继电保护课后部分习题答案

电力系统继电保护

张保会 尹项根主编

1.2继电保护装置在电力系统中所起的作用是什么?

答:继电保护装置就是指能反应电力系统中设备发生故障或不正常运行状态, 并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置. 它的作用包括:1.电力系统正常运行时不动作;2. 电力系统部正常运行时发报警信号, 通知值班人员处理, 使电力系统尽快恢复正常运行;3. 电力系统故障时, 甄别出发生故障的电力设备, 并向故障点与电源点之间、最靠近故障点断路器发出跳闸指令, 将故障部分与电网的其他部分隔离。

1.3继电保护装置通过哪些主要环节完成预定的保护功能, 各环节的作用是什么?

答:继电保护装置一般通过测量比较、逻辑判断和执行输出三个部分完成预定的保护功能。测量比较环节是册来那个被保护电器元件的物理参量，并与给定的值进行比较，根据比较的结果，给出“是”、“非”、“0”或“1”性质的一组逻辑信号，从而判别保护装置是否应该启动。逻辑判断环节是根据测量环节输出的逻辑信号，使保护装置按一定的逻辑关系判定故障的类型和范围，最后确定是否应该使断路器跳闸。执行输出环节是根据逻辑部分传来的指令，发出跳开断路器的跳闸脉冲及相应的动作信息、发出警报或不动作。

1.6线路上装设两组电流互感器，线路保护和母线保护应各接哪组互感器？

答：线路保护应接TA1，母线保护应接TA2。因为母线保护和线路保护的保护区必须重叠，使得任意点的故障都处于保护区内。

1.8后备保护的作用是什么？

答：后备保护的作用是在主保护因保护装置拒动、保护回路中的其他环节损坏、断路器拒动等原因不能快速切除故障的情况下，迅速启动来切除故障。

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。

2.11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

[cos(，并且根据一定关系+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。

2.14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°

(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Z d 《Z s 时，0°

综合三相和各种两相短路的分析得出，当0°

的条件应为30°

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。

2.23图2.59所示系统中变压器中性点全部不接地，如果发生单相接地，试比较故障线路与非故障线路中零序电流、零序电压、零序功率方向的差异。

答：零序电流：在非故障线路中流过的电流其数值等于本身的对地电容电流，在故障线路中流过的零序电流数值为全系统所有非故障元件对地电容电流之和。零序电压：全系统都会出现量值等于相电压的零序电流，各点零序电压基本一样。零序功率方向：在故障线路上，电容性无功功率方向为线路流向母线；在非故障线路上，电容性无功功率方向为母线流向线路。

3.1距离保护是利用正常运行与短路状态间的哪些电气量的差异构成的？

答：电力系统正常运行时，保护安装处的电压接近额定电压，电流为正常负荷电流，电压与电流的比值为负荷阻抗，其值较大，阻抗角为功率因数角，数值较小；电力系统发生短路时，保护安装处的电压变为母线残余电压，电流变为短路电流，电压与电流的比值变为保护安装处与短路点之间一段线路的短路阻抗，其值较小，阻抗角为输电线路的阻抗角，数值较大，距离保护就是利用了正常运行与短路时电压和电流的比值，即测量阻抗之间的差异构成的。

3.2什么是保护安装处的负荷阻抗？

答：负荷阻抗是指在电力系统正常运行时，保护安装处的电压（近似为额定电压）与电流（负荷电流）的比值。因为电力系统正常运行时电压较高、电流较小、功率因数较高（即电压与电流之间的相位差较小），负荷阻抗的特点是量值较大，在阻抗复平面上与R 轴之间的夹角较小。

3.6在本线路上发生金属性短路，测量阻抗为什么能够正确反应故障的距离？

答：电力系统发生金属性短路时，在保护安装处所测量U m 降低，I m 增大，它们的比值Z m 变为短路点与保护安装处之间短路阻抗Z k ; 对于具有均匀参数的输电线路来说，Z k 与短路距离L k 成正比关系，即Z m =Zk =Z1L k (Z1=R1+jX1, 为单位长度线路的复阻抗) ，所以能够正确反应故障的距离。

3.7距离保护装置一般由哪几部分组成？简述各部分的作用。

答：距离保护一般由启动、测量、振荡闭锁、电压回路断线闭锁、配合逻辑和出口等几部分组成，它们的作用分述如下：

(1)启动部分：用来判别系统是否发生故障。系统正常运行时，该部分不动作；而当发生故障时，该部分能够动作。通常情况下，只有启动部分动作后，才将后续的测量、逻辑等部分投入工作。

(2)测量部分：在系统故障的情况下，快速、准确地测定出故障方向和距离，并与预先设定的保护范围相比较，区内故障时给出动作信号，区外故障时不动作。

(3)振荡闭锁部分：在电力系统发生振荡时，距离保护的测量元件有可能误动作，振荡闭锁元件的作用就是正确区分振荡和故障。在系统振荡的情况下，将保护闭锁，即使测量元件动作，也不会出口跳闸；在系统故障的情况下，开放保护，如果测量元件动作且满足其他动作条件，则发出跳闸命令，将故障设备切除。

(4)电压回路断线部分：电压回路断线时，将会造成保护测量电压的消失，从而可能使距离保护的测量部分出现误判断。这种情况下应该将保护闭锁，以防止出现不必要的误动。

(5)配合逻辑部分：用来实现距离保护各个部分之间的逻辑配合以及三段式保护中各段之间的时限配合。

(6)出口部分：包括跳闸出口和信号出口，在保护动作时接通跳闸回路并发出相应的信号。

3.8为什么阻抗继电器的动作特性必须是一个区域？

答：阻抗继电器在实际情况下，由于互感器误差、故障点过度电阻等因素影响，继电器实际测量到的Z m 一般并不能严格地落在与Z set 同向的直线上，而是落在该直线附近的一个区域中。为保证区内故障情况下阻抗继电器都能可靠动作，在阻抗复平面上，其动作的范围应该是一个包括Z set 对应线段在内，但在Z set 的方向上不超过Z set 的区域，如圆形区域、四边形区域、苹果形区域、橄榄形区域等。

3.10解释什么是阻抗继电器的最大灵敏角，为什么通常选定线路阻抗角为最大灵敏角？

答：当测量阻抗Z m 的阻抗角与正向整定阻抗Z set1的阻抗角相等时，阻抗继电器的动作阻抗最大，正好等于Z set1, 即Z op =Zset1, 此时继电器最为灵敏，所以Z set1的阻抗角又称为最灵敏角。选定线路阻抗角为最大灵敏角，是为了保证在线路发生金属性短路的情况下，阻抗继电器动作最灵敏。

3.11导出具有偏移圆特性的阻抗继电器的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程。

3.12阻抗继电器的绝对值比较动作方程和相位比较动作方程之间的关系是什么？

3.17什么是最小精确工作电流和最小精确工作电压？测量电流或电压小于最小精工电流或电压时会出现什么问题？

答：通常情况下，在阻抗继电器的最灵敏角方向上，继电器的动作阻抗就等于其整定阻抗，即Z op =Zset 。但是当测量电流较小时，由于测量误差、计算误差、认为设定动作门槛等因素的影响，会使继电器的动作阻抗变小，使动作阻抗降为0.9Z set 对应的测量电流，称为最小精确工作电流，用I ac.min 表示。

当测量电流很大时，由于互感器饱和、处理电路饱和、测量误差加大等因素的影响，继电器的动作阻抗也会减小，使动作阻抗降为0.9Z set 对应的测量电流，称为最大精确工作电流，用I ac.max 表示。

最小精工电流与整定阻抗也会减小，使动作阻抗降为0.9Zset 对应的测量电流，称为最大精确工作电流，用I ac.max 表示。

最小精工电流与整定阻抗值的乘积，称为阻抗继电器的最小精工电压，常用U ac.min 表示。

当测量电流或电压小于最小精工电流电压时，阻抗继电器的动作阻抗将降低，使阻抗继电器的实际保护范围缩短，可能引起与之配合的其他保护的非选择性动作。

3.19什么是助增电流和外汲电流？它们对阻抗继电器的工作有什么影响？

3.21什么是电力系统的振荡？振荡时电压、电流有什么特点？阻抗继电器的测量阻抗如何变化？

答：电力系统中发电机失去同步的现象，称为电力系统的振荡；电力系统振荡时，系统两侧等效电动势间的夹角δ在0°~360°范围内作周期性变化，从而使系统中各点的电压、线路电流、距离保护的测量阻抗也都呈现周期性变化。在系统两端电动势相等的条件下，测量阻抗按下式的规律变化，对应的轨迹如Page100图3.32所示。

3.22采用故障时短时开放的方式为什么能够实现振荡闭锁？开放时间选择的原则是什么？

答：1、利用电流的负序、零序分量或突变量，实现振荡闭锁。2、当系统发生故障时，短时开放距离保护允许保护出口跳闸称为短时开放。若在开放的时间内，阻抗继电器动作，说明故障点位于阻抗继电器的动作范围之内，将故障线路跳开；若在开放的时间内阻抗继电器未动作，则说明故障不在保护区内，重新将保护闭锁。

开放时间选择的原则：T dw 称为振荡闭锁的开放时间，或称允许动作时间，它的选择要兼顾两个方面：一是要保证在正向区内故障时，保护I 段有足够的时间可靠跳闸，保护Ⅱ段的测量元件能够可靠启动并实现自保持，因而时间不能太短，一般不应小于0.1s ；二是要保证在区外故障引起振荡时，测量阻抗不会在故障后的T dw 时间内进入动作区，因而时间又不能太长，一般不应大于0.3s 。

4.2纵联保护与阶段式保护的根本差别是什么？

答：纵联保护与阶段式保护的根本差别在于，阶段式保护仅检测、反应保护安装处一端的电气量，其无延时的速动段（即第Ⅰ段）不能保护全长，只能保护线路的一部分，另一部分则需要依靠带有一定延时的第Ⅱ段来保护；而纵联保护通过通信联系，同时反应被保护线路两端的电气量，无需延时配合就能够区分出区内故障与区外故障，因而可以实现线路全长范围内故障的无时限切除。

4.4输电线路纵联保护中通道的作用是什么？Page119

4.5通道传输的信号种类、通道的工作方式有哪些？

答：在纵联比较式保护中，通道中传送的信号有三类，即闭锁信号、允许信号和跳闸信号。在纵联电流差

动保护中，通道中传送的是线路两端电流的信息，可以是用幅值、相角或实部、虚部表示的相量值，也可以是采样得到的离散值。在纵联电流相位差动保护中，通道中传送的是表示两端电流瞬时值为正（或负）的相位信息，例如，瞬时值为正半周时有高频信息，瞬时值为负半周时无高频信息，检测线路上有高频信息的时间，可以比较线路两端电流的相位。不同的通道有不同的工作方式，对于载波通道而言，有三种工作方式，即正常无高频电流方式、正常有高频电流方式和移频方式。对于光纤及微波通道，取决于具体的通信协议形式。

4.12输电线路纵联电流差动保护在系统振荡、非全相运行期间，会否误动，为什么？

答：系统振荡时，线路两侧通过同一个电流，与正常运行及外部故障时的情况一样，差动电流为量值较小的不平衡电流，制动电流较大，选取适当的制动特性，就会保证不误动作。非全相运行时，线路两侧的电流也为同一个电流，电流纵联差动保护也不误动作。

4.14为什么纵联电流差动保护要求两侧测量和计算的严格同步，而方向比较式纵联差动保护原理则无两侧同步的要求？

4.20什么是闭锁角，由什么决定其大小，为什么保护必须考虑闭锁角，闭锁角的大小对保护有何影响？

4.21什么是相继动作，为什么会出现相继动作，出现相继动作对电力系统有何影响？

答：在输电线路保护中，一侧保护先动作跳闸后，另一侧保护才能动作的现象称为相继动作。

随着被保护线路的增长，为了保证区外故障时不误动作，要求保护的闭锁角增大，从而使动作区域变小，内部故障时有可能进入保护的不动作区。由于在内部故障时高频信号的传输延时对于电流相位超前侧和滞后侧的影响是不同的，对于滞后的N 侧来说，超前侧M 发出的高频信号经传输延迟后，相当于使两者之间的相位差缩小，高频信号的间断角加大，有利于其动作，所以N 侧是可以动作的；但对于超前的M 侧来说，N 侧发来的信号经延时后相对于加大了两侧电流的相位差，使M 侧感受到的高频信号的间断角变得更小，有可能小于整定的闭锁角，从而导致不动作。为解决M 端不能跳闸问题，当N 侧跳闸后，停止发高频信号，M 侧只能收到自己发的高频信号，间隔180°，满足跳闸条件随之跳闸。出现相继动作后，保护相继动作的一端故障切除的时间变慢。

5.2何为瞬时性故障，何谓永久性故障？

答:当故障发生并切除故障后，经过一定延时故障点绝缘强度恢复、故障点消失，若把断开的线路断路器再合上就能够恢复正常的供电，则称这类故障是瞬时性故障。如果故障不能自动消失，延时后故障点依然存在，则称这类故障是永久性故障。

5.3在超高压电网中使用三相重合为什么要考虑两侧电源的同期问题，使用单项重合闸是否需要考虑同期问题？

答：三项重合闸时，无论什么故障均要切除三项故障，当系统网架结构薄弱时，两侧电源在断路器跳闸以后可能失去同步，因此需要考虑两侧电源同期问题；单相故障时只跳单相，使两侧电源之间仍然保持两相运行，一般是同步的；因此，单相重合闸一般不考虑同期问题。

5.5如果必须考虑同期合闸，重合闸是否必须装检同期元件?

答：如果必须考虑同期合闸，也不一定必须装检同期元件。当电力系统之间联系紧密(具有三个以上的回路) ，系统的结构保证线路两侧不会失步，或当两侧电源有双回路联系时，可以采用检查另一线路是否有电流来判断两侧电源是否失去同步。

5.12什么是重合闸前加速保护？

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。

5.13什么是重合闸后加速保护？

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。

6.1变压器可能发生哪些故障和不正常运行状态？它们与线路相比有何异同？

答：变压器故障可以分为油箱外和油箱内两种故障，油箱外得故障主要是套管和引出线上发生相间短路和接地短路。油箱内的故障包括绕组的相间短路、接地短路、匝间短路以及铁芯的烧损等。

变压器的不正常运行状态主要有变压器外部短路引起的过电流、负荷长时间超过额定容量引起的过负荷、风扇故障或漏油等原因引起的冷却能力下降等。此外，对于中性点不接地运行的星形接线变压器，外部接地短路时有可能造成变压器中性点过电压，威胁变压的绝缘；大容量变压器在过电压或低频率等异常工况下会使变压器过励磁，引起铁芯和其他金属构件的过热。

油箱外故障与线路的故障基本相同，都包括单相接地故障、两相接地故障、两相不接地故障和三相故障几种形式，故障时也都会出现电压降低、电流增大等现象。油箱内故障要比线路故障复杂，除了包括相间故障和接地故障外，还包括匝间故障、铁芯故障等，电气量变化的特点也较为复杂。

6.3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。

6.11对比变压器过电流保护和线路过电流保护的整定原则的区别在哪里？

答：线路的过电流保护为保证在正常情况下各条线路上的过电流保护绝对不动作，显然保护装置的启动电流必须大于该线路上出现的最大负荷电流I L.max；同时还必须考虑到外部故障切除后电压恢复，负荷自启动电流作用下保护装置必须能够返回，其返回电流应大于负荷自启动电流，一般考虑后一种情况整定。 变压器过电流保护：(1)对并列运行的变压器，应考虑切除一台最大容量变压器时，在其他变压器中出现的过负荷。当各台变压器容量相同时，按负荷在剩余的变压器中平均分配计算，有I L.max=(n/n-1)I N 式中，n 为并列运行变压器的可能最少台数；I N为每台变压器的额定电流。(2)对降压变压器，应考虑电动机自启动时的最大电流，即I`L.max =Kss I`L.max 式中，I`L.max 为正常时的最大负荷电流（一般为变压器的额定电流）；K ss 为综合负荷的自启动系数。对于110KV 的降压变电所，低压6~10KV侧取K ss =1.5~2.5；中压35KV 侧取K ss =1.5~2。

按上述原则整定时，有可能会出现灵敏度不足的情况，这时通常需要配置低压启动的过流保护或复合电压启动时的过电流保护。

6.12与低电压启动的过电流保护相比，复合电压启动的过电流保护为什么能够提高灵敏度？

答：复合电压启动时的过电流保护将原来的三个低电压继电器改由一个负序过电压继电器U 2〉（电压继电器接于负序电压滤过器上）和一个接于线电压上的低电压继电器U 〈组成。由于发生各种不对称故障时，都能出现负序电压，故负序过电压继电器U 2〉作为不对称故障的电压保护，而低电压继电器U 〈则作为三相短路故障时的电压保护。过电流继电器和低电压继电器的整定原则与低电压启动过电流保护相同。负序过电压继电器的动作电压按躲过正常运行时的负序滤过器出现的最大不平衡电压来整定，通常取U 2.set =（0.06~0.12）U N该定值较小，使负序电压继电器动作的灵敏度远大于低电压继电器，所以，复合电压启动过电流保护在不对称故障时电压继电器的灵敏度高。

6.13三绕组变压器相间后备保护的配置原则是什么？

答：三绕组变压器的相间短路的后备保护在作为相邻元件的后备时，应该有选择性地只跳开近故障点一侧的断路器，保证另外两侧继续运行，尽可能的缩小故障影响范围；而作为变压器内部故障的后备时，应该都跳开三侧断路器，使变压器退出运行。

6.14零序电流保护为什么在各段中均设两个时限？

答：在变压器零序电流保护中，要考虑缩小故障影响范围的问题。每段零序电流可设两个时限，并以较短的时限动作于缩小故障影响范围（跳母联等），以较长的时限断开变压器各侧断路器。

7.3写出发电机标积制动和比率制动差动原理得表达式。图Page198、Page199

(1)标积制动。

令差动电流为I d = | I`1+I`2 |

制动电流为I res =²√ | I`1I`2cos(180°-θ)| 当cos(180°-θ) 大于等于0

0 当cos(180°-θ) 小于0

则标积制动的纵差保护的动作判据为（I d ≥K s I res ）∩（I d ≥I dmin )

式中，Ks 为标积制动系数，θ为I`1和I`2的夹角。

(2)比率制动。

令差动电流为Id= I`1+I`2

制动电流为I res =|(I`1-I`2)/2|

则比率制动式纵差保护的动作方程为

I d ＞K(Ires -I res.min )+Id.min ，当I res ＞I res.mim

I d ＞I d.min ，当I res ≤I res.min

式中，I res.min 成为拐点电流；I d.min 为启动电流；K 为制动线斜率.

7.4发电机的完全差动保护为何不反应匝间短路故障，变压器差动保护能反应吗？

答；发电机的完全差动保护引入发电机定子机端和中性点的全部相电流I 1和I 2，在定子绕组发生同相匝间短路时两侧电流仍然相等，保护将不能够动作。变压器匝间短路时，相当于增加了绕组的个数，并改变了变压器的变比，此时变压器两侧电流不再相等，流入差动继电器的电流将不在为零，所以变压器纵差动保护能反应绕组的匝间短路故障。

8.2试述判别母线故障的基本方法。

答：(1)全电流差动原理判别母线故障。在正常运行以及母线范围以外故障时，在母线上所有连接元件中，流入的电流和流出的电流相等，或表示为∑I pi =0；当母线上发生故障时，所有与母线连接的元件都向故障点供给短路电流或流出残留的负荷电流，按基尔霍夫电流定律，有∑I pi =Ik (短路点的总电流) 。

(2)电流相位差动原理判别母线故障。如从每个连接元件中电流的相位来看，则在正常运行以及外部故障时，则至少有一个元件中的电流相位和其余元件中的电流相位是相反的，具体说来，就是电流流入的元件和电流流出的元件这两者的相位相反。而当母线故障时，除电流等于零的元件以外，其他元件中的电流是接近同相位的。

8.6简述何谓断路器失灵保护。

答：所谓断路器失灵保护，是指当故障线路的继电保护动作发出跳闸脉冲，但其断路器拒绝跳闸时，能够以较短的时限切除与其接在同一条母线上的其他断路器，以实现快速后备同时又使停电范围限制为最小的一种后备保护。