电力系统继电保护课后习题解析第二版.docx
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电力系统继电保护课后习题解析第二版
电力系统继电保护课后习题解析（第二版）
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
-1-
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TA1TA2
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，
-2-
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，又是工程实践性很强的工作。
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。
-3-
际工程中设备、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工程实际，具体问题具体分析，所以继电保护又具有很强的工程实践性。
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2-1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I）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”。
re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。
E0162E1534IreIopIk
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
-4-
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，由于这时摩擦力矩反向，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？
-5-
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1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1跳闸；若断路器拒动，则应由2处的过电流保护以1.5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,
ⅢⅢⅢⅢK=1.3、Kre=0.85，Krelttt123=1.15，==0.5，=1.0，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
灵敏系数降低到多少？
BA5423M1MKen=3.2，当Kre=0.7时保护4的
C
图2-4系统示意图
解：
过电流保护4的最大负荷电流为I4.ma某=400+500+550=1450A
I保护4的过电流定值为
Ⅲet.4ⅢKKrelI4.ma某Kre=2.55A
ⅢⅢⅢⅢtttt4123时限为=ma某（，，）+t=1.5
-11-
（2）保护21切除故障后，流过保护4的最大负荷电流
'I4.ma某=500+550=1050A=1.05kA
'IIK，在考虑电动机的自启动出现的最大保护电流.ma某=4.ma某=1.3某
1.05=1.365kA，这个电流必须小于保护4的返回电流，否则1.5以
ⅢIIKI.ma某rereet.4=2.55Kre，从而后保护4将误切除。
相应的要求≤=
1.3652.55Kre＞1.365，Kre＞2.55=0.535。
当返回系数低于0.535时，会造
成保护误动。
Ik.B.minIk.B.minKreⅢⅢIKKI4.ma某，Ken.4与Kre成正比，et.4rel（3）保护4的灵敏系数=当Kre0.73.2K下降时灵敏系数下降，en=0.85=2.635。
Ken.42.10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
-12-
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[co（+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urUrin（100t），
irIrin（100t30）和urUrin（100t），irIrin（100t60）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。
uu1u2180360uu1u2t
t
-13-
u3102030t（m）u3
u4102030t（m）102030t（m）
u4
u55152535t（m）
u5102030t（m）
u65102530t（m）
u6102030t（m）
u71520t（m）
u7510t（m）
u810t（m）
u81015t（m）
u920t（m）
u91015t（m）
Urejarg0Ir20t（m）
动作最灵敏条件
argUrejIr临界动作条
90件
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
90argUrejIr90
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。
-14-
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°
（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＜Z时，0°
Z时，-30°
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°
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，由于该元件出口和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
Ik4E115/3某G3某L3=1016=2.554A
ⅢⅠIKet.5按此电流来整定，动作定值=relIk4=3.064kA
-15-
1、4处的零序电流分别为
I0.2If00.0180180.130597=0.278kA
I0.1If00.125790.130597=0.194kA
画出零序电流分布图如图2-9所示.
Z112.67Uf|0|Z212.67Z07.657
序网等值图图2-9单相接地短路零序电流分布图
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
Z1Z2=12.67
Z0=7.657，则复合序网如图2-10所示。
12.677.657Z2||Z0=12.677.675=4.77故障端口正序电流为
If1Uf|0|Z1Z2||Z0=3.808kA
If012.6712.677.675=2.373kA
故障端口零序电流为If0=
I0.2=0.327kA。
同样地，流过保护1、4的零序电流分别为I0.1=0.299kA，
-21-
从而得到如图2-11所示的零序电流分布图。
Z112.67Uf|0|Z212.67Z07.657
B0.115A0.229C0.3270.1640.909
图2-10两相接地短路复合序网等值图图2-11两相接地短路零序电流分布图
（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。
IBCMI某1A'BM11K1.b=IABMIABM某2,
对于
某1，当只有一台发电机变压器组运行是最大，有
某1ma某=某0.T1某0.AB=87
某0.T1某0.AB某某21min1当两台发电机变压器组运行时最小，有==79.5
对于某2，当T5,T6只有一台运行时
全运行时某2最小，
某2最大，某2ma某=20；当
T5,T6两台
-22-
某2min=10.因此保护1的最大分支系数K1.b.ma某=
1某1ma某某2min=9.7，
最小分支系数为K1.b.min=
1某1min某2ma某=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。
IBCMI某1A'BM11K1.b=IABMIABM某2
对于
某1，当只有一台发电机变压器组运行是最大，有
某1ma某=某0.T3某0.BC=63
某0.T3某0.BC某某当两台发电机变压器组运行时1最小，有1min=2=55.5
对于某2，当T5,T6只有一台运行时
全运行时某2最小，
某2最大，某2ma某=20；当
T5,T6两台
某2min=10.因此保护4的最大分支系数K4.b.ma某=
1某1ma某某2min=7.3，
最小分支系数为K4.b.min=
B1某1min某2ma某=3.775
BIABMIBCM某1MIABMM某1ICBMIA'BM某2某2IC'BM
图2-12BC段故障时变压器的助增作用图2-13AB段故障时变压器的助增作用（4）保护1整定计算
-23-
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
ⅠⅠIIK0.1.ma某et.1序电流为=0.229kA故Ⅰ段定值=rel3I0.1.ma某=1.2某3某
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
Z1某1.G1某1.T1某1.G3某1.T3某1.AB某1.BCZ2=（22）||（）=5.68某0.T1某某某0.AB）||0.T5某0.BC]||0.T3222=6.63
Z0[（单相接地短路时，有
If0Uf|0|Z1Z2Z3115/3=5.865.866.63=3.69kA
从而求得流过保护3的电流为I0.3=0.43kA连相接地短路时，有Z2正序电流
If1Uf|0|Z1Z2||Z05.866.63||Z0=5.866.63=3.06
=7.6kA零序电流
If0If1Z2Z2Z0=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.ma某=0.43kA
ⅠⅠIKet.3保护3的零序Ⅰ段定值为=rel3I0.3.ma某=1.548kA
I这样，保护1的零序Ⅱ段定值为
I0.1.min==0.194kA
Kre3I0.1minIⅡet.1=1.626
Ⅱet.1KⅠrel1.15IⅠ1.548et.3K1.b.min4.975==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
灵敏系数
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
ⅠⅠIIK0.4.ma某et.1电流为=0.327kA故Ⅰ段定值=rel3I0.4.ma某=1.2某3某
-24-
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
Z1某1.G3某1.T3某1.G1某1.T1某1.AB某1.BCZ2=（22）||（）=4.52某0.T3某某某0.BC）||0.T5某0.AB]||0.T1222=6.86
Z0[（单相接地短路时，有
If0Uf|0|Z1Z2Z3115/3=4.524.526.68=4.179kA
从而求得流过保护2的电流为I0.2=0.356kA两相接地短路时，有Z2正序电流
If0If14.526.86||Z0=4.526.86=2.723
If1Uf|0|Z1Z2||Z0=9.17kA零序电流
Z2Z2Z0=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.ma某=0.356kA
ⅠⅠIKet.2保护2的零序Ⅰ段定值为=rel3I0.2.ma某=1.286kA
I这样，保护4的零序Ⅱ段定值为
I0.4.min==0.278kA
Kre3I0.4minIⅡet.1=2.14
Ⅱet.4KⅡrel1.15IⅠ1.282et.2K4.b.min=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
灵敏系数
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
E115/3某1.G1某2.G1=器T5和T6可能2台也可能1台运行。
参数为：
kV，
-25-
某1.G2某2.G2=5，某1.G3某2.G3=某1.G4某2.G4=8，
某1.T1~某1.T4=5，某0.T1~某0.T4=15,某1.T5某1.T6=15,某0.T5某0.T6=20，
ⅠLAB=60km，LBC=40km，ZZZK201线路阻抗==0.4/km，=1.2/km，rel=1.2，KⅡrel=1.15。
其相间短路的保护也采用电流保护，试完成：
（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
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