电力系统继电保护基本原理

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1、电力系统继电保护根本原理课程学习指导资料编写：陈皓适用专业：电力系统自动化专业适用层次：专升本业余#大学网络教育学院二0 0三年十一月电力系统继电保护根本原理课程学习指导资料编写：陈皓审稿（签字）：审批（主管教学负责人签字）：本课程学习指导资料根据该课程教学大纲的要求，参照现行采用教材电力系统 继电保护（王维俭主编，清华大学，1998年）以与课程学习光盘，并结合远程 网络业余教育的教学特点和教学规律进展编写，适用于电力系统自动化专业专升 本学生。第一局部课程的学习目的与总体要求一、课程的学习目的电力系统继电保护是#大学网络学院电力系统与其自动化专业（本科）考试 计划中的一门专业课。它是研究继电

2、保护技术和继电保护装置与其在电力系统中 应用的一门科学，为培养电力系统与其自动化高等工程、科研技术人才而设置的。 通过学习获得电力系统继电保护必要的根本理论、根本知识和根本技能，为以后 分析、解决本专业的技术问题奠定根底。二、课程的总体要求本课程的内容包括两局部：电网保护和主设备（变压器、发电机、母线等） 保护。通过本课程的学习，要求：1 掌握电流、电压、方向电流、距离和差动等保护的根本原理和构成；理 解有关继电器的工作原理、动作特性、接线方式和工作情况的分析方法。2理解各继电保护装置的应用X围；掌握电流保护、距离保护的整定计算 原那么和方法；能阅读继电保护原理图和展开图。3了解继电保护的开展

3、过程和趋势。第二局部 课程学习的根本要求与重点难点内容分析第一章概 述1、本章学习要求1应熟悉的内容了解电力系统继电保护的作用，明确继电保护在在电力系统发生故障或不正 常运行时的根本任务和作用。2应掌握的内容了解实现继电保护的根本原理和组成：继电保护的根本原理。利用单侧、双侧电气量或非电气量变化的特征可以判断电力系统有、无故障 或不正常运行情况。继电保护装置的三个组成局部以与各局部的作用。3应熟练掌握的内容深刻理解电力系统对继电保护的根本要求和“四性之间的关系。对继电保护的根本要求：选择性、快速性、灵敏性和可靠性（即“四性） 等极其重要的根本概念。“四性之间的关系以与它们之间有时是矛盾而又统一

4、的概念。后备保护的作用；近后备和远后备。2、本章重点难点分析对继电保护装置应当具有的性能，必须提出严格的要求，就是所谓的“四 性，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。其中可靠性是最重要的，选择性是 关键，灵敏性必须足够，速动性要达到必要的程度，所谓“必要的程度，有时 是指快到几十或十几毫秒，有时也可以是几秒或更长些，根据被保护对象的重要 性具体确定。“四性是设计、分析与评价继电保护装置是否先进、实用和完 善的出发点和依据。3、本章典型例题解答例：何谓继电保护装置、继电保护系统、继电保护？答：继电保护装置是当电力系统中发生故障或出现异常状态时能自动、迅 速而有选择地切除故障设备或发出告警信号的一种

5、专门的反事故用自动装置。继电保护系统为多种或多套继电保护装置的组合。继电保护用来泛指继电保护技术或继电保护系统。也常用作继电保护装置 的简称，有时直接称为“保护。4、本章作业（p. 5）第二章 电网相间短路的电流电压保护和方向性电流保护1、本章学习要求1应熟悉的内容了解电磁型继电器的作用和工作原理，理解起动值、返回值和返回系数与继 电特性等根本概念。理解电流（电压）互感器的极性和误差。了解相间短路方向电流保护的作用和构成。了解电抗型电流电压变换的作用、构造与工作原理。2应掌握的内容掌握阅读电流保护原理图和展开图的方法。深刻理解相间短路电流保护各局 部的作用、构成和工作原理，特别是在保证选择性的

6、前提下，如何处理快速性与 灵敏性之间的关系。理解两种接线方式（三相星形和两相星形）的工作特点和适用 X围。理解在该电网中广泛采用两相星形接线方式的原因和Y，d11接线变压器 后两相短路时电流保护的工作情况以与为提高灵敏性所采取的措施。掌握方向元 件（功率方向继电器）的工作原理、构造与动作持性。初步掌握基于两个电气量相 位比拟的原理和基于两个电气量幅值比拟的原理与其互换性。了解实现比幅式继 电器的一般方法。3应熟练掌握的内容熟练掌握三段式电流保护的整定计算原那么和计算方法。从选择性、快速性、 灵敏性和可靠性等四个方面评价阶段式电流保护。最大（小）运行方式、最大（小） 短路电流、灵敏系数（保护X围

7、）、阶段式电流保护的概念、继电器原理与其接线 方式、动作情况的分析、整定计算和评价等，是本课程的重点内容之一，是学好 继电保护必须熟练掌握的根本知识。明确对功率方向继电器接线方式的要求和900接线方式的概念，并理解相间 短路时功率方向继电器的工作情况。对于保护安装处两侧有电源的网络，继电保 护为保证动作的选择性，需装设方向元件。掌握在双测电源网络中继电保护动作带有方向性的必要性，以与可以省略方向元件的条件。2、本章重点难点分析本章知识点中，重点是：电磁型继电器、相间短路的电流保护与其接线方式 和阶段式电流保护整定计算原那么和计算方法。难点是对Y，d11接线变压器后 两相短路时的电流分析与整定计

8、算时分支系数的考虑。根据选择性原那么分析可 以省略方向元件的条件。一、二段电流保护：动作值不能保证选择性时需使用功率方向继电器三段电流保护：动作时间不能保证选择性时需使用功率方向继电器特别注意：三段电流保护设置功率方向继电器的选择条件3、本章典型例题解答例1 :如下图在 110KV输电线路中 线路BC的负荷电流为230A,系统阻抗为：Xs=2.5 欧姆，单位线路长度的阻抗为：X=0.4(欧姆/公里)，I,II,III段电流保护可靠系数 Kk=1.25; Kk=Kk=1.15;自启动系数 Kzq=1.5;返回系数 Kh=0.85 ；。计算： 线路BC的电流速断、限时电流速断、过电流保护动作值与动

9、作时间；k 9 c % e(qWc|-n-j-020KM 25KM 34KM30KM 1.5s解：1线路BC的速断保护为保证选择性 按躲开线路BC末端的最大短路电流Id(3)Cmax整定速断动作值:I (3)d .C .maxE(Z + Z + Z )110/Y3(2.5 + 20 x 0.4 + 25 x 0.4)110/%320.5=3.1( KA)I= K -1=3.87(KA)dz.Bk d .C .max动作时间:t = 0sB2线路BC的限时电流速断动作值:与下条线路电流速断动作值idCc配合：I= K I =1.86( KA)dz.Ck d .D.maxI = K - (I) =

10、 2.14(KA)dz.Bk dz.C动作时间：t = 0.5sB3线路BC的过电流保护动作值:I = Kk * (I) = 1.15 x1.5 x 230 = 466.76(A)dz. BK/-C-max0.85动作时间：t = t + At = t + 2 At = t + 3 At=1.5 + 3 x 0.5 = 3s例2 在双电源系统中，负荷潮流方向、馈电线路过电流保护动作时限如 下图。问：（1）输电线路过电流保护动作时间；（2）哪些线路过电流保护必须安装功 率方向元件？（3）在给定潮流方向的情况下，线路Lab,Lbc上功率方向元件的动作 行为如何？& n.砧2s1.Es解：(1)按阶

11、梯时间特性计算保护14的过电流保护动作时限。考虑电源Em单独作用时，保护8为其末端线路保护，以其为基准进展计算：t = t + At = 1.5 + 0.5 = 2st = maxt , t , t + At = t + At = 2.5s 13 6 73考虑电源En单独作用时，保护5为其末端线路保护，以其为基准进展计算：t = t + At = 1 + 0.5 = 1.5st = maxt , t , t + At = t + At = 2.5s 42 6 77(2)必须安装功率方向元件的过电流保护a. 母线A出线的保护：保护5为负载线路保护，那么保护1不需设置功率方向元 件。b. 母线C出

12、线的保护：保护8为负载线路保护，那么保护4不需设置功率方向元 件。c. 母线B出线的保护：保护3，7的动作时间相等，均为最大动作时间，t =t3 = 17 = 2s那么保护2,3均需设置功率方向元件方向标于图中，与保护正方向一 样。说明：由于保护7为负载线路保护，那么该线路故障时，由于保护2动作时间 小于保护7动作时间，保护2失去选择性误跳闸；保护3，7的动作时间相等， 将同时动作跳闸，即保护3失去选择性误跳闸；为保证选择性，保护2,3需设 置功率方向元件。保护6，7为负载线路保护，那么保护6，7不需设置功率方向元件。(3)给定潮流方向下功率方向元件动作行为分析a. 线路Lab上潮流方向与保护

13、2动作正方向相反：保护2功率方向元件不动作。b. 线路Lbc上潮流方向与保护3动作正方向一样：保护3功率方向元件动作；但 此时保护3电流元件不动作，因此方向性电流保护不动作。4、本章作业p2223第三章 接地短路的零序电流和方向性零序电流保护1、本章学习要求1应熟悉的内容了解电力系统中性点的接地方式和变压器中性点接地的一般原那么与零序 电流(电压)滤过器的作用和原理。理解中性点直接接地电网接地短路时零序分量 (零序电压、电流和功率)的特点与中性点不接地电网单相接地短路时故障相和非 故障相电压、电流的特点和性质。2应掌握的内容灵敏I段和不灵敏I段保护的差异与使用条件。限时零序电流速断保护的灵 敏

14、系数不满足要求时所采取的措施四段式零序电流保护。了解中性点非直接 接地电网发生单相接地时零序分量的的特点与其接地保护方式。3应熟练掌握的内容掌握中性点直接接地电网三段式零序电流保护的整定计算原那么和计算方 法，并理解零序功率方向继功率方向继电器的工作原理。2、本章重点难点分析本章知识点中，重点是中性点直接接地电网接地短路时零序分量的特点与具 零序电流保护和零序方向电流保护的整定计算原那么和计算方法。掌握电网接地 短路时零序分量的特点是实现接地保护的理沦依据，也是学好本章的根底。学习 时与反响相间短路的电流保护和功率方向继电器进展比拟，找出异同，有助于加 深理解。3、本章典型例题解答零序方向电流

15、保护的主要特点是什么？(1) 零序方向电流保护的灵敏度高，动作时限短，无电压死区。(2) 零序电流保护受运行方式变化的影响较小。(3) 零序保护不受三相对称的系统振荡，短时过负荷等的影响。(4) 在110kV与以上的高压系统中，单相接地故障约占全部故障的70% 90%，且其它的故障也往往是由单相接地开展起来的，因此采用专门的零序保护 具有显著的优越性3、本章作业(p29)第四章电网的距离保护1、本章学习要求1应熟悉的内容理解距离保护的测量阻抗和时限特性，特别是测量阻抗的概念；了解反响相 间短路和接地短路的阻抗继电器接线方式；对振荡闭坡装置作初步的了解；了解 电压回路断线的影响与其防止措施。2应

16、掌握的内容理解掌握方向性阻抗继电器产生死区的原因、消除死区的措施，并了解由于引入极化 电压给阻抗继电器暂态特性带来的影响；掌握分析分支电流的影响与其防止措施；掌 握分析电力系统振荡的影响与振荡闭锁装置的根本原理。3应熟练掌握的内容熟练地掌握运用幅值比拟原理和相位比拟原理在复平面上分析单相式阻抗 继电器的动作特性，以与运用这两种原理构成各种常用的单相式阻抗继电器的方 法；了解上述两种原理的运用要领和它们的互换性；熟悉单相式阻抗继电器的动作方程、动作特性、交流接线。掌握分析过渡电阻对距离保护工作的影响与其防 止措施；熟练地掌握三段式距离保护的整定计算原那么和整定计算方法。2、本章重点难点分析本章知

17、识点中，重点是：阻抗继电器动作特性的分析方法和阻抗继电器的接 线方式、影响阻抗继电器正确动作的因素（包括电力系统振荡）和距离保护的整定 计算方法。难点是：阻抗继电器动作特性的分析和电力系统振荡对距离保护的 影响。3、本章典型例题解答如下图，在110kV输电线路中，线路AB的负荷电流为335A,负荷电流功率 因数为 cos甲=0.8, Kzq=1.5; Kfh=1.15,Kk=0.85;Kk=1.25。其余参数见附图。 计算：线路AB的零度接线相间方向阻抗距离A保护一段三段动作值（无需校验）。 其中：阻抗继电器最大动作灵敏角为：75度；系统阻抗为：Xs=9.5欧姆；单位线 路长度的阻抗为：x1=

18、0.4（欧姆/公里）；电流互感变比为Nl=1200/5。IABCd1-P110KV 25KM36KM18KM解：1距离保护一段动作值整定气 a =以皿=0.85 x 0.4 x 25 = 8.5（。）N-LHNYH=8.5 -粉0=1.86（。）2距离保护三段动作值_= 170.62（。）335 卯Z = 0.9气0.9 x 110 -103f. AB.maxJf. AB.max全阻抗动作值：ZZ = f AB maxdz aK - K - K17062=79.13（。）1.25 x 1.15 x 1.5方向阻抗动作值：79.13中=arccos（0.8） = 36.870气 A = COS

19、= cos（75二36.87） T00） d fZ *= Z * - IH = 100.6 -1200 5 = 21.95（。）dz. A. Jdz. A Nyh 110 -103 1004、本章作业(p6061)第五章差动保护1、本章学习要求(1) 应熟悉的内容差动保护的根本原理和不平衡电流的概念。(2) 应掌握的内容差动保护的稳态不平衡电流和暂态不平衡电流；不平衡电流对策。发电机、 变压器差动保护的整定原那么和方法。发电机纵差动保护断线监视装置的作用。(3) 应熟练掌握的内容发电机、变压器纵差动保护的根本工作原理与特点。不平衡电流和励磁涌流 产生的原因、特点以与克制其影响的措施。变压器纵差

20、动保护二次电流的的幅值、 相位补偿。2、本章重点难点分析重点是：发电机、变压器纵差动保护的根本工作原理。难点是：不平衡电流和励磁涌流产生的原因、特点以与克制其影响的措施。3、本章典型例题解答一台变压器如果采用Y/ -11接线方式，那么在构成差动保护时，变压器两侧的 电流互感器应采用怎样的接线方式才能补偿变压器两侧电流的幅值/相位差？ 试用相量图分析并画出变压器纵差动保护的接线。答：需进展变压器纵差动保护二次电流的的幅值、相位补偿。相量图与变压器纵 差动保护的接线如下图。J.J.接线 压筮姜曲保护接线和向 量图本章作业（p88）第六章高频载波保护保护1、本章学习要求1应熟悉的内容高频保护的根本原

21、理和高频通道的根本构成方式。2应掌握的内容高频通道的三种工作方式（故障时发信、长期发信和移频（混合）方式）与其特 点，以与三种类型高频信号（闭锁、允许和跳闸信号）的性质；相差高频保护的操 作电流。3应熟练掌握的内容高频闭锁方向保护和高频闭锁距离（零序）保护的工作原理、构成、根本元件 的作用结合逻辑框图分析。高频闭锁方向保护对功率方向元件的要求。相差 高频保护的工作原理、构成和闭锁角的概念。2、本章重点难点分析本章知识点中，重点是：纵联差动保护的根本原理和不平衡电流、高闭锁方 向保护和相差高频保护的根本原理。3、本章典型例题解答高频闭锁方向保护动作跳闸的条件是什么？如果通道遭到破坏，当内部故障

22、和外部故障时，保护的工作会受到何影响？答：高频闭锁方向保护动作跳闸的条件是：故障时，高频闭锁方向保护的方 向元件判别为正向故障、且在通道配和延时时间到后未收到线路对侧保护发出的 高频闭锁信号时跳闸。如果通道遭到破坏，当内部故障时，保护的工作不会受到影响，可以跳闸； 外部故障时，保护的工作会受到影响，远故障端的保护不能收到高频闭锁信号而 误跳闸。4、本章作业（p.103）第七章自动重合闸ZCH1、本章学习要求1应熟悉的内容自动重合闸的作用、效益与对重合闸的根本要求。2应掌握的内容双侧电源的线路上自动重合闸的特点、配置与运行方式。同步合闸条件。 重合闸的后加速工作方式。3应熟练掌握的内容具有同步检

23、定和无压检定的重合闸与其运行方式。使用非同步重合闸的限 制条件。超高压线路的综合重合闸。单相重合闸的故障选相。潜供电流的概念与 其影响。2、本章重点难点分析本章知识点中，重点是：自动重合闸的作用与对重合闸的根本要求。双侧电 源的线路上自动重合闸的特点、配置与运行方式。难点是：潜供电流的概念与其 影响。3、本章典型例题解答双侧电源网络中的一条线路MN，在M侧采用检查无电压重合闸方式，N侧采 用检查同步重合闸 方式。线 路两侧主保护均为距 离保护，其动作时 间为 t =0.1s，t =0.5s两侧断路器跳间时间均为tT=0.06s合闸时间为tH=0. 3s， 重合闸动作时间(包括检查同步继电器动作

24、时间在内)tzch=1s。试求：1当M侧出口发生瞬时性故障，从故障开始到恢复正常供电需经历多长 时间？2如果M侧出口发生永久性故障，从故障开始到最后切除故障需经历多 长时间？3M侧是否应同时投入检查同步继电器？为什么？4N侧是否也同时投入检查无电压继电器？为什么？答：1t = t + tT + tzch+ tH = 0.5 + 0.06 + 1 + 0.3= 1.86s(2) t =+ tzch+ tH + S tT= 0.5 + 0.06 + 1 + 0.3+ 0.1+ 0.06= 2.02s(3) 为在断路器偷跳时实现重合闸，M侧应同时投入检查同步继电器。(4) N侧不能同时投入检查无电压

25、继电器，否那么故障跳闸后M、N两 侧同时满足无电压条件，将进展非同步重合闸。4、本章作业(p.114)第八章电力主设备保护1、本章学习要求1应熟悉的内容发电机、变压器的故障类型、异常运行情况和继电保护方式等概念；变压器 的瓦斯保护。2应掌握的内容发电机、变压器相间短路的几种后备保护与其特点。变压器中性点直接接地 和不接地运行方式的接地保护；变压器的过励磁保护。利用基波与三次谐波共同 构成的100%定子接地保护；发电机负序反时限电流保护；发电机一变压器组保 护的特点。3应熟练掌握的内容发电机匝间短路的特点和匝间短路保护的工作原理；发电机失磁的概念和失 磁后发电机端测量阻抗变化的特点，实现失磁保护

26、的一般原那么；发电机、变压 器后备保护的整定计算原那么。2、本章重点难点分析重点是：变压器相间短路的后备保护和变压器的接地保护。发电机匝间短路 保护、负序反时限电流保护、定子绕组单相接地保护和发电机失磁保护。难点是： 发电机失磁保护。3、本章典型例题解答发电机定子装有纵差动和横差动保护时，发生何种故障时两种保护会同时动 作？答：当发电机定子绕组发生相间短路时，纵差保护动作；由于相间短路时，一般两组绕组三相不对称，因此可形成环流，横差动保护也可动作。4、本章作业p.140 第九章微机保护概论1、本章学习要求1应熟悉的内容微机保护的构成和特点。2应掌握的内容微机距离保护软件主要工作流程图（主程序、

27、中断服务程序和故障处理程序 流程图）。3应熟练掌握的内容微机保护软件（数字滤波器和算法）的根本概念与原理。数字滤波的含意、作 用；简单数字滤波器（差分滤波器、加法滤波器和积分滤波器）的实现方法和特点； 微机保护几种根本算法（假定输入量为正弦量的算法和解微分方程算法）的原理。2、本章重点难点分析数字滤波器和保护算法。3本章典型例题解答什么是三点乘积算法？答：利用正弦量在连续三个采样时刻采样值之间的乘积运算，计算正弦量的幅值（或有效值）和相角的算法，称为三点乘积算法。4、本章作业（p165）第三局部综合练习题第一章1何谓故障、异常远行方式和事故？它们之间有什么不同？又有什么联系？2常见故障有哪些类

28、型？故障后果表现在哪些方面？3何谓主保护、后备保护？远后备和近后备有何区别？各有何优、缺点？结 合“四性要求分析。第二章回Xs. min-12Xl. iutix-181如下图网络，试求线路AB保护1的无时限电流速断（即电流I段）的动作电 流值，并进展灵敏性（保护X围）校验。图示电压为线电压（计算短路电流时取平 均额定电压），线路阻抗为0 4O/km，可靠系数Kk=13。如线路长度减小 到50km、25km，重复上述计算，并分析计算结果，可得出什么结论？7bkm2如下图，各线路均装有阶段式电流保护，：Zs1.max=20。，Zs1.min=15。，Zs2.max=25。，Zs2.min=20。，

29、z1= 0.4。/ km ；可靠系数 Kk=1.25;Kk=Kk=1.15;自起动系数Kzq=1.5;返回系数Kh=0.85。计算保护1的电流速断保护、限时电流速断保护、过电流保护动作值与动作时间并校验动作灵敏度。110KV30KM50KM3在双电源系统中，馈电线路过电流保护动作时限的三种不同方案如表所示 （单位：秒）。问：（1）输电线路过电流保护16动作时间；（2）哪些线路过电流保护 必须安装功率方向元件？注意：选择动作时间的原那么是，除了保证选择性以外，尚应使故障切除时问为最短；需装设功率方向元件的保护数为最少。保、护 时号间789101112方案111.5231.52方案221.5122

30、.51方案32.5130.521.5第三章1中性点直接接地电网中，接地短路的特点与保护方式是什么？2零序电流保护灵敏I段和不灵敏I段保护的差异与使用条件是什么？限时零 序电流速断保护的灵敏系数不满足要求时所采取的措施是什么？3中性点经消弧线圈接地电网中，单相接地短路的特点与保护方式是什么？第四章1方向阻抗继电器整定阻抗Zzd=10 ，试写出它的幅值比拟原理和相位比拟 原理的动作方程表达式，并画出它的动作特性与交流接线图。2方向阻抗继电器为什么要引入极化电压？记忆回路工作原理和引人第三相电 压作用是什么？3为比么在整定距离II段定值时要考虑最小分支系数，在校验III段灵敏性 时，要考虑最大分支系

31、数？3不同特性的阻抗继电器如全阻抗、方向阻抗和偏移特性阻抗继电器整 定阻抗一样时，在承受过渡电阻的能力上哪一种最强？在遭受振荡影响的程度上 哪一种最严重？第五章1试列举减小变压路差动保护中不平衡电流的措施。何谓相位补偿和变比补 偿？它们的作用是什么？2变压器励磁涌流是在什么情况下产生的？它有何特点？在变压器差动保护中 是怎么利用涌流的这些特点来消除涌流对差动保护的影响？3什么是比率制动式差动保护？与无制动的差动保护相比，它有什么优点？第六章1电流起动方式的方向高频保护中，起动元件的作用是什么？为什么要采用两 个灵敏性不同的起动元件？它们的定值向如何选择？2高频闭锁方向保护中采用按900接线方式

32、的功率方向继电器作为方向元件 时带来什么问题？如采用负序功率方向继电器会有何优点？此时的缺点是什 么？如何解决？3采用I1+KI2为相差高频保护的操作电流的原因是什么？第七章(1) 什么叫自动重合闸？自动重合闸在电力系统中有何作用？对自动重合闸有那 些根本要求？(2) 何谓“瞬时性故障和“永久性故障？它们的主要特征是什么？自动重合闸 在永久性和瞬时性时的动作行为有何不同？(3) 侧电源重合闸与单侧电源重合闸相比，要考虑那些特殊问题？(4) 简述具有同步检定和无压检定的重合闸与其运行方式第八章1如何提高变压器相间后备保护的动作灵敏度？2发电机可能发生的故障和异常运行状态有哪些？应该装设哪些相应的保 护？3单继电器式横差动保护的原理、接线、工作情况和评价。4根据机端测量阻抗的变化，如何区分失磁与非失磁(包括正常与短路和系统 振荡等)？失磁保护的定子判据和辅助判据的类型和作用是什么？第九章(1) 为什么微机保护在采样前应对模拟输入量进展滤波？(2) 假设每工颇周期采样12点，欲滤除3次谐波，差分滤波器差分步长应取多少？