KV线路继电保护课程设计.doc

第1章 绪论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。随着计算机硬件的迅速发展，微机保护硬件也在不断发展。电力系统对微机保护的要求不断提高，除了保护的基本功能外，还应具有大容量故障信息和数据的长期存放空间，快速的数据处理功能，强大的通信能力，与其它保护。继电保护的原理是利用被保护线路或设备故障前后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。这次课程设计以最常见的110KV电网线路保护设计为例进行分析设计，要求对整个电力系统及其自动化专业方面的课程有综合的了解。特别是对继电保护、电力系统、电路、发电厂的电气部分有一定的研究。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、距离保护的具体计算。1.1 继电保护电力系统的运行中最常见也是最危险的故障是发生各种形式的各种短路。发生短路时可能会产生以下后果： 1、电力系统电压大幅度下降，广大用户负荷的正常工作遭到破坏。 2、故障处有很大的短路电流，产生的电弧会烧坏电气设备。 3、电气设备中流过强大的电流产生的发热和电动力，使设备的寿命减少，甚至遭到破坏。 4、破坏发电机的并列运行的稳定性，引起电力系统震荡甚至使整个系统失去稳定而解列瓦解。因此在电力系统中要求采取各种措施消除或减少发生事故的可能性，一旦发生故障，必须迅速而有选择性的切除故障，且切除故障的时间常常要求在很短的时间内（十分之几或百分之几秒）。实践证明只有在每个元件上装设保护装置才有可能完成这个要求，而这种装置在目前使用的大多数是由单个继电器或继电器及其附属设备的组合构成的，因此称为继电保护装置，它能够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生告警信号。继电保护装置是保证电力系统安全运行的重要设备。满足电力系统安全运行的要求是继电保护发展的基本动力。快速性、灵敏性、选择性和可靠性是对继电保护的四项基本要求。为达到这个目标，继电保护专业技术人员借助各种先进科学技术手段作出不懈的努力。经过近百年的发展，在继电保护原理完善的同时，构成继电保护装置的元件、材料等也发生了巨大的变革。继电保护装置经历了机电式、整流式、晶体管式、集成电路式、微处理机式等不同的发展阶段。继电保护的任务就是在系统运行过程中发生故障（三相短路、两相短路、单相接地等）和出现不正常现象时（过负荷、过电压、低电压、低周波、瓦斯、超温、控制与测量回路断线等），能够自动、迅速、有选择性且可靠的发出跳闸命令将故障切除或发出各种相应信号，从而减少故障和不正常现象所造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证电力系统安全稳定的运行。 最早的继电保护装置是熔断器。以后出现了以断路器为核心的电磁式继电保护装置、电子式静态继电保护装置，最近发展迅速的以远动技术信息技术和计算机技术为基础的微机型继电保护装置。 继电保护装置必须满足的四个基本要求： 1、选择性：当系统发生故障时，继电保护装置只将故障设备切除，使停电范围尽量缩小，保证无故障部分继续运行。 2、速动性：电力系统发生故障时，要求能快速切除故障以提高电力系统并列运行的稳定性；减少用户在电压降低的异常情况下的运行时间，使电动机不致因电压降低时间过长而处于停止转动状态，并利于电压恢复时电动机的自起动，以加速恢复正常运行的进程；此外，还可避免扩大事故，减轻故障元件的损坏程度。 3、灵敏性：是指保护对其保护范围内的故障或不正常运行状态的反应能力，对于保护范围内故障，不论短路点的位置在哪里，短路类型如何，运行方式怎样变化，保护均应灵敏正确地反应。 4、可靠性：就是在保护范围以内发生属于它应该动作的故障时，不应该由于它本身的缺陷而拒绝动作；而在其它任何不属于它动作的情况下，不应该误动作。继电保护的基本概念： 在电力系统运行中，外界因素（如雷击、鸟害等）、内部因素（绝缘老化，损坏等）及操作等，都可能引起各种故障及不正常运行的状态出现，常见的故障有：单相接地；三相短路；两相短路；两相接地短路；断线等。 电力系统非正常运行状态有：过负荷，过电压，非全相运行，振荡，次同步谐振，同步发电机短时失磁异步运行等。电力系统继电保护和安全自动装置是在电力系统发生故障和不正常运行情况时，用于快速切除故障，消除不正常状况的重要自动化技术和设备。电力系统发生故障或危及其安全运行的事件时，他们能及时发出告警信号，或直接发出跳闸命令以终止事件。1.2 继电保护的整定计算继电保护属于二次系统，但是，它是电力系统中的一个重要组成部分。它对电力系统安全稳定地运行起着极为重要的作用。特别是在现代的超高压，大容量的电力系统中，对继电保护提出了更高的要求，重点是提高其速动性。总之，电力系统一时一刻地也不能离开继电保护，没有继电保护的电力系统是不能运行的。继电保护工作类别多种多样，诸如设计、制造、调试、安装、运行等等。继电保护整定计算是继电保护工作中的一项重要工作。在电力生产运行工作和电力工程设计工作中，继电保护整定计算是一项必不可少的内容。不同的部门其整定计算的目的是不同的。电力生产的运行部门，例如电力系统的各级调度部门，其整定计算的目的是对电力系统中已经配置安装好的各种继电保护，那找具体电力系统的参数和运行要求，通过计算分析给出所需的各项整定值，使全系统中各种继电保护有机协调地布署，正确地发挥作用。电力工程的设计部门其整定计算的目的是按照所设计的电力系统进行计算分析，选择和论证继电保护的装置及选型的正确性，并最后确定其技术规范等等，正确圆满地完成设计任务。继电保护是建立在电力系统基础之上的，它的构成原则和作用必须符合电力系统的内在规律；同时，继电保护自身在电力系统中也构成一个有严密配合关系的整体，从而形成了继电保护的系统性。因此，继电保护的整定计算是一种系统工程。1.3 选择原则1.3.1 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。1.3.2 变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。1.3.3 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。第二章短路计算及其电流保护2.1 短路电流2.1.1 短路电流介绍和分类短路电流：电力系统在运行中,相与相之间或相与地（或中性线）之间发生非正常连接（即短路）时流过的电流。其值可远远大于额定电流,并取决于短路点距电源的电气距离。例如，在发电机端发生短路时，流过发电机的短路电流最大瞬时值可达额定电流的1015倍。大容量电力系统中，短路电流可达数万安。这会对电力系统的正常运行造成严重影响和后果。三相系统中发生的短路有 4 种基本类型：三相短路，两相短路，单相对地短路和两相对地短路。其中，除三相短路时，三相回路依旧对称，因而又称对称短路外，其余三类均属不对称短路。在中性点接地的电力网络中，以一相对地的短路故障最多，约占全部故障的90%。在中性点非直接接地的电力网络中，短路故障主要是各种相间短路。发生短路时，电力系统从正常的稳定状态过渡到短路的稳定状态，一般需35秒。在这一暂态过程中，短路电流的变化很复杂。它有多种分量，其计算需采用电子计算机。在短路后约半个周波（0.01秒）时将出现短路电流的最大瞬时值，称为冲击电流。它会产生很大的电动力，其大小可用来校验电工设备在发生短路时机械应力的动稳定性。短路电流的分析、计算是电力系统分析的重要内容之一。它为电力系统的规划设计和运行中选择电工设备、整定继电保护、分析事故提供了有效手段。供电网络中发生短路时，很大的短路电流会使电器设备过热或受电动力作用而遭到损坏，同时使网络内的电压大大降低，因而破坏了网络内用电设备的正常工作。为了消除或减轻短路的后果，就需要计算短路电流，以正确地选择电器设备、设计继电保护和选用限制短路电流的元件。2.1.2 计算目的计算短路电流的目的是为了限制短路的危害和缩小故障的影响范围。在变电所和供电系统的设计和运行中，基于如下用途必须进行短路电流的计算：选择电气设备和载流导体，必须用短路电流校验其热稳定性和动稳定性。选择和整定继电保护装置，使之能正确的切除短路故障。确定合理的主接线方案、运行方式及限流措施。保护电力系统的电气设备在最严重的短路状态下不损坏，尽量减少因短路故障产生的危害。2.1.3 计算条件假设系统有无限大的容量，用户处短路后，系统母线电压能维持不变，即计算阻抗比系统阻抗要大得多。具体规定： 对于335KV级电网中短路电流的计算，可以认为110KV及以上的系统的容量为无限大，只要计算35KV及以下网络元件的阻抗。在计算高压电器中的短路电流时，只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗，而忽略其电阻；对于架空线和电缆，只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻，一般也只计电抗而忽略电阻。短路电流计算公式或计算图表，都以三相短路为计算条件，因为单相短路或二相短路时的短路电流都小于三相短路电流，能够分断三相短路电流的电器，一定能够分断单相短路电流或二相短路电流。2.2 短路电流计算1.确定计算条件，画计算电路图 （1）计算条件：系统运行方式，短路地点、短路类型和短路后采取的措施。 （2）运行方式：系统中投入的发电、输电、变电、用电设备的多少以及它们之间的连接情况。 根据计算目的确定系统运行方式，画相应的计算电路图。选电气设备：选择正常运行方式画计算图。 短路点取使被选择设备通过的短路电流最大的点。 继电保护整定：比较不同运行方式，取最严重的。 2画等值电路，计算参数； 分别画各段路点对应的等值电路。 3网络化简，分别求出短路点至各等值电源点之间的总电抗由于短路电流计算是电网继电保护配置设计的基础,因此分别考虑最大运行方式时各 路未端短路的情况,最小运行方下时各线路未端短路的情况。电网等效电路图如图2-1所示： 图2-1 电网等效图d1点短路时流经保护501的短路计算，根据短路点位置画出d1点短路等效网络图，如图2-2所示：图2-2 d1点短路等效网络图最大运行方式下三相的短路：最小运行方式下两相的短路：2.3 电流保护的整定 线路AC电流保护整定1.电流速断保护整定原则：按大于在最大运行方式下A母线上三相短路时的电流整定，即一次侧动作电流：二次侧动作电流：动作时间：t=0s。灵敏度校验：完全不满足。2.限时电流速断保护整定原则：躲过下级保护装置的电流速断保护整定，即一次侧动作电流：二次侧动作电流：动作时间：t=0.5s。灵敏度校验：完全不满足。3.定时限过电流保护整定原则：按保护本线路全长进行整定，即一次侧动作电流：二次侧动作电流：动作时间：t=0.5+0.5+0.5=1.5s。灵敏度校验：完全不满足。2.4 电流保护的评价三段式电流保护的主要优点是简单、可靠，并且一般情况下都能较快切除故障。缺点是它的灵敏度受保护方式和短路类型的影响，此外在单侧电源网络中才有选择性。故一般适用于35KV以下的电网保护中。零序电流保护通常由多段组成，一般是四段式，并可根椐运行需要增减段数。为了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。接地距离保护的一般是二段式，一般都是以测量下序阻抗为基本原理。接地距离保护的保护性能受接地电阻大小的影响很大。当线路配置了接地距离保护时，根椐运行需要一般还应配置阶段式零序电流保护。特别是零序电流保护中最小定值的保护段，它对检测经较大接地电阻的短路故障较为优越。因此，零序电流保护不宜取消，但可适当减少设置的段数。零序电流保护和接地距离保护一般按阶梯特性构成，其整定配合遵循反映同种故障类型的保护上下级之间必须相互配合的原则，主要考虑与相邻下一级的接地保护相配合；当装设接地短路故障的保护时，则一般在同原理的保护之间进行配合整定。第3章 距离保护整定计算3.1 断路器501的距离保护整定1.距离保护段整定（1）动作阻抗整定原则：躲过本线路末端的测量阻抗来整定，即（2）动作时限t=0s。2.距离保护段整定（1）动作阻抗整定原则：与下一线路的一段保护范围配合，与相邻变压器的快速保护相配合，取最小值，即 所以整定值为9.07。（2）动作时限t=0.5+0.5=1s。（3）灵敏度校验满足要求。3. 距离保护段整定（1）动作阻抗整定原则：下一线路的二段保护范围配合与相邻下级变压器的电流、电压保护配合躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定所以整定值为15.84。（2）动作时限t=0.5+0.5+0.5=1.5s。（3）灵敏度校验近后备：满足要求。远后备：满足要求。3.2距离保护的评价主要优点：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。第4章 输电线路的自动重合闸4.1自动重合闸的类型自动重合闸装置按其功能可分为以下三种类型。 1. 三相重合闸 所谓三相重合闸是指不论在输、配电线上发生单相短路还是相间短路时，继电保护装置均将三相断路器同时跳开，然后启动自动重合闸再同时重新合三相断路器的方式。若暂时性故障，则重合闸成功；否则保护再次动作，跳开三相断路器。这时，是否再重合闸要视情况而定。目前，一般只允许重合闸动作一次，称为三相一次自动重合闸装置。在特殊情况下，如无人值班的变电所的无遥控单回线，无备用电源的单回线重要负荷供电线，断路器遮断容量允许时，可采用三相二次重合闸装置。 2单相重合闸 在110KV及以上的大接地电流系统中，由于架空线路的线间距离较大，故相间故障机会很少，而单相接地短路的机会却比较多，占总故障的90%左右。因此，在输电线路上，当不允许用快速非同期三相重合闸，而采用检查同期重合闸，在因恢复供电时间太长，满足不了系统稳定运行要求时，可以采用单相重合闸方式工作。 单相重合闸，是指线路发生单相接地故障时，保护动作只断开故障相的断路器，然后进行单相重合。如故障是暂时性的，则重合成功，如果是永久性故障，而系统又不允许非全相长期运行，则重合后，保护动作使三相断路器跳闸，不再进行重合。 当采用单相重合闸时，如果发生相间短路，则一般都跳三相断路器，且并不进行三相重合；如果因任何其他原因断开三相断路器，则也不再进行重合。3. 综合重合闸 综合重合闸是将单相重合闸和三相重合闸综合在一起，当发生单相接地故障时，采用单相重合闸方式工作；当发生相间短路时，采用三相重合闸方式工作。综合考虑这两种重合闸方式的装置称为综合重合闸装置。 综合重合装置经过转换开关的切换，一般都具有单相重合闸、三相重合闸、综合重合闸和直跳（线路上发生任何类型的故障时，保护可通过重合闸装置的出口，断开三相，不再重合闸）等四种运行方式。在110KV及以上的高压电力系统中，综合重合闸已得到广泛应用。4.2 对自动重合闸的基本要求（1）正常运行时，当断路器由继电保护动作或其他原因而跳闸后，自动重合闸装置均应动作，使断路器重新合上。自动重合闸动作以后，一般应能自动复归，准备好下一次动作。（2）由运行人员手动操作或通过遥控装置将断路器断开时，自动重合闸不应启动，不能将断路器重新合上。当手动投入断路器或自动投入断路器时，若线路上有故障，随即被继电保护将其断开时，自动重合闸不应启动，不发出重合闸脉冲。（3）继电保护动作切除故障后，在满足故障点绝缘恢复及断路器消弧室和传动机构准备好再次动作所必须时间的条件下，自动重合闸装置应尽快发出重合闸脉冲，以缩短停电时间，减少因停电而造成的损失。在断路器跳开之后，自动重合闸一般延时0.51s后发出重合闸脉冲。（4）自动重合闸装置动作次数应符合预先规定。如一次式重合闸就应该只动作一次，当重合于永久性故障而再次跳闸以后，就不应该再动作；对二次式重合闸就应该能够动作两次，当第二次重合于永久性故障而跳闸以后，它不应该再动作。重合闸装置损坏时，不应将断路器多次重合于永久性故障线路上，以避免系统多次遭受故障电流的冲击，使断路器损坏，扩大事故。（5）自动重合闸装置应有可能在重合闸以前或重合闸以后加速继电保护的动作，以便更好地和继电保护相配合，加速故障的切除。（6）在双侧电源的线路上实现重合闸时，重合闸应满足同期合闸条件。（7）当断路器处于不正常状态（例如操动机构中使用的气压、液压降低等）而不允许实现重合闸时，应将自动重合闸装置闭锁。4.3 自动重合闸与继电保护的配合自动重合闸与继电保护的适当配合，能有效地加速故障的切除，提高供电的可靠性。自动重合闸的应用在某些情况下还可以简化继电保护。自动重合闸与继电保护的配合方式，有重合闸前加速保护和重合闸后加速保护两种。重合闸前加速是，当线路上发生故障时，靠近电源侧的保护先无选择性的瞬时动作于跳闸，而后再借助自动重合闸来纠正这种非选择性动作。重合闸后加速保护是当线路故障时，先按正常的继电保护动作时限有选择性地动作于断路器跳闸，然后AAR装置动作将断路器重合，同时将过电流保护的时限解除。这样，当断路器重合于永久性故障时，电流保护将无时限地作用于断路器跳闸。实现后加速的方法是，在被保护的各条线路上都装设有选择性的保护和自动重合闸装置。总结 通过本次课程设计，对继电保护的设计有了进一步的了解和掌握。通过对课本和参考书籍的翻阅，进一步提高了独立自主完成设计的能力。本课程设计是针对与110kv电网在不同运行方式以及短路故障类型的情况下进行的分析和整定，因此它可以保护发生上述各种故障和事故时的系统网络，再设计思路中紧扣继电保护的四要求：1速动性2灵敏性3可靠性4选择性。在这次的课程设计中，在收获知识的同时，还收获了阅历，收获了成熟，在此过程中，我通过查找大量资料，与同学探讨，以及不懈的努力，不仅培养了独立思考、动手操作的能力，在各种其它能力上也