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1、电力系统继电保护电力系统继电保护E lectric Power S ystem R elay Protection课程性质：课程性质：电力系统及其自动化专业的重点课程之一，是一门学习电力电力系统及其自动化专业的重点课程之一，是一门学习电力系统运行知识和保证电力系统安全运行的专业知识和技能的系统运行知识和保证电力系统安全运行的专业知识和技能的课程。课程。它是一门综合性的、理论和实践并重的科学。它是一门综合性的、理论和实践并重的科学。先修课程：先修课程：电路分析、电机学和电力系统分析等。电路分析、电机学和电力系统分析等。学习方法学习方法1、积极思考、多做练习；前后关联，掌握体系；、积极思考、多做练
2、习；前后关联，掌握体系；2、理论知识与实验、实践相结合；、理论知识与实验、实践相结合； 由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生由发电、输电、变电、配电和用电等环节组成的电能生产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动产与消费系统。它的功能是将自然界的一次能源通过发电动力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各力装置转化成电能，再经输电、变电和配电将电能供应到各用户。用户。特点：生产、输送、消费是在同一时间完成。特点：生产、输送、消费是在同一时间完成。 为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具为实现这一功能，电力系统在各个环节和不同层次还具有相应的信息与控制
3、系统，对电能的生产过程进行测量、调有相应的信息与控制系统，对电能的生产过程进行测量、调节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、节、控制、保护、通信和调度，以保证用户获得安全、经济、优质的电能。优质的电能。 什么是电力系统？什么是电力系统？第一章第一章 绪绪 论论电力的产生及传输分配电力的产生及传输分配 电力系统是由各种电气元件组成的，由于自然环境、制造电力系统是由各种电气元件组成的，由于自然环境、制造质量、运行维护水平等多方面的原因，各电气元件在运行中不质量、运行维护水平等多方面的原因，各电气元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此就要有专门的技术来为电力系统可能一直保持正常状态
4、。因此就要有专门的技术来为电力系统建立一个安全保障体系。建立一个安全保障体系。一旦故障发生，可能要求在十分之几甚至百分之几秒内切除一旦故障发生，可能要求在十分之几甚至百分之几秒内切除故障设备。故障设备。运行人员（运行人员（）继电保护装置（继电保护装置（）根据运行条件，系统有四种运行状态：根据运行条件，系统有四种运行状态：正常运行状态（额定正常运行状态（额定U U、f f） 能够提供合格的电能，满足负荷的供电需求，保证系统中的能够提供合格的电能，满足负荷的供电需求，保证系统中的相关设备均在规定的长期安全工作限额内运行，并保持一定的相关设备均在规定的长期安全工作限额内运行，并保持一定的备用容量。备
5、用容量。不正常运行状态不正常运行状态不正常、无故障，可短时运行，但可能发展为故障。不正常、无故障，可短时运行，但可能发展为故障。告警告警故障状态故障状态横向故障：包括相间短路和接地故障横向故障：包括相间短路和接地故障纵向故障：断线故障纵向故障：断线故障事故状态事故状态严重的可导致大面积停电、重大经济损失或人员伤亡。严重的可导致大面积停电、重大经济损失或人员伤亡。故障故障:包括各种短路（包括各种短路（d(3)、d(2)、d(1)、d(1.1)）和断线（单相）和断线（单相和两相），其中最常见同时也最危险的故障是发生各种型式的和两相），其中最常见同时也最危险的故障是发生各种型式的短路。短路。故障类型
6、故障类型三相短路三相短路两相短路两相短路两相短路接地两相短路接地单相接地短路单相接地短路其他故障其他故障故障次数故障次数172891131932百分比百分比1.14%1.88%6.12%88.7%2.16%2002年我国年我国220kV电网输电线路故障统计表电网输电线路故障统计表故障类型故障类型三相短路三相短路两相短路两相短路两相短路接地两相短路接地单相接地短路单相接地短路其他故障其他故障百分比百分比0.73%1.96%3.19%92.05%2.06%2006年我国年我国220kV电网输电线路故障统计表电网输电线路故障统计表在发生短路时可能产生以下的后果在发生短路时可能产生以下的后果:(1)通
7、过故障点的很大的短路电流和所燃起的电弧，使故障元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。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。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。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。整个系统瓦解。(5)发生不对出故障时，
8、将出现负序电流，使旋转电机产生发生不对出故障时，将出现负序电流，使旋转电机产生附加发热；发生接地故障时，将出现零序电流，对相邻通信系附加发热；发生接地故障时，将出现零序电流，对相邻通信系统造成干扰。统造成干扰。不正常运行状态可能产生以下的后果不正常运行状态可能产生以下的后果:电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故电力系统中电气元件的正常工作遭到破坏，但没有发生故障的运行状态。如：过负荷、频率降低、过电压、电力系统振障的运行状态。如：过负荷、频率降低、过电压、电力系统振荡等。常见的不正常状态。荡等。常见的不正常状态。过负荷：因负荷超过电气设备的额定值造成的电流增大；过负荷：因负荷超过
9、电气设备的额定值造成的电流增大；危害：危害：造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏从而造成载流导体的熔断或加速绝缘材料的老化和损坏从而导致故障。导致故障。频率降低：由于系统中出现有功功率缺额而引起的危害：频率降低：由于系统中出现有功功率缺额而引起的危害：1）影响产品质量；）影响产品质量；2）降到）降到47Hz48Hz以下会引起频率崩溃；以下会引起频率崩溃；3）使电压下降可能引发电压崩溃。）使电压下降可能引发电压崩溃。过电压：发电机突然甩负荷而产生；过电压：发电机突然甩负荷而产生；危害：造成绝缘击穿导致短路。危害：造成绝缘击穿导致短路。系统振荡：因系统受到扰动而失去功率平衡。系统振荡：因系
10、统受到扰动而失去功率平衡。危害：系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影响系统危害：系统振荡时，电流和电压周期性摆动，严重影响系统的正常运行。的正常运行。事故状态：事故状态：系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，并造成对用户少系统或其中一部分的正常工作遭到破坏，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坏。电气设备的损坏。什么是电力系统继电保护？什么是电力系统继电保护？电力系统继电保护是继电保护技术或继电保护装置的统称。电力系统继电保护是继电保护技术或继电保护装置的统称。继电保护技术是一个完整的体系，它主
11、要由电力系统故障继电保护技术是一个完整的体系，它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计、继电保护运行及维护等技术构成。运行及维护等技术构成。继电保护装置是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正继电保护装置是能反应电力系统中电气元件发生故障或不正常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装常运行状态，并动作于断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。置。 继电保护装置是完成继电保护功能的核心。继电保护装置是完成继电保护功能的核心。 一、电力系统继电保护的作用一、电力系统继电保护的作用继电保护的基本任务继电保护的基本任务(
12、1)自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行。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例如有无经常值班人员)，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。，而动作于发出信号、减负荷或跳闸。(3)继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，继电保护装置还可以与电力系统中的其他自动化装置配合，在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电
13、时间，尽快恢复在条件允许时，采取预定措施，缩短事故停电时间，尽快恢复供电，从而提高电力系统运行的可靠性。供电，从而提高电力系统运行的可靠性。（一）继电保护的基本原理（一）继电保护的基本原理利用正常运行与区内、外短路故障电气参数变化的利用正常运行与区内、外短路故障电气参数变化的特征特征构成构成保护的判据，根据不同的判据就构成不同原理的继电保护。保护的判据，根据不同的判据就构成不同原理的继电保护。电流增加（电流增加（过电流保护过电流保护）：故障点与电源直接连接的电气设）：故障点与电源直接连接的电气设备上的电流会增大；备上的电流会增大；电压降低（电压降低（低电压保护低电压保护）当发生相间短路和接地短
14、路故障时，）当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压系统各点的相间电压或相电压值下降，且越靠近短路点，电压越低。越低。电流电压间的相位角会发生变化（电流电压间的相位角会发生变化（方向保护方向保护）:正常正常20左右；左右；三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定三相短路时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为的，一般为6085，而在保护反方向三相短路时，电流与，而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是电压之间的相位角则是180+(6085)。二、保护装置的基本原理和组成二、保护装置的基本原理和组成电压与电流
15、的比值会发生变化电压与电流的比值会发生变化(距离保护或阻抗保护距离保护或阻抗保护)：系：系统正常运行是负荷阻抗，其值较大，系统短路时统正常运行是负荷阻抗，其值较大，系统短路时Z是保护安装是保护安装处到处到短路点之间的阻抗，其值较小；短路点之间的阻抗，其值较小；电流差动保护：正常运行时电流差动保护：正常运行时I入入=I出，短路时出，短路时I入入I出；出；序分量保护序分量保护:不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。出现负
16、序和零序电流和电压分量。出现I2、I0分量。分量。高频保护：利用高频通道来传递线路两端电流相位高频保护：利用高频通道来传递线路两端电流相位大小和大小和短路功率方向信号的一种保护。短路功率方向信号的一种保护。另外非电气量保护：瓦斯保护，过热保护。另外非电气量保护：瓦斯保护，过热保护。（二）继电保护装置的组成（二）继电保护装置的组成根据逻辑元件传送根据逻辑元件传送的信号，最后完成的信号，最后完成保护装置所担负的保护装置所担负的任务。如：故障时任务。如：故障时跳闸；不正常运行跳闸；不正常运行时发信号；正常运时发信号；正常运行时不动作。行时不动作。测量测量逻辑逻辑执行执行被测物被测物理量理量整定值整定
17、值跳闸或跳闸或信号信号测量从被保护对象输入测量从被保护对象输入的有关物理量（如电流、的有关物理量（如电流、电压、阻抗、功率方向电压、阻抗、功率方向等），并与已给定的整等），并与已给定的整定值进行比较，根据比定值进行比较，根据比较结果给出较结果给出“是是”、“非非”、“大于大于”、“不不大于大于”等具有等具有“0”或或“1”性质的一组逻辑性质的一组逻辑信号，从而判断保护是信号，从而判断保护是否应该启动否应该启动根据测量部分输出根据测量部分输出量的大小、性质、量的大小、性质、输出的逻辑状态、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们出现的顺序或它们的组合，使保护装的组合，使保护装置按一定逻辑关系置按一定逻辑
18、关系工作，最后确定是工作，最后确定是否应跳闸或发信号，否应跳闸或发信号，并将有关命令传给并将有关命令传给执行元件。执行元件。（二）继电保护装置的组成（二）继电保护装置的组成继电保护装置继电保护装置按保护按保护对象分对象分按保护按保护原理分原理分按故障按故障类型分类型分按保护按保护技术分技术分按保护按保护作用分作用分输输电电线线路路保保护护发发电电机机保保护护变变压压器器保保护护电电动动机机保保护护母母线线保保护护机机电电型型保保护护整整流流型型保保护护晶晶体体管管型型保保护护集集成成电电路路型型保保护护微微机机保保护护电电流流保保护护电电压压保保护护距距离离保保护护差差动动保保护护方方向向保保
19、护护零零序序保保护护主主保保护护后后备备保保护护辅辅助助保保护护相相间间短短路路保保护护接接地地故故障障保保护护匝匝间间短短路路保保护护断断线线保保护护失失步步保保护护失失磁磁保保护护及及过过激激磁磁保保护护 （三）继电保护装置的分类（三）继电保护装置的分类 继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择继电保护装置为了完成它的任务，必须在技术上满足选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。这四个基本要性、速动性、灵敏性和可靠性四个基本要求。这四个基本要求也是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继求也是设计、配置和维护继电保护的依据，又是分析评价继电保护的基础。这四个基本要求之间
20、是相互联系的，但往往电保护的基础。这四个基本要求之间是相互联系的，但往往又存在着矛盾。又存在着矛盾。 对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本对于作用于继电器跳闸的继电保护，应同时满足四个基本要求。要求。 而而 对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电对于作用于信号以及只反映不正常的运行情况的继电保护装置，这四个基本要求中有些要求如速动性可以降低。保护装置，这四个基本要求中有些要求如速动性可以降低。三、对继电保护装置的要求三、对继电保护装置的要求1、选择性、选择性指保护装置动作时，指保护装置动作时，仅仅将故障元件从电力系统中切除，将故障元件从电力系统中切除，使使停电的范围尽量小
21、停电的范围尽量小，以保证系统中的无故障部分继续工作，以保证系统中的无故障部分继续工作。当当k1短路时，保护短路时，保护1、2动动跳跳1QF、2QF，有选择性；，有选择性；当当k2短路时，保护短路时，保护5、6动动跳跳5QF、6QF，有选择性；，有选择性；当当k3短路时，保护短路时，保护7、8动动跳跳7QF、8QF，有选择性；，有选择性；若保护若保护7拒动或拒动或7QF拒动，保护拒动，保护5动动跳跳5QF（有选择性）；（有选择性）；若保护若保护7和和7QF正确动作于跳闸，保护正确动作于跳闸，保护5动动跳跳5QF，则越级跳闸，则越级跳闸（失去了选择性）。（失去了选择性）。主保护：主保护：反应被保护
22、元件自身的故障并以尽可能短的延时，反应被保护元件自身的故障并以尽可能短的延时，有选择性地切除故障的保护称为主保护。有选择性地切除故障的保护称为主保护。后备保护：后备保护：当主保护拒动时起作用，从而动作于相应断路当主保护拒动时起作用，从而动作于相应断路器以切除故障元件器以切除故障元件。近后备保护：近后备保护：当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另当主保护拒动时，由本电力设备或线路的另一套保护来实现后备的保护。一套保护来实现后备的保护。远后备保护：远后备保护：当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备当主保护或断路器拒动时，由相邻电力设备或线路的保护来实现的后备保护。或线路的保护来实现的后备保护。速动
23、性速动性 快速地切除故障可以提高电力系统并联运行的稳定性，快速地切除故障可以提高电力系统并联运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。件的损坏程度。 对继电保护速动性的具体要求，应根据电力系统的接线对继电保护速动性的具体要求，应根据电力系统的接线以及被保护元件的具体情况来确定：以及被保护元件的具体情况来确定： (1)(1)根据维持系统稳定的要求，必须快速切除的高压输根据维持系统稳定的要求，必须快速切除的高压输电线路上发生的故障；电线路上发生的故障； (2)(2)使发电厂或重要用户的母线电压低于允许值使发电
24、厂或重要用户的母线电压低于允许值( (一般为一般为0.70.7倍额定电压倍额定电压) )的故障；的故障； (3)(3)大容量的发电机、变压器以及电动机内部发生的故大容量的发电机、变压器以及电动机内部发生的故障；障； (4)1-10kV(4)1-10kV线路导线截面过小，为避免过热不允许延时线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障等；切除的故障等； (5)(5)可能危及人身安全、对通讯系统或铁道号志系统有可能危及人身安全、对通讯系统或铁道号志系统有强烈干扰的故障等。强烈干扰的故障等。故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的
25、动作时间为保护的动作时间为0.04s0.08s，最快的可达，最快的可达0.01s0.04s，一，一般断路器的跳闸时间为般断路器的跳闸时间为0.06s0.15s，最快的可达，最快的可达0.02s0.06s。但应指出，要求保护切除故障达到最小时间并不是在任但应指出，要求保护切除故障达到最小时间并不是在任何情况下都是合理的，故障必须根据技术条件来确定。实际上，何情况下都是合理的，故障必须根据技术条件来确定。实际上，对不同电压等级和不同结构的电网，切除故障的最小时间有不对不同电压等级和不同结构的电网，切除故障的最小时间有不同的要求。例如，对于同的要求。例如，对于35kV60kV配电网络，一般为配电网络
26、，一般为0.5s0.7s；110kV330kV高压电网，约为高压电网，约为0.15s0.3s；500kV及以及以上超高压电网，约为上超高压电网，约为0.1s0.12s。对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快对于反应不正常运行情况的继电保护装置，一般不要求快速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。速动作，而应按照选择性的条件，带延时地发出信号。灵敏性灵敏性 继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应或不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应在区内故障时，不论短路
27、点的位置和短路的类型如何，都能灵在区内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，都能灵敏地正确反应。敏地正确反应。通常灵敏性用灵敏系数来衡量通常灵敏性用灵敏系数来衡量 ，可按如下原则考虑：，可按如下原则考虑：1.1.在可能的运行方式下，选择最不利于保护动作的运行方式；在可能的运行方式下，选择最不利于保护动作的运行方式；2.2.在所保护的短路类型中，选择最不利于保护动作的短路类型；在所保护的短路类型中，选择最不利于保护动作的短路类型；3.3.在保护区内选择最不利于保护动作的那点作为灵敏度校验点在保护区内选择最不利于保护动作的那点作为灵敏度校验点（计算所选的短路点）。（计算所选的短路点）。 反应故
28、障参数降低的保护装置（如低电压保护）反应故障参数降低的保护装置（如低电压保护） 增加灵敏性，即增加了保护动作的信赖性，但有时与安全增加灵敏性，即增加了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。对不同作用的保护及被保护的设备和线路，所要求性相矛盾。对不同作用的保护及被保护的设备和线路，所要求的灵敏系数不同。的灵敏系数不同。 反应故障参数增加的保护装置（如电流保护）反应故障参数增加的保护装置（如电流保护）可靠性可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。安全性包括安全性和信赖性，是对继电保护最根本的要求。安全性是在不需要它动作时可靠不动作（不误动）。信赖性是在规定是在不需要它动作时可靠不动作
29、（不误动）。信赖性是在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作（不拒动）。的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作（不拒动）。 影响可靠性的因素：影响可靠性的因素： 内在的：装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的内在的：装置本身的质量，包括元件好坏、结构设计的合理性、制造工艺水平、内外接线简明，触点多少等；合理性、制造工艺水平、内外接线简明，触点多少等； 外在的：运行维护水平、整定、调试是否正确、正确安外在的：运行维护水平、整定、调试是否正确、正确安装。装。 提高不误动的安全措施与提高不拒动的信赖性措施往往提高不误动的安全措施与提高不拒动的信赖性措施往往是矛盾的。由于不同的电力系统结
30、构不同，电力元件在电力是矛盾的。由于不同的电力系统结构不同，电力元件在电力系统中的位置不同，误动和拒动的危害程度不同，因而提高系统中的位置不同，误动和拒动的危害程度不同，因而提高安全性和信赖性的侧重点在不同的情况下有所不同。安全性和信赖性的侧重点在不同的情况下有所不同。美加大停电美加大停电2003年年8月月14日美国东北部地区以及加拿大东部地区出现的大范围停电。日美国东北部地区以及加拿大东部地区出现的大范围停电。这是北美历史上最大范围的停电，受影响的人估计在加拿大有一千万（三分这是北美历史上最大范围的停电，受影响的人估计在加拿大有一千万（三分之一的人口）在美国有四千万。美国八个州以及加拿大的安
31、大略省的电力中之一的人口）在美国有四千万。美国八个州以及加拿大的安大略省的电力中断，影响面积断，影响面积2.4万平方公里。万平方公里。事故最早出现于俄亥俄州北部地区一条事故最早出现于俄亥俄州北部地区一条34.5万伏的超高压输电线路。万伏的超高压输电线路。14日下午日下午3时许，不知什么原因，这条输电线路突然出现过载现象。按照设计，时许，不知什么原因，这条输电线路突然出现过载现象。按照设计，过载电流可以由附近其它线路过载电流可以由附近其它线路“吃进吃进”，但大量电流回流，导致输电线路温，但大量电流回流，导致输电线路温度急剧升高，并随高压电线急剧扩散，最终烧断。度急剧升高，并随高压电线急剧扩散，最
32、终烧断。26分钟后，分钟后，“吃进吃进”过载过载电流的第二条电流的第二条34.5万伏超高压输电线路因温度过高，导致线路软化，落在树万伏超高压输电线路因温度过高，导致线路软化，落在树枝上，短路停电。枝上，短路停电。2条输电线路相继条输电线路相继“罢工罢工”，导致该地区剩余，导致该地区剩余3条超高压输条超高压输电线路工作负荷急剧增加，最终电线路工作负荷急剧增加，最终“不堪重负不堪重负”，分别在，分别在3:41、3:46和和4:06断断电。俄亥俄州的几座主要发电厂出于保护电机设备的需要，过载保护应急系电。俄亥俄州的几座主要发电厂出于保护电机设备的需要，过载保护应急系统自动启动，率先关闭发电机组。此后，密歇根州、纽约及加拿大安大略省统自动启动，率先关闭发电机组。此后，密歇根州、纽约及加拿大安大略省的发电机组也相继自动关闭，的发电机组也相继自动关闭，14日下午日下午4时时11分，美加中东部近分，美加中东部近5000万人陷万人陷入一片黑暗之中。入一片黑暗之中。四、继电保护的发展简史四、继电保护的发展简史 继电保护的原理和结构形式发展如下：继电保护的原理和结构形式发展如下：
