电力系统继电保护原理课程设计-110kV电网距离保护设计

辽宁工程技术大学

 电力系统继电保护原理  课程设计

  设 计 题 目     110kV电网距离保护设计   

  指 导 教 师                        

  院（系、部）     电气与控制工程学院      

  专 业 班 级                  

  学       号                    

  姓       名                       

  日       期         2015年1月24日      

课程设计成绩评定表

课 程 设 计 任 务 书

一、设计题目

    110kV电网距离保护设计

二、设计任务

    根据所提供的110kV系统接线图及原始参数，完成以下设计任务：

    1. 线路上各保护的运行方式；

    2. 相间距离保护的配置和整定；

    3. 接地距离保护的配置和整定；

    4. 系统中线路上发生各种短路时保护的动作情况。

三、设计计划

    本课程设计时间为一周，具体安排如下：

    第1天：查阅相关材料，熟悉设计任务

    第2天：线路上各保护的运行方式分析

    第3天：配置相间距离保护

    第4天：配置接地距离保护

    第5天：线路上发生各种短路时保护的动作情况分析

    第6天：整理设计说明书

    第7天：答辩

四、设计要求

    1. 按照设计计划按时完成，设计成果包括：设计说明书一份

    2. 设计说明书凡有雷同者，均视为不合格，包括在答辩结束完成后被发现的情形

    3. 不参加答辩者，视为自愿放弃成绩

   指 导 教师： 

                                                       教研室主任： 

                                                       时     间：2015年 1月19日

原始数据

系统接线图如下图所示，发电机以发电机—变压器组方式接入系统，最大开机方式为4台机全开，最小开机方式为两侧各开1台机，变压器T5和T6可能2台也可能1台运行。参数如下：

    Eϕ = 115/kV，X = X = X = X = 15Ω，

    X = X = X = X = 10Ω，X ~ X = 10Ω，X ~ X = 30Ω，

    X = X = 20Ω，X = X = 40Ω，LAB = 60km，LBC = 40km，

    线路阻抗z1 = z2Ω/km，z0Ω/km，I = I = 300A，

    Kss = 1.2，Kre = 1.2，KIrel = 0.85，KIIrel = 0.75，KIIIrel

    负荷功率因数角为30︒，线路阻抗角均为75︒，变压器均装有快速差动保护。

图  110kV电网系统接线图

    设计要求：

        1. 分析线路AB和BC上的保护1 ~ 4的最大和最小运行方式；

        2. 为了快速切除线路AB和BC上发生的各种短路（包括相间短路和接地短路），对保护1 ~ 4进行相间距离保护和接地距离保护整定；

        3. 画出各个保护的动作特性，并对系统中线路上发生各种短路时保护的动作情况进行分析。

摘  要

电力作为当今社会的重要能源,对国民经济的发展和人民生活水平的提高起着不容忽视的重要作用。电力系统是由电能的产生、输送、分配和使用四个环节共同组成的一个系统。基于电力在现代社会中的重要性,则对电力的维护就显得格外重要。而对电力维护起重要作用的继电保护,则是电力系统能否正常工作的关键。电力系统继电保护技术作为一种主要的保护手段,有利于提高了系统运行的可靠性。因此,研究电力系统继电保护技术的现状与发展具有十分重要的现实意义。鉴于此,对电力系统继电保护技术的现状与发展进行了初步探讨。电力系统继电保护技术的现状就目前而言,电力系统继电保护技术的发展现状主要呈现两个方面的特征,一方面是我国电力系统继电保护技术起步较晚,发展迅速;另一方面是指微型继电,不断发展,其具体内容如下。起步较晚发展迅速电力系统继电保护主要研究电力系统故障和危及安全运行的异常工况,国内的研究开始于20世纪70年代后期,起步较晚,但发展迅速。

继电保护的任务就是在系统运行过程中发生故障（三相短路、两相短路、单相接地等）和出现不正常现象时（过负荷、过电压、低电压、低周波、瓦斯、超温、控制与测量回路断线等），能够自动、迅速、有选择性且可靠的发出跳闸命令将故障切除或发出各种相应信号，从而减少故障和不正常现象所造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证电力系统安全稳定的运行。

关键词：继电保护；距离保护

1 前言

随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行、故障期间以及故障后的恢复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。电力系统继电保护一次泛指继电保护技术和由各种继电保护装置组成的继电保护系统，包括继电保护的原理设计、配置、整定、调试等技术，也包括由获取电量信息的电压、电流互感器二次回路，经过继电保护装置的断路器跳闸线圈的一般套具体设备，如果需要利用通信手段传送信息，还包括通信设备。

电网继电保护的选择原则是:首先满足继电保护的四项基本要求,即选择性、速动性、灵敏性、可靠性。然后，根据各类保护的工作原理、性能并结合电网的电压等级、网络结构及接线方式等特点进行选择，使它们能有机的配合起来，构成完善的电网保护。如果电网保护得不合理，继电保护不仅不能保证电力系统的安全稳定运行，反而成为系统不能安全稳定运行的因素。所以，配置合理的保护方案是十分重要的。

在选择具体电网的继电保护装置时，在满足保护四项基本要求的前提下，应力求采用简单的保护装置。只有在采用简单的保护不能满足要求时，才考虑采用较为复杂的保护。因为，复杂的保护不仅价格昂贵，运行维护和调试复杂，而且更主要的是复杂保护所需要元件多、接线复杂，这就增加了保护装置本身故障的机率，从而降低了可靠性。

在距离保护中应满足以下四个要求，即可靠性、选择性、速动性和灵敏性。这几个之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力原件的继电保护。充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、稳定性和经济性发挥最大效能。

这次课程设计以最常见的110KV电网线路保护设计为例进行分析设计，要求对整个电力系统及其自动化专业方面的课程有综合的了解。特别是对继电保护、电力系统、电路、发电厂的电气部分有一定的研究。重点进行了相间距离保护和接地距离保护的分析，继电保护中距离保护、最大和最小运行方式的具体计算。

2 运行方式分析

2.1 保护1最大运行方式和最小运行方式的分析

图2.1 保护1的最大运行方式

（1）保护1的最大运行方式分析

保护1的最大运行方式就是指流过保护1的电流最大即G1、G2两个发电机共同运行，而变压器T1、T2都同时运行的运行方式，则

式中为保护安装处到系统等效电源之间的最小阻抗。

式中为流过保护1的最大短路电流。

（2）保护1的最小运行方式分析。

保护1的最小运行方式就是指流过保护1的电流最小即是在G1和G2只有一个工作，变压器T1、T2中有一个工作时的运行方式，则

式中为保护安装处到系统等效电源之间的最大阻抗。

式中为流过保护1的最小短路电流。

2.2 保护2最大运行方式和最小运行方式的分析

图2.2 保护2的最大运行方式

(1)保护2的最大运行方式分析

保护2最大运行方式就是指流过保护2的电流最大即两个发电机共同运行，则 

式中为流过保护2的最大短路电流。

（2）保护2的最小运行方式分析。

保护2的最小运行方式就是指流过保护2的电流最小即是在G3和G4只有一个工作时运行方式，则

式中为流过保护2的最小短路电流。

2.3 保护3最大运行方式和最小运行方式的分析

图2.3 保护3的最大运行方式

（1）保护3的最大运行方式分析

保护3的最大运行方式就是指流过保护3的电流最大即两个发电机共同运行，则

式中为流过保护3的最大短路电流。

(2)保护3的最小运行方式分析。

保护3的最小运行方式就是指流过保护3的电流最小即是在G1和G2只有一个工作时的运行方式，则

式中为流过保护3的最小短路电流。

2.4 保护4最大运行方式和最小运行方式的分析

图2.4 保护4的最大运行方式

（1）保护4的最大运行方式分析。

保护4的最大运行方式就是指流过保护4的电流最大即两个发电机共同运行，而变压器T5、T6都同时运行的运行方式，则

式中为流过保护3的最大短路电流。

（2）保护4的最小运行方式分析。

保护4的最小运行方式就是指流过保护4的电流最小即是在G3和G4只有一个工作，变压器T3、T4中有一个工作时的运行方式，则

式中为流过保护4的最小短路电流。

3 相间距离保护的配置和整定

3.1 保护1的配置和整定

图3.1 保护1距离保护的定性分析图

保护1的第I段整定

(1) 保护1的I段的整定阻抗为

式中为保护1距离的I段的整定阻抗；为被保护线路的长度；为被保护线路单位长度的正序阻抗；为可靠系数。

(2) 动作时间：               

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

保护1的第Ⅱ段整定

(1) 整定阻抗：按下面两个条件选择。

①当与相邻下级线路距离保护I段相配合时，

式中为保护3距离I段的整定阻抗；为被保护线路的长度。

式中为保护1距离II段的整定阻抗；为线路保护的可靠系数。

于是得             

②当与相邻变压器的快速保护相配合时，

由于与变压器配合整定阻抗过小，无法满足变压器的远后备保护，故舍去。

（2）灵敏度校验：

                             满足要求

（3）动作时限：            

保护1的第Ⅲ段整定

（1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。

式中为保护1距离III段的整定阻抗；为可靠系数。

当与相邻下级变压器的配合整定时，

（2）灵敏度校验：

①本线路末端短路时灵敏系数：

                               满足灵敏度要求。

②相邻变压器末端短路时灵敏系数：

                           不满足要求。

由于保护1的III段无法做T5、T6的远后备保护，故舍去。

（3）动作时限：           

3.2 保护2的配置和整定

保护2的第I段整定

（1）保护2的I段的整定阻抗为

式中为保护2距离的I段的整定阻抗。

（2）动作时限：                 

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

保护2的第Ⅲ段整定

（1）保护2的III段的整定阻抗为

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。

（3）灵敏度校验：

本线路末端短路时灵敏系数：     满足要求。

（3）动作时限：          

3.3 保护3的配置和整定

保护3的第I段整定

（1）保护3的I段的整定阻抗为 

式中为保护3距离I段的整定阻抗；为被保护线路的长度。

（2）动作时间：               

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

保护3的第Ⅲ段整定

（1）保护2的III段的整定阻抗为

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。

（2）灵敏度校验: 

本线路末端短路时灵敏系数：        满足要求。

（3）动作时限：           

3.4 保护4的配置和整定

保护4的第I段整定

（1）保护4的I段的整定阻抗为 

式中为保护4距离I段的整定阻抗。

（3）动作时间：                 

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

保护4的第Ⅱ段整定

（1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

①当与相邻下级线路距离保护I段配合时，

式中为保护2距离I段的整定阻抗；

式中为保护4距离II段的整定阻抗；为线路保护的可靠系数。

 于是得

②当与相邻变压器的快速保护相配合时，

     选取最小的                   

（2）灵敏度校验：

                                     满足灵敏度要求。

（4）动作时限：           

与相邻保护2的I段配合，它能同时满足与相邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。

保护4的第Ⅲ段整定

（1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。  

式中为保护4距离III段的整定阻抗；为可靠系数。

按与相邻下级变压器的配合整定时，

（2）灵敏度校验：

①本线路末端短路时灵敏系数：

                               满足灵敏度要求。

②相邻变压器末端短路时灵敏系数：

                           不满足要求。

由于保护4的III段无法做T5、T6的远后备保护，故舍去。

（2）动作时限：     

4接地距离保护的配置和整定

4.1 保护1的配置和整定

图4.1 保护1接地阻抗II段的等值电路图

保护1的第I段整定

（1）保护1的I段的整定阻抗为

式中为保护1距离的I段的整定阻抗；为被保护线路的长度；为被保护线路单位长度的正序阻抗；为可靠系数。

（2）动作时间：             

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

保护1的第Ⅱ段整定

（1）整定阻抗：当与相邻下级线路距离保护I段相配合时，

式中为保护3距离I段的整定阻抗；为被保护线路的长度。

式中为保护1距离II段的整定阻抗；为线路保护的可靠系数。

于是得

（3）灵敏度校验：                          满足要求。

（3）动作时限：        

保护1的第Ⅲ段整定

（1）按下面两个条件选择，整定阻抗：

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。

式中为保护1距离III段的整定阻抗；为可靠系数。

按与相邻下级线路距离保护III段配合整定时，

选最小的

（2）灵敏度校验： 

①本线路末端短路时灵敏系数：

                           满足灵敏度要求。

②相邻变压器末端短路时灵敏系数：

                     满足要求。

（3）动作时限：         

4.2 保护2的配置和整定

保护2的第I段整定

（1）保护2的I段的整定阻抗为

式中为保护2距离的I段的整定阻抗。

（3）动作时限：              

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

保护2的第Ⅲ段整定

（1）保护2的III段的整定阻抗为

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。

（2）灵敏度校验： 

本线路末端短路时灵敏系数：

                                     满足要求。

（4）动作时限：        

4.3 保护3的配置和整定

保护3的第I段整定

（1）保护3的I段的整定阻抗为 

式中为保护3距离I段的整定阻抗；为被保护线路的长度。

（2）动作时间：              

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

保护3的第Ⅲ段整定

（1）保护2的III段的整定阻抗为

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。

（2）灵敏度校验： 

本线路末端短路时灵敏系数：

                                     满足要求。

（4）动作时限：        

4.4 保护4的配置和整定

图4.4 保护4接地阻抗II段的等值电路图

保护4的第Ⅰ段整定

（1）保护4的I段的整定阻抗为 

式中为保护4距离I段的整定阻抗。

（2）动作时间：             

第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间。

 保护4的第Ⅱ段整定

（1）整定阻抗：当与相邻下级线路距离保护I段配合时，

式中为保护2距离I段的整定阻抗。

于是得

（2）灵敏度校验：                     满足灵敏度要求。

（3）动作时限：        

保护4的第Ⅲ段整定

（1）按下面两个条件选择，整定阻抗：

按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

式中为最小负荷阻抗，为正常运行母线电压的最低值，为被保护线路最大负荷电流。

式中为保护4距离III段的整定阻抗；为可靠系数。

按与相邻下级线路距离保护III段配合整定时，

选最小的

（2）灵敏度校验：

①本线路末端短路时灵敏系数：

                           满足灵敏度要求。

②相邻变压器末端短路时灵敏系数：

满足要求。

（3）动作时限：    

5 线路上短路时保护的动作情况分析

图5.1 线路短路点分析图

注释：点a:线路AB上保护2的I段

      点b:线路AB上保护1的I段

      点c:线路BC上保护4的I段

      点d:线路BC上保护3的I段

5.1 线路AB上发生相间短路时各保护的动作情况

当线路发生相间短路时，继电器的动作情况根据测量阻抗落在线路中各段可以分为如下三种情况：

（1）测量阻抗落在内，相间继电器1或者相间继电器2的距离III段动作。

（2）测量阻抗落在内，相间继电器1或相间继电器2动作。

（3）测量阻抗落在内，相间继电器2或相间继电器1的距离II或III段动作。

5.2 线路AB上发生接地短路时各保护的动作情况

当线路发生相间短路时，继电器的动作情况根据测量阻抗落在线路中各段可以分为如下三种情况：

（1)测量阻抗落在内，接地继电器1或者接地继电器2的距离III段动作。

（2)测量阻抗落在内，接地继电器1或接地继电器2动作。

（3)测量阻抗落在内，接地继电器2或接地继电器1距离II或III段动作。

5.3 线路BC上发生相间短路时各保护的动作情况

当线路发生相间短路时，继电器的动作情况根据测量阻抗落在线路中各段可以分为如下三种情况：

（1）测量阻抗落在内，相间继电器3或者相间继电器4的距离III段动作。

（2）测量阻抗落在内，相间继电器3或接地继电器4动作。

（3）测量阻抗落在内，相间继电器4或接地继电器3距离II或III段动作。

5.4 线路BC上发生相间短路时各保护的动作情况

当线路发生接地短路时，继电器的动作情况根据测量阻抗落在线路中各段可以分为如下三种情况：

（1）测量阻抗落在时接地继电器3或者接地继电器4的距离III段动作。

（2）测量阻抗落在时接地继电器3或接地继电器4动作。

（3）测量阻抗落在时接地继电器4或接地继电器3距离II或III段动作。

6 结论

本次设计是针对与110KV电网在不同短路故障类型的情况下进行的分析计算和整定的，根据实际工程经验，由于阻抗继电器同时反映与电压的降低和电流的增大而动作，因此距离保护较电压、电流保护具有较高的灵敏度，此外距离保护I段不受系统运行方式变化的影响，其他两段受影响也比较小，保护范围也比较稳定，所以采用距离保护的三段式保护对电网进行保护。在分析相间距离保护的配置和整定以及接地距离保护的配置和整定时，清楚地了解到两者的内在区别与联系，相间距离保护无零序电流通过，而接地距离保护要考虑分支系数，注意它的最大最小值在整定时和灵敏性校验时所起到的作用。最后，在分析线路上短路时保护的动作情况时，要清楚的理解概念，假设短路点的位置，从而判定保护之间的配合动作情况。通过具体的整定的计算发现距离保护的三段式保护能满足要求。

通过对最大最小运行方式的分析，清楚了解到对于整定时他们所起到的作用。在分析相间距离保护的配置和整定以及接地距离保护的配置和整定时，清楚地了解到两者的内在区别与联系，相间距离保护无零序电流通过，而接地距离保护要考虑分支系数，注意它的最大最小值在整定时和灵敏性校验时所起到的作用。最后，在分析线路上短路时保护的动作情况时，要清楚的理解概念，假设短路点的位置，从而判定保护之间的配合动作情况。

通过此次距离保护的课程设计让我对于距离保护的概念与应用有了进一步的了解，对于今后的毕业设计以及工作后的理论学习奠定了一定的基础。

参考文献

[3] 李光琦.电力系统暂态分析.第三版.北京：中国电力出版社，2007