高等学校教材 电力系统继电保护原理 第三版 天津大学贺家李宋从矩合编 中国电力出版社
第三版前言 本书第三版是根据教学改革中要求进一步拓宽专业面，减少专业课教学时数和内容的 精神，在第二版的基础上改写的。考虑到继电保护技术的进步，在改写中改变了第二版中 以整流型维电器为基础的写法，而改为以集成电路型继电器为基础。因而在阐述方法和体 系方面有一些变化。本版的编写提纲曾在1990年和1991年两次全国继电保护教学指导组会 上讨论，并得到各校继电保护任课教师的帮助。全书由陈德树教授审阅。在此一并表示衷 心的感谢。本版第一、四、八章和第三章第六节由贺家李改写，其余章节和附录由宋从矩 改写。希望改写后的第三版能符合本课程教学的要求。请阅读此书的师生和广大读者继续 给以批评指正。 作者 1991年12月
第二版前言 本书是在1980年出版的《电力系统继电保护原理》~书的基础上，根据1982年召开的 热能和电力类专业教材编审委员会第一次会议上通过的“电力系统继电保护教学大纲”和 1983年召开的继电保护和自动化教材编审小组扩大会议上讨论通过的“继电保护教材编写 提纲”修订而成的。由干教学时数和出版字数的限制，对于原书中一些没有时间在课堂上 讲授的内容，作了较大的删减，适当加强了一些基本内容的阐述，并按照科学技术的发展 对内容作了一些更新，阐述体系作了一些改变。本书第一、二、三、四、六章由贺家李改 写，第五、七、八、九章由宋从矩改写，由于作者水平所限和各校教学的具体情况不同， 本书恐难完全满足各校继电保护教学的要求，望广大师生和专家们提出意见帮助我们在重 印时修改。本书承陈德树教授审阅全文，史世文副教授和王静茹老师对一些章节提出了不 少宗贵意见，各兄弟院校的老师！对本书的修改也提出了很多好的建议，在此表示衷心的 感谢。 编者 1984年4月
第一版前言 本书是根据19？8年原水利电力部制订的水利电力类高等学校、中等专业学校教材编审 出版规划〔草案)，作为高等学校“发电厂及电力系统专业”电力系统继电保护课程的数 材而编写的。 本书注意加强电力系统故障的理论分析，着重阐述继电保护的基本原理，反映了继电 保护的一些新技术成就。书中附有“*”的内容为本课程的非基本部分，可供学校教学时 选用。 全书共分十章，第一章的一至六节、第二章的一至二节以及第十章由贺家李同志编 写，第七、第八章由梁统珍同志编写，其余诸章节均由宋从矩同志编写。宋从矩同志任本 书的主编，贺家李同志对全书进行了审订， 本书由山东工学院发电教研室东审。山东工学院、山东省电力工业局、上海交通大学、 东北电力学院、西安交通大学、合肥工业大学、成都科技大学、华中工学院、华北电力学 院、华南工学院、武汉水利电力学院、重庆大学、南京工学院、浙江大学、清华大学、湖 南大学、云南工学院等单位的有关同志参加了本书编写大纲的讨论会或审稿会。此外，电 力工业部南京自动化研究所、一机部许昌继电器研究所、北京电管局中心调度所、河北省 电力设计院、黑龙江省电力设计院以及天津军粮城发电厂等单位，对本书的修改还提出了 书面意见。对以上兄弟院校以及各单位的大力支持，在此一并致谢。 诚恳地希望广大读者对本书的缺点和错误提出批评和指正。 编者 1979年12月
本书使用符号说明 一、设备、元件、名词符号 变压器 维电器 保护装置 小型中间变流器 晶体三极管 电流互悠器 半导体整流桥 电动机 c 电容器 MK 发电机灭磁开关 放点 断路器跳闸线图 二极管 毯压管 DK B 电抗互感器（又称电抗变压 YB 小型中间变压器 器) 电压互感器 DL 断路器 ZCH 自动重合闸装置 F 发电机 ZLH 中间电流互感器 二、电压类符号 EA、Ea、E 系统等效电源或发电机的三 1、Ui、Uc1 保护安装处各相的正 相电势 U,Us、Ucz 系统中任一母线或保护安装 鱼、军序电压 UAo.Uao.Uco 处的三相电压 U。 额定电压 Ua、U、Uc 故廉点的三相电压 不平衡电 U、U、U 放降点的正、负、序电压 三、 电流类符号 三相电流 量大路电流 短路电流 凝小短路电流 h、、lo 正、负、序电波 颈荷电流 14A、1n、1dG 故障点的三相短路电流 最大负荷电流 I41、Iai,Ic1 I。 每定电流 142、Iw2、Ic 三相中的正，负、爹序电藏 变压器的额定电流 10、1s0、e 故点的正、负、学序电流 发电机的额定电流 不平衡电流 四、阻抗类符号 电阻 Z 变压器阳抗 发电机图抗 =R+jX 阻扰 最小负荷阻抗 线路阻抗 系统阻抗
导线-地阻抗 Z. 总阻抗 互感阻抗 正、负，序综合阻抗 五、保护装置及继电器的有关参数 保护装置的起动电流 U.1 维电器的返可电压 保护装置的减间电流 Z 继电器的起动阻抗 保护装置的起动电正 维电器的版句四护 保护装置的返回电 继电器的整定阻抗 保护装置的起动护 加入继电器中的电洗 保护装置的返回阻抗 加入维电器中的电压 罐电器的起动电流 I.t 继电器的返回电流 继电器的测量阳抗 继电器的起动电压 六、常用的系数 可靠系数 : 非周期分量影响系数 灵敏系数 K 同型系数 返回系数 K 配合系数 接线系数 电动机自起动系数 分支系数 比例常数
目 录 第三版前言 第吸前言 第一版前言 本书使用符号说明 第-一t绪论4…4*…………44………………………4*4…** 1 第章电网的电流保护和方向性电流保护 9 第一节单侧电源网络相闻短路的电流保护 9 第二节电网相侧短路的方向性电流保护 32 第三节中性点直接接地电网中接地短路的等序电流及方向保护*…… 46 第四节中性点非直接接地电网中单相接地放的序电压、电流及方向保护 6 第三章电网的距离保护… 65 第一节距离保护的作用原理… 第二节阻抗继电器… 第三节阻抗继电器的接线方式…… 89 第四节集成电路型方向阻抗继电器的接线和符性分析 92 第五节距离保护的轻定计算原则及对距离保护的评价***+。 98 第六节影响距离保护正确工作的因素及防止方法… 102 第七节距离保护装置振图举例…125 第四章输电线纵联保护…12别 第一节输电线纵联差动保护4 ·129 第二节 输电线的高频保护 …136 *第三节微波保护简介……151 第四节喻电线纵联保护的发展趋势…152 第五章自动重合闸… 153 第六章电力变压器的继电保护… …170 第一节电力变压器的故障类型、不正常运行状态及其相应的保护方式… 170 第二节变器的纵差动保护… …171 第三节变压器的电流和电玉保护 第四节变压器的瓦断保…186 第七章发电机的继电保护188 第一节发电机的故障类型。不正常运行状态及其相应的保护方式… 188 第二节发电机的纵差动保沪和横差动保护……18羽
第三节发电机的单相接地保护… 194 第四节发电机的负序过电流保护 …20 第五节发电机的失蓝保护 *…205 第六节发电机-变压器组继电保护的特点和原理接线图举例”213 第八章母线的继电保护… …217 附录一继电器的分类、型号和表示方法…230 附录二 继电保护的灵敏系数 …231 附录三集成电路继电保护中应用运算放大器的基本电路……233 附录四按“四统一”设计的整流型相间距离保护装置简介…255 泰考文敏 *266
第一章绪 论 一、电力系统继电保护的作用 电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态，最常见同时也是最危险的 故障是发生各种型式的短路。在发生短路时可能产生以下的后果： (1)通过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元件损坏： (2)短路电流通过非故障元件，由于发热和电动力的作用，引起它们的损坏或缩短 它们]的使用寿命： (3)电力系统中部分地区的电压大大降低，破坏用户工作的稳定性或影响工厂产品 质量： (4)破坏电力系统并列运行的稳定性，引起系统振荡，甚至使整个系统瓦解。 电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障，这种情况属于不正常运 行状态。例如，因负荷超过电气设备的额定值而引起的电流升高（一般又称过负荷），就 是一种最常见的不正常运行状态。由于过负荷，使元件载流部分和绝缘材料的温度不断升 高，加速绝缘的老化和损坏，就可能发展成故障。此外，系统中出现功率缺额而引起的频 率降低，发电机突然甩负荷而产生的过电压，以及电力系统发生振荡等，都属于不正常运 行状态 故障和不正常运行状态，都可能在电力系统中引起事故。事故，就是指系统或其中一 部分的正常工作遗到破坏，并造成对用户少送电或电能质量变坏到不能容许的地步，甚至 造成人身伤亡和电气设备的损环。 系统事故的发生，除了由于自然条件的因素（如遭受雷击等）以外，一般都是由于设 备制造上的缺陷、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 要充分发挥人的主现能动性，正确地掌提客观规律，加强对设备的维护和检修，就可以大 大减少事故发生的机率，把事故消灭在发生之前。 在电力系统中，除应采取各项积极措施消除或诚少发生故障的可能性以外。故障一且 发生，必须迅速而有选择性地切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之 “。切除故障的时间常常要求小到十分之儿甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电 气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。这种保护装置直到目前为止，大多是由单个 继电器或继电器与其附属设备的组合构成的，故称为继电保护装置。在电子式静态保护装 置和数字式保护装置出现以后，虽然继电器已被电子元件或计算机所代替，但仍沿用此名 称。在电业部门常用继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保 护系统。继电保护装置一词则指各种具体的装置。 继电保护装置，就是指能反应电力系统中电气元件发生故障或不止常运行状态，并动 作于新路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：
(1）自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故液元件免于继续 遭到破坏，保证其它无故障部分迅速恢复正常运行： (2)反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件（例如有无经常值班 人员)·而动作于发出信号、减负简或跳闸。此时一般不要求保护迅速动作，而是根据对 电力系统及其元件的危害程度规定-一定的延时，以免不必要的动作和由于干扰而引起的误 Cie-1. 动作。 x- ⊙ii, 二、继电保护的基本原理和保护 装置的组成 (a 为完成继电保护所担负的任务， i 显然应该要求它能够正确地区分系统 止常运行与发生故障或不正常运行状 a=0 态之间的差别，以实现保护。 如图1-1(a)所示的网络接 图1-】单侧电源网络接线 (©)正常运行情况：《b)d点三相短路情况 线，在电力系统正常运行时，每条线 路上都流过由它供电的负荷电流· 越靠近电源端的线路上的负荷电流越大。同时，各变电所母线上的电压，一般都在额定电 压±5%~10%的范制内变化，且靠近于电源端母线上.的电乐较高。线路始端电压与电流 之间的相位角决定于由它供电的负荷的功率因数角和线路的参数。由电压与电流之比值所 代表的“测量阻抗”，则是在线路始端所感受到的、由负荷所反应出来的一个等效阻抗 其值-·般很大。 当系统发生故障时，其状况如图11(b)所示。假定在线路B-C上发生了三相短路，则 短路点的电压U降低到零，从电源到短路点之间均将流过很大的短路电流i:,各变电所母 线上的电压也将在不同程度上.有很大的降低，距短路点越近时降低得越多。设以2。表示短 路点到变电所B母线之间的阻抗，则母线上的残余电乐应为0(=i:Z:。此时，U()与 :之间的相位角就是Z:的阻抗角，在线路始端的测量阻抗就是Z,此测量阻杭的大小正 比于短路点到变电所B母线之间的距离。 在一般的情况下，发生短路之后，总是伴随有电流的增大、电压的降低、线路始端测 量阻抗的减小，以及电压与电流之间相位角的变化。因此，利用正常运行与故障时这些基 本参数的区别，便可以构成各种不同原理的继电保护，例如：①反应于电流增大而动作的 过电流保护：②反应于电压降低而动作的低电压保护：③反应于短路点到保护安装地点之 间的距离（或测景阻抗的减小）而动作的距离保护（或低阻抗保护）等。 此外，就电力系统中的任一电气元件来看，如图1-2中的线路AB,在正常运行时，在 某一瞬间，负荷电流总是从一侧流入而从另一侧流出.如图1-2〈口)所示。如果我们统 规定电流的正方向都是从母线流向线路，那么，按照规定的正方向，A-B两侧电流的大小 相等、而相位相差180°。当在线路A-B的范围以外(d1)短路时，如图1-2(b)所示，由 电源/所供给的短路电流1：将流过线路A-B,此时A-B两侧的电流仍然是大小相等相位 相反，其特征与正常运行时一样。如果短路发生在线路A-B的范围以内(d2》,如图12 3