電力系統(tǒng)繼電保護課后習題解析(第二版)-張保會-尹項根主編

電力系統(tǒng)繼電保護課后習題答案

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。當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，電源至故障點

之間的電力設備中將流過很大的短路電流，假設沒有完善的繼電保護系統(tǒng)將故障快速切除，那么會引

起故障元件和流過故障電流的其他電氣設備的損壞；當電力系統(tǒng)發(fā)生故障時，發(fā)電機端電壓降低造成

發(fā)電機的輸入機械功蔚口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)，那么當電力系統(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響電力系統(tǒng)中設備發(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

信號遁知值班人員處理使電力系統(tǒng)盡快恢復正常運行;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，將故障局部與電網(wǎng)的其他局部隔離。

1.3繼電保護裝置通過哪些主要環(huán)節(jié)完成預定的保護功能，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擬、邏輯判斷和執(zhí)行輸出三個局部完成預定的保護功能。測量比擬環(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擬，根據(jù)比擬的結(jié)果，給出"是"、"非"、

或〃1〃性質(zhì)的一組邏輯信號，從而判別保護裝置是否應該啟動。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系判定故障的類型和范圍，最后確定是否應該使斷路器

跳閘。執(zhí)行輸出環(huán)節(jié)是根據(jù)邏輯局部傳來的指令，發(fā)出跳開斷路器的跳閘脈沖及相應的動作信息、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)下的電氣量復制差異，已經(jīng)構成哪些原理的保護，

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，構成了過電流保護;利用短路時電壓幅值的降低，構成了低

電壓保護；利用電壓幅值的異常升高，構成了過電壓保護；利用測量阻抗的降低?口阻抗角的變大，構

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異不大。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局部。

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，可以構成哪些原理的保護?

答：利用電力元件兩端電流的差異，可以構成電流差動保護；利用電力元件兩端電流相位的差異可以

構成電流相位差動保護；利兩側(cè)功率方向的差異，可以構成縱聯(lián)方向比擬式保護；利用兩側(cè)測量阻抗

的大小和方向的差異，可以構成縱聯(lián)距離保護。

1.6如圖1-1所示，線路上裝設兩組電流互感器，線路保護和母線保護應各接哪組互感器？

答：線路保護應接TA1,母線保護應按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)。

E1-1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,為什么可以提高目力系統(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根本不變，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。繼電保護的科學研究、

設計、制造和運行的大局部工作也是圍繞如何處理好這四者的辯證統(tǒng)一關系進行的。

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科。首先繼電保護工作者要掌

握電力系統(tǒng)、電氣設備的根本原理、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，應用不同的原理和判據(jù)實現(xiàn)繼電保護的根本方法，所以需要很強的理論性。

由于被保護的電力系統(tǒng)及其相關的電氣設備千差萬別，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)整地應用于不同的電氣設備或系統(tǒng)，而應根

據(jù)實際工程中設備、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〃？假設不滿足，當參加繼電器

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。當參加繼電器的動

作電量〔圖中的人〕大于其設定的動作值〔圖中的幾〕時1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，只有當參加繼電器的電氣量小于

其設定的返回值［圖中的/）以后它才突然返回。無論啟動還是返回，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，否那么當參加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？

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，當電磁力矩剛剛到達動作條件時，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)樵陂]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

按平方關系減小，彈簧力矩按線性關系減小，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。，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乙。

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〃。

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。

(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〔K四之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：由可得=X],=0.4x60=24。,=0.4x40=16Q,X?=0.4x50=20Q,=0.4x30Q,

LIL，L，Ovr.-XLcInV

XD￡=0.4X20=8Q

(1)經(jīng)分析可知，最大運行方式及阻抗最小時，那么有三臺發(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，那么

二CXG1||XG2+XJ|X￡2)||(XC3+XL3)=(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,相應地有X、皿=XC1+X〃=39

圖2-3等值電路

〔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)生三相短路流過保護1的

相應的速斷定值為七廣牖X3nm=1.2xl.312=1.57kA

最小保護范圍計算公式為乙=￡./:/4油二x-L=-85.9km

乙4.max+L\^minherU.4

\/

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的最大電流

/=3=1.558kA

K.U.IDJXyryr

Aj.min+ARC+ACD

相應的速斷定值為乙2=K)x/ADnm=1.2xl.558=1.87kA

最小保護范圍為Lmin=J--4皿x-L=-70.6km

het.2U4

\7

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的最大電流

相應的速斷定值為C=腐xZtcnm=1.2x2.17=2.603kA

最小保護范圍為4x——=-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)。

上述計算說明，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匕=Kl/L.,=1.15xl.57=1.806kA

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

jt.D.inax=0.8098kA

所以保護2處的靈敏系數(shù)K]二冬詈=0.4484即不滿足七注1.2的要求。

同理，保護3的限時電流速斷定值為=KL]/',=l.lSxl.87=2.1SlkA

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

hc^=———-——=0.9764kA

2Xe+X^

所以保護3處的靈敏系數(shù)K%=勺1=04531即不滿足K皿>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弋=9=2^5

KreKre

所以有所產(chǎn)=304.5A

Kre

同理得/^2=406A心「二609A

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4mm二咚丁工

24.max-

所以有小=727.8AZD.min=809.8AZCmin=974.51A

所以莊靈敏度公式K皿=勺耨可知，保護1作為近后備的靈敏度為

K.T=^=2,39>1.5滿足近后備保護靈敏度的要求;

保護2作為遠后備的靈敏度為《2=3=1.7921.2滿足最為遠后備保護靈敏度的要求；

/3G

保護3作為遠后備的靈敏度為尺上二礙;L33之1.2滿足最為遠后備保護靈敏度的要求。

1xa

,,,nn,

保護的動作時間為z1=0.5+0.5=lsr]=r,+0.5=1.5s收嚴+0.5=2s

2.8當圖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)假設保護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〕假設保護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：〔D由題2.7的分析，保護1出口處〔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，應有1處的過電流以1s的延時切除故障。

〔3〕分析說明,按照此題給定的參數(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；假設斷路器拒動，那么應由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，流過保護1、2、3的最大負荷電流分別為400A、500A、55OA,

￡,=1.3、K*0.85,K方=1.15,f—=0.5sJ"=L.Os,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，當返回系數(shù)Kre低于何值時會造成保護

4誤動？

(3)Kre=0.85時，保護4的靈敏系數(shù)二3.2,當Kre=0.7時保護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4的最大負荷電流為/4._=400+500+550=1450A

保護4的過電流定值為/以=與黑/4z=2.55A

時限為=max〔一，小，+Ar=1.5s

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

，在考慮電動機的自啟動出現(xiàn)的最大保護電流(曲二―=13xl.05=1.365kA，這個電流必須小

于保護4的返回電流，否那么1.5s以后保護4將誤切除。相應的要求/,,nm<lre=K/E,4=2.55Kre,

從而2.55Kre>1.365,>翳=0.535。當返回系數(shù)低于0.535時，會造成保護誤動。

(3)保護4的靈敏系數(shù)KsenA=J泮=:藍與Kre成正比，當Kre下降時靈敏系數(shù)下降，

Ksen=-^-x3.2=2.635O

0.85

2.10在中性點非直接接地系統(tǒng)中，當兩條上下、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？當兩條線路并列時，這種安裝方式有何優(yōu)缺點？

以上串、井兩種線路，假設采用三相星形接線，有何缺乏？

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、2。、［IB、2A〕、〔IB、2。、［IC、2A)、［IC、2B〕。

當兩條上、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)、［:LB、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;當故障為〔1A、2C)時，將會由上級線路保護切除故障；而當故障

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，假設兩條線路保護動作的延時一樣，那么在〔1A、2B）.[IC2A）和〔1C、

2B）三種情況下，兩條線路被同時切除；而在QA、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。

假設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，相對來講是復雜不經(jīng)濟的。

兩條線路并列時，假設發(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時機就

比擬多。

2.11在雙側(cè)電源供電的網(wǎng)絡中，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，當短路功率由母線流向線路時說明故障點在線路方向上，是保護應該動作的方

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)是判別參加繼電器的電壓和電流之間的相位夕’，并且根據(jù)一定關系

[cos（野+a）是否大于0]判別初短路功率的方向。為了進行相位比擬，需要參加繼電器的電壓、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該動作最靈敏。

2.13當教材中途2.29的功率方向判別元件用集成電路實現(xiàn)，分別畫出〃"Ursin（100叫，

z；=/，5畝（100加+30。）和〃，=”而（100打），ir=/，411（100加-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，并校驗上述詼種情況下方向元件的動作情況。

答：以內(nèi)角。二30。為例，畫出各點輸出電壓波形如圖2-5所示。

??

uejaUeja

動作最靈敏條件argf—=（）。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二30。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

I]pia

式實現(xiàn)時，動作的判據(jù)可以表示為-900<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，當短路點位于保護安裝處附近，短路阻抗Z”<Z,時/00<a<90°;當短路點

遠離保護安裝處，且系統(tǒng)容量很大Z,/>Z、時，-30o〈av60。。

綜合三相和各種兩相短路的分析得出,當0°</<90。時，使方向繼電器在一切故障情況下都能動

作的條件應為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，最大靈敏角八二-30。，那么動作范圍為-1204%￡60。。由正常負

荷電流的功率因數(shù)0.85可以得到%=arctan0.85=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

,E115/6

A4==-=2.554A

rXC3+Xl310+16

按此電流來整定，動作定值/以=%〃M=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

X—二〔XG』|XG+X4|X,,2〕二18。

保護5處的電流為九二=1.953kA

Xs.min+

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

/.L.4=/\九=2.34kA當保護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，在其動作延時的根底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

動作時間均應取2.5s。

(3)5處限時電流速斷保護定值應該與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/二二K）xikCmax=2.603KA,L3支路對應的分支系數(shù)的倒數(shù)為

=0.409

"XGIIXC2+X￡IIIX2+XG3+X

與保護3配合時，5處限時電流速斷保護的定值為匕s=理3匕3=1.224kA

與6處和8處電流速斷配合：假設裝設方向元件，那么6處電流速斷保護應該按躲過母線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I段的整定值為

回一=1.048kA

同理，裝設方向元件的情況下，8處保護的定值也為/二8=1.048kAe按與它們配合時，5處限時電流

速斷保護的定值為===1.205kA

取三種情況的最大者,即/工二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

6E

A.B.min=2.211kA所以靈敏度為耳，=節(jié)也=1.834滿足要求。

在6、8處不裝方向元件的情況下，它們速斷保護的定值還應安躲過母線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

這時其短路電流速斷保護的整定值變?yōu)橐?=心s=K）x/,6nm=2.26kA

所以5處限時電流保護的定值為/，=七/鼠=2.599kA

靈敏度為尺幻5=與皿=0另5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：⑴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。（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比擬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，其詼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)構比擬復雜，主要應用于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

必須設置專門的模塊。

傳統(tǒng)的機電式保護中通常采用〔1〕、〔2〕、〔3〕三種方式獲取零序電壓；在數(shù)字式保護中，傾向于

采用方式(4);在一些特殊的場合，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:q=115/GkV,

XI.GI=X2.G1=X1.G2=X2.G2=5C,=X.G3=XI.G4=X[.G4=8。.

XLG32

=

~Xin=5C.~X0.74=15。，Xi%=Xi.%=15C,X0.75=X0.76=20。＞^_B60km,

《=《=。

LH_C=40km,=z2=0.4Q/km,Z0=1.2Q/kmf1.2,1.15

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，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I、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.=X2AB=24Q,XOAB=72Q,L8c=40km,

所有元件全運行是三序電壓等值網(wǎng)絡圖如圖所示。

XlBC=X2fyc=16Q,X0BC=48Q,2-7

(a)正序等值圖

(b)負序等值圖

?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，故障端口正序阻抗為

V4-YY4.Y

z沙一(X.+⑷；⑺)II(X.+心]⑺)=(24+5)1/6+6.5)=12.6%

故障端口負序阻抗為ZS2-ZS1=12.67Q

VVV

故障端口零序阻抗為Zzo=（安+X°M）II警II（二羅+X"C）=79.5||10||55.5=7.657C

那么復合序網(wǎng)等值圖如圖2-8所示。

U5Zx/3

故障端口零序電流為If0==2.012kA

Z.+Zn+Zgo12.67+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

r,0.12579crc/HA,0.018018^

/.=x=0.194kA7—Ix=0n.278Ok1AA

n°」/00.130597°-f/l0}0.130597

單相接地短

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ZD=ZL2=12.67Q

ZL0=7.657Q,那么復合序網(wǎng)如圖2-10所示。

Z二1七。=霽:鬻=4.77故障端口正序電流為I=少=3.808kA

12.67+7.673fl,工]IlZg。

故障端口零序電流為〃。二/「oXsJZG12.373kA

12.67+7.675

同樣地，流過保護L4的零序電流分別為/（,J=0.299kA,/02=0.327kAe

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)K1,

當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。

對于X）；當只有一臺發(fā)電機變壓器組運行是最大，有Xlmax=X（）T]+X（）AS=87。

當兩臺發(fā)電機變壓器組運行時最小，有XImin=竽+X。'8=79.5Q

對于X,,當T5,T6只有一臺運行時X,最大,X2max=20;當T5J6兩臺全運行時X,最小，

Y

x2min=10.因此保護1的最大分支系數(shù)Klb皿=1+A=9.7,

“2min

Y

最小分支系數(shù)為=1+*=4.975

2max

同樣的分析保護4的分支系數(shù)K4h。當AB段發(fā)生接地故障時,T5J6YOU助增的作用,如圖2-13所

1ABM1ABM八2

對于當只有一臺發(fā)電機變壓器組運行是最大,有Xlmax=X0.T3+X。建=63C

當兩臺發(fā)電機變壓器組運行時占最小，有Xlmin=^+XOflC=55.5Q

對于X2,當T5J6只有一臺運行時X2最大，X2max=20;當T5,T6兩臺全運行時X2最小，

Y

X2min=10.因此保護4的最大分支系數(shù)儲會二1+含之二7.3,

X2nun

V

最小分支系數(shù)為1=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,nm=0.229kA故I

段定值匕"x3/0,max=1.2x3x0.229=0.8244kA

為求保護1的零序H段定值，應先求出保護3零序I段定值，設在母線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〃=Zz2=〔乂°丁叫22ll（*G；Xm）=5.68Q

Z0=[（^1k+Xo/8）II+X0.8C]II=6.63o

UfKX115/6>“IA

單相接地短路時，有I=3.69kA

f0Z,、+Z、、+Z>35.86+5.86+6.63

從而求得流過保護3的電流為如=043kA

連相接地短路時，有小廿黑鬻二3.06Q

=7.6kA零序電流//0=Ix—^—=3.5kA

正序電流/fl=--:州fl

Z'Z"+Zgo

Za+Z"IIZ20

從而求得流過保護3的電流703=0.408kA

這樣，流過保護3的最大零序電流/（Unux=0.43kA

保護3的零序I段定值為=K）x3/O3,max=1.548kA

這樣，保護1的零序n段定值為心1=*心力黑x1.548=0.358kA

用…皿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.lmi?==O.194kA

靈敏系數(shù)產(chǎn)=1.626

set.\

保護4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4的最大零序電流為/014,max=0327kA故I段

定值/.L,1=。x3/04max=12x3x0.327=1.18kA

為求保護4的零序n段定值，應先求出保護2零序I段定值，設在母線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、=Zz2二2||（X-：X-）=452Q

J乙

Y

4二號+'。.)|今+x5號=6.860

U/刖___________“5/6—=4.179kA

單相接地短路時，有g

4.52+4.52+6.68

乙?乙/乙D

從而求得流過保護2的電流為心=0.356kA

兩相接地短路時，有Z、.，||z、.。=巖堂|二2.723Q

一一4.52+6.86

U7

正序電流I=——=9.17kA零序電流1=1八x——二一=3.64kA

f]/0/(,71

JZzi+ZL2||ZZOZL2+ZL()

從而求得流過保護2的電流/012=0.31kA

這樣，流過保護2的最大零序電流/8.a=0.356kA

保護2的零序I段定值為乙2二《x3/02max=1.286kA

這樣，保護4的零序II段定值為/，=歹」x心2二坐x1.282=0.39kA

冗力,min3.775

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/°.4.min==0.278kA

靈敏系數(shù)筆皿=2.14

,tetA

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：紇=115/百kV,

===

X].GI=^2.GlX]G=X?G2=5C,X]G3=^2.G3^i.G4Xg=8。.

X]71~X].T4=5。IXQTl-X074=15c,X[75=X[76=15。，X075=X0.T6=20。ILA_B=60km,

Ll}_c=40km,線路阻抗Z1=Z2=0.4Q/km,Z0=1.2Q/km,《=1.2,。=1.15。其相間短路的保

護也采用電流保護，試完成：

(1)分別求出保護1、4的段I、n定值，并校驗靈敏度;

〔2〕保護1、4的I、II段是否安裝方向元件；

〔3〕分別畫出相間短路的電流保護的功率方向判別元件與零序功率方向判別元件的交流接線；

〔4〕相間短路的電流保護的功率方向判別元件與零序功率方向判別元件的內(nèi)角有何不同；

〔5〕功率方向判別元件必須正確地按照電壓、電流同名端接線后，才能正確工作，設想現(xiàn)場工程師是

如何保證接線極性正確的。

解：〔1〕保護1的I、n段整定.

YiV

最大運行方式為GLG2全運行，相應的x?=⑺2/-5。

最小運行方式為一臺電機運行，相應的Xi=XG1+X『I=10。

E

母線B處三相短路流過保護1的最大電流〃小”--=2.289kA

X$.min+Xd

W1的I段定值為I\e,.=K\etXIdBnm=1.2X2.289=2.747kA

p

母線C三相短路流過保護3的最大電流心2=--r=1.475kA

X$.min+Xd

保護3的I段定值為/工=K\dxIdC_=1.771kA

保護1的n段定值為/%=K胃x4.3=2.063kA

AE

母線B兩相短路流過保護1的最小電流〃，皿=-=1.691kA

2X,.ax+Xd

保護1電流n斷的靈敏度系數(shù)%=鏟=粵=0.83靈敏度不滿足要求。

L.12.063

保護4的I、口段整定。

最大運行方式為G3、G4全運行，相應的豈生產(chǎn)=6.5。

最小運行方式為一臺電機運行，相應的Xe=XG3+X73=13Q

E

母線B處三相短路流過保護4的最大電流〃㈤鵬=-~~r=2.951kA

X’.min+Xd

保護1的I段定值為心」=K)X/</Bnm=1.2x2.951=3.541kA

E

母線A三相短路流過保護2的最大電流〃人皿=飛=1.428kA

X.r.min+X“

保護2的I段定值為九=口X心2=1.713kA

保護4的n段定值為/匕=Cx/；/2=1.97kA

AE

母線B兩相短路流過保護4的最小電流3,皿=*~~2—=1.983kA

2X5皿+X”

保護4電流n斷的靈敏度系數(shù)C.4=鏟=粵=1.01靈敏度不滿足要求。

&.4L97

(2)計算母線A背側(cè)三相短路時流過保護1的最大短路電流，即

E-二115/6

=1.428kA

rf./l.nuix-v1V-24+16+6.5

V.V.ATi+AG3

AAB+ABC+2

由于心皿x<2.747kA=乙一并且La<2.036kA=1%,故保護1的I、II均不需要加裝方向元件。

計算母線C背側(cè)三相短路時流過保護4的最大短路電流，即

I.4115/V3

rf.C.maxY.y=1.475kA

24+16+5

oc2

由于心2<3,54kA=心，并且〃cmax<1.97kA=/%,故保護4的I、II均不需要加裝方向元件。

(3)相間短路的電流保護的功率方向判別元件與零序功率方向元件的交流接線圖分別如圖2-14、

2-15所示.

圖2-14相間短路的電流保護的功率方向判別元件交流接線圖

圖2-15零序功率方向元件的交流接線圖

〔4〕對相間短路電流保護功率方向判別元件而言，當0°<%<90°,使相間短路電流保護功率方向判

別元件在一切故障時都能動作的條件為：內(nèi)角應滿足30。<a<60。。對某一已經(jīng)確定了阻抗角的送電

線路而言，應采用。=90。-外，以便短路時獲得最大靈敏角。而對零序功率方向判別元件而言，在保

護范圍內(nèi)故障時，最大靈敏角以,二-95。~-110。，即內(nèi)角a一般為95。?110。。

(5)現(xiàn)場測定互感器極性的常用原理圖如圖2-16所示。一般采用直流電池組配合直流毫安表的簡單

工具，將電池正極接在互感器的一次同名端，直流電表的紅筆〔正極〕接在二次同名瑞，當電路接通

時一次電流由同名端流入，二次電流由同名端流出，指針向右擺動，穩(wěn)定后電路斷開是指針向左擺動，

那么同名端標識正確。假設指針擺動方向相反，那么二次同名端應在另一端。

蘭電壓、電流互感器的同名端〔極性〕被正確標定以后，按照功率方向元件接線原理圖仔細地接

入后，還可以采用電壓、電流、功率和相角一體化測量儀表進行測量，根據(jù)以上電量的幅值、相位關

系和各讀數(shù)值對接線校核。

圖2-16現(xiàn)場測定電流互感器極性的常用原理接線圖

2.21對于比219復雜得多的實際電力系統(tǒng)，設想保護工程師是如何完成保護定值計算的？如果你今

后從事保護整定計算，如何借助現(xiàn)在計算工具提高你的勞動效率？

答：莊于繼電保護整定計算多種不同的運行方式，要對不同地點、不同類型的故障進行屢次計算，既

要計算出各個繼電保護元