2025年高壓電工技師理論考試：高壓繼電保護原理案例分析試題考試時間：______分鐘總分：______分姓名：______一、某變電站10kV出線線路采用單側(cè)電源供電，全長25km，最大負荷電流200A，最小負荷電流50A。系統(tǒng)正常運行時，線路末端電壓為10kV，允許電壓損失為5%。線路采用LGJ-95型導線，計算該線路末端在最小負荷電流下運行時的實際電壓是多少？若需在該線路末端安裝一組Y/Δ-11接線的三相變壓器，變壓器容量為320kVA，變比10/0.4kV，空載損耗功率P0=1.5kW，短路損耗功率Pd=6.5kW。請簡述在該線路末端接入此變壓器后，可能對線路保護（假設(shè)線路末端裝設(shè)有過電流保護）產(chǎn)生哪些影響，并說明理由。二、某變電站6kV母線采用單母分段接線，母線正常運行時分段斷路器在合位。母線上接有三條線路：線路L1（裝設(shè)電流速斷和過電流保護）、線路L2（裝設(shè)電流速斷和過電流保護）、線路L3（裝設(shè)帶時限電流速斷、過電流和零序保護）。假設(shè)線路L1發(fā)生A相金屬性接地故障，電流速斷保護瞬時動作，過電流保護經(jīng)0.5s延時動作。請分析：1.故障瞬間，流過母線差動保護CT（設(shè)CT變比為200/5A）的A相電流是多少？（忽略CT飽和及系統(tǒng)阻抗）2.若母線差動保護采用比率制動式原理，制動系數(shù)Kbr設(shè)定為0.6，請判斷差動保護是否會動作？說明理由。3.若線路L2和L3的保護均正確動作，請問母聯(lián)斷路器（分段斷路器）應如何動作？說明判斷依據(jù)。三、某廠用電變壓器為YNd11接線，容量1000kVA，額定電壓6.3/0.4kV，連接組別為d11。電源側(cè)（6.3kV側(cè)）裝設(shè)電流差動保護，CT變比為600/5A。在一次校驗中，發(fā)現(xiàn)差動保護在空載合閘時出現(xiàn)CT二次側(cè)電壓不平衡，二次電壓約為70V（工頻，有效值）。已知CT二次繞組電阻為0.1Ω，請分析可能導致此不平衡電壓的原因，并提出至少兩種消除或減小不平衡電壓的措施。四、某35kV線路采用方向性過電流保護，接線方式為三相完全星形接線，采用直流操作電源。保護動作后，應使斷路器跳閘。請簡述該保護在正常、區(qū)外故障、區(qū)內(nèi)故障三種情況下，流過保護安裝處CT二次側(cè)的電流（方向和大小，相對于保護屏柜）以及操作繼電器（如中間繼電器）的動作情況。若該保護采用DL-11型繼電器，說明其內(nèi)部主要由哪些元件構(gòu)成，并簡述其動作過程。五、某330kV輸電線路采用分相電流差動保護，保護范圍為全線路。請簡述分相電流差動保護的基本原理。與線路縱聯(lián)差動保護相比，分相電流差動保護有哪些主要優(yōu)點？在配置和運行中需要注意哪些關(guān)鍵問題？（如：對CT的要求、對系統(tǒng)運行方式的要求等）六、某水電站主變壓器為YNd11接線，容量150MVA，額定電壓150/13.8kV。在變壓器差動保護屏上，差動電流互感器（CT）二次側(cè)分別接入差動繼電器（采用差動電流速斷和比率差動元件）、差動電壓互感器（VT，用于制動）。正常負荷時，差動速斷元件的整定電流為150A，比率差動元件的制動系數(shù)Kbr整定為0.15。在一次系統(tǒng)方式進行變更后，發(fā)現(xiàn)差動速斷元件在額定負荷電流（約150A）下誤動。請分析可能導致此誤動的原因，并提出相應的處理或改進措施。七、某變電站110kV線路裝設(shè)了線路距離保護（采用四個電壓繼電器和兩個電流繼電器構(gòu)成的方向阻抗繼電器），動作阻抗整定為Xop=0.8Ω，最小動作阻抗Xmin=0.2Ω，方向角整定為70°。系統(tǒng)在正常運行和發(fā)生區(qū)外故障時，該方向阻抗繼電器均應可靠不動作。請簡述該方向阻抗繼電器的工作原理，并分析其可能出現(xiàn)的死區(qū)（非選擇性動作區(qū)）范圍，以及為減小死區(qū)影響常采用的技術(shù)措施。八、某變電站母線裝設(shè)了零序電流保護，用于反映母線區(qū)內(nèi)的接地故障。保護采用三個電流互感器（CT）構(gòu)成的零序電流濾過器原理接線。請簡述該保護的基本工作原理。若在正常運行時，保護裝置輸入端出現(xiàn)了約5A的零序電流，請分析可能的原因。在此保護回路上，若需要加裝一個零序電壓濾過器，請簡述其接入方式和作用。試卷答案一、計算過程：線路末端最小負荷電流Imin=50A，線路阻抗Zl。LGJ-95導線單位長度阻抗查表得，在溫度20℃時，R0約為0.33Ω/km，X0約為0.423Ω/km。Zl≈(0.33+j0.423)*25=(8.25+j10.575)Ω。線路允許電壓損失△U%=5%，末端實際電壓U'=10kV*(1-5%)=9.5kV。末端實際電壓U'=U電源-△U=U電源-Imin*Zl。U電源=U'+Imin*Zl=9.5kV+50A*(8.25+j10.575)Ω=9.5kV+(412.5+j528.75)V=(9.9125+j0.52875)kV≈9.953kV。變壓器的連接組別為Y/Δ-11，帶入變壓器參數(shù)：P0=1.5kW,Pd=6.5kW,S=320kVA,U1n=10kV,U2n=0.4kV。變壓器空載時，從電源側(cè)看入的功率損耗P_loss=P0+(Pd/1000)*(S/Sn)^2=1.5+(6.5/1000)*(320/320)^2=1.5+0.0065*1=1.5065kW。變壓器空載時，從電源側(cè)看入的阻抗模Z_in=|Z1n|+Z_loss=U1n/I0+(P_loss/I1n)^2/Z1n。其中額定空載電流I0=P0/(U1n*√3)=1.5kW/(10kV*√3)≈0.0866A。Z1n=U1n/I1n=10kV/(320kVA/10kV)=100Ω。Z_loss=(P_loss/I1n)^2/Z1n=(1.5065kW/(320kA/10kV))^2/100Ω=(1.5065*10^5/32)^2/100=(4.7015625)^2/100≈0.2203Ω。Z_in=100Ω+0.2203Ω=100.2203Ω。變壓器負載時，從電源側(cè)看入的總阻抗Z_total=Zl+Z_in=(8.25+j10.575)Ω+(100.2203+j0)Ω=(108.4703+j10.575)Ω。電源側(cè)電壓U_source=Imin*Z_total=50A*(108.4703+j10.575)Ω=(5423.515+j528.75)V≈(5.424+j0.529)kV。電源側(cè)實際電壓U'_source=√(U_source_r^2+U_source_i^2)=√((5.424)^2+(0.529)^2)kV≈√(29.427776+0.279841)kV≈√29.707617kV≈5.447kV。線路末端電壓U'=U'_source-Imin*Zl=5.447kV-50A*(8.25+j10.575)Ω=5.447kV-(412.5+j528.75)V=(5.447-0.413)kV+j0.529kV=5.034kV+j0.529kV。實際電壓有效值|U'|=√(5.034^2+0.529^2)kV≈√(25.341156+0.279841)kV≈√25.620997kV≈5.061kV。變壓器接入后影響：1.線路電流增加：變壓器負載電流I2=S/(U2n*√3)=320kVA/(0.4kV*√3)≈461.88A。線路總電流Il=Imin+I2=50A+461.88A=511.88A。電流增大導致線路電壓損失增大，實際末端電壓可能低于5.034kV。2.保護整定影響：線路過電流保護需重新整定，動作電流應大于最大負荷電流Il，并考慮返回系數(shù)。由于線路電流增大，過電流保護動作電流需相應增大，可能導致靈敏性下降。同時，過電流保護的動作時限需配合變壓器低壓側(cè)保護，可能需要延長。3.差動保護影響（若線路末端有差動）：變壓器差動保護需考慮變壓器勵磁涌流和CT飽和的影響，可能需要采用帶制動功能的差動保護，并調(diào)整制動系數(shù)。二、1.故障分析：L1發(fā)生A相金屬性接地故障，故障電流流經(jīng)L1的A相CT，同時通過大地流回系統(tǒng)。故障電流主要決定于系統(tǒng)接地方式。假設(shè)系統(tǒng)接地良好，故障電流較大。流過母線差動CT（設(shè)為T1A、T2A、T3A，對應L1、L2、L3）的A相電流近似為：I(T1A)_A=I_fault_A。忽略CT飽和及系統(tǒng)阻抗，假設(shè)流過T2A和T3A的A相電流為I(T2A)_A≈0，I(T3A)_A≈0（理想情況下）。差動電流Id_A=I(T1A)_A-(I(T2A)_A+I(T3A)_A)≈I_fault_A。2.差動保護判斷：比率制動式差動保護動作判據(jù)：|Id|>Krel*|Ibr|且|Id|>|Iop|。其中，Id為差動電流，Ibr為制動電流（通常取流過差動CT的電流之和，即I(T1A)_A+I(T2A)_A+I(T3A)_A，故障時近似為I_fault_A），Iop為差動速斷動作電流整定值。制動系數(shù)Kbr=0.6。故障時，制動電流Ibr≈I_fault_A。若差動速斷元件整定電流為150A，則|Iop|=150A。若故障電流I_fault_A足夠大，使得I_fault_A>Kbr*I_fault_A=0.6*I_fault_A，即滿足|Id|>|Iop|。同時，|Id|=I_fault_A，若I_fault_A>150A，則滿足|Id|>Krel*|Ibr|。因此，只要故障電流足夠大（大于150A/0.6=250A），且大于差動速斷整定值150A，差動保護就會動作。若故障電流較小，不足以區(qū)分差動電流和制動電流，則可能不動作或進入制動區(qū)。3.母聯(lián)斷路器動作：母聯(lián)斷路器（分段斷路器）的保護通常為備用電源保護或母線聯(lián)絡(luò)保護。在此故障情境下，若線路L1的保護正確動作（過電流保護延時跳閘），則流過母聯(lián)斷路器的電流（假設(shè)為I(BL)）主要由L1的故障電流和系統(tǒng)電源通過未故障線路（L2、L3）提供的電流構(gòu)成。I(BL)≈I_fault_L1+(系統(tǒng)電源提供的電流分量)。由于故障發(fā)生在L1，且L1已跳閘，理論上流過母聯(lián)斷路器的電流會減小。如果母聯(lián)保護采用備用電源選擇性原則（檢測非故障線路電流并判斷），且L2、L3無故障或故障已由各自保護處理，則母聯(lián)斷路器不應動作。如果母聯(lián)保護采用電流差動原則，且流過母聯(lián)CT的電流差（|I(T2A)_A+I(T3A)_A|）小于整定值，則母聯(lián)斷路器不應動作。若系統(tǒng)接線或保護配置特殊，可能需要動作于跳閘。三、原因分析：1.CT二次負載不平衡：空載合閘時，各相CT二次側(cè)分別給負載（保護裝置輸入端）提供電壓。若三相負載不對稱（電阻、電抗或阻抗不平衡），則會在負載上產(chǎn)生電壓降，導致各相輸出電壓不等，產(chǎn)生不平衡電壓。2.CT內(nèi)部故障：如CT二次繞組匝間或相間短路。3.CT極性接反：導致差動回路或零序回路接線錯誤。4.CT飽和：雖然空載，但在特定操作過電壓或強磁場下可能發(fā)生飽和，導致輸出特性畸變。措施：1.減小CT二次負載：檢查并優(yōu)化保護裝置輸入阻抗，確保其遠大于CT二次額定阻抗。選用輸入阻抗高的保護裝置。2.提高CT精度等級：選用更高精度等級的CT，降低其自身勵磁特性，提高暫態(tài)響應性能。3.采用平衡接線：對于零序保護，可使用零序電流濾過器，其內(nèi)部接線方式（如零序電流互感器或零序電壓互感器）本身具有一定的平衡特性。對于差動保護，合理選擇差動繼電器接線方式，盡量使負載對稱。4.檢查與調(diào)整：仔細核對CT接線，確保極性正確，無斷線、短路。必要時進行更換或檢修。四、正常時：各相電流為0，保護裝置輸入端無電流，操作繼電器不動作。區(qū)外故障時：故障電流流經(jīng)故障線路及其CT，同時可能通過系統(tǒng)形成回路。流過保護安裝處CT二次側(cè)的電流為故障電流的一部分，方向取決于故障點位置和系統(tǒng)接線。若采用完全星形接線，流過各相保護裝置輸入端的電流為對應相故障電流的一部分，大小和方向取決于故障類型和位置。操作繼電器不動作（或根據(jù)設(shè)計可能動作于信號）。區(qū)內(nèi)故障時：故障發(fā)生在保護安裝處附近。故障電流流過本保護安裝處的CT二次側(cè)，電流較大，方向指向故障點。流過保護安裝處CT二次側(cè)的電流（如A相）為故障電流A。此電流足夠大，使得電流繼電器線圈流過足夠電流，動作；同時，若為方向保護，方向繼電器也動作。若采用直流操作電源，繼電器動作后，接通跳閘線圈回路（經(jīng)熔斷器、斷路器輔助觸點等），使斷路器跳閘。DL-11型繼電器構(gòu)成：主要由感應元件（用于反應電流大小和方向）、中間元件（用于放大信號、自鎖或?qū)崿F(xiàn)邏輯功能）、執(zhí)行元件（如電磁驅(qū)動機構(gòu)，用于輸出跳閘或信號接點）組成。動作過程：故障電流流過感應元件線圈，產(chǎn)生電磁效應，使可動鐵芯轉(zhuǎn)動。若電流足夠大且方向正確，鐵芯帶動中間元件動作，中間元件可能使執(zhí)行元件動作，或通過自鎖觸點保持動作狀態(tài)。執(zhí)行元件動作后，其接點改變狀態(tài)（如閉合跳閘線圈回路），實現(xiàn)保護功能。五、基本原理：利用輸電線路兩端裝設(shè)的電流互感器（CT）進行比較。正常運行和區(qū)外故障時，流過線路兩側(cè)CT二次電流的相量和近似為零（考慮誤差）；區(qū)內(nèi)故障時，相量和不為零，且接近差動電流。分相實現(xiàn)電流比較，避免單相接地故障時穿越電流對差動判據(jù)的影響。優(yōu)點：1.保護范圍固定為本線路全長，不受系統(tǒng)運行方式變化影響。2.能有效區(qū)分區(qū)內(nèi)、區(qū)外故障，靈敏度高。3.不受系統(tǒng)振蕩、頻率變化、短時接地故障（如單相接地）影響。4.動作速度快，通常采用速斷或帶短延時動作。關(guān)鍵問題：1.對CT的要求高：要求CT精度高、暫態(tài)特性好、飽和倍數(shù)低、CT變比精確、極性準確。2.對系統(tǒng)運行方式的要求高：要求線路兩側(cè)電源電勢相角差?。ㄒ话阋蟛怀^30°），否則在正常運行或區(qū)外故障時可能出現(xiàn)較大差動電流。需通過自動切換勵磁或采用制動特性差動保護來解決。3.接線復雜，成本高，維護要求高。4.對CT二次回路可靠性要求高，需嚴防開路和短路。六、原因分析：1.CT飽和：故障電流很大時，CT可能發(fā)生飽和，導致其輸出特性非線性，二次電流波形畸變，可能導致差動速斷元件根據(jù)畸變波形計算出的電流值被誤判為達到動作值。2.差動速斷整定值不當：整定值設(shè)置過低，未能充分考慮CT飽和、系統(tǒng)阻抗及CT誤差等因素的影響。3.負載變化：系統(tǒng)運行方式變化導致線路阻抗或故障電流水平變化，可能使原本不應誤動的電流達到了速斷整定值。4.CT誤差：CT本身存在比差或角差，可能使正常運行時的差電流接近或達到整定值。處理措施：1.優(yōu)化CT選型：選用飽和倍數(shù)高、暫態(tài)響應性能好的CT。2.重新整定差動速斷：根據(jù)系統(tǒng)最小運行方式、CT實際變比及飽和特性、保護裝置性能等因素，合理整定差動速斷動作電流，并留有足夠裕度。3.采用制動式差動保護：利用故障電流在非故障相產(chǎn)生的制動電流來制動差動電流，有效防止CT飽和時差動速斷誤動。4.進行差動試驗：通過差動試驗（如二次加壓法、整組試驗）檢查差動回路接線正確性、CT變比配合、差動繼電器性能等。5.提高保護裝置性能：選用性能更優(yōu)的保護裝置，具備更好的抗飽和能力。七、工作原理：方向阻抗繼電器由電壓回路（接入同相電壓和反相電壓）和電流回路（接入故障相電流）構(gòu)成。其輸出特性是一個圓或橢圓，位于阻抗平面（以電流為實軸，電壓為虛軸）上。繼電器動作當且僅當測量阻抗（Zm=U/I，其中U為電壓繼電器輸入電壓，I為電流繼電器輸入電流）落入動作區(qū)（如圓內(nèi)）。正常時，測量阻抗接近純阻，位于阻抗圓外部；故障時，測量阻抗為故障點的阻抗，位于圓內(nèi)部。死區(qū)范圍：當故障點非?？拷^電器安裝處時，故障點的阻抗非常?。ń咏搪纷杩梗?，此時測量阻抗Zm≈Zf也接近短路阻抗。若繼電器的動作阻抗Zop較大，而最小動作阻抗Zmin也相對較大，那么只有當故障阻抗大于Zmin時繼電器才動作。因此，在繼電器安裝處附近一個小的阻抗范圍內(nèi)（|Zm|<Zmin），繼電器無法動作，這個范圍就是死區(qū)。減小死區(qū)措施：1.采用高靈敏度繼電器：降低繼電器最小動作阻抗Zmin。2.采用復合電壓閉鎖：利用故障時電壓顯著降低的特點，當電壓低于一定值時閉鎖保護，此時即使測量阻抗很小，