电力系统继电保护 习题及答案

第一章 概述 复习思考题答案1-1电力系统在运行中，可能出现故障和不正常工作情况。最常见的故障是各种类型的短路，主要包括三相短路、两相短路、两相接地短路、单相接地短路以及发电机、变压器绕组的匝间短路等。故障发生后会造成以下后果：（1）故障点的电弧使故障设备烧坏。通过短路电流的设备，由于发热和电动力的作用受到损坏或降低使用寿命。（2）电力系统电压大幅度下降，使用户正常工作遭到破坏，影响产品质量。（3）破坏电力系统运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个电力系统瓦解，导致大面积停电。电力系统正常工作遭到破坏，但未形成故障，称作不正常工作情况。常见的 类型有：过负荷、过电压、电力系统振荡等。发生不正常工作情况的后果是：（1）电气设备运行超过额定电流会引起过热，加速绝缘老化，降低使用寿命，且容易引发短路。（2）发电机突然甩负荷造成过电压，将直接威胁电气绝缘。（3）电力系统振荡时，电流、电压周期性摆动，严重影响系统的正常运行。故障和不正常工作若不及时处理，将引起事故。事故是指人员伤亡、设备损坏、电能质量下降到不能允许的程度和对用户少供或停电。1-2作为一种重要的反事故措施，继电保护的基本任务是：（1）当电力系统出现故障时，能自动、快速、有选择地将故障设备从系统中切除，使故障设备免受损坏，保证系统其它部分继续运行。（2）当发生不正常工作情况时，能自动、及时、有选择地发出信号，由值班人员进行处理，或切除继续运行会引起故障的设备。1-3继电保护是利用电气量或物理量的显著变化来区分电力系统正常运行与发生故障或不正常运行情况。例如：1 反应电气量的保护（1）可根据电流的剧增，构成电流保护原理；（2）反应电压剧减，构成低电压保护原理；（3）同时反应电压降低和电流增加，构成阻抗（距离）保护原理，它以阻抗减小的多少来反应故障点距离的远近，并决定是否动作；（4）同时反应电压与电流之间相位角的变化，则可以判断故障点的方向，构成方向保护原理（正向故障动作，反向不动作）此外，还可以利用正常运行时没有或很小而故障时却很大的电气量，即某一对称分量（负序或零序）的电压、电流和功率，来构成序分量保护原理。2 反应物理量的保护可利用正常和故障时物理量（如气体温度）的变化来构成相应的保护，如反应变压器内部故障时油蒸汽和油速度增大的瓦斯保护，反应变压器、电动机绕组温度或油温度升高的温度保护。不论是反应电气量还是物理量变化的保护，当其测量值超过一定数值（整定值）时，继电保护将有选择地切除故障或显示电气设备的不正常工作情况。1-4继电保护装置一般由测量部分、逻辑部分和执行部分组成。各部分作用分别是：（1）测量部分：是将被保护对象（输电线路或其它电气元件）输入的信息（电流、电压等）与实现给定的整定值进行比较，判断被保护元件有无故障或异常情况，并输出相应的信息。（2）逻辑部分：根据测量部分输出的信息，使保护装置按一定的逻辑关系工作，以确定是否需要给出瞬时或延时动作于跳闸或信号的相应信息（3）执行部分：根据逻辑部分输出的信息，将跳闸或报警信号送至断路器的控制回路或报警信号回路1-5对继电保护的基本要求有：1）选择性；2）速动性；3）灵敏性；4）可靠性四者之间既相互联系又相互矛盾。例如，为保证选择性，有时要求保护动作带延时（即降低了速动性要求）；为保证灵敏性，有时允许保护非选择性动作（即降低选择性要求），再由自动重合闸装置来纠正；为保证速动性和选择性，有时序采用较复杂的保护装置（即降低了可靠性）。因此，须从电力系统的实际情况出发，分清主次，求得最优情况下的统一，如对于中、低压电气设备，速动性要求就比高电压等级电气设备的低。1-6是非选择性动作。若K1点短路保护1、2拒动或断路器QF1、QF2拒动，则保护3动作，跳开断路器QF3起到后备保护作用。同理也可作为相邻元件变压器或线路BD的远后备保护第二章 电网相间短路的电流、电压保护复习思考题答案2-1以电磁型继电器为例，当电磁力矩Me小于继电器动作力矩Me.act时，继电器不动作，触点断开；当MeMe.act时，继电器立即动作，触点迅速闭合。在继电器动作后，只有MeMe.res（返回力矩）时，继电器才突然返回到原位。无论动作和返回，继电器的动作都是明确、干脆的，不可能停留在某个中间位置。这种特性，称作继电器“继电特性”2-2电流继电器的输入电流增大，达到一定值时，继电器动作，此时的电流称为继电器的动作电流Ik.act。继电器动作后，减小输入电流，达到一定值时，继电器返回，此时的电流称为返回电流Ik.res。返回电流与动作电流的比值Kres= Ik.res/ Ik.act称为返回系数。由于过流保护的定值Ik.act= Ik.res/Kres，所以，Kres增大可以降低定值Ik.act ，从而提高灵敏度。当然，返回系数也不能过大，过大会造成继电器动作不可靠，因此一般取0.85-0.9。2-3变换器的作用是：（1）变换电量。将电压互感器二次侧电压（100V）和电流互感器的二次侧电流（5A）转换成低电压、小电流，以适应弱电元件的需要。（2）隔离电路。电流、电压互感器二次侧安全接地，是为了保证人身和设备的安全。而弱电元件往往与直流电源连接，直流回路又不允许直接接地，故常需要经变换器将交、直流电路隔开；另外，弱电元件易受干扰，借助变换器的屏蔽层可以减少来自高压设备的干扰。（3）调整定值。通过改变变换器一次绕组或二次绕组的抽头，可实现保护装置整定值的调整。电压变化器的输入、输出量均为电压；电流变换器的输入、输出量均为电流，但通常在其二次侧并联一小电阻R，来获得电压量；电抗变压器的输入量为电流，输出量为电压。电抗变压器的铁芯有气隙，可使磁阻增大，励磁阻抗减小且接近于感抗，磁路不易饱和，从而线性变换范围增大，并且具有移相作用，常用来模拟阻抗。（注意：教材13页、14页中电抗变压器部分的Ze、Ie、Ie.r、Ie.a、Ij、Rj、Zloa均为归算到一次侧的量，即应为Ze、Ie、Ie.r、Ie.a、Ij、Rj、Zloa）2-4在反映电流增大而动作的电流保护中，电流速断保护无动作延时，但却不能保护线路全长；限时电流速断保护能保护线路全长，却不能作为相邻线路的后备保护；定时限过电流保护可以作为本线路和相邻线路的后备保护，但动作时间较长。为保证迅速、可靠地切除故障，可将这三种电流保护根据需要组合在一起构成一整套保护，称为三段式电流保护。三段式电流保护各段动作电流、保护区和动作时限的配合情况如题2-4图所示。当被保护线路始端短路时，由I段瞬时切除；该线路末端附近的短路，由第段经0.5s延时切除；而第段只起后备作用。因此，装有三段式电流保护的线路，一般可在0.5s左右时限内切除故障。2-5对某一套保护装置来讲，任一点短路时，通过该保护装置的短路电流为最大的运行方式，称作系统最大运行方式；而短路电流为最小的运行方式，称作系统最小运行方式。对于不同安装地点的保护，最大和最小运行方式不一定相同，应根据具体的分析、计算来确定。在整定动作值时，因为要保证保护动作的选择性，整定值须躲过本线路末端（或相邻线路首端）的最大短路电流，而只有在最大运行方式下短路时，流过保护装置的短路电流才会最大。若不是在最大运行方式下整定，则在最大运行方式下相邻线路短路时，流过保护安装处的短路电流将可能超过定值而使动作失去选择性。在校验时，因为要保证在最不利情况下发生短路时，有足够的灵敏度，因此需要考虑在最小运行方式下进行校验（因为在最小运行方式下短路时，流过保护安装处的短路电流为最小，属最不利情况）。2-6 由于限时电流速断保护的保护范围延伸到下一线路的段电流速断保护范围内，因此，为保证动作的选择性，即下一线路段保护范围内的短路故障由该线路的段保护切除。限时电流（上一线路的）速断保护应在动作时限上加以配合，即高出一个时限级差。对于，从尽快切除故障的角度出发，应越小越好，但为了保证两套保护动作的选择性，不可能选择过小，以题2-6图中线路BC首端K2点短路时，保护1、2动作时间的配合为例来说明t要考虑的因素：1）断路器QF2的跳闸时间tQF2（从接通跳闸回路到触头间电弧熄火时间）；2）保护2动作的正误差时间tP2；3）保护1动作的负误差时间tN1；4）时间裕度tS；这样，从选择性要求出发，保护1的II段动作时限为t1II= t2I + tQF2+ tP2+ tN1+ tS，即时限极差t= tQF2+ tP2+ tN1+ tS 。由此确定的t一般为0.35-0.6s，通常取t=0.5s。2-7（更正：本题图中，保护2的最大动作时限应为t2.max=1.5s）保护1电流段动作时限应与保护2和4的动作时限较大者配合，因此t1.max=3.0s。2-8 段过电流保护在整定动作电流时，不仅应大于该线路可能出现的最大负荷电流，同时还应考虑在外部短路切除后，保护装置应能可靠返回，即外部故障时，该保护在短路电流下起动，但在延时未到时，故障已被故障线路保护切除，此时，即使在电动机自起动电流下（一般大于正常负荷电流），也应可靠返回（不会动作跳闸），因此，段过流保护应考虑靠返回系数。返回电流值越高，越能够可靠返回。在整定、段时，不需考虑返回系数，因为根据、段的整定原则可知，它们的定值较高。在外部故障时段根本就不起动，段即使起动，在外部故障切除后，电动机自起动电流下也会因其较高的定值而可靠返回，所以不需要考虑返回系数。2-9电流互感器的等值电路如题2-9图（a）所示（各元件含义见教材P29和P30）当Z2s+ Zloa=0时，励磁电流,一次电流全部转化为二次电流，误差为零；当Z2s+Zloa0时, , 。此时归算后的一次电流不等于二次电流，电流互感器出现比值误差I若Ze的阻抗角je与(Z2s+ Zloa)的阻抗角j2不同, 则会产生相角误差所谓10%误差曲线是指电流互感器比值误差为10%，相角误差不超过7时，额定电流倍数m10与允许负载阻抗Zloa之间的关系曲线。这里，额定电流倍数m10=I1/ I1N（I1N 为一次额定电流）。利用10%误差曲线可以实现对负载阻抗Zloa的选择和校验。当已知一次电流I1 时，算出m101，利用该曲线，便可确定Zloa1 ，如题2-9图（b）所示；当已知Zloa 时，若实际算得m10与Zloa 所确定的交点处于该曲线之下（如图中M点），则电流误差不超过10%。2-10在中性点直接接地系统发生单相接地时，可能出现的最大零序电压3U0的大小为故障相电压；在中性点非直接接地系统发生单相接地时，可能出现的最大零序电压3U0的大小为3倍故障相电压。具体分析如题2-10图（a）（b）中相量关系所示。为保证电压互感器二次额定电压不超过100V，因此，用于中性点直接接地电网时，变比为，用于中性点非直接接地电网时，变比为。2-11在电流互感正常运行时，二次电流对一次电流产生的磁动势起去磁作用，励磁电流很小，所以铁芯中的总磁通很小，二次绕组的感应电动势不超过几十伏。当二次回路开路时，去磁作用消失，则一次电流全部转化为励磁电流，使铁芯中磁通量剧增，导致铁芯极度饱和。由于感应电动势与磁通变化率成正比，因此电流互感器二次侧开路时，感应电动势的幅值很高，可达数千伏。这样高的二次电压不但威胁人身安全，而且会使绕组和设备的绝缘损坏。此外，由于磁感应强度增大，使铁芯损耗增大，导致铁芯严重发热，甚至使铁芯因过热而烧毁。因此，运行中不允许电流互感器二次侧开路。运行中电压互感器的二次侧不能短路，因为电压互感器是一个内阻很小的电压源。正常运行时，负荷阻抗很大，相当于开路状态，二次侧仅有很小的负荷电流。当二次短路时，负荷阻抗为零，会产生很大的短路电流，将电压互感器烧毁。2-12电流保护的接线方式是指电流继电器与电流互感器的二次绕组之间的连接关系。三相完全星形和两相不完全星形接线在不同相别的短路组合中，动作情况不同，因而各有优缺点。1各种相间短路两种接线方式都能正确反应，只不过动作的继电器数目不同。前者对各种相间短路，均至少有两个继电器动作，可靠性高；后者在AB和BC相间短路时只有一个继电器动作。2中性点非直接接地电网中两点异地接地短路在中性点非直接接地电网中发生两点异地接地短路时允许只切除一个接地点，以提高供电的可靠性。（1）对于题2-12图（a）中串联线路L1和L2，当发生类似于K1、K2点两点异地短路时，若采用完全星形接线，由于保护都是按选择性要求在整定值和时限上配合，能够保证100%只切除线路L2。若采用不完全星形接线，则只能保证有2/3的机会有选择地切除一条线路（如K2点为B相故障时，保护2不动作，只能由保护1动作切除故障），从而在某些情况下扩大了停电范围。（2）并联接线L2和L3，当发生类似于K2、K3点两点异地短路对于图中时，若采用完全星形接线，将100%切除两条线路L2、L3，扩大了停电范围。若采用不完全星形接线，则可有2/3的机会只切除一条线路（B相接地的那条线路不会被切除），供电的可靠性高于前者。（3）Y，d11接线变压器后两相短路由题2-12图（c）（d）所示变压器两侧各相电流相量关系可见，保护安装处B相电流大小是A、C两相电流的两倍，因此，不完全星形接线因不能反应B相电流而使灵敏度是完全星形接线的1/2。根据以上分析，完全星形接线因可靠性和灵敏性较高，广泛应用于发电机、变压器等大型贵重设备的保护中；不完全星形接线方式，因较为简单、经济，所以在中性点直接接地电网和中性点非直接接地电网中，广泛采用它作为相间短路保护的接线方式。事实上，在中性点非直接接地电网中的变电所母线上，并列线路居多，对于两点接地故障采用不完全星形接线有2/3的机会只切除一条线路，要比完全星形接线方式100%切除两条线路优越。2-13画出相量图如题2-12图（c）（d）所示。由相量图和已知条件可知所以B相电流是其它两相的两倍，但若采用不完全星形接线，B相无继电器，只能由A、C相继电器动作。为提高灵敏度，可在中性线上加一电流继电器如题2-12图（b）所示。因该继电器流入的是A、C相电流之和，因此灵敏度可提高一倍。2-14展开图如图所示2-15 (注意：教材49页图2-56应为题2-15图)设Z1=0.4W，KIrel=1.25，KIIrel=1.1，KIIIrel=1.2，Kss=1.5，Kres=0.85，t3。max=0.5s1.保护1电流I段整定计算（1）求动作电流IIact.1。按躲过最大运行方式下本线路末端（即B母线处）三相短路时流过保护的最大短路电流整定，即（2）动作时限。为保护固有动作时间，即t1I=0s（3）灵敏性校验，即求保护范围。在最大运行方式下发生三相短路时的保护范围为满足要求。最小运行方式下发生两相短路时的保护范围为，满足要求。2.保护1电流段整定计算（1）求动作电流IIIact.1。按与相邻线路保护2的段动作电流相配合的原则整定，即（2）动作时限。应比相邻线路保护2的段动作时限高一个时限级差Dt，即（3）灵敏系数校验。利用最小运行方式下本线路末端（即B母线处）发生两相金属性短路时流过保护的电流来校验，即，满足要求。3保护1电流段整定计算（1）求动作电流Iact.1。按躲过本线路可能流过的最大负荷电流来整定，即（2）动作时限。应比相邻线路保护的最大动作时限高一个时限级差Dt，即（3）灵敏系数校验。1）作近后备时。利用最小运行方式下本线路末端两相金属性短路时流过保护的电流校验灵敏系数，即2）作远后备时。利用最小运行方式下相邻线路末端发生两相金属性短路时流过保护的电流校验灵敏系数，即2-16 在系统运行方式变化很大时，电流速断保护的保护范围可能很小，甚至没有保护区。为了能在不增加保护动作时间的前提下，扩大保护范围，可采用由电流继电器和电压继电器共同作为测量元件的电流、电压连锁速断保护。由于该保护采用电流、电压元件相互闭锁方式构成“与”逻辑，因此，在外部短路时，只要有一个测量元件不动作，保护就不会动作。这样在整定计算时，可以不考虑最大或最小两种极端运行方式，只按经常出现的运行方式整定，即可保证动作的选择性，从而使保护有较大的保护范围。这里，电流、电压元件按经常运行方式下两者的保护范围相等这一条件来整定。2-17 从选择性方面来说，电流速断（后简称为I段）保护的选择性是靠动作电流来实现的；限时电流速断（后简称为II段）和过电流（后简称为III段）保护则是靠动作电流和时限共同完成的。它们在单侧电源辐射网中能够保证选择性，但在多电源网络或单电源环网中，则只有在某些特殊情况下才能满足选择性要求。从速动性方面来说，I段保护以保护固有动作时限动作跳闸；II段保护动作时限一般在0.5s以内，因而动作迅速是这两种保护的优点。III段保护动作时限较长，特别是靠近电源侧的保护动作时限可能达几秒，这是III段保护的主要缺点。从灵敏性上看，I段保护不能保护线路全长，且保护范围受运行方式的影响较大；II段保护，虽按保护线路全长整定，但灵敏性依然受系统运行方式的影响；III段保护因按最大负荷电流整定，灵敏性一般能满足要求，但在长距离重负荷线上，由于负荷电流几乎与短路电流相当，则往往难以满足要求。受运行方式影响大、灵敏性差是电流保护的主要缺点。从可靠性来看，由于三段式电流保护继电器简单，数量少，接线、调试和整定计算都较简便，不易出错，因此可靠性较高。总之，三段式电流保护最主要的优点是简单、可靠，在一般情况下能满足快速切除故障的要求，因此广泛用于35kV及以下单侧电源辐射电网中。第三章 电网相间短路的方向电流保护 复习思考题答案3-1单侧电源环形网络，可以看成一个双侧电源供电的网络。沿顺时针方向来看，各过电流保护的动作时间应满足t1t3t5t7；沿逆时针方向来看，应满足t8t6t4t2。此外，还要考虑与相邻母线上其它非环网出线的保护动作时限相配合，即比最大时限高一个级差Dt。例如，t1应比t3和 t9的较大者高一个时限级差Dt。须指出的是，由于保护11所保护线路是在电源母线上，因此，两个方向上的末端保护7和2，均不须与保护11配合（因为该出线发生短路故障时，保护7和2 上无短路电流流过）。设保护2、7的动作时间为t2 =t7=0s（最末一级线路保护无须与其它保护配合，因此可以整定为0s过流），则其它各保护的动作时间分别为：t5 =t7+Dt=0.5st3 =t10+Dt=2.5s（因为t10t5）t1 =t3+Dt=3.0s（因为t3t9）t4 =t9+Dt=2.0s（因为t9t2）t6 =t4+Dt=2.5s（因为t4=t10）t8 =t6+Dt=3.0s对于B母线上各出线保护来说，t2t9t3，因此，保护2需装置方向元件，保护3不需装；对于C母线上各出线保护来说，t5t4=t10，因此，保护4、5均需装方向元件；对于D母线来说，t7t6，因此，保护7需装方向元件，保护6不需装。对于母线A来说，当保护11所在出线发生短路时，保护1、8处无短路电流流过，因此，保护1、8不需装方向元件。对于所有非环网线路，如保护9、10、11所在线路均为单电源线路，因此，不需装方向元件。3-2 按相位比较原理构成的功率方向继电器，比较相位的两个电压为当时继电器动作。如果将相位比较的两个电压量作为平行四边形的两条边可作平行四边形如题3-2图所示。当q=90时（如题3-2图（a）所示），继电器处于临界动作状态，此时，平行四边形对角线的幅值关系为；当q90时（如题3-2图（c）所示），继电器不动作，此时，。可见，幅值关系和相位关系是一一对应的，因此，相位比较原理与幅值比较原理具有互换性。由相量关系不难看出当时，继电器动作。从而由相位比较原理转换为了幅值比较原理的功率方向继电器。同理，若已知幅值比较原理的两个电压,同样可以得到相位比较原理的两个电压由此可见，相位比较原理和幅值比较原理之间具有互换性。3-3 由于功率方向继电器存在最小动作电压Uact.min，当保护正向出口附近发生相间短路时，如果母线残压小于Uact.min，将导致方向继电器在正向出口区域内短路时不动作，该区域称为功率方向继电器的死区。显然，Uact.min越小，死区越小。对于教材中图3-10所示功率方向继电器，由于在电压变换器UV一次回路中串接有电容C1，与UV一次绕组W1的电感构成串联谐振回路，因此，即使输入电压突然消失，也可借助谐振回路的暂态过程，使W1上的电压仍能维持一段时间，即对输入电压起到记忆作用，在记忆时间内UV二次输出电压不为零。该记忆时间约为70ms。因继电器动作时间一般小于25ms，故可以消除功率方向继电器的死区。3-4 理论上当加入功率方向继电器的电流为零或电压为零时，都将使继电器的动作量与制动量相平衡。以比幅式功率继电器为例，动作量，制动量，当或为零时，继电器不可能动作。但实际上，由于继电器内部参数不平衡，只加电流而电压为零，或只加电压而电流为零时，极化继电器KP线圈两端出现动作电压或制动电压，使KP动作或制动，这种现象称为功率方向继电器的潜动。KP线圈上出现使其动作的电压，称为正向潜动；出现使其制动的电压，称为反向潜动。如果正向潜动严重，则在保护安装处反向出口短路时，功率方向继电器可能误动。相反，如果反向潜动严重，则正向出口短路时，功率方向继电器灵敏性可能降低，甚至拒动。3-5 90接线方式的主要优点是：1）不论发生三相短路还是两相短路，继电器均能正确判断故障点方向；2）选择合适的继电器内角a，可使继电器在各种相间短路故障时，工作在接近最灵敏状态；3）对于两相短路故障无死区，因为加入继电器的电压含有非故障相电压，远大于继电器的最小动作电压。对于近处三相短路，由于电压回路的记忆作用，可以消除继电器死区。3-6 最灵敏角的含义是指当输入继电器的电压滞后电流最灵敏角的大小时，动作量最大，制动量最小，继电器工作在最灵敏状态。3-7对于保护3来说，K点短路属于正向近处短路，则保护安装处各电气量的相量关系如题3-7图（a）所示。短路电流由电动势产生，且滞后的角度为线路阻抗角，保护安装处的电压就是短路点的电压，。（分析方法参考电力系统故障分析）。对于B相功率方向继电器，按接线方式，输入继电器的电流，电压，该电压滞后电流。若继电器内角，则继电器的动作区为直线MN的阴影侧，电流落在动作区内，继电器动作。对于保护2来说，K点为背后短路点，流过B相继电器的电流为，即，从图中可以看出，在动作区之外，继电器不动作。对于保护1来说，K点短路为正向远处短路，保护安装处各电气量的相量关系如题3-7图（b）所示。短路电流仍然由电动势产生，且滞后于的角度为线路阻抗角。保护安装处的电压，。对于B相功率方向继电器，电压滞后电流。若继电器内角，则其动作区为题3-7图（b）中直线MN阴影侧。电流在动作区内且在最灵敏线上，因此保护1的B相功率方向继电器可以灵敏动作。但对于保护1来说，K点短路为相邻线路故障，可通过电流继电器定值和时间继电器延时来实现选择性。只有在保护3或该线路断路器拒动的情况下，才会动作，起远后备作用。（注意：教材61页的图3-17（b）应为下图所示,图中直线MN与是重合的）复习思考题（第四章）4-1 在中性点直接接地和非直接接地电网中发生接地短路时对接地保护要求如何？为什么？答：（1）中性点直接接地电网中，通常装设专用而简单，动作与跳闸的接地保护，因为大接地点电网发生接地故障的几率特别大，发生接地短路时，将出现很大的故障相电流和零序电流，灵敏系数往往不能满足要求，动作时间较长，（2）中性点非直接接地电网中，通常装设动作于信号也可跳闸的接地保护，因为中性点非直接接地电网中，发生接地短路时，故障点上流过比负荷小得多的电流，且电网的线电压保持对称，不影响对用户供电。4-2 在中性直接接地电网中发生接地短路时，零序电压和零序电流有何特点？答：（1）零序电压在故障点最高，离故障点越远，零序电压越低，变压器中性点处零序电压为零。 （2）零序电流只在中性点接地的电网中流通。系统的零序阻抗越小，接地点的零序电流越大，流过两侧的零序电流与该侧的零序阻抗成反比。 (3) 如正方向发生接地故障，零序电流超前零序电压一个钝角，零序功率由故障线路流向母线。4-3 变压器中性点接地的基本原则有哪些？为什么？答：（1）每个发电厂或低压侧有电源的变电所至少有一台变压器中性点接地，以防止由于失去中性点后发生接地短路时引起的过电压。 （2）每个电源处有并列运行的变压器时，应将部分变压器的中性点接地。这样，当某一台中性点接地变压器由于检修或其他原因退出时，可将另一台变压器中性点接地，从而保护零序网络基本不变，以保持零序电流的大小和分布不变。 （3）变压器低压侧无电源时，为提高零序保护的灵敏性，变压器应不接地运行。 （4）变压器中性点绝缘水平较低时，中性点必须接地，以防止由于中性点电压升高导致的绝缘损坏。4-4 通过哪些方法可以获取零序电流和零序电压？产生不平电流 的原因有哪些？答：（1）零序电流的获得：a) 利用三个同型号的电流互感器并接获得。b) 利用零序电流互感器获得。 （2）零序电压的获得：a) 利用电压互感器开口三角形获得。b) 发电机中性点经电压互感器或消弧线圈接地，通过二次侧可获得。 （3）不平衡电流产生的原因：如采用三个同型号的TA并接获得零序电流，正常运行和相间短路时，若考虑TA励磁电流的影响，此时零序电流滤过器输出电流。另外三只TA的特性不完全一致也会造成不平衡电流。而采用零序电流互感器，正常运行和相间短路时，一次侧三相电流平衡二次就不会出现零序电流。4-5 图4-18为中性点直接地系统中某一线路，正常时流过的负荷电流为400A。已知：电流互感器变比为600/5，零序电流继电器的动作电流Iact.k=3A，试问：（1） 正常运行时，若互感器的极性接反，继电器是否会误动作？为什么？（2） 正常时若有一个互感器二次侧断线，继电器是否会误动作？为什么？（3） 如要实现零序方向过电流保护需增加那些设备和继电器，试在图4-18中补充、画出连接情况并标示其极性端。答：（1）一个极性接反，流过继电器的电流为 I = 2400/（6005） = 6.67A3A 所以会误动。见题4-5（a） （2）一个互感器二次侧断线，流过继电器的电流为 I = 400/（6005）= 3.33A3A 所以会误动。见题4-5（b）（4） 如通过电流保护已实现跳闸功能，则需添加零序功率方向继电器，其电流取零序电流滤序器输出，电流取TA开口三角，接线见题图4-5（c）。 如通过电流保护来实现跳闸功能，则还需添加时间继电器、信号继电器、跳闸线圈等设备，具体见图4-5（c）。4-6 在中性点直接接地的电网中，为何不采用三相式相间电流保护兼作单相接地保护 ？答：（1）三相式相间电流保护的速断及延时速断部分，是按最大运行方式下的三相短路电流进行整定，三相式相间过电流保护采用负荷电流进行整定，且时限较长，因而在本线或相邻线路发生接地故障时，接地故障电流可能小于整定值，造成保护拒动或经长延时动作，保护的灵敏性、速动性不满足要求。 （2）三相式相间电流保护可能受到振荡及过负荷的影响。 综合以上两点，可知不宜采用三相式相间电流保护兼作单相接地保护。4-7 在下图网络中，拟在断路器QF1-QF5上装设过电流保护和零序过电流保护，取t=0.5s，试确定：（1）过电流保护的动作时限； （2）零序过电流保护的动作时限；（3）画出两种保护的时限特性。答：（1）QF5： t5= 1.5S QF4： t4= 2S QF3： t3= 2.5S QF2： t2=3.5S QF1： t1=4S（2）QF5： t0.5 =0S QF4： t4= 2S QF3： t0.3=1.5S QF2： t0.2=2S QF1： 不装零序过电流(3)动作时限如题4-7图4-8 为什么零序功率方向继电器不需要 “记忆” 回路?接地短路时,该继电器在哪些情况下不动作?答： 因接地故障点愈靠近保护安装处,零序电压越高,不存在电压死区,所以不需 “ 记忆” 作用。继电器在下列情况下不动作： 接地短路时，该继电器在反方向故障时不动作； TV断线，输入KWZ的3U0=0，KWZ不动作； 接线错误、极性接反则正方向接地故障时不动作； 继电器内部元件损坏也不能造成不动作。4-9 中性点不接地电网单相接地时有哪些特征？试比校实现接地保护的方式及其适用范围。答：1、（1）接地相对电压为零，非故障相电压倍。该电网出现零序电压，数值上等于故障前电网的相电压 ，且各处零序电压相等。 （2）非故障线路保护安装处通过的零序电流为该线路的零序电容电流，数值为 （如线路L1） ；方向从母线流向线路，它超前零序电压900 。 （3）故障线路保护安装处通过的零序电流为该电网所有非故障元件的零序电容电流之和，方向从线路流向母线，它滞后零序电压900 。（5） 接地点流过该电网各元件对地电容电流之和，即 2、 实现方式：（a）绝缘监视装置，没有选择性。 （b）零序电流保护，适用于有条件安装零序电流互感器的线路上。 （c）零序功率方向保护，适用于线路数较少，且零序电流保护的灵敏系数不满足要求。4-10 消弧线圈的作用是什么？通常采用哪些补偿方式，为什么？为什么中性点经消弧线圈接地电网实现有选择性的接地保护较为困难？答：（1）消弧线圈的作用：当单相接地时，有一感性电流通过，接地点并与电网的电容电流抵消，从而减小接地点电流。 （2）通常采用过补偿，因为完全补偿和欠补偿都有可能使，即，引起串联谐振。 （3）故障线路补偿后的感性电流与相位关系和非故障线路性电流与的相位关系相同；在数值上也和非故障线路的容性电流差不多，因此不能采用零序功率方向保护和零序电流保护，所以，实现有选择性的接地保护较困难。第五章 电网的距离保护复习思考题答案5-1 试说明距离保护的测量阻抗Zm，整定阻抗Zset和输电线路故障时的短路阻抗Zk的含义和区别；如何算出阻抗继电器的相应阻抗值？答：测量阻抗Zm： 保护安装处电压与电流之比，为实际测量阻抗；整定阻抗Zset：为人为整定的阻抗继电器的动作阻抗；短路阻抗Zk：为短路点至保护安装处的实际距离所对应的阻抗值； 计算阻抗继电器的相应阻抗值 ：区别：保护测量阻抗不一定等于短路阻抗，测量阻抗相应于一次子系统变化而变化；整定阻抗一经整定后相对固定。5-2 何为距离保护？试绘图表述三段式距离保护的时限特性和构成框图。答：距离保护：利用测量阻抗来反应保护安装处到短路点之间的距离并根据距离的远近确定动作时限的一种保护。注：段为距离保护的时限为保护固有动作时间；段为距离保护的时限比相邻距离保护段大一个时间级差t；段为距离保护的时限比相邻线路的距离保护时限最大值大一个时间级差t；起动部分、测量部分同时动作，保护才出口跳闸。5-3 试在复数阻抗平面上画出Zset相同的全阻抗、方向阻抗、偏移特性和电抗型阻抗继电器的动作特性；按幅值比较原理写出它们的动作条件；并利用比幅式和比相式的互换关系，分别写出相位比较原理的动作条件。答：见表继电器动作特性图比幅式动作条件比相式动作条件Zm全阻抗 zset Zm方向阻抗 zset Zm偏移阻抗 zset -zset Zm电抗型 jXset Zset 题5-3表5-4 某方向阻抗继电器zset=8600，若zm=7300，试问该继电器能否动作？为什么？答： 如题5-4图，由数学计算可得：阻抗角为300的临界动作阻抗，测量阻抗在动作圆之内，所以能动作。5-5 对偏移特性阻抗继电器是否需设记忆回路和引入第三相电压？为什么？答：对偏移特性阻抗继电器不需设记忆回路和引入第三相电压。因为偏移特性阻抗继电器动作阻抗圆包括圆心，无死区，所以不需设记忆回路，故也不需引入第三相电压。5-6 比幅式继电器和比相式继电器一般由哪几部分组成？试画出两种方式下全阻抗继电器的电压形成回路。答：（1）比幅式继电器和比相式继电器一般由：电压形成回路、相位比较回路和执行元件组成。 （2）图见教材P89图5-10。5-7 试说明动作条件为的积分比相电路的构成原理，若时，该电路能否动作？为什么？答：（1）见教材图5-14，设u2滞后u1的相角差为，在半个周期内出现异性重合即同时为一正一负的角度为。当，对工频信号异极性重合时间t=5ms。可利用测量异极性重合时间来判别u1与u2之间的关系。只要t5ms，就能判定。可以通过异或门比相电路实现。（2）不能动作。因为期间，t5ms，通过5ms延时电路后无输出，所以不能动作。5-8 试说明形整流比相电路的工作原理。答：由四个二极管构成的环形整流比相电路如题5-8图（a）所示。其等效电路如题5-8图（b）。见题5-8图（c）将工频一个周期分为八个时间段来分析：1段i1为正i2为负，| i2| i1|，V2、V3通，i2在m、n两点产生压降Umn=0，小电流i1经V3、n、R2、R1、m、V2构成回路，i1在R1，R2上产生压降Umn= -2 i1R0，此时输出电压Umn由小的电流i1决定，并随i1增大而增大，当 |Umn|2UV时V1导通，Umn被箝制在2UV ；2段i1为正i2为负，i1为大电流，经V1、V2流通，V3、V4截止，i2为小电流，经O、R1、m、V1及O、R2、n、V2构成回路，Umn= Umo= -2 i2R0，如|Umn|2UV，V3导通，Umn被箝制在2UV。当i2趋向于0时，|Umn|也趋向于0；3段i1为正i2为正，i1为大电流，V1、V2导通，i2经V1、m、R1、O及V2、m、R1、O构成回路，Umn= 2 i2R，并随i2增大而增大，当 |Umn|2UV时V4导通，Umn被箝制在2UV ；4段i1为正i2为正，| i2| i1|，V1、V4导通，2i2经V1、m、R1、O及O 、R2、n、V4构成回路，Umo= i2R2，Uon= -i2R2，故Umn= Umo+Uon=0。i1经V1、m、R1、O、R2、n、V4构成回路，Umn= 2 i1R。并随i1增大而减小。如 |Umn|2UV则V2也导通，Umn被箝制在2UV 。当i1趋向于0时，|Umn|也趋向于0；5、6、7、8段类似。该比相回路的工作特点为：（1） 测量回路中二极管的工作状态由大电流决定，而输出电压Umn的大小由小电流决定；（2） 输出电压最大值被两个二极管箝位在2UV上，当| Umn |=2UV时，一定由三个二极管导通；（3） 输出电压Umn的极性，由两个比较电流的相对极性而决定，同极性时Umn恒为正，异极性时恒为负；（4）分析题5-8图（c）中所示的输出电压波形可以推知：当时，输出电压平均值为正，输出电压持续为正的时间大于5ms；当时，输出电压平均值为负，输出电压持续为负的时间大于5ms；这说明Umn的平均值反应了和之间的相位关系，只要将Umn滤波，取出平均值，就可以实现比相式继电器的动作条件。若不进行滤波，直接利用输出电压持续为正或负的时间也同样可以实现。5-9 在反应接地短路的阻抗继电器接线方式中，为什么要采用零序补偿？又是如何获得的？答：是由于三相输电线路之间存在互感的影响，被保护线路单位公里的正序阻抗Z1不等于被保护线路单位公里的零序阻抗Z0 ，如果直接采用注：Zm为测量阻抗，、 为该相相电压、相电流。则ZmZ1Lk（为母线到故障点的距离），将直接影响测量阻抗的大小。采用零序补偿后，加入继电器的电流为.（ Ip为该相电流，为零序补偿电流，K通常取实数）即将测量电流由变为，使测量阻抗由变为，使接地短路时测量阻抗。(接线如题5-9图)5-10 方向阻抗继电器为何有死区？又是如何克服的？这些方法各有什么特点？答：其动作方程为,可见，继电器在出口故障时，由于Um趋向于零，方程两边近似相等，阻抗继电器无法动作，存在死区。为了克服死区，除采用偏移阻抗继电器外（不能作为I段的测量元件），还可采用记忆回路或采用引入第三相电压的方法。特点：如采用记忆回路，记忆时间较短，一般只能消除距离I段测量元件的死区。 如采用引入第三相电压的方法，能防止出口两相短路保护拒动和反向出口两相短路保护误动作。但在出口三相短路时，由于插入电压为零，因此失效。 如采用向第三象限偏移的方法，对于出口相间短路都能反应。但对于反向出口短路有误动作可能，所以，只能在已判定为正方向故障后才向第三象限偏移。以上三种方法应配合使用，才能发挥最好效果。5-11 具有极化电压的比相式方向继电器，极化电压的作用是什么？怎样实现的？如何调整定阻抗值和最灵敏角？当（线路阻抗角）对保护有何影响？答：极化电压的作用是消除阻抗继电器的动作死区。具体实现方法，以AB相阻抗继电器为例当三相短路时 反应了RCL记忆回路的电压。当两相短路时 反应在的第三相电压、及记忆回路上的电压。 如何调整定植整定阻抗: 注：为电抗变压器转移阻抗，为整定变压器的变换系数改变UR 一次侧抽头可以调节（粗调），调节UV为二次侧抽头可调节，改变UR的副边电阻 可调整最灵敏角。当时，将使保护的范围缩短，只有= 时，方向阻抗继电器保护范围为最大. 5-12 何谓阻抗继电器的精确工作电流？它与继电器的哪些参数有关？当短路时加入继电器的电流小于继电器的精确工作电流时，对保护有何影响？答：所谓精确工作电流是指，当=，对应于=0.9时，通入继电器的电流，记作Iac。它与 与有关（为克服功率消耗或管压降所对应的电压，为电抗变压器转移阻抗）当短路电流小于精确工作电流时，阻抗继电器的动作阻抗的误差就会变大，从而使保护范围缩短，缩短范围大于10%。5-13 试分析说明三种圆特性阻抗继电器，哪一种受过渡电阻的影响最小？哪一种受系统振荡影响最小？答：如题图5-13（a），阻抗继电器的动作特性在+R轴方向所占的面积愈大，受过渡电阻的影响愈小。所以，受影响程度从大到小依次为透镜型阻抗继电器，方向阻抗继电器，全阻抗继电器。如题图5-13(b)可得，继电器特性在阻抗平面上沿方向所占的面积越大，受影响的程度越大。从大到小依次为全阻抗继电器，方向阻抗继电器，透镜型继电器。5-14 当方向阻抗继电器的时，从减小过渡电阻的影响出发，选择还是为好?答：应选择1.3 =0.5s4.距离段： =149.4 =102.2 =1+0.5=1.5s （注：由t5=0.5S可得t3=1s，由t7=1.5s可得t4=1s取其中较长的值） 近后备: =8.521.5 远后备： 故障： =1.73 =2.5761.2 故障 =1.161.2满足条件5-20 概述晶体管型距离保护装置并说明振荡闭锁回路和三段 跳闸回路的动作过程。答：装置采用六个按接线方式，带记忆回路的方向阻抗继电器构成、段可切换，第段独立的三段式距离保护。装置主要由起动部分、测量部分、逻辑部分组成。 、为段、侧量元件。起动元件动作后，经0.1s由段定值切换到段定值。、为第段测量元件。负序电流和零序电流增量作为起动元件，为提高三相同时性短路起动的可靠性，采用电流微分继电器K7作为辅助起动元件，使起动回路双重化。 振荡闭锁回路利用起动元件与相电流元件KA，阻抗元件Z动作先后原理构成。 保护、动作逻辑回路，含有切换、禁止、起动延时等回路。 考虑到电源电阻影响，装置设有根据需要可通过跨线实现的段瞬时测定回路，手动合闸和自动重合后加速回路以及高频闭锁回路。 设置了闭锁和信号回路。振荡闭锁回路的工作情况：见题图5-51 当系统发生短路时，因元件先于相电流元件KA和测量元件Z动作，JZ6、H4将JZ7闭锁。对应于KA和Z的H6输出信号不能通过JZ7去闭锁JZ6。这样，JZ6的输出信号通过JZ5、H7控制与门Y1、Y2开放，即距离、段开放。同时，JZ6的输出经T7延时0.2秒后闭锁JZ5，去控制、段的开放时间，以防区外短路后系统振荡引起保护误动。系统静稳定破坏发生振荡时，在振荡开始的前半周期内，相电流元件KA（按躲过最大负荷电流整定）和阻抗原件Z（其中按躲过最小负荷阻抗整定）先于元件动作，经H5、T6、H6、JZ7闭锁JZ6，且使H6有自保持。这样，JZ6被可靠闭锁，保护被闭锁。如果在振动过程中进行操作时即使起动元件动作，JZ6也不会有输出，不开放保护，从而防止振动过程中有操作引起保