电力系统继电保护基本原理.docx
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电力系统继电保护基本原理
《电力系统继电保护基本原理》
课程学习指导资料
编写：
陈皓
适用专业：
电力系统自动化专业
适用层次：
专科（业余）
四川大学网络教育学院
二00三年十一月
《电力系统继电保护》课程学习指导资料
编写：
陈皓
审稿（签字）：
审批（主管教学负责人签字）：
本课程学习指导资料根据该课程教学大纲的要求，参照现行采用教材《电力系统继电保护》（吴必信主编，中国电力出版社，2000年）以及课程学习光盘，并结合远程网络业余教育的教学特点和教学规律进行编写，适用于电力系统自动化专业专科学生。
第一部分课程的学习目的及总体要求
一、课程的学习目的
电力系统继电保护是四川大学网络学院电力系统及其自动化专业（专科）考试计划中的一门专业课。
它是研究继电保护技术和继电保护装置及其在电力系统中应用的一门科学,为培养电力系统及其自动化高等工程应用型技术人才而设置的。
通过学习获得电力系统继电保护必要的基本理论、基本知识和基本技能，为以后分析、解决本专业的—般技术问题奠定基础。
二、课程的总体要求
本课程的内容包括两部分：
电网保护和主设备（变压器、发电机、母线等）保护。
通过本课程的学习和实验，要求：
1．掌握电流、电压、方向电流、距离和差动等保护的基本原理和构成；理解有关继电器的工作原理、动作特性、接线方式和工作情况的分析方法。
2．理解各继电保护装置的应用范围；掌握电流保护、距离保护的整定计算原则和方法；能阅读继电保护原理图和展开图。
3．掌握几种继电器的基本实验技能，学会常用仪器、仪表和设备的使用方法。
4．了解继电保护的发展过程和趋势。
第二部分课程学习的基本要求及重点难点内容分析
第一章概述
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
了解电力系统继电保护的作用，明确继电保护在在电力系统发生故障或不正常运行时的基本任务和作用。
（2）应掌握的内容
了解实现继电保护的基本原理和组成：
继电保护的基本原理。
利用单侧、双侧电气量或非电气量变化的特征可以判断电力系统有、无故障或不正常运行情况。
继电保护装置的三个组成部分以及各部分的作用。
（3）应熟练掌握的内容
深刻理解电力系统对继电保护的基本要求和“四性”之间的关系。
对继电保护的基本要求：
选择性、快速性、灵敏性和可靠性（即“四性”）等极其重要的基本概念。
“四性”之间的关系以及它们之间有时是矛盾而又统一的概念。
后备保护的作用，并能区分什么是近后备和远后备。
2、本章重点难点分析
对继电保护装置应当具有的性能，必须提出严格的要求，造就是所谓的“四性”，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。
其中可靠性是最重要的，选择性是关键，灵敏性必须足够，速动性要达到必要的程度，所谓“必要的程度”，有时是指快到几十或十几毫秒，有时也可以是几秒或更长些，根据被保护对象的重要性具体确定。
“四性’是设计、分析与评价继电保护装置是否先进、实用和完善的出发点和依据。
3、本章典型例题解答
例：
何谓继电保护装置、继电保护系统、继电保护？
答：
继电保护装置是当电力系统中发生故障或出现异常状态时能自动、迅速而有选择地切除故障设备或发出告警信号的一种专门的反事故用自动装置。
继电保护系统为多种或多套继电保护装置的组合。
继电保护用来泛指继电保护技术或继电保护系统。
也常用作继电保护装置的简称，有时直接称为“保护”。
4、本章作业（p.5）
第二章电网相间短路的电流电压保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
了解电磁型继电器的作用和工作原理，理解起动值、返回值和返回系数及继电特性等基本概念。
理解电流（电压）互感器的极性和误差。
（2）应掌握的内容
掌握阅读电流保护原理图和展开图的方法。
深刻理解相间短路电流保护各部分的作用、构成和工作原理，特别是在保证选择性的前提下，如何处理快速性与灵敏性之间的关系。
理解两种接线方式（三相星形和两相星形）的工作特点和适用范围。
理解在该电网中广泛采用两相星形接线方式的原因和Y，d11接线变压器后两相短路时电流保护的工作情况以及为提高灵敏性所采取的措施。
（3）应熟练掌握的内容
熟练掌握三段式电流保护的整定计算原则和计算方法。
从选择性、快速性、灵敏性和可靠性等四个方面评价阶段式电流保护。
最大（小）运行方式、最大（小）短路电流、灵敏系数（保护范围）、阶段式电流保护的概念、继电器原理及其接线方式、动作情况的分析、整定计算和评价等，是本课程的重点内容之一，是学好继电保护必须熟练掌握的基本知识。
2、本章重点难点分析
本章知识点中，重点是：
电磁型继电器、相间短路的电流保护及其接线方式和阶段式电流保护。
难点是对Y，d11接线变压器后两相短路时的电流分析。
3、本章典型例题解答
例1：
如图所示，在110KV输电线路中，线路BC的负荷电流为230A,系统阻抗为:
Xs=2.5欧姆,单位线路长度的阻抗为:
X=0.4（欧姆/公里）,I,II,III段电流保护可靠系数Kk’=1.25;Kk’’=Kk=1.15;自启动系数Kzq=1.5;返回系数Kh=0.85。
计算：
线路BC的电流速断、限时电流速断、过电流保护动作值与动作时间。
20KM25KM34KM30KM1.5s
解：
（1）线路BC的速断保护
为保证选择性，按躲开线路BC末端的最大短路电流Id（3）.C.max整定速断动作值：
动作时间：
（2）线路BC的限时电流速断动作值：
与下条线路电流速断动作值
配合：
动作时间：
（3）线路BC的过电流保护动作值：
动作时间：
2．不同接线方式性能比较
（1）变压器后两相短路故障分析（不考虑变比）：
三继电器方式提高灵敏度一倍
由序电流相位关系：
I1Y=I1-300，I2Y=I2300
可求得求得相电流关系如上，有：
IB=-2IA=-2IC
（2）不完全星形接线两继电器方式
AB、BC异地两点接地故障：
B相无LH、LJ，只切除A或C相故障（2/3几率）
AC异地两点接地故障：
同时切除A、C相故障（1/3几率）
4、本章作业（p.48~49）
第三章电网相间短路的方向电流保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
了解相间短路方向电流保护的作用和构成。
了解电抗型电流电压变换的作用、构造及工作原理。
（2）应掌握的内容
掌握方向元件（功率方向继电器）的工作原理、构造及动作持性。
初步掌握基于两个电气量相位比较的原理和基于两个电气量幅值比较的原理及其互换性。
了解实现比幅式继电器的一般方法。
（3）应熟练掌握的内容
明确对功率方向继电器接线方式的要求和900接线方式的概念，并理解相间短路时功率方向继电器的工作情况。
对于保护安装处两侧有电源的网络，继电保护为保证动作的选择性，需装设方向元件。
掌握在双测电源网络中继电保护动作带有方向性的必要性，以及可以省略方向元件的条件。
2、本章重点难点分析
本章知识点中，重点是：
功率方向继电器及其接线方式和动作情况的分析。
难点是根据选择性原则分析可以省略方向元件的条件。
一、二段电流保护：
动作值不能保证选择性时需使用功率方向继电器
三段电流保护：
动作时间不能保证选择性时需使用功率方向继电器
特别注意：
三段电流保护设置功率方向继电器的选择条件
3、典型例题解答
在双电源系统中，负荷潮流方向、馈电线路过电流保护动作时限如图所示。
问:
（1）输电线路过电流保护动作时间;
（2）哪些线路过电流保护必须安装功率方向元件?
（3）在给定潮流方向的情况下,线路Lab,Lbc上功率方向元件的动作行为如何？
解：
（1）按阶梯时间特性计算保护1—4的过电流保护动作时限。
考虑电源EM单独作用时，保护8为其末端线路保护，以其为基准进行计算：
考虑电源EN单独作用时，保护5为其末端线路保护，以其为基准进行计算：
（2）必须安装功率方向元件的过电流保护
a.母线A出线的保护：
保护5为负载线路保护，则保护1不需设置功率方向元件。
b.母线C出线的保护：
保护8为负载线路保护，则保护4不需设置功率方向元件。
c.母线B出线的保护：
保护3，7的动作时间相等，均为最大动作时间，
则保护2，3均需设置功率方向元件（方向标于图中，与保护正方向相同）。
（说明：
由于保护7为负载线路保护，则该线路故障时，由于保护2动作时间小于保护7动作时间，保护2失去选择性误跳闸；保护3，7的动作时间相等，将同时动作跳闸，即保护3失去选择性误跳闸；为保证选择性，保护2，3需设置功率方向元件。
）
保护6，7为负载线路保护，则保护6，7不需设置功率方向元件。
（3）给定潮流方向下功率方向元件动作行为分析
a.线路Lab上潮流方向与保护2动作正方向相反：
保护2功率方向元件不动作。
b.线路Lbc上潮流方向与保护3动作正方向相同：
保护3功率方向元件动作；但此时保护3电流元件不动作，因此方向性电流保护不动作。
4、本章作业（p.64）
第四章电网的接地保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
了解电力系统中性点的接地方式和变压器中性点接地的一般原则及零序电流（电压）滤过器的作用和原理。
理解中性点直接接地电网接地短路时零序分量（零序电压、电流和功率）的特点及中性点不接地电网单相接地短路时故障相和非故障相电压、电流的特点和性质。
（2）应掌握的内容
灵敏I段和不灵敏I段保护的差别与使用条件。
限时零序电流速断保护的灵敏系数不满足要求时所采取的措施（四段式零序电流保护）。
了解中性点非直接接地电网发生单相接地时零序分量的的特点及其接地保护方式。
（3）应熟练掌握的内容
掌握中性点直接接地电网三段式零序电流保护的整定计算原则和计算方法，并理解零序功率方向继功率方向继电器的工作原理。
2、本章重点难点分析
本章知识点中，重点是中性点直接接地电网接地短路时零序分量的特点及具零序电流保护和零序方向电流保护的整定计算原则和计算方法。
掌握电网接地短路时零序分量的特点是实现接地保护的理沦依据，也是学好本章的基础。
学习时与反应相间短路的电流保护和功率方向继电器进行比较，找出异同，有助于加深理解。
3、本章典型例题解答
零序方向电流保护的主要特点是什么？
（1）零序方向电流保护的灵敏度高，动作时限短，无电压死区。
（2）零序电流保护受运行方式变化的影响较小。
（3）零序保护不受三相对称的系统振荡，短时过负荷等的影响。
（4）在110kV及以上的高压系统中，单相接地故障约占全部故障的70％一90％，且其它的故障也往往是由单相接地发展起来的，因此采用专门的零序保护具有显著的优越性
5、本章作业（p.78~79）
第五章电网的距离保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
理解距离保护的测量阻抗和时限特性，特别是测量阻抗的概念；了解反应相间短路和接地短路的阻抗继电器接线方式；对振荡闭坡装置作初步的了解；了解电压回路断线的影响及其防止措施。
（2）应掌握的内容
理解掌握方向性阻抗继电器产生死区的原因、消除死区的措施，并了解由于引入极化电压给阻抗继电器暂态特性带来的影响；掌握分析分支电流的影响及其防止措施；掌握分析电力系统振荡的影响及振荡闭锁装置的基本原理。
（3）应熟练掌握的内容
熟练地掌握运用幅值比较原理和相位比较原理在复平面上分析单相式阻抗继电器的动作特性，以及运用这两种原理构成各种常用的单相式阻抗继电器的方法；了解上述两种原理的运用要领和它们的互换性；熟悉单相式阻抗继电器的动作方程、动作特性、交流接线。
掌握分析过渡电阻对距离保护工作的影响及其防止措施；熟练地掌握三段式距离保护的整定计算原则和整定计算方法。
2、本章重点难点分析
本章知识点中，重点是：
阻抗继电器动作特性的分析方法和阻抗继电器的接线方式、影响阻抗继电器正确动作的因素（包括电力系统振荡）和距离保护的整定计算方法。
难点是：
阻抗继电器动作特性的分析和电力系统振荡对距离保护的影响。
3、本章典型例题解答
如图所示，在110kV输电线路中，线路AB的负荷电流为335A,负荷电流功率因数为cos=0.8,Kzq=1.5;Kfh=1.15,Kk’=0.85;Kk=1.25。
其余参数见附图。
计算：
线路AB的零度接线相间方向阻抗距离A保护一段、三段动作值（无需校验）。
其中：
阻抗继电器最大动作灵敏角为:
75度；系统阻抗为:
Xs=9.5欧姆；单位线路长度的阻抗为:
x1=0.4（欧姆/公里）；电流互感变比为NLH=1200/5。
110KV25KM36KM18KM
解：
（1）距离保护一段动作值整定
（2）距离保护三段动作值
全阻抗动作值：
方向阻抗动作值：
4、本章作业（p.125~126）
第六章输电线路的纵联保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
纵联差动保护的基本原理和不平衡电流的概念。
高频保护的基本原理和高频通道的基本构成方式。
（2）应掌握的内容
高频通道的三种工作方式（故障时发信、长期发信和移频（混合）方式）及其特点，以及三种类型高频信号（闭锁、允许和跳闸信号）的性质；相差高频保护的操作电流。
（3）应熟练掌握的内容
高频闭锁方向保护和高频闭锁距离（零序）保护的工作原理、构成、基本元件的作用（结合逻辑框图分析）。
高频闭锁方向保护对功率方向元件的要求。
相差高频保护的工作原理、构成和闭锁角的概念。
2、本章重点难点分析
本章知识点中，重点是：
纵联差动保护的基本原理和不平衡电流、高闭锁方向保护和相差高频保护的基本原理。
3、本章典型例题解答
高频闭锁方向保护动作跳闸的条件是什么？
如果通道遭到破坏，当内部故障和外部故障时，保护的工作会受到何影响?
答：
高频闭锁方向保护动作跳闸的条件是：
故障时，高频闭锁方向保护的方向元件判别为正向故障、且在通道配和延时时间到后未收到线路对侧保护发出的高频闭锁信号时跳闸。
如果通道遭到破坏，当内部故障时，保护的工作不会受到影响，可以跳闸；外部故障时，保护的工作会受到影响，远故障端的保护不能收到高频闭锁信号而误跳闸。
4、本章作业（p.147）
第七章电力变压器保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
变压器的故障类型、异常运行情况和继电保护方式等概念；变压器的瓦斯保护。
（2）应掌握的内容
变压器相间短路的几种后备保护及其特点；变压器中性点直接接地和不接地运行方式的接地保护；变压器的过励磁保护。
（3）应熟练掌握的内容
变压器纵差动保护中不平衡电流、励磁涌流的特点和克服影响的措施；差动继电器的工作原理，变压器纵差动保护的整定计算原则。
2、本章重点难点分析
重点是：
变压器纵差动保护、变压器相间短路的后备保护和变压器的接地保护。
难点是：
不平衡电流和励磁涌流产生的原因、特点以及克服其影响的措施。
3、本章典型例题解答
一台变压器如果采用T．d11接线方式，那么在构成差动保护时，变压器两侧的电流互感器应采用怎样的接线方式．才能补偿变压器两侧电流的幅值/相位差?
试用相量图分析并画出变压器纵差动保护的接线。
4、本章作业（p.176）
第八章同步发电机保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
发电机的故障类型、异常运行情况和继电保护方式；了解发电机对后备保护的要求和保护方式。
（2）应掌握的内容
利用基波与三次谐波共同构成的100％定子接地保护；发电机负序反时限电流保护；发电机一变压器组保护的特点。
（3）应熟练掌握的内容
发电机纵差动保护的工作原理、断线监视装置的作用；发电机匝间短路的特点和匝间短路保护的工作原理；发电机失磁的概念和失磁后发电机端测量阻抗变化的特点，实现失磁保护的一般原则。
2、本章重点难点分析
重点是：
发电机匝间短路保护、发电机负序反时限电流保护、发电机定子绕组单相接地保护和发电机失磁保护。
难点是：
发电机失磁保护。
3．本章典型例题解答
发电机定子装有纵差动和横差动保护时，发生何种故障时两种保护会同时动作?
答：
当发电机定子绕组发生相间短路时，纵差保护动作；由于相间短路时，一般两组绕组三相不对称，因此可形成环流，横差动保护也可动作。
4、本章作业（p.208）
第九章母线保护和断路器失灵保护
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
了解母线的故障和异常运行状态，母线保护的作用和要求。
（2）应掌握的内容
几种母线保护的构成原理及其特点。
（3）应熟练掌握的内容
双母线同时运行时母线保护的构成和工作情况。
2、本章重点难点分析
重点是：
母线保护的构成原理、双母线同时运行时的母线保护。
3．本章典型例题解答
电流比相式母线保护的优、缺点是什么？
答：
优点是由于只比较电流相位，LH变比可以不同：
简化二次接线，不受不平衡电流的影响；缺点是对于3/2断路器接线母线和多角形母线，在母线故障且有电流流出时，电流比相式母线保护要误动。
4、本章作业（p.223）
第十章微机保护概论
1、本章学习要求
（1）应熟悉的内容
微机保护的构成和特点。
（2）应掌握的内容
微机距离保护软件主要工作流程图（主程序、中断服务程序和故障处理程序流程图）。
（3）应熟练掌握的内容
微机保护软件（数字滤波器和算法）的基本概念与原理。
数字滤波的含意、作用；简单数字滤波器（差分滤波器、加法滤波器和积分滤波器）的实现方法和特点；
微机保护几种基本算法（假定输入量为正弦量的算法和解微分方程算法）的原理。
2、本章重点难点分析
数字滤波器和保护算法。
3．本章典型例题解答
什么是三点乘积算法?
答：
利用正弦量在连续三个采样时刻采样值之间的乘积运算，计算正弦量的幅值（或有效值）和相角的算法，称为三点乘积算法。
3、本章作业（p.255~256）
第三部分综合练习题
第一章
（1）．何谓故障、异常远行方式和事故?
它们之间有什么不同?
又有什么联系？
（2）．常见故障有哪些类型?
故障后果表现在哪些方面?
（3）．何谓主保护、后备保护?
远后备和近后备有何区别？
各有何优、缺点？
结合“四性”要求分析。
第二章
如图所示网络，试求线路AB保护1的无时限电流速断（即电流I段）的动作电流值，并进行灵敏性（保护范围）校验。
图示电压为线电压（计算短路电流时取平均额定电压），线路阻抗为0．4／km，可靠系数Kk’＝1．3。
如线路长度减小到50km、25km，重复上述计算，并分析计算结果，可得出什么结论?
第三章
在双电源系统中，馈电线路过电流保护动作时限的三种不同方案如表所示（单位：
秒）。
问:
（1）输电线路过电流保护1~6动作时间;
（2）哪些线路过电流保护必须安装功率方向元件?
注意：
选择动作时间的原则是，除了保证选择性以外，尚应使故障切除时问为最短；需装设功率方向元件的保护数为最少。
7
8
9
10
11
12
方案1
1
1.5
2
3
1.5
2
方案2
2
1.5
1
2
2.5
1
方案3
2.5
1
3
0.5
2
1.5
第四章
（1）中性点直接接地电网中，接地短路的特点及保护方式是什么?
（2）零序电流保护灵敏I段和不灵敏I段保护的差别与使用条件是什么?
限时零序电流速断保护的灵敏系数不满足要求时所采取的措施是什么?
（3）中性点经消弧线圈接地电网中，单相接地短路的特点及保护方式是什么?
第五章
（1）已知方向阻抗继电器整定阻抗Zzd＝10，试写出它的幅值比较原理和相位比较原理的动作方程表达式，并画出它的动作特性与交流接线图。
（2）方向阻抗继电器为什么要引入极化电压?
记忆回路工作原理和引人第三相电压作用是什么?
（3）为比么在整定距离II段定值时要考虑最小分支系数，在校验III段灵敏性时，要考虑最大分支系数？
（3）不同特性的阻抗继电器（如全阻抗、方向阻抗和偏移特性阻抗继电器）整定阻抗相同时，在承受过渡电阻的能力上哪一种最强?
在遭受振荡影响的程度上哪一种最严重？
第六章
（1）电流起动方式的方向高频保护中，起动元件的作用是什么?
为什么要采用两个灵敏性不同的起动元件?
它们的定值向如何选择?
（2）高频闭锁方向保护中采用按900接线方式的功率方向继电器作为方向元件时带来什么问题？
如采用负序功率方向继电器会有何优点？
此时的缺点是什么？
如何解决？
（3）采用（I1+KI2）为相差高频保护的操作电流的原因是什么？
第七章
（1）变压器可能发生哪些故障和异常运行状态?
它与线路相比有何异同?
（2）试列举减小变压路差动保护中不平衡电流的措施。
何谓相位补偿和变比补偿？
它们的作用是什么?
（3）变压器励磁涌流是在什么情况下产生的?
它有何特点?
在变压器差动保护中是怎么利用涌流的这些特点来消除涌流对差动保护的影响？
第八章
（1）发电机可能发生的故障和异常运行状态有哪些？
应该装设哪些相应的保护？
（2）单继电器式横差动保护的原理、接线、工作情况和评价。
（3）根据机端测量阻抗的变化，如何区分失磁与非失磁（包括正常与短路和系统振荡等）？
失磁保护的定子判据和辅助判据的类型和作用。
第九章
（1）为什么微机保护在采样前应对模拟输入量进行滤波？
（2）若每工颇周期采样12点，欲滤除3次谐波．那么差分滤波器差分步长应取多少？
（3）解微分方程算法主要特点是什么？
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