单辐射式输电线路阶段式电流保护设计_电力系统继电保护课程设计

1、 电力系统继电保护课程设计电力系统继电保护课程设计题 目: 单辐射式输电线路阶段式电流保护单辐射式输电线路阶段式电流保护设计设计系 别: 自动化学院 专 业: 07 电气工程及其自动化(低压电力智能控制方向) 姓 名: 学 号: 指导教师: 设计日期: 电力系统继电保护课程设计 ii前前 言言电力生产发，送，变，用的同时性，决定了它每一个过程重要性。电力系统要通过设计、组织，以使电力能够可靠、经济地送到用户。对供电系统最大的威胁就是短路故障，它会给系统带来巨大的破坏作用，因此我们必须采取措施来防范它。对于一个大电网，故障发生的几率和故障带来的扰动是相当大的，如果没有切除故障的保护装置，电网是不

2、允许运行的。这就是继电保护在实际应用中的重要程度。正确安装保护装置的必要性是显而易见的。但在系统复杂的内部连接和与电厂的关系致使很难检查正确与否。因此有必要采取校验手段。保护是分区域布置的，这样整个电力系统都得到了保护，而不存在保护死区。当故障发生时，保护应有选择地动作，跳开距离故障点最近的开关。电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态。故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故。故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求

3、。而这种保护装置直到目前为止，大都是由单个继电器或者继电器与其附属设备的组合构成的，因而称之继电保护装置。其基本任务是：（1） 自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；（2） 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号，减负荷或跳闸。可见，继电保护对保证系统安全、稳定和经济运行，阻止故障的扩大和事故的发生，发挥着极其重要的作用。因此，合理配置继电保护装置，提高整定和校核工作的快速性和准确性，以满足现代电力系统安全稳定运行的要求，理应得到我们的重视。电力系统继电保护课程设计 0目录目录目录目录.1

4、 1一、课程设计目的和任务一、课程设计目的和任务.2 2二、设计主要仪器设备和材料二、设计主要仪器设备和材料.3 3三、阶段式电流保护原理三、阶段式电流保护原理.3 3四、线路相同短路的阶段式电流保护装置四、线路相同短路的阶段式电流保护装置.4 4五、阶段式电流保护实验参数整定计算五、阶段式电流保护实验参数整定计算.5六、实验验证与调整六、实验验证与调整.1414七、小结与展望七、小结与展望.1616八、致谢八、致谢.1616九、主要参考文献九、主要参考文献.1616电力系统继电保护课程设计 1一、课程设计目的和任务一、课程设计目的和任务设计目的：设计目的：通过设计,使学生掌握和应用电力系统继

5、电保护的设计,整定计算,资料整理查询和电气绘图等使用方法.在此过程中培养学生对各门专业课程整体观念综合能力,通过较为完整的工程实践基本训练,为全面提高学生的综合素质及增强工作适应能力打下一定的基础.本课程主要设计 35kv 线路,变压器,发电机继电保护的原理,配置及整定计算,给今后继电保护的工作打下良的基础。但由于实验条件所限，我们只能用 200v 的单辐射式输电线路阶段式电流保护设计来模拟上述设计。设计任务：设计任务：某线路网络接线如下图图 1 1 线路网络接线图线路网络接线图已知：，ves3/20014,maxsx10.minsxkml851kml802，线路正常运行时的负荷电流为 0.2

6、5a。要求：kmz/4 . 01(1)计算 f1、f2、f3、f4 各点的最大和最小运行方式下的短路电流；(2)选出线路 l1 的电流互感器变比；(3)选出线路 l1 的保护方案并作出整定计算；(4)画出原理图(5)选出所需继电器的规格、型号；(6)根据选出的继电器进行实训。电力系统继电保护课程设计 2二、二、设计主要仪器设备和材料设计主要仪器设备和材料表表 1 1 设计主要设备设计主要设备序号设备名称使 用 仪 器 名 称数量1控制屏12epl-02aa 站保护， b 站保护13epl-04继电器（一）dl-21c 电流继电器24epl-05继电器（二）ds-21 时间继电器25epl-06

7、继电器（四）dz-31b 中间继电器16epl-07b继电器（五）dx-8 信号继电器17epl-11交流电压表18epl-11交流电流表19epl-12光示牌110epl-17a三相交流电源11epl-11直流电源及母线1三、三、阶段式电流保护实验原理阶段式电流保护实验原理无时限电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护装置。他们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择起动电流。即速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时速断是按照躲过前方各相邻元件电流速断保护的动作电流整定，而过电流保护则是按照躲过最大负荷电流来整定。由于电流速断不能保护线路全长，限

8、时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护，因此，为保证迅速而有选择性的切除故障，常常将电流速断、限时电流速断和过电流保护组合在一起，构成阶段式过流保护。具体应用时，可以只采用速断加过流保护，或限时速断加过流保护，及构成两段式过流保护，也可以三者同时使用，及构成三段湿过流保护。电力系统继电保护课程设计 3四、四、线路相同短路的阶段式电流保护装置线路相同短路的阶段式电流保护装置 由无时限电流速断保护、带时限电流速断保护、定时限过电流保护相配合而构成阶段式电流保护装置。这三部分保护分别叫作 i、ii、iii 段，其中 i 段无时限电流速断保护、ii 段带时限电流速断保护是主保护，iii 段定时限过电流

9、保护是后备保护。（1）阶段式电流保护的保护范围及时限配合如图 11-6 所示，当在 l1 线路首端 f1 点短路时，保护 1 的i、ii、iii 段均启动，由 i 段将故障瞬时切除，ii 段和 iii 段返回；在线路末端 f2 点短路时，保护 ii 段和 iii 段启动，ii 段以 0.5s 时限切除故障，iii 段返回。若 i、ii 段拒动，则过电流保护以较长时限将 qf1 跳开，此为过电流保护的近后备作用。当在线路 l2 上 f3 点发生故障时，应由保护 2 动作跳开 qf2，但若qf2 拒动，则由保护 1 的过电流保护动作将 qf1 跳开，这是过电流保护的远后备作用。（2）阶段式电流保护

10、的原理图阶段式电流保护的原理图如图下所示，图中各元件均以完整的图形符号表示，有交流回路和直流回路，图中所示的接线方式是广泛应用于小接地电流系统电力线路。由继电器 ka1、ks1 组成 i 段；电力系统继电保护课程设计 4ka2、kt1、ks2 组成 ii 段；ka3、kt2、ks3 组成 iii 段。五、五、阶段式电流保护实验参数整定计算阶段式电流保护实验参数整定计算5.1 计算各点最大和最小运行方式下的短路电流当系统在最大运行方式下运行时有：f1 的三相短路电流为： (3). 1.,200 /311.54710sd fmaxs mineiaxf1 的两相短路电流为：(2)(3). 1. 1.

11、3311.547=10.000a22d fmaxd fmaxiif2 的三相短路电流为：alzxeiabminssmaxfd624. 2854 . 0103/2001.)3(. 2.f2 的两相短路电流为：(2)(3).2.2.332.624=2.272a22d fmaxd fmaxii由于 f3 点和 f2 点距离很近，两者之间的阻抗值可以忽略, 其短路电流几乎是相等的。故 f3 的三相短路电流为：aiimaxfdmaxfd624. 2)3(. 2.)3(. 3.f3 的两相短路电流为：(2)(2). 3. 2.2.272d fmaxd fmaxiiaf4 的三相短路电流为：kmlllbca

12、bac1658085alzxeiacminssmaxfd519. 11654 . 0103/2001,)3(. 4.f4 的两相短路电流为：电力系统继电保护课程设计 5(2)(3). 4. 4.331.519=1.315a22d fmaxd fmaxii同理，系统在最小运行方式下运行时有：f1 的三相短路电流为：axeimaxssminfd248. 8143/200,)3(. 1.f1 的两相短路电流为：(2)(3). 1.in. 1.in338.248=7.143a22d fmd fmiif2 的三相短路电流为：alzxeiabmaxssminfd406. 2854 . 0143/2001.

13、)3(. 2.f2 的两相短路电流为：(2)(3). 2.in. 2.in332.406=2.084a22d fmd fmiif3 的三相短路电流为：aiiminfdminfd406. 2)3(. 2.)3(. 3.f3 的两相短路电流为：(2)(2). 3. 2.2.084d fmind fminiiaf4 的三相短路电流为：alzxeiacmaxssminfd443. 11654 . 0143/2001,)3(. 4.f4 的两相短路电流为：(2)(3).4.in.4.in331.443=1.250a22d fmd fmii故对单侧电源辐射式线路，l1 的继电保护方案可拟定为阶段式电流保护

14、，保护采用二相二继电器接线，其接线系数，电流互感器采用 1:1，在最1conk大运行方式下及最小运行方式下 f1、f2、f3、f4 各点短路电流值见下表：电力系统继电保护课程设计 6表表 2 2 最大运行方式下及最小运行方式下最大运行方式下及最小运行方式下 f1f1、f2f2、f3f3、f4f4 各点短路电流值各点短路电流值短路点f1f2f3f4正常最大工作电流最大运行方式下三相短路电流（a）11.5472.6242.6241.5190.25最大运行方式下两相短路电流（a）10.0002.2722.2721.315最小运行方式下三相短路电流（a）8.2482.4062.4061.443最小运行

15、方式下两相短路电流（a）7.1432.0842.0841.2505.2 对 ab 线路继电保护进行三段整定5.2.1 无时限电流速断保护在被保护线路上发生短路时，流过保护安装点的短路电流值，随短路点的位置不同而变化。在线路的始端短路时，短路电流值最大；短路点向后移动时，短路电流将随线路阻抗的增大而减小，直至线路末端短路时短路回路的阻抗最大，短路电流最小。短路电流值还与系统运行方式及短路的类型有关。如图 2所示。电力系统继电保护课程设计 7图图 2 2 瞬时电流速断保护的整定及动作范围瞬时电流速断保护的整定及动作范围曲线 1 表示在最大运行方式下发生三相短路时，线路各点短路电流变化的曲线；曲线

16、2 则为最小运行方式下两相短路时，短路电流变化的曲线。如果要求在被保护线路的末端短路时，保护装置能够动作，那么，在下一线路始端短路时，保护装置不可避免地也将动作。这样，就不能保证应有的选择性。为了保证保护动作的选择性，将保护范围严格地限制在本线路以内，就应使保护的动作电流大于最大运行方式下线路末端发生三相短路时的短路电流1 . 1opi，即)3(. 2.maxfdi)3(. 2.1 . 1maxfdopii为了保证装置不误动，考虑到非周期分量、实际的短路电流大于计算值、保护装置的实际动作电流小于整定值、一定的裕度等因素，可引入可靠系数，则动作电流为：=1.21.3kk ，其中取 1.3aiki

17、maxfdkop411. 3624. 23 . 1)3(. 2.1 . 1kk灵敏性校验：最大运行方式下的最小保护范围：kmxiezlminsops292.48)10411. 33/200866. 0(4 . 01)866. 0(1.1 . 11max.min最小运行方式下的最小保护范围：kmxiezlmaxsops292.38)14411. 33/200866. 0(4 . 01)866. 0(1.1 . 11min.minmin.maxmin.max148.292%100%100%56.814%50%85lllmin.minmin.min138.292%100%100%45.049%15%

18、85lll满足灵敏性要求。本段保护整定电流值为 3.4a，可选用 dl-21c 型电流继电器，其额定电流为6a，动作电流的整定范围为 1.56a，线圈采用并联接法。5.2.2 带时限电流速断保护电力系统继电保护课程设计 8无时限电流速断保护虽然能实现快速动作，但却不能保护线路的全长。因此，必须装设第 ii 段保护，即带时限电流速断保护，用以反应无时限电流速断保护区外的故障。对第 ii 段保护的要求是能保护线路的全长，还要有尽可能短的动作时限。带时限电流速断保护要求保护线路的全长，那么保护区必然会延伸至下一线路，因为本线路末端短路时流过保护装置的短路电流与下一线路始端短路时的短路电流相等，再加上

19、还有运行方式对短路电流的影响，如若较小运行方式下保护范围达到线路末端，则较大运行方式下保护范围必然延伸到下一线路。为尽量缩短保护的动作时限，通常要求带时限电流速断延伸至下一线路的保护范围不能超出下一线路无时限电流速断的保护范围，因此线路 l1 带时限电流速断保护的动作电流应大于下一线路无时限电流速断保护的动作电流，iiopi1 . 1iopi2 . 1即iopiiopii2 . 11 . 1线路 l2 无时限电流速断保护的动作电流：aikimaxbfkiop975. 1519. 13 . 1. 42 . 1则限时电流速断保护的动作电流为： ，其中取 1.1aikiiopkiiop173. 29

20、75. 11 . 12 . 11 . 1kk保护装置灵敏性校验：l1 线路末端在最小运行方式下，发生两相短路时的电流aiiminfdminfd084. 2406. 22323)3(. 2.)2(. 2.故其灵敏系数为：3 . 1959. 0173. 2084. 21 . 1)2(. 2.iiopminfdlmiik由于段保护的灵敏度不能满足要求，故需采用降低动作电流来提高其灵敏度。为此，应使线路 l1 上的带时限电流速断保护范围与线路 l2 上的带时限电流速断保护相配合，即电力系统继电保护课程设计 9iopkiiopiki3 . 12 . 1但由于本设计题目中未给出 l2 线路下一段的线路参数

21、，为了解决问题，我门在l2 线路的后增加了一段长度为的线路，则可以计算出，系统在最kml2503大运行方式运行式，l3 段线路末端的三相短路电流为：alllzxeiminssmaxfd656. 0)2508085(4 . 0103/200)(3211.)3(. 5.l3 段线路的无限时速断保护动作电流为：aikimaxfdkiop853. 0656. 03 . 1)3(. 5.3 . 1灵敏性校验：最大运行方式下的最小保护范围：kmxiezlminsiops083.268)10853. 03/200866. 0(4 . 01)866. 0(1.3 . 11max.min最小运行方式下的最小保护

22、范围：kmxiezlmaxsiops083.258)14853. 03/200866. 0(4 . 01)866. 0(1.3 . 11min.minmin.maxmin.max123268.083%100%100%64.598%50%8580250lllllmin.minmin.min123258.083%100%100%62.189%15%8580250lllll满足电流速断保护的灵敏性要求。则线路 l2 的 ii 段整定电流为：aikiiopkiiop938. 0853. 01 . 13 . 12 . 1线路 l2 的 ii 段灵敏性校验：l2 线路末端在最小运行方式下，发生两相短路时的

23、电流aiiminfdminfd25. 1443. 12323)3(. 4.)2(. 4.电力系统继电保护课程设计 10其灵敏系数为： (2).4.1.21.2501.331.30.938d fminlmiiopiki那么，l1 段的带时限电流速断保护的电流整定值为：1.21.3=1.1 0.938=1.032aiiiopkopik i其灵敏系数为：(2).2.1.12.0842.021.31.032d fminlmiiopiki灵敏度满足要求。本段保护整定电流值为 1a，可选用 dl-21c 型电流继电器，其额定电流为 3a，动作电流的整定范围为 0.52a，线圈采用并联接法。动作时限：abt

24、 =tt=0.50.5=1s 为了便于观察时限可整定为 1 秒，时间继电器可选用 ds-21 型，其延时范围为0.251.25s。5.2.3 定时限过电流保护无时限电流速断保护和带时限电流速断保护能保护线路全长，可作为线路的主保护用。为防止本线路的主保护发生拒动，必须给线路装设后备保护，以作为本线路的近后备和下一线路的远后备。这种后备保护通常采用定时限过电流保护，又称为第 iii 段保护，其动作电流按躲过最大负荷电流整定，动作时限按保证选择性的阶梯时限来整定。其原理接线图与带时限电流速断保护相同，但由于保护范围和保护的作用不同，其动作电流和动作时限则不同。过电流保护工作原理：正常运行时，线路流

25、过负荷电流，保护不动作。当线路发生短路故障时，保护启动，经过保证选择性的延时动作，将故障切除。过电流保护动作电流：过电流保护动作电流的整定，要考虑可靠性原则，即只有在线路存在短路故障的情况下，才允许保护装置动作。电力系统继电保护课程设计 11过电流保护应按躲过最大的负荷电流计算保护的动作电流，根据可靠性要求，过电流保护的动作电流必须满足以下两个条件。1） 在被保护线路通过最大负荷电流的情况下，保护装置不应该动作，即。max1liiiopii式中，保护的一次动作电流值iiiopi1 被保护线路的最大负荷电流maxli最大负荷电流要考虑电动机自启动时的电流。由于短路时电压下降，变电所母线上所接负荷

26、中的电动机被制动，在故障切除后电压恢复时，电动机有一个自启动过程，电动机自启动电流大于正常运行时的额定电流，则线路的最大maxi负荷电流也大于其正常值，即。maxlirirastlikimax式中，自启动系数，一般astk取 1.53。 2）对于已经启动的保护装置，故障切除后，在被保护线路通过最大负荷电流的情况下应能可靠地返回。如图 11-4 所示，在线路 l1、l2分别装有过电流保护 1 和保护 2，当在 f 点短路时，短路电流流过保护 1 也流过保护 2，它们都启动。按选择性的要求，应该由保护 2 动作将 qf2 跳开切除故障。但由于变电所 b 仍有其他负荷，并且因电动机自启动，线路 l1

27、 可能出最大负荷电流，为使保护 1 的电流继电器可靠返回，它的返回电流 irel（继电器的返回电流折算到一次电路的值） ，应大于故障切除后线路 l1 最大负荷电流。maxlirastrelikirastrelrelikki式中，irel保护 1 的返回电流由于，即 oprereiikmfabl1l2es图11-4 过电流保护动作电流(b)(a)tl3f2f1abcl1l2est1tt2t3图11-5 定时限过电流保护的动作时限电力系统继电保护课程设计 12rerelopkii1rreastreliiiopikkki1式中，krel可靠系数，取 1. 2 1.25。 kre电流继电器的返回系数，

28、取 0.850.95。故线路 l1 的定时限过电流保护的动作电流为：1.11.2 1.5=0.25=0.53a0.85iiirelastoprrek kiik灵敏性校验作为 l1 段的近后备保护时有：(2).2.1.12.0843.9321.50.53d fminlmiiopiki满足灵敏性要求。作为远后备保护时有：(2).4.1.11.2502.3581.50.53d fminlmiiopiki满足灵敏性要求。本段保护整定电流值为 0.53a，可选用 dl-21c 型电流继电器，其额定电流为3a，动作电流的整定范围为 0.52a，线圈采用串联接法。动作时限：aat =tt=1 0.5=1.5

29、s 为了便于观察时限可整定为 3 秒，时间继电器可选用 ds-22 型，其延时范围为1.25s。5.2.4 阶段式保护选用的继电器规格及整定值列表表表 3 3 阶段式保护选用的继电器规格及整定值阶段式保护选用的继电器规格及整定值序号用途型号规格整定范围实验整定值线圈接法1无时限电流速断保护dl21c1.56a3.4 a并联电力系统继电保护课程设计 132带时限电流速断保护dl21c0.52a1.0a并联3定时限过电流保护dl21c0.152a0.53a串联4带时限电流速断时间ds210.251.25s1 s5定时限过电流保护时间ds221.25s3 s六、实验验证与调整六、实验验证与调整在实验

30、时，由于实验条件限制，没有 ds-22 型的时间继电器。故我们只能用 ds-21 型的时间继电器来代替。而 ds-21 型时间继电器的时间整定范围只有0.251.25s，无法满足我们之前过电流保护时限的整定值 3s。所以我们唯有将带时限电流速断保护和定时限过电流保护的时限整定得小一些。带时限电流速断保护的时限重新整定为 0.5s，定时限过电流保护的时限重新整定为1.25s。实验器材也按实验室的条件重新调整了，具体器材如下表：表表 4 4 调整后的实验器材表调整后的实验器材表序号设备名称使 用 仪 器 名 称数量1控制屏12epl-02aa 站保护， b 站保护13epl-04继电器（一）dl-21c 电流继电器24epl-05继电器（二）ds-21 时间继电器25epl-06继电器（四）dz-31b 中间继电器16epl-07b继电器（五）dx-8 信号继电器17epl-11交流电压表1电力系统继电保护课程设计 148epl-11交流电流表19epl-12光示牌110epl-17a三相交流电源11epl-11直流电源及母线1选好实验设备后，按下图接线。图图 3 3 实验接线原