变电运行与检修专业继电保护中级工理论知识合并卷

变电运行与检修专业继电保护中级工理论知识合并卷第一章继电保护基础理论1.1继电保护的基本概念与作用电力系统在运行过程中，可能因各种自然因素（如雷击、鸟害、覆冰等）或人为因素（如误操作、设备制造缺陷、维护不当等）发生故障或出现不正常运行状态。故障一旦发生，将可能导致设备损坏、大面积停电，甚至危及人身安全。继电保护装置作为电力系统的“哨兵”，其基本任务是：当电力系统发生故障时，能迅速、准确地将故障元件从系统中切除，以最大限度减少故障造成的危害；当系统出现不正常运行状态时，能及时发出警报信号，提醒运行人员采取措施，防止事故进一步扩大。继电保护装置是保障电力系统安全稳定运行的重要技术手段，它通过对电力系统中电气量（电流、电压、功率、频率等）以及非电气量（温度、瓦斯等）的监测、分析和判断，实现对电力设备和系统的有效保护。1.2继电保护的基本要求继电保护装置应满足以下四项基本要求，即“四性”：*选择性：指保护装置在电力系统发生故障时，仅将故障元件从系统中切除，使停电范围尽可能缩小，非故障部分继续安全运行。选择性是通过合理的保护配置、整定计算以及上下级保护之间的配合来实现的。*速动性：指保护装置应能尽快地切除故障。快速切除故障可以减轻故障设备的损坏程度，防止故障扩大，提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低情况下的工作时间。*灵敏性：指保护装置对其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。通常用灵敏系数来衡量，它表示在保护装置规定的保护范围内发生故障时，保护装置的反应能力。灵敏性过高可能导致误动，过低则可能导致拒动。*可靠性：指保护装置在其规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，应可靠动作；而在不该动作的情况下，应可靠不动作。可靠性是继电保护装置最重要的性能指标，它由保护装置本身的设计、制造工艺、元器件质量以及运行维护水平共同决定。1.3继电保护的分类与构成继电保护装置的分类方式多种多样。按保护对象可分为发电机保护、变压器保护、线路保护、母线保护、电容器保护、电抗器保护等；按保护原理可分为电流保护、电压保护、距离保护、差动保护、方向保护、瓦斯保护、温度保护等；按其反应故障类型可分为相间短路保护、接地短路保护、匝间短路保护等；按其作用可分为主保护、后备保护和辅助保护。传统的继电保护装置主要由测量元件、逻辑元件和执行元件三部分构成。测量元件负责感知被保护对象的运行参数，并与整定值进行比较，判断是否发生故障或异常；逻辑元件根据测量元件输出的信号，按照预定的逻辑关系进行判断和决策，决定是否发出跳闸或信号命令；执行元件则根据逻辑元件的命令，发出跳闸脉冲或警报信号。随着微电子技术和计算机技术的发展，微机保护已成为主流，其硬件通常包括数据采集单元、微型计算机单元、开关量输入/输出单元、人机接口单元和电源单元等，软件则实现了传统保护的测量、逻辑和控制功能，具有更高的灵活性和智能化水平。第二章电流互感器与电压互感器2.1电流互感器（TA）的原理与特性电流互感器是一种特殊的变压器，其主要作用是将一次系统中的大电流按比例变换为二次系统中标准的小电流（通常为5A或1A），以便于二次设备（如继电保护、测量仪表、自动装置等）的接入，并实现一次系统与二次系统的电气隔离，保障人身和设备安全。电流互感器的基本工作原理与普通变压器相似，基于电磁感应定律。其一次绕组匝数很少，通常串联在被测电路中；二次绕组匝数较多，与二次负荷（如继电器线圈、仪表线圈）串联形成闭合回路。在理想情况下，一、二次电流之比与匝数成反比，即I1/I2=N2/N1=KTA（变比）。但实际运行中，由于励磁电流的存在，电流互感器存在误差，包括比差和角差。比差是实际二次电流与理想二次电流的差值与理想二次电流的百分比；角差是二次电流相量与一次电流相量反转180度后的夹角。为了保证继电保护的准确性，对电流互感器的误差有严格要求，通常采用0.5级、1级用于测量，5P、10P等用于保护，其中“P”表示保护用，后面的数字表示在额定准确限值一次电流下的最大允许复合误差百分比。电流互感器的极性是一个至关重要的概念。在继电保护中，特别是差动保护，必须严格保证TA的极性正确，否则会导致保护误动或拒动。常用的极性标示方法有减极性法，即当一次电流从极性端流入时，二次电流从极性端流出。2.2电压互感器（TV/VT）的原理与特性电压互感器的作用是将一次系统的高电压按比例变换为二次系统的标准低电压（通常为100V或100/√3V），供测量、保护和控制装置使用，并实现电气隔离。电压互感器同样基于电磁感应原理，其一次绕组匝数很多，并联在被测电路的两端；二次绕组匝数较少，与二次负荷并联。理想情况下，一、二次电压之比等于匝数之比，即U1/U2=N1/N2=KTV（变比）。电压互感器按相数可分为单相式和三相式；按绝缘方式可分为干式、浇注式、油浸式和气体绝缘式等；按结构可分为电磁式和电容式（CVT）。电磁式电压互感器在中低压系统应用广泛，电容式电压互感器则在高压及超高压系统中较为常见，它由电容分压器和电磁单元组成。电压互感器的主要参数包括额定电压比、准确级、额定容量等。其误差同样包括比差和角差，不同准确级对应不同的误差限值，以满足不同测量和保护的需求。运行中，电压互感器二次侧不允许短路，否则会产生很大的短路电流，烧毁绕组，因此二次侧必须装设熔断器或空气开关进行保护。2.3互感器的选择与运行维护互感器的选择应根据一次系统电压等级、额定电流/电压、二次负荷大小与性质、准确级要求以及安装环境等因素综合考虑。保护用电流互感器还需考虑其暂态特性，特别是在发生短路故障时，非周期分量的影响可能导致铁芯饱和，影响测量准确性，因此在重要保护中可能需要选用P级、PR级或TPS级等具有较好暂态特性的电流互感器。互感器在运行中应定期进行维护检查，包括外观检查（有无渗漏油、破损、过热现象）、油位油色检查（油浸式）、声音是否正常、二次回路连接是否紧固、接地是否良好等。对于电流互感器，应防止二次侧开路，因为开路时一次电流全部成为励磁电流，会导致铁芯过热、二次侧产生高电压，危及设备和人身安全。运行中若需拆除二次回路，必须先将二次侧可靠短接。对于电压互感器，应防止二次侧短路，并确保其熔断器或空开正常工作。第三章继电器与继电保护装置基本原理3.1电磁式继电器的基本构成与工作特性尽管微机保护已广泛应用，但电磁式继电器作为传统保护的基础，其基本原理和工作特性仍需掌握。电磁式继电器主要由铁芯、线圈、衔铁、触点和反作用弹簧等部件构成。当线圈通入电流（或两端加上电压）时，产生电磁吸力，克服反作用弹簧的拉力，使衔铁吸合，带动触点动作（常开触点闭合，常闭触点断开）。当线圈中的电流（或电压）减小到一定值时，电磁吸力小于反作用力，衔铁在弹簧作用下返回原位，触点恢复初始状态。继电器的动作参数（如动作电流、动作电压）和返回参数（如返回电流、返回电压）是其重要特性。返回系数是返回参数与动作参数的比值，它反映了继电器动作的灵敏性和稳定性。对于过量继电器（如过电流继电器），返回系数一般小于1；对于欠量继电器（如低电压继电器），返回系数一般大于1。3.2常用继电器的类型与原理常用的电磁式继电器包括：*电流继电器：反映电流大小而动作，线圈串联在电流回路中，分为过电流继电器和欠电流继电器。*电压继电器：反映电压大小而动作，线圈并联在电压回路中，分为过电压继电器和低电压（欠电压）继电器。*时间继电器：在得到动作信号后，能延时一定时间才输出动作指令，用于实现保护的延时特性，如定时限和反时限。*中间继电器：其作用是增加触点数量、增大触点容量，或实现信号的放大与转换，常用于控制回路中传递信号。*信号继电器：当保护动作时，发出掉牌或灯光信号，指示保护动作情况，便于运行人员分析。除电磁式继电器外，还有感应式继电器（如感应式过电流继电器，利用电磁感应原理产生旋转力矩，其动作时限具有反时限特性）、整流式继电器、极化继电器等，它们在不同的保护原理中得到应用。3.3保护装置的逻辑回路与接线方式继电保护装置的逻辑回路是实现保护选择性、速动性等要求的关键。它由各种继电器的触点按一定逻辑关系组合而成，以完成“与”、“或”、“非”、“延时”等逻辑功能。例如，为了保证选择性，线路保护常采用“电流启动，电压闭锁”的逻辑；变压器差动保护则需要“差流越限，且无制动”等条件。保护装置的接线方式多样，如三相三继电器式、两相两继电器式、两相一继电器式等，具体选用取决于保护类型、系统接地方式以及对故障类型的反应能力。例如，对于大接地电流系统的相间短路保护，可采用三相式接线；对于小接地电流系统的相间短路保护，两相式接线较为常用，能反映各种相间短路，但不能完全反映单相接地短路。第四章输电线路的继电保护4.1阶段式电流保护的构成与原理阶段式电流保护是输电线路的基本保护方式之一，主要包括无时限电流速断保护（Ⅰ段）、限时电流速断保护（Ⅱ段）和定时限过电流保护（Ⅲ段）。*无时限电流速断保护：其动作电流按躲过本线路末端最大短路电流整定，动作时间为保护装置本身的固有动作时间，没有人为延时。它能快速切除保护范围内的故障，但不能保护线路全长，存在保护死区。*限时电流速断保护：其动作电流按躲过下一线路无时限电流速断保护的动作电流（或按躲过本线路末端最小短路电流并校验灵敏系数）整定，动作时间比下一线路无时限电流速断保护高出一个时间级差（通常为0.5s）。它能保护本线路全长，并能作为无时限电流速断保护的后备，但不能保护下一线路全长。*定时限过电流保护：其动作电流按躲过本线路最大负荷电流整定，动作时间按阶梯原则整定，即越靠近电源端，保护动作时间越长。它不仅能保护本线路全长，还能保护下一线路全长，作为本级线路主保护的近后备和下一线路保护的远后备，但动作时间较长。通常将Ⅰ段和Ⅱ段组合构成线路的主保护，Ⅲ段作为后备保护。4.2方向电流保护与距离保护当电力系统为双侧电源供电或单电源环形网络时，简单的电流保护可能无法保证选择性，此时需要在电流保护的基础上增加方向元件，构成方向电流保护。方向元件通过判断短路功率的方向（或电流、电压之间的相位关系），确保保护只在短路功率从母线流向线路（正方向故障）时动作，而在反方向故障时不动作。距离保护（又称阻抗保护）是反应故障点到保护安装处的电气距离（阻抗）而动作的保护。其主要特点是保护区稳定，不受系统运行方式和短路类型的影响。距离保护通常也采用阶段式构成，分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段。测量元件通过测量故障线路的阻抗（或电抗）值，并与整定阻抗值比较，当测量阻抗小于整定阻抗时，保护动作。距离保护的核心是阻抗继电器，常用的有全阻抗继电器、方向阻抗继电器、偏移特性阻抗继电器等。4.3线路纵联保护的基本原理纵联保护是利用通信通道将线路两端的保护装置联系起来，将两端的电气量（电流、电压、功率方向等）进行比较，以判断故障是否在本线路范围内。它能实现全线速动，是超高压、重要线路的主保护。纵联保护按其工作原理可分为纵联差动保护（基于比较两端电流的大小和相位）、纵联方向保护（基于比较两端功率方向或故障方向）、纵联距离保护（基于比较两端距离元件的动作行为）等。按所使用的通信通道类型可分为导引线纵联保护、载波（高频）纵联保护、微波纵联保护和光纤纵联保护等。光纤通道具有传输容量大、抗干扰能力强、衰耗小等优点，已成为目前纵联保护的主要通道方式。第五章电力变压器的继电保护5.1变压器的故障类型与保护配置原则电力变压器是电力系统中的核心设备，其故障可分为油箱内部故障和油箱外部故障。内部故障主要包括绕组的相间短路、匝间短路、接地短路以及铁芯的烧损等；外部故障主要包括套管和引出线的相间短路、接地短路等。此外，变压器还可能出现过负荷、过励磁、油温过高、油位异常等不正常运行状态。根据变压器的容量、电压等级以及在系统中的重要性，应配置相应的保护装置。按照《继电保护和安全自动装置技术规程》，变压器保护配置通常包括：*主保护：瓦斯保护（反应油箱内部故障及油面降低）、纵差动保护或电流速断保护（反应绕组和引出线的相间短路、大接地电流系统的接地短路以及绕组的匝间短路）。*后备保护：过电流保护（或复合电压启动的过电流保护、负序过电流保护）、零序电流保护（反应大接地电流系统的接地故障）、过负荷保护、过励磁保护等。5.2变压器差动保护的基本原理与接线方式变压器差动保护是利用比较变压器两侧电流大小和相位的原理构成的。正常运行及外部故障时，两侧电流（折算到同一侧）大小相等、相位相反，差动回路中电流为零（或为不平衡电流）；当变压器内部发生故障时，两侧电流不再平衡，差动回路中出现较大的故障电流，保护动作跳闸。由于变压器一、二次侧额定电压、电流不同，且存在变比、接线组别（导致相位差）以及励磁涌流、两侧电流互感器特性差异等因素，变压器差动保护需要解决这些问题。因此，差动保护回路中需要接入平衡线圈或通过软件算法进行相位补偿和电流平衡调整。常用的接线方式有Y/Δ-11接线变压器的差动保护相位补偿（如将星形侧电流互感器接成三角形，三角形侧接成星形）。励磁涌流是变压器空载合闸或外部故障切除后电压恢复时，在变压器绕组中产生的暂态电流，其数值很大，可能导致差动保护误动。为防止励磁涌流引起误动，差动保护通常采用具有速饱和铁芯的差动继电器、二次谐波制动、间断角制动等方法。5.3瓦斯保护的工作原理与运行注意事项瓦斯保护是变压器内部故障的主保护之一，它利用变压器内部故障时产生的气体或油流冲动来动作。瓦斯继电器（气体继电器）安装在变压器油箱与油枕之间的连接管道上。当变压器内部发生轻微故障时，故障点局部过热，使油温升高，油分解产生少量气体，这些气体上升进入瓦斯继电器，聚集在其上