全国电力系统继电保护专业试题

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-- 综合分析题

1. 线路保护

1) 单电源线路及参数如图1-1所示。在线路上K 点发生BC 两相短路接地故障，变压器T

绕组为Y 0/△-11接线，中性点直接接地运行，N 侧距离继电器的整定阻抗为j24Ω,回答下列各问题：

（1） 求K 点的故障电压和故障电流，并画出故障电流、电压的向量图；

（2） 求出流经N 侧保护的各相电流和零序电流；

（3） 问N 侧的BC 相间距离继电器能否正确动作；

（4） 问N 侧的B 相和C 相的接地距离继电器能否正确动作；

Z s Z m Z

N Z T

j10 j20 j10 j30 正序阻抗

j20 j60 j30 j30 零序阻抗

图1-1 题1系统接线及参数图

答案:

（1） 根据题目随给定的条件在绘制复合序网络图时应注意：由于是单侧电源系统，因此

可以近似认为故障的正负序网络图中K 点右侧开路。进而故障点正序综合阻抗和负序综合阻抗只计及K 点左侧的阻抗。而由于变压器T 绕组接线为Y 0/△-11接线，且中性点直接接地运行，则在零序序网络中K 点两侧均存在零序通路。因此故障点零序综合阻抗为K 点两侧零序阻抗的并联值。根据相间接地故障边界条件，作复合序网图如图1-2所示：

图1-2 复合序网图 正序综合阻抗 负序综合阻抗 零序综合阻抗 E Uka1＝Uka2＝Uka0

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-- 正序综合阻抗Z1=j30Ω

负序综合阻抗Z2=j30Ω

零序综合阻抗Z0=j60//j80＝j34.3Ω

.U ka1=.U ka2=.U ka0=（Z2 Z0/（Z2+Z0）

）.I ka1 =（30

34.3/(30+34.3)）(1j/(30+30//34.3)) =j0.35 .I ka1=.U ka1/(Z2//ZO)=j0.35/（33.4×30/(33.4+30）)＝0.022 .I ka2=－.U ka2/Z2=-j0.35/j30＝－0.012

.I ka0=－.

U ka0/ZO=-j0.35/j34.3=-0.01

故障点: .U Ka ＝.U Ka1＋.U ka2＋.U ka0＝3×.U ka1＝j1.05 .

U kb=0

.U kc=0 .I ka=.I Ka1＋.I ka2＋.I ka0＝0

.I kb=а2.I ka1＋а.I ka2＋.I ka0＝0.033/－1170

.I kc=а.I ka1＋а2.I ka2＋.

I ka0＝0.033/1170

故障点电流电压相量图如图1-3所示。

（a ）电流相量图 （b ）电压相量图

图1－3 故障点电流电压相量图 .I

kc .

I ka2 .

I kb .U ka1、2、0 .I ka1 .I

k0 .I kc2 .I

kb2 .I kb1

.I

kc1 .U kc2 .U kb1 .U kb2 .U kc1 .U ka .

I ka =0

.U kb =.

U kc =0

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-- （2） 流经N 侧保护的各相电流和零序电流:

因正序和负序网在N 侧均断开,故只有零序电流流过,则:

.I AN=.I BN=.I CN=.

I 0N

=－0.0180/(80+60)=-0.0057

（3） N 侧BC 相阻抗继电器动作行为:

N 侧M 母线电压 .U AN=.U ka+Z0N .I 0N=j1.05+(-0.0057×j30)＝j0.879

（ZON 为故障点到N 母线的零序阻抗）

.U BN=.U CN=.U kc ＋j Z0N .I 0N=0＋（-0.0057×j30）=-j0.171

ZBC=.U BC/.I BC=(.U BN-.U CN)/(.I BN-.I CN)=0/0

可见阻抗继电器处于临界动作状态，动作行为不确定。

（4） N 侧B 相和C 相接地距离继电器动作行为：

B 相，ZB=.U BN/（.I BN+K 3.I 0N ）=.U BN/(.I ON+(2/3)*3.I 0N)= .U BN/3.

I ON =-j0.171/-(3j0.0057)

=j10

ZC=ZB=j10

（式中K 值可以通过系统零序、正序阻抗值计算得出K=(ZO-Z1)/3Z1＝2/3）

B 相和

C 相接地距离继电器测量阻抗均小于整定值j24，所以均能正确动作。

2) 一条两侧均有电源的220KV 线路如图2-1所示，K 点发生A 相单相接地短路。两侧电源

及线路阻抗的标么值均已标注在图中，设正负序电抗相等，基准电压为230KV ，基准容量为100MVA 。

（1） 计算出短路点的全电流（有名值）。

（2） 计算流经M 、N 侧零序电流（有名值）。

（3） 已知M 侧电压互感器二次线圈，在开关场经氧化锌阀片接地，其击穿电压下降为

40V 。根据录波图（图2-2）分析.U a 出现电压的原因。

（4） 根据WXB-11微机保护打印报告（见表2-1）分析高频保护动作行为。 图2-1 题2系统接线及参数图

K

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图2-2 故障录波图

表2-1 WXB-11微机保护报告

答案：

（1）根据单相接地故障的边界条件画出复合序网络图，正序、负序、零序综合阻抗串联。

（图略）

M侧正序、负序阻抗为 X′1M=X′2M=X1M+X1MK=0.04

N侧正序、负序阻抗为 X′1N=X′2N=X1N+X1NK=0.06

M侧零序阻抗为 X′0M=X0M+X0MK=0.08

N侧零序阻抗为 X′0N=X0N+X0NK=0.12

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故障点正序、负序综合阻抗X1Σ= X2Σ=X ′1M//X ′1N=0.024 故障点零序综合阻抗 X0Σ= X ′0M//X ′0N=0.048

基准电流IB=SB/（1.732×UB ）=100/(1.732*230)=0.251KA 故障电流IA =3×I 0×IB=3×IB ×E/（2 X1Σ+X0Σ）=7.84KA 其中等效电势E=1j （2） 各侧零序电流

故障点总的零序电流 I0= 1/3×IA=2.61KA

M 侧： I0M=I0×X ′0N/ (X ′0M+X ′0N)=1.57KA N 侧： I0N=I0×X ′0M/ (X ′0M+X ′0N)=1.00KA

（3） 根据有关文献提供的数据，每KA 接地电流可产生10V （有效值）的横向电压降，

也就是说M 侧氧化锌阀片可能承受的电压为30Ikmax （峰值） 等于 3*30*1.57=141V

而其实际击穿电压为40V ，因此M 侧氧化锌阀片将被击穿

因此氧化锌阀片被击穿，从而在PT 二次回路出现二点接地。故障电流在PT 的中性线上

流过，产生压降并叠加到A 相电压上，于是出现录波图所示.

U a 值。 （4） 根据故障报告提供的数据

计算3.

U 0=.

U A+.

U B+.

U C,并把3.I 0、3.

U 0显示在一起如表2-2：

表2-2 3.

I 0、3.

U 0对照表

从上表中我们可以得知：3.U 0超前3.

I 0 4个采样点过零，考虑到WXB-11微机保护每个采

样点对应于向量角度30度，所以可知3.

U 0超前3.

I 0 120度，向量落在保护装置的不动作区，属区外故障，因此WXB-11微机保护拒动。

3)

220kV 甲乙一线遭雷击，C 相接地短路。甲乙二线甲站侧高频闭锁式保护正向区外故障

误动作。甲站侧录到高频信号(收信输出空触点)，从图中看到收发信机在故障后启信，

以后连续出现四次约5ms 收信间断，且都在3.

I 0电流正、负最大值附近出现，频率为100Hz 。保护装置软件设计的抗干扰停信后延时时间为lms 。设高频电缆屏蔽层两接地点间电阻R ON ＝0.1欧姆， 在故障时，流经两接地点间的电流I ＝20A ，结合滤波器的伏安特性接线见图3-1，试验结果见表3-1。 （1） 分析收信出现100HZ 缺口的原因 表3-1 滤波器伏安特性试验结果

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图3-1 滤波器伏安特性试验接线

答案：

（1） 高频电缆屏蔽层在开关场和控制室两点接地，可以显著地降低干扰电压对收发讯机的影响，保证收发讯机的正常运行。但屏蔽层两点接地后，当有接地故障的故障电流流过变电站地网时，必然会在两接地点间产生工频电位差。由于高频电缆的屏蔽层也是高频信号的传输通道，则该电位差也将被引入包括结合滤波器在内的高频通道。由于结合滤波器的高频变量器是针对高频信号设计的，其在工频信号作用下极易饱和，从而对高频信号的传输产生影响，甚至造成高频信号波形出现间断。本次事故中高频电缆屏蔽层两接地点间电阻R ON ＝0.1欧姆。 故障时，流经两接地点间的电流I ＝20A ，因此加在结合滤波器高频变量器上的工频电压约为2V 。在结合滤波器伏安特性试验数据中（见表3-1）我们可以发现，在U1=2V 时变量器己经趋于饱和，足以引起高频信号波形的间断。考虑到3.

I 0在正负半周都会出现峰值，因此高频信号波形也将会在50HZ 工频量的作用下产生100HZ 的间断。根据以上分析，基本可以断定收讯信号产生100HZ 缺口的原因就是工频量窜入高频通道引起的。为防止类似事件再次发生，必须执行相关反事故措施，即在变流器与高频电缆芯线间串入1个小容量电容（常用0.05μF ，耐压水平为交流2000V 、50HZ 、1min ）。

（2） 由于甲乙一线故障时，甲乙二线甲站侧保护判为正向故障因此在正方向元件动作后将停止发讯。此时甲乙二线两侧保护应由乙侧保护发闭锁信号闭锁动作。然而根据上面分析的原因，由于结合滤波器变量器的饱和，甲侧保护收到的高频闭锁信号存在5ms 的间断。同时由于保护装置软件设计的抗干扰停信后延时时间为lms ，不能消除5ms 间断带来的影响。因此甲侧保护正向元件动作，收到过闭锁信号，后闭锁信号又消失（5ms 间断），以上条件满足高频闭锁保护的动作条件，因此保护动作出口，造成误动。

4) 在单侧电源线路上发生A 相接地短路，假设系统图如图4-1所示。T 变压器Y 0/Y-12接

线，Y 0侧中性点接地。T ′变压器Y 0/△-11接线，Y 0侧中性点接地。T ′变压器空载。 问题：

（1） 请画出复合序网图。

（2） 求出短路点的零序电流。

（3） 求出M 母线处的零序电压。

（4） 分别求出流过M 、N 侧线路上的各相电流值。

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图4-1 题4的系统接线图

设电源电势.

E =1j ，各元件电抗为X S1=j10，X T1=j10，

X MK1=j20，X NK1=j10，X T ′1= X T ′0=j10，输电线路X 0=3X 1

答案：

（1） 复合序网图如下：

根据题目给定的条件在绘制复合序网络图时应注意：

由于是单侧电源系统且变压器T ’空载运行，因此可以认为故障的正、负序网络图中K 点右侧开路。进而故障点正序综合阻抗和负序综合阻抗只计及K 点左侧的阻抗。而由于变压器T 绕组接线为Y 0/Y-12接线，尽管中性点直接接地运行，但无法构成零序通路。变压器T ’绕组接线为Y 0/△-11，且中性点接地运行，可以构成零序通路。因此零序综合阻抗只计及K 点右侧的部分。

以A 相为特殊相，依据单相接地故障边界条件，绘出复合序网图如图4-2所示：

图4-2 复合序网图 M M N N N

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-- （2） 正序综合阻抗X1∑=j10+j10+j20=j40

负序综合阻抗X2∑=j10+j10+j20=j40

零序综合阻抗X0∑=j30+j10 =j40

短路点零序电流为：

00833.0120

14040401021021....==++=++===∑∑∑j j j j j j X X X E k I k I k I （3） 由于流过MK 线路的零序电流为零，所以在X MK0上的零序电压降为零。所以M 母线

处的零序电压.

U M0与短路点的零序电压相等，其值为.U M0=.U K0=-.

I K0*X0∑= －0.00833* j40=-j0.333

（4） 流过M 侧线路电流只有正序,负序电流

所以 .I MA =.I K1+.

I K2=2*(0.00833)=0.0166 .I

MB =а2.I k1＋а.I K2=－0.00833

.I MC =а.I

k1＋а2.I K2－0.00833 流过N 侧线路中的电流只有零序电流，没有正负序电流

所以.I NA =.I NB =.I NC =.I K0=0.00833

5) 双侧电源线路接线和参数如图5-1所示，在M 侧母线背后发生A 相经过渡电阻Rg=77.4

欧姆的单相短路接地故障，N 侧接地距离继电器第一段整定阻抗为j24欧姆。两侧电势.E M =1e j60，.

E N =1。

（1）

试作故障前后的电压相量图； （2）

N 侧接地距离保护第一段方向阻抗继电器能否动作？ （3）

N 侧按保护第一段整定的零序电抗继电器能否动作？ （4）

N 侧零序功率方向继电器能否动作？ （5）

M 、N 线路距离纵联保护能否动作？ （6） M 、N 线路零序方向纵联保护能否动作？

图5-1 题5系统接线及参数图

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