电力系统继电保护第二章习题和答案

2 电流的电网保护 2 1 在过量 欠量 继电器中 为什么要求其动作特性满足 继电特性 若不满足 当加 入继电器的电量在动作值附近时将可能出现什么情况 答 过量继电器的继电特性类似于电子电路中的 施密特特性 如图 2 1 所示 当加入 继电器的动作电量 图中的 大于其设定的动作值 图中的 时 继电器能够突然动 k I op I 作 继电器一旦动作以后 即是输入的电气量减小至稍小于其动作值 继电器也不会返回 只有当加入继电器的电气量小于其设定的返回值 图中的 以后它才突然返回 无论启 re I 动还是返回 继电器的动作都是明确干脆的 它不可能停留在某一个中间位置 这种特性 称为 继电特性 为了保证继电器可靠工作 其动作特性必须满足继电特性 否则当加入继电器的电气 量在动作值附近波动时 继电器将不停地在动作和返回两个状态之间切换 出现 抖动 现象 后续的电路将无法正常工作 1 26 534 op I k I re I 1 E 0 E 2 2 请列举说明为实现 继电特性 电磁型 集成电路性 数字型继电器常分别采用那些 技术 答 在过量动作的电磁型继电器中 继电器的动作条件是电磁力矩大于弹簧的反拉力矩与 摩擦力矩之和 当电磁力矩刚刚达到动作条件时 继电器的可动衔铁开始转动 磁路气隙 减小 在外加电流 或电压 不变的情况下 电磁力矩随气隙的减小而按平方关系增加 弹簧的反拉力矩随气隙的减小而线性增加 在整个动作过程中总的剩余力矩为正值 衔铁 加速转动 直至衔铁完全吸合 所以动作过程干脆利落 继电器的返回过程与之相反 返 回的条件变为在闭合位置时弹簧的反拉力矩大于电磁力矩与摩擦力矩之和 当电磁力矩减 小到启动返回时 由于这时摩擦力矩反向 返回的过程中 电磁力矩按平方关系减小 弹 簧力矩按线性关系减小 产生一个返回方向的剩余力矩 因此能够加速返回 即返回的过 程也是干脆利落的 所以返回值一定小于动作值 继电器有一个小于 1 的返回系数 这样 就获得了 继电特性 在集成电路型继电器中 继电特性 的获得是靠施密特触发器实现的 施密特触发器 的特性 就是继电特性 在数字型继电器中 继电特性 的获得是靠分别设定动作值和返回值两个不同的整定 值而实现的 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 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 k I 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 4 在电流保护的整定计算中 为什么要引入可靠系数 其值考虑哪些因素后确定 答 引入可靠系数的原因是必须考虑实际存在的各种误差的影响 例如 1 实际的短路电流可能大于计算值 2 对瞬时动作的保护还应考虑短路电流中非周期分量使总电流增大的影响 3 电流互感器存在误差 4 保护装置中的短路继电器的实际启动电流可能小于整定值 考虑必要的裕度 从最不利的情况出发 即使同时存在着以上几个因素的影响 也能保证 在预定的保护范围以外故障时 保护装置不误动作 因而必须乘以大于 1 的可靠系数 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 2 6 为什么定时限过电流保护的灵敏度 动作时间需要同时逐级配合 而电流速断的灵敏度 不需要逐级配合 答 定时限过电流保护的整定值按照大于本线路流过的最大负荷电流整定 不但保护本线 路的全长 而且保护相邻线路的全长 可以起远后备保护的作用 当远处短路时 应当保 证离故障点最近的过电流保护最先动作 这就要求保护必须在灵敏度和动作时间上逐级配 合 最末端的过电流保护灵敏度最高 动作时间最短 每向上一级 动作时间增加一个时 间级差 动作电流也要逐级增加 否则 就有可能出现越级跳闸 非选择性动作现象的发 生 由于电流速断只保护本线路的一部分 下一级线路故障时它根本不会动作 因而灵敏 度不需要逐级配合 2 7 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 3EkV 1 15 G X 2 10 G X 3 10 G X 12 60LLkm 3 40Lkm 线路阻抗 1 2 1 15 50 B C Lkm 30 CD Lkm 20 DE Lm 0 4 km rel K rel K rel K 1 5 0 85 试求 max 300 B C IA max 200 CD IA max 150 D E IA ss K re K 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 1 2 sen K 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 G1 G2 G3 A B CDE 98 76 54 321 L1 L2 L3 图 2 2 简单电网示意图 解 由已知可得 0 4 60 24 0 4 40 16 0 4 50 20 0 4 30 1L X 2L X 3L X BC X CD X 0 4 20 8 DE X 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 6 12 10 16 10 6 mins X 1G X 2G X 1L X 2L X 3G X 3L X 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 39 maxs X 1G X 1L X BCD E 3 2 1 E mins X 10 620128 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 115 3 1 312 10 620128 k E sBCCDDE E IkA XXXX 相应的速断定值为 1 2 1 312 1 57kA 1set I rel K maxk E I 最小保护范围计算公式为 85 9km set I 3 2 max1mins E ZZ L min L max 3 1 2 0 4 s set E Z I 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 1 558kA maxk D I minsBCCD E XXX 相应的速断定值为 1 2 1 558 1 87kA 2set I rel K maxk D I 最小保护范围为 70 6km min L max 2 3 1 2 0 4 s set E Z I 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 2 17kA maxk C I minsBC E XX 相应的速断定值为 1 2 2 17 2 603kA 3set I rel K maxk C I 最小保护范围为 42 3km min L max 3 3 1 2 0 4 s set E Z I 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 1 15 1 57 1 806kA set I set K 1set I 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 0 8098kA maxk D I max 3 2 sBCCD E XXX 所以保护 2 处的灵敏系数 0 4484 即不满足1 2 的要求 set K mink D set I I sen K 同理 保护 3 的限时电流速断定值为 1 15 1 87 2 151kA 3set I rel K 2set I 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 0 9764kA maxk C I max 3 2 sBC E XX 所以保护 3 处的灵敏系数 0 4531 即不满足1 2 的要求 3set K min 3 k C set I I sen K 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 re re I K maxrelssL re KK I K 所以有 304 5A 1set I maxrelssD E re KK I K 同理得 406A 609A 2set I 3set I 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 mink I max 3 2 sL E ZZ 所以有 727 8A 809 8A 974 51A minE I minD I minC I 所以由灵敏度公式 可知 保护 1 作为近后备的灵敏度为 sen K mink set I I 2 391 5 满足近后备保护灵敏度的要求 1set K min 1 E set I I 保护 2 作为远后备的灵敏度为 1 791 2 满足最为远后备保护灵敏度的要求 2set K min 2 E set I I 保护 3 作为远后备的灵敏度为 1 331 2 满足最为远后备保护灵敏度的要求 3set K min 3 E set I I 保护的动作时间为 0 5 0 5 1s 0 5 1 5s 0 5 2s 1 t 2 t 1 t 3 t 2 t 2 8 当图 2 56 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 2 7 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 4 若保护 1 的断路器拒动 故障由何处的那个保护元件动作 多长时间切除 答 1 由题 2 7 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 2 9 如图 2 4 所示网络 流过保护 1 2 3 的最大负荷电流分别为 400A 500A 550A 1 3 0 85 1 15 0 5s 1 0s 试计算 ss K re K rel K 1 t 2 t 3 t 1 保护 4 的过电流定值 2 保护 4 的过电流定值不变 保护 1 所在元件故障被切除 当返回系数低于何值 re K 时会造成保护 4 误动 3 0 85 时 保护 4 的灵敏系数 3 2 当 0 7 时保护 4 的灵敏系数降低 re K sen K re K 到多少 4 1 25 3 B AC M M 图 2 4 系统示意图 解 过电流保护 4 的最大负荷电流为 400 500 550 1450A 4 max I 保护 4 的过电流定值为 2 55A 44 max ssrel set re K K II K 时限为 max 1 5s 4 t 1 t 2 t 3 t t 2 保护 21 切除故障后 流过保护 4 的最大负荷电流 500 550 1050A 1 05kA 4 max I 在考虑电动机的自启动出现的最大保护电流 1 3 1 05 1 365kA 这个 maxss I ss K 4 max I 电流必须小于保护 4 的返回电流 否则 1 5s 以后保护 4 将误切除 相应的要求 2 55 从而 2 55 1 365 0 535 当返回系数低 maxss I re I 4reset K I re K re K re K 1 365 2 55 于 0 535 时 会造成保护误动 3 保护 4 的灵敏系数 与成正比 当下降时灵 min 4 4 k B sen set I K I min 4 max k Bre relss IK KK I 4sen K re K re K 敏系数下降 2 635 sen K 0 7 3 2 0 85 2 10 在中性点非直接接地系统中 当两条上下 级线路安装相间短路的电流保护时 上级 线路装在 A C 相商 二下级线路装在 A B 相上 有何优缺点 当两条线路并列时 这 种安装方式有何优缺点 以上串 并两种线路 若采用三相星形接线 有何不足 答 在中性点非直接接地系统中 允许单相接地时继续短时运行 在不同线路不同相别的 两点接地形成两相短路时 可以只切除一条故障线路 另一条线路继续运行 不考虑同相 的故障 两线路故障组合共有以下六种方式 1A 2B 1A 2C 1B 2A 1B 2C 1C 2A 1C 2B 当两条上 下级线路安装相间短路电流保护时 上级线路装在 A C 相商 而下级装 在 A B 相上时 将在 1A 2B 1B 2A 1C 2A 和 1C 2B 四种情况下 由下级线路保护切除故障 即下级线路切除故障的几率为 2 3 当故障为 1A 2C 时 将 会由上级线路保护切除故障 而当故障为 1B 2C 时 两条线路均不会切除故障 出现 保护拒动的严重情况 两条线路并列时 若两条线路保护动作的延时一样 则在 1A 2B 1C 2A 和 1C 2B 三种情况下 两条线路被同时切除 而在 1A 2C 故障下 只能切除线路 1 在 1B 2A 故障下 只能切除线路 2 在 1B 2C 故障下 两条线路均不会切除 即保护拒动 若保护采用三相星形接线时 需要三个电流互感器和四根二次电缆 相对来讲是复杂 不经济的 两条线路并列时 若发生不同相别的接地短路时 两套保护均启动 不必要切 除两条线路的机会就比较多 2 11 在双侧电源供电的网络中 方向性电流保护利用了短路时电气量的什么特征解决了仅 利用电流幅值特征不能解决的问题 答 在双侧电源供电网络中 利用电流幅值特征不能保证保护动作的选择性 方向性电流 保护利用短路时功率方向的特征 当短路功率由母线流向线路时表明故障点在线路方向上 是保护应该动作的方向 允许保护动作 反之 不允许保护动作 用短路时功率方向的特 征解决了仅用电流幅值特征不能区分故障位置的问题 并且线路两侧的保护只需按照单电 源的配合方式整定配合即可满足选择性 2 12 功率方向判别元件实质上是在判别什么 为什么会存在 死区 什么时候要求它动 作最灵敏 答 功率方向判别元件实质是判别加入继电器的电压和电流之间的相位 并且根据一定 关系 cos a 是否大于 0 判别初短路功率的方向 为了进行相位比较 需要加入继电 器的电压 电流信号有一定的幅值 在数字式保护中进行相量计算 在模拟式保护中形成 方波 且有最小的动作电压和电流要求 当短路点越靠近母线时电压越小 在电压小雨最 小动作电压时 就出现了电压死区 在保护正方向发生最常见故障时 功率方向判别元件 应该动作最灵敏 2 13 当教材中途 2 29 的功率方向判别元件用集成电路实现 分别画出 sin 100 rr uUt 和 时 各输出电压随时间变sin 10030 rr iIt sin 100 rr uUt sin 10060 rr iIt 化的波形 如果用数字式 微机 实现 写出你的算法 并校验上述两种情况下方向元件 的动作情况 答 以内角 30 为例 画出各点输出电压波形如图 2 5 所示 u t 1 u 2 u 180360 t u 1 u 2 u t ms 3 u 102030 t ms 3 u 102030 t ms 4 u 102030 t ms 4 u 1525355 t ms 5 u 102030 t ms 5 u 1025305 t ms 6 u 102030 t ms 6 u 15 20 t ms 7 u 105 t ms 7 u 10 t ms 8 u 1510 t ms 8 u 20 t ms 9 u 1510 t ms 9 u 20 动作最灵敏条件 临界动作条件 arg0 j r r U e I arg90 j r r U e I 图 2 5 各点电压输出波形图 可以看出 在内角 30 时第一种情况下动作最灵敏 第二种情况元件处于临界动作 状态 数字式实现时 动作的判据可以表示为 90arg90 j r r U e I 将第一种情况和第二种情况下的电压 电流带入该判据可以得到情况 1 为动作最灵敏 而情况 2 处于临界动作状态的结论 2 14 为了保证在正方向发生各种短路时功率判别元件都能动作 需要确定接线方式及内角 请给出 90 接线方式正方向短路时内角的范围 答 1 正方向发生三相短路时 有 0 a 90 2 正方向发生两相短路 当短路点位于保护安装处附近 短路阻抗 时 0 a 90 d Z s Z 当短路点远离保护安装处 且系统容量很大 时 30 a 60 d Z s Z 综合三相和各种两相短路的分析得出 当 0 90 时 使方向继电器在一切故障情 况下都能动作的条件应为 30 a 60 2 15 对于 90 接线方式 内角为 30 的功率方向判别元件 在电力系统正常负荷电流 功 率因数在 0 85 下 分析功率方向判别元件的动作情况 假定 A 相的功率方向元件出口与 B 相过电流元件出口串接 而不是 按相连接 当反方向 B C 两相短路时 会出现什么 情况 答 内角为 30 的功率方向元件 最大灵敏角 30 则动作范围为 120 60 sen d 由正常负荷电流的功率因数 0 85 可以得到 arctan0 85 31 79 在动作范围内 根据 d 功率元件出口与 B 相流过电流元件出口串接 当 反方向发生 B C 两相短路时 B 相过电 流元件动作 由于该元件出口和 A 相功率方向元件串接 这样就会启动时间继电器 出现 延时跳闸 因而电流元件和功率元件必须 按相连接 2 16 系统和参数见题 2 7 试完成 1 整定线路 L3 上不会 4 5 的电流速断定值 并尽可能在一端加装方向元件 2 确定保护 4 5 6 7 8 9 处过电流的时间定值 并说明何处需要安装方向元件 3 确定保护 5 7 9 限时电流速断的电流定值 并校验灵敏度 答 整定保护 5 的电流速断 保护 4 处的母线发生三相短路时 流过保护 5 的短路电流为 2 554A 4 33 k GL E I XX 115 3 1016 按此电流来整定 动作定值 3 064kA 5set I 4relk KI 在来看发电机 1 2 处于最大运行方式下保护 5 处母线三相短路时 有 18 mins X 1G X 2G X 1L X 2L X 保护 5 处的电流为 1 953kA 5 min3 k sL E I XX 远小于按躲过保护 4 处母线三相短路求得的整定电流 所以保护 5 不必安装方向元件 仅 靠定值就能保证方向故障时不误动作 现在整定保护 4 保护 4 按躲过保护 5 处母线短路最大电流整定时 定值为 2 34kA 当保护 4 处背侧母线三相短路是 流过保护 4 的电流为 2 554kA 4set I 5relk II 大于其整定值 所以不会误动 必须加装方向元件 2 过电流保护按躲过最大负荷电流整定 其量值较小 保护灵敏度很高 4 9 任何一 处保护正向及方向故障时 短路电流的量值都会超过其整定值 所以每一处都应安装方向 元件 在均装方向元件的情况下 4 5 6 处的过电流保护的动作时间分别与 G3 G2 和 G1 处 的过电流保护时间相配合 在其动作延时的基础上增加一个时间级差 5 7 9 处过电流 保护的动作时间均与 3 处过电流时间相配合 由题 2 7 可知 三处过电流保护的动作时间 为 2s 所以 5 7 9 处过流保护的动作时间均应取 2 5s 3 5 处限时电流速断保护定值应该与 3 6 8 处电流速断保护的定值相配合 与 3 处电流速断保护的定值配合 3 处电流速断保护的定值为 2 603KA L3 支路对应的分支系数的倒数 3set I rel K maxk C I 为 1212 121233 1 0 409 GGL brGGLGL XXXX KXXXXXX 与保护 3 配合时 5 处限时电流速断保护的定值为 1 224kA 5 3 1 setrelset br IKI K 与 6 处和 8 处电流速断配合 若装设方向元件 则 6 处电流速断保护应该按躲过母线 A 处三相短路的最大短路电流来整定 而母线 A 三相短路时 发电机 G1 G2 所提供的短路 电流不会流过保护 6 只有发电机 G3 的电流才流过保护 6 所以其 段的整定值为 1 048kA 6set I rel K 7k I 1 331212 L rel GLLLLL XE K XXXXXX 同理 装设方向元件的情况下 8 处保护的定值也为 1 048kA 按与它们配合时 5 8set I 处限时电流速断保护的定值为 1 205kA 5 6 8setrelsetrelset IKIKI 取三种情况的最大者 即 1 224kA 5set I 校验灵敏度 母线 B 两相短路时 流过 5 处的最小短路电流为 2 211kA 所以灵敏度为 1 834 满足要求 min 33 3 2 k B GL E I XX min 5 5 k B sen set I K I 在 6 8 处不装方向元件的情况下 它们速断保护的定值还应安躲过母线 B 三相短路时流 过它们的最大短路电流来整定 母线 B 三相短路时流过 6 8 处的最大短路电流为 1 844kA 6 maxk I 8 maxk I 1212 1 2 GGL E XXXX 这时其短路电流速断保护的整定值变为 2 26kA 6set I 8set I 6 maxrelk KI 所以 5 处限时电流保护的定值为 2 599kA 5 6setrelset IKI 灵敏度为 0 85 故不满足要求 min 5 5 k B sen set I K I 2 17 在中性点直接接地系统中 发生接地短路后 试分析 总结 1 零序电压 电流分量 的分布规律 2 负序电压 电流分量的分布规律 3 正序电压 电流分量的分布规律 答 1 零序电压 故障点处零序电压最高 距故障点越远零序电压越低 其分布取决于 到大地间阻抗的大小 零序电流 由零序电压产生 由故障点经线路流向大地 其分布 主要取决于送电线路的零序阻抗和中性点接地变压器的零序阻抗 与电源点的数目和位置 无关 2 负序电压 故障点处负序电压最高 距故障点越远负序电压越低 在发电机中 性点上负序电压为零 负序电流的分布取决于系统的负序阻抗 3 正序电压 越靠近电 源点正序电压数值越高 越靠近短路点正序电压数值越低 正序电流的分布取决于系统的 正序阻抗 2 18 比较不同的提取零序电压方式的优缺点 答 1 电磁式电压互感器一般有三个绕组 一个一次绕组 两个二次绕组 在三相系统 中 三个单相式电压互感器的一次绕组接成星形并将中性点接地 其两个二次绕组一个按 星形方式接线 另一个按开口三角形接线 星形接线的绕组用来测量各相对地电压及相间 电压 开口三角形用来直接获取系统的零序电压 这种方式获取零序电压的有地啊是简单 方便 精度较高 不需要额外的装置或系统 其缺点是开口三角侧正常无电压 不便于对其 进行监视 该侧出现断线短路等故障无法及时发现 输出零序电压的极性容易标错 从而 造成零序功率方向继电器不能正确工作 2 采用三相五柱式互感器本身结构比较复杂 主要应用于 35kV 及以下电压等级的中低 压配电系统 其优缺点与 1 的情况类似 3 接于发电机中性点的电压互感器 用一只电压互感器即可取得三相系统的零序电压 较为经济 但适用范围小 同时不平衡电压较大 不够灵敏 4 保护内部合成零序电压的方式接线较为简单 不容易出现接线及极性的错误 其缺点 是装置内部必须设置专门的模块 传统的机电式保护中通常采用 1 2 3 三种方式获取零序电压 在数字式保 护中 倾向于采用方式 4 在一些特殊的场合 也可以采用方式 3 2 19 系统示意图如图 2 6 所示 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 kV 5 8115 3E 1 12 1GG XX 1 22 2GG XX 1 32 3GG XX 1 42 4GG XX 5 15 15 20 60k 1 11 4 TT XX 0 10 4 TT XX 1 51 6TT XX 0 50 6TT XX A B L m 40km 线路阻抗 0 4 km 1 2 km 1 2 1 15 B C L 1 Z 2 Z 0 Z rel K rel K ABC G1 G2 T1 T2 T5 T6 T4G4 G3T3 1234 图 2 6 系统示意图 1 画出所有元件全运行时的三序等值网络 并标注参数 2 所有元件全保护时 计算母线 B 发生单相接地短路和两相接地短路时的零序电流分布 3 分别求出保护 1 4 零序 段的最大 最小分支系数 4 分别求出保护 1 4 零序 段的定值 并校验灵敏度 5 保护 1 4 零序 段是否需要安装方向元件 6 保护 1 处装有单相重合闸 所有元件全运行时发生系统振荡 整定保护 1 不灵敏 段定值 解 先求出线路的参数 即 60km 24 72 40km AB L 1 2 ABAB XX 0 AB X BC L 16 48 所有元件全运行是三序电压等值网络图如图 2 7 所示 1 2 BCBC XX 0 BC X E E E E 1 1G X 1 1T X 1 2G X 1 2T X 1 AB X 1 BC X 1 5T X 1 6T X 1 3T X 1 4T X 1 3G X 1 4G X A BC a 正序等值图 2 1G X 2 1T X 2 2G X 2 2T X 2 AB X 2 BC X 2 5T X 2 6T X 2 3T X 2 4T X 2 3G X 2 4G X A BC b 负序等值图 0 1T X 0 2T X 0 AB X 0 BC X 0 5T X 0 6T X 0 4T X A BC c 零序等值图 图 2 7 所有元件全运行时三序电压等值网络图 2 下求出所有元件全运行时 B 母线分别发生单相接地短路和两相接地短路时的负荷序 网等值图 1 单相接地短路时 故障端口正序阻抗为 24 5 16 6 5 12 67 1 11 11 31 3 11 1 22 GTGT ABBC XXXX ZXX 故障端口负序阻抗为 12 67 21 ZZ 故障端口零序阻抗为 79 5 10 55 5 7 657 0 10 50 3 00 0 222 TTT ABBC XXX ZXX 则复合序网等值图如图 2 8 所示 故障端口零序电流为 2 012kA 0 0 120 115 3 12 6712 677 657 f U I ZZZ 在零序网中按照零序导纳进行分配零序电流从而得到此时流过保护 1 4 处的零序电流分别 为 0 194kA 0 278kA 0 10 0 12579 0 130597 f II 0 20 0 018018 0 130597 f II 画出零序电流分布图如图 2 9 所示 0 f U 1 12 67Z 2 12 67Z 0 7 657Z 图 2 8 单相接地短路复合序网等值图 A BC 0 139 0 278 0 77 0 1940 097 图 2 9 单相接地短路零序电流分布图 2 两相接地短路时 故障端口各序阻抗和单相接地短路时相同 即 12 67 12 ZZ 7 657 则复合序网如图 2 10 所示 0 Z 4 77 故障端口正序电流为 3 808kA 2 Z 0 Z 12 677 657 12 677 675 0 1 120 f f U I ZZZ 故障端口零序电流为 2 373kA 0f I 0 12 67 12 677 675 f I 同样地 流过保护 1 4 的零序电流分别为 0 299kA 0 327kA 0 1 I 0 2 I 从而得到如图 2 11 所示的零序电流分布图 0 f U 1 12 67Z 2 12 67Z 0 7 657Z A BC 0 164 0 327 0 909 0 2290 115 图 2 10 两相接地短路复合序网等值图 图 2 11 两相接地短路零序电流分布图 3 先求出保护 1 的分支系数 1 b K 当 BC 段发生接地故障 变压器 5 6 有助增作用 如图 2 12 所示 1 b K 1 2 11 BCMA BM ABMABM IIX IIX 对于 当只有一台发电机变压器组运行是最大 有 87 1 X 1max X 0 10 TAB XX 当两台发电机变压器组运行时最小 有 79 5 1 X 1min X 0 1 0 2 T AB X X 对于 当 T5 T6 只有一台运行时最大 20 当 T5 T6 两台全运行时最小 2 X 2 X 2max X 2 X 10 因此保护 1 的最大分支系数 9 7 2min X 1 maxb K 1max 2min 1 X X 最小分支系数为 4 975 1 minb K 1min 2max 1 X X 同样的分析保护 4 的分支系数 当 AB 段发生接地故障时 T5 T6YOU 助增的作用 4 b K 如图 2 13 所示 1 b K 1 2 11 BCMA BM ABMABM IIX IIX 对于 当只有一台发电机变压器组运行是最大 有 63 1 X 1max X 0 30 TBC XX 当两台发电机变压器组运行时最小 有 55 5 1 X 1min X 0 3 0 2 T BC X X 对于 当 T5 T6 只有一台运行时最大 20 当 T5 T6 两台全运行时最小 2 X 2 X 2max X 2 X 10 因此保护 4 的最大分支系数 7 3 2min X 4 maxb K 1max 2min 1 X X 最小分支系数为 3 775 4 minb K 1min 2max 1 X X B BCM I ABM I A BM I M X1 X2 B M X1 X2 C BM I CBM I ABM I 图 2 12 BC 段故障时变压器的助增作用 图 2 13 AB 段故障时变压器的助增作用 4 保护 1 整定计算 零序 段 根据前面的分析结果 母线 B 故障流过保护 1 的最大零序电流为 0 229kA 故 段定值 1 2 3 0 229 0 8244kA 0 1 max I 1set I 0 1 max 3 rel KI 为求保护 1 的零序 段定值 应先求出保护 3 零序 段定值 设在母线 C 处分别发生单相 接地短路和两相接地短路 求出流过保护 3 的最大零序电流 因此有 5 68 12 ZZ 1 11 1 1 1 2 GT ABBC XX XX 1 31 3 2 GT XX 6 63 0 10 50 3 00 0 222 TTT ABBC XXX ZXX 单相接地短路时 有 3 69kA 0 0 123 f f U I ZZZ 115 3 5 865 866 63 从而求得流过保护 3 的电流为 0 43kA 0 3 I 连相接地短路时 有 3 06 20 ZZ 5 866 63 5 866 63 正序电流 7 6kA 零序电流 3 5kA 0 1 120 f f U I ZZZ 2 01 20 ff Z II ZZ 从而求得流过保护 3 的电流 0 408kA 0 3 I 这样 流过保护 3 的最大零序电流 0 43kA 0 3 max I 保护 3 的零序 段定值为 1 548kA 3set I 0 3 max 3 rel KI 这样 保护 1 的零序 段定值为 0 358kA 1 3 1 min rel setset b K II K 1 15 1 548 4 975 校验灵敏度 母线 B 接地短路故障流过保护 1 的最小零序电流 0 194kA 0 1 min I 灵敏系数 1 626 0 1min 1 3 re set I K I 保护 4 整定计算 零序 段 根据前面的分析结果 母线 B 故障流过保护 4 的最大零序电流为 0 327kA 故 段定值 1 2 3 0 327 1 18kA 0 4 max I 1set I 0 4 max 3 rel KI 为求保护 4 的零序 段定值 应先求出保护 2 零序 段定值 设在母线 A 处分别发生单相 接地短路和两相接地短路 求出流过保护 2 的最大零序电流 因此有 4 52 12 ZZ 1 31 3 1 1 2 GT ABBC XX XX 1 11 1 2 GT XX 6 86 0 30 50 1 00 0 222 TTT BCAB XXX ZXX 单相接地短路时 有 4 179kA 0 0 123 f f U I ZZZ 115 3 4 524 526 68 从而求得流过保护 2 的电流为 0 356kA 0 2 I 两相接地短路时 有 2 723 20 ZZ 4 526 86 4 526 86 正序电流 9 17kA 零序电流 3 64kA 0 1 120 f f U I ZZZ 2 01 20 ff Z II ZZ 从而求得流过保护 2 的电流 0 31kA 0 2 I 这样 流过保护 2 的最大零序电流 0 356kA 0 2 max I 保护 2 的零序 段定值为 1 286kA 2set I 0 2 max 3 rel KI 这样 保护 4 的零序 段定值为 0 39kA 4 2 4 min rel setset b K II K 1 15 1 282 3 775 校验灵敏度 母线 B 接地短路故障流过保护 4 的最小零序电流 0 278kA 0 4 min I 灵敏系数 2 14 0 4min 1 3 re set I K I 2 20 系统示意图如图 2 6 所示 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 kV 5 8115 3E 1 12 1GG XX 1 22 2GG XX 1 32 3GG XX 1 42 4GG XX 5 15 15 20 60k 1 11 4 TT XX 0 10 4 TT XX 1 51 6TT XX 0 50 6TT XX A B L m 40km 线路阻抗 0 4 km 1 2 km 1 2 1 15 B C L 1 Z 2 Z 0 Z rel K rel K 其相间短路的保护也采用电流保护 试完成 1 分别求出保护 1 4 的段 定值 并校验灵敏度 2 保护 1 4 的 段是否安装方向元件 3 分别画出相间短路的电流保护的功率方向判别元件与零序功率方向判别元件的交流接 线 4 相间短路的电流保护的功率方向判别元件与零序功率方向判别元件的内角有何不同 5 功率方向判别元件必须正确地按照电压 电流同名端接线后 才能正确工作 设想现 场工程师是如何保证接线极性正确的 解 1 保护 1 的 段整定 最大运行方式为 G1 G2 全运行 相应的 5 11 min 2 GT s XX X 最小运行方式为一台电机运行 相应的 10 max11sGT XX X 母线 B 处三相短路流过保护 1 的最大电流 2 289kA max min d B sd E I X X 保护 1 的 段定值为 1 2 2 289 2 747kA 1 maxsetreld B IKI 母线 C 三相短路流过保护 3 的最大电流 1 475kA max min d C sd E I X X 保护 3 的 段定值为 1 771kA 3 maxsetreld C IKI 保护 1 的 段定值为 2 063kA 1 3setrelset IKI 母线 B 两相短路流过保护 1 的最小电流 1 691kA max max 3 2 d B sd E I X X 保护 1 电流 断的灵敏度系数 0 83 灵敏度不满足要求 min 1 1 d B sen set I K I 1 691 2 063 保护 4 的 段整定 最大运行方式为 G3 G4 全运行 相应的 6 5 33 min 2 GT s XX X 最小运行方式为一台电机运行 相应的 13 max33sGT XX X 母线 B 处三相短路流过保护 4 的最大电流 2 951kA max min d B sd E I X X 保护 1 的 段定值为 1 2 2 951 3 541kA 1 maxsetreld B IKI 母线 A 三相短路流过保护 2 的最大电流 1 428kA max min d A sd E I X X 保护 2 的 段定值为 1 713kA 2 maxsetreld A IKI 保护 4 的 段定值为 1 97kA 4 2setrelset IKI 母线 B 两相短路流过保护 4 的最小电流 1 983kA max max 3 2 d B sd E I X X 保护 4 电流 断的灵敏度系数 1 01 灵敏度不满足要求 min 4 4 d B sen set I K I 1 983 1 97 2 计算母线 A 背侧三相短路时流过保护 1 的最大短路电流 即 1 428kA max 33 2 d A TG ABBC E I XX XX 115 3 24166 5 由于 2 747kA 并且 2 036kA 故保护 1 的 均不需要 maxd A I 1set I maxd A I 1set I 加装方向元件 计算母线 C 背侧三相短路时流过保护 4 的最大短路电流 即 1 475kA max 11 2 d C TG ABBC E I XX XX 115 3 24165 由于 3 54kA 并且 1 97kA 故保护 4 的 均不需要加装 maxd C I 1set I maxd C I 4set I 方向元件 3 相间短路的电流保护的功率方向判别元件与零序功率方向元件的交流接线图分别如图 2 14 2 15 所示 KAaKWaKAbKWbKAcKWc KT 跳闸 QF TV a b c 1 图 2 14 相间短路的电流保护的功率方向判别元件交流接线图 跳闸 QF 跳闸跳闸 0 KA 0 KA KW 0 KA 0 KS 0 KS 0 KS 0 KT 0 KT 图 2 15 零序功率方向元件的交流接线图 4 对相间短路电流保护功率方向判别元件而言 当 0 90 使相间短路电流保护 k 功率方向判别元件在一切故障时都能动作的条件为 内角应满足 30 60 对某一已 经确定了阻抗角的送电线路而言 应采用 90 以便短路时获得最大灵敏角 而对 k 零序功率方向判别元件而言 在保护范围内故障时 最大灵敏角 95 110 即内 sen 角一般为 95 110 5 现场测定互感器极性的常用原理图如图 2 16 所示 一般采用直流电池组配合直流毫 安表的简单工具 将电池正极接在互感器的一次同名端 直流电表的红笔 正极 接在二 次同名端 当电路接通时一次电流由同名端流入 二次电流由同名端流出 指针向右摆动 稳定后电路断开是指针向左摆动 则同名端标识正确 若指针摆动方向相反 则二次同名 端应在另一端 当电压 电流互感器的同名端 极性 被正确标定以后 按照功率方向元件接线原理 图仔细地接入后 还可以采用电压 电流 功率和相角一体化测量仪表进行测量 根据以 上电量的幅值 相位关系和各读数值对接线校核 图 2 16 现场测定电流互感器极性的常用原理接线图 2 21 对于比 2 19 复杂得多的实际电力系统 设想保护工程师是如何完成保护定值计算的 如果你今后从事保护整定计算 如何借助现在计算工具提高你的劳动效率 答 由于继电保护整定计算多种不同的运行方式 要对不同地点 不同类型的故障进行多 次计算 既要计算出各个继电保护元件不同段的动作值 还要进行灵敏度校验 计算的工 作量非常的大 特别是在网络结构特别复杂的实际电力系统中 人工计算几乎不可能完成 保护工作者曾今发明了 直 交 流计算台 用集中的电阻 阻抗 代表电网元件的电 阻 抗 按照电网的实际连接关系连接成模拟的电网 在电源点接上直 交 流电压 用仪表测量短路后的电流 电压 因为接线复杂 精度低 目前实际电力系统已经广泛推 广应用继电保护整定计算软件 只要整定人员按要求输入电网结构和参数 就可以由计算 机快速准确的计算出需要的短路电流及不同保护装置隔断的动作值 并可以由计算机完成 灵敏度校验 今后继电保护的整定计算主要由计算机来完成 但整定计算人员必须了解计算的原理和原 则 再出现一些整定计算软件无法涵盖的特殊情况时 还素人工手动计算作为补充 2 22 图 2 17 所示系统的变压器中性点可以接地 也可以不接地 比较中性电直接接地 系统与中性点非直接接地系统中发生单相接地以后 在下属方面的异同