电力系统继电保护课程设计--35～110千伏单电源环形网络相间短路保护的整定计算.doc

继电保护原理课程设计任务书一课程设计指导书（一）35110千伏单电源环形网络相间短路保护的整定计算。 （二）进行步骤1短路电流及残余电压计算考虑到35110千伏单电源环形网络相间短路保护有可能采用带方向或不带方向的电流电压保护，因此在决定保护方式前，必须较详细地计算各短路点短路时，流过有关断路器的短路电流和保护安装处的残余电压。然后根据计算结果，在满足“继电保护和安全自动装置技术规程”和题目给定的要求的条件下，尽可能采用最简单的保护方式。计算及的步骤及注意事项如下。（1）系统运行方式的考虑除考虑发电厂发电容量的最大和最小运行方式下，还必须考虑在设备检修或故障切除的情况下，发生短路时流过保护装置的短路电流最大和最小的系统运行方式，以便计算保护的整定值和保护的灵敏度。在需采用电流电压联锁速断保护时，还必须考虑介于最大和最小之间的系统运行方式。 表1 流经某一保护的系统运行方式短路点保护代号 （千安）（千安）（2）短路点的考虑 为了绘制和曲线，每一线路上的短路点至少要取三点，即线路的始端、中点和末端三点。一般为了简化计算取此三点即可。短路点确定之后，即标上、.等符号。（3）短路类型的考虑由于设计系相间短路保护的整定计算，因此，在最大系统运行方式下，应计算三相短路电流用于整定保护动作，而在最小系统运行方式下，计算两相短路电流，用于计算保护的灵敏系数。在介于最大和最小之间的系统运行方式，则根据需要计算或。的计算选用三相短路或两相短路进行计算均可，因为对保护所采取的残余线电压而言，。（4）和列表为了便于整定计算时，查找每一点短路保护安装处的和，必须将计算结果列成表。如表1形式的表格。其中运行方式、短路点和短路类型的考虑如前述。流过保护的应考虑后备保护的计算需要，即除列入本线路各点短路时流过保护的外，还要列入相邻线路各点短路时流过保护的。列表与相似。（5）计算和时，用标幺值还是用直接有名值（伏、安、欧），学生可自行选择，或指导教师指定。计算中电压一律采用平均电压。2保护方式的考虑及整定计算采用什么保护方式，主要视其能否满足规程及题目给定的要求决定。能满足要求时，所采用保护就算合格，不能满足要求时，就必须采取措施使其符合要求或改用其他保护方式。选用保护方式时，应首先考虑采用最简单的保护，以提高保护的可靠性。当采用简单保护不能同时满足选择性、灵敏性和速动性要求时，还必须检验与相邻设备的保护之间能否保证选择性和速动性的要求。当采用的保护不能很好的满足选择性或速动性的要求时，允许采用自动重合闸装置来校正选择性或加速保护动作。当灵敏性不能满足要求时，在满足速动性的前提下，可考虑利用保护的相继动作，以提高保护的灵敏性。在用保护的动作时限或电流、电压整定值能保证选择性时，不要采用方向元件以简化保护。后备保护的必须互相配合，要保证上一元件保护（较靠近电源的保护）的动作电流大于下一元件保护的动作电流，且要留有一定的裕度，以保证选择性。整定计算结果与灵敏度校验应列成如表2和表3的形式以备查。整定参数一次值或二次值保护编号表2 整定计算结果备注1一次值二次值3拟接线图为了锻炼学生拟接线图及看图能力，课程设计中要求每个学生要自拟一个断路器（由教师制定）的保护接线图。要求绘制三相原理接线图及展开图。在图上必须标出电流互感器及方向继电器的极性。同时还必须选出所用继电器的型号规格和统计出数量，并用表格列出。4整理说明书 说明书应包括下列部分。（1）设计题目（2）和计算。必须说明系统运行方式、短路点与短路类型的决定原则或依据，以及计算时应考虑的其他因素。计算结果用表格列出外，并须列出计算时采用的公式及计算举例。没有必要列出每个计算值的计算过程。（3）保护方式的选择及整定计算结果。这一部分要求说明选用保护方式的原则，每个保护的整定计算条件，并用表格列出整定计算结果。整定计算时所采用的整定计算公式及各种系数的数值也应列出。不必详细列出各个保护的整定计算过程，但必须举例说明计算方法。附表3 灵敏度校验结果运行方式短路类型灵敏度保护编号备注1近后备远后备（4）对保护的评价。这一部分主要是根据“继电保护和安全自动装置技术规程”及题目给定的要求，从选择性、灵敏性、速动性及可靠性四个方面评价所采用保护的质量。当某一方面不能满足要求时，要分析它可能产生的后果，并提出补救措施。（5）接线图及设备清单。绘制一个断路器保护的原理接线图及展开图。用表格列出该保护需用设备的型号、规格及数量。二、时间分配（课内外总学时）1. 和计算 16小时2.保护方式选择及整定计算 30小时3.拟绘接线图 8小时4.整理说明书 16小时合计 70小时三、题目（一）110千伏单电源环形网络相间短路保护的整定计算已知：1.网络接线如图1所示；2.网络中各线路均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差动保护作为主保护，变压器均为Y，d11接线；3.发电厂的最大发电容量为350兆瓦，最小发电容量为250兆瓦；4.网络的正常运行方式为发电厂发电容量最大且闭环运行；5.允许的最大故障切除时间为0.85秒；6.110千伏断路器均采用型断路器，它的跳闸时间为0.050.08秒；7.线路AB、BC、AD和CD的最大负荷电流分别为230、150、230和140安，负荷自起动系数=1.5；8.各变电所引出线上后备保护的动作时间如图1所示，t=0.5秒；9线路的正序电抗均为每公里0.4欧；10.电压互感器的变比=110000/100；11其他参数见图1。试决定：1保护1、3、5、7（或2、4、6、8）的保护方式，以及它们的、和；2保护5或4的接线图（包括原理图和展开图）。并对本网络所采用的保护进行评价。（二）110千伏单电源环形网络相间短路保护的整定计算已知：1. 网络的接线图如图2所示； 2所用变压器及母线均装有纵差动保护； 3负荷的自起动系数=1.3； 4其他参数见题（一）条件及图2标示。设计要求：1. 决定断路器1、3、5与7（或2、4、6与8）的相间短路的保护方式；2. 校验保护的灵敏度；3. 绘制断路器7的保护装置的原理接线图及展开图，并列出设备清单；4. 对所选用的保护方式进行评价。图1 题（一）的系统接线图河南科技大学车辆与动力工程学院课程设计说明书 图中母线E、F、G各个条出线过流保护的动作时限均为1.8秒。附图2 题（二）的网络接线图 摘 要电力系统继电保护作为农业电气化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。本次设计的任务主要包括了六大部分，分别为运行方式的选择、电网各个元件参数及负荷电流计算、短路电流计算、继电保护距离保护的整定计算和校验、继电保护零序电流保护的整定计算和校验、对所选择的保护装置进行综合评价。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。关键词：电流保护，整定计算，保护方式目录第一章 原始资料1第二章 设计内容32.1电网各个元件参数计算及负荷电流计算32.1.1基准值选择32.1.2电网各元件等值电抗计算32.1.3各保护运行方式的选择52.2运行方式的选择62.2.1运行方式的选择原则62.2.2本次设计的具体运行方式的选择7第三章 最大短路电流计算83.1 等值阻抗图计算83.2 短路电流的参数9第四章 整定计算104.1 AB线路2QF的整定104.2 BC线路4QF的整定124.3 AC线路6QF的整定134.4 CD线路7QF的整定144.5 整定参数154.6 绘制保护6的接线图164.7 BRD663微机保护装置184.7.1三段式相间电流保护184.7.2零序过流保护19第五章 对保护的评价20第六章 设计心得22参 考 文 献23第一章 原始资料1网络的接线如图1-1所示 图1.1网络的接线2网络中各线路均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差动保护作为主保护，变压器均为Y/ -11接线；3发电厂的最大发电容量为（225+25）MW，最小发电容量为225MW；4网络的正常运行方式为发电厂发电容量最大且闭环运行；5允许的最大故障切除时间为0.85s； 6110kV断路器均采用DW2-110型断路器，它的跳闸时间为0.050.08s； 7线路AB、BC、AC和CD的最大负荷电流分别为230、150、230和140A，负荷自起动系数Kss =1.3；8各变电所引出线上后备保护的动作时间如图所示，t=0.5s；9线路的正序电抗均为0.4/km；10电压互感器的变比nPT= 110000/100；11其它参数如图所示。要求：1整定断路器2、4、6、7的相间短路的三段式电流保护；2校验保护的灵敏度；3绘制保护6的原理接线图及展开图；4对所设计的保护进行评价；5选择一种合适的微机保护装置，叙述其如何实现电流保护的功能。 第二章 设计内容2.1电网各个元件参数计算及负荷电流计算2.1.1基准值选择基准功率：SB=100MVA，基准电压：UB=115V。基准电流：IB=SB/1.732UB=1001000/1.732115=0.502KA；基准电抗：ZB=UB/1.732IB=115103/1.732502=132.25；电压标幺值：E=E(2)=1.052.1.2电网各元件等值电抗计算(1)输电线路等值电抗计算线路L1正序等值电抗计算：XL1=X1L1=0.460=24XL1*= XL1/ ZB=24/132.25=0.1815线路L2正序等值电抗计算：XL2= X1L2=0.440=16XL2*= XL2/ ZB=16/132.25=0.1210线路L3正序等值电抗计算：XL3= X1L3=0.490=36XL3*=XL3/ ZB=36/132.25=0.2722线路L4正序等值电抗计算：XL4= X1L4=0.425=10XL4*= XL4/ ZB=10/132.25=0.0756(2)变压器等值电抗计算变压器T1、T2、T3等值电抗计算：XT1=XT2=XT3=(UK%/100)(UN2103/SN)38.413XT1*=XT2*=XT3*=XT1/ZB=38.413/132.25=0.2904变压器T4、T5等值电抗计算：XT4= XT5=(UK%/100) ( UN2103/SN) =60.5XT4*=XT5*= XT4/ZB =0.5/132.25 =0.457变压器T6、T7等值电抗计算：XT6= XT7 =(UK/100) (UN2103/SN) =41.984XT6*= XT7*=XT6/ZB=41.984/132.25=0.317变压器T8等值电抗计算：XT8= (UK%/100)(UN2103/SN)38.413XT8* = XT8/ZB =38.413/132.25=0.2904(3)发电机等值电抗计算发电机G1、G2电抗标幺值计算XG1* = XG2*=XddSB/ SG1= XddSB COS/ PG1=0.1321000.85/25=0.4488发电机G3电抗标幺值计算XG3*=Xd3SB/ SG3= Xd3SB COS/ PG3=0.1291000.85/25=0.4386(4)最大负荷电流计算B母线最大负荷电流计算最大负荷电流计算(拆算到110KV)IfhB max = PfhBmax Vav2 / 1.732 U COS=20103/1.7321150.80.1255KA；C母线最大负荷电流计算IfhCmax = PfhCmax Vav2 / 1.732 U COS=30103/1.7321150.80.1882KAD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=12103/1.7321150.80.0753KA2.1.3各保护运行方式的选择(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；保护1的最小运行方式：发电机G3停，线路全部运行。(2)保护3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上只需判别电流(功率)的方向即可，故不用分析保护3的运行方式。(3)保护5的最大运行方式：G1、G2、G3全投入，断开线路L1；保护5的最小运行方式：F3停，线路全部运行。(4)保护7的最大运行方式：G1、G2、G3全投，线路全部运行2.2运行方式的选择2.2.1运行方式的选择原则(1)发电机、变压器运行方式选择的原则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。一个发电厂、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。(2)变压器中性点接地选择原则发电厂、变电所低压侧有电源的变压器，中性点均要接地。自耦型和有绝缘要求的其它变压器，其中性点必须接地。T接于线路上的变压器，以不接地运行为宜。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，这种情况不按接地运行考虑。(3)线路运行方式选择原则一个发电厂、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。双回路一般不考虑同时停用。流过保护的最大、电小短路电流计算方式的选择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Z1=Z2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，流过保护的电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线线路上。而对于电小短路电流，则应选闭环运行方式，同时再合理停用该保护背后的机组、变压器及线路。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。2.2.2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L3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+L2与L3并联运行。最大运行方式下的最小电源阻抗：ZS.min=（XT1*+ XG1*) (XT2*+XG2*)(XT3*+ XG3*) = (0.2904+0.4488)(0.2904+0.4488)(0.2904+0.4386)=0.2453最小运行方式下的最大电源阻抗：ZS.max=（XT1*+ XG1*) (XT2*+XG2*)= (0.2904+0.4488)(0.2904+0.4488)=0.3696第三章 最大短路电流计算3.1 等值阻抗图计算为计算动作电流，应该 计算最大运行方式下的三相短路电流。为检验灵敏度要计算最小运行方式下的两相短路电流。为计算1QF、3QF、5QF、7QF 的整定值，根据如上系统图可知，最大运行方式要求1QF断开，等值阻抗图如图图3-1.最大电流短路计算等值阻抗图计算三相短路电流：计算两项短路电流：以K1点发生三相短路为例: 3.2 短路电流的参数同理得 K2,K3,K4,K5各个短路点短路电流如下表3-1：IK啊啊啊运行方式短路点最大运行方式最小运行方式K10.13940.1207K20.20990.1818K30.26940.2333K40.46880.4060K50.18450.1596表3-1.短路点短路电流第四章 整定计算保护 2、4、6、7 的等效电路图如下图4-1所示： 图4-1.继电保护的等效电路图4.1 AB线路2QF的整定瞬时电流速断保护线路AB末端的最大三相短路电流取,则保护 2 的电流保护第 I 段动作电流为保护范围的校验：最小运行方式下，AB线路X处两相短路的电流为显然在最小运行方式下无保护范围，即灵敏度不符合要求，可采用电流电压联锁保护来提高保护的灵敏度。带时限电流速断保护:与保护4的第I段相配合保护4的电流保护第I段动作 电流为 取，则动作时限为灵敏度校验 ： 本线路AB末端的最小两相短路电流故灵敏度不满足要求，可与保护5的电流保护第II段相配合。定时限过电流保护的整定计算动作电流的整取，动作时限为灵敏度校验：作近后备时，按本线路AB末端的最小两相短路电流来校验，即作远后备时，按相邻线路CB末端的最小两相短路电流来校验4.2 BC线路4QF的整定保护3在网络的末端，所以不存在与下级保护的配合问题，其速断保护（第一段）的整定电流按躲过本线路的最大负荷电流来整定，保护线路全长，第二段按过负荷的方式整定，所以不需要第三段。 瞬时电流速断保护线路AB末端的最大三相短路电，取，则保护3的电流保护第 I 段动作电流为保护范围的校验：最小运行方式下，AB线路X处两相短路的电流为：显然在最小运行方式下无保护范围，即灵敏度不符合要求，可采用电流电压联锁保护来提高保护的灵敏度。过负荷保护的整定：动作电流的整取，动作时限为灵敏度校验：作近后备时，按本线路AB末端的最小两相短路电流来校验，即4.3 AC线路6QF的整定瞬时电流速断保护 线AC末端的最大三相短路电取，则保护5的电流保护第I段动作电流为保护范围的校验：最小运行方式下,CD线路 X 处两相短路的电流为：Zx=-19，所以，在最小运行方式下无保护范围，灵敏度不满足要求，可采用电流电压联锁保护来提高保护的灵敏度。带时限电流速断保护:与保护3的第I段相配合保护3的电流保护第I段动作电流为取，则动作时限为灵敏度校验：本线路CD末端的最小两相短路电流故显然灵敏度不满足要求，可与保护3的电流保护第II段相配合。定时限过电流保护的整定计算,动作电流的整定取,动作时限为灵敏度校验 ：作近后备时，按本线路CB末端的最小两相短路电流来校验，即灵敏度满足要求。4.4 CD线路7QF的整定保护7在网络的末端，所以不存在与下级保护的配合问题，其速断保护（第一段）的整定电流按躲过本线路的最大负荷电流来整定，保护线路全长，第二段按过负荷的方式整定，所以不需要第三段。 瞬时电流速断保护线路CD末端的最大三相短路电，取，则保护7的电流保护第 I 段动作电流为保护范围的校验：最小运行方式下，CD线路X处两相短路的电流为：X%=/=62.96%15%,灵敏度满足要求。过负荷保护的整定：动作电流的整取，动作时限为灵敏度校验：作近后备时，按本线路CD末端的最小两相短路电流来校验，即4.5 整定参数表4-1 整定值参数表保护编号整定参数I(KA)1QF3QF5QF7QF备注第I段1.5290.99841.2621.3498保护范围000第II段1.38710.48730.9510.25690.50.50.50.50.731.1620.880.63第III段0.42210.27531.50.52.092.6近后备1.722.09远后备是否加电流电压互锁环节加加4.6 绘制保护6的接线图绘出保护6的继电保护接线图(包括原理图和展开图)，并要用表格列出该保护需要设备的型号、规格及数量图4-2三段式电流保护原理接线图图4-3三段式电流保护交流回路图图4-4三段式电流保护直流回路图4.7 BRD663微机保护装置4.7.1三段式相间电流保护本装置设三段式相间电流保护。速断、过流段、过流段均可以独立地用控制字选择，同时还配置了低电压元件，可构成电流与电压的闭锁保护，当任一相电流大于整定值后，判别元件动作。电流保护的闭锁元件有：低电压闭锁、PT断线闭锁、方向闭锁，以上闭锁都是通过定值设置投退。方向元件采用90接线方式，方向元件的动作范围如右图4-5所示（以Ia为例）。UaIaUbc灵敏角灵敏线本装置电流保护段、段均为三相式配置（完全星形）。 图4-5：90接线动作范围图三段式电流保护逻辑图如图4-6： 图4-6：三段式电流保护逻辑图4.7.2零序过流保护零序过流保护是针对接地系统而设置，当系统为小电流接地系统时，可以将零序保护设置为动作信号。零序过流保护采用零序电流基波幅值和方向的方法来判别，零序保护动作于跳闸或告警信号，可由控制字进行选择。零序过流的方向有大电流接地系统和小电流接地系统之分，在大电流接地系统故障中，零序电流超前零序电压95110，所以我们设置了70的灵敏角，如图5-3所示：非动作区-U0I0U0灵敏角灵敏线图4-7：70灵敏角动作范围图煤矿井下610KV电压等级的中性点不接地或中性点经消弧线圈接地的系统为小电流接地系统，小电流接地系统的方向我们采用了和上图相反的动作区。零序过流的逻辑框图如图4-8：图4-8：零序过流逻辑图第五章 对保护的评价根据“继电保护和安全自动装置技术规程”及题目给定的要求，从选择性、灵敏性、速动性及可靠性四个方面来对本网络所采用的保护进行评价。一个继电保护装置的好坏，主要是从它的选择性、灵敏性、速动性及可靠性等方面衡量的。1、选择性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，电流速断保护I段常常不能通过灵敏度的校验，主要是因为系统运行方式变化比较大，在最小运行方式下，保护I段往往没有保护范围，为此，常使用电流电压联锁保护代替电流速断保护，实现I段的主保护。本设计中，为了保证选择性，采用了功率方向元件，并通过上下级之间的配合实现了保护的选择性。2、速动性电流电压保护第一段及第二段共同作为线路的主保护，能满足网络主保护的速动性要求。而第三段保护则因为越接近电源，动作时间越长，有时动作时间长达好几秒，因而一般情况下只能作为线路的后备保护。本设计的主保护动作时间满足题目要求。3、灵敏度电流保护的灵敏度因系统运行方式的变化而变化。一般情况下能满足灵敏度要求。但在系统运行方式变化很大，线路很短和线路长而负荷重等情况下，其灵敏度可能不容易满足要求，甚至出现保护范围为零的情况。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。4、可靠性电流保护的电路构成，整定计算及调试维修都较为简单，因此，它是最可靠的一种保护。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。第六章 设计心得此次设计通过短路电流的计算发现电流的三段式电流保护不能满足要求，故根据本次设计的实际要求，以及继电保护“四性”的总要求故采用了反应相间短路的距离保护。由于本次设计涉及到不同运行方式下的不同类型的短路电流的计算，这对本次设计增加了难度。在进行设计时首先要将各元件参数标准化，而后对每一个保护线路未端短路时进行三相短路电流的计算，二相短路电流的计算。在整定时对每一个保护电流保护阻抗的整定，并且对其进行灵敏度较验