电力系统继电保护习题.pdf

例 5-2 如图 5-4 所示电力系统，线路全部配置闭锁式距离纵联保护分析，在 1 K点（线路 BC 出口处）和 2 K点（线路 CB 出口处）短路时线路 AB 和线路 BC 上保护工作过程。 图 5-4例 5-2 题图 解题分析要回答本题，需要掌握闭锁式纵联保护的原理接线（见图 5-5）和工作原理。 需要注意的是， 闭锁式纵联保护的工作过程需要考虑距离保护的动作情况， 尤其是距离 I 段。 图 5-5闭锁式距离纵联保护的原理接线图 答： （1） 1 K点短路时： 1）线路 AB 上的保护 1 和保护 2：距离保护 III 段启动发信机发出闭锁信号；保护 1 的距 离保护 II 段动作停信，但保护 2 的距离保护 II 段不动作（由于是反方向故障） 、不停信； 保 护 1 和保护 2 均不动作。 2）线路 BC 上的保护 3 和保护 4：距离保护 III 段启动发信机发出闭锁信号； 1 K点在距 离保护 3 的 I 段动作范围内，距离保护 3 的 I 段和 II 段均启动，且 I 段瞬时跳闸、II 段动作 停信； 1 K点在距离保护 4 的 II 段动作范围内，II 段启动停信；保护 4 经延时跳闸。 （2） 2 K点短路时： 1）线路 AB 上的保护 1 和保护 2：距离保护 III 段启动发信机发出闭锁信号； 2 K点超出 了保护 1 的距离保护 II 段的保护范围，II 段不动作、不停信；保护 2 的距离保护 II 段也不 动作、不停信；保护 1 和保护 2 均不动作。 2）线路 BC 上的保护 3 和保护 4：距离保护 III 段启动发信机发出闭锁信号； 2 K点在距 离保护 4 的 I 段动作范围内，距离保护 4 的 I 段和 II 段启动，且 I 段瞬时跳闸、II 段动作停 信； 2 K点在距离保护 3 的 II 段动作范围内，II 段启动停信；保护 3 经延时跳闸。 例 5-3 试分析比较方向比较式纵联保护中的高频电流和高频信号。 表 5-1通道中高频电流的情况 通道工作方式 信号性质 正常无高频 电流方式 正常有高频 电流方式 移频方式 闭锁信号无高频电流有高频电流有频率为 1 f的高频电流 允许信号有高频电流无高频电流有频率为 2 f的高频电流 跳闸信号有高频电流无高频电流有频率为 2 f的高频电流 注 移频方式正常工作时向对端送出频率为 1 f的高频电流， 故障时改送频率为 2 f的高频电流 解题分析初学者容易混淆这两个概念。对于方向比较式纵联保护最常见的错误观点是 认为“通道中有高频电流”和“高频信号”是一回事。需要注意的是，对于相位比较式纵联 保护， 有无高频信号还取决于收到的高频电流与反应本端电流相位的高频电流的相对时序关 系。 答：通过表 5-1 描述高频电流和高频信号的关系。 例 5-8 电力系统震荡对方向纵联保护、纵联电流差动保护分别有无影响？为什么？ 解题分析解答本例题，需要清楚地理解电力系统震荡的特征，方向纵联保护和纵联电 流差动保护的工作原理，特别是方向纵联保护中采用的方向元件的工作原理。 由图 5-13（b）可知振荡中心在线路 MN 上且线路两侧相角差180时，两侧电流方向 相反（M 侧是从母线流向线路，而 N 测是有线路流项母线） ，两侧等效电动势方向也相反。 那么两侧由相电流和线（相）电压构成的方向元件方向“相同” 。 图 5-13振荡中心在线路 MN 上且线路两侧相角差180 （a）系统示意图； （b）向量图 答：电力系统振荡对方向纵联保护的影响与方向纵联保护所采用的方向元件有关。若采 用相电流和线（相）电压构成的方向元件且振荡中心在被保护线路上时，可能误动；若采用 负序功率方向元件或工频故障分量构成的方向元件时，振荡对方向纵联保护没有影响。 电力系统振荡对纵联电流差动保护没有影响。 习 5-2 如图 5-4 所示电力系统，线路全部配置闭锁式方向纵联保护，在 1 K点短路时,若 AB 和 BC 线路通道同时故障，保护将会出现何种情况？靠什么保护动作切除故障？ 答：保护 1 可能出现误动。靠保护 3 和保护 4 动作切除故障。 习 5-12 在纵联电流相位差动保护中，若线路一侧操作电流 2 1I KI的 K 值整定为 6，而另 一侧操作电流的 K 值错误整定为 0.6，试分析纵联电流相位差动保护的动作行为。 答：三相短路故障时，纵联电流相位差动保护比较的是正序电流的相位，保护能够正确 动作。当内部发生不对称短路故障时，保护的动作行为与1 I和 2 I 之间相位关系很大。此时 K 值整定为6 的一侧操作电流主要是 2 I 起作用； 而K值整定为0.6的一侧操作电流主要是1 I起 作用。当1 I与 2 I 相差180时，保护将拒动。 思 5-17 试述纵连电流相位差动保护与纵连电流差动保护相比，在原理、实现技术要求方面 有哪些区别？ 答：纵联电流相位差动保护只比较输电线路两端电流的相位，没有充分利用电流的全部 信息。 在某些特殊故障情况下判断故障能力不足， 如长距离重负荷线路上发生内部三相短路 时，线路两侧电动势的夹角可能很大，使得线路两侧的短路电流之间有很大的相位差，从而 保护不能正确动作或相继动作。 而纵连电流差动保护原理是建立在基尔霍夫电流定律的基础 上，具有良好的选择性，能灵敏、快速地切除保护区内的故障。 纵连电流差动保护传输的信息量大， 其传输容量和传输速率都对传输设备有较高的要求。 除了短线路可以采用导引线外，长线路上首先需要将各端电流量的瞬时值通过采样数字化， 保护必须使用两侧同步数据才能正确工作。 而纵联电流相位差动保护只需要传输各自的相位 信息，对传输设备要求较低。 例 7-1 图 7-1 所示为一单独运行的降压变压器，装设由数字式纵差动保护。除图示参数外， 还已知： （1）变压器的电压：110（122.5%）/6.6kV，Yd11 接线； （2）系数参数 mins X和 maxs X均归算到平均电压 6.6kV 侧； （3）6.6kV 侧的最大负荷电流为 1600A； （4）在励磁涌流时通过鉴别励磁涌流和故障电流将差动保护闭锁； （5）非周期分量系数5 . 1 np K；可靠系数3 . 1 rel K。 试整定该纵联差动保护的平衡系数及动作电流，并校验其灵敏系数。 图 7-1例 7-1 题图 解题分析 同模拟式的相类似，数字式变压器纵差动保护也需要进行相位校正（消除变 压器两侧电流相位不一致而产生的不平衡电流） 和电流平衡调整 （消除由计算变比与实际变 比不一致产生的不平很电流） 。但通常数字式变压器纵差动保护的相位校验由软件完成，电 流平衡调整是通过整定电流平衡系数来进行。 因此数字式变压器纵差动保护的整定计算与模 拟式纵差动保护的有所不同。主要有以下几点需要注意： （1）为了简化接线，采用数字式纵差动保护时通常变压器两侧电流互感器均采用星形接 线方式，二次电流直接接入保护装置。两侧电流互感器的变比关系通常为 T TA TA n n n 1 2 。 （2）消除由计算变比与实际变比不一致产生的不平衡电流，模拟式变压器纵差动保护需 要靠保护装置中的平衡绕组 b W来实现。 但 b W的匝数不能平滑调节， 故仍有一部分不平衡电 流流入保护，在整定计算时需要考虑。数字式变压器纵差动保护可以完全补偿，整定计算时 可以不考虑。 （3）数字式变压器纵差动保护往往具备励磁涌流判别环节，在出现励磁涌流时将差动保 护闭锁，因而在整定计算时不必考虑励磁涌流的影响。 （4）在进行灵敏度校验时要注意：在 Yd11 接线的变压器三角形侧发生 )2( K时，在星形 侧一定有一相电流等于 )3( K时的短路电流。详细的推导见第三章。 （5）基本侧的选择有两种方法：一种是以高压侧为基本侧；另一种是选二次电流较小侧 为基本侧。确定二次电流时要根据一次电流来选择电流互感器的变比。 （6）电流互感器额定一次电流的标准值为:10、12.5、15、20、25、30、40、50、60、75A 以及它们的十进位倍数或小数。 答： （1）计算变压器各侧的一次电流，选择电流互感器的变比，确定二次回路额定电流。 计算结果列于表 7-1 中。 表 7-1变压器纵差动保护计算结果 计算结果 各侧数值 110kV606kV 变压器一次额定电流（A） 976.104 1103 20000 598.1749 6 . 63 20000 电流互感器接线方式Y y12Y y12 电流互感器的计算变比104.975/51749.598/5 电流互感器的实际变比100/5=202000/5=400 电流互感器二次额定电流 （A）249 . 5 20 976.104 374 . 4 400 598.1749 平衡系数1200 . 1 374 . 4 249 . 5 （2）计算最大运行方式下，当 6.6kV 母线发生三相短路时的 )3( maxK I。 )(229 . 0 20 6 . 6 105 . 0 2 T X,)(449 . 0 22 . 0 229 . 0 X，所以 )(912.8486 449 . 0 3 6600 )3( max AIK （3）计算纵差动保护的动作电流。按下述两个条件整定： 1）躲过外部短路故障时的最大不平衡电流： )3( maxmax. )1 . 0( Kstnpzaunb IKKUfI )(382.1697912.8486) 15 . 11 . 005 . 0 0(A )(597.2206382.16973 . 1 max. AIKI unbrelset 2）躲过电流互感器二次回路断线引起的差电流： )(208016003 . 1 max1 AIKI relset 选取最大者作为纵差动保护的动作电流，即)(597.2206AIset。 二次动作电流为：)(516 . 5 400 597.2206 AIset （4）灵敏系数校验。 在 6.6kV 侧引出线两相短路时的最小短路电流为 )(185.6238 )3 . 0229 . 0 (3 6600 2 3 )2( min AIK 归算到高压侧 110kV 的最大一相电流为)(415.413 115 6 . 6 185.6238 3 2 AIK 流入到差动继电器的最小差动电流)(671.20 20 415.413 .min AI rK 2747 . 3 516 . 5 671.20 .min set rK sen I I K，满足要求。 思 7-10 为什么变压器纵差动保护和瓦斯保护不能互相代替？ 答：瓦斯保护只能反应变压器油箱内故障，对于像变压器绝缘子闪络等油箱外故障瓦斯 保护不能反应，所以瓦斯保护不能代替纵连差动保护。 瓦斯保护能反应的一些油箱内故障，如铁芯过热烧伤、油面降低等，纵差动保护不能反 应。又如：变压器绕组发生线匝数较少的匝间短路时，短路电流很大会造成局部绕组过热产 生强烈的油流向油枕方向冲击， 但表现在相电流上其值却并不大， 因此纵差动保护没有反应 但瓦斯保护能够反应。 例 8-1 在一台汽轮发电机上采用比率制动特性纵差动保护。已知发电机容量MWPN25, 8 . 0cos，kVUN3 . 6,122 . 0 d x，07 . 1 E,电流互感器变比5/3000 TA n。试对 该纵差动保护进行整定计算。 解题分析同变压器纵差动保护一样，实际工程中不同厂家的不同型号的产品的整定项 目的整定的方法并不是完全一致的。本例题的整定计算是根据 DL/T684-1999大型发电机 变压器继电保护整定计算导则所介绍的方法完成的。 答： （1）计算发电机额定电流及出口三相短路电流。 MVA P S N B 25.31 8 . 0 25 cos )(864 . 2 3 . 63 25.31 3 kA U S II B B gnB ， gn I为发电机额定电流 发电机出口三相短路电流)(199.25864 . 2 122 . 0 07 . 1 )3( max. kAI x E I BK （2）确定差动保护的最小动作电流。 )(430 . 0 600/286403 . 0 25 . 1/03 . 0 2 min. AnIKI TAgnreld （3）制动特性拐点电流。 )(819 . 3 600/28648 . 08 . 0 min. AII Nres （4）最大制动系数 max.res K和制动特性折线斜率 K 的确定。 )(187 . 4 600/251191 . 05 . 00 . 2/ )3( max.max. AnIKKKI TAKerstapunb 最大动作电流)(443 . 5 187 . 4 3 . 1 max.max. AIKI unbrelset 最大制动系数13 . 0 max. erstaprelres KKKKK 132 . 0 819 . 3 600/25119 430 . 0 443 . 5 / min. )3( max. min.max. resTAK dset InI II K 例 8-2 （1）图 8-1 为发电机不完全纵差动保护的原理接线图。试回答：不完全纵差动保 护反应那些故障？当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时不完全纵差动保护能否动 作？并说明原因。 （2）发电机的完全纵差动保护为何不能反映匝间短路故障、分支开焊故障和定绕组单相 接地故障？变压器纵差动保护能反映绕组匝间短路故障码？ 图 8-1发电机不完全纵差动保护的原理接线图（以 C 相为例） 解题分析 不完全纵差动保护和完全纵差动保护相比，虽然原理相近，但保护的功能有 很大不同，而且应用时也有很多的问题需要特别注意，如电流互感器的误差等问题。本例题 主要想让初学者进一步理解不完全纵差动保护的工作原理和功能。 答： （1）不完全纵差动保护能够反应定子绕组的相间短路故障、匝间短路故障及定子 绕组的分支开焊故障。 当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时， 不完全纵差动保护能 够动作。这是因为：三相定子绕组分布在同一定子铁芯上，不同相间和不同匝间存在或大或 小的互感联系； 当未装设互感器的定子分支绕组发生故障时， 通过互感磁通在装设互感器的 非故障定子分支绕组中能感受到故障的存在，使不完全纵差动保护动作。 图 8-2完全纵差动保护说明图 （a）同分支的匝间短路； （b）不同分支的匝间短路； （3）分支开焊故障 （2）用图 8-2 来说明原因。 由图 8-2（a）和（b）可看出在定子绕组发生同分支的匝间短路时虽然会产生短路电流图 8-2（a）为dI ；图（b）为 dI 、 dI ，但在发电机两端的电流相等；由图 8-2（c）可看出分 支开焊后， 发电机两端的电流也相等。 所以发电机的完全纵差动保护不能反应定子绕组匝间 短路故障和分支开焊故障。 我国发电机中性点接地方式主要有：不接地、经消弧线圈接地、经配电变压器高阻接地。 当定子绕组发生单相接地故障时， 流过完全纵差动保护的故障相电容电流很小， 因此纵差动 保护不会动作。 变压器纵差动保护能反应绕组匝间短路故障。这是因为变压器各侧绕组的匝间短路，通 过变压器铁芯磁路的耦合， 改变了各侧电流的大小和相位， 使变压器纵差动保护能够