1、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kI opI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
2、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。1265 3 4opIkIre1E02.2 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
3、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
4、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 。kI opI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 。reI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，
5、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
6、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。
7、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 0.30.6s 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
8、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： ， 、 ， ， ， ，15/3EkV15GX0G310GX1260Lkm340Lk， ， ，线路阻抗 ， =1.2 、 = =1.15 0BCLm0CDLkDELm.4/krelK rel lK， ， ， ， =1
9、.5、 =0.85。试求：.axIA.maxIA.ax5EIAs（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）senK（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。G 1G 2G 3ABCDE987 65 43 2 1L 1L 2L 3图 2-2 简单电网示
10、意图解：由已知可得= =0.460=24 ， =0.440=16 ， =0.450=20 ， =0.4301LX23LXBCXCDX， =0.420=8DE（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 L1L3 全部运行，由题意 G1，G2 连接在同一母线上，则=（ | + | ）|( + )=(6+12)|(10+16)=10.6.minsX1G2X1L23GXL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.axs1LB C DE321E.minsX1 0 . 6 2 0 1 2 8图 2-3 等值电路（2）对于保护 1
11、，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.in 15/31.20.628kEsBCDI kAXX相应的速断定值为 = =1.21.312=1.57kA.1set relK .最小保护范围计算公式为 = = =-85.9kmsetI 32.max1insZLmi .max10.4ssetEZI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.maxkDI.insBCEX相应的速断定值为 = =1.2
12、1.558=1.87kA.2et relK .maxkDI最小保护范围为 = =-70.6kmminL.ax.2310.4ssetZI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.maxkCI.insBCEX相应的速断定值为 = =1.22.17=2.603kA.3etI relK .maxkI最小保护范围为 = =-42.3kmminL.ax.3120.4ssetZI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
13、，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 = =1.151.57=1.806kAsetI stK .1eI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 .maxkDI.max32sBCDEX所以保护 2 处的灵敏系数 = =0.4484 即不满足 1.2 的要求。setK .minksetI senK同理，保护 3 的限时电流速断定值为 = =1.151.87=2.151kA.3t rel .2stI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.maxkCI.max2sBEX所
14、以保护 3 处的灵敏系数 = =0.4531 即不满足 1.2 的要求。.3setK .min3kCsetI senK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 = =setI r.maxrelsLKI所以有 = =304.5A.1setI .maxrelsDEIK同理得 =406A =609A.2st .3set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 =.minkI.ax32sLEZ所以有 =727.8A =809.8A =974.51A.minEI.minDI.minCI所以由灵敏度公式 = 可知，保护 1
15、 作为近后备的灵敏度为seKkst= =2.39 1.5 满足近后备保护灵敏度的要求；.1setK .inEsetI 保护 2 作为远后备的灵敏度为 = =1.79 1.2 满足最为远后备保护灵敏度的要求；.2set .minEsetI 保护 3 作为远后备的灵敏度为 = =1.33 1.2 满足最为远后备保护灵敏度的要求。.3setK .inEsetI保护的动作时间为 =0.5+0.5=1s = +0.5=1.5s = +0.5=2s1t 2t 1 3t 22.8 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
16、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
17、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： sKrerelK t 3t（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reK时会造成保护 4 误动？（3） =0.85 时，保
18、护 4 的灵敏系数 =3.2，当 =0.7 时保护 4 的灵敏系数降低re senKre到多少？41253BA CMM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=1450A4.maxI保护 4 的过电流定值为 =2.55A.4.srelsetKI时限为 =max（ ， ， ）+ =1.5st 1t 2 3 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=1.05kA4.maxI，在考虑电动机的自启动出现的最大保护电流 = =1.31.05=1.365kA，这个.maxsIsK4.maxI电流必须小于保护 4
19、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.maxsIre.setKI rerere1.3652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.44kBsensetIK .in4.maxkBrerelsIK .4senrereK敏系数下降， = =2.635。sen0.732852.10 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
20、，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
21、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，
22、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
23、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(10)ruUt和 ， 时，各输出电压随时间变sin(103)riItsin(10)ruUtsin(106
24、)riIt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 t128036 tu 12t ( m s )3u1 02 03 0t ( m s )3u1 02 03 0t ( m s )41 02 03 0t ( m s )41 5 2 53 55t ( m s )5u1 02 03 0t ( m s )u1 02 5 3 05t ( m s )61 02 03 0t ( m s )61 52 0t ( m s )7u1 05t ( m s )7u1 0t ( m s )81 51 0t
25、( m s )82 0t ( m s )9u1 51 0t ( m s )9u2 0动作最灵敏条件 临界动作条件 arg0jUeIarg90jUeI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 。90arg90jeI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
26、0a90。(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，0a90 ；dZs当短路点远离保护安装处，且系统容量很大 时，-30a60。dZs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 30a60。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
27、范围为-120 -60。send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
28、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 43kGLEIX1/306按此电流来整定，动作定值 = =3.064kA.5setI 4relkKI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 .minsX1G2X1L2保护 5 处的电流为 =1.953kA5.min3ksLEIX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
29、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，.4setI 5rlkI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，49 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，
30、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.3setI relK .maxkCI为 12123|1 0.49|GLbr GLXXK与保护 3 配合时，5 处限时电流速断保护的定值为 =1.224kA.5.31setrelsetbIKI 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
31、，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.6setI relK 7kI 13122|LrelGLXEX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，5.8setI处限时电流速断保护的定值为 =1.205kA.5.6.setrelstrltIKI 取三种情况的最大者，即 =1.224kA.st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。.min32kBGLEIX .min.55kBsensetI 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。
