电力系统继电保护课程

1、电力系统继电保护课程设计倉且工歹女军电力系统继电保护原理课程设计作者姓名 学 号 指导教师 所在院系 专业班级浙江工业大学信息学院电气工程及其自动化电力系统继电保护课程设计目录第一章绪论 2第1.1节 电力系统继电保护概论 2第1.2节 继电保护的构成与分类 3第二章数据分析 3第2.1节数据的分析和整理 3第2.2节 继电保护的作用 4第2.3节计算系统中个原元件主要参数 4第2.4节节元件参数一览表 5第2.5节输电线路PT和CT的选择 10第三章 短路电流计算 11第3.1节 短路计算的目的规定和步骤 11第3.2节运行方式的确定 11第3.3节短路电流周期计算 12第四章 电力网电流保

2、护整定和灵敏度检验 23第4.1节 对继电保护装置的基本要求 23第4.2节电流保护整定计算 24第五章电力网相间距离保护整定计算与灵敏度检验 29第5.1节 继电保护的基本要求 29第5.2节距离保护整定计算 30第六章 电力网零序继电保护整定计算 35第6.1节概述 35第6.2节零序电流保护整定计算 3640第6.3节零序接地距离保护 38 第七章高频保护的整定第八章 自动重合闸装置的配置 43第7.1节 自动重合闸的作用和要求 43第7.2节自动重合闸的配置 43附录 44参考文献 48浙江工业大学信息学院电气工程及其自动化5第一章绪论第1.1节 电力系统继电保护概论从科学技术的角度，

3、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。继电保护包括继电保护技术和继电保护装置。继电保护技术是一个完整的电力技术理论体系。它主要由电力系统故障分析、继电保护原理及实现、继电保护配置设计与继电保护运行及 维护等技术构成。1.1.1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

4、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。1.1.2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。1.1.3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

5、）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。1.1.4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

6、 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。1.1.5继电保护的基本原理为了完成上述第一个任务，继电保护

7、装置必须具有正确区分被保护元件是处于正常运行状 态还是发生了故障，是保护区内故障还是区外故障的功能。保护装置要实现这一功能，需要根浙江工业大学信息学院电气工程及其自动化据电力系统发生故障前后电气物理量变化的特征为基础来构成。电力系统发生故障后，工频电气量变化的主要特征是：(1) 电流增大。短路时故障点与电源之间的电气设备和输电线路上的电流将由负荷电流增 大至大大超过负荷电流。(2) 电压降低。当发生相间短路和接地短路故障时，系统各点的相间电压或相电压值下降， 且越靠近短路点，电压越低。(3) 电流与电压之间的相位角改变。正常运行时电流与电压间的相位角是负荷的功率因数 角，一般约为20,三相短路

8、时，电流与电压之间的相位角是由线路的阻抗角决定的，一般为60。85,而在保护反方向三相短路时，电流与电压之间的相位角则是180 +(60。85 )。(4) 测量阻抗发生变化。 测量阻抗即测量点(保护安装处)电压与电流之比值。 正常运行时， 测量阻抗为负荷阻抗；金属性短路时，测量阻抗转变为线路阻抗，故障后测量阻抗显著减小，而阻抗角增大。不对称短路时，出现相序分量，如两相及单相接地短路时，出现负序电流和负序电压分量；单相接地时，出现负序和零序电流和电压分量。这些分量在正常运行时是不出现的。第1.2节 继电保护的构成与分类1.2.1继电保护装置的构成继电保护装置可视为由测量部分、逻辑部分和执行部分等

9、部分组成，各部分功能如下。(1) 测量部分测量部分是测量从被保护对象输入的有关电气量，并与已给定的整定值进行比较，根据比 较的结果，判断保护是否应该启动的部件。(2) 逻辑部分逻辑部分是根据测量部分输出量的大小、性质、输出的逻辑状态、出现的顺序或它们的组 合，使保护装置按一定的布尔逻辑及时序逻辑关系工作，最后确定是否应该使断路器跳闸或发 出信号，并将有关命令传给执行部分的部件。(3) 执行部分执行部分是根据逻辑部分传送的信号，最后完成保护装置所担负的对外操作的任务的部件。如检测到故障时，发出动作信号驱动断路器跳闸；在不正常运行时发出告警信号；在正常运行时，不产生动作信号。1.2.2继电保护的分

10、类常用继电保护的分类方法有以下几种：(1) 按被保护对象的类别，继电保护分为线路保护和设备保护等俩种。(2) 按保护原理可，继电保护可以分为电流保护，电压保护，距离保护(基于线路阻抗)， 差动保护，纵联保护，方向保护及负(零)序保护。(3) 按故障或不正常运行的类型，继电保护可以分为相间短路保护，接地故障保护，匝间 短路保护，断线保护，失步保护，失磁保护及过励磁保护等。(4) 按继电保护的实现技术，继电保护可分为机电型保护，整流型保护，晶体管型保护， 集成电路型保护及微机型保护等。(5) 按故障继电保护的职责和重要性，继电保护可分为主保护和后备保护。(6) 按继电保护测量值和整定值之间的关系，

11、继电保护可分为过量继电保护 装置和欠量继电保护装置。第二章数据分析第2.1节数据的分析和整理电力系统继电保护课程设计电力系统的运行要求安全可靠、电能质量高、经济性好。但是，电力系统的组成元件数量 多，结构各异，运行情况复杂，覆盖的地域辽阔。因此，受自然条件、设备及人为因素的影响， 可能出现各种故障和不正常运行状态。故障中最常见，危害最大的是各种型式的短路。为此， 还应设置以各级计算机为中心，用分层控制方式实施的安全监控系统，它能对包括正常运行在 内的各种运行状态实施控制。这样才能更进一步地确保电力系统的安全运行。本次设计按照设计要求对原始数据进入分析整理可知：本次设计按照设计要求对原始数据进入

12、分析整理可知：本次设计包括两个发电厂和三个变电站，两个220KV的变电所之间采用了双回架空线联接，220KV系统视作无限容量系统，其内阻抗为零。第2.2节 继电保护的作用继电保护装置，就是指能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 断路器跳闸或发出信号的一种自动装置。它的基本任务是：（1） 当电力系统中发生短路故障时，继电保护能自动地、 迅速地和有选择性地动作，使断 路器跳闸，将故障元件从电力系统中切除，以系统无故障的部分迅速恢复正常运行，并使故障 的设备或线路免于继续遭受破坏。（2） 当电气设备出现不正常运行情况时，根据不正常运行情况的种类和设备运行维护条件， 继电保护装置

13、则发出信号，以便由值班人员及时处理，或由装置自动进行调整。由此可见，继电保护在电力系统中的主要作用是通过预防事故或缩小事故范围来提高系统运 行的可靠性，最大限度地保证向用户安全供电。在现代的电力系统中，如果没有专门的继电保护装置，要想维持系统的正常运行是根本不可能的。第2.3节计算系统中个原元件主要参数2.3.1标幺值参数计算需要用到标幺值或有名值，在实际的电力系统中， 各元件的电抗表示方法不统一，基值也不一样。如发电机电抗，厂家给出的是以发电机额定容量SN和额定电压UN为基值的标幺电抗Xd（ %）;而输电线路电抗，通常是用有名值。在标幺制中，单个物理量均用标幺值来表示，标幺值的定义如下：标幺

14、值=实际有名值（任意单位）/基准值（与有名值同单位）显然，同一个实际值，当所选的基准值不同是，其标幺值也不同。所以当诉说一个物理量的标 幺值是，必须同时说明起基准值多大，否则仅有一个标幺值是没意义的。当选定电压、电流、阻抗、和功率的基准值分别为UB、IB、ZB和SB时，相应的标幺值为U* 二U/Ub（2-1）I* = I /ib（2-2）Z* =Z/Zb（2-3）S = S/ SB（2-4）使用标幺值，首先必须选定基准值电力系统的各电气量基准值的选择，在符合电路基本关系的前提下，原则上可以任意选取。四个物理量的基准值都要分别满足以上的公式。因此，四个基准值只能任选两个，其余两个则由上述关系式决

15、定。 至于先选定哪两个基准值，原则上没有限制；但习惯上多先选定 Ub和Sb。这样电力系统主要涉及三相短路的I b , Zb可得：I b = Sb / 3U b（ 2-5）2Zb = u b / I B = U B / Sb （2-6）Ub和Sb原则上选任何值都可以，但应根据计算的内容及计算方便来选择。通常Ub多选为额定电压或平均额定电压。SB可选系统的或某发电机的总功率；有时也可取一整数， 如100、1000MVA等。2.3.2标幺值的归算 精确的计算法，再标幺值归算中，不仅将各电压级参数归算到基本级，而且还需选取同样的基准值来计算标幺值。1） 将各电压级参数的有名值按有名制的精确计算法归算到

16、基本级，再基本级选取统一的电压基 值和功率基值。2）各电压级参数的有名值不归算到基本值而是再基本级选取电压基值和功率基值后将电压基值 向各被归算级归算，然后就在各电压级用归算得到的基准电压和基准功率计算各元件的标幺值。 近似计算：标幺值计算的近似归算也是用平均额定电行计算。标幺值的近似计算可以就在各 电压级用选定的功率基准值和各平均额定电压作为电压基准来计算标幺值即可。第2.4节元件参数一览表（1）变压器参数的有名值Vs%由 电力系统分析（上册）书中可知，短路电抗标幺值等于短路电压Xt =；100*-口一pX1wX21变压器T1：由表1-1-1的参数表可得Xt1 羊+ Xt1 仝=13%Xt1

17、 半Xt1 -3* -由上面方程可得Xt1 _2* Xt1 j* 二 8%Xt1 j* =14%， Xt1_2* = -1%， Xt1 _3* =9%有名值：XT“-XT1 二*V.14% 空=56.467Sn120XT1 _2二 XT1 _2*2 2如-1% 空 4.033 1Sn120 XT1J3*VN2 .9% 220SN36.31202变压器T2由表1-1-1的参数表可得XT2 j* XT2 _2* =13%XT2 j* XT2 = 23%Xt2 2 Xt2 _3* = 8%由上面方程可得XT2 j* = 14%，XT22 - -1%，XT2_3* - 9%有名值：Xt 2 A二 XT

18、2*令14%50220=135门XT2 -2-XT2 2*VT-1% 竺9.68Sn50XT2 -3=XT2 J3*Vn =9% 220 =87.12 1Sn503变压器T3由表1-1-1的参数表可得XT3 工 XT3q* =10.5%Xt34* Xt3A* -17.5%Xt3 -2* Xt3_s* =6.5%由上面方程可得 Xt34* =10.75%, Xt3* - -0.25%, Xt3 IgmaxIgmax电流互感器安装处一次回路最大电流 I1n 电流互感器一次侧额定电流。（4） 准确等级：用于保护装置为0.5级，用于仪表可适当提高。（5）二次负荷：S2W SnS2-电流互感器二次负荷

19、Sn-电流互感器额定负荷 e（6）线路上CT的选择：CT选择原则：采用最大极限电流选择选择结果如下表所示：CT选择结果线路名称长度（km）最大工作电流（A）工作电压（KV ）CT型号变比T1 T215057.28110LCW 110100:5T1 T3100228.63110LCW 110300:5T2 T380177.8110LCW 110200:5（3）电压互感器的作用电压互感器的作用是将一次侧高电压成比例的变换为较低的电压，实现了二次系统与 次系统的隔离，保证了工作人员的安全。电力系统继电保护课程设计电压互感器二次侧电压通常为100V,这样可以做到测量仪表及继电器的小型化和标准化。(4)

20、 电压互感器的配置原则(1) 型式：电压互感器的型式应根据使用条件选择，在需要检查与监视一次回路单相接地 时，应选用三相五柱式电压互感器或具有三绕组的单相互感器组。(2) 次电压的波动范围：1.1U nU10.9 Un(3) 二次电压：100V(4) 准确等级：电压互感器应在哪一准确度等级下工作，需根据接入的测量仪表继电器与自动装置及设备对准确等级的要求来确定。(5) 二次负荷：Sw Sn输电线路上PT变比的选择结果：110KV侧 PT选择 型号 JCC-110 变比 110000/ . 3:100/ . 3:100第三章短路电流计算第3.1节 短路计算的目的 规定和步骤3.1.1短路电流计算

21、的目的：(1) 在选择电气主接线时，为了比较各种接线方案，或确定某一接线是否需要采取限制短 路电流的措施等，均需进行必要的短路电流计算。(2) 在选择电气设备时，为了保证设备在正常运行和故障情况下都能安全、可靠地工作， 同时又力求节约资金，这就需要进行全面的短路电流计算。例如： 计算某一时刻的短路电流有效值，用以效验开关设备的开断能力和确定电抗器的电抗值，计算 短路后较长时间短路电流有效值，用以校验着被的热稳定；计算短路电流计算冲击值，用以校 验设备动稳定。(3) 在设计屋外高压配电装置时，需按短路条件校验软导线的相间和相对地的安全距离。(4) 在选择继电保护方式和进行整定计算时，需以各种短路

22、时的短路电流为依据。(5) 接地装置的设计，也叙用短路电流。 针对本次设计，短路电流计算的主要目的是：继电保护的配置和整定。3.1.2短路电流计算步骤(1) 选择计算短路点。(2) 画等值网络(次暂态网络)图： 首先去掉系统中的所有负荷分支、线路电容、各元件的电阻，发电机电抗用次暂态电抗Xd。 选取基准电容 Sb和基准电压 Ub (般去各级的平均电压)。 将各元件电抗换算为同一基准的标幺电抗。 绘出等值网络图，并将个元件电抗统一编号。(3) 化简等值网络：为计算不同短路点的短路电流值，需将等值网络分别化简为以短路点为中心的辐射形等值网络，并求出个电源与短路点之间的电抗，即转移电抗X nd。(4

23、) 求计算电抗Xjs。(5) 计算无限大容(或 Xjs 3)的电源供给的短路电流周期分量。(6) 计算短路电流周期分量有名值和短路容量。(7) 绘制短路电流计算结果表。第3.2节运行方式的确定计算短路电流时，运行方式的确定非常重要，它关系到所选保护是否经济合理、简单可 靠，以及是否能满足灵敏度要求等一系列问题。保护的运行方式是以通过保护的短路电流的大 浙江工业大学信息学院电气工程及其自动化15电力系统继电保护课程设计小来区分的。某保护的最大（小）运行方式是指在某一点短路时通过该保护装置的短路电流最 大（小）的运行方式。（1）最大运行方式根据系统最大负荷的需要，电力系统中的发点设备都投入运行或大

24、部分投入运行，以及选 定的接地中性点全部接地的系统运行方式称为最大运行方式。它是指供电系统中的发电机，变 压器，并联线路全投入的运行方式。系统在最大运行方式工作的时候，等值阻抗最小，短路电 流最大，发电机容量最大。（2）最小运行方式根据系统最小负荷投入与之相适应的发电设备且系统中性点只有少分接地的运行方式称为 最小运行方式，对继电保护来说是短路时通过保护的部短路电流最小的运行方式。它是指供电 系统中的发电机，变压器，并联线路部分投入的运行方式。系统在最小运行方式下工作的时候，应该满足等值阻抗最大，短路电流最小，发电机容量最小的条件。（3）运行方式确定通常都是根据最大运行方式来确定保护的整定值，

25、以保证选择性，在其它运行方式下也一 定能保证选择性，灵敏度的校验应在最小运行方式下进行，因为只要在最小运行方式下灵敏度 满足要求，在其它运行方式下也一定能满足要求。由于本系统比较简单且为了简便，本次设计我们只采用一种运行方式。但是在实际的设计当中 确定运行方式的选择是很重要的。第3.3节短路电流周期计算3.3.1参数换算及绘制标幺阻抗图在实际电力系统接线中，各元件的电抗表示方法不统一，基值也不一样。如发电机电抗， 厂家给出的是以发电机额定容量Sn和额定电压Un为基值的标幺电抗值 Xd;变压器的电抗，厂家给出的是短路电压百分值Ud（%）;而输电线路的电抗，通常是用有名值表示的。为此，短路计算的第

26、一步是将各元件电抗换算为同一的标幺电抗。3.3.2网络的等值变换与简化（1）分布系数法对于具有几个电源支路并联，有经一公共支路连到短路点的网络，欲求个电源与短路点之间的 转移电抗，则使用分布系数答较为简便。即将个电源供出的短路电流Im与短路点总短路电流Id之比值，分别称为个电源支路的分布系数，用下式表示：Cm=lm/ld （m=1, 2,，n）由于所有电源支路分布系数之和等于1，所以分布系数又可用电抗表示为：Cm=Xn 刀 /Xm式中Xn s为n个电源支路的并联电抗（不包括公共支路电抗）；Xm为各电源支路电抗。对于任一电源 m与短路点d之间的转移电抗则可用下式求出：Xmd=X s/Cm （m=

27、1, 2，n）式中 X s各电源到短路点之间的总电抗（包括公共支路）。3.3.3计算过程短路电流的计算浙江工业大学信息学院电气工程及其自动化37系统接线图K1点短路电流的计算: 正序等值网络图：E2=0 3QS2将等值网络图化简:Eeq =0.8389 - 0.39 ； Xf =0.0896 87.99负序等值网络图：|卜aWV 一屮）0.1869O.17a0.102零序等值网络图简化：Wv_*Xff(0)=0.3622 80.21K3点三相短路时的短路电流总的短路电流 |：3) =3.0662/- 73.66：变压器T1流过的电流 噹=1.980陛73.44流过L1线路的电流|：3)=0.2

28、122 - 69.83流过L2线路的电流 芒=0.2122三69.83流过L3线路的电流 电=1.557- 74.43流过L4线路的电流 闍=1.509 72.87变压器T2流过的电流|；3) =1.0855 - 74.06K3点两相短路时的短路电流总的短路电流1)=2.8880 - 73.99变压器T1流过的电流I鳥=2.290亿75.75流过L1线路的电流lk2)=0.2707 - 73.19流过L2线路的电流|筈=0.2707三- 73.19流过L3线路的电流 电=1.749/_ 76.54流过L4线路的电流|粽=1.6391/ 75.92变压器T2流过的电流1；2) =1.0982/-

29、75.92K3点单相接地短路时的零序短路电流总的零序短路电流|(；0)=1.2554 - 75.28流过L1线路的零序电流流过L2线路的零序电流流过L3线路的零序电流流过L4线路的零序电流I爲）=0.014 48.501林）=0.0140 - 48.50；1%0）=0.2809 - 65.181：4（。）=0.3145 - 63.04K3点两相接地短路时的零序短路电流: 总的零序短路电流|幕、k (0)流过L1线路的零序电流流过L2线路的零序电流流过L3线路的零序电流流过L4线路的零序电流= 0.9291 104.251為=0.010左 131.03I育（0）=0.0103 131.031爲

30、=0.2079 114.351育（。）=0.2328 116.49(1)各点短路时等效值计算结果各点短路时等效值计算结果短路点等效电压EeqDC正序电抗Xff1负序电抗Xff 2零序电抗Xff0K10.8389N 0.390.08987.990.074787.70.0788.68K20.78260.20.13684.590.11184.770.15286.47K30.6877/3.45“0.224377.110.18877.830.36280.21(2)三相短路电流计算结果三相短路电流计算结果短路点K1K2K3短路电流9.3591 -88.385.7415/ -84.393.0662/ -73

31、.66流过T1电流7.7707Z -902.7285Z -78.501.9808N -73.44流过L1电流0.6054Z -82.980.9502Z -79.580.2122/ -69.83流过L2电流0.6054N -82.980.9502Z -79.580.2122/ 69.83，流过L3电流0.4001Z -73.130.8293Z -76.011.5575三-74.43流过L4电流0.5573Z -79.240.6280Z -69.731.5090Z -72.87流过T2电流1.7673乂 -81.803.2559Z -901.0855三-74.06(3)两相短路电流计算结果两相短路

32、电流计算结果短路点K1K2K3短路电流8.8419Z -88.255.4750Z -84.472.8880乂 -73.99流过T1电流7.7686Z -89.603.0238/ -79.432.2901Z -75.75流过L1电流0.5003N -82.940.9768/ -79.830.2707乂 -73.19流过L2电流0.5003N -82.940.9768/ -79.830.2707乂 -73.19流过L3电流0.7472Z -81.531.0703/ -78.701.749/ -76.54流过L4电流0.7472Z -81.530.3943/ -60.331.6391N -75.92

33、流过T2电流1.7478Z -82.343.1840也-90.231.0982N -75.92(4)单相接地短路时的零序短路电流单相接地短路时的零序短路电流计算结果短路点K1K2K3短路电流3.5402N -88.501.9567Z -85.151.2554 -75.28流过L1电流0.0995 -76.240.1259也-73.610.0140/ -48.50流过L2电流0.0995 -76.240.1259也-73.610.0140/ -48.50流过L3电流0.1243 -73.400.0409/ -54.470.2809 -65.18“流过L4电流0.0214Z -56.090.168

34、1N -69.570.3145/ -63.04(5)两相接地短路时的零序短路电流两相接地短路时的零序短路电流计算结果短路点K1K2K3短路电流7.15491.001.654694.330.929104.25流过L1电流0.201103.260.1064405.87“0.010131.03流过L2电流0.201103.260.106105.870.0103/131.03流过L3电流0.2513 006.10“0.034125.010.207114.35流过L4电流0.043123.410.142109.910.2328/116.49“第四章 电力网电流保护整定和灵敏度检验第4.1节 对继电保护装置的基本要求4.1.1电流保护的基本概念当线路发生短路时，重要特征之一是线路中的电流急剧增大，当电流流过某一预定值时，反应于电流升高而动作的保护装置叫过电流保护。电源的保护功能主要是过压、过流保护两种功能。两者之间的关