大学毕业设计-继电保护课程设计.doc

南华大学船山学院课程设计引言电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，电子技术、计算机技术与通信技术的飞速发展又为继电保护技术的发展不断地注入了新的活力。因此，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。继电保护技术未来趋势是向计算机化，网络化，智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化的发展。随着计算机硬件的迅速发展，微机保护硬件也在不断发展。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护。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。1力系统继电保护概论 从科学技术的角度，电力系统继电保护隶属于电力系统及其自动化专业领域；从工业生产的角度，电力系统继电保护是电力工业的一个必不可少的组成部分，担负着保障电力系统安全运行的重要职责。1.1继电保护的基本概念电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。电力系统由各种电气元件组成。这里电气元件是一个常用术语，它泛指电力系统中的各种在电气上的独立看待的电气设备、线路、器具等。由于自然环境，制造质量运行维护水平等诸方面的原因，电力系统的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此，需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术之一就是继电保护技术。1.2 继电保护的基本作用电力系统继电保护的基本作用是：在全系统范围内，按指定分区实时的检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度地维持系统的稳定，保持供电的连续性，保障人身的安全，防止或减轻设备的损坏。1.3继电保护装置的基本任务（1）自动、迅速、有选择地将故障元件从电力系统中切除并最大限度地保证其他无故障部分恢复正常运行；（2）能对电气元件的不正常运行状态作出反应，并根据运行维护规范和设备承受能力动作，发出告警信号，或减负荷，或延时跳闸；（3）条件许可时，可采取预定措施，尽快地恢复供电和设备运行。由于最初的继电保护装置是又机电式继电器为主构成的，故称为继电保护装置。尽管现代继电保护装置已发展成为由电子元件或微型计算机为主构成的，但仍沿用次名称。目前常用继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。1.4 电网继电保护的设计原则关于电网继电保护的选择在“技术规程”中已有具体的规定，一般要考虑的主要规则为：（1） 电力设备和线路必须有主保护和后备保护，必要时增加辅助保护，其中主保护主要考虑系统稳定和设备安全；后备保护主要是考虑主保护和断路器拒动时用于故障切除；辅助保护是补充前二者的不足或在主保护退出时起保护作用；（2） 线路保护之间或线路保护与设备保护之间应在灵敏度、选择性和动作时间上相互配合，以保证系统安全运行；（3） 对线路和设备所有可能的故障或异常运行方式均应设置相应的保护装置，以切除这些故障和给出异常运行的信号； （4） 对于不同电压等级的线路和设备，应根据系统运行要求和技术规程要求,配置不同的保护装置.一般电压等级越高,保护的性能越高越完善,如330KV以上线路或设备的主保护采用“双重化”保护装置等。2 电网各元件参数计算及负荷电流计算2.1 基准值选择 基准功率：SB=100MVA 基准电压：VB=115KV 基准电流：IB= SB/ 基准阻抗：ZB= 电压标幺值：E=2.2 电网各元件等值电抗计算2.2.1 输电线路等值电抗计算：而Xl 取为0.4， （1）线段AS2段 正序以及负序电抗： 零序阻抗： XL1(0)*=XL1(0)/ZB=0.45 （2）线段AB（L2）等值电抗计算：正序以及负序电抗： 零序阻抗： （3）线段AB（L3）等值电抗计算： 正序以及负序电抗： 零序阻抗： （4）线段AB（L4）等值电抗计算： 正序以及负序电抗： 零序阻抗： 2.2.2 变压器等值阻抗计算 （1）变压器1B，2B等值阻抗计算： （2）变压器3B，4B等值阻抗计算： （3）变压器5B，6B等值阻抗计算： 2.2.3 发电机等值电抗计算： （1）发电机G1，G2电抗标幺值计算： 2.2.4 最大负荷电流计算 （1）5B，6B允许的最大额定电流为： 3B，4B允许的最大额定电流为： （2）依要求可知BS1，AS2 CT变比为：600/5,600/5 故可取AS2线路的最大负荷电流为：500A即0.5KA BS1线路取最大负荷电流为：400A即0.4KA2.2.5 各线路运行方式下流过断路器的最大负荷电流 （1）保护1的最大方式：发电机G1，G2全投入，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G2停，线路全部运行。 （2）保护3的最大运行方式：发电机G1，G2全投入，通过保护3的最大负荷电流为：Ifhmax3=0.5KA，保护3 的最小运行方式：发电机G2停，全线运行。 （3）保护4的最大运行方式：发电机G1，G2全投入，通过保护4的最大负荷电流为：If hmax4=0.4+0.16*2=0.4+0.33=0.73KA，保护4 的最小运行方式：发电机G2停，全线运行。 （4）保护6的最大运行方式：发电机G1，G2全投入，通过保护6的最大负荷电流为：Ifhmax6=0.4KA。 （5）保护2和保护5因正常运行时不可能有正向电流流过，要是有正向电流通过，定是电路发生故障，即在保护2和保护5上装设方向功率继电器即可。3 短路电流计算3.1短路时电网等效电路由于短路电流计算是电网继电保护配置设计的基础，因此考虑最大运运行方式（两台电机全部投入）时各线路末端短路的计算情况，最小运行方式（只有一台电机投入）时各线路末端短路的计算情况，电网等效电路图如下：图3.1.1 电网短路等效电路图3.2 短路电流计算3.2.1 d1点短路时流过断路器1 （1）d1点短路最大运行方式下等值电路图如下：图3.2.1 d1点短路时最大运行方式下等值电路图进一步简化可得： 图3.2.2 正负序短路电路图而: 其中 （2）d1点两相短路时最小运行方式下短路电流（3）最大运行方式下两相短路零序短路电流图3.2.3最大运行方式下亮相短路零序短路电流3.2.2 d2 发生短路时流过短路1（1） 最大运行方式下正序短路电流图3.2.4 d2 发生短路时最大运行方式下等值电路图从而做出正负序短路电路图如下：图3.2.5做出正负序短路等值电路图而：（2） 最小运行方式下两相短路的正序电流（3）最大运行方式下两相短路的零序电流图3.2.6最大运行方式下两相短路的零序短路电流3.2.3 d3 短路时流过断路器1（1）d3 短路最大运行方式下等值电路图如下：图3.2.7最大运行方式下d3 点短路是等值电路图从而做出正负序短路电路图如下：图3.2.8正负序短路电路图而：(2)最小运行方式下两相短路的正序电流（3） 最大运行方式下两相短路的零序电流图3.2.9最大运行下两相短路的零序电流 3.2.4 d4 点短路时流过短路器1（1）d4 点短路最大运行方式下等值带南路图如下图3.2.0最大运行方式下d4 点短路时的等值电路图从而做出正负序短路电路如下：图3.3.1正负序短路电路图而（2）最小运行方式下两相短路的正序电流（3）最大运行方式下两相短路的零序电流图3.3.2 最大运行方式下两相短路零序电路图3.2.5 d5点短路时流过断路器（1）d5点短路时，最大运行方式下等值电路图如下：图3.3.3 最大运行方式下等值电路图从而作出其正负序短路电路图如下：图3.3.4 正负序电路图从而:（2）最小运行方式下两相短路的正序电流（3）最大运行方式下两相短路的零序电流图3.3.5 最大运行方式下两相短路的零序电路图3.2.6 d6 点短路时流过断路器（1）d6点短路时，最大运行方式下等值电路图如下：图3.3.6 d6短路时最大运行方式下等值电路图从而作出其正负序短路电路图如下： 图3.3.7 正、负序电路图而:（2）最小运行方式下两相短路的正序电流（3）最大运行方式下两相短路的零序电流图3.3.8 最大运行方式下两相短路的零序电路图4.继电保护的整定计算和校验4.1断路器1距离保护的整定计算和校验4.1.1距离保护段的整定计算（1）动作阻抗：对输电线路按躲过本线路末端短路来整定。取（2）动作时限：距离保护段的动作时限是有保护装置有动作时限决定，人为延时为0，即4.1.2距离保护段的整定计算（1）动作阻抗：按下列三个条件选择（取）与相邻线路L1（AS2）的保护段相配合，并作出等效电路图，如下：图4.1.1 整定段时求的电路显然由图可知：与相邻线路L2（AB）的保护段相配合，并作出等效电路图，如下：图4.1.2整定段时求的电路显然由图可知：与相邻变压器快速保护相配合，作出等效电路图，如下：图4.1.3整定段时求的电路显然由图可知：取以上三个计算值中最小值为段整定值，即（2）动作时间：与相邻保护段相配合，则它恰能满足与相邻线路L2和变压器保护配合要求（3）灵敏性检验：满足保护要求。4.1.3距离保护段整定计算（1）动作阻抗：按躲开最小负荷阻抗来选择，取于是（2）动作时间：（3）灵敏性检验：本线路末端短路时的灵敏系数为：满足要求相邻元件末端时的灵敏系数： 段相邻元件L1（AS2）段末端灵敏系数为：作出等效电路图，如下：图4.1.4整定段时求的电路显然如图可知：不满足要求段相邻元件L2（AB）段末端灵敏系数为： 做出等效电路图如下图4.1.5图4.1.5相邻元件L2时，整定等效电路显然由图可知所以 满足要求 与相邻变压的快速保护相配合 做出等效电路图如下图4.1.6图4.1.6相邻线路为变压器时，整定等效电路显然由图可知 所以 不符合要求4.2 断路器2距离保护的整定计算和校验 动作阻抗：取 动作时限： 由于断路器2没有下一线路，所以断路器2无需进行第段和第段整定，只需在保护上装设方向功率继点保护即可。4.3 断路器3距离保护的整定计算和校验 动作阻抗：取 动作时限：由于断路器3没有下一线路，所以断路器3无需进行第段和第段整定。4.4 断路器4距离保护的整定计算和校验4.4.1距离保护的段的整定计算 动作阻抗：取 动作时限：4.4.2距离保护的段的整定计算 动作阻抗：按下列两种情况选择（取，）与相邻线路段线路的段相配合，并作出等效电路图如下图1.4.7图4.1.7相邻线路L4时的整定等效电路显然由图可知： 所以 与相邻变压器保护相配合，并作出等效电路图如图1.4.8图4.1.8相邻线路为变压器时的整定等效电路 显然由图可知： 所以 取上式计算其中最小值的整定值，即 动作时限 灵敏度校验 满足要求4.4.3距离保护段整定计算（1）动作阻抗：按躲开最小负荷阻抗来选择(方向阻抗继电器)取 且又知即知（2）动作时间：（3）灵敏度检测本线路末端的灵敏度系数 符合要求相邻元件灵敏度系数：.相邻线路L（BS）的末端灵敏度系数：作出等效电路图如下：图4.1.9相邻线路为L4时的整定等效电路显然由右图可知： 符合要求相邻变压器的末端灵敏度系数：又知 符合要求4.5断路器5距离保护的整定计算（1）动作阻抗：按躲过线路末端短路时整定。即（2）动作时间：由于断路器没用下一线路，所以断路器就无需进行第段和第段的整定计算。只需在断路器5装设一个功率方向继电器即可。4.6断路器6距离保护的整定与计算（1）动作阻抗： 按躲过线路末端短路时整定。即(2)动作时限：由于断路器6没有下一线路，所以断路器6就无需进行第段和第段的整定计算。5继电保护的零序电流保护的整定计算和校验5.1继电保护的零序电流保护的整定计算和校验5.1.1零序电流保护段的整定计算（1）躲开下一线路出处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流即 （2）躲开线路的三相触头不同期各闸时出现的零序电流 各一相，相当于断开两相，流过断路器的零序电流： 各两相，相当于断开一相，流过断路器的零序电流3.取两种情况较大值，即 故整定值为：5.1.2 零序电流保护II段的整定计算（1）起动电流零序II段的起动电流应与下一段路的零序I段相配合。该保护与下一线段保护之间有中性点接地变压的，该保护的起动电流I0dZ,取KK=1.2 ,I0=4.973uAId03s*=XL1 cos/XT1/2+XL3（0）+XT5/2/XL1（0）+XL2(0)+XL1(0) =0.45/0.373+0.09+0.073+0.45+0.27=0.358Id0.is*=Id0.3s*I0=0.358*4.973=1.780KA即I0dZ=KK*Id03s=1.2*1.780=2.136KA(2)动作时限零序II段的动作时限与相零线路零序I段保护相配合，动作时限一般取0.5s（3）灵敏度检验零序II段的灵敏系数应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流校验，并满足Kem1.5的要求，即Kem=3I0min/I0dZ=3*4.973/2.136=6.9851.5符合要求。5.1.3零序电流保护III段的整定计算（1）起动电流躲开下条线路出现三相间短路时所出现的最大不平衡电流Ibpmax,即Ibpmax=0.15KA Kk/ Ibp=1.2*0.15=0.18KA与下一线路零序电流III段相配合是本保护零序III段的保护范围，不能超出相邻线路上零序III段的保护范围。起动电流整定为:I0dz/=KK/*Ibp3s而Ijs=XT4/2/XL1（0）/XL3（0）+XT1/2+XT4/2/XL1（0）=0.252Ijs=Ijs*Ibpmax=0.252*0.15=0.038KA即Ibpis=0.038KAI0dZ/=KK/*Ibp3s=1.2*0.038=0.0456KA取较大值作为零序III段起动电流，即I0dZ/=0.18KA（2）灵敏度校验： 作为本线路近后备保护时，流过本保护最小零序电流3I0min/来检验，要求Kem2.即Kem=3I0min/I0dZ=3*0.150/0.18=2.52符合要求。（3）动作时限为保证选择各保护的动作时限也按阶梯原则选择 T1/=t4/+t=1.5s5.2断路器2零序电流保护的整定计算和校验（1）躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流，即Kk/=1.2 I0dz/=KK/*3I0max=1.2*3*7.123=25.643KA（2）躲过断路器三相触头不同期各闸间时出现的零序电流3I0dZ/=KK/*3I0bt先合两相相当于断开一相3I0bt=3*2E/（2Z1+Z0）=6*115/（2*4+12）=34.5KA先合两相，相当于断开一相3I0bt=3*2E/（Z1+2Z0）=6*115/（4+12*2）=41.4KA故整定值为：I0bt=41.4KA由于断路器3无下一回线路，所以无需整定零序保护第II和第III段5.3断路器3零序电流电流保护的整定计算和校验（1）躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可出现的最大零序电流：I0dZ/= KK/*3I0max=1.2*0.892=1.07KA（2）躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的零序电流3I0st ，即I0dz=Kk*3I0st先合一相，相当于断开两相。3I0st=2*3E/（2Z1+Z0）=6*115/(2*20+60)=6.9KA先合三相，相当于断开一相。3I0st=2*3E/（Z1+2Z0）=6*115/(20+2*60)=4.929KA3I0st取较大者，即I0dz=Kk/*3I0st=1.2*6.9=8.28KA故整定值为：I/0dz=8.28KA由于线路L1为110KV电压等级的最后一回路，故无需整定零序保护的第段和第段。5.4 断路器4零序电流保护的整定计算和校验5.4.1断路器4零序电流保护段整定计算（一）躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流，即I/0dz=KK/.3I0.max=1.2*3*1.528=5.508KA（二）躲开断路器三相触头不同时期合闸时出现的零序电流3I0.st即I/0dz= KK/3I0.st先合一相，相当于断开两相。3I0.st=2*3E/（2Z1+Z0）=6*115/（2*12+36）=11.5KA先合三相，相当于断开一相。3I0.st=2*3E/（Z1+2Z0）=6*115/（12+36*2）=8.214KA3I0st取最大者，即I/0dz=Kk/*3I0st=1.2*3*11.5=41.4KA故整定值为：I/0dz=41.4KA5.4.2断路器4零序电流保护段整定计算（一）起动电流零序段的起动电流应与下一线路的零序段相配合。该保护与下一条线路的保护之间有中线点接地变压器，该保护的起动电流I/0.dz取KK/=1.2,I0=7.123-1.528=5.595KAId0.3s* =(XL3(0)+XT1/2)/XL1(0)/XT3/2/XL2(0)/(XL3(0)+XT1/2)/ XL1(0)/XT3/2/XL2(0)+XL4(0) =0.087Id0.3s= Id0.3s*I0=0.087*5.595=0.487KA（二）动作时限：动作时限一般取0.5s（三）灵敏度校验：零序段灵敏度系数应按照本线路末端接地短路时的最小零序电流时校验，并满足Klm1.5要求， 即Klm=3I0.min/I/0dz=3*5.595/0.584=28.71.5 符合要求。5.4.3断路器4零序电流保护段整定计算（一）起动电流躲开在下一条线路出处相间短路时出现的最大不平衡电流 Ibp.max 即Ibp.max=0.044KA*KK/=1.2 I/0.dz= KK/Ibp.max=1.2*3*0.044=0.158KA与下一条线路零序电流段相配合就是本保护零序段的保护范围，不能超出相邻线路上零序段保护范围。起动电流整定为：I/0.dz= KK/Idp.isIis*=XT5/2(XT5/2+XL4(0)=0.39Iis=Iis* Idp.is=0.39*0.044=0.017KA即Idp.is=0.017KAI/0.dz= KK/Idp.is=1.2*0.017KA=0.021KA取较大值作为零序段起动电流，即0/0.dz=0.158KA（二）动作时限：为保证选择性各保护的动作时限也按阶梯原则来选择，t4=t6+t=1s（三）灵敏度校验：要求Klm2，即Klm=3*0.150/0.158=2.85KA2符合要求。5.5 断路器5零序电流保护的整定计算和校验（一）躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0*MAX，即KK=1.2，I0.dz=KK*3I0*MAX=1.2*3*7.132=25.657KA(二) 躲过断路器三相触头不同期各闸时出现的零序电流3I0*st即I0*dz=Kk*3I0.st 先合一相，相当于断开两相。3I0st=6E/（2Z1+Z0）=6*115/(2*12+36)=11.5KA 先合三相，相当于断开一相。3I0st=6E/（Z1+2Z0）=6*115/(12+36*2)=8.21KA3I0st取较大者，即I0dz=Kk/*3I0st=1.2*11.5=13.8KA故整定值为：I/0dz=13.8KA由于断路器无下一回线路，所以无需整定零序保护的第段和第段。5.6 断路器6零序电流保护的整定计算和校验（一）躲开下一条线路出口处单相接地或两相接地短路时可能出现的最大零序电流3I0*MAX，即KK=1.2，I0.dz=KK*3I0*MAX=1.2*3*1.528=5.501KA(二) 躲过断路器三相触头不同期各闸时出现的零序电流3I0*st即I0*dz=Kk*3I0.st 先合一相，相当于断开两相。3I0st=6E/（2Z1+Z0）=6*115/(2*10.4+31.2)=13.269KA 先合三相，相当于断开一相。3I0st=6E/（Z1+2Z0）=6*115/(10.4+31.2*2)=9.478KA3I0st取较大者，即I0dz=Kk/*3I0st=1.2*13.269=15.923KA故整定值为：I/0dz=13.8KA由于线路L4为110KV电网中的最后一回线路，故不需整定零序保护的第段和第段。6 综合评价6.1电流保护的综合评价 三段式电流保护的主要优点是简单,可靠,经济,并且一般情况下都能较快的切除故障.但是一般用于35KV及以下的电压等级的电网中,对于容量大,电压高,或者结构复杂的网络,它难于满足电网对保护的要求.缺点是它的灵敏度和保护范围直接受系统运行方式和短路类型的影响,此外,它只在单侧电源电网中才有选择性.6.2 对零序电流保护的评价 零序电流保护比相间短路的电流保护有较高的灵敏度.对于零序一段,由于线路的零序阻抗大于正序阻抗,使的线路始末两端电流变化较大,因此使零序一段保护范围增大,即提高了灵敏度;对于零序三段,由于起动值是按不平衡电流来整定的,所以比相间短路的电流保护的起动值小,即灵敏度高;零序过电流保护的动作时限较相间保护短;零序电流保护不反映系统振荡和过负荷;零序功率元件无死区,副方电压断线时,不会误动作;接线简单可靠.其缺点是不能反应相间短路.6.3 距离保护的综合评价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与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.其中一段保护基本上不受运行方式的影响,而二段 三段依旧受系统的运行方式变换的影响,但是比电流保护要小些,保护区域和灵敏度比较稳定.但是依然有以下缺点:不能实现全线速动.对双侧电源线路,将有全长的30%-40%的第二段时限跳闸,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,可靠性也相对降低.。结束语本次毕业设计的主要内容是对110kV电力系统继电保护的部分线路和变电所配置。经过对设计要求，设计内容的分析可知，首先要利用电力系统分析的知识，求出各短路点的短路电流，确定各短路点短路时系统的最大及最小运行方式。接下来在最大最小运行方式下求出各出线的最大