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1、110KV 单电源环形网络相间(接地)短路电流保护的设计继电保护课程设计任务书110KV 单电源环形网络相间短路电流保护的设计110KV 单电源环形网络接地短路电流保护的设计一、已知条件二、b=20 c=30 d=40 e=401. 网络中各线路均采用带方向或不带方向的电流电压保护 ,所有变压器均采用纵差动作为主保护，变压器采用Y / D - 11 接线。2. 发电厂最大发电容量为3 60MW ，最小发电容量为2 60MW .3. 网络正常运行方式为发电厂容量最大且闭环运行.4. 允许最大故障切除时间为 0。9S.5110 千伏断路器均采用 DW2 - 110 型断路器，它的跳闸时间为 0。0
2、5S， 段保护动作时间 0。4 S.6. 线路 AB、BC、AD 和 CD 的最大负荷电流请自行计算，负荷自启动系数为1.5。7. 各变电所引出线上后备保护的动作时间如图所示， Dt = 0.5S 。8. 线路的正序电抗均为0.4W / KM 。9. 主保护灵敏系数的规定：线路长度 200 公里以上不小于 1.3,线路长度50200 公里不小于 1。4，50 公里以下不小于 1.5。10. 后备保护灵敏系数的规定:近后备保护不小于 1。3;远后备保护不小于 1.2。三、设计任务1. 确定保护 1、3、5、7 的保护方式（三段式)、各段保护整定值及灵敏度.2. 绘制保护 1 的接线图（包括原理图
3、和展开图）。3. 撰写说明书，包括短路计算过程（公式及计算举例）、结果和保护方式的选择及整定计算结果（说明计算方法）。四、设计要点1. 短路电流及残压计算，考虑以下几点1.1 运行方式的考虑1.2 最大负荷电流的计算1.3 短路类型的考虑1.4 曲 线 绘 制 2保护方式的选择和整定计算1.1 保护的确定应从线路末端开始设计。1.2 优先选择最简单的保护（三段式电流保护），以提高保护的可靠性。当不能同时满足选择性、灵敏性和速动性时，可采用较为复杂的方式 ,比如采用电流电压连锁保护或方向保护等。1.3 将最终整定结果和灵敏度校验结果列成表格。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
4、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
5、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。关键字:继电保护,电流保护，距离保护引言 11 运行方式的选择 31.1 运行方式的选择原则 31.1。1 发电机、变压器运行方式选择的原则 31。1。2 变压器中性点接地选择原则 31。1.3 线路运行方式选择原则 31.1。4 流过保护的最大、电小短路电流计算方式的选择 31。1。5 选取流过保护的最大负荷电流的原则 42 保护装置的选定原则 43 电网各个元件参数计算及负荷电流计算 5
6、 3。1 计算网络参数 63。2 元件等值电抗计算 73。2。1 输电线路等值电抗计算 73.2。2 变压器等值电抗计算 73。2。3 发电机等值电抗计算 83.2.4 最大负荷电流计算 84 最大运行方式与最小运行方式的选定原则 9 5 短路电流计算和残余电压 Ures 计算 96 线路保护方式的确定 126.1 线路保护配置的一般原则 126。2 保护方式的确定及动作值的整定 126。2。1 AB 线路 1QF 的整定 126.2 。2 BC 线路 3QF 的整定 146.2。3 BD 线路 5QF 的整定 166.2.4 DA 线路 7QF 的整定 18设计心得 21参考文献 221 运
7、行方式的选择1.1 运行方式的选择原则1。1.1 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。1.2 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
8、后再断开，这种情况不按接地运行考虑。1。1。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。1。1。4 流过保护的最大、电小短路电流计算方式的选择（1）相间保护对单侧电源的辐射形网络，流过保护的最大短路电流出现在最大运行方式； 而最小短路电流，则出现在最小运行方式。对于双电源的网络,一般（当取 Z1=Z2 时）与对侧电源的运行方式无关，可按单侧电源的方法选择。对于环状网络中的线路,流过保护的电大短路电流应选取开环运行方式，开环点应选在所整定保护线路的相邻下一线线路上。而对于电小短路电流,则应
9、选闭环运行方式，同时再合理停用该保护背后的机组、变压器及线路.1.1.5 选取流过保护的最大负荷电流的原则选取流过保护的最大负荷电流的原则如下：（1)备用电源自动投入引起的增加负荷. (2）并联运行线路的减少，负荷的转移. (3）环状网络的开环运行，负荷的转移。（4）对于双侧电源的线路，当一侧电源突然切除发电机，引起另一侧增加负荷.计算整定过程的几个注意点：1 单电源环形网络的相间短路保护可采用带方向或不带 方向 的电流电压保护,因此在决定保护方式前，必须详细地计算短路点短路时,渡过有关保护的短路电流和保护安装处的残余电压，然后根据计算结果和题目的要求条件下，尽可能采用简单的保护方式。2. 系
10、统运行方式的考虑除了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，发生短路时渡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灵敏度。3. 在求不同保护的整定值和灵敏度时,应该注意短路点的选择。4. 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 保护装置的选定原则一个继电保护装置的好坏，主要是从它的选择性、灵敏性、速动性及可靠性等方面衡量的.1、选择性电流速断保护只能保护线路的一部分，限时电流速断保护只能保护线路全长，但不能作为下一段线路的后备保护，因此
11、必须采用定时限过电流保护作为本线路和相邻下一线路的后备保护。实际上，电流速断保护 I 段常常不能通过灵敏度的校验,主要是因为系统运行方式变化比较大,在最小运行方式下，保护 I 段往往没有保护范围，为此，常使用电流电压联锁保护代替电流速断保护,实现 I 段的主保护。2、速动性电流电压保护第一段及第二段共同作为线路的主保护，能满足网络主保护的速动性要求。而第三段保护则因为越接近电源,动作时间越长，有时动作时间长达好几秒,因而一般情况下只能作为线路的后备保护.3、灵敏度电流保护的灵敏度因系统运行方式的变化而变化。一般情况下能满足灵敏度要求。但在系统运行方式变化很大,线路很短和线路长而负荷重等情况下，
12、其灵敏度可能不容易满足要求，甚至出现保护范围为零的情况。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。4、可靠性电流保护的电路构成，整定计算及调试维修都较为简单，因此，它是最可靠的一种保护。计算整定过程的几个注意点：1 单电源环形网络的相间短路保护可采用带方向或不带 方向 的电流电压保护,因此在决定保护方式前，必须详细地计算短路点短路时，渡过有关保护的短路电流和保护安装处的残余电压，然后根据计算结果和题目的要求条件下，尽可能采用简单的保护方式。2. 系统运行方式的考虑除了发电厂发电容量的最大和最
13、 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，发生短路时渡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灵敏度。3. 在求不同保护的整定值和灵敏度时,应该注意短路点的选择.4. 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.3 电网各个元件参数计算及负荷电流计算3。1 计算网络参数计算短路电流时，各电气量如电流、电压、功率和电抗等的数值，可用有名值表示，也可用标么值表示。为了计算方便,在低压系统 中宜 用有名值计算法， 在高压系统中宜用标么值计算法标么值计算法 ：标么值就是相对
14、值算法,用新选单位进行某物理量的衡量,衡量的值称标么值.有名值计算法:每个电气参数的单位是有名的，而不是相对值.在比较简单的网络中计算短路电流也常常采用此方法，在使用此方法计算短路电流时 ,应 特别注意的是：必须将各电压等级的电气参数都归算到同一电压等级上来。（1）电机参数的计算发电机的电抗有名值：X (%)U 2X =dN100SN发电机电抗的电抗标幺值：X * =X (%)SdB100SN式中 X (%) 发电机次暂态电抗;d（2）变压器参数的计算双绕组变压器电抗有名值：KX = U(%)U 2NT100SN双绕组变压器电抗标幺值：X * =U (%)SKBT100SN式中UK(%) 变压
15、器的短路电压百分比;U 发电机额定电压；NU 基准电压 230KV；BS 基准容量 100MVA；BS 发电机额定容量，单位 MVA;N3。2 元件等值电抗计算基准功率：S =100MVA，基准电压：V =115V。基准电流:I =S /1。732 V =100BBBBB103/1。732115=0。502KA；基准电抗：Z =V /1.732 I =115103/1。732502=132。25；电压标幺值：E=EBBB=1。05（2)3。2。1 输电线路等值电抗计算(1）线路 AB 等值电抗计算：X =X L =0.442=8.8AB1 ABX *=X S /V = 8。8100/1152
16、=0。067ABABBB（2)线路 BC 等值电抗计算：X = X L =0.432=12。8BC1 BCX *= X / Z =12.8/132。25=0.0945BCBCB（3)线路 CD 等值电抗计算X = X L =0.442=16。8CD1 CDX = X / Z =16.8/132.25=0.127CDCDB(4) 线路 DA 等值电抗计算：X = X L =0。442=16.8DA1 DAX *= X / Z =16。8/132.25=0.127DADAB3。2。2 变压器等值电抗计算（1)变压器 T1、T2、T3 等值电抗计算X = X =X =（U %/100）（V 2/ S
17、 ）23。14T1T2T3KNNX *= X= X* X / Z =23。14/132。25=0。175T1T2T3 = T1B（2)变压器 T4、T5、T6、T7、T8 等值电抗计算X = X =X = X =（U /100）（V 2103/ S )43.64T4T5T6T7KNNX = X* = X= X=0。33T6T7T4T53。2.3 发电机等值电抗计算(1) 发电机 G1、G2、G3 电抗标幺值计算X= X=X S / S= X SCOS/ P=0.129100/60=0.215G1*G2*d1 BG1d1 BG13.2.4 最大负荷电流计算在已知结点功率的条件下,求取闭式网的潮流
18、、电压分布，需要迭代求解复数方程式.在人工计算的条件下常用近似方法。在本设计中的原始环形网络经过简化后已成为仅含串联阻抗支路的网路，待解的只有一个回路电压方程3 I ej30Z+ 3 （I -I )ej30Z+ 3 （I I -I )ej30Z +aABa1BCa12CD3 (I I I -I ）ej30Z =0a123AD式中，I 为流经阻抗 ZAB 的支路电流；I 、I 、I 分别为结点 1、2、3 的负荷电a123流。对上式取共轭并乘以 UN,则可得下述近似式：Z *S +Z*(S S ）+Z（S -S S ）+Z*（S S S S ）=0AB aBCa1CDa12ADa123由上式可解
19、得流经阻抗 ZAB 支路的功率为S =Z*S +Z（S +S )+Z（S +S +S ）/Z+Z +Z +Z aBC1CD12AD123ABBCCDAD则可求得线路 AB 的最大负荷功率。同理可得线路 AD 的最大负荷功率。进而求得线路BC、CD 的最大负荷功率。分别为 S=65.08MVA，S=12。92MVA，S=35.08MVA，ABADBCS =7。08MVA，此即该网路的潮流分布。根据上述潮流分布计算可得各线路最大CD负荷电流。（1） AB 线路最大负荷电流计算最大负荷电流计算(折算到 110KV)ILAB. max= S COS/ 1.732 Ua=65.080。8/（1。7321
20、15)0。326KA；(2) BC 线路最大负荷电流计算I= S COS/ 1。732 ULBC . maxBC=35.080。8/（1.732115）0。176KA；(3) CD 最大负荷电流计算（拆算到 110KV)I= S COS/ 1.732 ULCD . maxCD=7.080.8/(1。732115）0.0355KA;(4) AD 线路最大负荷电流计算最大负荷电流计算（拆算到 110KV)I= S COS/ 1.732 ULAD. maxAD=12。920。8/(1。732115)0.0649KA4 最大运行方式与最小运行方式的选定原则确定运行方式就是确定最大和最小运行方式，通常都
21、是根据最大运行方式来确定保护的定值,以保证选择性，在其它运行方式下也一定能保证选择性,灵敏度的校验应根据最小运行方式来校验，因为只要在最小运行方式下灵敏度一定能满足 要 求 。 (1）最大运行方式在相同地点发生相同类型短路时流过保护安装处的电流最大， 对继电保护而言称为系统最大运行方式，对应的系统等值阻抗最小。它是指供电系统中的发电机，变压器，并联线路全投入的运行方式.系统在最大运行方式工作的时候，等值阻抗最小,短路电流最大，发电机容量最大。（2） 最小运行方式在相同地点发生相同类型短路时流过保护安装处的电流最小，对继电保护而言称为系统最小运行方式,对应的系统等值阻抗最大.它是指供电系统中的发
22、电机，变压器，并联线路部分投入的运行方式.系统在最小运行方式工作的时候，等值阻抗最大，短路电流最小，发电机容量最小。最大运行方式下的最小电源阻抗：Zs.min =(XG1 +XT1 ）/3=（0.215+0。175）/3=0。13最小运行方式下的最大电源阻 抗: Zs.max =XG1 +XT1=0。1955 短路电流计算和残余电压 Ures 计算计算动作电流，应为该计算最大运行方式下的三相短路电流；为检验灵敏度， 要计算最小行方式下的两相短路电流；为计算 1QF、3QF、5QF、7QF 的整定值， 根据如上系统图可知，最大运行方式要求 8QF 断开，等值阻抗图如下图 5。1 电网等效电路图（
23、1） 计算三相短路电流:I (3) =KZ *IB+ Z *S .minL（2） 计算两短路电流:I ( 2) =3 /2 I (3)KK（3） 计算残余电压：Ures = I (3) * ZKL（4)以 K1 点发生的三相短路为例：I (3) =IB=0.502/（0。13+0。066+O.099+0。133+0.133）K 1Z *+ Z * + Z * + Z * + Z *S .minABBCCDDA=0.894KAI ( 2) = 1.732 I (3) = 3 /20.894=0.774KAK 1K 1Ures = I (3) * ZK=0。8940。133132.25=15.74
24、KV.同理可得 K2、K3、K4、K5DA各个短路点的短路电流以及残余电压；短路电流数值表与短路电流分布图分别如表 1。1 和图 1.4 所示。表 5.1 短路电流数值表Ik （KA）I (3)KI ( 2)K系统运行方式最大运行方式最小运行方式K10.894695短K21.1730.882路K31.7021.207点K42。5611.478K53。862。229Ik （KV）UURESRES系统运行方式最大运行方式最小运行方式短K115。7415。74路K220。6320.63点K322。2822。28K422.3522。35K566。3666.36图 5.2 电网的短路电流分布6 线路保护
25、方式的确定6.1 线路保护配置的一般原则（1） 考虑经济的优越性：可以尝试配三段式电流保护， 同时 由于系统是环网运行,相当于双电源运行一定要加方向元件。在 110KV 等级电力网络中，三段式电流保护可能在系统最小运行方式下没有保护范围，如果系统在最小运行方式下运行的几率不大的情况下，而且资金不够的情况下可以尝试三段式电流保护，基本可以保证系统正常运行.（2） 对于 110KV 及以上的电压电网的线路继电保护一般都采用近后备原则。当故障元件的一套继电保护装置拒动时，由相互独立的另一套继电保护装置动作切除故障。而当断路器拒绝动作时,启动断路器失灵保护，断开与故障元件相连的所有联接电源的断路器。(
26、3）对瞬时动作的保护或瞬时段保护，其整定值应保证 在被 保护元件发生外部故障时，继保装置可靠且不动作，但单元或线路变压器组的情冰况除外。（4）110KV 线路保护应按加强主保护简化后备保护的基本原则配置和整定。其中两套全线速动保护的交流电流、电压回路和直流电源彼此独立；每一套全线速动保护对全线路内发生的各种类型故障，均能快速动作切除故障；两套全线速动保护应具有选相功能；两套主保护应分别动作于断路器的一组跳闸线圈；两套全线速动保护分别使用独立的远方信号传输设备；具有全线速动保护的线路，其主保 护的整组动作时间应为：对近端故障不大于 20 毫秒；对 远端故障不大于 30 毫秒.(5) 考虑系统的运
27、行方式:110KV 高压输电网络应该属于大接 地电力系统，需要 配置零序保护。如上考虑到环网运行，也要加方向元件。保证保护 不误动作。6.2 保护方式的确定及动作值的整定保护 1、3、5、7 的等效电路图如下图所示。图 6。1 保护等效电路图6.2.1 AB 线路 1QF 的整定 瞬时速段保护线路 AB 末端的最大三相短路电流I (3)=K .B.MAXZ *IB=0.502/+ Z *（0.13+0.066)=2。561KAS .minAB取k Irel= 1.3，则保护 1 的电流保护第 1 段动作电流为：I Iop.1= k Irel. I (3)K .B.MAX= 1。32.561=3
28、。329KA保护范围校验：最小运行方式下 AB 线路 X 处两相短路电流为：I (2)=K .MIN2(Z *S . min+ X %Z)3UNAB=1。478KAX % =UN- Z= 115/（21.478）0.195132.25=13。122I ( 2)K .MINS .maxX % = 13。12/（0。066132.25）=150.3%15%灵敏度满足要求。 带时限电流速段保护:与保护 3 的第段相配合保护 3 的电流保护第动作电流值为： I (3)K .C.MAX= 1.702KAI Iop.3= k Irel. I (3)K .C.MAX= 1.31.702=2.213KA取k
29、IIrel= 1。1,则 I IIOP.1= K II .I Irel OP.3= 1.12.213=2.434KA动作时限为: t II = t1 + Dt = Dt = 0.5S13灵敏度校验：本线路 AB 末端的最小短路电流为： I ( 2)K .B.MIN= 1。478KAKsenI (2)=K .B.MINI IIop.1= 1.478/2.434=0.60715灵敏度满足要求 带时限电流速段保护：与保护 5 的第段相配合保护 5 的电流保护第动作电流值为： I (3)K .D.MAX= 1.173I I= k I 。 I (3)= 1。31。173=1.525KAop.5relK
30、.D.MAX取k II= 1.1,则 I II= K II .I I= 1.11。525=1.677KArelOP.3rel OP.5动作时限为：t II = t1 + Dt = Dt = 0.5s35灵敏度校验：本线路 BC 末端的最小短路电流为： I ( 2)K .C .MIN= 1。207KAKsenI (2)=K .C.MINI IIop.3= 1。207/1.677=0。721。3灵敏度不满足要求，故可与保护 5 的电流保护段相配合。定时限过电流的整定计算。动作电流的整定：取 K= 0.85, K III = 1.2, Krerelst= 1.5I III =op.1K III .K
31、relKrest IL.MAX= （1。21。5）176/0.85=373A动作时限为：t III = t III + Dt =1+2 Dt =2s35灵敏度校验：作为近后备时，按本线路 AB 末端最小短路电流 I (2)K .C.MIN校验，即:KsenI (2)=K .C.MINI IIIop.3= 1。207/0.373=3。241。5作为远后备时，按相邻线路 BC 末端的最小短路电流 I (2)K .D.MIN校验，即：KsenI (2)=K .D.MINI IIIop.3= 0。882/0.373=2。3651。2灵敏度满足要求。6.2 。3 BD 线路 5QF 的整定 瞬时速段保护
32、线路 BC 末端的最大三相短路电流I (3)=IB=0.502/(0。K .D.MAXZ *+ Z *+ Z * + Z *13+0。066+0。099+0。133）=1。173KAS .minABBCCD取k Irel= 1。3，则保护 5 的电流保护第段动作电流为：I Iop.5= k Irel. I (3)K .D.MAX= 1.31.173=1。525KA保护范围校验最小运行方式下 BD 线路 X 处短路电流为：I (2)=K .MIN2(Z *S . min+ X %Z)3UNBD=0.882KAX % =U N- Z= 115/(20。882）-(0.195+0。066+0。099
33、）132.25=17。582I ( 2)K .MINS . maxX % = 17.58/（0.133132。25）=99。95%15灵敏度满足要求 带时限电流速段保护：与保护 5 的第段相配合保护 7 的电流保护第动作电流值为： I (3)K . A.MAX= 0。894I Iop.7= k Irel. I (3)K . A.MAX= 1。30.894=1.162KA取k II= 1。1,则 I II= K II .I I= 1.11。162=1.278KArelOP.5rel OP.7动作时限为:t II = t1 + Dt = Dt = 0。5s57灵敏度校验：本线路 BD 末端的最小短
34、路电流为： I ( 2)K .D.MIN= 0.882KAKsenI (2)=K .D.MINI IIop.5= 0。882/1.278=0。6701.2灵敏度满足要求。6。2.4 DA 线路 7QF 的整定 瞬时速段保护线路 DA 末端的最大三相短路电流I (3)=IB=0。K .D.MAXZ *+ Z * + Z * + Z * + Z *S .minABBCCDDA502/(0.13+0。066+0。099+0.133+0.133）=0。894KA取k Irel= 1.3，则保护 7 的电流保护第段动作电流为：I Iop.7= k I relo I (3)K . A.MAX= 1。30。
35、894=1.162KA保护范围校验最小运行方式下 DA 线路 X 处短路电流为：I (2)=K .MIN2(Z *S . min+ X %Z)3UNDA=0。695KAX % =UN- Z= 115/（20.695）-（0。195+0.066+0。099+0。133）2I ( 2)K .MINS .max132.25=17。53X % = 17.53/（0。133132。25）=98.415%灵敏度满足要求 过负荷的整定计算。动作电流的整定：取 K= 0.85， K III = 1.2， Krerelst= 1。5I III =op.1K III .KrelKrest IL.MAX= (1。21。5)64.9/0.85=137A动作时限为：t III =0s7灵敏度校验：作为近后备时，按本线路 DA 末端最小短路电流 I (2)K . A.MIN校验，即：KsenI (2)=K .D.MINI IIIop.5= 0.695/0.137=5.071.5作为远后备时，按相邻线路 BC 末端的最小短路电流 I (2)K .D.MIN校验，即：KsenI (2)=K . A.MINI IIIop.5= 1.207/0.137=8.811。2灵敏度满足要求。