继电保护设计

摘要

电力系统的飞速发展对继电保护不断提出新的要求，也使得继电保护得以飞速的发展。继电保护装置必须具备继电保护的“四性”要求，即安全性，可靠性，迅速性，灵敏性。继电保护能够在系统运行过程中发生故障和出现不正常现象时，迅速有选择性发出跳闸命令将故障切除或发出报警，从而减少故障造成的停电范围和电气设备的损坏程度，保证电力系统稳定运行。本设计以110KV电网线路为例，通过对其等值电路的正（负）序和零序网络计算，详细说明了短路电流保护、距离保护和零序保护的具体整定计算方法，介绍了110KV继电保护线路保护的配置方法。

关键词：110KV电网 电流保护 电流计算 潮流计算

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1 引言

1.1 本设计目的意义

继电保护是一种电力系统的反事故自动装置，它在电力系统中的功用相当于公安人员在人类社会中的作用，地位十分重要，可以说没有继电保护技术的发展，就没有现代电力系统的今天。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，网络接线越发复杂，继电保护装置广泛应用于电力系统、农网和小型发电系统，这一现状对继电保护的选择性，可靠性，快速性以及灵敏性都提出了更高的要求。继电保护装置应在系统发生故障或不正常运行时，迅速，准确的切除故障元件或发出信号以便及时处理，因此，继电保护装置是电网及电气设备安全可靠运行的保证。电力系统继电保护的设计与配置是否合理直接影响到电力系统的安全运行。如果设计与配置不当，保护将不能正确工作（误动或拒动），从而会扩大事故停电范围，给国民经济带来严重的恶果，有时还可能造成人身和设备安全事故。因此，合理地选择保护方式和正确地整定计算，对保证电力系统的安全运行有非常重要的意义。

建国后，我国继电保护学科、继电保护设计、继电器制造工业和继电保护技术队伍从无到有，在大约10年的时间里走过了先进国家半个世纪走过的道路。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成长起了指导作用。阿城继电器厂引进消化了当时国外先进的继电器制造技术，建立了我国自己的继电器制造业。因而在60年代中我国已建成了继电保护研究、设计、制造、运行和教学的完整体系。这是机电式继电保护繁荣的时代，为我国继电保护技术的发展奠定了坚实基础。电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态。最常见同时也是最危险的故障是各种形式的短路，它严重的危机设备的安全和系统的可靠运行。此外，电力系统还会出现各种不正常的运行状态，最常见的如过负荷等。

在电力系统中，除了采取各项积极措施，尽可能地消除或减少发生故障的可能性以外，一旦发生故障，如果能够做到迅速地、有选择性地切除故障设备，就可以防止事故的扩大，迅速恢复非故障部分的正常运行，使故障设备免于继续遭受破坏。然而，要在极短的时间内发现故障和切除故障设备，只有借助于特别设置的继电保护装置才能实现。

电力系统继电保护的基本作用是：在全系统范围内，按指定分区实时的检测各种

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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。

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。 1.2 设计资料分析与参数计算 1.2.1标幺值的计算

参数计算需要用到标幺值或有名值，因此做下述简介。

在实际的电力系统中，各元件的电抗表示方法不统一，基值也不一样。如发电机电抗，厂家给出的是以发电机额定容量SN和额定电压Un为基值的标幺电抗Xd（%）；而输电线路电抗，通常是用有名值。

（1）标幺值的定义

在标幺制中，单个物理量均用标幺值来表示，标幺值的定义如下： 标幺值=实际有名值（任意单位）/基准值（与有名值同单位）

显然，同一个实际值，当所选的基准值不同是，其标幺值也不同。所以当诉说一个物理量的标幺值是，必须同时说明起基准值多大，否则仅有一个标幺值是没意义的。

（2）标幺值基准值的选取

当选定电压、电流、阻抗、和功率的基准值分别为UB、IB、ZB和SB时,相应的标幺值为

U*=U/UB I*=I/IB Z*=Z/ZB S*=S/SB

使用标幺值,首先必须选定基准值.电力系统的各电气量基准值的选择,在符合电路基本关系的前提下,原则上可以任意选取。

四个物理量的基准值都要分别满足以上的公式。因此，四个基准值只能任选两个，其余两个则由上述关系式决定。至于先选定哪两个基准值，原则上没有限制；但习惯上多先选定UB SB。这样电力系统主要涉及三相短路的IB ZB, 可得:

ＩＢ＝SB／(3UB)

ＺＢ＝UＢ／(3IB)＝U2B／SB

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UB和SB原则上选任何值都可以，但应根据计算的内容及计算方便来选择。通

常UB多选为额定电压或平均额定电压。SB可选系统的或某发电机的总功率；有时也可取一整数，如100、1000MVA等。 （3）标幺值的计算

① 精确的计算法，再标幺值归算中，不仅将各电压级参数归算到基本级，而且还需选取同样的基准值来计算标幺值。

1）将各电压级参数的有名值按有名制的精确计算法归算到基本级，再基本级选取统一的电压基值和功率基值。

2）各电压级参数的有名值不归算到基本值而是再基本级选取电压基值和功率基值后将电压基值向各被归算级归算,然后就在各电压级用归算得到的基准电压和基准功率计算各元件的标幺值。

②近似计算：标幺值计算的近似归算也是用平均额定电压计算。标幺值的近似计算可以就在各电压级用选定的功率基准值和各平均额定电压作为电压基准来计算标幺值即可。

本次设计采用近似计算法。取基准功率为100MVA，基准电压为115KV。所有元件的电阻都忽略不计，其中2.2KM线路基准电压为6.3K。 1.2.2线路元件的参数计算公式

一、发电机参数的计算 发电机的电抗有名值：

?2Xd(%)UN X?100SN发电机的电抗标幺值：

Xd?(%)SB X??100SN式中： Xd?(%)—— 发电机次暂态电抗

UN —— 发电机的额定电压

UB ——基准电压，取115KV

SB —— 基准容量，取100MVA SN ——发电机额定容量，单位MVA 计算过程详见计算书，计算结果如表1.1所示

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二、变压器参数的计算 （1） 双绕组变压器参数的计算：

双绕组变压器电抗有名值：

UK(%)UN2XT?

100SN双绕组变压器电抗标幺值：

XT??Uk(%)SB

100SN式中： UK(%——) 变压器短路电压百分值

UN —— 发电机的额定电压 UB

——基准电压115kv

SB —— 基准容量100MVA

SN ——变压器额定容量MVA （2） 三绕组变压器参数的计算： ①各绕组短路电压百分值

1〔Ud????（%）+Ud?????（%）-Ud??????（%）〕 21UK??（%）=〔Ud????（%）+Ud??????（%）-Ud?????（%）〕

21UK???（%）=〔Ud?????（%）+Ud??????（%）-Ud????（%）

2UK?（%）=

式中：UdⅠ—Ⅱ（%）、UdⅠ—Ⅲ（%）、 UdⅡ—Ⅲ（%）分别为高压与中压，高压与低压，

中压与低压之间的短路电压百分值。 ②各绕组的电抗有名值

UKI(%)UN2XT1 =

100SNUKII(%)UN2XT2 =

100SNUKIII(%)UN2XT3 =

100SN各绕组的电抗标幺值

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所以在最大运行方式下d1点短路时流经保护1的三相短路电流为：

I(3)f?1?Eeq?IBXff(1)?1?1.08?0.502?1.14kA

0.475

图3.2 d1点短路时最大运行方式正负序阻抗

零序阻抗等值图如图3.3所示：

Xff(0)?XT1//XT2?X3(0)?①单相短路接地时

0.33?0.318?0.483 2流过保护1的零序电流为 I0.1?②两相短路接地时

流过保护1的零序电流为

Eeq?IBXff(0)?Xff(1)?Xff(2)?1.08?0.502?0.38kA

0.475?2?0.483I0.1?Xff(2)Xff(2)?Xff(0)?Eeq?IBXff(1)?Xff(0)//Xff(2)?0.4751.08?0.502??0.38kA0.475?0.4830.475?0.483//0.475

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图3.3 d1点短路时最大运行方式零序阻抗

（2）最小运行方式

经以上最小运行方式原则的分析可得，最小运行方式是系统闭环运行，其正负序阻抗图如图3.4所示。

图3.4 d1点短路时最小运行方式正负序阻抗

0.814?0.33?(0.136?0.151)//0.106?0.8142所以在最小运行方式下d1点短路时总的两相短路电流为： Xff(1)?XG1//XG2?XT1?[X1(1)?X2(1)]//X3(1)?I(2)?f3?Eeq?IBXff(1)?Xff(2)?1.732?1.08?0.502?0.58kA

0.814?0.814流经保护1的两相短路电流为：

I1(2)?I(2)fX1(1)?X2(1)X1(1)?X2(1)?X3(1)?0.58?0.136?0.151?0.42kA

0.136?0.151?0.106零序阻抗等值图如图3.5所示：

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图3.5 d1点短路时最小运行方式零序阻抗

则Xff(0)?XT1?(X1(0)?X2(0))//X3(0)?0.33?(0.408?0.453)//0.318?0.562 ①单相短路接地时

总的零序电流为 If0?Eeq?IBXff(0)?Xff(1)?Xff(2)?1.08?0.502?0.25kA

0.814?2?0.562则流过保护1的零序电流为 I0.1?If0②两相短路接地时

总的零序电流为

0.408?0.453?0.25?0.73?0.18kA

0.408?0.453?0.318If0?Xff(2)Xff(2)?Xff(0)?Eeq?IBXff(1)?Xff(0)//Xff(2)?0.8141.08?0.502??0.28kA0.814?0.5620.814?0.562//0.814

则流过保护1的零序电流为I0.1?If03.2流经保护6的短路计算

（1）最大运行方式

经以上最大运行方式原则的分析，当d2点短路时，开环点在L1上，流经保护6的短路电流最大。

正负序阻抗等值图如图3.6所示：

0.408?0.453?0.28?0.73?0.20kA

0.408?0.453?0.318Xff(1)?XG5?XT7?X4(1)?X3(1)?0.391?0.33?0.181?0.106?1.008

所以在最大运行方式下d2点短路时流经保护6的三相短路电流为：

I(3)f?1?Eeq?IBXff(1)?1?1.08?0.502?0.54kA

1.008

图3.6 d2点短路时最大运行方式正负序阻抗

零序阻抗等值图如图3.7所示：

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Xff(0)?XT7?X4(0)?X3(0)?0.33?0.543?0.318?1.191

①单相短路接地时

流过保护6的零序电流为 I0.6?②两相短路接地时

流过保护6的零序电流为

Eeq?IBXff(0)?Xff(1)?Xff(2)?1.08?0.502?0.17kA

1.008?2?1.191I0.6?Xff(2)Xff(2)?Xff(0)?Eeq?IBXff(1)?Xff(0)//Xff(2)?1.0081.08?0.502??0.16kA1.008?1.1911.008?1.191//1.008

图3.7 d2点短路时最大运行方式零序阻抗

（2）最小运行方式

经以上最小运行方式原则的分析可得，最小运行方式是系统闭环运行，其正负序阻抗图如图3.8所示。

图3.8 d2点短路时最小运行方式正负序阻抗

Xff(1)?XG5?XT7?X4(1)?X3(1)//(X2(1)?X1(1))?0.391?0.33?0.181?0.106//(0.151?0.136)?0.979所以在最小运行方式下d2点短路时总的两相短路电流为：

I(2)?f3?Eeq?IBXff(1)?Xff(2)?1.732?1.08?0.502?0.48kA

0.979?0.979流经保护6的两相短路电流为：

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I(2)6?I(2)fX1(1)?X2(1)X1(1)?X2(1)?X3(1)?0.48?0.136?0.151?0.35kA

0.136?0.151?0.106零序阻抗等值图如图3.9所示：

图3.9 d2点短路时最小运行方式零序阻抗

则

Xff(0)?XT7?X4(0)?X3(0)//(X2(0)?X1(0))?0.33?0.543?0.318//(0.453?0.408)?1.105 ①单相短路接地时

总的零序电流为 If0?Eeq?IBXff(0)?Xff(1)?Xff(2)?1.08?0.502?0.18kA

0.979?2?1.105则流过保护6的零序电流为 I0.6?If0

②两相短路接地时

总的零序电流为

0.408?0.453?0.18?0.73?0.13kA

0.408?0.453?0.318If0?Xff(2)Xff(2)?Xff(0)?Eeq?IBXff(1)?Xff(0)//Xff(2)?0.9791.08?0.502??0.17kA0.979?1.1050.979?1.105//0.979

则流过保护6的零序电流为 I0.6?If03.3流经保护3的短路计算

（1）最大运行方式

经以上最大运行方式原则的分析，当d3点短路时，开环点在L3上，流经保护3的短路电流最大。

正负序阻抗等值图如图3.10所示：

0.408?0.453?0.17?0.73?0.12kA

0.408?0.453?0.31815

Xff(1)?XG5?XT7?X4(1)?X2(1)?X1(1)?0.391?0.33?0.181?0.151?0.136?1.189

所以在最大运行方式下d3点短路时流经保护3的三相短路电流为：

I(3)f?

1?Eeq?IBXff(1)?1?1.08?0.502?0.46kA

1.189

图3.10 d3点短路时最大运行方式正负序阻抗

零序阻抗等值图如图3.11所示：

Xff(0)?XT7?X4(0)?X2(0)?X1(0)?0.33?0.543?0.453?0.408?1.734

①单相短路接地时

流过保护3的零序电流为 I0.3?②两相短路接地时

流过保护3的零序电流为

Eeq?IBXff(0)?Xff(1)?Xff(2)?1.08?0.502?0.13kA

1.189?2?1.734I0.3?Xff(2)Xff(2)?Xff(0)?Eeq?IBXff(1)?Xff(0)//Xff(2)?1.1891.08?0.502??0.17kA1.734?1.1891.189?1.734//1.189

图3.11 d3点短路时最大运行方式零序阻抗

（2）最小运行方式

经以上最小运行方式原则的分析可得，最小运行方式是系统闭环运行，其正负序阻抗图如图3.12所示。

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图3.12 d3点短路时最小运行方式正负序阻抗

则由图可得Xff(1)?XG5?XT7?X4(1)?X3(1)//(X2(1)?X1(1))?0.979 所以在最小运行方式下d3点短路时总的两相短路电流为：

I(2)?f3?Eeq?IBXff(1)?Xff(2)?1.732?1.08?0.502?0.48kA

0.979?0.979流经保护3的两相短路电流为：

(2)I3?I(2)fX1(1)?X2(1)X1(1)?X2(1)?X3(1)?0.48?0.106?0.13kA

0.136?0.151?0.106零序阻抗等值图如图3.13所示：

图3.13 d3点短路时最小运行方式零序阻抗

则

Xff(0)?XT7?X4(0)?X3(0)//(X2(0)?X1(0))?0.33?0.543?0.318//(0.453?0.408)?1.105 ①单相短路接地时

总的零序电流为 If0?Eeq?IBXff(0)?Xff(1)?Xff(2)?1.08?0.502?0.18kA

0.979?2?1.105则流过保护3的零序电流为 I0.3?If0②两相短路接地时

总的零序电流为

0.318?0.05kA

0.408?0.453?0.31817

If0?Xff(2)Xff(2)?Xff(0)?Eeq?IBXff(1)?Xff(0)//Xff(2)?0.9791.08?0.502??0.17kA0.979?1.1050.979?1.105//0.979

则流过保护3的零序电流为 I0.3?If0

由于篇幅有限，其他保护的短路计算过程从略，计算流经保护各短路点最大运行方式下的开环点，如表3.1所示。

表3.1 流经保护各短路点最大运行方式下的开环点 短路点 开环点 d1 L2 d2 L1 d3 L3 d4 L2 d5 L1 d6 L3 d7 — d8 — 0.318?0.05kA

0.408?0.453?0.318

当中性点直接接地系统中发生接地短路时，将出现很大的零序电压和电流，我们利用零序电压、电流来构成接地短路的保护，具有显著地优点，被广泛应用在110kV及以上电压等级的电网中。

电网接地的零序电流保护也可按三段式电流保护的模式构成，可分为无时限零序电流速断保护、带时限零序电流速断保护和零序过电流保护三段。具体应用中考虑到零序网络的特点而有所变化。

根据上面的分析，把各保护的最大运行方式和最小运行方式下的单相接地及两相接地短路下的零序电流计算出来，以便进行零序电流保护的整定。

流经保护各短路点的短路计算结果如表3.2所示，零序电流如表3.3所示：

表3.2 流经保护各短路点的短路计算结果

最大运行方式 短路点 最小运行方式 Xff(1) 0.475 1.008 1.189 0.406 Eeq 1.08 1.08 1.08 1.08 Xff(2) 0.475 1.008 1.189 0.406 Xff(0) 0.483 1.191 1.734 0.553 I(3)f (kA) Xff(1) 0.814 0.979 0.979 0.826 Eeq 1.08 1.08 1.08 1.08 Xff(2) 0.814 0.979 0.979 0.826 Xff(0) 0.562 1.105 1.105 0.597 I(2)f (kA) 0.42 0.35 0.13 0.37 d1 d2 d3 d4 1.14 0.54 0.46 1.34 18

d5 d6 d7 d8 1.055 0.656 0.904 0.626 1.08 1.08 1.08 1.08 1.055 0.656 0.904 0.626 1.986 1.851 1.533 1.610 0.54 0.86 0.63 0.96 1.520 0.814 0.904 0.995 1.08 1.08 1.08 1.08 1.520 0.814 0.904 0.995 1.812 1.222 1.533 1.610 0.32 0.60 0.54 0.49

表3.3 流经保护各短路点的零序电流 短路点 d1 d2 d3 d4 d5 d6 d7 d8 最大运行方式（kA） 单相接地 0.38 0.17 0.13 0.40 0.46 0.23 0.34 0.28 两相接地 0.38 0.16 0.17 0.36 0.58 0.33 0.47 0.45 最小运行方式（kA） 单相接地 0.18 0.13 0.05 0.16 0.27 0.24 0.22 0.25 两相接地 0.20 0.12 0.05 0.18 0.42 0.41 0.32 0.34

4.电流保护整定计算

是否正确计算，直接影响到距离保护定值及保护范围的大小，也就影响了保护各段的相互配合及灵敏度。正确选择与计算助增系数，是距离保护计算配合的重要工作内容之一。目前电力系统中的相间距离保护多采用三段式阶梯型时限特性的距离保护。三段式距离保护的整定计算原则与三段式电流保护的整定计算原则相同。 4.1保护1的电流保护整定

（1）电流速断保护（电流Ⅰ段）的整定计算

①动作电流：按照躲开本线路末端的最大短路电流来整定。

Ⅰ（3）IⅠ?1.3?1.14?1.482kAset.1?KrelIf （可靠系数Krel?1.3）

Ⅰ②动作时间

Ⅰt 1??s

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③保护范围的校验

系统最大阻抗为

Lmin1?Xs.maxZG1VB20.8141152?(?XT1)??(?0.33)??97.47?2SB2100

1Ue1115?(Ⅰ?Xs.max)??(?97.47)??146.7kMX02Iset.10.42?1.482

即保护1的电流速断保护在最小运行方式下没有保护区。

（2）限时电流速断保护（电流Ⅱ段）的整定计算

①动作电流：按照躲开下级各相邻元件电流速断保护的最大动作范围来整定。

ⅡⅠⅡⅠ（3）IⅡ?1.15?1.3?0.63?0.942kAset.1?KrelIset.7?KrelKrelIf

②动作时间

Ⅱt 1??.5s

③灵敏度的校验

Ksen?I(2)fIⅡset.1?0.42?0.446?1.30.942

不满足要求。

（3）定时限过电流保护（电流Ⅲ段）的整定计算 ①动作电流：按照躲开本元件的最大负荷电流来整定。

IⅢset.1ⅢKrelKss1.15?1.3?IL.max??0.3012?0.53kAKre0.85

②动作时间

Ⅲt1 ?1.0s

③灵敏度的校验

Ksen?I(2)fⅢIset.1?作为近后备保护时

0.42?0.792?1.30.53； 0.54?1.02?1.30.53；

作为近后备保护时

Ksen?I(2)fIⅢset.1?两种情况下的灵敏度都不满足要求。

由以上整定计算结果可知，电流保护不能作为本设计的主保护，我们改用距离保护作为主保护，下面将以距离保护进行整定。

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5.电网线路继电保护整定计算

5.1距离保护的整定计算

如图5.1所示，因为本设计的110kV电网线路主保护采用距离保护，现对其进行整定计算。

图5.1 110kV电网线路保护

5.1.1保护1的距离保护整定计算 （1）Ⅰ段的整定计算 ①动作阻抗

按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

ⅠⅠZ?Kset.1relZ3?0.85?14?11.9?

②动作延时

距离保护?段的动作时限是由保护装置的继电器固有动作时限决定，人为延时为

Ⅰt零，即1??s。

（2）Ⅱ段的整定计算

①动作阻抗 ：按下列三个条件选择： a.与相邻线路L2的保护5的?段配合

ⅡⅡⅠZ=K（Z+KZ）set.1rel3b.minset.5

ⅡKK式中，取rel=0.8，b.min为保护5的?段末端发生短路时对保护1而言的最小分

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（0.814/2+0.33）Xs1.min=?0.36852支系数，如图5.2所示。对于G1~G4，有， Xs1.max=0.814?0.33?0.7372。对于G5，有Xs2.min?Xs2.max?0.391?0.33?0.721

当保护5的?段末端发生短路时，分支系数为：

Kb.min?I3X?X3IX0.3685?0.106?1?2?1?1?1?s1.min?1??1.526I1I1X2Xs2.max?X40.721?0.181

ⅡⅠZⅡset?Krel(Z3?Kb.minZset.5)?0.8?(14?1.526?0.85?20)?31.95?

图5.2 保护5的Ⅰ段末端短路时的等值电路

b.与相邻线路L4的保护7的?段配合

当保护7的?段末端发生短路时，分支系数为：Kb.min?1

ⅡⅡⅠZ?K(Z?KZsetrel3b.minset.7)?0.8?(14?1?0.85?24)?27.52? 于是

c.按躲开相邻变压器低压侧出口短路整定

图5.3变压器低压侧短路时的等值电路

Kb.min为变压器低压侧出口发生短路时对保护1而言的最小分支系数，如图5.3

22

K?所示。当变压器低压侧发生短路时，分支系数为：行时K有最小值，即忽略线路L1和L2，有

Kb.min?1?II4I?1?2?3I1I1I1，取线路开环运

I3X?X30.3685?0.106?1?s1.min?1??1.526I1Xs2.max?X40.721?0.181

ⅡⅡZ?Krel(Z3?Kb.minZt)?0.7?(14?1.526?92.58/2)?59.25? 于是setⅡZ取以上三个计算值中较小者为П段整定值，即取set.1?27.52?

②灵敏性校验：按本线路末端短路求灵敏系数为

KsenZⅡ27.52?set.1??1.966?1.25Z314，满足要求。

③动作延时，与相邻保护7的?段配合，则

ⅡⅠt?t7??t?0.5s 1它能同时满足与相邻保护以及与相邻变压器保护配合的要求。 （3）Ш段的整定计算

①动作阻抗：按躲开最小负荷阻抗整定

ZL.min?0.9Ue3IL3.max?0.9?110?189.77?3?0.3012

取Kss?1.3，Krel?0.85，Kre?1.15，于是

ШZset.1?KrelZL.min0.85?189.77??107.89?KssKre1.3?1.15

②灵敏性校验：

a.本线路末端短路时的灵敏系数为：

ШZset107.89.1Ksen1???7.71?1.5Z314，满足要求。

b.相邻线路L2末端短路时（如图5.4）：

Kb.max?II4?1?3I1I1

I1(1)?X1I2X1?X2?X3

最大分支系数：

当G1～G4单独作用时，流过保护1的电流为:

23

I1(2)??当G5单独作用时，流过保护1的电流为:

X2I3X1?X2?X3(反方向)

X?X4?X2//(X1?X3)0.721?0.181?0.151//(0.136?0.106)I(2)min?s2.min??1.205I3Xs1.max?X1//(X2?X3)0.737?0.136//(0.106?0.151)

Kb.max?1?I3?1?I1I3X1X2I2?I3X1?X2?X3X1?X2?X31?1?1X1IX2(2)min?X1?X2?X3I3X1?X2?X3?31.30.1360.151?1.205?0.136?0.151?0.1060.136?0.151?0.106ШZset107.89.1Ksen2???0.174?1.2Z?KZ14?31.3?203b.maxnext于是，不满足要求。

图5.4线路L2末端短路时的等值电路

c.相邻线路L4末端短路时（如图5.5所示）：

Kb.max?I3X3I14?1?2?1??1??1.37I1I1X1?X218?20

?1?最大分支系数：

ШZset107.89.1Ksen3???2.3?1.2Z?KZ14?1.37?243b.maxnext于是，满足要求。

24

图5.5线路L4末端短路时的等值电路

d.相邻变压器低压侧短路时（如图5.6所示）：

Kb.max?II4I?1?2?3?1?0.369?1.236?2.065I1I1I1

最大分支系数：

于是

Ksen4ШZset107.89.1???0.802?1.2Z3?Kb.maxZnext14?2.065?92.58/2 ，不满足要求。变压器

增加近后备保护，整定计算略。 ③动作延时：

Шt?1.5?0.5?0.5?2.5s 5保护5的动作时间为：

Шt?0.5?0.5?1s 7保护7的动作时间为：

Шt?1.5?0.5?2s T变压器保护的动作时间为：

ШШt?t??t?2.5?0.5?3s 15取其中较长者，于是保护1的动作时间为：

图5.6变压器低压侧短路时的等值电路

5.1.2保护6的距离保护整定计算 （1）Ⅰ段的整定计算 ①动作阻抗

按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

ⅠⅠZ?Kset.6relZ3?0.85?14?11.9?

②动作延时

距离保护?段的动作时限是由保护装置的继电器固有动作时限决定，人为延时为

25

Ⅰt零，即6??s。

（2）Ⅱ段的整定计算 ①动作阻抗 ：

a.与相邻线路L1的保护2的?段配合

ⅡⅡⅠZ=K（Z+KZset.6rel3b.minset.2）

ⅡK式中，取rel=0.8，Kb.min为保护2的?段末端发生短路时对保护6而言的最小分支系

数，如图5.7所示。

当保护2的?段末端发生短路时，分支系数为：

Kb.min?I3X?X4?X3I0.721?0.181?0.106?1?1?1?s2.min?1??2.4I2I2Xs1.max0.737

ⅡⅠZⅡset?Krel(Z3?Kb.minZset.2)?0.8?(14?2.4?0.85?18)?40.576?

图5.7 保护2的Ⅰ段末端短路时的等值电路

②灵敏性校验：按本线路末端短路求灵敏系数为

KsenZⅡ40.576?set.6??2.898?1.25Z314，满足要求。

③动作延时，与相邻保护2的?段配合，则

ⅡⅠt?t62??t?0.5s

（3）Ш段的整定计算

①动作阻抗：按躲开最小负荷阻抗整定

ZL.min?0.9Ue3IL3.max?0.9?110?189.77?3?0.3012

取Kss?1.3，Krel?0.85，Kre?1.15，于是

26

ШZset.1?KrelZL.min0.85?189.77??107.89?KssKre1.3?1.15

②灵敏性校验：

a.本线路末端短路时的灵敏系数为：

ШZset107.89.1Ksen1???7.71?1.5Z314，满足要求。

b.相邻线路L1末端短路时（如图6.8所示）：

Kb.max最大分支系数：

I4I4(2)?I4(1)??I1I1(2)?I1(1)

I4(1)?X2?X3I1(1)X1

当G1～G4单独作用时，流过保护6的电流为:当G5单独作用时，流过保护6的电流为:

I4(2)?I1(2)

(I1(2)I1(1))min?X2I3X2Xs1.min?X1//(X2?X3)?X1I2X1Xs2.max?X4?X2//(X1?X3)?0.1510.3685?0.136//(0.106?0.151)?0.510.1360.721?0.181?0.151//(0.106?0.136)

图5.8线路L1末端短路时的等值电路

Kb.max?

I4(2)?I4(1)I1(2)?I1(1)I1(2)X3?X2X3?X20.106?0.151?I1(2)?I1(1)0.51?IX1X10.136??1(1)??2.82II1(2)?I1(1)0.51?11(2)?1I1(1)27

于是

Ksen2ШZset107.89.1???1.67?1.2Z3?Kb.maxZnext14?2.82?18，满足要求。

③动作延时：

ШШt?t1??t?3?0.5?3.5s 保护6的动作时间为：65.1.3保护8的距离保护整定计算 （1）Ⅰ段的整定计算 ①动作阻抗

按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

ⅠⅠZ?Kset.8relZ4?0.85?24?20.4?

②动作延时

距离保护?段的动作时限是由保护装置的继电器固有动作时限决定，人为延时为

Ⅰt零，即8??s。

（2）Ⅱ段的整定计算

①动作阻抗 ：按下列三个条件选择： a.与相邻线路L3的保护6的?段配合

ⅡⅡⅠZ=K（Z+KZset.8rel4b.minset.6）

ⅡKK式中，取rel=0.8，b.min为保护6的?段末端发生短路时对保护8而言的最小分支系

数。

当保护6的?段末端发生短路时，分支系数为：Kb.min?1

ⅡⅠZⅡset?Krel(Z4?Kb.minZset.6)?0.8?(24?1?0.85?14)?28.72?

b.与相邻线路L2的保护5的?段配合

当保护5的?段末端发生短路时，分支系数为：Kb.min?1

ⅡⅡⅠZ?K(Z?KZsetrel4b.minset.5)?0.8?(24?1?0.85?20)?32.8? 于是

c.按躲开相邻变压器低压侧出口短路整定

28

图5.9变压器低压侧短路时的等值电路

Kb.min为变压器低压侧出口发生短路时对保护8而言的最小分支系数，如图5.9

所示。当变压器低压侧发生短路时，分支系数为：

Kb.min?I3X?X4I0.721?0.181?1?2?1?s2.min?1??2.07I1I1Xs1.max?X30.737?0.106

ⅡⅡZ?Ksetrel(Z4?Kb.minZnext)?0.7?(24?2.07?92.58/2)?83.87? 于是

ⅡZ取以上三个计算值中较小者为П段整定值，即取set.8?28.72?

②灵敏性校验：按本线路末端短路求灵敏系数为

KsenZⅡ28.72?set.8??1.2?1.25Z424，不满足要求。

则距离保护8的Ⅱ段应改为与相邻线路L3的保护6的Ⅱ段相配合，计算如下：

ZⅡset.8?0.8?(24?1?40.576)?51.66?

③动作延时，与相邻保护6的П段配合，则

ⅡПt?t6??t?0.5?0.5?1s 1（3）Ш段的整定计算

①动作阻抗：按躲开最小负荷阻抗整定

ZL.min?0.9Ue3IL4.max?0.9?110?361.447?3?0.15814

取Kss?1.3，Krel?0.85，Kre?1.15，于是

ШZset.1?KrelZL.min0.85?361.447??205.5?KssKre1.3?1.15

②灵敏性校验：

a.本线路末端短路时的灵敏系数为：

29

ШZset205.5.8Ksen1???8.56?1.5Z424，满足要求。

b.相邻线路L3末端短路时（如图5.10）：

当G1～G4单独作用时，

I3(1)?I4I3(2)?；当G5单独作用时，

X1?X2I1X1?X2?X3

Kb.max?最大分支系数：

I3I3(2)+I3(1)?I1I1X1+X2I1+I4X1?X2?X3X1+X2I?=+4I1X1?X2?X3I1

X+X?X3//(X1?X2)0.721+0.181+0.106//(0.136?0.151)I(4)min?s2.min4=?1.329Xs1.max0.737而I1 Kb.max?0.136+0.151+1.329=2.060.136+0.151+0.106 205.5?3.89?1.224?2.06?14，满足要求。

即

于是

Ksen2?

图5.10线路L3末端短路时的等值电路

c.相邻线路L2末端短路时（如图5.11所示）：

I4(1)?X1I2X1?X2?X3

当G1～G4单独作用时，

I4(2)?当G5单独作用时，

X1?X3I3X1?X2?X3

30

X+X?X2//(X1?X3)0.721+0.181+0.151//(0.136?0.106)I(2)max?s2.max4=?2.17I3Xs1.min+X1//(X2?X3)0.3685?0.136//(0.151?0.106)

I4I4(1)?I4(2)?I3I3X1?X3X1I2?I3X?X2?X3X1?X2?X3X1?X3X1I2?1??I3X1?X2?X3I3X1?X2?X3Kb.max??0.1360.136?0.106?2.17??1.3690.3930.393205.5Ksen3??4.0?1.224?1.369?20于是，满足要求。

图5.11线路L2末端短路时的等值电路

d.相邻变压器低压侧短路时（如图5.12所示）：

Kb.max?I3I0.721+0.181?1?2?1??3.02I1I10.3685+0.106//(0.136?0.151)

最大分支系数：

于是

Ksen4ШZset205.5.8???1.254?1.2Z4?Kb.maxZnext24?3.02?92.58/2 ，满足要求。

图5.12变压器低压侧短路时的等值电路

31

③动作延时：

Шt?4s 5保护5的动作时间为：

Шt?3.5s 6保护6的动作时间为：

Шt变压器保护的动作时间为：T?1.5?0.5?2s

ШШt?t??t?4?0.5?4.5s 85取其中较长者，于是保护8的动作时间为：

5.1.4保护2的距离保护整定计算 （1）Ⅰ段的整定计算 ①动作阻抗

按躲过本线路末端短路时的测量阻抗来整定。

ⅠⅠZ?Kset.2relZ1?0.85?18?15.3?

②动作延时

距离保护?段的动作时限是由保护装置的继电器固有动作时限决定，人为延时为

Ⅰt零，即2??s。

(2）Ⅱ段的整定计算 ①动作阻抗 ：

a.与相邻线路L2的保护4的?段配合

当保护4的?段末端发生短路时，分支系数为：Kb.min?1

ⅡⅠZⅡ?K(Z?KZsetrel1b.minset.4)?0.8?(18?1?0.85?20)?28?

b.按躲开相邻变压器低压侧出口短路整定（如图5.13所示）：

图5.13变压器低压侧短路时的等值电路

当变压器低压侧发生短路时，分支系数为：

Kb.min?I3Xs1.min?X1I0.3685?0.136?1?2?1??1??1.479I1I1Xs2.max?X4?X20.721?0.181?0.151

32

ⅡZ于是set?0.7?(18?1.479?92.58/2)?60.53?

ⅡZ取以上三个计算值中较小者为П段整定值，即取set.2?28?

②灵敏性校验：按本线路末端短路求灵敏系数为

KsenZⅡ28?set.2??1.556?1.25Z118，满足要求。

③动作延时，与相邻保护4的Ⅰ段配合，则

ⅡⅠt?t14??t?0.5s

（3）Ш段的整定计算

①动作阻抗：按躲开最小负荷阻抗整定

ZL.min?0.9Ue3IL1.max?0.9?110?189.77?3?0.3012

取Kss?1.3，Krel?0.85，Kre?1.15，于是

ШZset.2?KrelZL.min0.85?189.77??107.89?KssKre1.3?1.15

②灵敏性校验：

a.本线路末端短路时的灵敏系数为：

ШZset107.89.2Ksen1???5.99?1.5Z118，满足要求。

b.相邻线路L2末端短路时：

最大分支系数为：Kb.max?1

Ksen2?107.89?2.84?1.218?1?20，满足要求。

c.相邻变压器低压侧短路时：

Kb.max?1?0.106+0.136?2.6030.151

最大分支系数为：

Ksen3?于是

107.89?0.779?1.218?2.603?92.58/2，不满足要求。变压器增加近后备保护，

整定计算略。 ③动作延时：

33

Шt?1.5?0.5?2s T变压器保护的动作时间为：Шt保护4的动作时间为：4?4s

ШШt?t??t?4?0.5?4.5s 24取其中较长者，有保护2的动作时间为：

由于篇幅问题，我们没有把保护3、4、5、7整定计算过程一一列举出来，各个保护的距离保护整值如表5.1所示：

表5.1距离保护整定值

阶 段 第Ⅰ段 第Ⅱ段 第Ⅲ段 保护点 保护1点 保护2点 保护3点 保护4点 保护5点 保护6点 保护7点 保护8点 （s） 整定值（s） 整定值（s） 整定值（?） 时限（?） 时限（?） 时限11.9 15.3 15.3 17.0 17.0 11.9 20.4 20.4 0 0 0 0 0 0 0 0 27.52 28.00 39.28 32.32 28.24 40.58 47.70 51.66 0.5 2.5 0.5 0.5 0.5 0.5 0.5 1.0 107.89 107.89 107.89 215.78 215.78 107.89 364.10 205.50 3.0 4.5 3.5 4.0 4.0 3.5 1.0 4.5 6.继电保护零序电流保护的整定计算和校验

6.1零序电流保护的评价及使用范围

在大接地电流系统中，采用零序电流保护和零序方向电流保护与采用三相完全星形接线的电流保护和方向电流保护来防御接地短路相比较，前者具有较突出的优点：

(1) 灵敏度高

相间短路过电流保护的启动电流是按躲过最大负荷电流来整定的，一般二次侧继电器的启动电流为5~7A；而零序过电流保护则是按躲过相间短路时的最大不平衡电流来整定的，一般二次侧继电器的起动电流为2~4A。而当发生单相接地短路时，故障相电流与零序电流3I0相等，因此，零序过电流保护的灵敏度

(2) 延时小

对同一线路而言，一零序电流保护的动作时限不必考虑与 Y/△接线变压器后的

34

保护的配合，所以，一般零序过电流保护的动作时限要比相间短路过电流保护的小（1~3）?t。

(3) 在保护安装处正向出口短路时，零序功率方向元件没有电压死区，而相间短路保护功率方向元件有电压死区。

(4) 当系统发生如振荡、短时过负荷等不正常运行情况时，零序电流保护不会误动作，而相间短路电流保护则受振荡、短时过负荷的影响而可能误动，故必须采用措施予以防止。

(5) 在电网变压器中性点接地的数目和位置不变的条件下，当系统运行方式变化时，零序电流变化较小，因此，零序电流速断保护的保护范围长而稳定。而相间短路电流速断保护，受系统运行方式变化的影响较大。

(6) 采用了零序电流保护后，相间短路的电流保护就可以采用两相星形接线方式，并可和零序电流保护合用一组电流互感器，又能满足技术要求，而且接线也简单。

应该指出，在110KV及以上电压系统中，单相接地短路故障约占全部故障的80%~90%，而其它类型的故障，也往往是由单相接地发展起来的。所以，采用专门的零序电流保护就有其更重要的意义。因而，在大接地电流系统中，零序电流保护获得广泛的应用。但是，零序电流保护也存在一些缺点，主要表现在以下两方面：

①于短线路或运行方式变化很大的电网，零序电流保护往往难于满足系统运行所提出的要求，如保护范围不够稳定或由于运行方式的改变需要新整定零序电流保护。

②110KV及以上电压的电力系统，由于单相重合闸的广泛应用，影响了零序电流保护的正确工作，这时必须增大保护的起动值，或采取措施使保护退出工作，待全相运行后再投入。

当中性点直接接地系统中发生接地短路时，将出现很大的零序电压和电流，我们利用零序电压、电流来构成接地短路的保护，具有显著地优点，被广泛应用在110kV及以上电压等级的电网中。

电网接地的零序电流保护也可按三段式电流保护的模式构成，可分为无时限零序电流速断保护、带时限零序电流速断保护和零序过电流保护三段。具体应用中考虑到零序网络的特点而有所变化。 6.2零序电流保护的特点

中性点直接接地系统中发生接地短路，将产生很大的零序电流分量，利用零序电流分量构成保护，可作为一种主要的接地短路保护。因为它不反映三相和两相短路，

35

在正常运行和系统发生振荡时也没有零序分量产生，所以它有较好的灵敏度。另一方面，零序电流保护仍有电流保护的某些弱点，即它受电力系统运行方式变化的影响较大，灵敏度将因此降低；特别是在短距离的线路上以及复杂的环网中，由于速动段的保护范围太小，甚至没有保护范围，致使零序电流保护各段的性能严重恶化，使保护动作时间很长，灵敏度很低。

当零序电流保护的保护效果不能满足电力系统要求时，则应装设接地距离保护。接地距离保护因其保护范围比较固定，对本线路和相邻线路的保护效果都会有所改善。

零序电流保护接于电流互感器的零序电流滤过器，接线简单可靠，零序电流保护通常由多段组成，一般是三段式，并可根据运行需要而增减段数。为了适应某些运行情况的需要，也可设置两个一段或二段，以改善保护的效果。 6.3零序电流保护的整定计算 零序电流保护I段的整定

（1）按躲开本线路末端接地短路的最大零序电流整定，即：

I0,op??K?rel3I0?max=1.3×3349.01= 4353.713 （A）

（2）灵敏度的校验：保护15%处短路时流过保护的最小零序电流值应大于整定值即最小保护范围要求不小于本保护线长度的15%

3??01??5121.42 〉4353.713 满足灵敏度要求。 （3） 整定的动作延时为0 S。 零序电流保护II段的整定

（1）与相邻下一级线路的零序电流保护I段配合整定，即 I0,op?Krel3I0?max=1.3?1051.9 = 1367.47（A）

??Kbmin=

???DF1.62=1?CD=1? = 1.46

3.519?CD?T??I0,op1?KrelI0,opK?bmin1.1?1367.47?1030.286（A）

1.46（2）零序Ⅱ段的灵敏度校验：

36

Ks,min??3I0minI??0,op12209.24?2.146 〉1.3

1030.286满足灵敏度要求。 （3）动作时间：0.5S 零序电流保护Ⅲ段的整定

（1）整定值：躲过线路末端短路时可能出现的最大不平衡电流即：

(3)I?KKKI unb,maxnpsterk.max???????TA=

2?0.5?0.1?1.066?5021= 5.35 （A）

100I0.op1?KrelIunb,max = 1.3×5.35 = 6.955 （A）

（2）灵敏度校验：

当作近后备保护时：

3I0min2209.24???==3.176 〉1.3 ?Ks,min???100?6.955?TAI0,op1满足灵敏度要求。 当作远后备保护时：

3I0min351.47???==0.505〈1.2 ?Ks,min????TAI0,op1100?6.955不满足灵敏度要求。 （3）动作时间：1S

（4）由于灵敏度不满足要求应换成接地距离保护。

6.4整定结果

按照零序电流保护整定计算的原则，可算出各点保护的零序电流整定值如下表6.1所示：

表6.1 各点的零序整定值

短路点 零序I段 起动电流（kA） 1.37 0.61 0.61 1.44 动作时限(s) 0 0 0 0 零序II段 起动电流（kA） 0.10 0.12 0.05 0.10 动作时限(s) 0.5 0.5 0.5 0.5 零序III段 起动电流（kA） 0.09 0.09 2.94 0.03 动作时限(s) 2.5 2.5 1.0 2.0 d1 d2 d3 d4 37

d5 d6 d7 d8 2.09 1.48 1.69 1.62 0 0 0 0 0.14 0.52 2.94 0.36 0.5 0.5 0.5 0.5 0.03 0.05 2.94 0.05 2.0 1.0 1.0 2.0 7 综合评价

7.1对电流保护的综合评价

三段式电流保护的主要优点是简单、可靠、经济，并且一般情况下都能较快的切除故障。但是一般用于35KV及以下的电压等级的电网中，对于容量大、电压高或者结构复杂的网络，它难于满足电网对保护的要求。缺点是它的灵敏度和保护范围直接受系统运行方式和短路类型的影响，此外，它只在单侧电源电网中才有选择性。 7.2对零序电流保护的评价

零序电流保护比相间短路的电流保护有较高的灵敏度。对于零序一段，由于线路的零序阻抗大于正序阻抗，使的线路始末两端电流变化较大，因此使零序一段保护范围增大，即提高了灵敏度；对于零序三段，由于起动值是按不平衡电流来整定的，所以比相间短路的电流保护的起动值小，即灵敏度高；零序过电流保护的动作时限较相间保护短；零序电流保护不反映系统振荡和过负荷；零序功率元件无死区，副方电压断线时，不会误动作；接线简单可靠。其缺点是不能反应相间短路。

7.3对距离保护的综合评价

主要优点：能满足多电源复杂电网对保护动作选择性的要求，阻抗继电器是同时反应电压的降低和电流的增大而动作的，因此距离保护较电流保护有较高的灵敏度。其中Ⅰ段距离保护基本不受运行方式的影响，而Ⅱ、Ⅲ段受系统运行变化的影响也较电流保护要小一些，保护区域比较稳定。

主要缺点：不能实现全线瞬动。对双侧电源线路，将有全线的30﹪～40﹪的第Ⅱ段时限跳闸，这对稳定有较高要求的超高压远距离输电系统来说是不能接受的。阻抗继电器本身较长复杂，还增设了振荡闭锁装置，电压断线闭锁装置，因此距离保护装置调试比较麻烦，可靠性也相对低些。

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8 结论

本次设计过程主要是针对110KV电网接线，在本次设计中，遇到很多的困难，存在很多计算的不够正确，这主要是自己对理论知识的掌握不够熟练所导致。在老师的精心指导下我重点介绍了距离保护整定计算和零序电流保护整定计算，从不同的短路情况进行分析和计算，首先选择过电流保护，对电网进行短路电流计算，包括电流的正序、负序、零序电流的短路计算，整定电流保护的整定值。在过电流保护不满足的情况下，相间故障选择距离保护，接地故障选择零序电流保护，同时对距离保护、零序电流保护进行整定计算，对不同的短路参数来进行不同种类设备的选择。

感谢老师和同学们的支持帮助，谢谢！

参考文献

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/95iw.html