电力系统继电保护原理课程设计--单辐射式输电线路阶段式电流保护

《电力系统继电保护课程设计》

题 目: 单辐射式输电线路阶段式电流保护设计

系 别: 自动化学院 专 业: 07电气工程及其自动化

(低压电力智能控制方向)

电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文

前 言

电力生产发，送，变，用的同时性，决定了它每一个过程重要性。电力系统要通过设计、组织，以使电力能够可靠、经济地送到用户。对供电系统最大的威胁就是短路故障，它会给系统带来巨大的破坏作用，因此我们必须采取措施来防范它。

对于一个大电网，故障发生的几率和故障带来的扰动是相当大的，如果没有切除故障的保护装置，电网是不允许运行的。这就是继电保护在实际应用中的重要程度。正确安装保护装置的必要性是显而易见的。但在系统复杂的内部连接和与电厂的关系致使很难检查正确与否。因此有必要采取校验手段。保护是分区域布置的，这样整个电力系统都得到了保护，而不存在保护死区。当故障发生时，保护应有选择地动作，跳开距离故障点最近的开关。

电力系统在运行中，可能发生各种故障和不正常运行状态。故障和不正常运行状态都可能在电力系统中引起事故。故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障元件，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。切除故障的时间常常要求小到十分之几甚至百分之几秒，实践证明只有装设在每个电气元件上的保护装置才有可能满足这个要求。而这种保护装置直到目前为止，大都是由单个继电器或者继电器与其附属设备的组合构成的，因而称之继电保护装置。其基本任务是：

（1） 自动、迅速、有选择性的将故障元件从电力系统中切除，使故障元件免于继续遭到破坏，保证其他无故障部分迅速恢复正常运行；

（2） 反应电气元件的不正常运行状态，并根据运行维护的条件，而动作于发出信号，减负荷或跳闸。

可见，继电保护对保证系统安全、稳定和经济运行，阻止故障的扩大和事故的发生，发挥着极其重要的作用。因此，合理配置继电保护装置，提高整定和校核工作的快速性和准确性，以满足现代电力系统安全稳定运行的要求，理应得到我们的重视。

II

电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文

目录

目录 .............................................................. 1

一、课程设计目的和任务 ............................................ 2

二、设计主要仪器设备和材料 ........................................ 3

三、阶段式电流保护原理 ............................................ 3

四、线路相同短路的阶段式电流保护装置 .............................. 4

五、阶段式电流保护实验参数整定计算 ................................ 5

六、实验验证与调整 ................................................ 4

七、小结与展望 ................................................... 16

八、致谢 ......................................................... 16

九、主要参考文献 ................................................. 16

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一、课程设计目的和任务

设计目的：通过设计,使学生掌握和应用电力系统继电保护的设计,整定计算,资料整理查询和电气绘图等使用方法.在此过程中培养学生对各门专业课程整体观念综合能力,通过较为完整的工程实践基本训练,为全面提高学生的综合素质及增强工作适应能力打下一定的基础.本课程主要设计35KV线路,变压器,发电机继电保护的原理,配置及整定计算,给今后继电保护的工作打下良的基础。但由于实验条件所限，我们只能用200V的单辐射式输电线路阶段式电流保护设计来模拟上述设计。

设计任务：某线路网络接线如下

图1 线路网络接线图

已知：Es?200/3V，XS,MAX?14?，XS.MIN?10?，L1?85km，L2?80km，

Z1?0.4?/km，线路正常运行时的负荷电流为0.25A。要求： (1)计算f1、f2、f3、f4各点的最大和最小运行方式下的短路电流； (2)选出线路L1的电流互感器变比；

(3)选出线路L1的保护方案并作出整定计算； (4)画出原理图

(5)选出所需继电器的规格、型号； (6)根据选出的继电器进行实训。

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二、设计主要仪器设备和材料

表1 设计主要设备

序号 设备名称 使 用 仪 器 名 称 1 2 3 4 5 6 7 8 9 控制屏 数量 1 1 2 2 1 1 1 1 1 1 EPL-02A A站保护， B站保护 EPL-04 EPL-05 EPL-06 继电器（一）—DL-21C电流继电器 继电器（二）—DS-21时间继电器 继电器（四）—DZ-31B中间继电器 EPL-07B 继电器（五）—DX-8信号继电器 EPL-11 EPL-11 EPL-12 交流电压表 交流电流表 光示牌 10 EPL-17A 三相交流电源 11 EPL-11 直流电源及母线 三、阶段式电流保护实验原理

无时限电流速断保护、带时限电流速断保护和定时限过电流保护都是反应于电流升高而动作的保护装置。他们之间的区别主要在于按照不同的原则来选择起动电流。即速断是按照躲开某一点的最大短路电流来整定，限时速断是按照躲过前方各相邻元件电流速断保护的动作电流整定，而过电流保护则是按照躲过最大负荷电流来整定。由于电流速断不能保护线路全长，限时电流速断又不能作为相邻元件的后备保护，因此，为保证迅速而有选择性的切除故障，常常将电流速断、限时电流速断和过电流保护组合在一起，构成阶段式过流保护。具体应用时，可以只采用速断加过流保护，或限时速断加过流保护，及构成两段式过流保护，也可以三者同时使用，及构成三段湿过流保护。

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四、线路相同短路的阶段式电流保护装置

由无时限电流速断保护、带时限电流速断保护、定时限过电流保护相配合

而构成阶段式电流保护装置。这三部分保护分别叫作I、II、III段，其中I段无时限电流速断保护、II段带时限电流速断保护是主保护，III段定时限过电流保护是后备保护。

（1）阶段式电流保护的保护范围及时限配合

如图11-6所示，当在L1线路首端f1点短路时，保护1的I、II、III段均启动，由I段将故障瞬时切除，II段和III段返回；在线路末端f2点短路时，保护II段和III段启动，II段以0.5s时限切除故障，III段返回。若I、II段拒动，则过电流保护以较长时限将QF1跳开，此为过电流保护的近后备作用。当在线路L2上f3点发生故障时，应由保护2动作跳开QF2，但若QF2拒动，则由

保护1的过电流保护动作将QF1跳开，这是过电流保护的远后备作用。 （2）阶段式电流保护的原理图

阶段式电流保护的原理图如图下所示，图中各元件均以完整的图形符号表示，有交流回路和直流回路，图中所示的接线方式是广泛应用于小接地电流系统电力线路。由继电器KA1、KS1组成I段；KA2、KT1、KS2组成II段；KA3、KT2、KS3组成III段。

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五、阶段式电流保护实验参数整定计算

5.1计算各点最大和最小运行方式下的短路电流 当系统在最大运行方式下运行时有： f1的三相短路电流为：

(3)Id.f1.MAX?ESXS,MIN?200/3?11.547A

10f1的两相短路电流为：

(2)Id.f1.MAX?3(3)3Id.f1.MAX??11.547=10.000A 22f2的三相短路电流为：

(3)Id.f2.MAX?ES200/3??2.624A

XS.MIN?Z1LAB10?0.4?85f2的两相短路电流为：

(2)Id.f2.MAX?3(3)3Id.f2.MAX??2.624=2.272A 22由于f3点和f2点距离很近，两者之间的阻抗值可以忽略, 其短路电流几乎是相等的。故f3的三相短路电流为：

(3)(3)Id?I.f3.MAXd.f2.MAX?2.624A

f3的两相短路电流为：

(2)(2)Id?I.f3.MAXd.f2.MAX?2.272A

f4的三相短路电流为：

LAC?LAB?LBC?85?80?165km

I(3)d.f4.MAXES200/3???1.519A XS,MIN?Z1LAC10?0.4?1653(3)3Id.f4.MAX??1.519=1.315A 225

f4的两相短路电流为：

(2)Id.f4.MAX?

电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文 同理，系统在最小运行方式下运行时有： f1的三相短路电流为：

(3)Id.f1.MIN?ESXS,MAX?200/3?8.248A 14f1的两相短路电流为：

(2)Id.f1.MIN?3(3)3Id.f1.MIN??8.248=7.143A 22f2的三相短路电流为：

(3)Id.f2.MIN?ES200/3??2.406A

XS.MAX?Z1LAB14?0.4?853(3)3Id.f2.MIN??2.406=2.084A 22f2的两相短路电流为：

(2)Id.f2.MIN?f3的三相短路电流为：

(3)(3)Id?I.f3.MINd.f2.MIN?2.406A

f3的两相短路电流为：

(2)(2)Id?I.f3.MINd.f2.MIN?2.084A

f4的三相短路电流为：

I(3)d.f4.MINES200/3???1.443A XS,MAX?Z1LAC14?0.4?165f4的两相短路电流为：

(2)Id.f4.MIN?3(3)3Id.f4.MIN??1.443=1.250A 22

故对单侧电源辐射式线路，L1的继电保护方案可拟定为阶段式电流保护，保护采用二相二继电器接线，其接线系数

kcon?1，电流互感器采用1:1，在最

大运行方式下及最小运行方式下f1、f2、f3、f4各点短路电流值见下表：

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电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文 表2 最大运行方式下及最小运行方式下f1、f2、f3、f4各点短路电流值

短路点 最大运行方式下三相短路电流（A） 最大运行方式下两相短路电流（A） 最小运行方式下三相短路电流（A） 最小运行方式下两相短路电流（A） f1 f2 f3 f4 正常最大工作电流 0.25 11.547 2.624 2.624 1.519 10.000 2.272 2.272 1.315 8.248 2.406 2.406 1.443 7.143 2.084 2.084 1.250

5.2 对AB线路继电保护进行三段整定 5.2.1无时限电流速断保护

在被保护线路上发生短路时，流过保护安装点的短路电流值，随短路点的位置不同而变化。在线路的始端短路时，短路电流值最大；短路点向后移动时，短路电流将随线路阻抗的增大而减小，直至线路末端短路时短路回路的阻抗最大，短路电流最小。短路电流值还与系统运行方式及短路的类型有关。如图2所示。

图2 瞬时电流速断保护的整定及动作范围

曲线1表示在最大运行方式下发生三相短路时，线路各点短路电流变化的曲线；曲线2则为最小运行方式下两相短路时，短路电流变化的曲线。如果要求在

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电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文 被保护线路的末端短路时，保护装置能够动作，那么，在下一线路始端短路时，保护装置不可避免地也将动作。这样，就不能保证应有的选择性。为了保证保护动作的选择性，将保护范围严格地限制在本线路以内，就应使保护的动作电流

)Iop1.1大于最大运行方式下线路末端发生三相短路时的短路电流Id(3.f2.MAX，即

(3)Iop1.1?Id.f2.MAX

为了保证装置不误动，考虑到非周期分量、实际的短路电流大于计算值、保护装置的实际动作电流小于整定值、一定的裕度等因素，可引入可靠系数

Kk'=1.～21.3，则动作电流为：

(3)Iop1.1?Kk'IdA ，其中Kk取1.3 .f2.MAX?1.3?2.624?3.411'灵敏性校验：

最大运行方式下的最小保护范围：

lmin.max10.866ES10.866?200/3?(?XS.MIN)?(?10)?48.292km Z1Iop1.10.43.41110.866ES10.866?200/3(?XS.MAX)?(?14)?38.292km Z1Iop1.10.43.411最小运行方式下的最小保护范围：

lmin.min?lmin.max%?lmin.max48.292?100%??100%?56.814%?50% L185lmin.min38.292lmin.min%??100%??100%?45.049%?15%

L185满足灵敏性要求。

本段保护整定电流值为3.4A，可选用DL-21C型电流继电器，其额定电流为6A，动作电流的整定范围为1.5～6A，线圈采用并联接法。 5.2.2带时限电流速断保护

无时限电流速断保护虽然能实现快速动作，但却不能保护线路的全长。因此，必须装设第II段保护，即带时限电流速断保护，用以反应无时限电流速断保护区外的故障。对第II段保护的要求是能保护线路的全长，还要有尽可能短的动作时限。

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带时限电流速断保护要求保护线路的全长，那么保护区必然会延伸至下一线路，因为本线路末端短路时流过保护装置的短路电流与下一线路始端短路时的短路电流相等，再加上还有运行方式对短路电流的影响，如若较小运行方式下保护范围达到线路末端，则较大运行方式下保护范围必然延伸到下一线路。为尽量缩短保护的动作时限，通常要求带时限电流速断延伸至下一线路的保护范围不能超出下一线路无时限电流速断的保护范围，因此线路L1带时限电流速断保护的动作电流

IIIop1.1应大于下一线路无时限电流速断保护的动作电流

IIop1.2，即

IIIop1.1?IIop1.2

线路L2无时限电流速断保护的动作电流：

I'Iop?K1.2kIf4.B.MAX?1.3?1.519?1.975A

则限时电流速断保护的动作电流为：

II\IIop?KA ，其中Kk取1.1 1.1kIop1.2?1.1?1.975?2.173\保护装置灵敏性校验：

L1线路末端在最小运行方式下，发生两相短路时的电流

(2)Id.f2.MIN?3(3)3Id.f2.MIN??2.406?2.084A 22故其灵敏系数为：

Klm?(2)Id.f2.MINIIIop1.1?2.084?0.959?1.3

2.173由于Ⅱ段保护的灵敏度不能满足要求，故需采用降低动作电流来提高其灵敏度。为此，应使线路L1上的带时限电流速断保护范围与线路L2上的带时限电流速断保护相配合，即

IIIop1.2?KI\Ikop1.3

但由于本设计题目中未给出L2线路下一段的线路参数，为了解决问题，我门在L2线路的后增加了一段长度为L3?250km的线路，则可以计算出，系统在最大运行方式运行式，L3段线路末端的三相短路电流为：

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(3)d.f5.MAXI?XS.MINES200/3??0.656A?Z1(L1?L2?L3)10?0.4?(85?80?250)

L3段线路的无限时速断保护动作电流为：

I'(3)Iop?K1.3kId.f5.MAX?1.3?0.656?0.853A

灵敏性校验：

最大运行方式下的最小保护范围：

lmin.max10.866ES10.866?200/3?(I?XS.MIN)?(?10)?268.083km Z10.40.853Iop1.3最小运行方式下的最小保护范围：

lmin.min?10.866ES10.866?200/3(I?XS.MAX)?(?14)?258.083km Z10.40.853Iop1.3lmin.max%?lmin.max268.083?100%??100%?64.598%?50%

L1?L2?L385?80?250lmin.min%?lmin.min258.083?100%??100%?62.189%?15%

L1?L2?L385?80?250满足电流速断保护的灵敏性要求。 则线路L2的II段整定电流为：

II\IIop?K1.2kIop1.3?1.1?0.853?0.938A

线路L2的II段灵敏性校验：

L2线路末端在最小运行方式下，发生两相短路时的电流

I(2)d.f4.MIN3(3)3?Id.f4.MIN??1.443?1.25A 22(2)Id.f4.MINIIIop1.2其灵敏系数为：

Klm??1.250?1.33?1.3

0.938那么，L1段的带时限电流速断保护的电流整定值为：

II\IIop?K1.2kIop1.3=1.1?0.938=1.032A

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电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文 其灵敏系数为：

Klm?灵敏度满足要求。

(2)Id.f2.MINIIIop1.12.084??2.02>1.3 1.032本段保护整定电流值为1A，可选用DL-21C型电流继电器，其额定电流为3A，动作电流的整定范围为0.5～2A，线圈采用并联接法。 动作时限：

???t?S A=tB??t=0.5?0.5=1为了便于观察时限可整定为1秒，时间继电器可选用DS-21型，其延时范围为0.25～1.25S。

5.2.3定时限过电流保护

无时限电流速断保护和带时限电流速断保护能保护线路全长，可作为线路的主保护用。为防止本线路的主保护发生拒动，必须给线路装设后备保护，以作为本线路的近后备和下一线路的远后备。这种后备保护通常采用定时限过电流保护，又称为第III段保护，其动作电流按躲过最大负荷电流整定，动作时限按保证选择性的阶梯时限来整定。其原理接线图与带时限电流速断保护相同，但由于保护范围和保护的作用不同，其动作电流和动作时限则不同。 过电流保护工作原理：

正常运行时，线路流过负荷电流，保护不动作。当线路发生短路故障时，保护启动，经过保证选择性的延时动作，将故障切除。 过电流保护动作电流：

过电流保护动作电流的整定，要考虑可靠性原则，即只有在线路存在短路故障的情况下，才允许保护装置动作。

过电流保护应按躲过最大的负荷电流计算保护的动作电流，根据可靠性要求，过电流保护的动作电流必须满足以下两个条件。

1） 在被保护线路通过最大负荷电流的情况下，保护装置不应该动作，即

IIIIop1?ILmax。

IIII式中，op1——保护的一次动作电流值

ILmax——被保护线路的最大负荷电流

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电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文 最大负荷电流要考虑电动机自启动时的电流。由于短路时电压下降，变电所母线上所接负荷中的电动机被制动，在故障切除后电压恢复时，电动机有一个自启动过程，电动机自启动电流大于正常运行时的额定电流Imax，则线路的最大负荷电流ILmax也大于其正常值IR，即ILmax式中，Kast——自启动系数，一般取1.5?3。

2）对于已经启动的保护装置，故障切除后，在被保护线路通过最大负荷电流的情况下应能可靠地返回。如图11-4所示，在线路L1、L2分别装有过电流保护1和保护2，当在f

图11-4 过电流保护动作电流?KastIR。

EsAL1BfL2M点短路时，短路电流流过保护1也流过保护2，它们都启动。按选择性的要求，应该由保护2动作将QF2跳开切除故障。但由于变电所B仍有其他负荷，并且因电动机自启动，线路L1可能出最大负荷电流，为使保护1的电流继电器可靠返回，它的返回电流Irel（继电器的返回电流折算到一次电路的值），应大于故障切除后线路L1最大负荷电流ILmax。

Irel?KastIR Irel?KrelKastIR

式中，Irel——保护1的返回电流

Ire由于Kre?IopIIop1?rel

KreEsAL1Bf1L2Cf2L3，即

(a)t1t2IIIIop1KrelKast?IR

Krett(b)图11-5 定时限过电流保护的动作时限12

式中，Krel——可靠系数，取1. 2 ?1.25。

Kre——电流继电器的返回系数，取0.85?0.95。

故线路L1的定时限过电流保护的动作电流为：

t3电力系统继电保护课程设计 07电力02谭善文

IIIIop1.1?KrelKast1.2?1.5IR=?0.25=0.53AKre0.85

灵敏性校验

作为L1段的近后备保护时有：

Klm?满足灵敏性要求。 作为远后备保护时有：

(2)Id.f2.MINIIIop1.12.084??3.932>1.5 0.53Klm?满足灵敏性要求。

(2)Id.f4.MINIIIop1.11.250??2.358>1.5 0.53本段保护整定电流值为0.53A，可选用DL-21C型电流继电器，其额定电流为3A，动作电流的整定范围为0.5～2A，线圈采用串联接法。 动作时限：

????t?A=tA??t=1?0.5=1.5S

为了便于观察时限可整定为3秒，时间继电器可选用DS-22型，其延时范围为1.2～5S。

5.2.4阶段式保护选用的继电器规格及整定值列表

表3 阶段式保护选用的继电器规格及整定值 序号 1 2 3 4 5

用途 无时限电流速断保护 带时限电流速断保护 定时限过电流保护 带时限电流速断时间 定时限过电流保护时间 型号规格 DL－21C DL－21C DL－21C DS－21 DS－22 整定范围 1.5～6A 0.5～2A 0.15～2A 0.25～1.25s 1.2～5s 实验整定值 线圈接法 3.4 A 1.0A 0.53A 1 s 3 s 并联 并联 串联 13

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