继电保护课程设计.docx

1、继电保护课程设计引言随着电力系统的飞速发展，继电保护技术得天独厚，在40余年的时间里完成了发展的4个历史阶段：继电保护的萌芽期、晶体管继电保护、集成运算放大器的集成电路保护和计算机继电保护。电力系统的运行中最常见也是最危险的故障是发生各种形式的各种短路。发生短路时可能会产生以下后果：(1) 电力系统电压大幅度下降，广大用户负荷的正常工作遭到破坏。(2) 故障处有很大的短路电流，产生的电弧会烧坏电气设备。(3) 电气设备中流过强大的电流产生的发热和电动力，使设备的寿命减少，甚至遭到破坏。(4) 破坏发电机的并列运行的稳定性，引起电力系统震荡甚至使整个系统失去稳定而解列瓦解。因此在电力系统中要求采

2、取各种措施消除或减少发生事故的可能性，一旦发生故障，必须迅速而有选择性的切除故障，且切除故障的时间常常要求在很短的时间内（十分之几或百分之几秒）。实践证明只有在每个元件上装设保护装置才有可能完成这个要求，而这种装置在目前使用的大多数是由单个继电器或继电器及其附属设备的组合构成的，因此称为继电保护装置，它能够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生告警信号。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

3、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。本次的课程设计是针对电力系统110KV电网（环网）线路继电保护的设计，涉及的内容比较广泛，几乎综合了大学期间本专业所学的所有相关课程，既然是继电保护，就必然涉及到了强电与弱电的相互配合，故也串行了电子、通信、自动化等相关专业的知识。正因为其涉及的知识面广，故对于即将毕业的我们是一次很好的实习机会，也是一次培养对知识的综合运用的机会，更是一种挑战。本设计是对电力系统110KV电网线路进行继电保护初步设计，首先对继电保护在电力系统中的作用作了简要的介绍；然后详细介绍了运行方式的选择

4、，变压器中性点的接地方式，短路电流的计算，电流保护和距离保护等多种线路保护的具体整定方法及计算，并对输电网络做了较详细的分析。 第一章 继电保护简述1.1 继电保护的组成一、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

5、。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

6、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。二、保护装置的分类从发电机开

7、始的整个电力系统可以分成几个区段，它们的技术特性和运行规程是不一样的，为了适应它的特性，我们把继电保护也分成相应的几个部分。（1） 原件保护它是保护发电机（包括定子、转子和励磁）和变压器的保护装置。（2） 保护母线。母线是很多进出线的公共连接点，起着汇总和分配电能的作用。300500KV母线需设专用母线保护。（3） 线路保护保护输电线路的保护装置。（4） 配电保护根据用电设备的不同采用各种不同的保护。1.2继电保护装置及其任务为防止电力系统中发生事故一般采取如下对策：（1）改进设计制造，加强维护检修，提高运行水平和工作质量。采取各项积极措施消除或者减少发生故障的可能性。（2）一旦发生故障，迅速

8、而有选择地切除故障元件，保证无故障部分正常运行。继电保护装置，就是指反应电力系统中电器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生信号的一种自动装置。它的基本任务是：（1）发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障元件（设备）从电力系统中切除，使非故障部分继续运行。（2）对不正常运行状态，为保证选择性，一般要求保护经过一定的延时，并根据运行维护条件（如有无经常值班人员），而动作于发出信号（减负荷或跳闸），且能与自动重合闸相配合。1.3 对继电保护的基本要求继电保护根据电力系统的要求，对于直接作用于断路器跳闸的保护装置，有以下几个基本要求：1、选择性 电力系统发生故障时，继电保护的动作应具

9、有选择性，它仅切除故障部分，不影响非故障部分的继续运行，保证最大范围的供电，尽量缩小停电范围。 2、快速性 电力系统由于其实时性的特点，当发生故障时要求继电保护装置尽快动作，切除故障，这样可以 系统电压恢复快，减少对广大用户的影响 电气设备的损坏程度降低 防止故障进一步扩大 有利于闪络处绝缘强度的恢复，提高了自动重合闸的成功率。一般主保护的动作时间在12s以内，后备保护根据其特点，动作时间相应增加。 3、灵敏性 继电保护装置反映故障的能力称为灵敏性，灵敏度高，说明继电保护装置反映故障的能力强，可以加速保护的起动。 4、可靠性 根据继电保护的任务和保护范围，如果某一保护装置应该动作而未动作则称为

10、拒动；如果电力系统在正常运行状态或故障不在保护范围内，保护装置不应动作而动作了则称为误动。继电保护的拒动和误动将影响装置的可靠性，可靠性不高，将严重破坏电力系统的安全稳定运行。装置的原理、接线方式、构成条件等方面都直接决定了保护装置的可靠性，因此现在的保护装置在选用时尽量采用原理简单、运行经验丰富、装置可靠性高的保护。第二章 运行方式的选择2.1 运行方式的选择原则2.1.1 发电机、变压器运行方式选择的原则(1)一个发电厂有两台机组时，一般应考虑全停方式，一台检修，另一台故障；当有三台以上机组时，则选择其中两台容量较大机组同时停用的方式。对水电厂，还应根据水库运行方式选择。(2)一个发电厂、

11、变电站的母线上无论接几台变压器，一般应考虑其中容量最大的一台停用。因变压器运行可靠性较高，检修与故障出现的几率很小。但对于发电机变压器组来说，应服从发电机的投停变化。2.1.2 变压器中性点接地选择原则(1)发电厂、变电所低压侧有电源的变压器，中性点均要接地。以防出现不接地系统的工频过电压状态。如事前确定不能接地运行，则应采取其他防止工频过电压的措施。(2)自耦型和有绝缘要求的其它变压器，其中性点必须接地。(3) T接于线路上的变压器，以不接地运行为宜。当T接变压器低压侧有源时，则应采取防止工频过电压的措施。(4)为防止操作过电压，在操作时应临时将变压器中性点接地，操作完毕后再断开，这种情况不

12、按接地运行考虑。2.1.3 线路运行方式选择原则(1)一个发电厂、变电站线线上接有多条线路，一般考虑选择一条线路检修，另一条线路又故障的方式。(2)双回路一般不考虑同时停用。2.1.4 流过保护的最大、电小短路电流计算方式的选择(1)相间保护对单侧电源的辐射形网络，流过保护的最大短路电流出现在最大运行方式；而最小短路电流，则出现在最小运行方式。对于双电源的网络，一般（当取X1=X2时）与对侧电源的运行方式无关，可按单侧电源的方法选择。对于环状网络中的线路，流过保护的最大短路电流应选取开环运行方式，开环点应选在所整定保护线路的相邻下一级线路上。而对于最小短路电流，则应选闭环运行方式，同时再合理停

13、用该保护背后的机组、变压器及线路。(2)零序电流保护对于单侧电源的辐射形网络，流过保护的最大零序短路电流与最小零序电流，其选择方法可参照相间短路中所述，只需注意变压器接地点的变化。对于双电源的网络及环状网，同样参照相间短路中所述，其重点也是考虑变压器接地点的变化。2.1.5 选取流过保护的最大负荷电流的原则 选取流过保护的最大负荷电流的原则如下：(1)备用电源自动投入引起的增加负荷。(2)并联运行线路的减少，负荷的转移。(3)环状网络的开环运行，负荷的转移。(4)对于双侧电源的线路，当一侧电源突然切除发电机，引起另一侧增加负荷。2.2 本次设计的具体运行方式的选择电力系统运行方式的变化，直接影

14、响保护的性能。因此，在对继电保护进行整定计弊之前，首先应该分析运行方式。这里要着重说明继电保护的最大运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最大，继电保护的最小运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最小。因此，系统的最大运行方式不一定就是保护的最大运行方式；系统的最小运行方式也不一定就是保护的最小运行方式。现结合本次设计具体说明如下，系统的最大运行方式是所有设备全部投入运行；系统的最小运行方式为发电机G1和G2投入，发电机G3停运。对保护1而言，其最大运行方式应该是在系统最大运行方式下线路L1回路断开，其他设备全投；保护1的最小运行方式应该是：在系统的最小运行方式下线路L1+

15、L2与L3并联运行。第三章 电网各个元件参数计算及负荷电流计算3.1 基准值选择基准功率：SB=100MVA，基准电压：VB=115V。基准电流：IB=SB/1.732 VB=100103/1.732115=0.502KA；基准电抗：ZB=VB/1.732 IB=115103/1.732502=132.25；电压标幺值：E=E(2)=1.053.2电网各元件等值电抗计算3.2.1 输电线路等值电抗计算(1) 线路L1等值电抗计算正序以及负序电抗：XL1= X1L1=0.450=20XL1*= XL1/ ZB=20/132.25=0.1512零序电抗：XL10= X0L1= 3X1L1=30.4

16、50=60XL10*= XL10/ ZB=60/132.25=0.4537(2) 线路L2等值电抗计算正序以及负序电抗：XL2= X1L2=0.440=16XL2*= XL2/ ZB=16/132.25=0.121零序电抗：XL20= X0L2= 3X1L2=30.440=48XL20*= XL20/ ZB=48/132.25=0.363(3) 线路L3等值电抗计算正序以及负序电抗：XL3= X1L3=0.490=36XL3*= XL3/ ZB=36/132.25=0.2722零序电抗：XL30= X0L3= 3X1L3=30.490=108XL30*= XL30/ ZB=108/132.25

17、=0.8166(4) 线路L4等值电抗计算正序以及负序电抗：XL4= X1L4=0.425=10XL4*= XL4/ ZB=10/132.25=0.0756零序电抗：XL40= X0L4= 3X1L4=30.425=30XL40*= XL40/ ZB=30/132.25=0.22683.2.2 变压器等值电抗计算(1) 变压器T1、T2等值电抗计算XT1= XT2=(UK%/100)(VN2103/ SN)40.333XT1*= XT2*=XT1/ ZB=40.333/132.25=0.3050(2) 变压器T3等值电抗计算XT3=(UK%/100)(VN2103/ SN)21.175XT3*

18、=XT3/ ZB=21.175/132.25=0.1601(3) 变压器T4、T5、T6、T7等值电抗计算XT4= XT5=XT6= XT7=(UK%/100)(VN2103/ SN)63.5XT6*= XT7* = XT4*= XT5*=0.4802(4) 变压器T8等值电抗计算XT1=(UK%/100)(VN2103/ SN)84.7XT8*= XT8/ ZB=84.7/132.25=0.64053.2.3 发电机等值电抗计算(1)发电机G1、G2电抗标幺值计算XG1* = XG2*=Xd1SB/ SG1= Xd1SB COS/ PG1=0.1321000.8/25=0.4224(2)发电

19、机G3电抗标幺值计算XG3*=Xd3SB/ SG3= Xd3SB COS/ PG3=0.1291000.8/50=0.20643.2.4 最大负荷电流计算(1) B、C母线最大负荷电流计算最大负荷电流计算(拆算到110KV)IfhB max = IfhCmax = PfhBmax Vav2 / 1.732 U COS=20103/1.7321150.80.1255KA；(2) D母线最大负荷电流计算最大负荷电流计算(拆算到110KV)IfhD max = PfhDmax Vav2 / 1.732 U COS=12103/1.7321150.80.0753KA3.2.5 各线路运行方式下流过断路

20、器的最大负荷电流(1) 保护1的最大运行方式：发电机G1、G2、G3全投入，断开线路L1；通过保护1的最大负荷电流为；保护1的最小运行方式：发电机G3停，线路全部运行。(2) 保护2的最大运行方式：发电机G1、G2、G3全投入，断开L3回路；通过保护2最大负荷电流为。保护2的最小运行方式；G3停，线路全部运行。(3) 保护4的最大运行方式：G1、G2、G3全投，断开线路L3；通过保护4的最大负荷电流为。保护4的最小运行方式：G3停，线路全部运行。(4) 保护5的最大运行方式：G1、G2、G3全投入，断开线路L1；通过保护5的最大负荷电流为。保护5的最小运行方式：G3停，线路全部运行。(5) 保

21、护7的最大运行方式：G1、G2、G3全投，线路全部运行；通过保护7的最大负荷电流为。(6) 保护3和保护6因正常运行时不可能有正向电流通过，要是有正向电流通过，一定是线路发生故障。为此，在保护3和保护7上只需判别电流(功率)的方向即可，故不用分析保护3和保护6的运行方式。第四章 短路电流的计算4.1 短路电流的计算步骤1确定计算条件，画计算电路图 1）计算条件：系统运行方式，短路地点、短路类型和短路后采取的措施。 2）运行方式：系统中投入的发电、输电、变电、用电设备的多少以及它们之间的连接情况。根据计算目的确定系统运行方式，画相应的计算电路图。选电气设备：选择正常运行方式画计算图；短路点取使被

22、选择设备通过的短路电流最大的点。继电保护整定：比较不同运行方式，取最严重的。2画等值电路，计算参数； 分别画各段路点对应的等值电路。3网络化简，分别求出短路点至各等值电源点之间的总电抗由于短路电流计算是电网继电保护配置设计的基础,因此分别考虑最大运行方式时各线路未端短路的情况,最小运行方下时各线路未端短路的情况。电网等效电路图如图4.1所示4.2 各短路点的短路计算请参见附录5 继电保护距离保护的整定计算和校验5.1 距离保护整定计算的方法及原理距离保护第一段 1.动作阻抗 ()对输电线路，按躲过本线路末端短路来整定，即取 图5.1 电力系统接线图 2动作时限秒。距离保护第二段 1动作阻抗 （

23、1）与下一线路的第一段保护范围配合，并用分支系数考虑助增及外汲电流对测量阻抗的影响，即式中为分支系数 （2）与相邻变压器的快速保护相配合取（1）、（2）计算结果中的小者作为。2. 动作时限保护第段的动作时限，应比下一线路保护第段的动作时限大一个时限阶段，即 3.灵敏度校验 如灵敏度不能满足要求，可按照与下一线路保护第段相配合的原则选择动作阻抗，即 这时，第段的动作时限应比下一线路第段的动作时限大一个时限阶段，即距离保护的第三段 1动作阻抗 按躲开最小负荷阻抗来选择，若第段采用全阻抗继电器，其动作阻抗为 2动作时限 保护第段的动作时限较相邻与之配合的元件保护的动作时限大一个时限阶段，即 3灵敏度

24、校验 作近后备保护时 作远后备保护时 式中，Kfz为分支系数，取最大可能值。5.2各断路器距离保护的整定计算和校验请参见附录6 继电保护零序电流保护的整定计算和校验请参见附录7 对选择的保护进行综合评价7.1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

25、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。7.2 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

26、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。7.3 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

27、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。总 结本设计是针对与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，在设计思路中紧扣继电保护的四要求：速动性、灵敏性、可靠性以及选择性。而且本设计不仅局限于线路，对变压器和机组的保护也进行了部分观点式的阐述。由于设计资料和任务书的要求，本设计有具体的参数，理论上适合各种情况的网络，但实际上

28、不同的数据参数有不同的情况。设计过程中由于本人的知识面单薄、认识肤浅，刚开始时遇到了很大的困难例如：概念模糊、思路不统一，不知从何下笔，从何着手。因此，在前期花了不少的时间来整理头脑中的概念。在自己理清思路，初步形成意识后，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，最后在指导老师的帮助和审批下，给设计划上了圆满的句号。在此非常感谢苏老师和同组同学的帮助，让我又有了很大的进步！参考文献1 张保会，尹项根.电力系统继电保

29、护。北京:中国电力出版社，2009.12.2 何仰赞，温增银.电力系统分析上、下册.武汉:华中科技大学出版社，2002.3 尹项根，曾克娥.电力系统继电保护原理与应用上册.武汉:华中科技大学出版社，2001.4 孙国凯，霍利民.电力系统继电保护原理。北京:中国水利出版社，2002.5 吕继绍.电力系统继电保护设计原理.北京:中国水利电力出版社,1986年.6 韩笑.电气工程专业毕业设计指南继电保护分册.北京:中国水利电力出版社，2003.7 许建安.继电保护整定计算.北京:中国水利水电出版社.2004年.8 熊为群,陶然.继电保护自动装置及二次回路.北京: 中国电力出版社，1999年.9 陈德

30、树.计算机继电保护原理与技术北京:中国水利出版社,1992.10 贺家李，宋从矩.电力系统继电保护原理.北京:中国电力出版社，1994.11 李佑光,林东.电力系统继电保护及新技术.北京:科学出版社.2003年.12 GB/T 142852006 中华人民共和国国家标准.附 录各短路点的短路电流计算1、 d3发生短路时流过断路2(1)最大运行方式正序短路电流Xff3=XdT+XL=0.18255+0.5444=0.72695Id3max*=E/Xff3=1.05/0.726951.4444Id3max=Id3max*IB=1.44440.5020.725KA(2)最小运行方式两相短路正序短路电

31、流Xff3=Xd1+XT1XL=0.4224+0.3050+0.5444=0.9996If(2)*=1.732E/2Xff1=1.7321.05/20.9996=0.9097If(2)=If(2)*IB=0.90970.502=0.4567KA(3)最大运行方式两相短路零序短路电流,如图1.1示图1.1短路等值电路XTL4(0)=(XL4(0) +XT8)(XL3(0) +XT)/(XL4(0) +XT8+XL3(0) +XT) =(0.2268+0.6405)(0.8166+0.0781)/(0.2268+0.6405+0.8166+0.0781) =0.4404XTL2(0) =(XL2(0)+XTC)XTB/(XL2(0)+XTC+XTB)