电力系统继电保护13章习题解答.docx

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电力系统继电保护13章习题解答

第1章绪论

思考题与习题的解答

1-1什么是故障、异常运行方式和事故？

它们之间有何不同？

又有何联系？

答：

电力系统运行中，电气元件发生短路、断线时的状态均视为故障状态，电气元件超出正常允许工作范围；但没有发生故障运行，属于异常运行方式既不正常工作状态；当电力系统发生故障和不正常运行方式时，若不及时处理或处理不当，则将引发系统事故，事故是指系统整体或部分的工作遭到破坏，并造成对用户少供电或电能质量不符合用电标准，甚至造成人身伤亡和电气设备损坏等严重后果。

故障和异常运行方式不可以避免，而事故是可以避免发生。

1-2常见故障有哪些类型？

故障后果表现在哪些方面？

答：

常见故障是各种类型短路，包括相间短路和接地短路。

此外，输电线路断线，旋转电机、变压器同一相绕组匝间短路等，以及由上述几种故障组合成复杂的故障。

故障后果使故障设备损坏或烧毁；短路电流通过非故障设备产生热效应和力效应，使非故障元件损坏或缩短使用寿命；造成系统中部分地区电压值大幅度下降，破坏电能用户正常工作影响产品质量；破坏电力系统中各发电厂之间并联运行稳定性，使系统发生振荡，从而使事故扩大，甚至是整个电力系统瓦解。

1-3什么是主保护、后备保护和辅助保护？

远后备保护和近后备保护有什么区别？

答：

一般把反映被保护元件严重故障，快速动作与跳闸的保护装置称为主保护，而把在主保护系统失效时备用的保护称为后备保护。

例如：

线路的高频保护，变压器的差动保护等。

当本元件主保护拒动，由本元件另一套保护装置作为后备保护，这种后备保护是在同一安装处实现的故称为近后备保护。

远后备保护对相邻元件保护各种原因的拒动均能起到后备保护作用，同时它实现简单、经济，因此要优先采用，只有在远后备保护不能满足要求时才考虑采用近后备保护。

辅助保护是为了补充主保护和后备保护的不足而增设的简单保护，如用电流速断保护来加速切除故障或消除方向元件的死区。

1-4继电保护装置的任务及其基本要求是什么？

答：

继电保护装置的任务是自动、迅速、有选择性的切除故障元件使其免受破坏保证其它无故障元件恢复正常运行；监视电力系统各元件，反映其不正常工作状态，并根据运行维护条件规范设备承受能力而动作，发出告警信号，或减负荷、或延时跳闸；继电保护装置与其它自动装置配合，缩短停电时间，尽快恢复供电，提高电力系统运行的可靠性。

继电保护装置的基本要求是满足“四性”即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。

1-5什么是保护的最大与最小运行方式，确定最大与最小运行方式应考虑哪些因素？

答：

根据系统最大负荷的需要，电力系统中所有可以投入的发电设备都投入运行（或大部分投入运行），以及所有线路和规定接地的中性点全部投入运行的方式称为系统最大运行方式。

对继电保护而言，则指在最大运行方式下短路时，通过该保护的短路电流为最大的系统的连接方式。

根据系统负荷为最小，投入与之相适应的发电机组且系统中性点只有少部分接地的运行方式称为系统的最小运行方式。

在有水电厂的系统中，还要考虑水电厂水能状况限制的运行方式。

对继电保护而言，是指短路时通过该保护的短路电流为最小的可能运行方式。

应考虑可以投入的发电设备、系统负荷的大小、系统中性点的接地方式。

1-6在图1-1中，各断路器处均装有继电保护装置P1~P7。

试回答下列问题：

（1）当K1点短路时，根据选择性要求应由哪个保护动作并跳开哪个断路器？

如果6QF

因失灵而拒动，保护又将如何动作？

（2）当K2点短路时，根据选择性要求应由哪些保护动作并跳开哪几个断路器？

如果此时保护3拒动或3QF拒跳，但保护P1动作并跳开1QF，问此种动作是否有选择性？

如果拒动的断路器为2QF，对保护P1的动作又应该如何评价？

图1-1题1-6电网示意图

答：

（1）当K1点短路时，根据选择性要求保护6动作应跳开6QF，如果6QF拒动，

由近后备保护P3、P5动作跳开3QF、5QF或由远后备保护P2、P4的动作跳开2QF、4QF。

（2）当K2点短路时，根据选择性要求应由保护P2、P3动作跳开2QF、3QF，如3QF拒动，保护1动作并跳开1QF，则保护1为无选择性动作，此时应由保护5或保护4动作，跳开5QF或4QF。

如果是2QF拒动，则保护1动作跳开1QF具有选择性。

第二章电网的电流电压保护

思考题与习题

2-1电流互感器的极性是如何确定的？

常用的接线方式有哪几种？

答：

（1）电流互感器TA采用减极性标示方法，其一次绕组L1—L2和二次绕组K1—K2引出端子极性标注如图2-1（a）所示，其中L1和K1，L2和K2分别为同极性端。

如果TA的端子标志不清楚，可用图2-1（b）所示接线测定判断出同极性端，如用图2-1（b）中实线接法U=U仁U2,则电压表U所接两个端子为同极性端，如虚线接法，则U=U1+U2，电压表

U所接两个端子为异极性端。

图2-1题2-1电流互感器接线示意图

（2）电流互感器TA常用接线方式有完全星形接线，不完全星形（两相V形）接线、两相电流差接线和一相式接线。

2-2电流互感器的10%误差曲线有何用途？

怎样进行10%误差校验？

答：

电流互感器额定变比心人为常数，其一次电流&与二次电流&，在铁芯不饱和时有

I2hKta的线性关系，如图2-2（a）中直线1所示。

但当铁芯饱和时，I2与I1不再保持线性关系，如图2-2（a）中曲线2所示。

继电保护要求在TA一次电流h等于最大短路电流时，其变化误差要小于或等于10%，因此可在图2-2（a）中找到一个电流I1.b（m10）自

1“点做垂线与直线1和曲线2分别交于B、A点，且BA0.1l1（l111）。

如果TA

次电流I1l1.b，则TA变比误差就不会超过10%

图2-2TA10%误差曲线说明

（a）TA二次电流与一次电流的关系；（b）TA10%误差曲线

由于TA变比误差与其二次负荷阻抗有关，为便于计算，制造厂对每种TA都提供了在go下允许的二次负荷Zai，曲线叶。

f（ZaJ就称为TA的10%误差曲线，用10%误差曲线可方便的求出TA在满足误差不超过10%的最大允许负荷阻抗。

如图2-2（b）所示，已知m101后，可以从曲线上查出允许负荷阻抗Zai.1，如果Zai.1大于实际负荷阻抗Zl，则误差满足要求。

2-3电流互感器在运行中为什么要严防二次侧开路？

电压互感器在运行中为什么要严防

二次侧短路？

答：

（1）TA正常运行时，二次电流产生的磁通势起去磁作用，励磁电流很小，铁芯中

总磁通很小，二次绕组感应电动势不超过几十伏，如果二次侧开路，二次电流的去磁作用消

失，其一次电流完全转变为励磁电流，引起铁芯内磁通剧增，铁心处于高度饱和状态，加之

二次绕组后匝数很多，根据电磁感应定律可知二次绕组两端产生很高电压，可达数千伏。

不

但要损坏二次绕组绝缘，而且将严重危及人身安全。

再者由于铁芯中磁密剧增，使铁芯损耗

加大，严重发热，甚至烧坏绝缘。

因此TA二次绕组不允许开路，故在TA二次回路中不能

装设熔断器，二次回路一般不进行切换，若要切换应先将二次绕组短接。

（2）电压互感器是一个内阻极小的电压源，正常时负荷阻抗很大，相当于开路状态，二次侧仅有很小负荷电流，当二次侧短路时，负荷阻抗为零，将产生很大短路电流，将电压互感器TV烧坏，因此，TV二次侧不允许短路。

2-4电流互感器二次绕组的接线有哪几种方式？

答：

TA二次绕组有①完全星形接线②不完全星形接线③两相电流差接线④三角形接线⑤一相用两只电流互感器串联或并联接线。

2-5画出三相五柱电压互感器的Yn，y，接线图，并说明其特点。

答：

三相五柱式电压互感器有五个铁芯柱，给零序磁通提供了闭合磁路。

增加了一个二

次辅助绕组，接成开口三角形，获得零序电压。

接线图如图2-3所示。

-1J-

图2-3三相五柱式TV的磁路及接线

（a）磁路；（b）接线

电网正常运行时，三相电压对称，开口三角绕组引出端子电压Um.为三相二次绕组电压

相量和，其值为零。

但实际上由于漏磁等因素影响，Umn—般不为零而有几伏数值的不平衡电压l&Unb

当电网发生单相接地故障时，TV一次侧零序电压要感应到二次侧，因三相零序电压大

小相等，相位相同，故三角形绕组输出电压Umn3U^（Ktv为电压互感器额定电压

/Ktv

变比）

（1）这种接线用于中性点不直接接地电网中，在电网发生单相接地时，开口三角形绕组

两端3倍零序电压U

mn

3Uo，为使U

mn

10CV，开口三角形绕组每相电压为

100/3V

，因此,

TV的变化为

u3^°3/tv

（Un为一次绕组的额定线电压）

（2）这种接线用于中性点直接接地电网中，在电网发生单相接地故障时，故障相电压为

零，非故障相电压大小、相位与故障前相同不改变,

开口三角绕组两端的

3倍零序电压U

mn

为相电压，为使此时

Umn100V，TV的变比应为Un/100/100V。

.3\-3

图2-4TV等值电路图

2-6试述阻容式单相负序电压滤过器的工作原理。

答：

常用阻容式负序电压滤过器接线如图2-6所示。

其参数关系为:

Ra

，3Xa,Xc

而且要求隊超前Ulb相位角30°l&c超前U&C相位角60

图2-6阻容式单向负序电压滤过器

（1）当输入正序电压时相量图如图2-7（a）所示。

（a）

图2-7负序电压滤过器向量图

（a）加入正序电压向量图；（b）加入负序电压向量图

l&nb.1为&b.1在Ra上电压降与&b.1同相位，UVl为&b.1在Xa上电压降，落后隊1电流90°。

lAc.1为&C.1在Rc上电压降与I&C.1同相位，Ubn/为I&c.1在Xc上电压降，落后电流&C.190°。

电压三角形abm与BCn皆为含30°、60°锐角的直角三角形，故

1111

AmABAC,ncBCAC故m、n均为AC之中点，m、n两点重合，说

2222

明Umn.10。

即通过正序电压，输出电压为零。

（2）输入三相负序电压的向量图如图2-7

（b）所示。

由于负序三相电压可由正序电压中B、C两相交换而得，按与上面相同的三角

形厶abm及Abcn的关系，可得到加入负序电压时的叽.2153U&2ej30

2-7什么是电抗变换器？

它与电流互感器有什么区别？

答：

电抗变换器是把输入电流转换成输出电压的中间转换装置，同时也起隔离作用。

它

要求输入电压与输出电压成线性关系，即Ki&。

而电流互感器是改变电流的转换装置，

它将高压大电流转换成低压小电流，是线性变换，因此要求励磁阻抗大，励磁电流小，负荷阻抗小，而电抗器变换器正好与其相反，电抗变换器励磁电流大，二次负荷阻抗大，处于开路工作状态；而电流互感器二次负荷阻抗远小于其励磁阻抗，处于短路工作状态。

2-8电磁式电压互感器误差表现在那两个方面；画出等值电路和相量说明？

答：

电磁式电压互感器可用图2-12（a）等值电路，相量图如图2-12（b）所示。

图2-12题2-13TV的等值电路及相量图

（a）等值电路；（b）TV的电压相量图

电压互感器误差表现在

厲l&U2，即1&与U2不冋，二者在数值上不完全相冋,

在相位上也存在较小的差值

。

2-9为什么差动保护使用

D级电流互感器？

答：

变压器差动保护用电流互感器其型号和变比都不相同，即使输出线路、发电机、电动机的纵联差动保护两侧所用的电流互感器变比相同，其励磁特性和剩磁也不相同，因此正常运

行时，总有不平衡电流Iunb流过差动继电器。

而且会随着一次电流增大，铁心饱和程度的加深使不平衡电流显著增大。

为减小不平衡电流，需要在电流互感器的结构、铁芯材料等方面采取措施，使一次侧通

过较大的短路电流时铁芯也不至于饱和。

D级TA就具有上述性能，它是专门用于纵联差动保

护的特殊电流互感器。

2-10DL10系列电流继电器的返回系数为什么恒小于1？

答：

根据电磁式继电器转矩特性和机械转矩特性分析，由于继电器的剩余转矩M和

摩擦转矩Mf存在，决定了返回电流必然小于动作电流，即返回系数Kreler.r/lop.r恒小于

1，女口DL10系列电流继电器Kre0.85:

0.9。

2-11何谓保护的最大和最小运行方式，确定最大和最小运行方式应考虑哪些因素？

答：

当电力系统运行方式和故障类型改变时，短路电流Ik将随之变化。

对每一套保护

装置来讲，通过该保护装置的短路电流为最大的方式称为系统最大运行方式，而短路电流为

最小的方式则称为系统最小运行方式。

对于不同安装地点的保护装置。

应根据网络接线的实

际情况选取最大运行方式和最小运行方式在系统最大运行方式下发生三相短路故障时，通

过保护装置的短路电流最大；而在系统最小运行方式下发生两相短路故障时，通过保护装置

的短路电流最小。

2-12在计算无时限电流速断和带时限电流速断保护的动作电流时，为什么不考虑负荷

的自启动系数和继电器的返回系数？

答：

因为无时限电流速断和带时限电流速断保护的整定计算公式中，动作电流

lopKreil⑶k.max使用最大运行方式下三相短路电流来整定，和负荷的自启动电流和返回电

流相比较，后者可以互略不计，因而可以不考虑负荷的自启动系数和继电器返回系数。

2-13采用电流电压连锁保护为什么能提高电流保护的灵敏系数

答：

电流电压联锁速断保护按躲过线路末端短路故障来整定，通常保护装置按某一主要运

行方式下电流元件和电压元件保护范围相等的条件整定计算，这样整定不仅保证了保护的选

择性，在最大、最小运行方式下，其保护范围比单独的电流速断或电压速断保护范围要大，即提高了保护的灵敏系数。

2-14如图2-80所示双电源网络，两电源最大XAmax、XAmin；Xbmax，Xbmin；最小电

抗为，线路AB和BC的电抗为，试确定母线C短路时，求AB线路A侧保护最大、最小分支系数。

图2-80题2-14的网络图

解：

Kbmin

XAminXAB

XBmax

Kbmax

XAmaxXAB

Xbmin

2-16如图

3-18所示单侧电源网络，已知电源最大电抗Xsmax,

最小电抗为Xsmin，线路

fXBC2，当母线C短路时，求对AB

AB和BC

BC1BC2

的电抗为XAB、XBC1、Xbc2，且XBC1

Kbmax

XBC1

XBC1XBC2

2-17比较电流、电压保护第I、II、III段的灵敏系数，哪一段保护的灵敏系数最高和保护范围最长？

为什么？

答：

电流电压保护第I段保护即无时限电流速断保护其灵敏系数随运行方式变化而变化，

灵敏系数和保护范围最小，第n段保护即带时限电流速断保护其灵敏性有所提高，保护范围

延伸到下级线路一部分，但当相邻线路阻抗很小时，其灵敏系数也可能达不到要求，第川段保护即定时限过电流保护，其灵敏系数一般较高，可以保护本级线路全长，并作为相邻线路的远后备保护。

2-18如图2-83所示电网中，线路WL,与WL2均装有三段式电流保护，当在线路WL2的首端K点短路时，都有那些保护启动和动作，跳开哪个断路器？

答：

在WL2首端K点发生短路，三段过流保护都启动，只有保护2动作，跳开2QF。

图2-83题2-18电网络图

2-19接线如图所示电网中，试指出对6QF电流保护来说，在什么情况下具有最大和最小运行方式？

图2-84题2-19网络图

答：

对6QF来说，当变压器T1和变压器T2并联运行时为电网最大运行方式，T1和T2

切除一台为电网最小运行方式。

2-20试说明电流保护整定计算时，所用各种系数Krei、Ky、、K$s、K诃它们的意

义和作用？

答：

Kei—可靠系数，为保证继电保护装置的可靠性；Kre—继电器返回系数，恒小于1，

Kre越接近于1,继电器越灵敏；Kcon—保护中电流互感器的接线系数；K$s—负荷的自启

动系数，反应尖峰电流作用；Ks.m—保护装置的灵敏系数。

只有满足保护装置要求的灵敏

系数，保护装置才能使用。

2-21电流保护采用两相三继电器接线时，若将C相电流互感器极性接反，如图2-85

（1）

所示，试分析三相短路及AC两相短路时继电器1KA、2KA、3KA中电流的大小。

图2-85

（1）题2-21

电流互感器TA接线及电流分布

答：

两相三继电器接线在流分布如图2-85

（2）所示

C相TA极性接反时,

发生三相短路时和

A、C两相短路时电

图2-85

（2）题2-21电流互感器TA接线及电流分布

（a）三相短路时电流分布；（b）电流相量图

1、三相短路时从图2-85（a）中可知电流继电器1KA和2KA通过电流互感器二次侧相电流值,而3KA中通过电流为相电流值的-3倍。

2、A、C两相短路时（如图2-85

（2）所示），1KA、2KA通过电流互感器二次侧相电流值，而

3KA中通过电流为&&，由于&&，所以&&0即3KA中通过电流为零。

2-22在Y,d11接线的变压器在（侧）发生两相短路时，装在Y侧的电流保护采用三相完全

星形接线与采用不完全星形接线方式其灵敏系数有何不同？

为什么采用两相三接线方式就能使其灵敏系数与采用三相完全星形接线相同呢？

答：

Y,d11接线变压器在△侧发生两相短路（

d、b两相短路）时，设变压器电压变比为1，

在Y侧电流分布如图2-85（3）所示，可知IA

由此可知采用三相

星形接线比采用不完全星形接线灵敏系数可提高

1倍，如采用两相三继电器接线在中线上的

K2K

继电器3KA通过电流为（I&A&）亠竺（._&）亠。

即与完全星形接线中B相继电器

ktav3kta

2KA中通过电流值相同。

故与完全星形接线系数相同。

A

图2-85（3）Y，d11接线变压器侧发生a、b相短路

2-23如图3—12为无限大容量系统供电的35KV辐射式线路，线路WL1上最大负荷电流

IL.max

220V电流互感器变比选为3005，且采用两相星形接线，线路WL2上动作时限

tp21.8s，K1、K2、K3各点的三相短路电流分别为在最大运行方式下

I（3）

1K1.max

4KA,IK32.max1400A,lK33.max540A，在最小运行方式下

I（3）

IK1.min

3.5KA,IK32.min1250A,IK33.min900A。

图2-86题2-23网络图

拟在线路WLi上装设三段式电流保护，试完成：

（1）计算出定时限过流保护的动作电

流与动作时限（K*11.2,Kre0.85,t0.5s,Kss2）并进行灵敏系数校验；

（2）计算

出无时限与带时限电流速断保护的动作电流，并作灵敏系数校验（K；ei1.3,Kr'e1.15）；

（3）画出三段式电流保护原理接线图及时限配合特性曲线。

解：

1、线路WL1第I段电流保护整定计算

（1）保护装置的一次侧动作电流为:

爲1

Krell

|（3）

1k2.max

1.314001820A

（2）保护装置的二侧（继电器中）动作电流为

ll

op1.r

Kconl

kta

I1

op1

1820

300

5

30.5a

（3）动作时限t1l

0s

（4）灵敏系数校验

K1

sm

l

（2）ki

k.min

2

3500

1.6

1.5

ll

op1

1800

2、线路WL1第n段电流保护整定

2的第I段动作电流相配合，故先求保护2的第

（1）保护1的第n段动作电流要和保护I段动作电流。

lOp.2K；eilK3）max1.3540702A

lOP.1K；eil0p.21.15702807.3A

（2）继电器动作电流:

（4）

（1）

IIIKconIop.11807.3

Iop.1.r

Kta

60

13.46A

动作时限。

t2

灵敏系数校验

Ki1

s.m

I⑵

k.2min

II

Iop.1

0sf

t2Vt

1250

2

807.3

00.5

1082.5

807.3

3、线路WL1第川段过电流保护整定计算

保护装置一次侧动作电流为

iop.1

k

relss

Kre

1L.max

4220

0.85

（2）继电器动作电流

I川

op.1.r

I111k

op.1con

Kta

310.35A

60

（3）保护动作时限

t1mVt1.8

0.52.3s

（4）灵敏系数校验:

近后备保护

I

（2）

KIIIk2.min

Ks.mIiii—

Iop.1

—1250

2

621.2

（2）

远后备保护am出詈0.866500

Iop.1

621.2

0.5s

1.341.3

621.2A

1.741.5

0.69p1.2

合格

合格

不合格

14线

I、II段

II段的

图2-87题2-24网络图

2-24如图3-13所示，已知电源相电势Eph11田J3KV,Xs.max15,Xs.min

路单位长度正序电抗X10.4/Km，取Kr'ei1.25,K；；11.2。

试对电流保护1的

进行整定计算，即求I、ii段动作电流iOP1、iO'p1动作时间t；、叮，并校验I、灵敏系数，若灵敏系数不满足要求，怎么办？

解：

1、计算各短路点最大运行方式及最小运行方式下三相短路电流值。

K3点:

'k3.max

空0.5627KA

8632118

Ik3.min

3空0.55798KA

8732119

K1点：

'⑶

Eph

115/、.:

3

66.4

1.23KA

k1.max

Xs.minXab

140.4

100

54

I⑶

Eph

115/、

3

66.4

1.21KA

Ik1.min

Xs.maxXAB

150.4

100

55

K2点：

I⑶

Eph

115/-

3

66.4

0.772KA

Ik2.max

Xs.minXAC

140.4

180

86

⑶

Eph

115/

.3

66.4

0.7632KA

Ik2.min

Xs.maxXAC

150.4180

87

2、线路WL1电流保护第I段保护整定计算

11K1I⑶