1-38）此时电源中性点就有电位 式中的参数L￠ 和C￠都是11-35，图中A相电流

即为

，或系统就会有零序电压存在。 的函数，而并不是常数。为了搞清楚

的值，需借助图

。在图11-35（a）中，假定O￠ 点位移在线电压三角形之内。由于 90°，而B 相和C相电流

和

应各相应地落后于

和

＝

应超前

90°，所以三个电流的相量方向必然如图所示，这时显然不可能满足

0的要求。由此可见，O￠点不可能留在线电压三角形之内。从图11-35（b）可以看出，只有把O￠点位移到线电压三角形之外，才有可能满足

＝0的要求。也就是说当B、

C相对地阻抗变成等值电感L￠后，O￠点必然要位移到线电压三角形之外，即电源中性点的电位

（图中

）必然要超过相电压值，而

和

都要超过线电压值。U0越大。则

B相和C相的过电压就越大。

图11-35 中性点位移的确定

（a） O￠ 点位移在线电压三角形之内；（b）O￠ 点位移到线电压三角形之外 可见，电磁式电压互感器饱和产生的工频谐振过电压时，中性点位移>电源相电压，表现可能是两相对地电压升高，一相对地电压降低。与出现单相接地故障时的现象类似，称为虚幻接地现象。 （二）谐波谐振

如果发生谐波谐振，将会出现三相（谐波时）对地电压升高，或相电压以每秒一次左右的低频摆动（分谐波时），或引起绝缘破坏或避雷器爆炸（高次谐波时）或在电压互感器中引起过电流使熔丝熔断或电压互感器烧坏。

本章小结

内部过电压是电力系统内部能量的转化或传递引起的，其能量来源于电网本身。内部过电压的大小通常用过电压倍数k来表示，过电压倍数k为内过电压幅值与电网该处最高运行相电压的幅值之比。

操作空载变压器和空载长线时会出现操作过电压。

空载变压器的分闸过电压是由于开关截流引起的，其大小与变压器励磁电流的大小以及变压器绕组电容

的大小有关，当变压器绕组的电容

增大时，过电压将减小；由于变

压器的励磁电流较小，励磁绕组所贮存的磁能不大，所以切空变过电压的能量可以用限制雷电过电压的避雷器来吸收。

电弧的重燃是产生切空线过电压的根本原因，中性点接地方式、母线上出线回路的数目、断路器触头间电弧重燃和熄弧的随机性等因素均影响到切空线过电压的大小，合空载长线时，长线电容上出现的过电压可达电源电压的2倍，重合空载长线时，过电压可达电源电压的3倍。

由于断路器熄弧性能的提高，目前切空线重燃现象已基本消除，所以在线路设计中，可不考虑切空线过电压。额定电压为220kV及以下线路，重合空线过电压的倍数不高，且由于其自身绝缘，能承受重合空线过电压的作用，所以不需采用任何限制重合空线过电压的措施。 额定电压为330kV及以上线路，因其线路一般比较长，由于电容效应的迭加，重合空线时的过电压可达2.5倍以上，因此必须采取措施对重合空线过电压加以限制。常用的方法是在断路器断口上加装并联电阻。

在中性点不接地的电网中，当单相接地电弧出现熄弧与重燃交替进行的现象时，由于系统中电感、电容间多次电磁振荡会产生电弧接地过电压。电弧的熄灭与重燃时间是决定最大过电压的重要因素。这种过电压的幅值并不太高，但其持续时间较长，而且遍及全网，对网内装设的绝缘较差的老设备、线路上存在的绝缘弱点，尤其是由发电机电压直配的电网中绝缘强度很低的旋转电机等，存在较大的威胁，在一定程度上会影响电网的安全运行。 谐振有三种不同类型，即：线性谐振、铁磁谐振和参数谐振。

线性谐振是在线性电感和电容组成的回路中，当或外加电源的频率和电路的固有自振频率相等（对线性谐振过电压的发展起到阻尼作用。

时，即回路的总阻抗为零

）时产生的电压谐振现象。电阻R

铁磁谐振是线性电容和铁芯电感组成的回路在 的条件下，受到某种“激

发”因素时产生的电压谐振现象。其过电压幅值受铁芯饱和程度的限制，一般不会很高。断线和电压互感器饱和均可引发铁磁谐振过电压。

在电压和电容组成的振荡回路中，由于电感周期性地改变会产生参数谐振现象，回路中的电阻R能起到抑制参数谐振的作用。

第十三章 电力系统继电保护

要求、重点及难点

要求：

了解继电保护的任务及作用、继电保护的基本原理和组成，熟悉对电力系统继电保护的基本要求；了解电磁型电流继电器的基本原理；掌握相间短路的三段式电流保护的整定计算方法和电流保护的接线方式；掌握相间短路的方向性电流保护的工作原理；了解中性点直接接地电网接地短路的特点及其零序电流保护的构成；了解中性点不接地电网单相接地故障的特点及其接地保护；了解变压器常见故障及相应的保护方式；掌握纵差动保护的基本原理及变压器纵差动保护的特点。

重点：

继电保护的基本原理及对电力系统继电保护的基本要求；相间短路的三段式电流保护的整定计算方法（包括动作电流及动作时限的整定，灵敏度的校验等）；电流保护的接线方式；相间短路的方向性电流保护的工作原理；中性点直接接地电网接地短路的特点及中性点不接地电网单相接地故障的特点；纵差动保护的基本原理；变压器纵差动保护的特点。

难点：

相间短路的三段式电流保护的整定计算方法；功率方向继电器的工作原理；中性点不接地电网单相接地故障的特点分析；纵差动保护的基本原理。

一次系统与二次系统

到此为止，前面各章介绍过的直接用于生产、输送和分配电能的一次设备(包括变压器、高压开关电器、高压互感器、高压避雷器、各种高压电抗器和电容器等)组成的系统称为一次系统。一次系统是直接参与电能的传输与分配，在高电压、大电流的条件下工作。

为了稳定、连续、可靠地提供和使用电能，还需要对电力系统的一次设备进行控制和调节。对一次设备进行监视、控制、测量和保护的设备称为二次设备，二次电气设备一般包括控制和信号设备、测量表计、继电保护装置及各种自动装置等，它们构成了发电厂和变电所的二次系统。

本课程中涉及到的二次系统包括：继电保护、自动装置和通信。

第一节 继电保护的基本原理

一、继电保护的任务及作用

电力系统在运行中可能发生各种故障和不正常运行状态，

常见故障类型有：单相接地短路、两相接地短路、两相短路、三相短路和各种断线故障等，其中各种短路故障，是电力系统最常见，同时也是最危险的故障。

最常见的不正常工作状态是过负荷。长时间过负荷会使载流部分和绝缘材料的温度升高，加速绝缘的老化和设备的损坏。此外，系统中因出现有功功率缺额而引起的频率降低，水轮发电机突然甩负荷所引起的过电压等，也都属于不正常工作状态。

故障和不正常工作状态，都可能在电力系统中引起事故。所谓事故，是指系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，导致对用户少送电或使电能质量变坏，甚至造成人身伤亡和电气设备损坏。事故发生的原因，除少量是自然条件的因素以外(如遭雷击)，大部分都是由于设备缺陷，设计和安装的错误，检修质量不高或运行维护不当而引起的。因此，只要正确地进行设计、制造与安装，加强对设备的维护和检修，就有可能把事故消灭在发生之前，防患于未然。 当系统发生故障时，必须迅速而有选择性地将故障设备从系统中切除，以保证无故障部分正常运行，尽可能地缩小故障影响范围。为保证设备的安全及系统的稳定，切除故障的时间常常要控制在几十毫秒内。要完成这个任务，只有借助于安装在每一设备上的特殊的自动装置——继电保护装置。

继电保护装置，就是能迅速反应电力系统中电气设备发生故障或不正常运行状态，并动作于跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：

（1）对故障特征量进行提取、分析，自动、迅速、有选择性地将故障设备从电力系统中切除，保证无故障部分迅速恢复正常运行。

（2）反应电气元件的不正常工作状态，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员等）分别动作于发信号、减负荷或跳闸。反应不正常工作状态的保护装置通常允许带一定的延时动作。

二、继电保护的基本原理和组成

（一）继电保护所用的特征量

为完成继电保护的任务，首先要求它能正确地区分系统在正常运行、发生故障或不正常工作状态之间的差别。

图13-1 单侧电源辐射网

（a）正常进行时； （b）三相短路时 正常运行与短路故障的区别： （1）母线电压U：下降； （2）线路电流I：增大； （3）测量阻抗Z：减小。 （二）原理

利用正常运行与故障时这些特征量的变化，便可以构成各种不同原理的继电保护：反应故障时电流上升而动作的保护称为过电流保护；反应故障时电压下降而动作的保护称为低电压保

护；反应故障时测量阻抗降低而动作的保护称为距离保护(阻抗保护)等。此外，还可利用内部故障和外部故障时，被保护元件两侧电流相位和功率方向的差别，构成各种差动原理的保护，如纵联差动保护、相差高频保护、方向高频保护等。 （三）组成

测量部分、逻辑部分、执行部分。见图13-2，测量部分测量被保护设备输入的电气量，并与整定值进行比较，根据比较结果给出“是”、“非”，“大于”、“不大于”，等于“0”或“1”等逻辑信号，来决定保护是否应启动。逻辑部分根据测量部分各输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或其组合，来确定保护装置是否应动作于跳闸或发信号，并将有关命令传给执行部分。执行部分则根据逻辑部分传送的信号，执行保护装置的任务(跳闸或发信号)。

三、对电力系统继电保护的基本要求

在一般情况下，动作于跳闸的继电保护装置，应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。 （一）选择性

图13-3选择性示意图 例如图13-3中，当

点发生短路时，应由保护1和2分别跳开断路

器1QF和2QF，将故障线路切除，此时变电所B仍可由另一条无故障的线路继续供电。当点发生短路时，应由距故障点最近的保护5动作，使5QF跳闸，保证变电所A和B正常供电。所以选择性是指当系统发生故障时，保护装置仅将故障设备从系统中切除，使停电范围尽量缩小，保证系统中非故障部分仍能继续运行。选择性是继电保护需要满足的最基本（关键）条件。 但是，保护设备是有可能不正常工作的，如因机械故障等拒动。此时，当

点发生故障时，

按选择性的要求，应由保护6动作，跳开6QF，切除故障线路。如果此时保护6或断路器6QF拒绝动作，则应由保护5动作，使5QF跳闸，切除故障线路。保护的这种动作虽然切除了部分