110KV单电源环形网络继电保护课程设计

1、中北大学信息与通信工程学院电力系统继电保护课程设计引言电力系统继电保护作为电气工程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

2、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。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。1 运行方式的选择1.1 运行方式的选择原则1.1.1 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、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。1.1.2 变

3、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。(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。(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，这种情况不按接地运行考虑。1.1.3 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。1.1.4 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

4、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。(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。1.1.5 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

5、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。1.2 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

6、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ac+bc与ab并联运行。1.3自动装置配置1.3.1 简述电力系统自动装置是指在电力网中发生故障或异常时起控制作用的设备，主要包括自动重合闸、备用电源自动投入装置、低频减载和失压解列装置等设备，电网中自动装置的型号多、逻辑千变万化，在实际运行中会暴露一些问题。电网中自动装置的配置，需要我们进行全面的考虑。1.3.2系统安全自动装置的配

7、置配置重合闸：在电力系统故障中，打多数故障是输电线路故障。运行经验表明大多数线路故障是“瞬时性”故障，此时，如果把断开的线路在合上，就能恢复正常供电。该系统为110kv输电线路系统，按照要求，每一个断路器都应该装有ard装置，并与继电保护后加速配合形成重合闸后加速保护，保证电力系统最大限度的正常供电。配置备用电源自动投入装置：当线路或用电设备发生故障时，能够自动迅速、准确的把备用电源投入用电设备中或把设备切换到备用电源上，不至于让用户断电的一种装置。该系统为110kv输电线路系统，根据系统要求，如果b变电站或c变电站中的两台变压器，为了保证负荷可以长时间的正常运行，应该加入aat装置。配置低频

8、、低压减载装置：它在电力系统发生事故出现功率缺额使电网频率、电压急剧下降时,自动切除部分负荷,防止系统频率、电压崩溃,使系统恢复正常,保证电网的安全稳定运行和对重要用户的连续供电。如图所示：该系统为110kv输电线路系统，根据当地系统运行状况和系统要求，为了保证系统能够稳定运行，防止系统频率、电压崩溃应该在变电站b、c、d中配置低频、低压减载装置。2. 电网各个元件参数计算及短路电流计算2.1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=11510

9、3/1.732502=132.25；电压标幺值：e=e(2)=1.052.2电网各元件等值电抗计算2.2.1输电线路等值电抗计算(1) 线路ab等值电抗计算正序以及负序电抗：xl1= x1l1=0.440=16xl1*= xl1/ zb=16/132.25=0.121零序电抗：xl10= x0l1= 3x1l1=30.440=48xl10*= xl10/ zb=48/132.25=0.363(2) 线路bc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=48x

10、l20*= xl20/ zb=48/132.25=0.363(3) 线路ca等值电抗计算正序以及负序电抗：xl3= x1l3=0.450=20xl3*= xl3/ zb=20/132.25=0.1512零序电抗：xl30= x0l3= 3x1l3=30.450=60xl30*= xl30/ zb=50/132.25=0.45372.2.2变压器等值电抗计算(1) 变压器t1、t2等值电抗计算xt1= xt2=uk%/100un2/ sn=1o.5/100110110/6021.175xt1*= xt2*=xt1/ zb=31.7625/132.25=0.1601(2) 变压器t3等值电抗计算x

11、t3= uk%/100un2/ sn21.175xt3*=xt3/ zb=21.175/132.25=0.1601(3) 变压器t4、t5、t6等值电抗计算xt4= xt5=xt6= xt7= uk%/100un2/ sn63.525xt6*= xt7* = xt4*= xt5*=63.525/132.25=0.48032.2.3发电机等值电抗计算(1)发电机g1、g2、g3电抗标幺值计算xg1* = xg2*= xg3*=xdsb/ sg= xdsb cos/ pg=0.1291000.85/50=0.21932.2.4 各线路运行方式下流过断路器的最大负荷电流(1) 保护1的最大运行方式：

12、发电机g1、g2、g3全投入，继开线路ac；通过保护1的负荷电流最大；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的最大运行方式：发电机g1、g2、g3全投入，继开线路bc；通过保护4的负荷电流最大。保护4的最小运行方式：g3停，线路全部运行。(3) 保护6的最大运行方式：发电机g1、g2、g3全投入，断开线路ab；通过保护6的负荷电流最大。保护6的最小运行方式：g3停，线路全部运行。2.2.5 短路计算电路图等值图bc线路是最大运行方式正序负序零序bc最小运行方式正序 零序ca线路最大运行方式正序零序ca线路最小运行方式正序零序ab线路最大运行方式正序零序ab线路最小运行

13、方式正序零序故障点c：最大运行方式 三相短路： 有名值 ：两相短路：有名值： 单相接地： 有名值 ：两相接地： = 2.564有名值：最小运行方式 三相短路： 有名值： 两相短路： 有名值: 单相接地： 有名值： 两相接地 ： = 4.062 有名值：短路点a：最大运行方式 三相短路： 有名值： 两相短路： 有名值 ：单相接地： 有名值： 两相接地 ： = 9.08a 有名值： 零序：流过安装处电流：单相接地： 两相接地：最小运行方式三相短路： 有名值： 两相短路： 有名值： 单相短路： 有名值： 两相接地 ： 有名值： 零序： 流过安装处电流：单相接地： 两相短路：短路点b ：1.最大运行方

14、式下： 三相短路：=3.984 a；有名值 =916.33 a； 两相短路： =3.984=3.45a，有名值=793.57 a； 单相短路：=30.2512+0.161=4.52a，有名值=1040.72 a； 两相接地：=4.33 a，有名值=996.10a； 流过安装处电流：0.1753+0.360.1753+0.36+0.2625=0.543；单相：=0.5431040.72=565.11a；两相：=0.543996.10=540.88a2.最小运行方式下： 三相短路：=3.571a；有名值=821.43a； 两相短路：=3.093；有名值=711.40a； 单相短路：=30.282+

15、0.148=4.237，有名值=974.58a 两相接地：=4.043a，有名值=929.92a； 流过安装处电流：0.562； 单相：=0.562974.58=547.71a； 两相：=0.562929.92=522.62a表2-1 短路电流统计表a侧短路(a)b侧短路(a)c侧短路(a)最大运行方式三相短路43.922.9143.89两相短路38.0119.8438.015单相短路54.4226.0254.418两相接地52.2124.952.207最小运行方式三相短路29.1821.5429.188两相短路25.2817.77525.288单相短路36.75524.3636.76两相接地

16、35.4523.2535.452.3 距离保护整定计算2.3.1电力网相间距离保护的整定计算步骤（1）相间距离保护第段整定计算1）相间距离保护第段的整定值主要是要躲过本线路的末端相间故障。设线路ab首端断路器为1qf,z则线路ab断路器1qf处的相间距离保护第段的整定值为： （4-1）式中：ab线路首端断路器1qf处相间距离保护第段的整定值； 相间距离保护第段的可靠系数，取0.85； 被保护线路ab的正序阻抗。 2）相间距离保护第段的动作时间为： 3）相间距离保护第段的灵敏度用范围表示，即为被保护线路全长的80%85% （2） 相间距离保护段整定计算1） 按与相邻线路距离保护i段配合整定 （4

17、-2）式中， 被保护线路ab阻抗； 相邻线路相间距离保护i段动作阻抗； 相间距离保护第段可靠系数，取0.80.85； 相间距离保护第段可靠系数，取0.8； 分支系数最小值，为相邻线路第段距离保护范围末端短路时流过故障线电流之比的最小值。 2）与相邻变压器纵差保护配合 （4-3）式中， =0.7 相邻变压器的正序阻抗； 相邻变压器另侧母线，如d母线短路时流过变压器的短路电流与被保护线电流之比的最小值。取所有与相邻元件相间短路保护配合计算值中的最小值为整定值。 3） 相间距离保护第段的动作时间为： =0.5s 4） 相间距离保护第段的灵敏度校验： （4-4） 5） 当不满足灵敏度要求时可与相邻线相

18、间距离保护第段配合。这时有： （4-5）式中， =0.800.85 相邻线路相间距离保护第段的整定值。这时，相间距离保护第的动作时间为： =+式中， 相邻线路相间距离保护第段的动作时间。（3） 相间距离保护段整定计算1）躲过被保护线路的最小负荷阻抗采用方向阻抗继电器 （4-6）式中， 相间距离保护第段可靠系数，取1.21.3； 返回系数，取1.151.25： 自起动系数，取1； 电网的额定相电压； 最大负荷电流； 阻抗元件的最大灵敏角，取。 负荷阻抗角，取。 2）相间距离保护第段动作时间为： 3）相间距离保护第段灵敏度校验： 当作近后备时 （4-7） 当作远后备时 （4-8） 式中， 分支系数

19、最大值。2.3.1.计算网络参数： 2.3.2距离保护整定值计算：（1） 1qf距离保护整定值计算：一段整定阻抗：二段整定阻抗：1)与相邻下级lbc段的一段配合：2)按躲过相邻变压器出口短路整定： 灵敏度校验：要求1.25结论：=33.605 t=0s2.3.3 3qf距离保护整定值计算：（同理）2.3.4 5qf距离保护整定值计算： 结论：考虑到6qf仅需要加装一个功率方向继电器或者 方向阻抗继电器，5qf不需 要和6qf的距离保护装置配合，所以5qf仅需要和t6的保护配合。注意根据设计要求：“系统允许的最大故障切除时间为 0.85s”系统最低等级的后备保护延时时间都已经超过了了1.5s，如

20、果按照阶梯原则配合，不满足设计要求，所以不需要加装三段保护3. 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。4. 电力网零序电流保

21、护配置与整定计算4.1概述4.1.1零序电流保护的特点中性点直接接地系统中发生接地短路，将产生很大的零序电流分量，利用零序电流分量构成保护，可作为一种主要的接地短路保护。因为它不反映三相和两相短路，在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。另一方面，零序电流保护仍有电流保护的某些弱点，即它受电力系统运行方式变化的影响较大，灵敏度将因此降低；特别是在短距离的线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。当零序电流保护的保护效果不能满足电力系统要求时，则应装设接地距离保护。接地距离保

22、护因其保护范围比较固定，对本线路和相邻线路的保护效果都会有所改善。零序电流保护接于电流互感器的零序电流滤过器，接线简单可靠，零序电流保护通常由多段组成，一般是三段式，并可根据运行需要而增减段数。为了适应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。4.2 零序电流保护整定计算的运行方式分析4.2.1 接地短路计算的运行方式选择计算零序电流大小和分布的运行方式选择，是零序电流保护整定计算的第一步。选择运行方式就是考虑零序电流保护所能适应的发电机、变压器以及线路变化大小的问题。一般可按下述条件考虑。（1）总的原则是，不论发电厂或是变电所，首先是按变压器设备的绝缘要求来确定中性点是否

23、接地；其次是以保持对该母线的零序电抗在运行中变化最小为出发点来考虑。当变压器台数较多时，也可采取几台变压器组合的方法，使零序电抗变化最小。（2）发电厂的母线上至少应有一台变压器中性点接地运行，这是电力系统过电压保护和继电保护功能所需要的。为改善设备过电压的条件，对双母线上接有多台（一般是四台以上）变压器时，可选择两台变压器同时接地运行，并各分占一条母线，这样在双母线母联短路器断开后，也各自保持着接地系统。（3）变电所的变压器中性点分为两种情况，单侧电源受电的变压器，如果不采用单相重合闸，其中性点因班应不接地运行，以简化零序电流保护的整定计算；双侧电源受电的变压器，则视该母线上连接的线路条数和变

24、压器台数的多少以及变压器容量的大小，按变压器零序电抗变化最小的原则进行组合。4.2.2 流过保护最大零序电流的运行方式选择(1) 单侧电源辐射形电网，一般取最大运行方式，线路末端的变压器中性点不接地运行。(2) 多电源的辐射形电网及环状电网，应考虑到相临线路的停运或保护的相继动作，并考虑在最大开机方式下对侧接地方式最小，而本侧（保护的背后）接地方式最大。(3) 计算各类短路电流值。4.3 最大分支系数的运行方式和短路点位置的选择(1) 辐射形电网中线路保护的分之系数与短路的位置无关。(2) 环状电网中线路的分支系数随短路点的移远而逐渐减小 。但实际上整定需要最大分支系数，故还是选择开环运行方式

25、。(3) 环外线路对环内线路的分支系数也与短路点有关，随着短路点的移远，分支系数逐渐增大，可以增加到很大很大，但具体整定并不是选一个最大值，而应按实际整定配合点的分支系数计算。4.4 零序电流保护的整定计算4.4.1零序电流保护的整定计算步骤（1） 零序电流保护段的整定1）按躲开本线路末端接地短路的最大零序电流整定，即 (5-1)式中 可靠系数，取1.21.3；计算时取1.3线路末端接地短路时流过保护的最大零序电流。2） 零序电流保护段的保护最小保护范围亦要求不小于本保护线路长度的15%。3）整定的动作延时为0。（2） 零序电流保护段的整定此段保护按满足以下条件整定：1）按与相邻下一级线路的零

26、序电流保护段配合整定，即 (5-2)式中 可靠系数，取1.1。 分支系数，按实际情况选取可能的最小值； 相邻下一级线路的零序电流保护i段整定值。 2）当按此整定结果达不到规定灵敏系数时，可改为与相邻下一级线路的零序电流保护段配合整定： （5-3）3）零序段的灵敏度校验： 1.31.5 （5-4）4）零序电流保护段的动作时间： 当动作电流按式（7.2）计算时， 当动作电流按式（7.3）计算时，（3） 零序电流保护段保护的整定此段保护一般是起后备保护作用。段保护通常是作为零序电流保护ii段保护的补充作用。零序电流保护段保护按满足以下条件整定：1）按躲开下一条线路出口处发生三相短路时，流过保护装置的

27、最大不平衡电流来整定 (5-5)式中 可靠系数。取1.25。 最大不平衡电流。 其中 (5-6)式中 非周期分量系数,取12； 电流互感器的同性系数,取0.5； 电流互感器的10%误差,取0.1； 下一级线路始端三相短路的最大短路电流。 2） 零序段的灵敏度校验： 当作为近后备保护时， 1.31.5 (5-7)当作为远后备保护时， 1.2 (5-8)式中 本线路末端短路时在小方式运行下的最小零序电流。 下一级线路末端短路时在小方式运行下的最小零序电流。 最大分支系数。3） 零序电流保护段的动作时间：时限的确定:对于环型网络,若按阶梯原则与相邻线路配合时,会产生断路器误动的现象因此应找出解环点所

28、以必须选出某一线路的保护段与其相邻的保护段配合此即环网保护段的动作时限的起始点，此起始点的选择原则是：应考虑尽可能使整个环网中保护三段的保护灵敏度较高。(1) 各段保护的整定时间均应按整定配合原则增加时间级差。(2) 当分支系数随短路点的移远而变大时，例如有零序互感的平行线路，保护的整定配合应按相配合保护段的保护范围末端进行计算，一般可用图解法整定，(3) 与相邻双回线路的零序保护配合整定。当双回线路装设了横联差动保护时，为提高灵敏度，可按与横联差动保护配合整定，即按双回线路全线为快速保护范围考虑，但时间整定要考虑横联差动保护相继动作的延时；如考虑双回线运行中将横联差动保护停用的情况时，可相应

29、提出将双回线路运行临时改为单回线路运行的措施。表5-1 零序电流保护整定计算结果表线路名称保护安装地点保护编号保护段整定值（a）动作时限（s）abab线路首端保护1474.89 0.0292.06 bcbc线路首端保护3469.87 caca线路首端保护51038.14 4.4.2保护1的零序整定（1）无时限电流零序电流保护:按躲过相邻下一线路出口即本线路末端单相或两相接地短路时,可能出现的最大3倍零序电流即:取的最大值则有: 以在距1号短路器15%处最小短路电流来检验灵敏度:取的最小值即: （2）带时限零序电流速断保护:与相邻下一级线路bc段5dl零序电流保护第段相配合,即: 由此计算可得：

30、，与下一相邻线路保护3的配合:所以: 图4-1最小分支系数图由图5-6计算可得 图4-2最大分支系数图 图4-3星角变换图参照图4-2和图4-3可知：应更换更加灵敏的接地距离保护.保护1末端短路时的最小零序电流为： 4.4.3保护3的零序整定（1）无时限电流速断保护的整定以在距6号短路器15%处最小短路电流来检验灵敏度:应更换更加灵敏的接地距离保护.4.4.4保护7的零序整定（1）无时限电流速断保护的整定以在距7号短路器15%处最小短路电流来检验灵敏度:应更换更加灵敏的接地距离保护4.5零序电流保护的评价.在大接地电流系统中，采用零序电流保护和零序方向电流保护与采用三相完全星形接线的电流保护和

31、方向电流保护来防御接地短路相比较，前者具有较突出的优点：(1) 灵敏度高(2) 延时小(3) 在保护安装处正向出口短路时，零序功率方向元件没有电压死区，而相间短路保护功率方向元件有电压死区。(4) 在电网变压器中性点接地的数目和位置不变的条件下，当系统运行方式变化时，零序电流变化较小，因此，零序电流速断保护的保护范围长而稳定。而相间短路电流速断保护，受系统运行方式变化的影响较大。(5) 采用了零序电流保护后，相间短路的电流保护就可以采用两相星形接线方式，并可和零序电流保护合用一组电流互感器，又能满足技术要求，而且接线也简单。应该指出，在110kv及以上电压系统中，单相接地短路故障约占全部故障的80%90%，而其它类型的故障，也往往是由单相接地发展起来的。所以，采用专门的零序电流保护就有其更重要的意义。因而，在大接地电流系