[工学]继电保护课程设计正文

中北大学信息与通信工程学院电力系统自动化继电保护课程设计引言电力系统继电保护作为电气工程及其自动化专业的一门主要课程,主要包括课堂讲学、课程设计等几个主要部分。在完成了理论的学习的基础上，为了进一步加深对理论知识的理解，本专业特安排了本次课程设计。电能是现代社会中最重要、也是最方便的能源。而发电厂正是把其他形式的能量转换成电能，电能经过变压器和不同电压等级的输电线路输送并被分配给用户，再通过各种用电设备转换成适合用户需要的其他形式的能量。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。其中短路电流的计算和电气设备的选择是本设计的重点。通过此次线路保护的设计可以巩固我们本学期所学的电力系统继电保护这一课程的理论知识，能提高我们提出问题、思考问题、解决问题的能力。1 110KV线路继电保护和自动装置的配置1.1 保护装置的配置1.1.1主保护的配置由系统可知110KV线路配置有众联保护，全线路上任意点故障都能快速切除。保证系统稳定安全运行。1.1.2后备保护的配置考虑保护性能优越性：110线路应该配距离保护，但是距离保护复杂而且价格昂贵，维护困难。考虑经济的优越性：可以尝试配三段式电流保护，同时由于系统是环网运行，相当于双电源运行一定要加方向元件。在110KV等级电力网络中，三段式电流保护可能在系统最小运行方式下没有保护范围，如果系统在最小运行方式下运行的几率不大的情况下，而且资金不够的情况下可以尝试三段式电流保护，基本可以保证系统正常运行。考虑系统的运行方式：110KV高压输电网络应该属于大接地电力系统，需要配置零序保护。如上考虑到环网运行，也要加方向元件。保证保护不误动作。结论：继电保护保护装置的配置不是一层不变的，要考虑系统运行情况、经济状况、人员技能、环境影响等等情况，但是电力系统继电保护的基本任务不变：1.自动、迅速、有选择的将故障元件冲系统中切除。2.反应电力设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，动作于发出信号或跳闸。1.2 自动装置配置1.2.1 简述电力系统自动装置是指在电力网中发生故障或异常时起控制作用的设备，主要包括自动重合闸、备用电源自动投入装置、低频减载和失压解列装置等设备，电网中自动装置的型号多、逻辑千变万化，在实际运行中会暴露一些问题。电网中自动装置的配置，需要我们进行全面的考虑。1.2.2系统安全自动装置的配置配置重合闸：在电力系统故障中，打多数故障是输电线路故障。运行经验表明大多数线路故障是“瞬时性”故障，此时，如果把断开的线路在合上，就能恢复正常供电。结论：如图所示：该系统为110KV输电线路系统，按照要求，每一个断路器都应该装有ARD装置，并与继电保护后加速配合形成重合闸后加速保护，保证电力系统最大限度的正常供电。配置备用电源自动投入装置：当线路或用电设备发生故障时，能够自动迅速、准确的把备用电源投入用电设备中或把设备切换到备用电源上，不至于让用户断电的一种装置。结论：如图所示：该系统为110KV输电线路系统，根据系统要求，如果B变电站或C变电站中的两台变压器，为了保证负荷可以长时间的正常运行，应该加入AAT装置。配置低频、低压减载装置：它在电力系统发生事故出现功率缺额使电网频率、电压急剧下降时,自动切除部分负荷,防止系统频率、电压崩溃,使系统恢复正常,保证电网的安全稳定运行和对重要用户的连续供电。结论：如图所示：该系统为110KV输电线路系统，根据当地系统运行状况和系统要求，为了保证系统能够稳定运行，防止系统频率、电压崩溃应该在变电站B、C、D中配置低频、低压减载装置。2 110KV线路继电保护整定计2.1 系统条件：110k单电源环形网络如图所示，已知：（1）线路AB、BC、CA的最大负荷电流分别为230、200、250，负荷的自起动系数；（2）网络中各线路采用带方向或不带方向的电流保护，变压器采用纵联差动保护作为主保护，变压器为，d11接线；（3） 发电厂的最大发电容量为350，最小发电容量为250(发变组停运)；（4）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t0.5s；（5）线路的电抗每公里均为0.4；（6）电压互感器的变比，AB、AC线路电流互感器变比，其它参数如图所示。（把线路AC改为40km） 试确定：（1）保护1、3、5(或2、4、6)的保护方式，以及各保护的二次动作值，校验保护的灵敏系数； （2）画出保护3(或4)的原理接线图2.2 三段式电流保护整定计算1.计算网络参数：选取基准功率B=100MVA和基准电压为VB=115Vav电路图等值图2.2.1 计算BC线路其最大运行方式短路电流 CA线路断开，C端发生短路故障，各序网图如下所示正序负序零序 正序阻抗=0.371=零序阻抗故障点C：三相 化为有名值 两相 化为有名值 单相 化为有名值 两相接地: 化为有名值：2.2.2计算BC线路其最小运行方式短路电流各序网络图如下所示正序 零序转化为星形图化简如下：正序阻抗：=零序阻抗：故障点C短路电流计算如下： 三相 有名值 两相 有名值 单相 有名值 两相接地 = 4.062 有名值：2.3.1计算CA线路其最大运行方式短路电流各序网图如下所示：正序零序正序阻抗:=0.371=零序阻抗：故障点A短路电流计算如下： 三相： 化为有名值 两相 化为有名值 单相 化为有名值 两相接地： = 9.08A 化为有名值： 零序： 计算流过保护安装处的短路电流： 分配系数：单相接地： 两相接地：2.3.2计算CA线路其最小运行方式短路电流各序网图如下所示：正序零序正序阻抗:=零序阻抗：故障点A短路电流计算如下： 三相 化为有名值 两相 化为有名值 单相 化为有名值 两相接地 化为有名值： 计算流过保护安装处的短路电流： 分配系数： 单相接地 两相接地 2.4.1计算AB线路其最大运行方式短路电流各序网图如下所示：正序零序正序阻抗:=零序阻抗：故障点B短路电流计算如下：三相短路：=3.984 A；有名值 =916.33 A； 两相短路： =，有名值=793.57 A； 单相短路：=，有名值=1040.72 A； 两相接地：=4.33 A，有名值=996.10A； 计算流过保护安装处的短路电流： 分配系数： =0.543；单相：=0.5431040.72=565.11A；两相：=0.543996.10=540.88A2.4.2计算AB线路其最小运行方式短路电流各序网图如下所示：正序零序正序阻抗:=零序阻抗：故障点B短路电流计算如下： 三相短路：=3.571A；化为有名值=821.43A； 两相短路：=3.093；化为有名值=711.40A； 单相短路：=4.237，化为有名值=974.58A 两相接地短路：=4.043A，有名值=929.92A； 计算流过保护安装处的短路电流： 分配系数： 单相接地短路：=0.562974.58=547.71A； 两相接地短路：=0.562=522.62A2.3 距离保护整定计算2.3.1电力网相间距离保护的整定计算步骤（1）相间距离保护第段整定计算1）相间距离保护第段的整定值主要是要躲过本线路的末端相间故障。设线路AB首端断路器为1QF,Z则线路AB断路器1QF处的相间距离保护第段的整定值为： （4-1）式中：AB线路首端断路器1QF处相间距离保护第段的整定值； 相间距离保护第段的可靠系数，取0.85； 被保护线路AB的正序阻抗。 2）相间距离保护第段的动作时间为： 3）相间距离保护第段的灵敏度用范围表示，即为被保护线路全长的80%85% （2） 相间距离保护段整定计算1） 按与相邻线路距离保护I段配合整定 （4-2）式中， 被保护线路AB阻抗； 相邻线路相间距离保护I段动作阻抗； 相间距离保护第段可靠系数，取0.80.85； 相间距离保护第段可靠系数，取0.8； 分支系数最小值，为相邻线路第段距离保护范围末端短路时流过故障线电流之比的最小值。 2）与相邻变压器纵差保护配合 （4-3）式中， =0.7 相邻变压器的正序阻抗； 相邻变压器另侧母线，如D母线短路时流过变压器的短路电流与被保护线电流之比的最小值。取所有与相邻元件相间短路保护配合计算值中的最小值为整定值。 3） 相间距离保护第段的动作时间为： =0.5s 4） 相间距离保护第段的灵敏度校验： （4-4） 5） 当不满足灵敏度要求时可与相邻线相间距离保护第段配合。这时有： （4-5）式中， =0.800.85 相邻线路相间距离保护第段的整定值。这时，相间距离保护第的动作时间为： =+式中， 相邻线路相间距离保护第段的动作时间。（3） 相间距离保护段整定计算1）躲过被保护线路的最小负荷阻抗采用方向阻抗继电器 （4-6）式中， 相间距离保护第段可靠系数，取1.21.3； 返回系数，取1.151.25： 自起动系数，取1； 电网的额定相电压； 最大负荷电流； 阻抗元件的最大灵敏角，取。 负荷阻抗角，取。 2）相间距离保护第段动作时间为： 3）相间距离保护第段灵敏度校验： 当作近后备时 （4-7） 当作远后备时 （4-8） 式中， 分支系数最大值。2.3.2.计算网络参数： 2.4距离保护整定计算2.4.1 1QF距离保护整定值计算：距离I段：动作时限：灵敏度校验：,满足灵敏度。距离II段：1)与相邻下级LBC段的一段配合：2) 与相邻变压器和的速断保护相配合 从上数据中选择最小的为距离段动作阻抗即=24.48因K=1.531.3，满足条件保护1距离段动作时限为t=0.5s 距离段: 1)保护1距离段动作阻抗按躲过被保护线路最小负荷阻抗整定,最小负荷阻抗:2）与相邻线路距离保护3第段的配合:取最小值得=35.36,K=,满足要求2.4.2 3QF距离保护整定值计算：（同理）I段：,K=85%,满足灵敏度要求，II段：1）与AC配合 2）与相邻变压器T6配合 =76 取以上两个数据的最小值，则=27.2 灵敏度校验：K=，满足条件。 III段：1）按躲过被保护线路最小负荷阻抗整定, 最小负荷阻抗: 2）与相邻线路距离保护3第段的配合比较以上两个数据取最小值，则=35.9，因为K满足要求,=1.0S。2.4.3 5QF距离保护整定值计算：(同理）I段：. 灵敏度K=85%,满足条件，=0S.II段：1）与AB配合 2）与相邻变压器T1、T2、T3配合 取以上两个数据的最小值，则=23.17 灵敏度校验：K=，不满足条件，当=27.88时，K=1.391.3，故取=27.88.=0.5S III段：1）按躲过被保护线路最小负荷阻抗整定： 最小负荷阻抗: 2）与相邻线路距离保护1第段的配合： 取以上两个数据的最小值，则 =36.58,则K=，满足条件，=1.5S.注意根据设计要求：“系统允许的最大故障切除时间为 0.85s”系统最低等级的后备保护延时时间都已经超过了了1.5S，如果按照阶梯原则配合，不满足设计要求，所以不需要加装三段保护3对电流保护的综合评价3.1 对零序电流保护的评价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。3.2 电流保护的综合评价 电流速断保护只能保护线路的一部分，限时电流速断保护只能保护线路全长，但不能作为下一段线路的后备保护，因此必须采用定时限过电流保护作为本线路和相邻下一线路的后备保护。实际上，供配电线路并不一定都要装设三段式电流保护。比如，处于电网未端附近的保护装置，当定时限过电流保护的时限不大于0.5时，而且没有防止导线烧损及保护配合上的要求的情况下，就可以不装设电流速断保护和限时电流速断保护，而将过电流保护作为主保护。三段式电流保护的主要优点是简单、可靠，并且一般情况下都能较快切除故障。缺点是它的灵敏度受保护方式和短路类型的影响，此外在单侧电源网络中才有选择性。故一般适用于35KV以下的电网保护中。3.3 距离保护的综合评价主要优点：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和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。其中段距离保护基本不受运行方式的影响，而、段受系统运行变化的影响也较电流保护要小一些，保护区域比较稳定。主要缺点：不能实现全线瞬动。对双侧电源线路，将有全线的3040的第段时限跳闸，这对稳定有较高要求的超高压远距离输电系统来说是不能接受的。阻抗继电器本身较长复杂，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。4. 电力网零序电流保护配置与整定计算4.1概述4.1.1零序电流保护的特点中性点直接接地系统中发生接地短路，将产生很大的零序电流分量，利用零序电流分量构成保护，可作为一种主要的接地短路保护。因为它不反映三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。另一方面，零序电流保护仍有电流保护的某些弱点，即它受电力系统运行方式变化的影响较大，灵敏度将因此降低；特别是在短距离的线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。当零序电流保护的保护效果不能满足电力系统要求时，则应装设接地距离保护。接地距离保护因其保护范围比较固定，对本线路和相邻线路的保护效果都会有所改善。零序电流保护接于电流互感器的零序电流滤过器，接线简单可靠，零序电流保护通常由多段组成，一般是三段式，并可根据运行需要而增减段数。为了适应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。4.2 零序电流保护整定计算的运行方式分析4.2.1 接地短路计算的运行方式选择计算零序电流大小和分布的运行方式选择，是零序电流保护整定计算的第一步。选择运行方式就是考虑零序电流保护所能适应的发电机、变压器以及线路变化大小的问题。一般可按下述条件考虑。（1）总的原则是，不论发电厂或是变电所，首先是按变压器设备的绝缘要求来确定中性点是否接地；其次是以保持对该母线的零序电抗在运行中变化最小为出发点来考虑。当变压器台数较多时，也可采取几台变压器组合的方法，使零序电抗变化最小。（2）发电厂的母线上至少应有一台变压器中性点接地运行，这是电力系统过电压保护和继电保护功能所需要的。为改善设备过电压的条件，对双母线上接有多台（一般是四台以上）变压器时，可选择两台变压器同时接地运行，并各分占一条母线，这样在双母线母联短路器断开后，也各自保持着接地系统。（3）变电所的变压器中性点分为两种情况，单侧电源受电的变压器，如果不采用单相重合闸，其中性点因班应不接地运行，以简化零序电流保护的整定计算；双侧电源受电的变压器，则视该母线上连接的线路条数和变压器台数的多少以及变压器容量的大小，按变压器零序电抗变化最小的原则进行组合。4.2.2 流过保护最大零序电流的运行方式选择(1) 单侧电源辐射形电网，一般取最大运行方式，线路末端的变压器中性点不接地运行。(2) 多电源的辐射形电网及环状电网，应考虑到相临线路的停运或保护的相继动作，并考虑在最大开机方式下对侧接地方式最小，而本侧（保护的背后）接地方式最大。(3) 计算各类短路电流值。4.3 最大分支系数的运行方式和短路点位置的选择(1) 辐射形电网中线路保护的分之系数与短路的位置无关。(2) 环状电网中线路的分支系数随短路点的移远而逐渐减小 。但实际上整定需要最大分支系数，故还是选择开环运行方式。(3) 环外线路对环内线路的分支系数也与短路点有关，随着短路点的移远，分支系数逐渐增大，可以增加到很大很大，但具体整定并不是选一个最大值，而应按实际整定配合点的分支系数计算。4.4 零序电流保护的整定计算4.4.1零序电流保护的整定计算步骤（1） 零序电流保护段的整定1）按躲开本线路末端接地短路的最大零序电流整定，即 (5-1)式中 可靠系数，取1.21.3；计算时取1.3线路末端接地短路时流过保护的最大零序电流。2） 零序电流保护段的保护最小保护范围亦要求不小于本保护线路长度的15%。3）整定的动作延时为0。（2） 零序电流保护段的整定此段保护按满足以下条件整定：1）按与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定，即 (5-2)式中 可靠系数，取1.1。 分支系数，按实际情况选取可能的最小值； 相邻下一级线路的零序电流保护I段整定值。 2）当按此整定结果达不到规定灵敏系数时，可改为与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定： （5-3）3）零序段的灵敏度校验： 1.31.5 （5-4）4）零序电流保护段的动作时间： 当动作电流按式（7.2）计算时， 当动作电流按式（7.3）计算时，（3） 零序电流保护段保护的整定此段保护一般是起后备保护作用。段保护通常是作为零序电流保护II段保护的补充作用。零序电流保护段保护按满足以下条件整定：1）按躲开下一条线路出口处发生三相短路时，流过保护装置的最大不平衡电流来整定 (5-5)式中 可靠系数。取1.25。 最大不平衡电流。 其中 (5-6)式中 非周期分量系数,取12； 电流互感器的同性系数,取0.5； 电流互感器的10%误差,取0.1； 下一级线路始端三相短路的最大短路电流。 2） 零序段的灵敏度校验： 当作为近后备保护时， 1.31.5 (5-7)当作为远后备保护时， 1.2 (5-8)式中 本线路末端短路时在小方式运行下的最小零序电流。 下一级线路末端短路时在小方式运行下的最小零序电流。 最大分支系数。3） 零序电流保护段的动作时间：时限的确定:对于环型网络,若按阶梯原则与相邻线路配合时,会产生断路器误动的现象因此应找出解环点所以必须选出某一线路的保护段与其相邻的保护段配合此即环网保护段的动作时限的起始点，此起始点的选择原则是：应考虑尽可能使整个环网中保护三段的保护灵敏度较高。(1) 各段保护的整定时间均应按整定配合原则增加时间级差。(2) 当分支系数随短路点的移远而变大时，例如有零序互感的平行线路，保护的整定配合应按相配合保护段的保护范围末端进行计算，一般可用图解法整定，(3) 与相邻双回线路的零序保护配合整定。当双回线路装设了横联差动保护时，为提高灵敏度，可按与横联差动保护配合整定，即按双回线路全线为快速保护范围考虑，但时间整定要考虑横联差动保护相继动作的延时；如考虑双回线运行中将横联差动保护停用的情况时，可相应提出将双回线路运行临时改为单回线路运行的措施。表5-1 零序电流保护整定计算结果表线路名称保护安装地点保护编号保护段整定值（A）动作时限（S）ABAB线路首端保护1474.89 0.0292.06 BCBC线路首端保护3469.87 CACA线路首端保护51038.14 4.4.2保护1的零序整定（1）无时限电流零序电流保护:按躲过相邻下一线路出口即本线路末端单相或两相接地短路时,可能出现的最大3倍零序电流即:取的最大值则有: 以在距1号短路器15%处最小短路电流来检验灵敏度:取的最小值即: （2）带时限零序电流速断保护:与相邻下一级线路BC段5DL零序电流保护第段相配合,即: 由此计算可得：，与下一相邻线路保护3的配合:所以: 图5-6最小分支系数图由图5-6计算可得 图5-7最大分支系数图 图5-8星角变换图参照图5-7和图5-8可知：应更换更加灵敏的接地距离保护.保护1末端短路时的最小零序电流为： 4.4.3保护3的零序整定（1）无时限电流速断保护的整定以在距6号短路器15%处最小短路电流来检验灵敏度:应更换更加灵敏的接地距离保护.4.4.4保护7的零序整定（1）无时限电流速断保护的整定以在距7号短路器15%处最小短路电流来检验灵敏度:应更换更加灵敏的接地距离保护.5 零序电流保护的评价在大接地电流系统中，采用零序电流保护和零序方向电流保护与采用三相完全星形接线的电流保护和方向电流保护来防御接地短路相比较，前者具有较突出的优点：(1) 灵敏度高(2) 延时小(3) 在保护安装处正向出口短路时，零序功率方向元件没有电压死区，而相间短路保护功率方向元件有电压死区。(4) 在电网变压器中性点接地的数目和位置不变的条件下，当系统运行方式变化时，零序电流变化较小，因此，零序电流速断保护的保护范围长而稳定。而相间短路电流速断保护，受系统运行方式变化的影响较大。(5) 采用了零序电流保护后，相间短路的电流保护就可以采用两相星形接线方式，并可和零序电流保护合用一组电流互感器，又能满足技术要求，而且接线也简单。应该指出，在110KV及以上电压系统中，单相接地短路故障约占全部故障的80%90%，而其它类型的故障，也往往是由单相接地发展起来的。所以，采用专门的零序电流保护就有其更重要的意义。因而，在大接地电流系统中，零序电流保护获得广泛的应用。但是，零序电流保护也存在一些缺点，主要表现在以下两方面：(1) 于短线路或运行方式变化很大的电网，零序电流保护往往难于满足系统运行所提出的要求，如保护范围不够稳定或由于运行方式的改变需要新整定零序电流保护。（2）220KV及以上电压的电力系统，由于单相重合闸的应用，影响了零序电流保护的正确工作，这时必须增大保护的起动值，或采取措施使保护退出工作，待全相运行后再投入。6.课程设计总结 110KV线路继电保护及其二次回路设计，对于我们即将毕业的大学生来说，还是一个比较难的课题。当我刚刚拿起这个毕业设计课题时，我有点懵：仿佛就是狗咬刺猬不知道从何处下手。经过自己的反复思索和查找资料，在一步一步地缓慢进行着。睡着时间的流逝，110KV线路继电保护及其二次回路课程设计现在也已经做到课程设计总结这一步来了。回想刚刚走过的一个月的历程设计历程，牺牲了很多休息时间，几乎每天都在埋头苦干，桌子上的书一天比一天多。不过虽然很辛苦，但是收获颇丰，现在以课程设计创作的过程的形式来总结如下：61.准备工作：1.正常情况下110KV环网的运行方式是什么？结论：根据设计要求：发电厂的最大发电容量为 3 50 MW，最小发电容量为 2 50 MW，系统的正常运行方式为发电厂发电容量最大，输电网络闭环运行。2.110KV环网线路应该配备什么样的保护？ 结论：主保护：重要的输电线路需要装设纵联保护或距离保护。 后备保护：可以装设三段式电流保护、零序保护3.如果三段式电流保护满足要求，QF具体整定时，最大运行方怎么样运行的的？结论：1QF、3QF、5QF的整定要在4QF断开的情况下求得最大短路电流，然后在进行整定计算。4.短路电流计算的基本知识和计算技巧：是用有名值还是用标么值计算？结论：系统有多个电压等级，利用标么值计算可以避免电压的换算，较为简单5.序网络图该如何画？ 结论：具体可以参考电力系统分析短路电流计算部分。6.如果保护不满足要求该怎么办？ 结论：计算过程中发现三段式电流保护一段就不满足要求，我的措施是换距离保护。62. 网络计算1) 网络参数的计算。2) 最大短路电流的计算。3) 保护整定值的计算。4) 灵敏度的校验。5) 保护不满足要求的解决办法。 参考文献：1电力系统稳态分析陈珩 主编 中国电力出版社2电力系统暂分析陈珩 主编 中国电力出版社3继电保护整定计算许建安 主编 中国水利水电出版社。4电力系统分析于永源 杨绮雯 编 中国电力出版社。5发电厂及变电站二次接线陈景惠 主编。6电力系统继电保护和自动装置设计规范GB50062-1992。9.电力系统继电保护 张保会主编 中国电力出版社。 第33页 共18页