110kV电网继电保护设计

电力系统课程设计

1. 前言

电力是当今世界使用最为广泛、地位最为重要的能源，电力系统的安全稳定运行对国民经济、人民生活乃至社会稳定都有着极为重大的影响。

电力系统的各种元件在运行中不可能一直保持正常状态。因此，需要有专门的技术为电力系统建立一个安全保障体系，其中最重要的专门技术之一就是继电保护技术。它可以按指定分区实时的检测各种故障和不正常运行状态，快速及时地采取故障隔离或告警等措施，以求最大限度地维持系统的稳定，保持供电的连续性，保障人身的安全，防止或减轻设备的损坏。

由于最初的继电保护装置是又机电式继电器为主构成的，故称为继电保护装置。尽管现代继电保护装置已发展成为由电子元件或微型计算机为主构成的，但仍沿用次名称。目前常用继电保护一词泛指继电保护技术或由各种继电保护装置组成的继电保护系统。

从科学技术的角度，电力系统继电保护隶属于电力系统及其自动化专业领域；从工业生产的角度，电力系统继电保护是电力工业的一个必不可少的组成部分，担负着保障电力系统安全运行的重要职责。随着我国电力工业的迅速发展，各大电力系统的容量和电网区域不断扩大。为适应大电网发展的需要，相继出现超高压电网和大容量机组，致使电网结构日趋复杂，电力系统稳定问题日益突出，因此对电力系统继电保护提出了更高的要求。

继电保护装置可视为由测量部分、逻辑部分和执行部分等部分组成。对作用于跳闸的继电保护装置，在技术上有四个基本要求：选择性、速动性、灵敏性和可靠性。以上四个基本要求是分析研究继电保护性能的基础。在它们之间，既有矛盾的一面，又有在一定条件下统一的一面。继电保护的科学研究、设计、制造和运行的绝大部分工作也是围绕着如何处理好这四个基本要求之间的辨证统一关系而进行的。

电力系统课程设计

2. 运行方式分析

电力系统运行方式的变化，直接影响保护的性能，因此，在对继电保护进行整定计算之前，首先应该分析运行方式。需要着重说明的是，继电保护的最大运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最大，继电保护的最小运行方式是指电网在某种连接情况下通过保护的电流值最小。（注明：zs是指系统等效电源的阻抗值。） 根据系统图可知，参数计算如下：

电动势：E = 115/3kv；

发电机：X1.G1 = X2.G1 = X1.G2 = X2.G2 = 5 + (15 5)/19=5+10/19=5.53， X1.G3 = X2.G3 = X1.G4 = X2.G4 = 8 + (10 8)/19=8+1/19=8.10； 变压器：X1.T1 ~ X1.T4 = 5 + (10 5)/19=5+5/19=5.26，

X0.T1 ~ X0.T4 = 15 + (30 15)/19=15+15/19=15.79， X1.T5 = X1.T6 = 15 + (20 15)/19=15+5/19=15.26， X0.T5 = X0.T6 = 20 + (40 20)/19=20+20/19=21.05；

线 路：LA-B = 60km，LB-C = 40km，线路阻抗z1 = z2 = 0.4 /km，z0 = 1.2 /km， X1.A-B=60km× 0.4 /km=24 ，X1.B-C=40km×0.4 /km=16 ； X0.A-B=60km×1.2 /km=72 ，X0.B-C=40km×1.2 /km=48 ； IA-B.L.max = IC-B.L.max = 300A；Kss = 1.2，Kre = 1.2； 电流保护：KIrel = 1.2，KIIrel = 1.15，

III

距离保护：Krel = 0.85，Krel = 0.75

负荷功率因数角为30 ，线路阻抗角均为75 ，变压器均装有快速差动保护。 2.1 保护1的运行方式分析

保护1的最小运行方式就是指流过保护1的电流最小即是在G1和G2只有一个工作，变压器T5、T6两个中有一个工作时的运行方式，则

12

z

s.max

=（

12

x

1.G1

+

x

1.T1

）

=5.53+5.26=10.79 ；最大运行方式就是指流过保护1的电流最大即两个发电机共同运行，而变压器T5、T6两个都同时运行的运行方式，则zs.min=

= （x1.G1+x1.T1）

（5.53+5.26）

=5.395 。

2.2 保护2的运行方式分析

对于保护2，它的最小运行方式就是指流过保护2的电流最小即是在G3和G4只有一个工作时运行，则zs.max=（x1.G3+x1.T3）=8.10+5.26=13.36 ；最大运行方式就是指流过保护2的电流最大即两个发电机共同运行，则zs.min=

12

（x1.G3+x1.T3）=

12

（8.10+5.26）

=6.68 。

2.3 保护3的运行方式分析

保护3的最小运行方式就是指流过保护3的电流最小即是在G1和G2只有一个工作时运行的运行方式，则zs.max=（x1.G1+x1.T1）=5.53+5.26=10.79 ；最大运行方式就是指流过保护3的电流最大即两个发电机共同运行，则

zs.min=

12

（

x

1.G1

+

x

1.T1

）

电力系统课程设计

=

12

10.79=5.395 。

2.4 保护4的运行方式分析

保护4的最小运行方式就是指流过保护4的电流最小即是在G3和G4只有一个工作，变压器T5、T6两个中有一个工作时的运行方式，则zs.max=（x1.G3+x1.T3）=8.10+5.26=13.36 ；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、T6两个都同时运行的运行方式，则zs.min=

12

（x1.G3+x1.T3）=

12

（8.10+5.26）=6.68 。

电力系统课程设计

3. 电流保护的配置和整定

三段式电流保护分为电流速断保护、限时电流速断保护和过电流速断保护。三段式电流保护在配合的过程中，如果电流速断保护能保护线路的全长，则不再需要配置限时电流速断保护。对于每一段保护，他的整定值得满足灵敏系数和其他要求。因此，配置完以后得检验这个配置是否符合要求。 3.1 电流速断保护的配置和整定

对于反应与短路电流负值增大而瞬时动作的电流保护，称为电流速断保护。为了保证选择性，电流速断一般只能保护线路的一部分。电路速断保护要求一旦短路电流超过整定值，就立即将离短路点最近的断路器跳开，例如，在本设计中，当线路A-B上发生短路时，则保护1、2都要瞬时动作，使1、2处断路器跳开。

由系统图可知，假设保护1、2、3和4都需要配置电流数段保护。则： 对于保护1：IIset.1=1.2

32

115/3

5.395 24

2.71KA

，tI1=0s，

Iset.1=

LA BminLA B

I

×

115/3

10.79 0.4 LA Bmin

LA Bmin 26.069km；

100%=43.45%>15%，满足要求。

对于保护2：IIset.2=1.2

32

115/3

6.68 16 24

1.706KA

，tI2=0s，

IIset.2=

LB-AminLB A

×

115/3

13.36 16 0.4 LB Amin

LB Amin 10.82km；

100%=18%>15%，满足要求。

对于保护3：IIset.3=1.2

32

115/3

5.395 24 16

1.755KA

，tI3=0s，

IIset.3=×

115/3

10.79 24 0.4 LB Cmin

I

LB Cmin 5.066km，不满足要求。

对于保护4：Iset.4=1.2

32

115/3

6.68 16

3.513KA

，t4=0s，

I

IIset.4=

LC-BminLC B

×

115/3

13.36 0.4 LB Amin

LB Amin 7.52km；

100%=18.99%>15%，满足要求。

电力系统课程设计

由以上的计算结果可知，保护1、2和4需要安装电流速断保护装置，保护3不需要。

3.2 限时电流速断保护的配置和整定

由限时电流速断的计算结果可知，假设保护1、4处需安装限时电流速断保护，其他保护处不需要安装限时电流速断保护。则：

IIISET.1=KIIrel×IIset.3=1.15×1.755=2.018KA，tII2=0.5；

KIIsen.4=3 115/3/2.018 0.82<1.3，

2

10.79 24

IIISET.4=KIIrel×IIset.2=1.15×1.706=1.962KA，tII2=0.5S，

KIIsen.4=3 115/3/1.962=0.99<1.3，不满足灵敏系数。故保护4也不装设限时电流

2

13.36 16

速断保护。由此，保护2处不需要装设电流速断保护装置。 3.3 过电流保护的配置和整定

假设保护1、2、3和4处都装设过电流保护。则：tIII1=0.5s，tIII2=0s，tIII3=0s，tIII4=0.5s；保护2和3处都配置一个时间为0s的定时限过电流保护装置，保护1和4处各装置一个延时为0.5s的定时限过电流保护装置。下面分别对个保护进行电流整定。

对于保护1：I

IIIset.1

=

Krel Kss

K

re

III

IA B.L.max

1.2 1.20.85

0.3 0.48KA

;

.B.min

近后备：KIIIsen.1=KIII

2

3232

Iset.1

2

115/3

10.79 24

115/

/0.48 3.44 1.5，满足要求。

.C.min远后备：KIIIsen.1=KIII

Iset.3

3

10.79 24 16

Krel Kss

K

reIII

/0.48 2.35 1.2，满足要求。

对于保护2：整定电流I

2

III

set.2=

IA B.L.max

1.15 1.20.85

0.3 0.48KA

。

.C.min

近后备：KIIIsen.2=KIII

32

Iset.2

115/3

13.36 16

/0.48 4.08 1.5，满足要求。

同理可得保护3和4处的整定电流IIIIset.2=IIIIset.3=IIIIset.4=0.48KA；

且灵敏系数都满足要求。

综上可知：再此系统中，三段式电流保护在保护1、4处需安装电流I、III断保护装置，而保护2、3处只安装III断保护即可。

电力系统课程设计

4. 零序电流保护的配置和整定

电力系统正常运行时是三相对称的，其零序、负序电流值理论上是零。多数的短路故障是不对称的，其零、负序电流电压会很大，利用故障的不对称性可以找到正常与故障的区别，并且这种差别是零与很大值得比较，差异更为明显。所以零序电流保护被广泛的应用在110KV及以上电压等级的电网中。

所有元件全运行时三序电压等值网络图如下图所示：

E E

E

（a）：正序网络 图（b）：负序网络

（c）负序网络

图1：所有元件全运行时三序电压等值网络图

4.1 零序I段的配置和整定

零序电流I段按照躲开下级线路出口处单相或两相接地末端短路时可能出现的最大零序电流3I0.max和躲开断路器三相触头不同期合闸时出现的最大零序电流3I0.unb以及非全相运行状态下发生系统震荡时所出现的最大零序电流来整定。

经分析，B母线单相接地短路时，故障端口正序阻抗

Z

X1.G1 X1.T1 X1.G3 X1.T3

X X 1.BC 1 1.AB22

= 24

10.79

2 13.36 16

2

=12.80

Z

Z

2

Z

1

12.80

，

=7.973；

X0.T3 15.7915.79 X0.T1 X0.T5 21.05

XX 7248 = 0.AB0.BC 0 22 2 2 2 2

电力系统课程设计

所以故障端口的零序电流为：If0

115/z 0

z 1

3 z 2

115/3

12.80 2 7.973

=1.97kA；

所以B相单相接地短路时流过保护1、4的零序电流分别为： I0.1=1.97

=0.215KA；

1/81 1/12 1/57

=0.305KA;

1/81 1/12 1/57

1/571/81

I0.4=1.97

同理得出：B母线两相接地短路时流过保护1、4的零序电流分别为： I0.1= 0.147KA； I0.4= 0.209KA；

所以I0.max.1=0.215KA，I0.4.max=0.305KA；故零序I段整定为： IIset.1=3I0.max.1 KIrel=1.2 3 0.215=0.774KA； IIset.4=IIset.4 3I0.4.max=1.2 3 0.305=1.098KA， 同理可得：IIset.2=1.233KA；IIset.3=1.512KA； 4.2 零序II段的配置和整定 先求保护1的分支系数k1.b： k1.b=B C.M=1+A BM=1+

I

A B.M

I

ABM

x

12

，对x1，当只有一台发电机变压器组运行时x1最大，

有 x1max=x0.T1+x0.AB=15.79+72=87.79（ ）；当两台发电机变压器组运行时x1最小，有

xx

1min

=0.T1+x0.AB=15.79/2+72=79.895（ ）;对x2，当T5、T6只有一台运行时x2最大，

2

2max

=21.05（ ）；当T5、T6两台全运行时x2最小，x2min=10.525（ ）。

87.7910.525

因此，保护1的最大分支系数k1.b.max=1+1max=1+

x

=9.34

2min

最小分支系数k1.b.min=1+

x

1min2max

=1+

79.89521.05

=4.795。

同理可得：k4.b.max=8.33；k4.b.min=4.075. 保护1的零序II段定值为： I

IIset.1

KrelK1.b.min

II

Iset.3

I

1.154.795

1.512 0.362 KA

校验灵敏度：母线B接地故障流过保护1的最小零序电流： I0.min 0.223 KA 灵敏系数： Kre

3I0.minIII

set.1

0.189 30.358

1.584

>1.3. K

电力系统课程设计

保护4的零序II段定值为： I

IIset.4

KrelK4.b.min

II

Iset.2

I

1.154.075

1.233 0.348 KA

校验灵敏度：母线B接地故障流过保护4的最小零序电流：I0.min灵敏系数：Kre 3I0.min

III

set.1

0.263 30.369

2.13>1.3;

0.263(kA)

4.3 零序III段的配置和整定

假设保护1、2、3和4处都装设零序III段电流保护。则：tIII1=0.5s，tIII2=0s，tIII3=0s，III

t4=0.5s；保护2和3处都配置一个时间为0s的定时限过电流保护装置，保护1和4处各装置一个延时为0.5s的定时限过电流保护装置。下面分别对个保护进行电流整定。 1、保护1的零序III段整定计算： B母线的三相短路电流：IdB=

3

115

3 5.395 7 21.05

1.98 KA

因为是110kv线路，可不考虑非全相运行情况，按躲开末端最大不平衡电流整定。 则Iunb。max I0dzl

III

kkkIk.max

np

st

er

3

=1 0.5 0.1 1.98=0.099（kA）

kI

k

unp。max

=1.25 0.099=0.123（kA）

3d0B

1,1

作为近后备保护k1m

I

III0dzl

5.940.1237.553

48.29 1.3

满足要求

作为远后备保护k1m

3d0C

1,1

I

III0dzl

0.123

61.41 1.2

满足要求

2、保护2的零序III段整定计算： A母线的三相短路电流：IdA=

3

115

3 6.655 8.11 40

1.188 KA

因为是110kv线路，可不考虑非全相运行情况，按躲开末端最大不平衡电流整定。 则Iunb。max I0dzl

III

kkkIk.max

np

st

er

3

=1 0.5 0.1 1.188=0.0559（kA）

kI

k

unp。max

=1.25 0.062=0.0699（kA）

3d0A

1,1

作为近后备保护k1m

I

III0dzl

9.8530.111

86.54 1.3 满足要求

同理：对保护3和4进行整定，且灵敏系数均满足要求。

综上可知：在零序电流保护的配置和保护中，保护1和保护4均有I段、II段和III段，而保护2和保护3只配置III段保护，整个系统的安全稳定运行。

电力系统课程设计

5. 距离保护的配置和整定

距离保护是利用短路发生时电压、电流同时变化的特征，测量电压与电流的比值，该比值反应故障点到保护安装处的距离，如果短路点距离小于整定值，则保护装置动作。 在保护1、2、3和4处配备三段式距离保护：选用接地距离保护接线方式和相间距离保护接线方式：它们的I、II、段选择具有方向的距离保护，III选择具有偏移特性的距离保护。

5.1 距离I段的配置和整定

线路AB得正序阻抗ZAB=z1 LA-B=0.4 60=24 ; 线路BC得正序阻抗ZBC=z1 LB-C=0.4 40=16 ；

II

保护1、2的距离I段Zset.1,2=Krel ZAB=0.85 24=20.4 ； 保护3、4的距离I段ZIset.3,4=KIrel ZBC=0.85 16=13.6 ； 5.2 距离II段的配置和整定

1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

对保护1：

1）当与相邻下级线路距离保护I段配合时，有K1.b.max 3.22K1.b.min 2.53 2）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有，K1.b.max 2.75K1.b.min 2.21 对保护4：、

1）当与相邻下级线路距离保护I段配合时，有，K4.b.max 3.35K4.b.min 1.78 2）当与相邻变压器的快速保护相配合时，有， K4.b.max 2.19K4.b.min 1.82 （a）当与相邻下级线路距离保护I段相配合时，有

Krel(ZAB K1b.minZset.3)=0.75（24+2.53*13.6）=43.806 ; Zset.1

(b)当与相邻变压器的快速保护相配合时，有

Zt X1.T5 X1.T6 16

IIII

K (ZAB Zset.1rel

II

43.806 ； 所以，取Zset.4

;

;

K1b.minZt) 0.75 (24 2.01 16) 42.12( )

2)灵敏度校验：Ksen

Zset.1ZAB

42.58224

1.77 1.25,满足灵敏度要求。

3）动作时限：与相邻保护3的I段配合，有t1II

t

I

t 0 0.5 0.5s3

，它能同时满足与相

邻线路保护以及相邻变压器保护配合的要求。 对于保护4：

1）整定阻抗：按下面两个条件选择。

（a）当与相邻下级线路距离保护I段相配合时，有

Krel(ZBC K1b.minZset.2)=0.75(16 1.625 20.4) 36.86 ; Zset.4

电力系统课程设计

(b)当与相邻

Z

变压器的快速保护相配合；

时，有

IIII

K (ZBC K4b.minZt) 0.75 (16 1.53 16) 30.36( )set.4rel

II所以取Zset 30.36( )。 .4

II

30.36 1.90 1.252)灵敏度校验：Ksen

ZBC16

Z

；

t

I

t 0.5s2

II

3）动作时限：与相邻保护2的I段配合，有t4

，它能同时满足与相邻线路

保护以及相邻变压器保护配合的要求。 5.3 距离III段的配置和整定 1、保护1距离III段的整定：

1）整定阻抗：按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

ZL.min取Krel

U 190.53( ) IL.max

III

， Zset

.1

KZKSSKrecos( set L)

0.83，KSS 1.2，Kre 1.2和 set

75

， L 30 ，于是

III

Zset

.1

0.83 190.531.2 1.2 cos(75 30 )

155.93( )

2）灵敏度校验：

本线路末端短路时灵敏系数为

IIIset.1 155.93 6.5 1.5； Ksen(1)

ZAB24

Z

3）动作时限：与相邻设备保护配合，有t1III

t

III

t 0.5 0.5 1s3

，它能同时满足与相邻

线路保护和相邻线路保护和相邻变压器保护的配合要求。 2、保护4距离III段的整定：

1）整定阻抗：按躲过正常运行时的最小负荷阻抗整定，有

ZL.min取Krel

UL.min 190.53( ) IL.max

III

， Zset.4

ZL.min

KrelKSSKrecos( set 1)

；

0.83，Kss 1.2，Kre 1.2和 set 75

0.83 190.531.2 1.2 cos(75 30 )

155.93( )

， L 30 ,于是

III

Zset.4

。

2）、灵敏度校验：

本线路末端短路时灵敏系数为

III 155.93 9.74 1.5Ksen(1)

ZBC16

Z

；所以灵敏度校验满足要求。

t

IIIIII

t t 0.5 0.5 1s42

3）、动作时限：与相邻设备保护配合有保护和相邻变压器保护的配合要求。

，它能同时满足与相邻线路

电力系统课程设计

综上所述：距离保护时保护1、4处均设置距离I、II和III段配合保护，而距离保护2、3处只需要设置距离I、III段配合保护就可以保证系统的可靠性和选择性。

电力系统课程设计

6. 原理接线图及展开图

6.1 保护1的原理接线图及展开图

保护1为电流速断I和过电流保护III配合保护的：采用不完全星形接线法，其原理接线图如下图所示：

KT

（a）原理接线图

TAa

KAa1

KAa3

TAc

KAc1KAc3

KAB3

（b）交流电流回路展开图 （c）直流回路展开图

图2：保护1原理接线图及展开图

6.2 保护2的原理接线图及展开图

保护2处需要装置功率方向继电器，且2处安装过电流保护即可。因此采用90 接线三相式过电流保护接线方式。其原理图如下所示。

TV

a

bc

电力系统课程设计

（a）原理接线图

TAa

KAa

KWa

+VCC

KWb

-VCC

TAb

KAb

TAc

KAc

KWc

（b）交流回路展开图 （c）直流回路展开图

图3：保护2原理接线图及展开图

6.3 保护3的原理接线图及展开图

保护3处需要装置功率方向继电器，且3处安装过电流保护即可。因此采用90 接线三相式过电流保护接线方式。其原理图如下所示。

TV

a

bc

（a）原理接线图

TAa

KAa

KWa

+VCC

KWb

-VCC

TAb

KAb

TAc

KAc

KWc

（b）交流回路展开图 （c）直流回路展开图

图4：保护3原理接线图及展开图

电力系统课程设计

6.4 保护4的原理接线图及展开图

保护4为电流速断I和过电流保护III配合保护的：采用不完全星形接线法，其原理接线图如下图所示：

KT

（a）原理接线图

TAa

KAa1

KAa3

TAc

KAc1KAc3

KAB3

（b）交流电流回路展开图 （c）直流回路展开图

图5：保护4原理接线图及展开图

电力系统课程设计

7 结论

在老师的指导下，我顺利完成了课程设计。我深深的体会这次课程设计的重要性,它对我所学的知识的又有了更深的认识，让我明白了许多的实际操作过程。同时，我感觉此次毕业设计的内容安排合理、详细、清楚，正是我们所需的一个必要的学习、实践的过程!

我首先进行了对所给定的110KV电力网进行发电机,变压器及线路参数的计算,并进行了电压互感器、电流互感器变比的选择；然后是短路电流的计算；并根据所计算出的短路电流进行相间距离保护和零序电流保护的整定计算选出了最优方案；最后是自动重合闸的选择.经过分析该系统应当采用三相一次重合闸.

这次设计使我所学的专业知识得到进一步巩固和加强！也锻炼了我的做事的态度，使我比以前更加细心和认真,做事也更加有耐心.与此同时，我也深刻的感受到自身的不足:知识的匮乏以及思维的单调，这些都让我懂得我需要怎样不断的去学习去提高自身的能力!

电力系统课程设计

8 参考文献

[1] 张保会，尹项根. 电力系统继电保护－2版. 北京：中国电力出版社，2009. 12 [2] 徐建安.电力系统继电保护.北京：中国水利水电出版社，2005 [3] 李丽娇，齐云秋.电力系统继电保护.北京：中国电力出版社，2005 [4] 谷水清.电力系统继电保护.北京：中国电力出版社，2005

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/5u3i.html