的定值相配合。

與3處電流速斷保護的定值配合：

3處電流速斷保護的定值為乙3=K\x。。,皿=2.603KA,L3支路對應(yīng)的分支系數(shù)的倒數(shù)為

1=XGJIXG+X/X?=0409

KbrXclIIXG2+%￡1II%2+XG3+'

與保護3配合時，5處限時電流速斷保護的定值為此5=4—匕=1.224kA

Kbr3

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，發(fā)電機Gl,G2所提供的短路電

流不會流過保護6,只有發(fā)電機G3的電流才流過保護6,所以其工段的整定值為

EXu=1.048kA

X...(j+jXL.j.+X.L.\IIX,,XL.\.+X,L,/

同理,裝設(shè)方向元件的情況下，8處保護的定值也為/；,8=1.048kAo按與它們配合時，5

處限時電流速斷保護的定值為/，=鼠=4七8=l.205kA

取三種情況的最大者，即/，=L224kA

校驗靈敏度：母線B兩相短路時，流過5處的最小短路電流為

Ykf1=2.211kA所以靈敏度為=1.834滿足要求。

/AG3+AL31set.5

在6、8處不裝方向元件的情況下，它們速斷保護的定值還應(yīng)安躲過母線B三相短路時流過

它們的最大短路電流來整定。

母線B三相短路時流過6、8處的最大短路電流為

1F

j=j-___________________=1244kA

-maxSmax2%||%+X,jIIX.,

這時其短路電流速斷保護的整定值變?yōu)橐?=乙8=x/,6max=2.26kA

所以5處限時電流保護的定值為=七乙6=2.599kA

靈敏度為用工=與皿=0.85故不滿足要求。

2.17在中性點直接接地系統(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——故障點處零序電壓最高，距故障點越遠零序電壓越低，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接地變壓器的零序阻抗，與電源點的數(shù)目和位置無

關(guān)。（2）負序電壓——故障點處負序電壓最高，距故障點越遠負序電壓越低，在發(fā)電機中性

點上負序電壓為零。負序電流的分布取決于系統(tǒng)的負序阻抗。（3）正序電壓——越靠近電源

點正序電壓數(shù)值越高，越靠近短路點正序電壓數(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。

答：（1）電磁式電壓互感器一般有三個繞組，一個一次繞組，兩個二次繞組。在三相系統(tǒng)中,

三個單相式電壓互感器的一次繞組接成星形并將中性點接地，其兩個二次繞組一個按星形方

式接線，另一個按開口三角形接線，星形接線的繞組用來測量各相對地電壓及相間電壓，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單方便，精度

較高，不需要額外的裝置或系統(tǒng);其缺點是開口三角側(cè)正常無電壓，不便于對其進行監(jiān)視，該

側(cè)出現(xiàn)斷線短路等故障無法及時發(fā)現(xiàn)，輸出零序電壓的極性容易標錯，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及以下電壓等級的中低

壓配電系統(tǒng)，其優(yōu)缺點與（1）的情況類似。

(3)接于發(fā)電機中性點的電壓互感器，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，但適用范圍小，同時不平衡電壓較大，不夠靈敏。

(4)保護內(nèi)部合成零序電壓的方式接線較為簡單，不容易出現(xiàn)接線及極性的錯誤，其缺點

是裝置內(nèi)部必須設(shè)置專門的模塊。

傳統(tǒng)的機電式保護中通常采用(11(2\(3)三種方式獲取零序電壓；在數(shù)字式保護

中，傾向于采用方式(4)，?在一些特殊的場合，也可以采用方式(31

2.19系統(tǒng)示意圖如圖2-6所示，發(fā)電機以發(fā)電機-變壓器方式接入系統(tǒng)，最大開機方式為4

臺全開，最小開機方式為兩側(cè)各開1臺，變壓器T5和T6可能2臺也可能1臺運行。參數(shù)

為:E,=115/百kV,XlGl=X2Gi=XlG2=X2C2=5Q,XlC3=X2C3=XlCA=X2C4=8Q,

Xi.n~X].T4=5Q,X0T1~Xor4=15Q,X17.5=XIT6=15Q,X07.5=Xor6=2OQ,

LA_B=60km,LB_C=40km,線路阻抗4=Z2=0.4Q/km,Z0=1.2Q/km,K，=1.2,

4=1.15。

圖2-6系統(tǒng)示意圖

(1)畫出所有元件全運行時的三序等值網(wǎng)絡(luò)，并標注參數(shù)；

(2)所有元件全保護時，計算母線B發(fā)生單相接地短路和兩相接地短路時的零序電流分布;

(3)分別求出保護1、4零序n段的最大、最小分支系數(shù)；

(4)分別求出保護1、4零序工、n段的定值，并校驗靈敏度；

(5)保護1、4零序I、n段是否需要安裝方向元件；

(6)保護1處裝有單相重合閘，所有元件全運行時發(fā)生系統(tǒng)振蕩，整定保護1不靈敏I段

定值。

解：先求出線路的參數(shù),即LAB=60km,Xi”=XZAB=24Q,X04S=72Q,LBC=40km,

X"c=Xi%=16。，=48C,所有元件全運行是三序電壓等值網(wǎng)絡(luò)圖如圖2-7所示。

DCAn

(a)正序等值圖

(b)負序等值圖

(c)零序等值圖

圖2-7所有元件全運行時三序電壓等值網(wǎng)絡(luò)圖

(2)下求出所有元件全運行時，B母線分別發(fā)生單相接地短路和兩相接地短路時的負荷序

網(wǎng)等值圖。

1）單相接地短路時，故解口正序阻抗為

YJ-YY1634-YI；n

Zxi=（XJB+⑺）H（X,fiC+^）=（24+5）||（16+6.5）=12.67Q

故障端口負序阻抗為ZZ2=ZD=12.67Q

VVY

故障端口零序阻抗為4。=（竽+X°AB）II竽11（竽+X°BC）=79.5||10||55.5=7.657Q

則復(fù)合序網(wǎng)等值圖如圖2-8所示。

4_115/6

故障端口零序電流為If0=2.012kA

ZXI+ZS2+ZL0-12.67+12.67+7.657

在零序網(wǎng)中按照零序?qū)Ъ{進行分配零序電流從而得到此時流過保護1、4處的零序電流分別

為3小黑黑fkA/"gx^=0.278kA

畫出零序電流分布圖如圖2-9所示.

圖2-9單相接地短路零序電流分布圖

2)兩相接地短路時，故障端口各序阻抗和單相接地短路時相同，即Z》=212=12.67。

則復(fù)合序網(wǎng)如圖所示。

Zzo=7.657Q,2-10

Zj；2IIZ^o需源:477故瞞口正序電流為3=3.808kA

Z2i+Z12HZ^o

故障端口零序電流為=2.373kA

1Z.o/+/.o/j

同樣地，流過保護1、4的零序電流分別為4,=0.299kA,/02=0.327kAo

從而得到如圖2-11所示的零序電流分布圖。

圖2-10兩相接地短路復(fù)合序網(wǎng)等值圖圖2-11兩相接地短路零序電流分布圖

(3)先求出保護1的分支系數(shù)Klh

當(dāng)BC段發(fā)生接地故障，變壓器5、6有助增作用，如圖2-12所示。

IIY

K-_BCM_=l+^M_=l+±L

"/1Y

1ABM1ABM八2

對于,當(dāng)只有一臺發(fā)電機變壓器組運行是最大，有七2=X0n+X°AB=87。

當(dāng)兩臺發(fā)電機變壓器轆行時七最小，有X.警+X("79.5。

對于X2,當(dāng)T5J6只有一臺運行時X?最大，X2max=20;當(dāng)T5,T6兩臺全運行時《最小，

^2min=10.因此保護1的最大分支系數(shù)3"皿=1+>=9.7,

^2min

最小分支系數(shù)為=1+2=4.975

^2max

同樣的分析保護4的分支系數(shù)K,一當(dāng)AB段發(fā)生接地故障時，T5J6YOU助增的作用,如

圖2-13所示。

//V

K=@=I+L^L=I+。

"http://￥

1ABM1ABM八2

對于玉，當(dāng)只有一臺發(fā)電機變壓器組運行是最大，有毛3=Kg+X“c=63。

當(dāng)兩臺發(fā)電機變壓器組運行時七最小，有Xlmin=^+Xoec=55.5Q

對于X2,當(dāng)T5J6只有一臺運行時兒最大，X?1mx=20;當(dāng)T5,T6兩臺全運行時九最小，

Y

X2min=io.因此保護4的最大分支系數(shù)儲,2=1+黃”=7.3,

X2min

V

最小分支系數(shù)為K4hmin=1+4=3.775

“2max

圖2-12BC段故障時變壓器的助增作用圖2-13AB段故障時變壓器的助增作用

(4)保護1整定計算

零序I段：根據(jù)前面的分析結(jié)果，母線B故障流過保護1的最大零序電流為

=0.229kA故工段定值l'selA=<,/x3/o,max=1.2x3xO.229=O.8244kA

為求保護1的零序口段定值，應(yīng)先求出保護3零序工段定值，設(shè)在母線C處分別發(fā)生單相

接地短路和兩相接地短路，求出流過保護3的最大零序電流，因此有

Z"=Zx2=()11(g；X/)=5.68Q

YYY

z0=[(少+x0.川山+X]II-=6.63Q

u、2t'./irj'2vO.oBvC-12

單相接地短路時，有。。=京+#+二=毅;6a-—kA

Z^1+Z52+，133.oO+J.OO+O.o3

從而求得流過保護3的電流為3=0.43kA

連相接地短路時，有ZZ2IIZzo=:y：=3.06Q

z"5.86+6.63

正序電流IfX=——昇一=7.6kA零序電流I。=/"X——=3.5kA

從而求得流過保護3的電流/03=0.408kA

這樣，流過保護3的最大零序電流=0.43kA

保護3的零序工段定值為乙3=&X3/O3,M=L548kA

這樣，保護1的零序□段定值為=與-義心3=^xl.548=0.358kA

4.975

校驗靈敏度：母線B接地短路故障流過保護1的最小零序電流/o.Lmin==0.194kA

3/

靈敏系數(shù)3,=拳皿=1.626

保護4整定計算：

零序工段根據(jù)前面的分析結(jié)果母線B故障流過保護4的最大零序電流為/0.4,max=0.327kA

故I段定值4,=Cx3/04max=1.2x3x0.327=1.18kA

為求保護4的零序n段定值，應(yīng)先求出保護2零序I段定值，設(shè)在母線A處分別發(fā)生單相

接地短路和兩相接地短路，求出流過保護2的最大零序電流，因此有

Z》=Zx產(chǎn)（工總一;/陽+X"B+X.）芻/）=4.52Q

z0=［（且Y+X。sc）II山Y(jié)+X?？赮=6.86Q

U2U.DC/2J2

115/6=4.179kA

單相接地短路時，有=

Z.++Zg34.52+4.52+6.68

從而求得流過保護2的電流為/02=0.356kA

兩相接地短路時，有ZL2IIZzo=鬻筌=2.723Q

4.52+6.86

U7

正序電流的=-丁…=9.17kA零序電流I=%義，；=3.64kA

'Zv,+Zr,HZvn/f0'Z~+Z?

從而求得流過保護2的電流/02=0.31kA

這樣，流過保護2的最大零序電流/o.2max=O.356kA

保護2的零序工段定值為/，=x3/°.2.max=L286kA

這樣，保護4的零序II段定值為/%=資-x/，=：^xL282=0.39kA

K4bmin//〉

校驗靈敏度：母線B接地短路故障流過保護4的最小零序電流I。,,而1,==0.278kA

靈敏系數(shù)K,"吆產(chǎn)=2.14

set.\

2.20系統(tǒng)示意圖如圖2-6所示，發(fā)電機以發(fā)電機-變壓器方式接入系統(tǒng)，最大開機方式為4

臺全開，最小開機方式為兩側(cè)各開1臺，變壓器T5和T6可能2臺也可能1臺運行。參數(shù)

為：4=115/劣kV,X[G1=X2GI-X]G2=X2G2=5Q,XlG3=X2G3-X]G4=X2G4=8。,

X⑺?Xm=5Q,X。3Xor4=15Q,Xir5=X1./.6=15Q/Xor5=Xor6=2OQ,

4_尸60km,LB_C=40km,線路阻抗4=Z2=0.4Q/km,Z