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电力系统继电保护课程设计 第I页
110kv高压输电线路的继电保护设计

前　言
随着电力系统迅速发展，我们不断对它提出新的要求，电力系统对继电保护的要求也不断提高。继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后某些突变的物理量为信号量，当突变量到达一定值时，起动逻辑控制环节，发出相应的跳闸脉冲或信号。对电力系统继电保护的基本性能要求是有选择性，速动性，灵敏性，可靠性。
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。重点进行了电路的化简，短路电流的求法，继电保护中电流保护、距离保护的具体计算。

电力系统继电保护课程设计

目录

第1章 绪论 1
1.1 设计基础条件 1
1.2　设计内容 1
1.3　设计要求 2
第2章 短路电流计算 3
2.1 短路电流计算原则 3
2.2 电力网络元件参数计算 3
2.3 最大运行方式 4
2.4　最小运行方式 5
第3章 110kv高压输电线路继电保护整定计算 7

3.1 三段式方向性电流保护整定计算 7
3.11 QF6的三段式电流保护整定计算 7
3.12　QF4的三段式电流保护整定计算 8
3.13　QF2的三段式电流保护整定计算 9
3.2　三段式距离保护正定计算 10
3.21　QF6的距离保护 10
3.22　QF4的距离保护 10
3.23　QF2的距离保护 11
3.3　线路差动保护 11
3.31　A’C段线路差动保护 12
3.32　BC段线路纵差保护 12
3.33　AB段线路纵差保护 12
第4章 自动重合闸装置 13
第5章　电力系统各元件继电保护装置的选择 14
5.1　保护配置 14
5.2　各插件原理说明 14
5.3　主要技术指标 14
收获和体会 16
参考文献 　17
附录　18

电力系统继电保护课程设计 第18页

第1章 绪论

1.1 设计基础条件
单侧电源环形网络如图1.1所示，已知：
（1）网络中各线路采用带方向或不带方向的电流电压保护，所有变压器均采用纵联差动保护作为主保护，变压器均为Ｙ，d11接线；
（2）发电厂的最大发电容量为3×50ＭＷ，最小发电容量为2×50ＭＷ；
（3）网络的正常运行方式为发电厂发电容量最大且闭环运行；
（4）允许的最大故障切除时间为0.85s；

（5）线路AB、BC、AD、CD的最大负荷电流分别为230、150、230和140Ａ，负荷自起动系数；
（6）各变电所引出线上的后备保护的动作时间如图示，△t＝0.5s；
（7）线路正序电抗每公里均为0.4Ω；
图1.1　单侧电源环形网络图
1.2　设计内容
（1）短路电流计算
1）确定电力系统最大运行方式和最小运行方式，计算最大短路电流值和最小短路电流值。
2）确定短路计算点，画出计算电路图。
3）选取基准值，用标幺值计算各元件参数，画出等效电路。化简等效电路，求各短路点的等效电抗。
4）求各短路点的计算电抗。用运算曲线计算各短路点的短路电流。
（2）确定电力系统中发电机、变压器和输电线路的保护方案。
1）根据GB50062-1992（规范名称：电力装置的继电保护和自动装置设计规范）选择继电保护的方式。应优先选择最简单的保护，不满足基本要求时再采用较复杂的保护。
2）选择保护方式时，先选择主保护，然后选择后备保护。通过整定计算，检验能否满足灵敏性和速动性的要求。如不满足，允许采用自动重合闸补救。
1.3　设计要求
1）确定保护2、4、6的保护方式，对它们进行整定计算（、、和）；
2）绘制保护原理接线图（或展开接线图）及网络单线图；

第2章 短路电流计算

2.1 短路电流计算原则
根据原始资料计算出基准电抗标幺值，再由基准电抗标幺值转换得到计算电抗标幺值，然后根据计算电抗标幺值查短路电流运算曲线得到短路电流标幺值，经转换得出短路电流，最后作为继电保护的整定数据。根据整定计算的要求，需要进行最大运行方和最小运行方式下的参数计算，最大运行方时下的计算数据作为电流保护整定使用，最小运行方式下的计算数据作为最小灵敏度检验使用。
2.2 电力网络元件参数计算
计算各元件基准电抗标幺值。选取：
。
发电机基准电抗标幺值：
SNG=PNGcosφ=500.85=58.82MVA
XG1=XG2=XG3=X''∙SBGSNG=0.129×10058.82=0.2193
变压器基准电抗标幺值：
XT1=XT2=Uk%100×SBSNT=10.5100×10040=0.2625
XT3=Uk%100×SBSNT=10.5100×10060=0.175
XT4~XT6=Uk100×SBSNT=10.5100×10020=0.525
线路基准电抗标幺值：
XAB=40×0.4×SBUB2=0.121
XBC=80×0.4×SBUB2=0.242
XA'C=50×0.4×SBUB2=0.1512
Xsmin=(0.2193×0.21930.2193+0.2193+0.2625×0.26250.2625+0.2625)×(0.2193+0.125)0.2409+0.3943=0.1496
Xsmax=(0.2193+0.2625)×(0.2193+0.2625)0.2193+0.2625+0.2193+0.2625=0.2
2.3 最大运行方式
最大运行方式的等效电路如图2.1所示：
图2.1　最大运行方式等效电路图
因为是单侧环形电网，为解题方便，将环形网络按短路点解开，分两个方向计算短路电流和设计继电保护装置。将环形网络在A点打开变换为开式网络则等效电路图如2.2所示：
图2.2　开式网络等效电路图
在最大运行方式下各点的基准电抗为：
XA=XAB+XBC+XA'C+Xsmin=0.121+0.242+0.1512+0.1496=0.6638
XB=XBC+XA'C+XSmin=0.242+0.1512+0.1496=0.5428
XC=XA'C+XSmin=0.1512+0.1496=0.3008
计算电抗值为：
XjsA=XA∙S∑SB=0.6638×1.765=1.172
XjsB=XB⋅SSB=0.5428×1.765=0.958
XjsC=XC⋅SSB=0.3008×1.765=0.5309
XjsA'=XA'⋅S∑SB=0.2409×1.765=0.4405

2.4　最小运行方式
最小运行方式的等效电路如图2.3所示：
2.3　最小运行方式等效电路图
将环形网络在A点打开变换为开式网络则等效电路图如2.4所示：
图2.4　开式网络等效电路图
在最小运行方式下各点的基准电抗为：
XA=XAB+XBC+XCA'+Xsmax=0.121+0.242+0.1512+0.2409=0.7557
XBXBC+XCA'+Xsmax=0.242+0.1512+0.2409=0.3921
XC=XCA'+Xsmax=0.1512+0.2409=0.3921
计算电抗值为：
XjsA=XA⋅S∑SB=0.7557×1.765=1.334
XjsB=XB⋅S∑SB=0.6341×1.765=1.116
XjsC=XC⋅S∑SB=0.3921×1.765=0.692
XjsA'=Xsmin⋅S∑SB=0.1496×1.765=0.264
根据计算电抗查询汽轮机的短路电流运算曲线可得各点的短路电流标幺值。最大运行方式下各点计算电抗和短路电流标幺值如表2.1所示：
表2.1　最大运行方式下电网各点短路电流数据

A
B
C
A’
计算电抗
1.732
0.958
0.5309
0.264
Io*
0.95
1.08
1.92
4.15
Io/KA
0.836
0.95
1.69
3.652
最小运行方式下各点计算电抗和短路电流标幺值如表2.2所示：
表2.2　最小运行方式下电网各点短路电流数据

A
B
C
A’
计算电抗
1.334
1.116
0.692
0.4251
Io*
0.75
0.9
1.48
2.55
Io/KA
0.66
0.792
1.3
2.244

第3章 110kv高压输电线路继电保护整定计算

110kv高压输电线路根据可靠性、灵敏性要求需要设置三段式电流保护，根据线路保护装置简单性原则，若三段式电流保护各段满足要求，则可以作为线路主保护，如果三段式电流保护不满足要求则需要设置距离保护，根据高压输电线路的全线速动无死区要求，还应设置线路的纵联差动保护，让距离保护和差动保护作为线路的主保护，三段式电流保护作为后备保护。
3.1 三段式方向性电流保护整定计算
三段式方向性电流保护整定计算，按开环正向和反方向分别整定计算。正向对1、3、5QF断路器保护装置整定计算，反方向按6、4、2QF断路器保护装置整定计算。这里以反方向按6、4、2QF断路器保护装置为例整定计算如下。保护线路示意图如图3.1所示：
图3.1 保护线路示意图
3.11 QF6的三段式电流保护整定计算
由第2章得知：IKCmax=1.69KA,IKCmin=1.3KA, IKBmax=0.95KA, IKBmin=0.792KA,XSmax=31.8Ω,XSmin=19.8Ω。
（1）第I段
保护装置一次侧动作电流为：
Iop6Ⅰ=KrelⅠIkcmax（3）=1.3×1.69=2.197KA
保护时限：t=0s
最小灵敏变校验：m=lpCA‘=0.866×1153×2.197-Xsmax0.4×50×100% 不合格
(2)第II段
保护装置一次侧动作电流为：
Iop4Ⅰ=KrelⅠIkbmax（3）=1.3×0.95=1.235KA
Iop6Ⅱ=KrelⅡIopxⅠ=1.1×1.235=1.359KA
保护时限：t=0.5s
最小灵敏度校验：ksenⅠ2=0.866Ikcmin(3)Iop6Ⅱ=0.866×1.31.359=0.82<1.25 不合格
(3)第III段
保护装置一次侧动作电流为：
IrelⅢ=krelⅢksskreIcmax=1.2×1.50.85×230=487A
保护时限：t4Ⅲ=2.5s
最小灵敏度校验：
近：KsenⅢ=0.866Ikcmax（3）Iop6Ⅲ=0.866×1.30.487=2.3>1.5 合格
远：KsenⅢ=0.866Ikbmin(2)IopⅢ=0.866×0.7920.487=1.35>1.2 合格
3.12　QF4的三段式电流保护整定计算
由第2章得知 IKBmax=0.95KA,IKBmin=0.792KA, IKAmax=0.836KA,IKAmin=0.66KA,XSmax=31.8Ω,XSmin=19.8Ω。
（1）第I段
保护装置一次侧动作电流为：
Iop4I=KrelI×IKBmax=1.3×0.95=1.235KA
保护时限：t=0s
最小灵敏度检验：
m=lplbc=0.866×1153×1.85-(xsmax+xbc)0.4×80×100% 　不合格
第II段
保护装置一次侧动作电流为：
　　Iop2I=KrelI×IKAmax=1.3×0.836=1.0868KA
　　Iop4II=KrelI×Iop2I=1.1×1.0868=1.195KA
保护时限：t=0.5s
最小灵敏度检验
　　KsenII=0.866×IKBminIop4II=0.866×0.7921.195=0.574<1.25　　不合格
第III段
保护装置一次侧动作电流为：
　　Iop4III=KrelIII×KssKrel×ILmax=1.2×1.50.85×380=804.7A
保护时限：tIII=2s
最小灵敏度检验：
近后备： KsenIII=0.866×IKBmin3Iop4III=0.866×0.7920.8047=0.85<1.5　　不合格
远后备: KSENIII=0.866×IKAminIop4III=0.866×0.660.8047=0.71<1.2　　不合格
3.13　QF2的三段式电流保护整定计算
由第2章得知： IKAmax=0.836KA,IKAmin=0.66KA,XSmax=31.8Ω,XSmin=19.8Ω。
（1）第I段
保护装置一次侧动作电流：
IOP2I=KrelI.IKAmax=1.3×0.836=1.0KA
保护时限：t=0S
最小灵敏度校验：
m=LPLAB=0.86×1153×1.09-31.8+20+3216×100% 不合格
(2)第III段：
保护装置一次侧动作电流：
IOP2III=KrelIIIKreILmax=1.2×1.50.85×250=487A
保护时限：t=1.8S
最小灵敏度校验：
近:KsenIII=0.866×IKAminIOP2III=0.866×0.660.487=1.17<1.2 不合格
上述计算结果表明，三段式电流保护，保护范围不满足要求，则不能设置线路的主保护，只能设置线路的后备保护，与设计题目要求不符合。因此，不宜设置三段式电流保护，可以设置三段式距离保护。
3.2　三段式距离保护正定计算
3.21　QF6的距离保护
（1）第I段
动作阻抗：Zop.6Ι=KrelΙZCA'=0.85×0.4×50=17Ω
保护时限：t6Ι=0s
保护范围：85%
（2）第II段
动作阻抗：Zop.6II=KrelIIZCA'+KrelIZBC=0.820+0.85×32=37.76
保护时限：t6II=0.5s
最小灵敏度校验：KsenII=Zop.6IIZCA'=37.7620=1.888>1.3合格
（3）第III段
最小阻抗：ZL.min=0.9Ucn3IL.max=0.9×1153×0.23=260Ω
动作阻抗：Zop.6III=ZL.minKrelIIIKssKrecos(φm-φl)=2601.25×1.15×1.5×0.8=150.7Ω
保护时限：t6III=2.5s
最小灵敏度校验：
近后备保护：KsenIII=Zop.6IIIZCA'=150.720=7.5>1.3合格
远后备保护：Kb.max=1+ZS'Amax+ZA'CZS'Cmin=2.3
KsenIII=Zop.6IIIZCA'+Kb.maxZBC=150.720+32×2.3=1.6>1.2　　合格
3.22　QF4的距离保护
(1)第I段
动作阻抗：Zop4Ι=krelΙΙZBC=0.85×0.4×80=27.2Ω
保护时限：t=0s
保护范围：85%
(2)第II段
动作阻抗：Zop4ΙΙ=KRELΙΙZBC+krelΙZAB=0.8×32+0.85×16=36.48Ω
保护时限：t4ΙΙ=0.5s
灵敏度校验：ksenΙΙ=Zop4ΙΙZBC=36.4832=1.14<1.3 　　不合格
(3)第III段
最小阻抗:ZLmin=0.9UN3ILmax=0.9×1153×0.38=170Ω
动作阻抗:Zop4ΙΙΙ=ILminkrelΙΙΙksskrelcos(φm-φc)=1701.25×1.5×1.15×0.8=98.6Ω
保护时限:t4ΙΙΙ=2s
最小灵敏度校验：kbmax=1+ZSCmax+ZABZSBmin=1+31.8+20+3219.8+20+30=2.167
近后备：ksenΙΙΙ=Zop3ΙΙΙZBC=98.632=3>1.3合格
远后备：ksenΙΙΙ=Zop3ΙΙΙZBC+k6maxZAB=98.632+2.167×1.6=1.47>1.2 　　合格
3.23　QF2的距离保护
（1）第I段
动作阻抗：ZOP.21=KrelI×ZAB=0.85×0.4×40=13.6Ω
保护时限：t2I=0s
保护范围：85%
（2）第III段
最小阻抗：ZLmin=0.9UN3ILmin=0.9×1153×0.23=260Ω
动作阻抗：ZOP.2III=ZLminKrelIII×Kss×Krelcos(φm-φ)=2601.25×1.15×1.5×0.8=150.7Ω
保护时间：t2III=1.5s
最小灵敏校验：
近后备保护： KsenIII=Zop.2IIIZAB=150.716=9.4﹥1.3 合格
Kbmax=1+Zsmax＇+ZA＇C+ZBC+ZABZSAmin=1+31.8+16+32+2019.8+16+32+20=2.14
远后备保护；KsenIII=Zop.2IIIZAB+Kbmax×ZBC=150.716+32×2.14=1.78﹥1.2 合格
3.3　线路差动保护
根据高压输电线路的全线速动性要求，还应设置线路的纵联差动保护。
3.31　A’C段线路差动保护
（1）A’C段：按躲过保护区外短路时的最大不平衡电流整定：
Iop.r=KrelIuncmaxKTA=KrelKerrKstKnpIKCmaxKTA=1.3×0.1×0.5×1×1.69300/5=0.0018KA
（2）按射过保护线路最大负荷电流整定：Iop.r=KrelIL.maxKTA=1.3×23060=4.98A
所以动作电流：Iop.r=4.98A
最小灵敏度检验：Ksen=IkCmin(2)/KTAIOP=0.866×1.3/600.00498=3.77>1.5合格
3.32　BC段线路纵差保护
（1）BC段: 按躲过保护区外短路时的最大不平衡电流整定：
Iop.r=KrelIunBmaxKTA=KrelKerrKstKnpIKbmaxKTA=1.3×0.1×0.5×1×0.95300/5=0.001KA
（2）按射过保护线路最大负荷电流整定：Iop.r=KrelIL.maxKTA=1.3×28060=8.23A
所以动作电流：Iop.r=8.23A
最小灵敏度检验：Ksen=IkBmin(2)/KTAIOP=0.866×792/608.23=1.39<1.5　　不合格
3.33　AB段线路纵差保护
（1）AB段：按躲过保护区外短路时的最大不平衡电流整定
Iop.r=KrelIunAmaxKTA=KrelKerrKstKnpIKAmaxKTA=1.3×0.1×0.5×1×836300/5=0.9A
（2）按射过保护线路最大负荷电流整定：Iop.r=KrelIL.maxKTA=1.3×23060=4.98A
所以动作电流：Iopr=4.98A
最小灵敏度检验：Ksen=IkAmin(2)/KTAIOP=0.866×660/604.98=1.9>1.5　　合格

第4章 自动重合闸装置

根据110KV高压输电线路的要求，线路应采用后加速的自动重合闸装置。
重合闸逻辑方框图：
图4.2　重合闸逻辑方框图
1.本装置重合闸为三相一次重合闸方式。
2.三相电流全部消失时跳闸固定动作。
3.重合闸退出，则整定值中重合闸投入控制字置“0”。
4.重合闸充电在正常运行时进行，重合闸投入、无TWJ、无控制回路断线、无ＴＶ断线或虽有ＴＶ断线但控制字“ＴＶ断线闭锁重合闸”置“0”经10s后充电完成。
5.重合闸由独立的重合闸启动元件来启动。当保护跳闸后或开关偷跳均可启动重合闸。
6.重合闸条件满足后，经整定的重合闸延时，发重合闸脉冲150ms。

第5章　电力系统各元件继电保护装置的选择

5.1　保护配置
RCS-953A包括以分相电流差动为主体的快速主保护，有完整的三段相间距离保护、四段可选相间低电压和方向闭锁的过流保护构成后备保护；装置配有三相一次重合闸功能、过负荷告警功能；还带有跳合闸操作贿赂以及交流电压切换回路。
5.2　各插件原理说明
组成装置的插件有：电源插件（DC）、交流插件（AC）、低通滤波器（LPF）、CPU插件（CPU）、通信插件（COM）、24V光耦插件（OPT）、跳闸出口插件（OUT）、操作回路插件（SWI）、电压切换插件（YQ）、显示面板（LCD）。
具体硬件模块图见图5-3
图5.1　硬件模块
5.3　主要技术指标
1、 整组动作时间
差动保护全线路跳闸时间：<25ms(差流>1.5倍差动电流高定值距离保护1段：<30ms)
2、启动元件
电流变化量启动元件，整定范围0.1In—0.5In
过流IV启动元件，整定范围0.1In—0.5In
负序过流启动元件，整定范围0.1In—0.5In
3、 距离保护
整定范围：0.01—25（In=5A） 0.05—125（In=1A）
距离元件定值误差：<5％
精确工作电压：<0.25V
最小精确工作电流：0.1In
最小精确工作电流：30In
跳闸时间10s
3、 过流保护
整定范围：0.1In—20In
过流元件定值误差：<5％
过流跳闸延时时间：0—10s

收获和体会

通过本次课程设计，对继电保护的设计有了进一步的了解和掌握。通过对课本和参考书籍的翻阅，进一步提高了独立自主完成设计的能力。本课程设计是针对与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和整定，因此它可以保护发生上述各种故障和事故时的系统网络，再设计思路中紧扣继电保护的四要求：速动性、灵敏性、可靠性、选择性。
在本次课程设计中，重新回顾了电力系统分析，电路，电机学，CAD等专业课。因为这次课程设计涉及的知识面较广，基本上涵盖了所有专业课知识，对短路计算，电路的化简进一步加深了认识，通过和同学的讨论加强了团队合作意识。

参考文献

[1] 刘学军.工厂供电设计指导[M].北京：中国电力出版社，2008.
[2] 刘学军.继电保护原理学习指导[M].北京：中国电力出版社，2007.
[3] 刘学军.继电保护原理[M].北京：中国电力出版社2004.
[4] 钢铁企业电力设计手册编委会．钢铁企业电力设计手册[S]．北京：冶金工业出版社，1996.
[5] 钢铁企业电力设计手册编委会．钢铁企业电力设计手册[S]．北京：冶金工业出版社，1996.
[6] 王士政.电力工程类专题课程设计与毕业设计指导教程[M].北京：中国水利电力出版社，2007.
[7] 何仰赞.温增银.电力系统分析上、下册[M].武汉:华中科技大学出版社，2002

附录

高压输电线路继电保护原理图：
附图1　高压输电线路继电保护原理图
距离保护框图如下：
附图2　距离保护框图