输电线路电流电压保护设计

1、 电力系统保护与控制课程设计报告摘要本文针对110kV输电线路进行了继电保护的设计，采用了电流电压保护的方法，首先确定了系统分别在最大运行方式和最小运行方式下的等值阻抗，并计算了各相间短路的最大最小短路电流。接着，计算了保护1、2、3的电流保护定值，并计算了各自的最小保护范围。在接着，对保护2、3进行限时电流速断保护定值的计算及其灵敏度校验，并确定其动作时限。然后对保护1、2、3进行过电流保护定值计算及其灵敏度校验，并确定各段保护的动作时限。最后，绘制了电磁式三段式电流保护原理图和展开图，并详细分析其动作过程。关键词：电流电压保护；三段式电流保护；灵敏度目录1绪论31.1继电保护的作用31.2

2、对继电保护的基本要求31.3原始资料41.3.1系统接线图如图：41.3.2 课程设计的内容及技术参数参见下表41.3.3 工作计划：52 输电线路电流保护整定计算62.1 保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗62.1.1 最大运行方式62.3 电流I段整定计算及灵敏度校验82.4 电流II段整定计算及灵敏度校验122.4.1保护2的整定122.4.2保护3的整定133 电流保护原理图的绘制及其动作过程分析1731电流三段式保护原理图173.2 电磁式电流三段式保护展开图194 课程设计总结205 参考文献211 绪论1.1继电保护的作用随着自动化技术的发展，电力系统的正常运行、故障期间以及

3、故障后的回复过程中，许多控制操作日趋高度自动化。这些控制操作的技术与装备大致可以分为两类，一类是通常理解的“电力系统自动化”，另一类是当电网或电气设备发生故障，或出现影响安全运行的异常情况时，自动切除故障设备和消除异常情况的技术与装备。其特点是动作速度快，其性质是非调节性的，这就是通常理解的“电力系统继电保护与安全自动装置”。其作用是，一自动、迅速、有选择性地将故障元件从电力系统中切除，是故障元件免于继续遭到损坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；二是反应电气设备的不正常运行状态，并根据运行维护条件，而动作与发出信号或跳闸。此时一般不要求迅速动作，而是根据对电力系统及其元件的危害程度规定一定

4、的延时，以免暂短的运行波动造成不必要的动作和干扰引起的误动。1.2对继电保护的基本要求动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即可靠性（安全性和信赖性）、选择性、速动性和灵敏性。这几“性”之间，紧密联系，既矛盾又统一，必须根据具体电力系统运行的主要矛盾和矛盾的主要方面，配置、配合、整定每个电力元件的继电保护，充分发挥和利用继电保护的科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行的安全性、确定性和经济性发挥最大效能。可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护性能的最基本要求。继电保护的选择性是指保护装置动作时，在可能最小的区间内将故障从电力系统中断开，最大限度地保证系统中无故障部分仍

5、能持续安全地运行。1.3原始资料设计题目四：输电线路电流电压保护设计（4）1.3.1系统接线图如图： 1.3.2 课程设计的内容及技术参数参见下表设计技术参数工作量L1=L2=60km,L3=40km,LB-C=40km,LC-D=50km,LD-E=30km,线路阻抗0.4/km,最大负荷电流IB-C.Lmax=300A,IC-D.Lmax=260A, ID-E.Lmax=140A,电动机自启动系数Kss=1.5，电流继电器返回系数Kre=0.85。最大运行方式：三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行；最小运行方式：G2、L2退出运行。1.确定保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗。2

6、.进行C母线、D母线、E母线相间短路的最大、最小短路电流的计算。3.整定保护1、2、3的电流速断保护定值，并计算各自的最小保护范围。4.整定保护2、3的限时电流速断保护定值，并校验灵敏度。5.整定保护1、2、3的过电流保护定值，假定母线E过电流保护动作时限为0.5s，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。6绘制三段式电流保护原理接线图。并分析动作过程。7、采用MATLAB建立系统模型进行仿真分析。1.3.3 工作计划：第一天：收集资料，确定设计方案。 第二天：等值电抗计算、短路电流计算。第三天：电流I段整定计算及灵敏度校验。 第四天：电流II段

7、整定计算及灵敏度校验。第五天：电流III段整定计算及灵敏度校验。 第六天：绘制保护原理图。第七、八天：MATLAB建模仿真分析。 第九天：撰写说明书。第十天：课设总结，迎接答辩。2 输电线路电流保护整定计算2.1 保护3在最大、最小运行方式下的等值电抗2.1.1 最大运行方式在最大运行方式下，三台发电机及线路L1、L2、L3同时投入运行，等值阻抗如图2.1所示。XG1 XL1XG2 XL2XG3XL3 XB_C XC_D XD_E图2.1 最大运行方式等值阻抗XG1=15XG2=15XG3=20XL1=60×0.4=24XL2=60×0.4=24XL3=40×0.

8、4=16XBC=40×0.4=16XCD=50×0.4=20XDE=30×0.4=12X3min=(XG1/XG2+XL1/XL2)/( XG3+XL3)=(15 /15+24/24)/(20+16)=12.652.1.2最小运行方式根据原始资料，最小运行方式就是，在最大运行方式的基础上让G2、L2退出运行，等值阻抗如图2.2 XG1 XL1 XB_C XC_D XD_E XG3 XL3 图2.2 最小运行方式等值阻抗其中X2max=(XG1+XL1)/( XG3+XL3)=(15 +24)/(20+16)=18.7222 相间短路的最大、最小短路电流的计算C母线

9、最大短路电流：IKCmax(3)=EX3min+XBC=115/312.65+16kA=2.32kAC母线最小短路电流:IKCmin(2)=32EX2max+XBC=32115/318.72+16kA=1.66kAD母线最大短路电流:IKDmax(3)=EX3min+XBC+XCD=115/312.65+16+20kA=1.37kAD母线最小短路电流:IKDmin(2)=32EX2max+XBC+XCD=32115/318.72+16+20kA=1.05kAE母线最大短路电流:IKEmax(3)=EX3min+XBC+XCD+XDE=115/312.65+16+20+12kA=1.09kAE母

10、线最小短路电流IKEmin(2)=32EX2max+XBC+XCD+XDE=32115/312.65+16+20+12kA=0.95kA表2-2-1短路电流计算结果母线名称系统运行方式短路电流大小（kA）C母线最大2.32最小1.66D母线最大1.37最小1.05E母线最大1.09最小0.952.3 电流I段整定计算及灵敏度校验无时限电流速断保护依靠动作电流来保证选择性，被保护线路外部短路时流过该保护的电流总是小于其动作值，不能动作；而只有在保护范围内段录制，流过保护的电流有可能大于动作值，是该保护动作。且无时限电流速断保护的作用是保证在任何情况下无时限切除本线路上的故障。保护1：Iop1=K

11、rel.IKEmax(3)=1.2×1.09kA=1.308kA保护2：Iop2=Krel.IKDmax(3)=1.2×1.37kA=1.644kA保护3：Iop1=Krel.IKCmax(3)=1.2×2.32kA=2.784kA在已知保护的动作电流后，大于一次动作电流的短路电流对应的短路点区域，就是保护范围。保护的范围随运行方式、故障类型的变化而变化，最小的保护范围在系统最小运行方式下两相短路时出现。一般情况下，应按这种运行方式和故障类型来校验保护的最小范围，要求大于被保护线路全长的15%20%。保护1的最小保护范围：x1l1min=32·EIop1

12、-X3max+XBC+XCD=32·11531.308-18.72+16+20=-10.76保护2的最小保护范围：x2l2min=32·EIop2-X3max+XBC=32·11531.644-18.72+16=0.257保护3的最小保护范围：x3l3min=32·EIop3-X3max=32·11532.784-18.72=1.93因为保护1：Ksen1=x1l1minXDE×100%=-89.67%<15%保护2：Ksen2=x2l2minXCD×100%=1.285%<15%保护3：Ksen3=x3l3mi

13、nXBC×100%=12.06%<15%均不满足灵敏度，所以均不合格,需重新整定。 由系统接线图可知，E母线为系统最末端母线，保护1的电流速断保护按保护范围为全长的30%整定也不会引起误动，因此按保护范围为全长的20%整定。保护1：x1l1min=30%·XDE=30%×12=3.6Iop1=32·EX2max+XCD+XDE+x1l1min=32·115318.72+16+20+3.6=0.986kA因为Iop1=KrelKssKre·I DE.Lmax=1.15×1.50.85×0.14=0.284kAI

14、op1故该整定值符合灵敏度要求，且保护1的最小保护范围为3.6。保护2：由于按躲开本线路末端的最大短路电流来整定得到的启动电流不符合灵敏度要求，因此降低整定值，增加动作时限，以保证该保护的可靠性。在此按躲开下一段线路20%处的最大短路电流来整定。DE线路20%处最大短路电流：IKDE13=EX3min+XBC+XCD+0.2XDE=115/312.65+16+20+2.4kA =1.301kAIop2=Krel.IKDE13=1.2×1.301kA=1.561kA校验：保护2的最小保护范围：x2l2min=32·EIop2-X3max+XBC=32·11531.5

15、61-18.72+16=2.115由于Ksen2=x2l2minXCD×100%=10.58%<15%灵敏度不符合要求，需重新整定。按躲开下一段线路40%处的最大短路电流来整定。DE线路40%处最大短路电流：IKDE23=EX3min+XBC+XCD+0.4XDE=115/312.65+16+20+4.8kA =1.242kAIop2=Krel.IKDE13=1.2×1.242kA=1.491kA校验：保护2的最小保护范围：x2l2min=32·EIop2-X3max+XBC=32·11531.491-18.72+16=3.845由于Ksen2=x

16、2l2minXCD×100%=19.22%>15%灵敏度符合要求。为了保证继电保护系统的选择性，需要增加时间延时，延时时间为t2=0.5s，以免DE段发生短路时，保护2误动作。增加延时以后，若CD段发生短路，延时时间到以后保护2动作，若DE段发生短路且短路电流大于保护2的启动电流，保护2会启动计时，而保护1直接动作，切断线路，使得短路电流消失，保护2返回，从而保证了系统的可靠性和选择性，但牺牲了系统的快速性。保护3：按躲开下一段线路即CD段线路的10%处的最大短路电流来整定。IKCD13=EX3min+XBC+0.1XCD =115/312.65+16+1.6kA =2.085

17、kA2.195Iop2=Krel.IKDE13=1.2×2.034kA=2.634kA2校验：保护3的最小保护范围：x2l2min=32·EIop3-X3max=32·11532.634-18.72=3.110由于Ksen3=x3l3minXBC×100%=19.44%>15%灵敏度符合要求。为了保证继电保护系统的选择性，需要增加时间延时，延时时间为t3=0.5s，以免CD段发生短路时，保护3误动作。增加延时以后，若BC段发生短路，延时时间到以后保护3动作，若CD段发生短路且短路电流大于保护3的启动电流，保护3会启动计时，而保护2直接动作，切断线路

18、，使得短路电流消失，保护3返回，从而保证了系统的可靠性和选择性，但牺牲了系统的快速性。2.4 电流II段整定计算及灵敏度校验由于有选择性电流速断保护不能保护线路全长，因此增加限时电流速断保护，用来切除本线路上速断保护范围以外的故障，同时作为速断保护的后备保护。限时电流速断保护需与下一级线路的速断保护配合，启动电流值为Iop2=Krel·Iop1动作时限为t2=t1+t其中取t=0.5s。2.4.1保护2的整定由题意，保护2的段电流保护应与保护1的段保护配合，其启动电流为：Iop2=Krel·Iop1Kbmin2=1.15×0.9861=1.134kA动作时限t2=

19、t1+t=0+0.5s=0.5s灵敏度校验：Ksen=IKDmin(2)Iop2=1.051.134=0.9261.5通过校验可知该整定值不符合灵敏度要求。因此要降低整定值，由于E母线为系统最末端，故要满足Iop2Iop2及Ksen1.5即可。其中：Iop2=KrelKssKre·I CD.Lmax=1.15×1.50.85×0.26=0.528kA若按Ksen=1.5整定保护2电流保护段整定值，则Iop2=IKDmin(2)Ksen=1.051.5=0.7kA0.528kA故保护2限时电流速断保护的整定值取Iop2=0.7kA，若保护2限时速断保护的时限只比保护

20、1的电流速断保护大t，由于保护2的段整定值小于保护1段整定值，当DE段发生短路且短路电流小于保护1段整定值时，保护1段保护不动作，保护2的段将动作，不能保证继电保护系统的选择性；由于DE段处于系统末端，故保护2段的动作时限要比保护1的段大一个t，即t2=t1=1.0s故保护2限时电流速断保护整定值 Iop2=0.7kA动作时限 t2=1.0s2.4.2保护3的整定按照限时电流速断保护的整定原则，保护3的段应与保护2的段相配合，故其启动电流为：Iop3=Krel·Iop2Kbmin2=1.15×1.4911=1.715kA动作时限t3=t2+t=0.5+0.5s=1.0s灵敏

21、度校验：Ksen=IKDmin(2)Iop3=1.661.715=0.9681.5通过校验可知该整定值不符合灵敏度要求。由于按与保护2段相配合整定不符合灵敏度要求，则与保护2段配合整定Iop3=Krel·Iop2Kbmin2=1.15×0.71=0.805kA动作时限t3=t2+t=1.0+0.5s=1.5s灵敏度校验：Ksen=IKDmin(2)Iop3=1.660.805=2.0621.5通过校验知该整定值满足灵敏度要求。故保护3限时电流速断保护的整定值为Iop3=0.805kA动作时限为t3=1.5s2.5 电流III段整定计算及灵敏度校验整定保护1、2、3的过电流保

22、护定值，假定母线E过电流保护动作时限为topE=0.5，确定保护1、2、3过电流保护的动作时限，校验保护1作近后备，保护2、3作远后备的灵敏度。保护1：启动电流值：Iop1=KrelKssKre·I DE.Lmax=1.15×1.50.85×0.14=0.284kA动作时限：t1=topE+t=0.5+0.5s=1.0s保护2：启动电流值：Iop2=KrelKssKre·I CD.Lmax=1.15×1.50.85×0.26=0.528kA动作时限：t2=t1+t=1.0+0.5s=1.5s保护3：启动电流值：Iop3=KrelKss

23、Kre·I BC.Lmax=1.15×1.50.85×0.30=0.609kA动作时限：t3=t2+t=1.5+0.5s=2.0s灵敏度校验：保护1做近后备保护的灵敏度：Ksen=IKEmin(2)Iop1=0.950.284=3.31.5满足灵敏度要求。保护2做远后备保护的灵敏度：Ksen=IKEmin(2)Iop2=0.950.528=1.81.2满足灵敏度要求。保护3做远后备保护的灵敏度：Ksen=IKDmin(2)Iop3=1.050.609=1.71.2满足灵敏度要求。表2-5-1 保护配置技术参数表保护序号保护名称启动电流值（kA）动作延时(S)保护1

24、瞬时电流速断保护0.9860延时电流速断保护-过电流保护0.2841.0保护2瞬时电流速断保护1.4910.5延时电流速断保护0.71.0过电流保护0.5281.5保护3瞬时电流速断保护2.6340.5延时电流速断保护0.8051.5过电流保护0.6092.03 电流保护原理图的绘制及其动作过程分析31电流三段式保护原理图图3.1（a）保护1原理接线图图3.1（b）保护2、3原理接线图各保护的三段式电流保护原理接线图如图3.1所示，其中所包括的元件有：三相电流保护I段测量元件1KAa，1KAc；三相电流保护段测量元件2KAa，2KAc；三相电流保护段测量元件3KAa，3KAc；电流保护I、段的

25、逻辑延时元件1KT、2KT、3KT；电流保护I、段的信号继电器1KS、2KS、3KS。其中因为三段式电流保护各段的动作电流与动作时限的整定值各不相同，所以采取用不同规格和作用的电流继电器和时间继电器。用1KS、2KS、3KS信号继电器发出各段保护动作的信号 。由于三相星形接线需要三个电流互感器、三个电流继电器和四根二次电缆，相对来讲是复杂和不经济的。而两相星形接线较为经济简单，本次设计采取的是两相星形接线方式，在保护范围内发生两相短路时，能正确反映这些故障，两相星系接线方式在AB和BC相间短路时只有一个继电器动作，其他两相短路时有两个继电器动作。例如保护的I段AB两相短路时，测量元件1KAa、

26、2KAa、3KAa都会有动作，若在DE段发生该短路，保护1的1KAa将直接启动信号元件KS和出口继电器KCO，使得断路器跳闸，切除故障。测量元件2KAa、3KAa启动延时元件2KT、3KT，由于1KAa直接启动1KS和KCO跳闸，延时时间未到故障已切除，故障电流消失，2KAa、3KAa、2KT、3KT均返回，不能启动KS发出跳闸信号。所以、段不会输出跳闸信号。若在BC段发生该故障，保护3的1KAa将启动时间继电器1KT计时，当延时时间到且信号元件KS和出口继电器KCO，使得断路器跳闸，切除故障，保护3的、段保护动作如保护1。当系统发生三相短路时，有两个继电器动作，可以争取反应该故障。由于110KV系统通常采用专门的零序电流保护，因此，当系统发生单相接地短路时，零序电流保护能争取反应各相单相接地短路。就该接法而言，此接线方式不能反应B相单相