三段式电流保护的设计[1]

1、学号2010曲&亨殁电力系统继电保护课程设计（2010届本科）题 目:三段式电流保护课程设计学 院：物理与机电工程学院专 业：电气程及其自动化作者姓名：指导教师：职称：教授完成日期：年 12 月 26 日目录 TOC o 1-5 h z HYPERLINK l bookmark15 o Current Document 1设计原始资料-3 - HYPERLINK l bookmark24 o Current Document 1.1具体题目-3 - HYPERLINK l bookmark33 o Current Document 1.2要完成的内容-3 - HYPERLINK l bookm

2、ark41 o Current Document 2设计要考虑的问题-3 - HYPERLINK l bookmark44 o Current Document 2.1设计规程-3 -2.1.1短路电流计算规程-3 - HYPERLINK l bookmark51 o Current Document 2.1.2保护方式的选取及整定计算-4 - HYPERLINK l bookmark54 o Current Document 2.2本设计的保护配置-5 -2.2.1主保护配置-5 -2.2.2后备保护配置-5 - HYPERLINK l bookmark57 o Current Docume

3、nt 3短路电流计算-5 - HYPERLINK l bookmark60 o Current Document 3.1等效电路的建立-5 - HYPERLINK l bookmark87 o Current Document 3.2保护短路点及短路点的选取-6 - HYPERLINK l bookmark90 o Current Document 3.3短路电流的计算-6 - HYPERLINK l bookmark124 o Current Document 最大方式短路电流计算-6 -最小方式短路电流计算-7 - HYPERLINK l bookmark145 o Current Doc

4、ument 4保护的配合及整定计算-8 - HYPERLINK l bookmark148 o Current Document 4.1主保护的整定计算-8 -4.1.1动作电流的计算-8 -4.1.2灵敏度校验-9 - HYPERLINK l bookmark168 o Current Document 4.2后备保护的整定计算-9 -4.2.1动作电流的计算-9 -4.2.2动作时间的计算-10 -4.2.3灵敏度校验-10 - HYPERLINK l bookmark192 o Current Document 5原理图及展开图的的绘制-10 - HYPERLINK l bookmark

5、195 o Current Document 5.1原理接线图-10 - HYPERLINK l bookmark198 o Current Document 5.2交流回路展开图-11 - HYPERLINK l bookmark201 o Current Document 5.3直流回路展开图-12 - HYPERLINK l bookmark204 o Current Document 6继电保护设备的选择-12 - HYPERLINK l bookmark207 o Current Document 6.1电流互感器的选择-12 - HYPERLINK l bookmark214 o

6、Current Document 6.2继电器的选择-13 - HYPERLINK l bookmark222 o Current Document 7保护的评价-14 -摘要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。继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后

7、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。本次课程设计以电网的某条线路为例进行了三段式电流保护的分析设计。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的具体计算。关键字：继电保护，电流保护1设计原始资料I,B-C max=300A, IC DD =200A, ID e =150A, K =1.5,Ki =1.3、Kii = Kiii =1.15relrel relK =0.85。1.1具体题目如图 1.1 所示网络，系统参数为 =115/j3kV, Xg18Q

8、、Xg2=18Q、X3=10Q,L = L =50km、 L3=30km、L =60km、L =40km、L=30km,线路阻抗 0.4Q/km,图1.1系统网络图试对线路保护3进行三段式电流保护的设计。1.2要完成的内容（1）保护的配置及选择；（2）短路电流计算（系统运行方式的考虑、短路点的考虑、短路类型的考虑）;（3）保护配合及整定计算；（4）保护原理展开图及展开图的设计；（5）对保护的评价。2设计要考虑的问题2.1设计规程2.1.1短路电流计算规程在决定保护方式前，必须较详细地计算各短路点短路时，流过有关保护的短路电流， 然后根据计算结果，在满足继电保护和自动装置技术规程和题目给定的要求

9、条件下， 尽可能采用简单的保护方式。其计算步骤及注意事项如下。（1）系统运行方式的考虑除考虑发电厂发电容量的最大和最小运行方式外，还必须考虑在设备检修或故障切 除的情况下，发生短路时流过保护装置的短路电流最大和最小的系统运行方式，以便计 算保护的整定值和保护灵敏度。在需采用电流电压联锁速断保护时，还必须考虑系统的 正常运行方式。（2）短路点的考虑求不同保护的整定值和灵敏度时，应注意短路点的选择。若要绘制短路电流、电压 与距离的关系曲线，每一条线路上的短路点至少要取三点，即线路的始端、中点和末端 三点。（3）短路类型的考虑相间短路保护的整定计算应取系统最大运行方式下三相短路电流，以作动作电流整

10、定之用；而在系统最小运行方式下计算两相短路电流，以作计算灵敏度之用。短路的计 算选用三相短路或两相短路进行计算均可，因为对保护所取的残余而言，三相短路和两 相短路的残余数值相同。若采用电流电压连锁速断保护，系统运行方式应采用正常运行方式下的短路电流和 电压的数值作为整定之用。（4）短路电流列表为了便于整定计算时查考每一点的短路时保护安装处的短路电流和，将计算结果列 成表格。流过保护安装处的短路电流应考虑后备保护的计算需要，即列出本线路各短路点短 路时流过保护安装处的短路电流，还要列出相邻线路各点短路时流过保护安装处的短路 电流。计算短路电流时，用标幺值或用有名值均可，可根据题目的数据，用较简单

11、的方法 计算。2.1.2保护方式的选取及整定计算采用什么保护方式，主要视其能否满足规程的要求。能满足要求时，所采用的保护 就可采用；不能满足要求时，就必须采取措施使其符合要求或改用其他保护方式。选用保护方式时，首先考虑采用最简单的保护，以便提高保护的可靠性。当采用简 单保护不能同时满足选择性、灵敏性和速动性要求时，则可采用较复杂的保护方式。选用保护方式时，可先选择主保护，然后选择后备保护。通过整定计算，检验能否 满足灵敏性和速动性的要求。当采用的保护不能很好地满足选择性或速动性的要求时，允许采用自动重合闸来校 正选择性或加速保护动作。当灵敏度不能满足要求时，在满足速动性的前下，可考虑利用保护的

12、相继动作，以 提高保护的灵敏性。在用动作电流、电压或动作时间能保证选择性时，不要采用方向元件以简化保护。后备保护的动作电流必须配合，要保证较靠近电源的上一元件保护的动作电流大于 下一元件保护的动作电流，且有一定的裕度，以保证选择性。2.2本设计的保护配置2.2.1主保护配置选用三段式电流保护，经灵敏度校验可得电流速断保护不能作为主保护。因此，主 保护应选用三段式距离保护。2.2.2后备保护配置过电流保护作为后备保护和远后备保护。3短路电流计算3.1等效电路的建立由已知可得,线路的总阻抗的计算公式为X = ZL(3.1)其中：z 一线路单位长度阻抗；L 线路长度。所以，将数据代入公式(3.1.1

13、)可得各段线路的线路阻抗分别为X = X = z X L = 0.4 X 50 = 20(Q)XL 3 = z X L3 = 0.4 X 30 = 12(Q)Xbc = Z x LB C = 0.4 x 60 = 24(Q)Xcd = Z x Lc d = 0.4 x 40 = 16(Q)X = Z x L= 0.4 x 30 = 12(Q)经分析可知，最大运行方式即阻抗最小时，则有三台发电机运行，线路LL3运行，由题意知GG3连接在同一母线上，则X= (XG1II XG2 + XL1II XL2)II(XG3 + XL3) = (9 +10)11(10 +12) = 10.2(0)式中Xs

14、最大运行方式下的阻抗值；同理，最小运行方式即阻抗值最大，分析可知在只有G1和L1运行，相应地有X = X + X = 18 + 20 = 38(0)由此可得最大运行方式液电路如图3.1所示，最小运行方式等效电路图如图3.2 所示。10. 2 口图3.1最大运行方式等效电路图图3.2最小运行方式等效电路图3.2保护短路点及短路点的选取选取B、C、D、E点为短路点进行计算。3.3短路电流的计算3.3.1最大方式短路电流计算在最大运行方式下流过保护元件的最大短路电流的公式为I = % = K (3.2)kZ + Z式中 E中一系统等效电源的相电动势；zk一短路点至保护安装处之间的阻抗；Z,一保护安装

15、处到系统等效电源之间的阻抗；3K中一短路类型系数、三相短路取1，两相短路取丑。对于保护2等值电路图如图3.1所示，母线D最大运行方式下发生三相短路 流过保护2的最大短路电流为IkDmaxEXsmin+ X/ Xcd(3.3)代入数据得:IkDmax(2)对于保护3等值电路图如图3.1所示，母线C最大运行方式下发生三相短路流 过保护3的最大短路电流为IkCmaxX + X(3.4)代入数据得:IkCmaxX + X=1.94(kA)3.3.2最小方式短路电流计算在最小运行方式下流过保护元件的最小短路电流的公式为, v3 EI =k .min 2 Z + Z(3.5)式中E中一系统等效电源的相电动

16、势；z smi保护安装处到系统等效电源之间的阻抗；z一短路点到保护安装处之间的阻抗。所以带入各点的数据可以计算得到各点的的最小短路电流。7_ V3115I= x =- x= 639( A )Emin23 38 + 24 +16 +123 1151x x= 927( A )2 .c3 38 + 24ICmin4保护的配合及整定计算4.1主保护的整定计算4.1.1动作电流的计算最小保护范围计算式为,3 E七=2X Z+% L(4.1)smax 1 min其中E中一系统等效电源的相电动势；zs由短路点至保护安装处之间的阻抗；z 一线路单位长度的正序阻抗。对于保护2等值电路图如图3.1所示，母线D最大

17、运行方式下发生三相短路流 过保护2的最大短路电流为L max d)整定原则：按照躲过本线路末端最大短路电流来整定。 相应的速断定值为Ii = K x I = 1.3 x 1.32 = 1.72 (kA)最小保护范围根据式(4.1)可得L i =-11.4(km)即2处的电流速断保护在最小运行方式下没有保护区。对于保护3等值电路图如图3.1所示，母线C最大运行方式下发生三相短路流 过保护3的最大短路电流为I= 1.94(kA)相应的速断定值为I I = K I x I = 1.3 x 1.94 = 2.52(kA)set .3relk .C .max最小保护范围根据式(3.4)可得L3 i =

18、-38(km)即3处的电流速断保护在最小运行方式下也没有保护区。所以，以上计算表明，在运行方式变化很大的情况下，电流速断保护在较小运行方 式下可能没有保护区。4.1.2灵敏度校验限时电流速断定值根据式(4.2)可以计算。(4.2)In = Kn Iiset re ls e t其中K n 可靠系数，取值为1.15。 r e l(1)(2)整定原则：按照躲过下级线路电流速断保护的最大动作电流来整定。 保护3的限时电流速断定值为Iii = Kii Ii = 1.2 X1.72 = 2.1 (kA)set .3rel set .2线路末端(即C处)最小运行方式下发生两相短路时的电流为,再E再115 3

19、I=X= 0.93(kA)k.C.min2 X+ X2 38 + 24所以保护5处的灵敏度系数为K U k .C .min = = 0.44 set.3I u2.1set也不满足可见Kse户1.2的要求。，由于运行方式变化太大，3处的限时电流速断的灵敏度远不能满足要求。4.2后备保护的整定计算4.2.1动作电流的计算过电流整定值计算公式为m = re = relssL.max(4.3)set KK其中K III一可靠系数，取值为1.2； r e lK 一可靠系数，取值为1.5；K 一可靠系数，取值为0.9。re整定原则：按照大于本线路流过的最大负荷电流整定 所以有IIIIset 34.2.2动

20、作时间的计算MiKD - E. L .maxre# x3。= 600 A假设母线E过电流保护动作时限为0.5s，保护的动作时间为t m = 0.5 + 0.5 = 1( s)1t m = t m + 0.5 = 1.5( s)1t m = t m + 0.5 = 2( s)24.2.3灵敏度校验在最小运行方式下流过保护元件的最小短路电流的公式为了 _ 3 E(4.4)(4.5)Ik .min2 Z + Z所以由灵敏度公式(4.4)KKk .minsen I mset保护3作为远后备保护的灵敏度为Km E.min 1.07 W 1.2set.3I m 600不满足作为远后备保护灵敏度的要求。5原

21、理图及展开图的的绘制5.1原理接线图如图5-1所示，每个继电器的线圈和触点都画在一个图形内，所有元件都用设备文 字符号标注，如图中KA表示电流继电器，KT表示时间继电器，KS表示信号继电器。原 理接线图对整个保护的工作原理给出了一个完整的概念。图5.1三段式电流保护原理接线图5.2交流回路展开图展开图中交流回路和直流回路分开表示，分别如图5.2和图5.3所示。其特点是每 个继电器的输出量和输出量根据实际动作的回路情况分别画在途中不同的位置上，但任 然用同一个符号标注，一边查对。在展开图中，继电器线圈和出点的链接尽量暗中故障 后的动作连接，自左而右，自上而下的排列。图5.2保护交流电流回路图5.

22、3直流回路展开图+wc_wc图5.3保护直流回路展开图6继电保护设备的选择6.1电流互感器的选择互感器是按比例变换电压或电电流的设备。其功能主要是将高电压或大电流按比例 变换成标准低电压（100V）或标准小电流（5A或10A，均指额定值），以便实现测量仪表、 保护设备及自动控制设备的标准化、小型，其一次侧接在一次系统，二次侧接测量仪表 与继电保护装置等。同时互感器还可用来隔开高电压系统，以保证人身和设备的安全。（1）小电流选线装置用零序电流互感器小电流选线装置本身没有整定值，零序电流只是装置的判据之一，要求零序电流互 感器在一次接地电流较小时，和非金属性接地时，零序电流互感器也要有一定的输出，

23、 来满足装置启动的门坎值。装置本身的负载阻抗并不大，但需要通过电缆将各个零序电 流互感器与装置连接起来，所以电缆的阻抗就是零序电流互感器的主要负载阻抗，这种 零序电流互感器的负载阻抗一般为2.5。左右，经过多年实践和试验得知与小电流选线 装置配套的零序电流互感器选用：（2）与DD11/60型继电器配套使用的零序电流互感器DD11/60型继电器线圈并联阻抗为10Q，COS中=0.8，与ENRLJ（K）xxA型零 序电流互感器是其配套产品，二次电流60mA时零序电流互感器一次电流4AO（3）与DL11/0.2型继电器配套使用的零序电流互感器DL11/0.2型继电器线圈并联阻抗为10Q, COSO=

24、0.8，我公司生产的ENRLJ （K） xxB型零序电流互感器是其配套产品，二次电流0.2A时零序电流互感器一次电流10AO（4）精度与容量（额定负荷）的关系国标中规定：“在额定频率及额定负荷下，电流误差，相位差和复合误差不超过上表 所列限值。”所以所选零序电流互感器的容量要与二次回路（装置及回路）阻抗匹配， 才能达到上表精度，如所选容量大时零序电流互感器在使用时将出现正误差，反之则出 现负误差。6.2继电器的选择正确选用继电器的原则应该是：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；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

25、要；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。使用环境条件主要指温度（最大与最小）、湿度（一般指40摄氏度下的最大相对湿 度）、低气压（使用高度1000米以下可不考虑）、振动和冲击。此外，尚有封装方式、安 装方法、外形尺寸及绝缘性等要求。由于材料和结构不同，继电器承受的环境力学条件 各异，超过产品标准规定的环境力学条件下使用，有可能损坏继电器，可按整机的环境 力学条件或高一级的条件选用。（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（

26、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。不少用户因不了解继电器动作原理的特殊性，往往把吸合 电压（或电流）错认为是继电器应可靠工作的电压（或电流），而把工作电压值取在吸合电 压值上，这是十分危险也是不允许的。因为吸合值只是保证继电器可靠动作的最小 输 入量，而继电器动作后，还需要一个保险量，以提高维持可靠闭合所需的接触压力、抗 环境作用所需的电磁吸力。否则，一旦环境温度升高或在机械振动和冲击条 件下，或 输入回路电流波动和电源电压降低时，仅靠吸合值是不可能保证可靠工作的。所以选择 继电器时，首先看继电器技术条件规定的额定工作电压是否与整机

27、线 路所能提供的电 压相符，绝不能与继电器吸合值相比。（3）根据负载情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。国外和国内长期实践证明，约百分之七十以上的故障发生在触点上。这 除了与继电器本身结构与制造因素密切相关之外，未能正确选用和使用也是重要因素之 一。且大多数问题是由于用户的实际负载要求与继电器触点额定负载不同而引起的。 根据控制要求确定触点组合形式，如需要的是常开还是常闭触点或转换触点；根据被 控回路多少确定触点的对数和组数；根据负载性质与容量大小确定触点有关参数，如 额定电压、电流与容量，有时还需要考虑对触点接触电阻、抖动时间、分布电容等的要 求。关于触点切换的额定值，电磁继电器一般规定它的性质及大小。它的含义是指在规 定的动作次数内，在定的电压和频率下，触点所能切换的电流的大小。这一负载值是由 继电器结构要素决定的。为了便于考核比较，一般只规定阻性负载。在实际使用中需要 切换其它性质的负载。按工作状态选择继电器继电器