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第1章 绪论 1

1.1引言 1

1.2典型继电器和继电保护系统 4

1.3典型的电力断路器 7

1.4术语和设备编号 8

1.5典型的继电器和断路器接线 13

1.6保护系统的基本目标 15

1.6.1可靠性 16

1.6.2选择性 17

1.6.3速动性 17

1.6.4简单性 18

1.6.5经济性 18

1.6.6小结 19

1.7保护系统的影响因素 19

1.7.1经济性 19

1.7.2主观性因素 19

1.7.3切断和输入装置的位置 20

1.7.4故障指示器 20

1.8继电器的分类 20

1.8.1保护继电器 20

1.8.2调节继电器 21

1.8.3重合闸、同期检查和同步继电器 21

1.8.4监测继电器 21

1.8.5辅助继电器 21

1.8.6其他继电器的分类 21

1.9保护继电器的性能 22

1.9.1正确动作 22

1.9.2误动作 22

1.9.3无结论 23

1.9.4跟踪继电器性能 23

1.10继电保护原理 23

1.11有关应用的信息 25

1.11.1系统配置 25

1.11.2电力设备的阻抗和接线、系统频率、系统电压和系统相序 25

1.11.3现有的保护和问题 26

1.11.4操作程序和实践 26

1.11.5保护系统设备的重要性 26

1.11.6系统故障分析 26

1.11.7最大负载和系统振荡极限 26

1.11.8电流和电压互感器的位置、接线和比例 26

1.11.9未来的扩展 27

1.12电力行业内的结构变化 27

1.13可靠性和保护标准 28

1.13.1监管机构 29

参考文献 30

第2章 基本单位：标幺值和百分值 33

2.1引言 33

2.2标幺值和百分值的定义 33

2.3标幺值和百分值的优势 34

2.4电路参数之间的基本关系 34

2.5基准值 36

2.6阻抗标幺值和百分值之间的关系 36

2.7变压器单元的阻抗标幺值和百分值 38

2.8发电机的阻抗标幺值和百分值 39

2.9架空线的阻抗标幺值和百分值 40

2.10标幺值（百分值）向不同基准值的转换 41

2.10.1示例：采用式（2.34）进行基准值转换 42

2.10.2示例：采用式（2.33）进行基准值转换 42

参考文献 43

第3章 相量和极性 44

3.1引言 44

3.2相量 44

3.2.1相量表示 44

3.2.2正弦量相量图 45

3.2.3组合相量 46

3.2.4相量图需附电路图 46

3.2.5电流、电压命名法 46

3.2.6相量图 48

3.3三相对称电力系统的电路图和相量图 48

3.4相量旋转和相位旋转 50

3.5极性 50

3.5.1变压器极性 50

3.5.2继电器极性 52

3.6极性应用于相故障方向判别 54

3.7接地故障的方向判别：极化电压 56

3.8接地故障的方向判别：极化电流 58

3.9其他类型的方向判别接线方式 59

3.10方向继电器的应用 60

3.11本章小结 61

第4章 对称分量法 62

4.1引言 62

4.2正序分量 63

4.3简化表示法 63

4.4负序分量 63

4.5零序分量 64

4.6通用公式 64

4.7序阻抗 65

4.8正序电源 66

4.9序网络 68

4.9.1正序网络 68

4.9.2负序网络 70

4.9.3零序网络 71

4.9.4序网络的简化 73

4.10横向故障的序网连接 74

4.10.1故障阻抗 74

4.10.2变电站和杆塔的接地电阻 75

4.10.3三相短路的序网连接 75

4.10.4单相接地短路的序网连接 75

4.10.5两相短路的序网连接 77

4.10.6两相接地短路的序网连接 77

4.10.7横向故障中其他元件的序网连接 78

4.11算例分析：图4.16所示典型系统的故障计算 79

4.11.1母线G处三相短路 81

4.11.2母线G处单相接地短路 81

4.12算例分析：自耦变压器的故障计算 82

4.13算例分析：断相故障 86

4.14算例分析：单相断相且一侧接地 88

4.15 纵向故障同时有其他故障 89

4.16本章综述 90

4.16.1横向故障的电压与电流相量 90

4.16.2故障时系统中的电压分布 91

4.16.3环网中单相接地时非故障相中的不平衡电流 93

4.16.4不同故障条件下的电压、电流相量 95

4.17本章小结 97

参考文献 98

附录4.1短路容量与等效阻抗 99

附录4.2变压器（组）等效阻抗与序网连接 101

附录4.3 Y-Δ联结变压器序分量的相移 107

附录4.4架空线的阻抗 110

附录4.5变压器的零序阻抗 123

第5章 继电保护的输入源 126

5.1引言 126

5.2电流互感器和电压互感器的等效电路 128

5.3 CT在保护系统中的应用 129

5.4 CT在交流对称分量上的性能 130

5.4.1经典分析方法 130

5.4.2 CT特性曲线分析方法 131

5.4.3 ANSI/IEEE标准准确度等级 131

5.4.4 IEC的准确度等级标准 134

5.5故障时的二次侧负荷 134

5.6 CT的选取和相故障时性能评估 136

5.6.1单相设备的CT电流比 136

5.6.2相过电流继电器抽头的选择 136

5.6.3确定二次侧连接的总负荷 136

5.6.4采用ANSI/IEEE标准确定CT的性能 137

5.7接地继电器的性能评估 139

5.8未通电CT对性能的影响 140

5.9通量和电流互感器 141

5.10直流分量对CT性能的影响 142

5.11总结：CT性能评估 143

5.11.1由CT特性和二次侧负荷引起的对称交流电流输入饱和 143

5.11.2由一次侧交流电流引起的直流补偿电流导致的饱和 144

5.12 CT的剩磁和暂态过程 145

5.13 CT二次回路中的辅助电流互感器 146

5.14保护应用中的电压互感器 147

5.15 光学传感器 148

参考文献 149

第6章 保护的基本原理和基本设计原则 150

6.1引言 150

6.2差动原理 150

6.3过电流、距离保护和保护的基本问题 152

6.3.1时间方案 153

6.3.2通信方案 154

6.4后备保护：远后备保护和近后备保护 154

6.5基本设计原则 155

6.5.1限时过电流保护 155

6.5.2电流-电压速断继电器 157

6.5.3方向传感功率继电器 158

6.5.4极性元件 158

6.5.5相间距离继电器 159

6.5.6 R-X图 160

6.5.7姆欧特征 160

6.5.8单相姆欧元件 163

6.5.9多相姆欧元件 164

6.5.10其他姆欧元件 165

6.5.11电抗元件 167

6.6接地距离继电器 167

6.7固态微处理器继电器 168

6.8本章小结 170

参考文献 170

第7章 系统接地原理 171

7.1引言 171

7.2不接地系统 171

7.3暂态过电压 174

7.4不接地系统的单相接地故障检测方法 175

7.4.1三相电压互感器 175

7.4.2单相电压互感器 177

7.5高阻抗接地系统 178

7.5.1谐振接地（经消弧线圈接地） 178

7.5.2高阻接地 179

7.5.3典型中性点高阻抗接地方式算例 181

7.5.4通过三个配电变压器的典型高阻抗接地算例 184

7.6煤矿或者其他危险类型应用的系统接地方式 186

7.7低阻抗接地方式 187

7.7.1典型小电阻接地系统的中性点电抗算例 189

7.7.2典型小电阻接地系统的中性点电阻算例 189

7.8直接（有效）接地方式 190

7.8.1直接接地算例 191

7.8.2直接接地系统中的接地故障检测 192

7.9三相系统的铁磁谐振 192

7.9.1配电系统铁磁谐振的小结 195

7.9.2高压系统的铁磁谐振 195

7.10接地安全 196

7.11总结和建议 198

参考文献 199

第8章 发电机保护/分布式发电的联络线保护 200

8.1引言 200

8.1.1发电机保护的历史 200

8.1.2大型发电机组 201

8.1.3分布式发电机 202

8.1.4潜在问题 203

8.2发电机的连接方式和典型保护概述 204

8.3发电机定子相间故障保护 205

8.3.1小型发电机的差动保护（87） 206

8.3.2发电机的多CT差动保护（87） 206

8.3.3发电机的高阻抗电压型差动保护 208

8.3.4直连发电机差动保护示例 209

8.3.5小型发电机的相间保护（未配置差动保护） 210

8.3.6单元发电机的相间电流差动保护（87） 210

8.4发电机变压器组相间差动保护（87TG） 212

8.5相间后备保护（51V）或（21） 213

8.5.1电压控制型或电压制动型复压过电流后备保护（51V） 213

8.5.2相间距离后备保护（21） 214

8.6负序电流后备保护 214

8.7定子接地故障保护 215

8.7.1接地故障保护（中性点低阻抗接地的中小型单台发电机） 215

8.7.2多台中小型Y/Δ联结发电机的接地故障保护 216

8.7.3不接地发电机的接地故障保护 217

8.7.4直接接地极小型发电机的接地故障保护 217

8.7.5中性点高阻接地的单元接线发电机的接地故障保护（类型1b） 218

8.7.6高阻抗接地发电机的100%定子接地保护 219

8.7.7高压侧接地故障通过耦合在中性点高阻抗接地系统中产生零序电压V0 220

8.7.8多台直连高阻抗接地发电机的接地故障保护 221

8.8扩大单元接线发电机-变压器组的接地和保护 222

8.9励磁绕组接地保护（64） 223

8.10发电机停机保护 223

8.11低励磁或失磁保护（40） 224

8.11.1距离继电器（21）型失磁保护 224

8.11.2无功功率型失磁保护 227

8.12系统扰动和危险状态下的发电机保护 227

8.12.1失去原动机：发电机的电动机运行（32） 227

8.12.2过励磁：伏特/赫兹保护（24） 228

8.12.3误上电：非同步连接（67） 228

8.12.4断路器闪络（61三相不一致保护） 229

8.12.5热过载保护（49） 229

8.12.6频率异常保护 229

8.12.7过电压保护 230

8.12.8失去同步：失步保护 231

8.12.9次同步振荡 231

8.13电压互感器断线故障 232

8.14发电机的断路器失灵保护 233

8.15 励磁系统保护和限制器 233

8.15.1励磁系统接地 233

8.15.2过励磁 234

8.15.3欠励磁 234

8.15.4应用注意事项 235

8.16同步调相机保护 235

8.17发电机跳闸系统 235

8.18厂站辅助系统 236

8.19分布式电源的联络线保护 236

8.19.1电能质量保护 238

8.19.2电力系统故障保护 241

8.19.3分布式发电设备故障的系统保护 243

8.19.4其他联络线保护注意事项 243

8.19.5感应发电机/静态逆变器/风力发电场 243

8.19.6分布式发电的实际问题 246

8.20保护总结 248

参考文献 249

第9章 变压器、电抗器和并联电容器保护 251

9.1变压器保护 251

9.2影响差动保护的因素 253

9.3虚假差动电流 253

9.3.1励磁涌流 253

9.3.2过励磁 255

9.3.3电流互感器饱和 256

9.4变压器差动保护特性 256

9.5变压器差动继电器的应用和接线 257

9.6示例：Y-Δ联结的双绕组变压器组的差动保护接线 258

9.6.1第一步：相位修正 258

9.6.2第二步：CT电流比和抽头选择 260

9.7有载分接变压器 261

9.8示例：多绕组变压器组的差动接线 262

9.9应用辅助绕组实现电流平衡 265

9.10差动回路中的并联CT 265

9.11变压器差动保护的特殊连接 266

9.12三相变压器组中单相变压器的差动保护 268

9.13变压器接地（零序）差动保护 269

9.14远方跳闸系统的设备 270

9.14.1故障开关 270

9.14.2通信通道 270

9.14.3有限故障隔离装置 271

9.15 变压器非电量保护 271

9.15.1气体检测 271

9.15.2压力突变 271

9.16接地变压器保护 272

9.17带方向继电器的变压器接地差动保护 273

9.18调压变压器保护 279

9.19变压器过电流保护 279

9.20变压器过载-穿越故障耐受标准 279

9.21示例：变压器过电流保护 281

9.21.1工厂或类似的用户由一台2500kVA，12kV：480V电压比，阻抗为5.75%的变压器供电 282

9.21.2设有7500kVA容量，115：12kV电压比，7.8%阻抗变压器的配电网 285

9.21.3设有12/ 16/20M VA容量，115：12.5kV电压比，10%阻抗变压器的变电站 287

9.22变压器过热保护 288

9.23变压器过电压 289

9.24变压器典型保护总结 289

9.24.1变压器单元 289

9.24.2并行变压器单元 290

9.24.3大容量变压器的冗余配置要求 293

9.25电抗器 293

9.25.1电抗器类型 293

9.25.2并联电抗器的一般应用 294

9.25.3电抗器保护 294

9.26电容器 295

9.27电力系统无功需求 295

9.28并联电容器应用 296

9.29电容器组设计 296

9.30配电电容器保护 297

9.31大电容器组的设计与限制 298

9.32大容量电容器组保护 300

9.33串联电容器组保护 304

9.34电容器组保护应用问题 305

参考文献 306

附录9.1数字式变压器差动保护应用 307

第10章 母线保护 314

10.1引言：母线典型接线形式 314

10.2单断路器-单母线接线 315

10.3单母线分段 315

10.4单母线带旁路 316

10.5双母线-单断路器 317

10.6双母线-双断路器 319

10.7环形母线 319

10.8一个半断路器母线 320

10.9母线-变压器组合接线 321

10.10母线简要综述 322

10.11母线差动保护 324

10.11.1多制动电流差动保护 324

10.11.2高阻抗电压差动保护 325

10.11.3空心互感器差动保护 326

10.11.4中高阻抗差动保护 327

10.12其他母线差动保护 328

10.12.1时限过电流差动保护 328

10.12.2方向比较式差动保护 328

10.12.3不完全差动保护 328

10.12.4短延时保护方案：瞬时闭锁 330

10.13母线接地故障保护 331

10.14保护总结 331

10.15 母线保护：实际问题 331

参考文献 332

第11章 电动机保护 333

11.1引言 333

11.2电动机事故的潜在诱因 333

11.3保护中需要考虑的电动机参数和特性 334

11.4异步电动机的等效电路 335

11.5通用电动机保护 336

11.6相间故障保护 337

11.7差动保护 339

11.8接地故障 340

11.9热稳定与堵转保护 342

11.10大型电动机的转子堵转保护 343

11.11系统不平衡与电动机 344

11.12系统不平衡与相位旋转保护 349

11.13欠电压保护 350

11.14母线切换与重合闸 350

11.15 重复起动与突变起动保护 351

11.16多功能微处理器电动机保护单元 351

11.17同步电动机保护 352

11.18总结：典型电动机保护 352

11.19电动机保护在实际应用时应注意的问题 352

参考文献 354

第12章 线路保护 355

12.1线路和馈线的分类 355

12.2针对继电保护的输电线路分类 357

12.2.1配电线 357

12.2.2输电线和分支输电线 358

12.3线路保护原理及设备 359

12.3.1熔断器 359

12.3.2自动重合闸装置 360

12.3.3分段隔离开关 360

12.3.4配合时间间隔 361

12.4配合准则及基本整定原则 362

12.4.1相间过电流保护的整定 363

12.4.2接地时限过电流继电保护的整定 363

12.4.3相间和接地速断过电流保护的整定 363

12.5配线、辐射式线路的保护及配合 364

12.6示例：典型配网的保护配合 367

12.6.1实际工程中配网保护配合需要考虑的因素 370

12.7与配电线相连的分布式发电机及其他电源 371

12.8示例：环网系统的保护配合 372

12.9环网中快速跳闸保护的应用 377

12.10短线路上保护应用 378

12.11网络系统和点式网络系统 379

12.12相间故障的距离保护 379

12.13距离保护在带分支线路和多端线路中的应用 382

12.14距离保护的电压来源 384

12.15 距离保护在采用反时限电流保护系统中的应用 385

12.16线路接地故障保护 385

12.17接地故障距离保护和方向性过电流保护的比较 385

12.18过渡电阻对保护的影响 387

12.19接地过电流保护的方向元件 388

12.20自耦变压器的极化问题 389

12.21电压极化的限制 392

12.22接地保护的双极化 392

12.23带负序的接地方向元件 393

12.24互感及接地保护 393

12.25耦合互感下的接地距离保护 398

12.26超高压带串补长线路保护 399

12.27后备保护：远后备、近后备及断路器失灵保护 400

12.28总结：线路保护的典型配置 403

12.29线路保护在实际工程中需要考虑的问题 404

参考文献 404

第13章 纵联保护 406

13.1引言 406

13.2纵联保护的分类 406

13.3保护通道分类 407

13.4闭锁式纵联方向保护 408

13.5允许式纵联方向保护 410

13.5.1正常运行时（无故障） 410

13.5.2通道故障 411

13.5.3位于母线G或者其左侧系统的区外故障 412

13.5.4保护区内故障 412

13.6方向比较式过范围远跳纵联保护 412

13.6.1母线G上或系统左侧区域（保护范围外）的外部故障 413

13.6.2保护区内故障 414

13.7方向比较式欠范围远跳纵联保护 414

13.7.1区域加速 416

13.8相位比较：导引线保护（导线通道） 416

13.9相位比较：音频通道或光纤通道 418

13.9.1发生在母线H上或右侧系统的区外故障 419

13.9.2区内故障 419

13.10分相的比较式纵联保护 421

13.11单相选相纵联系统 421

13.12行波方向比较保护 422

13.13数字式电流差动 422

13.14加强纵联方案 423

13.14.1暂时闭锁 423

13.14.2弱馈逻辑 423

13.14.3断路器断开侧发信 423

13.15远方跳闸 424

13.16保护通信通道 424

13.16.1电力线载波：开关或频移 424

13.16.2导引线：音频传输 426

13.16.3导引线：50Hz或60Hz传输 426

13.16.4数字通道 426

13.17数字式电流差动保护 427

13.17.1线路差动保护的特征 428

13.17.2线路差动保护的问题 429

13.17.3线路差动保护设计的改进 433

13.17.4线路差动保护的应用 437

13.18纵联继电器：运行经验 437

13.19本章小结 439

参考文献 440

附录13.1导引线纵联回路保护 442

第14章 稳定性、重合闸、切负荷和脱扣电路设计 446

14.1引言 446

14.2电力和功率传输 446

14.3稳态运行和静态稳定性 447

14.4暂态运行和暂态稳定性 448

14.5系统振荡和保护 450

14.6距离保护的失步检测 455

14.7线路自动重合闸 457

14.8配网馈线重合闸 458

14.9中压输电线路和输电线路重合闸 459

14.10带变压器或电抗器线路的重合闸 460

14.11自动同期 460

14.12切负荷-保负荷的频率保护 460

14.13低频切负荷方案 462

14.13.1低频切负荷标准 462

14.13.2低频切负荷方案的架构 463

14.13.3低频控制方案设计 464

14.14低频切负荷方案的性能 465

14.15 工业系统频率保护 466

14.16电压崩溃 466

14.17电压崩溃缓解技术 466

14.18保护及控制跳闸回路 467

14.19变电站直流系统 468

14.20跳闸回路装置 469

14.20.1中间继电器 469

14.20.2信号和密封装置 470

14.20.3开关和二极管 470

14.20.4跳闸线圈 471

14.21跳闸回路设计 471

14.22跳闸回路监视和报警 472

14.23特殊保护方案 473

14.24应用建议：特殊保护方案 474

参考文献 475

第15章 微机应用与变电站自动化 476

15.1引言 476

15.2微机型继电保护设计 476

15.3可编程序控制器 477

15.4微机继电器的应用 478

15.5微机继电保护程序编制 478

15.5.1布尔代数 479

15.5.2控制方程组件 482

15.5.3二进制组件 482

15.5.4模拟量 482

15.5.5数学运算 482

15.5.6整定 482

15.6微机继电器的属性 482

15.7保护强化 483

15.7.1配电保护系统 484

15.7.2输电线路保护系统 486

15.8多功能特性 487

15.9简化接线 487

15.10事件报告 488

15.10.1事件报告类型 488

15.11调试及定期检查 489

15.12整定规程及记录 490

15.13故障定位 491

15.14电力系统自动化 493

15.15 实践观察：微机保护的应用 495

参考文献 496

第16章 保护系统性能提升 497

16.1性能评价技术 498

16.2评价保护系统性能 499

16.3保护系统误动分析 499

16.3.1保护系统性能评价参数 500

16.3.2监管问题 500

16.4 NERC标准PRC-004 501

16.5 PRC-004实施流程 502

16.6电力系统事件分析工具 503

16.6.1故障录波器 504

16.6.2动态扰动录波器 506

16.6.3事件顺序记录器 508

16.7重大停电事故概述 510

16.7.1美国东北部大停电（1965年11月9日） 510

16.7.2美国西海岸大停电（1996年7月2日） 511

16.7.3美加大停电（2003年8月14日） 511

16.7.4美国佛罗里达州大停电（2008年2月26日） 512

16.7.5西南太平洋大停电（2011年9月8日） 512

16.7.6小结 512

16.8继电保护载荷能力整定 513

16.8.1 T型输电线路 513

16.8.2远后备保护 515

16.9 NERC标准PRC-023 516

16.9.1距离继电器载荷能力 517

16.9.2变压器负荷整定要求 519

16.9.3纵联保护方案的载荷能力 519

16.9.4合闸于故障的载荷能力 520

16.10非大容量电力系统线路的负荷能力极限 521

16.11扰动过程中的发电机跳闸 522

16.12保护系统维护 524

16.13电网自动化：保护方面 524

16.14本章小结 526

参考文献 527

第17章 习题 528