电力系统继电保护课程设计三段式距离保护

电力系统继电保护课程设计

选题标号：三段式距离保护

班级：14电气

姓名：________________________

学号：________________________

指导教师：

日期：2023年11月8日

天津理工大学

电力系统继电保护课程设计

评语：

平时考核(30)试验(20)答辩(40)出勤(10)

天津理工大学

目录

一、选题背景...............................................

1.1选题意义.............................................

1.2设计原始资料.........................................

1.3要完毕的内容.........................................

二、分析要设计的课题内容...................................

2.1设计规程.............................................

2.2保护配置.............................................

2.2.1主保护配置.......................................

2.2.2后备保护配置......................................

三、短路电流、残压计算.....................................

3.1等效电路的建立.......................................

3.2保护短路点的选用.....................................

3.3短路电流的计算.......................................

3.3.1最大运行方式短路电流计算.........................

6.2.3输入参量日勺选定....................................

6.2.4根据负载状况选择继电器触点的种类和容量...........

结论........................................................

参照文献....................................................

一、选题背景

1.1选题意义

伴随电力系统的发展，出现了容量大，电压高，距离长，负荷重，构造复杂的

网络,这时简朴H勺电流，电压保护已不能满足电网对保护的规定.

在高压长距离重负荷线路上，线路的最大负荷电流有时也许靠近于线路末端的

短路电流，因此在这种线路上过电流保护是不能满足敏捷系数规定的。此外对于

电流速断保护，其保护范围受电网运行方式变化的影响，保护范围不稳定，有时

甚至没有保护区，过电流保护的动

作时限按阶梯原则来整定，往往具有较长时限，因此，满足不了系统迅速切除故

障的规定。对于多电源日勺复杂网络，方向过电流保护的动作时限往往不能按选择

性规定来整定，并且动作时限长，不能满足电力系统对保护迅速性的规定。

1.2设计原始资料

£^,=37/V3kV,Zs=12C、ZG2=20QZG3=15Q,k=k=125km、4=70酎〃，

LH_C=42km,LC_D=15kin,LD_..=20hn,线路阻抗0.4Q/km,K,=1.2、

C==1.15,150A,/c“a=250A,K-1.5,

K*=0.85

AB

试对线路LI、L3进行距离保护的设计。

1.3要完毕的内容

(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H勺考虑)；

(3)保护配合及整定计算；

(4)对保护的评价。

二、分析要设计的课题内容

2.1设计规程

在距离保护中应满足一下四个规定，即可靠性、选择性、速动性和敏捷性。

这几种之间，紧密联络，既矛盾乂统一，必须根据详细电力系统运行的重要矛盾

和矛盾日勺重要方面，配置、配合、整定每个电力原件的继电保护。充足发挥和运

用继电保护日勺科学性、工程技术性，使继电保护为提高电力系统运行日勺安全性、

稳定性和经济性发挥最人效能。

可靠性包括安全性和信赖性，是对继电保护性能的最主线规定。所谓安全性,

是规定继电保护在不需要它动作时可靠不动作，即不发生误动作。所谓信赖性，

是规定继电保护在规定日勺保护范围内发生了应当动作日勺故障时可靠动作，即不发

生拒绝动作。安全性和信赖性重要取决于保护装置自身日勺制造质量、保护回路时

连接和运行维护日勺水平。一般而言，保护装置的构成原件质量越高、回路接线越

简朴，保护的工作就越可靠。同步，对日勺的调试、整定，良好的运行维护以及丰

富的I运行经验，对于提高保护的可靠性具有重要作用。

继电保护日勺选择性是指保护装置动作时，在也许最小时区间内将故障从电力

系统中断开，最大程度日勺保证系统中无端障部分仍能继续安全运行。它包括两种

意思：其一是只应有装在故障元件上的保护装置动作切除故障；其二是要力争相

邻原件日勺保护装置对它起后备保护作用。

继电保护日勺速动性是指尽量快日勺切出故障，以减少设备及顾客在大短路电流、

低电压下运行的时间，减少设备日勺损坏程度，提高电力系统并列运行日勺稳定性。

动作迅速而又能满足选择性规定日勺保护装置，i般构造都比较复杂，价格比较昂

贵，对大量日勺中、低压电力原件，不一定都采用高速动作的保护。对保护速动性

规定的保护装置，一般构造都比较复杂，价格比较昂贵，对大量日勺中、低压电力

原件的详细状况，经技术经济比较后确定。

继电保护的敏捷性，是指对于其保护范围内发生故障或不正常运行状态的能

力。满足敏捷性规定的保护装置应当是在规定的保护范围内部故障时，在系统任

意的运行条件下，无论短路点的位置、短路的类型怎样以及短路点与否有过渡电

阻，当发生短路时都能敏锐感觉、对口勺反应。敏捷性一般用敏捷系数或敏捷度来

衡量，增大敏捷度，增长了保护动作的信赖性，但有时与安全性相矛盾。对各类

保护的口勺敏捷系数的规定都作了详细规定，一般规定敏捷系数在1.2〜2之间。

以上四个基本规定是评价和研究继电保护性能的基础，在它们之间，既有矛

盾的一面，又要根据被保护原件在电力系统中的作用，使以上四个基本规定在所

配置的保护中得到统一。继电保护口勺科学研究、设计、制造和运行口勺大部分工作

也是围绕怎样处理好这四者口勺辩证统一关系进行口勺。相似原理的保护装置在电力

系统不同样位置安装时怎样配置对应的继电保护，才能最大程度地发挥被保护电

力系统口勺运行效能，充足体现着继电保护工作的科学性和继电保护工程实践口勺技

术性。

2.2保护配置

2.2.1主保护配置

距离保护的主保护是距离保护I段和距离保护II段

ABC

----------------Z^Zd-----

图2.1网络接线图

(1)距离保护I段

距离保护的第I段是瞬时动作的，是保护自身的固有动作时间。以保护1为例，

其第I段保护本应保护线路AB全长，即保护范围为全长日勺100%,然而实际上

却是不也许日勺，由于当线路BC出口处短路时，保护2日勺第I段不应动作，为此,

其启动阻抗日勺整定值必须躲开这一点短路时所测量到日勺阻抗ZAB,即Z%P1<ZAB,

考虑到阻抗继电器和电流、电压互感器日勺误差，需引入可靠系数K,el(一般取

().8〜().85),贝IJ

Z1叩尸(().8〜0.85)ZAB

(2-1)

同理对保护2的第I段整定值应为

Z'op2=(().8〜0.85)ZBC(2-2)

如此整定后，距离I段就只能保护本线路全长的I8()%~85%,这是一种亚重

缺陷。为了切除本线路末端15%~2()%范围以内的故障，就需设置距离保护第H

段。

(2)距离保护第II段

距离I【段整定值的选择是类似于限时电流速断保护，即II段整定值，以

使保护范围不超过下一条线路(如有多条线路取最短者)距离保护【段日勺保护范

围，同步带有高出一种的时限，以保证选择性。则保护1欧in段一次侧整定

值为

Z"opl=K"rel(ZAB+ZBcK'rd)(2-3)

2.2.2后备保护配置

距离保护第in段，装设距离保护第川段是为了作为相邻线路保护装置和新路

器拒绝动作的后备保护，同步也作为I、n段的后备保护。

对距离HI段整定值口勺考虑是与过电流保护相似的，其启动阻抗要按躲开正常

运行时口勺最小负荷阻抗来选择，而动作时限应使其比距离in段保护范围内其他各

保护的最大动作时限高出一种4匕

三、短路电流、残压计算

3.1等效电路的建立

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

方式下各线路未端短路的状况，最小运行方式下各线路未端短路的状况。

3.2保护短路点的选用

本设计中重要考虑母线、线路末端欧I短路故障。

3.3短路电流的计算

电力系统运行方式H勺变化，直接影响保护日勺性能，因此，在对继电保护进行

整定计算之前，首先应当分析运行方式。在相似地点发生相似类型日勺短路时流过

保护安装处日勺电流最大，对继电保护而言称为最大运行方式，对应日勺系统等值阻

抗最小；在相似地点发生相似类型日勺短路时流过保护安装处日勺电流最小，对继电

保护而言称为最小运行方式，对应日勺系统等值阻抗最大。需要着重阐明的是，继

电保护的最大运行方式是指电网在某种连接状况下通过保护口勺电流值最大，继电

保护的最小运行方式是指电网在某种连接状况下通过保护的电流值最小。

3.3.1最大运行方式短路电流计算

保护4的最大运行方式分析。保护4的最大运行方式就是指流过保护4的电

流最大即两个发电机共同运行，而变压器T5、T6两个都同步运行H勺运行方式，

则

Z$.min=I(X].G3+X1.73)=!*(10+10)=10(Q)

4.4.max=——相——="5/"=2.554(kA)

4min+Z6c104-16

式中k4.max为流过保护3H勺最大短路电流。

3.3.2最小运行方式短路电流计算

保护4日勺最小运行方式分析。保护4的最小运行方式就是指流过保护4日勺电

流最小即是在G3和G4只有一种工作，变压器T3、T4两个中有一种工作时日勺运

行方式，则

《•心二肉小+九湖二外+⑼二？。。

心“旦二^=与旦“042岫

24皿+Z8c225+16

式中〃4min为流过保护4时最小短路电流。

四、保护的配合

4.1线路L1距离保护的整定与校验

4.1.1线路L1距离保护第I段整定

（1）线路L1【段的动作阻抗为

Z'^k'^LlZ,（3-1）

=1.2X125X0.4

二60Q

式中——距离I段的动作阻抗；

L1——被保护线路L1的长度；

Z.——被保护线路的单位阻抗；

一一距离保护的I段可靠系数；

（2）动作时间。

t^^Os（第I段保护实际动作时间为保护装置固有H勺动作时间）。

4.1.2线路L1距离保护第H段整定

（1）与相邻线路［政距离保护I段相配合，线路」日勺II段动作阻抗为

1,,

Z\尸killZ1+KrelKb.minZBC（3-2）

=1.15X125X0.4+1.15X3.78X20

=144Q

式中Z\p2——距离H段的动作阻抗；

LiZi——线路L2的阻抗;

K"rcl一一距离保护的H段可靠系数；

Z，一一线路L日勺第I段整定阻抗，其值

Z'BC=K'^LHCZ.(3-3)

二20。

Kb,,min——线路L*对线路L1日勺分支系数：其求法如下：

24a+z4n

Z尸50QZ2=50QZ3=28Q

Z=Z/〃3=(50X28)/(50+28)=17.95Q(3-4)

I2=Z/(Z-Z2)=17.95/(17.95+50)=0.264(3-5)

K.,nin=I/：2=3.78(3-6)

(2)敏捷度校验

距离保护H段，应能保护线路日勺全长，本线路末端短路时，应有足够的敏捷

度。考虑到多种误差原因，规定敏捷系数应满足

K"s,min=Zh/LZj(3-7)

=144/50>1.5满足规定

(3)动作时间，与相邻线路h距离I段保护配合，则

n

t2=t'2+At(3-8)

=0.5s

它能同步满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合日勺规定。

4.1.3线路L1距离保护第III段整定

(1)与相邻距离保护第I【的配合

IU

ZOPI=K%(Zu+Kb.Z%)(3-9)

=1.15(50+1X33)

二95。

式中7%——距离保护IHH勺整定阻抗;

ZL1——被保护线路L1阻抗:

TZIH

八rc)距离保护『、jni段可靠系数;

Z，一一相邻新路距离保护第II段动作阻抗;

Kb,一一线路LCD对线路LBC的分支系数,单线路时,其值为1;

z%线路5时段整定阻抗，其值为

Z%=Kk(ZMH')(3-10)

:33。

式中，Z%为线路5的1段动作阻抗。

(2)敏捷度校验

距离保护in段，即作为本线路I、n段保护的近后备保护，又作为相邻下级

线路的远后备保护，敏捷度应分别进行校验。

作为近后备保护时

T/III—7田/7

RS.nin一L<>pl/6|.|(3-11)

=95/50=1.9>1.5满足规定

作为远后备保护时

(3-12)

=1.4>1.2满足规定

4.2线路L3距离保护的整定与校验

4.2.1线路L3距离保护第I段整定

(1)线路L3I段的动作阻抗为

=(3-13)

=1.2X70X0.4

二33Q

式中Z、3——距离I段的动作阻抗；

L——被保护线路L3的长度；

Z.——被保护线路的单位阻抗；

K'rel——距离保护的I段可靠系数；

(2)动作时间

t,^Os(第I段实际动作时间为保护装置固有的动作时间)。

4.2.2线路L3离保护第II段整定

(1)与相邻线路L距离保护I段相配合，线路:3日勺II段动作阻抗为

Zn必二K%L：Z+K，风“花噎(3-14)

=1.15X70X0.4+1.15X2.12X20

=81Q

式中Z'3一—距离II段的动作阻抗；

L3Z1一—线路L3的阻抗；

贝，一一距离保护的II段可靠系数；

Z，一一线路L-勺第I段整定阻抗，其值

Z，=KKL*ZL20Q(3-15)

(2)敏捷度校验

距离保护II段，应能保护线路的全长，木线路末端短路时，应有足够的J敏捷

度。考虑到多种误差原因，规定敏捷系数应满足

K"s,min=Z"0P3/(L3Z1)(3-16)

=81/28=2.8>L5满足规定

(3)动作时间，与相邻线路L距离1段保护配合，则

t]l3=t^+At(3-17)

=0.5s

它能同步满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合日勺规定。

4.2.3线路L3距离保护第HI段整定

(1)与相邻距离保护第n时配合

(Zs+linZ%)(3-9)

=1.15(50+1X33)

=70Q

式中Zn'一—距离保护HI日勺整定阻抗；

ZL3一一被保护线路L3阻抗；

一—距离保护的III段可靠系数；

Z7一—相邻新路距离保护第II段动作阻抗；

K,,min一一线路5对线路Lm由分支系数，单线路时，其值为1;

Z%线路L用曲段整定阻抗，其值为

Z\-=K%(Z/KiZ\)(3-10)

=33Q

式中,Z\为线路融的I段动作阻抗。

(2)敏捷度校验

距离保护in段，即作为本线路I、n段保护的近后备保护，又作为相邻下级

线路的远后备保护，敏捷度应分别进行校验。

作为近后备保护时

i/lll—7川/7

AS.min一乙op3/41,3(3-11)

=70/28=2.5>1.5满足规定

作为远后备保护时

,n

Ks,nin=Z%/(Zs+KbgZBc)(3-12)

=70/(28+1X16.8)

=1.5>1.2满足规定

五、试验验证

六、继电保护设备选择

6.1互感器时选择

互感器分为互感器分为电流互感器TA和电压互感器TV,它们既是电力

系统中一次系统与二次系统间的联络元件，同步也是一次系统与二次系统的高电

压、大电流，转变成二次系统口勺低电压、小电流，供测量、监视、控制及继电保

护作用。互感器的详细作用是：（1）将一次系统各回路电流变成5A如下的小电

流，以便于测量仪表及继电器口勺小型化、系列化、原则化。（2）将一次系统与二

次系统在电气方面隔离，同步互感器二次侧有一点可靠接地，从而保证了二次设

备及人员安全。

6.1.1电流互感器的选择

（1）电流互感器的选择

①电流互感器一次回路额定电压和电流选择

电流互感器一次回路额定电压和电流选择应满足：

INIeLax

式中及、及一电流互感器一次额定电压和电流

为了保证所供仪表的精确度，互感器日勺一次侧额定电流应尽量与最大工作电流

靠近。

②二次额定电流日勺选择

电流互感器的二次额定电流有5A和1A两种，一般强电系统用5A,弱电系统

用lAo

③电流互感潜种类和型式的选择

在选择互感器时，应根据安装地点(如屋内、屋外)和安装措施(如穿墙式、

支持式、装入式等)选择相适应H勺类别和型式。选用母线型电流互感器时，应注

意校核窗口尺寸。

④电流互感器精确级的选择

为保证测量仪表的精确度，互感器的精确级不得低于所供测量仪表的I精确

级。

⑤二次容量或二次负载H勺校验

为了保证互感器日勺精确值，互感器二次侧所接实际负载Zi或所消耗的实际

容量荷Sz应不不不大于该精确级所规定的额定负载Z、2或额定容量S、2%及S\2

均可从产品样本查到)，即

SN?S?—I\?Z?i或ZwNZzi=R,+Rtc“+R”,+Rr(4—1)

式中&、R,.——电流互感器二次回路中所接仪表内阻的总和与所接继电

器内阻的总和，由产品样本中查得

R.——电流互感器二次联接导线的电阻

R小一一电流互感器耳二次连线的接触电阻，一般取为0.1

1SN—M+Q+E)

RWIS--------------------2----------------------14-2)

4=区---------------

由于泮巴因此A汐《砥——r.TM

式中A,L电流互感器二次回路连接导线截面积(mm2)及计算长度(mm)o口勺铜

线。当截面选定之后，即可计算出联接导线的电阻R,有时也可先初选电流互感

器，在已知其二次侧连接日勺仪表及继电器型号日勺状况下，确定连接导线日勺截面积,

但须指出，只用一只电流互感器时电阻日勺计算长度应取连接长度2倍，如用三只

电流互感器接成完全星形接线时，由于中性电流靠近于零，则只取连接长度为电

阻日勺计竟长度，若用两只电流互感错接成不完全星形接线时，其二次公用线中欧I

电流为两相电流之向量和，其值与相电流相等，但相位差为60,故应取连线长

度

的“行倍为电阻的计算长度。

因此本题中电流互感器日勺型号为LCWB6-1108o

6.1.2电压互感器的选择

（1）电压互感器一次回路额定电压选择

）及范围内变动，即满足下列条件

1.1UQQ0.9U*

式中U、.i一一电压互感器一次测额定电压。选择时满足氏二及即可。

（2）电压互感器二次侧额定电压日勺选择

电压互感器二次侧额定线间电压为100V,要和所接用日勺仪表或继电器

相适应。

（3）电压互感器种类和型式日勺选择

电压互感器日勺种类和型式应根据装设地点和使用条件进行选择，例如：在

6-35kV屋内配电装置中，一般采用油浸式或浇注式110-220kV配电装置一般采

用串级式电磁式电压互感器；220kV及其以上配电装置，当容量和精确级满足规

定期，也可采用电容式电压互感涔。

（4）精确级选择

和电流互感器同样，供功率测量、电能测量以及功率方向保护用日勺电压互

感器应选择0.5级或1级的，只供估计被测值日勺仪表和一般电压继电器日勺选用3

级电压互感器为宜。

（5）按精确级和额定二次容量选择

首先根据仪表和继电器接线规定择电压互感器接线方式，并尽量将负荷均匀

分。在各相上，然后计算各相负荷大小，按照所接仪表的精确级和容量选择互感

器日勺精确级额定容量。有关电压互感器精确级日勺选择原则，可参照电流互感器精

确级选择。一般供功率测量、电能测量以及功率方向保护用的电压互感器应选择

0.5级或1级的，只供估计被测值的仪表和一电压继电器时选用3级电压互感器

为宜。

电压互感器的额定二次容量（对应于所规定的精确级）S这,应不不不不大于

电压互感器的二次负荷S2,即S、22s2。

22

sJ（£^cos0）+（Z5osin0）2=P0）2+（EQO）（4-3）

式中So、P。、Q。一各仪表日勺视在功率、有功功率和无功功率

cos。一•各仪表代功率因数。

假如各仪表和继咆器的功率因数相近，或为了简化计算起见.也可以将各仪

表和继电器的视在功率直接相加.得出S?不不大于日勺近似值，它若不超过S必

则实际值更能满足式子日勺规定。

由于电压互感涔三相负荷常不相等，为了满足精确级规定，一般以最大相负

荷进行比较。计算电压互感器各相日勺负荷时，必须注意互感器和负荷日勺接线方式。

因此本题中的电压互感器日勺型号为JDZJ-3.o

6.2继电器的选择

6.2.1按使用环境选型

使用环境条件重要指温度（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米如下可不考虑）、振动和冲击。此外,

尚有封装方式、安装措施、外形尺寸及绝缘性等规定。由于材料和构造不同样，

继电器承受日勺环境力学条件各异，超过产品原则规定的环境力学条件下使用，有

也许损坏继电器，可按整机H勺环境力学条件或高级的条件选用。对电磁

干扰或射频干扰比较敏感的装置周围，最佳不要选用交流电鼓励H勺继电器。选用

直流继电器要选用带线圈瞬态克制电路口勺产品。那些用固态器件或电路提供鼓励

及对尖峰信号比较敏感地地方，也要选择有瞬态克制电路H勺产品。

6.2.2按输入信号不同样确定继电器种类

按输入信号是电、湿度、时间、光信号确定选用电磁、温度、时间、光电继

电器，这是没有问题的。这里尤其阐明电压、电流继电器的选用。若整机供应继

电器线圈是恒定日勺电流应选用电流继电器，是恒定电压值则选用电压继电器。

6.2.3输入参量的选定

与顾客亲密有关时输入量是线圈工作电压或电流，而吸合电压或电流则是继

电器制造厂控制继电器敏捷度并对其进行判断、考核日勺参数。对顾客来讲，它

只是一种工作下极限参数值。控制安全系数是工作电压（电流）/吸合电压（电

流），假如在吸合值下使用继电器，是不可靠日勺、不安全日勺，环境温度升高或处

在振动、冲击条件下，将使继电港工作不可靠。整机设计时，不能以空载电压作

为继电器工作电压根据，而应将线圈接入作为负载来计算实际电压，尤其是电源

内阻大时更是如此。当用二极管作为开关元件控制线圈通断时，三极管必须处在

开关状态，对6VDC如下工作电压日勺继电器来讲，还应扣除三极管饱和压降，当

然，并非工作值加得愈高愈好，超过额定工作值太高会增长衔铁口勺冲击磨损，增

长触点回跳次数，缩短电气寿命，一般，工作值为吸合值的1.5倍，工作值［1勺误

差一般为土10机

6.2.4根据负载状况选择继电器触点的种类和容量

国内外长期实践证明，约70%的故障发生在触点上，这足见对的选择和使用

继电器触点非常重要。

触点组合形式和触点组数应根据被控回路实际状况确定。动合触点组和转换

触点组中内动合触点末，由于接通时触点回跳次数少利触点烧蚀后赔偿量大，其

负载能力和接触可靠性较动断触点组和转换触点组中n勺动断触点对要高，整机线

路可通过对触点位置合适调整，尽量多用动合触点。

根据负载容量大小和负载性质（阻性、感性、容性、灯载及马达负载）确定

参数十分重要。认为触点切换负荷小一定比切换负荷大可靠是不对的的，一般说,

继电器切换负荷在额定电压下，电流不不大于100mA,不不不大于额定电流口勺

75%最佳。电流不不不大于100mA会使触点积碳增长，可靠性下降，故100mA

称作试验电流，是国内外专业原则对继电器生产厂工艺条件和水平的考核内容。

由于一般继电器不具有低电平切换能力，用于切换50mV、50HA如下负荷的继电

港订货，顾客需注明.必要时应请继电器生产厂协助选型。

继电器日勺触点额定负载与寿命是指在额定电压、电流下，负载为阻性的动作

次数，当超过额定电压时，可参照触点负载曲线选用。当负载性质变化时，其触

点负载能力将发生变动。

结论

通过本次课程设计是我愈加扎实H勺掌握了有关继电保护H勺基础知识，在设计

过程中虽然碰到了某些问题，但通过一次又一次的思索，一遍又一遍的检查终于

找出了原因所在，也暴露了前期我在这方面H勺知识欠缺和经验局限性，实践出真

知，通过亲自动手制作，是我们掌握H勺知识不再是纸上谈兵。

在做继电保护配置时我们应当使配置的成果满足继电保护的基本规定，就是

要保证可靠性、选择性、速动性和敏捷性。可是这四个指标在诸多状况下是互相

矛盾的，因此我们要根据实际状况让它们抵达一定的平衡即可。

通过设计过程可以看出，在运行方式变化很大的HOkV多点原系统中，最

大运行方式下三相短路日勺短路电流与最小运行方式下得两相日勺短路电流相差很

大。按躲过最大运行方式下末端最大短路电流整定日勺电流速断保护日勺动作道很

大，最小运行方式下敏捷度不能满足规定。限时电流