继电保护课程设计 线路距离保护的设计

电力系统继电保护课程设计 题目： 线路距离保护的设计 班级： 姓名： 学号： 指导教师： 设计时间： 评语：成绩 15自动化与电气工程学院继电保护课程设计1 设计原始资料1.1 具体题目如下图所示网络，系统参数为:kV,、，km、km，km、km、km，线路阻抗km,、，A、A、A， 试对线路L1、L2、L3进行距离保护的设计。1.2 要完成的内容本文要完成的内容是对线路的距离保护原理和计算原则的简述，并对线路各参数进行分析及对线路L1、L2、L3进行距离保护的具体整定计算并注意有关细节。距离保护是利用短路时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，反应故障点到保护安装处的距离而工作的保护。2 题目分析与方案设计2.1 题目分析距离保护是反应故障点至保护安装地点之间的距离（或阻抗）。并根据距离的远近而确定动作时间的一种保护装置。该装置的主要元件为距离（阻抗）继电器，它可根据其端子上所加的电压和电流测知保护安装处至短路点间的阻抗值，此阻抗称为继电器的测量阻抗。当短路点距保护安装处近时，其测量阻抗小，动作时间短；当短路点距保护安装处远时，其测量阻抗增大，动作时间增长，这样就保证了保护有选择性地切除故障线路。用电压与电流的比值(即阻抗)构成的继电保护，又称阻抗保护，阻抗元件的阻抗值是接入该元件的电压与电流的比值：，也就是短路点至保护安装处的阻抗值。因线路的阻抗值与距离成正比，所以叫距离保护或阻抗保护。距离保护分为接地距离保护和相间距离保护等。 距离保护的动作行为反映保护安装处到短路点距离的远近。与电流保护和电压保护相比，距离保护的性能受系统运行方式的影响较小。当短路点距保护安装处近时，其量测阻抗小，动作时间短;当短路点距保护安装处远时，其量测阻抗大,动作时间就增长，这样保证了保护有选择性地切除故障线路。为了满足继电保护速动性、选择性和灵敏性的要求，目前广泛采用具有三段动作范围的时限特性。三段分别称为距离保护的、段，它们分别与电流速断、限时电流速断及过电流保护相对应。 距离保护的第段是瞬时动作的，它的保护范围为本线路全长的8085%；第段与限时电流速断相似,它的保护范围应不超出下一条线路距离第段的保护范围，并带有高出一个的时限以保证动作的选择性；第段与过电流保护相似，其起动阻抗按躲开正常运行时的负荷参量来选择，动作时限比保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个。2.2 方案设计2.2.1 主保护设计距离保护段和距离保护段构成距离保护的主保护。(1)距离保护的段图2.1 距离保护网络接线图瞬时动作，是保护本身的固有动作时间。保护1的整定值应满足：考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器的误差，引入可靠系数(一般取0.80.85)，则 (2.1)同理，保护2的段整定值为： (2.2)如此整定后，保护的段就只能保护线路全长的80%85%，这是一个严重的缺点。为了切除本线路末端15%20%范围以内的故障，就需要设置距离保护第段。(2)距离段整定值的选择和限时电流速断相似，即应使其不超出下一条线路距离段的保护范围，同时带有高出一个的时限，以保证选择性,例如在图1中，当保护2第段末端短路时，保护1的测量阻抗为： (2.3)引入可靠系数(一般取0.8)，则保护1的段的整定阻抗为： (2.4)则设计AB段的距离保护段、BC段的距离保护段和AB段距离保护段为线路L1、L2、L3的主保护。2.2.2 后备保护设计为了作为相邻线路的保护装置和断路器拒绝动作的后备保护，同时也作为距离I段与距离段的后备保护，第段为本线路的近后备保护和下一段线路的远后备保护，则应该装设距离保护第段。距离段：整定值与过电流保护相似，其启动阻抗要按躲开正常运行时的负荷阻抗来选择，动作时限还按照阶梯时限特性来选择，并使其比距离段保护范围内其他各保护的最大动作时限高出一个。则设计AB段的距离段为线路L1、L2、L3的后备保护。3 保护的配合及整定计算3.1 线路L1距离保护的整定与校验3.1.1 线路L1距离保护第I段整定(1)线路L1的I段的整定阻抗为 (3.1) =0.85600.4 =20.4式中 距离I段的整定阻抗； 被保护线路L1的长度； 被保护线路单位长度的阻抗； 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）。3.1.2 线路L1距离保护第段整定(1)与相邻线路距离保护I段相配合，线路L1的段的整定阻抗为 (3.2) 线路对线路L1的最小分支系数，其求法如下:图3.1 等效电路图 /=9.6 (3.3) =0.286 (3.4) =3.5 (3.5)于是 (2)灵敏度校验距离保护段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足 满足要求。(3)动作时间，与相邻线路距离I段保护配合，则， 它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。3.1.3 线路L1距离保护第段整定(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗来整定计算的，所以有 (3.6) (3.7)其中，于是(2)灵敏度校验距离保护段，即作为本线路I、段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为 满足要求。 作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为 满足要求。3.2 线路L2距离保护的整定与校验3.2.1 线路L2距离保护第I段整定(1)线路L2的I段的整定阻抗为 (3.8) =0.85600.4 =20.4式中 距离I段的整定阻抗； 被保护线路L2的长度； 被保护线路单位长度的阻抗； 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）。3.2.2 线路L2距离保护第段整定(1)与相邻线路距离保护I段相配合，线路L2的段的整定阻抗为 (3.9)线路对线路L1的最小分支系数，其大小与线路对线路L1的分支系数大小相同，为3.5。（求法同上）于是 (2)灵敏度校验距离保护段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足 满足要求。(3)动作时间，与相邻线路距离I段保护配合，则， 它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。3.2.3 线路L2距离保护第段整定(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗来整定计算的，所以有 (3.10) (3.11)其中，于是(2)灵敏度校验距离保护段，即作为本线路I、段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为 满足要求。 作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为 满足要求。3.3 线路L3距离保护的整定与校验3.3.1 线路L3距离保护第I段整定(1)线路L3的I段的整定阻抗为 (3.12) =0.85400.4 =13.6式中 距离I段的整定阻抗； 被保护线路L3的长度； 被保护线路单位长度的阻抗； 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）。3.3.2 线路L3距离保护第段整定(1)与相邻线路距离保护I段相配合，线路L3的段的整定阻抗为 (3.13) 线路对线路L3的最小分支系数，其求法如下:图3.2 等效电路图 /=12 (3.14) =0.43 (3.15) =2.3 (3.16)于是 (2)灵敏度校验距离保护II段，应能保护线路的全长，本线路末端短路时，应有足够的灵敏度。考虑到各种误差因素，要求灵敏系数应满足 满足要求。(3)动作时间，与相邻线路距离I段保护配合，则， 3.3.3 线路L3距离保护第段整定(1)整定阻抗：按躲开被保护线路在正常运行条件下的最小负荷阻抗来整定计算的，所以有 (3.17) (3.18)其中，于是(2)灵敏度校验距离保护段，即作为本线路I、段保护的近后备保护，又作为相邻下级线路的远后备保护，灵敏度应分别进行校验。作为近后备保护时，按本线路末端短路进行校验，计算式为 满足要求。 作为远后备保护时，按相邻线路末端短路进行校验，计算式为 满足要求。4 继电保护设备的选择4.1 互感器的选择互感器是按比例变换电压或电电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例变换成标准低电压(100V)或标准小电流(5A或10A，均指额定值)，以便实现测量仪表、保护设备及自动控制设备的标准化、小型，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表与继电保护装置等。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。4.1.1 电流互感器的选择(1)形式的选择：根据安装的地点及使用条件，选择电流互感器的绝缘结构、安装方式、一次绕组匝数等。对于6-20kV屋内配电装置，可采用瓷绝缘结构和树脂浇注绝缘结构的电流互感器。对于35kV及以上配电装置，一般采用油浸式瓷箱式绝缘结构的独立式流互感器。有条件时，应尽量采用套管式电流互感器。选用母线式互感器时，应该校核其窗口允许穿过的母线尺寸。(2)额定电压：电流互感器一次回路额定电压不应低于安装地点的电网额定电压，即：kV (3)额定电流：电流互感器一次回路额定电流不应小于所在回路的最大持续工作电流，即：=300A(4)准确等级：为保证测量仪表的准确度，互感器的准确级不得低于所供测量仪表的准确级。例如:装于重要回路(如发电机、调相机、变压器、厂用馈线、出线等)中的电能表和计费的电能表一般采用0.5-1级表，相应的互感器的准确级不应低于0.5级；对测量精度要求较高的大容量发电机、变压器、系统干线和500kV级宜用0.2级。供运行监视、估算电能的电能表和控制盘上仪表一般皆用1-1.5级的，相应的电流互感器应为0.5-1级。供只需估计电参数仪表的互感器可用3级的。当所供仪表要求不同准确级时，应按相应最高级别来确定电流互感器的准确级。所以根据电流互感器安装处的电网电压、最大工作电流和安装地点要求，选型号为LCWB6-110W2屋外型电流互感器。4.1.2 电压互感器的选择(1)电压互感器一次回路额定电压选择为了确保电压互感器安全和在规定的准确级下运行，电压互感器一次绕组所接电力网电压应在(1.1-0.9)范围内变动，即满足下列条件0.91.1式中电压互感器一次侧额定电压。选择时，满足=kV即可。(2)电压互感器二次侧额定电压的选择电压互感器二次侧额定线间电压为100V，要和所接用的仪表或继电器相适应。(3)电压互感器种类和型式的选择电压互感器的种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：在6-35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式；110-220kV配电装置当容量和准确级满足要求时宜采用电容式电压互感器，也可采用油浸式；500kV均为电容式。(4)准确级选择和电流互感器一样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。(5)按准确级和额定二次容量选择首先根据仪表和继电器接线要求选择电压互感器接线方式，并尽可能将负荷均匀分布在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的准确级和容量选择互感器的准确级额定容量。有关电压互感器准确级的选择原则，可参照电流互感器准确级选择。一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一般电压继电器的选用3级电压互感器为宜。则根据电压等级选型号为为YDR-110的电压互感器。4.2 时间继电器的选择时间继电器是一种利用电磁原理或机械原理实现延时控制的自动开关装置。它的种类很多，有空气阻尼型、电动型和电子型和其他型等。早期在交流电路中常采用空气阻尼型时间继电器，它是利用空气通过小孔节流的原理来获得延时动作的。它由电磁系统、延时机构和触点三部分组成。凡是继电器感测元件得到动作信号后，其执行元件（触头）要延迟一定时间才动作的继电器称为时间继电器。 目前最常用的为大规模集成电路型成的时间继电器，它是利用阻容原理来实现延时动作。在交流电路中往往采用变压器来降压，集成电路做为核心器件，其输出采用小型电磁继电器，使得产品的性能及可靠性比早期的空气阻尼型时间继电器要好的多，产品的定时精度及可控性也提高很多。 随着单片机的普及，目前各厂家相继采用单片机为时间继电器的核心器件，而且产品的可控性及定时精度完全可以由软件来调整，所以未来的时间继电器将会完全由单片机来取代。时间继电器选型原则：(1)确定继电器是用在直流回路还是交流回路里，并确定额定电压等级，常用为220V、110VDC/AC；(2)确定安装方式，如：导轨式，凸出式，嵌入式等（是柜内安装还是面板开孔安装，抽屉柜一般选用导轨式）(3)确定所需延时种类，为通电延时或断电延时，以及延时时间范围等。根据题目要求时间继电器选AC220V、嵌入式、限时动作的继电器，则其型号为H3CR-G8EL。5 二次原理图的绘制5.1 保护测量电路对于动作于跳闸的继电保护功能来说，最为重要的是判断出故障处于规定的保护区内还是保护区外，至于区内或区外的具体位置，一般并不需要确切的知道。可以用两种方法来实现距离保护。一种是首先精确地测量出，然后再将它与事先确定的动作进行比较。当落在动作区之内时，判为区内故障，给出动作信号；当落在动作区之外时，继电器不动作。另一种方法不需要精确的测出，只需间接地判断它是处在动作边界之外还是处在动作边界之内，即可确定继电器动作或不动作。5.1.1 绝对值比较原理的实现 如前所述，绝对值比较的一般动作表达式如式所示。绝对值比较式的阻抗元件，既可以用阻抗比较的方式实现，也可以用电压比较的方式实现。该式两端同乘以测量电流，并令，,则绝对值比较的动作条件又可以表示为 (5.1) 式5.1称为电压形式的绝对值比较方程，电路图如图5.1所示。 图5.1 绝对值比较的电压形成5.1.2 相位比较原理的实现相位比较原理的阻抗元件动作条件的一般表达式如式所示，相角表达式的分子、分母同乘以，并令，则相位比较的动作条件又可以表示为 (5.2)式5.2称为电压形式相位比较方程，电路图如图5.2所示。图5.2 相位比较的电压形成5.2 保护跳闸回路三段式距离保护主要由测量回路、起动回路和逻辑回路三部分组成，如图5.3所示。图5.3 保护跳闸回路5.2.1 起动回路 起动回路主要由起动元件组成，起动元件可由电流继电器、阻抗继电器、负序电流继电器或负序零序电流增量继电器构成。实践证明，负序零序电流增量继电器动作可靠、灵敏度高，同时还可兼起断线闭锁保护作用。正常运行时，整套保护处于未起动状态，即使测量元件动作也不会产生误跳闸。起动部分用来在短路时起动整套保护，即解除闭锁，允许1、和通过与门和去跳闸。起动部分启动后，起动时间电路，在0.1s时间内（开放时间内）允许距离段跳闸。超过0.1s时动作，一方面通过禁止门闭锁距离段，另一方面起动切换继电器，对于各段或各相有公用阻抗继电器的距离保护装置，进行段别或相别切换。5.2.2 测量回路 测量回路的段和段，由公用阻抗继电器1、组成，而第段由测量阻抗继电器组成。测量回路是测量短路点到保护安装处的距离，用以判断故障处于那一段保护范围。5.2.3 逻辑回路 逻辑回路主要由门电路和时间电路组成。与门电路包括与门、或门和禁止门,用以分析判断是否应该跳闸。6 保护的评价根据继电保护基本要求对距离保护的评价为：它可以在多电源的复杂网络中保证动作的选择性；距离I段是瞬时动作的，但是它只能保护线路全长的80%-85%，因此，两端合起来就使得在30%-40%线路长度内的故障不能从两端瞬时切除，在一端需经过0.5s的延时才能切除。在220kV及以上电压的网络中，这有时候不能满足电力系统稳定运行的要求，因而，不能作为主保护来应用；由于阻抗继电器同时反应于电压的降低和电流的增大而动作，因此，距离保护较电流、电压保护具有较高的灵敏度。此外，距离I段的保护范围不受系统运行方式变化的影响，其它两段受到的影响也比较小，因此，保护范围比较稳定；由于保护范围中采用了复杂的阻抗继电器和大量的辅助继电器，再加上各种必要的闭锁装置，因此接线复杂，可靠性比电流保护低，这也是它的主要缺点。参 考 文 献1 谭秀炳编.铁路电力与牵引供电系统继电保护M.成都:西南交通大学出版社,2006.2 张保会主编.电力系统继电保护M.北京:中国电力出版社,2005.3 尹项根主著.电力系统继电保护原理与应用M.武汉:华中科技大学出版社,2004.4 贾瑞光.浅析线路距离保护的应用原理J.中国新技术新产品.2009,(8):99.5 都洪基主编.电力系统继电保护原理M.南京:东南大学出版社,2007.