继电保护课程设计

本文格式为Word版，下载可任意编辑——继电保护课程设计内蒙古科技大学电力系统继电保护课程设计

内蒙古科技大学

课程设计

（2023级本科）

题目：输电线路三段式保护方法的改进措施系（部）院：信息工程学院专业：电气工程及其自动化姓名：李海兵指导教师：张继红

完成日期：2023年6月14日

二○一二年六月

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目录

内蒙古科技大学课程设计任务书41概述71.1电流速断保护71.2限时电流速断保护91.3定时限过电流保护102对三段式保护的评价133对继电保护动作时限的整定144电流三段式保护存在的问题164.1整定值问题164.2继电器问题165对电流三段式保护的改进176设计题目的计算187总结20内蒙古科技大学电力系统继电保护课程设计

6《电力系统自动装置原理》杨冠成编著。

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1概述

三段式过电流保护主要由电流速断,限时电流速断,过电流保护三个部分组成。我们都知道，电力系统的线路或元件发生故障时，故障点越靠近电源，短路电流越大。利用这一特点，可构成电流保护。对于仅反应电流增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护。它的保护范围受系统运行方式的影响较大，不可能保护线路的全长；为了保护线路全长，寻常采用略带时限的电流速断与相邻线路的速断保护相协同，其保护范围包扩本线路的全部和相邻线路的一部分，电流速断保护和限时电流速断保护可构成线路的主保护。

瞬时电流速断和时限电流速断保护协同使用的结果，不仅可使保护装置保护线路的全长，而且尽量地满足了快速动作的要求。但是，这种时限速断保护只能弥补主保护的不足，却不能满足后备保护的要求。由于它的保护范围达不到下一线路的末端。所以，为了对本线路和下一线路起后备保护作用，还须装设一组过流保护。这样就形成了由瞬时电流速断、时限电流速断和定时限过电流保护相互协同的保护装置整体，就是寻常所说的三段式电流保护。

1.1电流速断保护

电流速断保护是对于反应于短路电流幅值增大而瞬时动作的电流保护，它的主要作用是快速切除设备和线路故障，进而来保障输电线路的安全，防止造成电力设备的损害。

图2—1电流速断保护

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当线路上发生三相短路时，流过保护1的短路电流为

(3)IK?EMEM（2—1）?Z?ZM?ZK式中EM——系统等效电源的相电动势；

ZM——系统等效电源到保护安装处之间的正序阻抗；

ZK——保护安装处至短路点之间的正序阻抗。

由式（2-1）可见，当系统运行方式一定时，EM和ZM是常数，则流过保护的三相短路电流，是短路点至保护安装处间距离L的函数。短路点距电源越远流过保护的三相短路电流越小。图2-1中曲线1表示，系统在最大运行方式下三相短路时，

(3)流过保护的最大三相短路电流IK随L的变化曲线。曲线2，是系统在最小运行方式(2)下两相短路时，流过保护的最小两相短路电流IK随L的变化曲线。

对于反应电流升高而动作的电流保护装置而言，能使保护装置起动的最小电流称为保护装置的动作电流，以Ioper表示。当流过保护装置的电流达到这个值时，保护装置就能起动。显然，仅当通过被保护线路的电流Ik≥Ioper时，保护装置才会起动。

在图2-1中，以M处保护为例，当本线路（LMN）末端发生短路故障时，希望M处无时限电流速断保护能瞬时动作切除故障，而当相邻线路首端（或称出口处）发生短路故障时，依照选择性要求，M处保护不应动作，应由N处保护动作切除故障。但实际上，本线路末端和相邻线路首端发生短路故障时，流经M处保护的短路电流是一样的，M侧保护无法区分这两处的短路故障。为了保证选择性，电流速断保护的动作电流应躲过下一线路首端（或本线路末端）短路故障时流过本保护的短路电流，即取Ioper﹥IK?N?max写成等式，则有

(3)Ioper=KrelIK?N?max（2—2）

(3)式中IK?N?max——最大运行方式下，被保护线路末端N发生金属性三相短路时，

流过保护装置的最大短路电流。

Krel——可靠系数，它是考虑短路电流计算误差、继电器动作电流误差、短路电流中非周期分量的影响和必要的裕度而引入的大于1的系数，一般取Krel=1.2–1.3

在图2-1中，通过动作电流画一平行于横坐标的直线3，此直线3与曲线1和2各有一个交点，在交点至保护安装处的线路上发生短路故障时，由于流经保护的短路

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电流均大于动作电流，所以保护装置处于动作状态，而在两交点以后短路时，流经保护的短路电流小于动作值，保护不动作。对应这两点，保护有最大和最小保护范围，即Lmax和Lmin。这说明无时限电流速断保护，不能保护线路全长，且保护范围受运行方式的影响。无时限电流速断保护的选择性是靠动作电流来保证的，灵敏性是用其最小保护范围来衡量的，最小保护范围不应小于线路全长的15%~20%。

1.2限时电流速断保护

由于瞬时电流速断保护不能保护线路的全长，其保护范围以外的故障必需由其他的保护来切除。为了较快地切除其余部分的故障，可增设限时电流速断保护，它的保护范围应包括本线路全长，这样做的结果，其保护范围必然要延伸到相邻线路的一部分。为了获得保护的选择性，以便和相邻线路保护相协同，限时电流速断保护就必需带有一定的时限(动作时间)，时限的大小与保护范围延伸的程度有关。为了尽量缩短保护的动作时限，寻常是使限时电流速断保护的范围不超出相邻线路瞬时电流速断保护的范围，这样，它的动作时限只需比相邻线路瞬时电流速断保护的动作时限大一时限级差△t。对于这个保护的要求，首先是它在任何状况下都能保护线路的全长，并且具有很高的灵敏性；其次是在满足上述的要求的前提下，力求具有最小的动作时限；在下级线路短路时，保证下级保护优先切除故障，满足选择性的要求。

图3—1限时电流速断保护

A2B1Cd1IdⅠIIdz2d2d3d4IIIdz2IIdz1Mt内蒙古科技大学电力系统继电保护课程设计

图3—2限时电流速断保护原理接线图

限时电流速断保护的工作原理和整定原则可用图2-5来说明。图中线路L1和L2都装设有瞬时电流速断保护和限时电流速断保护，线路L1和L2的保护分别为保护1和保护2。为了区别起见，右上角用I、Ⅱ分别表示瞬时电流速断保护和限时电流速断保护，下面探讨保护1限时电流速断保护的整定计算原则。为了使线路L1的限时电流速断保护的保护范围不超出相邻线路L2瞬时电流速断保护的保护范围，必需使保护1限时电流速断保护的动作电流大于保护2的瞬时电流速断保护的动作电流。

其动作电流往往与下一级的一段整定电流相协同，它的动作电流整定公式为

???Idz?1?KK?Idz?2它的灵敏度系数不小于1.3，假使保护的灵敏度不满足要求，可采用降低动作电流的方法提高灵敏度。寻常动作电流和下线路的二段定值相协同，此时时间定值也应和下线路二段时间定值相协同。

1.3定时限过电流保护

定时限过电流保护(简称过电流保护)是指其动作电流按躲过最大负荷电流来整定，并以时限来保证动作选择性的一种保护。电网正常运行时它不应当动作，而在发生短路时，则能反应电流的增大而动作。要求过电流保护能保护本线路的全长，作为本线路主保护的近后备保护，同时也应作为相邻线路、元件的远后备保护。1过电流保护的工作原理可用图4-1所示的单侧电源辐射形电网来说明。过电流保护1、2、3分别装设在线路L1、L2、L3靠电源的一端。当线路L3上K1点发生短路时，短路电流，t将流过保护1、2、3，一般，k均大于保护装置1、2、3的动作电流。所以，保护1、2、3均将同时起动。但根据选

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择性的要求，应当由距离故障点最近的保护3动作，使断路器QF3跳闸，切除故障，而保护1、2则在故障切除后马上返回。显然要满足故障切除后，保护1、2马上返回的要求，必需依靠各保护装置具有不同的动作时限来保证。保护动作时限如图4-1所示。由图4-1可知，各保护装置动作时限的大小是从用户到电源逐级增加的，越靠近电源，过电流保护动作时限越长，其形状好比一个阶梯，故称为阶梯形时限特性。由于各保护装置动作时限都是分别固定的，而与短路电流的大小无关，故这种保护称为定时限过电流保护。

当Ⅱ段保护失灵以及过负荷时需要定时限过电流保护。不仅能保护线路全长，还能保护相邻线路的全长，作为后备保护。其起动电流的整定具有俩种基本原则。

图4—1定时限电流速断保护

（1）原则一：按最大负荷电流整定

IIIIdz?Ih?Ifh?max?Kzq?Ifh?max?Izq?maxIIIIdz?Ifh?max（2）原则二：最大负荷电流时能够返回

Ih?Ifh?maxIIIIdzIIIKzqKK?KzqIh??Ifh?max?Ifh?maxKhKhKh可靠系数1.15～1.25

自起动系数>1，由网络具体接线和负荷性质决定

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电流继电器返回系数0.85

在取继电器时，继电器的

不能太小。那是由于整定电流与电流继电器

返回系数成反比所以当返回系数越大整定电流越大，则灵敏度降低，所以返回系数不能太小。而为了保证继电器的可靠性、返回系数又不能太高。

图4—2定时限过电流原理接线图

瞬时速断、时限速断、定时限过电流保护组合构成的保护装置。瞬时速断、时限速断作为线路的主保护，定时过流保护作为线路的后备保护。三段式电流保护各段保护范围及时限的协同：L1首端故障，L1的三段保护均启动，速断保护动作。L1末端故障，L1的时限速断、定时过流保护均启动，时限速断保护动作。L2首端故障，L1定时过流保护启动，L2的三段保护均启动，L2速断保护动作。在三段式电流保护中，瞬时电流速断和时限电流速断保护作为保护的第Ⅲ段，它既是下一线路保护或断路器拒动时的后备，又是本线路主保护拒动时的近后备。所以，三段式电流保护具有作为主保护和后备保护的全部功能，在实际中得到广泛应用。

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2对三段式保护的评价

对继电保护的评价，主要是从选择性、速动性、灵敏性和可靠性四个方面出发，看其是否满足电力系统安全运行的要求，是否符合有关规程的规定。

（1)选择性

在三段式电流保护中，电流速断保护的选择性是靠动作电流来实现的；限时电流速断保护和过电流保护则是靠动作电流和动作时限来实现的。它们在35kV及以下的单侧电源辐射形电网中具有明显的选择性，但在多电源网络或单电源环网中，则只有在某些特别状况下才能满足选择性要求。（2)速动性

I电流速断保护以保护固有动作时限动作于跳闸；

II限时电流速断保护动作时限一般在0.5S以内，因而动作迅速是这两种保护的优点。

III过电流保护动作时限较长，特别是靠近电源侧的保护动作时限可能长达几秒，这是过电流保护的主要缺点。（3)灵敏性

I电流速断保护不能保护本线路全长，且保护范围受系统运行方式的影响较大；

II限时电流速断保护虽能保护本线路全长，但灵敏性仍旧要受系统运行方式的影响；

III过电流保护因按最大负荷电流整定，灵敏性一般能满足要求，但在长距离重负荷线路上，由于负荷电流几乎与短路电流相当，则往往难以满足要求。但是受系统运行方式影响大、灵敏性差是三段式电流保护的主要缺点。（4)可靠性

由于三段式电流保护中继电器简单，数量少，接线、调试和整定计算都较简便，不易出错，因此可靠性较高。

另一方面，由无时限电流速断,带时限电流速断和定时限过电流保护相互协同构成的一整套保护装置成为三段式电流保护。无时限电流速断保护是靠动作电流的整定获得选择性；时限电流速断和过电流保护是靠上、下级保护的动作电流和动作时间的协同获得选择性。

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无时限电流速断接线简单，动作可靠，切除故障快，但不能保护线路全长，保护范围受到系统运行方式变化的影响较大。速断保护是一种短路保护，为了使速断保护动作具有选择性，一般电力系统中速断保护其实都带有一定的时限，这就是限时速断，离负荷越近的开关保护时限设置得越短，末端的开关时限可以设置为零，这就成带时限电流速断保护，这样就能保证在短路故障发生时近故障点的开关先跳闸，避免越级跳闸。定时限过流保护的目的是保护回路不过载，与限时速断保护的区别在于整定的电流相对较小，而时限相对较长。

三段式电流保护定值是依照阶梯的原则整定的。它们的不同是保护范围不同：I瞬时电流速断保护：保护范围小于被保护线路的全长一般设定为被保护线路的全长的85%

II限时电流速断保护：保护范围是被保护线路的全长或下一回线路的15%III过电流保护：保护范围为被保护线路的全长至下一回线路的全长总之，使用一段、二段或三段而组成的阶段式电流保护，其最主要的优点就是简单、可靠，并且在一般状况下能满足快速切除故障的要求，因此在电网中特别是在35kV及以下的单侧电源辐射形电网中得到广泛的应用。其缺点是受电网的接线及电力系统运行方式变化的影响，使其灵敏性和保护范围不能满足要求。

3对继电保护动作时限的整定

随着电网容量和规模的不断增大,输配电网络越来越繁杂多变。同时也给继电保护的时限协同带来困难。对继电保护的动作时限即切除电力系统故障的快速性提出了更高的要求。问题是,既要确保各级保护的选择性,又要压缩动作时限,在电磁式时间继电器作为延时元件的保护装置中,这几乎是不可能的。但随着集成电路数字化技术的发展,高精度时间继电器应运而生,为解决上述问题提供了先决条件。

现在的电力系统短路容量很大,一旦发生短路故障,对电力设备的损坏,系统的稳定破坏和用户供电的影响都是极其严重的。而且短路故障持续时间与造成的后果成正比。因此,提高担任电网保护任务的继电保护装置的速动性极为重要。电网的继电保护,特别是后备保护主要是靠动作时限来实现选择性的。而动作时限的协同是阶梯型原则,即从负荷端至电源侧的保护动作时限逐级拉长,所以愈靠近电源侧,保护动作时限愈长,而恰恰靠近电源侧故障时短路电流更大,故障设备和短路回路的非故障设备遭遇的损害更大,对系统的影响也更大。如某220kV变电站110kV

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母线故障,主变的后备保护动作,但因动作时限太长,使主变压器烧毁。再如,某110kV变电站35kV线路故障,因过流保护动作时限较长,终因其计量CT热稳定不够而爆炸。从这个意义上讲,保护动作时限过长,就等于对电气设备失去保护作用,但为了保证各级保护之间的选择性又必需采用阶梯型协同原则。所以,解决时限过长的问题,即缩短保护动作时限的问题之关键在于缩短全网各级保护时限级差△t。由于上级保护的动作时限t上等于其下级保护动作时限t下与协同级差△t之和,即t上=t下+△t。总之,从尽快切除故障的观点出发,△t越小越好。要缩短继电保护动作时限,只有压缩各级保护通用的时限级差△t。

因此，动作时限的大小直接影响电力系统继电保护的效果，动作时限应在其允许范围内尽可能的小，在确定动作时限时应考虑以下几个方面：

(1)△t应包括下级保护(即故障元件)断路器DL的跳闸时间tDL下(即以操作电流送入跳闸线圈TQ的瞬间算起直到电弧熄灭为止),由于在这段时间里,故障并未消除,上级保护在故障电流的作用下仍处于起动状态。

(2)△t应包括故障元件即下级保护时间继电器较整定值滞后动作的正误差时间tZ下,即考虑继电器实际动作时间比整定值要大tZ下才能动作。

(3)△t应包括上级保护时间继电器可能较整定值提前动作的负误差时间tf上,即继电器可能比预定时间提前tf上动作而闭合其触点。(4)考虑一定的裕度,即增加一个裕度时间ty。

考虑上述四个方面:△t=tDL下+tZ下+t上f+tYtDL下取决于断路器和操作机构的型式,目前生产的断路器固有分闸时间,一般为0.06-0.1s;tZ下取决于电器的形式。电磁式时间继电器一般为0.06～0.2s(相应的整定值一般为0.5-7.0)。tf上,电磁式时间继电器一般为0.08～0.20s(相应的整定时间为1.0-7.0s);ty取0.1s。△t可能出现的最小值:0.06+0.06+0.08+0.1=0.3s。△t可能出现的最大值:0.1+0.2+0.2+0.1=0.6s。即使用电磁式时间继电器时,△t为0.3～0.6s。实际整定计算中,取△t=0.5s。过去一直延用这一级差,实践证明是可靠的,要人为缩短级差,就有可能失去选择性。但随着数字式高精度时间继电器的应用,使得缩短时限级差成为可能。由于tZ下和tf上都比电磁式

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时间继电器小得多。它在各种极限允许条件下的误差0.1%整定值+0.006s,即与上述电磁式时间继电器相应的延时范围内的误差,tZ下为0.0065～0.013s,tf上为0.007～0.013s。这样△t可能出现的最小值为:0.06+0.0065+0.007+0.1=0.174s。△t可能出现的最大值为:0.1+0.013+0.013+0.1=0.226s。即使用高精度时间继电器时,△t为0.174～0.226s。实际整定计算中,我们取△t为0.3s,应当是很可靠的。

4电流三段式保护存在的问题4.1整定值问题

“定值整定问题〞原因造成继电保护装置异常动作占首位（14.8%）。定值整定问题系指对继电器整定得不合理，造成继电保护装置误动或者拒动，特别是上下两级开关在整定值上需要协同的时候，由于动作值或动作时间整定不当，上级开关保护躲不过起动冲击电流或下级开关保护区域内的故障电流而误动。

在电力系统继电保护中，好多都采用电流继电器，由于电磁型继电器本身固有的弱点，若想提高继电保护动作的选择性和可靠性，必需牺牲保护的灵敏性（放大整定值）和速动性（延时）。比较有效的解决方法就是将DL、GL系列继电器更换为微机保护，微机保护与传统的电磁型保护装置相比，在原理上有突出的优点：整定值在故障开始时或电动机启动时，能自动提高一定倍数（通过软件编程来实现），在电动机启动完毕或者故障发生一段时间后，整定值自动恢复至原来的数值，这样既躲过起动冲击电流或故障电流的影响，又使继电保护的选择性、速动性、灵敏性和可靠性趋向统一。

4.2继电器问题

“继电器问题〞造成保护异常动作也占相当大的比例。继电器问题主要集中在继电器断线、接点卡住或粘住或接触不良、功率方向元件潜动、抗干扰性能差等方面问题。其主要原因是继电器校验不符合标准、安装不符合要求、投运前没有做现场通流和传动试验，还有继电器抗干扰性能差，易受外界干扰影响，造成继电器工作失常和损坏；现场屏蔽及接地方面也存在不少问题，影响继电器的正常运行。因此，继电器的合理选用是十分必要的。

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正确选用继电器的原则应当是：①继电器的主要技术性能，如触点负荷，动作时间参数，机械和电气寿命等，应满足整机系统的要求；②继电器的结构型式(包括安装方式)与外形尺寸应能适合使用条件的需要；③经济合理。

（1）按使用环境条件选择继电器型号环境适应性是继电器可靠性指标之一,使用环境和工作条件的差异，对继电器性能有很大的影响。

（2）根据输入量选定继电器的输入参数在电磁继电器的输入参数中，与用户密切相关的是线圈的工作电压(或电流)，而吸合电压(或电流)则是继电器制造厂约束继电器灵敏度并对其进行判断、考核的参数，它只是一个工作下限参考值。（3）根据负载状况选择继电器触点的种类与参数与被控电路直接连接的触点是继电器的接触系统。

5对电流三段式保护的改进

当线路上发生不对称故障时,三相电压电流将处于不对称运行状态;当故障切除后,三相电压,电流又将恢复对称稳态运行;故障时将产生序分量。所以,可根据检测到的序分量确定故障是否对称、系统的运行状态并决定断路器的动作行为。对一个多电源供电的系统,切除一条故障线路往往要跳开两个断路器,而两个断路器的动作时间又是有先有后的,对配网而言,它们的时间差往往是很大的,而本保护正是利用对端断路器动作前后所造成的本端故障电流的变化识别故障区域,在区内故障时加速本端断路器跳闸。用一个实时处理算法抽取出正、负、零序分量,算出序分量的有效值,比较它们的大小,确定系统状态。

通过对电气量的监测，用序分量的变化确定远端断路器的动作行为,防止故障区外的断路器误动,加速故障区内的断路器跳闸。判断系统运行状态的方程如下R1=(S0+S2)/S1，S0、S1、S2分别代表零序、正序、负序分量的有效值。在本方案中,所有的继电器都被安排成两种动作模式,依照传统保护整定的固定时间动作模式和依照新原理的加速动作模式。当发生不对称故障时,所有的继电器首先依照固定时间模式启动,其中某个继电器最先启动相应的断路器跳闸,接着已启动的继电器利用序分量判断系统的运行状况,如系统恢复对称运行,则判断故障在区外,继电器返回,其所对应的断路器不动作;如系统没能恢复对称运行,也不能判断故障一定在区内,也可能是下一条线路故障。为防止误动,需检测是否有相电流低于阈值(很小接近0),如有,则证明该条线路的对端断路器跳闸了,故障发生在区内,应启动相应的断路器跳闸;如没有,则证明故障在保护线路外,继电器应返回,其对应的断路

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器不动作。当发生对称故障时,利用电流保护无时限速动方案,瞬时切除故障。当发生不对称故障时,R1值会变得很大,故障切除后,R1为零。对相间不接地故障,R1值为1;对接地故障,R1值为2。因此,我们可设R1阈值在0.2～0.4之间。

6设计题目的计算

(1)～∞系统1000kVA(2)100km

(3)10.5kV500kVA0.4kV图6-1计算电路1.短路计算基准值

设基准容量Sd=1000kVA，基准电压Ud=Uc=1.05UN，Uc为短路计算电压，即高压侧

Ud1=10.5kV，低压侧Ud2=0.4kV，则

Sd1000kVAId1???55A

3Ud13?10.5kVST500kVAId2???22.4A

3Ud23?10.5kV2.短路电路中个元件的电抗标幺值

（1）电力系统

已知电力系统出口断路器的断流容量Soc=1000kVA，故X1?=1000kVA/1000kVA=1（2）架空线路

查表得LGJ-150的线路电抗x0?0.4?/km，而线路长100km，故

?X2?x0lSd1000kVA?(0.4?100)???0.36Uc2(10.5kV)2

因此绘制短路计算等效电路如图6-2所示。

1

0.36

d1d2

图6-2短路计算等效电路

系统出口处短路电流

*Id1?Id155A??55A*X11

变压器10.5kV侧短路电流

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*Id2?Id255A??40.4A**X1?X21.36电流速断保护计算

II计算公式：Iset.1?KrelId1.maxI其中：可靠系数Krel取1.3，

线路最大短路电流Id1.max=55A