电力系统继电保护课程设计

电力系统继电保护课程设计
河南科技大学
课程设计说明书
课程名称电力系统继电保护
题目 110kV单电源环形网络相间
短路保护的整定计算
学院
班级
学生姓名
指导教师
日期 2015年12月26日
110kV单电源环形网络相间短路保护的整定计算
摘要
本次设计是针对与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计算和整定的。

通过具体的短路阻抗的计算发现电流的三段式保护不能满足要求，故根据本次设计的实际要求，以及继电保护“四性”的总要求故采用了反应相间短路的距离保护。

由于本次设计涉及到不同运行方式下的不同类型的短路阻抗的计算，这对本次设计增加了难度。

在进行设计时首先要将各元件参数标准化，而后对每一个保护线路未端短路时进行三相短路阻抗的计算，二相短路阻抗的计算。

在整定时对每一个保护距离保护阻抗的整定，并且对其进行灵敏度较验。

这要求进行短路计算，其中包括系统的运行方式，短路点与短路类型的确定原则或依据；要求进行保护方式的选择及整定计算，其中包括保护方式的原则，各保护的整定计算条件，并用表格列出整定计算结果；要求进行绘制保护原理接线图，包括三相原理接线图及某一元件保护原理展开图；并要求从可靠性、选择性、速动性和灵敏性四个方面来评价所采用的保护质量。

尝试决定保护1、3、5、7的保护方式，作出保护3的原理图和展
开图，并对本网络所采用的保护进行评价。

关键词：短路保护整定计算单电源环形网络继电保护运行方式目录
第一章绪论 (1)
1.1 电力系统继电保护发展现状 (1)
1.1.1 继电保护发展历程 (1)
1.1.2 继电保护的未来发展 (2)
第二章系统初始条件 (3)
2.1 主接线图 (3)
2.2 相关参数 (3)
第三章三段式电流保护整定计算 (5)
3.1 计算网络参数 (5)
3.2 最大短路电流计算和整定计算 (6)
3.2.1 K1点发生的三相短路 (6)
3.2.2 K2点发生三相短路 (9)
3.2.3 K3点发生三相短路 (11)
3.2.4保护1QF的整定 (13)
第四章距离保护整定计算 (14)
4.1 计算网络参数 (14)
4.2 整定值计算 (14)
4.2.1 7QF距离保护整定值计算 (14)
4.2.2 5QF的距离保护整定 (15)
4.2.3 3QF的距离保护整定 (16)
第五章电网的保护装置和自动装置设计 (18)
5.1 保护装置配置 (18)
5.2 自动装置配置 (18)
5.3 电流、电压互感器选择 (19)
第六章电压互感器二次回路断线闭锁装置 (22)
6.1 闭锁装置作用 (22)
6.2 闭锁装置设计 (22)
第七章保护3接线图 (24)
7.1 3QF原理图 (24)
7.2 3QF接线图 (24)
第八章总结 (25)
参考文献 (26)
第一章绪论
1.1 电力系统继电保护发展现状
电力系统作为一个庞大复杂的系统，它由发电机、变压器、母线、输配线路及用电设备通过各种方式连接配置而成，各元件之间通过电或磁发生联系，任何元件发生故障都将在不同程度上影响系统的正常运行。

继电保护作为电力技术的一环，它对保障电力系统安全运行、提高社会经济效益起到举足轻重的作用。

1.1.1 继电保护发展历程
我国继电保护技术在建国后随着电力行业的飞速发展得到了长足进步，在电子技术、计算机应用、通讯技术不断更新完善的情况下，在40余年的时间里继电保护技术完成了发展的4个历史阶段。

50年代，我国工程技术人员创造性地吸收、消化、掌握了国外先进的继电保护设备性能和运行技术，建成了一支具有深厚继电保护理论造诣和丰富运行经验的继电保护技术队伍，对全国继电保护技术队伍的建立和成长起了指导作用。

期间阿城继电器厂根据国外先进的继电器制造技术，结合国内电力行业发展状况，建立了我国自己的继电器制造业，这是机电式继电保护繁荣的时代。

60年代到80年代中是晶体管继电保护蓬勃发展和广泛采用的时代，其中天津大学与南京电力自动化设备厂合作研究的500kV晶体管方向高频保护和南京电力自动化研究院研制的晶体管高频闭锁距离保护，运行于葛洲坝500kV线路上，结束了我国500kV线路保护完全依靠从国外进口的时代，这是晶体管继电保护时代。

70年代中，基于集成运算放大器的集成电路保护已开始研究。

到80年代末集成电路保护已形成完整系列，逐渐取代晶体管保护。

到90年代初集成电路保护的研制、生产、应用已处于主导地位，这是集成电路保护时代。

我国从20世纪70年代末即已开始了计算机继电
保护的研究，1984年原华北电力学院研制的输电线路微机保护装置首先通过鉴定，并在电力系统中获得应用，就此揭开了我国继电保护发展史上新的一页，为微机保护的推广开辟了道路。

从90年代开始我国继电保护技术已进入了微机保护的时代，不同原理、不同机型的微机线路和主设备保护各具特色，为电力系统提供了一批新一代性能优良、功能齐全且工作可靠的继电保护装置。

随着微机保护装置的研究，在微机保护软件、算法等方面也取得了很多理论成果。

1.1.2 继电保护的未来发展
随着计算机、区域网、互联网技术的发展应用，继电保护技术未来趋势已转向计算机化、网络化、智能化，保护、控制、测量和数据通信一体化发展。

第二章系统初始条件
2.1 主接线图
下图为某电力系统主接线。

该系统由某发电厂的三台发电机经三台升压变压器由A 母线与单侧电源环形网络相连，其电能通过电网送至B 、C 、D 三个降压
变电所给用户供电。

2×20MVA
60MVA cosφ＝0.85
X″3×50MVA
2×40MVA 20MVA
2×20MVA
图2.1.1 电力系统主接线图
2.2 相关参数
1．网络中各线路采用带方向或不带方向的电流电压保护，所有变压器及母
线均装有纵差动保护，变压器均为Y/ ? -11接线；
2．发电厂的最大发电容量为3×50MW ，最小发电容量为2×50MW ；
3．网络的正常运行方式为发电厂发电容量最大且闭环运行；
4．允许的最大故障切除时间为0.85s ；
5．110kV 断路器均采用DW 2-110型断路器，它的跳闸时间为0.05～0.08s ；
6．线路AB 、BC 、AD 和CD 的最大负荷电流分别为230、150、230和140A ，
负荷自起动系数K ss =1.5；
60MV 50KM 65KM
45KM
7．各变电所引出线上后备保护的动作时间如图所示，?t=0.5s；8．线路的正序电抗均为0.35Ω/km；
9．电压互感器的变比n PT= 110000/100；
10．其它参数如图所示。

第三章三段式电流保护整定计算
3.1 计算网络参数
选取基准功率ＳB =100MV A 和基准电压为V B =Vav
发电机G 的参数：
258.050
100129.0S S X X X X N B F(N)*G3(B)*G2(B)*G1(B)*=?=?
=== 升压变压器的参数： 175.060
1001005.10S S X X X X N B T1(N)*T3(B)T2(B)*T1(B)**=?=?
=== 50KM 线路的参数： 132.01151005035.0V S XL X X 22N
B 1(B)*L3L1(B)*=??=?
== 65KM 线路参数： 172.01151005035.0V S XL X 22N
B 2(B)*L2=??=?
= 45KM 线路参数： 119.01151005035.0V S XL X 22N
B 4(B)*L4=??=?= 降压变压器的参数：
525.020*******.10S S X X X X X N B T4(N)*)*(8T7(B)*6(B)*T T5(B)*4(B)*T =?=?
=====B T X 最大运行方式下的最大电源阻抗：
145.0433.0||217.0175.0258.0||2
175.02258.0X 1==++=）（）（
最小运行方式下的最大电源阻抗：
217.02
175.02258.0X 1=+= 3.2 最大短路电流计算和整定计算
为计算动作电流，应该计算最大运行方式下的三相短路电流，为校验灵敏度
要计算最小运行运行方式下两相短路电流。

为计算1OF 、3OF 、5QF 、7QF 的整
定值根据如上系统图可知，最大运行方式要求1QF 断开，等值阻抗图如下： k3Xsmin=0.145
Xsmax=0.217E 0.119
0.525
0.1320.1750.172
0.132
0.262k1k2
图3.2.1 系统等值电抗图 3.2.1 K1点发生的三相短路
（1）电力系统网络等值电抗图为：
Xsmin=0.145
Xsmax=0.217E 0.119
图3.2.2 K1点短路时等值电抗图
最大运行方式时：
计算K1点短路时的短路电流，系统的等效阻抗为：
264.0119.0145.01=+=X 由上面已经计算出，基准电流为：KVA 502.0115
3100V 3=?==B B B S I ，基准电抗为：Ω=?==26.132502
.031153Z B B B I V ；三相短路电流标幺值为：978.3264
.005.11)3(max
1===X E I k 三相短路电流的有名值为: KA I I I B k K 99.1502.0978.3)
3(max 1)
3(max 1=?=*=
最小运行方式时：
336.0119.0217.01=+=X 三相短路电流的标幺值为：125.3336 .005.11)3(min 1===X E I k 三相短路电流的有名值为:
KA I I I B k K 57.1502.0125.3)3(min 1)3(min 1=?=*=
2）保护7QF 的整定
对保护7QF 的三段式电流保护整定计算，三段式包括:瞬时性电流速断保护、
限时电流速断保护以及定时限电流速断保护。

下面首先对7QF 进行瞬时性电流速断保护的整定：
下面对一段保护的灵敏度进行校验：
s 0t KA 49.299.125.1I K I 73K1max rel set7==?=?=I I
I ）（
1
max 7min 23z X I E L s set -=I 带入已知数据得：0261.0978.32.105.123231
1max 7min <-?=-=I z z X I E L s set 由于Lmin<0,因此灵敏度不够。

7QF 的限时电流速断保护整定：
KA I K K I K I K I
rel rel set rel set 85.129.125.115.1max 157=??===II I II II s t t t 5.077=?+=I
II
对7QF 的二段保护进行灵敏度校验： 3.185.085.157.17
min 17<===II II set K sen I I K ，可知不满足条件因此，针对上面的情况，则7QF 与相邻下一段的二段保护相互配合，则得到其整定值为：
KA I K K K I K I K rel rel rel set rel set 36.182.025.115.115.1max 357====I
II II II II II 灵敏度校验: 3.194.036.128.17
min 17<===II II set K sen I I K ,仍然不能满足要求。

由于所给条件有限，不能继续对7QF 的二段保护进行符合灵敏度系数的整定。

7QF 的定时限电流整定：
由初始条件知道线路AD 的最大负载电流为230A,因此有下式：KA I K K K I L re ss rel set 49.023.085
.05.12.1max 7=??==III
III s t t 435.27=?+=III
对7QF 的定时限速断保护进行灵敏度校验：近后备：5.12.349.057.17
min 17.>===III III set K sen I I K ,满足灵敏度要求。

远后备：2.19.149.094.07min 27.>===III III
set K sen I I K ，也满足灵敏性的要求。

总结：对于保护7QF 的三段式电流保护的整定，由上面的计算过程可以看到，
Ⅰ、Ⅱ段保护都不能满足灵敏性要求，可以获取更多条件来进行整定,同时也可以通过其他保护来整定，例如距离保护等；而Ⅲ段保护可以满足灵敏性的要求。

3.2.2 K2点发生三相短路
（1）电力系统网络等值电抗图如下： Xsmin=0.145
Xsmax=0.217E 0.1190.132
图3.3.3 K2点短路时等值电抗图
最大运行方式下有：
系统的等效阻抗为：396.0132
.0119.0145.01X =++=
而三相短路电流有名值为： KA I I I B k K 33.1502.065.2)3(max 2)3(max 2=?=*=
最小运行方式下：
系统等效阻抗为：468.0132.0119.0217.01=++=X
三相短路电流的标幺值为：三相短路电流的有名值为:
KA I I I B k K 12.1502.024.2)
3(min 2)
3(min 2=?=*=
2）保护5QF 的整定
同7QF 的过程一样对5QF 进行相同的整定计算。

首先进行瞬时性电流速断保护:
KA I K I K rel set 66.133.125.1max 25.=?==I
I s t 05=I
灵敏度校验： 0412.065.22.105.123231
1max 5min <-?=-=I z z X I E L s set 因此Ⅰ段保护不满足灵敏度要求。

对5QF 进行限时速断保护:
KA I K K I K I K rel rel I set rel set 18.182.025.115.1max 33.5.=??===I
II II II
灵敏性校验： 3.195.018.112.15
min 25.<===II II set K sen I I K ，不满足灵敏性要求。

由于缺乏必要的条件，不能对5QF 进行与相邻下一段的二段保护进行配合的整定计算。

24.2468
.005.11)3(min 2===X E I k
定时限电流速断保护：
由初始条件可知线路CD 最大负荷电流为120A,因此进行下面的整定：
KA I K K K I L re ss rel set 25.012.085.05.12.1max 7=??==III
III s t t 5.325.27=?+=III
对7QF 的定时限速断保护分别进行近后备和远后备的灵敏度校验：近后备灵敏度校验:5.176.325.094.07
min 25.>===III III set K sen I I K 远后备灵敏度校验：2.184.225.071.07min 35.>===III III
set K sen I I K 总结:通过上面的整定计算，可以看到5QF 的Ⅲ保
护满足灵敏度要求，可以
对线路进行保护；而Ⅰ、Ⅱ段保护不能达到要求，由于缺乏必要的计算条件，没有继续往下整定，而也可以采用距离保护等保护。

3.2.3 K3点发生三相短路
(1) 本电力系统的等值电抗电路如下图所示： Xsmin=0.145
Xsmax=0.217E 0.1190.1320.172
图3.2.4 K3点短路时电抗图
最大运行方式下有：
图3.2.4所示的等效电抗为：568.0172
.0132.0119.0145.01=+++=X
则K3点发生三相短路时的短路电流为：
85.1568
.005.11)3(max
3===X E I k 三相短路电流的有名值为：KA I I I B k K 93.0502.085.1)
3(max 3)3(max 3=?=*= 最小运行方式下：
图3.2.4所示的等效电抗为: 64..0172
.0132.0119.0217.01=+++=X
所以K3点发生三相短路时最小运行方式下短路电流标幺值为：64.164
.005.11)3(min
3===X E I k 三相短路电流有名值计算为：KA I I I B k K 82.0502.064.1)
3(min 3)3(min 3=?=*= （2）保护3QF 的整定
对于3QF 的瞬时性电流速断保护整定有：
KA I K I K rel set 16.193.025.1max 33.=?==I
I s t 03=I
保护3QF 的灵敏性校验： 000303
.0563.016.12.105.123231max 3.min <-?=-=I z X I E L s set 由以上计算知3QF 的Ⅰ段保护灵敏性要求不满足。

而对于3QF 的Ⅱ、Ⅲ段的保护，因为题目中没有给出详细的数据，所以不能
进行Ⅱ、Ⅲ段的整定计算。

同时针对于保护3QF，因为正常运行时有正向电流和反向电流流过，为了增大其工作的可靠性，可以增加一个功率方向继电器，以防止线路XL2上某一点发生短路时流过3QF的正向短路电流小于系统正常运行是流过4QF的反向单电流（注：这里正向电流方向是指由母线流向线路）。

3.2.4保护1QF的整定
保护1QF的整定，根据图2.1.1的电力系统网络图可以看出，当系统正常运行时不可能有正向电流通过，因此要是有正向电流通过，则线路一定发生故障。

为此只需要在保护1QF处加一个功率方向继电器就可以实现线路的保护，而不用分析线路的运行方式。

由以上计算可知电流保护的Ⅰ段保护灵敏度都不能满足要求，在经济条件允许的情况下，为了保证电力系统能更好的运行，且考虑电压等级为110KV，所以可以采用距离保护。

第四章距离保护整定计算
4.1 计算网络参数
由电力系统网络图有下列参数：
Ω5.175035.0XL Z 3L3=?==
Ω20504.0XL Z 44=?==L
Ω75.226535.0XL Z 22=?==L
ΩＶ２２Ｂ43.6920
1151005.10S X X Z N T6(N )*T66T =?=?=== 4.2 整定值计算
4.2.1 7QF 距离保护整定值计算
(1)距离Ⅰ段整定阻抗
ΩⅠⅠ39
.1375.1585.0Z K Z L4rel 7set =?== s t 07=I
(2)距离Ⅱ段整定阻抗
与相邻下级L3配合有：
ΩⅠ875.145.1785.0Z K Z L3rel 5set =?==I 77.043
.6975.151X -1 K 6L4bmin =-==T X 按躲过相邻变压器出口短路整定有：
Ω）（）（ⅡⅡ2.11431.6901670.0Z K X K Z 6T bmin L4rel
7set =?+?=?+= 取以上两个计算中较小者为Ⅱ段整定值，因此7QF 的Ⅱ段整定值为：
Ω=II
2.117set Z 。

进行灵敏度校验有： 25.171.075
.152.11Z Z Ksen L47set <===Ⅱ，不满足灵敏度要求。

由于上述不满足灵敏度条件，所以改为相邻下一段的Ⅱ段保护相配合。

因此5QF 的Ⅱ段整定值为：ΩⅡ12
.22Z 5set = 则按照相邻下一段整定有：
Ω）（）
（ⅡⅡ56.2812.2271.0208.0Z K X K Z 5set bmin L4rel 7set =?+?=?+=II 25.1428.120
56.28Z Z Ksen L47set >===Ⅱ，满足要求。

所以延时整定为:
s t t t 157=?+=II
II 。

4.2.2 5QF 的距离保护整定
同理，5QF 的整定计算过程同7QF ：
(1)距离Ⅰ段整定阻抗
ΩⅠⅠ875.145.1785.0Z K Z L3rel 5set =?== Ω）（）
（ⅠⅡⅡ05.21875.1471.075.158.0Z K X K Z 5set bmin L4rel 7set =?+?=?+=020
201X X -1K L3L4bmin =-==）（）（。