电力系统继电保护复习资料

电力系统继电保护
一．选择填空题
1.高压电网中，单相接地短路次数占所有短路次数的85%以上。

2.继电保护装置由测量比较元件、逻辑判断元件和执行输出元件组成。

3.每个重要的电力元件配备两套保护，既是主保护和后备保护，后备保护包括远后备
和近后备保护。

4.对继电保护的四个基本要求：可靠性、选择性、速动性和灵敏性。

（故障切除时间等
于保护装置和断路器动作时间的总和）
5.返回电流与启动电流的比值称为继电保护的返回系数，可表示为K re=I re/I op，返回系
数恒小于1。

6.整定原则按躲开下一条线路出口短路的条件整定。

7.三段保护范围最大，一段保护灵敏性最强。

8.电流保护的接线方式有三相星形接法和两相星形接法两种方式。

9.在两相星形接线的中性点上再接入一个继电器，利用这个继电器能提高灵敏系数。

10.潜动是指在只加入电流信号或只加入电压信号的情况下，继电器就能够动作的现象。

发生潜动的最大危害是在反方向出口处三相短路时，此时U r≈0，而I r很大，方向元件本应将保护装置闭锁，如果此时出现了潜动，就有可能使保护装置失去方向性而误动作。

造成潜动的原因主要是形成方波开环运算放大器的零点漂移。

11.消弧线圈有完全补偿（容易引起震荡）、欠补偿（容易引起电压谐波）及过补偿三种
补偿（使用最多）。

12.测量阻抗用Z m来表示，它定义为保护安装处测量电压U m与测量电流I m之比，即
Z m=U m/I m
13.距离保护一般由启动、测量、震荡闭锁、电压回路断线闭锁、配合逻辑和出口等几
部分组成。

14.并联运行的电力系统或发电厂之前出现功率角范围周期性变化的现象，称为电力系
统震荡。

15.电力系统的失步震荡属于严重的不正常运行状态，而不是故障状态，大多数情况下
能够通过自动装置的调节自行恢复同步，或者在预订的地点由专门的震荡解列装置动作解开已经失步的系统。

用来防止系统震荡时保护误动的措施，就称为震荡闭锁。

16.电力系统震荡时，电压最低的这一点称为震荡中心。

17.利用动作的延时实现震荡闭锁。

18.只要距离保护III段动作的延时时间大于1~1.5s，系统震荡时保护III段就不会误动
作。

19.过渡电阻对距离保护的影响，R g的存在总是使继电器的测量阻抗值增大，阻抗角变
小，保护范围缩短。

20.保护装置距短路点越近时，受过渡电阻影响越大；同时，保护装置的整定阻抗越小
（相当于被保护线路越短），受过渡电阻的影响越大。

21.在整定值相同的情况下，动作特性在+R轴方向所占的面积越小，受过渡电阻R g的
影响越大。

22.按照高频载波通道传送的信号在纵联保护中所起不同作用，将电力线载波信号分为
闭锁信号、允许信号和跳闸信号。

23.在220~500kV的架空线路上，由于线间距离大，其绝大部分短路故障是单相接地短
路。

如果线路发生的是瞬时性故障，则单相重合成功，即恢复三相的正常运行。

24.变压器保护分电量和非电量保护两种。

25.由于星形侧采用了两相电流差，该侧流入差动继电器的电流增加了3倍。

为了保证
正常运行及外部故障情况下差动回路没有电流，该侧电流互感器的变比也要相应地增大3倍。

26.变压器的主保护通常采用差动保护和瓦斯保护。

27.过电流保护按躲过可能出现的最大负荷电流整定，启动电流比较大，对于升压变压
器或容量较大的降压变压器，灵敏度往往不能满足要求。

为此可以采用低电压启动的过电流保护。

28.一般要求在变压器上装设接地保护，作为变压器主保护和相邻元件接地保护的后备
保护，发生接地故障时，变压器中性点将出现零序电流，母线将出现零序电压，变压器的接地后备保护通常都是反映这些电气量构成的。

29.轻瓦斯作用于信号，重瓦斯作用于跳开变压器各侧断路器。

30.发电机故障类型主要有定子绕组相间短路、定子一相绕组内的匝间短路、定子绕组
单相接地、转子绕组一点接地或两点接地、转子励磁回路励磁电流消失等。

31.对于1MW以上发电机的定子绕组及其引出线的相间短路，应装设纵差动保护。

32.对于300MW及以上的发电机，应装设过励磁保护。

33.绕组内部匝间短路横差动保护，同相不同绕组匝间短路横差动保护。

34.发电机失磁故障是指发电机的励磁突然全部消失或部分消失。

35.对于大机组，这样处理将不能保证机组的安全，通常需要装设用于反映震荡过程的
专门失步保护。

36.对于断路器的拒动，则专门装设断路器失灵保护。

二．简答题
1. 电力系统继电保护的基本任务是：
（1）自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；
（2）反应电气设备的不正常运行状态，并根据维护条件，而动作于发出信号或跳闸。

此时一般不要求迅速动作，而是根据电力系统及其元件的危害程度规定一定的延时，以免短暂的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。

2. 纵联电流差动保护的工作原理（p136）
3. 什么是重合闸前加速保护？有何优缺点？主要适用于什么场合？
答：所谓前加速就是当线路第一次故障时，靠近电源端保护无选择性动作，然后进行重合。

如果重合于永久性故障上，则在断路器合闸后，再有选择性的切除故障。

采用前加速的优点：
（1）能够快速地切除瞬时性故障；
（2）可能使瞬时性故障来不及发展成永久性故障，从而提高重合闸的成功率；
（3）能保证发电厂和重要变电所的母线电压在0.6~0.7倍额定电压以上，从而保证厂用电和重要用户的电能资源。

前加速的缺点：
（1）断路器的工作条件恶劣，动作次数较多；
（2）重合于永久性故障时，故障切除的时间可能较长；
（3）如果重合闸装置或断路器QF3拒绝合闸，则将扩大停电范围。

甚至在最末一级线路上故障时，都会使连接在这条线路上的所有用户停电。

前加速保护主要用于35kv以下由发电厂或重要变电所引出的直配线路上。

4.什么是重合闸后加速保护？有何优缺点？主要适用于什么场合？
答：所谓后加速就是当线路第一次故障时，保护有选择性的动作，然后进行重合。

如果重合于永久性故障上，则在断路器合闸后，再加速保护动作瞬时切除故障，而与第一次动作
是否带有时限无关。

后加速的优点：
（1）第一次是有选择性地切除故障，不会扩大停电范围，特别是在重要的高压电网中，一般不允许保护无选择性地动作而后以重合闸来纠正（即前加速）； （2）保证永久性故障能瞬时切除，并任然是有选择性的；
（3）和前加速相比，使用中不受网络结构和负荷条件的限制，一般说来是有利而无害的。

后加速的缺点：
（1）每个断路器上都需要装设一套重合闸，与前加速相比略为复杂； （2）第一次切除故障可能带有延时。

“后加速”的配合方式广泛应用于35kv 以上的网络及对重要负荷供电的输电线路上。

5. 关于变压器纵差保护中的不平衡电流与差动电流在概念上有何区别与联系？引起差动电流的原因。

答：差动电流指被保护设备内部故障时，构成差动保护的各电流互感器的二次电流之和（各电流互感器的参考方向均指向被保护设备时）。

不平衡电流指在正常及外部故障情况下，由于测量误差或者变压器结构、参数引起的流过差动回路电流。

6. 励磁涌流是怎么产生的？与哪些因素有关？
答：当变压器空载投入或外部故障切除后电压恢复时，变压器的电压从零或很小的数值突然上升到运行电压。

在这个电压上升的暂态过程中，变压器可能会严重饱和，产生很大的暂态励磁电流。

这个暂态励磁电流称为励磁涌流。

与变压器的额定容量有关。

三．分析计算题
1.如图2-2所示网络，在位置1、2和3处装有电流保护，系统参数为：
115/
E ϕ=，115G X =Ω 、210G X =Ω，310G X =Ω，1260L L km ==，
340L km =，50B C L km -=，30C D L km -=，20D E L m -=，线路阻抗0.4/km Ω，
rel K Ⅰ=1.2 、rel K Ⅱ=rel K Ⅲ=1.15 ，.max 300B C I A -=，.max 200C D I A -=， .max 150D E I A -=，
ss K =1.5、re K =0.85。

试求：
（1）发电机元件最多三台运行，最少一台运行，线路最多三条运行，最少一条运行，请确定保护3在系统最大、最小运行方式下的等值阻抗。

（2）整定保护1、2、3的电流速断定值，并计算各自的最小保护范围。

（3）整定保护2、3的限时电流速断定值，并校验使其满足灵敏度要求（sen K ≥1.2） （4）整定保护1、2、3的过电流定值，假定流过母线E 的过电流保护动作时限为0.5s ，校验保护1作后备用，保护2和3作远备用的灵敏度。

图2-2 简单电网示意图
解：由已知可得
1L X =2L X =0.4×60=24Ω，3L X =0.4×40=16Ω，BC X =0.4×50=20Ω，
CD X =0.4×30Ω， DE X =0.4×20=8Ω
（1）经分析可知，最大运行方式及阻抗最小时，则有三台发电机运行，线路L1~L3全部运行，由题意G1，G2连接在同一母线上，则
.min s X =（1G X ||2G X +1L X ||2L X ）||(3G X +3L X )=(6+12)||(10+16)=10.6
同理，最小运行方式下即阻抗最大，分析可知只有在G1和L1运行，相应地有
.max s X =1G X +1L X
=39
B
C
D
E
图2-3 等值电路
（2）对于保护1，其等值电路图如图2-3所示，母线E 最大运行方式下发生三相短路流过保护1 的最大短路电流为
..max .min 1.312k E s BC CD DE
E
I kA X X X X =
=
=++
相应的速断定值为.1set I Ⅰ
=rel K Ⅰ
×..max k E I =1.2×1.312=1.57kA
最小保护范围计算公式为set I Ⅰ
.max 1min
s E
Z Z L + min L
=.max 120.4s set E Z I ⎛⎫
⎪ ⎪-⨯ ⎪ ⎪⎝⎭
Ⅰ=-85.9km 即1处的电流速断保护在最小运行方式下没有保护区。

对于保护2等值电路如图2-3所示，母线D 在最大运行方式下发生三相短路流过保护2 的最大电流
..max k D I =
.min
s BC CD
E
X X X ++=1.558kA
相应的速断定值为 .2set I Ⅰ
=rel K Ⅰ
×..max k D I =1.2×1.558=1.87kA
最小保护范围为 min L
=.max .2120.4s set E Z I ⎛⎫
⎪ ⎪-⨯ ⎪
⎪⎝⎭
Ⅱ=-70.6km
即2处的电流速断保护在最小运行方式下也没有保护区。

对于保护3等值电路如图2-3所示，母线C 在最大运行方式下发生三相短路流过保护3 的最大电流
..max k C I =
.min s BC
E
X X +=2.17kA
相应的速断定值为 .3set I Ⅰ
=rel K Ⅰ
×..max k C I =1.2×2.17=2.603kA
最小保护范围为 min L
=.max .3120.4s set Z I ⎛⎫
⎪ ⎪-⨯ ⎪ ⎪⎝⎭
Ⅱ=-42.3km 即3处的电流速断保护在最小运行方式下也没有保护区。

上述计算表明，在运行方式变化很大的情况下，电流速断保护在较小运行发生下可能没有保护区。

（3）整定保护2的限时电流速断定值为 set I Ⅱ
=set K Ⅱ
.1set I Ⅰ
=1.15×1.57=1.806kA 线路末段（即D 处）最小运行发生下发生两相短路时的电流为
..max k D I
=
.max 2s BC CD
E
X X X ++=0.8098kA
所以保护2处的灵敏系数 set K Ⅱ
=
..min
k D set
I I Ⅱ=0.4484 即不满足sen K ≥1.2的要求。

同理，保护3的限时电流速断定值为 .3set I Ⅱ
=rel K Ⅱ
.2set I Ⅰ
=1.15×1.87=2.151kA 线路末段（即C 处）最小运行发生下发生两相短路时的电流为
..max k C I
.max s BC
所以保护3处的灵敏系数 .3set K Ⅱ
=
..min
.3
k C set I I Ⅱ=0.4531 即不满足sen K ≥1.2的要求。

可见，由于运行方式变化太大，2、3处的限时电流速断保护的灵敏度都远不能满足要求。

（4）过电流整定值计算公式为 set
I Ⅲ='re re I K =.max
rel ss L re
K K I K Ⅲ
所以有 .1set I
Ⅲ=
.max
rel ss D E re
K K I K -Ⅲ=304.5A
同理得 .2set I Ⅲ
=406A .3set I Ⅲ
=609A
在最小运行方式下流过保护元件的最小短路电流的计算公式为 .min k I
.max s L
所以有 .min E I =727.8A .min D I =809.8A .min C I =974.51A 所以由灵敏度公式 sen K =
.min
k set
I I Ⅲ
可知，保护1作为近后备的灵敏度为 .1set K Ⅲ=
.min
.1
E set I I Ⅲ
=2.39≥1.5 满足近后备保护灵敏度的要求； 保护2作为远后备的灵敏度为 .2set K Ⅲ
=
.min
.2
E set I I Ⅲ
=1.79≥1.2满足最为远后备保护灵敏度的要求； 保护3作为远后备的灵敏度为 .3set K Ⅲ
=
.min
.3
E set I I Ⅲ
=1.33≥1.2满足最为远后备保护灵敏度的要求。

保护的动作时间为 1t Ⅲ
=0.5+0.5=1s 2t Ⅲ
=1t Ⅲ
+0.5=1.5s 3t Ⅲ
=2t Ⅲ
+0.5=2s
2.当图2-2中保护1 的出口处在系统最小运行方式下发生两相短路，保护按照题1配置和整定时，试问
（1）共有哪些保护元件启动？
（2）所有保护工作正常，故障由何处的那个保护元件动作、多长时间切除？
（3）若保护1 的电流速断保护拒动，故障由何处的那个保护元件动作、多长时间切除？ 答：（1）由题1的分析，保护1出口处（即母线D 处）短路时的最小短路电流为0.8098kA ，在量值上小于所有电流速断保护和限时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1s 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1s 跳闸；若断路器拒动，则应
由2处的过电流保护以1.5s 的延时跳开2处的断路器。

3.图3-7所示系统中，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，变压器T5和T6可能2台也可能1台运行。

参数为：
115/E ϕ=kV ，
1.1
2.1
G G X X ==
1.2
2.2
G G X X ==15Ω，1.3 2.3G G X X ==
1.4
2.4
G G X X ==10
Ω
，
1.1 1.4
~T T X X =10
Ω
，
0.10.4~T T X X =30Ω, 1.5 1.6T T X X ==20Ω,0.50.6T T X X ==40Ω，A B L -=60km ，B C L -=40km ，
线路阻抗1Z =2Z =0.4Ω/km ，0Z =1.2Ω/km ，线路阻抗角均为75°，
.m a x
.m
A B L C
B L L L
-
-==300A ，负荷功率因数角为30°；ss K =1.2，rel K Ⅰ=0.85，rel K Ⅱ
=0.75。

变压器均装有快速差动保护。

试回答：
图 3-7 系统示意图
（1）为了快速切除线路上的各种短路，线路A-B 、B-C 应在何处配备三段式距离保护，各选用何种接线方式？各选用何种动作特性？
答：应在1、2、3、4处配备三段式距离保护；选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式；它们的Ⅰ、Ⅱ段选择具有方向特性的距离保护，Ⅲ段具有偏移特性的距离保护。

（2）整定保护1~4的距离Ⅰ段，并按照你选定的动作特性，在一个阻抗复平面上画出各保护的的动作区域。

答：线路AB 正序阻抗 1AB A B Z Z L -==0.4×60=24Ω 线路BC 的正序阻抗 1B C B C Z Z L --==0.4×40=16Ω
保护1、2的距离保护Ⅰ段 .1,2set rel AB Z K Z =ⅠⅠ
=0.85×24=20.4Ω 保护3、4的距离保护Ⅰ段 .3,4set rel BC Z K Z =Ⅰ
Ⅰ
=0.85×16=13.6Ω
保护1~4距离Ⅰ段在复阻抗平面上的动作区域如图3-8所示，圆周1、2、3、4分别对应保护1、2、3、4距离Ⅰ段的动作特性。

图3-8 保护1~4距离Ⅰ段的动作特性
（4）分别求出保护1、4 接地距离Ⅱ、Ⅲ段的定值即时限，并校验灵敏度。

答：保护1距离Ⅱ段的整定： 1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

（a ）当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时，有
.11.min .3()set rel AB b set Z K Z K Z =+ⅡⅡⅠ
=0.75×（24+1.59×13.6）=34.218Ω
（b ）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有
.11.min ()set rel AB b t Z K Z K Z =+ⅡⅡ=0.75×（24+2.01×20）=48.15Ω
所以取.1set Z Ⅱ
=34.218Ω 2）灵敏度校验：.134.218
24
set sen
AB Z K Z ==Ⅱ=1.43＞1.25，满足灵敏度要求。

3）动作时限：与相邻保护3 的Ⅱ段配合，有13t t t =+∆Ⅱ
Ⅱ
=0.5+0.5=1s ，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

保护1距离Ⅲ段的整定：
1）整定阻抗：按躲过正常运行时 的最小负荷阻抗整定，有
.min .min .max
L L L U Z U ∙
∙
=
=
=190.53Ω，.min
.1cos()
rel L set ss re set L K Z Z K K ϕϕ=
-Ⅲ
.10.83190.53
1.2 1.2cos(7530)
set Z ⨯=
⨯⨯- Ⅲ
=155.93Ω
2）灵敏度校验：
（a ）本线路末端短路时灵敏度系数为 .1(1)
155.9324
set sen AB Z K Z ==Ⅲ=6.50＞1.5 （b ）相邻设备末端短路时灵敏度系数为 .1
(2)1.max set sen AB
b next
Z K Z K Z =
+Ⅲ
≥1.2
① 相邻线路末端短路时灵敏系数。

利用（3）中求灵敏系数的结论，只要令BK BC X X =,0K X =即可，所以有
156.056.0056.012.11
12.0034.034.012.00
34.1
1
12
1[(1)(1)]3
1b BC AB AB AB K X X X X X X X X X X X X X =+
+⨯
⨯+++++++
当34.1X 、56.0min X 分别取最小值，而12.1X 、12.0X 、34.0X 分别取最大值时，1b K 就取最大值，即当
34.1min X =10Ω，56.0min X =20Ω，12.1max X =25Ω，12.0max X =30Ω，34.0max X =30Ω时，有1max b K =2.88，next BC Z Z ==16Ω，.1
(2)1.max set sen AB
b next
Z K Z K Z =
+Ⅲ
=2.33>1.2
②相邻变压器灵敏系数校验，此时 1max b K =2.88，next t Z Z ==20Ω
.1
(2)1.max set sen AB
b next
Z K Z K Z =
+Ⅲ=1.91>1.2 所以灵敏度校验要求。

3）动作时限：与相邻设备保护配合，有13t t t =+∆Ⅱ
Ⅱ
=1s ，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

保护4距离Ⅱ段的整定：
1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

（a ）当与相邻下级线路距离保护Ⅰ段相配合时，有
.44.min .2()set rel BC b set Z K Z K Z =+ⅡⅡⅠ
=0.75×（16+1.41×20.4）=33.573Ω
（b ）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有
.44.min ()set rel BC b t Z K Z K Z =+ⅡⅡ=0.75×（16+1.53×20）=34.95Ω
所以取.4set Z Ⅱ
=33.573Ω 2）灵敏度校验：.433.573
16
set sen
BC Z K Z ==Ⅱ=2.1＞1.25，满足灵敏度要求。

3）动作时限：与相邻保护2 的Ⅰ段配合，有13t t t =+∆Ⅱ
Ⅱ
=0.5+0.5=1s ，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

保护4距离Ⅲ段的整定：
1）整定阻抗：按躲过正常运行时 的最小负荷阻抗整定，有
.min .min .max L L L U Z U ∙
∙=
==190.53Ω，.min .4cos()rel L set ss re set L K Z Z K K ϕϕ=-Ⅲ .40.83190.531.2 1.2cos(7530)
set Z ⨯=⨯⨯- Ⅲ=155.93Ω 2）灵敏度校验：
（a ）本线路末端短路时灵敏度系数为 .4(1)155.9316
set sen BC Z K Z ==Ⅲ=9.74＞1.5 （b ）相邻设备末端短路时灵敏度系数为 .4(2)4.max set sen BC
b next Z K Z K Z =+Ⅲ≥1.2 ① 相邻线路末端短路时灵敏系数。

利用（3）中求灵敏系数的结论，只要令BK BC X X =,0K X =即可，所以有
456.056.0056.034.11
12.0012.012.034.0012.11121[(1)(1)]31b AB AC BC BC K X X X X X X X X X X X X X =++⨯⨯+++++++
当12.1X 、56.0X 分别取最小值，而34.1X 、12.0X 、34.0X 分别取最大值时，1b K 就取最大值，即当 12.1min X =12.5Ω，56.0min X =20Ω，34.1max X =20Ω，12.0max X =30Ω，34.0max X =30Ω时，有1max b K =2.21，next AB Z Z ==24Ω，.4(2)4.max set sen BC b next
Z K Z K Z =+Ⅲ=2.26>1.2 ②相邻变压器灵敏系数校验，此时 4max b K =1.99，next t Z Z ==20Ω .4(2)4.max set sen BC b next
Z K Z K Z =+Ⅲ=2.79>1.2 所以灵敏度校验要求。

3）动作时限：与相邻设备保护配合，有42t t t =+∆ⅡⅡ=1s ，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器
保护配合的要求。