电力系统继电保护课后习题答案Word下载.doc
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(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?
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?
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:
,、,,,,,,,线路阻抗,=1.2、==1.15,,,,=1.5、=0.85。
试求:
(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)
(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。
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,=0.4×
20=8
(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
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
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
相应的速断定值为=×
=1.2×
1.312=1.57kA
最小保护范围计算公式为===-85.9km
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
相应的速断定值为=×
1.558=1.87kA
最小保护范围为==-70.6km
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
2.17=2.603kA
最小保护范围为==-42.3km
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
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
所以保护2处的灵敏系数==0.4484即不满足1.2的要求。
同理,保护3的限时电流速断定值为==1.15×
1.87=2.151kA
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
所以保护3处的灵敏系数==0.4531即不满足1.2的要求。
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==
所以有==304.5A
同理得=406A=609A
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=
所以有=727.8A=809.8A=974.51A
所以由灵敏度公式=可知,保护1作为近后备的灵敏度为
==2.391.5满足近后备保护灵敏度的要求;
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;
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。
保护的动作时间为=0.5+0.5=1s=+0.5=1.5s=+0.5=2s
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:
(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的灵敏系数降低到多少?
图2-4系统示意图
过电流保护4的最大负荷电流为=400+500+550=1450A
保护4的过电流定值为=2.55A
时限为=max(,,)+=1.5s
(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
,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,当下降时灵敏系数下降,==2.635。
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?
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?
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?
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,
和,时,各输出电压随时间变化的波形;
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。
以内角=30°
为例,画出各点输出电压波形如图2-5所示。
动作最灵敏条件临界动作条件
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。
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。
(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°
;
当短路点远离保护安装处,且系统容量很大>时,-30°
60°
综合三相和各种两相短路的分析得出,当0°
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°
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?
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°
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。
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
按此电流来整定,动作定值==3.064kA
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
保护5处的电流为=1.953kA
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,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为
与保护3配合时,5处限时电流速断保护的定值为=1.224kA
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Ⅰ段的整定值为
=×
==1.048kA
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处限时电流速断保护的定值为=1.205kA
取三种情况的最大者,即=1.224kA
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。
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
这时其短路电流速断保护的整定值变为===2.26kA
所以5处限时电流保护的定值为=2.599kA
灵敏度为=0.85故不满足要求。
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。
(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。
(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,==8,
=5,=15,=15,=20,=60km,=40km,线路阻抗==0.4/km,=1.2/km,=1.2,=1.15。
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Ⅱ段的最大、最小分支系数;
(4)分别求出保护1、4零序Ⅰ、Ⅱ段的定值,并校验灵敏度;
(5)保护1、4零序Ⅰ、Ⅱ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Ⅰ段定值。
先求出线路的参数,即=60km,=24,=72,=40km,
=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。
(a)正序等值图
(b)负序等值图
(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
故障端口负序阻抗为=12.67
故障端口零序阻抗为=79.5||10||55.5=7.657
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
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
画出零序电流分布图如图2-9所示.
图2-8单相接地短路复合序网等值图图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=1
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