继电保护课程设计 精品版

继电保护课程设计

(论文)

题    目 110kV多电源线路的保护设计 

学院名称      电气工程学院         

指导教师        曾 铁 军           

职    称         讲 师             

班    级 电气工程及其自动化1204班 

学    号       20124450409       

学生姓名      卢林军         

2016年   1月   22日

任务书：

110kV多电源网络线路保护的设计

一 已知条件

1、110kV系统接线简图如图所示。

  2、参数选择与具体任务

（2）发电厂各发电机组的次暂态电抗均为=0.129（按自身额定容量的标么值）；功率因数为均为0.85。最大发电容量为机组同时投运，最小发电容量为退出一台发电机组。假设发电机正、负电抗相等,等于次暂态电抗。

（3）各变电所引出线上的后备保护动作时间如图示，后备保护的时限级差△t＝0.5s；线路保护需整定两侧保护动作值，保护包括接地保护和相间保护。

（4）线路的正序电抗每公里均为0.4Ω/kM；负序阻抗等于正序阻抗；零序阻抗为1.2Ω/kM；线路阻抗角为80º。

（5）电压互感器的变比kV，线路电流互感器变比可根据线路最大负荷电流选择，负荷阻抗角为30º。

（6）系统最大及最小的正序、零序等值阻抗都已折算到100MVA标准容量下，系统S中性点接地。变压器的短路电压百分比按本变压器额定容量给出。

（7）所有元件参数标么计算时，基准容量选择S= 100MVA，电压选择所在电压等级的平均额定电压，各元件负序电抗均等于其正序电抗。

二 设计任务

确定线路AC的3、4保护的保护方式、各段保护整定值及灵敏度。

绘制保护1的接线图（包括原理图和展开图）。

撰写说明书，包括短路计算过程（公式及计算举例）、结果和保护方式的选择及整定计算结果（说明计算方法）。

三 设计要点

短路电流及残压计算，考虑以下几点

运行方式的考虑

最大负荷电流的计算

短路类型的考虑

曲线绘制

保护方式的选择和整定计算

保护的确定应从线路末端开始设计。

优先选择最简单的保护（三段式电流保护），以提高保护的可靠性。当不能同时满足选择性、灵敏性和速动性时，可采用较为复杂的方式，比如采用电流电压连锁保护或方向保护等。

将最终整定结果和灵敏度校验结果列成表格。

摘要：电力系统受自然条件，设备与人为因素的影响，可能出现各种故障以及不正常的运行状态，应对其进行保护。本文进行了对110kV多电源线路的继电保护设计。包含继电保护的介绍，对该线路继电保护设计的方案选择，线路参数计算，短路计算以及整定计算。在电流保护不满足条件的情况下，相间故障选择了距离保护，接地故障选择了零序电流保护。

关键词：继电保护、短路电流、整定计算 、校验

summary: The electric power system is affected by the natural conditions, equipment and human factors, and it may be a variety of faults and abnormal operating conditions, and should be protected. In this paper, the design of relay protection for 110kV multi power line is carried out. Including the introduction of relay protection, the design of the circuit protection scheme selection, line parameters calculation, short-circuit calculation and setting calculation. Under the condition that the current protection is not satisfied, the distance protection is selected, and the zero sequence current protection is selected by the grounding fault.

keywords: Protection, short-circuit current, setting calculation，check

引言................................................................1

1 继电保护介绍..............................................2

  1.1电力系统继电保护的基本任务....................................2

  1.2对继电保护的基本要求..........................................4

  1.3继电保护的组成.............................................4 

  1.4继电保护分类..................................................5

  1.5电网继电保护配置原则..........................................5

2 电网元件参数计算及负荷电流计算....................................7

  2.1基准值选择....................................................7

  2.2电网元件等值电抗计算..........................................7

      2.2.1输电线路等值电抗计算....................................7

      2.2.2变压器与发电机等值电抗计算.............................9

      2.2.3通过断路器3的最大负荷电流.............................9

3保护3和4的电流保护的配置.......................................11

  3.1断路器3的电流保护整定计算和校验.............................11

4保护3和4的距离保护的配置.......................................12

  4.1断路器3的距离保护整定计算和校验.............................12

      4.1.1保护3距离保护段整定计算和校验.......................12

      4.1.2保护3距离保护段整定计算和校验.......................12

      4.1.3保护3距离保护段整定计算和校验......................14

  4.2断路器4的距离保护整定计算和校验.............................15

      4.2.1保护4距离保护段整定计算和校验........................15

  4.3距离保护的评价..............................................16

5保护3和4的零序电流保护的配置...................................17

  5.1断路器3零序电流保护的配置...................................17

      5.1.1保护3零序电流保护段的整定计算和校验..................17

      5.1.2保护3零序电流保护段的整定计算和校验..................18

  5.2断路器4零序电流保护的配置....................................22

      5.2.1保护4零序电流保护段的整定计算和校验..................22

  5.3对零序电流保护的评价.........................................23

结束语............................................................24

参考文献...........................................................25

引言

  电力系统的继电保护对于电力系统的运行非常重要，能够有力的保证电力系统的安全运行。电力系统继电保护在本学期作为一门专业重要的必修课，包含了理论学习以及继电保护课程设计。继电保护课程设计能够促进加深我们对理论知识的理解及应用，是不可缺少的。在输送电能的过程中,电力系统希望线路有比较好的可靠性,因此在电力系统受到外界干扰时,保护线路的各种继电装置应该有比较可靠的、及时的保护动作,从而切断故障点极大限度的降低电力系统供电范围。电力系统继电保护就是为达到这个目的而设置的，其未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化的发展。本次设计中，需确定线路的3、4保护的保护方式；各段保护整定值及灵敏度；绘制保护1的接线图；撰写说明书，包括短路计算过程、结果和保护方式的选择及整定计算结果。希望通过本次设计，能够提高自身的水平，理论应用能力。

1 继电保护介绍

 1.1继电保护的基本任务

(1) 自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他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(如有无经常值班人员)而动作于信号，以便值班员及时处理，或由装置自动进行调整，或将那些继续运行就会引起损坏或发展成为事故的电气设备予以切除。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，以免暂短地运行波动造成不必要的动作和干扰而引起的误动。

(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，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。

 1.2继电保护的基本要求

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。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，而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可以降低。

   （1）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：要求继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动。

信赖性：要求继电保护在规定的保护范围内发生了应该动作的故障时可靠动作，即不拒动。

继电保护的误动作和拒动作都会给电力系统带来严重危害。即使对于相同的电力元件，随着电网的发展，保护不误动和不拒动对系统的影响也会发生变化。

   （2）选择性

选择性就是指当电力系统中的设备或线路发生短路时，其继电保护仅将故障的设备或线路从电力系统中切除，当故障设备或线路的保护或断路器拒动时，应由相邻设备或线路的保护将故障切除。

   （3）速动性

速动性是指继电保护装置应能尽快地切除故障，以减少设备及用户在大电流、低电压运行的时间，降低设备的损坏程度，提高系统并列运行的稳定性。

一般必须快速切除的故障有：

  ①使发电厂或重要用户的母线电压低于有效值(一般为0.7倍额定电压)。

  ②大容量的发电机、变压器和电动机内部故障。

  ③中、低压线路导线截面过小，为避免过热不允许延时切除的故障。

  ④可能危及人身安全、对通信系统造成强烈干扰的故障。

故障切除时间包括保护装置和断路器动作时间，一般快速保护的动作时间为0.04s～0.08s，最快的可达0.01s～0.04s，一般断路器的跳闸时间为0.06s～0.15s，最快的可达0.02s～0.06s。

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。

   （4）灵敏性

灵敏性是指电气设备或线路在被保护范围内发生短路故障或不正常运行情况时，保护装置的反应能力。

能满足灵敏性要求的继电保护，在规定的范围内故障时，不论短路点的位置和短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻，都能正确反应动作，即要求不但在系统最大运行方式下三相短路时能可靠动作，而且在系统最小运行方式下经过较大的过渡电阻两相或单相短路故障时也能可靠动作。

系统最大运行方式：被保护线路末端短路时，系统等效阻抗最小，通过保护装置的短路电流为最大运行方式；

系统最小运行方式：在同样短路故障情况下，系统等效阻抗为最大，通过保护装置的短路电流为最小的运行方式。

保护装置的灵敏性是用灵敏系数来衡量。

以上四个基本要求是设计、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是相互联系的，但往往又存在着矛盾。因此，在实际工作中，要根据电网的结构和用户的性质，辩证地进行统一。

 1.3继电保护的组成

成套保护装置要包括一些基本功能元件才能完成继电保护的任务，这些功能元件可以是一种继电器、一块电路板，也可以是其他电子部件，但都要完成一些基本功能。

   （1）信号采集或信号转换功能

它要把电力系统的运行状态及时和真实地反映给保护装置。因为电力系统的一次侧的电压很高在完成信号转换时要把电压降到保护装置能接受的电压，额定电压定为100V，也要把一次侧的电流降下来，额定电流为5A或1A。这种降下来的电压和电流称为二次电压和二次电流。完成这种功能的元件是电压互感器和电流互感器（PT、CT）。

   （2）启动测量元件

它的功能是对电力系统运行状态的测定直接接在PT、CT的次级，只有在故障和不正常状态时才启动，一般是电流值突然增大或电压值突然下降。这种电流增大电压降低在事先定好一个水平或叫阀值，超过这个阀值才启动。这里讲的事先定好术语叫整定。按照电流电压值变化而启动的元件用的很普遍，较复杂的保护有用功率、相角、阻抗、相序变化（包括正序、负序、零序电流和电压变化）而启动的，也有用高频信号远方启动的。

   （3）判断逻辑元件

它的功能是把启动测量元件送来的信号经过逻辑判断以检出是否故障或异常运行状态，得出是否行使保护职责的结论。完成逻辑判断功能的元件在机电式和整流式保护中可以由一些中间继电器、电码继电器和时间继电器按照一定的接线方案组成。在晶体管和集成电路保护中则是由一些电子线路组成的功能插板完成。在微处理机保护中则是用软件系统的智能程序来完成。

   （4）出口元件

它接受逻辑判断元件信号，发出出口指令，指令可以是声光显示信号叫值班人员前来处理，也可以是跳闸信号使断路器切除故障，使断路器跳闸的电流必须足够大。

   （5）断路器

这是接在电力线上的一次设备，它动作了就把电力线切断，从而完成了对故障的切除。断路器的跳闸线圈是由继电保护装置控制着，断路器还有一个合闸线圈，除可以手动合闸外，还可以由重合闸装置进行重合闸。

 1.4继电保护的分类

    继电保护可按以下4种方式分类。

   （1）按被保护对象分类，有输电线保护和主设备保护(如发电机、变压器、母线、电抗器、电容器等保护)。

   （2）按保护功能分类，有短路故障保护和异常运行保护。前者又可分为主保护、后备保护和辅助保护；后者又可分为过负荷保护、失磁保护、失步保护、低频保护、非全相运行保护等。

   （3）按保护装置进行比较和运算处理的信号量分类，有模拟式保护和数字式保护。一切机电型、整流型、晶体管型和集成电路型（运算放大器）保护装置，它们直接反映输入信号的连续模拟量，均属模拟式保护；采用微处理机和微型计算机的保护装置，它们反应的是将模拟量经采样和模/数转换后的离散数字量,这是数字式保护。

   （4）按保护动作原理分类，有过电流保护、低电压保护、过电压保护、功率方向保护、距离保护、差动保护、纵联保护、瓦斯保护等。

 1.5继电保护配置原则

继电保护配置方式要满足电力网结构和厂站的主接线的要求，并考虑电力网和厂站的运行方式的灵活性。所配置的继电保护装置应能满足可靠性、选择性、灵敏性和速动性的要求。

   （1）要根据保护对象的故障特征来配置。

    继电保护装置是通过提取保护对象表征其运行状况的故障量，来判断保护对象是否存在故障或异常工况并采取相应的措施的自动装置。用于继电保护状态判别的故障量，随被保护对象而异，也随电力系统周围条件而异。使用最普遍的工频电气量，而最基本的是通过电力元件的电流和所在母线的电压以及由这些量演绎出来的其它量，如功率、序相量、阻抗、频率等，从而构成电流保护、电压保护、方向保护、阻抗保护、差动保护等。

   （2）根据保护对象的电压等级和重要性。

    不同电压等级的电网的保护配置要求不同。在高压电网中由于系统稳定对故障切除时间要求比较高，往往强调主保护，淡化后备保护。220kV及以上设备要配置双重化的两套主保护。所谓主保护即设备发生故障时可以无延时跳闸，此外还要考虑断路器失灵保护。对电压等级低的系统则可以采用远后备的方式，在故障设备本身的保护装置无法正确动作时相邻设备的保护装置延时跳闸。

   （3）在满足安全可靠性的前提下要尽量简化二次回路。

继电保护系统是继电保护装置和二次回路构成的有机整体，缺一不可。二次回路虽然不是主体，但它在保证电力生产的安全，保证继电保护装置正确工作发挥重要的作用。但复杂的二次回路可能导致保护装置不能正确感受系统的实际工作状态而不正确动作。因此在选择保护装置是，在可能条件下尽量简化接线。

   （4）要注意相邻设备保护装置的死区问题

    电力系统各个元件都配置各自的保护装置不能留下死区。在设计时要合理分配的电流互感器绕组，两个设备的保护范围要有交叉。同时对断路器和电流互感器之间的发生的故障要考虑死区保护。

2 电网元件参数计算及负荷电流计算

 2.1基准值选择

  基准容量： 

  基准电压： 

  基准电流： 

  基准电抗： 

  电压标幺值： 

 2.2电网元件等值电抗计算

    线路的正序电抗每公里均为0.4Ω/kM；负序阻抗等于正序阻抗；零序阻抗为1.2Ω/kM；线路阻抗角为80º。

表格2.1系统参数表

  （1）线路AB等值电抗计算：

   正序电抗： 

     标幺值:        

   零序阻抗： 

     标幺值: 

  （2）线路BC等值电抗计算：

   正序电抗： 

     标幺值:        

   零序阻抗： 

     标幺值: 

  （3）线路AC等值电抗计算：

   正序电抗： 

     标幺值:        

   零序阻抗： 

     标幺值: 

  （4）线路CS等值电抗计算：

   正序电抗： 

     标幺值:        

   零序阻抗： 

     标幺值: 

  2.2.2变压器与发电机等值电抗计算

  （1）变压器等值电抗计算：

  （2）变压器等值电抗计算：

  （3）变压器等值电抗计算：

  （4）发电机等值电抗计算：

  2.2.3通过断路器3的最大负荷电流

   当线路退出运行时，由输电线路向甲乙两个变电所供电时断路器3和断路器4上流过最大负荷电流。

表格2.2等值电抗计算结果表

    根据保护的配置原则：优先选择机构简单可靠，动作迅速的电流保护。如果电流保护无法满足电力系统的保护要求再考虑配置距离保护和零序电流保护做后备保护。

 3.1断路器3的电流保护段整定计算和校验

  （1）动作电流

    对输电线路，按照躲开下一条线路出口处短路可能出现的最大短路电流值进行整定计算。及躲开C母线处短路的最大短路电流。在最大运行方式下，断路器B断开为开环运行，三台发电机同时运行，与系统S断开联系。   

           取

  （2）保护范围校验

      （不满足条件）

    根据校验计算结果可知，电流速断保护不能满足保护要求。分析原因可知，AC线路太短不适合配置电流保护。因此我放弃进行电流保护配置的整定计算，选择给断路器3和4进行配置距离保护，并辅助零序电流保护。

4 保护3和4的距离保护的配置

 4.1断路器3的距离保护整定计算和校验

图4.1电网的等效电抗路图

    查询资料：取, ,（有变压器时取）

              ,

  4.1.1保护3距离保护段整定计算和校验

  （1）动作阻抗

对输电线路配置距离保护段，按照躲开本线路末端短路时的测量阻抗进行整定计算。

  （2）动作时限

    （离保护段实际动作时间由保护装置和断路器固有动作时间决定）

  4.1.2保护3距离保护段整定计算和校验

  （1）动作阻抗按照如下条件进行配置

①按照与相邻线路保护7距离保护段相配合进行整定计算

 此时分支系数

    ②按照与相邻线路保护5距离保护段相配合进行整定计算

 此时分支系数                                    

③按照与相变压器低压侧短路配合进行整定计算

     此时取

 此时分支系数                                    

     综上所述：取以上三个整定值的最小值为距离保护段整定值

             即

  （2）灵敏度校验

       (满足灵敏度要求)

  （3）动作时限

 能同时满足与相邻线路BC和变压器保护的配合要求。

  4.1.3保护3距离保护段整定计算和校验

  （1）整定阻抗

     按照躲开最小负荷阻抗进行整定。

 因为距离保护采用的为方向阻抗继电器故：

 取

  （2）灵敏度校验

①本线路末端短路时的灵敏度系数

（满足要求）

②相邻线路末端短路时的灵敏度系数

 要满足

 当线路CS末端短路时

（满足要求） 

 当发电机为最最小运行方式，系统S为最大运行方式可求出最大分支系数

 相邻线路CB末端短路时：

（满足要求）

 相邻变压器低压侧短路时：

（满足要求）

  （3）动作时间

     由于乙变电所出口后备保护动作时间为

     故： 

 4.2断路器4的距离保护整定计算和校验

  4.2.1保护4距离保护段整定计算和校验

  （1）动作阻抗

 对输电线路配置距离保护段，按照躲开本线路末端短路时的测量阻抗进行整定计算。

  （2）动作时间

     （离保护段实际动作时间由保护装置和断路器固有动作时间决定）

     由于相对断路器4没有下一级输电线路，故保护3就不需要进行第段和第段的整定计算。

 4.3距离保护的评价

  （1）优点

 能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求；阻抗继电器是同时反应电压的降低与电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。其中Ⅰ段距离保护基本不受运行方式的影响，而Ⅱ、Ⅲ段仍受系统运行方式变化的影响，但比电流保护要小些，保护区域和灵敏度比较稳定。

  （2）缺点

 不能实现全线瞬动。对双侧电源线路，将有全线的30%～40%以第Ⅱ段时限跳闸，这对稳定性有较高要求的超高压远距离输电系统来说是不能接受的；阻抗继电器本身较复杂，还增设了振荡闭锁装置，电压断线闭锁装置，因此，距离保护装置调试比较麻烦，可靠性也相对低些。

表4.1保护3和4距离保护的配置结果表

 5.1断路器3零序电流保护的配置

     在配置继电保护的时候，我们首先考虑配置距离保护作为主保护，再辅以零序电流保护。在最大运行方式下（三台发电机同时运行，系统处在开环运行），系统也处在最大运行方式下，在各个线路末端短路情况下，电网的等效电路图如下图所示。

图5.1电网的等效电路图

     系统中所有变压器的接线方式为接线且中性点直接接地，取变压器的零序电抗与正序电抗一样，且等效系统S也是直接接地系统。

  5.1.1保护3零序电流保护段的整定计算和校验

  （1）保护3零序电流保护段的整定计算

     按照躲开下一级线路出口处单相或者两相接地短路时，可能出现的最大零序短路电流进行整定计算。       

图5.2处发生短路时的零序等值网图

             （取）

  （2）动作时间

      （取一段延时,以方便躲开断路器三相不同期合闸的时间）

  5.1.2保护3零序电流保护段的整定计算和校验

  （1）处发生接地短路时与保护5零序段相配合

图5.3处接地短路时零序等值网图

    ①处发生接地短路零序电流段整定计算

     （取）

           （取） 

     ②处发生接地短路灵敏度校验

            （满足要求）

  （2）处发生接地短路时与保护7零序段相配合

图5.4处接地短路时零序等值网图

     ①处发生接地短路零序电流段整定计算

           （取）

           （取）

     ②处发生接地短路灵敏度校验

            （满足要求）

      故：选择电流较大值作为保护3零序电流保护的整定值

      及： 

  （3）动作时间

      （这样可以保障各段零序保护的动作时间相匹配）

   由于第一点：根据任务书的资料，无法计算最大不平衡电流。

       第二点：接地短路零序电流保护为距离保护的辅助保护。

   故：我没有继续做零序电流的第的整定计算。

 5.2断路器4零序电流保护的配置

  5.2.1保护4零序电流保护段的整定计算和校验

   （1）当处发生接地短路时

图5.5处发生接地短路零序等值网图

   （2）电流保护段的整定计算

              （取）

  （3）动作时间

       （取一段延时,以方便躲开断路器三相不同期合闸的时间）

     由于断路器4没有下一级输电线路，故不需要对保护4进行零序电流的第段和第段进行整定计算。

表5.1保护3和4零序电流保护的配置结果表

零序电流保护通常由多段组成，一般是四段式，并可根椐运行需要增减段数。为了某些运行情况的需要，也可设置两个一段或二段，以改善保护的效果。接地距离保护的一般是二段式，一般都是以测量下序阻抗为基本原理。接地距离保护的保护性能受接地电阻大小的影响很大。

当线路配置了接地距离保护时，根椐运行需要一般还应配置阶段式零序电流保护。特别是零序电流保护中最小定值的保护段，它对检测经较大接地电阻的短路故障较为优越。因此，零序电流保护不宜取消，但可适当减少设置的段数。

零序电流保护和接地距离保护一般按阶梯特性构成，其整定配合遵循反映同种故障类型的保护上下级之间必须相互配合的原则，主要考虑与相邻下一级的接地保护相配合；当装设接地短路故障的保护时，则一般在同原理的保护之间进行配合整定。

结束语

为期两周的继电保护课程的课程设计，在完成过程中遇到了许多问题与困难，最终能够完成要感谢老师帮助与指导以及同学之间的探讨交流。此设计是针对与110KV 电网在不同运行方式以及短路故障类型的情况下进行的分析计算和整定的，因此它可保护发生上述各种故障和事故时的系统网络，在设计思路中紧扣了继电保护的四要求：速动性、灵敏性、可靠性以及选择性。设计内容里不仅包含了线路保护，对与变压器和机组的保护也阐述了部分观点。

此次设计由于本人的知识面狭窄、认识浅陋，着手设计时遇到了很大的困难，如概念模糊、思路混杂，不知从何着手等问题。在自己通过老师帮助与查询资料的方式理清思路之后，形成了初步的设计构思，对课题便有了更深一层次的理解和体会，从而抓住了方向和要点，进行多方面的选材和总结。在列出大纲和初步完成稿件之后，为证实自己对课题理解的正确性，期间进行了多方面的查找和询问，进一步的巩固了自己的知识、开阔了视野、增张了见识。最终完成此次课程设计，最后再次感谢老师的指导与帮助。

参考文献

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