电力系统继电保护课后习题答案

电力系统继电保护课后习题答案

1 绪论

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。

线路

TA1TA2

母线

图1-1 电流互感器选用示意图

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。 2 电网的电流保护

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k I ，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op I 。

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re I 。

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。

2.5 说明电流速断、限时电流速断联合工作时，依靠什么环节保证保护动作的选择性？依靠什么环节保证保护动作的灵敏度性和速动性？

答：电流速断保护的动作电流必须按照躲开本线路末端的最大短路电流来整定，即考电流整定值保证选择性。这样，它将不能保护线路全长，而只能保护线路全长的一部分，灵敏度不够。限时电流速断的整定值低于电流速断保护的动作短路，按躲开下级线路电流速断保护的最大动作范围来整定，提高了保护动作的灵敏性，但是为了保证下级线路短路时不误动，增加一个时限阶段的延时，在下级线路故障时由下级的电流速断保护切除故障，保证它的选择性。

电流速断和限时电流速断相配合保护线路全长，速断范围内的故障由速断保护快速切除，速断范围外的故障则必须由限时电流速断保护切除。速断保护的速动性好，但动作值高、灵敏性差；限时电流速断保护的动作值低、灵敏度高但需要0.3~0.6s的延时才能动作。速断和限时速断保护的配合，既保证了动作的灵敏性，也能够满足速动性的要求。

3 电网距离保护

3.1距离保护是利用正常运行与短路状态间的哪些电气量的差异构成的？

答：电力系统正常运行时，保护安装处的电压接近额定电压，电流为正常负荷电流，电压与电流的比值为负荷阻抗，其值较大，阻抗角为功率因数角，数值较小；电力系统发生短路时，保护安装处的电压变为母线残余电压，电流变为短路电流，电压与电流的比值变为保护安装处与短路点之间一段线路的短路阻抗，其值较小，阻抗角为输电线路的阻抗角，数值较大，距离保护就是利用了正常运行与短路时电压和电流的比值，即测量阻抗之间的差异构成的。

R

3.2什么是保护安装处的负荷阻抗、短路阻抗、系统等值阻抗？

答：负荷阻抗是指在电力系统正常运行时，保护安装处的电压（近似为额定电压）与电流（负荷电流）的比值。因为电力系统正常运行时电压较高、电流较小、功率因数较高（即电压与电流之间的相位差较小），负荷阻抗的特点是量值较大，在阻抗复平面上与R轴之间的夹角较小。

短路阻抗是指在电力系统发生短路时保护安装处的电压变为母线残余电压，电流变为短

路电流，此时测量电压与测量电流的比值就是短路阻抗。短路阻抗即保护安装处与短路点之间一段线路的阻抗，其值较小，阻抗角交大。

系统等值阻抗：在单个电源供电的情况下，系统等值阻抗即为保护安装处与背侧电源点之间电力元件的阻抗和；在由多个电源点供电的情况下，系统等值阻抗即为保护安装处断路器断开的情况下，其所连接母线处的戴维南等值阻抗，即系统等值电动势与母线处短路电流的比值，一般通过等值、简化的方法求出。

3.10解释什么是阻抗继电器的最大灵敏角，为什么通常选定线路阻抗角为最大灵敏角？ 答：当测量阻抗Zm 的阻抗角与正向整定阻抗Zset1的阻抗角相等时，阻抗继电器的动作阻抗最大，正好等于Zset1,即Zop=Zset1,此时继电器最为灵敏，所以Zset1的阻抗角又称为最灵敏角。选定线路阻抗角为最大灵敏角，是为了保证在线路发生金属性短路的情况下，阻抗继电器动作最灵敏。

3.11导出具有偏移圆特性的阻抗继电器的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程。 答：如图3—4所示偏移阻抗特性圆，在阻抗复平面上，以1set Z 与2set Z 末端的连线为直径作

出的圆就是偏移特性圆，圆心为121()2

set set Z Z +，半径为121()2set set Z Z +测量阻抗m Z 落在圆内或圆周上时，m Z 末端到圆心的距离一定小于或等于圆的半径，而当测量阻抗m Z 落在圆外时，m Z 末端到圆心的距离一定大于圆的半径，所以绝对值比较动作方程可以表示为

121211()()22

m set set set set Z Z Z Z Z -+≤-当阻抗落在下部分圆周的任一点上时，有2arg 90set m m set Z Z Z Z -=-当阻抗落在左上部分圆周的任一点上时，有12

arg 90set m m set Z Z Z Z -=--当阻抗落在圆内的任一点时，有12

90arg 90set m m set Z Z Z Z --<<-所有阻抗继电器的相位比较动作方程为12

90arg 90set m m set Z Z Z Z --≤≤-

2

set Z m Z m Z Z -

图3-4 偏移阻抗特性圆3.19什么是助增电流和外汲电流？它们对阻抗继电器的工作有什么影响？

答：图3-9（a ）中母线B 上未接3I ?分支的情况下，12I I ??=,此时k 点短路时，A 处阻抗继电器KZ1测量到的阻抗为 12111AB Bk AB Bk Ak I Z I Z U Z Z Z Z I I ?????+=

==+= 在母线B 接上3I ?分支后，213I I I ???

=+，k 点短路时，A 处阻抗继电器KZ1测量到的阻抗为

1133311

111()AB Bk Bk Bk AB Bk Ak I Z I I Z I Z I Z U

Z Z Z Z I I I I ??????????++===++=+ 即在3I ?相位与1I ?相差不大的情况下，分支3I ?的存在将使A 处感受到的测量阻抗变大，这种使测量阻抗变大的分支就成为助增分支，对应的电流3I ?称为助增电流。

类似地图3-9（a ）中，在母线B 上未接3I ?分支的情况下，12I I ??=，此时k 点短路时，A 处阻抗继电器KZ1测量到的阻抗为 12111

AB Bk AB Bk Ak I Z I Z U Z Z Z Z I I ?????+=

==+= 在母线B 接上3I ?分支后，213I I I ???=-，k 点短路时，A 处阻抗继电器KZ1测量到的阻抗为

1133311

111()AB Bk Bk Bk AB Bk Ak I Z I I Z I Z I Z U

Z Z Z Z I I I I ??????????+-===+-=- 即在3I ?相位与1I ?相差不大的情况下，分支3I ?的存在将使A 处感受到的测量阻抗变小，这种使测量阻抗变大的分支就成为外汲分支，对应的电流3I ?

称为外汲电流。

3.21什么是电力系统的振荡？振荡时电压、电流有什么特点？阻抗继电器的测量阻抗如何变化？

答：电力系统中发电机失去同步的现象，称为电力系统的振荡；电力系统振荡时，系统两侧等效电动势间的夹角δ在0°~360°范围内作周期性变化，从而使系统中各点的电压、线路电流、距离保护的测量阻抗也都呈现周期性变化。在系统两端电动势相等的条件下，测量阻抗按下式的规律变化，对应的轨迹如图3.10所示。

1111()cot ()cot 222222

m M M Z Z Z j Z Z j Z δδρ∑∑∑∑=--=--

4 输电线路纵联保护

4.4输电线路纵联保护中通道的作用是什么？通道的种类及其优缺点、适用范围有哪些？

并按规定进行综合比较、判别而动作的一种保护。当线路发生故障时，

使两侧开

关同时快速跳闸的一种保护装置，是线路的主保护。

种类：（1） 导引线纵联保护（简称导引线保护）

（1）导引线纵联保护：优点：不受电力系统震荡的影响，不受非全相运行的影响，在单

侧电源运行时仍能正确工作；还具有简单可靠，维修工作量少，投运率极高，技术成熟，

服务年限长，动作速度快等优点。 缺点：保护装置受导引线参数和使用长度影响，导

引线越长，分布电容越大，则保护装置的安全可靠性越低；导引线电缆造价高，随着使用

长度增加，初投资剧增。

（2）电力线载波纵联保护（简称高频保护）

优点：无中继通信距离长；经济使用方便；工程施工比较简单。缺点：高频载波通信容易

受高压输电线上的干扰；通信速率低难以满足实时性的要求。应用：一般用来传递状态信

号，用于构成方向比较式纵联保护和电流相位比较式纵联保护；还被用于对系统状态监视

的调度自动化信息的传递、电力系统内部的载波电话等

（3）微波纵联保护（简称微波保护）。与电力线载波纵联保护相比优点：有一条独立于输电线路的通信通道，输电线路上的干扰对通信系统没有影响，通道的检修不影响输电线路

的运行；扩展了通信频段，传递信息的容量增加、速率加快，可以传送电流波形信息实现

纵联分相电流差动原理的保护；受外界干扰影响小，通信误码率低，可靠性高；输电线路

的任何故障都不能使通道工作破坏，因此可以传送反应内部故障信息的允许信号和跳闸信

号。传播较远时需要假设微波中继站，通道价格贵。

（4）光纤纵联保护（简称光纤保护）优点：通信容量大；可以节约大量金属材料；保密性好，敷设方便，不怕雷击，不受外界电磁干扰，抗腐蚀和不怕潮；最重要特性就是无感应

性能，因此可以利用光纤构成无电磁感应的、极为可靠的通道。缺点：通信距离不够长，

长距离需要使用中继器及其附加设备；光纤不易找寻或修复。应用：在易受地电位升

高、暂态过程及其他严重干扰的金属线路地段之间

4.5通道传输的信号种类、通道的工作方式有哪些？

答：在纵联比较式保护中，通道中传送的信号有三类，即闭锁信号、允许信号和跳闸信号。在纵联电流差动保护中，通道中传送的是线路两端电流的信息，可以是用幅值、相角或实部、虚部表示的相量值，也可以是采样得到的离散值。在纵联电流相位差动保护中，通道中传送的是表示两端电流瞬时值为正（或负）的相位信息，例如，瞬时值为正半周时有高频信息，瞬时值为负半周时无高频信息，检测线路上有高频信息的时间，可以比较线路两端电流的相位。不同的通道有不同的工作方式，对于载波通道而言，有三种工作方式，即正常无高频电流方式、正常有高频电流方式和移频方式。对于光纤及微波通道，取决于具体的通信协议形式。

4.9闭锁式纵联保护为什么需要高、低定值的两个启动元件？

4.12输电线路纵联电流差动保护在系统振荡、非全相运行期间，会否误动，为什么？

答：系统振荡时，线路两侧通过同一个电流，与正常运行及外部故障时的情况一样，差动电流为量值较小的不平衡电流，制动电流较大，选取适当的制动特性，就会保证不误动作。非全相运行时，线路两侧的电流也为同一个电流，电流纵联差动保护也不误动作。

4.13在依靠电力线载波通道的线路上实现纵联电流差动保护较实现方向比较式纵联保护的

主要困难是什么？前者保护原理的主要优点是什么？

答：当阻波器谐振频率等于高频载波信号的频率时，对载波电流呈现极高的阻抗。耦合电容器对工频信号呈现非常大的阻抗。

4.16为什么要采用带有制动作用的差动特性，它根据什么条件选定？

答：不带制动线圈的电流差动继电器，其动作电流必须躲过外部短路时最大不平衡电流进行整定，这相当于按照最极端、最严重的情况来整定继电器。如图1中直线①所示的1Iop，该数值很大，所以继电器的动作值也很大，这样虽然能够保证区外故障时不误动作（安全性），但同时大大牺牲了内部故障时的灵敏度。采用制动特性后，可使继电器的动作电流随着实际不平衡电流（如图1中的曲线③）的增大而自动增大，当不平衡电流达到其最大值时，使继电器的动作电流与没有制动的情况下一致，从而可以保证这时继电器不会误动。不平衡电流减小时，动作值也降低，但始终大于不平衡电流，如图1中的折线②。可见，无论不平衡电流大还是小，差动保护都不会误动。由于动作电流不再始终为最大值，在内部短路特性不变的情况下（如图1中的直线④），可使灵敏度大为提高。如图1所示，无制动特性时短路电流必须超过a点时才能制动，而有制动后，在不降低外部短路安全性的前提下，只要内部短路的电流跨越b点，就能够可靠动作。动作电流不是恒定值，而是随制动电流的变化而变化的。

4.20什么是闭锁角，由什么决定其大小，为什么保护必须考虑闭锁角，闭锁角的大小对保护有何影响？

答：在实际情况下，由于互感器误差、线路分布电容、高频信号传递时间等原因，区外故障时两侧的收信机收到的高频信号不连续，会出现一定的间断，有可能造成保护的误动，因此应找出外部故障时出现的最大间断角，并进行闭锁，这个角就叫做闭锁角。由互感器的角度误差、序电流滤序器产生的角度误差、线路电容电流引起的角度误差、高频信号沿线传输需要的延时等因素决定。

当高频信号的间断时间对应的电气角度小于闭锁角时，就判断为区外故障，可靠将两侧保护闭锁，而当高频信号间断的角度大于闭锁角时，才认为是内部故障，保护才动作跳闸。闭锁角越大，外部短路时的安全性越高，越不容易产生误动，对提高保护的可靠性有利，但内部短路时有可能产生拒动。

5 自动重合闸

5.1在超高压电网中，目前使用的重合闸有何优、缺点？

答：在超高压电网中，目前使用的重合闸一般为综合重合闸，可以设置为单相重合闸方式、三相重合闸方式、综合重合闸方式和停用方式。单相重合闸方式就是在输电线路发生单相接地故障时，仅跳开故障相断路器，然后重合单相，重合不成功则跳开三相不再重合；而发生两相或三相故障时，跳开三相，不重合。三相重合闸方式就是无论发生什么类型和相别的故障，都跳开三相，并重合三相，重合不成功再次跳开三相不再重合。综合重合闸方式是