35KV输电线路保护设计

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绪论

电力系统在运行中，可能发生各种故障和异常运行状态。故障和异常运行状态都可能在电力系统中引起事故。较其他电气元件，输电线路是电力系统中最容易发生故障的一环。故障一旦发生，必须迅速而有选择性的切除故障区段，使非故障区段正常供电，这是保证电力系统安全运行的最有效方法之一。实现这些功能的就要靠继电保护装置。随着微机技术的发展及现代社会对供电可靠性的提高，微机保护装置正日益普遍的用于电力系统中。

1.无论传统继电保护还是现代微机保护，其基本任务都是：

（1）当电力系统被保护元件发生故障时，保护装置应能自动、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）当电力系统被保护元件出现异常运行状态，能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。

2.对电力系统继电保护的基本要求：

动作于跳闸的继电保护，在技术上一般应满足四个基本要求，即选择性、速动性、灵敏性和可靠性。 （1）选择性

继电保护动作的选择性是指保护动作装置动作时，仅将故障元件从电力系统中切除，使停电范围尽量缩小，以保证系统中的无故障部分仍能继续安全运行。 （2）速动性

快速的切除故障可以提高电力系统并列运行的稳定性，减少用户在电压降低的情况下工作的时间，以及缩小故障元件的损坏程度。因此，在故障发生时，应力求保护装置能迅速动作切除故障。 （3）灵敏性

继电保护的灵敏性，是指对于其保护范围内发生故障或者不正常运行状态的反应能力。满足灵敏性要求的保护装置应该是在事先规定的保护范围内部故障时，不论短路点的位置、短路的类型如何，以及短路点是否有过渡电阻都能敏锐感觉，

正确反应。 （4）可靠性

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保护装置的可靠性是指在该保护装置规定的保护范围内发生了它应该动作的故障时，它不应该拒绝动作，而在任何其他该保护不该动作的情况下，则不应该误动作。

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第1章 继电保护的作用和发展

1.1 继电保护的作用

1.1.1 继电保护在电力系统中的作用

电力系统在生产过程中，有可能发生各类故障和各种不正常情况。其中故障一般可分为两类：横向不对称故障和纵向不对称故障。横向不对称故障包括两相短路、单相接地短路、两相接地短路三种，纵向对称故障包括单相断相和两相断相，又称非全相运行。电网在发生故障后会造成很严重的后果： （1）电力系统电压大幅度下降，广大用户负荷的正常工作遭到破坏。 （2）故障处有很大的短路电流，产生的电弧会烧坏电气设备。

（3）破坏发电机的并列运行的稳定性，引起电力系统震荡甚至使整个系统失去稳定而解列瓦解。

（4）电气设备中流过强大的电流产生的发热和电动力，使设备的寿命减少，甚至遭到破坏。

不正常情况有过负荷、过电压、电力系统振荡等.电气设备的过负荷会发生发热现象，会使绝缘材料加速老化，影响寿命，容易引起短路故障。

继电保护被称为是电力系统的卫士，它的基本任务有：

（1）当电力系统发生故障时，自动、迅速、有选择地将故障设备从电力系统中切除，保证系统其余部分迅速恢复正常运行，防止故障进一步扩大。 （2）当发生不正常工作情况时，能自动、及时地选择信号上传给运行人员进行处理，或者切除那些继续运行会引起故障的电气设备。

可见继电保护是任何电力系统必不可少的组成部分，对保证系统安全运行、保证电能质量、防止故障的扩大和事故的发生，都有极其重要的作用。

1.1.2 继电保护的基本原理和基本要求

电力系统从正常情况运行到故障或不正常运行时，它的电气量（电流、电压的大小和它们之间的相位角等）会发生非常显著的变化，继电保护就是利用电气的突变来鉴别系统有无发生故障或不正常运行状态，根据电气量的变化测量值与系统正常时的电气参数的对比来检测故障类型和故障范围，以便有选择的切除故障。

一般继电保护装置由测量元件、逻辑元件和执行元件组成。

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测量元件将保护对象（输电线路、主变、母线等电气设备）的电气量通过测量元件（电流互感器和电压互感器）转换为继电保护的输入信息，通过与整定值（继电保护装置预先设置好的参数）进行比较，鉴别被保护设备有无故障或是否在正常状态运行，并输出相应的保护信息。逻辑元件根据测量元件的信息，判断保护装置的动作行为，如动作于跳闸或信号，是否需要延时跳闸或延时发信。执行元件则根据逻辑元件输出的信息，送出跳闸信息或报警信息至断路器的控制回路或报警信号回路。

继电保护根据电力系统的要求，对于直接作用于断路器跳闸的保护装置，有以下几个基本要求。

1.选择性

电力系统发生故障时，继电保护的动作应具有选择性，它仅切除故障部分，不影响非故障部分的继续运行，保证最大范围的供电，尽量缩小停电范围。

2.快速性

电力系统由于其实时性的特点，当发生故障时要求继电保护装置尽快动作，切除故障，这样可以

（1）系统电压恢复快，减少对广大用户的影响 （2）电气设备的损坏程度降低 （3）防止故障进一步扩大

（4）有利于闪络处绝缘强度的恢复，提高了自动重合闸的成功率

一般主保护的动作时间在1～2s以内，后备保护根据其特点，动作时间相应增加。

3.灵敏性

继电保护装置反映故障的能力称为灵敏性，灵敏度高，说明继电保护装置反映故障的能力强，可以加速保护的起动。 4.可靠性

根据继电保护的任务和保护范围，如果某一保护装置应该动作而未动作则称为拒动；如果电力系统在正常运行状态或故障不在保护范围内，保护装置不应动作而动作了则称为误动。继电保护的拒动和误动将影响装置的可靠性，可靠性不高，将严重破坏电力系统的安全稳定运行。装置的原理、接线方式、构成条件等方面都直接决定了保护装置的可靠性，因此现在的保护装置在选用时尽量采用原理简单、运行经验丰富、装置可靠性高的保护。

除了以上四个基本的要求外，在实际的选用中，还必须考虑到经济性，在能实现电力系统安全运行的前提下，尽量采用投资少、维护费用低的保护装置。

1.2 继电保护的发展

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电力系统继电保护技术是随着电力系统的发展而发展的。首先是与电力系统 对运行可靠性要求的不断提高密切相关的。熔断器就是最初出现的简单过电流保护。这种保护时至今日仍广泛应用于低压线路和用电设备。由于电力系统的发展，用电设备的功率发电机的容量不断增大，发电厂变电所和供电电网的结线不断复杂化，单纯采用熔断器保护难以实现选择性和快速性要求，于是出现了作用于专门的断流装置的过电流继电器，利用继电器和断路器的配合来切除故障设备。19世纪90年代出现了装于断路器上并直接作用于断路器的一次式电磁式过电流继电器。20世纪初继电器开始广泛应用于电力系统的保护。这个时期可认定是继电保护技术发展的开端。

20世纪50年代以前继电保护装置都是由电磁型，感应性或电动型继电器组成 的，统称为机电式继电器。20世纪50年代，由于半导体晶体管的发展，开始出现了晶体管式继电保护装置。20世纪80年代后期，标志着静态继电保护从第一代向第二代的过渡。再20世纪60年代末，就提出用小型计算机实现继电保护的设想。70年代后半期，出现了比较完善的微型计算机保护样机，并投入到电力系统中试运行。80年代微型计算机保护在硬件结构和软件技术方面已趋向成熟，并在一些国家推广应用，这就是第三代静态继电保护装置。微型计算机保护具有巨大的计算分析和逻辑判断能力，有很强的存储记忆功能，可实现和完善各种复杂的保护功能。进入20世纪90年代以来，在我国已得到广泛的应用，受到电力系统运行人员的欢迎，已成为继电保护装置的主要型式。

在电力系统中，配电系统同电力用户的关系最密切，最直接、配电系统的安全可靠供电直接关系各行各业的生产、千家万户的生活、甚至于人们的生命安全。因此在配电系统中对继电保护有很高的要求。传统上采用独立的装置，有专门人负责，希望继电保护装置能快速有效地检出，切除、隔离故障，并能快速恢复供电。配电系统中的继电保护装置与整个电力系统的继电保护一样，历经了电磁型、晶体管型、集成电路型、微机型的发展过程。至今，不同形式的保护还在配电系统中广泛存在并发挥作用。对于微机型继电保护装置由于其性能的优越运行可靠，越来越得到用户的认可而在配电系统中大量使用。同时，由于用户不断提高的要求和制造厂家的努力，继电保护技术在配网中得到很大的发 展，并且超越原有的行业范围，走向多功能智能化，而传统意义上的独立的继电保护装置正在消失。

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第2章 变电站电气部分总体分析

2.1 架空导线及电缆线的选择

由原始资料可知，该变电所35KV馈线两回，输电线路距离分别为7.1km、11km，由于电压等级高，输送距离远，从经济性考虑，初步选用钢芯铝绞线。又知该两回35KV线路，最大负荷6000KW，最小负荷5200KW;平均功率因数为0.8，因此可求出此线路在最大负荷且单回运行时的负荷电流：

Imax=6000/(0.8*1.732*35)=123.7A

可用经济电流密度选择钢芯铝绞线的截面：

表2-1经济电流密度J值（A/mm2）

导线材质 年最大负荷利用小时数（h） 3000以下 铜 铝 3.00 1.65 3000-5000 2.25 1.15 5000以上 1.75 0.90 因35KV线路所接负荷为附近大型企业，可选最大负荷利用小时数在3000-5000h之间。因此，由表中J值可得：

S=Imax/J=123.7/1.15=107.6mm2

对应标称截面，所以选择120mm2钢芯铝绞线。

按发热条件校验导线截面：规程规定，钢芯铝绞线在正常情况下运行的最高温度不得超过70℃，事故情况下不得超过90℃.在环境温度为25℃，长期运行最高温度为70℃时，LGJ-120的允许载流量为380A,在发生事故时载流量可提高20%，即发生故障时允许载流量为456A。远大于最大负荷电流123.7A。考虑到变电所全年最高气温39.3℃，非25℃标准温度，按39.3℃最恶劣条件校验，需在原载流量的基础上乘以校正系数K=0.81,所以39.3℃时的允许载流量分别为307.8A和369.4A。仍远大于最大负荷电流，即选用LGJ-120合适。

同理，10KV四回架空出线可选用LGJ-95。

10KV电缆出线的最大负荷电流为Imax=1600/（1.732*10）=92.4A，查表可知95mm2交联聚乙烯绝缘电缆的长期允许载流量为230A,即可选用YJL-3×95-10电力电缆。

2.2 变压器主、后备保护的选择

该变电所两台变压器均选用SZ7-6300KVA，为油浸式三相有载调压变压器，

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根据《继电保护与安全自动装置的运行条例》，①800KVA及以上的油浸式变压器和400KVA以上的车间内油浸式变压器均应装设瓦斯保护。②6300KVA及以上并列运行的变压器，10000KVA及以上单独运行的变压器，发电厂厂用变压器和工业企业中6300KVA及以上重要变压器，应装设纵联差动保护。③10000KVA及以下的电力变压器，应装设电流速断保护，其过电流保护的动作时限应大于0.5s。

瓦斯保护的主要优点是灵敏度高，动作迅速，简单经济。当变压器内部发生严重漏油或匝数很少的匝间短路时，往往纵联差动保护与其他保护不能反映，而瓦斯保护却能反映。但瓦斯保护只能反映变压器油箱内的故障，不能反映油箱外套管与断路器间引出线的故障，因此必须用瓦斯保护必须和纵联差动保护配合共同作为该变压器的主保护。

考虑到主保护有拒动的可能，因此应设后备保护。后备保护选用过电流保护，其保护的动作电流按躲过变压器可能出现的最大负荷电流来整定，保护的动作时间与下级保护动作时间配合。

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第3章 短路计算

3.1 元件参数计算

为了简便计算,计算方法采用标幺值法。

1.实测的参数主要包括：发电机，变压器，架空线路,电缆线路等。在计算高压电路中的短路电流时,只需考虑发电机、变压器、电抗器的电抗、而忽略其电阻;对于架空线和电缆,只有当其电阻大于电抗1/3时才需计入电阻,一般也只计电抗而忽略电阻。

2.可选取系统基准参数 基准频率：50HZ 基准容量：100MVA 基准电压：37KV 则： Ij=Sj/(1.732*37)=1.56KA

Xj= Up2/ Sj=13.69?

35KV变电站系统图

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系统1系统2LGJ-120LGJ-12011KM7.1KMSZ7-6300/35Ud%=7.51#变2#变SZ7-6300/35Ud%=7.5YJL-LGJ-953*95-10

图3-1 35KV变电所系统图

3.1.1 发电机参数计算

原始资料中系统1和系统2两台发电机均为无穷大的容量。即：SC1=SC2=∞

1#～2#发电机的短路阻抗标幺值：

X*f1=0 X*f2=0.24

3.1.2 变压器参数计算

原始资料中两台35KV变压器参数： ST1=ST2=6300KVA=6.3MVA

短路电压百分比查电力变压器参数表可知： Ud1%=7.5 Ud2%=7.5

根据公式计算出1#～2#35KV变压器短路阻抗标幺值： X*3?XUd%*?4?Sj?7.5?10?01.1100S 9 e1006.3

3.1.3 线路参数计算

LGJ-120 11Km线路的阻抗为：XL=X1×L1=0.4×11=4.4? ， （3-1）

LGJ-120 7.1Km

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线路的阻抗为：XL=X1×L2=0.4×7.1=2.84?。

则：

X*L1?X?L1SjUp2SjUp2?0.4?11?100372?0.32 （3-2） （3-3）

X*L2?X?L2?0.4?7.1?100372?0.21

至此，可得出该35KV系统的等值阻抗图：

图3-2 35KV系统的路等值阻抗

3.2 最大/小运行方式下等值阻抗分析

最大运行方式为两台发电机组和两台35KV变压器全部投入运行，进行系统简化，等效电路如下：

图3-3 最大运行方式下等值阻抗

此时阻抗值如下：

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X*L=X*L1//X*L2=0.12 X*T=X*3//X*4=0.60

X*6= X*L1//（X*L2+ X*f2）=0.19

系统最小运行方式下，只有一台变压器投入运行，等效电路图如下：

图3-4最小运行方式下等值阻抗

此时线路阻抗值如下：

X*L= X*L2=0.21

变压器阻抗值如下：

X*T= X*4 =1.19

3.3 短路电流计算

37KV侧：d1点短路电流计算

(1)三相短路电流计算 取Up=37KV,则基准电流为：

I100j=Sj==1.56KA

3Up3?37d1点短路总阻抗为：

X*d1?=X*6=0.19

则三相短路次暂态电流有效值（等于稳态短路电流）为：

I?j=1.56d1=I d1?=I0.19=8.2KA

?X*6? 短路全电流最大有效值为:

Ich1=1.52I?d1=1.52?8.2=12.5KA

三相短路冲击电流为：

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三相短路容量为：

Sd1=3Up I?d1=3?37?8.2=525.5MVA

(2)两相短路电流计算

I(2)3d1=) d12I(3=0.866?8.2=7.1KA

10.5KV侧：d2点短路电流计算 (1)三相短路电流计算

取Up=10.5KV,则基准电流为：

Ij?Sj?100?5.5KA

3UP3?10.5d2点短路总阻抗为：

X*d2?=X*6 +X*7 =0.79

则三相短路次暂态电流有效值（等于稳态短路电流）为：

I(3)5.5d2=I d2?=Ij?X*6 +X0.79KA

*7?==7.0(2) 两相短路电流计算：

I(2) d2=3(3) d22 I=0.866?7.0= 6.1KA

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第4章 35KV线路主保护选择与整定

4.1 电流、电压保护整定计算考虑原则

4.1.1 电流、电压保护的构成原理及使用范围

电流、电压保护装置是反应相间短路基本特征（既反映电流突然增大，母线电压突然降低），并接于全电流、全电压的相间保护装置。整套电流、电压保护装置一般由瞬时段、定时段组成，构成三段式保护阶梯特性。

三段式电流、电压保护一般用于110kV及以下电压等级的单电源出线上，对于双电源辐射线可以加方向元件组成带方向的各段保护。三段式保护的Ⅰ、Ⅱ段为主保护，第Ⅲ段为后备保护段。Ⅰ段一般不带时限，称瞬时电流速断，或瞬时电流闭锁电压速断，其动作时间是保护装置固有的动作时间。Ⅱ段带较小延时，一般称为延时电流速断或延时电流闭锁电压速断。Ⅲ段称为定时限过电流保护，带较长时限。对于6—10KV线路一般采用两段式保护。两段式保护的第一段为主保护段，第二段为后备保护段。

电流、电压保护简单可靠，有一定反映弧光电阻的能力，因此，当保护性能满足要求基本要求时，应优先采用。

4.1.2 对电流、电压保护装置的的基本要求及整定计算考虑原则

一、保护区及灵敏度

保护装置第Ⅰ段，要求无时限动作，保护区不小于线路全长的20%。

第Ⅱ段电流定值在本线路末端故障时灵敏度满足： （1） 对 50km 以上的线路不小于1．3 （2） 对20～ 50km 的线路不小于1．4 （3） 对 20km 以下的线路不小于1．5

第Ⅲ段电流定值在本线路末端故障时要求灵敏系数不小于1.5，在相邻线路末端故障时，力争灵敏系数不小于1.2。

二、定值配合及动作时间

保护定值的配合包括电流、电压元件定值的配合及动作时间的配合。电流、电压元件定值由可靠系数保证，动作时间定值由时间级差保证。

保护装置第Ⅰ段一般只保护本线的一部分，不与相邻线配合。

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第Ⅱ段一般与相邻线路第Ⅰ段配合，当灵敏度不足时，可与相邻线路第Ⅱ段配合。

第Ⅲ段与相邻线路（或变压器）第Ⅲ段（或后备段）配合，当灵敏度足够时，为了降低Ⅲ段动作时间，也可与相邻线路第Ⅱ段配合整定。

三、计算用运行方式及短路电流

保护定值计算，灵敏度校验及运行方式选择，均采用实际可能的最大、最小（最不利）的方式及一般故障类型，不考虑特殊方式及双重的复杂故障类型，对于无时限动作或远离电厂的保护，整定计算是不考虑短路电流衰减。

四、系统振荡及发电机自启动

电流、电压保护装在双电源线路上，一般用整定值躲开振荡影响，而不设振荡闭锁装置，以便简化保护。对于振荡中心附近的母线单电源出线，当系统振荡可能拒动时，应设低电压保护装置，以保证线路故障可靠切除。对应电动机自启动可能造成后备保护误动时，应从定值上躲开或加低电压闭锁，以防止误动。

4.2 电流闭锁电压保护

一．瞬时电流闭锁电压速断保护

如果电源容量小、线路短、运行方式变化大，或短线路带较大容量的变压器（即变压器电抗也小），经计算证明采用瞬时电流速断保护或无选择性电流速断保护不能保证足够的灵敏性时，可以采用瞬时电流闭锁电压速断保护。这种保护可用于35KV线路。

瞬时电流闭锁电压速断保护装置接线只需把时间继电器换成中间继电器即可。这种保护除用作单回线具有时限阶段的保护装置的瞬动段和作为向降压变压器供电的单回线的主保护外，也可与自动重合闸装置配合，构成多段串联的放射式线路的主保护。

（一）保护装置电流元件、电压元件动作值的整定计算

1．按在某一主要运行方式下电流 电压元件具有相同的保护范围整定 瞬时电流闭锁电压速断保护作为本线路的第一段时，为了使该保护装置在某一主要运行方式下，具有较大的保护范围，保护装置电流元件和电压元件的动作值可按在该运行方式下具有相同的保护范围整定。

作为电流元件的电流继电器一次动作电流为：

Iop.1?Un3(Xs?Xop)Xop?XLKrel (4-1)

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式中:

Un ——额定线电压；

Xs——主要运行方式下保护安装处母线上的系统总电抗； Xop——相应于电流元件及电压元件 保护范围的线路； ——被保护线路的电抗； ——可靠系数，可取1.2~1.3。

XlKrel根据计算出的动作电流值后，还应该按躲过电压回路发生断线时，被保护线路的最大负荷电流ILo.max 进行校验，因此一次动作电流Iop.1应满足关系式

式中:

Iop.1?Kre?lILoKr.max (4-2)

Krel——可靠系数，取1.2~1.3；

Kr——返回系数，取0.85； ——线路的最大负荷电流。

KrelKstILo.maxKrKwiIop.1naILo.max构成电流元件的电流继电器动作电流计算式为：

Iop.1? (4-3)

式中:

Iop.r? (4-4)

Iop.1——保护装置的一次动作电流；

ILo.maxIop.r——流过被保护线路的最大负荷电流；

——继电器的动作电流。

Uop.1?Uop.r?3Iop.1XLKrelUop.1nv

式中:

Kst——自启动时所引起的过负荷系数； ——可靠系数，DL型继电器取1.2；

3KrelKwi——接线系数，对两相一继电器的差接方式Kwi取，对两相两

继电器不完全星形接线Kwi取1；

Krna——继电器的返回系数，DL型继电器取0.85； ——电流互感器的变比。

?2~4在确定最大负荷电流时，必须选取实际可能出现的最严重的运行方式作为计算根据。当无Kst数据时，根据启动电流大小的不同情况可采用综合系数K来计算，此时不再考虑Krel和Kr。

构成电压元件的电继压电器一次动作电压计算式为：

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Uop.1?3Iop.1XLKrel （4-5）

式中： Krel——可靠系数，采用1.2~1.3。

构成电压元件的电压继电器动作电压计算式为：

Uop.1?UminKrelKrUop.1nv （4-6）

Uop.r? （4-7）式

中： Uop.1——保护装置的一次动作电压；

Umin——配电系统最低工作线电压； ——继电器的动作电压；

Uop.rKrel——可靠系数，取1.1~1.2；

Krnv——继电器的返回系数； ——电压互感器的变比。

为了在最小运行电压下，当被保护线路以外发生短路时，如果电压继电器已动作，并能在短路被切除后被返回，从而在电动机自启动时保证本保护不误动作，构成电压元件的电压继电器一次动作电压还应该按下式校验：

Uop.1?UminKrelKr (4-8)

式中： Umin——配电系统最低工作线电压； ——可靠系数，取1.1~1.2；

0.7UnKrelKr——继电器的返回系数，DL型继电器取0.85。

（Un为电网额定线电压）即可满足动作电压的校验的要

实际上用Uop.1?求。

2．按保证电流元件具有足够灵敏性或按电流元件、电压元件具有相等灵敏系数整定

瞬时电流闭锁电压速断保护作为供给一台变压器，或与自动重合闸配合供两台变压器的单侧电源终端单回线路主保护时，有以下两种整定方法。

（1）按保证电流元件具有足够灵敏性的条件整定

①电流元件与电压元件的一次动作电流、电压动作值为： Iop.1? Uop.1?I(2)k.minKsen （4-9）

3Iop.1(XL?XT)Krel （4-10）

式中: I(2)k.min——被保护线路末端两相短路时，流经保护装置的最小短路

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电流；

Ksen——电流元件灵敏系数，取1.25~1.5；

XL——线路电抗；

——可靠系数，可取1.2~1.3。

XT——变压器短路电抗，若为两台变压器时，取其并联电抗值；

Krel按上两式整定保护装置的动作值，能够保证动作的选择性，因为当保护范围以外短路，短路电流小于保护装置电流元件一次动作电流时，电流元件不动作。如果被保护范围以外短路，短路电流大于动作值，电流元件会动作，但电压元件感受的残余电压将大于动作电压，所以电压元件不可能动作，保护也不会无选择动作[残余电压Uk在数值上等于较小者。

②电压元件的灵敏系数按下式校验： Ksen?Uop.1Uk.max?1.253Ik(XL?XT)。

整套保护装置的保护范围，取决于电流元件和电压元件的最小保护范围中的

（4-11）

Uk.max?3XLIk.max式中： Uk.max——最大运行方式下被保护线路末端短路时，保护安装处的最大残

余电压；

Ik.max——最大运行方式下被保护线路末端短路时，保护安装处的最大短

路电流；

XL——线路阻抗。

（2）按电流元件和电压元件灵敏系数相等的条件整定。

如果按式（4-3）和（4-4）整定保护装置的动作值, 电压元件灵敏系数不满足要求时,可按电流元件和电压元件最小灵敏系数相等的条件来选择保护装置的动作值。这样整定可以使经常运行的中间运行方式得到较大的保护范围，即：

I(2)k.min

Iop.1Iop.1??Ksen?(2)Uop.1Uk.max （4-12）

Uk.minIk.minUop.1将（4-4）代入（4-5）,则可得：

Iop.1?KrelUK.minI(2)K.min (4-13)

3(XL?XT)求出Iop.1以后, 电压元件的一次动作电压计算式为：

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Uop.1?Uk.minI(2)k.minIop.1 (4-14)

(二)瞬时电流闭锁电压速断保护装置的保护范围与系统运行方式的关系分析 1.电流元件最小保护范围

图4-1为求电流元件在两相短路时最小保护范围的电抗Xl.min的说明图。在线路末端K点发生两相短路时，流过保护装置电流元件的短路电流Ik.min正好等于动作电流Iop.1。

.EI>U

Iop.1?由式（4-15）得：

I(2)k.min?32Un3(Xs.max?Xli.min) （4-15）

Xli.min?Un2Iop.1?Xs.max （4-16）

式中： UN――额定线电压；

XS.MAX――最小运行方式下，保护装置安装处母线上系统最大综合电抗。

从式（4-16）可见，Xs.max越大，则电流元件的最小保护范围的电抗Xli.min越小。

2.电压元件最小保护范围

图4-2为求电压元件最小保护范围的电抗Xlu.min的说明图。保护装置安装处母线上感受的残余电压正好等于其电压元件的动作电压Uop.1。串联回路中流过的电流，在任一电抗两端产生的电压降与其电抗大小成正比，所以从图4-2可以列出：

.EI>U

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图4-2 求电压元件最小保护范围的电抗Xlu.min

关系式：

Uop.1Xlu.min?UnXs.min?Xlu.minUop.1Un?Uop.1Xs.min （4-17） （4-18）

Xlu.min?由式（4-17）可以看出，Xs.min越小，则电压元件的最小保护范围的电抗Xlu.min也越小。

综上分析可见，瞬时电流闭锁电压速断保护并不能适应运行方式变化较大的需要，因而不少地区在系统发展后不得不改用阻抗保护。

二．限时电流闭锁电压速断保护

限时电流速断保护与其相邻线路或设备的速动保护配合，在被保护线路末端短路时，有时不能保证足够的灵敏性[如相邻线路或设备为较短的线路或容量很大的降压变压器（即变压器的短路阻抗XT较小），在这种情况下，可考虑选用限时电流闭锁电压速断保护，如图4-3所示。

YTQF-1UI>-1KT±KSab来自电压互感器c图4-3 限时电流闭锁电压速断保护接线图

图4-3也可以省去两只电压继电器，而由电压继电器再启动一只中间继电器，由此中间继电器的两对常开触点中的一对发断线信号，另一对常开触点与电流继电器常开触点串接，构成限时电流闭锁电压速断保护。 （一）电流、电压元件的一次动作值

为了保证动作上的选择性，保护的电流元件和电压元件的动作值都需要与下一段线路或变压器的速动保护相配合。

1.当下一级为变压器的速动保护时，限时电流闭锁电压速断保护的电流、电压整定计算

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当下一级为变压器的速动保护时，电流元件均按被保护线路末端短路时，具有足够灵敏性的条件整定。此时电流元件应接在相电流上（即不采用两相电流差接线方式），以保证保护的可靠动作和灵敏性。电流元件的整定计算按式（4-3）进行，电压元件的整定计算按式（4-4）进行。当这样整定电压元件的灵敏性不够时，则电流元件可按式（4-6）计算，电压元件可按式（4-4）或式（4-7）计算。顺便指出，前面所述线路的瞬时电流闭锁电压速断保护靠与自动重合闸配合以补救无选择性动作，能快速切除瞬时性故障，而限时电流闭锁电压速断保护则是靠与延时配合以保证选择性，两者的主要区别在此，应酌情选用。

2.当下一级线路上装有瞬时电流闭锁电压速断保护时，限时电流闭锁电压速断保护的电流、电压元件的整定计算

电流元件一次电流动作值按式（4-13）计算。 电压元件一次电压动作值计算式为：

Uop.1?3Iop.1XL?U'op.1Kco 式中： UOP.1――被保护线路下一级保护电压元件的一次电压动作值；

KCO――配合系数，取1.1； XL――线路电抗。

（二）继电器动作值及保护的灵敏性校验

1.继电器的动作值计算

电流继电器的动作电流按式（4-14）计算。电压继电器的动作电压按式（4-15）计算。

2.电压元件的灵敏性按式（4-16）验算。

电流元件的灵敏性须按式（4-17）或式（4-18）验算。当灵敏性不满足要求时，可考虑与下一级线路第二段延时主保护配合或改用距离保护。

对于35KV单侧电源线路，一般采用一段或两段电流速段或电流速段或电压电流连锁速段保护和过电流保护。

对于本线路采用限时电流闭锁电压速段保护作为主保护。 保护整定如下:

(1) 因为 10KV侧为变压器的速段保护，所以当下一级为变压器的速动保护时，限时电流闭锁电压速段保护的电流，电压整定计算如下：

电流元件的整定计算：

Iop.1=I(2)k.minKsen=7.11.25KA=5.7KA

电压元件的整定计算：

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河南机电高等专科学校毕业设计/论文 Uop1=3 Iop1(Xl+XT)Krel

Xl=XL1 ?? XL2=(0.4?11) ?? (0.4?7.1)=1.7

XT=KrelUd0?Up2SN/=7.5100?3726.3=16.3

取1.25

所以：

Uop1=电压元件的灵敏度校验： Ksen= Uop1Uk.max =142kv24.1kv=5.9>1.253? 5.7?(1.7+16.3)1.25=142KV

满足要求。

(2) 继电器的动作值及保护的灵敏性校验 电流继电器的动作值计算：

Iop.r=Kwi?Iop.1nv=1?5.710KA=570A

电压继电器的动作值计算：

Uop.r=Uop.1nv

Uop.1=UminKrel?nv所以：

Uop.r=371.2?1.25100=24.7KV

保护的灵敏性校验同电压元件的灵敏校验已满足过电流保护，过电流保护作为本线路的后备保护。

(3) 过电流的动作电流计算公式：

Iop.1= Krel?Kst?Il.maxKrKwi?Iop.1nv

Iop.r=

所以：

Iop.1=1?1.2?1.3?6300?20.8?10?3?37A=38.3A

(4) 灵敏度校验：

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Ksen=Ikr.minIop.r?1.5满足要求。

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第5章 35KV线路后备保护选择与整定

5.1 后备保护选择

根据3~110KV电网继电保护装置运行整定规程(DL/T584—95)，本设计35/10KV系统为双电源35KV单母线分段接线，10KV侧单母线分段接线，所接负荷多为化工型，属一二类负荷居多。对于本设计35KV单侧电源线路，一般采用一段或两段电流速段或电流速段或电压电流连锁速段保护和过电流保护，而对于本线路采用限时电流闭锁电压速段保护作为主保护，过电流保护作为本线路的后备保护．

5.2 后备保护整定

配电系统发生短路时，最主要的特征之一就是在大多数情况下线路中的电流将大大地增加。过电流保护装置就是根据这一特征构成的。当流经保护的电流超过整定值时，保护动作，使线路断路器跳闸。反应短路电流常用过电流继电器或通过微机保护判断，过电流保护接在被保护线路的电流互感器二次电流回路中。图5-1所示为单侧电源放射式单回线路，每段线路（或电力设备）的断路器和过电流保护装在该段线路（或电力设备）靠近电源侧的一端，作为线路本身发生短路故障时的主保护，并作为下一级线路的后备保护。图5-1所示的单侧电源放射式配电系统中的过电流保护的选择性，是靠时限配合保证的。

.EI>1I>2I>3I>4Dk1(a)?t23(b)t1t2?t12t3?t34k2t4

图5-1 单侧电源放射式配电系统中的过电流保护

（a）保护装置配置图； （b）按阶梯原则选择的时限图 1、2、3、4—定时限过电流保护装置图

通常过电流保护的时限特性分以下两种： 1.定时限特性

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当短路电流大于保护装置的启动电流时，保护装置动作。保护装置的动作时限是固定的，与短路电流的大小无关。保护的这种特性称为定时限特性。

2.反时限特性

当短路电流较保护装置的动作电流大得不多时，保护装置的动作时限与短路电流的大小成反比。但是在短路电流很大的情况下，保护装置的动作时限受短路电流大小的影响很小，甚至完全不受短路电流大小的影响。

保护装置的时限大小是从用户至电源逐级增长的，即t1?即

t1?t2??t12t2?t3??t23t3?t4??t34t2?t3?t4；为了保

证保护动作的选择性，每个时限之间应有一定的时间间隔，用时限阶段?t表示，

这样构成的时限特性称为阶梯时限特性。按阶段时限特性选择保护动作时限的这种时限选择原则叫阶梯原则。当k2点发生短路时，保护装置4较其他保护装置先动作而切除故障线路；保护装置1、2、3在短路故障切除后立即返回。同理，当k1点短路时，保护装置3动作于跳闸，而保护装置1、2均不跳闸，只有当它们的下一级保护装置或断路器拒动时才动作。

1.保护装置的动作电流

过电流保护装置的动作电流计算公式为

Iop.1?KrelKstILo.maxKrKwiIop.1na

Iop.r? （5-1）

式中：

Iop.1--保护装置一次动作电流；

ILo.Iop.max--流经被保护线路的最大负荷电流；

--r继电器的动作电流；

elKrKst--可靠系数，DL型继电器取1.2，GL型继电器取1.3；

3--自启动时所引起的过负荷系数，根据计算、试验或实际数据确定；

，对两相两继电器

不完全星形接线Kwi=1；

对两相一继电器的差接方式Kwi=Kwi--接线系数，

Kr--继电器的返回系数，DL型继电器取0.85，GL—11、21型继电器取0.85，GL—15、25型继电器取0.8； --电流互感器的变比。

na在确定最大负荷电流时，必须选取实际可能出现的最严重运行方式作为计算根据。当无Kst数据时，根据启动电流大小的不同情况可采用综合系数K=2～4来

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计算，此时不再考虑Krel和Kr。

2. 过电流保护的接线方式和灵敏性校验 接线方式有3种: (1)三相星形接线方式

这种接线方式应用在非直接接地系统，主要有以下缺点：

①需要三个电流互感器和三个继电器，元件多，接线复杂，费用较贵。 ②用在平行线路时，如保护的动作时间相同，发生不同线路的两点接地故障时，动作切除两线路的机会为100%，降低了供电的可靠性。

由于以上原因，三相星形接线方式在非直接接地系统过电流保护中用的较少。 (2)两相不完全星形接线方式

图5-2仅示出定时限特性的两相两继电器瞬时电流速断及过电流保护的接线图。图中速断保护和过电流保护部分各有两只电流继电器分别接在A、C两相电流互感器的二次回路中。过流部分两个电流继电器的触点并联，因此，任一个电流继电器启动后都可以接通时间继电器KT的线圈，启动时间继电器去跳闸。

YTQF+1KA1I>KA2I>+1+1-KM+-KS1+1KA3I>KA4I>+1KT+-KS2-1

图5-2 两相两继电器式瞬时电流速断及过电流保护接线图

通常时间继电器KT的触点容量较大，能够直接跳闸，而不需另外装设触点容量较大的中间继电器。

这种接线方式，一般均装在A、C相上，构成不完全星形接线，可保护各种相间短路。可以证明当发生不同线路两点接地，同时断开两回线路的机会较少，因而两相不完全星形接线方式成为非直接接地系统最广泛应用的接线方式。

如果各线路采用的是电流互感器不装设在同名相上的不完全星形接线方式的保护装置，可以证明：当发生不同相两点接地短路时，有1/6机会两套保护装置均不动作，因而造成越级跳闸，扩大停电范围，这是不允许的。在保护装置动作时间相同的平行线路上发生不同相两点接地时，工作情况最差，除1/6机会越级跳闸外，还有1/2机会同时切除两回线路，仅有1/3机会有选择性地切除一回线路。

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开关量输入 打印机显示器 数据采集 微机系统 人机接口 触摸按键 开关量输出 继电器 图8-1微机保护硬件示意框图

1. 模拟量输入系统

由于微机系统是一种数字电路设备，只能识别数字量，所以就需要将来自TA,TV的电流，电压这一类模拟信号转换为相应的微机系统能接受的数字信号。

2. 微机系统

微机系统是微机保护装置的核心，一般包括：微处理器，只读存储器，随机存取存储器以及定时器，“看门狗”等。微机系统用来分析计算电力系统的有关电量和判定系统是否发生故障，然后决定是否发生跳闸信号。

3. 开关量输入\\输出系统 开关量输入\\输出回路由若干个并行接口适配器、光电隔离器件及有触点的中间继电器等组成。

4. 人机对话接口回路

该回路主要功能用于人机对话，如调试、定值整定、工作方式设定、动作行为记录、与系统通信等。人机对话接口回路主要包括打印、显示、键盘及信号灯、音响或语音告警等。

5. 电源

微机保护的电源是一套微机保护装置的重要组成部分。通常采用逆变稳压电源，一般集成电路芯片的工作电压为5V,而数据采集系统的芯片通常需要双极性的±15V或±12V工作电压，继电器回路则需要24V电压。

8.1.3 微机保护的软件组成

微机保护系统的软件分为接口软件和保护软件两大部分。

1. 接口软件

接口软件是指人机接口部分的软件，其程序可分为监控程序和运行程序。调

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试方式下的执行监控程序，运行方式下执行运行程序。由接口面板上的工作方式或显示器上显示的菜单选择执行哪一部分程序。

监控程序主要就是键盘命令处理程序，是为接口插件及各CPU保护插件进行调节和整定而设置的程序。

接口的运行程序由主程序和定时中断服务程序构成。主程序只要完成巡检，键盘扫描和处理，及故障信息的排列和打印。定时中断服务程序包括软件时钟程序，以硬件时钟控制并同步各CPU插件的软时钟，检测各插件启动元件是否动作的检测启动程序。

2. 保护软件的配置

各保护软件的CPU插件的保护软件配置为主程序和中断服务程序。主程序通常由三个基本模块：初始化和自检循环模块，保护逻辑判断模块和跳闸模块，故障处理模块。对于不同原理的保护，一般而言，前后两个模块基本相同，而保护逻辑判断模块就随不同的保护装置而相差甚远。

中断服务程序一般包括定时采样中断服务程序和串行口通信中断服务程序。在不同的保护装置中，采样算法有些不同或因保护装置有些特殊要求，使得采样中断服务程序部分也不尽相同。不同保护的通信规约不同，也造成程序的很大差异。

3. 微机保护软件的三种工作状态

软件保护一般都有三种工作状态：运行，调试和不对应状态。不同状态时程序流程也就不相同。有的保护没有不对应状态，只有运行状态和调试两种工作状态。

8.2 微机保护的算法

因为微机保护的算法比较繁琐，考虑到自己所学知识的有限和本次设计的要求，在这里对微机保护的算法就只做大概的了解，不具体分析了，希望老师能够谅解。但微机保护的算法对以后工作来说还是很重要的，所以在以后的自学和工作中还是会重点学习和钻研的。

微机保护是用数学运算方法实现故障量的分析，测量，和判断的。而运算的

基础是若干个离散的，量化了的数字采样序列。因此，微机保护的一个基本问题是寻找适当的离散运算方法，使运算结果的精度能满足工程要求。微机保护装置根据模数转换器提供的输入电气量的采样数据进行分析，运算和判断，以实现各种继电保护功能的方法称为算法。

按算法的目标可分为两大类：一类是根据输入电气量的若干点采样值通过数学式或方程式计算出保护所反应的量值，然后与给定值进行比较。另一类算法，

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他是直接模仿模拟型保护的实现方法，根据动作方程来判断是否在动作区内，而不计算具体的数值。虽然这种算法所依循的原理和常规的模拟型保护相同，但通过计算机所特有的数学处理和逻辑运算，可以使某些保护的性能有显著提高。例如，为实现距离保护，可根据电压和电流的采样值计数出复阻抗的模和幅角或阻抗的电阻和电抗分量，然后同给定的阻抗动作区进行比较。这一类保护利用了微机能进行数值计算的特点，从而实现许多常规保护无法实现的功能。这种数字式距离保护的动作特性的形状可以非常灵活，不像常规保护的动作特性形状决定于一定的动作方程。继电保护的类型很多，然而，不论哪一类保护的算法，其核心问题归结到底是算出可表征被保护对象运行特点的物理量。如电流和电压的有效值相位，阻抗等，或者算出他们的序分量，基波分量和某次谐波分量的大小和相位等。利用这些基本的电气量的计算值，就可以很容易地构成各种不同原理的保护。

微机保护常用算法主要有正弦函数模型三采样值算法；周期函数模型等。

8.3 35KV系统微机保护配置

针对该35KV系统的特点，微机保护应设以下功能模块：

1.进线和馈电线路的主、后备保护及自动重合闸装置。 2.变压器的主保护和后备保护。

其他子功能模块：小电流接地系统的单相接地选相，低频减载，备用电源自动投入，故障录波。

1. 馈电线路微机保护。

对于35KV及以下的小接地电流系统中，线路上应装设反映相间故障和单相接地故障的保护装置，当发生相间故障和单相接地故障时，保护装置应动作，对于单侧电源供电系统，一般装设电流保护。

线路TA二次侧的电流经数字采集系统传至CPU，CPU实时计算并进行三段电流判断。为了躲开避雷器的放电时间，装置的一段应设有独立整定的延时时间。Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ段电流保护的逻辑十分相似，各段判别逻辑一致，其动作条件如下： （1）相电流Iph>n段电流定值In.set （2）动作时间t>n段电流定值Tn.set （3）相应于过电流相的低电压条件满足

为了提高过电流保护的灵敏度及提高整套保护动作的可靠性，线路电流保护可低电压元件闭锁，低电压元件在三个线电压中的任一个低于低电压的定值时动作，开放被闭锁的保护元件，利用低压元件，可以保护装置在非故障情况下不出现误动作。在常规保护中很少这样配置，但对于微机保护采用软件很容易实现。

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线路保护中还要带有以下功能：

TV断线检测。当TV断线时，装置中的方向元件电压元件均可能误动作，装置在检测到TV断线后，可根据预先设定好的控制字选择退出带方向元件，电压元件的各段保护，后者退出方向，电压元件。TV断线检测功能可以通过“模拟量求和自检”控制字来实现。

2. 变压器微机保护

电力变压器的微机保护配置与常规保护配置基本相同，但由于微机保护软件的特点，其保护效果更灵活，可靠。

主保护配置：

比例制动式差动保护。由于该35KV电压等级变压器容量不是很大，采用二次谐波闭锁原理的比例制动差动保护。

本体重气体，有载调压重气体。 后备保护配置：

过电流保护。可以采用三段复合电压闭锁过电流保护。 3. 其他子功能模块

（1）小电流接地系统的单相接地选相

我国10KV-35KV电网中，普遍采用中性点不接地或经消弧线圈接地方式。这种接地方式的系统称为小电流接地系统。当这种系统中发生单相接地故障时，一般允许继续运行1-2h，但必须尽快找到接地点，以防事故扩大。

传统解决方法为“顺序拉闸法”，不仅操作复杂，对开关的寿命有影响，而且会造成不必要的停电损失。利用微机保护系统可以在不拉闸停电的情况下找到接地故障。通常根据零序功率方向原理检测接地相，微机检测母线的零序电压和各回路的零序电流，当零序电压小于定值，表明系统正常，反之，表明系统发生了单相接地故障。微机一方面发出接地信号，另一方面计算各回路出线的零序无功功率，从中找出零序无功功率滞后的线路，此线路即为故障线路。 （2）低频减载

频率时电能质量的重要指标之一。电力系统正常运行时，必须维持频率在50±（0.1-0.2）Hz的范围内。当频率偏移过大时，发电设备和用电设备都会受到不良影响，轻则影响工农业产品的产量和质量，重则损坏汽轮机，水轮机等重要设备，甚至引起系统的“频率崩溃”，致使大面积停电，造成巨大经济损失。因此，但系统频率急剧下降时，必须采用低频减负荷装置，有计划，有次序的切除相应的负载，是系统频率维持在正常水平或允许范围内。用微机实现低频减载通常是在每回线路上配一套保护装置，在保护装置中增加一个测频环节，便可以实现低频减负荷的功能。只要将第n级动作的频率和延时动作的时间事先在回路的装置中设置好，则该回路就是第n级切除的负荷。

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（3）备用电源自动投入

备用电源自动投入装置（APD）时当工作电源因故障被断开后，，能迅速自动的将备用电源后备用设备投入工作，使用户不至于停电的一种自动控制装置。微 机型备自投通过利用微处理技术，网络技术和通信技术，使装置更可靠，使用更方便。

（4）故障录波

微机故障录波适用于与各种电压等级的输电线路，变压器等设备。当电力系统发生故障和振荡时，自动记录下故障类型，故障发生时间，电压电流变化过程及继电保护和自动装置的动作情况，计算出短路点到装置安装处的距离等，并且可以通过打印机打印事故报告，通过电力通信系统传送至调度所。

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